電子元件基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)

電子設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)

2013年4月物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室—常用電子元器件特性及參數(shù)常用電子元器件特性及參數(shù)電阻電容電感半導(dǎo)體基礎(chǔ)與PN結(jié)二極管三極管元件封裝物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室61、

電阻定義：導(dǎo)體對(duì)電流阻礙作用的大小。理想模型：R單位：Ω、kΩ、MΩ等；實(shí)際模型：高頻時(shí)要特別注意參數(shù)：阻值精度功率材料特性寄生電感電容

3河海大學(xué)常州校區(qū)阻抗：C：分布電容；L：分布電感元件封裝貼片：0603080512061210

；

SO、SOP、MSOP、SOT系列等；QFN/SON系列(采用波峰焊或回流焊技術(shù))插件：AXIAL系列DIP系列TO系列等實(shí)際制作PCB時(shí)大多自己做封裝注意區(qū)分SCH和PCB河海大學(xué)常州校區(qū)4金屬絲電阻：穩(wěn)定性好，功率較大；碳膜電阻：穩(wěn)定性差，功率較小,應(yīng)用范圍廣（交流、直流和脈沖電路）水泥電阻：阻值小、功率大，耐震、耐熱；氧化鋅壓敏電阻：電阻值隨電壓而變，V高時(shí)擊穿。5電阻的材料特性河海大學(xué)常州校區(qū)非繞線電阻器：高頻分布參數(shù)較小

分布電感0.01~0.09uH，分布電容0.1~5pF繞線電阻器：高頻分布參數(shù)較大

分布電感幾十uH，分布電容幾十pF※隨著高頻電壓和電流波的波長(zhǎng)變得越來(lái)越小，貼片電阻的尺寸也做得很小，以滿足需要。阻值范圍從1/10~10M歐姆。高阻值的電阻不僅難以制造，誤差大，而且易于產(chǎn)生寄生場(chǎng)，影響電阻頻率特性的線性度；河海大學(xué)常州校區(qū)6電阻的高頻特性一個(gè)500歐姆金屬膜電阻的阻抗的絕對(duì)值與頻率的關(guān)系河海大學(xué)常州校區(qū)7電阻的高頻特性“耗能”“阻礙電流流通”“產(chǎn)生電壓降”降壓、分壓；——電壓調(diào)整穩(wěn)定和調(diào)節(jié)電流；——電流調(diào)整與電容配合起濾波、振蕩等作用；河海大學(xué)常州校區(qū)8電阻的用途2、電容

9河海大學(xué)常州校區(qū)阻抗：電解電容：鋁或鉭質(zhì)有極性容值較大耐壓較高陶瓷電容：壽命長(zhǎng)用于大功率、高壓領(lǐng)域薄膜電容：耐壓高容值大穩(wěn)定性好獨(dú)石電容：溫度特性及頻率特性好容值?。娮泳軆x器、諧振、耦合、濾波）河海大學(xué)常州校區(qū)10電容的材料特性河海大學(xué)常州校區(qū)11材料特性決定工作頻率電容的材料特性電容的寄生參數(shù)：

引線電感直流等效電阻(ESR)分布電容等※頻率很高(GHz以上)時(shí)，引線電感將極大的影響Xc；※ESR的存在使電容在充放電時(shí)浪費(fèi)能量；※損耗角正切值tanδ=ESR*wC，其中w代表工作角頻率,C為電容值。Tanδ=0則ESR=0參閱AVX、Rubycon、松下、TDK等公司的電容資料河海大學(xué)常州校區(qū)12電容的高頻特性在很多場(chǎng)合，如開(kāi)關(guān)電源、照明技術(shù)中，電容的壽命都是一大瓶頸。

普通：2000~4000h

長(zhǎng)壽命：6000~8000h

超長(zhǎng)：10000~12000h

民用級(jí)：0~70℃

工業(yè)級(jí)：-40~85℃

軍用級(jí)：-55~150℃河海大學(xué)常州校區(qū)13電容參數(shù)—壽命鋁電解

電容工作溫度每上升10℃，壽命縮短10%工作溫度級(jí)別定義：電容反復(fù)充放電所允許流過(guò)的最大電流?！匾晥?chǎng)合：電力電子技術(shù)(功率變換)受等效阻抗影響，一般多個(gè)并聯(lián)解決發(fā)熱問(wèn)題河海大學(xué)常州校區(qū)14電容參數(shù)—紋波電流

儲(chǔ)能、濾波；隔直、退耦、耦合；振蕩、保護(hù)(安規(guī))；河海大學(xué)常州校區(qū)15電容的用途電容的串并聯(lián)電容串聯(lián)后總電容的倒數(shù)等于各電容容量的倒數(shù)之和，即1/C=1/C1+1/C2+…,這一點(diǎn)與電阻并聯(lián)電路相同。在電容串聯(lián)電路中，容量大的電容兩端電壓小，容量小的電壓大（Q=C*U）。當(dāng)某個(gè)電容的容量遠(yuǎn)大于其他電容時(shí)，該電容相當(dāng)于通路，此時(shí)電路中起決定作用的是容量小的電容。兩只有極性電解電容順串聯(lián)的結(jié)果仍然為一只有極性的電解電容，總?cè)萘繙p小，總耐壓提高；逆串后沒(méi)有極性。河海大學(xué)常州校區(qū)16

2011年9月15日3、

電感定義：表征電流與通電線圈的相互作用關(guān)系。理想模型：

單位：H、mH、uH等；17河海大學(xué)常州校區(qū)感量材料特性(針對(duì)有磁芯電感)等效電阻ESL分布電容頻率特性載流能力損耗河海大學(xué)常州校區(qū)18電感的主要參數(shù)河海大學(xué)常州校區(qū)19電感的材料特性—磁芯材料材料工作頻率鐵氧體+Zn/Ni/Mn(鋅/鎳/錳)100kHz左右非晶硅幾十kHz~幾MHz坡莫合金30~50MHz參閱：全球知名的磁性元件生產(chǎn)商的公司主頁(yè)

磁性元件行業(yè)網(wǎng)站、電源行業(yè)網(wǎng)站河海大學(xué)常州校區(qū)20電感的損耗分析標(biāo)號(hào)含義影響因素/產(chǎn)生機(jī)理代表?yè)p耗Rdc直流等效電阻導(dǎo)線線徑和總長(zhǎng)度銅損Rac磁芯損耗電阻磁芯材料、渦流和磁滯效應(yīng)磁損Rd介質(zhì)損耗電阻介質(zhì)電導(dǎo)和極化的滯后效應(yīng)介質(zhì)損耗電感損耗源表電感的品質(zhì)因數(shù)Q損耗角正切值tanδ：1/QQ值用處：諧振電路的匹配(調(diào)諧時(shí)要求高Q)河海大學(xué)常州校區(qū)21電感的損耗分析“表征無(wú)源電路的電阻損耗”無(wú)功功率/有功功率河海大學(xué)常州校區(qū)22電感的損耗分析—磁滯回線定義：當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度周期性變化時(shí)，表示鐵磁性物質(zhì)或亞鐵磁性物質(zhì)磁滯現(xiàn)象的閉合磁化曲線。參數(shù)：Bm—飽和磁通Br—剩余磁通Hm—最大磁強(qiáng)Hc—矯頑力磁滯損耗與磁滯回線的面積成正比根據(jù)磁滯回線的形狀將磁性材料分類如下河海大學(xué)常州校區(qū)23硬磁/軟磁材料分類磁滯回線特征材料特點(diǎn)軟磁材料瘦高型較小的剩磁和矯頑力；磁導(dǎo)率高；磁滯現(xiàn)象不明顯；無(wú)外磁場(chǎng)時(shí)磁性基本消失硬磁材料矮胖型較大的矯頑力；磁滯回線較寬；材料被磁化后，剩磁不易消失河海大學(xué)常州校區(qū)24電感的頻率特性Rs：串聯(lián)電阻Cs：分布電容高頻模型一個(gè)實(shí)際電感線圈的頻率響應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理：交變電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，由于感應(yīng)作用引起導(dǎo)體截面上電流分布不均勻，愈近導(dǎo)體表面電流密度越大。頻率越高，趨膚效應(yīng)越顯著?！绊懀涸斐蓪?dǎo)體等效電阻增大，功率損耗(銅損)增大，載流能力減小。銅導(dǎo)線趨膚深度Δ計(jì)算：河海大學(xué)常州校區(qū)25影響電感性能的效應(yīng)—趨附效應(yīng)ρ：電阻率；ur：相對(duì)磁導(dǎo)率；f：工作頻率；ρc：銅在20℃時(shí)的電阻率應(yīng)對(duì)趨附效應(yīng)的方法多股并繞：用多股相互絕緣的細(xì)導(dǎo)線交織并繞代替同等截面積的粗導(dǎo)線寬薄銅帶：

用寬薄的銅帶代替直圓柱形繞組河海大學(xué)常州校區(qū)26定義：當(dāng)高頻電流在兩導(dǎo)體中彼此反向流動(dòng)，電流會(huì)集中于導(dǎo)體鄰近側(cè)流動(dòng)的一種特殊的物理現(xiàn)象※當(dāng)導(dǎo)線由多匝細(xì)導(dǎo)線并繞時(shí)，鄰近效應(yīng)隨并繞的匝數(shù)增加而呈指數(shù)規(guī)律增加。很多場(chǎng)合，鄰近效應(yīng)影響遠(yuǎn)比趨膚效應(yīng)影響大?！鶞p小鄰近效應(yīng)的方法：使用直徑大的導(dǎo)線。與減小趨附效應(yīng)的方法正好矛盾！

“多股繞制高頻變壓器時(shí)用的導(dǎo)線或薄銅片有個(gè)最佳值并繞”

河海大學(xué)常州校區(qū)27影響電感性能的效應(yīng)—鄰近效應(yīng)核心思想：法拉第電磁感應(yīng)定律楞次定律儲(chǔ)能濾波高頻諧振河海大學(xué)常州校區(qū)28電感的作用河海大學(xué)常州校區(qū)29半導(dǎo)體基礎(chǔ)與PN結(jié)半導(dǎo)體：電阻率介于金屬與絕緣材料之間的材料。特征：某個(gè)溫度范圍內(nèi)，電荷載流子的濃度隨溫度升高而增加，電阻率下降。通用半導(dǎo)體：鍺(Ge)、硅(Si)、砷化鎵(GaAs)空穴：電子掙脫共價(jià)鍵的束縛成為自由電子后，在共價(jià)鍵中留下的一個(gè)空位。本征半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)：自由電子數(shù)=空穴數(shù)起因：純單晶半導(dǎo)體已不能滿足多方面的需要。定義：在本征半導(dǎo)體的晶格中植入雜質(zhì)以改變電特性的過(guò)程。摻雜物：三價(jià)元素：硼、銦、鋁

五價(jià)元素：磷、砷、銻產(chǎn)物：P型半導(dǎo)體：

空穴數(shù)＞自由電子數(shù)

N型半導(dǎo)體：

空穴數(shù)＜自由電子數(shù)河海大學(xué)常州校區(qū)30“摻雜”形成機(jī)理：P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體相互接觸時(shí)，由于自由電子和空穴的相互擴(kuò)散與漂移，在交界處會(huì)形成阻礙多數(shù)載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的勢(shì)壘區(qū)即PN結(jié)。河海大學(xué)常州校區(qū)31PN結(jié)載流子的擴(kuò)散河海大學(xué)常州校區(qū)32PN結(jié)的形成PN結(jié)的特性：1.單向?qū)щ娦裕?.光生伏特效應(yīng)；3.電容效應(yīng)；起源：在PN結(jié)空間電荷區(qū)內(nèi)，電子要從N區(qū)到P區(qū)必須越過(guò)一個(gè)能量高坡，即勢(shì)壘。PN結(jié)承受正向電壓，等效電阻很小，PN結(jié)導(dǎo)通；PN結(jié)承受反向電壓，等效電阻很大，PN結(jié)截止；河海大學(xué)常州校區(qū)33單向?qū)щ娦詉D：通過(guò)PN結(jié)的電流；VD：PN結(jié)兩端電壓。定義：半導(dǎo)體在受到光照射時(shí)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象；典型應(yīng)用：太陽(yáng)能電池河海大學(xué)常州校區(qū)34光生伏特效應(yīng)太陽(yáng)能電池：一個(gè)大面積平面PN結(jié)原理：太陽(yáng)能電池板吸收太陽(yáng)光，具有足夠能量的光子能夠在P型硅和N型硅中將電子從共價(jià)鍵中激發(fā)，以致產(chǎn)生電子－空穴對(duì)。在結(jié)電場(chǎng)的作用下，最后建立一個(gè)與光照強(qiáng)度有關(guān)的電動(dòng)勢(shì)。河海大學(xué)常州校區(qū)35電容效應(yīng)PN結(jié)的電容效應(yīng)將導(dǎo)致反向時(shí)交流信號(hào)可以部分通過(guò)PN結(jié)，頻率越高則通過(guò)越多，這就限制了管子的最高工作頻率。一般在制造高頻二極管或三極管時(shí)，都是通過(guò)減小PN結(jié)面積或增加PN結(jié)厚度來(lái)減小這個(gè)電容。由于減小結(jié)面積不利于大電流通過(guò)，提高結(jié)厚度則需要時(shí)N區(qū)和P區(qū)擴(kuò)散的雜志濃度比較低，導(dǎo)致電阻增加，因此要制造高頻大功率管是相當(dāng)困難的，一般高頻大功率管由于P區(qū)和N區(qū)電阻大，導(dǎo)致飽和壓降高。特性應(yīng)用單向?qū)щ娦哉鳌z波、開(kāi)關(guān)二極管反向擊穿特性穩(wěn)壓、雪崩二極管結(jié)電容效應(yīng)變?nèi)荻O管光生伏特效應(yīng)太陽(yáng)電池半導(dǎo)體光電效應(yīng)各種光電器件晶格受力變化/溫度特性壓力傳感器/溫度傳感器光輻射對(duì)反向電流的調(diào)制光電探測(cè)器高摻雜PN結(jié)隧道效應(yīng)隧道二極管相互作用的放大、振蕩特性晶體管河海大學(xué)常州校區(qū)36PN結(jié)的應(yīng)用模型：高頻模型：河海大學(xué)常州校區(qū)374、

二極管VF：0.1~1V常用的為0.5~0.7VIF：視不同二極管而定硅管：0.7V鍺管：0.2V目的：效率分析和電路改進(jìn)設(shè)計(jì)。降低功耗！河海大學(xué)常州校區(qū)38二極管的損耗計(jì)算損耗類型計(jì)算公式備注直流損耗VF:正向壓降；

IF：正向電流；

f：工作頻率

ton：導(dǎo)通時(shí)間；

交流損耗基本參數(shù)：VF、IF正向浪涌電流IF-peak結(jié)電容Cj：影響高頻特性反向恢復(fù)時(shí)間trr：正向?qū)ǖ浇刂箷r(shí)的時(shí)間反向耐壓Vr反向漏電流Ir寄生電感：影響高頻特性最高工作溫度Top封裝河海大學(xué)常州校區(qū)39二極管重要參數(shù)PN結(jié)所存儲(chǔ)電荷耗盡所需的時(shí)間二極管類型特點(diǎn)常見(jiàn)型號(hào)應(yīng)用場(chǎng)合整流二極管正向浪涌電流大

反向耐壓高

結(jié)電容較大1N4007/SM7

1N540X

RL20X整流電路

鉗位電路

保護(hù)電路等開(kāi)關(guān)二極管開(kāi)關(guān)速度快

壽命長(zhǎng)體積小LL4148小信號(hào)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓二極管工作于反向擊穿態(tài)

噪聲系數(shù)較高

穩(wěn)定系數(shù)較差1N4782(8.5V)

1N5338(5.1V)低精度穩(wěn)壓/基準(zhǔn)

電平平移瞬態(tài)抑制二極管

TVS響應(yīng)時(shí)間快(ns)

瞬態(tài)功率大

漏電流低PxxKExx浪涌保護(hù)

鉗位吸收電路(超)快恢復(fù)二極管

(U)FRD開(kāi)關(guān)特性好

反向恢復(fù)時(shí)間短

反向擊穿電壓較高35ns~100ns:FR107

≦35ns:STTH3R02高頻整流電路

開(kāi)關(guān)電源

阻容吸收等肖特基二極管

SBD正向壓降小

反向恢復(fù)時(shí)間短

開(kāi)關(guān)損耗小STPS20H100CT

SS34、1N5822

MBR400100CT開(kāi)關(guān)電源變頻器

驅(qū)動(dòng)器河海大學(xué)常州校區(qū)40二極管分類形成：在半導(dǎo)體鍺或硅的單晶上制備兩個(gè)能相互影響的PN結(jié)，組成一個(gè)PNP(或NPN)結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)：河海大學(xué)常州校區(qū)415、

三極管“電流放大”：以基極電流微小的變化量來(lái)控制集電極電流較大的變化量。

河海大學(xué)常州校區(qū)42三極管作用應(yīng)用場(chǎng)合具體作用放大電路電流或電壓放大等振蕩電路調(diào)制解調(diào)、自激振蕩等開(kāi)關(guān)電路/電源電路閘流、限流或作開(kāi)關(guān)管等“截止區(qū)、放大區(qū)、飽和區(qū)的切換”參數(shù)物理意義參考作用NPN9013參數(shù)ICM最大集電極電流電流限值500mAVBE(on)導(dǎo)通/開(kāi)啟電壓開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)0.67VfT特征