电工学-秦曾煌电子技术第14章ppt课件

1、第十四章第十四章 二极管和三极管二极管和三极管电子技术电子技术模拟电路部分模拟电路部分第十四章第十四章 二极管和三极管二极管和三极管 14.1 半导体的导电特性半导体的导电特性 14.2 PN结及其单导游电性结及其单导游电性 14.3 二极管二极管 14.4 稳压二极管稳压二极管 14.5 晶体管晶体管 14.6 光电器件光电器件导导 体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金 属普通都是导体。属普通都是导体。绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：另有一类

2、物质的导电特性处于导体和绝缘半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。和一些硫化物、氧化物等。14.1 半导体的导电特性半导体的导电特性导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体 半导体的导电机理不同于其它物质，所以它半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：具有不同于其它物质的特点。例如： 当受外界热和光的作用时，它的导电能当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化力明显变化 - - 热敏特性、光敏特性。热敏特性、光敏特性。 往纯真的半导体中掺入某些杂质，会使往纯真

3、的半导体中掺入某些杂质，会使 它的导电才干明显改动它的导电才干明显改动 - - 掺杂特性。掺杂特性。14.1.1 本征半导体本征半导体一、本征半导体的构造一、本征半导体的构造GeSi 经过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。经过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。 现代电子学中，用的最多的半导体是硅现代电子学中，用的最多的半导体是硅(Si)和锗和锗(Ge)，它们的最外层电子价电子都是四个。，它们的最外层电子价电子都是四个。本征半导体：完全纯真的、构造完好的半导体晶体。本征半导体：完全纯真的、构造完好的半导体晶体。在硅和锗晶体中，每个原子都处在正四面体的中在硅和锗晶体中，每个原子都处在正四面

4、体的中心，而相邻四个原子位于四面体的顶点，每个原子与心，而相邻四个原子位于四面体的顶点，每个原子与其相邻的原子之间构成共价键，共用一对价电子。其相邻的原子之间构成共价键，共用一对价电子。硅和锗的晶硅和锗的晶体构造：体构造：硅和锗的共价键构造硅和锗的共价键构造共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4+4+4+4+4表示表示除去价除去价电子后电子后的原子的原子 共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自在电子，因此本征半导体中的自在电子很少，为自在电子，因此本征半导体中

5、的自在电子很少，所以本征半导体的导电才干很弱。所以本征半导体的导电才干很弱。 共价键构成后，每个共价键构成后，每个原子最外层电子是八个，原子最外层电子是八个，构成比较稳定的构造。构成比较稳定的构造。 共价键有很强的结合力，共价键有很强的结合力，使原子规那么陈列，构成晶体。使原子规那么陈列，构成晶体。+4+4+4+4二、本征半导体的导电机理二、本征半导体的导电机理在绝对在绝对0度度T=0K和没有外界激发时和没有外界激发时,价价电子完全被共价键束缚，本征半导体中没有可电子完全被共价键束缚，本征半导体中没有可以自在运动的带电粒子即载流子，它的导以自在运动的带电粒子即载流子，它的导电才干为电才干为 0

6、，相当于绝缘体。，相当于绝缘体。在常温下，由于热激发，使一些价电子获在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自在得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自在电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。1.1.载流子、自在电子和空穴载流子、自在电子和空穴+4+4+4+4自在电子自在电子空穴空穴束缚电子束缚电子2.本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理+4+4+4+4 在其它力的作用下，在其它力的作用下，空穴可吸引附近的电子空穴可吸引附近的电子来填补，其结果相当于来填补，其结果相当于空穴的迁移，而空穴的空穴的迁移，而空穴的迁移相

7、当于正电荷的挪迁移相当于正电荷的挪动，因此可以为空穴是动，因此可以为空穴是载流子。载流子。 本征半导体中存在数量相等的两种载流子：本征半导体中存在数量相等的两种载流子：自在电子和空穴。自在电子和空穴。自在电子：在晶格中运动；空穴：在共价键中运动自在电子：在晶格中运动；空穴：在共价键中运动 温度越高，载流子的浓度越高，本征半温度越高，载流子的浓度越高，本征半导体的导电才干越强，温度是影响半导体性导体的导电才干越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部要素，这是半导体的一能的一个重要的外部要素，这是半导体的一大特点。大特点。本征半导体的导电才干取决于载流子的浓度。本征半导体的导电才干取决于载流子的

8、浓度。本征半导体中电流由两部分组成：本征半导体中电流由两部分组成： 1. 自在电子挪动产生的电流。自在电子挪动产生的电流。 2. 空穴挪动产生的电流。空穴挪动产生的电流。14.1.2 N 型半导体和型半导体和P 型半导体型半导体 在本征半导体中掺入某些微量的杂质，会使在本征半导体中掺入某些微量的杂质，会使半导体的导电性能发生显著变化。其缘由是掺杂半导体的导电性能发生显著变化。其缘由是掺杂半导体的某种载流子的浓度大大添加。半导体的某种载流子的浓度大大添加。P 型半导体：空穴浓度大大添加的杂质半导体，也型半导体：空穴浓度大大添加的杂质半导体，也称为空穴半导体。称为空穴半导体。N 型半导体：自在电子

9、浓度大大添加的杂质半导体，型半导体：自在电子浓度大大添加的杂质半导体，也称为电子半导体。也称为电子半导体。一、一、N 型半导体型半导体+4+5+4+4多余多余电子电子磷原子磷原子在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷或锑，在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷或锑，晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子构成外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子构成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为很容易被激发而成为自在电子，这样磷原

10、自在电子，这样磷原子就成了不能挪动的子就成了不能挪动的带正电的离子。每个带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，磷原子给出一个电子，称为施主原子。称为施主原子。N 型半导体中的载流子是什么？型半导体中的载流子是什么？1.1.由施主原子提供的电子，浓度与施主原子一样。由施主原子提供的电子，浓度与施主原子一样。2.2.本征半导体中成对产生的自在电子和空穴。本征半导体中成对产生的自在电子和空穴。 因掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，因掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以自在电子浓度远大于空穴浓度。自在电子称为所以自在电子浓度远大于空穴浓度。自在电子称为多数载流子多子，空穴称为少数载流子少多数

11、载流子多子，空穴称为少数载流子少子。子。 二、二、P P 型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量三价元素硼或铟，在硅或锗晶体中掺入少量三价元素硼或铟，晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子构成共价最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子构成共价键键时，产生一个空位。时，产生一个空位。这个空位能够吸引束这个空位能够吸引束缚电子来填补，使得缚电子来填补，使得硼原子成为不能挪动硼原子成为不能挪动的带负电的离子。由的带负电的离子。由于硼原子接受电子，于硼原子接受电子，所以称为受主原子。所以称为受主原子。+4+4+

12、3+4空位空位硼原子硼原子P 型半导体中空穴是多子，自在电子是少子。型半导体中空穴是多子，自在电子是少子。空穴空穴三、杂质半导体的表示表示法三、杂质半导体的表示表示法P 型半导体型半导体+N 型半导体型半导体 杂质型半导体中多子和少子的挪动都可构杂质型半导体中多子和少子的挪动都可构成电流，但由于数量关系，起导电作用的主要成电流，但由于数量关系，起导电作用的主要是多子，受温度影响较小。是多子，受温度影响较小。 普通近似以为多子与杂质浓度相等。普通近似以为多子与杂质浓度相等。 课堂练习课堂练习 PN 结的构成结的构成在同一片半导体基片上，分别制造在同一片半导体基片上，分别制造P P 型型半导体和半

13、导体和 N N 型半导体，经过载流子的分散，型半导体，经过载流子的分散，在它们的交界面处就构成了在它们的交界面处就构成了PN PN 结。结。14.2 PN 结及其单导游电性结及其单导游电性P型半导体型半导体N型半导体型半导体+分散运动分散运动内电场内电场E E漂移运动漂移运动分散的结果是使空间分散的结果是使空间电荷区逐渐加宽。电荷区逐渐加宽。内电场越强，漂移运动内电场越强，漂移运动就越强，而漂移的结果就越强，而漂移的结果使空间电荷区变薄。使空间电荷区变薄。空间电荷区，空间电荷区，也称耗尽层。也称耗尽层。P型半导体型半导体N型半导体型半导体+分散运动分散运动内电场内电场E E漂移运动漂移运动 当

14、分散和漂移这一对相反的运动最终到达平当分散和漂移这一对相反的运动最终到达平衡时，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电衡时，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。荷区的厚度固定不变。+空间空间电荷区电荷区N 型区型区P 型区型区电位电位V VV01.空间电荷区中几乎没有载流子。空间电荷区中几乎没有载流子。2.空间电荷区中内电场妨碍空间电荷区中内电场妨碍P 区中的空穴、区中的空穴、N区区中的自在电子都是多子向对方运动分散中的自在电子都是多子向对方运动分散运运 动。动。3.P 区中的自在电子和区中的自在电子和N 区中的空穴都是区中的空穴都是少子，数量有限，因此由它们构成的电少子，数

15、量有限，因此由它们构成的电流很小。流很小。留意留意: :PN结的单导游电性结的单导游电性 PN 结加上正向电压、正向偏置的意思都是：结加上正向电压、正向偏置的意思都是： P 区加正电压、区加正电压、N 区加负电压。区加负电压。 PN 结加上反向电压、反向偏置的意思都是：结加上反向电压、反向偏置的意思都是： P区加负电压、区加负电压、N 区加正电压。区加正电压。一、一、PN PN 结加正向电压结加正向电压内电场内电场外电场外电场变薄变薄PN+RE+_ 内电场被减弱，多内电场被减弱，多子分散加强，可以构子分散加强，可以构成较大的正向电流。成较大的正向电流。二、二、PN PN 结加反向电压结加反向电

16、压+内电场内电场外电场外电场变厚变厚NP+_RE 内电场被加强，多内电场被加强，多子分散遭到抑制，少子分散遭到抑制，少子漂移加强，但因少子漂移加强，但因少子数量有限，只能构子数量有限，只能构成较小的反向电流。成较小的反向电流。总结：总结： 1、加正向电压时，、加正向电压时，PN结处于导通形状，呈结处于导通形状，呈低电阻，正向电流较大。低电阻，正向电流较大。 2、加反向电压时，、加反向电压时，PN结处于截止形状，呈结处于截止形状，呈高电阻，高电阻， 反向电流很小。反向电流很小。PN 结具有单导游电性结具有单导游电性14.3 二极管二极管发光发光 稳压稳压 整流整流检波检波 开关开关一、根本构造：

17、一、根本构造：PN PN 结加上管壳和引线。结加上管壳和引线。UI反向击穿反向击穿电压电压U(BR)导通压降导通压降正向特性正向特性反向特性反向特性死区电压死区电压PN+PN+ 反向电流反向电流在一定电压在一定电压范围内坚持范围内坚持常数。常数。 二、伏安特性：二、伏安特性：非线性非线性三、主要参数三、主要参数1. 最大整流电流最大整流电流 IOM二极管长时间运用时，允许流过二极管的最大正二极管长时间运用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。向平均电流。2. 反向任务峰值电压反向任务峰值电压URWM保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，普保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，普通是反向击穿

18、电压通是反向击穿电压U(BR)U(BR)的一半或三分之二。点的一半或三分之二。点接触型接触型D D 管为数十伏，面接触型管为数十伏，面接触型D D管可达数百伏。管可达数百伏。通常二极管击穿时，其反向电流剧增，单导游电通常二极管击穿时，其反向电流剧增，单导游电性被破坏，甚至过热而烧坏。性被破坏，甚至过热而烧坏。3. 反向峰值电流反向峰值电流 IRM指二极管加反向峰值任务电压时的反向电流。反指二极管加反向峰值任务电压时的反向电流。反向电流越大，阐明二极管的单导游电性越差。向电流越大，阐明二极管的单导游电性越差。反向电流受温度影响，温度越高反向电流越大。反向电流受温度影响，温度越高反向电流越大。硅管

19、的反向电流较小硅管的反向电流较小 V阴阴 导通导通 V阳阳 0 导通导通 UD VB故：故：DA优先导通优先导通 DB截止截止假设：假设：DA导通压降为导通压降为0.3V那么：那么：VY = 2.7V解：P12：例：例14.3.2DA-12VVAVBVYDBR方法：先判二极管谁优先导通，方法：先判二极管谁优先导通， 导通后二极管起嵌位作用导通后二极管起嵌位作用 两端压降为定值。两端压降为定值。因：因：VA VB故：故： DB 优先导通优先导通 DA截止截止假设：假设： DB导通压降为导通压降为0.3V那么：那么：VY = 0.3V解：P12：例：例14.3.2DAVAVBDBVY+12VRV

20、sin18itu t UI反向击穿反向击穿电压电压U(BR)导通压降导通压降死区电压死区电压PN+PN+ 反向电流在反向电流在一定电压范围一定电压范围内坚持常数。内坚持常数。 伏安特性：伏安特性：非线性非线性UI 理想二极管：正导游通理想二极管：正导游通 - 管压降为零管压降为零 反向截止反向截止 - 相当于断开相当于断开导通压降导通压降死区电压死区电压符号符号 UZIZIZM UZ IZ伏安特性伏安特性 稳压管正常任务时，稳压管正常任务时，需加反向电压，任务需加反向电压，任务于反向击穿区。于反向击穿区。运用时要加限流电阻运用时要加限流电阻_+UIO14.4 稳压二极管稳压二极管曲线越陡曲线越

21、陡电压越稳电压越稳(1) 稳定电压稳定电压 UZ 稳压管正常任务稳压管正常任务(反向击穿反向击穿)时管子两端的电压。时管子两端的电压。(2) 电压温度系数电压温度系数 U 环境温度每变化环境温度每变化1C引起稳压值变化的百分数。引起稳压值变化的百分数。(3) 动态电阻动态电阻ZZZ UIr(4) 稳定电流稳定电流 IZ 、最大稳定电流、最大稳定电流 IZM(5) 最大允许耗散功率最大允许耗散功率 PZM = UZ IZMrZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。稳压二极管的主要参数稳压二极管的主要参数:解：Iz = ( 20 Uz ) / R = ( 20-12 ) /

22、1.6x103 = 5mA因：因：IZ IC ，称为饱和区称为饱和区IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A0 此区域中此区域中 ：IB=0, IC=ICEO UBE UBE ，IC = IB , 且且 IC = IB+ UBE 0 CT E ICIEIB+UCEB - UBC IC+IEB+ UBE 0 CT E - UBC 0+ BBII/CCCCIUR0CEU(3) 截止区：发射结反偏，集电结反偏。截止区：发射结反偏，集电结反偏。 UBE 死区电压，死区电压，IB=0 ， IC=ICEO 0 IC = 0IB = 0+UCE UCCIEB+ U

23、BE 0 CT E - UBC 0+ 解：当解：当USB =-2V时：时：ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEIB=0 ， IC=0T 管任务于截止区管任务于截止区 T 管任务于放大区管任务于放大区ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBE解：解：USB =2V时：时：A19700.72BBESBBRUUICmaxBCIIImAmA0.950.01950mAmax2612CSCCRUIIC最大饱和电流：最大饱和电流：解：解：USB =5V时时:ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBET 管任务于饱和区，因管任务于饱和区，因IC 和和IB 已不是已不是 倍的关系倍的关系A61700.75BBESBBRUUICmaxBIImAmA3.050.06150mAmax2612CSCCRUIIC最大饱和电流：最大饱和电流：三、主要参数三、主要参数 前述电路中，三极管的发射极是输入和输出前述电路中，三极管的发射极是输入和输出的公共点，称为共射接法，相应地还有共基、的公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。共集接法。共射直流电流放大倍数：共射直流电流放大倍数：BCII_ 任务于动态的三极管，真正的信号是叠加任务于动态的三极管，真正的信号是