电工电子技术1

枣庄科技职业学院教案【电工电子技术】授课时间第1周，第1、2次课项目名称项目七直流稳压电源的制作与调试授课方式理实一体项目教学授课学时4教学目标知识目标1.掌握直流稳压电源的组成2.掌握二极管的结构、符号、类型及特性能力目标1.能够查阅资料，正确识别和选取二极管。教学实施项目知识：一、半导体基础知识根据物体导电能力(电阻率)的不同，将其划分为导体、绝缘体和半导体，半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。半导体的电阻率为10-3～109Ω·cm。典型的半导体有硅Si、锗Ge和硒Se以及砷化镓GaAs等。半导体具有以下导电特性：①热敏性：当环境温度升高时，某些半导体的导电能力显著增强，据此可做成温度敏感元件，如热敏电阻。②光敏性：当受到光照时，半导体的导电能力发生明显变化，利用该特性可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管管、光敏三极管等。③掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，其导电能力将会发生明显的改变，根据这种特性可将半导体做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、三极管和晶闸管等。1.本征半导体完全纯净的、具有晶体结构的鍺、硅、硒，称为本征半导体。如图1-2所示图1-2晶体中原子的排布方式图1-3硅单晶体中共价键的结构硅和锗是四价元素，如图1-3所示，在原子最外层轨道上的四个电子称为价电子。它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。常温下，本征半导体内可自由移动的电子数目很少，导电能力很差,但是价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。这一过程称为本征激发。如图1-4所示图1-4本征激发温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。本证激发过程中所产生的自由电子和空穴总是成对出现的，自由电子和空穴都可看做带电粒子（载流子），自由电子带负电荷，空穴带正电荷，当半导体两端加上外电压时，载流子定向运动（漂移运动），在半导体中将出现两部分电流：1)自由电子作定向运动：电子电流2)价电子递补空穴：空穴电流自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。一般情况下，本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差；但温度愈高，其载流子的数目愈多,导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。2.杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化，这种掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。根据掺入杂质的不同，杂质半导体又分为N型半导体和P型半导体。1）N型半导体在本征半导体中掺入五价的元素(如磷、砷、锑)，就形成了N型半导体。掺入的五价元素代替原来四价元素，与周围其他的四价元素形成共价键，但五价元素外层有五个价电子，因此会多出一个不受共价键束缚的自由电子，如图1-5所示。图1-5掺入微量五价元素掺入的五价元素原子会因为失去一个电子而变为正离子，即每掺入一个五价元素原子就会形成一个正离子和一个自由电子。所以在N型半导体中自由电子数目远多于空穴数目，自由电子为多数载流子（多子），空穴为少数载流子（少子）。即掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，所以又称为电子半导体。2）P型半导体在本征半导体中掺入三价的元素（硼）就构成了P型半导体。掺入的三价元素代替原来四价元素，与周围其他的四价元素形成共价键，但三价元素外层只有三个价电子，因此会产生一个空穴其他四价元素的电子配对，如图1-6所示。图1-6掺入微量三价元素掺入的三价元素原子会因为得到一个空穴而变为负离子，即每掺入一个三价元素原子就会形成一个负离子和一个空穴。所以在P型半导体中空穴数目远多于自由电子数目，空穴为多数载流子（多子），自由电子为少数载流子（少子）。即掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，所以又称为空穴半导体。3.PN结通过一定的生产工艺，将N型半导体和P型半导体结合在一起，在它们的交界面则会形成一个特殊的薄层，这个薄层就称为PN结。1）PN结的形成在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。在交界面的两侧由于自由电子和空穴的浓度相差较大，所以N区中的多数载流子（自由电子）要向P区扩散，而P区中的多数载流子（空穴）也要向N区扩散，形成多子的扩散运动，在这个过程中当自由电子和空穴相遇时，二者将要发生复合进而消失。多子扩散的结果是使N区剩下不能移动的正离子，P区剩下不能移动的负离子，形成空间电荷区。空间电荷区一侧带正电，一侧带负电，形成内电场，该电场方向由N区指向P区。内电场的形成将阻止多子的扩散运动，并促使N区和P区的少子向对方漂移。当多子扩散运动和少子漂移达到平衡时，空间电荷区的宽度就保持一定，PN结形成。如图1-7所示。一般，空间电荷区只是很薄的一层，约几微米至几十微米，该区内几乎没有载流子，其电阻率很高。1-7PN结的形成2）PN结的单向导电性在PN结两端引出电极，当给PN结的两端加上不同极性的电压时，PN结表现出完全不同的导电性能：当外加正向电压时PN结导通，外加反向电压时PN结截止，这样一种特性就称为PN结的单向导电性。（1）外加正向电压外加的正向电压，即P极接电压正极，N极接电压负极，或P区的电位高于N区的电位，简称正偏。外电场方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是,内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大，PN结呈现低阻性；同时削弱漂移运动，扩散电流远大于漂移电流，形成较大的正向电流，PN结导通，相当于开关的闭合状态。图1-8PN结外加正向电压（2）外加反向电压外加反向电压,即P极接电压正极，N极接电压负极，或P区的电位低于N区的电位，简称反偏。外电场方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场的加强使得其对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，PN结呈现高阻性，相当于开关的断开状态。在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。图1-9PN结外加反向电压二、二极管1．二极管的结构将PN结封装在塑料、玻璃或金属外壳里，再从P区和N区分别引出两个极，称为阳极和阴极（或称为正极和负极）。主要有以下三种结构形式：（a）点接触型结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路。（b）面接触型结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。（c）平面型PN结结面积可大可小，用于集成电路制作工艺中的高频整流和开关电路中。图1-10二极管结构示意图a)点接触型；b)面接触型；c）平面型。2．二极管的单向导电性二极管本质上就是一个PN结，因此它具有单向导电性，即：加一定正向电压导通，加反向电压截止。不同材料的二极管具有一定的正向电压，即管压降，也称为门限电压：硅材料二极管为0.5V左右，锗材料二极管约为0.1~0.2V。3．二极管的伏安特性曲线二极管的特性可以用伏安特性曲线来表示，伏安特性曲线是指二极管的两端电压U与流过管子的电流I之间的关系，I=f(U)。图1-11伏安特性曲线图1）正向特性二极管正向偏置，在坐标的第一象限，它又可分为两段。从坐标原点到点为第一段，二极管外加正向电压较小，外部电场不足以克服内电场对载流子扩散运动造成的阻力，此时正向电流很小，呈现电阻较大。这段区域称为“死区”。对应点的门槛电压Uon叫“死区电压”，其数值大小随二极管的结构材料不同而异，并受环境温度影响。一般来说，硅二极管“死区电压”约为0.5V，锗二极管约为0.1V。正向电压超过门槛电压Uon后为第二段，随着正向电压的增加，内电场大大削弱，有利于扩散，电流按指数曲线规律迅速增长。但正向电压在小范围内变化，电流变化很大。通常硅管压降为0.6～0.8V，锗管为0.2～0.3V。当环境温度变化时，在室温附近，温度每升高l℃，二极管的正向降压减小2～2.5mV。2）反向特性二极管反向偏置，在坐标第三象限。因为加的反向电压，故漂移运动起主要作用，反向电流几乎不变，叫反向饱和电流。其值对于硅管是纳安级的，锗管在十几微安，并且随着温度升高，反向饱和电流明显增加。当反向电压超过一定数值后，反向电流急剧增大，这时二极管被“反向击穿”，对应的电压叫做“反向击穿电压”URB。使用二极管时，应避免反向电压超过击穿电压，以防止二极管的损坏。4．二极管的主要参数1）最大整流电流IF二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。IF与PN结的材料、面积及散热条件有关。大功率二极管使用时，一般要加散热片。在实际使用时，流过二极管最大平均电流不能超过IF，否则二极管会因过热而损坏。2）最高反向工作电压URM允许加在二极管两端的最大反向电压值（反向电压峰值），其值通常取二极管反向击穿电压的一半。在实际使用时，二极管所承受的最大反向电压值不应超过URM，以免二极管发生反向击穿。3）反向电流IR在常温下，二极管未击穿时的反向电流值，一个二极管的性能越好，IR值愈小，IR对温度非常敏感。4）最高工作频率fMfM值主要取决于PN结结电容的大小。结电容愈大，二极管允许的最高工作频率愈低。二极管的工作频率若超过一定值，就可能失去单向导电性，这一频率也称为最高工作频率。5．二极管的选用原则1）所选二极管在使用时不能超过它的极限参数，特别不能超过最大整流电流和最高反向工作电压，并留有适当的余量。2）尽量选用反向电流、正向压降小的管子。3）二极管的型号应根据使用场合的不同来确定。若用于整流电路，由于工作时平均电流大，应选用整流二极管；若用于高频检波电路，应选用点接触型二极管；若用于高速开关电路，则应选用开关二极管等。讨论练习作业讨论直流稳压电源的制作教学手段理论授课参考资料电子技术吕国泰主编