第9章二极管和三极管.ppt

单击此处编辑母版标题样式,(1-,*,),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。,绝缘体：,有的物质几乎不导电，称为,绝缘体,，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,半导体：,另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为,半导体,，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。,9.1,半导体的导电特性,1,半导体,的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：,当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。,往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使 它的导电能力明显改变。,1.,掺杂性,2.,热敏性和光敏性,2,9.1.1,本征半导体,（纯净和具有晶体结构的半导体）,一、本征半导体的结构特点,Ge,Si,现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。,3,共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为,束缚电子,，常温下束缚电子很难脱离共价键成为,自由电子,，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。,形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。,共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。,+4,+4,+4,+4,4,二、本征半导体的导电机理,在绝对,0,度（,T,=0K,）,和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即,载流子,），它的导电能力为,0,，相当于绝缘体。,在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为,自由电子,，同时共价键上留下一个空位，称为,空穴,。,1.,载流子、自由电子和空穴,5,+4,+4,+4,+4,自由电子,空穴,束缚电子,6,2.,本征半导体的导电机理,+4,+4,+4,+4,在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。,本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即,自由电子,和,空穴,。,7,温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。,本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。,本征半导体中电流由两部分组成：,1.,自由电子移动产生的电流。,2.,空穴移动产生的电流。,（在本征半导体中 自由电子和空穴成对出现，同时又不断的复合）,8,9.1.2,杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。,P,型半导体：,空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。,N,型半导体：,自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。,9,在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷，晶体中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。,10,+4,+4,+5,+4,多余,电子,磷原子,1.,由磷原子提供的电子，浓度与磷原子相同。,2.,本征半导体中成对产生的电子和空穴。,掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为,多数载流子,（,多子,），空穴称为,少数载流子,（,少子,）。,一、,N,型半导体,11,二、,P,型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的,半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。,+4,+4,+3,+4,空穴,硼原子,P,型半导体中空穴是多子，电子是少子,。,12,1 PN,结的形成,在同一片半导体基片上，分别制造,P,型半导体和,N,型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了一个特殊的薄层，称为,PN,结。,9.1.3 PN,结及其单向导电性,13,漂移运动,P,型半导体,N,型半导体,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,扩散运动,内电场,E,所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。,14,(1),加正向电压（正偏）,电源正极接,P,区，负极接,N,区,外电场的方向与内电场方向相反。,外电场削弱内电场,耗尽层变窄,扩散运动,漂移运动,多子,扩散形成正向电流,I,F,正向电流,2,PN,结的单向导电性,15,(2),加反向电压,电源正极接,N,区，负极接,P,区,外电场的方向与内电场方向相同。,外电场加强内电场,耗尽层变宽,漂移,运动扩散,运动,少子漂移形成反向电流,I,R,P,N,在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故,I,R,基本上与外加反压的大小无关,，,所以称为,反向饱和电流,。但,I,R,与温度有关。,16,PN,结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，,PN,结导通；,PN,结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，,PN,结截止。,由此可以得出结论：,PN,结具有单向导电性。,17,9.2,半导体二极管,9.2.1,基本结构,PN,结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。,引线,外壳线,触丝线,基片,点接触型,PN,结,面接触型,P,N,二极管的电路符号：,阳极,+,阴极,-,18,9.2.2,伏安特性,U,I,死区电压 硅管,0.5V,锗管0,.1V,。,导通压降,:,硅管,0.60.7V,锗管,0.2,0.3V,。,反向击穿电压,U,BR,19,9.2.3,主要参数,1.,最大整流电流,I,OM,二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,3.,反向击穿电压,U,BR,二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压,U,RWM,一般是,U,BR,的一半。,2.,反向工作峰值电压,U,RWM,保证二极管不被击穿时的反向峰值电压。,20,4.,反向峰值电流,I,RM,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，因此反向电流越小越好。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，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。,21,二极管：,死区电压,=0.5V,，,正向压降,0.7V(,硅二极管,),理想二极管：,死区电压,=0,，正向压降,=0,二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。,R,D,1,D,2,U,s1,Ui,Uo,U,s2,i,u,i,u,o,t,t,10,10,5,5,例,1,：如图为一正负对称限幅电路，,U,i,=10sinwtV,Us1=Us2=5V,画出输出电压,Uo,的波形,22,R,L,u,i,u,o,u,i,u,o,t,t,二极管的应用举例,2,：,二极管半波整流,如图，设输入的交流电压,试,（,1,）画出负载电阻,R,L,上的电压波形；（,2,）求负载电阻,R,L,上的电压和电流平均值；（,3,）计算整流二极管的最高反向电压。,23,R,L,u,i,u,o,u,i,u,o,t,t,（,3,）计算整流二极管的最高反向电压。,二极管的最高反向电压,U,RWM,为二极管在截止时承受的反向电压峰值,例,3,：下图中，已知,V,A,=3V,，,V,B,=0V,，,D,A,、,D,B,为锗管，,求输出端,Y,的电位并说明二极管的作用。,D,A,12V,Y,A,B,D,B,R,解：,D,A,优先导通，则,V,Y,=30.3=2.7V,D,A,导通后,D,B,因反偏而截止,起隔离作用,D,A,起钳位作用,将,Y,端的电位钳制在,+2.7V,。,24,9.3,稳压二极管,U,I,I,Z,I,Zmax,U,Z,I,Z,稳压误差,曲线越陡，电压越稳定。,+,-,U,Z,动态电阻：,r,z,越小，稳压性能越好。,25,（,4,）,稳定电流,I,Z,、,最大、最小稳定电流,I,zmax,、,I,zmin,。,（,5,）最大允许功耗,稳压二极管的参数,:,（,1,）,稳定电压,U,Z,指稳压二极管反向击穿后稳定工作的电压值,（,2,）,电压温度系数,U,（,%/,）,稳压值受温度变化影响的的系数。,（,3,）动态电阻,26,在电路中稳压管只有与适当的电阻连接才能起到稳压作用。,U,I,I,Z,I,Zmax,U,Z,I,Z,U,Z,当输入电压变化时,U,i,U,Z,U,o,U,o,U,R,I,I,Z,27,稳压二极管的应用举例,u,o,i,Z,D,Z,R,i,L,i,u,i,R,L,稳压管的技术参数,:,解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为,I,z,max,方程,1,要求当输入电压由正常值发生,20%,波动时，负载电压基本不变。,求：,电阻,R,和输入电压,u,i,的正常值。,令,输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为,I,z,min,。,方程,2,联立方程,1,、,2,，可解得：,28,9.4.1,基本结构,B,E,C,N,N,P,基极,发射极,集电极,NPN,型,P,N,P,集电极,基极,发射极,B,C,E,PNP,型,9.4,晶体管,29,B,E,C,N,N,P,基极,发射极,集电极,基区：较薄，掺杂浓度低,集电区：面积较大,发射区：掺,杂浓度较高,N,P,N,e,b,c,30,B,E,C,N,N,P,基极,发射极,集电极,发射结,集电结,31,B,E,C,I,B,I,E,I,C,NPN,型三极管,B,E,C,I,B,I,E,I,C,PNP,型三极管,符号,32,I,C,m,A,A,V,V,U,CE,U,BE,R,B,I,B,E,C,E,B,一,.,一个实验,9.4.2,电流分配和放大原理,mA,33,结论,:,1.I,E,=I,C,+I,B,3.,要使晶体管放大,发射结必须正偏,集电结必须反偏。,34,一,.,输入特性,U,CE,1V,I,B,(,A),U,BE,(V),20,40,60,80,0.4,0.8,工作压降：硅管,U,BE,0.60.7V,锗管,U,BE,0.20.3V,。,U,CE,=0V,U,CE,=0.5V,死区电压，硅管,0.5V,，,锗管,0.1V,。,9.4.3,特性曲线,35,二、,输出特性,I,C,(,m,A,),1,2,3,4,U,CE,(V),3,6,9,12,I,B,=0,20,A,40,A,60,A,80,A,100,A,此区域满足,I,C,=,I,B,称为线性区（放大区）。,当,U,CE,大于一定的数值时，,I,C,只与,I,B,有关，,I,C,=,I,B,。,36,I,C,(,m,A,),1,2,3,4,U,CE,(V),3,6,9,12,I,B,=0,20,A,40,A,60,A,80,A,100,A,此区域中,U,CE,U,BE,集电结正偏，,I,B,I,C,，,U,CE,0.3V,称为饱和区。,37,I,C,(,m,A,),1,2,3,4,U,CE,(V),3,6,9,12,I,B,=0,20,A,40,A,60,A,80,A,100,A,此区域中,:,I,B,=0,I,C,=,I,CEO,U,BE,I,C,，,U,CE,0.3V,(3),截止区：,U,BE,死区电压，,I,B,=0,，,I,C,=,I,CEO,0,39,晶体管,的开关作用,（,1,）截止状态：,当,U,i,小于三极管发射结死区电压时，,I,B,I,CBO,0,，,I,C,I,CEO,0,，,U,CE,V,CC,，发射极与集电极之间如同一个开关断开，其间电阻很大。,三极管工作在截止状态的条件为：发射结反偏或小于死区电压,+,+V,+,-,T,1,2,3,B,i,R,e,b,i,U,CC,R,i,C,b,C,c,CE,U,（,2,）饱和状态：,U,CE,0,发射极与集电极之间如同一个开关，其间电阻很小。,三极管工作在饱和状态的条件为：,集电结和发射结均正偏,40,三、主要参数,前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。,共射,直流电流放大倍数,：,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。基极电流的变化量为,I,B,，,相应的集电极电流变化为,I,C,，,则,交流电流放大倍数,为：,1.,电流放大倍数,和,41,例：,U,CE,=6V,时,：,I,B,=40,A,I,C,=1.5,mA,；,I,B,=60 A,I,C,=2.3,mA,。,在以后的计算中，一般作近似处理：,=,42,2.,集,-,基极反向截止电流,I,CBO,A,I,CBO,I,CBO,是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流，受温度的变化影响。,43,4.,集电极最大电流,I,CM,集电极电流,I,C,上升会导致三极管的,值的下降，当,值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为,I,CM,。,5.,集,-,射极反向击穿电压,当集,-,射极之间的电压,U,CE,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,25,C,、,基极开路时的击穿电压,U,(BR)CEO,。,3.,集,-,射反向截止电流,I,CEO,又叫穿透电流，指基极开路时的集电极电流。,44,6.,集电极最大允许功耗,P,CM,集电极电流,I,C,流过三极管，,所发出的功率 为：,P,C,=,I,C,U,CE,必定导致结温,上升，所以,P,C,有限制。,P,C,P,CM,I,C,U,CE,I,C,U,CE,=,P,CM,I,CM,U,(BR)CEO,安全工作区,45,光电二极管,反向电流随光照强度的增加而上升。,I,U,照度增加,9.5,光电器件,46,发光二极管,有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。,47,电子技术,第,9,章,结束,48,