北京科技大学《电子技术基础》课件-第14章 二极管和三极管

(1-0)第十四章

二极管和三极管北京科技大学《电子技术基础》(14-1)第十四章二极管和三极管§14.1

半导体的导电特性§14.2

PN结及其单向导电性§14.3二极管§14.4

稳压二极管§14.5光电器件§14.6晶体管(14-2)导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。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。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、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。§14.1半导体的导电特性(14-3)

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：

当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化--热敏特性、光敏特性。

往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变--掺杂特性。(14-4)14.1.2

N型半导体和P型半导体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。其原因是掺杂半导体的某种载流子的浓度大大增加。P型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体（也称为空穴半导体）。N型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体（也称为电子半导体）。(14-5)PN结的形成在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。§14.2PN结及其单向导电性(14-6)PN结的单向导电性

PN结加上正向电压、正向偏置的意思是：

P

区加正电压、N

区加负电压。

PN

结加上反向电压、反向偏置的意思是：

P区加负电压、N区加正电压。(14-7)PN结具有单向导电性：

1、加正向电压时，PN结处于导通状态，呈低电阻，正向电流较大。

2、加反向电压时，PN结处于截止状态，呈高电阻，

反向电流很小。(14-8)14.3二极管一、基本结构：PN结加上管壳和引线。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。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。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。PN(14-9)（LED）LightEmittingDiodeLowpowerDiodeHighpowerDiodeZenerDiodeLED(14-10)(14-11)UI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时，二极管被击穿，失去单向导电性。正向特性反向特性硅0.6-0.7V锗0.2-0.3V死区电压PN+–PN–+反向电流在一定电压范围内保持常数。

二、伏安特性：非线性O(14-12)三、主要参数1.最大整流电流

IOM二极管长时间使用时，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保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是反向击穿电压U(BR)的一半或三分之二。点接触型D管为数十伏，面接触型D管可达数百伏。通常二极管击穿时，其反向电流剧增，单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。(14-13)3.反向峰值电流

IRM指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流越大，说明二极管的单向导电性越差。反向电流受温度影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小（<几微安），锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。以上均是二极管的直流参数，二极管的应用主要是利用它的单向导电性，它可应用于整流、检波、限幅、保护等等。(14-14)

二极管电路分析

定性分析：判二极管的工作状态----导通、截止

实际二极管：正向导通----硅0.6~0.7V

锗

0.2~0.3V

理想二极管：正向导通----管压降为零反向截止----相当于断开含二极管电路分析方法：

1.假定二极管从电路中断开，计算阳极和阴极电位差，如果电位差大于0，或0.7V，或0.3V(理想二极管，Si管，或Ge管)，二极管为导通状态，接回二极管，二极管两端电压为0或0.7V，或0.3V。

2.如果电位差小于0.7V(Si管)，0.3V(Ge管)，二极管为截止状态，接回二极管，二极管截止，相当于开路。二极管电路分析(14-15)例1求UO1

(D为Si管)。解：D导通，UO1＝2－0.7＝1.3V(14-16)例2求UO2

(D为Si管)。解：D截止，UO2＝0V(14-17)解:D导通，UO3=－1.3V例3求UO3

(D为Si管)。(14-18)解：D截止，UO4＝2V例4求UO4(D为Si管)。(14-19)解：D导通，UO5＝2－0.7＝1.3V例5求UO5

(D为Si管)。(14-20)解：D截止，UO6=－2V例6求UO6

(D为Si管)(14-21)RLuiuouiuott(14-22)已知输入信号ui是正弦波信号，求输出信号uo的波形（假设二极管是理想二极管）半波整流(14-23)例3：已知：Ui=10sinωtV，二极管为理想元件。

试画出Uo的波形。Ui<5V：Uo=Ui解：方法：判断二极管何时导通、截止。Ui>5V：Uo=5V(14-24)例4：已知：管子为锗管，Va=3V，Vb=0V。试求：Vy=?方法：先判二极管谁优先导通，导通后二极管起嵌位作用两端压降为定值。因：Va>Vb故：Da优先导通Db截止若：Da导通压降为0.3V则：Vy=2.7V解：P11：例14.3.23V0V(14-25)符号UZIZIZM

UZ

IZ伏安特性稳压管正常工作时，需加反向电压，工作于反向击穿区。使用时要加限流电阻稳压原理：稳压管反向击穿以后，电流变化很大，但其两端电压变化很小。_+UIO§14.4稳压二极管曲线越陡电压越稳(14-26)(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)

动态电阻(3)

稳定电流IZ、最大稳定电流IZM(4)

最大允许耗散功率PZM=UZIZMrZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。稳压二极管的主要参数:(14-27)例：已知：UZ=12V，IZM=18mA，R=1.6kΩ。试求：IZ=?限流电阻R

的阻值是否合适？解：IZ=(20–UZ)/R=(20–12)/1.6×103

=5mA因：IZ<IZM故：限流电阻R

的阻值合适。P15：例14.4.1(14-28)§14.5光电器件

发光二极管光电二极管光电二极管是把光信号转化成电流。

当光照增强时，反向电流增大。IUilluminationincrease光电二极管(14-29)发光二极管(LED)光电二极管是把光信号转化成电流，相反，发光二极管(LED)把电流转化成光信号。光电二极管LED(14-30)

视频3-13(14-31)14.6.1

基本结构§14.6晶体管常见：硅管主要是平面型，锗管都是合金型(a)平面型(b)合金型BEP型硅N型硅SiO2保护膜铟球N型锗N型硅CBECPP铟球结构图(14-32)NPN型晶体管PNP型晶体管CE发射区集电区基区集电结发射结NNP基极发射极集电极BCE发射区集电区基区P发射结P集电结N集电极发射极基极BNNCEBPCETBIBIEIC符号BECPPNETCBIBIEIC符号(14-33)BECNNP

放大的外部条件：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

NPN

发射结正偏VB>VE集电结反偏VC>VB

EBRBECRC14.6.2电流分配和放大原理从电位的角度看(14-34)晶体管电流放大的实验电路设EC=6V，改变可变电阻RB，则基极电流IB、集电极电流IC和发射极电流IE都发生变化，测量结果如下表：

各电极电流关系mA

AVVmAICECIBIERB+UBE

+UCE

EBCEB3DG100RC(14-35)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(1)IE=IB+IC符合基尔霍夫定律(2)IC

IB

，

IC

IE

(3)

IC

IB晶体管的电流放大作用：基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大的变化。

放大实质：用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的变化，晶体管是电流控制器件。晶体管电流测量数据结论(14-36)ICIEIB+UCE

+UBE

CTEB

(a)NPN型晶体管+UBE

IBIEICCTEB

+UCE

(b)PNP型晶体管

晶体管起放大作用的条件：发射结必须正向偏置，集电结必须反向偏置。(14-37)电流分配和放大原理BECNNPEBRBECIE从基区扩散来的电子漂移进入集电区而被收集，形成IC。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。IB进入P区的电子除极少数与基区空穴复合，形成电流IB，

绝大多数扩散到集电结。ICRC(14-38)电流分配和放大原理BECNNPEBRBECIE从基区扩散来的电子漂移进入集电区而被收集，形成IC。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。IB进入P区的电子除极少数与基区空穴复合，形成电流IB，

绝大多数扩散到集电结。ICICBO集电结反偏，由少子形成的反向电流ICBO。RC(14-39)直流电流放大倍数：要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。(14-40)14.6.3

特性曲线为什么要研究特性曲线：直观地分析管子的工作状态；合理地选择偏置电路的参数。输入回路输出回路视频14-15RC(14-41)一、输入特性曲线UCE1VIB(

A)UBE(V)204060800.40.8UCE=0VUCE=0.5V0死区电压硅管0.5V工作压降：硅管UBE0.6~0.7V(14-42)二、输出特性曲线IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A0此区域满足IC=IB称为放大区或线性区。当UCE大于一定数值时,IC只与IB有关,且IC=IB(14-43)IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A0深度饱和时硅管UCES0.3V此区域UCE

UBE，

集电结正偏，

IB>IC，称为饱和区。(14-44)IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A0此区域中：IB=0,IC0UBE<0.7V,称为截止区。(14-45)输出特性三个区域的特点放大区：发射结正偏，集电结反偏。UBE≥0.7V,UCE>UBE,则：IC=IB(2)饱和区：发射结正偏，集电结正偏。UBE≥0.7V,

UCE

UBE,则：IC<

IB(3)截止区：

UBE<0.7V，则IB=0，IC=ICEO

0

(14-46)解：当UBB

=-2V时：ICUCEIBUCCRBUBBCBERCUBEIB=0，IC=0T管工作于截止区

例1:

=50，UCC

=12V，

RB

=70k，RC

=6k，

当UBB

=-2V，2V，5V

时，晶体管工作于哪

个区？(14-47)T管工作于放大区ICUCEIBUCCRBUBBCBERCUBE解：UBB

=2V时：例1:

=50，UCC

=12V，

RB

=70k，RC

=6k，

当UBB

=-2V，2V，5V

时，晶体管工作于哪个区？非截止区，放大区或饱和区，假设处于放大区(14-48)解：UBB

=5V时:ICUCEIBUCCRBUBBCBERCUBET管工作于饱和区例1:

=50，UCC

=12V，

RB

=70k，RC

=6k，

当UBB

=-2V，2V，5V

时，晶体管工作于哪个区？非截止区，放大区或饱和区，假设处于放大区(14-49)例2：现测得放大电路中两晶体管各管脚电位如下：

a：V1=12V，V2=3.7V，V3=3V；

b：V1=-6V，V2=-2.1V，V3=-1.9V

试判别各管的管脚、类型、材料。解：结论：b极--中间电位,e极--Ube很小硅管:│Ube│=0.6~0.7V

锗管:│Ube│=0.2~0.3VNPN:Vc=max,Vc>Vb>VePNP:Vc=min,Ve>Vb>Vc方法：先确定b、e、c脚,

然后确定材料、类型a：脚2=b脚脚3=e脚脚1=c脚硅管,NPN管b：脚2=b脚脚3=e脚脚1=c脚锗管,PNP管PNP管NPN管++++++++++++(14-50)三、主要参数直流电