第14章半导体二极管和三极管14351课件.ppt

电工学是研究电能在技术领域中应用的技术基础课程。分电工技术和电子技术两部分。电子技术主要是研究各种半导体器件的结构、性能、电路及应用技术；阐述电子技术的基本概念基本原理和基本分析方法。,前言,本书包括模拟电子技术和数字电子技术两部分。前者主要讨论的是线性电路；后者着重讨论脉冲数字电路。,电工学是研究电能在技术领域中应用的技术基础课程。分,第14章 半导体二极管和三极管,14.1 半导体的导电特性,14.2 PN 结,14.3 半导体二极管,14.4 稳压管,14.5 晶体管,14.6 光电器件,第14章 半导体二极管和三极管14.1 半导体的导电特性14,14.1 半导体的导电特性,导体、半导体和绝缘体,自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。,有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,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。,14.1 半导体的导电特性 导体、半导体和绝缘体,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。比如：,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。,如光敏电阻,热敏电阻,可增加几十万至几百万倍。例如在纯硅中参入百万分之一的硼后，硅的电阻率就从大约 2x103m 减小到 4x10-3m左右.利用这种特性就做成了各种不同用途的半导体器件，如二极管三极管、场效应管及晶闸管,半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于,14.1.1 本征半导体,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。,1、本征半导体定义完全纯净的、具有晶体结构的半导体。,14.1.1 本征半导体现代电子学中，用的最多的半导体是硅和,通过一定的提纯工艺过程，可以将半导体制成晶体。,2、结构：共价键,在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。,通过一定的提纯工艺过程，可以将半导体制成晶体。2、结构：共价,硅和锗的晶体结构,硅和锗的晶体结构,硅和锗的共价键结构,共价键共用电子对,+4表示除去价电子后的原子,硅和锗的共价键结构共价键共+4+4+4+4+4表示除去价电子,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。,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,自由电子：当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自由电子。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。,空穴：自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。空穴运动相当于正电荷的运动,这一现象称为本征激发，也称热激发。,3、自由电子和空穴,自由电子：当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自由电子。当,自由电子,空穴,束缚电子,可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合，如图所示。,激发,复合,本征激发和复合的过程（动画1-1）,+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子 可见因热,第14章半导体二极管和三极管14351课件,当半导体两端加上外电压时,半导体中将出现两部分电流:一是自由电子作定向运动所形成的电子电流,一是应被原子核束缚的价电子(注意,不是自由电子）递补空穴所形成的空穴电流。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，也是半导体和金属在导电原理上的本质差别。,4、载流子：自由电子和空穴。,当半导体两端加上外电压时,半导体中将出现两部分电流:,本征半导体中的自由电子和空穴总是成对出现的，同时又不断地复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，于是半导体中的载流子（自由电子和空穴）边维持一定数目。温度越高，载流子数目越多，导电性能也就越好。所以，温度对半导体器件性能的影响很大。,本征半导体中的自由电子和空穴总是成对出现的，同时又不,小结：,两种载流子:自由电子和空穴。温度对半导体器件性能的影响很大。本征半导体的导电能力很弱。,小结：两种载流子:自由电子和空穴。,14.1.2 N型半导体和P型半导体,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。,使自由电子浓度大大增加的杂质半导体称为N型半导体（电子半导体），使空穴浓度大大增加的杂质半导体称为P型半导体（空穴半导体）。,14.1.2 N型半导体和P型半导体在本征半导体中掺入某些微,1、N型半导体,晶体点阵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，其中四个与相临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。磷原子就成了不能移动的带正电的离子。,方法：在硅或锗晶体中掺入少量的 五价元素磷（或锑）,1、N型半导体晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的,N型半导体,多余电子,磷原子,+4+4+5+4N型半导体多余电子磷原子,N型半导体,N型半导体中的载流子是什么？,1、由杂质原子提供的电子，浓度与杂质原子相同。,2、本征半导体中成对产生的电子和空穴对。,3、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）。导电性能强。,N型半导体N型半导体中的载流子是什么？1、由杂质原子提供的电,2、P型半导体,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，与相临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。硼原子成为不能移动的带负电的离子。,方法：在硅或锗晶体中掺入少量的三价 元素，如硼（或铟）。,多子：空穴，少子：电子。导电性能强。,2、P型半导体晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的,空穴,P型半导体,硼原子,+4+4+3+4空穴P型半导体硼原子,杂质半导体的示意表示法,杂质半导体的示意表示法,14.2 PN结及其单向导电性,1.PN 结的形成,14.2 PN结及其单向导电性1.PN 结的形成,P型半导体,N型半导体,内电场E,空间电荷区,PN结处载流子的运动,P型半导体N,P型半导体N,2 PN结的单向导电性,1)、加正向电压，简称正偏（P区“+”，N区“-”）结论：PN结导通，呈低阻性，所以电流大。,PN结具有的单向导电性。,2 PN结的单向导电性 1)、加正向电压，简称正偏（P区“,PN结加正向电压时的导电情况,外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是,内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，形成较大的扩散电流，PN结呈现低阻性。,PN结加正向电压时的导电情况如图所示。,PN结加正向电压时的导电情况 外加的正向电压有一部,2)、加反向电压，简称反偏（P区“-”，N区“+”）结论：PN结截止，呈高阻性，所以电流小。,2)、加反向电压，简称反偏（P区“-”，N区“+”）,PN结加反向电压时的导电情况,外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，形成较小的漂移电流，PN结呈现高阻性。,在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。,PN结加反向电压时的导电情况如图所示。,PN结加反向电压时的导电情况 外加的反向电,1、结构：PN结+引线+外壳,14.3 半导体二极管,15.3.1 基本结构,1、结构：PN结+引线+外壳14.3 半导体二极管,基本结构,二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。它们的结构示意图如图01.11所示。,(1)点接触型二极管,PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。,基本结构二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。它,(3)平面型二极管,往往用于集成电路制造工艺中。PN 结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,(2)面接触型二极管,PN结面积大，用于工频大电流整流电路。,(b)面接触型,图 01.11 二极管的结构示意图(c)平面型(3)平,2、符号,3、型号 见附录A，2AP、2CZ11D,阳极+,阴极-,2、符号 3、型号 见附录A，2AP、2CZ11D,14.3.2 伏安特性,死区电压 硅管0.5V,锗管0.1V。,导通压降:硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。,反向击穿电压U(BR),死区电压,正向,反向,14.3.2 伏安特性UI死区电压 硅管0.5V,锗管0.,15.3.2 伏安特性,当外加电压大于死区电压内电场被大大减削弱,电流增加很快。,15.3.2 伏安特性UI死区电压 硅管0.5V,锗管0.,14.3.2 伏安特性,由于少子的漂移运动形成很小的反向流,且U U(BR)在内,其大小基恒定,称反响饱和电流,其随温度变化很大。,14.3.2 伏安特性UI死区电压 硅管0.5V,锗管0.1,14.3.2 伏安特性,当U U(BR)时,其反向电流突然增大,反向击穿。,14.3.2 伏安特性UI死区电压 硅管0.5V,锗管0.1,注意：死区电压 硅管0.5V,锗管0.1V，计算导通压降:硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。,齐纳（、掺杂多）4V以下电击穿：雪崩（宽、掺杂少）7V以上,击 穿,热击穿：二极管的单向导电性被破坏，过热而烧坏。,可 逆,不 可 逆,注意：死区电压 硅管0.5V,锗管0.1V，计算导通压降:,14.3.3 主要参数,1、最大整流电流 IOM,二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,2、反向击穿电压URWM,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URWM一般是UBR的一半。,14.3.3 主要参数 1、最大整流电流 I,3、反向电流 IRM,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，锗管的反向电流要大几十到几百倍。,以上均是二极管的直流参数，二极管的应用主要利用它的单向导电性，包括整流、限幅、保护等。,3、反向电流 IRM指二极管加反向峰值工作电,例：二极管的应用：,uo,+,+,-,应用(整流、检波),例：二极管的应用：RRLuiuRuotttuiuRuo+-,1.4 稳压二极管,一、作用 与电阻配合使用起稳压作用。二、符号,1.4 稳压二极管一、作用,稳压管是特殊的面接触型半导体硅二极管,其反向击穿是可逆的,且反向电压较稳定.,稳压管,三、伏安特性曲线与工作区,U,UZ,IZ,IZmax,UZ,IZ,稳压误差,曲线越陡，电压越稳定。,稳压管是特殊的面接触型半导体硅二极管,其反向击,1、正向（与普通二极管一样）2、反向 1）工作区 IZMinIIZMax 2）电击穿 3）曲线陡，IZ变化大而UZ变化小,1、正向（与普通二极管一样）,二稳压过程：,RL,UO,IZ,UR,UO,二稳压过程：RLIZ+uCCUOuRRLU,稳压二极管的参数,（1）稳定电压 UZ(范围、温度、分散性),（3）动态电阻,（4）稳定电流IZ,（5）最大允许功耗,稳压二极管的参数（1）稳定电压 UZ(范围、温度、分散性)（,14.5 半导体三极管（晶体管）,14.5.1 基本结构,基极,发射极,集电极,NPN型,PNP型,1、类型 NPN、PNP,14.5 半导体三极管（晶体管）14.5.1 基本结构BE,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,1）三个区,特点：,E区：掺杂浓度最高,B区：掺杂浓度最低，较薄,C区：掺杂浓度较大，C结面积较大,BECNNP基极发射极集电极基区：较薄，掺杂浓度低集电区：面,发射结,集电结,2)三个极(E、B、C),3）两个结,E结C结 面大,BECNNP基极发射极集电极发射结集电结2)三个极(E、B、,4）符号,4）符号,IC,1、实验分析,14.5.2 电流分配和放大原理,ICmAAVVUCEUBERBIBECEB 1、实验分析1,IC,IB,IE,实验数据,(1)IE=IB+IC,四个结论：,ICIBIE实验数据(1)IE=IB+IC四个结论：,(2)IC(或IE)IB,这就是晶体管的电流放大作用,IC,IB,IE,(2)IC(或IE)IB 这就是晶体管的ICIBI,(3)当IB=0时,IC=ICEO0.001mA=1uA,(4)要是晶体管起放大作用,其外部必要条件:发射结正偏，集电结反偏.,IC,IB,IE,(3)当IB=0时,IC=ICEO0.001mA=1u,(1)IE=IB+IC,(2)IC(或IE)IB,四个结论：,(3)当IB=0时,IC=ICEO0.001mA=1uA,(4)要是晶体管起放大作用,其外部必要条件:发射结正偏,集电结反偏.,(1)IE=IB+IC(2)IC(或IE)I,EB,RB,Ec,发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。,进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE，多数扩散到集电结。,2、微观（内部载流子运动规律）,BECNNPEBRBEc发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散,EB,RB,Ec,集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。,ICBO,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ICE。,IC=ICE+ICBOICE,IBE,BECNNPEBRBEc集电结反偏，有少子形成的反向电流IC,IB=IBE-ICBOIBE,IB,（动画3）,EB,RB,Ec,ICBO,IC=ICE+ICBOICE,IBE,IB=IBE-ICBOIBEIB（动画3）BECNNPEB,第14章半导体二极管和三极管14351课件,ICE与IBE之比称为电流放大倍数,要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。,ICE与IBE之比称为电流放大倍数要使三极管能放大电流，必须,IC,测量电路,14.5.3 特性曲线,ICmAAVVUCEUBERBIBECEB 测量电路14.,1、输入特性,死区电压，硅管0.5V，锗管0.1V。,工作压降：硅管UBE0.60.7V,锗管UBE0.20.3V。,1、输入特性IB(A)UBE(V)204060800.40,2、输出特性,IC(mA),此区域满足IC=IB称为线性区（放大区）。,当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB。,2、输出特性IC(mA)1234UCE(V)36912I,1）、放大区,a)“恒流”特性（UCE1V）,IC(mA),b）电流放大作用IC=IB（ICIB）,特点：,c)发射结正偏，集电结反偏。,1）、放大区a)“恒流”特性IC(mA)1234UCE(,IC(mA),判别：,0IB UCC/RC,IC(mA)1234UCE(V)36912判别：,此区域中UCEUBE,集电结正偏，IBIC，UCE0.3V称为饱和区。,2)饱和区,IB UCC/RC,a)IBIC,特点：,b)E结正偏，C结正偏。,判别：,UCE0V。,IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020,此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBE 死区电压，称为截止区。,3)截止区,a)IB=0，IC=0,特点：,d)E结反偏，C结反偏。,b)UBE 死区 电压,c)UCE=UCC,IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020,此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBE 死区电压，称为截止区。,判别：,UBE 0、UCE UCC或IB=0,IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020,例14.5.1P22,例14.5.1,14.5.4 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：,14.5.4 主要参数前面的电路中，三极管的发射极是输入输,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IB，相应的集电极电流变化为IC，则交流电流放大倍数为：,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,例：UCE=6V时：IB=40A,IC=1.5mA；IB=60 A,IC=2.3mA。,在以后的计算中，一般作近似处理：=,例：UCE=6V时：IB=40A,IC=1.5mA；,2.集-基极反向截止电流ICBO,ICBO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。,2.集-基极反向截止电流ICBOAICBOICBO是集电结,3.集-射极反向截止电流ICEO,3.集-射极反向截止电流ICEOAICEO,Ec,集电结反偏有ICBO,根据放大关系，由于ICBO的存在，必有电流 ICBO。,ICBO,B,E,C,N,N,P,ICBO,ICEO,Ec集电结反偏有ICBO根据放大关系，由于ICBO的存在，必,第14章半导体二极管和三极管14351课件,4.集电极最大电流ICM,集电极电流IC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ICM。,所以集电极电流应为：IC=IB+ICEO,而ICEO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。,4.集电极最大电流ICM集电极电流IC上升会导致三极管的值,5.集-射极反向击穿电压U(BR)CEO,当集-射极之间的电压UCE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25C、基极开路时的击穿电压U(BR)CEO。,5.集-射极反向击穿电压U(BR)CEO当集-射极之间的,6.集电极最大允许功耗PCM,集电极电流IC流过三极管，所发出的焦耳热为：,PC=ICUCE,必定导致结温上升，所以PC有限制。,PCPCM,6.集电极最大允许功耗PCM集电极电流IC流过三极管，所发出,ICUCE=PCM,ICM,U(BR)CEO,安全工作区,ICUCEICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作区,14.6 光电器件,1、符号,2、型号 2EF,14.6.1 发光二极管,阳极+,阴极-,14.6 光电器件1、符号 2、型号 2EF14.,1、符号,2、型号 2AU、2CU,14.6.2 光电二极管,阳极+,阴极-,3、伏安特性,1、符号 2、型号 2AU、2CU14.6.2 光,1、符号,2、型号 3AU、3DU,14.6.2 光电晶体管,3、伏安特性,C,E,1、符号 2、型号 3AU、3DU14.6.2 光,