電子技術(下)第14章二極管和晶體管

1、機機電電工工程程學學院院電電工工學學 電電子子技技術術電子技術緒論電子技術緒論電工學電工學 下冊下冊 模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎和和數(shù)字電子技術基礎數(shù)字電子技術基礎 是電子是電子信息工程、自動化、通信工程和電子科學與技術等專業(yè)非常信息工程、自動化、通信工程和電子科學與技術等專業(yè)非常重要的基礎主干課程，在電路分析和眾多后續(xù)課中起著承前重要的基礎主干課程，在電路分析和眾多后續(xù)課中起著承前啟后的重要作用。學習掌握得好壞，對后續(xù)課程將產(chǎn)生重大啟后的重要作用。學習掌握得好壞，對后續(xù)課程將產(chǎn)生重大影響。影響。 通過本課程的學習，使學生掌握電子線路的基本理通過本課程的學習，使學生掌握電子線路的基本理論

2、和分析方法，了解和掌握常用電子元器件的原理、特性及論和分析方法，了解和掌握常用電子元器件的原理、特性及選用方法，了解和掌握常用集成器件的特性及其應用，掌握選用方法，了解和掌握常用集成器件的特性及其應用，掌握基本單元電路的組成、工作原理及其重要性能指標的估算，基本單元電路的組成、工作原理及其重要性能指標的估算，具有一定的讀圖能力和初步設計電路的能力，具有一定的實具有一定的讀圖能力和初步設計電路的能力，具有一定的實踐動手能力和分析、解決實際問題的能力，為后續(xù)課程打下踐動手能力和分析、解決實際問題的能力，為后續(xù)課程打下良好的理論和實踐基礎。良好的理論和實踐基礎。 機機電電工工程程學學院院電電工工學學

3、 電電子子技技術術電工學電工學 下冊下冊電子技術參考書電子技術參考書模擬電子技術模擬電子技術（第（第5版）康華光高等教育出版社，版）康華光高等教育出版社，2005年版年版 數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術（第（第5版）康華光高等教育出版社，版）康華光高等教育出版社，2005年版年版 機機電電工工程程學學院院電電工工學學 電電子子技技術術機機電電工工程程學學院院電電工工學學 電電子子技技術術機機電電工工程程學學院院電電工工學學 電電子子技技術術二極管二極管(diode)機機電電工工程程學學院院電電工工學學 電電子子技技術術晶體管晶體管(transistor)機機電電工工程程學學院院電電工工學學 電電子子

4、技技術術導體、半導體和絕緣體導體、半導體和絕緣體導體：導體：自然界中很容易導電的物質(zhì)稱為自然界中很容易導電的物質(zhì)稱為導體導體，金屬，金屬一般都是導體。一般都是導體。絕緣體：絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導電，稱為有的物質(zhì)幾乎不導電，稱為絕緣體絕緣體，如橡，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。皮、陶瓷、塑料和石英。半導體：半導體：另有一類物質(zhì)的導電特性處于導體和絕緣另有一類物質(zhì)的導電特性處于導體和絕緣體之間，稱為體之間，稱為半導體半導體，如鍺、硅、砷化鎵，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。和一些硫化物、氧化物等。機機電電工工程程學學院院電電工工學學 電電子子技技術術 半導體半導體的導電機理不同于其它物質(zhì)，所

5、以它的導電機理不同于其它物質(zhì)，所以它具有不同于其它物質(zhì)的特點。例如：具有不同于其它物質(zhì)的特點。例如： 當受外界熱和光的作用時，它的導電能當受外界熱和光的作用時，它的導電能力明顯變化。力明顯變化。 往純凈的半導體中摻入某些雜質(zhì)，會使它往純凈的半導體中摻入某些雜質(zhì)，會使它的導電能力明顯改變。的導電能力明顯改變。機機電電工工程程學學院院電電工工學學 電電子子技技術術14.1.1 本征半導體本征半導體一、本征半導體的結構特點一、本征半導體的結構特點現(xiàn)代電子學中，用的最多的半導體是硅和鍺，它們現(xiàn)代電子學中，用的最多的半導體是硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個。的最外層電子（價電子）都是四個。Ge

6、Si28184284機機電電工工程程學學院院電電工工學學 電電子子技技術術本征半導體：本征半導體：完全純凈的、結構完整的半導體晶體。完全純凈的、結構完整的半導體晶體。在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點陣，每個原子都處在正四面體的中心，晶體點陣，每個原子都處在正四面體的中心，而四個其它原子位于四面體的頂點，每個原子而四個其它原子位于四面體的頂點，每個原子與其相臨的原子之間形成與其相臨的原子之間形成共價鍵共價鍵，共用一對價，共用一對價電子。電子。硅和鍺的晶硅和鍺的晶體結構：體結構：機機電電工工程程學學院院電電工工學學 電電子子技技術術硅和鍺的共價鍵結構硅

7、和鍺的共價鍵結構共價鍵共共價鍵共用電子對用電子對+4+4+4+4+4+4表示除表示除去價電子去價電子后的原子后的原子機機電電工工程程學學院院電電工工學學 電電子子技技術術共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自自由電子由電子，因此本征半導體中的自由電子很少，所以，因此本征半導體中的自由電子很少，所以本征半導體的導電能力很弱。本征半導體的導電能力很弱。形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構成穩(wěn)定結構。八個，構成穩(wěn)定結構。共

8、價鍵有很強的結合力，使原子規(guī)共價鍵有很強的結合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。則排列，形成晶體。+4+4+4+4機機電電工工程程學學院院電電工工學學 電電子子技技術術二、本征半導體的導電機理二、本征半導體的導電機理在絕對在絕對0度度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時和沒有外界激發(fā)時, ,價價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導體中沒有電子完全被共價鍵束縛著，本征半導體中沒有可以運動的帶電粒子（即可以運動的帶電粒子（即載流子載流子），它的導電），它的導電能力為能力為 0，相當于絕緣體。，相當于絕緣體。在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價電子獲在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為

9、得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自由自由電子電子，同時共價鍵上留下一個空位，稱為，同時共價鍵上留下一個空位，稱為空穴空穴。1.1.載流子、自由電子和空穴載流子、自由電子和空穴機機電電工工程程學學院院電電工工學學 電電子子技技術術+4+4+4+4自由電子自由電子空穴空穴束縛電子束縛電子二、本征半導體的導電機理二、本征半導體的導電機理1.1.載流子、自由電子和空穴載流子、自由電子和空穴機機電電工工程程學學院院電電工工學學 電電子子技技術術2.本征半導體的導電機理本征半導體的導電機理+4+4+4+4在其它力的作用下，在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子空穴吸引附近的電子來填補，這樣的結果來填補，

10、這樣的結果相當于空穴的遷移，相當于空穴的遷移，而空穴的遷移相當于而空穴的遷移相當于正電荷的移動，因此正電荷的移動，因此可以認為空穴是載流可以認為空穴是載流子。子。本征半導體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即本征半導體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子自由電子和和空穴空穴。機機電電工工程程學學院院電電工工學學 電電子子技技術術 溫度越高，載流子的濃度越高。因此本溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導體的導電能力越強，溫度是影響半導征半導體的導電能力越強，溫度是影響半導體性能的一個重要的外部因素，這是半導體體性能的一個重要的外部因素，這是半導體的一大特點。的一大特點。本征半導體的導電能力取決于載

11、流子的濃度。本征半導體的導電能力取決于載流子的濃度。本征半導體中電流由兩部分組成：本征半導體中電流由兩部分組成： 1. 自由電子移動產(chǎn)生的電流。自由電子移動產(chǎn)生的電流。 2. 空穴移動產(chǎn)生的電流?？昭ㄒ苿赢a(chǎn)生的電流。機機電電工工程程學學院院電電工工學學 電電子子技技術術14.1.2 N N型半導體和型半導體和P P型半導體型半導體在本征半導體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會在本征半導體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會使半導體的導電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻使半導體的導電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導體的某種載流子濃度大大增加。雜半導體的某種載流子濃度大大增加。P 型半導體：型半導體：空穴濃度大大增加

12、的雜質(zhì)半導體，也空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導體，也稱為（空穴半導體）。稱為（空穴半導體）。N 型半導體：型半導體：自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導體，自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導體，也稱為（電子半導體）。也稱為（電子半導體）。機機電電工工程程學學院院電電工工學學 電電子子技技術術一、一、N 型半導體型半導體在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷（或銻），晶體點陣中的某些半導體原子被（或銻），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質(zhì)取代，磷原子的最外層有五個價電子，雜質(zhì)取代，磷原子的最外層有五個價電子，其中四個與相鄰的半導體原子形成共價鍵，其中四個與相鄰的半導體原子形成共價鍵

13、，必定多出一個電子，這個電子幾乎不受束縛，必定多出一個電子，這個電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而成為自由電子，這樣磷原子很容易被激發(fā)而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動的帶正電的離子。每個磷原就成了不能移動的帶正電的離子。每個磷原子給出一個電子，稱為子給出一個電子，稱為施主原子施主原子。機機電電工工程程學學院院電電工工學學 電電子子技技術術+4+4+5+4多余多余電子電子磷原子磷原子N 型半導體中型半導體中的載流子是什的載流子是什么？么？1.1.由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。2.2.本征半導體中成對產(chǎn)生的電子和空穴。本征半導體中成對產(chǎn)生

14、的電子和空穴。摻雜濃度遠大于本征半導體中載流子濃度，所以，自摻雜濃度遠大于本征半導體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠大于空穴濃度。自由電子稱為由電子濃度遠大于空穴濃度。自由電子稱為多數(shù)載流多數(shù)載流子子（多子多子），空穴稱為），空穴稱為少數(shù)載流子少數(shù)載流子（少子少子）。）。機機電電工工程程學學院院電電工工學學 電電子子技技術術二、二、P 型半導體型半導體在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼（或銦），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質(zhì)（或銦），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質(zhì)取代，硼原子的最外層有三個價電子，與相鄰的取代，硼原子的最外層有三個價電子，與相鄰的

15、半導體原子形成共價鍵時，半導體原子形成共價鍵時，產(chǎn)生一個空穴。這個空穴產(chǎn)生一個空穴。這個空穴可能吸引束縛電子來填補，可能吸引束縛電子來填補，使得硼原子成為不能移動使得硼原子成為不能移動的帶負電的離子。由于硼的帶負電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為原子接受電子，所以稱為受主原子受主原子。+4+4+3+4空穴空穴硼原子硼原子P 型半導體中空穴是多子，電子是少子型半導體中空穴是多子，電子是少子。機機電電工工程程學學院院電電工工學學 電電子子技技術術14.2 PN PN結及其單向?qū)щ娦越Y及其單向?qū)щ娦訮NPN結的形成結的形成小結小結濃度差異和隨機熱運動速度濃度差異和隨機熱運動速度P區(qū)的多子空穴、區(qū)

16、的多子空穴、N區(qū)的多區(qū)的多子電子向?qū)Ψ綌U散子電子向?qū)Ψ綌U散擴散擴散電流電流耗盡耗盡剩下了不能移動的帶電施剩下了不能移動的帶電施主和受主離子形成內(nèi)電場主和受主離子形成內(nèi)電場高電高電阻率阻率內(nèi)電場阻礙多子的擴散運內(nèi)電場阻礙多子的擴散運動，促進少子的漂移運動動，促進少子的漂移運動漂移漂移電流電流擴散電流擴散電流漂移電流漂移電流擴散運動和漂移運動相等，擴散運動和漂移運動相等，達到動態(tài)平衡達到動態(tài)平衡無宏觀無宏觀電流電流擴散電流擴散電流機機電電工工程程學學院院電電工工學學 電電子子技技術術14.2 PN PN結及其單向?qū)щ娦越Y及其單向?qū)щ娦?RE一、一、PN 結正向偏置結正向偏置內(nèi)電場內(nèi)電場外電場外電場

17、變薄變薄PN+_內(nèi)電場被削弱，多子內(nèi)電場被削弱，多子的擴散加強能夠形成的擴散加強能夠形成較大的擴散電流。較大的擴散電流。機機電電工工程程學學院院電電工工學學 電電子子技技術術二、二、PN 結反向偏置結反向偏置+內(nèi)電場內(nèi)電場外電場外電場變厚變厚NP+_內(nèi)電場被被加強，多子內(nèi)電場被被加強，多子的擴散受抑制。少子漂的擴散受抑制。少子漂移加強，但少子數(shù)量有移加強，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反限，只能形成較小的反向電流。向電流。RE機機電電工工程程學學院院電電工工學學 電電子子技技術術14.3 二極管二極管14.3.1 半導體二極管的基本結構半導體二極管的基本結構 二二極極管管就就是是一一個個封封裝

18、裝的的PN結結平面型平面型點接觸型點接觸型引線引線觸絲觸絲外殼外殼N N型鍺片型鍺片N N型硅型硅陽極引線陽極引線PNPN結結陰極引線陰極引線金銻合金金銻合金底座底座鋁合金小球鋁合金小球機機電電工工程程學學院院電電工工學學 電電子子技技術術機機電電工工程程學學院院電電工工學學 電電子子技技術術機機電電工工程程學學院院電電工工學學 電電子子技技術術機機電電工工程程學學院院電電工工學學 電電子子技技術術14.3.2 伏安特性伏安特性 導通壓降導通壓降: : 硅管硅管0.60.7V,鍺管鍺管0.20.3V。死區(qū)電壓死區(qū)電壓 硅管硅管0.5V,鍺管鍺管0.1V。反向擊穿反向擊穿電壓電壓UBR反向漏電流

19、反向漏電流（很小，（很小， A級）級）機機電電工工程程學學院院電電工工學學 電電子子技技術術14.3.3 主要參數(shù)主要參數(shù)1. 最大整流電流最大整流電流 IOM二極管長期使用時，允許流過二極管的最大二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。正向平均電流。2. 反向擊穿電壓反向擊穿電壓URWM二極管反向擊穿時的電壓值。擊穿時反向電二極管反向擊穿時的電壓值。擊穿時反向電流劇增，二極管的單向?qū)щ娦员黄茐?，甚至流劇增，二極管的單向?qū)щ娦员黄茐?，甚至過熱而燒壞。過熱而燒壞。機機電電工工程程學學院院電電工工學學 電電子子技技術術3. 反向峰值電流反向峰值電流 IRM 指二極管加反向峰值工作電壓時

20、的反向電指二極管加反向峰值工作電壓時的反向電流。反向電流大，說明管子的單向?qū)щ娦圆?，流。反向電流大，說明管子的單向?qū)щ娦圆?，因此反向電流越小越好。反向電流受溫度的影因此反向電流越小越好。反向電流受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流要比硅管大幾十到幾百較小，鍺管的反向電流要比硅管大幾十到幾百倍。倍。14.3.3 主要參數(shù)主要參數(shù)機機電電工工程程學學院院電電工工學學 電電子子技技術術二極管在電子技術中的應用二極管在電子技術中的應用 二極管在電子技術中廣泛地應用于整流、二極管在電子技術中廣泛地應用于整流、 限限幅、幅、 鉗位、

21、鉗位、 開關、開關、 穩(wěn)壓、穩(wěn)壓、 檢波等方面，檢波等方面， 大多是大多是利用其正偏導通、利用其正偏導通、 反偏截止的特點。反偏截止的特點。機機電電工工程程學學院院電電工工學學 電電子子技技術術一、整流電路一、整流電路vsvott1.1.半波整流半波整流DRvovs二極管在電子技術中的應用二極管在電子技術中的應用 機機電電工工程程學學院院電電工工學學 電電子子技技術術2.2.橋式整流電路橋式整流電路+_uOTRu2+_u1ab+_RLD1D2D4D3一、整流電路一、整流電路二極管在電子技術中的應用二極管在電子技術中的應用 機機電電工工程程學學院院電電工工學學 電電子子技技術術a. 當當u20時

22、時電流流動方向電流流動方向D1D2D4D3+_uOTRu2+_u1ab+_RLvivott輸出輸出波形波形2.2.橋式整流電路橋式整流電路一、整流電路一、整流電路二極管在電子技術中的應用二極管在電子技術中的應用 機機電電工工程程學學院院電電工工學學 電電子子技技術術b. 當當u2 0, UBC UBE。機機電電工工程程學學院院電電工工學學 電電子子技技術術IC/mAUCE/V100 A 80A 60 A 40 A 20 A O 3 6 9 1242.31.5321IB =0對對NPN型硅管，當型硅管，當UBE0.5V時時, 即已即已開始截止開始截止, 為使晶體為使晶體管可靠截止管可靠截止 ,

23、常使常使 UBE 0。截止時截止時, 集集電結也處于反向偏電結也處于反向偏置置( (UBC 0),),此時此時, IC 0, UCE UCC 。IB = 0 的曲線以下的區(qū)域稱為截止區(qū)。的曲線以下的區(qū)域稱為截止區(qū)。IB = 0 時時, IC = ICEO( (很小很小) )。(ICEO機機電電工工程程學學院院電電工工學學 電電子子技技術術IC/mAUCE/V100 A 80A 60 A 40 A 20 A O 3 6 9 1242.31.5321IB =0 IC UCC/RC 。 當當 UCE 0) )，晶體管工作于飽和狀態(tài)。晶體管工作于飽和狀態(tài)。機機電電工工程程學學院院電電工工學學 電電子子

24、技技術術晶體管三種工作狀態(tài)的電壓和電流晶體管三種工作狀態(tài)的電壓和電流(a)放大放大+ UBE 0 ICIB+UCE UBC 0+(b)截止截止IC 0 IB = 0+ UCE UCC UBC 0 IB+ UCE 0 UBC 0+CCCCRUI 當晶體管飽和時，當晶體管飽和時， UCE 0，發(fā)射極與集電極之，發(fā)射極與集電極之間如同一個開關的接通，其間電阻很小；當晶體管間如同一個開關的接通，其間電阻很??；當晶體管截止時，截止時，IC 0 ，發(fā)射極與集電極之間如同一個開關，發(fā)射極與集電極之間如同一個開關的斷開，其間電阻很大，可見，的斷開，其間電阻很大，可見，晶體管除了有放大晶體管除了有放大作用外，還

25、有開關作用。作用外，還有開關作用。機機電電工工程程學學院院電電工工學學 電電子子技技術術 0 0.1 0.5 0.10.6 0.7 0.2 0.3 0.3 0.1 0.7 0.3硅管硅管( (NPN) )鍺管鍺管( (PNP) ) 可靠截止可靠截止開始截止開始截止 UBE/V UBE/VUCE/V UBE/V 截截 止止 放大放大 飽和飽和 工工 作作 狀狀 態(tài)態(tài) 管管 型型晶體管結電壓的典型值晶體管結電壓的典型值14.5.4 主要參數(shù)主要參數(shù) 表示晶體管特性的數(shù)據(jù)稱為晶體管的參數(shù)，晶表示晶體管特性的數(shù)據(jù)稱為晶體管的參數(shù)，晶體管的參數(shù)也是設計電路、選用晶體管的依據(jù)。體管的參數(shù)也是設計電路、選用

26、晶體管的依據(jù)。機機電電工工程程學學院院電電工工學學 電電子子技技術術 BCII_ BCII 機機電電工工程程學學院院電電工工學學 電電子子技技術術53704051BC.II 400400605132BC .II 機機電電工工程程學學院院電電工工學學 電電子子技技術術ICBO A+EC AICEOIB=0+機機電電工工程程學學院院電電工工學學 電電子子技技術術機機電電工工程程學學院院電電工工學學 電電子子技技術術ICMU(BR)CEOICUCEO安全工作區(qū)安全工作區(qū)機機電電工工程程學學院院電電工工學學 電電子子技技術術機機電電工工程程學學院院電電工工學學 電電子子技技術術Light-emitting Diode ,機機電電工工程程學學院院電電工工學學 電電子子技技術術七段式七段式 點陣式點陣式 Light-emitting Diode ,機機電電工工程程學學院院電電工工學學 電電子子技技術術機機電電工工程程學學院院電電工工學學 電電子子技技術術機機電電工