《建筑电工学 教学课件 ppt 作者 王佳 第4章 半导体二极管和三极管》由会员分享，可在线阅读，更多相关《建筑电工学 教学课件 ppt 作者 王佳 第4章 半导体二极管和三极管（27页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第 4 章 半导体二极管和三极管,4.2 半导体二极管,4.3 稳压管,4.4 半导体三极管,4.1 半导体的导电特性,第 4 章 半导体二极管和三极管,4.1 半导体的导电特性,本征半导体就是完全纯净的、具有晶体结构的半导体。,4.1.1 本征半导体,自由电子,用得最多的半导体是硅或锗,它们都是四价元素。将硅或锗材料提纯并形成单晶体后，便形成共价键结构。在获得一定能量(热、光等)后，少量价电子即可挣脱共价键的束缚成为自由电子，同时在共价键中就留下一个空位，称为空穴。自由电子和空穴总是成对出现，同时又不断复合。,在外电场的作用下，自由电子逆着电场方向定向运动形成电子电流。带正电的空穴吸引相邻原
2、子中的价电子来填补，而在该原子的共价键中产生另一个空穴。空穴被填补和相继产生的现象，可以看成空穴顺着电场方向移动，形成空穴电流。,可见在半导体中有自由电子和空穴两种载流子，它们都能参与导电。,空穴移动方向,电子移动方向,外电场方向,4.1.2 N 型半导体和 P 型半导体,1. N 型半导体,在硅或锗的晶体中掺入五价元素磷，当某一个硅原子被磷原子取代时，磷原子的五个价电子中只有四个用于组成共价键，多余的一个很容易挣脱磷原子核的束缚而成为自由电子。因而自由电子的数量大大增加，是多数载流子，空穴是少数载流子，将这种半导体称为 N 型半导体。,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,多余价电子,本
3、征半导体中由于载流子数量极少，导电能力很低。如果在其中参入微量的杂质(某种元素)将使其导电能力大大增强。,2. P 型半导体,在硅或锗的晶体中掺入三价元素硼，在组成共价键时将因缺少一个电子而产生一个空位，相邻硅原子的价电子很容易填补这个空位，而在该原子中便产生一个空穴，使空穴的数量大大增加，成为多数载流子，电子是少数载流子，将这种半导体称为 P 型半导体。,B,空穴,价电子填补空位,4.1.3 PN 结及其单向导电性,1. PN 结的形成,在同一块半导体单晶上用专门的制造工艺，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形成了一个特殊的薄层，称为 PN 结。,P 区,N 区
4、,2. PN 结的单向导电性,(1) 外加正向电压,内电场方向,R,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,扩散运动增强，形 成较大的正向电流,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变宽 多数载流子的扩散运动难于进行,少数载流子越过 PN 结形成很小的反向电流,4.2 半导体二极管,14.2.1二极管基本结构,将 PN 结加上相应的电极引线和管壳，就成为半导体二极管。按结构分，有点接触型和面接触型两类。,点接触型,4.2.2 伏安特性,二极管和 PN 结一样，具有单向导电性，由伏安
5、特性曲线可见，当外加正向电压很低时，电流很小，几乎为零。正向电压超过一定数值后，电流很快增大，将这一定数值的正向电压称为死区电压。通常，硅管的死区电压约为0.5V，锗管约为0.1V。导通时的正向压降，硅管约为0.6 0.7V，锗管约为0.2 0.3V。,60,40,20, 0.02, 0.04,0,0.4,0.8,25,50,I / mA,U / V,正向特性,硅管的伏安特性,反向特性,在二极管上加反向电压时，反向电流很小。但当反向电压增大至某一数值时，反向电流将突然增大。这种现象称为击穿，二极管失去单向导电性。产生击穿时的电压称为反向击穿电压 U(BR)。,4.2.3 主要参数,1. 最大整
6、流电流 IOM 最大整流电流是指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。,2. 反向工作峰值电压 URWM 它是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是 反向击穿电压的一半或三分之二。,3. 反向峰值电流 IRM 它是指二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。,例 1 在图中，输入电位 VA = + 3 V， VB = 0 V， 电阻 R 接负电源 12 V。求输出端电位 VY。,解 因为 VA 高于VB ，所以DA 优先导通。如果二极管的正向压降是 0.3 V，则 VY = + 2.7 V。当 DA 导通后, DB 因反偏而截止。,在这里，DA 起钳位作用，将输出端电
7、位钳制在 + 2.7 V。,二极管的应用范围很广，主要都是利用它的单向导电性。它可用与整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。,4.3 稳压管,稳压管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。其表示符号如下图所示。,稳压管工作于反向击穿区。从反向特性曲线上可以看出，反向电压在一定范围内变化时，反向电流很小。当反向电压增高到击穿电压时，反向电流突然剧增，稳压管反向击穿。此后，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压变化很小。利用这一特性，稳压管在电路中能起作用。,电路符号,特性曲线,稳压管的主要参数有下面几个：,4. 稳定电流 IZ,3. 动态电阻 rZ,2. 电压温度系数 U,5
8、. 最大允许耗散功率 PZM,例 1 图中通过稳压管的电流 IZ 等于多少？R 是限流电阻，其值是否合适？,IZ IZM ，电阻值合适。,解,4.4 半导体三极管,4.4.1三极管基本结构,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,P,不论平面型或合金型，都分成 NPN 或PNP 三层，因此又把晶体管分为 NPN 型和 PNP 型两类。,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,N,集电极 C,发射极 E,基极 B,N,P,P,N,2. PNP 型三极管,4.4.2 电流分配和放大原理,我们通过实验来说明晶体管的放大原理和其中的电流分配
9、，实验电路采用共发射极接法，发射极是基极电路和集电极电路的公共端。实验中用的是 NPN 型管，为了使晶体管具有放大作用，电源 EB 和 EC 的极性必须使发射结上加正向电压(正向偏置)，集电结加反向电压(反向偏置)。,设 EC = 6 V，改变可变电阻 RB，则基极电流 IB、集电极电流 IC 和发射极电流 IE 都发生变化，测量结果如下表：,基极电路,集电极电路,单管实验电路,晶体管电流测量数据,(2) IC 和 IE 比 IB 大得多。从第三列和第四列的数据可得,这就是晶体管的电流放大作用。 称为共发射极静态电流(直流)放大系数。电流放大作用还体现在基极电流的少量变化 IB 可以引起集电极
10、电流较大的变化 IC 。,式中， 称为动态电流(交流)放大系数,(3)当 IB = 0(将基极开路)时，IC = ICEO，表中 ICEO 0.001 mA = 1 A。,(4)要使晶体管起放大作用，发射结必须正向偏置，发射区才可向基区发射电子；而集电结必须反向偏置，集电区才可收集从发射区发射过来的电子。,下图给出了起放大作用时 NPN 型和 PNP 型晶体管中电流实际方向和发射结与集电结的实际极性。,14.4.3 特性曲线,1. 输入特性曲线,对于 NPN 型三极管应满足: UBE 0 UBC VB VE,对于 PNP 型三极管应满足: UEB 0 UCB 0 即 VC VB VE,输入特性
11、曲线是指当集 射极电压UCE为常数时，输入电路(基极电路)中，基极电流 IB 与基射极电压 UBE 之间的关系曲线 I B = f (UBE)。,晶体管的输入特性也有一段死区，只有在发射结外加电压大于死区电压时，才会产生 IB。,输入特性曲线,2. 输出特性曲线,输出特性曲线是指当基极电流 IB 为常数时，输出电路(集电极电路)中集电极电流 IC 与集射极电压 UCE 之间的关系曲线 IC = f (UCE)。在不同的 IB下，可得出不同的曲线，所以晶体管的输出特性曲线是一组曲线。,晶体管有三种工作状态，因而输出特性曲组分为三个工作区,(1) 放大区,输出特性曲线的近于水平部分是放大区。在放大
12、区， 。放大区也称为线性区，因为 IC 和 IB 成正比的关系。对 NPN 型管而言，应使 UBE 0，UBC UBE。,放 大 区,输出特性曲线,(2) 截止区,IB = 0 的曲线以下的区域称为截止区。IB = 0 时, IC = ICEO(很小)。对 NPN 型硅管，当UBE 0.5 V 时，即已开始截止，但为了使晶体管可靠截止，常使 UBE 0，截止时集电结也处于反向偏置(UBC 0)，此时, IC 0 ，UCE UCC 。,(3) 饱和区,当 UCE 0)，晶体管工作于饱和状态。在饱和区，IC 和 IB 不成正比。此时，发射结也处于正向偏置，UCE 0 ， IC UCC/RC 。,当
13、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。,晶体管的三种工作状态如下图所示,晶体管结电压的典型值,14.4.4 主要参数,1. 电流放大系数 ，,当晶体管接成共发射极电路时，在静态(无输入信号)时集电极电流与基极电流的比值称为静态电流(直流)放大系数,当晶体管工作在动态(有输入信号)时，基极电流的变化量为 IB ，它引起集电极电流的变化量为 IC 。 IC 与 IB的比值称为动态电流(交流)放大系数,在输出特性曲线近于平行等距并且 I
14、CEO 较小的情况下,可近似认为 ，但二者含义不同。,2. 集基极反向截止电流 ICBO,ICBO 是当发射极开路时流经集电结的反向电流，其值很小。,3. 集射极反向截止电流 ICEO,ICEO 是当基极开路(IB = 0)时的集电极电流，也称为穿透电流，其值越小越好。,4. 集电极最大允许电流 ICM,当 值下降到正常数值的三分之二时的集电极电流，称为集电极最大允许电流 ICM 。,5. 集射反相击穿电压 U(BR)CEO,6. 集电极最大允许耗散功率 PCM,基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压，称为集射反相击穿电压 U(BR)CEO 。,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，称为集电极最大允许耗散功率 PCM。,由 ICM 、 U(BR)CEO 、 PCM 三者共同确定晶体管的安全工作区。,
