二极管和晶体管.ppt

1、1,第14章 二极管和晶体管,14.1.1 本征半导体,最常用的半导体硅和锗的导电的机制,首先需要了解的是硅晶体和锗晶体的结构。,(a) 锗 Ge,(b) 硅 Si,图 14.1.1 锗和硅的原子结构,2,第14章 二极管和晶体管,图 14.1.2 晶体中的原子排列方式,图 14.1.3 硅单晶中的共价键结构,3,第14章 二极管和晶体管,由于热激发或其它的原因，形成共价键的价电子有可能挣 脱晶格的束缚成为自由电子，并在原先的位置留下一个空 穴。电子和空穴都可以参与导电。,图 14.1.4 空穴和 自由电子的形成,4,第14章 二极管和晶体管,自由电子和空穴都称为载流子。对于本征半导体（纯净

2、的半导体）而言，两者的数目是一样的。通常情况下， 本征半导体的载流子数目很少，所以只有微弱的导电能 力。比如，室温下每立方厘米纯净的硅晶体中约有自由 电子或空穴 1.51010 个。通过掺入三价或五价的元素， 本征半导体可以成为具有较强导电能力的 P 型半导体或 N 型半导体。,5,第14章 二极管和晶体管,14.1.2 N 型半导体和 P 型半导体,图 14.1.5 磷原子的结构,图 14.1.6 硅晶体中掺磷出现自由电子,本征半导体中掺入 5 价的原素形成 N 型半导体。N 型半 导体中，自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。,6,第14章 二极管和晶体管,图 14.1.7 硼原子的结构

3、,图 14.1.8 硅晶体中掺硼出现空穴,本征半导体中掺入 3 价的原素形成 P 型半导体。P 型半 导体中，空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。,7,第14章 二极管和晶体管,14.2 PN结及其单向导电性,PN 结：P 型半导体和 N 型半导体的交界面处形成的一个 特殊的薄层。,制作 PN 结的方法：通常是在一块 N 型 ( P 型) 半导体的 局部再掺入浓度较大的三价 (五价) 杂质，使其变为 P 型 ( N 型) 半导体。,P 区的多数载流子 (空 穴) 向 N 区扩散，而 N 区的多数载流子 (自由 电子) 则向 P 区扩散。,8,第14章 二极管和晶体管,平衡时， P 区与 N

4、 的交界面两侧的多数载流子复合掉了， 形成了空间电荷区即 PN 结（又称耗尽层）。空间电荷区 形成的内电场阻碍了多数载流子的扩散运动。,9,第14章 二极管和晶体管,P 区接电源正极，而 N 区接电源负极，这时 PN 结上所 加的电压称为正向电压。,当 PN 结加上正向电压时， 外电场的方向与内电场的方 向相反，它使得空间电荷区 变窄，消除了 PN 结对于多 数载流子扩散的阻碍。所 以，正向电压可以形成较大 的正向电流。,10,第14章 二极管和晶体管,P 区接电源负极，而 N 区接电源正极，这时 PN 结上所 加的电压称为反向电压。,当 PN 结加上反向电压时， 外电场的方向与内电场的方 向

5、相同，它使得空间电荷区 变宽，增强了 PN 结对于多 数载流子扩散的阻碍。所 以，反向电压只能形成较小 的反向电流。,11,第14章 二极管和晶体管,14.3 二极管,将 PN 结加上相应的电极引线和管壳，就成为二极管。 按结构分，二极管有点接触型、面接触型和平面型三 类。,点接触型 ( 一般为锗管 ) 二极管适用于高频和小功率工作； 面接触型 ( 一般为硅管 ) 二极管一般用作整流； 平面型二极管可用作大功率整流管和数字电路中的开关管。,二极管的符号,12,第14章 二极管和晶体管,(a),(b),(c),(a) 点接触型； (b) 面接触型； (c) 平面型。,13,第14章 二极管和晶体

6、管,14.3.2 伏安特性,2CZ52A 硅二极管的伏安特性,死区电压,反向饱和电流,反向击穿电压,硅管的死区电压约为 0.5 V ， 导通时的正向压降约为 0.6 至 0.8 V 。,14,第14章 二极管和晶体管,2AP2 锗二极管的伏安特性,锗管的死区电压约为 0.1 V ， 导通时的正向压降约为 0.2 至 0.3 V 。,15,第14章 二极管和晶体管,14.3.3 主要参数,1. 最大整流电流 IOM,2. 反向工作峰值电压 URWM,URWM 一般为反向击穿电压的一半或三分之二。,3. 反向峰值电流 IRM,IRM 是二极管加上反向峰值电压时的反向电流值。,16,第14章 二极管

7、和晶体管,例 14.3.1 对于下图的微分电路，如果输入电压 uI 如图 所示，试画出输出电压 uO的波形。设 uC(0)=0 。,电路图,输入电压,17,第14章 二极管和晶体管,先来看一个如下的简单的微分电路,由基尔霍夫电压定律可得,18,第14章 二极管和晶体管,I 是电路中的电流强度,q 是电容器正极所带电量,解此微分方程，可得 uC 。,19,第14章 二极管和晶体管,a 是常数,常数 A 由初始条件来确定。如果,这里,那么，,20,第14章 二极管和晶体管,当 且 时，uR 如图所示。,21,第14章 二极管和晶体管,例 14.3.1 的电路中，二极管 起了检波的作用，除去正尖 脉

8、冲。,22,第14章 二极管和晶体管,14.4 稳压二极管,稳压二极管：工作在反向击穿状态的一种特殊的面接触型 半导体硅二极管。它在电路中和适当的电阻配合能够起到 稳压的作用。,稳压二极管的表示符号,23,第14章 二极管和晶体管,2CZ52A,稳压管与普通二极管的伏安特性的比较,2CW59 ( 稳压管 ),24,第14章 二极管和晶体管,稳压二级管的主要参数,1. 稳定电压 UZ,2. 电压温度系数,稳定工作时管子两端的电压，同 一型号的稳压二极管的 UZ 有一 定的分散性。比如 2CW59 的 UZ 为 1011.8 V 。,温度每升高一度，UZ 升高的百分 比。,，则,，则,25,第14

9、章 二极管和晶体管,4. 动态电阻 rZ,5. 最大允许耗散功率 PZM,rZ 越小，稳压性能越好。,3. 稳定电流 IZ,最大稳定电流 IZM,26,第14章 二极管和晶体管,例 14.4.1 计算下图中通过稳压二极管的电流 IZ 等于多少？ R 是限流电阻，其值是否合适？,解：如果稳压二极管处于正常 工作状态，则管子上的压降为 12V ，所以此时 R 上的电压为,因此，电流为,电阻的阻值是合适的。,27,第14章 二极管和晶体管,14.5 晶体管,14.5.1 基本结构,平面型,合金型,28,第14章 二极管和晶体管,图 14.5.3 晶体管的结构示意图和表示符号 (a) NPN 型晶体管

10、；(b) PNP 型晶体管,29,第14章 二极管和晶体管,14.5.2 电流分配和放大原理,晶体管电流放大的实验电路 ( 共发射极接法 ),30,第14章 二极管和晶体管,表 14.5.1 晶体管电流测量数据 ( EC=6V ),几点结论,(1) IE=IC+IB ；,(2) IC 和 IE 比 IB 大的多；,31,第14章 二极管和晶体管,对于第三列的数据，有,对于第四列的数据，有,这个就是晶体管的电流放大作用。电流放大作用还体 现在较小的 IB 的变化会引起较大的 IC 的变化。还是 以第三列和第四列的数据为例,32,第14章 二极管和晶体管,(3) 当 IB=0 （基极开路）时，IC

11、=ICEO ，表中,(4) 要使晶体管起放大作用，发射结必须正向偏置，而 集电结必须反向偏置。,WL,33,第14章 二极管和晶体管,晶体管电流放大作用的原理图,载流子运动,电流分配,GC,34,第14章 二极管和晶体管,发射极的电流 IE 分为了两部分，一部分形成了电流 IBE ， 另一部分形成了电流 ICE 。其中 IBE 远小于 ICE 。两者的 比值用 表示。,35,第14章 二极管和晶体管,图 14.5.6 电流方向和发射结与集电结的极性 (起放大作用时),(a) NPN 型晶体管； (b) PNP 型晶体管,36,第14章 二极管和晶体管,14.5.3 特性曲线,特性曲线用来表示晶

12、体管各极电压与电流之间的关系。 下面的图表示的是共发射极接法时 3DG100 的特性曲线。,37,第14章 二极管和晶体管,1. 输入特性曲线,输入特性曲线是 UCE 为常数时 IB 和 UBE 之间的关系。 对于硅管而言， 的输入特性曲线变化不大。,38,第14章 二极管和晶体管,2. 输出特性曲线,输出特性曲线是指 IB 为常数时，IC 与 UCE 之间的关系曲线。,(1) 截止区,(2) 饱和区,此时集电结同发射 结一样，都是正向 偏置。,(3) 放大区,IB 和 IC 成比例，又 称线性区。,39,第14章 二极管和晶体管,放大,截止,饱和,图 14.5.10 晶体管三种工作状态的电压

13、和电流,通过截止和饱和两种状态的转换，可以实现开关作用。,40,第14章 二极管和晶体管,表 14.5.2 晶体管结电压的典型数据,41,第14章 二极管和晶体管,例 14.5.1 在下图的电路中,当输入电压分别取 3V ，1V 和 -1V 时，试问晶体管处 于何种工作状态？,解：饱和时集电极电流,和此 IC 对应的 IB 刚刚能使晶 体管处于饱和状态。将这一 大小的 IB 命名为 ，则,42,第14章 二极管和晶体管,(1) 当 UI = 3V 时,此时，晶体管处于深度饱和状态。,(2) 当 UI = 1V 时,晶体管处于放大状态。,(3) 当 UI = -1V 时，晶体管可靠截至。,43,

14、第14章 二极管和晶体管,14.5.4 主要参数,1. 电流放大系数,该系数是晶体管工作在静态 (无输入信号) 时集电极电 流 IC 和基极电流 IB 的比值。,静态电流 (直流) 放大系数,(对于共射极电路),该系数是晶体管工作在动态 (有输入信号) 时集电极电 流 和基极电流 的比值。,动态电流 (交流) 放大系数,44,第14章 二极管和晶体管,例 14.5.2 根据下图计算 3DG100 晶体管在 Q1 处的 ， 并由 Q1 和 Q2 计算 。,解：(1) 在 Q1 处,(2) 由 Q1 和 Q2 得,45,第14章 二极管和晶体管,2. 集 基极反向截止电流 ICBO,图 14.5.12 测量 ICBO 的电路,ICBO 越小越好。,46,第14章 二极管和晶体管,3. 集 射集反向截止电流 ICEO,图 14.5.13 测量 ICEO 的电路,47,第14章 二极管和晶体管,由上