半導(dǎo)體二極管和三極管課件

1、第二部分第二部分 電子技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)電子技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)模塊一 半導(dǎo)體二極管和三極管模塊二 基本放大電路 模塊三 集成運(yùn)算放大器 模塊四 直流穩(wěn)壓電路 模塊五 數(shù)字邏輯電路 模塊六 時(shí)序邏輯電路 模塊七 555定時(shí)器及其應(yīng)用 模塊八 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路 模塊一 半導(dǎo)體二極管和三極管項(xiàng)目一 半導(dǎo)體基本知識(shí) 自然界中容易導(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(lèi)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。 半導(dǎo)體具有獨(dú)特的導(dǎo)電性能。它對(duì)溫度和光的反應(yīng)特別靈敏，當(dāng)溫度升高或光照時(shí)，它的導(dǎo)電能力會(huì)顯著增

2、加。特別是，如果在純凈的半導(dǎo)體中加入適量的微量雜質(zhì)后，其導(dǎo)電能力可增加數(shù)十萬(wàn)倍以上。這些特性表明，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力在不同條件下有很大的差別，可以人為地加以控制，這就使半導(dǎo)體能夠得以廣泛地應(yīng)用。 1.本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 半導(dǎo)體中存在兩種載流子：一種是帶負(fù)電的自由電子,另一種是帶正電的空穴。它們?cè)谕怆妶?chǎng)的作用下都有定向移動(dòng)的效應(yīng)，都能運(yùn)載電荷形成電流通常稱為載流子。金屬導(dǎo)體內(nèi)的載流子只有一種，就是自由電子，但數(shù)目很多，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)半導(dǎo)體中載流子的數(shù)量，所以金屬導(dǎo)體的導(dǎo)電性能比半導(dǎo)體好。 本征半導(dǎo)體又稱為純凈半導(dǎo)體，其內(nèi)部空穴的數(shù)量和自由電子的數(shù)量相等。例如，硅單晶體、鍺單晶體，就是純凈半導(dǎo)體。2.雜

3、質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體導(dǎo)電能力很差，但如果在本征半導(dǎo)體摻入微量的其他元素的原子，就會(huì)使其導(dǎo)電能力大大提高。這些微量元素的原子稱為雜質(zhì)。常用的雜質(zhì)為三價(jià)和五價(jià)元素，如硼、磷等。摻入雜質(zhì)后形成的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。根據(jù)摻入雜質(zhì)的不同，雜質(zhì)半導(dǎo)體有N型和P型兩種。 （1）N型半導(dǎo)體 在純凈的硅（或鍺）晶體中，摻入少量五價(jià)元素，如磷、砷等。由于空穴數(shù)量遠(yuǎn)少于自由電子數(shù)量，故自由電子被稱為多數(shù)載流子（簡(jiǎn)稱多子），空穴被稱為少數(shù)載流子（簡(jiǎn)稱少子）。這種雜質(zhì)半導(dǎo)體主要以電子導(dǎo)電為主，稱為電子半導(dǎo)體，簡(jiǎn)稱N型半導(dǎo)體。 （2）P型半導(dǎo)體 在純凈的硅（或鍺）晶體中，摻入少量三價(jià)元素，如硼、鋁等，硼原子等

4、。使半導(dǎo)體中出現(xiàn)大量空穴。由于空穴數(shù)量遠(yuǎn)多于自由電子的數(shù)量，故空穴被稱為多數(shù)載流子，自由電子被稱為少數(shù)載流子。這種雜質(zhì)半導(dǎo)體主要靠空穴導(dǎo)電，稱為空穴半導(dǎo)體，簡(jiǎn)稱P型半導(dǎo)體。項(xiàng)目二 PN結(jié)1.PN結(jié)的形成結(jié)的形成 P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)，如圖1-1所示。半導(dǎo)體內(nèi)的載流子發(fā)生擴(kuò)散：結(jié)果是在N區(qū)留下帶正電的離子（圖中用 表示），而P區(qū)留下帶負(fù)電的離子（圖中用表示），它們集中在交界面兩側(cè)形成一個(gè)很薄的空間電荷區(qū)，在就是PN結(jié)。2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦裕?）PN結(jié)外加正向電壓 如圖1-2所示，電源的正極接P區(qū)，負(fù)極接N區(qū)。這種接法叫做給PN結(jié)外加正向電壓，又叫正向偏置，簡(jiǎn)稱正偏。

5、這時(shí)外加電壓在耗盡層中建立的外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向相反，削弱了內(nèi)電場(chǎng)，使空間電荷區(qū)變窄，使多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)大于少數(shù)載流子漂移的運(yùn)動(dòng)。在電源的作用下，多數(shù)載流子就能越過(guò)空間電荷區(qū)形成較大的擴(kuò)散電流。這個(gè)電流從電源的正極流入P區(qū)，經(jīng)過(guò)PN結(jié)由N區(qū)流回電源的負(fù)極，稱為正向電流。PN結(jié)處于導(dǎo)通（導(dǎo)電）狀態(tài)，此時(shí)PN結(jié)呈現(xiàn)的電阻稱為正向電阻。由于多數(shù)載流子濃度較大，當(dāng)外加電壓不太高時(shí)就可以形成很大的正向電流，所以PN結(jié)的正向電阻較小。 （2）PN結(jié)外加反向電壓 如圖1-3所示，電源的正極接N區(qū)，負(fù)極接P區(qū)。這種接法叫做給PN結(jié)外加反向電壓，又叫反向偏置，簡(jiǎn)稱反偏。這時(shí)外加電壓在耗盡層中建立的外電場(chǎng)與內(nèi)電

6、場(chǎng)方向一致，增強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng)，使空間電荷區(qū)加寬，多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)難于進(jìn)行，但有利于少數(shù)載流子漂移的運(yùn)動(dòng)。在外電場(chǎng)的作用下，N區(qū)的少數(shù)載流子空穴越過(guò)PN結(jié)進(jìn)入P區(qū)，P區(qū)的少數(shù)載流子自由電子越過(guò)PN結(jié)進(jìn)入N區(qū)，形成了漂移電流，這個(gè)電流由N區(qū)流向P區(qū)，故稱為反向電流。由于少數(shù)載流子濃度很小，即使它們?nèi)科疲浞聪螂娏鬟€是很小的，PN結(jié)基本上可認(rèn)為不導(dǎo)電，處于截止?fàn)顟B(tài)。此時(shí)的電阻稱為反向電阻，它的數(shù)值很大。 由上述分析可知，PN結(jié)加正向電壓時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)，PN結(jié)加反向電壓時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)，在就是PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴?項(xiàng)目三項(xiàng)目三 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管 半導(dǎo)體二極管（簡(jiǎn)稱二極管）是由一個(gè)PN結(jié)加上電

7、極引線和管殼構(gòu)成的。表示符號(hào)如圖1-4所示。 半導(dǎo)體二極管按結(jié)構(gòu)可分為點(diǎn)接觸型和面接觸型兩類(lèi)。 （1）點(diǎn)接觸型：其特點(diǎn)是PN結(jié)面積很小，因而結(jié)電容很小，其高頻性能好，但不能通過(guò)大電流，主要用于高頻檢波和小電流的整流等。 （2）面接觸型：其特點(diǎn)是PN結(jié)面積大，因而結(jié)電容大，不適應(yīng)工作在高頻，只能在低頻工作，但允許通過(guò)較大電流，主要用于整流電路。 半導(dǎo)體二極管按所用材料的不同又可分為硅二極管（如2CP型）和鍺二極管（如2AP型）兩種。 2.伏安特性伏安特性 二極管的伏安特性是指加到二極管兩端的電壓和通過(guò)二極管的電流之間的關(guān)系曲線。可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)出，如圖1-5所示?？梢钥闯觯O管的伏安特性是非線性的

8、，正反向?qū)щ娦阅懿町惡艽蟆?（1）正向特性 正向特性起始部分的電流幾乎為零。這是因?yàn)橥饧诱螂妷狠^小，外電場(chǎng)還不足以克服內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多數(shù)載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻力，二極管呈現(xiàn)較大的電阻所造成的。當(dāng)正向電壓超過(guò)某一值后，正向電流增長(zhǎng)得很快，稱為正向?qū)?，該電壓值稱為死區(qū)電壓。其大小與材料和溫度有關(guān)，通常，硅管的死區(qū)電壓約為0.5伏，鍺管約為0.1伏。正向?qū)〞r(shí)，硅管的壓降約為0.6-0.8伏，鍺管的壓降約為0.2-0.3伏。理想二極管可近似認(rèn)為正向電阻為零。 （2）反向特性 當(dāng)外加反向電壓時(shí)，由于少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)，形成很小的反向電流。它有兩個(gè)特點(diǎn)：一是隨溫度的上升增加很快；二是反向電壓在一定的范圍內(nèi)變

9、化，反向電流基本不變。 當(dāng)外加反向電壓過(guò)高時(shí)，由于受到外加強(qiáng)電場(chǎng)的作用，載流子的數(shù)目會(huì)因?yàn)楣矁r(jià)鍵中的部分價(jià)電子被自由電子碰擊或被外加強(qiáng)電場(chǎng)拉出而急劇增加，造成反向電流急劇增加，二極管失去單向?qū)щ娦?，這種現(xiàn)象稱為反向擊穿。相應(yīng)的反向電壓稱為反向擊穿電壓。二極管反向擊穿一般是可逆的，但反向電流超過(guò)允許值，發(fā)生熱擊穿時(shí)會(huì)損壞。 3.主要參數(shù)主要參數(shù) 描述二極管特性的物理量，稱為二極管的參數(shù)。它是表示二極管的性能及適用范圍的數(shù)據(jù)，是正確選擇和使用二極管的重要依據(jù)。二極管的主要參數(shù)有： （1）最大整流電流IFM IFM是指二極管長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)允許通過(guò)的最大正向平均電流。它是由PN結(jié)的結(jié)面積和外界散熱條件決定

10、的。當(dāng)電流超過(guò)允許值時(shí)，容易造成PN結(jié)過(guò)熱而燒壞管子。 （2）最大反向工作電壓URM URM是指二極管在使用所允許加的最大反向電壓。超過(guò)此值時(shí)二極管就有可能發(fā)生反向擊穿。通常取反向擊穿電壓的一半值作為URM。 （3）最大反向電流IRM IRM是指在給二極管加最大反向工作電壓時(shí)的反向電流值。IRM越小,說(shuō)明二極管的單向?qū)щ娦栽胶茫酥凳軠囟鹊挠绊戄^大。 4 4特殊二極管特殊二極管 （1）穩(wěn)壓管 穩(wěn)壓管是一種特殊的面接觸型硅二極管。由于它在電路中與適當(dāng)?shù)碾娮璐?lián)后，在一定的電流變化范圍內(nèi)，其兩端的電壓相對(duì)穩(wěn)定，故稱為穩(wěn)壓管。其表示符號(hào)和伏安特性如圖1-8所示。 圖1-8 穩(wěn)壓管 穩(wěn)壓管的伏安特性普

11、通二極管的相似，不同的是反向特性曲線比較陡。穩(wěn)壓管正是工作在特性曲線的反向擊穿區(qū)域。從特性曲線可以看出，在擊穿狀態(tài)下，流過(guò)管子的電流在一定的范圍內(nèi)變化，而管子兩端的電壓變化很小，利用這一點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。穩(wěn)壓管與一般二極管不一樣，它的反向擊穿是可逆的。但是當(dāng)反向電流超過(guò)允許值時(shí)，穩(wěn)壓管將會(huì)發(fā)生熱擊穿而損壞。 穩(wěn)壓管的主要參數(shù)： 穩(wěn)定電壓UZ UZ指穩(wěn)壓管反向電流為規(guī)定值時(shí)，穩(wěn)壓管兩端的反向電壓。由于半導(dǎo)體器件參數(shù)的分散性，同一型號(hào)的穩(wěn)壓管，UZ的值也不完全相同，它一般是給出一個(gè)范圍。但就某一管子而言，UZ應(yīng)為確定值。 穩(wěn)定電流IZ IZ是指穩(wěn)壓管在正常工作時(shí)的電流值，其中：IZmin為最小穩(wěn)定電

12、流，低于此值時(shí)穩(wěn)壓效果差，甚至失去穩(wěn)壓作用。IZmax為最大穩(wěn)定電流，高于此值時(shí)穩(wěn)壓管易擊穿而損壞。當(dāng)穩(wěn)壓管的電流在IZmin與IZmax之間時(shí)穩(wěn)壓性能最好。 動(dòng)態(tài)電阻RZ RZ定義為 RZ=UZ/IZ。對(duì)同一管子而言，RZ值越小，特性曲線就越陡，穩(wěn)壓性能就越好。只有當(dāng)限流電阻R取值合適時(shí)，穩(wěn)壓管才能安全地工作在穩(wěn)壓狀態(tài)。 （2 2）發(fā)光二極管）發(fā)光二極管 發(fā)光二極管是一種應(yīng)用廣泛的特殊二極管。發(fā)光的材料不是硅晶體或鍺晶體，而是利用化合物如砷化鎵、磷化鎵等。在電路中，當(dāng)有正向電流流過(guò)時(shí)，能發(fā)出一定波長(zhǎng)范圍的光。目前發(fā)光管可以發(fā)出從紅外到可見(jiàn)波段的光。其電特性與普通二極管類(lèi)似。使用時(shí)，通常需串接

13、合適的限流電阻。（a）發(fā)光二極管 （b）光電二極管圖1-10發(fā)光二極管和光電二極管 目前市場(chǎng)上有發(fā)紅、黃、綠、藍(lán)等單色光的發(fā)光二極管和變色二極管。其表示符號(hào)見(jiàn)圖1-10（a）所示。 （3）光電二極管）光電二極管 光電二極管又稱光敏二極管，是一種具有隨光照強(qiáng)度的增加，其反向電流上升的電特性。其表示符號(hào)和伏安特性如圖1-10（b）所示。 項(xiàng)目四 半導(dǎo)體三極管1. 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體三極管（簡(jiǎn)稱三極管）又稱為晶體管。其基本結(jié)構(gòu)是由兩個(gè)PN結(jié)組成。三極管有NPN和PNP型兩種。其結(jié)構(gòu)和表示符號(hào)如圖1-11所示。 從圖中可以看出，三極管有發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)三個(gè)區(qū)，分別引出發(fā)射極e、基極b和集電極

14、c。發(fā)射區(qū)和基區(qū)之間的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)，集電區(qū)和基區(qū)之間的PN結(jié)稱為集電結(jié)。 為了保證三極管具有電流放大作用，三極管制造工藝的特點(diǎn)是：發(fā)射區(qū)是高濃度摻雜區(qū)，基區(qū)很薄且雜質(zhì)濃度很低，集電結(jié)結(jié)面積大。2. 放大原理放大原理 圖1-12所示是NPN型三極管的電路接線圖。從基極經(jīng)過(guò)發(fā)射極組成的回路稱為輸入電路，從集電極經(jīng)過(guò)發(fā)射極組成的回路稱為輸出電路。由于發(fā)射極為兩個(gè)電路的公共端，所以稱為共發(fā)射極電路。正常工作在放大區(qū)時(shí)發(fā)射結(jié)加的是正向電壓，稱為正向偏置（正偏）；而集電結(jié)加的是反向電壓，稱為反向偏置（反偏）。 下面從分析載流子的運(yùn)動(dòng)狀況來(lái)了解三極管的電流放大作用。 （1）發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射電子（2）電子

15、在基區(qū)擴(kuò)散和復(fù)合（3）集電區(qū)收集電子 由圖1-12可知，ICN代表從發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)而擴(kuò)散到集電區(qū)的電子流，IBN代表從發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)被復(fù)合而形成的電子流。三極管制成后，ICN 與IBN的比例關(guān)系是確定的。由于基區(qū)很薄摻濃度很低，所以ICN IBN。故ICN 與IBN的比值是一個(gè)遠(yuǎn)大于1的常數(shù)，這個(gè)常數(shù)稱之為共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)，用 表示。 反映了基極電流與集電極電流的分配關(guān)系，也就是基極電流對(duì)集電極電流的控制關(guān)系。所以三極管是一個(gè)電流控制器件，當(dāng)IB有較小的變化時(shí)，將會(huì)引起IC很大的變化。 綜合上述，要使三極管能起正常的放大作用，發(fā)射結(jié)必須加正向偏置，集電結(jié)必須加反向偏置。對(duì)于PNP型

16、三極管所接電源極性正好與NPN相反。3.特性曲線特性曲線 三極管的特性曲線是各電極電壓與電流之間的關(guān)系曲線。它反映了三極管的外部性能，是分析放大電路的重要依據(jù)。特性曲線主要有輸入特性曲線和輸出特性曲線。這些特性曲線可用晶體管特性圖示儀進(jìn)行顯示或通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)繪出來(lái)。圖1-13是共發(fā)射極接法時(shí)的輸入特性曲線和輸出特性曲線的實(shí)驗(yàn)電路圖。 （1）輸入特性曲線 輸入特性曲線是指當(dāng)集射極電壓UCE為一定值時(shí)，基極電流IB與基射極電壓UBE之間的關(guān)系曲線。即 IB=f（UBE）UCE=常數(shù) 如圖1-14所示。其特點(diǎn)是： 當(dāng)UCE=0V時(shí)，集電極與發(fā)射極短接，相當(dāng)于兩個(gè)二極管并聯(lián)，輸入特性類(lèi)似于二極管的正向伏安

17、特性。 當(dāng)0UCE1V時(shí)，集電結(jié)處于反向偏置，其吸引電子的能力加強(qiáng)，使得從發(fā)射區(qū)進(jìn)入基區(qū)的電子更多地流向集電區(qū)，因此對(duì)應(yīng)于相同的UBE流向集極的電流IB比原來(lái)UCE=0時(shí)減小了，特性曲線右移，如圖1-14所示 實(shí)際上，對(duì)一般的NPN型硅管，當(dāng)UCE1伏時(shí)，只要UBE保持不變，則從發(fā)射區(qū)發(fā)射到基區(qū)的電子數(shù)目一定，而集電結(jié)所加的反向電壓大到1伏后，已能把這些電子中的絕大部分吸引到集電極，所以即使UCE再增加，IB也不會(huì)有明顯的變化，因此UCE1伏以后的特性曲線基本上重合。 從圖1-14可見(jiàn)，三極管的輸入特性曲線和二極管的伏安特性曲線一樣，也有一段死區(qū)。只有當(dāng)發(fā)射結(jié)的外加電壓大于死區(qū)電壓時(shí)，三極管才會(huì)有基極電流IB。硅管的死區(qū)電壓約為0.5伏,鍺管約為0.10.2伏。在正常工作情況下，硅管的發(fā)射結(jié)電壓UBE=0.60.7伏，鍺管的發(fā)射結(jié)電壓UBE=-0.2-0.3伏。 （2）輸出特性曲線 輸出特性曲線是指基極電流IB為一定值時(shí)，集電極電流IC與集射極電壓UCE之間的關(guān)系曲線。即 IC =f（UCE）IB=常數(shù) 當(dāng)IB為不同值時(shí)，可得到不同的特性曲線，所以三極管輸出特性曲線是