chapter6_半导体二极管和三级管.ppt

电子技术简介,电工学研究内容： 电工技术（电能应用） 电子技术（信号处理）,电子技术简介,电子技术研究内容： 电子技术是对电子信号进行处理的技术，处理的方式主要有：信号的接收、发生、放大、转换、处理、驱动、输出。 Analog (模拟) 电子技术和 Digital (数字) 电子技术。,电子系统举例：,传感器,压力1,压力2,温度1,温度2,. . .,. . .,放大 滤波 叠加 组合,数模转换电路,模数转换电路,计算机数据处理,驱动电路,. . .,. . .,驱动电路,驱动电路,驱动电路,传感器,传感器,传感器,执行机构,执行机构,执行机构,执行机构,放大 滤波 叠加 组合,数模转换电路,模数转换电路,计算机数据处理,信号是信息的载体。,声音信号传达语言、音乐。,图像信号传达人类视觉系统能接受的图像信息。,信号源等效电路,信号:,电信号： 由电流、电压、电脉冲序列表达的信息。,其它信息 光、速度、压力、流量,物理量信号：,模拟信号和模拟电子电路,模拟信号：,在时间和幅度上都是连续变化的信号，,模拟电子电路：,处理模拟信号的电路。,数字信号和数字电子电路,模拟信号的离散化处理方法（采样）：,在时间和幅度上都是不连续变化的信号。,数字信号：,数字信号：,数字信号只存在高、低两种电平。,数字电子电路：,处理数字信号的电路。,第6章 半导体二极管和三极管,6.1 半导体的基础知识 6.2 半导体二极管 6.3 稳压二极管及其稳压电路 6.4 晶体管,目 录,6.1 半导体的基础知识,6.1 半导体的基础知识,半导体：,半导体特性：热敏特性、光敏特性、掺杂特性,导电能力介乎于导体和绝缘体之 间的物质。,本征半导体就是完全纯净的半导体。,应用最多的本征半导体为锗和硅，它们各有四个价电子，都是四价元素.,硅的原子结构,1.本征半导体,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，所以半导体也称为晶体 晶体管名称的由来,本征半导体晶体结构中的共价健结构,1.本征半导体,自由电子与空穴,1. 本征半导体,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 留下一个空位，称为空穴。,温度一定时，本征半导体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。,本征激发与复合现象,由于受热或光照产生自由电子和空穴的现象- 本征激发,1.本征半导体,自由电子在运动中遇到空穴后，两者同时消失，称为复合现象,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，也是半导体和金属在导电原理上的本质差别。,载流子,自由电子和空穴,因为，温度愈高，载流子数目愈多，导电性能也就愈好，所以，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,1.本征半导体,2. 杂质半导体,N型半导体,在硅或锗的晶体中掺入微量的磷（或其它五价元素）。,自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。,电子型半导体或N型半导体,P型半导体,在硅或锗晶体中掺入硼（或其它三价元素）。,空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。,空穴型半导体或P型半导体。,2. 杂质半导体,注意：不论N型半导体还是P型半导体，虽然它们都有一种载流子占多数，但是整个晶体仍然是不带电的。,2. 杂质半导体,3.PN结,PN结的形成,PN结内部载流子运动形成了一个内电场,PN结内部载流子运动：扩散和漂移,PN结的形成,4. PN结的单向导电性,1 外加正向电压使PN结导通,PN结呈现低阻导通状态，通过PN结的电流基本是多子的扩散电流正向电流,2 外加反向电压使PN结截止,PN结呈现高阻状态，通过PN结的电流是少子的漂移电流 -反向电流 特点: 受温度影响大 原因: 反向电流是靠热激发产生的少子形成的,4. PN结的单向导电性,结 论,PN结具有单向导电性,（1） 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。,（2）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。,4. PN结的单向导电性,6.2 半导体二极管,贴片式二极管,插件式二极管,6.2 半导体二极管,1. 结构和用途,用途： 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。,2.伏安特性,半导体二极管的伏安特性是非线性的。大致可分为四个区域： 死区； 正向导通区； 反向截止区； 反向击穿区。,死区电压： 硅管：0.5伏左右，锗管： 0.1伏左右。 正向压降： 硅管：0.6 0.7伏左右，锗管： 0.2 0.3伏。,(1) 正向特性,2.伏安特性,反向电流： 反向饱和电流： 反向击穿电压U（BR）,(2) 反向特性,2.伏安特性,3.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。,(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。,图中电路，DADB为硅管，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。,VY=+2.3V,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。,看例题6.1,含有二极管电路的分析,二极管的导通判断。采用方法： 断开二极管的两端，分析电路中该两端的端电压。 正向导通(UBE死区电压)，反相截止，多个二极管时正向端电压大的先导通。 分析二极管电路的输出波形。采用方法： 分析各个二极管导通和截止条件。 结合输入信号波形和导通、截止条件，画出波形。,6.3 稳压管及其稳压电路,6.3 稳压管及其稳压电路,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。故称为稳压管。,1.稳压管表示符号：,特殊性: 1.它工作在反向击穿状态。其PN结的温度不会超过允许数值。 2.这种管子的击穿是可逆的，切断外加电压后，PN结仍能恢复原状。,IZ,UZ,2.稳压管的伏安特性：,3 . 稳压管稳压原理：,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。,稳压管的反向特性曲线比一般二极管要陡。,反向击穿 是可逆的。,（3）动态电阻,（4）稳定电流,（5）最大允许耗散功率,rZ,稳压管端电压的变化量与相应的电流变化量的比值,IZ,PZM,管子不致发生热击穿的最大功率损耗。 PZM=UZIZM,3. 主要参数,（2）电压温度系数,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,例题,稳压管的稳压作用,当UUZ大于时,稳压管击穿,此时,选R，使IZIZM,看例题6.2,含有稳压管电路的分析,断开稳压管，分析其两端电压。 1.当UUZ大于时，稳压管击穿，稳压管开始稳压工作，其端电压为UZ 3.保证稳压管正常工作，即,稳压管的串并联的分析,它们的稳压分别为8v和6v，正导通电压都是0.7v 两个稳压二极管串联、并联组合后，电压有几种情况，分别是多少？,串联： 1、两只二极管都反接，反接电压是稳压值，为 6+8=14V 2、6V的正接，8V的反接，正接的是0.7V，反接的是8V 得 8+0.7=8.7V 3、同理6V的反接，8V的正接，6+0.7=6.7V 4、两个二极管都反接 0.7+0.7=1.4V 并联 ： 1、两只二极管都反接，电压小的将先导通，则是6V 2、一只正接一只反接，电压小的将先导通，则是0.7V,6.4晶体管,电子显微镜下的晶体管,两种型号的晶体管,基极,发射极,集电极,NPN型,符号：,NPN型三极管,PNP型三极管,纵向晶体管刨面图,基区：最薄， 掺杂浓度最低,发射区：掺 杂浓度最高,发射结,集电结,结构特点：,集电区： 面积最大,2.电流分配和放大原理,µA,mA,mA,IB,IC,IE,RB,EC,+,+,_,_,EB,B,C,E,3DG100D,共发射极接法,晶体管电流测量数据,2.电流分配和放大原理,由此实验及测量结果可得出如下结论： （1） IE=IC+IB 符合基尔霍夫电流定律。 （2） IE和IC比IB 大的多。 （3）当IB=0（将基极开路）时， IE=ICEO， 穿透电流ICEO=0.01mA （4）当IE=0（将发射极开路）时， IC=ICBO， 集电极反向饱和电 流ICBO=0.001mA。 （5）电流放大作用。,2.电流分配和放大原理,a.从第二列到第六列集电极电流和基极电流的比值为:,2.电流分配和放大原理,可以看出 与 的比值基本相等，近似等于40，即近似为常数，称该常数为三极管直流（静态）电流放大系数，用 表示。,b.从第二列到第六列集电极电流和基 极电流的相对变化的比值为:,2.电流分配和放大原理,电流变化量之间满足确定的比例关系，即,的大小反映了三极管控制作用的强弱，即电流放大作用的强弱，故称为交流（动态）电流放大系数。,三极管的具有电流放大作用,即：基极电流较小的变化，引起集电极电流较大的变化。即基极电流对集电极电流具有小量控制大量的作用。,用载流子在晶体管内部的运动规律来解释上述结论。,外部条件：发射结加正向电压；集电结加反向电压。 UBE0,UBC0,UBC=UBE-UCE,UBEUCE 内部条件：基区做得很薄、掺杂浓度低，发射区杂质浓度 大，集电结的结面积大。,2.电流分配和放大原理,发射结正偏,扩散强,E区多子(自由电子)到B区,B区多子(空穴)到E区(忽略),穿过发射结的电流主要是电子流,形成发射极电流IE,IE是由扩散运动形成的,(1).发射区向基区扩散电子，形成发射极电流IE。,2.电流分配和放大原理,(2).电子在基区中的扩散与复合，形成基极电流IB,E区电子到基区B后，有两种运动,基区中的电子被EB拉走形成,IB,达到动态平衡时形成稳定的基极电流IB，IB=IBE-ICBO,IB是由复合运动形成的,2.电流分配和放大原理,基区和集电区的少子的漂移运动，ICBO,3 集电极收集电子，形成集电极电流IC,集电结反偏,阻碍C区中的多子（自由电子）扩散，同时收集E区扩散过来的电子ICE,有助于少子的漂移运动，有反向饱和电流ICBO,形成集电极电流IC ,IC = ICBO +ICE,2.电流分配和放大原理,2.电流分配和放大原理,从发射区扩散到基区的电子中只有很小一部分在基区复合，绝大部分到达集电区。这个比值用 表示，即：,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。,µA,mA,V,IB,IC,RB,EC,+,+,_,_,EB,B,C,E,3DG100D,V,+,_,+,_,UBE,UCE,1. 输入特性曲线,UCE为常数时，关系曲线 I B = f (UBE)。,3.特性曲线,死区电压： 硅管：0.5伏左右，锗管0.1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。,2. 输出特性曲线,IB 为常数时，IC = f (UCE)。 在不同的 IB下，可得出不同的曲线，晶体管的输出特性曲线是一簇曲线。,3.特性曲线,晶体管的输出特性曲线分为三个工作区：,（1）放大区 （2）截止区 （3）饱和区,3.特性曲线,(1) 放大区,a. 输出特性曲线的近于水平部分是放大区。,b. IC和IB成正比的关系 ， 。,放 大 区,c. 对 NPN 型管而言，应使 UBE 0.5，UBC UBE。,(2) 截止区,IB = 0 的曲线以下的区域称为截止区。 IB = 0 时, IC = ICEO(0.001mA)。 IC 0 ，UCE UCC 。 对 NPN 型硅管，当UBE 0.5 V 时，即已开始截止，但为了使晶体管可靠截止，常使 UBE 0，,(3) 饱和区,a.当 UCE 0)， b. IC 和 IB 不成正比。 c.发射结也处于正向偏置，UCE 0 ， IC UCC/RC 。,当晶体管饱和时， UCE 0，发射极与集电极之间如同一个开关的接通，其间电阻很小； 当晶体管截止时，IC 0 ，发射极与集电极之间如同一个开关的断开，其间电阻很大。,晶体管的开关作用,晶体管（硅NPN）的三种工作状态,晶体管结电压的典型值,在输出特性曲线近于平行等距并且 ICEO 较小的情况下,可近似认为 ，但二者含义不同。,2. 集基极反向截止电流 ICBO,ICBO 是当发射极开路时流经集电结的反向电流，其值很小。,3. 集射极反向截止电流 ICEO,ICEO 是当基极开路(IB = 0)时的集电极电流，也称为穿透电流，其值越小越好。,4. 集电极最大允许电流 ICM,当 值下降到正常数值的三分之二时的集电极电流，称为集电极最大允许电流 ICM 。,4. 晶体管的参数,1. 电流放大系数 ，,5. 集射反相击穿电压 U(BR)CEO,6. 集电极最大允许耗散功率 PCM,基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压，称为集射反相击穿电压 U(BR)CEO 。,当晶体管因受热而引起的参数变化不超过允许值时，集电极所消耗的最大功率，称为集电极最大允许耗散功率 PCM。,由 ICM 、 U(BR)CEO 、 PCM 三者共同确定晶体管的安全工作区。,晶体管类型的识别,NPN 型三极管 UBE 0 UBC 0 VC VB VE,PNP 型三极管 UEB 0 UCB 0； UCE 0 VC VB VE,正常工作时，发射结的压降： 硅管 B、E间电位差 0.60.7V; 锗管 B、E间电位差 0.20.3V；,根据电位关系识别：,步骤：,见习题 6.13,晶体管类型的识别,根据电流关系：,步骤：,见习题6.14,判断晶体管的工作状态,2.求实际的电路,3.当 ，处于饱和状态，反之处于放大状态。,定性分析：,定量分析：,作业,6.1, 6.4, 6.7中图a,b,c,d,e,f 6.13, 6.14,结 束,第 6 章,