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文档简介
第14章半导体二极管和三极管(下)电工技术与电子技术中国矿业大学信电学院返回第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14.2PN结及其单向导电性14.1半导体的导电特性14.6
光电二极管第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。14.1
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。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。(可做成各种不同用途的半导体器件,如二极管、三极管和晶闸管等)。光敏电阻
(1)光控大门装置1、光敏电阻的外形及符号
2、光敏电阻应用光敏电阻
2、光敏电阻应用(2)天明报知装置蜂鸣器。蜂鸣器内装有发声电路,外边有两极引线,一根负极,一根正极。使用时正极接电池正极,负极接电池负极。当有电流通过时,能发出悦耳的蜂鸣声。早晨天明时,蜂鸣器就会自动发声。14.1.1
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。空穴自由电子
Si
Si
Si
Si价电子空穴温度愈高,晶体中产生的自由电子便愈多。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
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。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。14.1.2N型半导体和P型半导体
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。在单晶硅中掺入五价元素的磷原子14.1.2N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+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。14.1.2N型半导体和P型半导体
Si
Si
Si
SiB–硼原子接受一个电子变为负离子空穴在单晶硅中掺入三价元素的硼原子14.1.2N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–无论N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)ba14.2PN结14.2.1PN结的形成P型半导体N型半导体取一块硅,一半用三价掺杂,一半用五价掺杂----------------++++++++++++++++--------++++++++14.2.1PN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。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。----------------++++++++++++++++++++++++--------形成空间电荷区空间电荷区也称PN结动画14.2.1PN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,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接正内电场PN+++------+++++++++---------++++++---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。14.3
半导体二极管PN金属触点和引线PN阳极(A)阴极(K)AnodeCathode14.3
半导体二极管14.3
半导体二极管14.3.1基本结构(a)点接触型结面积小、结电容小、不能通过较大正向的电流,但他的高频性能好。用于检波和变频等高频电路,也可以作数字电路中的开关元件。14.3
半导体二极管14.3.1基本结构(b)面接触型结面积大、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电路中。14.3
半导体二极管二极管的结构示意图14.3.2伏安特性硅管0.5V,锗管0.1V。外加电压大于死区电压二极管才能导通。特点:非线性UI死区电压14.3.2伏安特性导通压降正向特性特点:非线性硅0.6~0.8V,锗0.2~0.3V。UIPN–+14.3.2伏安特性反向击穿电压U(BR)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。反向击穿特性特点:非线性UIPN+–反向电流在一定电压范围内保持常数。14.3.2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。正向特性反向特性硅0.6~0.8V,锗0.2~0.3V。UI死区电压PN+–PN–+反向电流在一定电压范围内保持常数。14.3.3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U(BR)的一半或三分之一。二极管击穿后单向导电性被破坏,甚至过热而烧坏。14.3.3主要参数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0.6~0.7V锗0.2~0.3V若二极管是理想的,正向导通时正向管压降为零,反向截止时二极管相当于断开。定性分析:判断二极管的工作状态导通截止分析方法: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阴或UD为负(反向偏置),二极管截止
二极管电路分析举例
电路如图,求:UAB
V阳
=-6VV阴=-12V
例1:解:分析: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。D6V12V3kBAUAB+–
解:V阳
=-6VV阴=-12V
在这里,二极管起钳位作用。
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电路如图,求:UAB例1:D6V12V3kBAUAB+–否则,UAB低于-6V一个管压降,为-6.3V或-6.7V解:分析:两个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
=-6V,V2阳=0V,V1阴
=V2阴=-12VUD1=6V,UD2=12V
例2:电路如图,求UABBD16V12V3kAD2UAB+–∵
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
=0VD1承受反向电压为-6V流过D2
的电流为在这里,D2起钳位作用,D1起隔离作用。
例2:电路如图,求UABBD16V12V3kAD2UAB+–解:V1阳
=-6V,V2阳=0V,
V1阴
=V2阴=-12VUD1=6V,UD2=12V
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:u218V二极管阴极电位为8VD8VRuoui++––二极管的用途:整流、检波、限幅、箝位、开关、元件保护、温度补偿等。ui>8V,二极管导通,可看作短路uo=8V
补充:二极管的测试1数字万用表的二极管测试挡将电表转到测试二极管挡的位置时,电表内部就会提供给二极管以足够的正向偏置电压和反向偏置电压。这个内部电压会随着各种万用表的机型不同而有所变化,但是一般范围从2.5V~3.5V。电表会提供电压值或以其他的方式,显示出待测二极管的测试结果。2正常二极管的测试结果(a)红表笔(正极)接二极管的阳极,黑表笔解二极管的阴极若二极管正常,表的读数大约在0.5V~0.9V之间,典型值为0.7V(b)将二极管倒置,若二极管正常,表的读数就是表内提供的给二极管的正向偏置电压。表示二极管有极高的反向电阻。3损坏二极管的测试结果(a)二极管损坏并呈现开路,在正偏和反偏下,所得读数相同为2.6V,或直接显示OL(overload)。(b)二极管损坏并呈现短路,在正偏和反偏下,所得读数相同为0V。有时候,损坏的二极管在正偏和反偏下,呈现小阻抗而不是单纯的短路,表显示的读数要比正常开路电压小很多,比如会呈现1.1V。而非正常二极管正偏.07V,反偏2.6V4欧姆挡测试二极管若使用的万用表没有测试二极管的专用挡,可以将电表切换到欧姆挡,也可以测试二极管。许多表在欧姆挡是,无法提供充足的电压对二极管进行正向偏置测试。所测阻值会从几百欧到几千欧。对于反向偏置下测试正常的二极管,你会得到几种超出范围的表示方法。例如大部分表会显示“OL”字样。这是因为反向电阻大于表的测试范围,所以表无法测量。14.4
稳压二极管1.符号UZIZIZMUZ
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。UI3.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u环境温度每变化1C引起稳压值变化的百分数。由于工艺等原因即使同一型号的稳压管的稳压值也具有一定得分散型例如一个12V的稳压管正温度系数0.01%。当界面温度上升一摄氏度时,稳定电压会上升1.2mV什么叫正温度系数和负温度系数?3.主要参数(4)稳定电流IZ、最大稳定电流IZM(5)最大允许耗散功率PZM=UZIZM管子不致发生热击穿所允许的做大功率损耗每一种型号的稳压管,都规定有一个最大稳定电流(3)动态电阻rZ愈小,曲线愈陡,稳压性能愈好。14.5半导体三极管14.5.1基本结构NNP基极发射极集电极BEC符号:BECIBIEICNPN型三极管集电区:collector发射区:emitter基区:base14.5
半导体三极管14.5.1基本结构BECPPN基极发射极集电极符号:BECIBIEICBECIBIEICPNP型三极管NNP基极发射极集电极BECNPN型三极管14.5
半导体三极管一般用途小信号塑料外壳晶体管14.5
半导体三极管一般用途小信号金属外壳晶体管14.5
半导体三极管一般多晶体管封装14.5
半导体三极管一般功率晶体管基区: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14.5.2电流分配和放大原理1.三极管放大的外部条件BECNNPEBRBECRC发射结正偏、集电结反偏
PNP发射结正偏
VB<VE集电结反偏VC<VB从电位的角度看:
NPN
发射结正偏
VB>VE集电结反偏VC>VB
2.各电极电流关系及电流放大作用IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.10<0.0010.701.502.303.103.95<0.0010.721.542.363.184.05结论:1)三电极电流关系IE=IB+IC2)IC
IB
,
IC
IE
3)IC
IBBECIBIEIC2.各电极电流关系及电流放大作用结论:1)三电极电流关系IE=IB+IC2)IC
IB
,
IC
IE
3)IC
IB实质:用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的变化,是CCCS器件。把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大变化的特性称为晶体管的电流放大作用。3.三极管内部载流子的运动规律BECNNPEBRBECIEIBEICEICBO基区空穴向发射区的扩散可忽略。发射结正偏,发射区电子不断向基区扩散,形成发射极电流IE。进入P区的电子少部分与基区的空穴复合,形成电流IBE,多数扩散到集电结。从基区扩散来的电子作为集电结的少子,漂移进入集电结而被收集,形成ICE。集电结反偏,有少子形成的反向电流ICBO。3.三极管内部载流子的运动规律IC=ICE+ICBO
ICEICIBIB=IBE-ICBOIBEBECNNPEBRBECIEICEICBOIBE
IC
与IB之比称为共发射极电流放大倍数3.三极管内部载流子的运动规律IC=ICE+ICBOICEICIBIB=IBE-ICBOIBE集-射极穿透电流,温度ICEO(常用公式)若IB=0,则
ICICE0BECNNPEBRBECIEICEICBOIBE14.5.3
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路输入回路输出回路
测量晶体管特性的实验线路ICEBmAAVUCEUBERBIBECV++––––++1.
输入特性IB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1V特点: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
0.6~0.7VPNP型锗管
UBE0.2~0.3V2.输出特性IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)9120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)9120(2)截止区IB<0以下区域为截止区,有IC0
。在截止区发射结处于反向偏置,集电结处于反向偏置,晶体管工作于截止状态。截止区2.输出特性IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)9120饱和区(3)饱和区当UCEUBE时,晶体管工作于饱和状态。在饱和区,IBIC,发射结处于正向偏置,集电结也处于正偏。
深度饱和时,硅管UCES0.3V,
锗管UCES0.1V。2.输出特性IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)9120饱和区(3)饱和区
深度饱和时,硅管UCES0.3V,
锗管UCES0.1V。理想情况下,一个饱和的晶体管起的作用是从集电极到发射极短路。RB+VCCRCVin1S例:晶体管开关的一个简单的应用一个周期为2秒的方波作为以下电路的输入信号,分析LED发光的规律。结论:得到一个闪烁的LED,它按照亮一秒暗一秒的规律变化。14.5.4
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较小的情况下,两者数值接近。常用晶体管的
值在20~200之间。例:在UCE=6V时,在Q1点IB=40A,IC=1.5mA;
在Q2点IB=60A,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ICBOICBO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BU(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BU(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=ICUCE
硅管允许结温约为150C,锗管约为7090C。ICUCEICUCE=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–(2~2.5)mV,
即晶体管具有负温度系数。3、温度每升高1C,
增加0.5%~1.0%。14.6.1发光二极管(LED:light-emittingdiode)14.6光电器件早期的第一只发光二极管是红色的,由于材料的发展,允许制造出橘黄色的LED,后来又产生浅绿色的。在20实际90年代运用磷铝化镓铟实现红色、桔黄色、黄色和绿色高亮LDE.有正向电流
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