二极管和晶体管 (2)精.ppt

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1、二极管和晶体管第1页，本讲稿共41页 理解理解PNPN结的单向导电性；了解二极管、稳压二极管和晶结的单向导电性；了解二极管、稳压二极管和晶体管的基本构造、工作原理和主要特性曲线，理解主要参数体管的基本构造、工作原理和主要特性曲线，理解主要参数的意义；理解晶体管的电流分配和放大作用。的意义；理解晶体管的电流分配和放大作用。PN结的单向导电性，半导体三极管电流分配和放大作结的单向导电性，半导体三极管电流分配和放大作用。用。第2页，本讲稿共41页 半导体三极管电流分配和放大作用，工作原理和半导体三极管电流分配和放大作用，工作原理和主要特性曲线。主要特性曲线。讲课讲课4 4学时，习题学时，习题1 1学

2、时。学时。第3页，本讲稿共41页掺杂性：掺杂性：在纯净的半导体中掺入微量杂质，半导体的导电能力在纯净的半导体中掺入微量杂质，半导体的导电能力增加几十万乃至几百万倍（据此可做成各种不同用途的半导体增加几十万乃至几百万倍（据此可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、晶体管等）。器件，如二极管、晶体管等）。光敏性：光敏性：当受到光照时，半导体的导电能力显著增强当受到光照时，半导体的导电能力显著增强 （据此可做成各种光敏元件，如光敏二极管等）。（据此可做成各种光敏元件，如光敏二极管等）。热敏性：热敏性：当环境温度增高时，半导体的导电能力显著增强当环境温度增高时，半导体的导电能力显著增强（据此可做成各

3、种热敏元件，如热敏电阻等）。（据此可做成各种热敏元件，如热敏电阻等）。14.1 半导体的导电特性半导体的导电特性半导体的导电特性半导体的导电特性第4页，本讲稿共41页14.1.1 本征半导体本征半导体 完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半本征半导体。导体。共价健共价健硅原子硅原子价电子价电子共价键：共价键：每一原子每一原子的一个价电子与另的一个价电子与另一原子的一个价电一原子的一个价电子组成一个电子对。子组成一个电子对。14.1 14.1 半导体的导电特性半导体的导电特性硅单晶中的共价健结构硅单晶中的共价健结构 Si Si Si Si第5页，本讲稿

4、共41页 价电子获得一定能量价电子获得一定能量(温度增温度增高或受光照高或受光照)后，即可挣脱原子核后，即可挣脱原子核的束缚的束缚(电子受到电子受到激发激发)，成为，成为自由自由电子电子。本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理空空穴穴自由电子自由电子 此时，共价键中就留下一个此时，共价键中就留下一个空位，称为空位，称为空穴空穴。中性的原子被。中性的原子被破坏而显出带正电。破坏而显出带正电。14.1 14.1 半导体的导电特性半导体的导电特性空穴和自由电子的形成空穴和自由电子的形成 Si Si Si Si 温度愈高，晶体中产生的自温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。由电子便愈多。第6页，本讲

5、稿共41页 在外电场的作用下，有空穴在外电场的作用下，有空穴的原子吸引相邻原子中的价电子的原子吸引相邻原子中的价电子来填补这个空穴，同时失去一个来填补这个空穴，同时失去一个价电子的相邻原子的共价键中出价电子的相邻原子的共价键中出现另一个空穴。现另一个空穴。14.1 14.1 半导体的导电特性半导体的导电特性空空穴穴自由电子自由电子空穴和自由电子的形成空穴和自由电子的形成 Si Si Si Si 如此继续下去，就好象空穴在如此继续下去，就好象空穴在运动，其方向与价电子运动的方向运动，其方向与价电子运动的方向相反，因此相反，因此空穴运动空穴运动 相当于正电相当于正电荷的运动。荷的运动。第7页，本讲

6、稿共41页 当半导体两端加上外电压时，半导体中将出现两部当半导体两端加上外电压时，半导体中将出现两部分电流：分电流：自由电子作定向运动形成的自由电子作定向运动形成的电子电流电子电流；仍被原子核束缚的价电子递补空穴所形成的仍被原子核束缚的价电子递补空穴所形成的空穴电空穴电流流。统称为统称为载流子载流子自由电子自由电子空穴空穴14.1 14.1 半导体的导电特性半导体的导电特性 半导体和金属在导电原理上的本质差别：半导体和金属在导电原理上的本质差别：在半导体中，在半导体中，同时存在着电子导电和空穴导电。同时存在着电子导电和空穴导电。第8页，本讲稿共41页 温度愈高，载流子数目愈多，半导体的导电性能

7、也就愈温度愈高，载流子数目愈多，半导体的导电性能也就愈好。所以，好。所以，温度对半导体器件性能影响很大温度对半导体器件性能影响很大。本征半导体中的载流子数量极少，导电能力仍然很本征半导体中的载流子数量极少，导电能力仍然很低。低。本征半导体中的自由电子和本征半导体中的自由电子和空穴总是成对出现，同空穴总是成对出现，同时又不断时又不断复合复合。在一定的温度下，载流子的产生和复合达到动态平在一定的温度下，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便维持一定的数目。衡，于是半导体中的载流子便维持一定的数目。注意注意14.1 14.1 半导体的导电特性半导体的导电特性第9页，本讲稿共41页14

8、.1.2 N型半导体和型半导体和P型半导体型半导体 掺杂后的自由电子数目大量增加，掺杂后的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自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为导电方式，称为电子半导体或电子半导体或N型半型半导体导体。在单晶硅中掺入微量磷在单晶硅中掺入微量磷失去一个电子失去一个电子变为正磷离子变为正磷离子 在本征半导体中掺入微量的杂质在本征半导体中掺入微量的杂质(某种元素某种元素)，形成，形成杂质杂质半导体半导体，其导电性能大大增强。，其导电性能大大增强。在在N型半导体中型半导体中自由电子是多数自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子载流子，空穴是少数载流子。14.

9、1 14.1 半导体的导电特性半导体的导电特性 Si Si Si Si P多余电子多余电子 P+常温下即可变为自由电子常温下即可变为自由电子第10页，本讲稿共41页N型半导体和型半导体和P型半导体都是中性的，对外不显电性。型半导体都是中性的，对外不显电性。14.1 14.1 半导体的导电特性半导体的导电特性 掺杂后的空穴数目大量增加，空掺杂后的空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为式，称为空穴空穴半导体或半导体或 P型半导体型半导体。在单晶硅中掺入微量硼在单晶硅中掺入微量硼获得一个电子获得一个电子变为负硼离子变为负硼离子 在在 P型半导体中

10、型半导体中空穴是多数载流空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子子，自由电子是少数载流子。Si Si Si Si多余空位多余空位吸引相邻原子中的价电子填吸引相邻原子中的价电子填补它，则相邻原子出现空穴补它，则相邻原子出现空穴 B B-第11页，本讲稿共41页14.2 PN结及其单向导电性结及其单向导电性14.2.1 PN PN结的形成结的形成PN结结PN 在一块在一块N型型(P型型)半导体的局部再掺入浓度较大的三半导体的局部再掺入浓度较大的三价价(五价五价)杂质，使其变为杂质，使其变为P型型(N型型)半导体。半导体。在在P型半导体和型半导体和N型半导体的交型半导体的交界面就形成一个特殊的薄层，称

11、为界面就形成一个特殊的薄层，称为PN结结。第12页，本讲稿共41页14.2 PN14.2 PN结及其单向导电性结及其单向导电性IRPN14.2.2 PN PN结的单向导电性结的单向导电性I0RPN P区的多子空穴和区的多子空穴和N区的多区的多子自由电子通过子自由电子通过PN结进入对方，结进入对方，形成较大的正向电流，形成较大的正向电流，PN结导结导通通。P区的少子自由电子和区的少子自由电子和N区的少子空穴通过区的少子空穴通过PN结进结进入对方，形成极小的反向电入对方，形成极小的反向电流，流，PN结截止结截止。正向导通，反向截止正向导通，反向截止第13页，本讲稿共41页14.3 二极管二极管14

12、.3.1 基本结构基本结构 点接触型点接触型(一般为锗管一般为锗管)面接触型面接触型(一般为硅管一般为硅管)结面积小、结电容小、正结面积小、结电容小、正向电流小，适用于高频和小功向电流小，适用于高频和小功率工作，也用作数字电路中的率工作，也用作数字电路中的开关元件。开关元件。结面积大、结电容大、结面积大、结电容大、正向电流大，适用于低频整正向电流大，适用于低频整流电路。流电路。阳极引线阳极引线外壳外壳 触丝触丝 N型锗片型锗片阴极引线阴极引线N型硅型硅阳极引线阳极引线阴极引线阴极引线PN结结金锑合金金锑合金底座底座铝合金小球铝合金小球第14页，本讲稿共41页14.3 14.3 二极管二极管 平

13、面型平面型 用于大功率整流管和数用于大功率整流管和数字电路中的开关管。字电路中的开关管。P型硅型硅N型硅型硅阳极引线阳极引线阴极引线阴极引线SiO2保护层保护层阳极阳极阴极阴极D 符号符号 整流二极管整流二极管稳压二极管稳压二极管开关二极管开关二极管第15页，本讲稿共41页反向击穿特性反向击穿特性14.3.2 伏安特性伏安特性硅管硅管0.5V锗管锗管0.1V反向击穿反向击穿电压电压U(BR)导通压降导通压降 外加正向电压只有大于死区外加正向电压只有大于死区电压，二极管才能导通。电压，二极管才能导通。外加电外加电压大于反向压大于反向击穿电压，击穿电压，二极管被击二极管被击穿，失去单穿，失去单向导

14、电性。向导电性。正向特性正向特性反向饱和特性反向饱和特性硅硅0.60.8V锗锗0.20.3V死区电压死区电压(开启电压开启电压)14.3 14.3 二极管二极管D+-D+-U/VI/mAO 外加正向电压很外加正向电压很低时正向电流极小。低时正向电流极小。反向饱和电流反向饱和电流在一定电在一定电压范围内几乎与反向电压的压范围内几乎与反向电压的高低无关，其大小基本恒定。高低无关，其大小基本恒定。第16页，本讲稿共41页14.3.3 主要参数主要参数 最大整流电流最大整流电流 IOM 反向工作峰值电压反向工作峰值电压URWM 反向峰值电流反向峰值电流IRM 二极管长时间使用时，允许流过二极管的最大正

15、向平均二极管长时间使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。电流。它是保证二极管不被击穿，其值一般是反向击穿电压它是保证二极管不被击穿，其值一般是反向击穿电压的一半或三分之二。的一半或三分之二。它是指在二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流它是指在二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。反向电流受温度的影响大，其值愈小愈好。值。反向电流受温度的影响大，其值愈小愈好。14.3 14.3 二极管二极管第17页，本讲稿共41页分析方法：分析方法：将二极管断开。将二极管断开。若若 V阳阳 V阴阴，则二极管导通；，则二极管导通；若若 V阳阳 VB，所以，所以DA优优先导通。先导通。解：解：14.3 1

16、4.3 二极管二极管 若考虑二极管的正向压降若考虑二极管的正向压降(设为设为0.3V)，则，则VY=+2.7V，显然，显然DA导通后，导通后，DB上加的是反向上加的是反向电压，因而电压，因而DB截止截止。在这里，在这里，DA起起钳位钳位作用，把作用，把Y端的电位钳住在端的电位钳住在+2.7V；DB起起隔离隔离作用，把输入端作用，把输入端B和和Y隔离开来隔离开来。第20页，本讲稿共41页解：解：例例3：如图，二极管的正向压降可忽略不计，试画出输出电压如图，二极管的正向压降可忽略不计，试画出输出电压uo的波形。的波形。+-+-O5uotui1014.3 14.3 二极管二极管 将二极管将二极管D断

17、开，则其阳极电位为断开，则其阳极电位为ui，阴极电位为，阴极电位为+5V。若若ui5V，则二极管导通，此时，则二极管导通，此时uo=ui。若若ui VB VE 14.5.2 电流分配和放大原理电流分配和放大原理外部条件外部条件PNP型晶体管：型晶体管：VC VB VE 内部条件内部条件基区很薄，掺杂浓度很低；基区很薄，掺杂浓度很低；发射区掺杂浓度很高；发射区掺杂浓度很高；集电区结面积大。集电区结面积大。14.5 14.5 晶体管晶体管第26页，本讲稿共41页 扩散到基区的自由电扩散到基区的自由电子多数扩散到集电结。子多数扩散到集电结。扩散到基区的自由电扩散到基区的自由电子极少数与基区的空穴复子

18、极少数与基区的空穴复合。合。基区中受激发的价基区中受激发的价电子不断被电源电子不断被电源(基区接基区接电源正极电源正极)拉走，这相当于拉走，这相当于不断补充基区中被复合掉不断补充基区中被复合掉的空穴，的空穴，形成电流形成电流IBE。集电极电流集电极电流IC ICE 从发射区扩散到基区从发射区扩散到基区并到达集电结边缘的自由并到达集电结边缘的自由电子被拉入集电区电子被拉入集电区形成形成电流电流ICE。集电结反偏，少子集电结反偏，少子形成反向电流形成反向电流ICBO。基极电流基极电流IBIBE 基区向发射区扩基区向发射区扩散空穴散空穴(多数载流子多数载流子)极极少，可忽略。少，可忽略。形成发射极电

19、流形成发射极电流IE 发射结正偏，发射发射结正偏，发射区向基区扩散自由电子区向基区扩散自由电子(多数载流子多数载流子)。IEIBIBEBECNNPEBRBECICEICBOIC 载流子在晶体管内部的运动规律载流子在晶体管内部的运动规律14.5 14.5 晶体管晶体管第27页，本讲稿共41页 晶体管各极电流关系晶体管各极电流关系（动态电流放大系数）（动态电流放大系数）14.5 14.5 晶体管晶体管IB/mAIC/mAIE/mA00.020.040.060.080.100.0010.701.502.303.103.950.0010.721.542.363.184.05晶体管电流测量数据晶体管电流

20、测量数据结论：结论：（静态电流放大系数）（静态电流放大系数）当当IB=0(即基极开路即基极开路)时，时，IC=ICEO。第28页，本讲稿共41页 用来表示晶体管各极电压和电流之间的相互关系，它用来表示晶体管各极电压和电流之间的相互关系，它反映出晶体管的性能，是分析放大电路的重要依据。反映出晶体管的性能，是分析放大电路的重要依据。以最常用的以最常用的共共发射极接法发射极接法时的实验时的实验线路分析晶体管的线路分析晶体管的输输入特性曲线入特性曲线和和输出特输出特性曲线性曲线。14.5.3 特性曲线特性曲线14.5 14.5 晶体管晶体管 测绘晶体管特性曲线的实验线路测绘晶体管特性曲线的实验线路+-

21、+UBEIBEBUCEEC3DG100-ICIERBmAmAVVBEC第29页，本讲稿共41页 输入特性曲线输入特性曲线14.5 14.5 晶体管晶体管IB/AUBE/V204060800.40.8UCE1VO 正常工作下的发射结电压：正常工作下的发射结电压：NPN型硅管：型硅管：UBE=0.6V0.7VPNP型锗管：型锗管：UBE=-0.2V-0.3V 死区电压：死区电压：硅管硅管0.5V，锗管，锗管0.1V。对硅管而言，当对硅管而言，当UCE1V时集电时集电结已反向偏置，而基区又很薄，可结已反向偏置，而基区又很薄，可把从发射区扩散到基区的电子中的把从发射区扩散到基区的电子中的绝大部分拉入集

22、电区。绝大部分拉入集电区。此后，此后，UCE对对IB就不再有明显的影响。就不再有明显的影响。第30页，本讲稿共41页饱和区饱和区20 A36IC/mA1234UCE/V912O2.31.5IB=0 040 A60 A80 A100 AQ1Q2放放大大区区放大区（放大区（线性区线性区）输出特性曲线输出特性曲线e结正偏、结正偏、c结反偏。结反偏。截止区截止区14.5 14.5 晶体管晶体管 ，IC近似恒定。近似恒定。截止区截止区IB=0的曲线以下的区域。的曲线以下的区域。IC0，发射极与集电极之间如发射极与集电极之间如同一个开关的断开。同一个开关的断开。e结与结与c结均反偏。结均反偏。第31页，本

23、讲稿共41页 饱和区饱和区14.5 14.5 晶体管晶体管饱和区饱和区20 A36IC/mA1234UCE/V912O2.31.5IB=0 040 A60 A80 A100 AQ1Q2放放大大区区截止区截止区e结与结与c结均正结均正偏。偏。UCE0，发射极与集电极，发射极与集电极之间如同一个开关的接通。之间如同一个开关的接通。UCE UBE，。可见，晶体管工作在可见，晶体管工作在放大状态，具有放大状态，具有放大作用放大作用；工作在饱和状态或截止状工作在饱和状态或截止状态，具有态，具有开关作用开关作用。第32页，本讲稿共41页静态电流静态电流(直流直流)放大系数：放大系数：动态电流动态电流(交流

24、交流)放大系数：放大系数：当晶体管接成共发射极电路时，在静态（当晶体管接成共发射极电路时，在静态（无输入信号）无输入信号）时，时，有有14.5.4 主要参数主要参数14.5 14.5 晶体管晶体管 晶体管的参数可以表示晶体管的特性，也是设计电晶体管的参数可以表示晶体管的特性，也是设计电路、选用晶体管的依据。路、选用晶体管的依据。电流放大系数电流放大系数 ，在动态（有在动态（有输入信号）时，输入信号）时，有有第33页，本讲稿共41页14.5 14.5 晶体管晶体管常用晶体管的常用晶体管的 值在值在20 200之间之间20 A36IC/mA1234UCE/V912O2.31.5IB=0 040 A

25、60 A80 A100 AQ1Q2例：例：如图给出如图给出3DG100晶体管的输出特性曲线，晶体管的输出特性曲线，计算计算Q1点处的点处的 ；由由Q1和和Q2两点，计算两点，计算 。解：解：和和 的含义不同，但的含义不同，但在输出特性曲线近于平行等在输出特性曲线近于平行等距且距且ICEO较小的情况下，两较小的情况下，两者数值较为接近（者数值较为接近（）。）。第34页，本讲稿共41页 集集-基极反向截止电流基极反向截止电流 ICBO 集集-射极反向截止电流射极反向截止电流ICEO（又称穿透电流）（又称穿透电流）ICBO是当发射极开路时由于集电结处于反偏，集电区是当发射极开路时由于集电结处于反偏，

26、集电区和基区中的少数载流子向对方运动所形成的电流。它受温和基区中的少数载流子向对方运动所形成的电流。它受温度的影响大，其值度的影响大，其值越小越好。越小越好。集电极最大允许电流集电极最大允许电流 ICM 集电极电流集电极电流 IC 超过一定值时，晶体管的超过一定值时，晶体管的 值下降到正值下降到正常数值的三分之二时的集电极电流。常数值的三分之二时的集电极电流。14.5 14.5 晶体管晶体管 ICEO是当基极开路、集电结处于反偏和发射结处于正偏是当基极开路、集电结处于反偏和发射结处于正偏时的集电极电流，其值越小越好。时的集电极电流，其值越小越好。第35页，本讲稿共41页 集集-射极反向击穿电压

27、射极反向击穿电压U(BR)CEO 基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压。电压。当当UCEU(BR)CEO时，时，ICEO突然大幅度上升，说明晶体管突然大幅度上升，说明晶体管已被击穿。已被击穿。集电极最大允许耗散功耗集电极最大允许耗散功耗PCM 当晶体管因受热而引起的参数变化不超过允许值时，当晶体管因受热而引起的参数变化不超过允许值时，集电极所消耗的最大功率，它集电极所消耗的最大功率，它主要受结温主要受结温Tj的限制。的限制。PCM=IC UCE14.5 14.5 晶体管晶体管第36页，本讲稿共41页 以上所讨论的几个参数中：以上所讨论的几

28、个参数中：和和 ICBO(ICEO)是表明晶体管优劣的主要指标；是表明晶体管优劣的主要指标；ICM，U(BR)CEO和和PCM都是极限参数，用来说明晶体管的都是极限参数，用来说明晶体管的使用限制。使用限制。14.5 14.5 晶体管晶体管ICUCEOICMICEOU(BR)CEOPCM安全工作区安全工作区晶晶体体管管的的安安全全工工作作区区 由由ICM，U(BR)CEO，PCM 三者共三者共同确定晶体同确定晶体管的安全工管的安全工作区。作区。第37页，本讲稿共41页14.6 光电器件光电器件14.6.1 发光二极管发光二极管 当在发光二极管当在发光二极管(LED)上加正向电压并有足够大的正向电

29、上加正向电压并有足够大的正向电流时，就能发出清晰的光。流时，就能发出清晰的光。这是由于电子与空穴复合而释放能这是由于电子与空穴复合而释放能量的结果。量的结果。符号符号 光的颜色视做成光的颜色视做成PN结的材料和发光的波长而定，而结的材料和发光的波长而定，而波长与材料的浓度有关。波长与材料的浓度有关。发光二极管的工作电压为发光二极管的工作电压为1.53V，工作电流为几毫安到十几毫安，寿命很工作电流为几毫安到十几毫安，寿命很长，长，一般作显示用一般作显示用。第38页，本讲稿共41页14.6 14.6 光电器件光电器件14.6.2 光电二极管光电二极管 光电二极管是利用光电二极管是利用PN结的光敏特

30、性，将接收到的光结的光敏特性，将接收到的光的变化转换为电流的变化。的变化转换为电流的变化。光电二极管是在光电二极管是在反向电压反向电压作用下工作的。作用下工作的。当无光照时，和普通二极管一样，其反向电流很小，称为当无光照时，和普通二极管一样，其反向电流很小，称为暗电流暗电流。当有光照时，产生的反向电流称为当有光照时，产生的反向电流称为光电流光电流。照度照度E愈强，光电流也愈大。愈强，光电流也愈大。光电流很小，一般只有几十微安，应光电流很小，一般只有几十微安，应用时须进行放大。用时须进行放大。符号符号第39页，本讲稿共41页14.6.3 光电晶体管光电晶体管14.6 14.6 光电器件光电器件

31、普通晶体管是用基极电流普通晶体管是用基极电流IB的大小来控制集电极电流。的大小来控制集电极电流。光电晶体管是用入射光照度光电晶体管是用入射光照度E的强弱来控制集电极电流。的强弱来控制集电极电流。因此两者的输出特性曲线相似，只是用因此两者的输出特性曲线相似，只是用E代替代替IB。当无光照时，集电极电流当无光照时，集电极电流ICEO很小，称为很小，称为暗暗电流电流。当有光照时的集电极电流称为当有光照时的集电极电流称为光电流光电流。光电流一般为零点几毫安到几个毫安。光电流一般为零点几毫安到几个毫安。符号符号CE第40页，本讲稿共41页本章作业本章作业P28 14.3.2P28 14.3.2（画波形）（画波形）P29 14.3.5P29 14.3.5（电位）（电位）14.4.2 14.4.2（稳压管）（稳压管）P30 14.5.1P30 14.5.1（三极管）（三极管）第41页，本讲稿共41页