電工電子技術(shù)基礎(chǔ)-

1、6.1 半導(dǎo)體基本知識(shí)6.2 半導(dǎo)體二極管6.3 穩(wěn)壓二極管6.4 發(fā)光二極管6.5 半導(dǎo)體三極管第六章 半導(dǎo)體二極管和三極管9/5/20222第六章 半導(dǎo)體二極管和三極管知識(shí)要點(diǎn)PN結(jié)的導(dǎo)電特性三極管的電流分配與放大作用二極管、穩(wěn)壓管和三極管的基本構(gòu)造、工作原理三極管的特性曲線9/5/202236.1 半導(dǎo)體基本知識(shí)概述半導(dǎo)體是導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性：(可做成溫度敏感元件，如熱敏電阻)摻雜性：往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，導(dǎo)電能力明顯改變光敏性：當(dāng)受到光照時(shí)，導(dǎo)電能力明顯變化熱敏性：當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，導(dǎo)電能力顯著增強(qiáng)(可做成各種光敏元件，如光敏電阻、光敏二極管等)

2、（可做成各種不同用途的半導(dǎo)體器件，如二極管、三極管和晶閘管等）9/5/202246.1 半導(dǎo)體基本知識(shí)本征半導(dǎo)體完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體，稱為本征半導(dǎo)體晶體中原子的排列方式共價(jià)健共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子，稱為價(jià)電子。硅單晶中的共價(jià)健結(jié)構(gòu) Si Si Si Si價(jià)電子9/5/202256.1 半導(dǎo)體基本知識(shí)本征半導(dǎo)體 Si Si Si Si自由電子空穴本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理本征激發(fā):價(jià)電子在獲得一定能量（溫度升高或受光照）后，即可掙脫原子核的束縛，成為自由電子（帶負(fù)電），同時(shí)共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位，稱為空穴（帶正電）9/5/202266.1 半導(dǎo)體基本知識(shí)本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理 當(dāng)半導(dǎo)體兩

3、端加上外電壓時(shí)，在半導(dǎo)體中將出現(xiàn)兩部分電流 :自由電子作定向運(yùn)動(dòng) 電子電流價(jià)電子遞補(bǔ)空穴 空穴電流自由電子和空穴都稱為載流子注意： (1) 本征半導(dǎo)體中載流子數(shù)目極少, 其導(dǎo)電性能很差； (2) 溫度愈高，載流子的數(shù)目愈多，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能也就愈好。因此溫度對半導(dǎo)體器件性能影響很大。9/5/202276.1 半導(dǎo)體基本知識(shí)雜志半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入微量的雜質(zhì)（某種元素），形成雜質(zhì)半導(dǎo)體 Si Si Si Sip+磷原子多余電子摻入五價(jià)元素 摻雜后自由電子數(shù)目大量增加，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N型半導(dǎo)體多余電子在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮恿自幼優(yōu)檎x子在N型半導(dǎo)體中自由電子

4、是多數(shù)載流子9/5/202286.1 半導(dǎo)體基本知識(shí)本征半導(dǎo)體 Si Si Si SiB硼原子空穴摻入三價(jià)元素 摻雜后空穴數(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P型半導(dǎo)體硼原子接受一個(gè)電子變?yōu)樨?fù)離子在N 型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子9/5/202296.1 半導(dǎo)體基本知識(shí)PN結(jié)的形成+P 型半導(dǎo)體N 型半導(dǎo)體多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)(濃度差)少子的漂移運(yùn)動(dòng)形成空間電荷區(qū)內(nèi)電場 無外加電壓時(shí)，擴(kuò)散和漂移這一對相反的運(yùn)動(dòng)處于動(dòng)態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的厚度固定不變9/5/2022106.1 半導(dǎo)體基本知識(shí)PN結(jié)的單向?qū)щ娦?1. PN 結(jié)加正向電壓（正向偏置）導(dǎo)通PN 結(jié)變窄外電場IF內(nèi)電場P

5、N+ 內(nèi)電場被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)，形成較大的擴(kuò)散電流。 PN 結(jié)加正向電壓時(shí)，PN結(jié)變窄，正向電流較大，正向電阻較小，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。9/5/2022116.1 半導(dǎo)體基本知識(shí)PN結(jié)的單向?qū)щ娦?1. PN 結(jié)加反向電壓（反向偏置）截止外電場內(nèi)電場PN+PN 結(jié)變寬+IR 內(nèi)電場被加強(qiáng)，少子的漂移加強(qiáng)，由于少子數(shù)量很少，形成很小的反向電流。 PN 結(jié)加反向電壓時(shí)，PN結(jié)變寬，反向電流較小，反向電阻較大，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。9/5/2022126.2 半導(dǎo)體二極管基本結(jié)構(gòu) 點(diǎn)接觸型 結(jié)面積小、結(jié)電容小、正向電流小。用于檢波和變頻等高頻電路。 面接觸型 結(jié)面積大、正向電流大、結(jié)電容大，用于工

6、頻大電流整流電路。(c) 平面型 用于集成電路制作工藝中。PN結(jié)結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。9/5/202213陰極引線陽極引線二氧化硅保護(hù)層P型硅N型硅( c ) 平面型金屬觸絲陽極引線N型鍺片陰極引線外殼( a ) 點(diǎn)接觸型鋁合金小球N型硅陽極引線PN結(jié)金銻合金底座陰極引線( b ) 面接觸型陰極陽極( d ) 符號(hào)D基本結(jié)構(gòu)6.2 半導(dǎo)體二極管9/5/202214伏安特性6.2 半導(dǎo)體二極管UIPN+PN+ 反向電流在一定電壓范圍內(nèi)保持常數(shù)。反向擊穿電壓U(BR)導(dǎo)通壓降死區(qū)電壓硅0.60.8V鍺0.20.3V硅管0.5V,鍺管0.1V。特點(diǎn)：非線性9/5/202215二極

7、管長期使用時(shí)，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URM是保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓，一般是二極管反向擊穿電壓UBR的一半或三分之二。二極管擊穿后單向?qū)щ娦员黄茐模踔吝^熱而燒壞。3. 反向峰值電流IRM指二極管加最高反向工作電壓時(shí)的反向電流。反向電流大，說明管子的單向?qū)щ娦圆?，IRM受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流較大，為硅管的幾十到幾百倍。1. 最大整流電流 IOM6.2 半導(dǎo)體二極管主要參數(shù)9/5/2022166.2 半導(dǎo)體二極管 1. 二極管加正向電壓（正向偏置，陽極接正、陰極接負(fù) ）時(shí)， 二極管處于正向?qū)顟B(tài)，二

8、極管正向電阻較小，正向電流較大。 2. 二極管加反向電壓（反向偏置，陽極接負(fù)、陰極接正 ）時(shí)， 二極管處于反向截止?fàn)顟B(tài)，二極管反向電阻較大，反向電流很小。 3. 外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦浴?4. 二極管的反向電流受溫度的影響，溫度愈高反向電流愈大。二極管單向?qū)щ娦?/5/2022176.2 半導(dǎo)體二極管 二極管電路分析舉例 D6V12V3kBAUAB+例1. 電路如圖，求：UAB解：判斷二極管D導(dǎo)通還是截止？取 B 點(diǎn)作參考點(diǎn)，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。 V陽 =6 V V陰 =12 V V陽V陰 二極管導(dǎo)通若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB =

9、6V否則， UAB低于6V一個(gè)管壓降，為6.3或6.7V9/5/2022186.2 半導(dǎo)體二極管 二極管電路分析舉例 BD16V12V3kAD2UAB+例2. 電路如圖，求：UAB判斷二極管D1、D2導(dǎo)通還是截止？V1陽 =6 V，V2陽=0 V，V1陰 = V2陰= 12 VUD1 = 6V，UD2 =12V UD2 UD1 D2 優(yōu)先導(dǎo)通， D1截止。若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB = 0 V解：取 B 點(diǎn)作參考點(diǎn)，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。9/5/202219D8VRuoui+ 二極管電路分析舉例 例3.電路如圖， 其中D是理想二極管，試畫出 uo 波形。6.2 半

10、導(dǎo)體二極管解：二極管陰極電位為 8 V8Vui18Vui 8V，二極管導(dǎo)通，可看作短路 uo = 8V ui V陰或 UD為正( 正向偏置 )，二極管導(dǎo)通若 V陽 V陰或 UD為負(fù)( 反向偏置 )，二極管截止9/5/2022216.3 穩(wěn)壓二極管 表示符號(hào)與伏安特性 1. 符號(hào)2. 伏安特性UZIZIZM UZ IZUIO穩(wěn)壓管正常工作時(shí)加反向電壓 穩(wěn)壓管反向擊穿后，電流變化很大，但其兩端電壓變化很小，利用此特性，穩(wěn)壓管在電路中可起穩(wěn)壓作用，使用時(shí)要加限流電阻9/5/2022221. 穩(wěn)定電壓UZ 穩(wěn)壓管正常工作(反向擊穿)時(shí)管子兩端的電壓2.電壓溫度系數(shù) 環(huán)境溫度每變化1C引起穩(wěn)壓值變化的百

11、分?jǐn)?shù)3. 動(dòng)態(tài)電阻4. 穩(wěn)定電流 IZ 、最大穩(wěn)定電流 IZM5. 最大允許耗散功率PZM = UZ IZMrZ愈小，曲線愈陡，穩(wěn)壓性能愈好主要參數(shù)6.3 穩(wěn)壓二極管9/5/2022236.4 發(fā)光二極管概述有正向電流流過時(shí)，發(fā)出一定波長范圍的光，目前的發(fā)光管可以發(fā)出從紅外到可見波段的光，它的電特性與一般二極管類似，正向電壓較一般二極管高，電流為幾 幾十毫安9/5/2022246.5 半導(dǎo)體三極管基本結(jié)構(gòu)NNP基極發(fā)射極集電極NPN型BECBECPNP型PPN基極發(fā)射極集電極NPN型三極管PNP型三極管BECIBIEICBECIBIEIC9/5/202225基區(qū)：最薄，摻雜濃度最低發(fā)射區(qū)：摻雜

12、濃度最高發(fā)射結(jié)集電結(jié)BECNNP基極發(fā)射極集電極集電區(qū)：面積最大6.5 半導(dǎo)體三極管基本結(jié)構(gòu)9/5/202226電流分配和放大原理6.5 半導(dǎo)體三極管BECNNPEBRBECRC1. 三極管放大的外部條件發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏 PNP發(fā)射結(jié)正偏 VBVE集電結(jié)反偏 VCVE集電結(jié)反偏 VCVB 9/5/202227電流分配和放大原理6.5 半導(dǎo)體三極管2. 各電極電流關(guān)系及電流放大作用IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.100.0010.701.502.303.103.950.0010.721.542.363.184.051）三電極電流關(guān)系 IE = IB

13、 + IC2） IC IB ， IC IE 3） IC IB結(jié)論: 把基極電流的微小變化能夠引起集電極電流較大變化的特性稱為晶體管的電流放大作用9/5/2022283.三極管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律電流分配和放大原理6.5 半導(dǎo)體三極管BECNNPEBRBECIEIBICIENIEPICNIBNICBO9/5/202229BECNNPEBRBECIEIBICIENIEPICNIBNICBO3.三極管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律電流分配和放大原理6.5 半導(dǎo)體三極管9/5/202230BECNNPEBRBECIEIBICIENIEPICNIBNICBO3.三極管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律電流分配和放大原理6.5

14、半導(dǎo)體三極管9/5/202231即三極管各電極電壓與電流的關(guān)系曲線，是三極管內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)的外部表現(xiàn)，反映了晶體管的性能，是分析放大電路的依據(jù)為什么要研究特性曲線： 1）直觀地分析三極管的工作狀態(tài) 2）合理地選擇偏置電路的參數(shù)，設(shè)計(jì)性能良好的電路 重點(diǎn)討論應(yīng)用最廣泛的共發(fā)射極接法的特性曲線三極管的特性曲線6.5 半導(dǎo)體三極管9/5/202232三極管的特性曲線6.5 半導(dǎo)體三極管ICEBmAAVUCEUBERBIBECV+ 測量晶體管特性的實(shí)驗(yàn)線路(共發(fā)射極電路)共射：發(fā)射極是輸入回路、輸出回路的公共端 9/5/202233三極管的特性曲線6.5 半導(dǎo)體三極管1. 輸入特性曲線IB(A)UBE

15、(V)204060800.40.8UCE1VO輸入特性曲線是非線性曲線輸入電壓小于死區(qū)電壓時(shí)，基極電流為零對于小功率管，UCE1V的任意一條曲線都近似9/5/202234三極管的特性曲線6.5 半導(dǎo)體三極管2. 輸出特性曲線IB=020A40A60A80A100A36IC(mA )1234UCE(V)912O放大區(qū) 在放大區(qū)有 IC= IB ，也稱為線性區(qū)，具有恒流特性。 在放大區(qū)，發(fā)射結(jié)處于正向偏置、集電結(jié)處于反向偏置，晶體管工作于放大狀態(tài)。(1) 放大區(qū)9/5/202235三極管的特性曲線6.5 半導(dǎo)體三極管2. 輸出特性曲線IB=020A40A60A80A100A36IC(mA )123

16、4UCE(V)912O截止區(qū)（2）截止區(qū) IB 0 以下區(qū)域?yàn)榻刂箙^(qū)，有 IC 0 在截止區(qū)發(fā)射結(jié)處于反向偏置，集電結(jié)處于反向偏置，晶體管工作于截止?fàn)顟B(tài)9/5/202236三極管的特性曲線6.5 半導(dǎo)體三極管2. 輸出特性曲線IB=020A40A60A80A100A36IC(mA )1234UCE(V)912O飽和區(qū)（3）飽和區(qū) 在飽和區(qū)，IB IC，發(fā)射結(jié)處于正向偏置，IB變化對的IC影響較小，此時(shí)IC基本恒定， IC U CC/RC 當(dāng)UCE UBE時(shí)，晶體管工作于飽和狀態(tài)9/5/202237三極管的主要參數(shù)6.5 半導(dǎo)體三極管1. 電流放大系數(shù)當(dāng)晶體管接成發(fā)射極電路時(shí)，直流電流放大系數(shù)交

17、流電流放大系數(shù) 和 的含義不同，但在特性曲線近于平行等距并且ICE0 較小的情況下，兩者數(shù)值接近常用晶體管的 值在20 200之間9/5/202238三極管的主要參數(shù)6.5 半導(dǎo)體三極管2. 集-基極反向截止電流ICBOICBOA+EC ICBO是由少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)所形成的電流，受溫度的影響大，溫度ICBO 選管時(shí)應(yīng)選ICBO較小且受溫度影響小的三極管9/5/202239三極管的主要參數(shù)6.5 半導(dǎo)體三極管3. 集-射極反向截止電流(穿透電流)ICEOAICEOIB=0+ ICEO是基極開路時(shí)，集-射極間的反向電流，主要反映三極管的穩(wěn)定性，值越小管子越穩(wěn)定，其受溫度的影響大，溫度ICEO9/5/202240三極管的主要參數(shù)6.5 半導(dǎo)體三極管4. 集電極最大允許電流 IC