半導體三極管和放大電路

半導體三極管和放大電路第1頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月第14章二極管和晶體管14.3半導體二極管14.4穩(wěn)壓二極管14.5半導體三極管14.2PN結14.1半導體的導電特性14.6光電器件第2頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月本章要求：

1.理解PN結的單向?qū)щ娦裕龢O管的電流分配和電流放大作用；

2.了解二極管、穩(wěn)壓管和三極管的基本構造、工作原理和特性曲線，理解主要參數(shù)的意義；

3.會分析含有二極管的電路。第14章二極管和晶體管第3頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

學會用工程觀點分析問題，就是根據(jù)實際情況，對器件的數(shù)學模型和電路的工作條件進行合理的近似，以便用簡便的分析方法獲得具有實際意義的結果。

對電路進行分析計算時，只要能滿足技術指標，就不要過分追究精確的數(shù)值。器件是非線性的、特性有分散性、RC的值有誤差、工程上允許一定的誤差、采用合理估算的方法。

對于元器件，重點放在特性、參數(shù)、技術指標和正確使用方法，不要過分追究其內(nèi)部機理。討論器件的目的在于應用。第4頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月14.1

半導體的導電特性半導體的導電特性：(可做成溫度敏感元件，如熱敏電阻)。摻雜性：往純凈的半導體中摻入某些雜質(zhì)，導電能力明顯改變(可做成各種不同用途的半導體器件，如二極管、三極管和晶閘管等）。光敏性：當受到光照時，導電能力明顯變化(可做成各種光敏元件，如光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管等)。熱敏性：當環(huán)境溫度升高時，導電能力顯著增強第5頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月14.1.1

本征半導體完全純凈的、具有晶體結構的半導體，稱為本征半導體。晶體中原子的排列方式硅單晶中的共價健結構共價健共價鍵中的兩個電子，稱為價電子。

Si

Si

Si

Si價電子第6頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

Si

Si

Si

Si價電子

價電子在獲得一定能量（溫度升高或受光照）后，即可掙脫原子核的束縛，成為自由電子（帶負電），同時共價鍵中留下一個空位，稱為空穴（帶正電）。本征半導體的導電機理這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)?？昭囟扔?，晶體中產(chǎn)生的自由電子便愈多。自由電子在外電場的作用下，空穴吸引相鄰原子的價電子來填補，而在該原子中出現(xiàn)一個空穴，其結果相當于空穴的運動（相當于正電荷的移動）。第7頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月本征半導體的導電機理

當半導體兩端加上外電壓時，在半導體中將出現(xiàn)兩部分電流

(1)自由電子作定向運動電子電流

(2)價電子遞補空穴空穴電流注意：

(1)本征半導體中載流子數(shù)目極少,其導電性能很差；

(2)溫度愈高，載流子的數(shù)目愈多,半導體的導電性能也就愈好。所以，溫度對半導體器件性能影響很大。自由電子和空穴都稱為載流子。自由電子和空穴成對地產(chǎn)生的同時，又不斷復合。在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生和復合達到動態(tài)平衡，半導體中載流子便維持一定的數(shù)目。第8頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月14.1.2N型半導體和P型半導體

摻雜后自由電子數(shù)目大量增加，自由電子導電成為這種半導體的主要導電方式，稱為電子半導體或N型半導體。摻入五價元素

Si

Si

Si

Sip+多余電子磷原子在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮邮ヒ粋€電子變?yōu)檎x子在本征半導體中摻入微量的雜質(zhì)（某種元素）,形成雜質(zhì)半導體。

在N

型半導體中自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。第9頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月14.1.2N型半導體和P型半導體

摻雜后空穴數(shù)目大量增加，空穴導電成為這種半導體的主要導電方式，稱為空穴半導體或P型半導體。摻入三價元素

Si

Si

Si

Si

在P型半導體中空穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子。B–硼原子接受一個電子變?yōu)樨撾x子空穴無論N型或P型半導體都是中性的，對外不顯電性。第10頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

1.在雜質(zhì)半導體中多子的數(shù)量與

（a.摻雜濃度、b.溫度）有關。

2.在雜質(zhì)半導體中少子的數(shù)量與（a.摻雜濃度、b.溫度）有關。

3.當溫度升高時，少子的數(shù)量（a.減少、b.不變、c.增多）。abc

4.在外加電壓的作用下，P型半導體中的電流主要是

，N型半導體中的電流主要是。（a.電子電流、b.空穴電流）ba第11頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月14.2PN結14.2.1

PN結的形成多子的擴散運動內(nèi)電場少子的漂移運動濃度差P型半導體N型半導體內(nèi)電場越強，漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。擴散的結果使空間電荷區(qū)變寬?？臻g電荷區(qū)也稱PN結擴散和漂移這一對相反的運動最終達到動態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空間電荷區(qū)第12頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月14.2.2PN結的單向?qū)щ娦?/p>

1.PN結加正向電壓（正向偏置）PN結變窄

P接正、N接負外電場IF內(nèi)電場被削弱，多子的擴散加強，形成較大的擴散電流。

PN結加正向電壓時，PN結變窄，正向電流較大，正向電阻較小，PN結處于導通狀態(tài)。內(nèi)電場PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–第13頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月2.PN結加反向電壓（反向偏置）外電場

P接負、N接正內(nèi)電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+第14頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月PN結變寬2.PN結加反向電壓（反向偏置）外電場內(nèi)電場被加強，少子的漂移加強，由于少子數(shù)量很少，形成很小的反向電流。IR

P接負、N接正溫度越高少子的數(shù)目越多，反向電流將隨溫度增加。–+

PN結加反向電壓時，PN結變寬，反向電流較小，反向電阻較大，PN結處于截止狀態(tài)。內(nèi)電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－第15頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月14.3

半導體二極管14.3.1基本結構(a)點接觸型(b)面接觸型

結面積小、結電容小、正向電流小。用于檢波和變頻等高頻電路。結面積大、正向電流大、結電容大，用于工頻大電流整流電路。(c)平面型

用于集成電路制作工藝中。PN結結面積可大可小，用于高頻整流和開關電路中。第16頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月陰極引線陽極引線二氧化硅保護層P型硅N型硅(

c

)平面型金屬觸絲陽極引線N型鍺片陰極引線外殼(

a

)點接觸型鋁合金小球N型硅陽極引線PN結金銻合金底座陰極引線(

b

)面接觸型圖1–12半導體二極管的結構和符號14.3

半導體二極管二極管的結構示意圖陰極陽極(

d

)符號D第17頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月14.3.2伏安特性硅管0.5V鍺管0.1V反向擊穿電壓U(BR)導通壓降

外加電壓大于死區(qū)電壓二極管才能導通。外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦?。正向特性反向特性特點：非線性硅0.6~0.8V鍺0.2~0.3VUI死區(qū)電壓PN+–PN–+反向電流在一定電壓范圍內(nèi)保持常數(shù)。第18頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月14.3.3主要參數(shù)1.

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正向平均電流。2.

反向工作峰值電壓URWM是保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓，一般是二極管反向擊穿電壓UBR的一半或三分之二。二極管擊穿后單向?qū)щ娦员黄茐?，甚至過熱而燒壞。3.

反向峰值電流IRM指二極管加最高反向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?，IRM受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流較大，為硅管的幾十到幾百倍。第19頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月二極管的單向?qū)щ娦?/p>

1.二極管加正向電壓（正向偏置，陽極接正、陰極接負）時，二極管處于正向?qū)顟B(tài)，二極管正向電阻較小，正向電流較大。

2.二極管加反向電壓（反向偏置，陽極接負、陰極接正）時，二極管處于反向截止狀態(tài)，二極管反向電阻較大，反向電流很小。

3.外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦浴?/p>

4.二極管的反向電流受溫度的影響，溫度愈高反向電流愈大。第20頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月二極管電路分析舉例定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)導通截止否則，正向管壓降硅0.6~0.7V鍺0.2~0.3V分析方法：將二極管斷開，分析二極管兩端電位的高低或所加電壓UD的正負。若V陽

>V陰或UD為正(正向偏置)，二極管導通若V陽

<V陰或UD為負(反向偏置)，二極管截止若二極管是理想的，正向?qū)〞r正向管壓降為零，反向截止時二極管相當于斷開。第21頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月電路如圖，求：UAB

V陽

=－6VV陰=－12VV陽>V陰二極管導通若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB=－6V否則，UAB低于－6V一個管壓降，為－6.3Ｖ或－6.7V例1：

取B點作參考點，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。在這里，二極管起鉗位作用。D6V12V3kBAUAB+–第22頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月兩個二極管的陰極接在一起取B點作參考點，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。V1陽

=－6V，V2陽=0V，V1陰

=V2陰=－12VUD1=6V，UD2=12V

∵

UD2>UD1

∴D2優(yōu)先導通，D1截止。若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB

=0V例2:D1承受反向電壓為－6V流過D2

的電流為求：UAB在這里，D2起鉗位作用，D1起隔離作用。BD16V12V3kAD2UAB+–第23頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月ui>8V，二極管導通，可看作短路uo=8V

ui<8V，二極管截止，可看作開路uo=ui已知：二極管是理想的，試畫出uo

波形。8V例3：二極管的用途：

整流、檢波、限幅、鉗位、開關、元件保護、溫度補償?shù)取i18V參考點二極管陰極電位為8VD8VRuoui++––第24頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月14.4

穩(wěn)壓二極管1.符號UZIZIZMUZ

IZ2.伏安特性穩(wěn)壓管正常工作時加反向電壓使用時要加限流電阻穩(wěn)壓管反向擊穿后，電流變化很大，但其兩端電壓變化很小，利用此特性，穩(wěn)壓管在電路中可起穩(wěn)壓作用。_+UIO第25頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月3.主要參數(shù)(1)

穩(wěn)定電壓UZ

穩(wěn)壓管正常工作(反向擊穿)時管子兩端的電壓。(2)

電壓溫度系數(shù)ｕ環(huán)境溫度每變化1C引起穩(wěn)壓值變化的百分數(shù)。(3)

動態(tài)電阻(4)

穩(wěn)定電流IZ、最大穩(wěn)定電流IZM(5)

最大允許耗散功率PZM=UZIZMrZ愈小，曲線愈陡，穩(wěn)壓性能愈好。第26頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月14.5

半導體三極管14.5.1基本結構晶體管的結構(a)平面型；(b)合金型BEP型硅N型硅二氧化碳保護膜銦球N型鍺N型硅CBECPP銦球(a)(b)第27頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月14.5

半導體三極管晶體管的結構示意圖和表示符號(a)NPN型晶體管；(a)NNCEBPCETBIBIEIC(b)BECPPNETCBIBIEIC(b)PNP型晶體管CE發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)集電結發(fā)射結NNP基極發(fā)射極集電極BCE發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)P發(fā)射結P集電結N集電極發(fā)射極基極B第28頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月基區(qū)：最薄，摻雜濃度最低發(fā)射區(qū)：摻雜濃度最高發(fā)射結集電結BECNNP基極發(fā)射極集電極結構特點：集電區(qū)：面積最大第29頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月14.5.2電流分配和放大原理1.三極管放大的外部條件BECNNP發(fā)射結正偏、集電結反偏

PNP發(fā)射結正偏VB<VE集電結反偏VC<VB從電位的角度看：

NPN

發(fā)射結正偏VB>VE集電結反偏VC>VB

EBRBECRC第30頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月晶體管電流放大的實驗電路設EC=6V，改變可變電阻RB,則基極電流IB、集電極電流IC和發(fā)射極電流IE都發(fā)生變化，測量結果如下表：2.各電極電流關系及電流放大作用mAAVVmAICECIBIERB+UBE+UCEEBCEB3DG100第31頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月晶體管電流測量數(shù)據(jù)IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.10<0.0010.701.502.303.103.95<0.0010.721.542.363.184.05結論:(1)IE=IB+IC符合基爾霍夫定律(2)IC

IB

，

IC

IE

(3)IC

IB

把基極電流的微小變化能夠引起集電極電流較大變化的特性稱為晶體管的電流放大作用。

實質(zhì):

用一個微小電流的變化去控制一個較大電流的變化，是CCCS器件。第32頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月+UBE

ICIEIB

CTEB+UCE(a)NPN型晶體管；+UBE

IBIEIC

CTEB+UCE電流方向和發(fā)射結與集電結的極性(4)要使晶體管起放大作用，發(fā)射結必須正向偏置，集電結必須反向偏置。(b)PNP型晶體管第33頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月3.三極管內(nèi)部載流子的運動規(guī)律BECNNPEBRBECIEIBEICEICBO

基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴散可忽略。發(fā)射結正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴散，形成發(fā)射極電流IE。

進入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復合，形成電流IBE，多數(shù)擴散到集電結。從基區(qū)擴散來的電子作為集電結的少子，漂移進入集電結而被收集，形成ICE。集電結反偏，有少子形成的反向電流ICBO。第34頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月3.三極管內(nèi)部載流子的運動規(guī)律IC=ICE+ICBOICEICIBBECNNPEBRBECIEIBEICEICBOIB=IBE-ICBOIBEICE與IBE之比稱為共發(fā)射極電流放大倍數(shù)集－射極穿透電流,溫度ICEO(常用公式)若IB=0,則

ICICE0第35頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月14.5.3

特性曲線即管子各電極電壓與電流的關系曲線，是管子內(nèi)部載流子運動的外部表現(xiàn)，反映了晶體管的性能，是分析放大電路的依據(jù)。為什么要研究特性曲線：

(1)直觀地分析管子的工作狀態(tài)(2)合理地選擇偏置電路的參數(shù),設計性能良好的電路重點討論應用最廣泛的共發(fā)射極接法的特性曲線第36頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月發(fā)射極是輸入回路、輸出回路的公共端共發(fā)射極電路輸入回路輸出回路測量晶體管特性的實驗線路mAAVVICECIBRB+UBE+UCEEBCEB3DG100第37頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月1.

輸入特性特點:非線性正常工作時發(fā)射結電壓：NPN型硅管

UBE0.6~0.7VPNP型鍺管

UBE0.2~0.3V3DG100晶體管的輸入特性曲線O0.40.8IB/AUBE/VUCE≥1V60402080死區(qū)電壓：硅管0.5V，鍺管0.1V。第38頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月2.輸出特性共發(fā)射極電路ICEC=UCCIBRB+UBE+UCEEBCEBIC/mAUCE/V100μA80μA60μA40μA20μA

O3691242.31.5321IB=03DG100晶體管的輸出特性曲線在不同的IB下，可得出不同的曲線，所以晶體管的輸出特性曲線是一組曲線。第39頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月2.輸出特性晶體管有三種工作狀態(tài)，因而輸出特性曲線分為三個工作區(qū)3DG100晶體管的輸出特性曲線IC/mAUCE/V100μA80μA60μA40μA20μA

O3691242.31.5321IB=0(1)放大區(qū)在放大區(qū)IC=

IB

，也稱為線性區(qū)，具有恒流特性。在放大區(qū)，發(fā)射結處于正向偏置、集電結處于反向偏置，晶體管工作于放大狀態(tài)。對NPN型管而言,應使

UBE

>0,UBC<

0，此時，

UCE

>UBE。Q2Q1大放區(qū)第40頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月IC/mAUCE/V100μA80μA60μA40μA20μA

O3691242.31.5321IB=0(2)截止區(qū)對NPN型硅管，當UBE<0.5V時,即已開始截止,為使晶體管可靠截止,常使UBE

0。截止時,集電結也處于反向偏置(UBC<

0),此時,IC0,UCEUCC。IB=0的曲線以下的區(qū)域稱為截止區(qū)。IB=0時,IC=ICEO(很小)。(ICEO<0.001mA)截止區(qū)第41頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月IC/mAUCE/V100μA80μA60μA40μA20μA

O3691242.31.5321IB=0(3)飽和區(qū)

在飽和區(qū)，IBIC，發(fā)射結處于正向偏置，集電結也處于正偏。

深度飽和時，硅管UCES0.3V，

鍺管UCES0.1V。

IC

UCC/RC。當UCE

<

UBE時，集電結處于正向偏置(UBC

>0)，晶體管工作于飽和狀態(tài)。飽和區(qū)第42頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月晶體管三種工作狀態(tài)的電壓和電流(a)放大+UBE>0

ICIB+UCE

UBC<0+(b)截止IC0IB=0+UCEUCC

UBC<0++UBE

0

(c)飽和+UBE>

0

IB+UCE0

UBC>0+當晶體管飽和時，UCE

0，發(fā)射極與集電極之間如同一個開關的接通，其間電阻很??；當晶體管截止時，IC

0，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，晶體管除了有放大作用外，還有開關作用。第43頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

0

0.1

0.5

0.1

0.6~0.70.2~0.3

0.30.1

0.7

0.3硅管(NPN)鍺管(PNP)可靠截止開始截止

UBE/V

UBE/VUCE/V

UBE/V

截止

放大

飽和

工作狀態(tài)

管型晶體管結電壓的典型值14.5.4

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)，晶體管的參數(shù)也是設計電路、選用晶體管的依據(jù)。第44頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月14.5.4

主要參數(shù)1.電流放大系數(shù)，直流電流放大系數(shù)交流電流放大系數(shù)當晶體管接成發(fā)射極電路時，注意：和

的含義不同，但在特性曲線近于平行等距并且ICE0較小的情況下，兩者數(shù)值接近。常用晶體管的

值在20~200之間。由于晶體管的輸出特性曲線是非線性的，只有在特性曲線的近于水平部分，IC隨IB成正比變化，值才可認為是基本恒定的。第45頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月例：在UCE=6V時，在Q1點IB=40A,IC=1.5mA；在Q2點IB=60A,IC=2.3mA。在以后的計算中，一般作近似處理：=。IB=020A40A60A80A100A36IC/mA1234UCE/V9120Q1Q2在Q1點，有由Q1和Q2點，得第46頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月2.集-基極反向截止電流ICBO

ICBO是由少數(shù)載流子的漂移運動所形成的電流，受溫度的影響大。溫度ICBOICBOA+–EC3.集-射極反向截止電流(穿透電流)ICEOAICEOIB=0+–

ICEO受溫度的影響大。溫度ICEO，所以IC也相應增加。三極管的溫度特性較差。第47頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月4.集電極最大允許電流I