電路與模擬電子技術(shù)電子教案第4章課件

1、半導體二極管和三極管第 4 章4.1半導體基礎知識與PN結(jié)特性4.2二極管的種類及特性4.3二極管的檢測與應用4.4雙極型三極管4.6三極管的識別、檢測及應用4.5 單極型三極管-場效應管4.7 技能訓練半導體二極管、三極管第 4 章4.1半導體的基礎知識4.1.1本征半導體4.1.2雜質(zhì)半導體4.1.3PN 結(jié)4.1.1 本征半導體半導體 導電能力介于導體和絕緣體之間的物質(zhì)。本征半導體 純凈、結(jié)構(gòu)完整的半導體。如硅、鍺單晶體。載流子 自由運動的帶電粒子。共價鍵 相鄰原子共有價電子所形成的束縛。+4+4+4+4硅(鍺)的原子結(jié)構(gòu)Si284Ge28184簡化模型+4慣性核硅(鍺)的共價鍵結(jié)構(gòu)價電

2、子自由電子(束縛電子)空穴空穴空穴可在共價鍵內(nèi)移動第 4 章半導體二極管、三極管本征激發(fā)：復 合：自由電子和空穴在運動中相遇重新結(jié)合后成對消失的過程。漂 移：自由電子和空穴在電場作用下的定向運動。在室溫或光照下價電子獲得足夠能量擺脫共價鍵的束縛成為自由電子，同時在共價鍵中留下一個空位(空穴)的過程。第 4 章半導體二極管、三極管兩種載流子電子(自由電子)空穴兩種載流子的運動自由電子(在共價鍵以外)的運動空穴(在共價鍵以內(nèi))的運動 結(jié)論：1. 本征半導體中電子空穴成對出現(xiàn)，且數(shù)量少； 2. 半導體中有電子和空穴兩種載流子參與導電； 3. 本征半導體導電能力弱，且與溫度有關(guān)。兩種載流子第 4 章半

3、導體二極管、三極管4.1.2 雜質(zhì)半導體一、N 型半導體和 P 型半導體N 型+5+4+4+4+4+4磷原子自由電子電子為多數(shù)載流子空穴為少數(shù)載流子載流子數(shù) 電子數(shù)P 型+3+4+4+4+4+4硼原子空穴空穴 多子電子 少子載流子數(shù) 空穴數(shù)施主離子施主原子受主離子受主原子 第 4 章半導體二極管、三極管二、雜質(zhì)半導體的導電作用IIPINI = IP + INN 型半導體 I INP 型半導體 I IP三、P 型、N 型半導體的簡化圖示負離子多數(shù)載流子少數(shù)載流子正離子多數(shù)載流子少數(shù)載流子+ 第 4 章半導體二極管、三極管4.1.3 PN 結(jié)一、PN 結(jié)(PN Junction)的形成1. 載流子

4、的濃度差引起多子的擴散2. 復合使交界面形成空間電荷區(qū)(耗盡層) 空間電荷區(qū)特點:無載流子，阻止擴散進行，利于少子的漂移。3. 擴散和漂移達到動態(tài)平衡擴散電流 等于漂移電流， 總電流 I = 0。內(nèi)建電場PN 結(jié)形成第 4 章半導體二極管、三極管二、PN 結(jié)的單向?qū)щ娦?. 外加正向電壓(正向偏置) forward biasP 區(qū)N 區(qū)內(nèi)電場+ UR外電場外電場使多子向 PN 結(jié)移動,中和部分離子使空間電荷區(qū)變窄。 IF限流電阻2. 外加反向電壓(反向偏置) reverse bias P 區(qū)N 區(qū) +UR內(nèi)電場外電場外電場使少子背離 PN 結(jié)移動， 空間電荷區(qū)變寬。IRPN 結(jié)的單向?qū)щ娦裕赫?/p>

5、偏導通，呈小電阻，電流較大; 反偏截止，電阻很大，電流近似為零。漂移運動加強形成反向電流 IRPN 結(jié)單向?qū)щ姷?4 章半導體二極管、三極管4.2 二極管的種類和特性4.2.1 二極管的結(jié)構(gòu)、類型和命名4.2.2 二極管的伏安特性4.2.3 二極管的主要參數(shù) 第 4 章半導體二極管、三極管4.2.1 半導體二極管的結(jié)構(gòu)、類型和命名構(gòu)成：PN 結(jié) + 引線 + 管殼 = 二極管(Diode)符號：A(anode)C(cathode)分類：按材料分硅二極管鍺二極管按結(jié)構(gòu)分點接觸型面接觸型點接觸型正極引線觸絲N 型鍺片外殼負極引線負極引線 面接觸型N型鍺PN 結(jié) 正極引線鋁合金小球底座金銻合金平面型

6、正極引線負極引線集成電路平面型PNP 型支持襯底 第 4 章半導體二極管、三極管半導體器件型號命名方法半導體器件的型號由五個部分組成 表 4.1 半導體器件的組成 表 4.1 半導體器件的組成 組成部分的符號及其意義 4.2.2 二極管的伏安特性一、PN 結(jié)的伏安方程反向飽和電流溫度的電壓當量電子電量玻爾茲曼常數(shù)當 T = 300(27C)：UT = 26 mV 第 4 章半導體二極管、三極管二、二極管的伏安特性OuD /ViD /mA正向特性Uth死區(qū)電壓iD = 0Uth = 0.5 V 0.1 V(硅管)(鍺管)U UthiD 急劇上升0 U Uth UD(on) = (0.6 0.8)

7、 V硅管 0.7 V(0.1 0.3) V鍺管 0.2 V反向特性ISU (BR)反向擊穿U(BR) U 0 iD = IS 0.1 A(硅) 幾十 A (鍺)U U(BR)反向電流急劇增大(反向擊穿) 第 4 章半導體二極管、三極管反向擊穿類型：電擊穿熱擊穿反向擊穿原因： 齊納擊穿：(Zener)反向電場太強，將電子強行拉出共價鍵。 (擊穿電壓 6 V，正溫度系數(shù))擊穿電壓在 6 V 左右時，溫度系數(shù)趨近零。 第 4 章半導體二極管、三極管 第 4 章半導體二極管、三極管硅管的伏安特性鍺管的伏安特性604020 0.02 0.0400.40.82550iD / mAuD / ViD / mA

8、uD / V0.20.4 25 50510150.010.020溫度對二極管特性的影響604020 0.0200.42550iD / mAuD / V20C90CT 升高時，UD(on)以 (2 2.5) mV/ C 下降 第 4 章半導體二極管、三極管4.2.3 二極管的主要參數(shù)1. IF 最大整流電流(最大正向平均電流)2. URM 最高反向工作電壓，為 U(BR) / 2 3. IR 反向電流(越小單向?qū)щ娦栽胶?4. fM 最高工作頻率(超過時單向?qū)щ娦宰儾? 第 4 章半導體二極管、三極管iDuDU (BR)I FURMO4.3二極管的檢測與應用 4.3.1 二極管限幅 4.3.2

9、穩(wěn)壓二極管 4.3.3 光電二極管 4.3.4 二極管在整流電路中的應用 4.3.5 橋式整流濾波電路 4.3.6 二極管的識別與檢測 第 4 章半導體二極管、三極管4.3.1 二極管的限幅例 1.3.5 ui = 2 sin t (V)，分析二極管的限幅作用。ui 較小，宜采用恒壓降模型V1V2uiuORui 0.7 VV1、V2 均截止uO = uiuO = 0.7 Vui 0.7 VV2 導通 V截止ui UN二極管導通等效為 0.7 V 的恒壓源 UO = VDD1 UD(on)= 15 0.7 = 14.3 (V)IO = UO / RL= 14.3 / 3 = 4.8 (mA)I2

10、 = (UO VDD2) / R = (14.3 12) / 1 = 2.3 (mA)I1 = IO + I2 = 4.8 + 2.3 = 7.1 (mA)VDD1VDD2UORLR1 kW3 kWIOI1I215 V12VPN 第 4 章半導體二極管、三極管4.3.2 穩(wěn)壓二極管一、伏安特性符號工作條件：反向擊穿iZ /mAuZ/VOUZ IZmin IZmaxUZIZ IZ特性二、主要參數(shù)1. 穩(wěn)定電壓 UZ 流過規(guī)定電流時穩(wěn)壓管 兩端的反向電壓值。2. 穩(wěn)定電流 IZ 越大穩(wěn)壓效果越好， 小于 Imin 時不穩(wěn)壓。3. 最大工作電流 IZM 最大耗散功率 PZMP ZM = UZ IZM

11、4. 動態(tài)電阻 rZrZ = UZ / IZ 越小穩(wěn)壓效果越好。幾 幾十 第 4 章半導體二極管、三極管5. 穩(wěn)定電壓溫度系數(shù) CT一般，UZ 4 V，CTV 7 V，CTV 0 (為雪崩擊穿)具有正溫度系數(shù)；4 V UZ 7 V，CTV 很小。 第 4 章半導體二極管、三極管例 4.3 分析簡單穩(wěn)壓電路的工作原理， R 為限流電阻。IR = IZ + ILUO= UI IR R當 UI 波動時(RL不變)反之亦然當 RL 變化時(UI 不變)反之亦然UIUORRLILIRIZ 第 4 章半導體二極管、三極管4.3.3 發(fā)光二極管與光敏二極管一、發(fā)光二極管 LED (Light Emittin

12、g Diode)1. 符號和特性工作條件：正向偏置一般工作電流幾十 mA， 導通電壓 (1 2) V2. 主要參數(shù)電學參數(shù)：I FM ，U(BR) ，IR光學參數(shù)：峰值波長 P，亮度 L，光通量 發(fā)光類型：可見光：紅、黃、綠顯示類型： 普通 LED ，不可見光：紅外光，點陣 LED符號u /Vi /mAO2特性七段 LED 第 4 章半導體二極管、三極管 第 4 章半導體二極管、三極管二、光敏二極管1符號和特性符號特性uiO暗電流E = 200 lxE = 400 lx工作條件：反向偏置2. 主要參數(shù)電學參數(shù)：暗電流，光電流，最高工作范圍光學參數(shù)：光譜范圍，靈敏度，峰值波長實物照片 第 4 章

13、半導體二極管、三極管4.3.4 二極管在單相整流 電路中的應用一、半波整流tO23u2tO23 uOtO23 iD= iOtO23 uDRL220 V+ uu2iD+ uD 第 4 章半導體二極管、三極管V3RLV4V2V1u1u2+uoioRLV4V3V2V1+uou2u1二、橋式整流輸入正半周1. 工作原理2. 波形輸入負半周tOtOtOtO2323Im2233uOu2uDiD= iO+uo單相橋式整流電路 第 4 章半導體二極管、三極管3. 參數(shù)估算1) 整流輸出電壓平均值2) 二極管平均電流3) 二極管最大反向壓totototo2323Im2233uOu2uDiD = iO 第 4 章

14、半導體二極管、三極管4. 簡化畫法+uoRLio+u25. 整流橋把四只二極管封裝在一起稱為整流橋 第 4 章半導體二極管、三極管io + uo= uc RLV1V4V3V2+u4.3.5 橋式整流電容濾波電路V 導通時給 C 充電，V 截止時 C 向 RL 放電；一、電路和工作原理濾波后 uo 的波形變得平緩，平均值提高。電容充電電容放電C電容濾波電路 第 4 章半導體二極管、三極管二、 波形及輸出電壓當 RL = 時：OtuO2當 RL 為有限值時：通常取 UO = 1.2U2RC 越大 UO 越大RL = 為獲得良好濾波效果，一般?。?T 為輸入交流電壓的周期) 第 4 章半導體二極管、

15、三極管例 4.4 單相橋式電容濾波整流,交流電源頻率 f = 50 Hz，負載電阻 RL = 40 ，要求直流輸出電壓 UO = 20 V，選擇整流二極管及濾波電容。 解1. 選二極管選二極管應滿足：IF (2 3) ID可選：2CZ55C(IF = 1 A，URM = 100 V)或 1 A、100 V 整流橋電流平均值：承受最高反壓：2. 選濾波電容可選： 1 000 F，耐壓 50 V 的電解電容。 第 4 章半導體二極管、三極管一、目測判別極性觸絲半導體片4.3.6二極管的識別與檢測 第 4 章 半導體二極管、三極管二、用萬用表檢測二極管在 R 1 k 擋進行測量，紅表筆是(表內(nèi)電源)

16、負極，黑表筆是(表內(nèi)電源)正極。測量時手不要接觸引腳。1.用指針式萬用表檢測一般硅管正向電阻為幾千歐，鍺管正向電阻為幾百歐。正反向電阻相差不大為劣質(zhì)管。正反向電阻都是無窮大或零則二極管內(nèi)部斷路或短路。1k000 第 4 章 半導體二極管、三極管2 .用數(shù)字式萬用表檢測紅表筆是(表內(nèi)電源)正極，黑表筆是(表內(nèi)電源)負極。2k20k200k2M20M200在 擋進行測量，當 PN 結(jié)完好且正偏時，顯示值為PN 結(jié)兩端的正向壓降 (V)。反偏時，顯示 。 第 4 章半導體二極管、三極管4.4雙極型半導體 三極管4.4.1 三極管的工作原理4.4.2 三極管的特性曲線4.4.3 三極管的主要參數(shù) 第

17、4 章半導體二極管、三極管4.4.1 三極管的工作原理一、結(jié)構(gòu)、符號和分類NNP發(fā)射極 E基極 B集電極 C發(fā)射結(jié)集電結(jié) 基區(qū) 發(fā)射區(qū) 集電區(qū)emitterbasecollectorNPN 型PPNEBCPNP 型分類：按材料分： 硅管、鍺管按結(jié)構(gòu)分： NPN、 PNP按使用頻率分： 低頻管、高頻管按功率分：小功率管 1 WECBECB二、電流放大原理1. 三極管放大的條件內(nèi)部條件發(fā)射區(qū)摻雜濃度高基區(qū)薄且摻雜濃度低集電結(jié)面積大外部條件發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏2. 滿足放大條件的三種電路uiuoCEBECBuiuoECBuiuo共發(fā)射極共集電極共基極實現(xiàn)電路uiuoRBRCuouiRCRE 第 4

18、章半導體二極管、三極管3. 三極管內(nèi)部載流子的傳輸過程1) 發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入多子電子， 形成發(fā)射極電流 IE。I CN多數(shù)向 BC 結(jié)方向擴散形成 ICN。IE少數(shù)與空穴復合，形成 IBN 。I BN基區(qū)空穴來源基極電源提供(IB)集電區(qū)少子漂移(ICBO)I CBOIBIBN IB + ICBO即：IB = IBN ICBO 3) 集電區(qū)收集擴散過來的載流子形成集電極電流 ICICI C = ICN + ICBO 2)電子到達基區(qū)后(基區(qū)空穴運動因濃度低而忽略)三極管內(nèi)載流子運動 第 4 章半導體二極管、三極管4. 三極管的電流分配關(guān)系當管子制成后，發(fā)射區(qū)載流子濃度、基區(qū)寬度、集電結(jié)面積等確

19、定，故電流的比例關(guān)系確定，即：IB = I BN ICBO IC = ICN + ICBOIE = IC + IB穿透電流 第 4 章半導體二極管、三極管4.4.2 三極管的特性曲線一、輸入特性輸入回路輸出回路與二極管特性相似RCVCCiBIERB+uBE+uCEVBBCEBiC+iBRB+uBEVBB+O特性基本重合(電流分配關(guān)系確定)特性右移(因集電結(jié)開始吸引電子)導通電壓 UBE(on)硅管： (0.6 0.8) V鍺管： (0.2 0.3) V取 0.7 V取 0.2 VVBB+RB 第 4 章半導體二極管、三極管二、輸出特性iC / mAuCE /V50 A40 A30 A20 A1

20、0 AIB = 0O 2 4 6 8 4321截止區(qū)： IB 0 IC = ICEO 0條件：兩個結(jié)反偏2. 放大區(qū)：3. 飽和區(qū)：uCE u BEuCB = uCE u BE 0條件：兩個結(jié)均正偏特點：IC IB臨界飽和時： uCE = uBE深度飽和時：0.3 V (硅管)UCE(SAT)=0.1 V (鍺管)放大區(qū)截止區(qū)飽和區(qū)條件：發(fā)射結(jié)正偏 集電結(jié)反偏特點：水平、等間隔ICEO輸 出 特 性 第 4 章半導體二極管、三極管三、溫度對特性曲線的影響1. 溫度升高，輸入特性曲線向左移。溫度每升高 1C，UBE (2 2.5) mV。溫度每升高 10C，ICBO 約增大 1 倍。2. 溫度升

21、高，輸出特性曲線向上移。OT1T2 iCuCE T1iB = 0T2 iB = 0iB = 0溫度每升高 1C， (0.5 1)%。輸出特性曲線間距增大。O 第 4 章半導體二極管、三極管4.4.3 三極管的主要參數(shù)一、電流放大系數(shù)1. 共發(fā)射極電流放大系數(shù)iC / mAuCE /V50 A40 A30 A20 A10 AIB = 0O 2 4 6 8 4321 直流電流放大系數(shù) 交流電流放大系數(shù)一般為幾十 幾百2. 共基極電流放大系數(shù) 1 一般在 0.98 以上。 Q二、極間反向飽和電流CB 極間反向飽和電流 ICBO，CE 極間反向飽和電流 ICEO。 第 4 章半導體二極管、三極管三、極

22、限參數(shù)1. ICM 集電極最大允許電流，超過時 值明顯降低。U(BR)CBO 發(fā)射極開路時 C、B 極間反向擊穿電壓。2. PCM 集電極最大允許功率損耗PC = iC uCE。3. U(BR)CEO 基極開路時 C、E 極間反向擊穿電壓。U(BR)EBO 集電極極開路時 E、B 極間反向擊穿電壓。U(BR)CBO U(BR)CEO U(BR)EBO已知:ICM = 20 mA, PCM = 100 mW，U(BR)CEO = 20 V，當 UCE = 10 V 時，IC mA當 UCE = 1 V，則 IC mA當 IC = 2 mA，則 UCE 0 此時 uGD = UGS(off)； 溝

23、道楔型耗盡層剛相碰時稱預夾斷。預夾斷當 uDS ，預夾斷點下移。3. 轉(zhuǎn)移特性和輸出特性UGS(off)當 UGS(off) uGS 0 時,uGSiDIDSSuDSiDuGS = 3 V 2 V 1 V0 V 3 VJFET工作原理OO 第 4 章半導體二極管、三極管一、增強型 N 溝道 MOSFET (Mental Oxide Semi FET)4.5.2 絕緣柵-MOS 場效應管1. 結(jié)構(gòu)與符號P 型襯底(摻雜濃度低)N+N+用擴散的方法制作兩個 N 區(qū)在硅片表面生一層薄 SiO2 絕緣層S D用金屬鋁引出源極 S 和漏極 DG在絕緣層上噴金屬鋁引出柵極 GB耗盡層S 源極 Source

24、G 柵極 Gate D 漏極 DrainSGDBMOSFET結(jié)構(gòu) 第 4 章半導體二極管、三極管2. 工作原理1)uGS 對導電溝道的影響 (uDS = 0)a. 當 UGS = 0 ，DS 間為兩個背對背的 PN 結(jié)；b. 當 0 UGS UGS(th)DS 間的電位差使溝道呈楔形，uDS，靠近漏極端的溝道厚度變薄。預夾斷(UGD = UGS(th)：漏極附近反型層消失。預夾斷發(fā)生之前： uDS iD。預夾斷發(fā)生之后：uDS iD 不變。MOS工作原理 第 4 章半導體二極管、三極管3. 轉(zhuǎn)移特性曲線2 4 64321uGS /ViD /mAUDS = 10 VUGS (th)當 uGS U

25、GS(th) 時：uGS = 2UGS(th) 時的 iD 值4. 輸出特性曲線可變電阻區(qū)uDS 107 MOSFET：RGS = 109 1015IDSSuGS /ViD /mAO 第 4 章半導體二極管、三極管4. 低頻跨導 gm 反映了uGS 對 iD 的控制能力，單位 S(西門子)。一般為幾毫西 (mS)uGS /ViD /mAQPDM = uDS iD，受溫度限制。5. 漏源動態(tài)電阻 rds6. 最大漏極功耗 PDMO 第 4 章半導體二極管、三極管4.6三極管的識別、 檢測及選用4.6.1 三極管外型及引腳排列第 4 章半導體二極管、三極管4.6.2 三極管檢測方法4.6.3 三極

26、管的選用4.6.1 三極管外型及引腳排列EBCEBCEBCBEC第 4 章半導體二極管、三極管4.6.2 三極管檢測方法萬用表檢測晶體三極管的方法1. 根據(jù)外觀判斷極性；3. 用萬用表電阻擋測量三極管的好壞，PN 結(jié)正 偏時電阻值較小(幾千歐以下)，反偏時電阻 值較大(幾百千歐以上) 。插入三極管擋(hFE)，測量 值或判斷管型 及管腳；第 4 章半導體二極管、三極管指針式萬用表在 R 1 k 擋進行測量。紅表筆是(表內(nèi))負極，黑表筆是(表內(nèi))正極。注意事項：測量時手不要接觸引腳。1kBEC1kBEC第 4 章半導體二極管、三極管數(shù)字萬用表注意事項： 紅表筆是(表內(nèi)電源)正極； 黑表筆是(表內(nèi)

27、電源)負極。 NPN 和 PNP 管分別按 EBC 排列插入不同的孔。 需要準確測量 值時，應先進行校正。2. 插入三極管擋(hFE)，測量 值或判斷管型及管腳?？芍苯佑秒娮钃醯?擋，分別測量判斷兩個結(jié) 的好壞。第 4 章半導體二極管、三極管4.6.3 三極管的選用1. 根據(jù)電路工作要求選擇高、低頻管。2. 根據(jù)電路工作要求選擇 PCM、 ICM 、 U(BR)CEO， 應保證： PC PCm ICM Cm U(BR)CEO VCC3. 一般三極管的 值在 40 100 之間為好，9013、 9014 等低噪聲、高 的管子不受此限制 。4. 穿透電流 ICEO 越小越好，硅管比鍺管的小。第 4

28、 章半導體二極管、三極管附錄：半導體器件的命名方式第一部分數(shù)字電極數(shù)2 二極管3 三極管第二部分第三部分字母(漢拼)材料和極性A 鍺材料 N 型B 鍺材料 P 型C 硅材料 N 型D 硅材料 P 型A 鍺材料 PNPB 鍺材料 NPNC 硅材料 PNPD 硅材料 NPN字母(漢拼)器件類型P 普通管W 穩(wěn)壓管Z 整流管K 開關(guān)管U 光電管X 低頻小功率管G 高頻小功率管D 低頻大功率管A 高頻大功率管第四部分第五部分數(shù)字序號字母(漢拼)規(guī)格號例如：2CP 2AP 2CZ 2CW3AX31 3DG12B 3DD6 3CG 3DA 3AD 3DK 常用小功率進口三極管9011 9018第 4 章半

29、導體二極管、三極管小 結(jié)第 4 章一、兩種半導體和兩種載流子兩種載流子的運動電子 帶負電荷空穴帶正電荷兩 種半導體N 型 (多子電子，少子空穴)P 型 (多子空穴，少子電子)二、二極管1. 特性 單向?qū)щ娬螂娮栊?理想為 0)，反向電阻大()。iDO uDU (BR)I FURM2. 主要參數(shù)正向 最大平均電流 IF反向 最大反向工作電壓 U(BR)(超過則擊穿)反向飽和電流 IR (IS)(受溫度影響)第 4章 小結(jié)IS3. 二極管的等效模型理想模型 (大信號狀態(tài)采用)uDiD正偏導通 電壓降為零 相當于理想開關(guān)閉合反偏截止 電流為零 相當于理想開關(guān)斷開恒壓降模型UD(on)正偏電壓 UD(on) 時導通 等效為恒壓源UD(on)否則截止，相當于二極管支路斷開UD(on) = (0.6 0.8) V估算時取 0.7 V硅管：鍺管：(0.1 0.3) V0.2 V折線近似模型相當于有內(nèi)阻的恒壓源 UD(o