最新-第14章二極管和晶體管終稿-PPT精品課件

1、電工學(xué)之電子技術(shù)寶雞文理學(xué)院機(jī)電工程系王娟平2019.2.121. 本課程的性質(zhì)2. 特點(diǎn)3. 教學(xué)目標(biāo)4. 學(xué)習(xí)方法5. 成績評定 實(shí)驗(yàn)： 10 % 平時(shí)： 10% 考試： 80 %6. 教材 前言電工學(xué)(第六版)下冊 電子技術(shù) 秦曾煌 主編高等教育出版社 2019.7前言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(shí)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(shí)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。數(shù)字電路：工作信號為數(shù)字信號的電子電路。前言主要內(nèi)容 半導(dǎo)體二極管和晶體

2、管 基本放大電路 集成運(yùn)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(shí)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14章 二極管和晶體管 內(nèi)容主要有：半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能PN結(jié)的形成及單向?qū)щ娦园雽?dǎo)體器件的基本結(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(dǎo)體器件主要包括：半導(dǎo)體二極管（包括穩(wěn)壓管）晶體管光電器件第14章 二極管和晶體管14.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性14.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性物質(zhì)根據(jù)其導(dǎo)電性能分為 導(dǎo) 體：導(dǎo)電能力良好的物質(zhì)。 絕緣體：導(dǎo)電能力很差的物質(zhì)。 半導(dǎo)體：是

3、一種導(dǎo)電能力介于導(dǎo)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(dǎo)體的導(dǎo)電能力具有獨(dú)特的性質(zhì)。溫度升高時(shí)，純凈的半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力顯著增加；純凈的半導(dǎo)體受到光照時(shí)，導(dǎo)電能力明顯提高；在純凈半導(dǎo)體材料中加入微量的“雜質(zhì)”元素，它的電 導(dǎo)率就會成千上萬倍地增長。半導(dǎo)體為什么具有以上的導(dǎo)電性質(zhì)？1.半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu) 原子的組成： 帶正電的原子核 若干個(gè)圍繞原子核運(yùn)動(dòng)的帶負(fù)電的電子 且整個(gè)原子呈電中性。半導(dǎo)體器件的材料： 硅（Silicon-Si）：四價(jià)元素，硅的原子序數(shù)是14，外層有4個(gè)電子。 鍺（Germanium-Ge）：也是四價(jià)元素，鍺的原子序數(shù)是32，外層也是4個(gè)電子。 1

4、4.1.1 本征半導(dǎo)體14.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性簡化原子結(jié)構(gòu)模型如圖4-1(a)的簡化形式。+4慣性核價(jià)電子圖14-1 (a) 硅和鍺的簡化原子模型14.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性圖14-1晶體共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖+4+4+4+4+4+4+4+4+4共價(jià)鍵單晶半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 共價(jià)鍵:由相鄰兩個(gè)原子各拿出一個(gè)價(jià)電子組成價(jià)電子對所構(gòu)成的聯(lián)系。 圖14-1是晶體共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)的平面示意圖。14.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性2.半導(dǎo)體的導(dǎo)電原理 本征半導(dǎo)體（Intrinsic Semiconductor） 純凈的、結(jié)構(gòu)完整的單晶半導(dǎo)體，稱為本征半導(dǎo)體。物質(zhì)導(dǎo)電能力的大小取決于其中能參與導(dǎo)電的粒子載流子的多少。本征半導(dǎo)體

5、在絕對零度（T=0K相當(dāng)于T=273）時(shí)，相當(dāng)于絕緣體。在室溫條件下，本征半導(dǎo)體便具有一定的導(dǎo)電能力。14.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性半導(dǎo)體中的載流子自由電子空穴（Hole）價(jià)電子掙脫共價(jià)鍵的束縛成為自由電子的同時(shí)，在原來的共價(jià)鍵位置上留下了一個(gè)空位，這個(gè)空位叫做空穴?？昭◣д姾伞?4.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性在本征半導(dǎo)體中，激發(fā)出一個(gè)自由電子，同時(shí)便產(chǎn)生一個(gè)空穴。電子和空穴總是成對地產(chǎn)生，稱為電子空穴對。半導(dǎo)體中共價(jià)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(dǎo)體中存在載流子的產(chǎn)生過程載流子的復(fù)合過程實(shí)驗(yàn)表明，在一定的溫度下，電子濃度和空穴濃度都保持一個(gè)定值.

6、動(dòng)畫14.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性空穴的運(yùn)動(dòng)實(shí)質(zhì)上是價(jià)電子填補(bǔ)空穴而形成的。BA空穴自由電子圖14-2晶體共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖+4+4+4+4+4+4+4+4+4C共價(jià)鍵14.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性14.1.2 N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體 (雜質(zhì)半導(dǎo)體)摻入了“雜質(zhì)”的半導(dǎo)體稱為“雜質(zhì)”半導(dǎo)體。常用的雜質(zhì)元素三價(jià)的硼、鋁、銦、鎵五價(jià)的砷、磷、銻雜質(zhì)半導(dǎo)體分為：N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中加入微量的五價(jià)元素，可使半導(dǎo)體中自由電子濃度大為增加，形成N型半導(dǎo)體(電子半導(dǎo)體)。14.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性圖14-3 N型半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)示意圖+4+4+4+4+4+4+4+4+4共價(jià)鍵摻入五價(jià)原

7、子在室溫下就可以激發(fā)成自由電子摻入五價(jià)原子占據(jù)Si原子位置14.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性 P型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中加入微量的三價(jià)元素，可使半導(dǎo)體中的空穴濃度大為增加，形成P型半導(dǎo)體?？瘴籄圖14-4 P型半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)示意圖+4+4+4+4+4+3+4+4+4共價(jià)鍵空位吸引鄰近原子的價(jià)電子填充，從而留下一個(gè)空穴。在P型半導(dǎo)體中，空穴數(shù)等于負(fù)離子數(shù)與自由電子數(shù)之和，空穴帶正電，負(fù)離子和自由電子帶負(fù)電，整塊半導(dǎo)體中正負(fù)電荷量相等，保持電中性。14.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性綜上所述：(1)本征半導(dǎo)體中加入五價(jià)雜質(zhì)元素，便形成N型半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)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(dǎo)電的正

8、離子。(2)本征半導(dǎo)體中加入三價(jià)雜質(zhì)元素，便形成P型半導(dǎo)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(dǎo)電的負(fù)離子。(3)雜質(zhì)半導(dǎo)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(guān)。14.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性14.2 PN結(jié)及其單向?qū)щ娞匦訮N結(jié)： 是指在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)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(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。 二極管的核心是一個(gè)PN結(jié)；三極管中包含了兩個(gè)PN結(jié)。14.2 PN結(jié)及其單向?qū)щ娞匦詣?dòng)畫如圖所示，電源的正極接P區(qū)，負(fù)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(dǎo)通，產(chǎn)生正向電流動(dòng)畫14.2 PN結(jié)及其單

9、向?qū)щ娞匦?PN結(jié)外加正向電壓 PN結(jié)外加反向電壓 如圖所示，電源的正極接N區(qū)，負(fù)極接P區(qū)，這種接法叫做PN結(jié)加反向電壓或反向偏置。 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?4.3 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(gè)二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點(diǎn)接觸型、面接觸型和平面型三大類。(1) 點(diǎn)接觸型二極管(a)點(diǎn)接觸型 二極管的結(jié)構(gòu)示意圖14.3 二極管 (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 二極管半導(dǎo)體二極管圖片14.3 二極管半導(dǎo)體二極管圖片14.3 二極管半導(dǎo)體二極管圖片14.3 二極管二

10、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 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UBR3. 主要參數(shù) 最大整流電流

11、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 例1 圖中的R和C構(gòu)成一微分電路。當(dāng)輸入電壓u1如圖 中所示時(shí)，試畫出輸出電壓u0的波形。設(shè)uc(0) =0。14.3 二極管例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(fù)電源12v。14.3 二極管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(shí)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

12、IZIZM（b）正向反向陰極陽極（a）+-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(dòng)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(yīng)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(shí)的參考電流，穩(wěn)定電壓 和動(dòng)態(tài)電阻都是指在這個(gè)電流下的值。IZM電壓溫度系數(shù)u溫度變化1時(shí)，穩(wěn)定電壓變化的百分?jǐn)?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(shè)20時(shí)穩(wěn)定電壓UZ = 8V，那么50時(shí)穩(wěn)壓值將為要求溫度穩(wěn)定性較高的場合常選用6V左右的管子。 14.4 穩(wěn)

13、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穩(wěn)壓管的應(yīng)用電路 為了限制穩(wěn)壓管擊穿以后的電流，使用時(shí)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(shí)，穩(wěn)壓管擊穿 必須適當(dāng)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 晶體管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+

14、晶體管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴(kuò)散電子的過程 電子在基區(qū)擴(kuò)散和復(fù)合過程集電區(qū)收集從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散過來電子的過程 iBiCiEECEBRbNPN(a) 載流子運(yùn)動(dòng)情況iEniEpiBEiCnICBO14.5 晶體管晶體管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴(kuò)散電子的過程 電子在基區(qū)擴(kuò)散和復(fù)合過程集電區(qū)收集從發(fā)射區(qū)擴(kuò)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(dòng)畫晶體管的電流分配關(guān)系CBEIII+=iBiEiCEICBOiEiBRbEBECiC(b)各極電流分配情況IC=bBI14.5 晶體管 IC=bBICEOCII=BI=0當(dāng)

15、 時(shí),晶體管放大原理的本質(zhì)： iB對iC或iE的控制作用。 關(guān)于PNP型晶體管PNP管與NPN管之間的差別： (1)電壓極性不同。 (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-+-+_UCEUBEUCEUBE14.5.3 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(guān)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AVVmAiBiCEBRW1RbRW2ECuCE+uBE-+-測量NPN管共射特性曲線的電路圖14

16、.5 晶體管 輸入特性曲線 UCE為一固定值時(shí)，IB和UBE之間的關(guān)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 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(shí)，iB =0； Ur =0.5V (Si) Ur =0.1V (Ge)正常工作時(shí) uBE=0.7V (Si) uBE= 0.2V (Ge)14.5 晶體管輸入特性有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

17、 當(dāng)uCE=0時(shí)，輸入特性曲線與二極管的正向伏安特性曲線形狀類似。 輸出特性曲線 IB為固定值時(shí)，IC和UCE之間的關(guān)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(dòng)畫14.5 晶體管bceIBICUBC 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(guān)作用截止區(qū): 指iB0，iCIC

18、EO的工作區(qū)域。在這個(gè)區(qū)域中，電流iC很小，基本不導(dǎo)通，故稱為截止區(qū)。工作在截止區(qū)時(shí)，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(diǎn)是固定iB不變時(shí)，iC隨uCE的增加而迅速增大。飽和區(qū)是對應(yīng)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?yàn)榉糯髤^(qū)。在這個(gè)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。4. 主要參數(shù)表示晶體管的各種性能指標(biāo)。 電流放大系數(shù)因?yàn)閕CICEO則 14.5 晶體管靜態(tài)電流(直流)放大系數(shù)動(dòng)態(tài)電流(交流)放大系數(shù)（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(shí)產(chǎn)生的電流。AICBO(a) NPN管V14.5 晶體管（）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(shí)的集電極電流。也稱為穿透電流。AbceICEO(