《极管和三极管》PPT课件.ppt

《《极管和三极管》PPT课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《极管和三极管》PPT课件.ppt（47页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、第9章 半导体二极管和三极管,返回,第9章 半导体二极管和三极管,9.2 半导体二极管,9.3 稳压管,9.4 半导体三极管,9.1 半导体的导电特性,第9章 半导体二极管和三极管,本章要求：一、理解PN结的单向导电性，三极管的电流分配和 电流放大作用；二、了解二极管、稳压管和三极管的基本构造、工 作原理和特性曲线，理解主要参数的意义；三、会分析含有二极管的电路。,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。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。器件是非线性的、特性有分散性、

2、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。,9.1 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。,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。,(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）。,导电原理,导体导电原因金属：有可自由移动的自由电子电解液：有可自由移动的离

3、子绝缘体不导电的原因没有可自由移动的带电粒子半导体？,本征半导体,完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。,晶体中原子的排列方式,硅单晶中的共价健结构,共价健,八电子稳定结构,价电子,价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，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。,空穴,温度愈高，晶体中产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）。,本征半导体的导电机理,当半导体两端加上外电

4、压时，在半导体中将出现两部分电流：1）自由电子作定向运动 电子电流 2）价电子递补空穴 空穴电流,注意：1.本征半导体中载流子数目极少，其导电性能很差；2.温度愈高，载流子的数目愈多，半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。,自由电子和空穴都称为载流子。自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。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。,9.1.2 N型半导体和 P 型半导体,掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。,掺入五价元素,多余电子,磷原子,在常温下即可变为自由电子,失

5、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）,形成杂质半导体。,在N 型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。,9.1.2 N型半导体和 P 型半导体,掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或 P型半导体。,掺入三价元素,在 P 型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。,硼原子,接受一个电子变为负离子,空穴,无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。,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

6、、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,PN结及其单向导电性,P 型半导体,N 型半导体,形成空间电荷区,PN结,9.1.3 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,IF,多子在外电场的作用之下通过PN结进入对方，形成较大的正向电流。,PN 结加正向电压时，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。,2.PN 结加反向电压（反向偏置）,少子在电场的作用之下，通过PN结进入对方，但少子数量很少，形成的反向电流很小。,IR,P接负、N接正,P,

7、N,+,+,+,温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。,PN 结加反向电压时，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。,9.2 半导体二极管,9.2.1 基本结构,(a)点接触型,(b)面接触型,结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路。,结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。,(c)平面型 用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,9.3 半导体二极管,二极管的结构示意图,符号：,D,9.2.2 伏安特性,硅管0.5V,锗管0.1V。,反向击穿电压U(BR),导通压降,外加电压大于死区电压二极管才能导通。,外加

8、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,反向特性,特点：非线性,硅0.60.7V,锗0.20.3V。,死区电压,反向电流在一定电压范围内保持常数。,9.2.3 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.反向工作峰值电压 URWM,是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压U(BR)的一半或三分之二。二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至会因过热烧坏。,3.反向峰值电流 IRM,指二极管加反向工作峰值电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，IRM受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反

9、向电流较小，锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。,二极管的单向导电性,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。,3.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。,4.二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。,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,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UD的正负。,若 V阳 V阴或 UD为正(正向偏置)，

10、二极管导通若 V阳 V阴或 UD为负(反向偏置)，二极管截止,若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零，反向截止时二极管相当于断开。,电路如图，求：UAB,V阳=6 V V阴=12 V V阳V阴 二极管导通若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=6V否则，UAB低于6V一个管压降，为6.3或6.7V,例1：,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。,两个二极管的阴极接在一起取 B 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,V1阳=6 V，V2阳=0 V，V1阴=V2阴=12 VUD1=6V，UD2=12V UD2 UD1 D2 优先导通，D1截止。若忽略管压降

11、，二极管可看作短路，UAB=0 V,例2:,D1承受反向电压为6 V,流过 D2 的电流为,求：UAB,ui 8V，二极管导通，可看作短路 uo=8V ui 8V，二极管截止，可看作开路 uo=ui,已知：二极管是理想的，试画出 uo 波形。,8V,例3：,参考点,二极管阳极电位为,阴极电位为,ui,8V,9.3 稳压二极管,1.符号,UZ,IZ,IZM,UZ,IZ,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，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。,3.主要参数,(1)稳定电压UZ 稳压管正常工作(反向击穿)时管子两

12、端的电压。,(2)电压温度系数 环境温度每变化1C引起稳压值变化的百分数。,(3)动态电阻,(4)稳定电流 IZ、最大稳定电流 IZM,(5)最大允许耗散功率 PZM=UZ IZM,rZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。,光电二极管,反向电流随光照强度的增加而上升。,符号,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，正向电压较一般二极管高，电流为几 几十mA,光电二极管,发光二极管,9.4 半导体三极管,9.4.1 基本结构,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,结构特点：,集电区：面积最大,晶

13、体管的结构示意图和表示符号,(a)NPN型晶体管；,(b)PNP型晶体管,9.4 半导体三极管,9.4.2 电流分配和放大原理,1.三极管放大的外部条件,发射结正偏、集电结反偏,PNP发射结正偏 VBVE集电结反偏 VCVB,从电位的角度看：NPN 发射结正偏 VBVE集电结反偏 VCVB,发射极是输入回路、输出回路的公共端,共发射极电路,输入回路,输出回路,测量晶体管特性的实验线路,C,B,E,2.各电极电流关系及电流放大作用,结论:,1）三电极电流关系 IE=IB+IC2）IC IB，IC IE,静态(直流)电流放大系数:,动态(交流)电流放大系数:,把基极电流的微小变化能够引起集电极电流

14、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。,3)当IB=0(基极开路)时,IB=ICEO,很小接近于。,4)要使晶体管起电流放大作用，发射极必须正向偏置，集电极必须反偏。,3.电流方向和发射结与集电结的极性,NPN型三极管,PNP型三极管,+,-,+,-,+,-,+,-,发射结正偏 IB流入B集电结反偏 IC流入C,发射结正偏 IB流出B集电结反偏 IC流出C,特性曲线,即管子各电极电压与电流的关系曲线，是管子内部载流子运动的外部表现，反映了晶体管的性能，是分析放大电路的依据。,为什么要研究特性曲线：1）直观地分析管子的工作状态

15、 2）合理地选择偏置电路的参数，设计性能良好的电路,重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线,1.输入特性,特点:非线性,死区电压：硅管0.5V，锗管0.1V。,正常工作时发射结电压：NPN型硅管 UBE 0.60.7VPNP型锗管 UBE 0.2 0.3V,2.输出特性,IB=0,20A,放大区,输出特性曲线分三个工作区：,(1)放大区,在放大区有 IC=IB，也称为线性区，具有恒流特性。,在放大区:发射结:正向偏置;集电结:反向偏置.晶体管工作于放大状态。,+,-,+,-,+,-,（2）截止区,IB=0 以下区域，有 IC 0。,在截止区:发射结:反向偏置 集电结:反向偏置.晶体管工作于

16、截止状态。,饱和区,截止区,（3）饱和区,当UCE UBE时，晶体管工作于饱和状态：IB IC。发射结:正向偏置，集电结:正向偏置。深度饱和时，硅管UCES 0.3V，锗管UCES 0.1V。,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+U1-,RB,EC=UCC,RC,例：Ucc=6V，Rc=3 k Ohm，RB=10k Ohm，=25。当输入电压U1分别为3V，1V和-1时，试问晶体管处于何种工作状态？,晶体管饱和时集电极电流近似为,晶体管临界饱和时基极电流为,解：,（1）U1=3V,晶体管处于饱和状态,+U1-,RB,EC=UCC,RC,例：Ucc=6V，Rc=3 k Ohm，RB

17、=10k Ohm，=25。当输入电压U1分别为3V，1V和-1时，试问晶体管处于何种工作状态？,晶体管饱和时集电极电流近似为,晶体管临界饱和时基极电流为,（2）U1=1V,晶体管处于放大状态,+U1-,RB,EC=UCC,RC,例：Ucc=6V，Rc=3 k Ohm，RB=10k Ohm，=25。当输入电压U1分别为3V，1V和-1时，试问晶体管处于何种工作状态？,晶体管饱和时集电极电流近似为,晶体管临界饱和时基极电流为,（3）U1=-1V,晶体管发射结反偏，集电结反偏。晶体管处于可靠截止状态。,主要参数,1.电流放大系数，,直流电流放大系数,交流电流放大系数,当晶体管接成发射极电路时，,表示

18、晶体管特性的数据称为晶体管的参数，晶体管的参数也是设计电路、选用晶体管的依据。,注意：,和 的含义不同，但在特性曲线近于平行等距并且ICE0 较小的情况下，两者数值接近。,常用晶体管的 值在20 200之间。,2.集-基极反向截止电流 ICBO,ICBO是由少数载流子的漂移运动所形成的电流，受温度的影响大。温度ICBO,3.集-射极反向截止电流(穿透电流)ICEO,ICEO受温度的影响大。温度ICEO，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。,4.集电极最大允许电流 ICM,5.集-射极反向击穿电压 U(BR)CEO,集电极电流 IC上升超过一定值会导致三极管的 值的下降，当 值下降到正常值

19、的三分之二时的集电极电流即为 ICM。,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。,6.集电极最大允许耗散功耗PCM,PCM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。PC PCM=IC UCE,硅管允许结温约为150C，锗管约为 7090C。,ICUCE=PCM,安全工作区,由三个极限参数可画出三极管的安全工作区,ICUCE=PCM,晶体管参数与温度的关系,1、温度每增加10C，ICBO增大一倍。硅管优 于锗管。,2、温度每升高 1C，UBE将减小(22.5)mV，即晶体管具有负温度系数。,3、温度每升高 1C，增加 0.5%1.0%。,