电工与电子技术基础---第6章

电工与电子技术基础第六章半导体二管及其应用电路第七章晶体管放大电路及其振荡电路第八章集成运算放大器及其应用第九章晶闸管及其应用第十章数字电路6.1半导体的特性及类型6.2半导体二极管6.3半导体二极管整流电路6.4半导体二极管整流滤波电路6.5直流稳压电路1.半导体的特性2.半导体的类型3.PN结的单向导电性一、半导体的特性及类型原子核原子核中有质子和中子，其中质子带正电，中子不带电。电子绕原子核高速旋转，电子带负电。自然界物质的电结构：电子正电荷负电荷=原子结构：原子核导体的外层电子数很少且距离原子核较远，因此受原子核的束缚力很弱，极易挣脱原子核的束缚游离到空间成为自由电子，即导体的特点就是内部具有大量的自由电子。原子核半导体的外层电子数一般为4个，其导电性界于导体和绝缘体之间。原子核绝缘体外层电子数通常为8个，且距离原子核较近，因此受到原子核很强的束缚力而无法挣脱，我们把外层电子数为8个称为稳定结构，这种结构中不存在自由电子，因此不导电。1.半导体的特性无掺杂的纯净半导体称为本征半导体。半导体广泛用来制造电子元器件，是因为它的导电能力在外界某种因素作用下会发生显著的变化。主要特性体现在以下几个方面：在室温下，纯锗中掺入一亿分之一的杂质，其电导率会增加几百倍。各种不同器件的制作，正是利用了掺杂特性以改变和控制半导体的电导率。（1）.掺杂效应（2）.热敏效应温度的变化也会使半导体的电导率发生显著的变化，利用热敏效应可以制作出了热敏元件。但另一方面，会使半导体元器件的热稳定性下降，所以应采取有效措施以克服因半导体元器件热敏特性造成的电路不稳定。（3）.光电效应光照不仅可以改变半导体的电导率，而且可以产生电动势，这种现象统称半导体的光电效应。利用光电效应可以制成光电晶体管、光电耦合器和光电池等。（1）.N型半导体在本征半导体硅中掺入少量的五价元素，使每一个五价元素取代一个四价元素在晶体中的位置，产生了多余的电子,形成N型半导体,也称电子型半导体。在N型半导体中以自由电子导电为主。+4+4+5+4多余电子磷原子硅原子N型硅半导体的共价键结构共价键2.半导体的类型N型半导体：电子为多数载流子,带负电荷。纯净硅（4价）+磷原子（5价）N型半导体在本征半导体中掺入少量的三价元素，使每一个三价元素取代一个四价元素在晶体中的位置，产生了多余的空穴,形成P型半导体,也称空穴型半导体。在P型半导体中以空穴导电为主。+4+4+3+4空穴硼原子硅原子P型硅半导体的共价键结构（2）.P型半导体共价键纯净硅（4价）+硅原子（4价）P型半导体P型半导体：空穴为多数载流子,带正电荷。在掺入杂质后，载流子的数目都有相当程度的增加。掺入百万分之一的杂质，载流子浓度将增加一百万倍。因此，在半导体内掺入微量的杂质，是提高半导体导电能力最有效的方法。结论:半导体中有两种参与导电的电荷：“电子”和“空穴”称为载流子。在一块本征半导体上，通过掺杂使一侧形成P型半导体，另一侧形成N型半导体，则在两种半导体交界面上形成一个很薄的空间电荷区，叫做PN结。PN结是构成各种半导体器件的基础，了解PN结的性质对掌握半导体器件的原理是非常重要的。3.PN结的单向导电性（1）.PN结的形成当P型半导体和N型半导体结合后，在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差，这样，电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。因此有一些电子要从N型区向P型区扩散，同时也有一些空穴要从P型区向N型区扩散，这是多数载流子的扩散运动，如图示。N型P型自由电子带正电的杂质离子空穴带负电的杂质离子载流子的扩散扩散到P区的电子与空穴复合，扩散到N区的空穴与电子复合，随着扩散的进行，在交界面附近的P型区中空穴数大量减少，出现了带负电的离子区；而在N型区一侧因缺少电子，显露出带正电的离子区。半导体中的离子虽然也带电，但由于物质结构的关系，它们不能任意移动，因此并不参与导电。这些不能移动的带电粒子（离子）通常称为空间电荷，在交界面上形成一个很薄的空间电荷区，称为PN结。因为在这个区域内，多数载流子已扩散到对方并复合掉了，或者说消耗尽了，因此该电荷区又叫做耗尽层。如下图所示：PN结形成的示意图N型区P型区PN结的形成空穴带负电的离子自由电子带正电的离子0.75μm空间电荷区0.75mm内电场在交界面上形成一个很薄的空间电荷区，称为PN结.（2）．PN结的单向导电性①外加正向电压在PN结上外加正向电压UF，即UF的正极接P区，负极接N区，使外加电场与PN结内电场方向相反，这种状态称为PN结正向偏置。结果PN结变窄。图2-1-6外加正向电压的PN结N型区P型区空间电荷区变窄+-UFRIF内电场外电场PN结正向偏置时，导电良好，表现为一个很小的电阻，又称为导通。PN+-②外加反向电压在PN结上外加反向电压UR，即UR的正端接N区，负端接P区，外加电场与PN结内电场方向相同，这种状态称为PN结反向偏置。使阻挡层厚度变宽。图2-1-7外加反向电压的PN结N型区P型区空间电荷区变宽-+URRIR内电场外电场PN结反向偏置时，基本不导电，表现为一个很大的电阻，又称为截止。PN+-PN结正向偏置时，正向电阻很小，形成较大的正向电流；PN结反向偏置时，呈现较大的反向电阻，反向电流很小；PN结在外加电压作用下具有“正向导通、反向截止”的单向导电性。结论：1.二极管的结构和符号2.二极管的伏安特性3.二极管的类型和参数4.特殊二极管二、半导体二极管把一个PN结的两端接上电极引线，外面用金属（或玻璃、塑料等）管壳封闭起来，便构成了二极管。其结构示意图和图形符号如图示。二极管的结构示意图和图形符号阴极阳极VDPN结阴极阳极PN外壳引线1.二极管结构和图形符号锗二极管伏安特性曲线0.20.6-60-40-20-10-20-30-402015105OV/DumA/Di2.二极管的伏安特性死区导通截止击穿二极管的正向压降：硅二极管约为0.7V；锗二极管约为0.3V；二极管的死区电压：硅二极管约为0.5V；锗二极管约为0.1V；①正向特性二极管加适当的正向电压时，内部PN结（空间电荷区）变窄。正向电阻变小，正向电流增大，表现为导通状态，如曲线①部分所示。二极管的正向压降可用于判断二极管的导通状态。锗二极管伏安特性曲线0.20.6-60-40-20-10-20-30-402015105OV/DumA/Di正向导通区给二极管加的反向电压在允许的范围内时，反向电流很小且基本不变，呈饱和性，所以称之为“反向饱和电流”如曲线②部分所示。锗二极管伏安特性曲线0.20.6-60-40-20-10-20-30-402015105OV/DumA/Di反向截止区②反向特性二极管的反向饱和电流：锗二极管约为0.7-30μΑ；硅二极管约为0.01-5μΑ；注意：反向电流受温度影响很大，当温度升高时，其值随温度的升高增大，而反向饱和电流增大时，将影响二极管的单向导电性。锗二极管伏安特性曲线0.20.6-60-40-20-10-20-30-402015105OV/DumA/Di③反向击穿特性当反向电压增加到某一数值时，二极管反向电流迅速增大，此时的二极管处于反向击穿状态。二极管反向击穿时所对应的反向电压称为反向击穿电压，用UBR表示。处于反向击穿状态下的二极管将失去单向导电性。反向击穿区①二极管按材料分类：硅二极管、锗二极管；②二极管按用途分类：整流管、稳压管、开关管、检波二极管等；③二极管按构造特点和工艺分类：点接触型、面接触型、平面型二极管。3.二极管的类型和参数（1）.二极管的分类2AP2CP2CZ542CZ132CZ30各种二极管外观①最大整流电流IFIF是二极管长期工作允许通过的最大正向平均电流。其大小取决于PN结的面积、材料和散热条件。一般二极管的IF值可达几毫安，大功率二极管的可达几安培。工作电流不要超过IF值，否则二极管将因热击穿而烧毁。（2）.二极管的主要参数②最高反向工作电压UR保证二极管不被反向击穿而规定的最大反向电压。一般手册中给出的最高反向工作电压约为击穿电压的一半，以确保二极管安全运行。例如2AP1最高反向工作电压规定为20V，而反向击穿电压实际上大于40V。③反向饱和电流IR二极管未击穿时的反向电流值。IR越小，二极管的单向导电性越好。实际应用时应注意温度对IR的影响。（1）.稳压二极管稳压二极管是利用PN结反向击穿后具有稳压特性制作的二极管，其除了可以构成限幅电路之外，主要用于稳压电路。①稳压特性稳压二极管的电路符号及伏安特性曲线如图示。由图可见，它的正、反向特性与普通二极管基本相同。区别仅在于击穿后，特性曲线更加陡峭，即电流在很大范围内变化时(IZmin＜I＜IZmax)，其两端电压几乎不变。4.特殊二极管（a)电路符号（b)伏安特性曲线稳压二极管及其特性曲线(a)ui0IZminIZmaxUZ(b)稳定电压反向击穿区②稳压二极管的主要参数UZ是指稳压管击穿后电流为规定值时，管子两端的电压值。由于制作工艺的原因，UZ的分散性也较大。使用时可通过测量确定其准确值。稳定电压UZ额定功耗PZPZ是由管子结温限制规定的参数。PZ与PN结所用的材料、结构及工艺有关，使用时不允许超过此值。稳压电流IZIZ是稳压二极管正常工作时的参考电流。工作电流小于此值时，稳压效果差，大于此值时，稳压效果好。稳定电流的最大值IZmax有一限制，即IZmax=PZ/UZ。工作电流不允许超过此值，否则会烧坏管子。另外，工作电流也有最小值IZmax的限制，小于此值时，稳压二极管将失去稳压作用。动态电阻rZrZ是指稳压范围内电压变化量与相应的电流变化量之比。rZ=ΔUZ/ΔIZrZ值很小，约几欧到几十欧。rZ越小，即反向击穿特性越陡，稳压性能就越好。RRZUIIUI000URRZiUIIUU00U+Ui－+Uo－RLDZ+UZ－R+UR－IoIZI稳压管稳压电路工作原理当输入电压Ui波动时，会引起输出电压Uo波动。如Ui升高将引起Uo随之升高，导致稳压管的电流IZ急剧增加，使得电阻R上的电流I和电压UR迅速增大，从而使Uo基本上保持不变。反之，当Ui减小时，UR相应减小，仍可保持Uo基本不变。当负载电流Io发生变化时，引起输出电压Uo发生变化，同样会引起IZ的相应变化，使得Uo保持基本稳定。如当Io增大时，I和UR均会随之增大使得Uo下降，这将导致IZ急剧减小，使I仍维持原有数值保持UR不变，使得Uo得到稳定。稳压管稳压电路工作原理稳压管的应用iU0U0U0UiUiUV3V6V6V6V3VU9630VU7.667.00VU300)3~2(UUi+-++--RRRmax00minmin00maxIIUU＜R＜IIUUViVMi发光二极管是一种将电能转换为光能的半导体器件。它由一个PN结构成，其电路符号如图示。当发光二极管正偏时，注入到N区和P区的载流子被复合时，会发出可见光和不可见光。（2）.发光二极管1.正向压降1.1-2V;2.反向允许电压≥5V;3.正向工作电流20-30mA;4.最大正向电流60-70mA;发光二极管的主要参数：发光二极管的应用发光二极管常用来作为光源发生器、信号灯、显示器件等，除单个使用外，也用于制成七段数字显示器如图，或矩阵式，工作电流一般为几毫安至十几毫安之间。VDaVDgVDbVDfVDeVDcVDdabcdefabfgcdeabfgcde(a)(b)(c)(d)发光二极管构成七段数字显示器(a)七段数码管显示外形(b)发光二极管构成七段“８”字形数码管(c)高电平驱动连接方式（共阴极）(d)低电平驱动连接方式（共阳极）（3）.光电二极管光电二极管也叫光敏二极管是一种将光能转换为电能的半导体器件（例如：光电池，光敏二极管，光敏三极管等）。它工作在反偏状态。图示为光电二极管的电路符号。工作原理：PN结受光照后，产生电子空穴对，少数载流子数量增加；反向电流随光照的强弱而改变。S7101.最高工作电压10V;2.暗电流≤0.1μA;3.光电流≥30-80mA;4.响应时间