電工第3章基本電子器件課件

(1-1)第3章基本電子器件(1-2)半導體器件1、半導體的基礎知識，P型硅，N型硅2、PN結(jié)及半導體二極管3、穩(wěn)壓二極管4、半導體三極管5、場效應管(1-3)（1）本征半導體現(xiàn)代電子學中，用的最多的半導體是硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個。Si硅原子Ge鍺原子1、半導體的基本知識(1-5)形成共價鍵后，每個原子都與相鄰的四個原子相結(jié)合，形成最外層有八個電子的穩(wěn)定結(jié)構。共價鍵有很強的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。+4+4+4+4

完全純凈的、具有晶體結(jié)構的半導體，稱為本征半導體。由半導體制作的器件，就稱為晶體管(1-6)共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自由電子，因此本征半導體中的自由電子很少，所以本征半導體的導電能力很弱。(1-7)+4+4+4+4自由電子空穴自由電子帶負電，空穴帶正電。空穴很容易吸引相鄰原子中的價電子來填補這個空穴，而在價電子原來的位置上形成新的空穴，…..好像空穴在移動。在外電場作用下，自由電子定向運動形成電子電流；空穴〝移動〞形成空穴電流。自由電子和空穴稱為載流子所以，在本征半導體中存在兩種載流子：自由電子和空穴空穴(1-9)N型半導體多余電子磷原子硅原子+N型硅表示SiPSiSi(1-10)N型半導體

在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷（或銻），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質(zhì)取代。磷原子的最外層有五個價電子，其中四個與相臨的半導體原子形成共價鍵，必定多出一個電子，這個電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動的帶正電的離子。硅或鍺+少量磷N型半導體多數(shù)載流子：自由電子；少數(shù)載流子：空穴

所以，每個磷原子提供一個電子，多個磷原子提供多個電子。這種半導體又稱為電子型半導體(1-11)空穴P型半導體硼原子P型硅表示SiSiSiB硅原子空穴被認為帶一個單位的正電荷，并且可以移動(1-13)雜質(zhì)半導體的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導體++++++++++++++++++++++++N型半導體°?(1-14)（1）PN結(jié)的形成

在同一塊半導體基片上，一半制成P型半導體，另一半制成N型半導體，經(jīng)過載流子的擴散，在它們的交界面處就形成了一個特殊的區(qū)域，這個特殊的區(qū)域就是PN結(jié)。2、PN結(jié)及半導體二極管(1-15)P型半導體N型半導體++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場E漂移運動空間電荷區(qū)PN結(jié)處載流子的運動－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++(1-17)漂移運動P型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場EPN結(jié)處載流子的運動當擴散和漂移這一對相反的運動最終達到平衡時，相當于兩個區(qū)之間沒有電荷運動，空間電荷區(qū)的厚度就固定不變了。－－－－PN結(jié)(1-18)（2）PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

PN結(jié)加上正向電壓，即：P區(qū)加電源的正極、N區(qū)加電源的負極。稱為正向偏值

PN結(jié)加上反向電壓，即：P區(qū)加電源的負極、N區(qū)加電源的正極。稱為反向偏值(1-19)PN結(jié)正向偏置++++內(nèi)電場被減弱，使擴散加強，空間電荷區(qū)變薄PN+正向電流－－－－－－－－++++外電場內(nèi)電場擴散飄移，正向電流大-PN結(jié)處于導通狀態(tài)(1-21)（3）半導體二極管（一）、基本結(jié)構PN結(jié)加上管殼和引線，就成為半導體二極管。PNPN符號陽極陰極D(1-22)(二)、伏安特性UI導通壓降:硅管0.6~0.7V,鍺管0.2~0.3V。反向擊穿電壓U(BR)死區(qū)電壓硅管0.5V,鍺管0.2V。UIE+-反向漏電流（很小，A級）RD電路模型正向特性反向特性(1-23)（三）靜態(tài)電阻Rd

，動態(tài)電阻rDUQIQUS+-R靜態(tài)工作點Q（UQ，IQ）(1-25)二極管：死區(qū)電壓=0.5V，正向壓降0.7V(硅)uit二極管起半波整流作用uot例1：二極管的應用RLuiuOD二極管的作用：利用其單向?qū)щ娦?，可用于整流、檢波、限幅、元件保護以及數(shù)字電路中的開關元件等。理想二極管：死區(qū)電壓=0，正向壓降=0(1-26)例2：二極管的應用尖頂波tuo0tuR00~t1期間:C被充電，D截止uo=0。在剛充電瞬間，i最大，所以uR最大，充電結(jié)束，i＝0，uR＝0。所以為一正尖脈沖。+-iRRLuiuRuoDCtuit1t20Ut1~t2期間:在t1瞬間，C經(jīng)R和RL兩路放電，D導通，uR和uo均為負尖脈沖;在t2瞬間，同上，uR為一正尖脈沖。iD起檢波作用，去除正尖脈沖。(1-27)（四）二極管的主要參數(shù)1、最大正向電流IFM：二極管長期工作時允許通過的最大正向平均電流。2、最高反向工作電壓URM：3、反向電流IR：

二極管工作時的實際電流IF﹤IFM，否則，二極管會因過熱而損壞。

二極管工作時的實際反向電壓UR﹤URM，以防二極管被擊穿。二極管的質(zhì)量指標之一，其值越小越好。(1-29)穩(wěn)壓管的主要參數(shù)：1、穩(wěn)定電壓UZ：當通過穩(wěn)壓管的電流為規(guī)定的測試電流IZ（穩(wěn)壓電流）時，穩(wěn)壓管兩端的電壓值。UZ的分散性：例如，2CW14型穩(wěn)壓管在IZ=10mA時，UZ的允許值在6~7.5V之間。2、動態(tài)電阻rZ:在伏安特性的穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)，電壓變化量DU與電流變化量DI之比。即：，rZ一般為幾歐～幾十歐。其值越小越好。DUDIrZ=3、最大穩(wěn)定電流IZM：允許通過的最大反向電流4、電壓溫度系數(shù)aUZ：溫度每升高10C時穩(wěn)定電壓的相對變化量。其值越小越好(1-30)注意：要想使穩(wěn)壓管起穩(wěn)壓作用，穩(wěn)壓管必須工作在反向偏置狀態(tài)。RLuiuORDZiiziLUZ若穩(wěn)壓管正向偏置，則僅僅相當于一個普通二極管例如：(1-31)例題：有兩只穩(wěn)壓二極管DZ1和DZ2，其穩(wěn)定電壓分別為5.5V和8.5V，正向壓降均為0.5V。如果要想得到3V、6V、9V和14V幾種穩(wěn)定電壓，這兩只穩(wěn)壓管（還有限流電阻）應該如何聯(lián)接？畫出各個電路。●●R1R2DZ1DZ2ui+-+-3V++--uiDZ1DZ2R6V++--uiDZ1DZ2R9V++--uiDZ1DZ2R14V(1-32)4、半導體三極管（1）基本結(jié)構NNPB基極E發(fā)射極C集電極NPN型PNP基極B集電極C發(fā)射極EPNP型(1-33)BECNNP基極發(fā)射極集電極基區(qū)：較薄，摻雜濃度低集電區(qū)：面積較大發(fā)射區(qū)：摻雜濃度較高(1-34)發(fā)射結(jié)集電結(jié)BECNNP基極發(fā)射極集電極+++++++++++

___________

___________

+++++++++++

(1-35)BECNPN型三極管BECPNP型三極管三極管符號NPNCBEPNPCBETT(1-36)（2）電流放大原理BECNNPEBRBEc發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴散，形成發(fā)射極電流IE。IE進入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復合，形成電流IB，多數(shù)擴散到集電結(jié)。IB(1-37)BECNNPEBRBEcIE從基區(qū)擴散來的電子漂移進入集電結(jié)而被收集，形成IC。ICICIBICBO(1-38)三極管起電流放大作用的條件：

1、內(nèi)部條件：發(fā)射區(qū)摻雜濃度大，基區(qū)摻雜濃度小，并且做的很薄。2、外部條件：要使三極管起電流放大，必須使發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置。二者缺一不可(1-39)靜態(tài)(直流）電流放大倍數(shù)靜態(tài)電流放大倍數(shù)，動態(tài)電流放大倍數(shù)=IC/

IBIC=IB動態(tài)（交流）電流放大倍數(shù)IB：IB+IBIC：IC+IC=IC/

IB

一般認為：==，近似為一常數(shù)，值范圍：20~100IC=

IB(1-40)（3）特性曲線

實驗線路(共發(fā)射極接法)ICmAAVVUCEUBERBIBUSCUSBCBERC輸入回路輸出回路(1-41)

IB

與UBE的關系曲線（一）輸入特性曲線：IB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1V

死區(qū)電壓，硅管0.5V工作壓降：硅管UBE0.7V即：IB=f(UBE)UCE=常數(shù)(1-42)（二）輸出特性曲線：IC與UCE的關系曲線IC(mA)123440A60AQQ′=IC/

IB=2mA/40A=50=IC/

IB

=(3-2)mA/(60-40)A=50=IC/

IB=3mA/60A=50即：IC=f(UCE)IB=常數(shù)UCE(V)369120(1-43)輸出特性IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A當UCE大于一定的數(shù)值時，IC只與IB有關，IC=IB,且

IC=

IB

。此區(qū)域稱為線性放大區(qū)。此區(qū)域中UCEUBE,集電結(jié)正偏，IB>IC，UCE0.3V稱為飽和區(qū)。此區(qū)域中:IB=0,IC=ICEO,UBE<死區(qū)電壓,，稱為截止區(qū)。(1-44)輸出特性三個區(qū)域的特點:放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置，IC=IB,且

IC=

IB(2)飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)正向偏置，即：UCEUBE

，

IB>IC，UCE0.3V

C和E之間相當于一個開關的閉合狀態(tài)在數(shù)字電路中起開關作用在模擬電路中起放大作用(1-45)(3)截止區(qū)：發(fā)射結(jié)反向偏置，集電結(jié)反向偏置，

UBE<死區(qū)電壓，IB=0，IC=ICEO0

C和E之間相當于一個開關的斷開狀態(tài)在數(shù)字電路中，起開關作用(1-46)

前面是以NPN型三極管為例來講解三極管的放大原理的，其晶體管中電流實際方向和發(fā)射結(jié)與集電結(jié)的實際極性如圖所示。UCE﹥UBEBECIEIBICNPNUCEUBEBECIEIBICUCEUBEPNPUCE﹥UBE電源極性反接(1-47)判斷三極管的類型、種類及電極E、B、C的原則：

處于放大狀態(tài)的三極管，發(fā)射結(jié)一定正向偏置，基極和發(fā)射極之間電位差的絕對值（即︳UBE

︳）約為0.7V（硅管）或0.3V（鍺管），第三電極必為集電極，若該電極電位最高，則為NPN型三極管；若該電極電位最低，則為PNP型三極管。若為NPN型三極管，UBE﹥0，發(fā)射極電位最低；若為PNP型三極管，UBE﹤0，發(fā)射極電位最高。(1-48)例如：測得處于放大狀態(tài)的三個三極管的各電極的電位分別如圖（a）、（b）、（c）所示。試判斷各管的類型，并區(qū)分E、B、C三個電極1232V2.7V6V（a）：1232.2V5.3V6V（b）：123-4V-1.2V-1.4V（c）：NPN硅管PNP鍺管PNP硅管EBCCBECEB(1-49)例：

=50，USC=12V，

RB=70k，RC=6k

當USB=-2V，2V，5V時，晶體管的靜態(tài)工作點Q位于哪個區(qū)？USB=-2V，IB=0，IC=0，Q位于截止區(qū)

USB=2V，IB=(USB-UBE)/RB=(2-0.7)/70=0.019mAIC=IB=500.019=0.95mA<

ICS=2mA

，Q位于放大區(qū)

（IC最大飽和電流ICS=(USC-UCE)/RC=(12-0)/6=2mA

）ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBE(1-50)ICUCEIBUSCRBUSBCBERC例：=50，USC=12V，

RB=70k，RC=6k

當USB=-2V，2V，5V時，晶體管的靜態(tài)工作點Q位于哪個區(qū)？USB=5V，IB=(USB-UBE)/RB=(5-0.7)/70=0.061mAIC=IB=500.061=3.05mA>

ICS=2mA

，Q位于飽和區(qū)(實際上，此時IC和IB已不是的關系）(1-51)ICUCEIBUSCRBUSBCBERC三極管深度飽和時：集電極最大飽和電流：ICS≈USCRC若：IC＜ICS，則三極管處于放大區(qū)；若：IC＞ICS，則三極管處于飽和區(qū)；若：IC＝0，則三極管處于截止區(qū)。UCE≈0根據(jù)IC值判斷三極管的工作狀態(tài)(1-52)三極管的技術數(shù)據(jù)：（1）電流放大倍數(shù)（2）集-射間穿透電流ICEO（3）集-射間反向擊穿電壓UCEO(BR)（4）集電極最大電流ICM（5）集電極最大允許功耗PCMPCM=ICMUCE(1-53)5、場效應晶體管

三極管（普通晶體管）是電流控制元件，通過控制基極電流達到控制集電極電流或發(fā)射極電流的目的，即信號源必須提供一定的電流才能工作。因此它的輸入電阻較低，僅有102～104W。三極管工作的時候有兩種不同的載流子（電子與空穴）同時參與導電，故又稱為雙極性晶體管。(1-54)絕緣柵型場效應管MOS結(jié)型場效應管JFETN溝道P溝道耗盡型增強型場效應管有兩種:

場效應管是電壓控制元件，它的輸出電流決定于輸入端電壓的大小，基本上不需要信號源提供電流，所以它的輸入電阻很高，可高達109～1014W,

，另外，還具有耗電少、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強、制造工藝比較簡單等優(yōu)點。工作時