第9章、半導(dǎo)體二極管和三極管分解PPT學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1第第9章、半導(dǎo)體二極管和三極管分解章、半導(dǎo)體二極管和三極管分解(1-2)第9章 半導(dǎo)體二極管和三級管 9.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性 9.2 PN 結(jié)及半導(dǎo)體二極管 9.4 穩(wěn)壓管 9.5 半導(dǎo)體三極管 9.3 半導(dǎo)體二極管第1頁/共59頁(1-3)9.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體 自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體，金屬一般都是導(dǎo)體。 有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。 另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱為半導(dǎo)體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。第2頁/共59頁(1-4) 半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理不同于其它物質(zhì)，所以它具有不同于其它物質(zhì)的特點(diǎn)。

2、比如：當(dāng)受外界熱和光的作用時，它的導(dǎo)電能力明顯變化。往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會使它的導(dǎo)電能力明顯改變。第3頁/共59頁(1-5)9.1.1 本征半導(dǎo)體現(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個。GeSi第4頁/共59頁(1-6)通過一定的工藝過程，可以將半導(dǎo)體提純制成晶體。完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體，稱為本征半導(dǎo)體。在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點(diǎn)陣，每個原子都處在正四面體的中心，而四個其它原子位于四面體的頂點(diǎn)，每個原子與其相臨的原子之間形成共價鍵，共用一對價電子。第5頁/共59頁(1-7)硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)第6頁/共59頁(1-

3、8)硅和鍺的共價鍵結(jié)構(gòu)共價鍵共用電子對+4+4+4+4+4表示除去價電子后的原子第7頁/共59頁(1-9)共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。共價鍵有很強(qiáng)的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。+4+4+4+4第8頁/共59頁(1-10)本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理在絕對0度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時,價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒有可以運(yùn)動的帶電粒子（即載流子），它的導(dǎo)電能力為0，相當(dāng)于絕緣體。在常溫下，由于熱激發(fā)，

4、使一些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自由電子，同時共價鍵上留下一個空位，稱為空穴。第9頁/共59頁(1-11)+4+4+4+4本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理自由電子空穴束縛電子第10頁/共59頁(1-12)本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引臨近的電子來填補(bǔ)，這樣的結(jié)果相當(dāng)于空穴的遷移，而空穴的遷移相當(dāng)于正電荷的移動，因此可以認(rèn)為空穴也是載流子。第11頁/共59頁(1-13)本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強(qiáng)，溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大

5、特點(diǎn)。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。第12頁/共59頁(1-14)9.1.2 N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加。使自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體稱為N型半導(dǎo)體（電子半導(dǎo)體），使空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體稱為P型半導(dǎo)體（空穴半導(dǎo)體）。第13頁/共59頁(1-15)N型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷（或銻），晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，磷原子的最外層有五個價電子，其中四個與相臨的半導(dǎo)體原子形成共價鍵，必定多出一個電子，這個電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而成為自由電

6、子，這樣磷原子就成了不能移動的帶正電的離子。每個磷原子給出一個電子，稱為施主原子。第14頁/共59頁(1-16)+4+4+5+4N型半導(dǎo)體多余電子磷原子第15頁/共59頁(1-17)N型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體中的載流子是什么？1、由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。2、本征半導(dǎo)體中成對產(chǎn)生的電子和空穴。3、摻雜濃度遠(yuǎn)大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度。自由電子稱為多數(shù)載流子（多子），空穴稱為少數(shù)載流子（少子）。第16頁/共59頁(1-18)P型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼（或銦），晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，硼原子的最外層有三個價電子，與相臨

7、的半導(dǎo)體原子形成共價鍵時，產(chǎn)生一個空穴。這個空穴可能吸引束縛電子來填補(bǔ)，使得硼原子成為不能移動的帶負(fù)電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為受主原子。第17頁/共59頁(1-19)+4+4+3+4空穴P型半導(dǎo)體硼原子第18頁/共59頁(1-20)總 結(jié)1、N型半導(dǎo)體中電子是多子，其中大部分是摻雜提供的電子，本征半導(dǎo)體中受激產(chǎn)生的電子只占少數(shù)。 N型半導(dǎo)體中空穴是少子，少子的遷移也能形成電流，由于數(shù)量的關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是多子。近似認(rèn)為多子與雜質(zhì)濃度相等。2、P型半導(dǎo)體中空穴是多子，電子是少子。第19頁/共59頁(1-21)雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法P型半導(dǎo)體+N型半導(dǎo)體代表得到一個電子的三價雜質(zhì)

8、離子，帶負(fù)電。代表失去一個電子的五價雜質(zhì)離子，帶正電。第20頁/共59頁(1-22)在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，經(jīng)過載流子的擴(kuò)散，在它們的交界面處就形成了PN結(jié)。9.1.3 PN結(jié)及其單向?qū)щ娦缘?1頁/共59頁(1-23)PN結(jié)正向偏置PN結(jié)加上正向電壓，即P區(qū)加正電壓、N區(qū)加負(fù)電壓正向偏置。+PN+_PN結(jié)IPN結(jié)呈現(xiàn)低電阻，處于導(dǎo)通狀態(tài)。第22頁/共59頁(1-24)PN結(jié)反向偏置PN結(jié)加上反向電壓，即P區(qū)加負(fù)電壓、N區(qū)加正電壓反向偏置。PN結(jié)呈現(xiàn)高電阻，處于截止?fàn)顟B(tài)。+PN_+PN結(jié)I0第23頁/共59頁(1-25) 9. 2 半導(dǎo)體二極管9.2.1、基本結(jié)構(gòu)

9、PN結(jié)加上管殼和引線，就成為半導(dǎo)體二極管。引線外殼線觸絲線基片點(diǎn)接觸型第24頁/共59頁(1-26)PN結(jié)面接觸型PN第25頁/共59頁(1-27)9.2.2、伏安特性UI死區(qū)電壓 硅管0.6V,鍺管0.2V。導(dǎo)通壓降: 硅管0.60.7V,鍺管0.20.3V。反向擊穿電壓U(BR)第26頁/共59頁(1-28)9.2.3、主要參數(shù)（1）最大整流電流 IOM二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。（2）反向工作峰值電壓URWM它是保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓，一般是反向擊穿電壓的一半或三分之二。（3）反向峰值電流 IRM指二極管加反向峰值工作電壓時的反向電流。反向電流大，

10、說明管子的單向?qū)щ娦圆?，因此反向電流越小越好。?7頁/共59頁(1-29)例：二極管的應(yīng)用：圖中，輸入端A的電位為+3V，B的電位為0V。求：輸出端Y的電位VY。 電阻R接負(fù)電源-12V。解：因為A端電位比B端電位高，所以，DA優(yōu)先導(dǎo)通。若忽略二極管的正向?qū)▔航担瑒tVY = +3V當(dāng)DA導(dǎo)通后，DB上加的是反向電壓，因而截止。ABDAYDBR+3V0V-12V第28頁/共59頁(1-30)9.3 穩(wěn)壓管+穩(wěn)壓管是一種特殊的面接觸型半導(dǎo)體硅二極管。它在電路中與適當(dāng)數(shù)值的電阻配合后能起穩(wěn)定電壓的作用，故稱為穩(wěn)壓管。第29頁/共59頁(1-31)穩(wěn)壓管的伏安特性曲線：UI+正向+反向UZ穩(wěn)壓管工

11、作于反向擊穿區(qū)。穩(wěn)壓管的反向擊穿是可逆的。第30頁/共59頁(1-32)穩(wěn)壓管的主要參數(shù)：UIUZ（1）穩(wěn)定電壓 UZ穩(wěn)壓管在正常工作下管子兩端的電壓。第31頁/共59頁(1-33)穩(wěn)壓管的主要參數(shù)：UIUZ（2）穩(wěn)定電流 IZ穩(wěn)壓管在正常工作下通過的電流。對每種穩(wěn)壓管都規(guī)定一個最大穩(wěn)定電流IZM。IZIZM第32頁/共59頁(1-34)穩(wěn)壓管的主要參數(shù)：UIUZ（3）動態(tài)電阻 rZ動態(tài)電阻是指穩(wěn)壓管端電壓的變化量與相應(yīng)的電流變化量的比值。rZ = UZ / IZIZIZMUZIZ穩(wěn)壓管的反向伏安特性曲線越陡，則動態(tài)電阻越小，穩(wěn)壓性能越好。第33頁/共59頁(1-35)穩(wěn)壓管的主要參數(shù)：UIU

12、Z（4）最大允許耗散功率 PZM管子不致發(fā)生熱擊穿的最大功率損耗： PZM = UZIZMIZIZMUZIZ第34頁/共59頁(1-36)穩(wěn)壓管的主要參數(shù)：UIUZ（5）電壓溫度系數(shù)U（%/） 穩(wěn)壓值受溫度變化影響的的系數(shù)。IZIZMUZIZ第35頁/共59頁(1-37)9.4 半導(dǎo)體三極管9.4.1 基本結(jié)構(gòu)BECNNP基極發(fā)射極集電極NPN型BCE圖形符號T第36頁/共59頁(1-38)9.4 半導(dǎo)體三極管9.4.1 基本結(jié)構(gòu)PNP集電極基極發(fā)射極BCEPNP型BCE圖形符號T第37頁/共59頁(1-39)基區(qū)：較薄，摻雜濃度低集電區(qū)：面積較大發(fā)射區(qū)：摻雜濃度較高BECNNP基極發(fā)射極集電

13、極第38頁/共59頁(1-40)BECNNP基極發(fā)射極集電極發(fā)射結(jié)集電結(jié)第39頁/共59頁(1-41)9.4.2 電流分配和放大原理1實驗結(jié)論：1、發(fā)射極電流等于基極電流和集電極電流之和。即：IE=IB+IC 基爾霍夫定律 實驗線路RBECEBBCETVVUCEUBEmAAIBICmAIE基極電路集電極電路第40頁/共59頁(1-42)9.4.2 電流分配和放大原理實驗結(jié)論： 實驗線路mAAVVUCEUBERBIBECEBICBmACETIE2、大系數(shù)靜態(tài)電流（直流）放大系數(shù)動態(tài)電流（交流）放BCIIBCII晶體管的電流放大作用代替常用第41頁/共59頁(1-43)9.4.2 電流分配和放大原

14、理實驗結(jié)論： 實驗線路mAAVVUCEUBERBIBECEBICBmACETIE3、晶體管起放大作用的條件：發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置。第42頁/共59頁(1-44)（1）輸入特性：當(dāng)集射極電壓UCE為常數(shù)時，輸入電路中基極電流IB與基射極電壓UBE之間的關(guān)系曲線。IB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1V工作壓降： 硅管UBE0.60.7V,鍺管UBE0.20.3V。 死區(qū)電壓，硅管0.5V，鍺管0.2V。9.4.3 特性曲線ICUCEUBERBIBEC=UCCEBRC+_+_第43頁/共59頁(1-45)9.4.3 特性曲線ICUCEUBERBIBEC=UCCEBRC

15、+_+_（2）輸出特性：當(dāng)基極電流IB為常數(shù)時，集電極電流IC與集射極電壓UCE之間的關(guān)系曲線。IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A放大區(qū)（線性區(qū)）：IC=IB特點(diǎn)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。第44頁/共59頁(1-46)9.4.3 特性曲線ICUCEUBERBIBEC=UCCEBRC+_+_（2）輸出特性：當(dāng)基極電流IB為常數(shù)時，集電極電流IC與集射極電壓UCE之間的關(guān)系曲線。IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A飽和區(qū)：IC IB特點(diǎn)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏。CCCCCERUIU ，0第45頁/共5

16、9頁(1-47)9.4.3 特性曲線ICUCEUBERBIBEC=UCCEBRC+_+_（2）輸出特性：當(dāng)基極電流IB為常數(shù)時，集電極電流IC與集射極電壓UCE之間的關(guān)系曲線。IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A特點(diǎn)：發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。0CCCCEIUU，截止區(qū) : IB=0, UBE0UBC 0放大狀態(tài)BECIB=0IEIC 0+_+_UCE UCC+_UBE0UBC 0截止?fàn)顟B(tài)BECIBIE+_+_UCE0+_UBE0UBC 0CCCCRUI 飽和狀態(tài)第48頁/共59頁(1-50)9.4.4主要參數(shù)前面的電路中，三極管的發(fā)射極是輸入輸出

17、的公共點(diǎn)，稱為共射接法，相應(yīng)地還有共基、共集接法。共射直流電流放大倍數(shù)：BC_II 1.電流放大倍數(shù) 和 第49頁/共59頁(1-51)工作于動態(tài)的三極管，真正的信號是疊加在直流上的交流信號?；鶚O電流的變化量為IB，相應(yīng)的集電極電流變化為IC，則交流電流放大倍數(shù)為：BIIC 第50頁/共59頁(1-52)例：UCE=6V時：IB=40A, IC=1.5mA； IB=60 A, IC=2.3mA。5 .3704. 05 . 1IIBC_ 4004. 006. 05 . 13 . 2IIBC 在以后的計算中，一般作近似處理：= 第51頁/共59頁(1-53)2.集-基極反向截止電流ICBOAICBOICBO是當(dāng)發(fā)射極開路時流經(jīng)集電結(jié)的反向電流，其值很小。第52頁/共59頁(1-54)3.集-射極反向截止電流ICEOAICEOICEO是當(dāng)基極開路時的集電極電流，也稱為穿透電流，其值很小。第53頁/共59頁(1-55)4.集電極最大電流ICM集電極電流IC上升會導(dǎo)致三極管的值的下降，當(dāng)值下