半导体二极管和三极管机自06级083月7日更新.ppt

.,1,电子技术部分的特点：,1、任务重，学时少,（Electronic Technology）,2、第一批校级立项双语(Bilingual)教学课程,3、作业多、进度快,4、内容多、难度大，不易理解,5、专业基础课，重要性不言而喻,最后希望学生高度重视、认真预习和复习、独立完成作业、有疑难问题及时沟通答疑,.,2,绍兴文理学院机电系 电工学学科组编,第14章 半导体二极管和三极管,Chapter 14 Semiconductor Diode and Transistor,.,3,14.1 半导体的导电性(Conduction Characteristics)14.2 PN结及其单向导电性(PN Junction)14.3 二极管(Semiconductor Diode)14.4 稳压管二极管(Zener Diode)14.5 晶体管(Transistor)14.6 光电器件(other Diode),目 录(Catalog),.,4,本章重点内容,l PN结及其单向导电特性,l 半导体二极管的伏安特性曲线,l 二极管在实际中的应用,l 三极管的输入输出特性曲线,.,5,14.1 半导体的导电特性,半导体(Semiconductor)：导电能力介乎于导体(conductor)和绝缘体(insulator)之间的物质。,半导体特性(Semiconductor characteristics)：热敏特性、光敏特性、掺杂特性,举例说明掺杂特性：在纯硅中掺入百万分之一的硼后，硅的电阻率从大约2103 m减少到410-3 m,.,6,本征半导体(Intrinsic Semiconductors)就是完全纯净的、具有晶体结构的半导体。,现代电子中应用最多的本征半导体为锗和硅，它们最外层电子各有四个价电子，都是四价元素.,.,7,纯净的半导体其所有的原子基本上整齐排列，形成晶体结构，所以半导体也称为晶体 晶体管名称的由来,下图是本征半导体晶体结构中的共价键结构,本征半导体,(covalent bonds),(Electrons),.,8,(a)five noninteracting silicon atoms,each with four valence electrons,(b)the tetrahedral configuration(四面体结构）,(a),(b),(c),(c)a two-dimensional representation showing the covalent bonding,Figure 1.1 Silicon atoms in a crystal matrix:,.,9,在热力学温度零度和没有外界激发时,本征半导体不导电。,本征半导体的共价键结构,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,.,10,自由电子与空穴（Free Electrons and Holes),共价键中的电子在获得一定能量（比如温度增加或光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子,同时在共价键中留下一个空穴。,空穴(Hole),Si,Si,Si,Si,自由电子(Free electrons),.,11,热激发与复合（Recombination）现象,由于受热或光照产生自由电子和空穴的现象-热激发,自由电子在运动中遇到空穴后，两者同时消失，称为复合现象,温度一定时，本征半导体中的自由电子空穴对的数目基本不变。温度愈高，自由电子空穴对数目越多。,Si,Si,Si,Si,自由电子,空穴,.,12,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,自由电子,空穴,在常温下自由电子和空穴的形成,成对出现,成对消失,.,13,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,外电场方向,空穴导电的实质是共价键中的束缚电子依次填补空穴形成电流。故半导体中有电子和空穴两种载流子。,在外电场作用下，电子和空穴均能参与导电。,价电子填补空穴,.,14,半导体导电方式:,载流子(Carrier),自由电子和空穴,当半导体两端加上外电压时，自由电子作定向运动形成电子电流；而空穴的运动相当于正电荷的运动,.,15,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,温度愈高，载流子数目愈多，导电性能也就愈好,1、半导体和金属在导电原理上的本质差别,2、温度对半导体器件性能的影响。,.,16,14.1.2 杂质半导体(Extrinsic Semiconductors),1、N型半导体(N-type Semiconductors),在硅或锗的晶体中掺入微量的磷（或其它五价元素）电子型半导体或N型半导体.,自由电子是多数载流子(Majority Carriers)空穴是少数载流子(Minority Carriers),Si,Si,P+,Si,或称为N型半导体和P型半导体,多余电子,.,17,N型半导体,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,多余价电子,.,18,N型半导体结构示意图,.,19,2、P型半导体(P-type Semiconductors),在硅或锗晶体中掺入硼（或其它三价元素）。,空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。,空穴型半导体或P型半导体。,.,20,P型半导体,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,空穴,+4,.,21,P 型半导体结构示意图,.,22,不论N型半导体还是P型半导体，虽然它们都有一种载流子占多数，但是整个晶体仍然是不带电的。,返回,注意事项,.,23,P 区,N 区,1、PN 结的形成：用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上,形成P型半导体区域和N型半导体区域,在这两个区域的交界处就形成了一个PN 结。,14.2 PN结及其单向导电性(PN junction),.,24,2、漂移（Drift）：Drift,which is the movement caused by electric fields;少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为漂移运动。,返回,术语Terminology,1、扩散（Diffusion）：Diffusion,which is the flow caused by the variations in the concentration,that is,concentration gradients（梯度、倾斜度）.多数载流子在浓度差的作用的运动称为扩散运动。,.,25,内电场方向,空间电荷区,P 区,N 区,在一定的条件下，多子扩散与少子漂移达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本上稳定下来。,.,26,内电场方向,R,14.2.PN 结的单向导电性,P 区,N 区,外电场驱使P区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷,N区电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷,1.外加正向电压,.,27,内电场方向,R,P 区,N 区,扩散运动增强，形成较大的正向电流,1.外加正向电压,.,28,P 区,N 区,内电场方向,R,2.外加反向电压,外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走,少数载流子越过PN结形成很小的反向电流,多数载流子的扩散运动难于进行,.,29,扩散运动和漂移运动的动态平衡,扩散强,漂移运动增强,内电场增强,两者平衡,PN结宽度基本稳定,外加电压,平衡破坏,扩散强,漂移强,PN结导通,PN结截止,.,30,1、PN结加正向电压：PN结所处的状态称为正向导通，其特点：PN结正向电流大，PN结电阻小。,相当于开关闭合,PN结的单向导电性：,2、PN结加反向电压：PN结所处的状态称为反向截止，其特点：PN结反向电流小，PN结电阻大。,相当于开关打开,.,31,点接触型二极管,1、二极管的结构和符号,14.3 半导体二极管Semiconductor Diode,.,32,I/mA,硅管的伏安特性,2、二极管的伏安特性 i-v characteristics,+U,I,U=f（I）,在反向电压不超过某一范围时，反向电流的大小基本恒定，与反向电压的高低无关，通常称为反向饱和电流,.,33,正向特性：二极管加正向电压,反向特性：二极管加反向电压,对于理想二极管,.,34,3、二极管的主要参数,最大整流电流IOM（点接触型几十mA，2CZ52A二极管100mA）,2.反向工作峰值电压URWM,3.反向峰值电流IRM（硅管反向电流小几微安，锗管反向电流大）,例1：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：DA优先导通，则,VY=30.3=2.7V,DA导通后,DB因反偏而截止,起隔离作用,DA起钳位作用,将Y端的电位钳制在+2.7V。,+0.3V,.,35,D,E3V,R,ui,uo,uR,uD,例2：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/V,uo/V,6,0,0,2,uR？,.,36,t,6,0,2,例3：双向限幅电路,t,0,D1,E3V,R,D2,E3V,ui,uo,uR,uD,ui/V,uo/V,.,37,例 14.3.1 由下图（a）中的R和C构成一微分电路。当输入电压uI如图（b）所示时，试画出输出电压uO的波形。设Uc（0）=0,（a）,（b）,.,38,Figure 1.3 The diode rectifier:(a)circuit,(b)sinusoidal input signal,(c)equivalent circuit for vI 0,(d)equivalent circuit for vI 0,and(e)rectified output signal,.,39,Figure 1.4 Single-diode clipper:(a)circuit and(b)output response,.,40,14.4 稳压管 Zener Diode,IF,UF,0,DZ,正极,负极,符号,i-v characteristics,稳压管是一种特殊的面接触型半导体二极管。,工作在反向击穿区,.,41,稳压管的主要参数,2.最小稳定电流 Imin,3.最大稳定电流 IZmax,4.动态电阻 rZ,5.电压温度系数 U,6.最大允许耗散功率PM,工作在反向击穿区：电流变化大，电压几乎不变,Note:The incremental resistance（增量电阻）is small.Typically,is in the range of a few ohms or tens of ohms.,.,42,.,43,例题：已知ui=10 sin t V,UZ=5.5V（稳压值），正向压降为0.7V，试画出 uo波形。,DZ,UZ,R,ui,uo,uR,t,t,ui/V,uo/V,10,0,0,2,解：,.,44,14.5 半导体三极管Semiconductor Transistor,The bipolar junction transistor(BJT)has three separately doped regions and contains two pn junctions.The bipolar transistor is composed of two pn junctions.With three separately doped regions,the bipolar transistor is a three-terminal device.The basic transistor principle is that the voltage between two terminals controls the current though the third terminal.We use the pn junction concepts presented in the former chapter.,.,45,However,the two pn junctions are sufficiently close together to be called interacting pn junctions.The operation of the transistor is therefore totally different from that of the back-to-back diodes.Current in the transistor is due to the flow of both electrons and holes,hence the name bipolar.In addition,we present the circuit symbols and conventions used in bipolar circuits,the bipolar transistor current-voltage characteristics,and finally,some nonideal current-voltage characteristics.,.,46,N型硅,N+,P型硅,1、半导体三极管的结构,（a）平面型,.,47,1.NPN 型三极管,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,N,N,集电极C,基极B,发射极E,三极管的结构分类和符号,P,.,48,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,C,B,E,N,集电极C,发射极E,基极B,N,P,P,N,2.PNP型三极管,.,49,(a),(b),Figure 1.5 Simple Geometry of bipolar transistor:(a)npn and(b)pnp,.,50,Figure 1.6 Cross Section of a conventional integrated circuit npn bipolar transistor,.,51,EC,RC,IC,UCE,C,E,B,UBE,共发射极接法放大电路,14.5.2 三极管的电流控制作用,三极管具有电流控制作用的外部条件:,（1）发射结正向偏置（加正向电压）；,（2）集电结反向偏置（加反向电压）。,EB,RB,IB,.,52,IC,N,P,N,三极管的电流控制原理,VCC,RC,VBB,RB,C,B,E,.,53,由于基区很薄,掺杂浓度又很小,电子在基区扩散的数量远远大于复合的数量。所以：,IC IB,同样有:IC IB,所以说三极管具有电流控制作用,也称之为电流放大作用。,电流关系：IE=IB+IC,IC=IB,直流电流放大系数,The operation of the transistor depends on the two pn junctions being in close proximity,so the width of the base must be very narrow,normally in the range of tenths of a micrometer(10-6m).,.,54,Figure 1.8 An npn bipolar transistor biased in the forward-active mode,.,55,Figure 1.9 Electron and holes currents in an npn transistor biased in the forward-active mode,Note:For example,the impurity doping concentrations in the emitter,base and collector may be on the order of 1019,1017,and 1014 cm-3,respectively.,.,56,EC,RC,IC,UCE,C,E,B,UBE,共发射极接法放大电路,14.5.2 三极管的电流控制作用,三极管具有电流控 制作用的外部条件:,（1）发射结正向偏置；,（2）集电结反向偏置。,对于NPN型三极管应满足:,公共端,EB,RB,IB,IE,UBE 0,UBC 0,即 VC VB VE,.,57,EC,RC,IC,UCE,C,E,B,UBE,共发射极接法放大电路,14.5.2 三极管的电流控制作用,三极管具有电流控制作用的外部条件:,（1）发射结正向偏置；,（2）集电结反向偏置。,对于PNP型三极管应满足:,公共端,EB,RB,IB,IE,即 VC VB VE,UBC 0,UBE 0,.,58,UCE 1V,1.三极管的输入特性,14.5.3 三极管的特性曲线,EC,RC,IC,UCE,C,E,B,UBE,公共端,EB,RB,IB,IE,.,59,IB=40A,IB=60A,IB=20A,2.三极管的输出特性,.,60,Figure 1.9 Transistor current-voltage characteristics of the common-emitter circuit,.,61,IC/mA,UCE/V,0,三极管输出特性上的三个工作区,IB=0 A,20A,40 A,60 A,80 A,IC小,.,62,Figure 1.10(a)base-emitter junction characteristics and the input load line and(b)common-emitter transistor characteristics and the collector-emitter load line,.,63,共发射极接法放大电路,（1）发射结正向偏置；,（2）集电结反向偏置。,对于NPN型三极管应满足:VC VB VE且IC=IB,对于PNP型三极管应满足:VC VB VE且IC=IB,（一）放大状态,条件,特征,3、三极管在三个区的工作状态,.,64,（二）饱和状态,集电结、发射结均反向偏置，即UBE 0,（1）IB增加时，IC基本不变，且IC UC/RC,（2）UCE 0,晶体管C、E之间相当于短路,（三）截止状态,即UCE UBE,（1）IB=0、IC 0,（2）UCE EC,晶体管C、E之间相当于开路,共发射极接法放大电路,条件,特征,（1）发射结正向偏置；,（2）集电结正向偏置。,条件,特征,.,65,14.5.4 三极管的主要参数,1.电流放大系数,(1)静态电流放大系数,(2)动态电流放大系数,2.集-基极反向截止电流 ICBO,4.集电极最大允许电流 ICM,5.集-射反向击穿电压 U(BR)CEO,6.集电极最大允许耗散功率 PCM,3.集-射极反向截止电流 或穿透电流 ICEO,.,66,0,IB=0 A,20A,40 A,60 A,80 A,由三极管的极限参数确定安全工作区,IC/mA,UCE/V,ICEO,举例：14.5.2,.,67,60A,0,20A,1.5,2.3,在输出特性上求,设UCE=6V,IB由40A增加为60A。,IC/mA,UCE/V,IB=40A,6,.,68,重点：,1、三极管的三种工作状态,2、电流关系：IE=IB+IC IC=IB,作业：14.3.5、14.4.1、14.5.1、14.5.4,注意：抄写题目、画图要认真、作业独立完成,.,69,第14章复习题,一、单项选择题,在放大电路中，若测得某管的三个极电位分别为2.5V、3.2V、9V，这三极管的类型是-。,（1）PNP型锗管,（2）PNP型硅管,（3）NPN型锗管,（4）NPN型硅管,答案（2）,答案（2）,答案（3）,.,70,4.在放大电路中，若测得某管的三个极电位分别为1V、1.2V、6V，则分别代表管子的三个极是-。,（1）e、c、b,（3）b、c、e,（4）c、b、e,（2）e、b、c,答案（2）,答案（1）,答案（3）,.,71,7.一个NPN管在电路中正常工作，现测得UBE0，则此管工作区为-,（1）饱和区,（2）截止区,（3）放大区,答案（2）,答案（3）,答案（4）,.,72,1、在图所示电路中，E=5V、ui=10sintV，D为理想二极管，试画出输出uO的波形。,D,E,R,ui,uo,t,t,ui/V,uo/V,10,0,0,2,二、计算下列各题,.,73,2、两个稳压管的稳压值分别为5.5V和8.5V，正向压降均为0.5V、若得到6V电压，试画出稳压电路。,3、两个稳压管的稳压值分别为5.5V和8.5V，正向压降均为0.6V、若得到14V电压，试画出稳压电路。,.,74,本章结束,