電工與電子技術(shù)下冊(cè)課件

第14章半導(dǎo)體器件QQ:158085214Email:Code:cheliang101上下冊(cè)的聯(lián)系上冊(cè)電工技術(shù)：主要體現(xiàn)的是電能的使用和轉(zhuǎn)化。內(nèi)容偏重于電路分析，即計(jì)算電路中流動(dòng)的電流，阻抗以及加在電阻中的電壓等。如常用的歐姆定律、基爾霍夫電流定律等。涉及到的主要是強(qiáng)電的電路，即電壓和電流的量級(jí)單位多為伏和安，這一類的電路也叫電氣電路。下冊(cè)電子技術(shù)：同樣基于上冊(cè)的電路分析方法，在電路中引入了半導(dǎo)體器件，如二極管和三極管等。涉及到的電壓和電流的量級(jí)單位多為毫伏和毫安，微安，所以是偏弱電的電路。這一類的電路也叫電子電路。2半導(dǎo)體器件：二極管和三極管基本放大電路集成運(yùn)算放大器直流穩(wěn)壓電源本書內(nèi)容概述電子技術(shù)模擬電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)門電路和組合邏輯電路觸發(fā)器和時(shí)序邏輯電路存儲(chǔ)器和可編程邏輯器件3課程的意義

Mymommaalwayssaid,Lifeislikeaboxofchocolates.Youneverknowwhatyou'regonnagetForrestGumpmp3,mp4,PC,,iphone,ipad都離不開(kāi)電子技術(shù)。5從集成電路到集成光路光子（波）的優(yōu)勢(shì)光子（波）與光子（波）之間的相互作用很弱，能量損耗非常低。光子（波）的傳播速度非?？?。激光脈沖越來(lái)越短（10-15s）。信息處理的速度會(huì)更快。集成光路，光子芯片，光子計(jì)算機(jī)如何實(shí)現(xiàn)？光的二極管，光的三極管，全光的二極管，三極管！6硅材料的全光二極管陰極陽(yáng)極單向?qū)щ姷奶匦远O管FromOpticsExpressVol.19,Page269487課程的學(xué)習(xí)方法多看課本和參考書籍相互之間的討論（同學(xué)之間，同學(xué)老師之間）別期待著期末臨時(shí)抱佛腳平時(shí)：30%（作業(yè)和到課情況（沒(méi)到超過(guò)3次））考試：70%作業(yè)交完一章交一次，一次只交一個(gè)班的量，交替。9參考書籍《電路與電子技術(shù)》（中冊(cè)模擬電子技術(shù)）張紀(jì)成主編電子工業(yè)出版社《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》閻石(3rd)童詩(shī)白(4th)編，高等教育出版社《漫畫電子電路》田中賢一著，科學(xué)出版社《半導(dǎo)體物理學(xué)》劉恩科等編著，電子工業(yè)出版社《固體物理學(xué)》黃昆著，高等教育出版社《IntroductiontoSolidStatePhysics》C.Kittel,Wiley

Tobecontinued…10何為電子電路電子電路與電氣電路的主要區(qū)別，除了含有電阻（R），電感（L）和電容（C）外，還包括有二極管、晶體管等半導(dǎo)體元件的電路。11符號(hào)13本章要點(diǎn)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性PN結(jié)半導(dǎo)體二極管特殊二極管半導(dǎo)體三極管14一、理解PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，三極管的電流分配和電流放大作用；二、了解二極管、穩(wěn)壓管和三極管的基本構(gòu)造、工作原理和特性曲線，理解主要參數(shù)的意義；三、會(huì)分析含有二極管的電路。本章要求15本章要點(diǎn)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性PN結(jié)半導(dǎo)體二極管特殊二極管半導(dǎo)體三極管17什么是半導(dǎo)體半導(dǎo)體(semiconductor)，指常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體(conductor)與絕緣體(insulator)之間的材料。本書討論的半導(dǎo)體主要是具有晶體結(jié)構(gòu)，即原子的排列具有空間的周期性。常用的半導(dǎo)體有硅和鍺。18本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體：完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。晶體中原子的排列方式硅單晶中的共價(jià)健結(jié)構(gòu)共價(jià)健共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子，稱為價(jià)電子。

Si

Si

Si

Si價(jià)電子19本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理

Si

Si

Si

Si價(jià)電子

價(jià)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(fù)電），同時(shí)共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位，稱為空穴（帶正電）。這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)?？昭囟扔撸w中產(chǎn)生的自由電子便愈多。自由電子空穴吸引相鄰原子的價(jià)電子來(lái)填補(bǔ)，而在該原子中出現(xiàn)一個(gè)空穴，其結(jié)果相當(dāng)于空穴的運(yùn)動(dòng)（相當(dāng)于正電荷的移動(dòng)）。21本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理當(dāng)半導(dǎo)體兩端加上外電壓時(shí)，在半導(dǎo)體中將出現(xiàn)兩部分電流

(1)自由電子作定向運(yùn)動(dòng)電子電流

(2)價(jià)電子遞補(bǔ)空穴空穴電流本征半導(dǎo)體中載流子數(shù)目極少,其導(dǎo)電性能很差；溫度愈高，載流子的數(shù)目愈多，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能也就愈好。溫度對(duì)半導(dǎo)體器件性能影響很大。自由電子和空穴成對(duì)地產(chǎn)生的同時(shí)，又不斷復(fù)合。在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生和復(fù)合達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，半導(dǎo)體中載流子便維持一定的數(shù)目。自由電子和空穴都稱為載流子。22在本征半導(dǎo)體中摻入微量的雜質(zhì)（某種元素）,形成雜質(zhì)半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體-N(Negative)型半導(dǎo)體

摻雜后自由電子數(shù)目大量增加，自由電子導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式，稱為電子半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體。摻入五價(jià)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€(gè)電子變?yōu)檎x子

在N

型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。231.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子的數(shù)量與

（a.摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。2.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中少子的數(shù)量與（a.摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。3.當(dāng)溫度升高時(shí)，少子的數(shù)量（a.減少、b.不變、c.增多）。abc4.在外加電壓的作用下，P型半導(dǎo)體中的電流主要是

，N型半導(dǎo)體中的電流主要是。（a.電子電流、b.空穴電流）baQuiz25本章要點(diǎn)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性PN結(jié)半導(dǎo)體二極管特殊二極管半導(dǎo)體三極管26外電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)被加強(qiáng)，少子的漂移加強(qiáng)，由于少子數(shù)量很少，形成很小的反向電流。IR溫度越高少子的數(shù)目越多，反向電流將隨溫度增加。–+PN結(jié)加反向電壓時(shí)，PN結(jié)變寬，反向電流較小，反向電阻較大，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。內(nèi)電場(chǎng)PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－

2.PN結(jié)加反向電壓（P接負(fù)、N接正，反向偏置）PN結(jié)變寬29本章要點(diǎn)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性PN結(jié)半導(dǎo)體二極管特殊二極管半導(dǎo)體三極管30陰極引線陽(yáng)極引線二氧化硅保護(hù)層P型硅N型硅(

c

)平面型金屬觸絲陽(yáng)極引線N型鍺片陰極引線外殼(

a)點(diǎn)接觸型鋁合金小球N型硅陽(yáng)極引線PN結(jié)金銻合金底座陰極引線(

b)面接觸型陰極陽(yáng)極(

d

)符號(hào)二極管的結(jié)構(gòu)示意圖將PN結(jié)加上相應(yīng)的電極引線和管殼，就成為二極管PN31UIVmA0.4mA-50伏安特性硅管0.5V,鍺管0.1V。反向擊穿電壓U(BR)導(dǎo)通壓降

外加電壓大于死區(qū)電壓二極管才能導(dǎo)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娦浴Ｕ蛱匦苑聪蛱匦蕴攸c(diǎn)：非線性硅0.6~0.8V鍺0.2~0.3V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)。mA-500.4VmAmA-500.4mA-50mA0.4mA-5032

1.二極管加正向電壓（正向偏置，陽(yáng)極接正、陰極接負(fù)）時(shí)，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(yáng)極接負(fù)、陰極接正）時(shí)，二極管處于反向截止?fàn)顟B(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?.二極管的反向電流受溫度的影響，溫度愈高反向電流愈大。二極管的單向?qū)щ娦?3電路如圖，求：UABV陽(yáng)=－6VV陰=－12VV陽(yáng)>V陰二極管導(dǎo)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(gè)管壓降，為－6.3Ｖ或－6.7V例1：

取B點(diǎn)作參考點(diǎn)，斷開(kāi)二極管，分析二極管陽(yáng)極和陰極的電位。在這里，二極管起鉗位作用。D6V12V3kBAUAB+–34ui>8V，二極管導(dǎo)通，可看作短路uo=8V

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

波形。8V例2：二極管的用途：

整流、檢波、限幅、鉗位、開(kāi)關(guān)、元件保護(hù)、溫度補(bǔ)償?shù)?。ui18V參考點(diǎn)二極管陰極電位為8VD8VRuoui++––35兩個(gè)二極管的陰極接在一起取B點(diǎn)作參考點(diǎn)，斷開(kāi)二極管，分析二極管陽(yáng)極和陰極的電位。V1陽(yáng)=－6V，V2陽(yáng)=0V，V1陰=V2陰=－12VUD1=6V，UD2=12V

∵

UD2>UD1

∴D2優(yōu)先導(dǎo)通，D1截止。若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB

=0V例3:D1承受反向電壓為－6V流過(guò)D2

的電流為求：UAB在這里，D2起鉗位作用，D1起隔離作用。BD16V12V3kAD2UAB+–36本章要點(diǎn)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性PN結(jié)半導(dǎo)體二極管特殊二極管半導(dǎo)體三極管37穩(wěn)壓二極管1.符號(hào)UZIZIZMUZIZ2.伏安特性穩(wěn)壓管正常工作時(shí)加反向電壓使用時(shí)要加限流電阻_+UIO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。38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(shí)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?jǐn)?shù)。(3)動(dòng)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。39光電二極管反向電流隨光照強(qiáng)度的增加而上升。IU照度增加符號(hào)發(fā)光二極管有正向電流流過(guò)時(shí)，發(fā)出一定波長(zhǎng)范圍的光，目前的發(fā)光管可以發(fā)出從紅外到可見(jiàn)波段的光，它的電特性與一般二極管類似，正向電壓較一般二極管高，電流為幾~幾十mA光電二極管發(fā)光二極管40本章要點(diǎn)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性PN結(jié)半導(dǎo)體二極管特殊二極管半導(dǎo)體三極管41半導(dǎo)體三極管（晶體管）三極管又稱為晶體管，它的關(guān)鍵的兩個(gè)作用是：放大和開(kāi)關(guān)！42半導(dǎo)體三極管基本結(jié)構(gòu)NNP基極發(fā)射極集電極NPN型BECPNP型PPN基極發(fā)射極集電極符號(hào)：BECIBIEICBECIBIEICNPN型三極管PNP型三極管BEC(Base)(Collector)(Emitter)433DG100晶體管*國(guó)產(chǎn)三極管的命名方式*知道44結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(jié)集電結(jié)BECNNP基極發(fā)射極集電極集電區(qū)：面積最大45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(cè)量晶體管特性的實(shí)驗(yàn)線路ICEBmAAVUCEUBERBIBECV++––––++46各電極電流關(guān)系及電流放大作用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(jié)論:1）三電極電流關(guān)系IE=IB+IC2）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(shí)質(zhì):用一個(gè)微小電流的變化去控制一個(gè)較大電流的變化，是CCCS器件。CurrentControlledCurrentSource電流控制電流源47三極管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律BECNNPEBRBECIEIBEICEICBO

基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴(kuò)散可忽略。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。

進(jìn)入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復(fù)合，形成電流IBE，多數(shù)擴(kuò)散到集電結(jié)。從基區(qū)擴(kuò)散來(lái)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。集電結(jié)反偏，有少子形成的反向電流ICBO。48電流分配和放大原理1.三極管放大的外部條件BECNNPEBRBECRC發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏PNP發(fā)射結(jié)正偏VB<VE集電結(jié)反偏VC<VB從電位的角度看：

NPN

發(fā)射結(jié)正偏VB>VE集電結(jié)反偏VC>VB

49三極管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)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

ICICE050特性曲線即管子各電極電壓與電流的關(guān)系曲線，是管子內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)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(shè)計(jì)性能良好的電路重點(diǎn)討論應(yīng)用最廣泛的共發(fā)射極接法的特性曲線511.輸入特性特點(diǎn):非線性死區(qū)電壓：硅管0.5V，鍺管0.1V。正常工作時(shí)發(fā)射結(jié)電壓：NPN型硅管

UBE0.6~0.7VPNP型鍺管

UBE0.2~0.3VIB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1VO522.輸出特性IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O放大區(qū)輸出特性曲線通常分三個(gè)工作區(qū)：(1)放大區(qū)在放大區(qū)有IC=IB

，也稱為線性區(qū)，具有恒流特性。在放大區(qū)，發(fā)射結(jié)處于正向偏置、集電結(jié)處于反向偏置，晶體管工作于放大狀態(tài)。53IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O（2）截止區(qū)IB<0以下區(qū)域?yàn)榻刂箙^(qū)，有IC0

。在截止區(qū)發(fā)射結(jié)處于反向偏置，集電結(jié)處于反向偏置，晶體管工作于截止?fàn)顟B(tài)。飽和區(qū)截止區(qū)（3）飽和區(qū)

當(dāng)UCEUBE時(shí)，晶體管工作于飽和狀態(tài)。在飽和區(qū)，IBIC，發(fā)射結(jié)處于正向偏置，集電結(jié)也處于正偏。

深度飽和時(shí)，硅管UCES0.3V，

鍺管UCES0.1V。體現(xiàn)了三極管的開(kāi)關(guān)作用54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(dāng)晶體管接成發(fā)射極電路時(shí)，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(shè)計(jì)電路、選用晶體管的依據(jù)。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。55例：在UCE=6V時(shí)，在Q1點(diǎn)IB=40A,IC=1.5mA；

在Q2點(diǎn)IB=60A,IC=2.3mA。在以后的計(jì)算中，一般作近似處理：=。IB=020A40A60A80A100