ch9半导体二极管和三极管.pptx

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1、9.1 9.1 半导体的导电特性半导体的导电特性9.1.1 本征半导体本征半导体 完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。半导体。晶体中原子的排列方式晶体中原子的排列方式硅单晶中的共价健结构硅单晶中的共价健结构共价健共价键中的两个电子，称为共价键中的两个电子，称为价电子价电子。Si Si Si Si价电子第1页/共40页 Si Si Si Si价电子 价电子在获得一定能量价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成即可挣脱原子核的束缚，成为为自由电子自由电子（带负电），同（带负电），同时共价键中

2、留下一个空位，时共价键中留下一个空位，称为称为空穴空穴（带正电）（带正电）。本征半导体的导电机理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，晶体中产温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。生的自由电子便愈多。自由电子 在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当来填补，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）。于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。第2页/共40页本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理 当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出当半导体两端加上外电压时，在

3、半导体中将出现两部分电流现两部分电流 ：(1)(1)自由电子作定向运动自由电子作定向运动 电子电流电子电流 (2)(2)价电子递补空穴价电子递补空穴 空穴电流空穴电流注意：注意：(1)(1)本征半导体中载流子数目极少本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差；其导电性能很差；(2)(2)温度愈高，温度愈高，载流子的数目愈多载流子的数目愈多,半导体的导电性半导体的导电性能也就愈好。能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。所以，温度对半导体器件性能影响很大。自由电子和自由电子和空穴都称为载流子。空穴都称为载流子。自由电子和自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复空穴成对地产生的同时，又不断

4、复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平合。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。衡，半导体中载流子便维持一定的数目。第3页/共40页9.1.2 N型半导体和型半导体和 P 型半导体型半导体 掺杂后自由电子数目掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体电方式，称为电子半导体或或N N型半导体型半导体。掺入五价元素磷掺入五价元素磷 Si Si Si Sip+多余电子磷原子在常温下即可变为自由电子失去一个电子变为正离子 在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）在本征

5、半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成杂质半导体。形成杂质半导体。在在N N 型半导体中型半导体中自由电子是自由电子是多数载流子，空穴是少数载流多数载流子，空穴是少数载流子。子。动画第4页/共40页9.1.2 N型半导体和型半导体和 P 型半导体型半导体 掺杂后空穴数目大量掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或式，称为空穴半导体或 P P型半导体型半导体。掺入三价元素硼掺入三价元素硼 Si Si Si Si 在在 P P 型半导体中型半导体中空穴是多空穴是多数载流子，自由电子是少数载数载流子，自由电子是少数载流子

6、。流子。B硼原子接受一个接受一个电子变为电子变为负离子负离子空穴动画无论无论N N型或型或P P型半导体都是中性的，对外不显电性。型半导体都是中性的，对外不显电性。第5页/共40页 1.1.在杂质半导体中多子的数量与在杂质半导体中多子的数量与 （a.a.掺杂浓度、掺杂浓度、b.b.温度）有关。温度）有关。2.2.在杂质半导体中少子的数量与在杂质半导体中少子的数量与 （a.a.掺杂浓度、掺杂浓度、b.b.温度）有关。温度）有关。3.3.当温度升高时，少子的数量当温度升高时，少子的数量 （a.a.减少、减少、b.b.不变、不变、c.c.增多）。增多）。a ab bc c 4.4.在外加电压的作用下

7、，在外加电压的作用下，P P 型半导体中的电流型半导体中的电流主要是主要是 ，N N 型半导体中的电流主要是型半导体中的电流主要是 。（a.a.电子电流、电子电流、b.b.空穴电流）空穴电流）b ba a第6页/共40页9.1.3 PN结结及其单向导电及其单向导电性性1.PN PN结的形成结的形成多子的扩散运动内电场少子的漂移运动浓度差 扩散的结果使空间电荷区变宽。空间电荷区也称 PN 结 P P 型半导体型半导体N N 型半导体型半导体+动画形成空间电荷区第7页/共40页2 PN结的单向导电结的单向导电性性PN 结变窄 P接正、N接负 外电场IF 内电场被内电场被削弱，多子削弱，多子的扩散加

8、强，的扩散加强，形成较大的形成较大的扩散电流。扩散电流。PN PN 结加正向电压时，结加正向电压时，PNPN结变窄，正向电流较结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，大，正向电阻较小，PNPN结处于导通状态。结处于导通状态。内电场PN+动画+1)PN 1)PN 结加正向电压结加正向电压结加正向电压结加正向电压（正向偏置）（正向偏置）（正向偏置）（正向偏置）第8页/共40页2)PN 2)PN 结加反向电压结加反向电压（反向偏置）（反向偏置）外电场外电场 P P接负、接负、N N接正接正 内电场内电场P PN N+动画+第9页/共40页PN PN 结变宽结变宽2)PN 2)PN 结加反向电压结加反向电

9、压（反向偏置）（反向偏置）外电场外电场 内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。IR P P接负、接负、N N接正接正 温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。动画+PN PN 结加反向电压时，结加反向电压时，PNPN结变宽，反向电流较小，结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，反向电阻较大，PNPN结处于截止状态。结处于截止状态。内电场内电场P PN N+第10页/共40页9.2.1 9.2.1 基本结构基本结构 将 PN 结加上相应的电极引线和管壳，就成为半导体二极管。按结构分，有点接触型和面接触型两类。表示符号正

10、极负极金锑合金面接触型N型锗 正极引线负极引线 PN 结底座铝合金小球点接触型引线触丝N 型锗外壳9.2 半导体二极管半导体二极管第11页/共40页9.2.2 伏安特伏安特性性硅管硅管锗管锗管0.1V0.1V反向击穿电压U(BR)导通压降导通压降 外加电压大于死外加电压大于死区电压二极管才能区电压二极管才能导通。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锗锗0 0.2.2UI死区电压死区电压PN+PN+反向电流反向电流在一定电压在一定电压范围内保持范围内保持常数。常

11、数。第12页/共40页 1.最大整流电流 IOM 最大整流电流是指二极管长时间使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。2.反向工作峰值电压 URWM 它是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一半或三分之二。3.反向峰值电流 IRM它是指二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。9.2.3 9.2.3 主要参数主要参数主要参数主要参数 二极管的应用范围很广，主要都是利用它的单向导电性。它可用与整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。第13页/共40页二极管二极管的单向导电性的单向导电性 1.1.二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴二极管加正向电压（正

12、向偏置，阳极接正、阴二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负极接负极接负极接负 ）时，）时，）时，）时，二极管处于正向导通状态，二极管正二极管处于正向导通状态，二极管正二极管处于正向导通状态，二极管正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。向电阻较小，正向电流较大。向电阻较小，正向电流较大。向电阻较小，正向电流较大。2.2.二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正极接正极接正极接正 ）时，）时，）时，）时，

13、二极管处于反向截止状态，二极管反二极管处于反向截止状态，二极管反二极管处于反向截止状态，二极管反二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。向电阻较大，反向电流很小。向电阻较大，反向电流很小。向电阻较大，反向电流很小。3.3.外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失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。去单向导电性。4.4.二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。向电流愈大。第14页/共40页 二极管电路分析举例二极管电路分析举例 定性分析：判断二极管的工作状态导通截止否则，正向管压降否则，正向管压降硅硅0 0.

14、60.7V.60.7V锗锗0 0.20.3V.20.3V 分析方法：分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压的高低或所加电压U UD D的正负。的正负。若若 V V阳阳 VV阴阴或或 U UD D为正为正(正向偏置正向偏置 )，二极管导通，二极管导通若若 V V阳阳 VVV阴阴 ，二极管导通，二极管导通第16页/共40页两个二极管的阴极接在一起两个二极管的阴极接在一起取取 B B 点作参考点，断开二极点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极管，分析二极管阳极和阴极的电位。的电位。V V1 1阳阳 =6 V6 V，V V2 2阳阳=0 V=0

15、 V，V V1 1阴阴 =V V2 2阴阴=12 V12 VU UD1D1=6V=6V，U UD2D2=12V=12V U UD2D2 U UD1D1 D D2 2 优先导通，优先导通，D D1 1截止。截止。若忽略管压降，二极管可看作短路，若忽略管压降，二极管可看作短路，U UABAB =0 V=0 V例2:D D1 1承受反向电压为承受反向电压为6 V6 V流过流过 D D2 2 的电流为的电流为求：求：U UABAB 在这里，在这里，D D2 2 起起钳位作用，钳位作用，D D1 1起起隔离作用。隔离作用。BD16V12V3kAD2UAB+第17页/共40页u ui i 8V 8V，二极

16、管导通，可看作短路，二极管导通，可看作短路 u uo o=8V=8Vu ui i 8V 8V，二极管截止，可看作开路，二极管截止，可看作开路 u uo o=u ui i已知：已知：二极管是理想的，试画出二极管是理想的，试画出 u uo o 波形。波形。8V8V例例3 3：u ui i18V18V参考点参考点二极管阴极电位为二极管阴极电位为 8 V8 VD D8V8VR Ru uo ou ui i+第18页/共40页 稳压二极管稳压二极管1.1.符号符号符号符号 UZIZIZM UZ IZ2.2.伏安特性伏安特性 稳压管正常工作时稳压管正常工作时加反向电压加反向电压使用时要加限流电阻使用时要加限

17、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，但其电流变化很大，但其两端电压变化很小，两端电压变化很小，利用此特性，稳压管利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作在电路中可起稳压作用。用。_+UIO+正向 +反向第19页/共40页3.3.主要参数主要参数主要参数主要参数(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

18、、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散功率 P PZM ZM=U UZ Z I IZMZMrZ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20页/共40页 例例 1 1 图中通过稳压管的电图中通过稳压管的电流流 I IZ Z 等于多少？等于多少？R R 是限流电阻，是限流电阻，其值是否合适？其值是否合适？IZDZ+20VR=1.6 k UZ=12V IZM=18 mAIZ例 1 的图I IZ Z I IZMZM ，电阻值合适。，电阻值合适。解第21页/共40页N 型硅二氧化硅保护膜BECN 型硅P 型硅(a)平面型N 型锗ECB铟

19、球铟球PP(b)合金型9.4 半导体三极管半导体三极管9.4.1 基本结构基本结构第22页/共40页1.NPN 型三极管集电区集电结基区发射结发射区集电极 C基极 B发射极 ENNP 不论平面型或合金型，都分成 NPN 或PNP 三层，因此又把晶体管分为 NPN 型和 PNP 型两类。ECB符号T第23页/共40页集电区集电结基区发射结发射区N集电极 C发射极 E基极 BNPPN2.PNP 型三极管CBET符号第24页/共40页 以下是说明晶体管的放大原理和其中的电流分以下是说明晶体管的放大原理和其中的电流分配的实验电路配的实验电路.9.4.2 9.4.2 电流分配和放大原理电流分配和放大原理

20、电流分配和放大原理电流分配和放大原理发射极是输入回路、输出回路的公共端发射极是输入回路、输出回路的公共端 共发射极电路ICEBmAAVUCEUBERBIBECV+输入回路输出回路第25页/共40页IB/mA 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10IC/mA 0.001 0.70 1.50 2.30 3.10 3.95IE/mA 0.001 0.72 1.54 2.36 3.18 4.05晶体管电流测量数据结论：(1)符合基尔霍夫定律(2)IC 和 IE 比 IB 大得多。从第三列和第四列的数据可得 这就是晶体管的电流放大作用。称为共发射极静态电流(直流)放大系数。电流放大作用还体

21、现在基极电流的少量变化 IB 可以引起集电极电流较大的变化 IC。式中，称为动态电流(交流)放大系数第26页/共40页 (3)当 IB=0(将基极开路)时，IC=ICEO，表中 ICEO 0UBC VB VE对于 PNP 型应满足:UEB 0UCB 0即 VC VB VE第27页/共40页特点特点:非线性非线性死区电压：死区电压：硅管硅管V V，锗，锗管管V V。正常工作时发射结电压：正常工作时发射结电压：NPNNPN型硅管型硅管 U UBE BE PNPPNP型锗管型锗管 U UBE BE IB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1VO9.4.3 特性曲线特性曲线1.输入特性

22、曲线输入特性曲线第28页/共40页IB=020A40A60A80A100A36IC(mA )1234UCE(V)912O放大区输出特性曲线通常分三个工作区：输出特性曲线通常分三个工作区：(1)(1)放大区放大区 在放大区有在放大区有 I IC C=I IB B ，也，也称为线性区，具有称为线性区，具有恒流特性。恒流特性。在放大区，在放大区，发射结处发射结处于正向偏置、集电结处于正向偏置、集电结处于反向偏置，晶体管工于反向偏置，晶体管工作于放大状态。作于放大状态。2.输出特性曲线输出特性曲线第29页/共40页I IB B=0=02020 A A4040 A A6060 A A8080 A A10

23、0100 A A3 36 6I ICC(mmA )A )1 12 23 34 4U UCECE(V)(V)9 91212O（2 2）截止区）截止区I IB B 0 0 ICIB+UCE(a)放大 UBC 0+IC 0 IB=0+UCE UCC(b)截止 UBC 0 IB+UCE 0(c)饱和 UBC 0+第31页/共40页 管管 型型 工工 作作 状状 态态 饱和饱和 放大放大 截截 止止 UBE/V UCE/V UBE/V UBE/V 开始截止开始截止 可靠截止可靠截止硅管硅管(NPN)锗管锗管(PNP)0.7 0.3 0.3 0.1 0.6 0.7 0.2 0.3 0.5 0.1 0 0.

24、1晶体管结电压的典型值晶体管结电压的典型值第32页/共40页 当晶体管工作在动态(有输入信号)时，基极电流的变化量为 IB，它引起集电极电流的变化量为 IC。IC 与 IB的比值称为动态电流(交流)放大系数 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。1.电流放大系数 ，当晶体管接成共发射极电路时，在静态(无输入信号)时集电极电流与基极电流的比值称为静态电流(直流)放大系数 9.4.4 主要参数第33页/共40页2.2.集集基极反向截止电流基极反向截止电流 I ICBOCBO3.3.集集射极反向截止电流射极反向截止电流 I ICEOCEO I ICBO

25、 CBO 是是当当发发射射极极开开路路时时流流经经集集电电结结的的反反向向电电流流，其值很小。其值很小。ICBOA+EC 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。AICEOIB=0+第34页/共40页4.4.集电极最大允许电流集电极最大允许电流 I ICMCM5.5.集集-射极反向击穿电压射极反向击穿电压U U(BR)CEO(BR)CEO 集电极电流集电极电流 I IC C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即值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为为 I ICMCM。6.6.集电极最大

26、允许耗散功耗集电极最大允许耗散功耗P PCMCM P PCMCM取决于三极管允许的温升，消耗功率过大，取决于三极管允许的温升，消耗功率过大，温升过高会烧坏三极管。温升过高会烧坏三极管。集电极所消耗的最大功率集电极所消耗的最大功率，称为集电极最大允许耗散功率，称为集电极最大允许耗散功率 P PCMCM。P PC C P PCM CM=I IC C U UCECE 硅硅管允许结温约为管允许结温约为150150 C C，锗锗管约为管约为7070 9090 C C。基基极极开开路路时时，加加在在集集电电极极和和发发射射极极之之间间的的最最大大允许电压，称为集允许电压，称为集射反相击穿电压射反相击穿电压

27、 U U(BR)CEO(BR)CEO。第35页/共40页I IC CU UCECE=P=PCMCMICMU(BR)CEO安全工作区由三个极限参数可画出三极管的安全工作区由三个极限参数可画出三极管的安全工作区ICUCEO第36页/共40页晶体管参数与温度的关系晶体管参数与温度的关系1 1、温度每增加温度每增加1010 C C，I ICBOCBO增大增大一倍。硅管优于锗一倍。硅管优于锗管。管。2 2、温度每升高温度每升高 1 1 C C，U UBEBE将减小将减小 (2(2 2.5)mV2.5)mV，即晶体管具有负温度系数。即晶体管具有负温度系数。3 3、温度每升高温度每升高 1 1 C C，增加

28、增加 0.5%1.0%0.5%1.0%。第37页/共40页 例例 3 3 一个晶体管接在电路中，今测得它各管一个晶体管接在电路中，今测得它各管脚对脚对“地地”电位分别为：电位分别为：1 1 脚脚V V1 1=3.6 V=3.6 V，2 2 脚脚V V2 2=3 V=3 V，3 3 脚脚V V3 3=9 V=9 V。试判别管子的三个电极，并说明是试判别管子的三个电极，并说明是硅管还是锗管？是硅管还是锗管？是NPNNPN型还是型还是PNPPNP型？型？解解 硅管的硅管的U UBE BE 约为约为，且，且U UBE BE 00。对对NPNNPN型管，集电极电位最高，发射极电位最型管，集电极电位最高，发射极电位最低，故此管为低，故此管为NPNNPN型硅管。型硅管。由此可知，该晶体管为硅管，由此可知，该晶体管为硅管，1 1脚为基极脚为基极B B，2 2脚为发射极脚为发射极E E，3 3脚为集电极脚为集电极C C。第38页/共40页第9章作业9.2.4 9.2.6 9.4.8 9.4.10 第39页/共40页感谢您的观看！第40页/共40页