二极管和三极管PPT课件

1、第14章 半导体二极管和三极管14.3 半导体二极管14.4 稳压二极管14.5 半导体三极管14.2 PN结14.1 半导体的导电特性第14章 半导体二极管和三极管本章要求：一、理解PN结的单向导电性，三极管的电流分配和 电流放大作用；二、了解二极管、稳压管和三极管的基本构造、工 作原理和特性曲线，理解主要参数的意义；三、会分析含有二极管的电路。 学会用工程观点分析问题，就是根据实际情况，对器件的数学模型和电路的工作条件进行合理的近似，以便用简便的分析方法获得具有实际意义的结果。 对电路进行分析计算时，只要能满足技术指标，就不要过分追究精确的数值。 器件是非线性的、特性有分散性、RC 的值有

2、误差、工程上允许一定的误差、采用合理估算的方法。 对于元器件，重点放在特性、参数、技术指标和正确使用方法，不要过分追究其内部机理。讨论器件的目的在于应用。 半导体的导电特性半导体semiconductor：导电能力介于导体和绝缘体之间的材料。常见的半导体材料有硅、锗、硒及许多金属的氧化物和硫化物等。半导体材料多以晶体的形式存在。半导体材料的特性：纯净半导体的导电能力很差；温度升高导电能力增强；光照增强导电能力增强；掺入少量杂质导电能力增强。 半导体的导电特性半导体的导电特性：(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电 能力明显改变(可做成各种不同用途的半导

3、体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化 (可做 成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极 管、光敏三极管等)。热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强本征半导体 完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。晶体中原子的排列方式硅单晶中的共价健结构共价健共价键中的两个电子，称为价电子。 Si Si Si Si价电子 Si Si Si Si价电子 价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。本征半导体的导电机理这一现象称为本征激发。空穴 温度愈高，晶体中产生的自由电

4、子便愈多。自由电子 在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。本征半导体的导电机理 当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流 (1)自由电子作定向运动 电子电流 (2)价电子递补空穴 空穴电流注意： (1) 本征半导体中载流子数目极少, 其导电性能很差； (2) 温度愈高， 载流子的数目愈多,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。自由电子和空穴都称为载流子。 自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。

5、N型半导体和 P 型半导体 掺杂后自由电子数目大量增加，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。掺入五价元素 Si Si Si Sip+多余电子磷原子在常温下即可变为自由电子失去一个电子变为正离子 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。 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。N型半导体和 P 型半导体 掺杂后空穴数目大量增加，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。掺入三价元素 Si Si Si Si 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。B硼原子接受一个电子变为负离子空穴无论N

6、型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。 1. 在杂质半导体中多子的数量与 （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。 2. 在杂质半导体中少子的数量与 （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。 3. 当温度升高时，少子的数量 （a. 减少、b. 不变、c. 增多）。abc 4. 在外加电压的作用下，P 型半导体中的电流主要是 ，N 型半导体中的电流主要是 。 （a. 电子电流、b.空穴电流） baPN结(PN junction)不论是P型半导体还是N型半导体，都只能看做是一般的导电材料，不具有半导体器件的任何特点。半导体器件的核心是PN结，是采取一定的工艺措施在一块半导体晶片的两侧分别制成P型半导体和N型

7、半导体，在两种半导体的交界面上形成PN结。各种各样的半导体器件都是以PN结为核心而制成的，正确认识PN结是了解和运用各种半导体器件的关键所在。PN结PN结的形成多子的扩散运动内电场少子的漂移运动浓度差P 型半导体N 型半导体 内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。 扩散的结果使空间电荷区变宽。空间电荷区也称 PN 结 扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。+形成空间电荷区PN结的单向导电性 1. PN 结加正向电压（正向偏置）PN 结变窄 P接正、N接负 外电场IF 内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。 PN 结加正向电压时，PN结变窄

8、，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。内电场PN+PN 结变宽2. PN 结加反向电压（反向偏置）外电场 内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。IR P接负、N接正 温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。+ PN 结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。内电场PN+半导体二极管基本结构(a) 点接触型(b)面接触型 结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路。 结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。(c) 平面型 用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可小，用于高频整流和开关

9、电路中。阴极引线阳极引线二氧化硅保护层P型硅N型硅( c ) 平面型金属触丝阳极引线N型锗片阴极引线外壳( a ) 点接触型铝合金小球N型硅阳极引线PN结金锑合金底座阴极引线( b ) 面接触型半导体二极管的结构和符号 半导体二极管二极管的结构示意图阴极阳极( d ) 符号D二极管的分类根据制造二极管的半导体材料 分为硅、锗等；根据二极管的结构 分为点接触、面接触等；根据二极管的工作频率 分为低频、高频等；根据二极管的功能 分为检波、整流、开关、变容、发光、光敏、触发及隧道二极管等；根据二极管的功率特性 分为小功率、大功率二极管等； 半导体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：2

10、AP9用数字代表同类器件的不同规格。代表器件的类型，P为普通管，Z为整流管，K为开关管。代表器件的材料，A为N型Ge，B为P型Ge， C为N型Si， D为P型Si。2代表二极管，3代表三极管。半导体二极管图片伏安特性硅管0.5V,锗管0.1V。反向击穿电压U(BR)导通压降 外加电压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。正向特性反向特性特点：非线性硅0.60.8V锗0.20.3VUI死区电压PN+PN+ 反向电流在一定电压范围内保持常数。小 技 巧 二极管的简易测量 根据二极管的单向导电性可知，二极管正向电阻小，反向电阻大。利用这一特点，可以用万用

11、表的电阻挡大致测量出二极管的好坏和正负极性 主要参数1. 最大整流电流 IOM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。2. 反向工作峰值电压URWM是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压UBR的一半或三分之二。二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。3. 反向峰值电流IRM指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，IRM受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。二极管的单向导电性 1. 二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负 ）时， 二极管处于正向导通

12、状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。 2. 二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正 ）时， 二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。 3. 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。 4. 二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。 二极管电路分析举例 定性分析：判断二极管的工作状态导通截止否则，正向管压降硅0.60.7V锗0.20.3V 分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压UD的正负。若 V阳 V阴或 UD为正( 正向偏置 )，二极管导通若 V阳 V阴 二极管导通若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 6V否则，

13、UAB低于6V一个管压降，为6.3或6.7V例1： 取 B 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。 在这里，二极管起钳位作用。 D6V12V3kBAUAB+两个二极管的阴极接在一起取 B 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。V1阳 =6 V，V2阳=0 V，V1阴 = V2阴= 12 VUD1 = 6V，UD2 =12V UD2 UD1 D2 优先导通， D1截止。若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 0 V例2:D1承受反向电压为6 V流过 D2 的电流为求：UAB 在这里， D2 起钳位作用， D1起隔离作用。 BD16V12V3kAD2UAB+ui 8

14、V，二极管导通，可看作短路 uo = 8V ui 8V，二极管截止，可看作开路 uo = ui已知： 二极管是理想的，试画出 uo 波形。8V例3：二极管的用途： 整流、检波、限幅、钳位、开关、元件保护、温度补偿等。ui18V参考点二极管阴极电位为 8 VD8VRuoui+稳压二极管1. 符号 UZIZIZM UZ IZ2. 伏安特性 稳压管正常工作时加反向电压使用时要加限流电阻 稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。_+UIOU(V)0.400.8-8-4I (mA)204010-20-1030-12反向正向稳压管的使用：稳压管工作于反

15、向击穿区，常见电路如下。U iRU oR L在电路中稳压管是反向联接的。当U i大于稳压管的击穿电压时，稳压管被击穿，电流将增大，电阻R两端的电压增大，在一定的电流范围内稳压管两端的电压基本不变，输出电压U i等于U z 。3. 主要参数(1) 稳定电压UZ 稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。(2) 电压温度系数 环境温度每变化1C引起稳压值变化的百分数。(3) 动态电阻(4) 稳定电流 IZ 、最大稳定电流 IZM(5) 最大允许耗散功率 PZM = UZ IZMrZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。IU 照度增加符号发光二极管有正向电流流过时

16、，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似，正向电压较一般二极管高，电流为几 几十mA光电二极管发光二极管 发光二极管是一种新型冷光源。由于它体积小、用电省、工作电压低、寿命长、单色性好和响应速度快，因此，常用来作为显示器。 半导体三极管半导体三极管(晶体管)是最重要的一种半导体器件。广泛应用于各种电子电路中。一. 基本结构晶体管最常见的结构有平面型和合金型两种。平面型都是硅管、合金型主要是锗管。它们都具有NPN或PNP的三层两结的结构，因而又有NPN和PNP两类晶体管。其三层分别称为发射区、基区和集电区，并引出发射极(E)、基极(B)和集电极

17、(C)三个电极。三层之间的两个PN结分别称为发射结和集电结。本节介绍晶体管的结构、特性及参数的内容。半导体三极管NNP基极发射极集电极NPN型BECBECPNP型PPN基极发射极集电极符号：BECIBIEICBECIBIEICNPN型三极管PNP型三极管N型硅P型N型二氧化硅保护膜CBEN型锗铟球铟球P型P型CEB平面型结构合金型结构NNP发射结集电结发射区集电区基区EBCNPP发射区集电区基区发射结集电结EBCBECBEC基区：最薄，掺杂浓度最低发射区：掺杂浓度最高发射结集电结BECNNP基极发射极集电极结构特点：集电区：面积最大电流分配和放大原理1. 三极管放大的外部条件BECNNPEBR

18、BECRC发射结正偏、集电结反偏 PNP发射结正偏 VBVE集电结反偏 VCVE集电结反偏 VCVB 2. 各电极电流关系及电流放大作用IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.100.0010.701.502.303.103.950,UBC0,UBC=UBE-UCE,UBEUCERBEC+_EBEBCNNP电流分配和放大原理发射结正偏扩散强E区多子（自由电子）到B区B区多子（空穴）到E区穿过发射结的电流主要是电子流形成发射极电流IEIE是由扩散运动形成的1 发射区向基区扩散电子，形成发射极电流IE。电流分配和放大原理2 电子在基区中的扩散与复合，形成基极电流I

19、BE区电子到基区B后，有两种运动扩散IEC复合IEB同时基区中的电子被EB拉走形成IBIEB=IB时达到动态平衡形成稳定的基极电流IBIB是由复合运动形成的RBEC+_EBEBC电流分配和放大原理3 集电极收集电子，形成集电极电流IC集电结反偏阻碍C区中的多子（自由电子）扩散，同时收集E区扩散过来的电子有助于少子的漂移运动，有反向饱和电流ICBO形成集电极电流ICRBEC+_EBEBCRBEC+_EBEBCICIBIEICBOIBEIEC电流分配和放大原理1、发射区向基区扩散电子电流放大作用原理 内部载流子运动规律发射结处于正向偏置，掺杂浓度较高的发射区向基区进行多子扩散。放大作用的内部条件：

20、 基区很薄且掺杂浓度很低。2、电子在基区的扩散和复合基区厚度很小，电子在基区继续向集电结扩散。（但有少部分与空穴复合而形成IBE IB）3、集电区收集扩散电子集电结为反向偏置使内电场增强，对从基区扩散进入集电结的电子具有加速作用而把电子收集到集电区，形成集电极电流(ICE IC)。由电流分配关系示意图可知发射区向基区注入的电子电流IE将分成两部分ICE和IBE，它们的比值为它表示晶体管的电流放大能力，称为电流放大系数。在晶体管中，不仅IC比IB大很多；当IB有微小变化时还会引起IC的较大变化。根据晶体管放大的外部条件，发射结必须正向偏置，集电结必须反向偏置。则对于NPN型晶体管且对于PNP型晶

21、体管且3. 三极管内部载流子的运动规律IC = ICE+ICBO ICEICIBBECNNPEBRBECIEIBEICEICBOIB = IBE- ICBO IBE ICE 与 IBE 之比称为共发射极电流放大倍数集射极穿透电流, 温度ICEO(常用公式)若IB =0, 则 IC ICE0特性曲线 即管子各电极电压与电流的关系曲线，是管子内部载流子运动的外部表现，反映了晶体管的性能，是分析放大电路的依据。为什么要研究特性曲线： 1）直观地分析管子的工作状态 2）合理地选择偏置电路的参数，设计性能良好的电路 重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线发射极是输入回路、输出回路的公共端 共发射极电

22、路输入回路输出回路 测量晶体管特性的实验线路ICEBmAAVUCEUBERBIBECV+输入特性曲线输入特性曲线当UCE为常数时的IB与UBE之间的关系曲线。(参见右图)00.4200.8406080UBE(V)IB(A)UCE1V3DG6的输入特性曲线对硅管来说，当 UCE 1V时，集电结已处于反向偏置，发射结正向偏置所形成电流的绝大部分将形成集电极电流，但IB与UBE的关系依然与PN结的正向类似。(当UCE更小， IB才会明显增加)硅管的死区电压为0.5V，锗管的死区电压不超过0.2V。放大状态时，硅NPN管UBE=0.60.7V；锗PNP管UBE = 0.2 0.3V。1. 输入特性特点

23、:非线性死区电压：硅管0.5V，锗管0.1V。正常工作时发射结电压： NPN型硅管 UBE 0.60.7VPNP型锗管 UBE 0.2 0.3VIB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1VO输出特性曲线输出特性曲线是在IB为常数时，IC与UCE之间的关系曲线。在不同的IB下，可得到不同的曲线，即晶体管的输出特性曲线是一组曲线(见下图)。当IB一定时，UCE超过约1V以后就将形成IC，当UCE继续增加时， IC 的增加将不再明显。这是晶体管的恒流特性。当IB增加时，相应的IC也增加，曲线上移，而且IC比IB 增加得更明显。这是晶体管的电流放大作用。IB=020A40A60A80A

24、100A36IC(mA )1234UCE(V)912O2. 输出特性IB=020A40A60A80A100A36IC(mA )1234UCE(V)912O放大区输出特性曲线通常分三个工作区：(1) 放大区 在放大区有 IC= IB ，也称为线性区，具有恒流特性。 在放大区，发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置，晶体管工作于放大状态。IB=020A40A60A80A100A36IC(mA )1234UCE(V)912O（2）截止区IB IC，UCE0.3V (3) 截止区： UBE 死区电压， IB=0 ， IC=ICEO 0 例： =50， USC =12V， RB =70k， RC =6k

25、 当USB = -2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？当USB =-2V时：ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEIB=0 ， IC=0IC最大饱和电流：Q位于截止区 例： =50， USC =12V， RB =70k， RC =6k 当USB = -2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？IC ICmax (=2mA) ， Q位于放大区。ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEUSB =2V时：USB =5V时:例： =50， USC =12V， RB =70k， RC =6k 当USB = -2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？IC

26、UCEIBUSCRBUSBCBERCUBEQ 位于饱和区，此时IC 和IB 已不是 倍的关系。三、主要参数前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。共射直流电流放大倍数：工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为IB，相应的集电极电流变化为IC，则交流电流放大倍数为：1. 电流放大倍数和 主要参数1. 电流放大系数，直流电流放大系数交流电流放大系数当晶体管接成发射极电路时， 表示晶体管特性的数据称为晶体管的参数，晶体管的参数也是设计电路、选用晶体管的依据。注意： 和 的含义不同，但在特性曲线近于平行等距并且ICE0

27、较小的情况下，两者数值接近。常用晶体管的 值在20 200之间。说明：1、静态电流放大系数和动态电流放大系数的意义不同，但大多数情况下近似相等，可以借用进行定量估算。2、晶体管的输出特性曲线是非线性的，只有在曲线的等距平直部分才有较好的线性关系，IC与IB成正比，也可认为是基本恒定的。3、由于制造工艺的原因，晶体管的参数具有一定的离散性，即使是同一型号的晶体管，也不可能具有完全相同的参数。常用晶体管的值在20 100之间。近年来由于生产工艺的提高，值在100300之间的晶体管也具有很好的特性。例：在UCE= 6 V时， 在 Q1 点IB=40A, IC=1.5mA； 在 Q2 点IB=60 A

28、, IC=2.3mA。在以后的计算中，一般作近似处理： = 。IB=020A40A60A80A100A36IC(mA )1234UCE(V)9120Q1Q2在 Q1 点，有由 Q1 和Q2点，得2.集-基极反向截止电流 ICBO ICBO是由少数载流子的漂移运动所形成的电流，受温度的影响大。 温度ICBOICBOA+EC3.集-射极反向截止电流(穿透电流)ICEOAICEOIB=0+ ICEO受温度的影响大。温度ICEO，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。4. 集电极最大允许电流 ICM5. 集-射极反向击穿电压U(BR)CEO 集电极电流 IC上升会导致三极管的值的下降，当值下降到正

29、常值的三分之二时的集电极电流即为 ICM。 当集射极之间的电压UCE 超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿电压U(BR) CEO。6. 集电极最大允许耗散功耗PCM PCM取决于三极管允许的温升，消耗功率过大，温升过高会烧坏三极管。 PC PCM =IC UCE 硅管允许结温约为150C，锗管约为7090C。ICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作区由三个极限参数可画出三极管的安全工作区ICUCEO晶体管参数与温度的关系1、温度每增加10C，ICBO增大一倍。硅管优 于锗管。2、温度每升高 1C，UBE将减小 (22.5)mV， 即晶体管具有负

30、温度系数。3、温度每升高 1C， 增加 0.5%1.0%。本章小结（1）半导体导电能力取决于其内部载流子的多少，半导体有电子和空穴两种载流子。本征半导体有热敏特性、光敏特性、掺杂特性。在本征半导体中掺入相应的杂质，便可制成P型半导体和N型半导体，它们内部都有空穴和电子两种载流子，其中多子是由掺杂产生的，少子是由本征激发产生的。（2）PN结是构成各种半导体的基础，它具有单向导电性。当接正向偏置时，有较大的正向电流，正向电阻较小；而接反向偏置时，反向电流很小，反向电阻很大。（3）半导体二极管的核心是一个PN结，它的特性与PN结基本相同。二极管的伏安特性是非线性的，所以是非线性器件。二极管的主要参数有最大整流电流、最高反向工作电压和反向饱和电流。（4）稳压二极管是一种特殊二极管，利用在反向击穿状态下的恒压特性，常用它来构成简单的稳压电