第14章二极管和三极管.ppt
第14章 半导体二极管和三极管,14.2 PN结,14.3 半导体二极管,14.4 稳压管,14.5 半导体三极管,14.1 半导体的导电特性,14.1 半导体的导电特性,自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。,有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。,半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。比如：热敏性、光敏性、掺杂性。,当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。,往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。,14.1.1本征半导体,在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子与其相邻的原子之间形成共价键，共用一对价电子。,完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。,本征半导体的导电机理,本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。,本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。,温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。,本征半导体的共价键结构,+4,+4,+4,+4,空穴,自由电子,价电子挣脱原子核的束缚形成电子空穴对的过程叫激发。,空穴的移动,半导体中的电流:自由电子电流和空穴电流。,+4,+4,+4,14.1.2 P半导体和N型半导体,1.N 型半导体,在硅或锗的晶体中 掺入少量的五价元 素,如磷。,正离子,自由电子,靠自由电子导电的半导体称N型半导体。,自由电子的总数大于空穴，自由电子为多数载流子，简称多子，空穴为少数载流子，称为少子。,N 型半导体结构示意图,在N型半导中,电子是多数载流子,空穴是少数载流子。,+4,+4,+4,2.P 型半导体,在硅或锗的晶体中 掺入少量的三价元 素,如硼。,负离子,空穴,靠空穴导电的半导体称P型半导体。,空穴的总数大于自由电子，空穴为多数载流子，自由电子为少子。,P 型半导体结构示意图,杂质半导体的示意表示法,P 型,N 型,14.2 PN 结,内电场方向,1.PN 结的形成,多数载流子,少数载流子,内电场阻碍多数载流子的扩散运动，加强少数载流子的漂移运动。,在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。,多子扩散,少子漂移,内电场方向,空间电荷区,P 区,N 区,在一定的条件下，多子扩散与少子漂移达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本上稳定下来。,PN结的形成,内电场方向,外电场方向,R,14.2.2 PN 结的单向导电性,1.外加正向电压,P 型,N 型,PN结变薄，扩散运动增强，形成较大的正向电流 I。,PN结所处的状态称为正向导通，其特点：PN结正向电流大，PN结电阻小。,E,内电场方向,外电场方向,R,2.外加反向电压,P 型,N 型,PN结变厚，漂移运动增强，扩散运动难以进行，反 向电流很小 I。,PN结所处的状态称为反向截止，其特点：PN结反向电流小，PN结电阻大。,E,14.2.3 PN结电容,PN结电容,势垒电容,扩散电容,1.势垒电容,PN结中空间电荷的数量随外加电压变化所形成的电容称为势垒电容，用 Cb 来表示。势垒电容不是常数，与PN结的面积、空间电荷区的宽度和外加电压的大小有关。,载流子在扩散过程中积累的电荷量随外加电压变化所形成的电容称为扩散电容，用 Cd 与来示。PN正偏时，扩散电容较大，反偏时，扩散电容可以忽略不计。,2.扩散电容,1.点接触型二极管,14.3.1 基本结构,PN结面积、结电容小，可通过小电流。用于高频电路及小电流整流电路。,14.3 半导体二极管,半导体二极管是在一个PN结两侧加上电极引线而做成的,阳极 阴极,二极管的符号,2.面接触型二极管,PN结面积、结电容大，可通过大电流。用于低频电路及大电流整流电路。,点接触型二极管,半导体二极管图片,600,400,200,-0.1,-0.2,0,0.4,0.8,-50,-100,I/mA,U/V,正向特性,反向击穿特性,硅管的伏安特性,14.3.2 二极管的伏安特性,600,400,200,-0.1,-0.2,0,0.4,0.8,-50,-100,I/mA,U/V,反向击穿特性,二极管的伏安特性,二极管的近似和理想伏安特性,I/mA,U/V,0,14.3.3 二极管的主要参数,1.最大整流电流IOM,2.反向工作峰值电压URM,3.反向峰值电流IRM,URM,长时间使用时允许通过的最大正向电流平均值,UF,例1：下图中，已知VA=3V，VB=0V，DA、DB为锗管，求输出端Y的电位并说明二极管的作用。,解：DA优先导通，则,VY=30.3=2.7V,DA导通后,DB因反偏而截止,起隔离作用,DA起钳位作用,将Y端的电位钳制在+2.7V。,二极管的应用范围很广,它可用在整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。,二极管钳位电路,D,E3V,R,ui,uo,uR,uD,例2：下图中D为理想二极管,ui=6 Sin tV,E=3V,画出 uo波形。,t,t,ui/V,uo/V,6,0,0,2,解：,t,6,0,2,例3：双向限幅电路,t,0,D,E3V,R,D,E3V,ui,uo,uR,uD,ui/V,uo/V,14.4 稳压管,IF,UF,0,伏安特性,稳压管是一种特殊的面接触型半导体二极管。,IF,UF,0,UZ,IZmin,IZmax,硅稳压管的主要参数,最小稳定电流 IZmin,最大稳定电流 IZmax,动态电阻 rZ,IZ,UZ,电压温度系数 VZT,最大允许耗散功率PM,在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。,Izmin 电流低于此值时，稳压性能变坏,IZmax 电流高于此值时，二极管会损坏,功率高于此值时，二极管会因结温升高 而损坏。,14.5.1 半导体三极管的结构,内部有电子和空穴两种载流子参与导电的晶体管,14.5 半导体三极管,1 NPN型,集电极,基极,发射极,NPN型晶体管的结构示意图,NPN型晶体管的图形符号,基区浓度小、很薄。,发射区浓度大，发射电子。,集电区尺寸大，收集电子，浓度低。,2 PNP型,集电极,基极,发射极,PNP型晶体管的结构示意图,PNP型 晶体管的图形符号,按半导体材料的不同分为锗管和硅管，硅晶体管多为NPN型，锗晶体管多为PNP型。,结构特点：,发射区的掺杂浓度最高；,集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大；,基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。,管芯结构剖面图,N型硅,N+,P型硅,（a）平面型,EC,RC,IC,UCE,C,E,B,UBE,共发射极接法放大电路,14.5.2 三极管的电流控制作用,三极管具有电流控制作用的外部条件:,（1）发射结正向偏置；,（2）集电结反向偏置。,对于NPN型三极管应满足:UBE 0UBC VB VE,对于PNP型三极管应满足:UEB 0UCB 0即 VC VB VE,公共端,EB,RB,IB,IC,N,P,N,三极管的电流控制原理,VCC,RC,VBB,RB,由于基区很薄,掺杂浓度又很小,电子在基区扩散的数量远远大于复合的数量。所以：,IC IB,同样有:IC IB,所以说三极管具有电流控制作用,也称之为电流放大作用。,电流关系：IE=IB+IC,电流放大作用体现了基极电流IB对集电极电流IC的控制作用。,共发射极接法放大电路,（1）发射结正向偏置；,（2）集电结反向偏置。,对于NPN型三极管应满足:UBE 0、UBC VB VE且IC=IB,对于PNP型三极管应满足:UBE 0即 VC VB VE且IC=IB,公共端,1.放大状态,条件,特征,14.5.3 三极管的特性曲线,（一）三极管的工作状态,2.饱和状态,集电结、发射结均反向偏置，即UBE 0,（1）IB增加时，IC基本不变，且IC UC/RC,（2）UCE 0,晶体管C、E之间相当于短路,3.截止状态,即UCE UBE,（1）IB=0、IC 0,（2）UCE EC,（3）晶体管C、E之间相当于开路,共发射极接法放大电路,条件,特征,（1）发射结正向偏置；,（2）集电结正向偏置。,条件,特征,1.三极管的输入特性,IB,UBE,O,UCE 1V,（二）三极管的特性曲线,温度增加时，由于热激发形成的载流子增多，在同样的UBE下，基极电流增加。输入特性曲线左移。,25C,75C,2.三极管的输出特性,UCE/V,IB=40A,IB=60A,o,IC,IB=20A,IC/mA,UCE/V,0,三极管输出特性上的三个工作区,IB=0 A,20A,40 A,60 A,80 A,（三）三极管的主要参数,1.电流放大系数,直流电流放大系数,交流电流放大系数,2.穿透电流 ICEO,3.集电极最大允许电流 ICM,4.集-射反向击穿电压 U(BR)CEO,5.集电极最大允许耗散功率 PCM,极限参数,使用时不允许超过,由少数载流子形成，其值受温度影响很大，因此越小越好。,基极开路，集、射极之间最大允许电压。温度增加时其值减小。,=UCE IC,UCE/V,IB=40A,60A,o,IC,20A,6,1.5,2.3,mA,在输出特性上求,设UCE=6V,IC/mA,UCE/V,0,IB=0 A,20A,40 A,60 A,80 A,由三极管的极限参数确定安全工作区,ICM,ICEO,
