電工二極管和晶體管

1、電工課件二極管和晶體管第1頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)43分，星期五 本章要求： 1. 理解PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，三極管的電流分配和 電流放大作用； 2. 了解二極管、穩(wěn)壓管和三極管的基本構(gòu)造、工 作原理和特性曲線(xiàn)，理解主要參數(shù)的意義； 3. 會(huì)分析含有二極管的電路。第14章 二極管和晶體管第2頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)43分，星期五 學(xué)會(huì)用工程觀點(diǎn)分析問(wèn)題，就是根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)器件的數(shù)學(xué)模型和電路的工作條件進(jìn)行合理的近似，以便用簡(jiǎn)便的分析方法獲得具有實(shí)際意義的結(jié)果。 對(duì)電路進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)，只要能滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)，就不要過(guò)分追究精確的數(shù)值。 器件是非線(xiàn)性的、特性有分散性

2、、RC 的值有誤差、工程上允許一定的誤差、采用合理估算的方法。 對(duì)于元器件，重點(diǎn)放在特性、參數(shù)、技術(shù)指標(biāo)和正確使用方法，不要過(guò)分追究其內(nèi)部機(jī)理。討論器件的目的在于應(yīng)用。第3頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)43分，星期五14.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性半導(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(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）。光敏性：當(dāng)受到光照時(shí)，導(dǎo)電能力明顯變化 (可做 成各種光敏元件，如光敏電阻、光敏二極 管、光敏三極管等)。熱敏性：當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，導(dǎo)電能力顯著增強(qiáng)第4頁(yè)，共52頁(yè)，20

3、22年，5月20日，4點(diǎn)43分，星期五 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(chēng)為本征半導(dǎo)體。晶體中原子的排列方式硅單晶中的共價(jià)健結(jié)構(gòu)共價(jià)健共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子，稱(chēng)為價(jià)電子。 Si Si Si Si價(jià)電子第5頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)43分，星期五 Si Si Si Si價(jià)電子 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(chēng)為空穴（帶正電）。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理這一現(xiàn)象稱(chēng)為本征激發(fā)?？昭?溫度愈高，晶體中產(chǎn)生的自由電子便愈多。自由電子 在外電場(chǎng)的作用下，空穴吸引相鄰原子的價(jià)電子來(lái)填補(bǔ)，而在該原子中出現(xiàn)

4、一個(gè)空穴，其結(jié)果相當(dāng)于空穴的運(yùn)動(dòng)（相當(dāng)于正電荷的移動(dòng)）。第6頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)43分，星期五本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理 當(dāng)半導(dǎo)體兩端加上外電壓時(shí)，在半導(dǎo)體中將出現(xiàn)兩部分電流 (1)自由電子作定向運(yùn)動(dòng) 電子電流 (2)價(jià)電子遞補(bǔ)空穴 空穴電流注意： (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。所以，溫度對(duì)半導(dǎo)體器件性能影響很大。自由電子和空穴都稱(chēng)為載流子。 自由電子和空穴成對(duì)地產(chǎn)生的同時(shí)，又不斷復(fù)合。在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生和復(fù)合達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，半導(dǎo)體中載流子便維持一定的數(shù)目。第7頁(yè)，共52頁(yè)，2022

5、年，5月20日，4點(diǎn)43分，星期五14.1.2 N型半導(dǎo)體和 P 型半導(dǎo)體 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(chēng)為電子半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體。摻入五價(jià)元素 Si Si Si Sip+多余電子磷原子在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮邮ヒ粋€(gè)電子變?yōu)檎x子 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。 在N 型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。第8頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)43分，星期五14.1.2 N型半導(dǎo)體和 P 型半導(dǎo)體 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(chēng)為空穴半導(dǎo)體或 P型半導(dǎo)體。摻入三價(jià)元素

6、Si Si Si Si 在 P 型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子。B硼原子接受一個(gè)電子變?yōu)樨?fù)離子空穴無(wú)論N型或P型半導(dǎo)體都是中性的，對(duì)外不顯電性。第9頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)43分，星期五 1. 在雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子的數(shù)量與 （a. 摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。 2. 在雜質(zhì)半導(dǎo)體中少子的數(shù)量與 （a. 摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。 3. 當(dāng)溫度升高時(shí)，少子的數(shù)量 （a. 減少、b. 不變、c. 增多）。abc 4. 在外加電壓的作用下，P 型半導(dǎo)體中的電流主要是 ，N 型半導(dǎo)體中的電流主要是 。 （a. 電子電流、b.空穴電流） ba第10頁(yè)，共52頁(yè)，2022年

7、，5月20日，4點(diǎn)43分，星期五14.2 PN結(jié) PN結(jié)的形成多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)少子的漂移運(yùn)動(dòng)濃度差P 型半導(dǎo)體N 型半導(dǎo)體 內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。 擴(kuò)散的結(jié)果使空間電荷區(qū)變寬?？臻g電荷區(qū)也稱(chēng) PN 結(jié) 擴(kuò)散和漂移這一對(duì)相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。+形成空間電荷區(qū)第11頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)43分，星期五14.2.2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?1. PN 結(jié)加正向電壓（正向偏置）PN 結(jié)變窄 P接正、N接負(fù) 外電場(chǎng)IF 內(nèi)電場(chǎng)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

8、阻較小，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。內(nèi)電場(chǎng)PN+第12頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)43分，星期五2. PN 結(jié)加反向電壓（反向偏置）外電場(chǎng) P接負(fù)、N接正 內(nèi)電場(chǎng)PN+第13頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)43分，星期五PN 結(jié)變寬2. PN 結(jié)加反向電壓（反向偏置）外電場(chǎng) 內(nèi)電場(chǎng)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。IR P接負(fù)、N接正 溫度越高少子的數(shù)目越多，反向電流將隨溫度增加。+ 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)。內(nèi)電場(chǎng)PN+第14頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)43分，星期五14.3 半

9、導(dǎo)體二極管14.3.1 基本結(jié)構(gòu)(a) 點(diǎn)接觸型(b)面接觸型 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。 結(jié)面積大、正向電流大、結(jié)電容大，用于工頻大電流整流電路。(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(kāi)關(guān)電路中。第15頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)43分，星期五陰極引線(xiàn)陽(yáng)極引線(xiàn)二氧化硅保護(hù)層P型硅N型硅( c ) 平面型金屬觸絲陽(yáng)極引線(xiàn)N型鍺片陰極引線(xiàn)外殼( a ) 點(diǎn)接觸型鋁合金小球N型硅陽(yáng)極引線(xiàn)PN結(jié)金銻合金底座陰極引線(xiàn)( b ) 面接觸型圖 1 12 半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào) 14.3 半導(dǎo)體二極管二極管的結(jié)構(gòu)示意圖陰極

10、陽(yáng)極( d ) 符號(hào)D第16頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)43分，星期五14.3.2 伏安特性硅管0.5V鍺管0.1V反向擊穿電壓U(BR)導(dǎo)通壓降 外加電壓大于死區(qū)電壓二極管才能導(dǎo)通。 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?。正向特性反向特性特點(diǎn)：非線(xiàn)性硅0.60.8V鍺0.20.3VUI死區(qū)電壓PN+PN+ 反向電流在一定電壓范圍內(nèi)保持常數(shù)。第17頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)43分，星期五14.3.3 主要參數(shù)1. 最大整流電流 IOM 二極管長(zhǎng)期使用時(shí)，允許流過(guò)二極管的最大正向平均電流。2. 反向工作峰值電壓URWM 是保證二極管不被擊穿而給出的反

11、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?，甚至過(guò)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(shuō)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。第18頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)43分，星期五二極管的單向?qū)щ娦?1. 二極管加正向電壓（正向偏置，陽(yáng)極接正、陰極接負(fù) ）時(shí)， 二極管處于正向?qū)顟B(tài)，二極管正向電阻較小，正向電流較大。 2. 二極管加反向電壓（反向偏置，陽(yáng)極接負(fù)、陰極接正 ）時(shí)， 二極管處于反向截止?fàn)顟B(tài)

12、，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。第19頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)43分，星期五 二極管電路分析舉例 定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)導(dǎo)通截止否則，正向管壓降硅0.60.7V鍺0.20.3V 分析方法：將二極管斷開(kāi)，分析二極管兩端電位的高低或所加電壓UD的正負(fù)。若 V陽(yáng) V陰或 UD為正( 正向偏置 )，二極管導(dǎo)通若 V陽(yáng) V陰 二極管導(dǎo)通若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB = 6V否則， UAB低于6V一個(gè)管壓降，為6.3或6.7V例1： 取 B 點(diǎn)作參考

13、點(diǎn)，斷開(kāi)二極管，分析二極管陽(yáng)極和陰極的電位。 在這里，二極管起鉗位作用。 D6V12V3kBAUAB+第21頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)43分，星期五兩個(gè)二極管的陰極接在一起取 B 點(diǎn)作參考點(diǎn)，斷開(kāi)二極管，分析二極管陽(yáng)極和陰極的電位。V1陽(yáng) =6 V，V2陽(yáng)=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例2:D1承受反向電壓為6 V流過(guò) D2 的電流為求：UAB 在這里， D2 起鉗位作用， D1起隔離作用。 BD16V12V3kAD2UAB+第22頁(yè)，共5

14、2頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)43分，星期五ui 8V，二極管導(dǎo)通，可看作短路 uo = 8V ui 8V，二極管截止，可看作開(kāi)路 uo = ui已知： 二極管是理想的，試畫(huà)出 uo 波形。8V例3：二極管的用途： 整流、檢波、限幅、鉗位、開(kāi)關(guān)、元件保護(hù)、溫度補(bǔ)償?shù)取i18V參考點(diǎn)二極管陰極電位為 8 VD8VRuoui+第23頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)43分，星期五14.4 穩(wěn)壓二極管1. 符號(hào) UZIZIZM UZ IZ2. 伏安特性 穩(wěn)壓管正常工作時(shí)加反向電壓使用時(shí)要加限流電阻 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

15、作用。_+UIO第24頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)43分，星期五3. 主要參數(shù)(1) 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)壓值變化的百分?jǐn)?shù)。(3) 動(dòng)態(tài)電阻(4) 穩(wěn)定電流 IZ 、最大穩(wěn)定電流 IZM(5) 最大允許耗散功率 PZM = UZ IZMrZ愈小，曲線(xiàn)愈陡，穩(wěn)壓性能愈好。第25頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)43分，星期五14.5 半導(dǎo)體三極管14.5.1 基本結(jié)構(gòu)晶體管的結(jié)構(gòu)(a)平面型；(b)合金型BEP型硅N型硅二氧化碳保護(hù)膜銦球N型鍺N型硅CBECPP銦球(a)(b)第26頁(yè)，共5

16、2頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)43分，星期五14.5 半導(dǎo)體三極管晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖和表示符號(hào)(a)NPN型晶體管；(a)NNCEBPCETBIBIEIC(b)BECPPNETCBIBIEIC(b)PNP型晶體管CE發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)集電結(jié)發(fā)射結(jié)NNP基極發(fā)射極集電極BCE發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)P發(fā)射結(jié)P集電結(jié)N集電極發(fā)射極基極B第27頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)43分，星期五基區(qū)：最薄，摻雜濃度最低發(fā)射區(qū)：摻雜濃度最高發(fā)射結(jié)集電結(jié)BECNNP基極發(fā)射極集電極結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：集電區(qū)：面積最大第28頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)43分，星期五14. 5. 2 電流分配和放大原理1

17、. 三極管放大的外部條件BECNNP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 EBRBECRC第29頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)43分，星期五晶體管電流放大的實(shí)驗(yàn)電路 設(shè) EC = 6 V，改變可變電阻 RB, 則基極電流 IB、集電極電流 IC 和發(fā)射極電流 IE 都發(fā)生變化，測(cè)量結(jié)果如下表：2. 各電極電流關(guān)系及電流放大作用mAAVVmAICECIBIERB+UBE+UCEEBCEB3DG100第30頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)43分，星期五晶體管電流測(cè)量數(shù)據(jù)IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.04

18、0.060.080.100.0010.701.502.303.103.95 0, UBC UBE。Q2Q1大放區(qū)第39頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)43分，星期五IC/mAUCE/V100 A 80A 60 A 40 A 20 A O 3 6 9 1242.31.5321IB =0(2)截止區(qū)對(duì)NPN型硅管，當(dāng)UBE0.5V時(shí), 即已開(kāi)始截止, 為使晶體管可靠截止 , 常使 UBE 0。截止時(shí), 集電結(jié)也處于反向偏置(UBC 0),此時(shí), IC 0, UCE UCC 。IB = 0 的曲線(xiàn)以下的區(qū)域稱(chēng)為截止區(qū)。IB = 0 時(shí), IC = ICEO(很小)。(ICEO0.001mA

19、)截止區(qū)第40頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)43分，星期五IC/mAUCE/V100 A 80A 60 A 40 A 20 A O 3 6 9 1242.31.5321IB =0(3) 飽和區(qū) 在飽和區(qū)，IB IC，發(fā)射結(jié)處于正向偏置，集電結(jié)也處于正偏。 深度飽和時(shí)， 硅管UCES 0.3V， 鍺管UCES 0.1V。 IC UCC/RC 。 當(dāng) UCE 0)，晶體管工作于飽和狀態(tài)。飽和區(qū)第41頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)43分，星期五晶體管三種工作狀態(tài)的電壓和電流(a)放大+ UBE 0 ICIB+UCE UBC 0+(b)截止IC 0 IB = 0+ UCE UC

20、C UBC 0 IB+ UCE 0 UBC 0+ 當(dāng)晶體管飽和時(shí)， UCE 0，發(fā)射極與集電極之間如同一個(gè)開(kāi)關(guān)的接通，其間電阻很?。划?dāng)晶體管截止時(shí)，IC 0 ，發(fā)射極與集電極之間如同一個(gè)開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)，其間電阻很大，可見(jiàn)，晶體管除了有放大作用外，還有開(kāi)關(guān)作用。第42頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)43分，星期五 0 0.1 0.5 0.1 0.6 0.7 0.2 0.3 0.3 0.1 0.7 0.3硅管(NPN)鍺管(PNP) 可靠截止開(kāi)始截止 UBE/V UBE/VUCE/V UBE/V 截 止 放大 飽和 工 作 狀 態(tài) 管 型晶體管結(jié)電壓的典型值 主要參數(shù) 表示晶體管特性的數(shù)據(jù)稱(chēng)

21、為晶體管的參數(shù)，晶體管的參數(shù)也是設(shè)計(jì)電路、選用晶體管的依據(jù)。第43頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)43分，星期五 主要參數(shù)1. 電流放大系數(shù)，直流電流放大系數(shù)交流電流放大系數(shù)當(dāng)晶體管接成發(fā)射極電路時(shí)，注意： 和 的含義不同，但在特性曲線(xiàn)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。 由于晶體管的輸出特性曲線(xiàn)是非線(xiàn)性的，只有在特性曲線(xiàn)的近于水平部分，IC隨IB成正比變化， 值才可認(rèn)為是基本恒定的。第44頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)43分，星期五例：在UCE= 6 V時(shí)， 在 Q1 點(diǎn)IB=40A, IC=1.5mA； 在 Q2

22、 點(diǎn)IB=60 A, IC=2.3mA。在以后的計(jì)算中，一般作近似處理： = 。IB=020A40A60A80A100A36IC / mA1234UCE /V9120Q1Q2在 Q1 點(diǎn)，有由 Q1 和Q2點(diǎn)，得第45頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)43分，星期五2.集-基極反向截止電流 ICBO 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ICBOICBOA+EC3.集-射極反向截止電流(穿透電流)ICEOAICEOIB=0+ ICEO受溫度的影響大。溫度ICEO，所以IC也相應(yīng)增加。三極管的溫度特性較差。第46頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)43分，星期五4.集電極最大允許電流 ICM5.集-射極反向擊穿電壓U(BR)CEO 集電極電流 IC上升會(huì)導(dǎo)致三極管的值的下降，當(dāng)值下降到正常值的三分之二時(shí)的集電極電流即為 ICM。 當(dāng)集射極之間的電壓UCE 超過(guò)一定的數(shù)值時(shí)，三極管就會(huì)被擊穿。手冊(cè)上給出的數(shù)值是25C、基極開(kāi)路時(shí)的擊穿電壓U(BR) CEO。6.集電極最大允許耗散功耗PCM PCM取決于三極管允許的溫升，消耗功率過(guò)大，溫升過(guò)高會(huì)燒壞三極管。 PC PCM =IC UCE 硅管允許結(jié)溫約為150C，鍺管約為7090C。第47頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)43分，星期五ICMU(BR)CEO由三個(gè)極限參數(shù)可畫(huà)出