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1、小 结 本讲主要介绍了以下基本内容：PN结形成：扩散、复合、空间电荷区（耗尽层、势垒区、阻挡层、内建电场）、动态平衡 PN结的单向导电性：正偏导通、反偏截止 PN结的特性曲线：正向特性：死区电压、导通电压 反向特性：反向饱和电流、温度影响大 击穿特性：电击穿（雪崩击穿、齐纳击穿）、热击穿 PN结的电容效应：势垒电容、扩散电容,1.2.4 半导体二极管及其参数,二极管(Diode)=PN结+管壳+引线,结构：,分类：,1.半导体二极管的结构及分类,按材料分：硅二极管、锗二极管,按结构分：点接触型、面接触型和平面型,(1)点接触型二极管,PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。,(2)面
2、接触型二极管,PN结面积大，用于工频大电流整流电路。,(3)平面型二极管,用于集成电路制造工艺中。PN 结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,半导体二极管的符号：,由P区引出的电极称为阳极（正极）,由N区引出的电极称为阴极（负极）,+,-,U,二、半导体二极管的伏安特性,反向饱和电流,电子电量,玻尔兹曼常数,当 T=300K：,UT=26 mv,温度的电压当量,PN结两端的电压降,流过PN结的电流,当 u0 uUT时,当 u|U T|时,(1)正向特性,(2)反向特性,伏安特性曲线：,硅：0.5 V,硅：0.60.8V典型值为0.7V,锗,硅,/mA,/A,锗：0.10.3V,锗：0.1
3、 V,2.半导体二极管的伏安特性,PN结的伏安特性曲线,在反向区，硅二极管和锗二极管的特性有所不同。硅二极管的反向击穿特性比较硬、比较陡，反向饱和电流也很小；锗二极管的反向击穿特性比较软，过渡比较圆滑，反向饱和电流较大。,3.半导体二极管的主要参数,（1）直流电阻R D：指二极管两端所加直流电压与流过它的直流电流之比。,RD不是恒定值，在正向工作区域，RD随UD增大而减小，在反向工作区域，RD随UD增大而增大。,（2）交流电阻r d：指二极管在其工作点Q（UDQ,IDQ)处的电压微变量与电流微变量之比。,r d 几何意义：指二极管伏安特性曲线上Q点处切线斜率的倒数。,据伏安特性方程，可得,(3
4、)最大整流电流IFM,二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大整流电流的平均值。,(4)反向击穿电压UBR,二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压UBR。,最大反向工作电压URM,为安全计，在实际工作时，最大反向工作电压URM一般只按反向击穿电压UBR的一半计算。,(5)反向电流IS,在室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级。,(6)最高工作频率fM,由PN结的结电容大小决定，二极管的工作频率超过fM时，单向导电性变差。,1.2.5 二极管的电路模型,1.理想模型,理想模型是指在正向偏置时，其管压降为零，相当于
5、开关的闭合。当反向偏置时，其电流为零，阻抗为无穷，相当于开关的断开。具有这种理想特性的二极管也叫做理想二极管。,在实际电路中当电源电压远远大于二极管的管压降时，利用此模型分析是可行的。,2.定压降模型,定压降模型是指二极管在正向导通时，其管压降为恒定值；截止时反向电流为零。硅管的管压降0.7V，锗管的管压降为0.3V。,3.分段线性模型,二极管正向电压大于UD(ON)后其电流I与U 成线性关系，直线斜率为1/RD。二极管截止时反向电流为零。,二极管的应用举例,例1 钳位电路 电路如图所示，若UA、UB两点电位分别为0V、3V不同组合时，计算输出电压UO值，并分析二极管的工作状态。设二极管为硅二
6、极管，导通压降为0.7V。,(1)UA=0 V UB=0 V,VD1、VD2均正向导通,UO0.7 V,(2)UA=3 V UB=3 V,VD1、VD2均正向导通,UO3.7 V,(3)UA=0V UB=3V,VD1正向导通VD2截止,UO0.7 V,二极管VD1两端电位差大而优先导通,(4)UA=3V UB=0V,VD2正向导通VD1截止,UO0.7 V,二极管VD2优先导通,如何判断二极管是否导通：判断二极管工作状态时，可先将二极管断开，然后比较两极电位。如果处于正偏，则二极管导通；否则截止。电位差大的优先导通。,例2：写出图示各电路的输出电压值，设二极管导通电压UD=0.7V。,UO1=
7、1.3V,UO2=0V,UO3=-1.3V,例3 ui=2 sin t(V)，画出输出电压uo的波形。,ui 较小，宜采用恒压降模型,0.7 v ui 0.7 v,u1、u2 均截止,uO=ui,uO=0.7 v,ui 0.7 v,u2 导通 u1截止,ui 0.7 v,u1 导通 u2 截止,uO=0.7 v,思考题:,v1、v2 支路各串联恒压源，输出波形如何？,ui=5sin t(V)，画出输出电压uo的波形。二极管是理想的。,练习,估算图示电路中流过二极管的电流ID和U，二极管是理想的。,练习,1.3 特殊二极管,稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊二极管,反偏电压UZ 反向击穿,电路符
8、号：,U,I,IZmin,稳压误差,曲线越陡，电压越稳定。,UZ,1.3.1 稳压二极管,稳压原理：,根据电路图可知,UIUOUZIZIRURUO,IR,使用稳压管注意事项：在工作时反接，并串入一只电阻。电阻的作用一是起限流作用，保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。,限流电阻R的选择,(2)在Ui最低和IL最大时，流过稳压管的电流最小，这时应保证IZ不小于稳压管最小电流值。,(1)在Ui最高和IL最小时，流过稳压管的电流最大，此时电流不能高于稳压管最大稳定电流。,限流电阻R的选择范围为：RminR Rma
9、x,1.稳压管的稳压区是其工作在（）。A.正向导通区 B.反向截止区 C.反向击穿区,练习,现有两只稳压管，它们的稳定电压分别是6V和8V，正向导通电压是0.7V，试问：(1)若将它们串联连接，可得到几种稳压值？各为多少？(2)若将它们并联连接，又可得到几种稳压值？各为多少？,例1、如图，已知UZ=10V，负载电压UL（）（）5（）10（）15（）20,A,UL,稳压管的工作条件（）必须工作在反向击穿状态。（）电路中应有限流电阻，以保证反向电流不超过允许范围。,例2、已知ui=6sint，UZ=3V，画输出波形。,3,3,O,O,1.3.2 变容二极管,1.3.3 发光二极管,有正向电流流过时
10、，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。,1.3.4 光电二极管,反向电流随光照度的增加而增大。,半导体二极管,小 结 本讲主要介绍了以下基本内容：半导体二极管的构成和类型：点接触型、面接触型、平面型；硅管、锗管等。半导体二极管的特性：与PN结基本相同。半导体二极管的参数 半导体二极管的等效模型：理想模型、恒压降模型、折线模型 应用二极管等效模型分析和计算半导体二极管电路的基本方法 简要介绍了其它类型的二极管。,2023/9/25,1.4 半导体三极管,半导体三极管，也叫晶体三极管。由于工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，因此，还被称为双
11、极型三极管（Bipolar Junction Transistor，简称BJT）。,三极管的分类：,按照频率：高频管和低频管。,按结构：NPN型和PNP型；,按功率大小：大功率管1mW;,按所用半导体材料：硅管和锗管;,1.4.1 三极管的结构,NPN型,符号:,三极管是由两个PN结和三块掺杂半导体组成。,e-emitter,b-base,c-collector,双极型三极管的符号中，发射极的箭头代表发射极电流的实际方向。,两个结：发射结和集电结三个区：基区、集电区、发射区三个极：基极、集电极、发射极,PNP型,符号:,常见三极管的外形结构,基区：最薄，掺杂浓度最低,发射区：掺杂浓度最高,发射
12、结,集电结,结构特点：,集电区：面积最大,1.三极管放大的外部条件,发射结正偏、集电结反偏,PNP发射结正偏 VBVE集电结反偏 VCVB,从电位的角度看：NPN 发射结正偏 VBVE集电结反偏 VCVB,1.4.2 三极管的工作原理,1.4.2 三极管的工作原理,1.三极管放大的条件,内部条件,发射区掺杂浓度高,基区薄且掺杂浓度低,集电结面积大,外部条件,发射结正偏集电结反偏,2.满足放大条件的三种电路,共发射极,共集电极,共基极,3.各电极电流关系及电流放大作用,结论:,1）三电极电流关系 IE=IB+IC2）IC IB，IC IE 3）IC IB,把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较
13、大变化的特性称为晶体管的电流放大作用。实质:用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的变化，是CCCS器件。,1)发射区向基区注入多子电子，形成发射极电流 IE。,I CN,多数向 BC 结方向扩散形成 ICN。,IE,少数与空穴复合，形成 IBN。,I BN,基区空穴来源,基极电源提供(IB),集电区少子漂移(ICBO),I CBO,IB,IBN+IEP=IB+ICBO,即：,IB=IBN ICBO,2)电子到达基区后,(基区空穴运动因浓度低而忽略),3.三极管内部载流子的传输过程(以共射电路为例）,I CN,IE,I BN,I CBO,IB,3)集电区收集扩散过 来的载流子形成集 电极电流
14、IC,IC,I C=ICN+ICBO,4)电流分配关系,从外部看：,定义：直流放大系数,因为,交流放大系数,IB的改变控制了IC的变化，体现了三极管的电流控制功能。,共基直流电流传输方程：,为共基电流传输系数，它只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。一般=0.90.995。,三极管是一种电流控制器件。,1.4.3 三极管的特性曲线（共发射极接法）,三极管的特性曲线是指三极管各电极电压与电流之间的关系曲线，它是三极管内部载流子运动的外部表现。,由于三极管和二极管一样也是非线性元件，不能用一个固定的数值或一个简单的方程式来表示各电极电压与电流之间的关系，所以要用伏安特性曲线对它进行描述
15、。,发射极是输入回路、输出回路的公共端,共发射极电路,输入回路,输出回路,测量晶体管特性的实验线路,1.输入特性曲线 iB=f(uBE)uCE=常数,（1）uCE=0V时，相当于两个PN结并联。,（3）uCE 1V再增加时，曲线右移很不明显。,（2）当uCE=1V时，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，所以基区复合减少，在同一uBE 电压下，iB 减小。特性曲线将向右稍微移动一些。,输入电流,输入电压,2.输出特性曲线 iC=f(uCE)iB=常数,现以iB=60uA一条加以说明。,（1）当uCE=0 V时，因集电极无收集作用，iC=0。,（2）uCE IC。,（3）当uCE 1V后，收集电子
16、的能力足够强。这时，发射到基区的电子都被集电极收集，形成iC。所以uCE再增加，iC基本保持不变。,同理，可作出iB=其他值的曲线。,输出特性曲线可以分为三个区域:,饱和区iC受uCE显著控制的区域，该区域内uCE0.7 V。此时发射结正偏，集电结也正偏。,截止区iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时，发射结反偏，集电结反偏。,放大区 曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏。该区中有：,饱和区,截止区,温度对晶体管特性及参数的影响,一、温度对ICBO的影响,温度每升高10，ICBO增加约一倍。反之，当温度降低时ICBO减少。,硅管的ICBO比锗管的小得多。,二、温度对输入特性
17、的影响,温度升高时正向特性左移，反之右移,三、温度对输出特性的影响,温度升高将导致 IC 增大,温度对输出特性的影响,1.4.4 三极管的主要参数,1.电流放大系数,一般取20200之间,（1）共发射极电流放大系数：,共基和共射直流电流放大系数定义分别为：,共基和共射交流电流放大系数分别定义为：,2.极间反向电流,（2）集电极发射极间的穿透电流ICEO 基极开路时，集电极到发射极间的电流穿透电流。其大小与温度有关。,（1）集电极基极间反向饱和电流ICBO 发射极开路时，在其集电结上加反向电压，得到反向电流。它实际上就是一个PN结的反向电流。其大小与温度有关。锗管：I CBO为微安数量级，硅管：
18、I CBO为纳安数量级。,3.极限参数,Ic增加时，要下降。当值下降到线性放大区值的70时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM。,（1）集电极最大允许电流ICM,（2）集电极最大允许功耗PCM 集电极电流通过集电结时所产生的功耗，PC=ICUCE,PCM,PCM,（3）反向击穿电压,U（BR）CEO基极开路时，集电极与发射极之间允许的最大反向电压。,已知：ICM=20 mA,PCM=100 mW，U(BR)CEO=20 v，问：当 UCE=10 v 时，IC mA当 UCE=1 v，则 IC mA当 IC=2 mA，则 UCE v,4.有两只晶体管，一只的=200，ICEO=200
19、A；另一只的=100，ICEO=100A，其他参数大致相同。你认为应选用哪种管子？为什么？,5.为使NPN型管和PNP型管工作在放大状态，应分别在外部加什么样的电压？,思考题,1.既然BJT具有两个PN结，可否用两个二极管相联以构成一只BJT，试说明其理由。,2.能否将BJT的e、c两个电极交换使用，为什么？,3.为什么说BJT是电流控制型器件？,例2：有三只晶体管，分别为 锗管150，ICBO2A；硅管100，ICBO1A；硅管40，ICEO41A；试从和温度稳定性选择一只最佳的管子。,解：,值大，但ICBO也大，温度稳定性较差；值较大，ICBO1A，ICEO101 A；值较小，ICEO41
20、A，ICBO1A。、ICBO相等，但 的 较大，故 较好。,例1：由晶体管各管脚电位判定晶体管属性（1）A:1V B：0.3V C:3V（2）A:0.2V B:0V C:3V,如何区分硅管和锗管如何区分NPN、PNP管如何区分三个极,A.UBE 0.2V(锗管）UBE 0.7V(硅管）,B.,步骤：1.区分硅管、锗管，并确定C极（以 相近两个电极的电压差为依据，UBE硅0.7V UBE锗0.2V0.3 V）2.区分NPN、PNP管（NPN：VC最高，PNP：VC最低）3.区分三极（NPN：VC VB VE PNP：VC UB VE）,解：,（1）硅管、NPN管A：基极；B:发射极；C:集电极（
21、2）锗管、PNP管A:基极；B:发射极；C:集电极,例3,一个NPN管子在电路中正常工作，现测得,则此时该管子工作区为（）,a)饱和区 b)截止区 c)放大区,C,判断晶体管的工作状态：根据发射结和集电结的偏置情况判断。截止状态：发射结和集电结都反偏；放大状态：发射结正偏，集电结反偏；饱和状态：发射结和集电结都正偏。,三极管工作状态的判断,例1：测量某NPN型BJT各电极对地的电压值如下，试判别管子工作在什么区域？（1）VC 6V VB 0.7V VE 0V（2）VC 6V VB 4V VE 3.6V（3）VC 3.6V VB 4V VE 3.3V,解：,对NPN管而言，放大时VC VB VE
22、 对PNP管而言，放大时VC VB VE,（1）放大区（2）截止区（3）饱和区,例2 下图 所示各晶体管处于放大工作状态，已知各电极直流电位。试确定晶体管的类型（NPN/PNP、硅/锗），并说明x、y、z 代表的电极。,图,提示：（1）晶体管工作于放大状态的条件：NPN管：UC UBUE，PNP管：UEUBUC；（2）导通电压：硅管|UBE|=0.60.7v，硅管|UBE|=0.20.3v，,例3 图所示电路中，晶体管为硅管，UCE（sat）=0.3v。求：当UI=0v、UI=1v 和UI=2v时UO=?,解：(1)UI=0v时，UBE Uon，晶体管截止，IC=IB=0，UO=uCC=12v。,(3)UI=2v时：,(2)UI=1v时：,例4某放大电路中BJT三个电极的电流如图所示。IA-2mA,IB-0.04mA,IC+2.04mA,试判断管脚、管型。,解：电流判断法。电流的正方向和KCL。IE=IB+IC,A,B,C,IA,IB,IC,C为发射极B为基极A为集电极。管型为NPN管。,测得放大电路的四只晶体管的直流电位如图所示，在圆圈中画出管子，并分别说明是NPN还是PNP，是硅管还是锗管？,练习,判断图示电路能否工作在放大状态？,练习,
