电子技术(下)第14章二极管和晶体管.

机电工程学院电工学电子技术电子技术绪论电工学下册《模拟电子技术基础》和《数字电子技术基础》是电子信息工程、自动化、通信工程和电子科学与技术等专业非常重要的基础主干课程，在电路分析和众多后续课中起着承前启后的重要作用。学习掌握得好坏，对后续课程将产生重大影响。通过本课程的学习，使学生掌握电子线路的基本理论和分析方法，了解和掌握常用电子元器件的原理、特性及选用方法，了解和掌握常用集成器件的特性及其应用，掌握基本单元电路的组成、工作原理及其重要性能指标的估算，具有一定的读图能力和初步设计电路的能力，具有一定的实践动手能力和分析、解决实际问题的能力，为后续课程打下良好的理论和实践基础。机电工程学院电工学电子技术电工学下册电子技术参考书《模拟电子技术》（第5版）．康华光．高等教育出版社，2005年版《数字电子技术》（第5版）．康华光．高等教育出版社，2005年版机电工程学院电工学电子技术机电工程学院电工学电子技术第14章二极管和晶体管机电工程学院电工学电子技术二极管(diode)第14章二极管和晶体管机电工程学院电工学电子技术晶体管(transistor)第14章二极管和晶体管机电工程学院电工学电子技术导体、半导体和绝缘体导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。§14.1半导体的导电特性机电工程学院电工学电子技术半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：•当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。•往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。§14.1半导体的导电特性机电工程学院电工学电子技术14.1.1本征半导体一、本征半导体的结构特点现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。GeSi28184284机电工程学院电工学电子技术本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。硅和锗的晶体结构：机电工程学院电工学电子技术硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子机电工程学院电工学电子技术共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+4机电工程学院电工学电子技术二、本征半导体的导电机理在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为0，相当于绝缘体。在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。1.载流子、自由电子和空穴机电工程学院电工学电子技术+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子二、本征半导体的导电机理1.载流子、自由电子和空穴机电工程学院电工学电子技术2.本征半导体的导电机理+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。机电工程学院电工学电子技术温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体中电流由两部分组成：1.自由电子移动产生的电流。2.空穴移动产生的电流。机电工程学院电工学电子技术14.1.2N型半导体和P型半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。P型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。N型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。机电工程学院电工学电子技术一、N型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。机电工程学院电工学电子技术+4+4+5+4多余电子磷原子N型半导体中的载流子是什么？1.由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。机电工程学院电工学电子技术二、P型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。+4+4+3+4空穴硼原子P型半导体中空穴是多子，电子是少子。机电工程学院电工学电子技术14.2PN结及其单向导电性PN结的形成小结浓度差异和随机热运动速度P区的多子空穴、N区的多子电子向对方扩散扩散电流耗尽剩下了不能移动的带电施主和受主离子形成内电场高电阻率内电场阻碍多子的扩散运动，促进少子的漂移运动漂移电流扩散电流漂移电流扩散运动和漂移运动相等，达到动态平衡无宏观电流扩散电流机电工程学院电工学电子技术14.2PN结及其单向导电性－－－－++++RE一、PN结正向偏置内电场外电场变薄PN+_内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。机电工程学院电工学电子技术二、PN结反向偏置－－－－++++内电场外电场变厚NP+_内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。RE机电工程学院电工学电子技术14.3二极管14.3.1半导体二极管的基本结构二极管就是一个封装的PN结平面型点接触型引线触丝外壳N型锗片N型硅阳极引线PN结阴极引线金锑合金底座铝合金小球机电工程学院电工学电子技术机电工程学院电工学电子技术机电工程学院电工学电子技术机电工程学院电工学电子技术14.3.2伏安特性导通压降:硅管0.6~0.7V,锗管0.2~0.3V。死区电压硅管0.5V,锗管0.1V。反向击穿电压UBR反向漏电流（很小，A级）机电工程学院电工学电子技术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.反向击穿电压URWM二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。机电工程学院电工学电子技术3.反向峰值电流IRM指二极管加反向峰值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，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。14.3.3主要参数机电工程学院电工学电子技术二极管在电子技术中的应用二极管在电子技术中广泛地应用于整流、限幅、钳位、开关、稳压、检波等方面，大多是利用其正偏导通、反偏截止的特点。机电工程学院电工学电子技术一、整流电路vsvott1.半波整流DRvovs二极管在电子技术中的应用机电工程学院电工学电子技术2.桥式整流电路+_uOTRu2+_u1ab+_RLD1D2D4D3一、整流电路二极管在电子技术中的应用机电工程学院电工学电子技术a.当u20时电流流动方向D1D2D4D3+_uOTRu2+_u1ab+_RLvivott输出波形2.桥式整流电路一、整流电路二极管在电子技术中的应用机电工程学院电工学电子技术b.当u20时电流流动方向+_uOTRu2+_u1ab_+RLD1D2D4D3vivott输出波形2.桥式整流电路一、整流电路二极管在电子技术中的应用机电工程学院电工学电子技术（a）双向限幅电路;（b）输入与输出波形2．限幅应用利用二极管的单向导电性，将输入电压限定在要求的范围之内，叫做限幅。二极管在电子技术中的应用机电工程学院电工学电子技术3．钳位应用二极管在电子技术中的应用VADAVCC(a)R-12VvoDBVB例14.3.2在图中，输入A的电位VA=+3V，B的电位VB=0V，求输出端Y的电位VY，电阻R接负电源-12VA的电位比B端的高，所以二极管DA优先导通。如果二极管的正向压降是0.3V，则VY=+2.7V。当DA导通以后，DB上加的是反向电压，因而截止。DA起钳位作用，把Y的电位钳住在+2.7V。机电工程学院电工学电子技术vi1D1VCC(a)4.7kΩ+5VvoD2vi2例3.4.5二极管开关电路如图所示，利用二极管理想模型求解：当vi1和vi2分别为0V和5V时，求vi1和vi2的值不同的组合下，输出电压vo的值。输入电压理想二极管输出电压vi1vi2D1D20V0V正偏导通正偏导通0V0V5V正偏导通反偏截止0V5V0V反偏截止正偏导通0V5V5V反偏截止反偏截止5V二极管构成“与门”电路什么是“与门”？3．钳位应用二极管在电子技术中的应用机电工程学院电工学电子技术14.4稳压二极管齐纳二极管(ZenerDiodes)简称稳压管(VoltageRegulators)，是一种用特殊工艺制造的面结型硅半导体二极管，可以稳定地工作于PN结的反向击穿区而不损坏。稳压二极管的外形、内部结构、伏安特性曲线均与普通二极管相似。机电工程学院电工学电子技术动态电阻：ZZIUZrrz越小，稳压性能越好。曲线越陡，电压越稳定。稳压误差ak14.4稳压二极管机电工程学院电工学电子技术2．稳压管的主要参数1）稳定电压UZUZ就是稳压管的反向工作电压。2）稳定电压UZ的温度系数K稳定电压UZ的温度系数K定义为温度变化1℃引起的稳定电压UZ的相对变化量，即)/(%/CTUUKZZ书上举例Uz具有一定的分散性。机电工程学院电工学电子技术3）动态电阻rz稳压管反向击穿时的动态电阻，定义为电流变化量ΔIZ引起的稳定电压变化量ΔUZ。ZZzIUr动态电阻是反映稳压二极管稳压性能好坏的重要参数，rz越小，反向击穿区曲线越陡，稳压效果就越好。2．稳压管的主要参数机电工程学院电工学电子技术4）稳定电流2．稳压管的主要参数①最小稳定电流IZmin稳压管正常工作时的最小电流值定义为最小稳定电流，记为Izmin，一般在几毫安以上。稳压管正常工作时的电流应大于Izmin，以保证稳压效果。②最大稳定电流IZM和最大耗散功率PZM稳压管允许流过的最大电流和最大功耗叫做最大稳定电流IZM和最大耗散功率PZM。通过管子的电流太大，会使管子内部的功耗增大，结温上升而烧坏管子，所以稳压管正常工作时的电流和功耗不应超过这两个极限参数。一般有:PZM=UZ·IZM机电工程学院电工学电子技术发光二极管与光电二极管发光二极管和光电二极管都属于光电子器件，光电子器件在电子系统中也有十分广泛地应用，具有抗干扰能力强、损耗小等优点。1．发光二极管发光二极管属于电光转换器件的一种，是可以将电能直接转换成光能的半导体器件，简称“LED”，是英文LightEmittingDiode的缩写，其电路符号如图1-19所示。介绍另外两种常用的二极管机电工程学院电工学电子技术例14.4.1图中，通过稳压二极管的电流Iz等于多少？R是限流电阻，其值是否合适？+20VIzDzUZ=12VIZM=18mAk6.1R解：A106.11220203ZZRUI