第14章-半导体二极管和三极管-机自06级-08年3月7日更新讲解优秀PPT.ppt

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1、电子技术部分的特点：电子技术部分的特点：1、任务重，学时少、任务重，学时少（Electronic Technology）2、第一批校级立项双语、第一批校级立项双语(Bilingual)教学课教学课程程3、作业多、进度快、作业多、进度快4、内容多、难度大，不易理解、内容多、难度大，不易理解5、专业基础课，重要性不言而喻、专业基础课，重要性不言而喻最终希望学生高度重视、细致预习和复习、最终希望学生高度重视、细致预习和复习、独立完成作业、有疑难问题刚好沟通答疑独立完成作业、有疑难问题刚好沟通答疑绍兴文理学院机电系绍兴文理学院机电系 电工学学科组编电工学学科组编第第1414章章 半导体二极管和三极管半

2、导体二极管和三极管Chapter14SemiconductorDiodeandTransistor14.1 14.1 半导体的导电性半导体的导电性(Conduction Characteristics)(Conduction Characteristics)14.2 PN14.2 PN结及其单向导电性结及其单向导电性(PN Junction)(PN Junction)14.3 14.3 二极管二极管(Semiconductor Diode)(Semiconductor Diode)14.4 14.4 稳压管二极管稳压管二极管(Zener Diode)(Zener Diode)14.5 14.5

3、 晶体管晶体管(Transistor)(Transistor)14.6 14.6 光电器件光电器件(other Diode)(other Diode)目目 录录(Catalog)本章重点内容本章重点内容l lPNPN结及其单向导电特性结及其单向导电特性l l半导体二极管的伏安特性曲线半导体二极管的伏安特性曲线l l二极管在实际中的应用二极管在实际中的应用l l三极管的输入输出特性曲线三极管的输入输出特性曲线14.1 半导体的导电特性半导体的导电特性半导体半导体(Semiconductor)：导电实力介乎于导体导电实力介乎于导体(conductor)和绝缘体和绝缘体(insulator)之间的物

4、质。之间的物质。半导体特性半导体特性(Semiconductorcharacteristics)：热敏特性、光敏特性、掺杂特性热敏特性、光敏特性、掺杂特性举例说明掺杂特性：举例说明掺杂特性：在纯硅中掺入百万分之一的硼后，硅的电阻在纯硅中掺入百万分之一的硼后，硅的电阻率从大约率从大约2103m削减到削减到410-3m本征半导体本征半导体(IntrinsicSemiconductors)就是完全纯净的、具有晶体结构的半导体。就是完全纯净的、具有晶体结构的半导体。现代电子中应用最多的本征半导体为现代电子中应用最多的本征半导体为锗锗和和硅硅，它，它们们最外层电子最外层电子各有四个价电子，都是四价元素各

5、有四个价电子，都是四价元素.Si硅原子硅原子Ge锗原子锗原子 纯净的半导体其全部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 下图是本征半导体晶体结构中的下图是本征半导体晶体结构中的共价键共价键结构结构本征半导体本征半导体SiSiSiSi共价键共价键价电子价电子(covalentbonds)(Electrons)(a)fivenoninteractingsiliconatoms,eachwithfourvalenceelectrons,(b)thetetrahedralconfiguration(四面体结构）四面体结构）(a(a)(b)(c)(c)atwo-dim

6、ensionalrepresentationshowingthecovalentbondingFigure1.1Siliconatomsinacrystalmatrix:在热力学温在热力学温度零度和没度零度和没有外界激发有外界激发时时,本征半导本征半导体不导电。体不导电。本征半导体的共价键结构本征半导体的共价键结构硅原子硅原子价电子价电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子与空穴自由电子与空穴（Free Electrons and Holes)共价键中的电子在获得确定能量（比如温度增加或光照）后，即可摆脱原子核的束缚，成为自由电子,同时在共价键中留下一个空穴。空穴空穴(Hole)SiS

7、iSiSi自由电子自由电子(Freeelectrons)热激发与复合热激发与复合（Recombination）现象现象 由于受热或光照产生自由电子和空穴的现象由于受热或光照产生自由电子和空穴的现象-热激发热激发 自由电子在运动中遇到空穴后，两者同时消逝，称为复合现象 温度确定时，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。SiSiSiSi自由自由电子电子空穴空穴+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子自由电子空空穴穴本征激发本征激发复合复合Recombination在常温下自由电子和空穴的形成在常温下自由电子和空穴的形成成对出现成对出现成对消逝成对消逝+4

8、+4+4+4+4+4+4+4+4外电场方向外电场方向外电场方向外电场方向空穴导电的实空穴导电的实质是共价键中质是共价键中的束缚电子依的束缚电子依次填补空穴形次填补空穴形成电流。故半成电流。故半导体中有导体中有电子电子和和空穴空穴两两种种载流子载流子。空穴移动方向空穴移动方向 电子移动方向电子移动方向 在外电场作用下，在外电场作用下，电子和空穴均能电子和空穴均能参与导电。参与导电。价电子填补空穴价电子填补空穴半导体导电方式半导体导电方式:载流子载流子(Carrier)自由电子和空穴自由电子和空穴当半导体两端加上外电压时，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；自由电子作定向运动

9、形成电子电流；而空穴的运动相当于正电荷的运动而空穴的运动相当于正电荷的运动 在半导体中，同时存在着电子导电和空在半导体中，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穴导电，这是半导体导电方式的最大特点温度愈高，载流子数目愈多，导电性能温度愈高，载流子数目愈多，导电性能也就愈好也就愈好1、半导体和金属在导电原理上的半导体和金属在导电原理上的本质差别本质差别2、温度温度对半导体器件性能的影响。对半导体器件性能的影响。杂质半导体杂质半导体(ExtrinsicSemiconductors)1 1、N型半导体型半导体(N-typeSemiconductors)在硅或锗的晶体中在硅或锗的晶

10、体中掺入微量的掺入微量的磷磷（或（或其它五价元素）其它五价元素）电电子型半导体子型半导体或或N N型型半导体半导体.自由电子是自由电子是多数载流子多数载流子(MajorityCarriers)空穴是空穴是少数载流子少数载流子(MinorityCarriers)SiSiP+Si或称为或称为N型半导体和型半导体和P型半导体型半导体多余多余电子电子N N型半导体型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4磷原子磷原子+4+5多余价电子多余价电子自由电子自由电子正离子正离子少数载流子少数载流子多数载流子多数载流子正离子正离子N N型半导体结构示意图型半导体结构示意图2、P型半导体型半导体(P-type S

11、emiconductors)在硅或锗晶体中在硅或锗晶体中掺入掺入硼硼（或其它（或其它三价元素）。三价元素）。空穴是多数载流空穴是多数载流子，自由电子是子，自由电子是少数载流子。少数载流子。空穴型半导体或空穴型半导体或P P型半导体型半导体。SiSiB-Si空穴空穴P型半导体型半导体+4+4+4+4+4+4+4空穴空穴+4+4硼原子硼原子填补空位填补空位+3负离子负离子P型半导体结构示意图型半导体结构示意图电子是少数载流子电子是少数载流子负离子负离子空穴是多数载流子空穴是多数载流子 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，但是整个晶体仍旧是不带电的。返回留意事项留意事项P区区

12、N区区1 1 1 1、PN PN PN PN 结的形成：用特地的制造工艺在同一块半导体结的形成：用特地的制造工艺在同一块半导体结的形成：用特地的制造工艺在同一块半导体结的形成：用特地的制造工艺在同一块半导体单晶上单晶上单晶上单晶上,形成形成形成形成P P P P型半导体区域和型半导体区域和型半导体区域和型半导体区域和N N N N型半导体区域型半导体区域型半导体区域型半导体区域,在这两在这两在这两在这两个区域的交界处就形成了一个个区域的交界处就形成了一个个区域的交界处就形成了一个个区域的交界处就形成了一个PN PN PN PN 结。结。结。结。N区的电子向区的电子向P区扩散并与空穴复合区扩散并

13、与空穴复合P区的空穴向区的空穴向N区扩散并与电子复合区扩散并与电子复合空间电荷区空间电荷区内电场方向内电场方向14.2 PNPN结及其单向导电性结及其单向导电性(PN junction)(PN junction)2、漂移漂移（Drift）：）：Drift,whichisthemovementcausedbyelectricfields;少数载流子在内电场作用下有规则的运动少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为称为漂移漂移运动。运动。返回术语术语Terminology1、扩散扩散（Diffusion）：）：Diffusion,whichistheflowcausedbythevariation

14、sintheconcentration,thatis,concentrationgradients（梯度、倾斜度）（梯度、倾斜度）.多数载流子在浓度差的作用的运动称为扩散多数载流子在浓度差的作用的运动称为扩散运动。运动。多子扩散多子扩散少子漂移少子漂移内电场方向内电场方向空间电荷区空间电荷区P区区N区区 在确定的条件下，多子扩散与少子漂移达到动态平衡，在确定的条件下，多子扩散与少子漂移达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本上稳定下来。空间电荷区的宽度基本上稳定下来。内电场方向内电场方向E外电场方向外电场方向R14.2.PN结的单向导电性结的单向导电性P区区N区区外电场驱使外电场驱使P区的空穴进入空

15、间区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷电荷区抵消一部分负空间电荷N区电子进入空间电荷区区电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷抵消一部分正空间电荷1.外加正向电压外加正向电压内电场方向内电场方向E外电场方向外电场方向RIP区区N区区空间电荷区变窄空间电荷区变窄 扩散运动增加，形扩散运动增加，形成较大的正向电流成较大的正向电流1.外加正向电压外加正向电压P区区N区区内电场方向内电场方向ER空间电荷区变宽空间电荷区变宽外电场方向外电场方向IR2.外加反向电压外加反向电压外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走少数载流子越过少数载流子越过PNPN

16、结结形成很小的反向电流形成很小的反向电流多数载流子的扩散运动难于进行多数载流子的扩散运动难于进行扩散运动和漂移运动的动态平衡扩散运动和漂移运动的动态平衡扩散强扩散强漂移运动增加漂移运动增加内电场增加内电场增加两者平衡两者平衡PNPN结宽度基本稳定结宽度基本稳定外加外加电压电压平衡平衡破坏破坏扩散强扩散强漂移强漂移强PNPN结导通结导通PNPN结截止结截止1、PNPN结加正向电压：结加正向电压：PNPN结所处的状态称为结所处的状态称为正向导正向导通通，其特点：，其特点：PNPN结正向电流大，结正向电流大，PNPN结电阻小。结电阻小。相当于开关闭合相当于开关闭合SPN结的单向导电性结的单向导电性：

17、2、PNPN结加反向电压：结加反向电压：PNPN结所处的状态称为结所处的状态称为反向截止反向截止，其特点：其特点：PNPN结反向电流小，结反向电流小，PNPN结电阻大。结电阻大。相当于开关打开相当于开关打开正极引线正极引线触丝触丝N型锗型锗支架支架外壳外壳负极引线负极引线点接触型二极管点接触型二极管1、二极管的结构和符号、二极管的结构和符号二极管的符号二极管的符号正极正极负极负极14.3 半导体二极管半导体二极管SemiconductorDiodeSemiconductorDiode正极引线正极引线二氧化硅保护层二氧化硅保护层P型区型区负极引线负极引线平面型二极管平面型二极管N型硅型硅PN结结

18、PN结结I/mA硅管的伏安特性硅管的伏安特性2、二极管的伏安特性、二极管的伏安特性i-vi-vcharacteristicscharacteristics正向特性正向特性反向击反向击穿特性穿特性6004002000.10.200.4 0.850100U/V反向特性反向特性死区电压死区电压I/mAU/V0.40.840802460.10.2锗管的伏安特性锗管的伏安特性正向特性正向特性反向特性反向特性0死区电压死区电压+U IU=f（I）在反向电压不超过某一范围时，反向电流的大小基本恒定，在反向电压不超过某一范围时，反向电流的大小基本恒定，与反向电压的凹凸无关，通常称为反向饱和电流与反向电压的凹凸

19、无关，通常称为反向饱和电流6004002000.10.200.4 0.850100I/mAU/V正向特性正向特性反向击反向击穿特性穿特性硅管的伏安特性硅管的伏安特性反向特性反向特性死区电压死区电压正向特性：正向特性：二极管加正向电压二极管加正向电压正极正极负极负极+反向特性：反向特性：二极管加反向电压二极管加反向电压正极正极负极负极+对于志向二极管对于志向二极管锗锗管管正向压降正向压降0.2-0.3V硅硅管管正向压降正向压降0.6-0.8V3、二极管的主要参数、二极管的主要参数1.最大整流电流最大整流电流最大整流电流最大整流电流I IOMOM2.2.2.2.（点接触型几十（点接触型几十（点接触

20、型几十（点接触型几十mAmA，2 2 2 2CZ52ACZ52ACZ52ACZ52A二极管二极管二极管二极管100100100100mAmA）2.2.反向工作峰值电压反向工作峰值电压反向工作峰值电压反向工作峰值电压U URWMRWM3.3.反向峰值电流反向峰值电流反向峰值电流反向峰值电流I IRMRM（硅管反向电流小几微安，锗管反向电流大）（硅管反向电流小几微安，锗管反向电流大）（硅管反向电流小几微安，锗管反向电流大）（硅管反向电流小几微安，锗管反向电流大）例例1：下图中，已知：下图中，已知VA=3V，VB=0V，DA、DB为锗管，为锗管，求输出端求输出端Y的电位并说明的电位并说明二极管的二极

21、管的作用。作用。解：解：DA优先导通，则优先导通，则VY=30.3=2.7VDA导通后导通后,DB因反偏而截止因反偏而截止,起隔离作用起隔离作用,DA起钳位作用起钳位作用,将将Y端的电位钳制在端的电位钳制在+2.7V。DA12VYABDBR+0.3VDE3VRuiuouRuD例例2：下图是二极管限幅电路，：下图是二极管限幅电路，D为志向二极管，为志向二极管，ui=6sin tV,E=3V,试画出试画出uo波形波形。t t ui/V Vuo/V63300 2 2 6uR？t 630 2 例例3：双向限幅电路双向限幅电路 t 033D1E3VRD2E3VuiuouRuDui/Vuo/V3例例14.

22、3.1由下图（由下图（a）中的）中的R和和C构成一微分电路。当输入电压构成一微分电路。当输入电压uI如图（如图（b）所示时，试画出输出电压）所示时，试画出输出电压uO的波形。设的波形。设Uc（0）=0（a）（b）Figure1.3The diode rectifier:(a)circuit,(b)sinusoidal input signal,(c)equivalent circuit for vI 0,(d)equivalent circuit for vI IB同样有同样有:IC IB所以说三极管具有电流限制作用所以说三极管具有电流限制作用,也称之为电流放大作用。也称之为电流放大作用。电流

23、关系：电流关系：IE=IB+ICECRCIC UCECEBUBEEBRBIBIEIC=IB直流电流放大系数直流电流放大系数直流电流放大系数直流电流放大系数 =IC IBTheoperationofthetransistordependsonthetwopnjunctionsbeingincloseproximity,sothewidthofthebase must be very narrow,normally in the range oftenthsofamicrometer(10-6m).Figure1.8Annpnbipolartransistorbiasedintheforward-

24、activemodeFigure1.9Electronandholescurrentsinannpntransistorbiasedintheforward-activemodeNote:Forexample,theimpuritydopingconcentrationsintheemitter,baseandcollectormaybeontheorderof1019,1017,and1014cm-3,respectively.ECRCIC UCECEBUBE共放射极接法放大电路共放射极接法放大电路14.5.2三极管的电流限制作用三极管的电流限制作用三极管具有电流控三极管具有电流控制作用的外

25、部条件制作用的外部条件:（1）放射结正向偏置；）放射结正向偏置；（2）集电结反向偏置。）集电结反向偏置。对于对于NPN型三极管应满足型三极管应满足:输出输出回路回路输入输入回路回路公公共共端端EBRBIBIEUBE 0UBC VB VEECRCIC UCECEBUBE共放射极接法放大电路共放射极接法放大电路14.5.2三极管的电流限制作用三极管的电流限制作用三极管具有电流限制作用的三极管具有电流限制作用的外部条件外部条件:（1）放射结正向偏置；）放射结正向偏置；（2）集电结反向偏置。）集电结反向偏置。对于对于PNP型三极管应满足型三极管应满足:输出输出回路回路输入输入回路回路公公共共端端EBR

26、BIBIE即即 VC VB 0UBEVBVE且且IC=IB对于对于PNP型三极管应满足型三极管应满足:VCVBVE且且IC=IBRBEBECRCIC UCECEBIBUBE（一）（一）放大状态放大状态条条件件特特征征3 3、三极管在三个区的工作状态、三极管在三个区的工作状态、三极管在三个区的工作状态、三极管在三个区的工作状态IE（二）（二）饱和状态饱和状态集电结、放射结均反向偏置，即集电结、放射结均反向偏置，即UBE0（1）IB增加时，增加时，IC基本不变，基本不变，且且IC UC/RC（2）UCE 0 晶体管晶体管C、E之间相当于短路之间相当于短路（三）（三）截止状态截止状态即即UCE0，U

27、BC0，UCE0，则此管工作区为，则此管工作区为-（1）饱和区）饱和区（2）截止区）截止区（3）放大区）放大区答案答案（1）6.一个一个NPN管在电路中正常工作，现测得管在电路中正常工作，现测得UBE0，UBC0，则此管工作区为，则此管工作区为-（1）饱和区）饱和区（2）截止区）截止区（3）放大区）放大区答案答案（3）7.一个一个NPN管在电路中正常工作，现测得管在电路中正常工作，现测得UBE0，UBC0，则此管工作区为，则此管工作区为-（1）饱和区）饱和区（2）截止区）截止区（3）放大区）放大区答案答案（2）8.稳压管工作在稳压管工作在-状态。状态。（1）正向导通）正向导通（2）反向截止）反

28、向截止（3）反向击穿）反向击穿9.稳压管稳压电路如图所示，其中稳压管稳压电路如图所示，其中UZ1=7V，UZ2=3V，它们的正，它们的正向导通压降为向导通压降为0.7V，其输出电压为，其输出电压为-。DZ1UZ1RuiuoUZ2DZ2（1）0.7V（2）1.7V（3）3V（4）7.7V答案答案（3）答案答案（4）1、在图所示电路中，、在图所示电路中，E=5V、ui=10sin tV，D为志向二极管，试画为志向二极管，试画出输出出输出uO的波形。的波形。DERuiuo t t ui/V Vuo/V105500 2 2 10二、计算下列各题二、计算下列各题2、两个稳压管的稳压值分别为两个稳压管的稳压值分别为5.5V和和8.5V，正向压降均为，正向压降均为0.5V、若得到、若得到6V电压，试画出稳压电路。电压，试画出稳压电路。DZ15.5VRuiuoDZ2解：解：0.5V3、两个稳压管的稳压值分别为两个稳压管的稳压值分别为5.5V和和8.5V，正向压降均为，正向压降均为0.6V、若得到、若得到14V电压，试画出稳压电路。电压，试画出稳压电路。DZ18.5VRuiuoDZ2解：解：5.5V