第14章 二极管和晶体管

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1、第14章 二极管和晶体管,14.3 二极管,14.4 稳压二极管,14.5 晶体管,14.2 PN结及其单向导电性,14.1 半导体的导电特性,14.6 光电器件,本章要求： 1. 理解PN结的单向导电性，晶体管的电流分配和 电流放大作用； 2. 了解二极管、稳压管和晶体管的基本构造、工 作原理和特性曲线，理解主要参数的意义； 3. 会分析含有二极管的电路。(二极管为理想的),第14章 二极管和晶体管,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

2、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。,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

3、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。,14.1.2 N型半导体和 P

4、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,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

5、性。,14.2 PN结及其单向导电性,14.2.1 PN结的形成,多子的扩散运动,少子的漂移运动,浓度差,P 型半导体,N 型半导体,内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,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,14.2.2 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,IF,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。,2. PN 结加反向电压（

6、反向偏置）,P接负、N接正,PN 结变宽,2. PN 结加反向电压（反向偏置）,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。,IR,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。,14.3 二极管,14.3.1 二极管的结构（了解）与符号,14.3.2 二极管的伏安特性,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0.60.8

7、V锗0.20.3V,死区电压,反向电流 在一定电压 范围内保持 常数。,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UBR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IRM,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，IRM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。,二极管的单向导电性,1. 二极管加正向电压（

8、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,若 V阳 V阴或 UD为正( 正向偏置 )，二极管导通 若 V阳 V阴或 UD为负( 反向偏置 )，二极管截止,1.二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零，反向截止时二极管相

9、当于断开。,例14.3.2 (P12) 在图14.3.5中，输入端A的电位,B的电位,求输出端Y的电位,电阻R接负电源,解：因为A端电位比B端 高，所以,有先导通 ，如果二极管的正向 压降是0.3V，则Y点的电位为2.7V。 当二极管A导通后，二极管B两端加 的是反向电压，而截止。,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，UAB = 6V 否则， UAB低于6V一个管压降，为6.3（锗）或6.7V（硅）,例2：,取 B 点作参考点，断开二极管,钳位作用。,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

10、uo = ui,已知： 二极管是理想的，试画出 uo 波形。,8V,例3：,二极管的用途： 整流、检波、 限幅、钳位、开 关、元件保护、 温度补偿等。,参考点,二极管阴极电位为 8 V,14.4 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。反向击穿（电压击穿）可逆，热击穿（电流过大）不可逆。,3. 主要参数,(1) 稳定电压UZ 稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。,(2) 稳定电流 IZ 、最大稳定电流 IZM,

11、(3) 最大允许耗散功率 PZM = UZ IZM,14.5 晶体管,晶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,15.4.1 基本结构（了解）,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,14. 5. 2 电流分配和放大原理,1. 晶体管放大的外部条件,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,晶体管电流放大的实验电路 ,设 EC = 6 V，改变可变电阻 RB, 则基极电流 IB、集电极电流 IC 和

12、发射极电流 IE 都发生变化，测量结果如下表：,2. 各电极电流关系及电流放大作用,晶体管电流测量数据,结论:,(1) IE = IB + IC 符合基尔霍夫定律 (2) IC IB ， IC IE (3) IC IB,把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大 变化的特性称为晶体管的电流放大作用。,(a) NPN 型晶体管；,电流方向和发射结与集电结的极性,(4) 要使晶体管起放大作用，发射结必须正向 偏置，集电结必须反向偏置。,(b) PNP 型晶体管,14.5.3 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，分析放大电路的依据。,为什么要研究特性曲线： (

13、1)直观地分析管子的工作状态 (2)合理地选择偏置电路的参数,设计性能良好的电路,共发射极接法的特性曲线,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,1. 输入特性,特点:非线性,正常工作时发射结电压： NPN型硅管 UBE 0.6 0.7V PNP型锗管 UBE 0.2 0.3V,3DG100晶体管的 输入特性曲线,死区电压：硅管0.5V，锗管0.1V。,2. 输出特性,共发射极电路,3DG100晶体管的输出特性曲线,是一组曲线。,2. 输出特性,有三种工作状态，分为三个工作区,3DG100晶体管的输出特性曲线,(1) 放大区,在放大区 I

14、C = IB ， 线性区，具有恒流特性。,发射结正向偏置、集电结反向偏置，放大状态。,对 NPN 型管而言, 应使 UBE 0, UBC UBE。,IC/mA,UCE/V,100 A 80A 60 A 40 A 20 A,O 3 6 9 12,4,2.3,1.5,3,2,1,IB =0,(2),截止区,对NPN型硅管，为可靠截止 , 常使 UBE 0。 截止时, 集电结反偏(UBC 0), IC 0, UCE UCC 。,IB = 0 的曲线以下的区域称为截止区。,IB = 0 时, IC = ICEO(很小)。(ICEO0.001mA),截止区,IC/mA,UCE/V,100 A 80A 6

15、0 A 40 A 20 A,O 3 6 9 12,4,2.3,1.5,3,2,1,IB =0,(3) 饱和区,在饱和区，IB IC，发射结正偏， 集电结正偏。 深度饱和时， 硅管UCES 0.3V， 锗管UCES 0.1V。 IC UCC/RC 。,当 UCE 0)， 饱和状态。,饱和区,讲：例14.5.1（P24）,晶体管三种工作状态的电压和电流,(a)放大,(b)截止,(c)饱和,当晶体管饱和时， UCE 0，发射极与集电极之间如同一个开关的接通，其间电阻很小；当晶体管截止时，IC 0 ，发射极与集电极之间如同一个开关的断开，其间电阻很大，可见，晶体管除了有放大作用外，还有开关作用。,晶体

16、管结电压的典型值,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，,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。,必做题：P32-34：14.3.6， 14.3.7， 14.5.9,14. 6 光电器件（了解）,符号,14.6.1 发光二极管(LED),当发光二极管加上正向电压并有足够大的正向电流时，就能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。 常用的有2EF等系列。 发光二极管的工作电压为1.5 3V，工作电流为几 十