第14章二极管和晶体管PPT课件

1、 理解PNPN结的单向导电性；了解二极管、稳压二极管和晶体管的基本构造、工作原理和主要特性曲线，理解主要参数的意义；理解晶体管的电流分配和放大作用。 PN结的单向导电性，半导体三极管电流分配和放大作用。第1页/共41页 半导体三极管电流分配和放大作用，工作原理和主要特性曲线。讲课4 4学时，习题1 1学时。 第2页/共41页掺杂性：在纯净的半导体中掺入微量杂质，半导体的导电能力增加几十万乃至几百万倍（据此可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、晶体管等）。光敏性：当受到光照时，半导体的导电能力显著增强 （据此可做成各种光敏元件，如光敏二极管等）。热敏性：当环境温度增高时，半导体的导电能力显著

2、增强（据此可做成各种热敏元件，如热敏电阻等）。14.1 半导体的导电特性半导体的导电特性半导体的导电特性第3页/共41页 完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。共价健硅原子价电子共价键：每一原子的一个价电子与另一原子的一个价电子组成一个电子对。14.1 14.1 半导体的导电特性半导体的导电特性硅单晶中的共价健结构 Si Si Si Si第4页/共41页价电子获得一定能量( (温度增高或受光照) )后，即可挣脱原子核的束缚( (电子受到激发) )，成为自由电子自由电子。本征半导体的导电机理空穴自由电子 此时，共价键中就留下一个空位，称为空穴空穴。中性的原子被破坏而显出带正电。14.

3、1 14.1 半导体的导电特性半导体的导电特性空穴和自由电子的形成 Si Si Si Si 温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。第5页/共41页 在外电场的作用下，有空穴的原子吸引相邻原子中的价电子来填补这个空穴，同时失去一个价电子的相邻原子的共价键中出现另一个空穴。14.1 14.1 半导体的导电特性半导体的导电特性空穴自由电子空穴和自由电子的形成 Si Si Si Si 如此继续下去，就好象空穴在运动，其方向与价电子运动的方向相反，因此空穴运动 相当于正电荷的运动。第6页/共41页 当半导体两端加上外电压时，半导体中将出现两部分电流： 自由电子作定向运动形成的电子电流； 仍被原子核束缚的

4、价电子递补空穴所形成的空穴电流。统称为载流子自由电子空穴14.1 14.1 半导体的导电特性半导体的导电特性 半导体和金属在导电原理上的本质差别：在半导体中，同时存在着电子导电和空穴导电。 第7页/共41页 温度愈高，载流子数目愈多，半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。 本征半导体中的载流子数量极少，导电能力仍然很低。 本征半导体中的自由电子和空穴总是成对出现，同时又不断复合。 在一定的温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，于是半导体中的载流子便维持一定的数目。注意注意14.1 14.1 半导体的导电特性半导体的导电特性第8页/共41页 掺杂后的自由电子数目大量增加

5、，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。在单晶硅中掺入微量磷失去一个电子变为正磷离子 在本征半导体中掺入微量的杂质( (某种元素) )，形成杂质半导体，其导电性能大大增强。 在N型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。14.1 14.1 半导体的导电特性半导体的导电特性 Si Si Si Si P多余电子 P+常温下即可变为自由电子第9页/共41页N型半导体和P型半导体都是中性的，对外不显电性。14.1 14.1 半导体的导电特性半导体的导电特性 掺杂后的空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或 P型半导体。在单晶硅中掺

6、入微量硼获得一个电子变为负硼离子 在 P型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。 Si Si Si Si多余空位吸引相邻原子中的价电子填补它，则相邻原子出现空穴 B B-第10页/共41页14.2 PN结及其单向导电性结及其单向导电性PN结PN 在一块N型( (P型) )半导体的局部再掺入浓度较大的三价( (五价) )杂质，使其变为P型( (N型) )半导体。 在P型半导体和N型半导体的交界面就形成一个特殊的薄层，称为PN结。第11页/共41页14.2 PN14.2 PN结及其单向导电性结及其单向导电性IRPNI0RPN P区的多子空穴和N区的多子自由电子通过PN结进入对方，形成较大

7、的正向电流，PN结导通。 P区的少子自由电子和N区的少子空穴通过PN结进入对方，形成极小的反向电流，PN结截止。正向导通，反向截止第12页/共41页14.3 二极管二极管 点接触型( (一般为锗管) ) 面接触型( (一般为硅管) ) 结面积小、结电容小、正向电流小，适用于高频和小功率工作，也用作数字电路中的开关元件。 结面积大、结电容大、正向电流大，适用于低频整流电路。阳极引线外壳触丝N型锗片阴极引线N型硅阳极引线阴极引线PN结金锑合金底座铝合金小球第13页/共41页14.3 14.3 二极管二极管 平面型 用于大功率整流管和数字电路中的开关管。P型硅N型硅阳极引线阴极引线SiO2保护层阳极

8、阴极D 符号 整流二极管稳压二极管开关二极管第14页/共41页反向击穿特性硅管锗管0.1V反向击穿电压U( (BR) )导通压降 外加正向电压只有大于死区电压，二极管才能导通。 外加电压大于反向击穿电压，二极管被击穿，失去单向导电性。正向特性反向饱和特性硅0锗0.2死区电压( (开启电压) )14.3 14.3 二极管二极管D+-D+-U/ /VI/ /mAO 外加正向电压很低时正向电流极小。 反向饱和电流在一定电压范围内几乎与反向电压的高低无关，其大小基本恒定。第15页/共41页 最大整流电流 IOM 反向工作峰值电压URWM 反向峰值电流IRM 二极管长时间使用时，允许流过二极管的最大正向

9、平均电流。 它是保证二极管不被击穿，其值一般是反向击穿电压的一半或三分之二。 它是指在二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。反向电流受温度的影响大，其值愈小愈好。14.3 14.3 二极管二极管第16页/共41页分析方法：将二极管断开。若 V阳 V阴，则二极管导通；若 V阳 VB，所以DA优先导通。解：14.3 14.3 二极管二极管ADBDRAVBVYVV12V0V3 若考虑二极管的正向压降( (设为) )，则VY ，显然DA导通后，DB上加的是反向电压，因而DB截止。 在这里，DA起钳位作用，把Y端的电位钳住在；DB起隔离作用，把输入端B和Y隔离开来。第19页/共41页解：例3：如图，

10、二极管的正向压降可忽略不计，试画出输出电压uo的波形。Vsin10itu Rou+-+-DV5O5uotui1014.3 14.3 二极管二极管 将二极管D断开，则其阳极电位为ui，阴极电位为+5V。 若ui5V，则二极管导通，此时uo= ui 。 若ui VB VE 电流分配和放大原理电流分配和放大原理外部条件PNP型晶体管：VC VB VE 内部条件基区很薄，掺杂浓度很低；发射区掺杂浓度很高；集电区结面积大。14.5 14.5 晶体管晶体管第25页/共41页 扩散到基区的自由电子多数扩散到集电结。 扩散到基区的自由电子极少数与基区的空穴复合。 基区中受激发的价电子不断被电源( (基区接电源

11、正极) )拉走，这相当于不断补充基区中被复合掉的空穴，形成电流IBE 。集电极电流IC ICE 从发射区扩散到基区并到达集电结边缘的自由电子被拉入集电区形成电流ICE。 集电结反偏，少子形成反向电流ICBO。基极电流IBIBE 基区向发射区扩散空穴( (多数载流子) )极少，可忽略。形成发射极电流IE 发射结正偏，发射区向基区扩散自由电子( (多数载流子) )。IEIBIBEBECNNPEBRBECICEICBOIC 载流子在晶体管内部的运动规律14.5 14.5 晶体管晶体管第26页/共41页CBEIIIBCII（动态电流放大系数）14.5 14.5 晶体管晶体管IB/ /mAIC/ /mA

12、IE/ /mA00.020.040.060.080.100.0010.701.502.303.103.950.0010.721.542.363.184.05晶体管电流测量数据结论：BCII（静态电流放大系数） 当IB = 0( (即基极开路) )时，IC = ICEO。第27页/共41页 用来表示晶体管各极电压和电流之间的相互关系，它反映出晶体管的性能，是分析放大电路的重要依据。 以最常用的共发射极接法时的实验线路分析晶体管的输入特性曲线和输出特性曲线。 特性曲线特性曲线14.5 14.5 晶体管晶体管 测绘晶体管特性曲线的实验线路+-+UBEIBEBUCEEC3DG100-ICIERBmAm

13、AVVABEC第28页/共41页常数CE)(BEBUUfI 输入特性曲线14.5 14.5 晶体管晶体管IB/ / AUBE/ /V204060800.40.8UCE1VO 正常工作下的发射结电压：NPN型硅管：UBE PNP型锗管：UBE=- -0.2V- - 死区电压：硅管，锗管。 对硅管而言，当UCE1V时集电结已反向偏置，而基区又很薄，可把从发射区扩散到基区的电子中的绝大部分拉入集电区。此后，UCE对IB就不再有明显的影响。第29页/共41页饱和区20 A36IC/ /mA1234UCE/ /V912O2.31.5IB=0 040 A60 A80 A100 AQ1Q2放大区常数B)(C

14、ECIUfI放大区（线性区） 输出特性曲线e结正偏、c结反偏。截止区14.5 14.5 晶体管晶体管 ，IC近似恒定。BCII截止区IB=0的曲线以下的区域。IC0，发射极与集电极之间如同一个开关的断开。e结与c结均反偏。第30页/共41页 饱和区14.5 14.5 晶体管晶体管饱和区20 A36IC/ /mA1234UCE/ /V912O2.31.5IB=0 040 A60 A80 A100 AQ1Q2放大区截止区e结与c结均正偏。 UCE0，发射极与集电极之间如同一个开关的接通。UCE UBE ， 。BCII 可见，晶体管工作在放大状态，具有放大作用；工作在饱和状态或截止状态，具有开关作用

15、。第31页/共41页静态电流( (直流) )放大系数：BCIIBCII动态电流( (交流) )放大系数： 当晶体管接成共发射极电路时，在静态（无输入信号）时，有 主要参数主要参数14.5 14.5 晶体管晶体管 晶体管的参数可以表示晶体管的特性，也是设计电路、选用晶体管的依据。 电流放大系数 ， 在动态（有输入信号）时，有第32页/共41页14.5 14.5 晶体管晶体管常用晶体管的 值在20 200之间20 A36IC/ /mA1234UCE/ /V912O2.31.5IB=0 040 A60 A80 A100 AQ1Q2 例：如图给出3DG100晶体管的输出特性曲线，计算Q1点处的 ；由Q

16、1和Q2两点，计算 。解：5 .3704. 05 . 1BCII4004. 006. 05 . 13 . 2BCII 和 的含义不同，但在输出特性曲线近于平行等距且ICEO较小的情况下，两者数值较为接近（ ）。 第33页/共41页 集- -基极反向截止电流 ICBO 集- -射极反向截止电流ICEO （又称穿透电流） ICBO是当发射极开路时由于集电结处于反偏，集电区和基区中的少数载流子向对方运动所形成的电流。它受温度的影响大，其值越小越好。 集电极最大允许电流 ICM 集电极电流 IC 超过一定值时，晶体管的 值下降到正常数值的三分之二时的集电极电流。14.5 14.5 晶体管晶体管 ICE

17、O是当基极开路、集电结处于反偏和发射结处于正偏时的集电极电流，其值越小越好。第34页/共41页 集- -射极反向击穿电压U( (BR) )CEO 基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压。 当UCEU( (BR) )CEO时，ICEO突然大幅度上升，说明晶体管已被击穿。 集电极最大允许耗散功耗PCM 当晶体管因受热而引起的参数变化不超过允许值时，集电极所消耗的最大功率，它主要受结温Tj的限制。 PCM =IC UCE14.5 14.5 晶体管晶体管第35页/共41页 以上所讨论的几个参数中： 和 ICBO(ICEO)是表明晶体管优劣的主要指标； ICM ，U( (BR) )CEO和PC

18、M都是极限参数，用来说明晶体管的使用限制。14.5 14.5 晶体管晶体管ICUCEOICMICEOU( (BR) )CEOPCM安全工作区晶体管的安全工作区 由ICM， U( (BR) )CEO， PCM 三者共同确定晶体管的安全工作区。第36页/共41页14.6 光电器件光电器件 当在发光二极管( (LED) )上加正向电压并有足够大的正向电流时，就能发出清晰的光。这是由于电子与空穴复合而释放能量的结果。 符号 光的颜色视做成PN结的材料和发光的波长而定，而波长与材料的浓度有关。 发光二极管的工作电压为1.53V，工作电流为几毫安到十几毫安，寿命很长，一般作显示用。第37页/共41页14.6 14.6 光电器件光电器件 光电二极管是利用PN结的光敏特性，将接收到的光的变化转换为电流的变化。 光电二极管是在反向电压作用下工作的。 当无光照时，和普通二极管一样，其反向电流很小，称为暗电流。 当有光照时，产生的反向电流称为光电流。