电工电子技术基础-第六章

电子技术电工电子技术基础2019/8/52ζ6.1半导体基本知识ζ6.2半导体二极管ζ6.3稳压二极管ζ6.4发光二极管ζ6.5半导体三极管第六章半导体二极管和三极管2019/8/53第六章半导体二极管和三极管知识要点PN结的导电特性三极管的电流分配与放大作用二极管、稳压管和三极管的基本构造、工作原理三极管的特性曲线2019/8/546.1半导体基本知识概述半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的物质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光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强(可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管等)（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）2019/8/556.1半导体基本知识本征半导体完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体晶体中原子的排列方式共价健共价键中的两个电子，称为价电子。硅单晶中的共价健结构SiSiSiSi价电子2019/8/566.1半导体基本知识本征半导体SiSiSiSi自由电子空穴本征半导体的导电机理本征激发:价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）2019/8/576.1半导体基本知识本征半导体本征半导体的导电机理当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流:自由电子作定向运动电子电流价电子递补空穴空穴电流自由电子和空穴都称为载流子注意：(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。因此温度对半导体器件性能影响很大。2019/8/586.1半导体基本知识杂志半导体在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素），形成杂质半导体SiSiSiSip+磷原子多余电子掺入五价元素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N型半导体多余电子在常温下即可变为自由电子磷原子变为正离子在N型半导体中自由电子是多数载流子2019/8/596.1半导体基本知识本征半导体SiSiSiSiB–硼原子空穴掺入三价元素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，称为P型半导体硼原子接受一个电子变为负离子在N型半导体中自由电子是多数载流子2019/8/5106.1半导体基本知识PN结的形成－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－P型半导体N型半导体多子的扩散运动(浓度差)少子的漂移运动形成空间电荷区内电场无外加电压时，扩散和漂移这一对相反的运动处于动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变2019/8/5116.1半导体基本知识PN结的单向导电性1.PN结加正向电压（正向偏置）——导通PN结变窄外电场IF内电场PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–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。2019/8/5126.1半导体基本知识PN结的单向导电性1.PN结加反向电压（反向偏置）——截止外电场内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+PN结变宽+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－IR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。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。2019/8/5136.2半导体二极管基本结构①点接触型结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路。②面接触型结面积大、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。2019/8/514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)面接触型阴极阳极(d)符号D基本结构6.2半导体二极管2019/8/515伏安特性6.2半导体二极管UIPN+–PN–+反向电流在一定电压范围内保持常数。反向击穿电压U(BR)导通压降死区电压硅0.6~0.8V锗0.2~0.3V硅管0.5V,锗管0.1V。特点：非线性2019/8/516二极管长期使用时，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URM是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。3.反向峰值电流IRM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，IRM受温度的影响，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。1.最大整流电流IOM6.2半导体二极管主要参数2019/8/5176.2半导体二极管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。二极管单向导电性2019/8/5186.2半导体二极管二极管电路分析举例D6V12V3kBAUAB+–₪例1.电路如图，求：UAB解：判断二极管D导通还是截止？取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。V阳=－6VV阴=－12VV阳V阴二极管导通若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=－6V否则，UAB低于－6V一个管压降，为－6.3Ｖ或－6.7V2019/8/5196.2半导体二极管二极管电路分析举例BD16V12V3kAD2UAB+–₪例2.电路如图，求：UAB判断二极管D1、D2导通还是截止？V1阳=－6V，V2阳=0V，V1阴=V2阴=－12VUD1=6V，UD2=12V∵UD2UD1∴D2优先导通，D1截止。若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=0V解：取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。2019/8/520D8VRuoui++––二极管电路分析举例₪例3.电路如图，其中D是理想二极管，试画出uo波形。6.2半导体二极管Vsin18itu解：二极管阴极电位为8V8Vuit18Vui8V，二极管导通，可看作短路uo=8Vui8V，二极管截止，可看作开路uo=ui2019/8/521二极管电路分析举例6.2半导体二极管二极管电路分析方法总结：定性分析：判断二极管的工作状态（导通/截止？）若二极管是理想的，正向导通时相当于短接，反向截止时二极管相当于断开否则，正向管压降硅0.6~0.7V/锗0.2~0.3V分析方法：将二极管断开，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2019/8/5226.3稳压二极管表示符号与伏安特性1.符号2.伏安特性UZIZIZMUZIZUIO稳压管正常工作时加反向电压稳压管反向击穿后，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，使用时要加限流电阻2019/8/5231.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ZZZIUr4.稳定电流IZ、最大稳定电流IZM5.最大允许耗散功率PZM=UZIZMrZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好主要参数6.3稳压二极管2019/8/5246.4发光二极管概述有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似，正向电压较一般二极管高，电流为几~几十毫安2019/8/5256.5半导体三极管基本结构NNP基极发射极集电极NPN型BECBECPNP型PPN基极发射极集电极NPN型三极管PNP型三极管BECIBIEICBECIBIEIC2019/8/526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基极发射极集电极集电区：面积最大6.5半导体三极管基本结构2019/8/527电流分配和放大原理6.5半导体三极管BECNNPEBRBECRC1.三极管放大的外部条件发射结正偏、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VCVB2019/8/528电流分配和放大原理6.5半导体三极管2.各电极电流关系及电流放大作用IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.100.0010.701.502.303.103.950.0010.721.542.363.184.05•1）三电极电流关系IE=IB+IC•2）ICIB，ICIE•3）ICIB结论:把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大变化的特性称为晶体管的电流放大作用2019/8/5293.三极管内部载流子的运动规律电流分配和放大原理6.5半导体三极管BECNNPEBRBECIEIBICIENIEPICNIBNICBO2019/8/530BECNNPEBRBECIEIBICIENIEPICNIBNICBO3.三极管内部载流子的运动规律电流分配和放大原理6.5半导体三极管EENEPCNBEEPIIIIIICCNCBOIII'BBNEPCBOBCBOIIIIIIECBIII2019/8/531BECNNPEBRBECIEIBICIENIEPICNIBNICBO3.三极管内部载流子的运动规律电流分配和放大原理6.5半导体三极管'CNCCBOBBCBOIIIIII'CNCCBOBBCBOIIIIIICEOCBIII忽略，有'CNCBBIIII2019/8/532即三极管各电极电压与电流的关系曲线，是三极管内部载流子运动的外部表现，反映了晶体管的性能，是分析放大电路的依据?为什么要研究特性曲线：1）直观地分析三极管的工作状态2）合理地选择偏置电路的参数，设计性能良好的电路重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线三极管的特性曲线6.5半导体三极管2019/8/533三极管的特性曲线6.5半导体三极管ICEBmAAVUCEUBERBIBECV++––––++测量晶体管特性的实验线路(共发射极电路)共射：发射极是输入回路、输出回路的公共端2019/8/534三极管的特性曲线6.5半导体三极管1.输入特性曲线IB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1VO常数CE)(BEBUUfI输入特性曲线是非线性曲线输入电压小于死区电压时，基极电流为零对于小功率管，UCE≥1V的任意一条曲线都近似2019/8/535三极管的特性曲线6.5半导体三极管2.输出特性曲线常数B)(CECIUfIIB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O放大区在放大区有IC=IB，也称为线性区，具有恒流特性。在放大区，发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置，晶体管工作于放大状态。(1)放大区2019/8/536三极管的特性曲线6.5半导体三极管2.输出特性曲线IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O截止区（2）截止