第1章 二极管及三极管.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,电子技术,返回,主讲：王智,安徽理工大学电气学院,参考：,1.,秦增煌,电工学 电子技术,2.,康华光,电子技术基础,电子技术：,模拟电子技术,数字电子技术,器件是非线性的、特性有分散性、,RC,的值有误差，工程上允许一定的误差、采用合理估算的方法。对电路进行分析计算时，只要能满足技术指标，就不要过分追究精确的数值。,对于元器件，重点放在特性、参数、技术指标和正确使用方法，不要过分追究其内部机理。讨论器件的,目的在于应用,。,学会用工程观点分析问题，就是根据实际情况，对器件的数学模型和电路的工作条件进行合理的近似，以便用简便的分析方法获得具有实际意义的结果。,第,1,章 半导体二极管和三极管,返回,后一页,1.3,二极管,1.4,稳压二极管,1.5,半导体三极管,1.2 PN结,1.1,半导体的导电特性,1.1,半导体的导电特性,半导体的导电特性：,(,可做成温度敏感元件，如热敏电阻,),。,掺杂性：,往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电,能力明显改变,(,可做成各种不同用途的半导,体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。,光敏性：,当受到光照时，导电能力明显变化,(,可做,成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极,管、光敏三极管等,),。,热敏性：,当环境温度升高时，导电能力显著增强,1.1.1,本征半导体,完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。,硅和锗的晶体结构,前一页,后一页,返回,硅和锗的共价键结构,共价键共用电子对,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。,+4,+4,+4,+4,前一页,后一页,返回,+4,+4,+4,+4,自由电子,空穴,束缚电子,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,（带负电），同时共价键上留下一个空位，称为,空穴,（带正电）,。,本征半导体的导电机理,这一现象称为本征激发。,前一页,后一页,返回,本征半导体的导电机理,在其它力的作用下，空穴吸引临近的电子来填补，其结果相当于空穴的迁移。,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。,因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和空穴很少，所以,本征半导体的导电能力很弱。,当半导体外加电压时，在电场的作用下将出现两部分电流：,1,）自由电子作定向移动,电子电流,2,）价电子递补空穴,空穴电流,+4,+4,+4,+4,前一页,后一页,返回,本征半导体的导电机理,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,。,温度越高，载流子的浓度越高,，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。,跳转,前一页,后一页,返回,1.1.2 N,型半导体和,P,型半导体,N,型半导体,自由电子称为多数载流子（多子），,空穴称为少数载流子（少子）。,+4,+4,+4,+4,+5,多余电子,磷原子,掺入五价元素,如 磷,在常温下即可变为自由电子,失去一个电子变为正离子,返回,前一页,后一页,前一页,后一页,P,型半导体,空穴称为多数载流子（多子），,自由电子称为少数载流子（少子）。,+4,+4,+4,+4,+3,硼原子,空穴,掺入三价元素,如 硼,接受一个电子变为负离子,返回,杂质半导体的示意表示法,P,型半导体,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,N,型半导体,前一页,后一页,无论,N,型或,P,型半导体都是中性的，对外不显电性。,返回,1.2 PN 结,1.2.1 PN,结的形成,多子的扩散运动,内电场,E,少子的漂移运动,浓度差,P,型半导体,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,N,型半导体,空间电荷区,内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,扩散的结果使空间电荷区变宽。,扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。,空间电荷区也称,PN,结,前一页,后一页,返回,因浓度差,多子的扩散运动,由,杂质离子,形成空间电荷区,空间电荷区,形成,内电场,内电场促使少子漂移,内电场阻止多子扩散,P,型半导体,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,N,型半导体,前一页,后一页,二、,PN,结的单向导电性,1.PN,结加正向电压（正向偏置）,PN,结变窄,P,接正、,N,接负,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,U,内电场,外电场,P,N,I,F,内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。,PN,结正向电阻较小，正向电流较大，,PN,结处于导通状态。,返回,2.PN,结加反向电压（反向偏置）,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,U,内电场,外电场,P,N,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。,I,R,PN,结变宽,P,接负、,N,接正,PN,结反向电阻较大，反向电流很小，,PN,结处于截止状态。,温度越高少子的数量越多，反向电流将随温度增加,前一页,后一页,返回,PN,结的单向导电性,1,、,PN,结加正向电压（正向偏置，,P,接正、,N,接负）时，,PN,结处于正向导通状态，,PN,结正向电阻较小，正向电流较大。,2,、,PN,结加反向电压（反向偏置，,P,接负、,N,接正）时，,PN,结处于反向截止状态，,PN,结反向电阻较大，反向电流很小。,前一页,后一页,返回,1.3,二极管,1.3.1,基本结构,（,a,）,点接触型,1.,结构,：,按结构可分三类,(b),面接触型,用于检波和变频等高频电路。,用于工频大电流整流电路。,前一页,后一页,(c),平面型,用于大功率整流和开关电路中。,返回,基本结构,电路符号,1.3.2,伏安特性,前一页,后一页,P,N,+,U,I,硅管,0.5V,锗管,0,.1V,反向击穿,电压,U,(BR),导通压降,死区电压,外加电压大于死区电压二极管才能导通。,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。,正向特性,P,N,+,反向特性,非线性,反向电流,在一定电压,范围内保持,常数。,硅,0,.60.8V,锗0,.2,0.3V,返回,1.3.3,主要参数,1,、最大整流电流,I,OM,2,、,反向工作峰值电压,U,RWM,3,、,反向峰值电流,I,RM,前一页,后一页,返回,二极管,的单向导电性,前一页,后一页,1.,二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负）时，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。,2.,二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正）时，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。,返回,1.,在杂质半导体中多子的数量与,（,a,.,掺杂浓度、,b.,温度）有关。,2.,在杂质半导体中少子的数量与 。,（,a,.,掺杂浓度、,b,.,温度）有关。,3.,当温度升高时，少子的数量 。,（,a,.,减少、,b,.,不变、,c,.,增多）,a,b,c,4.,在外加电压的作用下，,P,型半导体中的电流主要是 ，,N,型半导体中的电流主要是 。,（,a,.,电子电流、,b,.,空穴电流）,b,a,思考题：,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,硅,0,.60.7V,锗0,.2,0.3V,分析方法：,将二极管断开，分析二极管两端电位,的高低或所加电压,U,D,的正负。,若,V,阳,V,阴,或,U,D,为正，二极管导通（正向偏置）,若,V,阳,V,阴,二极管导通,若,忽略管压降，二极管可看作短路，,U,AB,=,6V,否则，,U,AB,低于,6V,一个管压降，为,6.3,或,6.7V,例,1,：,后一页,取,B,点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,跳转,D,6V,12V,3k,B,A,U,AB,+,返回,两个二极管的阴极接在一起,求：,U,AB,取,B,点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,V,1,阳,=,6 V,，,V,2,阳,=0 V,，,V,1,阴,=V,2,阴,=,12 V,U,D,1,=6V,，,U,D,2,=12V,U,D,2,U,D,1,VD,2,优先导通，,VD,1,截止。,若忽略管压降，二极管可看作短路，,U,AB,=0 V,VD,6V,12V,3k,B,A,VD,2,VD,1,承受反向电压为,6 V,流过,VD,2,的电流为,例2:,前一页,后一页,U,AB,+,返回,u,i,8V,二极管导通，可看作短路,u,o,=8V,u,i,8V,二极管截止，可看作开路,u,o,=,u,i,已知：,二极管是理想的，试画出,u,o,波形。,u,i,18V,参考点,8V,例3,二极管的用途：,整流、检波、限幅、箝位、开关、元件保护、温度补偿等。,前一页,后一页,D,8V,R,u,o,u,i,+,+,返回,1.4,稳压二极管,前一页,后一页,1.,符号,U,Z,I,Z,I,ZM,U,Z,I,Z,U,I,2.,伏安特性,稳压管正常工作时加反向电压,使用时要加限流电阻,稳压管反向击穿后，电流变化很大，但电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。,返回,-+,3.,主要参数,前一页,后一页,(1),稳定电压,U,Z,稳压管正常工作,(,反向击穿,),时管子两端的电压。,(2),电压温度系数,环境温度每变化,1,C,引起,稳压值变化的,百分数,。,(3),动态电阻,(4),稳定电流,I,Z,、,最大稳定电流,I,ZM,(5),最大允许耗散功率,P,ZM,=,U,Z,I,ZM,愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。,返回,1.5,半导体三极管,1.5.1,基本结构,B,E,C,N,N,P,基极,发射极,集电极,P,N,P,集电极,基极,发射极,B,C,E,NPN,型,PNP型,后一页,前一页,返回,B,E,C,N,N,P,基极,发射极,集电极,后一页,前一页,集电区：面积最大,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,返回,符号：,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,后一页,前一页,返回,1.5.2,电流放大原理,B,E,C,N,N,P,E,B,R,B,E,C,R,C,1.,三极管放大的外部条件,发射结正偏、集电结反偏,PNP,V,B,V,E,V,C,V,E,集电结反偏,V,C,V,B,后一页,前一页,返回,2.,各电极电流关系及电流放大作用,I,B,(mA,),I,C,(mA,),I,E,(mA,),0,0.01,0.02,0.03,0.04,0.05,0.001,0.50,1.00,1.70,2.50,3.30,0.001,0.51,1.02,1.73,2.54,3.35,结论,1,）三电极电流关系,I,E,=,I,B,+,I,C,2,）,I,C,I,E,，,I,C,I,B,3,）,I,C,I,B,把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大变化的特性称为晶体管的电流放大作用。,实质,:,用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的变化，是,CCCS,器件。,后一页,前一页,返回,3.,三极管内部载流子的运动规律,B,E,C,N,N,P,E,B,R,B,E,C,基区空穴向发射区的扩散可忽略。,发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流,I,E,。,I,E,进入,P,区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流,I,BE,，,多数扩散到集电结。,I,BE,从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成,I,CE,。,I,CE,集电结反偏，有少子形成的反向电流,I,CBO,。,I,CBO,后一页,前一页,返回,3.,三极管内部载流子的运动规律,B,E,C,N,N,P,E,B,R,B,E,C,I,E,I,BE,I,CE,I,CBO,I,C,I,B,I,C,=I,CE,+I,CBO,I,CE,后一页,前一页,I,B,=,I,BE,-,I,CBO,I,BE,返回,I,CE,与,I,BE,之比称为共发射极电流放大倍数,集射极穿透电流,温度,I,CEO,常用公式,后一页,前一页,返回,输入回路,输出回路,E,B,I,C,mA,A,V,U,CE,U,BE,R,B,I,B,E,C,V,共发射极电路,后一页,前一页,返回,1.5.3,特性曲线,1.,输入特性曲线,2.,输出特性曲线,1.,输入特性,I,B,(,A),U,BE,(V),20,40,60,80,0.4,0.8,U,CE,1V,特点,:,非线性,死区电压：硅管,0.5,V,，,锗管,0.2,V,。,工作压降：,硅,U,BE,0.6,0.7,V,锗,U,BE,0.2,0.3,V,。,后一页,前一页,返回,2.,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,当,U,CE,大于一定的数值时，,I,C,只与,I,B,有关，即,I,C,=,I,B,。,后一页,前一页,此区域满足,I,C,=,I,B,称为线性区（放大区），具有恒流特性。,返回,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,U,CE,U,BE,集电结正偏，,I,B,I,C,，,称为饱和区。,深度饱和时硅管,U,CES,0.3V,此区域中,I,C,受,U,CE,的影响较大,后一页,前一页,返回,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,死区电压，称为截止区。,后一页,前一页,跳转,为可靠截止，常取发射结零偏压或反偏压。,返回,输出特性三个区域的特点：,1,）,放大区,(,线性区，具有恒流特性,),放大状态,I,C,=,I,B,，,发射结正偏、集电结反偏。,2,）截止区（晶体管处于截止状态）开关断开,I,B,=0,，,I,C,=I,CEO,0,发射结反偏、集电结反偏。,3,）,饱和区,(,管子处于饱和导通状态,),开关闭合,U,CE,0.3V,发射结正偏，,集电结正偏。,后一页,前一页,返回,15.5.4,主要参数,直流电流放大系数：,1.,电流放大系数,和,交流电流放大系数：,一般小功率三极管,大功率三极管,后一页,前一页,返回,例1,：,U,CE,=6 V,时，在,Q,1,点,I,B,=40,A,I,C,=1.5mA,；,在,Q,2,点,I,B,=60 A,I,C,=2.3mA,。,在以后的计算中，一般作近似处理：,=,。,I,B,=0,20,A,40,A,60,A,80,A,100,A,3,6,I,C,(,m,A,),1,2,3,4,U,CE,(V),9,12,0,Q,1,Q,2,在,Q,1,点，有,由,Q,1,和,Q,2,点，得,2.,集,-,基极反向饱和电流,I,CBO,A,I,CBO,是通过集电结，由少数载流子的漂移形成的反向电流，受温度变化的影响。,I,CBO,后一页,前一页,返回,3,.,集,-,射极穿透电流,I,CEO,A,I,CEO,I,B,=0,I,CEO,受温度影响很大，当温度上升时，,I,CEO,增加很快，所以,I,C,也相应增加。,三极管的温度特性较差。,跳转,后一页,前一页,返回,4.,集电极最大允许电流,I,CM,5.,集,-,射极反向击穿电压,U,(BR)CEO,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,。,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,后一页,前一页,返回,6.,集电极最大允许耗散功耗,P,CM,三极管工作时消耗的功率为：,P,C,=I,C,U,CE,P,CM,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。,P,C,P,CM,硅,管允许结温约为,150,C,，,锗,管允许结温约为,70,90,C,。,后一页,前一页,返回,I,C,U,CE,I,C,U,CE,=P,CM,I,CM,U,(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,后一页,前一页,返回,晶体管参数与温度的关系,1,、温度每增加,10,C,，,I,CBO,增大一倍。硅管优,于锗管。,2,、温度每升高,1,C,，,U,BE,将减小,（,22.5,）,mV,，,即晶体管具有负温度系数。,3,、温度每升高,1,C,，,增加,0.5%1.0%,。,后一页,前一页,返回,（,1,）,V,1,=3.5V,，,V,2,=2.9V,，,V,3,=12V,。,例,2,：测得工作在放大电路中几个晶体管三个极电位值,V,1,、,V,2,、,V,3,，判断管子的类型、材料及三个极。,NPN,型硅管,1,、,2,、,3,依次为,B,、,E,、,C,（,2,）,V,1,=6V,，,V,2,=11.4V,，,V,3,=12V,。,PNP,型硅管,1,、,2,、,3,依次为,C,、,B,、,E,作业：,P,21,1-2,1-5,1-9,下周交作业，作业本右上角写上学号（,1.2.3,）,