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电工与电子技术A(下) 电 子 技 术,教材:电工学(下)秦曾煌主编 高教出版业,主要参考:电子技术陈正传 罗会昌主编,机械工业出版社,成绩:期终考试占80%, 平时(作业)占10%, 实验占10%。 进行成绩评定办法的改革。,本课程共计66学时,其中理论课时50学时, 实验学时16学时,我们共做8个实验。,答疑安排:每周一、四晚7:309:30。 地点:实验大楼三楼C13室, 中部“电工电子教研室”。,电子技术分: 模拟电子技术, 数字电子技术。,模拟电子技术研究模拟电路, 数字电子技术研究数子电路。,模拟信号是指在时间和数值上都连续的信号。 数字信号是指在时间和数值上都不连续的信号,即所谓离散的。,t,t,第14章 二极管和晶体管,14.3 半导体二极管,14.4 稳压二极管,14.5 晶体管,14.2 PN结及其单向导电性,14.1 半导体的导电特性,14.6 光电器件,第14章 二极管和晶体管,学习电子技术,就是要掌握常用半导体器件的原理、特性,以及由这些器件所组成的电子电路的分析方法。二极管与晶体管是最常用的半导体器件,而PN结是构成各种半导体器件的基础。,14.1 半导体的导电特性,什么是半导体?,半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。 例如:硅、锗、硒以及大多数金属氧化物和硫化物都是半导体。,半导体的导电能力在不同的条件下有很大的差别。,14.1 半导体的导电特性,半导体的导电特性:,(可做成温度敏感元件,如热敏电阻)。,掺杂性:往纯净的半导体中掺入某些杂质,导电 能力明显改变(可做成各种不同用途的半导 体器件,如二极管、晶体管和晶闸管等)。,光敏性:当受到光照时,导电能力明显变化 (可做 成各种光敏元件,如光敏电阻、光敏二极 管、光敏三极管等)。,热敏性:当环境温度升高时,导电能力显著增强,14.1.1 本征半导体,完全纯净的、具有晶体结构的半导体,称为本征半导体。,晶体中原子的排列方式,硅单晶中的共价健结构,共价健,共价键中的两个电子,称为价电子。,价电子,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)。,本征半导体的导电机理,这一现象称为本征激发。,空穴,温度愈高,晶体中产生的自由电子便愈多。,自由电子,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)。,本征半导体的导电机理,当半导体两端加上外电压时,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,注意: (1) 本征半导体中载流子数目极少, 其导电性能很差; (2) 温度愈高, 载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。所以,温度对半导体器件性能影响很大。,自由电子和空穴都称为载流子。 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。,14.1.2 N型半导体和 P 型半导体,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,称为电子半导体或N型半导体。,掺入五价元素,多余电子,磷原子,在常温下即可变为自由电子,失去一个电子变为正离子,在本征半导体中掺入微量的杂质(某种元素),形成杂质半导体。,在N 型半导体中自由电子是多数载流子,空穴是少数载流子。,动画,14.1.2 N型半导体和 P 型半导体,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,称为空穴半导体或 P型半导体。,掺入三价元素,在 P 型半导体中空穴是多数载流子,自由电子是少数载流子。,硼原子,接受一个电子变为负离子,空穴,动画,无论N型或P型半导体都是中性的,对外不显电性。,1. 在杂质半导体中多子的数量与 (a. 掺杂浓度、b.温度)有关。,2. 在杂质半导体中少子的数量与 (a. 掺杂浓度、b.温度)有关。,3. 当温度升高时,少子的数量 (a. 减少、b. 不变、c. 增多)。,a,b,c,4. 在外加电压的作用下,P 型半导体中的电流 主要是 ,N 型半导体中的电流主要是 。 (a. 电子电流、b.空穴电流),b,a,14.2 PN结,PN结是通过特殊的半导体制造技术,在一块半导体基片上掺入不同的杂质,使其一边为N型半导体,另一边为P型半导体,其交界面便形成了PN结。,P 型半导体,N 型半导体,PN 结也称空间电荷区、或耗尽层、或内电场、或阻挡层。,14.2.1 PN结的形成,多子的扩散运动,少子的漂移运动,浓度差,P 型半导体,N 型半导体,内电场越强,漂移运动越强,而漂移使空间电荷区变薄。,扩散的结果使空间电荷区变宽。,扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡,空间电荷区的厚度固定不变。,动画,形成空间电荷区,14.2.2 PN结的单向导电性,1. PN 结加正向电压(正向偏置),PN 结变窄,P接正、N接负,IF,内电场被削弱,多子的扩散加强,形成较大的扩散电流。,PN 结加正向电压时,PN结变窄,正向电流较大,正向电阻较小,PN结处于导通状态。,动画,2. PN 结加反向电压(反向偏置),P接负、N接正,动画,PN 结变宽,2. PN 结加反向电压(反向偏置),内电场被加强,少子的漂移加强,由于少子数量很少,形成很小的反向电流。,IR,P接负、N接正,温度越高少子的数目越多,反向电流将随温度增加。,动画,PN 结加反向电压时,PN结变宽,反向电流较小,反向电阻较大,PN结处于截止状态。,14.3 二极管,14.3.1 基本结构,(a) 点接触型,(b)面接触型,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。,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 用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可小,用于高频整流和开关电路中。,14.3 二极管,二极管的结构示意图,14.3.2 伏安特性,硅管0.5V,锗管0.1V。,反向击穿 电压U(BR),导通压降,外加电压大于死区电压二极管才能导通。,外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿,失去单向导电性。,正向特性,反向特性,特点:非线性,硅0.60.8V锗0.20.3V,死区电压,反向电流 在一定电压 范围内保持 常数。,14.3.3 主要参数,1. 最大整流电流 IOM,二极管长期使用时,允许流过二极管的最大正向平均电流。,2. 反向工作峰值电压URWM,是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压,一般是二极管反向击穿电压UBR的一半或三分之二。二极管击穿后单向导电性被破坏,甚至过热而烧坏。,3. 反向峰值电流IRM,指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流大,说明管子的单向导电性差,IRM受温度的影响,温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小,锗管的反向电流较大,为硅管的几十到几百倍。,二极管的单向导电性,1. 二极管加正向电压(正向偏置,阳极接正、阴极接负 )时, 二极管处于正向导通状态,二极管正向电阻较小,正向电流较大。,2. 二极管加反向电压(反向偏置,阳极接负、阴极接正 )时, 二极管处于反向截止状态,二极管反向电阻较大,反向电流很小。,3. 外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿,失去单向导电性。,4. 二极管的反向电流受温度的影响,温度愈高反向电流愈大。,二极管电路分析举例,定性分析:判断二极管的工作状态,导通截止,分析方法:将二极管断开,分析二极管两端电位 的高低或所加电压UD的正负。,若 V阳 V阴或 UD为正( 正向偏置 ),二极管导通 若 V阳 V阴或 UD为负( 反向偏置 ),二极管截止,若二极管是理想的,正向导通时正向管压降为零,反向截止时二极管相当于断开。,电路如图,求:UAB,V阳 =6 V V阴 =12 V V阳V阴 二极管导通 若忽略管压降,二极管可看作短路,UAB = 6V 否则, UAB低于6V一个管压降,为6.3或6.7V,例1:,取 B 点作参考点,断开二极管,分析二极管阳极和阴极的电位。,在这里,二极管起钳位作用。,两个二极管的阴极接在一起 取 B 点作参考点,断开二极管,分析二极管阳极和阴极的电位。,V1阳 =6 V,V2阳=0 V,V1阴 = V2阴= 12 V UD1 = 6V,UD2 =12V UD2 UD1 D2 优先导通, D1截止。 若忽略管压降,二极管可看作短路,UAB = 0 V,例2:,D1承受反向电压为6 V,流过 D2 的电流为,求:UAB,在这里, D2 起钳位作用, D1起隔离作用。,ui 8V,二极管导通,可看作短路 uo = 8V ui 8V,二极管截止,可看作开路 uo = ui,已知: 二极管是理想的,试画出 uo 波形。,8V,例3:,二极管的用途: 整流、检波、 限幅、钳位、开 关、元件保护、 温度补偿等。,参考点,二极管阴极电位为 8 V,动画,14.4 稳压二极管,1. 符号,稳压二极管是一种特殊的面接触型二极管,由于它与适当阻值的电阻配合后能起稳压作用,故称稳压二极管。,稳压二极管工作于反向击穿状态,当反向电压撤去后,管子还是正常的,称可逆性击穿。,+,UZ,IZ,IZM, UZ, IZ,2. 伏安特性,稳压管正常工作时加反向电压,使用时要加限流电阻,稳压管反向击穿后,电流变化很大,但其两端电压变化很小,利用此特性,稳压管在电路中可起稳压作用。,3. 主要参数,(1) 稳定电压UZ 稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。,(2) 电压温度系数 环境温度每变化1C引起稳压值变化的百分数。,(3) 动态电阻,(4) 稳定电流 IZ 、最大稳定电流 IZM,(5) 最大允许耗散功率 PZM = UZ IZM,rZ愈小,曲线愈陡,稳压性能愈好。,4.稳压电路,Ui=UR+UO=UR+UZ=IRR+UZ,若Ui增加,则UO有增加的趋势,即UZ会增加,IZ会大大增加,使IRR大大增加,则限制了UO的增加,维持不变,反之亦然。 若负载增加,其稳压原理一样。,UO,Ui,IZ,R,DZ,UZ,IR,例:右图所示电路,UZ=8V,IZM=18mA,US=20V, 问R=500是否合适,应为多少?,解:I= =24mA18mA 不适合。 R =667,R,US-UZ,=,20-8,500,20-8,18,US=20V,R,UZ=8V,14.6光电器件,14.6.1发光二极管,有正向电流流过时,发出一定波长范围的光,目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光,它的电特性与一般二极管类似,正向电压较一般二极管高,电流为几 几十mA。,所发出光的颜色由半导体中所掺杂质决定,常见的红、黄、绿色掺入了磷砷化镓和磷化镓。,符号,14.6.2光电二极管,光电二极管是利用PN结的光敏特性,将接收到的光的变化转变为电流的变化。 反向电流随光照强度的增加而上升。,符号,光电二极管,14.6.3光电晶体管,普通晶体管是用基极电流IZ的大小来控制集电极电流,而光电晶体管是用入射光照度的强弱来控制集电极电流的。,符号,C,E,光电耦合器,光电耦合电路,UO,+5V,U,R1,R2,R3,T,14.5 晶体管,晶体管又称半导体三极管,是一种重要的半导体器件。它的放大作用和开关作用引起了电子技术的飞跃发展。,14.5.1 基本结构,晶体管的结构,目前常见的有平面型和合金型两类。硅管主要是平面型,锗管都是合金型。,而从制造型
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