电工学第七章 二极管和晶体管.ppt
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1、第 7 章 二极管和晶体管,7.1 半导体的导电特性 7.2 二极管 7.3 稳压二极管 7.4 晶体管 7.5 光电器件 7.6 直流稳压电源,目 录,7.1 半导体的导电特性,半导体导电能力介乎于导体和绝缘体之间的物质。,半导体导电特性热敏特性、光敏特性、掺杂特性,返回,物质按导电能力不同,可分为:导体、半导体、绝缘体,热敏性:温度升高,导电能力增强 可做成温度敏感元件,如热敏电阻,光敏性:光照增强,导电能力增强 可做成各种光敏元件,如光敏电阻、光敏二极管,掺杂性:纯净半导体中掺入某些杂质,导电能力增强 可做成各种用途半导体器件,如二极管、三极管,1、本征半导体,定义:完全纯净的、具有晶体
2、结构的半导体,应用最多的本征半导体是锗和硅,它们各有四个价电子,都是四价元素.,硅的原子结构,返回,纯净的半导体其所有的原子基本上整齐排列,形成晶体结构。,本征半导体晶体结构中的共价健结构,1、本征半导体,共价键,价电子,每个原子的一个价电子与相邻一原子的价电子组成共价键结构。,返回,(1)自由电子与空穴,共价键中的电子在获得一定能量后,即可挣脱原子核的束缚,成为自由电子。,同时在共价键中留下一个空穴。,空穴,自由 电子,返回,自由 电子,空穴,(2)热激发与复合现象,由于受热或光照产生自由电子和空穴的现象。 热激发,自由电子在运动中遇到空穴后,两者同时消失。 复合现象,温度一定时,本征半导体
3、中的自由电子空穴对的数目基本不变。 温度愈高,自由电子空穴对数目越多。,自由电子,空穴,返回,(3)半导体导电方式,在半导体中,同时存在着电子导电和空穴导电,这是半导体导电方式的最大特点。,载流子,自由电子和空穴,温度愈高,载流子数目愈多,导电性能也就愈好,因此,温度对半导体器件性能的影响很大。,当半导体两端加上外电压时,自由电子作定向运动形成电子电流;而空穴的运动相当于正电荷的运动。,返回,(1) N型半导体,形成: 在硅或锗的晶体中掺入微量的磷(或其它五价元素)。,多余电子,2、杂质半导体,定义:渗入少量杂质的半导体,特点: 含有大量电子多数载流子 含有少量空穴少数载流子,返回,硅晶体中掺
4、磷出现自由电子,电子导电,电子型半导体,(2) P型半导体,形成: 在硅或锗晶体中掺入少量的硼(或其它三价元素)。,空穴,硅晶体中掺硼出现空穴,空穴导电,空穴型半导体,特点: 含有大量空穴多数载流子 含有少量电子少数载流子,返回,杂质半导体中多数载流子的数量取决于:,返回,注意,掺杂的浓度,温度的高低,温度越高,少数载流子越多,浓度越高,多数载流子越多,杂质半导体中少数载流子的数量取决于:,3、PN 结,(1) PN结的形成,自由电子,空穴,返回,多数载流子因浓度上的差异而形成的运动称为扩散运动;,少数载流子在内电场作用下的运动称为飘移运动。,多数载流子扩散到对方区域后发生复合现象而消失,在交
5、界面的两侧分别留下了不能移动的正负离子,呈现出一个空间电荷区,PN结,同时,由正、负离子还会产生一个内电场,使少数载流子发生飘移运动。,返回,扩散运动和漂移运动的动态平衡,扩散强,漂移运动增强,内电场增强,两者平衡,PN结宽度基本稳定,外加电压,平衡破坏,扩散强,漂移强,PN结导通,PN结截止,返回,(2) PN结的单向导电性,1 、外加正向电压(PN结正偏),PN结正偏,返回,2、外加反向电压(PN结反偏),PN结反偏,返回,PN结具有单向导电性,PN结加正向电压时,处在导通状态,结电阻很低,正向电流较大。,PN结加反向电压时,处在截止状态,结电阻很高,反向电流很小。,结论,返回,返回,思考
6、题1,(1)、P型半导体中空穴是多数载流子,因而P型半导体带正电,N型半导体中自由电子是多数载流子,因而N型半导体带负电。这种说法是否正确? 答:P型和N型半导体本身不呈带电性。 (2)、为什么说扩散运动时多数载流子的运动,漂移运动是少数载流子的运动? 答:扩散是多数载流子因浓度上的差异而形成的运动;漂移是少数载流子在内电场作用下形成的运动。,7.2 二极管,1、基本结构,PN结加上相应的电极引线和管壳,就成为二极管。,返回,结面积小,通过电流小,适用于高频和小功率的工作。,一、普通二极管,结面积大,通过电流大,工作频率较低,常用作整流。,返回,阳极,阴极,2、伏安特性,(1)半导体二极管的伏
7、安特性曲线是非线性的。,返回,二极管的伏安特性曲线,特点:,定义:二极管电流与电压 之间的关系。,硅管:约0.6-0.7V锗管:约0.2-0.3V,(2)正向特性,二极管的伏安特性曲线,特点:,返回,死区电压:使二极管导通,阴阳极之间的最小电压差。,硅管:约0.5V 锗管:约0.2V,正向压降:二极管正向导通后的压降。,反向击穿电压:产生击穿时的电压。,(3)反向特性,二极管的伏安特性曲线,特点:,反向电流:二极管上加反向电压时,会产生很小反向电流,击穿:反向电压加大至某一数值时,反向电流突然增大。击穿时,二极管失去单向导电性。,返回,3、主要参数,(1)最大整流电流IOM 二极管长时间使用时
8、,允许流过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的1/2或2/3。,(3)反向峰值电流IRM 二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。,返回,4、应用举例,主要利用二极管的单向导电性。可用于整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。,例1: 图中电路,输入端A的电位VA=+3V,B的电位VB=0V,求输出端Y的电位VY。电阻R接负电源-12V。,所以:VY=+3V,解:,DA优先导通, DA导通后, DB上加的是反向电压,因而截止。,DA起钳位作用 DB起隔离作用,其中:,返回,钳位:将电压钳制在某一电位
9、处 隔离:截止,7.3 稳压二极管,一种特殊的面接触型半导体硅二极管。它在电路中与适当数值的电阻配合后能起稳定电压的作用。,1、稳压二极管表示符号,稳压二极管,返回,IZ,UZ,2、稳压管的伏安特性,稳压管的反向特性曲线比较陡。,稳压管的伏安特性曲线,返回,(1)正向特性同普通二极管 (2)反向特性为稳压二极管,特点:,稳压管的伏安特性曲线,稳压管工作于反向击穿区。稳压管击穿时,电流虽然在很大范围内变化,但稳压管两端的电压变化很小。利用这一特性,稳压管在电路中能起稳压作用。,3、稳压管的稳压原理,较小的U 较大的I 在一定的范围内,反向击穿具 有可逆性,返回,4、主要参数,(2)电压温度系数U
10、,(1)稳定电压UZ,稳压管在正常工作下管子两端的电压。,说明稳压管受温度变化影响的系数。,(3)动态电阻rZ,指稳压二极管端电压的变化量与相应的电流变化量的比值。,稳压二极管的反向伏安特性曲线越陡,动态电阻越小,稳压性能越好。,(4)稳定电流IZ,(5)最大允许耗散功率PZM,稳压管在正常工作下管子中通过电流。,稳压管不致发生热击穿的最大功率损耗PZM=UZIZM。,返回,7.4 晶体管,1、基本结构,结构,双极性晶体管又称半导体三极管,是最重要的半导体器件,主要用于电流放大和控制电路开断状态。,返回,B(基极),发射区,基区,集电区,集电结,发射结,(发射极)E,C(集电极),1、基本结构
11、(NPN),返回,B(基极),发射区,基区,集电区,集电结,发射结,(发射极)E,C(集电极),1、基本结构(PNP),返回,2、电流分配和放大原理,共发射极接法,共发射极接法:晶体管接成两个电路,基极电路和集 电极电路,其中发射极是公共端。,注:三极管要起放大作用(NPN型时),发射结必正偏,集电结必反偏。,返回,用载流子在晶体管内部的运动规律来解释上述结论,发射结正偏,发射区的电子向基区发射,形成发射极电流IE,1、发射区向基区扩散电子,形成发射极电流IE。,IE由扩散运动形成,返回,2、电子在基区中有复合现象,形成基极电流IB,部分到达基区的电子,被EB拉走,与空穴发生复合现象,形成稳定
12、的基极电流IB,IB由复合运动形成,返回,3、集电极收集电子,形成集电极电流IC,集电结反偏,集电区收集从基区飘移过来的电子,形成集电极电流IC,IC由飘移运动形成,返回,各电流方向:,当三极管为PNP型时,要起放大作用,EB和EC要反接。,发射结正偏,集电结反偏,即:,返回,返回,实验及测量结果可得出如下结论: IE=IC+IB 符合基尔霍夫电流定律; IEIC,且IC、IE比IB 大的多; IC比IB大的多; 当IB=0(将基极开路)时, IE=IC0.001mA。,电流放大,静态电流放大系数,动态电流放大系数,即:,基极 高电平,集电极和发射极间短路,基极 低电平,集电极和发射极间开路,
13、控制电路开断,返回,3、特性曲线,用来表示该晶体管各极电压和电流之间相互关系、反映晶体管的性能,是分析放大电路的重要依据。,以共发射极接法时的输入特性和输出特性曲线为例。,返回,(1)输入特性曲线,死区电压: 硅管:0.5伏左右 锗管:0.2伏左右 正常工作时,发射结的压降: NPN型硅管UBE=0.60.7V PNP型锗管UBE=-0.2-0.3V,定义:当集-射极电压UCE为常数时,输入电路(基极电路)中基极电流IB与基-射极电压UBE之间的关系曲线。,输入特性曲线,UCE1,满足三极管工作于电流放大作用的前提:发射结正偏、集电结反偏。,返回,小结,(1) 硅管UBE=0.6-0.7V,(
14、2) 锗管UBE=0.2-0.3V,(3) NPN型三极管要处于放大状态,则: 发射结正偏、集电结反偏,UBE0,UBUE,UCB0,UCUB,UCUBUE,(4) PNP型三极管要处于放大状态,则: 发射结正偏、集电结反偏,UBE0,UBUE,UCB0,UCUB,UEUBUC,返回,例1:由如下三极管三个极的电压值,判断以下三极管的组成材料和类型,并标出发射极电流方向。,硅管,锗管,锗管,B,B,B,E,E,E,C,C,C,NPN,PNP,PNP,返回,例2:已知有两个晶体管都工作于放大状态,测得它们三个极的电位分别为-0.7V,-1V,-6V和2.5V,3.2V,9V,试判别三个极,并说明
15、他们是PNP型还是NPN型,是锗管还是硅管?,解: 1、-0.7V(发射极),-1V(基极),-6V(集电极) 放大状态,锗管,PNP 2、2.5V(发射极),3.2V(基极),9V(集电极) 放大状态,硅管,NPN,返回,不同的IB值,对应不同的输出曲线,所以晶体管的输出特性曲线是一组曲线。,(2)输出特性曲线,定义:当基极电流IB为常数时,输出电路(集电极电路)中集电极电流IC与集-射极电压UCE之间的关系曲线。,输出特性曲线,返回,晶体管的输出特性曲线分为三个工作区:,放大区、截止区、饱和区,A、放大区(线性区),定义:输出特性曲线的近似水平部分。,发射结正向偏置 集电结反向偏置,输出特
16、性曲线,放大区,返回,B、截止区,定义:IB=0曲线以下的区域为截止区,IB = 0 时, IC 0.001mA UCEUCC,输出特性曲线,截止区,发射结反向偏置 集电结反向偏置,返回,当UCEUBE时,晶体管工作处于饱和状态。,在饱和区,IB的变化对IC的影响较小,两者不成比例。,C、饱和区,输出特性曲线,饱和区,发射结正向偏置 集电结正向偏置,返回,小结,(1)三极管处于放大区,发射结正偏,集电结反偏,(2)三极管处于截止区,发射结反偏,集电结反偏,(3)三极管处于饱和区,发射结正偏,集电结正偏,返回,例3:根据下面各电压值,判断三极管材料、类型和工作状态。,T1:,锗管,UBE=-0.
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