《電子技術(shù)基礎(chǔ)》教學(xué)課件PPT.ppt

電子技術(shù)基礎(chǔ),主編：劉秋香,制作：劉秋香,2014年9月,歡迎學(xué)習(xí),第1章 電子技術(shù)中常用半導(dǎo)體器件,第2章 基本放大電路,第3章 集成運(yùn)算放大器,第4章 數(shù)字邏輯基礎(chǔ),第6章 觸發(fā)器,第8章 存儲器,第9章 數(shù)/模和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器,第5章 邏輯門與組合邏輯電路,第7章 時序邏輯電路,電子技術(shù)基礎(chǔ),第1章 半導(dǎo)體基礎(chǔ)與常用器件,1.1 半導(dǎo)體的基本知識,1.2 半導(dǎo)體二極管,1.3 特殊二極管,1.4 雙極型三極管,1.5 單極型三極管,學(xué)習(xí)目的與要求,了解本征半導(dǎo)體、P型和N型半導(dǎo)體的特征及PN結(jié)的形成過程；熟悉二極管的伏安特性及其分類、用途；理解三極管的電流放大原理，掌握其輸入和輸出特性的分析方法；理解雙極型和單極型三極管在控制原理上的區(qū)別；初步掌握工程技術(shù)人員必需具備的分析電子電路的基本理論、基本 知識和基本技能。,1.1 半導(dǎo)體的基本知識,繞原子核高速旋轉(zhuǎn)的核外電子帶負(fù)電。,自然界的一切物質(zhì)都是由分子、原子組成的。 原子又由一個帶正電的原子核和在它周圍高速旋轉(zhuǎn)著的帶有負(fù)電的電子組成。,原子結(jié)構(gòu)中：,原子核中有質(zhì)子和中子， 其中質(zhì)子帶正電，中子不帶 電。,1. 導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體,（1） 導(dǎo)體,導(dǎo)體的最外層電子數(shù)通常是13個，且距原子核較遠(yuǎn)，因此受原子核的束縛力較小。由于溫度升高、振動等外界的影響，導(dǎo)體的最外層電子就會獲得一定能量，從而掙脫原子核的束縛而游離到空間成為自由電子。因此，導(dǎo)體在常溫下存在大量的自由電子，具有良好的導(dǎo)電能力。常用的導(dǎo)電材料有銀、銅、鋁、金等。,導(dǎo)體的特點(diǎn)：,內(nèi)部含有大量的自由電子,（2） 絕緣體,絕緣體的最外層電子數(shù)一般為68個，且距原子核較近，因此受原子核的束縛力較強(qiáng)而不易掙脫其束縛。 常溫下絕緣體內(nèi)部幾乎不存在自由電子，因此導(dǎo)電能力極差或不導(dǎo)電。 常用的絕緣體材料有橡膠、云母、陶瓷等。,絕緣體的特點(diǎn)：,內(nèi)部幾乎沒有自由電子，因此不導(dǎo)電。,（3） 半導(dǎo)體,半導(dǎo)體的最外層電子數(shù)一般為4個，在常溫下存在的自由電子數(shù)介于導(dǎo)體和絕緣體之間，因而在常溫下半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力也是介于導(dǎo)體和絕緣體之間。 常用的半導(dǎo)體材料有硅、鍺、硒等。,半導(dǎo)體的特點(diǎn)：,導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間，但具有光敏性、熱敏性和參雜性的獨(dú)特性能，因此在電子技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用。,金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)率一般在105s/cm量級；塑料、云母等絕 緣體的電導(dǎo)率通常是10-2210-14s/cm量級；半導(dǎo)體的電導(dǎo)率 則在10-9102s/cm量級。,半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力雖然介于導(dǎo)體和絕緣體之間，但半導(dǎo) 體的應(yīng)用卻極其廣泛，這是由半導(dǎo)體的獨(dú)特性能決定的：,光敏性半導(dǎo)體受光照后，其導(dǎo)電能力大大增強(qiáng)；,熱敏性受溫度的影響，半導(dǎo)體導(dǎo)電能力變化很大；,摻雜性在半導(dǎo)體中摻入少量特殊雜質(zhì)，其導(dǎo)電 能力極大地增強(qiáng)；,半導(dǎo)體材料的獨(dú)特性能是由其內(nèi)部的導(dǎo)電機(jī)理所決定的。,2. 半導(dǎo)體的獨(dú)特性能,3. 本征半導(dǎo)體,最常用的半導(dǎo)體為硅(Si)和鍺(Ge)。它們的共同特征是四價 元素，即每個原子最外層電子數(shù)為4個。,Si(硅原子),Ge(鍺原子),硅原子和鍺原子的簡化模型圖,因為原子呈電中性，所以簡化模型圖中的原子核只用帶圈的+4符號表示即可。,天然的硅和鍺是不能制作成半導(dǎo)體器件的。它們必須先經(jīng)過高度提純，形成晶格結(jié)構(gòu)完全對稱的本征半導(dǎo)體。,本征半導(dǎo)體原子核最外層的價電子都是4個，稱為四價元 素，它們排列成非常整齊的晶格結(jié)構(gòu)。在本征半導(dǎo)體的晶格 結(jié)構(gòu)中，每一個原子均與相鄰的四個原子結(jié)合，即與相鄰四 個原子的價電子兩兩組成電子對，構(gòu)成共價鍵結(jié)構(gòu)。,實(shí)際上半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)是三維的。,晶格結(jié)構(gòu),共價鍵結(jié)構(gòu),從共價鍵晶格結(jié)構(gòu)來看，每個原子外層都具有8個價電子。但價電子是相鄰原子共用，所以穩(wěn)定性并不能象絕緣體那樣好。,在游離走的價電子原位上留下一個不能移動的空位，叫空穴。,受光照或溫度上升影響，共價鍵中價電子的熱運(yùn)動加劇，一些價電子會掙脫原子核的束縛游離到空間成為自由電子。,由于熱激發(fā)而在晶體中出現(xiàn)電子空穴對的現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。,本征激發(fā)的結(jié)果，造成了半導(dǎo)體內(nèi)部自由電子載流子運(yùn)動的產(chǎn)生，由此本征半導(dǎo)體的電中性被破壞，使失掉電子的原子變成帶正電荷的離子。,由于共價鍵是定域的，這些帶正電的離子不會移動，即不能參 與導(dǎo)電，成為晶體中固定不動的帶正電離子。,受光照或溫度上升影響，共價鍵中其它一些價電子直接跳進(jìn)空穴，使失電子的原子重新恢復(fù)電中性。,價電子填補(bǔ)空穴的現(xiàn)象稱為復(fù)合。,此時整個晶體帶電嗎？為什么？,參與復(fù)合的價電子又會留下一個新的空位，而這個新的 空穴仍會被鄰近共價鍵中跳出來的價電子填補(bǔ)上，這種價 電子填補(bǔ)空穴的復(fù)合運(yùn)動使本征半導(dǎo)體中又形成一種不同 于本征激發(fā)下的電荷遷移，為區(qū)別于本征激發(fā)下自由電子 載流子的運(yùn)動，我們把價電子填補(bǔ)空穴的復(fù)合運(yùn)動稱為空 穴載流子運(yùn)動。,半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理與金屬導(dǎo)體導(dǎo)電機(jī)理有本質(zhì)上的區(qū)別： 金屬導(dǎo)體中只有自由電子一種載流子參與導(dǎo)電；而半導(dǎo)體中 則是由本征激發(fā)產(chǎn)生的自由電子和復(fù)合運(yùn)動產(chǎn)生的空穴兩種 載流子同時參與導(dǎo)電。兩種載流子電量相等、符號相反，電 流的方向為空穴載流子的方向即自由電子載流子的反方向。,自由電子載流子運(yùn)動可以形 容為沒有座位人的移動；空穴 載流子運(yùn)動則可形容為有座位 的人依次向前挪動座位的運(yùn)動。 半導(dǎo)體內(nèi)部的這兩種運(yùn)動總是 共存的，且在一定溫度下達(dá)到 動態(tài)平衡。,半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理,本征半導(dǎo)體雖然有自由電子和空穴兩種載流子，但由于數(shù) 量極少導(dǎo)電能力仍然很低。如果在其中摻入某種元素的微量 雜質(zhì)，將使摻雜后的雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能大大增強(qiáng)。,五價元素磷(P),摻入磷雜質(zhì)的硅半導(dǎo)體晶格中，自由電子的數(shù)量大大增加。因此自由電子是這種半導(dǎo)體的導(dǎo)電主流。,在室溫情況下，本征硅中的磷雜質(zhì)等于10-6數(shù)量級時，電 子載流子的數(shù)目將增加幾十萬倍。摻入五價元素的雜質(zhì)半導(dǎo) 體由于自由電子多而稱為電子型半導(dǎo)體，也叫做N型半導(dǎo)體。,4. 本征半導(dǎo)體,三價元素硼(B),摻入硼雜質(zhì)的硅半導(dǎo)體晶格中，空穴載流子的數(shù)量大大增加。因此空穴是這種半導(dǎo)體的導(dǎo)電主流。,一般情況下，雜質(zhì)半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子的數(shù)量可達(dá)到少數(shù) 載流子數(shù)量的1010倍或更多，因此，雜質(zhì)半導(dǎo)體比本征半導(dǎo)體 的導(dǎo)電能力可增強(qiáng)幾十萬倍。,摻入三價元素的雜質(zhì)半導(dǎo)體，由于空穴載流子的數(shù)量大大于自 由電子載流子的數(shù)量而稱為空穴型半導(dǎo)體，也叫做P型半導(dǎo)體。 在P型半導(dǎo)體中，多數(shù)載流子是空穴，少數(shù)載流子是自由電 子，而不能移動的離子帶負(fù)電。,不論是N型半導(dǎo)體還是P型半導(dǎo)體，其中的多子和少子的 移動都能形成電流。但是，由于多子的數(shù)量遠(yuǎn)大于少子的 數(shù)量，因此起主要導(dǎo)電作用的是多數(shù)載流子。,注意：,摻入雜質(zhì)后雖然形成了N型或P型半導(dǎo)體，但整個半 導(dǎo)體晶體仍然呈電中性。,一般可近似認(rèn)為多數(shù)載流子的數(shù)量與雜質(zhì)的濃度相等。,P型半導(dǎo)體中的空穴多于自由電子，是否意味著帶正電？,自由電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電的區(qū)別在哪里？空穴載流子的形成是否由自由電子填補(bǔ)空穴的運(yùn)動形成的？,想想 練練,5. PN結(jié)及其形成過程,PN結(jié)的形成,雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力雖然比本征半導(dǎo)體極大增強(qiáng)，但它 們并不能稱為半導(dǎo)體器件。在電子技術(shù)中，PN結(jié)是一切半導(dǎo) 體器件的“元概念”和技術(shù)起始點(diǎn)。,P區(qū),N區(qū),空間電荷區(qū),內(nèi)電場,動畫演示,PN結(jié)形成的過程中，多數(shù)載流子的擴(kuò)散和少數(shù)載流子的漂移共存。開始時多子的擴(kuò)散運(yùn)動占優(yōu)勢，擴(kuò)散運(yùn)動的結(jié)果使PN結(jié)加寬，內(nèi)電場增強(qiáng)；另一方面，內(nèi)電場又促使了少子的漂移運(yùn)動：P區(qū)的少子電子向N區(qū)漂移，補(bǔ)充了交界面上N區(qū)失去的電子，同時， N區(qū)的少子空穴向P區(qū)漂移，補(bǔ)充了原交界面上P區(qū)失去的空穴，顯然漂移運(yùn)動減少了空間電荷區(qū)帶電離子的數(shù)量，削弱了內(nèi)電場，使PN結(jié)變窄。最后，擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動達(dá)到動態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的寬度基本穩(wěn)定，即PN結(jié)形成。,PN結(jié)內(nèi)部載流子基本為零，因此導(dǎo)電率很低，相當(dāng)于介質(zhì)。 但PN結(jié)兩側(cè)的P區(qū)和N區(qū)導(dǎo)電率很高，相當(dāng)于導(dǎo)體，這一點(diǎn)和 電容比較相似，所以說PN結(jié)具有電容效應(yīng)。,4. PN結(jié)的單向?qū)щ娦?PN結(jié)反向偏置時的情況,PN結(jié)的單向?qū)щ娦?PN結(jié)的上述“正向?qū)?，反向阻斷”作用，說明它具有單向 導(dǎo)電性，PN結(jié)的單向?qū)щ娦允撬鼧?gòu)成半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。,由于常溫下少數(shù)載流子的數(shù)量不多，故反向電流很小，而 且當(dāng)外加電壓在一定范圍內(nèi)變化時，反向電流幾乎不隨外加 電壓的變化而變化，因此反向電流又稱為反向飽和電流。反 向飽和電流由于很小一般可以忽略，從這一點(diǎn)來看，PN結(jié)對 反向電流呈高阻狀態(tài)，也就是所謂的反向阻斷作用。 值得注意的是，由于本征激發(fā)隨溫度的升高而加劇，導(dǎo)致 電子空穴對增多，因而反向電流將隨溫度的升高而成倍增 長。反向電流是造成電路噪聲的主要原因之一，因此，在設(shè) 計電路時，必須考慮溫度補(bǔ)償問題。,PN結(jié)中反向電流的討論,2. 半導(dǎo)體受溫度和光照影響，產(chǎn)生本征激發(fā)現(xiàn)象而出現(xiàn)電子、空穴對；同時，其它價電子又不斷地 “轉(zhuǎn)移跳進(jìn)”本征激發(fā)出現(xiàn)的空穴中，產(chǎn)生價電子與空穴的復(fù)合。在一定溫度下，電子、空穴對的激發(fā)和復(fù)合最終達(dá)到動態(tài)平衡狀態(tài)。平衡狀態(tài)下，半導(dǎo)體中的載流子濃度一定，即反向電流的數(shù)值基本不發(fā)生變化。,1. 半導(dǎo)體中少子的濃度雖然很低 ，但少子對溫度非常敏感，因此溫度對半導(dǎo)體器件的性能影響很大。而多子因濃度基本上等于雜質(zhì)原子的摻雜濃度，所以說多子的數(shù)量基本上不受溫度的影響。,4. PN結(jié)的單向?qū)щ娦允侵福篜N結(jié)正向偏置時，呈現(xiàn)的電阻很小幾乎為零，因此多子構(gòu)成的擴(kuò)散電流極易通過PN結(jié)；PN結(jié)反向偏置時，呈現(xiàn)的電阻趨近于無窮大，因此電流無法通過被阻斷。,3. 空間電荷區(qū)的電阻率很高，是指其內(nèi)電場阻礙多數(shù)載流子擴(kuò)散運(yùn)動的作用，由于這種阻礙作用，使得擴(kuò)散電流難以通過空間電荷區(qū)，即空間電荷區(qū)對擴(kuò)散電流呈現(xiàn)高阻作用。,學(xué)習(xí)與歸納,6. PN結(jié)的反向擊穿問題,PN結(jié)反向偏置時，在一定的電壓范圍內(nèi)，流過PN結(jié)的電流很小，基本上可視為零值。但當(dāng)電壓超過某一數(shù)值時，反向電流會急劇增加，這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)反向擊穿。 反向擊穿發(fā)生在空間電荷區(qū)。擊穿的原因主要有兩種：,當(dāng)PN結(jié)上加的反向電壓大大超過反向擊穿電壓時，處在強(qiáng) 電場中的載流子獲得足夠大的能量碰撞晶格，將價電子碰撞 出來，產(chǎn)生電子空穴對，新產(chǎn)生的載流子又會在電場中獲得 足夠能量，再去碰撞其它價電子產(chǎn)生新的電子空穴對，如此 連鎖反應(yīng)，使反向電流越來越大，這種擊穿稱為雪崩擊穿。 雪崩擊穿屬于碰撞式擊穿，其電場較強(qiáng)，外加反向電壓相 對較高。通常出現(xiàn)雪崩擊穿的電壓均在7V以上。,(1)雪崩擊穿,當(dāng)PN結(jié)兩邊的摻雜濃度很高，阻擋層又很薄時，阻擋層內(nèi)載流子與中性原子碰撞的機(jī)會大為減少，因而不會發(fā)生雪崩擊穿。,(2)齊納擊穿,PN結(jié)非常薄時，即使阻擋層兩端加的反向電壓不大，也 會產(chǎn)生一個比較強(qiáng)的內(nèi)電場。這個內(nèi)電場足以把PN結(jié)內(nèi)中 性原子的價電子從共價鍵中拉出來，產(chǎn)生出大量的電子 空穴對，使PN結(jié)反向電流劇增，這種擊穿現(xiàn)象稱為齊納擊 穿?？梢?，齊納擊穿發(fā)生在高摻雜的PN結(jié)中，相應(yīng)的擊穿電壓較低，一般均小于5V。,雪崩擊穿是一種碰撞的擊穿，齊納擊穿是一種場效應(yīng)擊 穿，二者均屬于電擊穿。電擊穿過程通?？赡妫褐灰杆?把PN結(jié)兩端的反向電壓降低，PN結(jié)就可恢復(fù)到原來狀態(tài)。 利用電擊穿時PN結(jié)兩端電壓變化很小電流變化很大的特 點(diǎn)，人們制造出工作在反向擊穿區(qū)的穩(wěn)壓管。,若PN結(jié)兩端加的反向電壓過高，反向電流將急劇增長， 造成PN結(jié)上熱量的不斷積累，從而引起結(jié)溫持續(xù)升高，當(dāng) 這個溫度超過PN結(jié)的最大允許結(jié)溫時，PN結(jié)就會發(fā)生熱擊 穿，熱擊穿將使PN結(jié)永久損壞。 熱擊穿的過程是不可逆的，應(yīng)當(dāng)盡量避免發(fā)生。,(3)熱擊穿,能否說出PN結(jié)有何特性？半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理與金屬導(dǎo)體有何不同？,什么是本征激發(fā)？什么是復(fù)合？少數(shù)載流子和多數(shù)載流子是如何產(chǎn)生的 ？,想想 練練,1.2 半導(dǎo)體二極管,把PN結(jié)用管殼封裝，然后在P區(qū)和N區(qū)分別向外引出一 個電極，即可構(gòu)成一個二極管。二極管是電子技術(shù)中最基 本的半導(dǎo)體器件之一。根據(jù)其用途分有檢波管、開關(guān)管、 穩(wěn)壓管和整流管等。,硅高頻檢波管,開關(guān)管,穩(wěn)壓管,整流管,發(fā)光二極管,電子工程實(shí)際中，二極管應(yīng)用得非常廣泛，上圖所示即為各類二極管的部分產(chǎn)品實(shí)物圖。,1. 二極管的基本結(jié)構(gòu)和類型,點(diǎn)接觸型：結(jié)面積小，適用于 高頻檢波、脈沖電路及計算機(jī) 中的開關(guān)元件。,外殼,觸絲,N型鍺片,正極引線,負(fù)極引線,面接觸型：結(jié)面積大，適用于 低頻整流器件。,負(fù)極引線,底座,金銻合金,PN結(jié),鋁合金小球,正極引線,普通二極管 圖符號,穩(wěn)壓二極管 圖符號,發(fā)光二極管 圖符號,使用二極管時，必須注意極性不能接反，否則電路非但不能正常工作，還有毀壞管子和其他元件的可能。,2. 二極管的伏安特性,二極管的伏安特性是指流過二極管的電流與兩端所加電壓的函數(shù)關(guān)系。二極管既然是一個PN結(jié)，其伏安特性當(dāng)然具有“單向?qū)щ娦浴薄?二極管的伏安特性呈非線性，特性曲線上大致可分為四個區(qū)：,外加正向電壓超過死區(qū)電壓(硅管0.5V，鍺管0.1V)時，內(nèi)電場 大大削弱，正向電流迅速增長，二極管進(jìn)入正向?qū)▍^(qū)。,死區(qū),正向 導(dǎo)通區(qū),反向 截止區(qū),當(dāng)外加正向電壓很低時，由于外電場還 不能克服PN結(jié)內(nèi)電場對多數(shù)載流子擴(kuò)散運(yùn) 動的阻力，故正向電流很小，幾乎為零。 這一區(qū)域稱之為死區(qū)。,外加反向電壓超過反向擊穿電壓UBR時，反向電流突然增大，二 極管失去單向?qū)щ娦?，進(jìn)入反向擊穿區(qū)。,反向 擊穿區(qū),反向截止區(qū)內(nèi)反向飽和電流很小，可近似視為零值。,正向?qū)▍^(qū)和反向截止區(qū)的討論,當(dāng)外加正向電壓大于死區(qū)電壓時，二極管由不導(dǎo)通變?yōu)閷?dǎo)通，電壓再繼續(xù)增加時，電流迅速增大，而二極管端電壓卻幾乎不變，此時二極管端電壓稱為正向?qū)妷骸?硅二極管的正向?qū)妷杭s為0.7V，鍺二極管的正向?qū)妷杭s為0.3V。,在二極管兩端加反向電壓時，將有很小的、由少子漂移運(yùn)動形成的反向飽和電流通過二極管。,反向電流有兩個特點(diǎn)：一是它隨溫度的上升增長很快，二是 在反向電壓不超過某一范圍時，反向電流的大小基本恒定，而 與反向電壓的高低無關(guān)(與少子的數(shù)量有限)。所以通常稱它為 反向飽和電流。,3. 二極管的主要參數(shù),（1）最大整流電流IDM：指二極管長期運(yùn)行時，允許通過的最大正向平均電流。其大小由PN結(jié)的結(jié)面積和外界散熱條件決定。,（2）最高反向工作電壓URM：指二極管長期安全運(yùn)行時所 能承受的最大反向電壓值。手冊上一般取擊穿電壓的一半作 為最高反向工作電壓值。,（3）反向電流IR：指二極管未擊穿時的反向電流。IR值越小，二極管的單向?qū)щ娦栽胶?。反向電流隨溫度的變化而變化較大，這一點(diǎn)要特別加以注意。,（4）最大工作頻率fM：此值由PN結(jié)的結(jié)電容大小決定。若二極管的工作頻率超過該值，則二極管的單向?qū)щ娦阅軐⒆兊幂^差。,4. 二極管的應(yīng)用舉例,注意：分析實(shí)際電路時為簡單化，通常把二極管進(jìn)行理想 化處理，即正偏時視其為“短路”，截止時視其為“開路”。,UD=0,UD=,正向?qū)〞r相當(dāng) 一個閉合的開關(guān),+,反向阻斷時相當(dāng) 一個打開的開關(guān),(1)二極管的開關(guān)作用,(2)二極管的整流作用,將交流電變成單方向脈動直流電的過程稱為整流。利用 二極管的單向?qū)щ娦阅芫涂色@得各種形式的整流電路。,二極管半波整流電路,二極管全波整流電路,橋式整流電路簡化圖,二極管橋式整流電路,(3)二極管的限幅作用,圖示為一限幅電路。電源uS是一個周期性的矩形脈沖， 高電平幅值為+5V，低電平幅值為-5V。試分析電路的輸出 電壓為多少。,分析,當(dāng)輸入電壓ui=5V時，二極管反偏截止，此時電路 可視為開路，輸出電壓u0=0V；,當(dāng)輸入電壓ui= +5V時，二極管正偏導(dǎo)通，導(dǎo)通時二極管 管壓降近似為零，故輸出電壓u0+5V。,顯然輸出電壓u0限幅在0+5V之間。,u0,半導(dǎo)體二極管工作在擊穿區(qū)，是否一定被損壞？為什么？,你會做嗎？,何謂死區(qū)電壓？硅管和鍺管死區(qū)電壓的典型值各為多少？為何會出現(xiàn)死區(qū)電壓？,檢驗學(xué)習(xí)結(jié)果,為什么二極管的反向電流很小且具有飽和性？當(dāng)環(huán)境溫度升高時又會明顯增大 ？,穩(wěn)壓二極管的反向電壓幾乎不隨反向電流的變化而變化、 這就是穩(wěn)壓二極管的顯著特性。,穩(wěn)壓二極管是一種特殊的面接觸型二極管，其反向擊穿可逆。,正向特性與普通二極管相似,反向,IZ,1.3 特殊二極管,1. 穩(wěn)壓二極管,實(shí)物圖,圖符號及文字符號,顯然穩(wěn)壓管的伏安特性曲線比普通二極管的更加陡峭。,使用穩(wěn)壓二極管時應(yīng)該注意的事項,(1)穩(wěn)壓二極管正負(fù)極的判別,+,(2)穩(wěn)壓二極管使用時，應(yīng)反向接入電路,UZ,(3)穩(wěn)壓管應(yīng)接入限流電阻,(4)電源電壓應(yīng)高于穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓值,(5)穩(wěn)壓管都是硅管。其穩(wěn)定電壓UZ最低為3V，高的可達(dá) 300V，穩(wěn)壓二極管在工作時的正向壓降約為0.6V。,思索與回顧,二極管的反向擊穿特性：當(dāng)外加反向電壓超過擊穿電壓時，通過二極管的電流會急劇增加。 擊穿并不意味著管子一定要損壞，如果我們采取適當(dāng)?shù)拇胧┫拗仆ㄟ^管子的電流，就能保證管子不因過熱而燒壞。如穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路中一般都要加限流電阻R，使穩(wěn)壓管電流工作在Izmax和Izmix的范圍內(nèi)。 在反向擊穿狀態(tài)下，讓通過管子的電流在一定范圍內(nèi)變化，這時管子兩端電壓變化很小，穩(wěn)壓二極管就是利用這一點(diǎn)達(dá)到“穩(wěn)壓”效果的。穩(wěn)壓管正常工作是在反向擊穿區(qū)。,發(fā)光二極管是一種能把電能直接轉(zhuǎn)換成光能的固體發(fā)光元件。發(fā)光二極管和普通二極管一樣，管芯由PN結(jié)構(gòu)成，具有單向?qū)щ娦浴?實(shí)物圖,圖符號和 文字符號,單個發(fā)光二極管常作為電子設(shè)備通斷指示燈或快速光源及光電耦合器中的發(fā)光元件等。發(fā)光二極管一般使用砷化鎵、磷化鎵等材料制成。現(xiàn)有的發(fā)光二極管能發(fā)出紅黃綠等顏色的光。,發(fā)光管正常工作時應(yīng)正向偏置，因發(fā)光管屬于功率型器件，因此死區(qū)電壓較普通二極管高，其正偏工作電壓至少要在1.3V以上。,發(fā)光管常用來作為數(shù)字電路的數(shù)碼及圖形顯示的七段式或陣列器件。,2. 發(fā)光二極管,光電二極管也稱光敏二極管，是將光信號變成電信號的半 導(dǎo)體器件，其核心部分也是一個PN結(jié)。光電二極管PN結(jié)的結(jié) 面積較小、結(jié)深很淺，一般小于一個微米。,光電二極管的正常工作狀態(tài)是反向偏置。在反向電壓下， 無光照時，反向電流很小，稱為暗電流；有光照射時，攜帶 能量的光子進(jìn)入PN結(jié)，把能量傳給共價鍵上的束縛電子， 使部分價電子掙脫共價鍵的束縛，產(chǎn)生電子空穴對，稱光 生載流子。光生載流子在反向電壓作用下形成反向光電流， 其強(qiáng)度與光照強(qiáng)度成正比。,3. 光電二極管,光電二極管也稱光敏二極管，同樣具有單向?qū)щ娦?，光電管管殼上有一個能射入光線的“窗口”，這個窗口用有機(jī)玻璃透鏡進(jìn)行封閉，入射光通過透鏡正好射在管芯上。,實(shí)物圖,圖符號和 文字符號,1.利用穩(wěn)壓管或普通二極管的正向壓降，是否也可以穩(wěn)壓？,你會做嗎？,檢驗學(xué)習(xí)結(jié)果,2. 現(xiàn)有兩只穩(wěn)壓管，它們的穩(wěn)定電壓分別為6V和8V，正向?qū)妷簽?.7V。試問：(1)若將它們串聯(lián)相接，可得到幾種穩(wěn)壓值？各為多少？(2)若將它們并聯(lián)相接，又可得到幾種穩(wěn)壓值？各為多少？,3.在右圖所示電路中，發(fā)光二極管導(dǎo)通電壓UD1.5V，正向電流在515mA時才能正常工作。試問圖中開關(guān)S在什么位置時發(fā)光二極管才能發(fā)光？R的取值范圍又是多少？,1.4 雙極型三極管,三極管是組成各種電子電路的核心器件。三極管的產(chǎn)生使PN結(jié)的應(yīng)用發(fā)生了質(zhì)的飛躍。,1. 雙極型三極管的基本結(jié)構(gòu)和類型,雙極型晶體管分有NPN型和PNP型，雖然它們外形各異，品種繁多，但它們的共同特征相同：都有三個分區(qū)、兩個PN結(jié)和三個向外引出的電極：,發(fā)射極e,發(fā)射結(jié),集電結(jié),基區(qū),發(fā)射區(qū),集電區(qū),集電極c,基極b,NPN型,PNP型,根據(jù)制造工藝和材料的不同，三極管分有雙極型和單極型兩種類型。若三極管內(nèi)部的自由電子載流子和空穴載流子同時參與導(dǎo)電，就是所謂的雙極型。如果只有一種載流子參與導(dǎo)電，即為單極型。,NPN型三極管圖符號,大功率低頻三極管,小功率高頻三極管,中功率低頻三極管,目前國內(nèi)生產(chǎn)的雙極型硅晶體管多為NPN型(3D系列)，鍺晶體管多為PNP型(3A系列)，按頻率高低有高頻管、低頻管之別；根據(jù)功率大小可分為大、中、小功率管。,e,c,b,PNP型三極管圖符號,e,c,b,注意：圖中箭頭方向為發(fā)射極電流的方向。,2. 雙極型三極管的電流放大作用,晶體管芯結(jié)構(gòu)剖面圖,e發(fā)射極,集電區(qū)N,基區(qū)P,發(fā)射區(qū)N,b基極,c集電極,晶體管實(shí)現(xiàn)電流 放大作用的內(nèi)部結(jié)構(gòu)條件,(1)發(fā)射區(qū)摻雜濃度很高，以便有 足夠的載流子供“發(fā)射”。,(2)為減少載流子在基區(qū)的復(fù)合機(jī) 會，基區(qū)做得很薄，一般為幾個 微米，且摻雜濃度極低。,(3)集電區(qū)體積較大，且為了順利 收集邊緣載流子，摻雜濃度界于 發(fā)射極和基極之間。,可見，雙極型三極管并非是兩個PN 結(jié)的簡單組合，而是利用一定的摻雜工藝制作而成。因此，絕不能用兩個二極管來代替，使用時也決不允許把發(fā)射極和集電極接反。,晶體管實(shí)現(xiàn)電流放大作用的外部條件,(1)發(fā)射結(jié)必須“正向偏置”，以利于發(fā)射區(qū)電子的擴(kuò)散，擴(kuò)散 電流即發(fā)射極電流ie，擴(kuò)散電子的少數(shù)與基區(qū)空穴復(fù)合，形 成基極電流ib，多數(shù)繼續(xù)向集電結(jié)邊緣擴(kuò)散。,(2)集電結(jié)必須“反向偏置”，以利于收集擴(kuò)散到集電結(jié)邊緣的 多數(shù)擴(kuò)散電子，收集到集電區(qū)的電子形成集電極電流ic。,IE,IC,IB,整個過程中，發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射的電子數(shù)等于基區(qū)復(fù)合掉的電子與集電區(qū)收集的電子數(shù)之和，即： IE=IB+IC,結(jié)論,由于發(fā)射結(jié)處正偏，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子自由電子將不斷擴(kuò)散到基區(qū)，并不斷從電源補(bǔ)充進(jìn)電子，形成發(fā)射極電流IE。,回顧與總結(jié),1. 發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴(kuò)散電子的過程,由于基區(qū)很薄，且多數(shù)載流子濃度又很低，所以從發(fā)射極擴(kuò)散過 來的電子只有很少一部分和基區(qū)的空穴相復(fù)合形成基極電流IB，剩下的絕大部分電子則都擴(kuò)散到了集電結(jié)邊緣。,2. 電子在基區(qū)的擴(kuò)散和復(fù)合過程,集電結(jié)由于反偏，可將從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)并到達(dá)集電區(qū)邊緣 的電子拉入集電區(qū)，從而形成較大的集電極電流IC。,3. 集電區(qū)收集電子的過程,只要符合三極管發(fā)射區(qū)高摻雜、基區(qū)摻雜濃度很低，集電區(qū)的摻雜濃度介于發(fā)射區(qū)和基區(qū)之間，且基區(qū)做得很薄的內(nèi)部條件，再加上晶體管的發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏的外部條件，三極管就具有了放大電流的能力。,三極管的集電極電流IC稍小于IE，但遠(yuǎn)大于IB，IC與IB的 比值在一定范圍內(nèi)基本保持不變。特別是基極電流有微小 的變化時，集電極電流將發(fā)生較大的變化。例如，IB由40 A增加到50A時，IC將從3.2mA增大到4mA，即：,顯然，雙極型三極管具有電流放大能力。式中的值稱為 三極管的電流放大倍數(shù)。不同型號、不同類型和用途的三 極管，值的差異較大，大多數(shù)三極管的值通常在幾十 至幾百的范圍。,由此可得：微小的基極電流IB可以控制較大的集電極電流IC，故雙極型三極管屬于電流控制器件。,3. 雙極型三極管的特性曲線,所謂特性曲線是指各極電壓與電流之間的關(guān)系曲線，是三 極管內(nèi)部載流子運(yùn)動的外部表現(xiàn)。從工程應(yīng)用角度來看，外 部特性更為重要。,(1) 輸入特性曲線,以常用的共射極放大電路為例說明,UCE=0V,令UBB從0開始增加,令UCC為0,UCE=0時的輸入特性曲線,UCE為0時,令UBB重新從0開始增加,增大UCC,讓UCE=0.5V,UCE =1V,UCE=0.5V,UCE=0.5V的特性曲線,繼續(xù)增大UCC,讓UCE=1V,令UBB重新從0開始增加,UCE=1V,UCE=1V的特性曲線,繼續(xù)增大UCC使UCE=1V以上的多個值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：之后 的所有輸入特性幾乎都與UCE=1V的特性相同，曲線基本不 再變化。,實(shí)用中三極管的UCE值一般都超過1V，所以其輸入特性通常采用UCE=1V時的曲線。從特性曲線可看出，雙極型三極管的輸入特性與二極管的正向特性非常相似。,UCE1V的特性曲線,(2) 輸出特性曲線,先把IB調(diào)到某一固定值保持不變。,當(dāng)IB不變時，輸出回路中的電流IC與管子輸出端電壓UCE之間的關(guān)系曲線稱為輸出特性。,然后調(diào)節(jié)UCC使UCE從0增大，觀察毫安表中IC的變化并記錄下來。,根據(jù)記錄可給出IC隨UCE變化的伏安特性曲線，此曲線就是晶體管的輸出特性曲線。,IB,0,再調(diào)節(jié)IB1至另一稍小的固定值上保持不變。,仍然調(diào)節(jié)UCC使UCE從0增 大，繼續(xù)觀察毫安表中IC 的變化并記錄下來。,根據(jù)電壓、電流的記錄值可繪出另一條IC隨UCE變化的伏安特性曲線，此曲線較前面的稍低些。,IB1,IB2,IB3,IB=0,如此不斷重復(fù)上述過程，我們即可得到不同基極電流IB對應(yīng)相應(yīng)IC、UCE數(shù)值的一組輸出特性曲線。,輸出曲線開始部分很陡，說明IC隨UCE的增加而急劇增大。,當(dāng)UCE增至一定數(shù)值時(一般小于1V)，輸出特性曲線變得平坦，表明IC基本上不再隨UCE而變化。,當(dāng)IB一定時，從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)的電子數(shù)大致一定。當(dāng)UCE超過1V以后，這些電子的絕大部分被拉入集電區(qū)而形成集電極電流IC 。之后即使UCE繼續(xù)增大，集電極電流IC也不會再有明顯的增加，具有恒流特性。,當(dāng)IB增大時，相應(yīng)IC也增大，輸出特性曲線上移， 且IC增大的幅度比對應(yīng)IB大得多。這一點(diǎn)正是晶體管的電流放大作用。,從輸出特性曲線可求出三極管的電流放大系數(shù)。,取任意再兩條特性曲線上的平坦段，讀出其基極電流之差；,再讀出這兩條曲線對應(yīng)的集電極電流之差I(lǐng)C=1.3mA；,IC,于是我們可得到三極管的電流放大倍數(shù)： =IC/IB=1.30.04=32.5,輸出特性曲線上一般可分為三個區(qū)：,飽和區(qū)。當(dāng)發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為正向偏置時，三極管處于飽和狀態(tài)。此時集電極電流IC與基極電流IB之間不再成比例關(guān)系，IB的變化對IC的影響很小。,截止區(qū)。當(dāng)基極電流IB等于0時，晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)。實(shí)際上當(dāng)發(fā)射結(jié)電壓處在正向死區(qū)范圍時，晶體管就已經(jīng)截止，為讓其可靠截止，常使UBE小于和等于零。,放 大 區(qū),晶體管工作在放大狀態(tài)時，發(fā)射結(jié)正 偏，集電結(jié)反偏。在放大區(qū)，集電極電 流與基極電流之間成倍的數(shù)量關(guān)系， 即晶體管在放大區(qū)時具有電流放大作用。,4. 雙極型三極管的電流放大位數(shù)和極限參數(shù),(1)電流放大倍數(shù),(2)極限參數(shù),集電極最大允許電流ICM,反向擊穿電壓U(BR)CEO,UCC,U(BR ) CEO,基極開路,指基極開路時集電極與發(fā)射極間的反向擊穿電壓。,使用中若超過此值,晶體管的集電結(jié)就會出現(xiàn)雪崩擊穿。,值的大小反映了晶體管的電流放大能力。,ICICM時，晶體管不一定燒損，但值明顯下降。,集電極最大允許功耗PCM,晶體管上的功耗超過PCM，管子將損壞。,安 全 區(qū),晶體管的發(fā)射極和集電極是不能互換使用的。因為發(fā)射區(qū)和集電區(qū)的摻雜質(zhì)濃度差別較大，如果把兩個極互換使用，則嚴(yán)重影響晶體管的電流放大能力，甚至造成放大能力喪失。,晶體管在輸出特性曲線的飽和區(qū)工作時，UCEUBE，集電結(jié)也處于正偏，這時內(nèi)電場被大大削弱，因此極不利于集電區(qū)收集從發(fā)射區(qū)到達(dá)集電結(jié)邊緣的電子，這種情況下，集電極電流IC與基極電流IB不再是倍的關(guān)系，因此，晶體管的電流放大能力大大下降。,為了使發(fā)射區(qū)擴(kuò)散電子的絕大多數(shù)無法在基區(qū)和空穴復(fù)合，由于基區(qū)摻雜深度很低且很薄，因此只能有極小一部分?jǐn)U散電子與基區(qū)空穴相復(fù)合形成基極電流，剩余大部分?jǐn)U散電子繼續(xù)向集電結(jié)擴(kuò)散，由于集成電結(jié)反偏，這些集結(jié)到集電結(jié)邊緣的自由電子被集電極收集后形成集電極電流。,學(xué)習(xí)與討論,用萬用表測試二極管好壞及極性的方法,用萬用表歐姆檔檢查二極管是否存在單向?qū)щ娦?？并判別其極性。,正向?qū)娮韬苄　Ｖ羔樒D(zhuǎn)大。,反向阻斷時電 阻很大，指針基本不動。,選擇萬用表R1k 的歐姆檔，其中黑表棒作為電源正極， 紅表棒作為電源負(fù)極，根據(jù)二極管正向?qū)?、反向阻斷?單向?qū)щ娦詫⒈戆魧φ{(diào)一次即可測出其極性及好壞。,用萬用表測試三極管好壞及極性的方法,用指針式萬用表檢測三極管的基極和管型：,指針不動，說明管子反偏截止，因此為NPN型。,先將萬用表置于Rlk 歐姆檔，將紅表棒接假定的基極B，黑表棒分別與另兩個極相接觸，觀測到指針不動(或近滿偏)時，則假定的基極是正確的;且晶體管類型為NPN型（或PNP型）。,如果把紅黑兩表棒對調(diào)后，指針仍不動(或仍偏轉(zhuǎn))，則說明管子已經(jīng)老化(或已被擊穿)損壞。,想一想，這種檢測方法依據(jù)的是什么？,指針偏轉(zhuǎn)，說明管子正向?qū)?，因此為PNP型。,PN結(jié)的 單向?qū)щ娦?若被測管為NPN三極管，讓黑表棒接假定的集電極C ，紅表棒接假定的發(fā)射極E 。兩手分別捏住B、C兩極充當(dāng)基極電阻RB(兩手不能相接觸)。注意觀察電表指針偏轉(zhuǎn)的大小； 之后，再將兩檢測極反過來假定，仍然注意觀察電表指針偏轉(zhuǎn)的大小。,c,b,e,人體電阻,c,b,e,人體電阻,假定極正確,假定極錯誤,用萬用表R1k歐姆檔判別發(fā)射極E和集電極C,偏轉(zhuǎn)較大的假定極是正確的！偏轉(zhuǎn)小的反映其放大能力下降，即集電極和發(fā)射極接反了。 如果兩次檢測時電阻相差不大，則說明管子的性能較差。,1.三極管起電流放大作用，其內(nèi)部、外部條件分別要滿足哪些？,你會做嗎？,檢驗學(xué)習(xí)結(jié)果,2.使用三極管時，只要集電極電流超過ICM值；耗散功率超過PCM值；集射極電壓超過U（BR）CEO值，三極管就必然損壞。上述說法哪個是對的？,3.用萬用表測量某些三極管的管壓降得到下列幾組數(shù)據(jù)，說明每個管子是NPN型還是PNP型？是硅管還是鍺管？它們各工作在什么區(qū)域？ UBE0.7V，UCE0.3V； UBE0.7V，UCE4V； UBE0V，UCE4V； UBE0.2V，UCE0.3V； UBE0V，UCE4V。,NPN硅管，飽和區(qū),NPN硅管，放大區(qū),NPN硅管，截止區(qū),PNP鍺管，放大區(qū),PNP鍺管，截止區(qū),1.5 單極型三極管,雙極型三極管是利用基極小電流去控制集電極較大電流的 電流控制型器件，因工作時兩種載流子同時參與導(dǎo)電而稱之 為雙極型。單極型三極管因工作時只有多數(shù)載流子一種載流 子參與導(dǎo)電，因此稱為單極型三極管；單極型三極管是利用 輸入電壓產(chǎn)生的電場效應(yīng)控制輸出電流的電壓控制型器件。,上圖所示為單極型三極管產(chǎn)品實(shí)物圖。單極型管可分為結(jié)型和絕緣柵型兩大類，其中絕緣柵型場效應(yīng)管應(yīng)用最為廣泛，其 中又分增強(qiáng)型和耗盡型兩類，且各有N溝道和P溝道之分。,1、MOS管的基本結(jié)構(gòu),N+,N+,以P型硅為襯底,二氧化硅(SiO2)絕緣保護(hù)層,兩端擴(kuò)散出兩個高濃度的N區(qū),N區(qū)與P型襯底之間形成兩個PN結(jié),由襯底引出電極B,由高濃度的N區(qū)引出的源極S,由另一高濃度N區(qū)引出的漏極D,由二氧化硅層表面直接引出柵極G,雜質(zhì)濃度較低，電阻率較高。,大多數(shù)管子的襯底在出廠前已和源極連在一起,鋁電極、金屬 （Metal）,二氧化硅氧化物 （Oxide）,半導(dǎo)體 （Semiconductor),故單極型三極管又稱為MOS管。,MOS管電路的連接形式,漏極與源極間 電源UDS,柵極與源極間 電源UGS,如果襯底在出廠前未連接到源極上，則要根據(jù)電路具體情況正確連接。一般P型硅襯底應(yīng)接低電位，N型硅襯底應(yīng)接高電位，由導(dǎo)電溝道的不同而異。,不同類型MOS管的電路圖符號,由圖可看出，襯底的箭頭方向表明了場效應(yīng)管是N溝道還是P溝道：箭頭向里是N溝道，箭頭向外是P溝道。,虛線表示 增強(qiáng)型,實(shí)線表示 耗盡型,2. 工作原理,以增強(qiáng)型NMOS管為例說明其工作原理。N溝道增強(qiáng)型MOS管不存在原始導(dǎo)電溝道。,當(dāng)柵源極間電壓UGS=0 時，增強(qiáng)型MOS管的漏極和源極之間相當(dāng)于存在兩個背靠背的PN結(jié)。,不存在 原始溝道,+,UDS,UGS=0,此時無論UDS是否為0，也無論其極性如何，總有一個PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，因此MOS管不導(dǎo)通，ID=0。MOS管處于截止區(qū)。,P,ID=0,怎樣才能產(chǎn)生導(dǎo)電溝道呢？,在柵極和襯底間加UGS且與源極連在一起，由于二氧化硅絕緣層的存在，電流不能通過柵極。但金屬柵極被充電，因此聚集大量正電荷。,+,UDS=0,UGS,電場力 排斥空穴,二氧化硅層在 UGS作用下被充 電而產(chǎn)生電場,形成耗盡層,出現(xiàn)反型層 形成 導(dǎo)電溝道,電場吸引電子,導(dǎo)電溝道形成時，對應(yīng)的柵源間電壓UGS=UT稱為開啟電壓。,UT,當(dāng)UGSUT、UDS0且較小時,UDS,UGS,ID,當(dāng)UGS繼續(xù)增大，UDS仍然很小且不變時，ID隨著UGS的增大而增大。,此時增大UDS，導(dǎo)電溝道出現(xiàn)梯度，ID又將隨著UDS的增大而增大。,直到UGD=UGSUDS=UT時，相當(dāng)于UDS增加使漏極溝道縮減到導(dǎo)電溝道剛剛開啟的情況，稱為預(yù)夾斷，ID基本飽和。,導(dǎo)電溝道加厚 產(chǎn)生漏極電流,如果繼續(xù)增大UDS，使UGDUT時，溝道夾斷區(qū)延長，ID達(dá)到最大且恒定，管子將從放大區(qū)跳出而進(jìn)入飽和區(qū)。,溝道出現(xiàn)預(yù)夾斷時工作在放大狀態(tài)，放大區(qū)ID幾乎與UDS的變化無關(guān)，只受UGS的控制。即MOS管是利用柵源電壓UGS來控制漏極電流I