电工学第七版(下)电子技术第14章

第14章半导体二极管和三极管14.3半导体二极管14.4稳压二极管14.5半导体三极管14.2PN结14.1半导体的导电特性动画第14章半导体二极管和三极管理解PN结的单向导电性，三极管的电流分配和电流放大作用；了解二极管、稳压管和三极管的基本构造、工作原理和特性曲线，理解主要参数的意义；会分析含有二极管的电路。本章知识点动画讨论器件的目的在于应用：重点放在特性、参数、技术指标和正确使用方法，不要过分追究其内部机理。用工程观点分析问题：根据实际情况，对器件的数学模型和电路的工作条件进行合理的近似，以便用简便的分析方法获得具有实际意义的结果。对电路进行分析计算时，只要能满足技术指标，就不要过分追究精确的数值。器件是非线性的、特性有分散性、RC的值有误差、工程上允许一定的误差、采用合理估算的方法。动画14.1半导体的导电特性半导体的导电特性：(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显改变(可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化(可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等)。热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强动画14.1.1本征半导体本征半导体：完全纯净的、具有晶体结构的半导体。晶体中原子的排列方式硅单晶中的共价健结构共价健价电子：共价键中的两个电子。SiSiSiSi价电子动画SiSiSiSi价电子价电子在获得一定能量可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电）；共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）一、本征半导体的导电机理----本征激发。空穴自由电子14.1.1本征半导体自由电子和空穴都称为载流子。有外电场作用时：空穴吸引相邻原子的价电子来填补，在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。动画14.1.1本征半导体一、本征半导体的导电机理当半导体两端加上外电压时：(1)自由电子作定向运动电子电流；(2)价电子递补空穴空穴电流；自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。温度对半导体器件性能影响很大：(1)本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差；(2)温度愈高，载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。动画14.1.2N型半导体和P型半导体杂质半导体：在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）。掺入五价元素SiSiSiSip+多余电子磷原子在常温下即可变为自由电子失去一个电子变为正离子掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。在N型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。动画动画14.1.2N型半导体和P型半导体掺入三价元素SiSiSiSiB–硼原子接受一个电子变为负离子空穴掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式--------空穴半导体或P型半导体在P型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。1.在杂质半导体中多子的数量与（）（a.掺杂浓度、b.温度）有关。2.在杂质半导体中少子的数量与（）（a.掺杂浓度、b.温度）有关。3.当温度升高时，少子的数量（）（a.减少、b.不变、c.增多）。abc4.在外加电压的作用下，P型半导体中的电流主要是（），N型半导体中的电流主要是（）。（a.电子电流、b.空穴电流）ba动画14.1.2N型半导体和P型半导体14.2PN结15.2.1PN结的形成多子的扩散运动内电场少子的漂移运动浓度差P型半导体N型半导体内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。扩散的结果使空间电荷区变宽。空间电荷区---------PN结扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空间电荷区动画14.2.2PN结的单向导电性1.PN结加正向电压（正向偏置）PN结变窄P接正、N接负外电场IF内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。PN结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。内电场PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–动画2.PN结加反向电压（反向偏置）外电场P接负、N接正内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+动画14.2.2PN结的单向导电性PN结变宽外电场内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。IR温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。–+PN结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－动画2.PN结加反向电压（反向偏置）P接负、N接正14.2.2PN结的单向导电性14.3半导体二极管15.3.1基本结构(a)点接触型(b)面接触型结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路。结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。(c)平面型用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。动画阴极引线阳极引线二氧化硅保护层P型硅N型硅(c)平面型金属触丝阳极引线N型锗片阴极引线外壳(a)点接触型铝合金小球N型硅阳极引线PN结金锑合金底座阴极引线(b)面接触型14.3半导体二极管二极管的结构示意图和符号阴极阳极(d)符号D动画14.3半导体二极管动画BCII___14.3.2伏安特性动画特点：非线性硅管0.5V锗管0.1V反向击穿电压U(BR)导通压降外加电压大于死区电压二极管才能导通。正向特性反向特性硅0.6~0.8V锗0.2~0.3VUI死区电压PN+–PN–+反向电流在一定电压范围内保持常数。外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。14.3.3主要参数1.最大整流电流IOM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。2.反向工作峰值电压URWM3.反向峰值电流IRM动画保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压UBR的一半或三分之二。二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，受温度的影响较大，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。二极管的单向导电性1.二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负）时，二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。2.二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正）时，二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。3.外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。4.二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。动画二极管电路分析举例定性分析：判断二极管的工作状态导通截止实际正向管压降硅0.6~0.7V锗0.2~0.3V分析方法：将二极管处断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压UD的正负。若V阳V阴或UD为正(正向偏置)，二极管导通若V阳V阴或UD为负(反向偏置)，二极管截止理想二极管：正向导通时正向管压降为零，反向截止时二极管相当于断开。动画二极管的应用是主要利用它的单向导电性包括整流、限幅、检波、钳位、开关、温度补偿保护等。二极管电路分析举例动画例1：图示电路中输入端A的电位VA=+3V，B的电位VB=0V，求输出端Y的电位VY。A+3VB0VDADBRY-12V解：假设DA、DB同时导通Y的电位为：+-0.3VVY=+3-0.3=+2.7VVY=0-0.3=-0.3V所以DA、DB不能同时导通由于A端电位比B端电位高DA优先导通VY=+3-0.3=+2.7VDA导通后,DB上加的是反向电压,因而截止.DA起钳位作用把Y端的电位钳在+2.7V.二极管电路分析举例动画二极管电路分析举例已知：二极管是理想的，试画出uo波形。ZZZIUr例2：D8VRuoui++––动画参考点ui8V，二极管导通，可看作短路uo=8Vui8V，二极管截止，可看作开路uo=ui8Vui18V二极管阴极电位为8V例3：试画出对应于ui的输出电压uo、电阻R上的电压uR和二极管D上的电压uD的波形otui53－210Duo+-5VRuDuR+++---ui+-二极管电路分析举例动画动画otui53－210105－2－5－5ouotuDt-7Duo+-5VRuDuR+++---ui+-otui53－210ouR5ttDuo+-5VRuDuR+++---ui+-动画动画14.4稳压二极管•1.符号UZIZIZMUZIZ2.伏安特性稳压管正常工作时加反向电压使用时要加限流电阻稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。_+UIO动画3.主要参数(1)稳定电压UZ稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。(2)电压温度系数ｕ环境温度每变化1C引起稳压值变化的百分数。(3)动态电阻CCCCRUI(4)稳定电流IZ、最大稳定电流IZM(5)最大允许耗散功率PZM=UZIZMrZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。14.4稳压二极管常数CE)(BEBUUfI14.4稳压二极管14.5半导体三极管(a)NPN型晶体管；(b)PNP型晶体管CE发射区集电区基区集电结发射结NNP基极发射极集电极BCE发射区集电区基区P发射结P集电结N集电极发射极基极B动画基区：最薄，掺杂浓度最低发射区：掺杂浓度最高发射结集电结BECNNP基极发射极集电极结构特点：集电区：面积最大14.5半导体三极管动画符号NNCEBPCETBIBIEICBECPPNETCBIBIEIC14.5半导体三极管动画14.5半导体三极管动画14.5.2电流分配和放大原理1.三极管放大的外部条件BECNNP发射结正偏、集电结反偏PNP发射结正偏VBVE集电结反偏VCVB从电位的角度看：NPN发射结正偏VBVE集电结反偏VCVBEBRBECRC动画14.5.2电流分配和放大原理2.各电极电流关系及电流放大作用mAAVVmAICECIBIERB+UBE+UCEEBCEB3DG100晶体管电流放大的实验电路设EC=6V，改变可变电阻RB,则基极电流IB、集电极电流IC和发射极电流IE都发生变化，测量结果如下表：动画晶体管电流测量数据IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.100.0010.701.502.303.103.950.0010.721.542.363.184.0514.5.2电流分配和放大原理(1)IE=IB+IC符合基尔霍夫定律(2)ICIB，ICIE(3)ICIB基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大变化---晶体管的电流放大作用。实质:用微小电流的变化去控制一个较大电流的变化。------CCCS器件。动画动画mAAVVmAICECIBIERB+UBE+UCEEBCEB3DG100(4)要使晶体管起放大作用，发射结必须正向偏置，集电结必须反向偏置。+UBEICIEIBCTEB+UCE(a)NPN型晶体管；14.5.2电流分配和放大原理+UBEIBIEICCTEB+UCEmAAVVmAICECIBIERB+UBE+UCEEBCEB3DG100(b)PNP型晶体管(4)要使晶体管起放大作用，发射结必须正向偏置，集电结必须反向偏置。14.5.2电流分配和放大原理动画3.三极管内部载流子的运动规律BECNNPEBRBECIEIBEICEICBO基区空穴向发射区的扩散可忽略。发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流