第14章 半导体二极管和三极管.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,*,电工学,（下册）,电 子 技 术,安徽工业大学,20112012,学年第一学期,个 人 简 介,PhD,副教授,研究方向：固态量子计算和量子信息,主持国家自然科学基金一项；省优秀青年教师资助项目一项；,Email,：,mtcheng,每周两次课的作业在平时成绩册上登记一次，每学期共登记,8,次。,按校学生守则规定，每次所收作业只批改,1/3,，学生在作业的第一页按学号尾号填写批次。,学号尾号,0,、,1,、,2,、,3,是第一批次；,4,、,5,、,6,是第二批次；,7,、,8,、,9,是第三批次。改一个批次作业时，其余批次的作业阅过后登记。,按校学生守则规定，一学期作业所登次数少于,4,次，该生无资格参加本课程考试。,评分标准：,1.,一学期所登次数,4,次，得,60,分；,2.,一学期登满,4,次后，再每登一次得,8,分，并根据所交作业的质量好坏，在,8,分的基础上，适当加减。,3.,无故补交一次作业减,2,分。,4.,缺交一次作业减,10,分。,电工学平时作业管理办法及评分标准,电 子 技 术 的 应 用,（,信 号 检 测）,压力、温度、水位、水流量等的测量与调节,;,电子仪器（如信号发生器，电子脉搏器）,;,.,电 子 技 术 的 应 用,（,汽 车 电 子）,点火装置，燃油喷射控制、,发动机电子控制,车速控制、间隙刮水、,除雾装置、车门紧锁,安全带、车灯未关报警、,速度报警、安全气囊,空调控制、动力窗控制,里程表、数字式速度表、,出租车用仪表,收音机、,CD,几种模拟信号波形,(a),正弦波,(b),三角波,(c),调幅波,(d),阻尼振荡波,(a),(d),(b),(c),信号的分类,模拟信号,模拟信号的幅值随时间呈连续变化，波形上任意一点的数值均有其物理意义。,数字信号,数字信号只在某些不连续的瞬时给出函数值,其函数值通常是某个最小单位的整数倍。,信 号 及 其 分 类,信号的分类,模拟信号,模拟信号的幅值随时间呈连续变化，波形上任意一点的数值均有其物理意义。,数字信号,数字信号波形举例,数字信号只在某些不连续的瞬时给出函数值,其函数值通常是某个最小单位的整数倍。,电工学（下）电子技术,第,14,章 半导体二极管和三极管,(2,次课,),第,15,章 基本放大电路,(4.5,次课,),第,16,章 集成运算放大器,(2,次课,),第,17,章 电子电路中的反馈,(2.5,次课,),第,18,章 直流稳压电源,(2,次课,),第,19,章 电力电子技术,第,20,章 门电路和组合逻辑电路,(3,次课,),第,21,章 触发器和时序逻辑电路,(4,次课,),第,22,章 存储器和可编程逻辑器件,第,23,章 模拟量和数字量的转换,主 要 教 学 内 容,主要教学内容,参 考 书 目,1.,秦曾煌主编,电工学,第七版 高教出版社,2.,骆雅琴主编,电子技术辅导与实习教程,第二版 中科大出版社,3.,图书馆其它相关模拟电子、数字电子教材,第,14,章 半导体器件,14.1,半导体的导电特性,14.2 PN,结及其单向导电性,14.3,二极管,14.4,稳压二极管,14.5,晶体管,14.6,光电器件,本章要求：,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；,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；,会分析含有二极管的电路。,第,14,章 半导体二极管和三极管,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、,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。,导体：电阻率小于,10,-3,cm,量级,;,绝缘体：电阻率大于,10,8,cm,量级,;,半导体：电阻率介于导体和绝缘体之间,;,导电,能力,14.1,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,14.1.1,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,共价键中的两个电子，称为,价电子,。,Si,Si,Si,Si,价电子,本征半导体的导电机理,Si,Si,Si,Si,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）,。,空穴,自由电子,空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中又出现一个空穴，如此继续下去，就好像空穴在运动（相当于正电荷的移动）。,本征半导体中产生电子,空穴对的现象称为,本征激发。,当半导体两端加上外电压时，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),被原子束缚的,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),本征半导体中，自由电子数目恒等于空穴数目。,(3),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。,本征半导体中的自由电子和,空穴总是成对产生的同时，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。,14.1.2 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,Si,Si,Si,Si,p+,多余电子,磷原子,在常温下即可变为自由电子,失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。,14.1.2 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,Si,Si,Si,Si,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。,B,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。,应注意：,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,14.2 PN,结及其单相导电性,扩散运动：载流子受扩散力的作用所产生的运动称为扩散运动。,扩散电流：载流子扩散运动所形成的电流称为扩散电流。,1.,扩散运动和扩散电流,浓度差,扩散运动,扩散电流,扩散力,扩散电流的大小与载流子的浓度梯度成正比,14.2 PN,结及其单相导电性,漂移运动：载流子受电场力的作用所产生的运动成为漂移运动。,漂移电流：载流子漂移运动所形成的电流称为漂移电流。,2.,漂移运动和漂移电流,漂移电流的大小与电场强度成正比,电位差,漂移运动,漂移电流,电场力,14.2.1 PN,结的形成,多子的扩散运动,内电场,少子的漂移运动,浓度差,P,型半导体,N,型半导体,扩散的结果使空间电荷区变宽。,空间电荷区也称,PN,结,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。,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,形成空间电荷区,14.2 PN,结及其单相导电性,内电场越强，漂移运动越强，阻碍多子扩散运动能力越强，而漂移使空间电荷区变薄。,少子,漂移,扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的,PN,结,多子,扩散,形成空间电荷区产生内电场,促使,阻止,PN,结的两大基本特征：,当,P,型半导体和,N,型半导体共处时，产生空间电荷区，,形成内电场，内电场的方向为,N,指向,P,。,2.,整个半导体仍然是电中性的。,PN,结加上,正向电压（正向偏置）,的意思是：,P,区加正、,N,区加负电压；,PN,结加上,反向电压（反向偏置）,的意思是：,P,区加负、,N,区加正电压；,14.2.2 PN,结的单向导电性,14.2.2 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,外电场,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,结加正向电压时，,PN,结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，,PN,结处于导通状态。,内电场,P,N,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,PN,结变宽,2.PN,结加反向电压（反向偏置）,外电场,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,P,接负、,N,接正,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，,PN,结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，,PN,结处于截止状态。,内电场,P,N,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,结 论,PN,结具有单向导电性,（,1,）,PN,结加正向电压时，正向扩散电流远大于漂移电流，,PN,结处在导通状态，结电阻很低，正向电流较大。,（,2,）,PN,结加反向电压时，仅有很小的反向饱和电流,I,s,，处在截止状态，结电阻很高，反向电流很小。,PN,结的单向导电性,一个,PN,结加上相应的电极引线并用管壳封装起来，就构成了半导体二极管，简称二极管，接在,P,型半导体一侧的引出线称为阳极；接在,N,型半导体一侧的引出线称为阴极。,14.3,半导体二极管,(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。,阴极引线,阳极引线,二氧化硅保护层,P,型硅,N,型硅,(,c,),平面型,金属触丝,阳极引线,N,型锗片,阴极引线,外壳,(,a,),点接触型,铝合金小球,N,型硅,阳极引线,PN,结,金锑合金,底座,阴极引线,(,b,),面接触型,图,1 12,半导体二极管的结构和符号,二极管的结构示意图,阴极,阳极,(,d,),符号,D,参看二极管的实物图,14.3,半导体二极管,14.3.2,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,.60.8V,锗0,.2,0.3V,U,I,死区电压,P,N,+,P,N,+,反向电流,在一定电压,范围内保持,常数。,显然二极管的伏安特性不是直线，因此属于非线性电阻元件。,14.3.3,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。,2.,反向工作峰值电压,U,RWM,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，甚至过热而烧坏。,3.,反向峰值电流,I,RM,指二极管加最高反向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，,I,RM,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，锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。,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。,二极管单向导电性,二极管是对温度非常敏感的器件。实验表明，随温度升高，,二极管的正向压降会减小，正向伏安特性左移，,即二极管的正向压降具有负的温度系数（约为,-2,mV,/,）；,温度升高，反向饱和电流会增大，反向伏安特性下移,，温度每升高,10,，反向电流大约增加一倍。,。,温度对二极管伏安特性的影响,二极管的温度特性,二极管应用电路,1.,整流电路,2.,限幅电路,3.,钳位电路,4.,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,(,正向偏置,),，二极管导通,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：,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。,在这里，二极管起钳位作用。,D,6V,12V,3k,B,A,U,AB,+,例2:,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。,V,1,阳,=,6 V,，,V,2,阳,=0 V,，,V,1,阴,=,V,2,阴,=,12 V,U,D1,=6V,，,U,D2,=12V,U,D2,U,D1,D,2,优先导通，,D,1,截止。,若忽略管压降，二极管可看作短路，,U,AB,=0 V,D,1,承受反向电压为,6 V,流过,D,2,的电流为,求：,U,AB,在这里，,D,2,起钳位作用，,D,1,起隔离作用。,B,D,1,6V,12V,3k,A,D,2,U,AB,+,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。,例,3,：,参考点,二极管阴极电位为,8 V,D,8V,R,u,o,u,i,+,+,u,i,18V,8V,u,0,1.,符号,U,Z,I,Z,I,ZM,U,Z,I,Z,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。,_,+,U,I,O,稳压管实物图,14.4,稳压二极管,3.,主要参数,(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,是指稳压管工作在稳压状态时，稳压管中流过的电流，,有最小稳定电流和最大稳定电流之分。,(5),最大允许耗散功率,P,ZM,=,U,Z,I,ZM,是指稳压管正常工作时，管子上允许的最大耗散功率。,r,Z,愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。,例,稳,压,管,的,稳,定,电,压,U,Z,=10V,，稳,压,管,的,最,大,稳,定,电,流,I,ZMAX,=20,mA,，,输,入,直,流,电,压,U,I,=20V,，限,流,电,阻,R,最,小,应,选,（,）。,例：如图所示是稳压管电路。当稳压管的电流,I,z,的变化范围为,540mA,时，问,R,L,的变化范围为多少？,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,符号,发光二极管（,LED,）,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,(1.5,3V,),，电流为几,几十,mA,光电二极管,发光二极管,单个发光二极管实物,双极型晶体管是由两个背靠背、互有影响的,PN,结构成的。在工作过程中两种载流子都参与导电，所以全名称为双极结型晶体管。,双极结型晶体管有三个引出电极，人们习惯上又称它为晶体三极管或简称晶体管。,晶体管的种类很多,按照频率分，有高频管、低频管；按照功率分，有小、中、大功率管；按照半导体材料分，有硅管、锗管等等。但是从它的外形来看，晶体管都有三个电极，常见的晶体管外形如图所示：,从晶体管的外形可看出，其共同特征就是具有三个电极，这就是,“,三极管,”,简称的来历。,14.5,双极性晶体管,14.5.1,三极管的结构,14.5.2,电流分配和放大原理,14.5.3,三极管的伏安特性曲线,14.5.4,三极管的主要参数,14.5,半导体三极管（晶体管）,N,N,P,基极,发射极,集电极,NPN,型,B,E,C,B,E,C,PNP型,P,P,N,基极,发射极,集电极,符号：,B,E,C,I,B,I,E,I,C,B,E,C,I,B,I,E,I,C,NPN,型三极管,PNP,型三极管,14.5.1,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,B,E,C,N,N,P,基极,发射极,集电极,结构特点：,集电区：,面积最大,由两块,N,型半导体中间夹着一块,P,型半导体的管子称为,NPN,管。,还有一种与它成对偶形式的，即,两块,P,型半导体中间夹着一块,N,型半导体的管子，称为,PNP,管。,晶体管制造工艺上的特点是：,发射区是高浓度掺杂区,，,基区很薄且杂质浓度底，集电区面积大。,(a),共基极,(b),共发射极,(c),共集电极,三种连接方式（或成为三种组态）,a,b,二端,网络,单端口网络,a,b,四端,网络,双端口网络,d,c,输入,端口,输出,端口,14.5.2,电流分配和放大原理,1.,三极管放大的条件,B,E,C,N,N,P,E,B,R,B,E,C,R,C,*外部条件：,发射结正偏、集电结反偏,PNP,发射结正偏,V,B,V,E,集电结反偏,V,C,V,E,集电结反偏,V,C,V,B,*,晶体管内部条件：,a,）,发射区杂质浓度,基区；,b,）,基区很薄。,2.,各电极电流关系及电流放大作用,I,B,(mA,),I,C,(mA,),I,E,(mA,),0,0.02,0.04,0.06,0.08,0.10,0.001,0.70,1.50,2.30,3.10,3.95,U,B,U,E,；,U,CE,U,BE,（,d,）对,NPN,型硅三极管，有发射结电压,U,BE,0.7,V,；对,NPN,型锗三极管，有,U,BE,0.2,V,。,（,2,）截止区,I,B,0,以下区域为,截止区，有,I,C,0,。,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,O,饱和区,截止区,（,a,）发射结和集电结均反向偏置；,U,BE,0,U,BC,0,（,b,）若不计穿透电流,I,CEO,，有,I,B,、,I,C,近似为,0,；,U,CE,U,CC,（,c,）三极管的集电极和发射极之间电阻很大，三极管相当于一个开关断开。,（,3,）饱和区,（,a,）三极管的发射结和集电结均正向偏置；,U,BC,0,U,CE,U,BE,（,b,）三极管的电流放大能力下降，通常有,I,C,I,B,；,（,c,）,U,CE,的值很小，称此时的电压,U,CE,为三极管的饱和压降，用,U,CES,表示。一般硅三极管的,U,CES,约为,0.3,V,，锗三极管的,U,CES,约为,0.1,V,；,U,CE,0,I,C,=,U,CC,/,R,C,（,d,）三极管的集电极和发射极近似短接，三极管类似于一个开关导通。,三极管作为开关使用时，通常工作在截止和饱和导通状态；作为放大元件使用时，一般要工作在放大状态。,例：,如图所示电路中，,当输入电压,分别为,和,时，,试问晶体管,处于何种工作状态？,解：,当,时，,晶体管已处于深度饱和状态。,晶体管临界饱和时的基极电流,当,时，,晶体管处于放大状态,晶体管可靠截止。,当,时，,14.5.4,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,I,CE0,较小的情况下，两者数值接近。,常用晶体管的,值在,20 200,之间。,例：在,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,。求：和,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,-,基极反向截止电流,I,CBO,发射极开路时，,I,CBO,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,I,CBO,I,CBO,A,+,E,C,3.,集,-,射极反向截止电流,(,穿透电流,),I,CEO,A,I,CEO,I,B,=0,+,I,CEO,受温度的影响大。,温度,I,CEO,，,所以,I,C,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,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,。,6.,集电极最大允许耗散功耗,P,CM,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,=,I,C,U,CE,硅,管允许结温约为,150,C,，,锗,管约为,70,90,C,。,极限参数,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,I,C,U,CE,O,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,(2,2.5)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%,。,半导体的基本知识；,PN,结、二极管的单向导电性及两种模型；,二极管电路分析与计算；,三极管的分类、内部结构、特性曲线；,三极管电极判断；,稳压管参数、工作原理。,小结,例题,1,电,路,如,图,所,示，,D1,，,D2,均,为,理,想,二,极,管，,当,输,入,电,压,大于,6V,时，则,u,O,为多少？,