二極管和晶體管終稿

1、二極管和晶體管終稿第1頁，共59頁，2022年，5月20日，8點9分，星期日1. 本課程的性質(zhì)2. 特點3. 教學目標4. 學習方法5. 成績評定 實驗： 10 % 平時： 10% 考試： 80 %6. 教材 前言電工學(第六版)下冊 電子技術(shù) 秦曾煌 主編高等教育出版社 2004.7前言第2頁，共59頁，2022年，5月20日，8點9分，星期日一些基本概念在電子技術(shù)中，被傳遞、加工和處理的信號可以分為兩大類：模擬信號和數(shù)字信號模擬信號：在時間上和幅度上都是連續(xù)變化的信號，稱為模擬信號，例如正弦波信號、心電信號等。數(shù)字信號：在時間和幅度上均不連續(xù)的信號。模擬電路：工作信號為模擬信號的電子電路。

2、數(shù)字電路：工作信號為數(shù)字信號的電子電路。前言第3頁，共59頁，2022年，5月20日，8點9分，星期日主要內(nèi)容 半導體二極管和晶體管 基本放大電路 集成運算放大器 電子電路中的反饋 直流穩(wěn)壓電源電力電子技術(shù) 門電路和組合邏輯電路 觸發(fā)器和時序邏輯電源 存儲器和可編程邏輯器件 模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換 *現(xiàn)代通信技術(shù)前言第4頁，共59頁，2022年，5月20日，8點9分，星期日第14章 二極管和晶體管 內(nèi)容主要有：半導體的導電性能PN結(jié)的形成及單向?qū)щ娦园雽w器件的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、主要特性曲線、主要參數(shù)的意義晶體管的電流分配和放大作用光電器件的工作原理 半導體器件主要包括：半導體二極管（包括穩(wěn)壓

3、管）晶體管光電器件第14章 二極管和晶體管第5頁，共59頁，2022年，5月20日，8點9分，星期日14.1 半導體的導電特性14.1 半導體的導電特性物質(zhì)根據(jù)其導電性能分為 導 體：導電能力良好的物質(zhì)。 絕緣體：導電能力很差的物質(zhì)。 半導體：是一種導電能力介于導體和絕緣體之間的物質(zhì)，如硅、鍺、硒、砷化鎵及一些硫化物和氧化物。半導體的導電能力具有獨特的性質(zhì)。溫度升高時，純凈的半導體的導電能力顯著增加；純凈的半導體受到光照時，導電能力明顯提高；在純凈半導體材料中加入微量的“雜質(zhì)”元素，它的電 導率就會成千上萬倍地增長。半導體為什么具有以上的導電性質(zhì)？第6頁，共59頁，2022年，5月20日，8點

4、9分，星期日1.半導體的晶體結(jié)構(gòu) 原子的組成： 帶正電的原子核 若干個圍繞原子核運動的帶負電的電子 且整個原子呈電中性。半導體器件的材料： 硅（Silicon-Si）：四價元素，硅的原子序數(shù)是14，外層有4個電子。 鍺（Germanium-Ge）：也是四價元素，鍺的原子序數(shù)是32，外層也是4個電子。 14.1.1 本征半導體14.1 半導體的導電特性第7頁，共59頁，2022年，5月20日，8點9分，星期日簡化原子結(jié)構(gòu)模型如圖4-1(a)的簡化形式。+4慣性核價電子圖14-1 (a) 硅和鍺的簡化原子模型14.1 半導體的導電特性第8頁，共59頁，2022年，5月20日，8點9分，星期日圖14

5、-1晶體共價鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖+4+4+4+4+4+4+4+4+4共價鍵單晶半導體結(jié)構(gòu)特點 共價鍵:由相鄰兩個原子各拿出一個價電子組成價電子對所構(gòu)成的聯(lián)系。 圖14-1是晶體共價鍵結(jié)構(gòu)的平面示意圖。14.1 半導體的導電特性第9頁，共59頁，2022年，5月20日，8點9分，星期日2.半導體的導電原理 本征半導體（Intrinsic Semiconductor） 純凈的、結(jié)構(gòu)完整的單晶半導體，稱為本征半導體。物質(zhì)導電能力的大小取決于其中能參與導電的粒子載流子的多少。本征半導體在絕對零度（T=0K相當于T=273）時，相當于絕緣體。在室溫條件下，本征半導體便具有一定的導電能力。14.1 半導體的導

6、電特性第10頁，共59頁，2022年，5月20日，8點9分，星期日半導體中的載流子自由電子空穴（Hole）價電子掙脫共價鍵的束縛成為自由電子的同時，在原來的共價鍵位置上留下了一個空位，這個空位叫做空穴?？昭◣д姾?。14.1 半導體的導電特性第11頁，共59頁，2022年，5月20日，8點9分，星期日在本征半導體中，激發(fā)出一個自由電子，同時便產(chǎn)生一個空穴。電子和空穴總是成對地產(chǎn)生，稱為電子空穴對。半導體中共價鍵分裂產(chǎn)生電子空穴對的過程叫做本征激發(fā)。產(chǎn)生本征激發(fā)的條件：加熱、光照及射線照射。半導體中存在載流子的產(chǎn)生過程載流子的復合過程實驗表明，在一定的溫度下，電子濃度和空穴濃度都保持一個定值.動

7、畫14.1 半導體的導電特性第12頁，共59頁，2022年，5月20日，8點9分，星期日空穴的運動實質(zhì)上是價電子填補空穴而形成的。BA空穴自由電子圖14-2晶體共價鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖+4+4+4+4+4+4+4+4+4C共價鍵14.1 半導體的導電特性第13頁，共59頁，2022年，5月20日，8點9分，星期日14.1.2 N型半導體和P型半導體 (雜質(zhì)半導體)摻入了“雜質(zhì)”的半導體稱為“雜質(zhì)”半導體。常用的雜質(zhì)元素三價的硼、鋁、銦、鎵五價的砷、磷、銻雜質(zhì)半導體分為：N型半導體和P型半導體。N型半導體 在本征半導體中加入微量的五價元素，可使半導體中自由電子濃度大為增加，形成N型半導體(電子半導體

8、)。14.1 半導體的導電特性第14頁，共59頁，2022年，5月20日，8點9分，星期日圖14-3 N型半導體晶體結(jié)構(gòu)示意圖+4+4+4+4+4+4+4+4+4共價鍵摻入五價原子在室溫下就可以激發(fā)成自由電子摻入五價原子占據(jù)Si原子位置14.1 半導體的導電特性第15頁，共59頁，2022年，5月20日，8點9分，星期日 P型半導體在本征半導體中加入微量的三價元素，可使半導體中的空穴濃度大為增加，形成P型半導體?？瘴籄圖14-4 P型半導體晶體結(jié)構(gòu)示意圖+4+4+4+4+4+3+4+4+4共價鍵空位吸引鄰近原子的價電子填充，從而留下一個空穴。在P型半導體中，空穴數(shù)等于負離子數(shù)與自由電子數(shù)之和，

9、空穴帶正電，負離子和自由電子帶負電，整塊半導體中正負電荷量相等，保持電中性。14.1 半導體的導電特性第16頁，共59頁，2022年，5月20日，8點9分，星期日綜上所述：(1)本征半導體中加入五價雜質(zhì)元素，便形成N型半導體。N型半導體中，電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子，此外還有不參加導電的正離子。(2)本征半導體中加入三價雜質(zhì)元素，便形成P型半導體。其中空穴是多數(shù)載流子，電子是少數(shù)載流子，此外還有不參加導電的負離子。(3)雜質(zhì)半導體中，多數(shù)載流子濃度決定于雜質(zhì)濃度，少數(shù)載流子由本征激發(fā)產(chǎn)生，其濃度與溫度有關。14.1 半導體的導電特性第17頁，共59頁，2022年，5月20日，8點9分，

10、星期日14.2 PN結(jié)及其單向?qū)щ娞匦訮N結(jié)： 是指在P型半導體和N型半導體的交界處形成的空間電荷區(qū)。PN結(jié)是構(gòu)成多種半導體器件的基礎。 二極管的核心是一個PN結(jié)；三極管中包含了兩個PN結(jié)。14.2 PN結(jié)及其單向?qū)щ娞匦詣赢嫷?8頁，共59頁，2022年，5月20日，8點9分，星期日如圖所示，電源的正極接P區(qū)，負極接N區(qū)，這種接法叫做PN結(jié)加正向電壓或正向偏置。 PN結(jié)導通，產(chǎn)生正向電流動畫14.2 PN結(jié)及其單向?qū)щ娞匦?PN結(jié)外加正向電壓 第19頁，共59頁，2022年，5月20日，8點9分，星期日 PN結(jié)外加反向電壓 如圖所示，電源的正極接N區(qū)，負極接P區(qū)，這種接法叫做PN結(jié)加反向電壓

11、或反向偏置。 PN結(jié)截止產(chǎn)生反向小電流14.2 PN結(jié)及其單向?qū)щ娞匦缘?0頁，共59頁，2022年，5月20日，8點9分，星期日14.3 二極管1.基本結(jié)構(gòu)在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點接觸型、面接觸型和平面型三大類。(1) 點接觸型二極管(a)點接觸型 二極管的結(jié)構(gòu)示意圖14.3 二極管第21頁，共59頁，2022年，5月20日，8點9分，星期日 (3) 平面型二極管 (2)面接觸型二極管(4) 二極管的代表符號(c)平面型(b)面接觸型陽極陰極14.3 二極管第22頁，共59頁，2022年，5月20日，8點9分，星期日半導體二極管圖片14.3 二極管第23

12、頁，共59頁，2022年，5月20日，8點9分，星期日半導體二極管圖片14.3 二極管第24頁，共59頁，2022年，5月20日，8點9分，星期日半導體二極管圖片14.3 二極管第25頁，共59頁，2022年，5月20日，8點9分，星期日二極管的伏安特性曲線（b）2CP10-20的伏安特性曲線iD（mA）uD（V）012-100-20020406080-20-10-30（uA）7520（c）2AP15的伏安特性曲線iD（mA）uD（V）00.4-40-80204080-0.2-0.1-0.3600.814.3 二極管2. 伏安特性 第26頁，共59頁，2022年，5月20日，8點9分，星期日

13、正向特性死區(qū)電壓(oc段)：硅管 0.5V 鍺管 0.1V線性區(qū)(cd段): 硅管 0.6V1V 鍺管 0.2V0.5V 14.3 二極管(a)二極管理論伏安特性正向特性CDoBAUBRuDiD反向擊穿特性反向特性 反向特性反向飽和電流 很小 受溫度影響大反向擊穿電壓UBR第27頁，共59頁，2022年，5月20日，8點9分，星期日3. 主要參數(shù) 最大整流電流IOM 反向工作峰值電壓URWM 反向峰值電流IRM14.3 二極管考慮正向壓降的等效電路uDiDoDUDKUDuDiDoDK理想二極管等效電路第28頁，共59頁，2022年，5月20日，8點9分，星期日 例1 圖中的R和C構(gòu)成一微分電路

14、。當輸入電壓u1如圖 中所示時，試畫出輸出電壓u0的波形。設uc(0) =0。14.3 二極管第29頁，共59頁，2022年，5月20日，8點9分，星期日例2 在圖中，輸入端A的電位VA3v，B的電位VB0v，求輸出端y的電位VY。電阻R接負電源12v。14.3 二極管第30頁，共59頁，2022年，5月20日，8點9分，星期日它的伏安特性與二極管基本相同，只是穩(wěn)壓管正常工作時是利用特性曲線的反向擊穿區(qū)。電流改變而電壓基本不變的特性稱為穩(wěn)壓特性，穩(wěn)壓管就是利用這一特性工作的。14.4 穩(wěn)壓二極管14.4 穩(wěn)壓二極管UIOUZIZ UZ IZIZM（b）正向反向陰極陽極（a）+-第31頁，共59

15、頁，2022年，5月20日，8點9分，星期日穩(wěn)壓管的主要參數(shù)： 穩(wěn)定電壓UZUZ是穩(wěn)壓管反向擊穿后穩(wěn)定工作的電壓值。穩(wěn)壓值具有分散性。14.4 穩(wěn)壓二極管動態(tài)電阻rZrZ是穩(wěn)壓管在穩(wěn)定工作范圍內(nèi)管子兩端電壓的變化量與相應電流變化量之比即rZ越小，表示穩(wěn)壓作用越好。穩(wěn)定電流IZ穩(wěn)定電流IZ是穩(wěn)壓管工作時的參考電流，穩(wěn)定電壓 和動態(tài)電阻都是指在這個電流下的值。IZM第32頁，共59頁，2022年，5月20日，8點9分，星期日電壓溫度系數(shù)u溫度變化1時，穩(wěn)定電壓變化的百分數(shù)。它是表示穩(wěn)壓管溫度穩(wěn)定性的參數(shù)。例如2CWl的電壓溫度系數(shù)是0.07%/，假設20時穩(wěn)定電壓UZ = 8V，那么50時穩(wěn)壓值將

16、為要求溫度穩(wěn)定性較高的場合常選用6V左右的管子。 14.4 穩(wěn)壓二極管最大允許耗散功率PZMPZM是管子不被熱擊穿的最大功率損耗。UZIZM=PZM第33頁，共59頁，2022年，5月20日，8點9分，星期日穩(wěn)壓管的應用電路 為了限制穩(wěn)壓管擊穿以后的電流，使用時必須在電路中串聯(lián)電阻如圖所示。RzUzDzI+-U+-穩(wěn)壓管電路14.4 穩(wěn)壓二極管UUZ時，穩(wěn)壓管擊穿 必須適當選擇R值，使得I集電區(qū)基區(qū)； (2)基區(qū)必須很薄。14.5 晶體管第37頁，共59頁，2022年，5月20日，8點9分，星期日PNP型c集電極b基極集電區(qū)PN基區(qū)發(fā)射區(qū)P集電結(jié)發(fā)射結(jié)e發(fā)射極(a) PNP型ebc14.5 晶

17、體管第38頁，共59頁，2022年，5月20日，8點9分，星期日14.5.2 電流分配和放大原理 內(nèi)部條件外部條件 發(fā)射結(jié)正偏， 集電結(jié)反偏。電路接法： 共射接法14.5 晶體管RbVBBVCCRciBiCbecNPNuBEuCEiEuBC+第39頁，共59頁，2022年，5月20日，8點9分，星期日晶體管內(nèi)部載流子的運動發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴散電子的過程 電子在基區(qū)擴散和復合過程集電區(qū)收集從發(fā)射區(qū)擴散過來電子的過程 iBiCiEECEBRbNPN(a) 載流子運動情況iEniEpiBEiCnICBO14.5 晶體管第40頁，共59頁，2022年，5月20日，8點9分，星期日晶體管內(nèi)部載流子的運動發(fā)射

18、區(qū)向基區(qū)擴散電子的過程 電子在基區(qū)擴散和復合過程集電區(qū)收集從發(fā)射區(qū)擴散過來電子的過程 iBEiEiCEICBOiEiBRbEBECiC(b)各極電流分配情況 晶體管中的電流14.5 晶體管動畫第41頁，共59頁，2022年，5月20日，8點9分，星期日晶體管的電流分配關系CBEIII+=iBiEiCEICBOiEiBRbEBECiC(b)各極電流分配情況IC=bBI14.5 晶體管 IC=bBICEOCII=BI=0當 時,晶體管放大原理的本質(zhì)： iB對iC或iE的控制作用。第42頁，共59頁，2022年，5月20日，8點9分，星期日 關于PNP型晶體管PNP管與NPN管之間的差別： (1)電

19、壓極性不同。 (2)電流方向不同。 VBBVCCbceiCiE(a) NPN型VBBVCCbceiCiE(b) PNP型NPN型和PNP型晶體管電路的差別14.5 晶體管-+-+_UCEUBEUCEUBE第43頁，共59頁，2022年，5月20日，8點9分，星期日14.5.3 特性曲線晶體管特性曲線是表示晶體管各極間電壓和電流之間關系的曲線。bceiBiEiCuBCuCEuBE+-+-+- NPN型晶體管的電壓和電流參考方向14.5 晶體管第44頁，共59頁，2022年，5月20日，8點9分，星期日AVVmAiBiCEBRW1RbRW2ECuCE+uBE-+-測量NPN管共射特性曲線的電路圖1

20、4.5 晶體管第45頁，共59頁，2022年，5月20日，8點9分，星期日 輸入特性曲線 UCE為一固定值時，IB和UBE之間的關系曲線，即IB(mA)UBE(V)0.20.40.60.80.020.040.060.080UCE = 0V1V5V3DG4的輸入特性2014.5 晶體管第46頁，共59頁，2022年，5月20日，8點9分，星期日 uCE增加，特性曲線右移。 uCE的大小影響基區(qū)內(nèi)集電結(jié)邊界電子的分布。 uCE1V以后，特性曲線幾乎重合。 uCE1V以后，基區(qū)中集電結(jié)邊界處的電子濃度很低。與二極管的伏安特性相似 uBEUr 時，iB =0； Ur =0.5V (Si) Ur =0.

21、1V (Ge)正常工作時 uBE=0.7V (Si) uBE= 0.2V (Ge)14.5 晶體管輸入特性有以下幾個特點： 當uCE=0時，輸入特性曲線與二極管的正向伏安特性曲線形狀類似。第47頁，共59頁，2022年，5月20日，8點9分，星期日 輸出特性曲線 IB為固定值時，IC和UCE之間的關系曲線，即14.5 晶體管iC(mA)uCE(V)iB= 00. 2mA200.4mA0.6mA0.8mA1.0mA放大區(qū)飽和區(qū)1002030403DG4的輸出特性510152025303550截止區(qū)動畫第48頁，共59頁，2022年，5月20日，8點9分，星期日14.5 晶體管bceIBICUBC

22、 0UCEUBE 0+-+-+-cebIB =0IC 0UBC 0UCEUccUBE 0+-+-+-bceIBICUc/RcUBC 0UCE 0UBE 0+-+-+-（a）放大（b）截止（c）飽和放大作用，開關作用第49頁，共59頁，2022年，5月20日，8點9分，星期日截止區(qū): 指iB0，iCICEO的工作區(qū)域。在這個區(qū)域中，電流iC很小，基本不導通，故稱為截止區(qū)。工作在截止區(qū)時，晶體管基本失去放大作用。為使三極管可靠截止，必須給發(fā)射結(jié)加反向偏壓，使發(fā)射區(qū)不再向基區(qū)注入載流子。14.5 晶體管飽和區(qū): 指輸出特性中iC上升部分與縱軸之間的區(qū)域。飽和區(qū)特性曲線的特點是固定iB不變時，iC隨u

23、CE的增加而迅速增大。飽和區(qū)是對應于uCE較?。╱CEUr，uBC0)。放大區(qū)(線性區(qū)): 輸出特性上在飽和區(qū)和截止區(qū)之間的區(qū)域為放大區(qū)。在這個區(qū)域里，iB0，uCEuBE0，uBC0，i iB即發(fā)射結(jié)是正向偏置，集電結(jié)是反向偏置。第50頁，共59頁，2022年，5月20日，8點9分，星期日4. 主要參數(shù)表示晶體管的各種性能指標。 電流放大系數(shù)因為iCICEO則 14.5 晶體管靜態(tài)電流(直流)放大系數(shù)動態(tài)電流(交流)放大系數(shù)第51頁，共59頁，2022年，5月20日，8點9分，星期日（2）集電極-基極反向截止電流ICBOICBO是指發(fā)射極開路，集電極與基極之間加反向電壓時產(chǎn)生的電流。AICBO(a) NPN管V14.5 晶體管第52頁，共59頁，2022年，5月20日，8點9分，星期日（）集電極發(fā)射極反向截止電流ICEOICEO是基極開路，集電極與發(fā)射極間加電壓時的集電極電流。也稱為穿透電流。AbceICEO(a) NPN管14.5 晶體管IC IB IE =IC +IC(1+ ) IC第53頁，