第14章二極管和晶體管PPT課件

1、 理解PNPN結(jié)的單向?qū)щ娦?；了解二極管、穩(wěn)壓二極管和晶體管的基本構(gòu)造、工作原理和主要特性曲線，理解主要參數(shù)的意義；理解晶體管的電流分配和放大作用。 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，半?dǎo)體三極管電流分配和放大作用。第1頁/共41頁 半導(dǎo)體三極管電流分配和放大作用，工作原理和主要特性曲線。講課4 4學(xué)時(shí)，習(xí)題1 1學(xué)時(shí)。 第2頁/共41頁摻雜性：在純凈的半導(dǎo)體中摻入微量雜質(zhì)，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力增加幾十萬乃至幾百萬倍（據(jù)此可做成各種不同用途的半導(dǎo)體器件，如二極管、晶體管等）。光敏性：當(dāng)受到光照時(shí)，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力顯著增強(qiáng) （據(jù)此可做成各種光敏元件，如光敏二極管等）。熱敏性：當(dāng)環(huán)境溫度增高時(shí)，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力顯著

2、增強(qiáng)（據(jù)此可做成各種熱敏元件，如熱敏電阻等）。14.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性第3頁/共41頁 完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體，稱為本征半導(dǎo)體。共價(jià)健硅原子價(jià)電子共價(jià)鍵：每一原子的一個(gè)價(jià)電子與另一原子的一個(gè)價(jià)電子組成一個(gè)電子對(duì)。14.1 14.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性硅單晶中的共價(jià)健結(jié)構(gòu) Si Si Si Si第4頁/共41頁價(jià)電子獲得一定能量( (溫度增高或受光照) )后，即可掙脫原子核的束縛( (電子受到激發(fā)) )，成為自由電子自由電子。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理空穴自由電子 此時(shí)，共價(jià)鍵中就留下一個(gè)空位，稱為空穴空穴。中性的原子被破壞而顯出帶正電。14.

3、1 14.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性空穴和自由電子的形成 Si Si Si Si 溫度愈高，晶體中產(chǎn)生的自由電子便愈多。第5頁/共41頁 在外電場(chǎng)的作用下，有空穴的原子吸引相鄰原子中的價(jià)電子來填補(bǔ)這個(gè)空穴，同時(shí)失去一個(gè)價(jià)電子的相鄰原子的共價(jià)鍵中出現(xiàn)另一個(gè)空穴。14.1 14.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性空穴自由電子空穴和自由電子的形成 Si Si Si Si 如此繼續(xù)下去，就好象空穴在運(yùn)動(dòng)，其方向與價(jià)電子運(yùn)動(dòng)的方向相反，因此空穴運(yùn)動(dòng) 相當(dāng)于正電荷的運(yùn)動(dòng)。第6頁/共41頁 當(dāng)半導(dǎo)體兩端加上外電壓時(shí)，半導(dǎo)體中將出現(xiàn)兩部分電流： 自由電子作定向運(yùn)動(dòng)形成的電子電流； 仍被原子核束縛的

4、價(jià)電子遞補(bǔ)空穴所形成的空穴電流。統(tǒng)稱為載流子自由電子空穴14.1 14.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性 半導(dǎo)體和金屬在導(dǎo)電原理上的本質(zhì)差別：在半導(dǎo)體中，同時(shí)存在著電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電。 第7頁/共41頁 溫度愈高，載流子數(shù)目愈多，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能也就愈好。所以，溫度對(duì)半導(dǎo)體器件性能影響很大。 本征半導(dǎo)體中的載流子數(shù)量極少，導(dǎo)電能力仍然很低。 本征半導(dǎo)體中的自由電子和空穴總是成對(duì)出現(xiàn)，同時(shí)又不斷復(fù)合。 在一定的溫度下，載流子的產(chǎn)生和復(fù)合達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，于是半導(dǎo)體中的載流子便維持一定的數(shù)目。注意注意14.1 14.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性第8頁/共41頁 摻雜后的自由電子數(shù)目大量增加

5、，自由電子導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式，稱為電子半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體。在單晶硅中摻入微量磷失去一個(gè)電子變?yōu)檎纂x子 在本征半導(dǎo)體中摻入微量的雜質(zhì)( (某種元素) )，形成雜質(zhì)半導(dǎo)體，其導(dǎo)電性能大大增強(qiáng)。 在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。14.1 14.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性 Si Si Si Si P多余電子 P+常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮拥?頁/共41頁N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體都是中性的，對(duì)外不顯電性。14.1 14.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性 摻雜后的空穴數(shù)目大量增加，空穴導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式，稱為空穴半導(dǎo)體或 P型半導(dǎo)體。在單晶硅中摻

6、入微量硼獲得一個(gè)電子變?yōu)樨?fù)硼離子 在 P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子。 Si Si Si Si多余空位吸引相鄰原子中的價(jià)電子填補(bǔ)它，則相鄰原子出現(xiàn)空穴 B B-第10頁/共41頁14.2 PN結(jié)及其單向?qū)щ娦越Y(jié)及其單向?qū)щ娦訮N結(jié)PN 在一塊N型( (P型) )半導(dǎo)體的局部再摻入濃度較大的三價(jià)( (五價(jià)) )雜質(zhì)，使其變?yōu)镻型( (N型) )半導(dǎo)體。 在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的交界面就形成一個(gè)特殊的薄層，稱為PN結(jié)。第11頁/共41頁14.2 PN14.2 PN結(jié)及其單向?qū)щ娦越Y(jié)及其單向?qū)щ娦訧RPNI0RPN P區(qū)的多子空穴和N區(qū)的多子自由電子通過PN結(jié)進(jìn)入對(duì)方，形成較大

7、的正向電流，PN結(jié)導(dǎo)通。 P區(qū)的少子自由電子和N區(qū)的少子空穴通過PN結(jié)進(jìn)入對(duì)方，形成極小的反向電流，PN結(jié)截止。正向?qū)ǎ聪蚪刂沟?2頁/共41頁14.3 二極管二極管 點(diǎn)接觸型( (一般為鍺管) ) 面接觸型( (一般為硅管) ) 結(jié)面積小、結(jié)電容小、正向電流小，適用于高頻和小功率工作，也用作數(shù)字電路中的開關(guān)元件。 結(jié)面積大、結(jié)電容大、正向電流大，適用于低頻整流電路。陽極引線外殼觸絲N型鍺片陰極引線N型硅陽極引線陰極引線PN結(jié)金銻合金底座鋁合金小球第13頁/共41頁14.3 14.3 二極管二極管 平面型 用于大功率整流管和數(shù)字電路中的開關(guān)管。P型硅N型硅陽極引線陰極引線SiO2保護(hù)層陽極

8、陰極D 符號(hào) 整流二極管穩(wěn)壓二極管開關(guān)二極管第14頁/共41頁反向擊穿特性硅管鍺管0.1V反向擊穿電壓U( (BR) )導(dǎo)通壓降 外加正向電壓只有大于死區(qū)電壓，二極管才能導(dǎo)通。 外加電壓大于反向擊穿電壓，二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦?。正向特性反向飽和特性?鍺0.2死區(qū)電壓( (開啟電壓) )14.3 14.3 二極管二極管D+-D+-U/ /VI/ /mAO 外加正向電壓很低時(shí)正向電流極小。 反向飽和電流在一定電壓范圍內(nèi)幾乎與反向電壓的高低無關(guān)，其大小基本恒定。第15頁/共41頁 最大整流電流 IOM 反向工作峰值電壓URWM 反向峰值電流IRM 二極管長時(shí)間使用時(shí)，允許流過二極管的最大正向

9、平均電流。 它是保證二極管不被擊穿，其值一般是反向擊穿電壓的一半或三分之二。 它是指在二極管上加反向工作峰值電壓時(shí)的反向電流值。反向電流受溫度的影響大，其值愈小愈好。14.3 14.3 二極管二極管第16頁/共41頁分析方法：將二極管斷開。若 V陽 V陰，則二極管導(dǎo)通；若 V陽 VB，所以DA優(yōu)先導(dǎo)通。解：14.3 14.3 二極管二極管ADBDRAVBVYVV12V0V3 若考慮二極管的正向壓降( (設(shè)為) )，則VY ，顯然DA導(dǎo)通后，DB上加的是反向電壓，因而DB截止。 在這里，DA起鉗位作用，把Y端的電位鉗住在；DB起隔離作用，把輸入端B和Y隔離開來。第19頁/共41頁解：例3：如圖，

10、二極管的正向壓降可忽略不計(jì)，試畫出輸出電壓uo的波形。Vsin10itu Rou+-+-DV5O5uotui1014.3 14.3 二極管二極管 將二極管D斷開，則其陽極電位為ui，陰極電位為+5V。 若ui5V，則二極管導(dǎo)通，此時(shí)uo= ui 。 若ui VB VE 電流分配和放大原理電流分配和放大原理外部條件PNP型晶體管：VC VB VE 內(nèi)部條件基區(qū)很薄，摻雜濃度很低；發(fā)射區(qū)摻雜濃度很高；集電區(qū)結(jié)面積大。14.5 14.5 晶體管晶體管第25頁/共41頁 擴(kuò)散到基區(qū)的自由電子多數(shù)擴(kuò)散到集電結(jié)。 擴(kuò)散到基區(qū)的自由電子極少數(shù)與基區(qū)的空穴復(fù)合。 基區(qū)中受激發(fā)的價(jià)電子不斷被電源( (基區(qū)接電源

11、正極) )拉走，這相當(dāng)于不斷補(bǔ)充基區(qū)中被復(fù)合掉的空穴，形成電流IBE 。集電極電流IC ICE 從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)并到達(dá)集電結(jié)邊緣的自由電子被拉入集電區(qū)形成電流ICE。 集電結(jié)反偏，少子形成反向電流ICBO?；鶚O電流IBIBE 基區(qū)向發(fā)射區(qū)擴(kuò)散空穴( (多數(shù)載流子) )極少，可忽略。形成發(fā)射極電流IE 發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴(kuò)散自由電子( (多數(shù)載流子) )。IEIBIBEBECNNPEBRBECICEICBOIC 載流子在晶體管內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)規(guī)律14.5 14.5 晶體管晶體管第26頁/共41頁CBEIIIBCII（動(dòng)態(tài)電流放大系數(shù)）14.5 14.5 晶體管晶體管IB/ /mAIC/ /mA

12、IE/ /mA00.020.040.060.080.100.0010.701.502.303.103.950.0010.721.542.363.184.05晶體管電流測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)論：BCII（靜態(tài)電流放大系數(shù)） 當(dāng)IB = 0( (即基極開路) )時(shí)，IC = ICEO。第27頁/共41頁 用來表示晶體管各極電壓和電流之間的相互關(guān)系，它反映出晶體管的性能，是分析放大電路的重要依據(jù)。 以最常用的共發(fā)射極接法時(shí)的實(shí)驗(yàn)線路分析晶體管的輸入特性曲線和輸出特性曲線。 特性曲線特性曲線14.5 14.5 晶體管晶體管 測(cè)繪晶體管特性曲線的實(shí)驗(yàn)線路+-+UBEIBEBUCEEC3DG100-ICIERBmAm

13、AVVABEC第28頁/共41頁常數(shù)CE)(BEBUUfI 輸入特性曲線14.5 14.5 晶體管晶體管IB/ / AUBE/ /V204060800.40.8UCE1VO 正常工作下的發(fā)射結(jié)電壓：NPN型硅管：UBE PNP型鍺管：UBE=- -0.2V- - 死區(qū)電壓：硅管，鍺管。 對(duì)硅管而言，當(dāng)UCE1V時(shí)集電結(jié)已反向偏置，而基區(qū)又很薄，可把從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)的電子中的絕大部分拉入集電區(qū)。此后，UCE對(duì)IB就不再有明顯的影響。第29頁/共41頁飽和區(qū)20 A36IC/ /mA1234UCE/ /V912O2.31.5IB=0 040 A60 A80 A100 AQ1Q2放大區(qū)常數(shù)B)(C

14、ECIUfI放大區(qū)（線性區(qū)） 輸出特性曲線e結(jié)正偏、c結(jié)反偏。截止區(qū)14.5 14.5 晶體管晶體管 ，IC近似恒定。BCII截止區(qū)IB=0的曲線以下的區(qū)域。IC0，發(fā)射極與集電極之間如同一個(gè)開關(guān)的斷開。e結(jié)與c結(jié)均反偏。第30頁/共41頁 飽和區(qū)14.5 14.5 晶體管晶體管飽和區(qū)20 A36IC/ /mA1234UCE/ /V912O2.31.5IB=0 040 A60 A80 A100 AQ1Q2放大區(qū)截止區(qū)e結(jié)與c結(jié)均正偏。 UCE0，發(fā)射極與集電極之間如同一個(gè)開關(guān)的接通。UCE UBE ， 。BCII 可見，晶體管工作在放大狀態(tài)，具有放大作用；工作在飽和狀態(tài)或截止?fàn)顟B(tài)，具有開關(guān)作用

15、。第31頁/共41頁靜態(tài)電流( (直流) )放大系數(shù)：BCIIBCII動(dòng)態(tài)電流( (交流) )放大系數(shù)： 當(dāng)晶體管接成共發(fā)射極電路時(shí)，在靜態(tài)（無輸入信號(hào)）時(shí)，有 主要參數(shù)主要參數(shù)14.5 14.5 晶體管晶體管 晶體管的參數(shù)可以表示晶體管的特性，也是設(shè)計(jì)電路、選用晶體管的依據(jù)。 電流放大系數(shù) ， 在動(dòng)態(tài)（有輸入信號(hào)）時(shí)，有第32頁/共41頁14.5 14.5 晶體管晶體管常用晶體管的 值在20 200之間20 A36IC/ /mA1234UCE/ /V912O2.31.5IB=0 040 A60 A80 A100 AQ1Q2 例：如圖給出3DG100晶體管的輸出特性曲線，計(jì)算Q1點(diǎn)處的 ；由Q

16、1和Q2兩點(diǎn)，計(jì)算 。解：5 .3704. 05 . 1BCII4004. 006. 05 . 13 . 2BCII 和 的含義不同，但在輸出特性曲線近于平行等距且ICEO較小的情況下，兩者數(shù)值較為接近（ ）。 第33頁/共41頁 集- -基極反向截止電流 ICBO 集- -射極反向截止電流ICEO （又稱穿透電流） ICBO是當(dāng)發(fā)射極開路時(shí)由于集電結(jié)處于反偏，集電區(qū)和基區(qū)中的少數(shù)載流子向?qū)Ψ竭\(yùn)動(dòng)所形成的電流。它受溫度的影響大，其值越小越好。 集電極最大允許電流 ICM 集電極電流 IC 超過一定值時(shí)，晶體管的 值下降到正常數(shù)值的三分之二時(shí)的集電極電流。14.5 14.5 晶體管晶體管 ICE

17、O是當(dāng)基極開路、集電結(jié)處于反偏和發(fā)射結(jié)處于正偏時(shí)的集電極電流，其值越小越好。第34頁/共41頁 集- -射極反向擊穿電壓U( (BR) )CEO 基極開路時(shí)，加在集電極和發(fā)射極之間的最大允許電壓。 當(dāng)UCEU( (BR) )CEO時(shí)，ICEO突然大幅度上升，說明晶體管已被擊穿。 集電極最大允許耗散功耗PCM 當(dāng)晶體管因受熱而引起的參數(shù)變化不超過允許值時(shí)，集電極所消耗的最大功率，它主要受結(jié)溫Tj的限制。 PCM =IC UCE14.5 14.5 晶體管晶體管第35頁/共41頁 以上所討論的幾個(gè)參數(shù)中： 和 ICBO(ICEO)是表明晶體管優(yōu)劣的主要指標(biāo)； ICM ，U( (BR) )CEO和PC

18、M都是極限參數(shù)，用來說明晶體管的使用限制。14.5 14.5 晶體管晶體管ICUCEOICMICEOU( (BR) )CEOPCM安全工作區(qū)晶體管的安全工作區(qū) 由ICM， U( (BR) )CEO， PCM 三者共同確定晶體管的安全工作區(qū)。第36頁/共41頁14.6 光電器件光電器件 當(dāng)在發(fā)光二極管( (LED) )上加正向電壓并有足夠大的正向電流時(shí)，就能發(fā)出清晰的光。這是由于電子與空穴復(fù)合而釋放能量的結(jié)果。 符號(hào) 光的顏色視做成PN結(jié)的材料和發(fā)光的波長而定，而波長與材料的濃度有關(guān)。 發(fā)光二極管的工作電壓為1.53V，工作電流為幾毫安到十幾毫安，壽命很長，一般作顯示用。第37頁/共41頁14.6 14.6 光電器件光電器件 光電二極管是利用PN結(jié)的光敏特性，將接收到的光的變化轉(zhuǎn)換為電流的變化。 光電二極管是在反向電壓作用下工作的。 當(dāng)無光照時(shí)，和普通二極管一樣，其反向電流很小，稱為暗電流。 當(dāng)有光照時(shí)，產(chǎn)生的反向電流稱為光電流。