電子技術(shù)第7章

電工電子課部

武科大信息與工程學院《電子技術(shù)》課程概況：

1.總學時48=課堂教學36+實驗教學12

2.成績組成100=

期末卷面70+實驗成績25+平時5學習方法討論：本課程學習特點：

元件：特性、參數(shù)、技術(shù)指標和正確使用方法

目的-------應用！

電路分析計算：學會用工程觀念分析問題----合理近似第7章半導體器件半導體：導電能力介于導體和絕緣體之間的材料常見半導體材料有硅、鍺、硒及金屬的氧化物和硫化物等。半導體材料多以晶體的形式存在。半導體材料的特性：純凈半導體的導電能力很差；溫度升高——導電能力增強（如鈷、錳、鎳的氧化物做成的熱敏電阻）；光照增強——導電能力增強（如鎘、鉛等硫化物做成的光敏電阻）；摻入少量雜質(zhì)——導電能力增強。7.1半導體的導電特性7.1.1

本征半導體完全純凈、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導體最常用的半導體為硅(Si)和鍺(Ge)。它們的共同特征是四價元素，每個原子最外層電子數(shù)為4。++SiGe7.1半導體的導電特性共價鍵7.1.1

本征半導體在本征半導體的晶體結(jié)構(gòu)中，每個原子與相鄰的四個原子結(jié)合。每個原子的一個外層價電子與另一原子的一個價電子組成一個電子對，電子對由相鄰兩原子共有，構(gòu)成共價鍵結(jié)構(gòu)。共價鍵價電子共價鍵價電子自由電子和空穴同時產(chǎn)生7.1.1

本征半導體激發(fā)自由電子溫增和光照外加電壓電子電流離開?？昭ㄔ訋д娢噜徳觾r電子填補空穴好像空穴在運動（正電荷）外加電壓空穴電流與金屬導電的區(qū)別多硅原子自由電子硅原子半導體中的自由電子和空穴都能參與導電——半導體具有兩種載流子。共價鍵價電子7.1.1

本征半導體本征半導體中的自由電子和空穴總是-----成對出現(xiàn)，同時又不斷進行復合。在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生與復合會達到---動態(tài)平衡即載流子濃度與溫度有關(guān)。溫度愈高，載流子數(shù)目就愈多，導電性能就愈好——溫度對半導體器件性能影響很大7.1.2

N型半導體和P型半導體在常溫下，本征半導體的兩種載流子數(shù)量還是極少的，其導電能力相當?shù)?。如果在半導體晶體中摻入微量雜質(zhì)元素，將得到摻雜半導體，而摻雜半導體的導電能力將大大提高。由于摻入雜質(zhì)元素的不同，摻雜半導體可分為兩大類——N型半導體和P型半導體7.1半導體的導電特性1.

N型半導體當在硅或鍺的晶體中摻入微量磷(或其它五價元素)時，磷原子與周圍四個硅原子形成共價鍵后，磷原子的外層電子數(shù)將是9，比穩(wěn)定結(jié)構(gòu)多一個價電子。P+SiSiSiSiSiSiSiPSiSiSiSi多余電子1.

N型半導體摻入磷雜質(zhì)的硅半導體晶體中，自由電子的數(shù)目大量增加。自由電子導電是這種半導體的導電方式，稱之為---電子半導體或N型半導體。在N型半導體中電子是多數(shù)載流子、空穴是少數(shù)載流子。室溫情況下，本征硅中載流子有1.51010個/cm3，當磷摻雜量在10–6量級時，電子載流子數(shù)目將增加幾十萬倍。當在硅或鍺的晶體中摻入微量硼(或其它三價元素)時，硼原子與周圍的四個硅原子形成共價鍵后，硼原子的外層電子數(shù)將是7，比穩(wěn)定結(jié)構(gòu)少一個價電子。B+SiSiSiSiSiSiSiBSiSiSiSi空穴2.

P型半導體摻硼半導體中，空穴數(shù)目遠大于自由電子數(shù)目。空穴為多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子，這種半導體稱為空穴型半導體或P型半導體。一般情況下，摻雜半導體中多數(shù)載流子的數(shù)量可達到少數(shù)載流子的1010倍或更多，電子載流子數(shù)目將增加幾十萬倍。不論是N型還是P型半導體，都只有一種多數(shù)載流子。然而整個半導體晶體仍是電中性的。2.

P型半導體因為載流子帶正電或負電，原子則相反帶負電或帶正電，整個晶體不帶電。？7.2PN結(jié)及其單向?qū)щ娞匦圆徽撌荘型半導體還是N型半導體，都只能看做是一般的導電材料，不具有半導體器件的任何特點。半導體器件的核心是PN結(jié)，是采取一定的工藝措施在一塊半導體晶片的兩側(cè)分別制成P型半導體和N型半導體，在兩種半導體的交界面上形成PN結(jié)。各種各樣的半導體器件都是以PN結(jié)為核心而制成的，正確認識PN結(jié)是了解和運用各種半導體器件的關(guān)鍵所在。7.2.1PN結(jié)的形成PN空間電荷區(qū)擴散運動空間電荷區(qū)=(內(nèi)電場)=耗盡層動態(tài)平衡空間電荷區(qū)寬度一定P區(qū)空穴多自由電子少N區(qū)自由電子多空穴少內(nèi)電場7.2PN結(jié)及其單向?qū)щ娞匦云七\動空間電荷區(qū)P區(qū)N區(qū)載流子的運動有兩種形式：擴散由于載流子濃度梯度引起的載流子從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)的運動。漂移載流子受電場作用沿電場力方向的運動。耗盡層中載流子的擴散和漂移運動最后達到一種動態(tài)平衡，這樣的耗盡層就是PN結(jié)PN結(jié)內(nèi)電場的方向由N區(qū)指向P區(qū)。7.2.1PN結(jié)的形成7.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)未加電壓時，載流子的擴散和漂移運動處于動態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的寬度基本穩(wěn)定。1)加正向電壓將電源的”+”接P區(qū)、”-”接N區(qū)。擴散增強PN內(nèi)電場方向外電場方向I變窄++-下面討論加有外部電壓時的PN結(jié)特性。外電場作用P區(qū)空穴進入PN→NN區(qū)電子進入PN→PPN結(jié)內(nèi)正負離子被抵消PN結(jié)變窄電荷易過電阻低內(nèi)電場弱漂移變?nèi)醵嘧有纬烧螂娏鳎òǚ较蛞恢碌目昭娏骱碗娮与娏鳎┩怆娫床粩嗵峁╇姾删S持電流2)加反向電壓將外電源的正端接N區(qū)、負端接P區(qū)。PN內(nèi)電場方向外電場方向+I~0變寬溫度對反向電流的影響很大。PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，即正向?qū)?、反向截?.2.2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.3半導體二極管將PN結(jié)加上電極引線及外殼，就構(gòu)成了半導體二極管。PN結(jié)是二極管的核心。根據(jù)所用材料不同，二極管有硅二極管和鍺二極管兩種。金屬觸絲陽極引線N型鍺片陰極引線外殼(

a

)點接觸型鋁合金小球N型硅陽極引線PN結(jié)金銻合金底座陰極引線(

b

)面接觸型陰極陽極

符號D7.3.1二極管的結(jié)構(gòu)與分類既然二極管是由PN結(jié)構(gòu)成的，它自然具有著單向?qū)щ娦浴Ｄ撤N硅二極管的電流-電壓關(guān)系(伏安特性)可見圖示：由電壓零點分為正向區(qū)和反向區(qū)正向：由死區(qū)電壓分為死區(qū)和導通區(qū)

(Si-0.5VGe-0.2V)U(V)0.400.8-50-25I(mA)204060

(A)40200-0.5v:正壓低→外電場<內(nèi)電場→正向電流≈

0>0.5v:正壓高→外電場>內(nèi)電場→內(nèi)電場大大削弱→正向電流大→導通壓降：Si0.6～0.8VGe0.2～0.3V7.3.2伏安特性死區(qū)導通區(qū)死區(qū)電壓截止區(qū):U(V)0.400.8-50-25I(mA)204060

(A)4020反向：由擊穿電壓分為截止區(qū)和擊穿區(qū)7.3.2伏安特性擊穿區(qū):擊穿原因：二極管的特性不僅可用伏安曲線表示，也可用一些數(shù)據(jù)進行說明這些數(shù)據(jù)就是二極管的參數(shù)。二極管的主要參數(shù)有：1.最大整流電流IOM2.反向工作峰值電壓URWM

3.反向峰值電流IRM7.3.3二極管的主要參數(shù)4.最高工作頻率fM

結(jié)電容．國產(chǎn)半導體器件命名方法。2AP9,“2”表示電極數(shù)為2,“A”表示N型鍺材料,“P”表示普通管,“9”表示序號。

查附錄表練習：說明半導體器件的型號2AP8A和2CZ82F各部分的含義。

+-如圖由RC構(gòu)成微分電路，當輸入電壓ui為矩形波時，試畫出輸出電壓uo的波形。(設(shè)uc0=0)uRtouotouitoU7.3.4二極管的應用應用：整流、檢波、限幅、元件保護、開關(guān)元件a、檢波+-+-+

-CRDRLuiuRuo充電+

-反向不通=0=0+

--+-

+<0-+UR=Ui-UCUR=UC放電正向?qū)?.3.4二極管的應用b、鉗位、隔離AB+3V0VR-12VYDADB如圖，VA=+3V，VB=0VR接負電源-12V，求VY多個二極管導通原則：①設(shè)所有管不通，所有R短路，計算計算各管上電壓，誰高誰導通。②導通管有壓降，剩下各管重新計算電壓。大于死區(qū)電壓導通，否則截止。解：①UDA=3-（-12）=15VUDB=0-（-12）=12VDA優(yōu)先導通，導通壓降設(shè)為0.3VVY=3-0.3=2.7V+-+-②UDB=0-2.7=-2.7VDB反向截止。DA起鉗位作用，把VY鉗住在2.7VDB起隔離作用，隔離輸入B和輸出Y7.4

穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管是一種特殊的面接觸型二極管。它在電路中常用作穩(wěn)定電壓的作用，故稱為穩(wěn)壓管。穩(wěn)壓管的圖形符號：U(V)0.400.8-8-4I(mA)204010-20-1030-12反向正向穩(wěn)壓管的伏安特性曲線與普通二極管類似，只是反向曲線更陡一些。7.4.1伏安特性7.4.1伏安特性U(V)0.400.8-8-4I(mA)204010-20-1030-12反向正向穩(wěn)壓管工作于反向擊穿區(qū)，常見電路如下。UiRUoRL在電路中穩(wěn)壓管是反向聯(lián)接的。當Ui大于穩(wěn)壓管的擊穿電壓時，穩(wěn)壓管被擊穿（可逆），電流將增大，電阻R兩端的電壓增大，在一定的電流范圍內(nèi)穩(wěn)壓管兩端的電壓基本不變，輸出電壓Uo等于Uz。7.4

穩(wěn)壓管1、穩(wěn)定電壓Uz指穩(wěn)壓管正常工作時的端電壓。同一型號穩(wěn)壓管UZ也不一定相等。2、穩(wěn)定電流IZ

正常工作的參考電流值。

每種型號穩(wěn)壓管都規(guī)定有一個最大穩(wěn)定電流IZM，超過它，易發(fā)生熱擊穿（不可逆），穩(wěn)壓管損毀,IZ<IZM。U(V)0I(mA)反向正向UZIZ7.4.2主要參數(shù)7.4

穩(wěn)壓管3、電壓溫度系數(shù)U說明穩(wěn)壓值受溫度影響的參數(shù)。如：穩(wěn)壓管2CW18的電壓溫度系數(shù)為0.095%/C

假如在20C時的穩(wěn)壓值為11V，當溫度升高到50C時的穩(wěn)壓值將為特別說明：穩(wěn)壓管的電壓溫度系數(shù)有正負之別。因此選用6V左右的穩(wěn)壓管，具有較好的溫度穩(wěn)定性。7.4.2主要參數(shù)7.4

穩(wěn)壓管4、動態(tài)電阻rZ動態(tài)電阻越小，穩(wěn)壓效果越好。U(V)0I(mA)反向正向UZIZIZmIZUZ5、最大允許耗散功耗PZM保證穩(wěn)壓管不發(fā)生熱擊穿的最大功率損耗。其值為穩(wěn)定電壓和允許的最大電流乘積7.4.2主要參數(shù)7.4

穩(wěn)壓管￥二極管引腳識別及性能簡易測試二極管性能簡易測試

可使用萬用表電阻檔通過測量二極管的正、反向電阻值，來判別其陽極、陰極?？墒褂萌f用表R×1k、R×100檔對二極管性能進行簡易測試。例如圖，通過穩(wěn)壓管的電流IZ等于多少？解：UR=20-12=8VIZ=IR=8/1.6=5mA<18mA若R1=12k?，I1=?IZ=？R1=12k?I1=？I1=UZ/R1=12/12=1mAIZ=IR-I1=5-1=4mA+20VIZR=1.6k?Uz=12VIZM=18mA+DZ-IR7.5.1基本結(jié)構(gòu)半導體三極管(晶體管)是最重要的一種半導體器件。廣泛應用于各種電子電路中。晶體管最常見的結(jié)構(gòu)有平面型和合金型兩種。平面型都是硅管、合金型主要是鍺管。它們都具有NPN或PNP的三層兩結(jié)的結(jié)構(gòu)，因而又有NPN和PNP兩類晶體管。其三層分別稱為發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)，并引出發(fā)射極(E)、基極(B)和集電極(C)三個電極。三層之間的兩個PN結(jié)分別稱為發(fā)射結(jié)和集電結(jié)。7.5晶體管N型硅P型N型二氧化硅保護膜CBE平面型結(jié)構(gòu)N型鍺銦球銦球P型P型CEB合金型結(jié)構(gòu)NNP集電結(jié)發(fā)射結(jié)集電區(qū)發(fā)射區(qū)基區(qū)CBENPP集電區(qū)發(fā)射區(qū)基區(qū)集電結(jié)發(fā)射結(jié)CBEBECBEC7.5.1基本結(jié)構(gòu)－－（注意工藝條件）可以互換嗎？雜質(zhì)多尺寸大不行+++----+為了了解晶體管的放大原理和其中電流的分配，我們先做一個實驗，實驗電路如圖所示。RBuAmAmAIBIEEBECIC把晶體管接成兩個電路：1、基極電路2、集電極電路發(fā)射極是公共端，因此這種接法稱為晶體管的共發(fā)射極接法。（注意偏置條件）通過實驗及測量結(jié)果，得：(1).

IC(或IE)比IB大得多，(如表中第三、四列數(shù)據(jù))<0.0010.721.542.363.184.05IE(mA)<0.0010.701.502.303.103.95IC(mA)

00.020.040.060.080.10IB(mA)工藝條件＋偏置條件晶體管加上一定的電壓為什么就會有放大作用呢？要了解這個問題，就要從晶體管的內(nèi)部運動規(guī)律來解釋。1、發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴散電子內(nèi)部載流子運動規(guī)律

形成發(fā)射極電流

IE放大作用的內(nèi)部條件：基區(qū)很薄且摻雜濃度很低。2、電子在基區(qū)的擴散和復合基極電流IBEIB7.5.2電流放大作用BECNNPEBRBECIEIBEICEICIBICBO要使晶體管起放大作用，發(fā)射結(jié)必須正向偏置、集電結(jié)必須反向偏置——具有放大作用的外部條件。3、集電區(qū)收集擴散電子形成集電極電流ICEIC由電流分配關(guān)系示意圖可知發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入的電子電流IE將分成兩部分ICE和IBE，它們的比值為它表示晶體管的電流放大能力，稱為電流放大系數(shù)7.5.2電流放大作用少子運動形成反向截止電流BECNNPEBRBECIEIBEICEICBOICIB在晶體管中，不僅IC比IB大很多；當IB有微小變化時還會引起IC的較大變化。根據(jù)晶體管放大的外部條件，發(fā)射結(jié)必須正向偏置，集電結(jié)必須反向偏置。則對于NPN型晶體管且對于PNP型晶體管且BEC+++-BEC---+7.5.2電流放大作用7.5.3

特性曲線共發(fā)射極接法AVmAVECRBIBUCEUBEICEB晶體管的特性曲線是表示一只晶體管各電極電壓與電流之間關(guān)系的曲線。是應用晶體管和分析放大電路的重要依據(jù)。1.

輸入特性曲線當UCE為常數(shù)時的IB與UBE之間的關(guān)系曲線。00.4200.8406080UBE(V)IB(A)UCE1V3DG6的輸入特性曲線死區(qū)電壓？導通電壓？AVmAVECRBIBUCEUBEICEB7.5.3

特性曲線2.

輸出特性曲線晶體管的恒流特性

是在IB為常數(shù)時，IC與UCE之間的關(guān)系曲線。IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)9120AVmAVECRBIBUCEUBEICEB7.5.3

特性曲線(1)放大區(qū)也稱線性區(qū)。此時發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置。(2)截止區(qū)截止時兩個PN結(jié)都反向偏置。通常將晶體管的輸出特性曲線分為三個工作區(qū)：2.

輸出特性曲線IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)9120放大區(qū)截止區(qū)7.5.3

特性曲線

(3)

飽和區(qū)發(fā)射結(jié)處于正偏、集電結(jié)也處于正偏－－失去放大功能特性曲線截止放大飽和發(fā)射結(jié)反偏正偏正偏集電結(jié)反偏反偏正偏各態(tài)偏置情況：IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)9120放大區(qū)截止區(qū)飽和區(qū)請同學們在三極管符號上判斷晶體管的特性不僅可用特性曲線表示，還可用一些數(shù)據(jù)進行說明，即晶體管參數(shù)。它是設(shè)計電路和選用器件的依據(jù)。靜態(tài)(直流)放大系數(shù)：動態(tài)(交流)