《電子技術(shù)基礎(chǔ)》教學(xué)課件PPT

1、主編主編 曾令琴曾令琴主編：劉秋香制作：劉秋香2014年9月歡迎學(xué)習(xí)歡迎學(xué)習(xí)1.1 半導(dǎo)體的基本知識1.2 半導(dǎo)體二極管1.3 特殊二極管1.4 雙極型三極管1.5 單極型三極管 了解本征半導(dǎo)體、了解本征半導(dǎo)體、P型和型和N型半導(dǎo)體的特征型半導(dǎo)體的特征及及PN結(jié)的形成過程；熟悉二極管的伏安特性結(jié)的形成過程；熟悉二極管的伏安特性及其分類、用途；理解三極管的電流放大原及其分類、用途；理解三極管的電流放大原理，掌握其輸入和輸出特性的分析方法；理理，掌握其輸入和輸出特性的分析方法；理解雙極型和單極型三極管在控制原理上的區(qū)解雙極型和單極型三極管在控制原理上的區(qū)別；初步掌握工程技術(shù)人員必需具備的分析別；初

2、步掌握工程技術(shù)人員必需具備的分析電子電路的基本理論、基本電子電路的基本理論、基本知識和基本技能。知識和基本技能。1.1 半導(dǎo)體的基本知識半導(dǎo)體的基本知識 繞原子核高速旋轉(zhuǎn)的核外繞原子核高速旋轉(zhuǎn)的核外電子電子。 自然界的一切物質(zhì)都是由分子、原子組成的。 原子又由一個帶正電的原子核和在它周圍高速旋轉(zhuǎn)著的帶有負(fù)電的電子組成。原子結(jié)構(gòu)中：原子核原子核 原子核中有質(zhì)子和中子，其中質(zhì)子，中子不帶電。1. 1. 導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體（1） 導(dǎo)體導(dǎo)體 導(dǎo)體的最外層電子數(shù)通常是13個，且距原子核較遠(yuǎn)，因此受原子核的束縛力較小。由于溫度升高、振動等外界的影響，導(dǎo)體的最外層電子就會獲得一定能量，

3、從而掙脫原子核的束縛而游離到空間成為自由電子。因此，導(dǎo)體在常溫下存在大量的自由電子，具有良好的導(dǎo)電能力。常用的導(dǎo)電材料有銀、銅、鋁、金等。原子核原子核內(nèi)部含有大量的自由電子（2） 絕緣體絕緣體 絕緣體的最外層電子數(shù)一般為68個，且距原子核較近，因此受原子核的束縛力較強而不易掙脫其束縛。 常溫下絕緣體內(nèi)部幾乎不存在自由電子，因此導(dǎo)電能力極差或不導(dǎo)電。 常用的絕緣體材料有橡膠、云母、陶瓷等。原子核原子核 內(nèi)部幾乎沒有自由電子，因此不導(dǎo)電。（3） 半導(dǎo)體半導(dǎo)體 半導(dǎo)體的最外層電子數(shù)一般為4個，在常溫下存在的自由電子數(shù)介于導(dǎo)體和絕緣體之間，因而在常溫下半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力也是介于導(dǎo)體和絕緣體之間。 常用的

4、半導(dǎo)體材料有硅、鍺、硒等。原子核原子核 導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間，但具有光敏性、熱敏性和參雜性的獨特性能，因此在電子技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用。 金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)率一般在105s/cm量級；塑料、云母等絕緣體的電導(dǎo)率通常是10-2210-14s/cm量級；半導(dǎo)體的電導(dǎo)率則在10-9102s/cm量級。 半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力雖然介于導(dǎo)體和絕緣體之間，但半導(dǎo)體的應(yīng)用卻極其廣泛，這是由半導(dǎo)體的獨特性能決定的：半導(dǎo)體受光照后，其導(dǎo)電能力大大增強；受溫度的影響，半導(dǎo)體導(dǎo)電能力變化很大；在半導(dǎo)體中摻入少量特殊雜質(zhì)，其導(dǎo)電 能力極大地增強；半導(dǎo)體材料的獨特性能是由其所決定的。2. 2. 半導(dǎo)體的獨特性能半導(dǎo)體的獨特性

5、能3. 本征半導(dǎo)體 最常用的半導(dǎo)體為硅(Si)和鍺(Ge)。它們的共同特征是四價元素，即每個原子最外層電子數(shù)為4個。+Si(硅原子)Ge(鍺原子)硅原子和鍺原子的簡化模型圖因為原子呈電中性，所因為原子呈電中性，所以簡化模型圖中的原子以簡化模型圖中的原子核只用帶圈的核只用帶圈的+4+4符號表符號表示即可。示即可。 天然的硅和鍺是不能制作成半導(dǎo)體器件的。它們必須先經(jīng)過高度提純，形成晶格結(jié)構(gòu)完全對稱的本征半導(dǎo)體。 本征半導(dǎo)體原子核最外層的價電子都是4個，稱為四價元素，它們排列成非常整齊的晶格結(jié)構(gòu)。在本征半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)中，每一個原子均與相鄰的四個原子結(jié)合，即與相鄰四個原子的價電子兩兩組成電子對，構(gòu)成

6、。444444444實際上半導(dǎo)體的實際上半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)是三維晶格結(jié)構(gòu)是三維的。的。晶格結(jié)構(gòu)晶格結(jié)構(gòu)共價鍵結(jié)構(gòu)共價鍵結(jié)構(gòu)444444444從共價鍵晶格結(jié)從共價鍵晶格結(jié)構(gòu)來看，每個原構(gòu)來看，每個原子外層都具有子外層都具有8 8個個價電子。但價電價電子。但價電子是相鄰原子共子是相鄰原子共用，所以穩(wěn)定性用，所以穩(wěn)定性并不能象絕緣體并不能象絕緣體那樣好。那樣好。在游離走的價電子原在游離走的價電子原位上留下一個不能移位上留下一個不能移動的空位，叫空穴。動的空位，叫空穴。 受光照或溫度上升受光照或溫度上升影響，共價鍵中價電影響，共價鍵中價電子的熱運動加劇，一子的熱運動加劇，一些價電子會掙脫原子些價電子會掙

7、脫原子核的束縛游離到空間核的束縛游離到空間成為成為自由電子自由電子。 由于熱激發(fā)而在晶體中出現(xiàn)電子空穴對的現(xiàn)象稱為。 本征激發(fā)的結(jié)果，造成了半導(dǎo)體內(nèi)部自由電子載流子運動的產(chǎn)生，由此本征半導(dǎo)體的電中性被破壞，使失掉電子的原子變成帶正電荷的離子。 由于共價鍵是定域的，這些帶正電的離子不會移動，即不能參與導(dǎo)電，成為晶體中固定不動的帶正電離子。 444444444受光照或溫度受光照或溫度上升影響，共上升影響，共價鍵中其它一價鍵中其它一些價電子直接些價電子直接跳進(jìn)跳進(jìn)空穴，使空穴，使失電子的原子失電子的原子重新恢復(fù)電中重新恢復(fù)電中性性。 價電子填補空穴的現(xiàn)象稱為。此時整個晶此時整個晶體帶電嗎？體帶電嗎？

8、為什么？為什么？ 參與復(fù)合的價電子又會留下一個新的空位，而這個新的空穴仍會被鄰近共價鍵中跳出來的價電子填補上，這種價電子填補空穴的復(fù)合運動使本征半導(dǎo)體中又形成一種不同于本征激發(fā)下的電荷遷移，為區(qū)別于本征激發(fā)下自由電子載流子的運動，我們把價電子填補空穴的復(fù)合運動稱為空穴載流子運動。 半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理與金屬導(dǎo)體導(dǎo)電機理有本質(zhì)上的區(qū)別：金屬導(dǎo)體中只有自由電子一種載流子參與導(dǎo)電；而半導(dǎo)體中則是由本征激發(fā)產(chǎn)生的自由電子和復(fù)合運動產(chǎn)生的空穴兩種載流子。兩種載流子電量相等、符號相反，電流的方向為空穴載流子的方向即自由電子載流子的反方向。444444444 自由電子載流子運動可以形容為沒有座位人的移動；空穴載

9、流子運動則可形容為有座位的人依次向前挪動座位的運動。半導(dǎo)體內(nèi)部的這兩種運動總是共存的，且在一定溫度下達(dá)到動態(tài)平衡。半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理 本征半導(dǎo)體雖然有自由電子和空穴兩種載流子，但由于數(shù)量極少導(dǎo)電能力仍然很低。如果在其中摻入某種元素的微量雜質(zhì)，將使摻雜后的雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能大大增強。五價元素磷(P)444444444P摻入磷雜質(zhì)的硅半摻入磷雜質(zhì)的硅半導(dǎo)體晶格中，自由導(dǎo)體晶格中，自由電子的數(shù)量大大增電子的數(shù)量大大增加。因此加。因此自由電子自由電子是這種半導(dǎo)體的是這種半導(dǎo)體的導(dǎo)導(dǎo)電主流電主流。 在室溫情況下，本征硅中的磷雜質(zhì)等于10-6數(shù)量級時，電子載流子的數(shù)目將增加幾十萬倍。摻入五價元素的雜質(zhì)半導(dǎo)

10、體由于自由電子多而稱為電子型半導(dǎo)體，也叫做N型半導(dǎo)體。4. 本征半導(dǎo)體444444444三價元素硼(B)B摻入硼雜質(zhì)的硅半摻入硼雜質(zhì)的硅半導(dǎo)體晶格中，空穴導(dǎo)體晶格中，空穴載流子的數(shù)量大大載流子的數(shù)量大大增加。因此增加。因此空穴空穴是是這種半導(dǎo)體的這種半導(dǎo)體的導(dǎo)電導(dǎo)電主流主流。 一般情況下，雜質(zhì)半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子的數(shù)量可達(dá)到少數(shù)載流子數(shù)量的1010倍或更多，因此，雜質(zhì)半導(dǎo)體比本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力可增強幾十萬倍。 摻入三價元素的雜質(zhì)半導(dǎo)體，由于空穴載流子的數(shù)量大大于自由電子載流子的數(shù)量而稱為空穴型半導(dǎo)體，也叫做P型半導(dǎo)體。 在P型半導(dǎo)體中，多數(shù)載流子是空穴，少數(shù)載流子是自由電子，而不能移動的離子

11、帶負(fù)電。 不論是N型半導(dǎo)體還是P型半導(dǎo)體，其中的多子和少子的移動都能形成電流。但是，由于多子的數(shù)量遠(yuǎn)大于少子的數(shù)量，因此起主要導(dǎo)電作用的是多數(shù)載流子。摻入雜質(zhì)后雖然形成了N型或P型半導(dǎo)體，但整個半導(dǎo)體晶體仍然呈電中性。一般可近似認(rèn)為多數(shù)載流子的數(shù)量與雜質(zhì)的濃度相等。P型半導(dǎo)體中的空穴型半導(dǎo)體中的空穴多于自由電子，是否多于自由電子，是否意味著帶正電意味著帶正電？自由電子導(dǎo)電和空自由電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電的區(qū)別在哪穴導(dǎo)電的區(qū)別在哪里？空穴載流子的里？空穴載流子的形成是否由自由電形成是否由自由電子填補空穴的運動子填補空穴的運動形成的？形成的？ 何謂雜質(zhì)半導(dǎo)體中的多子何謂雜質(zhì)半導(dǎo)體中的多子和少子和少子 ？

12、N N型半導(dǎo)體中的多型半導(dǎo)體中的多子是什么？少子是什么？子是什么？少子是什么？5. PN結(jié)及其形成過程PN結(jié)的形成結(jié)的形成 雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力雖然比本征半導(dǎo)體極大增強，但它們并不能稱為半導(dǎo)體器件。在電子技術(shù)中，PN結(jié)是一切半導(dǎo)體器件的“元概念”和技術(shù)起始點。在一塊晶片的兩端分別注入三價在一塊晶片的兩端分別注入三價元素硼和五價元素磷元素硼和五價元素磷 + + + + + + + + + + + + + + + +空間電荷區(qū)內(nèi)電場動畫演示 PN結(jié)形成的過程中，多數(shù)載流子的擴(kuò)散和少數(shù)載流子的漂移共存。開始時多子的擴(kuò)散運動占優(yōu)勢，擴(kuò)散運動的結(jié)果使PN結(jié)加寬，內(nèi)電場增強；另一方面，內(nèi)電場又促使了少子的

13、漂移運動：P區(qū)的少子電子向N區(qū)漂移，補充了交界面上N區(qū)失去的電子，同時， N區(qū)的少子空穴向P區(qū)漂移，補充了原交界面上P區(qū)失去的空穴，顯然漂移運動減少了空間電荷區(qū)帶電離子的數(shù)量，削弱了內(nèi)電場，使PN結(jié)變窄。最后，擴(kuò)散運動和漂移運動達(dá)到動態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的寬度基本穩(wěn)定，即PN結(jié)形成。 PN結(jié)內(nèi)部載流子基本為零，因此導(dǎo)電率很低，相當(dāng)于介質(zhì)。但PN結(jié)兩側(cè)的P區(qū)和N區(qū)導(dǎo)電率很高，相當(dāng)于導(dǎo)體，這一點和電容比較相似，所以說PN結(jié)具有電容效應(yīng)。4. PN結(jié)的單向?qū)щ娦?PN結(jié)反向偏置時的情況 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?PN結(jié)的上述“正向?qū)ǎ聪蜃钄唷弊饔?，說明它具有，PN結(jié)的單向?qū)щ娦允撬鼧?gòu)成半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。

14、 由于常溫下少數(shù)載流子的數(shù)量不多，故反向電流很小，而且當(dāng)外加電壓在一定范圍內(nèi)變化時，反向電流幾乎不隨外加電壓的變化而變化，因此反向電流又稱為反向飽和電流。反向飽和電流由于很小一般可以忽略，從這一點來看，PN結(jié)對反向電流呈高阻狀態(tài)，也就是所謂的作用。 值得注意的是，由于本征激發(fā)隨溫度的升高而加劇，導(dǎo)致電子空穴對增多，因而反向電流將隨溫度的升高而成倍增長。反向電流是造成電路噪聲的主要原因之一，因此，在設(shè)計電路時，必須考慮溫度補償問題。 PN結(jié)中反向電流的討論2. 半導(dǎo)體受溫度和光照影響，產(chǎn)生本征激發(fā)現(xiàn)象而出現(xiàn)電子、空穴對；同時，其它價電子又不斷地 “轉(zhuǎn)移跳進(jìn)”本征激發(fā)出現(xiàn)的空穴中，產(chǎn)生價電子與空穴

15、的復(fù)合。在一定溫度下，電子、空穴對的激發(fā)和復(fù)合最終達(dá)到動態(tài)平衡狀態(tài)。平衡狀態(tài)下，半導(dǎo)體中的載流子濃度一定，即反向電流的數(shù)值基本不發(fā)生變化。1. 半導(dǎo)體中少子的濃度雖然很低 ，但少子對溫度非常敏感，因此溫度對半導(dǎo)體器件的性能影響很大。而多子因濃度基本上等于雜質(zhì)原子的摻雜濃度，所以說多子的數(shù)量基本上不受溫度的影響。 4. PN結(jié)的單向?qū)щ娦允侵福篜N結(jié)正向偏置時，呈現(xiàn)的電阻很小幾乎為零，因此多子構(gòu)成的擴(kuò)散電流極易通過PN結(jié)；PN結(jié)反向偏置時，呈現(xiàn)的電阻趨近于無窮大，因此電流無法通過被阻斷。3. 空間電荷區(qū)的電阻率很高，是指其內(nèi)電場阻礙多數(shù)載流子擴(kuò)散運動的作用，由于這種阻礙作用，使得擴(kuò)散電流難以通過

16、空間電荷區(qū)，即空間電荷區(qū)對擴(kuò)散電流呈現(xiàn)高阻作用。6. PN結(jié)的反向擊穿問題 PN結(jié)反向偏置時，在一定的電壓范圍內(nèi)，流過PN結(jié)的電流很小，基本上可視為零值。但當(dāng)電壓超過某一數(shù)值時，反向電流會急劇增加，這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)。 反向擊穿發(fā)生在空間電荷區(qū)。擊穿的原因主要有兩種： 當(dāng)PN結(jié)上加的反向電壓大大超過反向擊穿電壓時，處在強電場中的載流子獲得足夠大的能量碰撞晶格，將價電子碰撞出來，產(chǎn)生電子空穴對，新產(chǎn)生的載流子又會在電場中獲得足夠能量，再去碰撞其它價電子產(chǎn)生新的電子空穴對，如此連鎖反應(yīng)，使反向電流越來越大，這種擊穿稱為。 雪崩擊穿屬于碰撞式擊穿，其電場較強，外加反向電壓相對較高。通常出現(xiàn)雪崩擊穿的

17、電壓均在7V以上。 (1)雪崩擊穿 當(dāng)PN結(jié)兩邊的摻雜濃度很高，阻擋層又很薄時，阻擋層內(nèi)載流子與中性原子碰撞的機會大為減少，因而不會發(fā)生雪崩擊穿。(2)齊納擊穿 PN結(jié)非常薄時，即使阻擋層兩端加的反向電壓不大，也會產(chǎn)生一個比較強的內(nèi)電場。這個內(nèi)電場足以把PN結(jié)內(nèi)中性原子的價電子從共價鍵中拉出來，產(chǎn)生出大量的電子空穴對，使PN結(jié)反向電流劇增，這種擊穿現(xiàn)象稱為?？梢?，齊納擊穿發(fā)生在高摻雜的PN結(jié)中，相應(yīng)的擊穿電壓較低，一般均小于5V。 雪崩擊穿是一種碰撞的擊穿，齊納擊穿是一種場效應(yīng)擊穿，二者均屬于。電擊穿過程通?？赡妫褐灰杆侔裀N結(jié)兩端的反向電壓降低，PN結(jié)就可恢復(fù)到原來狀態(tài)。 利用電擊穿時PN

18、結(jié)兩端電壓變化很小電流變化很大的特點，人們制造出工作在反向擊穿區(qū)的穩(wěn)壓管。 若PN結(jié)兩端加的反向電壓過高，反向電流將急劇增長，造成PN結(jié)上熱量的不斷積累，從而引起結(jié)溫持續(xù)升高，當(dāng)這個溫度超過PN結(jié)的最大允許結(jié)溫時，PN結(jié)就會發(fā)生，熱擊穿將使PN結(jié)永久損壞。 熱擊穿的過程是不可逆的，應(yīng)當(dāng)盡量避免發(fā)生。(3)熱擊穿能否說出能否說出PN結(jié)有何結(jié)有何特性？半導(dǎo)體的導(dǎo)特性？半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理與金屬導(dǎo)體電機理與金屬導(dǎo)體有何不同？有何不同？什么是本征激發(fā)？什么是本征激發(fā)？什么是復(fù)合？少數(shù)什么是復(fù)合？少數(shù)載流子和多數(shù)載流載流子和多數(shù)載流子是如何產(chǎn)生的子是如何產(chǎn)生的 ？ 試述雪崩擊穿和齊納擊穿試述雪崩擊穿和齊納擊

19、穿的特點。這兩種擊穿能否造的特點。這兩種擊穿能否造成成PN結(jié)的永久損壞結(jié)的永久損壞 ？ 空間電荷區(qū)的空間電荷區(qū)的電阻率為什么很電阻率為什么很 高？高？1.2 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管 把PN結(jié)用管殼封裝，然后在P區(qū)和N區(qū)分別向外引出一個電極，即可構(gòu)成一個二極管。二極管是電子技術(shù)中最基本的半導(dǎo)體器件之一。根據(jù)其用途分有檢波管、開關(guān)管、穩(wěn)壓管和整流管等。硅高頻檢波管開關(guān)管穩(wěn)壓管整流管發(fā)光二極管 電子工程實際中，二極管應(yīng)用得非常廣泛，上圖所示即為各類二極管的部分產(chǎn)品實物圖。1. 二極管的基本結(jié)構(gòu)和類型：結(jié)面積小，適用于 高頻檢波、脈沖電路及計算機中的開關(guān)元件。外殼觸絲N型鍺片正極引線負(fù)極引線N型鍺型

20、鍺結(jié)面積大，適用于 低頻整流器件。負(fù)極引線底座金銻合金PN結(jié)鋁合金小球正極引線普通二極管圖符號穩(wěn)壓二極管圖符號發(fā)光二極管圖符號DDZD 使用二極管時，必須注意極性不能接反，否則電路非但不能正常工作，還有毀壞管子和其他元件的可能。2. 二極管的伏安特性U(V)0.500.8-50-25I (mA)204060 (A)4020 二極管的伏安特性是指流過二極管的電流與兩端所加電壓的函數(shù)關(guān)系。二極管既然是一個PN結(jié)，其伏安特性當(dāng)然具有“單向?qū)щ娦浴薄?二極管的伏安特性呈非線性，特性曲線上大致可分為四個區(qū)： 外加正向電壓超過死區(qū)電壓(硅管0.5V，鍺管0.1V)時，內(nèi)電場大大削弱，正向電流迅速增長，二極

21、管進(jìn)入正向?qū)▍^(qū)。死區(qū)正向?qū)▍^(qū)反向截止區(qū) 當(dāng)外加正向電壓很低時，由于外電場還不能克服PN結(jié)內(nèi)電場對多數(shù)載流子擴(kuò)散運動的阻力，故正向電流很小，幾乎為零。這一區(qū)域稱之為死區(qū)。 外加反向電壓超過反向擊穿電壓UBR時，反向電流突然增大，二極管失去單向?qū)щ娦?，進(jìn)入反向擊穿區(qū)。反向擊穿區(qū)反向截止區(qū)內(nèi)反向飽和電流很小，可近似視為零值。正向?qū)▍^(qū)和反向截止區(qū)的討論U(V)0.500.8-50-25I (mA)204060 (A)4020死區(qū)正向?qū)▍^(qū)反向截止區(qū)反向擊穿區(qū) 當(dāng)外加正向電壓大于死區(qū)電壓時，二極管由不導(dǎo)通變?yōu)閷?dǎo)通，電壓再繼續(xù)增加時，電流迅速增大，而二極管端電壓卻幾乎不變，此時二極管端電壓稱為正向?qū)?/p>

22、通電壓。 硅二極管的正向?qū)妷杭s為0.7V，鍺二極管的正向?qū)妷杭s為0.3V。 在二極管兩端加反向電壓時，將有很小的、由少子漂移運動形成的反向飽和電流通過二極管。 反向電流有兩個特點：一是它隨溫度的上升增長很快，二是在反向電壓不超過某一范圍時，反向電流的大小基本恒定，而與反向電壓的高低無關(guān)(與少子的數(shù)量有限)。所以通常稱它為反向飽和電流。3. 二極管的主要參數(shù) （1）最大整流電流IDM：指二極管長期運行時，允許通過的最大正向平均電流。其大小由PN結(jié)的結(jié)面積和外界散熱條件決定。 （2）最高反向工作電壓URM：指二極管長期安全運行時所能承受的最大反向電壓值。手冊上一般取擊穿電壓的一半作為最高反

23、向工作電壓值。 （3）反向電流IR：指二極管未擊穿時的反向電流。IR值越小，二極管的單向?qū)щ娦栽胶?。反向電流隨溫度的變化而變化較大，這一點要特別加以注意。 （4）最大工作頻率fM：此值由PN結(jié)的結(jié)電容大小決定。若二極管的工作頻率超過該值，則二極管的單向?qū)щ娦阅軐⒆兊幂^差。4. 二極管的應(yīng)用舉例分析實際電路時為簡單化，通常把二極管進(jìn)行理想化處理，即正偏時視其為“短路”，截止時視其為“開路”。UD=0UD=正向?qū)〞r相當(dāng)一個閉合的開關(guān)反向阻斷時相當(dāng)一個打開的開關(guān)(1)二極管的開關(guān)作用(2)二極管的整流作用 將交流電變成單方向脈動直流電的過程稱為整流。利用二極管的單向?qū)щ娦阅芫涂色@得各種形式的整流電

24、路。二極管半波整流電路二極管全波整流電路橋式整流電路簡化圖B220VRLDIN4001B220VRLD1D2二極管橋式整流電路D4B220VRLD1D2D3B220VRL(3)二極管的限幅作用DuS10K IN4148u0iD 圖示為一限幅電路。電源uS是一個周期性的矩形脈沖，高電平幅值為+5V，低電平幅值為-5V。試分析電路的輸出電壓為多少。uS+5V-5Vt0當(dāng)輸入電壓ui=5V時，二極管反偏截止，此時電路可視為開路，輸出電壓u0=0V； 當(dāng)輸入電壓ui= +5V時，二極管正偏導(dǎo)通，導(dǎo)通時二極管管壓降近似為零，故輸出電壓u0+5V。 顯然輸出電壓u0限幅在0+5V之間。u0半導(dǎo)體二極管工作

25、在半導(dǎo)體二極管工作在擊穿區(qū)，是否一定被擊穿區(qū)，是否一定被損壞？為什么？損壞？為什么？ 何謂死區(qū)電壓？硅管何謂死區(qū)電壓？硅管和鍺管死區(qū)電壓的典和鍺管死區(qū)電壓的典型值各為多少？為何型值各為多少？為何會出現(xiàn)死區(qū)電壓？會出現(xiàn)死區(qū)電壓？ 把一個把一個1.5V1.5V的干電池直接的干電池直接正向聯(lián)接到二極管的兩端，正向聯(lián)接到二極管的兩端， 會出現(xiàn)什么問題？會出現(xiàn)什么問題？ 二極管的伏安特性曲線上二極管的伏安特性曲線上分為幾個區(qū)？能否說明二分為幾個區(qū)？能否說明二極管工作在各個區(qū)時的電極管工作在各個區(qū)時的電 壓、電流情況？壓、電流情況？ 為什么二極管的反為什么二極管的反向電流很小且具有向電流很小且具有飽和性？

26、當(dāng)環(huán)境溫飽和性？當(dāng)環(huán)境溫度升高時又會明顯度升高時又會明顯增大增大 ？I(mA)40302010 0-5-10-15-20 (A) 0.4 0.812 8 4U(V) 穩(wěn)壓二極管的反向電壓幾乎不隨反向電流的變化而變化、這就是穩(wěn)壓二極管的顯著特性。D 穩(wěn)壓二極管是一種特殊的面接觸型二極管，其反向擊穿可逆。正向特性與普正向特性與普通二極管相似通二極管相似反向反向IZUZ1.3 特殊二極管特殊二極管1. 穩(wěn)壓二極管實物圖圖符號及文字符號 顯然穩(wěn)壓管的伏安特性曲線比普通二極管的更加陡峭。USDZ使用穩(wěn)壓二極管時應(yīng)該注意的事項(1)穩(wěn)壓二極管正負(fù)極的判別DZ(2)穩(wěn)壓二極管使用時，應(yīng)反向接入電路UZ(3)

27、穩(wěn)壓管應(yīng)接入限流電阻(4)電源電壓應(yīng)高于穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓值ZSUU (5)穩(wěn)壓管都是硅管。其穩(wěn)定電壓UZ最低為3V，高的可達(dá) 300V，穩(wěn)壓二極管在工作時的正向壓降約為0.6V。 二極管的反向擊穿特性：當(dāng)外加反向電壓超過擊穿電壓時，通過二極管的電流會急劇增加。 擊穿并不意味著管子一定要損壞，如果我們采取適當(dāng)?shù)拇胧┫拗仆ㄟ^管子的電流，就能保證管子不因過熱而燒壞。如穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路中一般都要加限流電阻R，使穩(wěn)壓管電流工作在Izmax和Izmix的范圍內(nèi)。 在反向擊穿狀態(tài)下，讓通過管子的電流在一定范圍內(nèi)變化，這時管子兩端電壓變化很小，穩(wěn)壓二極管就是利用這一點達(dá)到“穩(wěn)壓”效果的。穩(wěn)壓管正常工作是在反向擊

28、穿區(qū)。 發(fā)光二極管是一種能把電能直接轉(zhuǎn)換成光能的固體發(fā)光元件。發(fā)光二極管和普通二極管一樣，管芯由PN結(jié)構(gòu)成，具有單向?qū)щ娦?。實物圖圖符號和文字符號D 單個發(fā)光二極管常作為電子設(shè)備通斷指示燈或快速光源及光電耦合器中的發(fā)光元件等。發(fā)光二極管一般使用砷化鎵、磷化鎵等材料制成?，F(xiàn)有的發(fā)光二極管能發(fā)出紅黃綠等顏色的光。 發(fā)光管正常工作時應(yīng)正向偏置，因發(fā)光管屬于功率型器件，因此死區(qū)電壓較普通二極管高，其正偏工作電壓至少要在1.3V以上。 發(fā)光管常用來作為數(shù)字電路的數(shù)碼及圖形顯示的七段式或陣列器件。2. 發(fā)光二極管 光電二極管也稱光敏二極管，是將光信號變成電信號的半導(dǎo)體器件，其核心部分也是一個PN結(jié)。光電二

29、極管PN結(jié)的結(jié)面積較小、結(jié)深很淺，一般小于一個微米。D 光電二極管的正常工作狀態(tài)是反向偏置。在反向電壓下，無光照時，反向電流很小，稱為暗電流；有光照射時，攜帶能量的光子進(jìn)入PN結(jié)，把能量傳給共價鍵上的束縛電子，使部分價電子掙脫共價鍵的束縛，產(chǎn)生電子空穴對，稱光生載流子。光生載流子在反向電壓作用下形成反向光電流，其強度與光照強度成正比。3. 光電二極管 光電二極管也稱光敏二極管，同樣具有單向?qū)щ娦?，光電管管殼上有一個能射入光線的“窗口”，這個窗口用有機玻璃透鏡進(jìn)行封閉，入射光通過透鏡正好射在管芯上。實物圖圖符號和文字符號1.利用穩(wěn)壓管或利用穩(wěn)壓管或普通二極管的正普通二極管的正向壓降，是否也向壓降

30、，是否也可以穩(wěn)壓？可以穩(wěn)壓？2. 現(xiàn)有兩只穩(wěn)壓管，它們的穩(wěn)定電壓分別為6V和8V，正向?qū)妷簽?.7V。試問：(1)若將它們串聯(lián)相接，可得到幾種穩(wěn)壓值？各為多少？(2)若將它們并聯(lián)相接，又可得到幾種穩(wěn)壓值？各為多少？3.在右圖所示電路中，發(fā)光二極管導(dǎo)通電壓UD1.5V，正向電流在515mA時才能正常工作。試問圖中開關(guān)S在什么位置時發(fā)光二極管才能發(fā)光？R的取值范圍又是多少？ 1.4 雙極型三極管雙極型三極管 三極管是組成各種電子電路的核心器件。三極管的產(chǎn)生使PN結(jié)的應(yīng)用發(fā)生了質(zhì)的飛躍。1. 雙極型三極管的基本結(jié)構(gòu)和類型 雙極型晶體管分有NPN型和PNP型，雖然它們外形各異，品種繁多，但它們的共

31、同特征相同：都有三個分區(qū)、兩個PN結(jié)和三個向外引出的電極：發(fā)射極發(fā)射極e發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)集電結(jié)集電結(jié)基區(qū)基區(qū)發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)集電區(qū)集電區(qū)集電極集電極c基極基極b 根據(jù)制造工藝和材料的不同，三極管分有雙極型和單極型兩種類型。若三極管內(nèi)部的自由電子載流子和空穴載流子同時參與導(dǎo)電，就是所謂的雙極型。如果只有一種載流子參與導(dǎo)電，即為單極型。NPN型三極管圖符號大功率低頻三極管小功率高頻三極管中功率低頻三極管 目前國內(nèi)生產(chǎn)的雙極型硅晶體管多為NPN型(3D系列)，鍺晶體管多為PNP型(3A系列)，按頻率高低有高頻管、低頻管之別；根據(jù)功率大小可分為大、中、小功率管。 PNP型三極管圖符號圖中箭頭方向為發(fā)射極電流的

32、方向。2. 雙極型三極管的電流放大作用晶體管實現(xiàn)電流放大作用的(1)發(fā)射區(qū)摻雜濃度很高，以便有足夠的載流子供“發(fā)射”。(2)為減少載流子在基區(qū)的復(fù)合機會，基區(qū)做得很薄，一般為幾個微米，且摻雜濃度極低。(3)集電區(qū)體積較大，且為了順利收集邊緣載流子，摻雜濃度界于發(fā)射極和基極之間。 可見，雙極型三極管并非是兩個PN 結(jié)的簡單組合，而是利用一定的摻雜工藝制作而成。因此，絕不能用兩個二極管來代替，使用時也決不允許把發(fā)射極和集電極接反。晶體管實現(xiàn)電流放大作用的UBBRB(1)發(fā)射結(jié)必須“正向偏置”，以利于發(fā)射區(qū)電子的擴(kuò)散，擴(kuò)散電流即發(fā)射極電流ie，擴(kuò)散電子的少數(shù)與基區(qū)空穴復(fù)合，形成基極電流ib，多數(shù)繼續(xù)

33、向集電結(jié)邊緣擴(kuò)散。UCCRC(2)集電結(jié)必須“反向偏置”，以利于收集擴(kuò)散到集電結(jié)邊緣的多數(shù)擴(kuò)散電子，收集到集電區(qū)的電子形成集電極電流ic。IEICIB 整個過程中，發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射的電子數(shù)等于基區(qū)復(fù)合掉的電子與集電區(qū)收集的電子數(shù)之和，即： 由于發(fā)射結(jié)處正偏，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子自由電子將不斷擴(kuò)散到基區(qū)，并不斷從電源補充進(jìn)電子，形成發(fā)射極電流I IE E。 由于基區(qū)很薄，且多數(shù)載流子濃度又很低，所以從發(fā)射極擴(kuò)散過來的電子只有很少一部分和基區(qū)的空穴相復(fù)合形成基極電流I IB B，剩下的絕大部分電子則都擴(kuò)散到了集電結(jié)邊緣。 集電結(jié)由于反偏，可將從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)并到達(dá)集電區(qū)邊緣的電子拉入集電區(qū)，從而形

34、成較大的集電極電流I IC C。只要符合三極管發(fā)射區(qū)高摻雜、基區(qū)摻雜濃度很低，集電區(qū)的摻雜濃度介于發(fā)射區(qū)和基區(qū)之間，且基區(qū)做得很薄的內(nèi)部條件內(nèi)部條件，再加上晶體管的發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏的外部條件外部條件，三極管就具有了放大電流的能力。 三極管的集電極電流IC稍小于IE，但遠(yuǎn)大于IB，IC與IB的比值在一定范圍內(nèi)基本保持不變。特別是基極電流有微小的變化時，集電極電流將發(fā)生較大的變化。例如，IB由40A增加到50A時，IC將從3.2mA增大到4mA，即：8010)4050(10)2 . 34(63BCII 顯然，雙極型三極管具有電流放大能力。式中的值稱為三極管的電流放大倍數(shù)。不同型號、不同類型和

35、用途的三極管，值的差異較大，大多數(shù)三極管的值通常在幾十至幾百的范圍。 由此可得：微小的基極電流IB可以控制較大的集電極電流IC，故雙極型三極管屬于電流控制器件。3. 雙極型三極管的特性曲線 所謂特性曲線是指各極電壓與電流之間的關(guān)系曲線，是三極管內(nèi)部載流子運動的外部表現(xiàn)。從工程應(yīng)用角度來看，外部特性更為重要。(1) 輸入特性曲線以常用的共射極放大電路為例說明UCE=0VUBE /VIB / A0UCE =0VUBBUCCRC+RB令令UBB從從0開始增加開始增加IBIE=IBUBE令令UCC為為0UCE=0時的輸時的輸入特性曲線入特性曲線UCE為為0時時UCE =0.5VUCE=0VUBE /V

36、IB / A0UBBUCCRC+RB令令UBB重重新從新從0開開始增加始增加IBICUBE增大增大UCC讓讓UCE=0.5VUCE =1VUCE=0.5VUCE=0.5V的的特性曲線特性曲線繼續(xù)增繼續(xù)增大大UCC讓讓UCE=1V令令UBB重重新從新從0開開始增加始增加UCE=1VUCE=1V的的特性曲線特性曲線 繼續(xù)增大UCC使UCE=1V以上的多個值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：之后的所有輸入特性幾乎都與UCE=1V的特性相同，曲線基本不再變化。 實用中三極管的UCE值一般都超過1V，所以其輸入特性通常采用UCE=1V時的曲線。從特性曲線可看出，雙極型三極管的輸入特性與二極管的正向特性非常相似。UCE1V的的

37、特性曲線特性曲線(2) 輸出特性曲線先把先把IB調(diào)到調(diào)到某一固定值某一固定值保持不變。保持不變。 當(dāng)IB不變時，輸出回路中的電流IC與管子輸出端電壓UCE之間的關(guān)系曲線稱為輸出特性。然后調(diào)節(jié)然后調(diào)節(jié)UCC使使UCE從從0增增大，觀察毫安表中大，觀察毫安表中IC的變的變化并記錄下來?；⒂涗浵聛怼CEUBBUCCRCRBICIBUBEmA AIE 根據(jù)記錄可給出IC隨UCE變化的伏安特性曲線，此曲線就是晶體管的輸出特性曲線。IBUCE / VIC /mA0UBBUCCRCRBICIBUBEmA AIE再調(diào)節(jié)再調(diào)節(jié)IB1至至另一稍小的另一稍小的固定值上保固定值上保持不變。持不變。仍然調(diào)節(jié)仍然調(diào)節(jié)

38、UCC使使UCE從從0增增大，繼續(xù)觀察毫安表中大，繼續(xù)觀察毫安表中IC的變化并記錄下來。的變化并記錄下來。UCE 根據(jù)電壓、電流的記錄值可繪出另一條IC隨UCE變化的伏安特性曲線，此曲線較前面的稍低些。UCE / VIC /mA0IBIB1IB2IB3IB=0 如此不斷重復(fù)上述過程，我們即可得到不同基極電流IB對應(yīng)相應(yīng)IC、UCE數(shù)值的一組輸出特性曲線。輸出曲線開始部分很輸出曲線開始部分很陡，說明陡，說明IC隨隨UCE的增的增加而急劇增大。加而急劇增大。當(dāng)當(dāng)UCE增至一定數(shù)值時增至一定數(shù)值時(一般小于一般小于1V)，輸出特性曲線變得平坦，表明，輸出特性曲線變得平坦，表明IC基基本上不再隨本上不

39、再隨UCE而變化。而變化。 當(dāng)IB一定時，從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)的電子數(shù)大致一定。當(dāng)UCE超過1V以后，這些電子的絕大部分被拉入集電區(qū)而形成集電極電流IC 。之后即使UCE繼續(xù)增大，集電極電流IC也不會再有明顯的增加，具有恒流特性。UCE / VIC /mA020 AIB=040 A60 AIB=100 A80 A43211.52.3 當(dāng)IB增大時，相應(yīng)IC也增大，輸出特性曲線上移， 且IC增大的幅度比對應(yīng)IB大得多。這一點正是晶體管的電流放大作用。從輸出特性曲線可求出三極管的電流放大系數(shù)。IB=40 A取任意再兩條特性曲線上的平坦段，讀出其基極電流之差；再讀出這兩條曲線對應(yīng)的集電極電流之差I(lǐng)C=

40、1.3mA；IC于是我們可得到三極管的電流放大倍數(shù)：UCE / VIC /mA020 AIB=040 A60 AIB=100 A80 A43211.52.3輸出特性曲線上一般可分為三個區(qū)：飽和區(qū)飽和區(qū)。當(dāng)。當(dāng)發(fā)射結(jié)和發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為正向偏置集電結(jié)均為正向偏置時，三極管處于飽和時，三極管處于飽和狀態(tài)。此時集電極電狀態(tài)。此時集電極電流流IC與基極電流與基極電流IB之之間不再成比例關(guān)系，間不再成比例關(guān)系，IB的變化對的變化對IC的影響的影響很小。很小。截止區(qū)截止區(qū)。當(dāng)基極電。當(dāng)基極電流流IB等于等于0時，晶體時，晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)。管處于截止?fàn)顟B(tài)。實際上當(dāng)發(fā)射結(jié)電實際上當(dāng)發(fā)射結(jié)電壓處在正向死區(qū)范壓

41、處在正向死區(qū)范圍時，晶體管就已圍時，晶體管就已經(jīng)截止，為讓其可經(jīng)截止，為讓其可靠截止，常使靠截止，常使UBE小于和等于零。小于和等于零。 晶體管工作在放大狀態(tài)時，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。在放大區(qū)，集電極電流與基極電流之間成倍的數(shù)量關(guān)系，即晶體管在放大區(qū)時具有電流放大作用。4. 雙極型三極管的電流放大位數(shù)和極限參數(shù)(1)電流放大倍數(shù)BCII(2)極限參數(shù)集電極最大允許電流ICMCMIUCE / VIC /mA0IB=043211.52.3反向擊穿電壓U(BR)CEOcebUCCU(BR ) CEO基極開路基極開路 指基極開路時集電極與發(fā)射極間的反向擊穿電壓。使用中若超過使用中若超過此值此值, ,

42、晶體管的晶體管的集電結(jié)就會出集電結(jié)就會出現(xiàn)現(xiàn)。值的大小反映了晶體管值的大小反映了晶體管的電流放大能力。的電流放大能力。ICICM時，晶體管不一定燒時，晶體管不一定燒損，但損，但值明顯下降。值明顯下降。集電極最大允許功耗PCMCMP晶體管上的功晶體管上的功耗超過耗超過PCM，管，管子將損壞。子將損壞。 晶體管的發(fā)射極和集電極是晶體管的發(fā)射極和集電極是不能互換使用的。因為發(fā)射區(qū)和不能互換使用的。因為發(fā)射區(qū)和集電區(qū)的摻雜質(zhì)濃度差別較大，集電區(qū)的摻雜質(zhì)濃度差別較大，如果把兩個極互換使用，則嚴(yán)重如果把兩個極互換使用，則嚴(yán)重影響晶體管的電流放大能力，甚影響晶體管的電流放大能力，甚至造成放大能力喪失。至造成

43、放大能力喪失。晶體管的發(fā)射極晶體管的發(fā)射極和集電極能否互和集電極能否互換使用？為什么換使用？為什么? 晶體管在輸出特性曲線的飽和晶體管在輸出特性曲線的飽和區(qū)工作時，區(qū)工作時，UCEUT、UDS0且較小時當(dāng)UGS繼續(xù)增大，UDS仍然很小且不變時，ID隨著UGS的增大而增大。此時增大UDS，導(dǎo)電溝道出現(xiàn)梯度，ID又將隨著UDS的增大而增大。直到UGD=UGSUDS=UT時，相當(dāng)于UDS增加使漏極溝道縮減到導(dǎo)電溝道剛剛開啟的情況，稱為預(yù)夾斷，ID基本飽和。 如果繼續(xù)增大UDS，使UGDUT時，溝道夾斷區(qū)延長，ID達(dá)到最大且恒定，管子將從放大區(qū)跳出而進(jìn)入飽和區(qū)。 溝道出現(xiàn)預(yù)夾斷時工作在放大狀態(tài)，放大區(qū)

44、ID幾乎與UDS的變化無關(guān)，只受UGS的控制。即MOS管是利用柵源電壓UGS來控制漏極電流ID大小的一種電壓控制器件。3. MOS管使用注意事項(1) MOS管中, 有的產(chǎn)品將襯底引出，形成四個管腳。使用者可視電路需要進(jìn)行連接。P襯底接低電位，N襯底接高電位。但當(dāng)源極電位很高或很低時 , 可將源極與襯底連在一起。(2)場效應(yīng)管的漏極與源極通常可以互換，且不會對伏安特性曲線產(chǎn)生明顯影響。：大多產(chǎn)品出廠時已將源極與襯底連在一起了，這時源極與漏極就不能再進(jìn)行對調(diào)使用。(3)MOS管不使用時 , 由于它的輸入電阻非常高, 須將各電極短路 , 以免受外電場作用時使管子損壞。即MOS管在不使用時應(yīng)避免柵極

45、懸空，務(wù)必將各電極短接。(4)焊接MOS管時，電烙鐵須有外接地線，用來屏蔽交流電場，以防止損壞管子。特別是焊接絕緣柵場效應(yīng)管時，最好斷電后再焊接。單極型晶體管和雙極型晶體管的性能比較 1. 場效應(yīng)管的源極場效應(yīng)管的源極S、柵極、柵極G、漏極、漏極D分別對應(yīng)于雙極型晶體管的發(fā)射極分別對應(yīng)于雙極型晶體管的發(fā)射極e、基極、基極b、集電極集電極c，它們的作用相似。，它們的作用相似。 2. 場效應(yīng)管是場效應(yīng)管是電壓控制電流器件電壓控制電流器件，場效應(yīng)管柵極基本上不取電流，而雙極型晶體，場效應(yīng)管柵極基本上不取電流，而雙極型晶體管工作時基極總要取一定的電流。所以在只允許從信號源取極小量電流的情況下，管工作時

46、基極總要取一定的電流。所以在只允許從信號源取極小量電流的情況下，應(yīng)該選用場效應(yīng)管；而在允許取一定量電流時，選用雙極型晶體管進(jìn)行放大可以應(yīng)該選用場效應(yīng)管；而在允許取一定量電流時，選用雙極型晶體管進(jìn)行放大可以得到比場效應(yīng)管較高的電壓放大倍數(shù)。得到比場效應(yīng)管較高的電壓放大倍數(shù)。3. 場效應(yīng)管是多子導(dǎo)電，而雙極型晶體管則是既利用多子，又利用少子。由于少場效應(yīng)管是多子導(dǎo)電，而雙極型晶體管則是既利用多子，又利用少子。由于少子的濃度易受溫度、輻射等外界條件的影響，因而場效應(yīng)管比晶體管的溫度穩(wěn)定子的濃度易受溫度、輻射等外界條件的影響，因而場效應(yīng)管比晶體管的溫度穩(wěn)定性好、抗輻射能力強。在環(huán)境條件（溫度等）變化比較劇烈的情況下，選用場效性好、抗輻射能力強。在環(huán)境條件（溫度等）變化比較劇烈的情況下，選用場效應(yīng)管比較合適。應(yīng)管比較合適。4. 場效應(yīng)管的源極和襯底未連在一起時，源極和漏極可以互換使用，耗盡