第9章二极管和晶体管.pptx

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1、1第1页/共54页2第2页/共54页3电工电子学下篇电工电子学下篇-电子技术电子技术第9章 二极管和晶体管第10章 基本放大电路第11章 运算放大器第12章 直流稳压电源第13章 门电路和组合逻辑电路第14章 触发器和时序逻辑电路第15章 模拟量和数字量转换第3页/共54页49.1 半导体的导电特性9.2 半导体二极管9.3 稳压二极管 第9章 二极管和晶体管第4页/共54页5半导体基础知识半导体基础知识导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。金属一般都是导体。绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘

2、体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：半导体：导电特性处于导体和绝缘体之间。如导电特性处于导体和绝缘体之间。如锗锗、硅硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。第5页/共54页6半导体半导体的导电能力受外界因素的影响很大：的导电能力受外界因素的影响很大：对温度敏感对温度敏感 热敏元件热敏元件 掺杂掺杂 半导体二极管、三极管、场效应管、半导体二极管、三极管、场效应管、晶闸管等半导体器件晶闸管等半导体器件半导体及其特点 对光照敏感对光照敏感 光电管、光电池等光敏元件光电管、光电池等光敏元件半导体的这些特点是由其原子结构决定的半导体的这些特点是由其原

3、子结构决定的第6页/共54页79.1.1 本征半导体本征半导体1、本征半导体的结构特点、本征半导体的结构特点硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。Si本征半导体：完全纯净的、本征半导体：完全纯净的、晶体结构的半导体。晶体结构的半导体。9.1 半导体的导电特性半导体的导电特性第7页/共54页8在热力学温度零度和没有外界激发时,本征半导体不导电。共价键结构共价键结构 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第8页/共54页9+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子自由电子空空穴穴本

4、征激发本征激发复合复合在在常常温温下下自自由由电电子子和和空空穴穴的的形形成成成对出现成对出现成对消失成对消失第9页/共54页10+4+4+4+4+4+4+4+41.N型半导体型半导体在硅或锗的晶体中在硅或锗的晶体中掺入少量掺入少量五价五价元素元素磷原子磷原子+4+5多余价电子多余价电子正离子正离子N 型半导体中的载流子型半导体中的载流子:1 1、自由电子、自由电子2 2、空穴、空穴多数载流子少数载流子9.1.2 N半导体和P型半导体第10页/共54页11 N 型半导体结构示意图型半导体结构示意图空穴是少数空穴是少数载流子载流子电子是多数电子是多数载流子载流子正离子正离子第11页/共54页12

5、+4+4+4+4+4+4+4空穴空穴2.P型半导体型半导体在硅或锗的晶体中在硅或锗的晶体中 掺入少量的掺入少量的三价三价元元 素素,形成形成P 型半导体型半导体 +4+4硼原子硼原子填补空位填补空位+3负离子负离子P 型半导体中型半导体中的载流子是的载流子是:1 1、自由电子、自由电子2 2、空穴、空穴多数载流子少数载流子第12页/共54页13 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第13页/共54页14半导体具有不同于其它物质的特点。例如：半导体具有不同于其它物质的特点。例如：当受外界热和光作用时，导电能力当受外界

6、热和光作用时，导电能力明显变化明显变化,半导体对温度敏感半导体对温度敏感。往纯净的半导体中掺入某些杂质，往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显改变。导电能力明显改变。半导体的导电特性半导体的导电特性第14页/共54页15（三）（三）PN结结1、PN结的形成结的形成flash1扩散扩散=飘移飘移形成稳定形成稳定的的PN结结注：注：PNPN结的结电容很小结的结电容很小多子的浓度差多子的浓度差多子的扩散多子的扩散（变厚、跨（变厚、跨越阻碍）越阻碍）空间电荷区空间电荷区少子的漂移少子的漂移（变薄、电（变薄、电场驱使）场驱使）第15页/共54页162、PN结的特性结的特性 （1）PN结外加结外加正向

7、电压正向电压flash2PN结正偏结正偏PN结正向导通结正向导通外电场与内电场方向相反外电场与内电场方向相反有利于扩散进行有利于扩散进行扩散扩散飘移飘移PN结变窄结变窄外部电源不断外部电源不断提供电荷提供电荷产生较大的扩散电流产生较大的扩散电流I正正第16页/共54页172、PN结的特性结的特性 （2）PN结外加结外加反向电压反向电压flash3PN结反偏结反偏PN结反向截止结反向截止外电场与内电场方向相同外电场与内电场方向相同有利于漂移进行有利于漂移进行飘移飘移扩散扩散PN结变厚结变厚外部电源不断外部电源不断提供电荷提供电荷产生较小的反向电流产生较小的反向电流I反反 第17页/共54页18（

8、3）PN结的特性：结的特性：加正向电压加正向电压导通导通加反向电压加反向电压截止截止单方向导电性单方向导电性下一节上一页下一页返 回第18页/共54页199.2 半导体二极管整流二极管：整流二极管：工作频率低，可通过较大电流工作频率低，可通过较大电流DC Reverse Voltage：300 VPeak Repetitive Reverse Voltage：300 VAverage Rectified Current：3AMaximum Reverse Current：TA=25C 5.0 A ；TA=100C 500 A第19页/共54页209.2.1 9.2.1 伏安特性伏安特性硅管硅管

9、0.5V,0.5V,锗锗管管0 0.1V.1V。反向击穿电压U(BR)导通压降导通压降 外加电压大于死区外加电压大于死区电压二极管才能导通。电压二极管才能导通。外加电压大于反向击外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。失去单向导电性。正向特性正向特性反向特性特点：非线性特点：非线性硅硅0 0.60.8V.60.8V锗锗0 0.2.20.3V0.3VUI死区电压死区电压PN+PN+理想二极管：导通压降=0iDuD第20页/共54页219.2.2 主要参数1.最大整流电流最大整流电流 IF二极管长期使用时，允许流过二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流

10、。二极管的最大正向平均电流。2.最高反向工作电压最高反向工作电压UR二极管工作是允许外加的最大反向电压值。超过此值二极管工作是允许外加的最大反向电压值。超过此值时，二极管有可能因反向击穿而损坏。手册上给出的时，二极管有可能因反向击穿而损坏。手册上给出的最高反向工作电压最高反向工作电压UR一般是击穿电压一般是击穿电压U（BR）的一半的一半。PN二极管符号：二极管符号：+U -第21页/共54页223.反向电流反向电流 IR指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好

11、反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。第22页/共54页234、微变电阻微变电阻 rDiDuDIDUDQ iD uDrD 是二极管特性曲线上工是二极管特性曲线上工作点作点Q 附近电压的变化与附近电压的变化与电流的变化之比：电流的变化之比：工作点工作点Q处的直流电阻：处的直流电阻：R=UD/ID 第23页/共54页24PN结高频小信号时的等效电路：结高频小信号时的等效电路：rdC5、PN结电容势垒电容势垒电容 扩

12、散电容扩散电容第24页/共54页25 例例9.1(9.1(嵌位嵌位)：下图中，已知VA=3V，VB=0V，DA、DB为锗管，求输出端Y的电位并说明二极管的作用。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。DA 12VYABDBR3V0V-0.3V2.7V优先导通判断方法优先导通判断方法：(1)所有二极管开路，正向电压大的先导通；所有二极管开路，正向电压大的先导通；(2)根据优先导通后的电路，在判断其它二极管导通根据优先导通后的电路，在判断

13、其它二极管导通/截止。截止。第25页/共54页26DE3VRuiuouRuD 例例9.2(9.2(限幅限幅)：下图是二极管限幅电路，D为理想二极管，ui=6 sin t V,E=3V,试画出 uo波形。t t ui/Vuo/V63300 2 2 6uD=ui-3 =6 sin t-3 第26页/共54页279.3 稳压二极管稳压二极管1.1.符号符号 UZIZIZM UZ IZ2.2.伏安特性伏安特性 稳压管正常工作时加反向电压稳压管正常工作时加反向电压使用时要加限流电阻使用时要加限流电阻 稳压管反向击穿后，稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特电

14、压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起性，稳压管在电路中可起稳压作用。稳压作用。_+UIO比普通二极管的反向击穿电压低比普通二极管的反向击穿电压低第27页/共54页283.3.主要参数主要参数(1)(1)稳定电压稳定电压U UZ Z 稳压管正常工作稳压管正常工作(反向击穿反向击穿)时管子两端的电压。时管子两端的电压。(2)(2)电压温度系数电压温度系数 环境温度每变化环境温度每变化1 1 C C引起引起稳压值变化的稳压值变化的百分数百分数。(3)(3)动态电阻动态电阻(4)(4)稳定电流稳定电流 I IZ Z、最大稳定电流、最大稳定电流 I IZMZM(5)(5)最大允许耗散功率最大允许耗

15、散功率 P PZM ZM=U UZ Z I IZMZMr rZ Z愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。第28页/共54页29例例9.3.1 求通过稳压二极管求通过稳压二极管的电流的电流IZ？R是限流电阻，是限流电阻，其阻值合适否？其阻值合适否？IZDZR=1.6k+20VUZ=12VIZM=18mA解解:IZ 0 UBE 0即即 VC VB VE对于对于PNP型三极管应满足型三极管应满足:UEB 0 UBC 0即即 VC VB IC，UCE0.3V称为饱和区。IB第41页/共54页42IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A1

16、00 A此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBE 死区电压，称为截止区。第42页/共54页43T工作在放大区条件：工作在放大区条件：发射结正偏，集电结反发射结正偏，集电结反偏；偏；T工作在饱和区条件：工作在饱和区条件：发射结正偏，集电结正偏；发射结正偏，集电结正偏；T工作在截止区条件：工作在截止区条件：发射结反偏，集电结反偏；发射结反偏，集电结反偏；输输入入特特性性输输出出特特性性第43页/共54页44例：已知晶体管导通时例：已知晶体管导通时UBE0.7V，=50。试分析。试分析uI为为0V、1V、5V三种情况下三种情况下T的工作状态及输出的工作状态及输出电压电压uO、IC的值。的值。（1）

17、当VBB0时，T截止，uO12V。IC=0解：第44页/共54页45（2）当VBB1V时，因为所以T处于放大状态。第45页/共54页46（3）当VBB5V时，因为所以T处于饱和状态。所以 uO0V，IC 12mA若：若：则：则：第46页/共54页47工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。上的交流信号。交流电流放大倍数交流电流放大倍数为：为：共射共射直流电流放大倍数直流电流放大倍数：1.电流放大倍数电流放大倍数 和和 在以后的计算中，一般作近似处理：在以后的计算中，一般作近似处理：=9.4.4 主要参数第47页/共54页48例：在例：在

18、U UCECE=6 V=6 V时，时，在在 QQ1 1 点点I IB B=40=40 A,A,I IC C=1.5mA=1.5mA；在在 QQ2 2 点点I IB B=60=60 A,A,I IC C=2.3mA=2.3mA。在以后的计算中，一般作近似处理：在以后的计算中，一般作近似处理：=。I IB B=0=02020 A A4040 A A6060 A A8080 A A100100 A A3 36 6I ICC(mmA )A )1 12 23 34 4U UCECE(V)(V)9 912120 0QQ1 1QQ2 2在在 QQ1 1 点，有点，有由由 QQ1 1 和和QQ2 2点，得点，

19、得第48页/共54页492.集集-基极反向截止电流基极反向截止电流ICBO AICBOICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流，受温度变化的影响大。第49页/共54页50BECNNP3.集集-射极反向截止电流射极反向截止电流ICEOICEO受温度影响很大，当温度上升时，ICEO增加很快，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。(穿透电流穿透电流)第50页/共54页514.集电极最大电流集电极最大电流ICM集电极电流集电极电流IC上升会导致三极管的上升会导致三极管的 值的下降，值的下降，当当 值下降到正常值的三分之二时的集电极电流值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为即为ICM。5.

20、集集-射极反向击穿电压射极反向击穿电压当集当集-射极之间的电压射极之间的电压UCE超过一定的数值时，超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25 C、基极开路时的击穿电压基极开路时的击穿电压U(BR)CEO。第51页/共54页526.集电极最大允许功耗集电极最大允许功耗PCM 集电极电流集电极电流IC流过流过三极管，所发出的焦三极管，所发出的焦耳热为：耳热为：PC=ICUCE 必定导致结温上升，必定导致结温上升，所以所以PC有限制。有限制。PC PCMICUCEICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作区第52页/共54页53作业：P263-266页A选择题：9.1.19.4.7B基本题：9.2.4(b)9.2.6 9.3.3 9.4.8 9.4.10第53页/共54页54感谢您的观看！第54页/共54页