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新世纪高职高专教材编审委员会组编主编王成安孟晓明(基础篇)(第三版)第1章半导体器件及其应用1.3单相整流滤波电路1.4半导体三极管1.1半导体的基础知识1.2半导体二极管1.5场效应晶体管1.6集成电路1.7直流稳压电源电路第1章半导体器件及其应用二十世纪四十年代,科学家对一直沉默于世的半导体进行深入研究后,发明了PN结,半导体顿时身价倍增,竟然成为引领世界技术革命的急先锋。PN结的奥秘在哪里,这是本章首先要探索的问题。从PN结到二极管,再从二极管到三极管,结构上仅仅多了一个PN结,却实现了半导体器件性质上的一次巨变。微弱的信号经过由三极管组成的放大器,就可以实现优美动听的歌声和绚丽多彩的图象,更可以实现系统的自动控制。从三极管到场效应管,是半导体器件发展进程的又一次飞跃,为集成电路的集成规模做出了巨大贡献。集成电路的普遍应用是电子技术得以迅速普及和提高的基础,是世界进入电子时代的桥梁。学习了二极管、三极管、场效应管和集成电路,你就会迈进奥妙无穷的电子世界,再结合实训项目亲自操作实践,你就会发现:电子世界就在你身边,学习电子技术也并不难。章首导言1.1半导体的基础知识1.1.1本征半导体纯净的半导体被称为本征半导体。目前用于制造半导体器件的材料主要有硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、碳化硅(SiC)和磷化铟(InP)等,其中以硅和锗最为常用。硅和锗都是四价元素。1.1半导体的基础知识1.1.1本征半导体1.本征半导体中的两种载流子———电子和空穴在室温下,本征半导体中少数价电子因受热而获得能量,摆脱原子核的束缚,从共价键中挣脱出来,成为自由电子。与此同时,失去价电子的硅或锗原子在该共价键上留下了一个空位,这个空位称为空穴。电子与空穴是成对出现的,所以称为电子-空穴对。1.1半导体的基础知识1.1.1本征半导体2.本征半导体的热敏特性和光敏特性温度越高或光照越强,本征半导体内的载流子数目越多,导电性能越强,这就是本征半导体的热敏特性和光敏特性。利用这种特性就可以做成各种热敏元件和光敏元件,在自动控制系统中有广泛的应用。1.1半导体的基础知识1.1.1本征半导体3.本征半导体的掺杂特性实验发现,在本征半导体中掺入微量的其他元素,会使其导电能力大大加强。掺入的微量元素称为杂质,掺入杂质后的本征半导体称为杂质半导体。杂质半导体有P型半导体和N型半导体两大类。1.1半导体的基础知识1.1.1本征半导体P型半导体如果在本征半导体中掺入三价元素,大量空穴,这种半导体叫做P型半导体。N型半导体如果在本征半导体中掺入微量五价元素,在半导体内会产生许多自由电子,这种半导体叫做N型半导体。1.1半导体的基础知识1.1.2PN结单纯的一块P型半导体或N型半导体,只能作为一个电阻元件。但是如果把P型半导体和N型半导体通过一定的制作工艺结合起来就形成了PN结。PN结是构成半导体二极管、半导体三极管、晶闸管和集成电路的基础。1.1半导体的基础知识1.1.2PN结1.PN结的形成由于P区与N区之间存在着载流子浓度的显著差异:P区空穴多、电子少;N区电子多、空穴少。所谓扩散运动,就是因浓度差而引起载流子从浓度高的区域向浓度低的区域运动。扩散的结果:交界面附近P区因空穴减少而呈现负电,N区因电子减少而呈现正电。这样,在交界面上出现了由正负离子构成的空间电荷区,这就是PN结。PN结的形式1.1半导体的基础知识1.1.2PN结2.PN结的导电特性实验发现,PN结在外加电压作用下形成了电流。外加电压的极性不同,流过PN结的电流大小有极大差别。PN结的单向导电性结论:PN结正偏时导通,PN结反偏时截止,所以PN结具有单向导电性。1.2半导体二极管1.2.1二极管的结构和符号一些常见二极管的外形和通用符号1.2半导体二极管1.2.1二极管的结构和符号一些常见二极管的外形和通用符号1.2半导体二极管1.2.1二极管的结构和符号二极管结构的示意图二极管的结构按PN结的制造工艺方式可分为点接触型、面接触型和平面型几种。平面型二极管适宜用作大功率开关管,在数字电路中有广泛的应用。1.2半导体二极管1.2.2二极管的伏安特性二极管的主要特点是单向导电性。可以通过实验来认识二极管两端的电压和流过二极管电流的关系。1.2半导体二极管1.2.2二极管的伏安特性二极管的伏安特性就是流过二极管的电流I与加在二极管两端的电压U之间的关系曲线。二极管的伏安特性曲线1.2半导体二极管1.2.2二极管的伏安特性1.正向特性(二极管加正向电压时的电流—电压关系)OA段:当外加正向电压较小时,正向电流非常小,近似为零。在这个区域内二极管实际上还没有导通,二极管呈现的电阻很大,该区域常称为“死区”。硅二极管的死区电压约为0.5V,锗管的死区电压约为0.1V。过A点后:当外加正向电压超过死区电压后,正向电流开始增加,但电流与电压不成比例。当正向电压大于0.6V以后(对锗二极管,此值约为0.2V),正向电流随正向电压增加而急速增大,基本上是线性关系。这时二极管呈现的电阻很小,可以认为二极管是处于充分导通状态。在该区域内,硅二极管的导通压降约为0.7V,锗二极管的导通压降约为0.3V。但是流过二极管的正向电流需要加以限制,不能超过规定值,否则会使PN结过热而烧坏二极管。1.2半导体二极管1.2.2二极管的伏安特性2.反向特性(二极管加反向电压时的电流—电压关系)OD段:在所加反向电压下,反向电流的值很小,且几乎不随电压的增加而增大,此电流值被叫做反向饱和电流。此时二极管呈现很高的电阻,近似处于截止状态。硅管的反向电流比锗管的反向电流小,约在1µA以下,锗管的反向电流达几十微安甚至几毫安以上。这也是现在硅管应用比较多的原因之一。过D点以后:反向电压稍有增大,反向电流就急剧增大,这种现象称为反向击穿。二极管发生反向击穿时所加的电压叫做反向击穿电压。一般的二极管是不允许工作在反向击穿区的,因为这将导致PN结的反向导通而失去单向导电的特性。综上所述,可知二极管的伏安特性是非线性的,二极管是一种非线性元件。1.2半导体二极管1.2.3半导体器件型号命名法1.2半导体二极管1.2.4二极管的主要参数1.最大整流电流IF最大整流电流IF是指二极管长期工作时允许通过的最大正向直流电流。IF与二极管的材料、面积及散热条件有关。点接触型二极管的IF较小,而面接触型二极管的IF较大。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。1.2半导体二极管1.2.4二极管的主要参数2.最大反向工作电压URM最大反向工作电压URM是指二极管在工作时所能承受的最大反向电压值。通常以二极管反向击穿电压的一半作为二极管最大的反向工作电压,二极管在实际使用时的电压不应超过此值,否则当温度变化较大时,二极管就有发生反向击穿的危险。1.2半导体二极管1.2.5特殊二极管介绍1.硅稳压二极管硅稳压二极管(简称稳压管)是一种用特殊工艺制造的面结合型硅半导体二极管。它工作在反向击穿区,在规定的电流范围内使用时,不会因击穿而损坏。因为二极管在反向击穿区内,其电流变化很大而电压基本不变,利用这一特性可实现直流电压的稳定。硅稳压管的伏安特性及符号1.2半导体二极管1.2.5特殊二极管介绍1.硅稳压二极管在实际中使用稳压二极管要满足两个条件:一是要反向运用,即稳压二极管的负极接高电位,正极接低电位,使管子反向偏置,保证管子工作在反向击穿状态;二是要有限流电阻配合使用,保证流过管子的电流在允许范围内。稳压管常用电路1.2半导体二极管1.2.5特殊二极管介绍稳压管的主要参数①稳定电压UZ②稳定电流IZ稳压管的稳压过程①负载不变,输入电压变化②输入电压UI不变,负载RL变化稳压管和限流电阻的选择①稳压管的选择②限流电阻的选择1.2半导体二极管1.2.5特殊二极管介绍TL431的外型、符号和应用电路。只要选择合适的精密电阻R1和R2,则输出电压:UO=(1+R1/R2)UZminTL431的外形、符号及应用电路1.2半导体二极管1.2.5特殊二极管介绍2.发光二极管发光二极管(LED)是一种光发射器件,能把电能直接转化成光能。发光二极管伏安特性和符号1.2半导体二极管1.2.5特殊二极管介绍3.光电二极管光电二极管又称光敏二极管,是一种光接收器件,其PN结工作在反偏状态。光敏二极管结构及符号1.2半导体二极管1.2.5特殊二极管介绍4.变容二极管变容二极管是利用PN结的电容效应工作的,它工作于反向偏置状态,它的电容量与反偏电压大小有关。改变变容二极管的直流反偏电压,就可以改变电容量。变容二极管被广泛应用于谐振回路中。1.2半导体二极管1.2.5特殊二极管介绍5.激光二极管激光(是英文Laser的意译)是由人造的激光器产生的,在自然界中尚未有发现。激光器分为固体激光器、气体激光器和半导体激光器。半导体激光器是所有激光器中效率最高、体积最小的一种,现在已投入使用的半导体激光器是砷化镓激光器,即激光二极管。1.2半导体二极管1.2.6半导体二极管的应用1.整流所谓整流,就是将交流电变成脉动直流电。利用二极管的单向导电性可组成单相和三相整流电路,再经过滤波和稳压,就可以得到平稳的直流电。整流部分的具体应用在后面还要详述。1.2半导体二极管1.2.6半导体二极管的应用2.钳位利用二极管正向导通时压降很小的特性,可组成钳位电路。二极管钳位电路1.2半导体二极管1.2.6半导体二极管的应用3.限幅利用二极管导通后压降很小且基本不变的特性,可以构成限幅电路,使输出电压幅度限制在某一电压值内。二极管限幅电路及波形1.2半导体二极管1.2.6半导体二极管的应用4.元件保护在电子电路中,常利用二极管来保护其它元器件免受过高电压的损害。二极管保护电路1.2半导体二极管1.2.6半导体二极管的应用5.定向人们在日常生活中使用的电话机,连接在由电信公司引来的两根电话线上。也许你并不注意,电话机不仅通过这两根线传递信号,还要靠它提供电话机电路所需的直流电。其实在电话机里,设计人员已经安装了一个电源定向电路,它能保证电话机的两根线无论怎样连接,都能使电路得到正确的电源电压。定向电路1.3单相整流滤波电路1.3.1半波整流电路1.半波整流电路的组成和工作原理图是单相半波整流电路,变压器T将电网的正弦交流电u1变成u2,设半波整流电路在变压器副边电压u2的正半周期间,二极管VD正偏导通,电流经过二极管流向负载,在负载电阻RL上得到一个极性为上正下负的电压,即u0=u2。1.3单相整流滤波电路1.3.1半波整流电路2.负载上直流电压和电流的估算在半波整流的情况下,负载两端的直流电压可由下式计算:UO=0.45U2负载中的电流:IO=0.45U2/RL1.3单相整流滤波电路1.3.1半波整流电路3.二极管的选择在半波整流电路中,二极管中的电流任何时候都等于输出电流,所以在选用二极管时,二极管的最大正向电流IF应大于负载电流IO。二极管的最大反向电压就是变压器副边电压的最大值。根据IF和URM的值,查阅半导体手册就可以选择到合适的二极管。半波整流的波形图1.3单相整流滤波电路1.3.2单相桥式整流电路1.电路组成和工作原理桥式整流电路中的四只二极管可以是四只分立的二极管,也可以是一个内部装有四个二极管的桥式整流器(桥堆)。桥式整流电路1.3单相整流滤波电路1.3.2单相桥式整流电路2.负载上直流电压和电流的估算桥式整流输出电压波形的面积是半波整流时的两倍,所以输出的直流电压UO也是半波时的两倍,即:UO=0.9U2输出电流IO:IO=0.9U2/RL1.3单相整流滤波电路1.3.2单相桥式整流电路桥式整流电路1.3单相整流滤波电路1.3.2单相桥式整流电路3.二极管的选择在桥式整流电路中,由于四只二极管两两轮流导电,即每只二极管都只是在半个周期内导通,所以每个二极管流过的平均电流是输出电流平均值的一半,即:IF=IO/2二极管的最大反向峰值电压:URM=U21.3单相整流滤波电路1.3.2单相桥式整流电路3.二极管的选择桥式整流的组合器件,通常叫做桥堆。它是将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