電工電子-第9章

1、第第 9 章章 半導(dǎo)體二極管和三極管半導(dǎo)體二極管和三極管9.2 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管 9.3 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管9.4 半導(dǎo)體三極管半導(dǎo)體三極管9.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性退出退出9.4 半導(dǎo)體三極管半導(dǎo)體三極管9.5 光電器件光電器件第第 9 章章 半導(dǎo)體二極管和三極管半導(dǎo)體二極管和三極管9.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性共價(jià)健共價(jià)健 Si Si Si Si價(jià)電子價(jià)電子 Si Si Si Si價(jià)電子價(jià)電子這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)?？昭昭ㄗ杂呻娮幼杂呻娮?Si Si Si Sip+多多余余電電子子磷原子磷原子在常溫下即可在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮幼優(yōu)樽杂呻娮邮?/p>

2、去一個(gè)失去一個(gè)電子變?yōu)殡娮幼優(yōu)檎x子正離子 Si Si Si SiB硼原子硼原子空穴空穴多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)少子的漂移運(yùn)動(dòng)少子的漂移運(yùn)動(dòng)濃度差濃度差 擴(kuò)散的結(jié)果使空間擴(kuò)散的結(jié)果使空間電荷區(qū)變寬。電荷區(qū)變寬。空間電荷區(qū)也稱空間電荷區(qū)也稱 PN 結(jié)結(jié) +形成空間電荷區(qū)形成空間電荷區(qū)PN 結(jié)變窄結(jié)變窄 P接正、接正、N接負(fù)接負(fù) 外電場(chǎng)外電場(chǎng)IF內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)PN+ 內(nèi)電場(chǎng)被加內(nèi)電場(chǎng)被加強(qiáng)，少子的漂強(qiáng)，少子的漂移加強(qiáng)，由于移加強(qiáng)，由于少子數(shù)量很少，少子數(shù)量很少，形成很小的反形成很小的反向電流。向電流。IR+9.2 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管9.2.1 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 將將 PN 結(jié)加

3、上相應(yīng)的電極引線和管殼，就成為半導(dǎo)體二極結(jié)加上相應(yīng)的電極引線和管殼，就成為半導(dǎo)體二極管。按結(jié)構(gòu)分，有點(diǎn)接觸型和面接觸型兩類。管。按結(jié)構(gòu)分，有點(diǎn)接觸型和面接觸型兩類。點(diǎn)接觸型點(diǎn)接觸型表示符號(hào)表示符號(hào)正極正極負(fù)極負(fù)極金銻合金金銻合金面接觸型面接觸型N型鍺型鍺 正極引線正極引線負(fù)極引線負(fù)極引線 PN 結(jié)結(jié)底座底座鋁合金小球鋁合金小球引線引線觸絲觸絲N 型鍺型鍺外殼外殼9.2.2 9.2.2 伏安特性伏安特性反向擊穿反向擊穿電壓電壓U(BR)反向特性反向特性UIPN+PN+9.2.3 主要參數(shù)主要參數(shù) 1. 最大整流電流最大整流電流 IOM 最大整流電流是指二極管長時(shí)間使用時(shí)，允許流過二極管最大整流電

4、流是指二極管長時(shí)間使用時(shí)，允許流過二極管的最大正向平均電流。的最大正向平均電流。 2. 反向工作峰值電壓反向工作峰值電壓 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，一般是反向擊穿反向擊穿電壓的一半或三分之二。電壓的一半或三分之二。 3. 反向峰值電流反向峰值電流 IRM它是指二極管上加反向工作峰值電壓時(shí)的反向電流值。它是指二極管上加反向工作峰值電壓時(shí)的反向電流值。 二極管的應(yīng)用范圍很廣，主要都是利用它的單向?qū)щ娦?。二極管的應(yīng)用范圍很廣，主要都是利用它的單向?qū)щ娦?。它可用與整流、檢波、限幅、元件保護(hù)以及在數(shù)字電路中作為它可用與整流、檢

5、波、限幅、元件保護(hù)以及在數(shù)字電路中作為開關(guān)元件。開關(guān)元件。 定性分析：定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)判斷二極管的工作狀態(tài)導(dǎo)通導(dǎo)通截止截止 若二極管是理想的，若二極管是理想的， 例例 1: 在圖中，輸入電位在圖中，輸入電位 VA = + 3 V， VB = 0 V， 電阻電阻 R 接負(fù)電源接負(fù)電源 12 V。求輸出端電位。求輸出端電位 VY。 解解 因?yàn)橐驗(yàn)?VA 高于高于VB ，所，所以以DA 優(yōu)先導(dǎo)通。如果二極管優(yōu)先導(dǎo)通。如果二極管的正向壓降是的正向壓降是 0.3 V，則，則 VY = + 2.7 V。當(dāng)。當(dāng) DA 導(dǎo)通后導(dǎo)通后, DB 因因反偏而截止。反偏而截止。 在這里，在這里，DA 起

6、鉗位作用，將輸出起鉗位作用，將輸出端電位鉗制在端電位鉗制在 + 2.7 V。 DA 12VYVAVBDBR練習(xí)：練習(xí)：D6V12V3k BAUAB+UZIZIZM UZ IZ_+UIOZZ ZIUr 例例 1 圖中通過穩(wěn)壓管的電圖中通過穩(wěn)壓管的電流流 IZ 等于多少？等于多少？R 是限流電阻，是限流電阻，其值是否合適？其值是否合適？IZDZ+20R = 1.6 k UZ = 12V IZM = 18 mAIZ例例 1 的圖的圖IZ IZM ，電阻值合適。電阻值合適。 解解 mA5A105A106 . 1122033Z I9.4.1 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)N 型硅型硅二氧化硅保護(hù)膜二氧化硅保護(hù)膜BEC

7、N 型硅型硅P 型硅型硅( (a) ) 平面型平面型N 型鍺型鍺ECB銦球銦球銦球銦球PP( (b) )合金型合金型返回返回1. NPN 型三極管型三極管集電區(qū)集電區(qū)集電結(jié)集電結(jié)基區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)NN集電極集電極 C基極基極 B發(fā)射極發(fā)射極 EP 不論平面型或合金型，都分成不論平面型或合金型，都分成 NPN 或或PNP 三層，三層，因此又把晶體管分為因此又把晶體管分為 NPN 型和型和 PNP 型兩類。型兩類。ECB符號(hào)符號(hào)T集電區(qū)集電區(qū)集電結(jié)集電結(jié)基區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)N集電極集電極 C發(fā)射極發(fā)射極 E基極基極 BNPPN2. PNP 型三極管型三極管CBET符號(hào)符號(hào)

8、9.4.2 電流分配和放大原理電流分配和放大原理 我們通過實(shí)驗(yàn)來說明晶體管的放大原理和其中的電流分我們通過實(shí)驗(yàn)來說明晶體管的放大原理和其中的電流分配，實(shí)驗(yàn)電路采用共發(fā)射極接法，發(fā)射極是基極電路和集電配，實(shí)驗(yàn)電路采用共發(fā)射極接法，發(fā)射極是基極電路和集電極電路的公共端。實(shí)驗(yàn)中用的是極電路的公共端。實(shí)驗(yàn)中用的是 NPN 型管，為了使晶體管具型管，為了使晶體管具有放大作用，電源有放大作用，電源 EB 和和 EC 的極性必須使的極性必須使發(fā)射結(jié)上加正向電發(fā)射結(jié)上加正向電壓壓( (正向偏置正向偏置) )，集電結(jié)加反向電壓，集電結(jié)加反向電壓( (反向偏置反向偏置) )。 設(shè)設(shè) EC = 6 V，改，改變可變

9、電阻變可變電阻 RB，則，則基極電流基極電流 IB、集電極、集電極電流電流 IC 和發(fā)射極電流和發(fā)射極電流 IE 都發(fā)生變化，測(cè)量都發(fā)生變化，測(cè)量結(jié)果如下表：結(jié)果如下表：mA AVVmAICECIBIERB+UBE +UCE EBCEB3DG100基極電路基極電路集電極電路集電極電路IB/mA 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10IC/mA 0.001 0.70 1.50 2.30 3.10 3.95IE/mA 0.001 0.72 1.54 2.36 3.18 4.05晶體管電流測(cè)量數(shù)據(jù)晶體管電流測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)論：結(jié)論：( (1) )BCEIII 符合基爾霍夫定律符合基爾霍夫定律

10、( (2) ) IC 和和 IE 比比 IB 大得多。從第三列和第四列的數(shù)據(jù)可得大得多。從第三列和第四列的數(shù)據(jù)可得, 5 .3704. 050. 1BC II 3 .3806. 030. 2BC II 這就是晶體管的電流放大作用。這就是晶體管的電流放大作用。 稱為共發(fā)射極靜態(tài)稱為共發(fā)射極靜態(tài)電流電流( (直流直流) )放大系數(shù)。電流放大作用還體現(xiàn)在放大系數(shù)。電流放大作用還體現(xiàn)在基極電流的基極電流的少量變化少量變化 IB 可以引起集電極電流較大的變化可以引起集電極電流較大的變化 IC 。 4002. 080. 004. 006. 050. 130. 2BC II 式中，式中， 稱為稱為動(dòng)態(tài)電流動(dòng)

11、態(tài)電流( (交流交流) )放大系數(shù)放大系數(shù)9.4.3 特性曲線特性曲線1. 輸入特性曲線輸入特性曲線 輸入特性曲線輸入特性曲線是指當(dāng)集是指當(dāng)集 射極電壓射極電壓UCE為常數(shù)時(shí)，輸入電為常數(shù)時(shí)，輸入電路路( (基極電路基極電路) )中，基極電流中，基極電流 IB 與基與基射極電壓射極電壓 UBE 之間的關(guān)系之間的關(guān)系曲線曲線 I B = f (UBE)。O0.40.8IB / AUBE / VUCE 1V604020803DG100 晶體管的晶體管的輸入特性輸入特性也有一段也有一段死區(qū)，只有在發(fā)射結(jié)外加電壓大死區(qū)，只有在發(fā)射結(jié)外加電壓大于死區(qū)電壓時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生于死區(qū)電壓時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生 IB。 ( (

12、3) )當(dāng)當(dāng) IB = 0( (將基極開路將基極開路) )時(shí)，時(shí)，IC = ICEO，表中，表中 ICEO 0，UBC UBE。BCII ICEC=UCCIBRB+ UBE +UCE EBCEB共發(fā)射極電路共發(fā)射極電路IC / mAUCE /V100 A80A60 A40 A20 AIB =0O 3 6 9 1243212.31.5放放 大大 區(qū)區(qū) 飽和區(qū)飽和區(qū)截止區(qū)截止區(qū)( (2) ) 截止區(qū)截止區(qū) IB = 0 的曲線以下的的曲線以下的區(qū)域稱為截止區(qū)。區(qū)域稱為截止區(qū)。IB = 0 時(shí)時(shí), IC = ICEO( (很小很小) )。對(duì)。對(duì) NPN 型硅管，當(dāng)型硅管，當(dāng)UBE 0.5 V 時(shí)，即

13、已開始截止，但時(shí)，即已開始截止，但為了使晶體管可靠截止，為了使晶體管可靠截止，常使常使 UBE 0，截止時(shí)集，截止時(shí)集電結(jié)也處于反向偏置電結(jié)也處于反向偏置( (UBC 0) )，此時(shí)此時(shí), IC 0 ，UCE UCC 。( (3) ) 飽和區(qū)飽和區(qū) 當(dāng)當(dāng) UCE 0) )，晶體晶體管工作于飽和狀態(tài)。在飽和區(qū)，管工作于飽和狀態(tài)。在飽和區(qū)，IC 和和 IB 不成正比。此時(shí)，發(fā)不成正比。此時(shí)，發(fā)射結(jié)也處于正向偏置，射結(jié)也處于正向偏置，UCE 0 ， IC UCC/RC 。IC / mAUCE /V100 A80 A60 A40 A20 AIB = 0O 3 6 9 1243212.31.5放放 大大

14、 區(qū)區(qū) 當(dāng)晶體管飽和時(shí)，當(dāng)晶體管飽和時(shí)， UCE 0，發(fā)射極與集電極之間如同一，發(fā)射極與集電極之間如同一個(gè)開關(guān)的接通，其間電阻很??；當(dāng)晶體管截止時(shí)，個(gè)開關(guān)的接通，其間電阻很??；當(dāng)晶體管截止時(shí)，IC 0 ，發(fā)，發(fā)射極與集電極之間如同一個(gè)開關(guān)的斷開，其間電阻很大，可射極與集電極之間如同一個(gè)開關(guān)的斷開，其間電阻很大，可見，晶體管除了有放大作用外，還有開關(guān)作用。見，晶體管除了有放大作用外，還有開關(guān)作用。晶體管的三種工作狀態(tài)如下圖所示晶體管的三種工作狀態(tài)如下圖所示+ UBE 0 ICIB+UCE ( (a) )放大放大 UBC 0+IC 0 IB = 0+ UCE UCC ( (b) )截止截止 UBC

15、 0 IB+ UCE 0 ( (c) )飽和飽和 UBC 0+CCCCRUI 管管 型型 工工 作作 狀狀 態(tài)態(tài) 飽和飽和 放大放大 截截 止止 UBE/V UCE/V UBE/V UBE/V 開始截止開始截止 可靠截止可靠截止硅管硅管( (NPN) )鍺管鍺管( (PNP) ) 0.7 0.3 0.3 0.1 0.6 0.7 0.2 0.3 0.5 0.1 0 0.1晶體管結(jié)電壓的典型值晶體管結(jié)電壓的典型值9.4.4 主要參數(shù)主要參數(shù)1. 電流放大系數(shù)電流放大系數(shù) ， 當(dāng)晶體管接成共發(fā)射極電路時(shí)，在靜態(tài)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)無輸入信號(hào)) )時(shí)集時(shí)集電極電流與基極電

16、流的比值稱為電極電流與基極電流的比值稱為靜態(tài)電流靜態(tài)電流( (直流直流) )放大放大系數(shù)系數(shù) BCII 當(dāng)晶體管工作在動(dòng)態(tài)當(dāng)晶體管工作在動(dòng)態(tài)( (有輸入信號(hào)有輸入信號(hào)) )時(shí)，基極電流的變化量時(shí)，基極電流的變化量為為 IB ，它引起集電極電流的變化量為，它引起集電極電流的變化量為 IC 。 IC 與與 IB的比的比值稱為值稱為動(dòng)態(tài)電流動(dòng)態(tài)電流( (交流交流) )放大系數(shù)放大系數(shù) BCII 在輸出特性曲線近于平行等距并且在輸出特性曲線近于平行等距并且 ICEO 較小的情況下較小的情況下,可近似認(rèn)為可近似認(rèn)為 ，但二者含義不同。，但二者含義不同。 2. 集集基極反向截止電流基極反向截止電流 ICB

17、O ICBO 是當(dāng)發(fā)射極開路時(shí)流經(jīng)集電結(jié)的反向電流，其值很小。是當(dāng)發(fā)射極開路時(shí)流經(jīng)集電結(jié)的反向電流，其值很小。3. 集集射極反向截止電流射極反向截止電流 ICEO ICEO 是當(dāng)基極開路是當(dāng)基極開路( (IB = 0) )時(shí)的集電極電流，也稱為穿透時(shí)的集電極電流，也稱為穿透電流，其值越小越好。電流，其值越小越好。 4. 集電極最大允許電流集電極最大允許電流 ICM 當(dāng)當(dāng) 值下降到正常數(shù)值的三分之二時(shí)的集電極電流，稱為值下降到正常數(shù)值的三分之二時(shí)的集電極電流，稱為集電極最大允許電流集電極最大允許電流 ICM 。 5. 集集射反相擊穿電壓射反相擊穿電壓 U(BR)CEO 6. 集電極最大允許耗散功率集電極最大允許耗散功率 PCM 基極開路時(shí)，加在集電極和發(fā)射極之間的最大允許電