電工與電子到章教案

1、電工與電子到章教案第1頁，共45頁，2022年，5月20日，4點42分，星期五17.1.1 本征半導(dǎo)體GeSi鍺和硅都是四價元素，最外層都是四個電子。本征半導(dǎo)體 完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的 半導(dǎo)體。（99.9999999）+4簡化表示+4表示除價電子以外的部分第2頁，共45頁，2022年，5月20日，4點42分，星期五2半導(dǎo)體晶體中，相鄰原子之間以共價鍵結(jié)合。 每個原子的最外層均是八個電子，形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。共價鍵共用電子對+4+4+4+4硅和鍺的共價鍵結(jié)構(gòu)共價鍵中的電子稱束縛 電子，束縛電子不導(dǎo)電。常溫下束縛電子很難成 為自由電子，因此本征 半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。第3頁，共45頁，2022年，5

2、月20日，4點42分，星期五3+4+4+4+4自由電子空穴束縛電子常溫下，一些價電子獲得足夠的能量，成為自由 電子 (稱熱激發(fā))， 同時共價鍵上留下一個空位， 稱為空穴。本征半導(dǎo)體中自由電子和空穴的數(shù)量相等。第4頁，共45頁，2022年，5月20日，4點42分，星期五4在力的作用下，空穴能吸引附近的電子來填補(bǔ)， 這相當(dāng)于空穴的遷移，空穴的遷移相當(dāng)于正電荷 的移動，因此可以認(rèn)為空穴是載流子。本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子， 即自由電子和空穴。半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。 溫度越高，載流子的濃度越高，本征半導(dǎo)體的 導(dǎo)電能力越強(qiáng) 。半導(dǎo)體的特點: 溫度對半導(dǎo)體性能的影響很大。第5頁，共

3、45頁，2022年，5月20日，4點42分，星期五57.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入微量的某些雜質(zhì)，會使半導(dǎo)體 的導(dǎo)電性能顯著提高。原因是摻雜使半導(dǎo)體的某種 載流子濃度大大增加。1.N 型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入少量的 五價元素磷，晶體中的某些 半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代。+4+4+5+4磷原子多余電子 磷原子最外層有五個價電子， 四個與相鄰的半導(dǎo)體原子形 成共價鍵，多出的一個電子， 很容易激發(fā)成為自由電子。第6頁，共45頁，2022年，5月20日，4點42分，星期五6N型半導(dǎo)體中，摻雜形成的自由電子是熱激發(fā)的 ( 103104 )倍；自由電子數(shù)量大大多于空穴數(shù)量。 自由電子稱多數(shù)載流子（多

4、子），空穴稱少數(shù)載 流子（少子）； N型半導(dǎo)體主要靠電子導(dǎo)電。2. P 型半導(dǎo)體空穴硼原子+4+4+3+4在本征半導(dǎo)體中摻入少量 的三價元素硼，硼原子的 最外層有三個價電子，與 相鄰的半導(dǎo)體原子形成共 價鍵時，產(chǎn)生一個空穴。 (不產(chǎn)生自由電子) 第7頁，共45頁，2022年，5月20日，4點42分，星期五77.2 PN 結(jié)及及其單向?qū)щ娦?在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P 型半導(dǎo)體 和N 型半導(dǎo)體，經(jīng)過載流子的擴(kuò)散，在它們的 交界面處就形成了一個特殊的薄層，稱PN結(jié)。 P 型半導(dǎo)體中空穴是多子，電子是少子。 P 型半導(dǎo)體主要靠空穴導(dǎo)電。第8頁，共45頁，2022年，5月20日，4點42分，星期

5、五8P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體+擴(kuò)散運(yùn)動內(nèi)電場E漂移運(yùn)動擴(kuò)散使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬，內(nèi)電場越強(qiáng) 。內(nèi)電場越強(qiáng)，使漂移運(yùn)動越強(qiáng)，漂移使空間電荷區(qū)變薄?？臻g電荷區(qū)，也稱耗盡層。第9頁，共45頁，2022年，5月20日，4點42分，星期五9漂移運(yùn)動P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體+擴(kuò)散運(yùn)動內(nèi)電場E 當(dāng)擴(kuò)散和漂移這對相反的運(yùn)動達(dá)到動態(tài)平衡時，相當(dāng)于兩個區(qū)之間沒有電荷運(yùn)動，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。第10頁，共45頁，2022年，5月20日，4點42分，星期五10PN 結(jié)的單向?qū)щ娦? PN結(jié)正偏時導(dǎo)通， 反偏時截止；稱為PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴?PN 結(jié)加正向電壓或正向偏置是指： P 區(qū)接電源的正、N 區(qū)接電

6、源的負(fù)。 PN 結(jié)加反向電壓或反向偏置是指： P 區(qū)接電源的負(fù)、N 區(qū)接電源的正。擴(kuò)散運(yùn)動: P 區(qū)中的空穴和N區(qū)中的電子向?qū)Ψ?運(yùn)動（都是多子）。漂移運(yùn)動: P 區(qū)中的電子和N 區(qū)中的空穴的運(yùn)動 （都是少子），少子數(shù)量有限，因此 由它們形成的電流很小。第11頁，共45頁，2022年，5月20日，4點42分，星期五11+RE PN 結(jié)正向偏置內(nèi)電場外電場變薄PN+_ 內(nèi)電場被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)，能夠形成較大的正向電流。第12頁，共45頁，2022年，5月20日，4點42分，星期五12 PN 結(jié)反向偏置+內(nèi)電場外電場變厚NP+_ 內(nèi)電場加強(qiáng)，多子的擴(kuò)散受抑制。少子漂移加強(qiáng)，但少子數(shù)量有限，只能

7、形成較小的反向電流。RE第13頁，共45頁，2022年，5月20日，4點42分，星期五137. 3 半導(dǎo)體二極管7. 3.基本結(jié)構(gòu) PN 結(jié)加上管殼和引線，就成為半導(dǎo)體二極管。引線外殼線觸絲線基片點接觸型PN結(jié)面接觸型PN二極管的電路符號：第14頁，共45頁，2022年，5月20日，4點42分，星期五147. 3. 2 伏安特性和主要參數(shù)UI死區(qū)電壓 硅管0.6V,鍺管0.2V。導(dǎo)通壓降: 硅管0.60.7V,鍺管0.20.3V。反向擊穿電壓UBR1伏安特性 二極管的端電壓 與電流關(guān)系曲線 第15頁，共45頁，2022年，5月20日，4點42分，星期五152. 主要參數(shù) 最大整流電流 IOM

8、二極管長期使用時，允許流過二極管的最大 正向平均電流。 反向工作峰值電壓URWM 保證二極管不被反向擊穿的最大電壓，約為UBR 的(1/2)(2/3)。 反向峰值電流 IRM 反向峰值電壓下的電流。 IRM大二極管的單向?qū)щ娦圆睿还蔍RM越小越好。 IRM受溫度影響大，溫度越高IRM越大。 硅管的IRM較小，鍺管IRM比硅管大幾十到幾百倍。第16頁，共45頁，2022年，5月20日，4點42分，星期五16硅二極管：死區(qū)電壓 = 0 .5V，正向壓降 0.7V 理想二極管：死區(qū)電壓 = 0 ，正向壓降 = 0 RLuiuouiuott二極管的應(yīng)用舉例：二極管半波整流7.3.3 二極管的等效電路及

9、其應(yīng)用 等效電路：正偏導(dǎo)通開關(guān)通，反偏截止開關(guān)斷。第17頁，共45頁，2022年，5月20日，4點42分，星期五17曲線越陡，電壓越穩(wěn)定。7.4 幾種特殊二極管UIIZUZ7.4.1 穩(wěn)壓二極管特殊的面接觸型硅二極管， 工作于反向擊穿區(qū)；與適 當(dāng)電阻配合能穩(wěn)定電壓。符號 第18頁，共45頁，2022年，5月20日，4點42分，星期五18 穩(wěn)定電流IZ : 最大、最小穩(wěn)定電流Izmax、Izmin。 穩(wěn)壓管正常工作時允許的最大電流、 要求的最小電流。 最大允許功耗: 穩(wěn)壓二極管的參數(shù): 穩(wěn)定電壓 UZ : 正常工作時，穩(wěn)壓管兩端的電壓 （反向擊穿電壓）。 動態(tài)電阻 : 反向特性曲線越陡， rZ越

10、小；穩(wěn)壓性能越好。第19頁，共45頁，2022年，5月20日，4點42分，星期五197.4.2 光電二極管反向電流隨光照強(qiáng)度的增加而上升。IU照度增加 暗電流：無光照時的反向電流， (0.2A) 光電流：有光照時的電流，（可達(dá)幾十A）。 符號第20頁，共45頁，2022年，5月20日，4點42分，星期五207.4.3 發(fā)光二極管（LED） 符號LED正偏導(dǎo)通時，若電流足夠大， LED可發(fā)出不同顏色的光； 光的顏色由LED的材料確定。 LED的電特性與一般二極管類似： 工作電壓：1.53V， 工作電流：幾幾十mA第21頁，共45頁，2022年，5月20日，4點42分，星期五21BECNNP基極發(fā)

11、射極集電極NPN型PNP集電極基極發(fā)射極BCEPNP型7. 5 晶體管又稱半導(dǎo)體三極管，簡稱三極管。7.5.1 基本結(jié)構(gòu)靠得很近的兩個PN結(jié)組成，有NPN和PNP兩種形式第22頁，共45頁，2022年，5月20日，4點42分，星期五22BECNNP基極發(fā)射極集電極基區(qū)：較薄，摻雜濃度低集電區(qū)：面積較大摻雜濃度較低發(fā)射區(qū)：摻雜濃度較高集電結(jié)發(fā)射結(jié)* 故E、C不能互換 NPN管和PNP管的工作原理類似，僅電源極性要求不同。 第23頁，共45頁，2022年，5月20日，4點42分，星期五237.5.2 電流放大原理BECNNPEBRBECIE基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴(kuò)散可忽略。IBE進(jìn)入P區(qū)的電子少部分與

12、基區(qū)的空穴復(fù)合，形成電流IBE ，多數(shù)擴(kuò)散到集電結(jié)。發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴(kuò)散，形成發(fā)射極電流IE。放大電流必要條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。第24頁，共45頁，2022年，5月20日，4點42分，星期五24BECNNPEBRBECIE集電結(jié)反偏，有少子形成的反向電流ICBO。ICBOIC=ICE+ICBOICEIBEICE從基區(qū)擴(kuò)散來的電子作為集電結(jié)的少子，漂移進(jìn)入集電結(jié)而被收集，形成ICE。第25頁，共45頁，2022年，5月20日，4點42分，星期五25IB=IBE-ICBOIBEIBBECNNPEBRBECIEICBOICEIC=ICE+ICBO ICEIBE第26頁，共45

13、頁，2022年，5月20日，4點42分，星期五26BECIBIEICNPN型三極管BECIBIEICPNP型三極管 ICE與IBE之比稱為電流放大倍數(shù)第27頁，共45頁，2022年，5月20日，4點42分，星期五27 特性曲線描述三極管各極電壓、電流之間關(guān)系的曲線。 常用的是共射極電路的輸入、輸出特性曲線。ICmAAVVUCEUBERBIBECEB測量電路第28頁，共45頁，2022年，5月20日，4點42分，星期五281. 輸入特性曲線UCE 1VIB(A)UBE(V)204060800.40.8工作壓降： 硅管UBE0.60.7V,鍺管UBE0.20.3V。UCE=0VUCE =0.5V

14、死區(qū)電壓，硅管0.5V，鍺管0.2V。第29頁，共45頁，2022年，5月20日，4點42分，星期五292. 輸出特性IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域滿足IC = IB稱為線性區(qū)（放大區(qū)）。 當(dāng)UCE大于一定的數(shù)值時，IC只與IB有關(guān): IC = IB。第30頁，共45頁，2022年，5月20日，4點42分，星期五30IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域中UCEUBE ,集電結(jié)正偏，IBIC，UCE0.3V稱為飽和區(qū)。第31頁，共45頁，2022年，5月20日，4點42分，星期五31

15、IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A 此區(qū)域中 : IB=0, IC=ICEO ,UBEIC，UCE 0.3V (3) 截止區(qū)： UBE 死區(qū)電壓， IB = 0 ， IC=ICEO 0 第33頁，共45頁，2022年，5月20日，4點42分，星期五33例1： =50，UCC =12V， RB =70k， RC =6k 當(dāng)UB = -2V，2V，5V時，晶體管工作于何種狀態(tài)？解： UB =-2V時：IB = 0 ， IC = 0晶體管工工作于截止區(qū) UB =2V時：IC最大飽和電流：ICUCEIBUCCRBUBCBERCUBEICVT時， ID UGS；MOS管導(dǎo)通開關(guān)接通UGS VT時， ID = 0；MOS管截止開關(guān)斷開第43頁，共45頁，2022年，5月20日，4點42分，星期五43輸出特性曲線I