第04章《實用電工電子技術(shù)教程(第二版)》電子教案

第4章適用半導(dǎo)體器件

本章內(nèi)容簡介：1.半導(dǎo)體根底知識2.半導(dǎo)體二極管3.雙極性三極管〔三極管、場效應(yīng)管〕4.習(xí)題分析技術(shù)5.適用培訓(xùn)技術(shù)4.1半導(dǎo)體根底知識

學(xué)習(xí)要點1.半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理；2.PN結(jié)的構(gòu)成及其導(dǎo)電特性。4.1.1本征半導(dǎo)體1、半導(dǎo)體導(dǎo)電才干介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)［如硅(Si),鍺(Ge)］２、本征半導(dǎo)體純真的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體３、載流子自在運動的帶電粒子４、共價鍵相鄰原子共有價電子所構(gòu)成的束縛一、有關(guān)概念自在電子二、構(gòu)造圖硅(鍺)的原子構(gòu)造簡化模型價電子慣性核硅(鍺)的共價鍵構(gòu)造空穴可在共價鍵內(nèi)挪動空穴空穴＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4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。價電子填補空穴的景象稱為復(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臨近共價鍵中跳出來的價電子填補上，這種價電子填補空穴的復(fù)合運動使本征半導(dǎo)體中又構(gòu)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)下自在電子載流子的運動，我們把價電子填補空穴的復(fù)合運動稱為空穴載流子運動。三、本征激發(fā)復(fù)合：自在電子和空穴在運動中相遇重新結(jié)合成對消逝的過程。漂移：自在電子和空穴在電場作用下的定向運動。在室溫或光照下價電子獲得足夠能量擺脫共價鍵的束縛成為自在電子，并在共價鍵中留下一個空位(空穴)的過程。兩種載流子電子(自在電子)空穴兩種載流子的運動自在電子(在共價鍵以外)的運動空穴(在共價鍵以內(nèi))的運動結(jié)論：1.本征半導(dǎo)體中電子空穴成對出現(xiàn)，且數(shù)量少；2.半導(dǎo)體中有電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電；3.本征半導(dǎo)體導(dǎo)電才干弱，并與溫度有關(guān)。４.1.2摻雜半導(dǎo)體一、N型半導(dǎo)體〔摻入磷原子〕N型+5+4+4+4+4+4磷原子自在電子電子為多數(shù)載流子空穴為少數(shù)載流子載流子數(shù)電子數(shù)二、P型半導(dǎo)體〔摻入硼原子〕P型+3+4+4+4+4+4硼原子空穴空穴—多子電子—少子載流子數(shù)空穴數(shù)結(jié)論：1.摻雜半導(dǎo)體的導(dǎo)電才干優(yōu)于本征半導(dǎo)體，但依然很弱；2.不論是N型半導(dǎo)體還是P型半導(dǎo)體，從宏觀上講依然是呈電中性。4.1.3PN結(jié)的構(gòu)成1.載流子的濃度差引起多子的分散2.復(fù)合使交界面構(gòu)成空間電荷區(qū)(耗盡層)空間電荷區(qū)特點:無載流子，阻止分散進(jìn)展，利于少子的漂移。內(nèi)建電場3.分散和漂移到達(dá)動態(tài)平衡分散電流等于漂移電流，總電流I=0。4.1.4PN結(jié)的單導(dǎo)游電性1.外加正向電壓(正向偏置)內(nèi)電場外電場外電場使多子向PN結(jié)挪動,中和部分離子使空間電荷區(qū)變窄。IF限流電阻分散運動加強構(gòu)成正向電流IF。IF=I多子I少子I多子2.外加反向電壓(反向偏置)內(nèi)電場外電場外電場使少子背叛PN結(jié)挪動，空間電荷區(qū)變寬。IRPN結(jié)的單導(dǎo)游電性：正偏導(dǎo)通，呈小電阻，電流較大;反偏截止，電阻很大，電流近似為零。漂移運動加強構(gòu)成反向電流IRIR=I少子0P區(qū)N區(qū)P區(qū)N區(qū)-4.2半導(dǎo)體二極管及其運用

學(xué)習(xí)要點1.掌握二極管根本任務(wù)原理2.掌握二極管電路的分析方法4.2.1二極管的分類

1.根據(jù)PN結(jié)面積分：〔1〕點接觸型〔2〕面接觸型點接觸型二極管PN結(jié)面積很小，因此結(jié)電容也小，可以在高頻下任務(wù)，適用于檢波、調(diào)制和混頻等，但管子中不允許經(jīng)過較大的電流和接受較高的電壓。面接觸型二極管那么相反，由于PN結(jié)的面積大，故結(jié)電容也大，適宜在低頻電路總?cè)蝿?wù)，能經(jīng)過較大的電流，能接受較高的電壓，可用于整流電路等。

2.根據(jù)任務(wù)頻率分：〔1〕高頻管；〔檢波用〕〔2〕低頻管?！舱饔谩?.根據(jù)功率分：〔1〕大功率管；〔電力系統(tǒng)用〕〔2〕中功率管；〔電源整流用〕〔3〕小功率管?！矙z波用〕需留意的是：整流管也有高頻管、低頻管之分。例如：開關(guān)電源中脈沖變壓器次級整流管為高頻管，工頻變壓器次級整流管為低頻管，二者不能用錯。點接觸型正極引線觸絲N型鍺片外殼負(fù)極引線負(fù)極引線面接觸型N型鍺PN結(jié)正極引線鋁合金小球底座金銻合金正極

引線負(fù)極

引線集成電路中平面型PNP型支持襯底2CZ42CZ44.2.2二極管的伏安特性O(shè)uD/ViD/mA正向特性Uth死區(qū)電壓iD=0Uth=0.5V0.1V(硅管)(鍺管)UUthiD急劇上升0UUthUD(on)=(0.60.8)V硅管0.7V(0.10.3)V鍺管0.2V反向特性ISU(BR)反向擊穿U(BR)U0iD=IS<0.1A(硅)幾十A(鍺)U<U(BR)反向電流急劇增大(反向擊穿)伏安特性仿真實驗4.2.3二極管的主要參數(shù)1.IF—最大整流電流(最大正向平均電流)2.URM—最高反向任務(wù)電壓，為U(BR)/23.IR—反向電流(越小單導(dǎo)游電性越好)4.fM—最高任務(wù)頻率(超越時單導(dǎo)游電性變差)iDuDU(BR)IFURMO溫度對二極管特性的影響T升高時，UD(on)以(22.5)mV/C下降604020–0.0200.4–25–50iD/mAuD/V20C90C4.2.4普通二極管電路分析

1、普通二極管可采用兩種電路分析方法為了區(qū)別其他用途的二極管，習(xí)慣上將利用單導(dǎo)游電性完成一定電路功能二極管稱為普通二極管。〔1〕理想開關(guān)模型方法當(dāng)外加正向電壓遠(yuǎn)大于二極管的導(dǎo)通電壓UD(on)時：[UD(on)可以視為二極管導(dǎo)通時的管壓降]即相對于大電壓UD(on)可忽略不計，從而認(rèn)定二極管上的電壓降為零，相當(dāng)于理想開關(guān)的接通形狀。反偏時二極管截止，忽略反向電流并認(rèn)定流過二極管的電流為零，相當(dāng)于理想開關(guān)的斷開形狀〔設(shè)正偏時電壓降為零，反向擊穿電壓無窮大的二極管稱為理想二極管〕。理想開關(guān)模型如后圖;特性uDiD符號及等效模型SS理想開關(guān)模型正偏導(dǎo)通UD=0反偏截止ID=0U(BR)→

【例4-1】硅二極管電路如以下圖所示，，試求當(dāng)VDD=1.5V和VDD=15V時回路電流Io和輸出電壓UO的值。(a)電路(b)思索管壓降電路(c)理想開關(guān)電路解：〔1〕當(dāng)VDD=1.5V時，由于UDD和UD(ON)的值接近，必需思索二極管在導(dǎo)通時的管壓降，由圖〔b〕可得：U0=VDD-UD(on)=1.5-0.7=0.8〔V〕(2)當(dāng)VDD=15V時，VDD的值遠(yuǎn)大于UD(on)，UD(on)可忽略不計，由圖〔c〕可得UO=VDD=15V。思索管壓降理想開關(guān)模型【例4-2】理想二極管電路如以下圖所示，試斷定以下情況下，電路中二極管是導(dǎo)通還是截止？并求出AO二端的電壓UAO。

〔1〕VDD1=6V，VDD2=12V

〔2〕VDD1=6V，VDD2=-12V；

〔3〕VDD1=-6V，VDD2=-12V。復(fù)雜的二極管電路思緒點撥:假設(shè)電路接通瞬間經(jīng)過各元件的電流為0.然后計算二極管兩端電位，以此來判別二極管任務(wù)形狀。+12V+12V+6V二極管截止，UAO=12V〔2〕VDD1=6V，VDD2=-12V；UAO=？-12V-12V+6V二極管導(dǎo)通，使得A點電位鉗制為+6V，UAO=6V仿真仿真記錄〔3〕VDD1=-6V，VDD2=-12V，UAO=？-12V-12V-6V二極管導(dǎo)通，UAO=-6V仿真記錄【例4-3】一交流電ui、經(jīng)過理想二極管加在負(fù)載RL上，如圖〔a〕試分析RL上的輸出電壓波形。

(a〕電路〔b〕正半波等效電路〔c〕負(fù)半波等效電路〔d〕Vi、V0波形圖交流輸入電壓ui經(jīng)過二極管之后，在負(fù)載RL上只得到正半周的單一方向電壓，使電壓由輸入的交流電變成了一方向的直流電。由于整流后輸出電壓U0只需正半波，這種整流稱為半波整流。半波整流使輸出電壓有半個周期輸出為零，輸出電壓動搖較大，下面的電路將有效地改善這一缺陷。交流電ui負(fù)半周加在電路上時，二極管反偏截止，相當(dāng)于開關(guān)斷開交流電ui正半周加在電路上時，二極管正偏導(dǎo)通，相當(dāng)于開關(guān)接通【例4-4】VD1、VD2、VD3、VD4四個普通二極管組成一個橋式電路，電路接法如以下圖〔a〕，試分析輸出電壓U0的波形。當(dāng)交流電ui的正半周加在電路輸入端時當(dāng)交流電ui的負(fù)半周加在電路輸入端時橋式二極管整流電路，把交流電經(jīng)正、負(fù)半周后變成單一方向的脈沖直流電輸出，這種整流稱為橋式全波整流。[練習(xí)題]求圖中電壓表的示數(shù)?-9V-12V0VVD1導(dǎo)通VD2截止由于VD1導(dǎo)通,使得輸出被強迫限制在0V,所以UO=0V課前練習(xí)題1.圖中電路，設(shè)ui=10sinωt〔V〕，且二極管有理想特性，當(dāng)開關(guān)S閉合和斷開的二種情況下，試畫出對應(yīng)的波形圖。uS課前練習(xí)題2.求圖中電壓表的讀數(shù)：-6V-3V二極管截止，輸出電壓為-6V4.2.5穩(wěn)壓二極管及實踐運用

穩(wěn)壓二極管是利用反向電擊穿特性到達(dá)穩(wěn)定輸出電壓的器件之一。這類二極管是面接觸型的〔允許流過的電流比較大〕.一、伏安特性符號任務(wù)條件：反向擊穿iZ/mAuZ/VOUZIZminIZmaxUZIZIZ特性二、主要參數(shù)1.穩(wěn)定電壓UZ流過規(guī)定電流時穩(wěn)壓管兩端的反向電壓值。2.穩(wěn)定電流IZ越大穩(wěn)壓效果越好，小于Imin時不穩(wěn)壓。3.最大任務(wù)電流IZM最大耗散功率PZMPZM=UZIZM4.動態(tài)電阻rZrZ=UZ/IZ越小穩(wěn)壓效果越好。幾幾十5.穩(wěn)定電壓溫度系數(shù)CTUZ<4V，CTV<0(為齊納擊穿)具有負(fù)溫度系數(shù)；UZ>7V，CTV>0(為雪崩擊穿)具有正溫度系數(shù)；4V<UZ<7V，CTV很小?！纠?-5】利用穩(wěn)壓二極管組成的穩(wěn)壓電路如以下圖，R為限流電阻，Z為穩(wěn)壓二極管，試分析輸出電壓U0的穩(wěn)壓原理。UIUORRLILIRIZAB穩(wěn)壓原理：注：UAB為DZ開路時A、B間電壓DZ當(dāng)UAB＞UZ時：DZ反導(dǎo)游通，UI增大，IR增大IZ增大，UO=UZ當(dāng)UAB＜UZ時：DZ反向截止，UO=UAB。此時DZ不起作用?！纠?-6】穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路如以下圖，穩(wěn)壓管的各參數(shù)為UZ=6V，IZ=5mA，Pzm=240mW，輸入電壓UI=12±10%〔V〕，最大輸出負(fù)載電流15mA，試計算選用阻值、功率多大的電阻？計算電阻R的穩(wěn)壓電路第一步：選出電源電壓最低，負(fù)載最大時的限流電阻阻值，依題意：UI低=12-(12×10%)=10.8〔V〕最大輸出電流為15mA，加上確保穩(wěn)壓管正常任務(wù)的電流:IZ=5mA，總電流為20mA又由于UZ=6V所以加在限流電阻上的壓降為：10.8-6=4.8V選擇接近且小于計算值的標(biāo)稱電阻：

R=4.8V/20mA=220Ω。【方法點撥】第二步：計算出該標(biāo)稱電阻在極端條件下〔最高電源電壓，負(fù)載開路〕的電流是或超越穩(wěn)壓管的IZM，由于：PZM=IZMUZ在限流電阻為220Ω，負(fù)載開路時，流過穩(wěn)壓管的最大電流為：第三步：計算限流電阻的功率，普通選擇3倍額定容量值。P=3PN=3〔13.2-6〕×0.033≈0.7〔W〕選擇限流電阻的功率為1W。結(jié)論：選擇阻值220Ω，1W的電阻作為限流電阻。I<IZM不會損壞穩(wěn)壓管限流電阻選擇為220Ω。4.3雙極型三極管雙極型三極管是由于它在任務(wù)時，內(nèi)部有自在電子和空穴兩種載流子同時參與導(dǎo)電而得名。故它又稱為雙極結(jié)型三極管、半導(dǎo)體三極管或晶體管，簡稱三極管。它能將微弱電信號加以放大和處置，是組成各種電子產(chǎn)品和電子電路的中心器件，運用極為廣泛。4.3.1三極管的構(gòu)造和特點三極管的構(gòu)造表示圖

1.三極管的構(gòu)造三極管的圖形符號及電極命名:基極集電極發(fā)射極NPNPNP基極集電極發(fā)射極三極管的圖形符號常見三極管的外形圖〔a〕塑封管

〔b〕鐵殼小型管

〔c〕中功率管

〔d〕大功率管2、制造工藝的特點為了保證三極管具有電流放大作用，它們在制造工藝上有以下三個特點：〔1〕基區(qū)做得極薄〔幾個微米〕，摻雜濃度最低〔相對于其它兩個區(qū)〕，故基區(qū)多數(shù)載流子濃度最低；〔2〕發(fā)射區(qū)摻雜濃度最高，多數(shù)載流子濃度也最高，比基區(qū)高幾百倍；〔3〕集電區(qū)摻雜濃度其次，多數(shù)載流子濃度比發(fā)射區(qū)低，但比基區(qū)高很多，因此三極管的發(fā)射極和集電極不能互換運用。4.3.2三極管的電流放大原理放大條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏

三極管內(nèi)部載流子的運動(1)發(fā)射區(qū)由于發(fā)射結(jié)正向偏置，有利于多數(shù)載流子的分散運動，又由于發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子〔電子〕的濃度很高，因此大量的電子越過發(fā)射結(jié)向基區(qū)分散，構(gòu)成由發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的電子流。在外電路，發(fā)射極接UBB負(fù)極，不斷給發(fā)射區(qū)補充自在電子，構(gòu)成發(fā)射極電流IE〔留意：IE的方向與自在電子的方向相反〕?？梢姲l(fā)射極電流IE主要是發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子流構(gòu)成的?！?〕基區(qū)基區(qū)同時存在兩種運動：復(fù)合和分散。由于基區(qū)摻雜濃度最低，多數(shù)載流子空穴數(shù)量很少，當(dāng)發(fā)射區(qū)的自在電子進(jìn)入基區(qū)后，其中少量的自在電子和基區(qū)的空穴復(fù)合，構(gòu)成基極電流IB。在外電路，基極接UBB正極，不斷地從基區(qū)拉走自在電子，以補充復(fù)合掉的空穴。與此同時，沒有進(jìn)展復(fù)合的絕大多數(shù)自在電子繼續(xù)分散到集電結(jié)附近?！?〕集電區(qū)由于集電結(jié)反向偏置，它對集電區(qū)和基區(qū)的載流子產(chǎn)生三方面的影響：A、阻止集電結(jié)兩邊的多數(shù)載流子向?qū)Ψ椒稚ⅲ醇妳^(qū)的自在電子和基區(qū)的空穴很難經(jīng)過集電結(jié)；B、吸引經(jīng)過基區(qū)分散到集電結(jié)附近的大量的自在電子，這些自在電子越過集電結(jié)，搜集到集電區(qū)，構(gòu)成集電極電流IC；C、促使集電結(jié)兩邊的少數(shù)載流子向?qū)Ψ狡啤Ｖ饕羌妳^(qū)的少數(shù)載流子〔空穴〕越過集電結(jié)，構(gòu)成集電極c和基極b之間的反向飽和電流ICBO〔類似二極管的IS〕。在外電路，集電極接Ucc正極，不斷地從集電區(qū)拉走自在電子，以保證集電區(qū)能搜集到比較多的自在電子，使IC＞＞IB。

2、三極管的電流分配〔1〕共發(fā)射極電流放大系數(shù)和共射直流電流放大系數(shù)：三極控制成后，發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射的自在電子中，在基區(qū)復(fù)合的少部分和分散到集電區(qū)的大部分之間的比例就確定了，這個比值是一個常數(shù)，用表示，稱為共射直流電流放大系數(shù).共射交流電流放大系數(shù)β：當(dāng)基極電流是一個交流信號ib時，它會有一個較小的變化量Δib，相對應(yīng)的集電極電流ic也是一個交流信號，此時會有一個較大的變化量Δic，這兩個變化的電流量之比用β表示，稱為共射交流電流放大系數(shù)。

和β的數(shù)值和差別很小，在普通情況下不再嚴(yán)厲區(qū)分。三極管電流的分配關(guān)系式：(2)共基極電流放大系數(shù)和共基直流電流放大系數(shù)當(dāng)三極管接成共基極組態(tài)時，其集電極電流和發(fā)射極電流之比也是確定的常數(shù)，用表示，稱為共基直流電流放大系數(shù)。共基交流電流放大系數(shù):電流變化量Δic和Δie之比用表示，稱為共基交流電流放大系數(shù)。和的數(shù)值和差別很小，在普通情況下，不再嚴(yán)厲區(qū)分。和β這兩個參數(shù)不是獨立的，它們之間存在以下關(guān)系：或

3、三極管的電流放大作用〔1〕三極管電極間的電流分配規(guī)律符合KCL定律：〔2〕改動基極電流IB〔ib〕的值會引起IC〔ic〕和IE〔ie〕的變化?！?〕集電極電流和基極電流之比為常數(shù)?！?〕由于，當(dāng)基極電流有微小變化時，集電極電流和發(fā)射極電流將會發(fā)生很大的變化，即，所以說三極管具有電流“放大〞作用。

ewb實驗-三極管放大4.3.3三極管共發(fā)射極電路的特性曲線1.輸入特性曲線:三極管共發(fā)射極電路輸入特性曲線是指UCE為常數(shù)時，輸入回路中的電流iB和電壓uCE之間的關(guān)系曲線。

三極管輸入特性有以下幾個特點：〔1〕當(dāng)uCE=0V時，輸入特性好像二極管正向特性。

〔2〕當(dāng)uCE＞0V時，曲線略向右移?！?〕當(dāng)uCE≥1V后，集電結(jié)反偏，三極管任務(wù)在放大形狀時就用這條曲線?！?〕對應(yīng)uCE＞1V的輸入特性曲線，當(dāng)UBE＜0.5V時，硅三極管的IB=0，只需UBE≥0，才不為零因此硅三極管的導(dǎo)通電壓為0.5V，小于導(dǎo)通電壓的范圍稱為截止區(qū)。

NPN型硅三極管輸入特性曲線2、輸出特性曲線三極管共射極電路的輸出特性是指當(dāng)IB為參變量〔常數(shù)〕時，IC和UCE之間的關(guān)系曲線。即=常數(shù)輸出特性曲線劃分為三個區(qū)域：截止區(qū)，放大區(qū)和飽和區(qū)。〔1〕截止區(qū):將IB≤0區(qū)域稱為截止區(qū)，此時外電路電壓的特點為：發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。所以IB=0,IC=0,IE=0

對于NPN型管，有UC＞UB,UE＞UB放大區(qū)〔2〕放大區(qū)：此時外電路電壓的特點為：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。三極管處于放大形狀。在放大區(qū)內(nèi)，各條輸出特征曲線，是近似和橫軸平行的一族平行線。由于UBE＞0,IB＞0，所以IE=〔1+β)IB。幾乎不隨UCE而變化，只受IB的控制，表達(dá)了三極管的電流放大作用。對于NPN型三極管，有Uc＞UB＞ＵＥ?！?〕飽和區(qū)飽和區(qū)位于縱坐標(biāo)的附近，此時外電路電壓的特點為：發(fā)射