第7章半导体二极管和三极管..ppt

1、第7章 半导体二极管和三极管(一),7.2 半导体二极管,7.4 半导体三极管,7.1 半导体的导电特性,7.3稳压电源,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简单电路。,2、非线性问题的线性化：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。 半导体器件是非线性的、特性有分散性,工程上允许一定的误差、采用合理估算的方法。,1、管为路用：对于半导体器件，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。讨论半导体器

2、件的原理目的在于应用。,学习电子技术应注意的几个问题：,3、重点在于掌握概念，而非计算技巧。,物质按导电能力的不同可分为导体、半导体和绝缘体三大类。，典型的半导体有硅(Si)和锗(Ge)，以及砷化镓(GaAs)等。硅和锗在元素周期表上是四阶元素。 半导体的导电能力虽然介于导体和绝缘体之间，但半导体的应用却极其广泛，这是由半导体的独特性能决定的：,7.1 半导体的导电特性,半导体的导电特性：,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

3、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 温度敏感元件，如热敏电阻）。,一. 本征半导体,天然的硅和锗是不能制作成半导体器件的。它们必须先经过高度提纯.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。,价电子,价电子在获得一定能（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子便愈多。,自由电子,在外电场的作用下，空穴

4、吸引相邻原子的价电子来填补(价电子填空穴的现象称为复合)。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）。,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。,二. N型半导体和

5、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,多余电子,磷原子,在常温下即可变为自由电子,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。,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,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。,硼原子,接受一个电子变为负离子,空穴,无论N型或P型半导体都 是中性的，对外不显电性。,此时整个晶体带电吗？为什么？,三. PN结及

6、其单相导电性,1. PN结的形成,多子的扩散运动,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,2. 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,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。,PN 结变宽,(2) 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

7、子数量很少，形成很小的反向电流。,IR,P接负、N接正,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。,把PN结用管壳封装，然后在P区和N区分别向外引出一 个电极，即可构成一个二极管。二极管是电子技术中最基 本的半导体器件之一。根据其用途分有检波管、开关管、 稳压管和整流管等。,硅高频检波管,开关管,稳压管,整流管,发光二极管,电子工程实际中，二极管应用得非常广泛，上图所示即为各类二极管的部分产品实物图。,7.2 半导体二极管,一. 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、

8、结电容大，用于工频大电流整流电路。,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。,(c) 平面型,二极管的结构示意图,(d) 表示符号,D,(a) 点接触型,(c) 平面型,(b) 面接触型,二. 伏安特性,硅管0.7V 锗管0.3V,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0.10.3V,死区电压,反向电流 在一定电压 范围内保持 常数。,二极管和 PN 结一样，具有单向导电性，由伏安特性曲线可见，当外加正向电压

9、很低时，电流很小，几乎为零。正向电压超过一定数值后，电流很快增大，将这一定数值的正向电压称为死区电压。通常，硅管的死区电压约为0.5V，锗管约为0.1V。导通时的正向压降，硅管约为0.6 0.7V，锗管约为0.2 0.3V。,60,40,20, 0.02, 0.04,0,0.4,0.8,25,50,I / mA,U / V,正向特性,硅管的伏安特性,反向特性,三. 二极管的参数,1. 最大整流电流 IF,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. 反向击穿电压 UBR 和最大反向工作电压 URM,二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压UBR。为安全计，在实际工

10、作时，最大反向工作电压URM一般只按反向击穿电压UBR的一半计算。,3. 反向电流 IR,在室温下，在规定的反向电压下，一般是最大反向工作电压下的反向电流值。小功率硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级。,4.正向压降 UF,在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。小电流硅 二极管的正向压降在中等电流水平下，约0.60.8 V；锗二极管约0.20.3 V。大功率的硅二极管的正向压降往往达到1V。,反映了二极管正向特性曲线斜率的倒数。显然， rd与正向电流的大小有关，也就是求正向曲线上某一点Q的动态电阻。所以动态电阻是一个交流参数，前几个是直流参数，或称为静态参数。动态电

11、阻的定义如下,5.动态电阻 rd,6.正向压降温度系数,反映了二极管正向压降随温度变化的规律，具有负温度系数。不论是锗管还是硅管基本上是一个常数,所以，二极管的正向特性曲线，当温度升高时，会向Y 轴移动，若正向特性曲线画在第一象限，曲线向左移动。,使用二极管时，必须注意极性不能接反，否则电路非但不能正常工作，还有毁坏管子和其他元件的可能。,总结: 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

12、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。,5. 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。,二极管的应用举例,注意：分析实际电路时为简单化，通常把二极管进行理想 化处理，即正偏时视其为“短路”，截止时视其为“开路”。,UD=0,UD=,正向导通时相当 一个闭合的开关,+,反向阻断时相当 一个打开的开关,二极管的开关作用,例：二极管组成电路如图，设二极管导通电压为0.3V，试求输出电压UF 。,+3V,UF,12V,R,0V,VD1,VD2,3 0 12V,VD1率先导通， UF

13、30.32.7V,VD2截止,解：,例1. 电路如图，求：UAB,V阳 =6 V V阴 =12 V 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， UAB低于6V一个管压降，为6.3或6.7V,解: 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。,四. 稳压二极管,1. 符号,UZ,IZ,IZM, UZ, IZ,2. 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。,主要参数,(1) 稳定电压UZ 稳压管正常工作(反向

14、击穿)时管子两端的电压。,(2) 最小稳定电压 UZmin 保证稳压管可靠击穿所允许的最小反向电压。,(3) 最大稳定电流 IZM,(4) 最大允许耗散功率 PZM 管子不至于发生热击穿的最大功率损耗。 PZM = UZ IZM,保证稳压管安全工作所允许的最大反向电流。,使用稳压二极管时应该注意的事项,(1)稳压二极管正负极的判别,+,(2)稳压二极管使用时，应反向接入电路,UZ,(3)稳压管应接入限流电阻,(4)电源电压应高于稳压二极管的稳压值,(5)稳压管都是硅管。其稳定电压UZ最低为3V，高的可达 300V，稳压二极管在工作时的正向压降约为0.6V。,光电二极管也称光敏二极管，是将光信号

15、变成电信号的半 导体器件，其核心部分也是一个PN结。光电二极管PN结的结 面积较小、结深很浅，一般小于一个微米。,光电二极管和稳压管类似，也是工作在反向电压下。无光照时，反向电流很小，称为暗电流；有光照射时，携带能量的光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分价电子挣脱共价键的束缚，产生电子空穴对，称为光生载流子。光生载流子在反向电压作用下形成反向光电流，其强度与光照强度成正比。,光电二极管,光电二极管也称光敏二极管，同样具有单向导电性，光电管管壳上有一个能射入光线的“窗口”，这个窗口用有机玻璃透镜进行封闭，入射光通过透镜正好射在管芯上。,实物图,图符号和文字符号,发光二极管是一种

16、能把电能直接转换成光能的固体发光元件。发光二极管和普通二极管一样，管芯由PN结构成，具有单向导电性。,实物图,图符号和文字符号,单个发光二极管常作为电子设备通断指示灯或快速光源及光电耦合器中的发光元件等。发光二极管一般使用砷化镓、磷化镓等材料制成。现有的发光二极管能发出红黄绿等颜色的光。,发光管正常工作时应正向偏置，因死区电压较普通二极管高，因此其正偏工作电压一般在1.3V以上。,发光管属功率控制器件，常用来作为数字电路的数码及图形显示的七段式或阵列器件。,发光二极管,一、 稳压电源及框图 电子线路要正常工作，首先就要与之相匹配的直流稳压电源。直流稳压电源就是把电网提供的22050HZ的正弦交

17、流电转换成稳定的直流电的设备。小功率直流稳压电源是常用的小型电子设备，其组成如图所示,图 小功率直流稳压电源的组成,7.3 稳压电源,变压器,整流 电路,滤波 电路,稳压 电路,交流电源,负载,整流-将交流电压变换为单向脉动的直流电,滤波-将脉动电压中的交流分量滤除,稳压使传输的直流电压稳定、平滑,各组成部分作用如下： 1.电源变压器 将电网电压提供的交流电变换成所需要的较低的交流电。 2.整流电路 将大小、方向随时间变化的正弦交流电压变成单向脉动的直流电压。 3.滤波电路 将整流后的单向脉动直流电压中的纹波成分尽可能滤除掉，使其变成平滑的直流电。 4.稳压电路 使输出的直流电压在电网电压、负

18、载电流和温度发生变化的时候保证输出直流电压的稳定。,二、 单相整流电路 1、 单相半波整流电路 单相半波整流电路如图a所示。 1. 工作原理：设 ，在u2的正半个周期，二极管因正向偏置而导通，此时有电流流过负载，并且和流过二极管的电流相等，因有电流流过负载，所以在负载上就可以得到一个极性为上正下负的电压u。若忽略二极管的导通电压，此时uo= u2。在u2的负半个周期，二极管因反向偏置而截止，流过二极管的电流基本上等于零，流经负载的电流也近似为零，所以负载上的电压uo= 0。半波整流电路中各处的波形如图b所示。因为这种电路只在交流电压的半个周期内才有电流流过负载，所以称为单相半波整流电路。,b）

19、 电路中电压电流波形,a）电路,图 单相半波整流电路,2电路参数 （1）输出平均电压UO（AV)：指输出电压uo在一个周期内的 平均值，即：,（2）输出电流平均值I O（AV)：是指一个周期内流过负载RL的电流的平均值，即：,（3）二极管承受的最高反向电压URM：二极管截止时所承受的最高反向电压，即URM =,单相半波整流电路的优点：结构简单，使用的元件少。缺点：效率低，输出脉动大，直流成分低等。所以只能用于输出电流较小，要求不高的场合。,2、 单相桥式整流电路 单相桥式整流电路如图所示。其中：T为电源变压器，VD1、VD2、VD3、VD4为四个整流二极管，也称为整流桥。,图 单相桥式整流电路

20、及常用简化电路,RL,io,工作原理：,在 u 的正半周， D1 和 D3 导通，D2 和 D4 截止(相当于开路)电流的通路如图中红色箭头所示。,D4,D3,D2,D1,+ u ,+ uo ,RL,D4,D3,D2,io,D1,在 u 的负半周，D2 和 D4 导通， D1和 D3 截止(相当于开路)，电流的通路如图中绿色箭头所示。,+ u ,+ uo ,在一个周期内，通过电阻的电流方向相同，在负载上得到的是全波整流电压 uo。,t,o,t,o,t,o,t,o,2,3,2,3,Im,2,2,3,3,uD1,uD3,uD4,uD2,uO,u,uD,iO,由于二极管的正向压降很小，因此可认为 u

21、O 的波形和 u 的正半波是相同的。输出电压的平均值为,式中 U 是变压器二次电压 u 的有效值。,截止管所承受的最高反向电压为,（1.） 工作原理,设u2= sint 。在u2的正半个周期，VD1、VD3导通，VD2、VD4截止，忽略二极管的正向导通电压时，输出电压 uo= u2，RL上电压方向上正下负，电流从变压器二次侧a端出发，经过负载RL而由b端返回，即： aVD1RLVD3b 在u2的负半个周期， VD2、VD4导通，VD1、VD3截止，忽略二极管的正向导通电压时，RL上电压大小和u2一样，方向同样是上正下负，电流从变压器二次侧b端出发，经过负载RL而由a端返回，即： bVD2RLV

22、D4a 单相桥式整流电路工作原理如图所示，输出电流、电压波形如图7-5所示。,图 输出电流、电压波形,图 单相桥式整流电路工作原理,（2）电路参数,（1）输出平均电压UO(AV)：由uo的波形可知，桥式整流是半波整流的2倍，即： UO(AV)=0.9U2。 （2）输出电流平均值IO（AV）和流过二极管的电流平均值ID(AV)：一个周期内流过负载RL的电流为半波整流的两倍，即：,在一个周期内四个二极管轮流导通，所以流过二极管的电流平均值为输出电流平均值的二分之一，即：,（3）二极管承受的最高反向电压URM：二极管承受的最高反向电压URM为URM = 。,三、 滤波电路 整流电路虽然把交流电变换为

23、直流电，但输出电压脉动较大。除了在一些特殊场合可以直接用作放大器的电源外，通常都要采取一定的措施，尽量降低输出电压的脉动成分。滤波电路的任务就是把脉动较大的直流电压变成基本上平稳的电压。常见的滤波电路为电容滤波电路，如图a所示。,a）电路 b）波形 图 桥式整流电容滤波电路及波形,电容 充电,电容 放电,二极管导通时给电容充电，二极管截止时电容向负载放电；,电容滤波器的组成和工作原理，如下图所示。,RL,D1,D4,D3,D2,io,滤波后输出电压 uo 的波形变得平缓，平均值提高。,+ uo= uc ,+ u ,经 C 滤波后 uO 的波形,t,uO,t,t,t t,O,2,可见放电时间常数

24、 = RLC越大，脉动越小，输出电压平均值越高，一般要求,式中 T 是 uO 的周期。这时，UO 1.2U,（1）工作原理：设电容C的初始电压值为零，当u2为正半个周期时，其极性为上正下负，并逐渐增大，VD1、VD3导通，电源一方面给负载供电，另一方面对电容C充电。如果忽略二极管导通的正向压降，在u2达到峰值前，始终有uo=ucu2。当uc充电到u2的最大值 时，到达a点，u2开始下降，因为电容两端的电压在电路状态改变时不能跃变，此时ucu2，VD1、VD3截止，电容C经负载RL放电。放电时间常数 ，故放电较慢，并以指数规律下降，直到u2的负半周；在u2的负半周，当|u2|uC时，四个二极管依

25、然不导通，直到|u2|uc时，过了b点，u2使VD2、VD4导通，电容再次被充电，当uc充电到u2的最大值时，u2开始下降，这时|u2|uC，VD2、VD4截止，电容再次经过负载电阻RL放电。随着u2的变化，电容反复被充放电，可得到如图b所示的输出电压波形图。,在负载电阻RL一定的情况下，滤波电容值一般比较大，常采用电解电容器，电容器的耐压值应大于 。 整流二极管的最大整流电流IFM一般应大于流过二极管的平均电流I D（AV）的两倍。 电容滤波结构简单，缺点是负载电流不能过大，否则会影响滤波效果，所以电容滤波适用于负载变动不大、电流较小的场合。 除了电容滤波器外，还可以采用RC型滤波器、电感滤

26、波器和LC型滤波器等。,（2）电路参数：由图 b可知输出电压uo在0.9u2 范围内波动，在工程上一般采用估算公式： uo =1.2u2。 放电时间常数RLC越大，滤波的效果越好，一般取,四、 稳压电路 最简单的直流稳压电路是硅稳压管稳压电路，如图所示。,图 硅稳压管稳压电路,电网电压UiUo(UZ) IzIR UR UO,1、Ui变化,RL不变,回路方程 Ui=UR+Uo （Uo = UZ） IR=IDZ+IL,（若URUi,则Uo基本不变） （同理，电压Ui降低时，通过类似变化过程来稳定Uo。）,不变,2、RL变化，Ui不变, RLUo（UZ）IDZIR RLILIR, RLUo（UZ）I

27、DZIR RLILIR （若IL-IDZ,则Uo基本不变）,3、 硅稳压管稳压电路限流电阻和稳压管的选择 (1) 稳压电路中的稳定电压应按负载电压选取，即UZ=Uo。如果一个管子的稳压值不够，可以用两个或多个稳压管串联。 稳压管的最大稳定电流IZmax大致上应该比最大负载电流ILmax大两倍以上，即IZmax2ILmax。 (2) 限流电阻R的大小应该满足两个条件（两种极端情况）。首先，当直流输入电压最低（UImin）而负载电流最大时，流过稳压管的最小电流应该大于稳压管的稳定电流IZ，即,由上式得出,同时，当直流输入电压最高（UI max）而负载电流最小时，流过稳压管的最大电流应小于稳压管的最

28、大稳定电流IZ max，即,即,大功率低频三极管,小功率高频三极管,中功率低频三极管,目前国内生产的双极型硅晶体管多为NPN型(3D系列)，锗晶体管多为PNP型(3A系列)，按频率高低有高频管、低频管之别；根据功率大小可分为大、中、小功率管。,7.4 半导体三极管,符号：,NPN型三极管,PNP型三极管,基本结构,三极管有 三个极：基 极b 集电极c 发射极e 三个区：基区、发射区、集电区 两个PN结：发射结和集电结,(2)集电结加上反向偏置。 UCE UBE,1. 三极管放大的外部条件,(1)发射结加上正向偏置，即UBE Uon(发射结的开启电压-死区电压),二、三极管的电流放大作用,2、三

29、极管内部载流子的运动规律,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。,IE = IB + IC,IB,三极管电流测量数据,结论:,基极电流较小的变化可以引起集电极电流较大的变化，表明基极电流对集电极电流具有小量控制大量的作用，这就是三极管的电流放大作用。,(1)三极管各极之间的电流分配关系是 且IBIC (2) 基极电流IB增大时, 集电极电流IC也随之

30、增大。 IC与IB的比值基本是一个常数，这个常数称为三极管的电流放大系数，用 表示,即: 直流放大系数 或 交流放大系数 或 IC = IB 体现了三极管的电流放大能力， 值在20200之间。由此看来，三极管具有电流放大作用，在满足三极管电流放大的工作条件下，将基极电流IB放大倍而形成集电极电流IC。,三. 三极管的共射特性曲线,1. 输入特性曲线 三极管的输入特性是指当集电极与发射极之间的电压 为常数时,输入回路中基极静态电流 与发射结二端的静态电压 之间的关系特性,即:,UCE =0发射结、集电结正偏，两个二极管正向并联。 UCE1 集电结反偏，IB 减小 UCE 1 ， IB变化很小，与

31、 UCE = 1 曲线重合。,三极管的输入特性曲线是一条非线性曲线，发射结二端电压 与基极电流 的关系随曲线上的点的位置不同而不同，因此要确定一个合适的电压和电流，即在输入特性曲线上找一个合适的点，这个点称之为三极管的静态工作点，通常用 Q 表示。,三极管的输出特性是指在基极电流 一定的情况下，三极管输出回路中的集电极电流 与集电极和发射极之间的电压 之间的关系特性，即：,当电流和温度为某一定值时，输出特性曲线为一根特性 曲线。当基极电流取值不同时，输出特性曲线是一簇曲线。 当 1V后，集电极电流 不再有明显的增加。,2 .输出特性曲线,IB=0,20A,放大区,输出特性曲线通常分三个工作区：

32、,(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。,（2）截止区,IB 0 以下区域为截止区，有 IC 0 。,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。,饱和区,截止区,（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UCES 0.3V， 锗管UCES 0.1V。,1）截止区 发射结零偏或反偏，集电结也反向偏置。 （2）放大区 发射结正向偏置，集电结反向偏置。IC 与IB 成正比关系。 （3） 饱和区 发射结和集电结均处于正向偏置。晶体管失去放大作用，IC 处于“饱和”状态。UCEO 称为晶体管的饱和压降，此值很小，约为0.3V。 （4）击穿区 当 IC 大于某一值后，UCEO 开始剧 增，这个现象称为一次击穿。 晶体管具有“开关”和“放大”功能。,三极管的工作三个工作区域 ：,ICIB 发射