《电工电子技术》课件-第五章 常用半导体器件与应用

[能力目标]1.能检测并识别二极管和三极管的好坏；2.能应用二极管构建整流电路；3.能应用三极管构建基本放大电路。[知识目标]1.了解二极管的结构与特性；2.掌握二极管的选用；3.理解整流电路的工作原理；4.了解三极管的结构与特性5.掌握三极管的选用；6.理解三极管基本放大电路的工作原理。第五章常用半导体器件与应用第五章常用半导体器件与应用第一节二极管及应用

一、PN结及其特性1．半导体的基本知识导体：很容易导电的物体，如金、银、铜、铁等。绝缘体：不容易导电或者完全不导电的物体，如塑料、橡胶、陶瓷、玻璃等。半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质，如硅(Si)、锗(Ge)、金属氧化物等。硅和锗是4价元素，原子的最外层轨道上有4个价电子。掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，使其导电能力明显改变。光敏性：当受到光照时，其导电能力明显变化。(可制成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光电池等)。热敏性：当环境温度升高时，导电能力明显増强。第一节二极管及应用

第一节二极管及应用

2．P型半导体和N型半导体

完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。

共价键中的两个电子，称为价电子。第一节二极管及应用

2．P型半导体和N型半导体

本征半导体的导电机理：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）。这一现象称为本征激发。温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。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）。第一节二极管及应用

2．P型半导体和N型半导体

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。第一节二极管及应用

2．P型半导体和N型半导体

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。

第一节二极管及应用

2．P型半导体和N型半导体

图5-1P型半导体图5-2N型半导体图第一节二极管及应用

3．PN结及其单向导电性

图5-3PN结的形成过程第一节二极管及应用

3．PN结及其单向导电性

空间电荷区也称PN结

第一节二极管及应用

3．PN结及其单向导电性

PN结加正向电压（正向偏置）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。第一节二极管及应用

3．PN结及其单向导电性

PN结加反向电压（反向偏置）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。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。温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。第一节二极管及应用

二、二极管的结构及符号(a)点接触型结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路。(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。第一节二极管及应用

三、二极管的伏安特性第一节二极管及应用

三、二极管的伏安特性1．正向导通特性当二极管正向电压超过其死区电压时（硅管为0.5V，锗管为0.2V），二极管进入导通状态，此时，流过二极管的电流随电压的升高而明显增加，二极管的电阻变得很小。由图可见，导通后二极管两端的正向压降几乎不随流过电流的大小而变化，硅管的正向压降约为0.7V，锗管为0.3V。第一节二极管及应用

三、二极管的伏安特性2．反向截止特性当二极管外加反向电压时，PN结处于截止状态，当该电压小于反向击穿电压时，反向电流几乎不随反向电压而变化，称为反向饱和电流。通常硅管的反向饱和电流比锗管的小。第一节二极管及应用

三、二极管的伏安特性3．反向击穿特性当反向电压大于击穿电压时，反向电流急剧增大，这种现象称为反向电击穿。如果没有限流措施，二极管可能被损坏。第一节二极管及应用

四、晶体二极管的主要参数

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。第一节二极管及应用

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。

四、晶体二极管的主要参数

第一节二极管及应用

4．最高工作频率fM

是指为保证二极管具有单向导电作用的最高频率。当工作频率过高时，二极管的单向导电性能就会减弱，甚至失去单向导电性能。点接触型锗管其最高工作频率可达数百兆赫，而面接触型硅整流管，其最高工作频率只有3kHz。四、晶体二极管的主要参数

第一节二极管及应用

二极管按材料分类，有硅二极管和锗二极管两类；按PN结的结构特点分类，有点接触型（PN结面积小）和面接触型（PN结面积大）两类；按用途分类，又可分为普通二极管、整流二极管、稳压二极管、光敏二极管、热敏二极管、发光二极管等。五、晶体二极管的种类及型号命名1．晶体二极管的种类第一节二极管及应用

五、晶体二极管的种类及型号命名（1）普通二极管的应用1）普通二极管在整流电路中的应用。图

二极管单相半波整流电路及其电压波形图

二极管单相桥式整流电路及其电压波形

第一节二极管及应用

五、晶体二极管的种类及型号命名2）普通二极管在钳位电路中的应用。图

二极管构成的钳位电路第一节二极管及应用

五、晶体二极管的种类及型号命名（2）稳压二极管及其应用第一节二极管及应用

五、晶体二极管的种类及型号命名（2）稳压二极管及其应用主要参数(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1

C引起稳压值变化的百分数。(3)稳定电流IZ

、最大稳定电流IZM(5)最大允许耗散功率PZM=UZ

IZM第一节二极管及应用

五、晶体二极管的种类及型号命名（2）稳压二极管及其应用

图

含稳压二极管的简单电路第一节二极管及应用

五、晶体二极管的种类及型号命名有正向电流流过时，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光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。

第一节二极管及应用

五、晶体二极管的种类及型号命名2．晶体二极管的型号命名及含义第一部分第二部分第三部分第四部分第五部分用汉语拼音字母表示规格号用数字表示同类二极管的序号用汉语拼音字母表示二极管的类别用汉语拼音字母表示二极管的材料与极性用数字“2”表示主称为二极管第一节二极管及应用

六、晶体二极管的检测a）b）图5-12二极管的极性检测a）万用表指示阻值小b）万用表指示阻值大第一节二极管及应用

六、晶体二极管的检测表5-1二极管性能的判定原则万用表正向电阻反向电阻正反向电阻差值锗材料二极管1kΩ左右（正常）500kΩ左右（正常）很大（性能好）很小（性能差）接近于0Ω（短路）接近于0Ω（短路）接近于无穷大（断路）接近于无穷大（断路）硅材料二极管1~5kΩ之间（正常）无限大（正常）很大（性能好）很小（性能差）接近于0Ω（短路）接近于0Ω（短路）接近于无穷大（断路）接近于无穷大（断路）第一节二极管及应用

七、晶体二极管的应用电路

1．整流电路（1）半波整流电路

a）b）图5-13二极管单相半波整流电路及其电压波形

a）二极管单相半波整流电路b）二极管单相半波整流的电压波形第一节二极管及应用

七、晶体二极管的应用电路

1．整流电路（2）全波整流电路

a）b）图5-14二极管单相桥式整流电路及其电压波形a）二极管单相桥式整流电路b）二极管单相桥式整流电路的电压波形第一节二极管及应用

七、晶体二极管的应用电路

2．滤波电路（1）电容滤波电路a）b）图5-15电容滤波电路及其输出电压波形a）电容滤波电路b）电容滤波电路的输出电压波形第一节二极管及应用

七、晶体二极管的应用电路

2．滤波电路（2）电感滤波电路a）b）图5-16电感滤波电路及其输出电压波形a）电感滤波电路b）电感滤波电路的输出电压波形第一节二极管及应用

七、晶体二极管的应用电路

3．稳压电路图5-19

硅稳压管稳压电路第二节三极管及应用

一、晶体三极管的结构和类型第二节三极管及应用

一、晶体三极管的结构和类型第二节三极管及应用

一、晶体三极管的结构和类型2．三极管的类型第二节三极管及应用

一、晶体三极管的结构和类型（1）根据三极管所使用的半导体材料可分为硅材料三极管，和锗材料三极管。（2）按三极管内部三个区域半导体类型的不同，可分为PNP型三极管和NPN型三极管两大类，它们的图形符号如图所示。图中发射极的箭头表示发射结加正向电压时的电流方向。第二节三极管及应用

一、晶体三极管的结构和类型（3）根据电流容量可分为为小功率管（P<1W）和大功率管（P>1W）两种。（4）根据功能和用途三极管可分为放大三极管、开关三极管、达林顿三极管、光敏三极管和磁敏三极管等多种类型。（5）按封装结构可分为金属封装三极管、塑料封装三极管、表面封装三极管和陶瓷封装三极管等。第二节三极管及应用

二、晶体三极管的电流放大作用1．三极管电流放大的条件第二节三极管及应用

二、晶体三极管的电流放大作用1．三极管电流放大的条件图5-22三极管放大电路的双电源接线图第二节三极管及应用

二、晶体三极管的电流放大作用2．三极管的电流分配第二节三极管及应用

二、晶体三极管的电流放大作用2．三极管的电流分配1）三电极电流关系IE=IB+IC2）IC

IB，3）

IC

IB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。实质:用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的变化第二节三极管及应用

晶体三极管内部载流子运动规律第二节三极管及应用

晶体三极管内部载流子运动规律第二节三极管及应用

三、晶体三极管的输入、输出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第二节三极管及应用

测量晶体管特性的实验线路发射极是输入回路、输出回路的公共端第二节三极管及应用

输入特性第二节三极管及应用

输出特性

第二节三极管及应用

（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。（3）饱和区当UCE￡

UBE时，晶体管工作于饱和状态。在饱和区，

IB

IC，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。第二节三极管及应用

四、晶体三极管的主要参数1.电流放大系数，

当晶体管接成发射极电路时，直流电流放大系数交流电流放大系数注意：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。第二节三极管及应用

2.集-基极反向截止电流ICBO

第二节三极管及应用

3.集-射极反向截止电流(穿透电流)ICEO

第二节三极管及应用

4.集电极最大允许电流ICM

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。5.集-射极反向击穿电压U(BR)CEO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25

C、基极开路时的击穿电压U(BR)CEO。第二节三极管及应用

6.集电极最大允许耗散功耗PCMPCM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。PCM=IC

UCE硅管允许结温约为150

C，锗管约为70

90

C。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

第二节三极管及应用

1、温度每增加10

C，ICBO增大一倍。硅管优于锗管。2、温度每升高1

C，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1

C，

增加0.5%~1.0%。第二节三极管及应用

五、晶体三极管的检测1．三极管的引脚识别第二节三极管及应用

图

三极管集电极和发射极的识别第二节三极管及应用

六、晶体三极管放大电路放大的概念:放大的目的是将微弱的变化信号放大成较大的信号。放大的实质:用小能量的信号通过三极管的电流控制作用，将放大电路中直流电源的能量转化成交流能量输出。对放大电路的基本要求：1.要有足够的放大倍数(电压、电流、功率)。2.尽可能小的波形失真。另外还有输入电阻、输出电阻、通频带等其它技术指标。第二节三极管及应用

六、晶体三极管放大电路1．共发射极放大电路第二节三极管及应用

六、晶体三极管放大电路共射放大电路的电压放大作用

第二节三极管及应用

六、晶体三极管放大电路(1)无输入信号电压时，三极管各电极都是恒定的电压和电流:IB、UBE和IC、UCE

(IB、UBE)和(IC、UCE)分别对应于输入、输出特性曲线上的一个点，称为静态工作点。

第二节三极管及应用

六、晶体三极管放大电路第二节三极管及应用

六、晶体三极管放大电路(2)加上输入信号电压后，各电极电流和电压的大小均发生了变化，都在直流量的基础上叠加了一个交流量，但方向始终不变。第二节三极管及应用

六、晶体三极管放大电路(3)若参数选取得当，输出电压可比输入电压大，即电路具有电压放大作用。

(4)输出电压与输入电压在相位上相差180°，即共发射极电路具有反相作用。第二节三极管及应用

六、晶体三极管放大电路1.实现放大的条件(1)晶体管必须工作在放大区。发射结正偏，集电结反偏。(2)正确设置静态工作点，使晶体管工作于放大区。(3)输入回路将变化的电压转化成变化的基极电流。(4)输出回路将变化的集电极电流转化成变化的集电极电压，经电容耦合只输出交流信号。第二节三极管及应用

六、晶体三极管放大电路2.直、流通路和交流通路因电容对交、直流的作用不同。在放大电路中如果电容的容量足够大，可以认为它对交流分量不起作用，即对交流短路。而对直流可以看成开路。这样，交直流所走的通路是不同的。直流通路：无信号时电流（直流电流）的通路，用来计算静态工作点。交流通路：有信号时交流分量（变化量）的通路，用来计算电压放大倍数、输入电阻、输出电阻等动态参数。第二节三极管及应用

六、晶体三极管放大电路2．共发射极放大电路的静态分析静态：放大电路无信号输入（ui=0）时的工作状态。静态分析：确定放大电路的静态值。——静态工作点Q：IB、IC、UCE?。分析方法：估算法、图解法。分析对象：各极电压电流的直流分量。所用电路：放大电路的直流通路。设置Q点的目的：(1)使放大电路的放大信号不失真；(2)使放大电路工作在较佳的工作状态，静态是动态的基础。第二节三极管及应用

六、晶体三极管放大电路2．共发射极放大电路的静态分析（估算法）第二节三极管及应用

六、晶体三极管放大电路2．共发射极放大电路的静态分析（图解法）1.用估算法确定IB

2.由输出特性确定IC和UCC第二节三极管及应用

六、晶体三极管放大电路3．共发射极放大电路的动态分析主要动态性能指标

图

放大电路的输入电阻第二节三极管及应用

六、晶体三极管放大电路3．共发射极放大电路的动态分析图

放大电路的输出电阻第二节三极管及应用

六、晶体三极管放大电路3．共发射极放大电路的动态分析电压放大倍数放大电路输出信号的电压与输入信号的电压的比值，用Au表示，即第二节三极管及应用

六、晶体三极管放大电路3．共发射极放大电路的动态分析图

放大电路的微变等效电路第三节晶闸管及应用晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又叫可控硅整流器（SCR），是在晶体管基础上发展起来的一种大功率半导体器件。晶闸管也具有单向导电性，但它的导通时间是可控的，且具有体积小、使用维护方便、容量大、开关速度快、无电磁干扰等特点，广泛应用于整流、逆变、调压及开关等方面。第三节晶闸管及应用一、晶闸管的结构与工作原理

a）b)