电工及工业电子学

WXHWXHWXHWXHWXHWXH2019年8月4日星期日《电工及工业电子学》之电子技术主讲人：王相海WXHWXHWXHWXHWXHWXH2019年8月4日星期日•半导体二极管和三极管是最常用的半导体器件。它们的基本结构、工作原理、特性和参数是学习电子技术和分析电子线路必不可少的基础，而PN结又是构成各种半导体器件的共同基础。因此，本章从讨论半导体的导电特性和PN结的基本原理（特别是它的单向导电性）开始，然后介绍二极管和三极管，为以后的学习打下基础。第十五章半导体二极管和三极管WXHWXHWXHWXHWXHWXH2019年8月4日星期日第十五章半导体二极管和三极管15-1.半导体的导电特性15-2.PN结15-5.半导体三极管15-3.半导体二极管15-4.稳压管WXHWXHWXHWXHWXHWXH2019年8月4日星期日•一、什么叫半导体（Semiconductors）15-1、半导体的导电特性导电能力介于导体与绝缘体之间的物体，都是半导体。二、半导体的导电特性：1、温度特性2、光照特性3、电磁特性利用这些特性可做成不同类型的传感器很多半导体的导电能力在不同条件下有很大的差别。如：硅、锗、硒、砷化镓以及大多数金属氧化物和硫化物等都是半导体。WXHWXHWXHWXHWXHWXH2019年8月4日星期日三、本征半导体K层L层M层N层Si1s22s22p63s23p2Ge1s22s22p63s23p63d104s24p2用得最多的半导体是锗和硅。Si(14)Ge(32)82184+4•都是四价元素。它们的化学性质是一样的，但要注意，Si和Ge的最外层的4个电子所受到束缚力是不一样的，Si的束缚力大，Ge的束缚力小。+32+14WXHWXHWXHWXHWXHWXH2019年8月4日星期日•所有物质根据原子的排列形式可分为晶体和非晶体。本征半导体就是完全纯净的，具有晶体结构的半导体。三、本征半导体我们将半导体提纯以后，所有的原子基本上都是整齐排列在一起，这种结构称为晶体结构。所以我们也常把半导体称为晶体。WXHWXHWXHWXHWXHWXH2019年8月4日星期日+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子空穴电子空穴对WXHWXHWXHWXHWXHWXH2019年8月4日星期日+4+4+4+4+4+4+4+4+4RE电子电流空穴电流电子和空穴称为载流子IWXHWXHWXHWXHWXHWXH2019年8月4日星期日四、N型半导体（电子半导体）（Negative负的字头）+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5+5多数载流子少数载流子特点：两种载流子导电，导电能力加强。WXHWXHWXHWXHWXHWXH2019年8月4日星期日五、P型半导体（Positive正)+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3+3多数载流子少数载流子特点：两种载流子导电，导电能力加强。WXHWXHWXHWXHWXHWXH2019年8月4日星期日§15-2PN结•一、PN结的形成PNPN空间电荷区1、浓度差引起载流子的扩散运动2、扩散运动形成PN结阻挡层或耗尽层扩散运动首先在交界面附近进行，由于多子的扩散与复合，就在交界面附近留下了带正电离子（受到晶格的束缚不能参入导电），从而出现了一个带正电和负电的空间电荷区，这一电荷区我们称为PN结，由于PN结中没有导电离子，所以又叫阻挡层或耗尽层。3、动态平衡时PN结中的电流：扩散电流等于漂移电流，PN结中的电流为零。不对称结：浓度高的结窄对称结：WXHWXHWXHWXHWXHWXH2019年8月4日星期日二、PN结的单向导电特性•1、加正向偏置（导通）P+，N-，扩散大于漂移•2、加反向偏置（截止）P-，N+，漂移大于扩散•反向饱和电流基本不变E311WXHWXHWXHWXHWXHWXH2019年8月4日星期日三、PN结的击穿•1、齐纳击穿：（击穿电压低）4伏以下。•浓度高时，PN结窄，在同样电压下，反向电场很强，从而破坏共价键的结构，把电子拉出来。•2、雪崩击穿：（击穿电压高）6伏以上。•浓度低时，：PN结宽，电子在PN结中被加速，当遇到价电子时，就可以把其撞出来。•4伏~6伏，两种情况都可能•电击穿WXHWXHWXHWXHWXHWXH2019年8月4日星期日§15-3半导体二极管•一、基本结构和符号1、点接触型2、面接触型3、符号二、伏安特性二极管的正向偏置和反向偏置与PN结相同，只多了二条引出线。正向扩散电流大，反向漂移电流小。WXHWXHWXHWXHWXHWXH2019年8月4日星期日三、主要参数•1、最大整流电流IOM•最大正向平均电流。•2、反向工作峰值电压URWM•保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压。一般是U（BR）的一半或三分之二。•3、反向峰值电流IRM•二极管反向峰值电压时反向电流值。WXHWXHWXHWXHWXHWXH2019年8月4日星期日四、主要应用•1、整流•2、限幅•3、箝位•4、检波WXHWXHWXHWXHWXHWXH2019年8月4日星期日二极管电路的分析方法如下•①设二极管支路为开路即断开二极管•②求二极管两端的电压U，如U大于死区电压则二极管导通，且U=死区电压。如U小于死区电压则二极管截止，与二极管串联支路上无电流。•例：P13，例15-1，15-2自已看（自学）WXHWXHWXHWXHWXHWXH2019年8月4日星期日例题例：电路如图所示，已知E=5V，ui=10sinωtV，二极管的正向压降可忽略不计，试画出uo的波形RDEu0ui0ωtuiu0解：WXHWXHWXHWXHWXHWXH2019年8月4日星期日§15-4.稳压管•稳压管是一种特殊的面接触型二极管。它在电路中常用作稳定电压的作用，故称为稳压管。稳压管的图形符号：稳压管的伏安特性：U(V)0.400.8-8-4I(mA)204010-20-1030-12反向正向稳压管的伏安特性曲线与普通二极管类似，只是反向曲线更陡一些。WXHWXHWXHWXHWXHWXH2019年8月4日星期日一、稳压管的使用•稳压管工作于反向击穿区，常见电路如下。UiRUoRLU(V)0.400.8-8-4I(mA)204010-20-1030-12反向正向在电路中稳压管是反向联接的。当Ui大于稳压管的击穿电压时，稳压管被击穿，电流将增大，电阻R两端的电压增大，在一定的电流范围内稳压观两端的电压基本不变，输出电压Ui等于Uz。WXHWXHWXHWXHWXHWXH2019年8月4日星期日二、稳压管的主要参数1、稳定电压Uz指稳压管正常工作时的端电压。（其数值具有分散性）2、稳定电流IZ正常工作的参考电流值。低于此值稳压效果差。在不超过额定功率的前提下，高于此值稳压效果好，即工作电流越大稳压效果越好。U(V)0I(mA)反向正向WXHWXHWXHWXHWXHWXH2019年8月4日星期日3、动态电阻rZ稳压管子端电压和通过其电流的变化量之比。稳压管的反向伏安特性曲线越陡，则动态电阻越小，稳压效果越好。ZZZIUr4、最大允许耗散功耗PZM保证稳压管不发生热击穿的最大功率损耗。其值为稳定电压和允许的最大电流乘积maxZZZMIUPU(V)0I(mA)反向正向WXHWXHWXHWXHWXHWXH2019年8月4日星期日5、电压温度系数U说明稳压值受温度影响的参数。如：稳压管2CW18的电压温度系数为0.095%/C假如在20C时的稳压值为11V，当温度升高到50C时的稳压值将为V3.1111)2050(100095.011特别说明：稳压管的电压温度系数有正负之别。0V6UV6U0V6UUZUZUZ很小因此选用6V左右的稳压管，具有较好的温度稳定性。WXHWXHWXHWXHWXHWXH2019年8月4日星期日§15-5.半导体三极管半导体三极管(晶体管)是最重要的一种半导体器件。广泛应用于各种电子电路中。一.基本结构晶体管最常见的结构有平面型和合金型两种。平面型都是硅管、合金型主要是锗管。它们都具有NPN或PNP的三层两结的结构，因而又有NPN和PNP两类晶体管。其三层分别称为发射区、基区和集电区，并引出发射极(E)、基极(B)和集电极(C)三个电极。三层之间的两个PN结分别称为发射结和集电结。本节介绍晶体管的结构、特性及参数的内容。E312WXHWXHWXHWXHWXHWXH2019年8月4日星期日N型硅P型N型二氧化硅保护膜CBE平面型结构N型锗铟球铟球P型P型CEB合金型结构NPP发射区集电区基区发射结集电结CBEBECBECNNP发射结集电结集电区基区CBE发射区WXHWXHWXHWXHWXHWXH2019年8月4日星期日半导体三极管有两个PN结，在性能上有质的变化，主要表现在放大作用上。下面我们来一组实验数据。各区的特点（放大元件结构特点）：发射区浓度高基区薄而且浓度低集电区面积大WXHWXHWXHWXHWXHWXH2019年8月4日星期日二.电流分配和放大原理NPN型和PNP型晶体管的工作原理相似，本章只讨论前者。为了了解晶体管的放大原理和其中电流的分配，我们先做一个实验，实验电路如图所示。RBuAmAmAIBIEEBECIC把晶体管接成两个电路：1、基极电路2、集电极电路发射极是公共端，因此这种接法称为晶体管的共发射极接法。WXHWXHWXHWXHWXHWXH2019年8月4日星期日如果用的是NPN型晶体管，电源EB和EC的极性必须照图中那样接法，使发射结上加上正向电压（正向偏置），由于EB＜EC，集电结上加的是反向电压（反向偏置），晶体管才能起到放大作用。二.电流分配和放大原理RBuAmAmAIBIEEBECIC外部条件WXHWXHWXHWXHWXHWXH2019年8月4日星期日通过实验及测量结果，得：(1).BCEIIIIC(或IE)比IB大得多，(如表中第三、四列数据)5.3704.050.1BCII3.38064.030.2BCII0.0010.721.542.363.184.05IE(mA)0.0010.701.502.303.103.95IC(mA)00.020.040.060.080.10IB(mA)WXHWXHWXHWXHWXHWXH2019年8月4日星期日4002.080.004.006.05.130.2IIBC(4).要使晶体管起放大作用，发射结必须正向偏置、集电结必须反向偏置——具有放大作用的外部条件。这就是晶体管的电流放大作用，IB的微小变化可以引起IC的较大变化(第三列与第四列的电流增量比)。0.0010.721.542.363.184.05IE(mA)0.0010.701.502.303.103.95IC(mA)00.020.040.060.080.10IB(mA)(3).当IB=0(基极开路)时，IC也很小(约为1微安以下)。WXHWXHWXHWXHWXHWXH2019年8月4日星期日晶体管加上一定的电压为什么就会有放大作用呢？要了解这个问题，就要从晶体管的内部运动规律来解释。WXHWXHWXHWXHWXHWXH2019年8月4日星期日1、发射区向基区扩散电子——内部载流子运动规律发射结处于正向偏置，掺杂浓度较高的发射区向基区进行多子扩散。放大作用的内部条件：基区很薄且掺杂浓度很低。2、电子在基区的扩散和复合基区厚度很小，电子在基区继续向集电结扩散。（但有少部分与空穴复合而形成IBEIB）。（非平衡少数载流子的扩散）电流放大作用原理WXHWXHWXHWXHWXHWXH2019年8月4日星期日3、集电区收集扩散电子集电结为反向偏置使内电场增强，对从基区扩散进入集电结的电子具有加速作用而把电子收集到集电区，形成集电极电流(ICEIC)。由电流分配关系示意图可知发射区向基区注入的电子电流IE将分成两部分ICE和IBE，它们的比值为BCCBOBCBOCBECEIIIIIIII它表示晶体管的电流放大能力，称为电流放大系数。WXHWXHWXHWXHWXHWXH2019年8月4日星期日•在晶