电工与电子技术基础第05章二极管和三极管

第5章二极管和三极管主讲教师：刘洪臣远程教育学院2§5.1半导体的导电特性1、物质按照导电能力的强弱分为：•导体：导电能力很强的物质，如金属一般都是导体。原因是其原子最外层的电子受原子核的束缚作用很小，可以自由移动，形成自由电子，在外电场的作用下，自由电子逆电场方向运动而形成电流。•绝缘体：导电能力极弱的物质，这种物质的核外电子被束缚得很紧，因而不能自由移动，如橡胶、塑料、陶瓷等•半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间的物质，如硅、锗、硒等。主要内容：N型半导体，P型半导体及内部载流子3§5.1半导体的导电特性2、半导体的特性：1）热敏特性：金属的电阻率随温度变化很小，但有些半导体对温度反映特别灵敏，环境温度增高时，它们的导电能力要增强很多。利用这种特性可以制成各种半导体热敏元件，用来检测温度的变换，如热敏电阻。2）光敏特性：金属的电阻率不受光照的影响，但半导体的导电能力对光照很敏感，光照可使半导体的电阻率显著减小，利用这种特性可以制成各种光敏元件。3）掺杂特性：金属中含有少量杂质时，电阻率没有显著变化，但若在纯净的半导体中加入微量杂质，其电阻率会发生很大的变化，导电能力可增加几十万乃至几百万倍。利用这种特性可以制成各种不同用途的半导体器件。如二极管、三极管、场效应晶体管及晶闸管等4§5.1半导体的导电特性3、半导体的原子结构和共价键现代电子学中，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。硅原子锗原子5§5.1半导体的导电特性半导体结构中的共价键结构在硅和锗晶体中，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。6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。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。§5.1半导体的导电特性完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。7§5.1半导体的导电特性自由电子和空穴当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位激发复合空穴束缚电子自由电子8§5.1半导体的导电特性半导体的导电方式当半导体两端加上外加电压时，半导体中将出现两部分电流：一是自由电子作定向移动所形成的电子电流；另一个是被原子核束缚的价电子递补空穴所形成的空穴电流。在半导体中同时存在着电子导电和空穴导电，这是半导体导电方式的最大特点，也是半导体和金属在导电原理上的本质差别。自由电子和空穴都称为载流子9§5.1半导体的导电特性本征半导体中的自由电子和空穴总是成对出现的，同时又不断地复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，于是半导体中的载流子（自由电子和空穴）维持一定数目。温度越高，载流子数目越多，导电性能也就越好。所以，温度对半导体器件性能的影响很大。半导体的导电性能10N型半导体N型半导体和P型半导体多余电子在硅或锗晶体中掺入少量的磷（或其它五价元素）自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子电子型半导体或N型半导体§5.1半导体的导电特性11P型半导体在硅或锗晶体中掺入硼（或其它三价元素）。空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。空穴型半导体或P型半导体。不论N型半导体还是P型半导体，虽然它们都有一种载流子占多数，但是整个晶体仍然是不带电的。§5.1半导体的导电特性12§5.2PN结及其单向导电性11、、PNPN结的形成结的形成在同一块半导体基片的两边分别形成在同一块半导体基片的两边分别形成NN型和型和PP型型半导体半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++P型半导体N型半导体主要内容：PN结的形成及导电机理13§5.2PN结及其单向导电性P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动空间电荷区PN结处载流子的运动14§5.2PN结及其单向导电性PN结形成过程中存在两种运动：一种是多数载流子因浓度差而产生的扩散运动，另一种是少数载流子在内电场作用下产生的漂流运动。这两种运动相互制约，最终这两种运动达到动态平衡，使PN结处于相对稳定状态。扩散运动和漂移运动的动态平衡扩散强漂移运动增强内电场增强两者平衡PN结宽度基本稳定1522、、PNPN结的单向导电性结的单向导电性外加正向电压使PN结导通－－－－++++I外电场方向内电场方向PN变窄外加的正向电压，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是,内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，形成较大的扩散电流，PN结呈现低阻性。§5.2PN结及其单向导电性16外加反向电压使PN结截止－－－－++++I内电场方向PN加宽外加的反向电压，方向与PN结内电场方向相同，增强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，形成较小的漂移电流，PN结呈现高阻性。外电场方向§5.2PN结及其单向导电性－－－－++++很小17结论PN结具有单向导电性（1）PN结加正向电压时，处在导通状态，结电阻很低，正向电流较大。（2）PN结加反向电压时，处在截止状态，结电阻很高，反向电流很小。§5.2PN结及其单向导电性18§5.3半导体二极管将PN结加上相应的电极引线和管壳，就成为半导体二极管。按结构分，二极管有点接触型、面接触型和平面行。(a)点接触型主要内容：二极管的伏安特性，主要参数及二极管的应用19§5.3半导体二极管(c)平面型(b)面接触型PN符号阳极阴极20§5.3半导体二极管正向O0.40.8U/VI/mA80604020-50-25I/µA-20-40反向死区电压击穿电压半导体二极管的伏安特性是非线性的。伏安特性死区电压：硅管：0.5伏左右，锗管：0.1伏左右。正向压降：硅管：0.7伏左右，锗管：0.2~0.3伏。1正向特性21§5.3半导体二极管2反向特性正向O0.40.8U/VI/mA80604020-50-25I/µA-20-40反向死区电压击穿电压由于少子的漂移运动形成很小的反向流,且UU(BR)在内,其大小基恒定,称反向饱和电流,其随温度变化很大。当外加反向电压过高时，反向电流突然增大，二极管失去单向导电性，这种现象称为PN结的反向击穿。22§5.3半导体二极管在正常工作范围内，当电源电压远大于二极管正向导通压降时，实际工作中可将二极管近似看成理想二极管，二极管正向导通时，二极管相当于短路；二极管反向截止时，忽略反向饱和电流，反向电阻无穷大，二极管相当于开路I0U23§5.3半导体二极管主要参数1最大整流电流IOM：二极管长时间使用时，允许流过的最大正向平均电流。2反向工作峰值电压URWM:保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压。3反向峰值电流IRM:二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。24§5.3半导体二极管二极管的应用主要利用它的单向导电性，包括整流、限幅、保护等。二极管的应用(1)整流电路TR25(2)钳位作用§5.3半导体二极管二极管的钳位作用是指利用二极管的正向导通压降相对稳定，且数值较小的特点，来限制电路中某点的电位12V+6V+0VS当S断开时，二极管正向偏置，若忽略其正向导通压降，V0的电位被钳位在6V；当S闭合时，二极管截止，V0的电位被钳位在0V26(3)隔离作用§5.3半导体二极管二极管的隔离作用是指利用二极管截止时通过的电流近似为0，两极之间相当于断路的特点来隔离电路或信号的联系当A点电位VA=0时，二极管VD1导通，起钳位作用使V0=0V，这时若VB=6V，则VD2截止，B点电位对输出V0没有影响，VD2起到了将输出与输入B点隔离的作用1VD2VDR0V12V+AB27(4)限幅作用§5.3半导体二极管iu+−0u+−R1D2D6V6V6V12Vπ2πtωiu6V12Vπ2πtω0u28例5.3.1：图示电路中R和C构成一微分电路，当输入电压ui如图所示，试画出输出电压uo的波形RRLuiuRuotttuiuRuo§5.3半导体二极管29§5.4半导体稳压管稳压管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。稳压管的伏安特性曲线与普通二极管的类似。稳压管工作于反向击穿区。1稳压管表示符号：302稳压管的伏安特性：3稳压管稳压原理：稳压管工作于反向击穿区。稳压管击穿时，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压变化很小。利用这一特性，稳压管在电路中能起稳压作用。稳压管的反向特性曲线比较陡。正向+-反向+-IZΔΔUZ反向击穿是可逆的。U/VI/mA0IZIZMUZ§5.4半导体稳压管314主要参数（2）电压温度系数Uα（1）稳定电压UZ稳压管在正常工作下管子两端的电压。说明稳压管受温度变化影响的系数。如二极管温度系数是0.095%˚C，就是说温度没增加1˚C，它的稳压值将升高0.095%，假如20˚C时的稳压值是11V，那么在50˚C时的稳压值将是0.095[11(5020)11]V11.3V100+−×≈§5.4半导体稳压管32（3）动态电阻rZ稳压管端电压的变化量与相应的电流变化量的比值（4）稳定电流IZ（5）最大允许耗散功率PZM管子不致发生热击穿的最大功率损耗。PZM=UZIZM§5.4半导体稳压管335主要应用(1)稳压管的稳压作用在实际应用中，电源电压U经常会出现波动，负载根据实际需要也经常变化。电源被动和负载变化都会使负载的端电压UL不稳定。为使负载电压稳定，可在电源和负载之间接上由稳压管DZ和限流电阻R组成的稳压电路，如图所示。现分析以下两种情况的稳压原理。§5.4半导体稳压管RLRZDU+−ZU+−LU+−IZILI34•设电源电压波动(负载不变)若U增加，负载电压UL、稳压管电压UZ随着增加。从特性曲线上可以看出，UZ的增加会引起IZ的显著增加，而使电流I增大，电阻R上的电压UR随着增大，UL回落，从而使UL保持基本不变。其过程可表示如下：RLRZDU+−ZU+−LU+−IZILILZZUUUI↑→↑→↑→↑LRUUI↓←↑←↑§5.4半导体稳压管35RLRZDU+−ZU+−LU+−IZILI•设负载变化(电源不变)若RL减小，IL增大，I也增大，电阻R上电压UR随着增大，UL和UZ则减小。UZ的减小会引起IZ的显著减小，而使I减小，UR也减小，UL回升，从而使UL保持基本不变。其过程为LRZZUUIIU§5.4半导体稳压管↑←↓←↓←↓←↓LLRLRIIUU↓→↑→↑→↑→↓36(2)稳压管的限幅作用§5.4半导体稳压管R1ZDU+−OU+−2ZDiutUU−在图示电路中，为了使输出电压的幅度满足实际要求，可利用稳压管进行限幅，37iutUU−out12ZZUU+12ZZUU+当电压ui的幅度为+U时，稳压管DZ1正向导通，UZ1小于lV。稳压管DZ2反向击穿导通，起限幅作用，输出电压uo的幅度为UZ1+UZ2。当输入电压ui的幅度为-U时，DZ1反向击穿导通，起限幅作用。DZ2正向导通，输出电压uo的幅度为UZ1+UZ2。§5.4半导体稳压管38例5.4.1稳压二极管的应用RLuiuORDZiiziLUZ稳压二极管技术数据为：稳压值UZW=10V，Izmax=12mA，Izmin=2mA，负载电阻RL=2kΩ，输入电压ui=12V，限流电阻R=200Ω。若负载电阻变化范围为1.5kΩ~4kΩ，是否还能稳压？§5.4半导体稳压管39RLuiuORDZiiziLUZUZW=10Vui=12VR=200ΩIzmax=12mAIzmin=2mARL=2kΩ(1.5kΩ~4kΩ)iL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5（mA）i=（ui-UZ）/R=（12-10）/0.2=10（mA）iZ=i-iL=10-5=5（mA）RL=1.5kΩ,iL=10/1.5=6.7（mA）,iZ=