第9章 半导体二极管和三极管(讲课4学时,共2次课)
第 1 次课:二极管和稳压管
一、学时:2学时
二、目的和要求:了解二极管和稳压管的结构、工作原理;
掌握特性曲线、主要参数和应用;
理解PN结的单向导电性。
三、重点:掌握主要特性、主要参数的含义,掌握各元件的应用。
四、难点:PN结的单向导电性。
五、教学方式:多媒体
六、习题按排:9.2.1 ~9.2.3
七、教学内容:
9.1半导体的导电特性
物质按导电性分类:
(1)导体:金属
(2)绝缘体:橡胶、塑料、陶瓷等
(3)半导体:硅、锗、一些流化物、氧化物
载流子(即在电场作用下,能作定向运动的粒子):
(1)自由电子
(2)空穴
本征半导体(纯净 99.99999%)
(1)将元素的原子排列整齐时的结构(单晶体与多晶体)
(2)原子核外层的电子:价电子决定化学性质(Si +4价、Ge +4价)
(3)稳定时共价健中的价电子不能成为自由电子,受外界激发(光照、加热)
①挣脱束缚:形成自由电子并在原共价键中留下空位(即空穴)
②填补空位:自由电子与穴同时消失(即复合)
掺杂半导体
(1)硅(锗)晶体内掺入少量的五价元素(磷、锑)
①多子(主要导电的载粒子):自由电子
②少子:空穴(热激发形成)
主要导电方式取决于多子,称电子型或N型半导体
(2)硅(锗)晶体内掺入少量的三价元素(硼、铝)
①多子:空穴
②少子:自由电子(热激发形成)
导电方式取决于多子(空穴)称空穴型或P型半导体
半导体特性
(1)热敏性:温度敏感元件(热敏电阻)
(2)光敏性:光敏元件(光敏电阻、二极管、三极管、电池)
(3)掺杂性
6、 PN结及单向导电性
(1)PN结的形成
①扩散
②漂移
③动态平衡
(2)单向导电性
①PN结加正向电压(正偏置)
高电位端 P区
低电位端 N区
E外与E内方向相反,削弱内电场,空间电
荷区变薄,多子的扩散加强,形成扩散电
流(I正);E外越大,I正越大(PN结导通,
呈低阻状态)。
②PN结加反向电压(反偏置)
高位端 N区
低位端 P区
E外与E内方向相同,增强内电场,空间电荷区变宽,少子的漂移运动加强,形成漂移电流(I反)。少子数量少且与温度有关,故I反小且与温度有关而与E外无关(PN结截止,呈高阻状态)
9.2半导体二极管
1.结构
(1)点接触:PN结面积小,极间电容小,小电流(高频检波、脉冲数字电路中的开头元件)
(2)面接触:PN结面积大,胡间电容大,电流大(整流)
2.符号:
阳(+) 阴(-)
3.伏安特性
I = f(U)
(1)正向特性
①死区电压
硅管:0.5V
锗管:0.1V
②工作电压(正向导通区)
硅管:0.7V
锗管:0.3V
(2)反向特性
①反向饱和电流
硅管:纳安级
锗管:微安级
因少子数量小,故I反小
但是:toc↑→少子↑→I反↑
②反向击穿特性
齐纳击穿(可恢复):外强电场强行把共价健的电子拉出
雪崩击穿(可恢复):被拉出的电子撞击原子使自由电子增加↑
热击穿(不可恢复):高速运动的电子热量增加→材料温度禁用
4.主要参数
(1)大整流电流IOM
(2)反向工作峰值电压URWM
(3)反向峰值电流IRM
5.应用
(1)检波——把已调制好的高频信号中的低频信号取出
调制:低频信号使高频信号的幅度、频率等随之变化
(2)整流——把交流变换成直流
(3)钳位
(4)限幅
问题讨论:
当ui=0v、6V时,u。=?
当ui=6sinωt时,画u。波形。
解:a、ui=0v时,D反偏截止,u。=0
ui=6v时,D正偏导通
若管压降为零,则u。=E=3v
若管压降为0.7v,则u。= E +0.7=3.7v
ui=6sinωtv(请同学分析作图)
ui瞬时值大于E时,D永远为正偏,导通u。=E=3v
ui瞬时值小于E时,D取反偏,截止u。=ui=3v;
例题分析:
如图所示电路,输入端A的电位UA=+3V,B点的电位UB=0V,电阻R接电源电压为-15V,求输出端F的电位UF。
【解】 因为DA和DB为共阴极连接,A、B两端为它们
的阳极,因此UA、UB中的高电位对应的管子将会优先导通。
由UA>UB可知,DA将会优先导通。如果DA为硅二极管,其
正向压降约为0.7V,则此时UF=+3-0.7=+2.3V。当DA导
通后,DB因承受反向电压而截止。
在此处,DA起的就是钳位作用,把F端的电位钳置在
+2.3V;DB起隔离作用,把输入端B和输出端F隔离开。
第 2 次课 稳压管和三极管
一、学时:2学时
二、目的和要求:了解稳压管、三极管的结构;
掌握特性曲线、主要参数和应用;
理解稳压管稳压原理、三极管的电流放大作用。
三、重点:掌握主要特性、主要参数的含义;
稳压管稳压原理、三极管的电流放大作用。
四、难点:三极管放大原理。
五、教学方式:多媒体
六、习题按排:9.2.1 ~9.2.3
七、教学内容:
9.3 稳压管(稳压二极管)
1、符号 + 阳
- 阴
2、伏安特性
I = f(U)
⑴ 反向曲线陡直
⑵ 工作于反向击穿区(反向联结)
⑶ △UZ小,△IZ大,RZ=△Uz/△Iz
⑷ 可串Dz来提高稳压值
⑸ Dz不可并联使用
①Uz高的不导通,用不上
②Uz低的因过载而损坏
⑹同一型号的Dz其稳压值不同(范围)
3、稳压管的主要参数
(1)稳定电压UZ
(2)电压温度系数αU
(3)动态电阻rZ
(4)稳定电流IZ
(5)最大允许耗散功率这PZM
例题讨论:
在图示电路中,稳压管的IZM=18mA,UZ=12V,
R=1.6KΩ通过稳压电流IZ等于多少?R是限流电阻,
其值是否合适?
解:IZ=(20-12)/(1.6×103)A=5mA
IZ < IZM,电阻值合适。
9.4 半导体三极管
结构
(1)NPN
(2)PNP
电流分配与放大作用
(1)电流放大的条件:Je正偏、Jc反偏
①NPN: VC > VB > VE
②PNP: VE > VB > VC
(2)电流分配:
IE = IB + IC
IC /IB =β(直)
△IC /△IB =β(动)
特性曲线
(1)输入特性
IB = f(UBE)│U CE=常量
(2)输出特性
IC = f(UCE)│IB=常量
①载止区:对应IB=0以下的区域
IC=ICE0=0,UBE<0;可靠截止c、e结均处于反偏
②放大区:UBE>0、UBC<0,IC受IB控制(e结正偏、c结反偏)
③饱和区:UCE=UBE(UCB=0),IC不受IB控制,UCES=0.3V(c结、e结均为正偏)
4、主要参数
(1)特性参数
①电流放大系数,
②集-基极反向截止电流ICB0
③集-射极反向截止电流ICE0
(2)极限参数
①集电极最大允许电流ICM
②集-射极向击穿电压U(BR)CEO
③集电极最大允许耗散功率PCM
例题讨论:
有两只晶体管,一只的β=200,ICEO=200μA;另一只的β=100,ICEO=10μA,
其它参数大致相同。你认为应选用哪只管子?为什么?
解:选用β=100、ICBO=10μA的管子,因其β适中、ICEO较小,因而温度稳定性较另一只管子好。
已知两只晶体管的电流放大系数β分别为50和100,现测得放大电路中这两只管
子两个电极的电流如图所示。分别求另一电极的电流,标出其实际方向,并在圆圈中画出管子。
解:答案如解图所示:
测得放大电路中六只晶体管的直流电位如图所示。在圆圈中画出管子,并分
别说明它们是硅管还是锗管。
解:晶体管三个极分别为上、中、下管脚,答案如下表所示:
管号
T1
T2
T3
T4
T5
T6
上
e
c
e
b
c
b
中
b
b
b
e
e
e
下
c
e
c
c
b
c
管型
PNP
NPN
NPN
PNP
PNP
NPN
材料
Si
Si
Si
Ge
Ge
Ge