zzz电子课件要点

1、电工电子技术电工电子技术电子技术基础矿业工程系矿业工程系 朱艳青朱艳青电工电子技术电工电子技术电工电子技术电工电子技术前言前言半导体的基础知识半导体的基础知识电工电子技术电工电子技术 电子技术的应用举例电子技术的应用举例 电子技术的发展，推动计算机技术的发展，使之“无孔不入”，应用广泛！n广播通信广播通信：发射机、接收机、扩音、录音、程控交换机、电话、手机：发射机、接收机、扩音、录音、程控交换机、电话、手机n网络网络：路由器、：路由器、ATMATM交换机、收发器、调制解调器交换机、收发器、调制解调器n工业工业：钢铁、石油化工、机加工、数控机床：钢铁、石油化工、机加工、数控机床n交通交通：飞机、

2、火车、轮船、汽车：飞机、火车、轮船、汽车n军事军事：雷达、电子导航：雷达、电子导航n航空航天航空航天：卫星定位、监测：卫星定位、监测n医学医学：刀、刀、CTCT、B B超、微创手术超、微创手术n消费类电子：消费类电子：家电（空调、冰箱、电视、音响、摄像机、照相机、电子家电（空调、冰箱、电视、音响、摄像机、照相机、电子表）、电子玩具、各类报警器、保安系统表）、电子玩具、各类报警器、保安系统电工电子技术电工电子技术1904年年电子管电子管问世问世1947年年晶体管诞生晶体管诞生半导体器件半导体器件飞速发展起飞速发展起来了来了1958年集成电年集成电路研制成功路研制成功使电子技术产使电子技术产生飞跃

3、式发展生飞跃式发展n1947年年 贝尔实验室制成第一只晶体管贝尔实验室制成第一只晶体管n1958年年 集成电路集成电路n1969年年 大规模集成电路大规模集成电路 （品种、功能）（品种、功能）n1975年年 超大规模集成电路超大规模集成电路 （价格）（价格）电子技术的发展很大程度上反映在电子技术的发展很大程度上反映在元器件的发展元器件的发展上。上。一、电子技术的发展史：一、电子技术的发展史：电工电子技术电工电子技术因此，在这门课程中，我们是以因此，在这门课程中，我们是以中规模中规模集成电路集成电路为典型电路来讲解这门课程。为典型电路来讲解这门课程。输入、输出特性、基本功能输入、输出特性、基本功

4、能电工电子技术电工电子技术二、课程内容二、课程内容1. 模拟电子电路模拟电子电路 模拟信号模拟信号：连续性：连续性 （时间、数值上，如温度、压力、流量等时间、数值上，如温度、压力、流量等）。）。 模拟电路模拟电路是对模拟信号进行处理的电路。是对模拟信号进行处理的电路。 最基本的处理是对信号的放大，有功能和性能各异的放最基本的处理是对信号的放大，有功能和性能各异的放大电路。大电路。 模拟电路多以放大电路为基础。模拟电路多以放大电路为基础。2. 数字电子电路数字电子电路数字信号数字信号：离散性：离散性数字电路是对数字信号进行处理的电路。数字电路是对数字信号进行处理的电路。注意：在这两类电路中，半导

5、体器件的工作状态不同，电注意：在这两类电路中，半导体器件的工作状态不同，电路分析方法不同。路分析方法不同。电工电子技术电工电子技术三、如何学习这门课程三、如何学习这门课程掌握掌握基本概念、基本电路和基本分析方法基本概念、基本电路和基本分析方法 基本概念：基本概念：概念是不变的，应用是灵活的，概念是不变的，应用是灵活的， “ “万万变不离其宗变不离其宗”。 基本电路：基本电路：构成的原则是不变的，具体电路是多种构成的原则是不变的，具体电路是多种多样的。多样的。 基本分析方法：基本分析方法：不同类型的电路有不同的性能指标不同类型的电路有不同的性能指标和描述方法，因而有不同的分析方法。和描述方法，因

6、而有不同的分析方法。电工电子技术电工电子技术四、考查方法四、考查方法1. 会看：读图，定性分析会看：读图，定性分析2. 会算：定量计算会算：定量计算考查分析问题的能力考查分析问题的能力3. 会选：电路形式、器件、参数会选：电路形式、器件、参数4. 会调：仪器选用、测试方法、故障诊断、会调：仪器选用、测试方法、故障诊断、EDA考查解决问题的能力设计能力考查解决问题的能力设计能力考查解决问题的能力实践能力考查解决问题的能力实践能力综合应用所学知识的能力综合应用所学知识的能力电工电子技术电工电子技术主编主编 曾令琴曾令琴电工电子技术电工电子技术主编主编 曾令琴曾令琴第第8 8章章 常用半导体器件常用

7、半导体器件1.1 1.1 半导体基础知识半导体基础知识1.2 1.2 半导体二极管半导体二极管1.3 1.3 晶体三极管晶体三极管电工电子技术电工电子技术8 8、1 1 半导体基础知识半导体基础知识一、一、半导体半导体二、二、本征半导体本征半导体三、三、杂质半导体杂质半导体( (重点重点) )四、四、PNPN结的形成及其单向导电性结的形成及其单向导电性 （重点重点）电工电子技术电工电子技术电工电子技术电工电子技术电工电子技术电工电子技术电工电子技术电工电子技术电工电子技术电工电子技术 半导体的导电能力虽然介于导体和绝缘体之间，但半导体的应用却极其广泛应用却极其广泛，这是由半导体的独特性能决定的

8、：1. 半导体的独特性能半导体的独特性能半导体受光照后，其导电能力大大增强；受温度的影响，半导体导电能力变化很大；在半导体中掺入少量特殊杂质，其导电 能力极大地增强；半导体材料的独特性能是由其所决定的。电工电子技术电工电子技术电工电子技术电工电子技术 最常用的半导体为硅(Si)和锗(Ge)。它们的共同特征是四价元素，即每个即每个原子原子最外层最外层电子电子数为数为4个个。+Si(硅原子结构)Ge(锗原子结构)硅原子和锗原子的硅原子和锗原子的简化模型图简化模型图因为原子呈电中性因为原子呈电中性，所以简化模型图，所以简化模型图中的中的原子核原子核只用带只用带圈的圈的+4+4符号表示即符号表示即可。

9、可。电工电子技术电工电子技术 天然的硅和锗是天然的硅和锗是不能制作不能制作成半导体器件的。它们必须先经成半导体器件的。它们必须先经过高度提纯，形成过高度提纯，形成晶格结构完全对称的晶格结构完全对称的本征半导体本征半导体。电工电子技术电工电子技术 本征半导体原子核最外层的价电子都是本征半导体原子核最外层的价电子都是4个，称为四价个，称为四价元素，它们排列成非常整齐的元素，它们排列成非常整齐的晶格结构晶格结构。 在本征半导体的晶格结构中，每一个原子均与相邻的四在本征半导体的晶格结构中，每一个原子均与相邻的四个原子结合，即与相邻四个原子的价电子两两组成电子对，个原子结合，即与相邻四个原子的价电子两两

10、组成电子对，构成构成。共价键结构共价键结构晶格结构晶格结构电工电子技术电工电子技术由此可见，本征半导体中自由电子和空穴是成对产生的。由此可见，本征半导体中自由电子和空穴是成对产生的。 温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。子与空穴对的浓度加大。电工电子技术电工电子技术 经常在热运动的过程中，自由电子刚好碰到一个空经常在热运动的过程中，自由电子刚好碰到一个空穴，二者同时消失，这种现象称为穴，二者同时消失，这种现象称为复合运动复合运动。 一定温度下一定温度下，产生的产生的自由电子和空穴的数目，自由电子和空穴的数目，

11、与复合掉的与复合掉的自由自由电子与空穴的数目是电子与空穴的数目是相等的相等的，我们称达到了，我们称达到了动态平衡动态平衡。 一旦达到动态平衡，在本征半导体中，自由电子的浓度和空穴的一旦达到动态平衡，在本征半导体中，自由电子的浓度和空穴的浓度就是一定的了；浓度就是一定的了；电工电子技术电工电子技术 在这样条件下（动态平衡），我们给晶体硅中加一个外电场，在这样条件下（动态平衡），我们给晶体硅中加一个外电场，如图所示：如图所示： 结论：结论： 在外电场作用下，有在外电场作用下，有两种载流子两种载流子（运载电荷的粒子称为载流子运载电荷的粒子称为载流子）在）在运动，一个是自由电子，一个是空穴，二者的运动

12、，一个是自由电子，一个是空穴，二者的运动方向相反运动方向相反。 空穴的运动空穴的运动其实是相邻的价电子不断地其实是相邻的价电子不断地补充补充空穴的位置。空穴的位置。电工电子技术电工电子技术 半导体的导电机理与金属导体导电机理半导体的导电机理与金属导体导电机理有本质上的区别有本质上的区别： 金属导体中只有自由电子一种载流子参与导电；金属导体中只有自由电子一种载流子参与导电； 而半导体中则是而半导体中则是本征激发下的自由电子和复合运动形成本征激发下的自由电子和复合运动形成的空穴的空穴两种载流子同时参与导电两种载流子同时参与导电。两种载流子电量相等、符。两种载流子电量相等、符号相反，即自由电子载流子

13、和空穴载流子的运动方向相反。号相反，即自由电子载流子和空穴载流子的运动方向相反。电工电子技术电工电子技术电工电子技术电工电子技术 本征半导体本征半导体虽然有自由电子和空穴两虽然有自由电子和空穴两种载流子，但由于数量极少，种载流子，但由于数量极少，导电能力仍导电能力仍然很低。然很低。 如果在其中如果在其中掺入某种元素的微量杂质，掺入某种元素的微量杂质，将使掺杂后的杂质半导体的将使掺杂后的杂质半导体的导电性能大大导电性能大大增强。增强。电工电子技术电工电子技术电工电子技术电工电子技术掺入掺入五价五价元素的杂质半导元素的杂质半导体叫做体叫做N N型型半导体。半导体。P P原子结构和简化的模型图原子结

14、构和简化的模型图电工电子技术电工电子技术掺入掺入三价三价元素的杂质半导体，元素的杂质半导体，叫做叫做P P型型半导体。半导体。B B原子结构和简化的模型图原子结构和简化的模型图电工电子技术电工电子技术电工电子技术电工电子技术也就是也就是PNPN结结 扩散运动扩散运动使得使得P P区的空穴向区的空穴向N N区运动，区运动，N N区的区的自由电子向自由电子向P P区运动区运动电工电子技术电工电子技术电工电子技术电工电子技术 PN PN结中除了有结中除了有多数载流子的扩散运动多数载流子的扩散运动，还，还有有少数载流子的漂移运动少数载流子的漂移运动。 内建电场对内建电场对P P区和区和N N区的少数载

15、流子具有区的少数载流子具有吸吸引引作用，只要少数载流子作用，只要少数载流子靠近耗尽层靠近耗尽层，就会，就会被内建电场被内建电场拉到拉到对方的区域中去，对方的区域中去，这就是漂这就是漂移运动。移运动。 当扩散和漂移这两种载流子数相等，当扩散和漂移这两种载流子数相等，PNPN结结两种运动达到动态平衡两种运动达到动态平衡，空间电荷区的，空间电荷区的宽度宽度基本上稳定下来，一般宽度为数十微米，基本上稳定下来，一般宽度为数十微米，PNPN结就处于相对稳定的状态。结就处于相对稳定的状态。电工电子技术电工电子技术 这个这个内建电场的方向内建电场的方向显然是从带正电的显然是从带正电的N N区指区指向带负电的向

16、带负电的P P区。它阻止载流子的扩散直至交界区。它阻止载流子的扩散直至交界面两边的电荷不再增加，面两边的电荷不再增加，达到动态平衡达到动态平衡，称，称阻挡阻挡层层，又由于空间电荷区缺少可以自由移动的载流，又由于空间电荷区缺少可以自由移动的载流子，所以称为子，所以称为耗尽层耗尽层。电工电子技术电工电子技术电工电子技术电工电子技术外电场和内电场外电场和内电场方向相反方向相反，内建电场被削弱内建电场被削弱，整个阻挡层就会整个阻挡层就会变窄，变窄，多数载流子的多数载流子的扩散运动增强扩散运动增强，形成了较大的扩散电流，形成了较大的扩散电流，空穴和电子虽然带不同极性的电荷，空穴和电子虽然带不同极性的电荷

17、，但由于它们的运动方向相但由于它们的运动方向相反，则电流方向一致，反，则电流方向一致，这种状态称为这种状态称为PNPN结的导通状态，这时的结的导通状态，这时的电流称为正向电流。电流称为正向电流。正电荷的运动方向为电流的方向。正电荷的运动方向为电流的方向。电工电子技术电工电子技术 由于外电场和内建电场由于外电场和内建电场方向相同方向相同，内建电场被加强内建电场被加强，整，整个阻挡层个阻挡层变宽变宽，多数载流子的，多数载流子的扩散被阻挡扩散被阻挡。但加强后的内建。但加强后的内建电场电场增强了增强了少数载流子的少数载流子的漂移运动漂移运动而形成而形成漂移电流漂移电流，即反向，即反向电流，由于少数载流

18、子数量很少，电流，由于少数载流子数量很少，因此反向电流很小，可以因此反向电流很小，可以忽略，忽略，这种状态称为这种状态称为PNPN结的截止状态。由于半导体的结的截止状态。由于半导体的少数载少数载流子浓度受环境温度影响很大，流子浓度受环境温度影响很大，则反向电流也受温度的影响，则反向电流也受温度的影响，温度越高，反向电流也越大。温度越高，反向电流也越大。电工电子技术电工电子技术 PNPN结的上述结的上述“正向导通，反向阻断正向导通，反向阻断”作用，说明它具有作用，说明它具有，PNPN结的结的单向导电性是它构成半导体器件的基础。单向导电性是它构成半导体器件的基础。 PN PN结的单向导电性结的单向

19、导电性电工电子技术电工电子技术n谢谢！谢谢！电工电子技术电工电子技术 由于常温下少数载流子的数量不多，故反向电流很小，而且当外加电压在一定范围内变化时，反向电流几乎不随外加电压的变化而变化，因此反向电流又称为反向饱和电流。反向饱和电流由于很小一般可以忽略，从这一点来看，PN结对反向电流呈高阻状态，也就是所谓的作用。 值得注意的是，由于本征激发随温度的升高而加剧，导致电子空穴对增多，因而反向电流将随温度的升高而成倍增长。反向电流是造成电路噪声的主要原因之一，因此，在设计电路时，必须考虑温度补偿问题。 PN结中反向电流的讨论电工电子技术电工电子技术2. 半导体受温度和光照影响，产生本征激发现象而出

20、现电子、空穴对；同时，其它价电子又不断地 “转移跳进”本征激发出现的空穴中，产生价电子与空穴的复合。在一定温度下，电子、空穴对的激发和复合最终达到动态平衡状态。平衡状态下，半导体中的载流子浓度一定，即反向电流的数值基本不发生变化。1. 半导体中少子的浓度虽然很低 ，但少子对温度非常敏感，因此温度对半导体器件的性能影响很大。而多子因浓度基本上等于杂质原子的掺杂浓度，所以说多子的数量基本上不受温度的影响。 4. PN4. PN结的结的单向导电性单向导电性是指：是指：PNPN结的结的正向电阻很小正向电阻很小，因此正向偏，因此正向偏置时多子构成的扩散电流极易通过置时多子构成的扩散电流极易通过PNPN结

21、；同时结；同时PNPN结的结的反向电阻很反向电阻很大大，因此反向偏置时基本上可以认为电流无法通过，因此反向偏置时基本上可以认为电流无法通过PNPN结。结。3. 空间电荷区的电阻率很高，是指其内电场阻碍多数载流子扩散运动的作用，由于这种阻碍作用，使得扩散电流难以通过空间电荷区，即空间电荷区对扩散电流呈现高阻作用。电工电子技术电工电子技术5. PN结的反向击穿问题 PN结反向偏置时，在一定的电压范围内，流过PN结的电流很小，基本上可视为零值。但当电压超过某一数值时，反向电流会急剧增加，这种现象称为PN结。 反向击穿发生在空间电荷区。击穿的原因主要有两种： 当PN结上加的反向电压大大超过反向击穿电压

22、时，处在强电场中的载流子获得足够大的能量碰撞晶格，将价电子碰撞出来，产生电子空穴对，新产生的载流子又会在电场中获得足够能量，再去碰撞其它价电子产生新的电子空穴对，如此连锁反应，使反向电流越来越大，这种击穿称为。 产生雪崩击穿的电场比较大，外加反向电压相对较高。通常出现雪崩击穿的电压大约在7V以上。 (1)雪崩击穿电工电子技术电工电子技术 当PN结两边的掺杂浓度很高，阻挡层又很薄时，阻挡层内载流子与中性原子碰撞的机会大为减少，因而不会发生雪崩击穿。(2)齐纳击穿 当PN结非常薄时，即使在阻挡层两端加的反向电压不太大，也会产生一个比较强的内电场。这个内电场足以把PN结内中性原子的价电子从共价键中拉

23、出来，产生出大量的电子空穴对，使PN结反向电流剧增，这种反向击穿现象称为齐纳击穿。可见，齐纳击穿发生在高掺杂的PN结中，相应的击穿电压较低，一般小于5V。 雪崩击穿是一种碰撞的击穿，齐纳击穿是一种场效应击穿，二者均属于。电击穿过程通常可逆，即PN结两端的反向电压降低后，PN结仍可恢复到原来状态。利用电击穿时PN结两端电压变化很小电流变化很大的特点，人们制造出工作在反向击穿区的稳压管。电工电子技术电工电子技术 当PN结两端加的反向电压过高时，反向电流会继续急剧增长，PN结上热量不断积累，引起结温升高，载流子增多，反向电流一直增大下去，结温一再持续升高循环，超过其容许值时，PN结就会发生而永久损坏

24、。 热击穿的过程是不可逆的，所以应尽量避免发生。(3)热击穿能否说出能否说出PN结有何结有何特性？半导体的导特性？半导体的导电机理与金属导体电机理与金属导体有何不同？有何不同？什么是本征激发？什么是本征激发？什么是复合？少数什么是复合？少数载流子和多数载流载流子和多数载流子是如何产生的子是如何产生的 ？ 试述雪崩击穿和齐纳击穿试述雪崩击穿和齐纳击穿的特点。这两种击穿能否造的特点。这两种击穿能否造成成PN结的永久损坏结的永久损坏 ？ 空间电荷区的空间电荷区的电阻率为什么很电阻率为什么很 高？高？电工电子技术电工电子技术6.2 半导体二极管半导体二极管 把PN结用管壳封装，然后在P区和N区分别向外

25、引出一个电极，即可构成一个二极管。二极管是电子技术中最基本的半导体器件之一。根据其用途分有检波管、开关管、稳压管和整流管等。硅高频检波管开关管稳压管整流管发光二极管 电子工程实际中，二极管应用得非常广泛，上图所示即为各类二极管的部分产品实物图。电工电子技术电工电子技术1. 二极管的基本结构和类型：结面积小，适用于 高频检波、脉冲电路及计算机中的开关元件。外壳触丝N型锗片正极引线负极引线N型锗型锗结面积大，适用于 低频整流器件。负极引线底座金锑合金PN结铝合金小球正极引线普通二极管图符号稳压二极管图符号发光二极管图符号DDZD 使用二极管时，必须注意极性不能接反，否则电路非但不能正常工作，还有毁

26、坏管子和其他元件的可能。电工电子技术电工电子技术2. 二极管的伏安特性U(V)0.500.8-50-25I (mA)204060 (A)4020 二极管的伏安特性是指流过二极管的电流与两端所加电压的函数关系。二极管既然是一个PN结，其伏安特性当然具有“单向导电性”。 二极管的伏安特性呈非线性，特性曲线上大致可分为四个区： 外加正向电压超过死区电压(硅管0.5V，锗管0.1V)时，内电场大大削弱，正向电流迅速增长，二极管进入正向导通区。死区正向导通区反向截止区 当外加正向电压很低时，由于外电场还不能克服PN结内电场对多数载流子扩散运动的阻力，故正向电流很小，几乎为零。这一区域称之为死区。 外加反

27、向电压超过反向击穿电压UBR时，反向电流突然增大，二极管失去单向导电性，进入反向击穿区。反向击穿区反向截止区内反向饱和电流很小，可近似视为零值。电工电子技术电工电子技术正向导通区和反向截止区的讨论U(V)0.500.8-50-25I (mA)204060 (A)4020死区正向导通区反向截止区反向击穿区 当外加正向电压大于死区电压时，二极管由不导通变为导通，电压再继续增加时，电流迅速增大，而二极管端电压却几乎不变，此时二极管端电压称为正向导通电压。 硅二极管的正向导通电压约为0.7V，锗二极管的正向导通电压约为0.3V。 在二极管两端加反向电压时，将有很小的、由少子漂移运动形成的反向饱和电流通

28、过二极管。 反向电流有两个特点：一是它随温度的上升增长很快，二是在反向电压不超过某一范围时，反向电流的大小基本恒定，而与反向电压的高低无关(与少子的数量有限)。所以通常称它为反向饱和电流。电工电子技术电工电子技术3. 二极管的主要参数 （1）最大整流电流最大整流电流IDM：指二极管长期运行时，允许通过：指二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。其大小由的最大正向平均电流。其大小由PN结的结面积和外界散热结的结面积和外界散热条件决定。条件决定。 （2 2）最高反向工作电压最高反向工作电压U URMRM：指二极管长期安全运行时所：指二极管长期安全运行时所能承受的最大反向电压值。手册上一般取击

29、穿电压的能承受的最大反向电压值。手册上一般取击穿电压的一半一半作作为最高反射工作电压值。为最高反射工作电压值。 （3）反向电流反向电流IR：指二极管未击穿时的反向电流。：指二极管未击穿时的反向电流。IR值越值越小，二极管的单向导电性越好。反向电流随温度的变化而变小，二极管的单向导电性越好。反向电流随温度的变化而变化较大，这一点要特别加以注意。化较大，这一点要特别加以注意。 （4）最大工作频率最大工作频率fM：此值由：此值由PN结的结电容大小决定。结的结电容大小决定。若二极管的工作频率超过该值，则二极管的单向导电性将变若二极管的工作频率超过该值，则二极管的单向导电性将变差。差。电工电子技术电工电

30、子技术4. 二极管的应用举例分析实际电路时为简单化，通常把二极管进行理想化处理，即正偏时视其为“短路”，截止时视其为“开路”。UD=0UD=正向导通时相当于正向导通时相当于一个闭合的开关一个闭合的开关反向阻断时相当于反向阻断时相当于一个打开的开关一个打开的开关(1)二极管的二极管的开关作用开关作用电工电子技术电工电子技术(2)二极管的二极管的整流整流作用作用 将交流电变成单方向脉动直流电的过程称为将交流电变成单方向脉动直流电的过程称为整流整流。利用。利用二极管的单向导电性能就可获得各种形式的整流电路。二极管的单向导电性能就可获得各种形式的整流电路。二极管半波整流电路二极管全波整流电路桥式整流电

31、路简化图B220VRLDIN4001B220VRLD1D2二极管桥式整流电路D4B220VRLD1D2D3B220VRL电工电子技术电工电子技术(3)(3)二极管的限幅作用二极管的限幅作用DuS10K IN4148u0iD 图示为一限幅电路。电源uS是一个周期性的矩形脉冲，高电平幅值为+5V，低电平幅值为-5V。试分析电路的输出电压为多少。uS+5V-5Vt0当输入电压ui=5V时，二极管反偏截止，此时电路可视为开路，输出电压u0=0V； 当输入电压ui= +5V时，二极管正偏导通，导通时二极管管压降近似为零，故输出电压u0+5V。 显然输出电压u0限幅在0+5V之间。u0电工电子技术电工电子

32、技术半导体二极管工作在半导体二极管工作在击穿区，是否一定被击穿区，是否一定被损坏？为什么？损坏？为什么？ 何谓死区电压？硅管何谓死区电压？硅管和锗管死区电压的典和锗管死区电压的典型值各为多少？为何型值各为多少？为何会出现死区电压？会出现死区电压？ 把一个把一个1.5V1.5V的干电池直接的干电池直接正向联接到二极管的两端，正向联接到二极管的两端， 会出现什么问题？会出现什么问题？二极管的伏安特性曲线上二极管的伏安特性曲线上分为几个区？能否说明二分为几个区？能否说明二极管工作在各个区时的电极管工作在各个区时的电 压、电流情况？压、电流情况？ 为什么二极管的反为什么二极管的反向电流很小且具有向电流

33、很小且具有饱和性？当环境温饱和性？当环境温度升高时又会明显度升高时又会明显增大增大 ？电工电子技术电工电子技术I(mA)40302010 0-5-10-15-20 (A) 0.4 0.812 8 4U(V) 稳压二极管的反向电压几乎不随反向电流的变化而变稳压二极管的反向电压几乎不随反向电流的变化而变化、这就是稳压二极管的显著特性。化、这就是稳压二极管的显著特性。D 稳压二极管是一种特殊的面接触型二极管，其反向击穿可逆。正向特性与普正向特性与普通二极管相似通二极管相似反向反向IZUZ6.3 特殊二极管特殊二极管1. 稳压二极管稳压二极管实物图图符号及文字符号 显然稳压管的伏安特性曲线比普通二极管

34、的更加陡峭。电工电子技术电工电子技术USDZ使用稳压二极管时应该注意的事项使用稳压二极管时应该注意的事项(1)稳压二极管正负极的判别DZ(2)稳压二极管使用时，应反向接入电路UZ(3)稳压管应接入限流电阻(4)电源电压应高于稳压二极管的稳压值ZSUU (5)稳压管都是硅管。其稳定电压UZ最低为3V，高的可达 300V，稳压二极管在工作时的正向压降约为0.6V。 电工电子技术电工电子技术 二极管的反向击穿特性：二极管的反向击穿特性：当外加反向电压超过击穿当外加反向电压超过击穿电压时，通过二极管的电流会急剧增加。电压时，通过二极管的电流会急剧增加。 击穿并不意味着管子一定要损坏击穿并不意味着管子一

35、定要损坏，如果我们采取适，如果我们采取适当的措施限制通过管子的电流，就能保证管子不因过当的措施限制通过管子的电流，就能保证管子不因过热而烧坏。热而烧坏。 在反向击穿状态下，让通过管子的电流在一定范围在反向击穿状态下，让通过管子的电流在一定范围内变化，这时管子两端电压变化很小，内变化，这时管子两端电压变化很小，利用这一点可利用这一点可以达到以达到“稳压稳压”效果。效果。稳压二极管就是工作在反向击稳压二极管就是工作在反向击穿区。穿区。 稳压管稳压电路中一般都要加限流电阻稳压管稳压电路中一般都要加限流电阻R，使稳压管，使稳压管电流工作在电流工作在Izmax和和Izmix的范围内。应用中稳压管要采取的

36、范围内。应用中稳压管要采取适当措施限制通过管子的电流值，以保证管子不会造适当措施限制通过管子的电流值，以保证管子不会造成热击穿。成热击穿。电工电子技术电工电子技术 发光二极管是一种能把电能直接转换成光能的固体发光元发光二极管是一种能把电能直接转换成光能的固体发光元件。发光二极管和普通二极管一样，管芯由件。发光二极管和普通二极管一样，管芯由PN结构成，具结构成，具有单向导电性。有单向导电性。实物图图符号和文字符号D 单个发光二极管常作为电子设备通单个发光二极管常作为电子设备通断指示灯或快速光源及光电耦合器中断指示灯或快速光源及光电耦合器中的发光元件等。发光二极管一般使用的发光元件等。发光二极管一

37、般使用砷化镓、磷化镓等材料制成。现有的砷化镓、磷化镓等材料制成。现有的发光二极管能发出红黄绿等颜色的光。发光二极管能发出红黄绿等颜色的光。 发光管正常工作时应正向偏置，因死区电压发光管正常工作时应正向偏置，因死区电压较普通二极管高，因此其正偏工作电压一般在较普通二极管高，因此其正偏工作电压一般在1.3V以上以上。 发光管属功率控制器件，常用来作为数字电发光管属功率控制器件，常用来作为数字电路的数码及图形显示的七段式或阵列器件。路的数码及图形显示的七段式或阵列器件。2. 发光二极管电工电子技术电工电子技术 光电二极管也称光敏二极管，是将光信号变成电信号的半光电二极管也称光敏二极管，是将光信号变成

38、电信号的半导体器件，其核心部分也是一个导体器件，其核心部分也是一个PN结。光电二极管结。光电二极管PN结的结的结面积较小、结深很浅，一般小于一个微米。结面积较小、结深很浅，一般小于一个微米。D 光电二极管和稳压管类似，也是工作在反向电压下。无光电二极管和稳压管类似，也是工作在反向电压下。无光光照时，反向电流很小，称为照时，反向电流很小，称为暗电流暗电流；有光照射时，携带能；有光照射时，携带能量量的光子进入的光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分价电子挣脱共价键的束缚，产生电子部分价电子挣脱共价键的束缚，产生电子空穴对，称为空穴对，称为光光生

39、载流子生载流子。光生载流子在反向电压作用下形成反向光电流，。光生载流子在反向电压作用下形成反向光电流，其强度与光照强度成正比。其强度与光照强度成正比。3. 光电二极管 光电二极管也称光敏二极管，同光电二极管也称光敏二极管，同样具有单向导电性，光电管管壳上样具有单向导电性，光电管管壳上有一个能射入光线的有一个能射入光线的“窗口窗口”，这，这个窗口用有机玻璃透镜进行封闭，个窗口用有机玻璃透镜进行封闭，入射光通过透镜正好射在管芯上。入射光通过透镜正好射在管芯上。实物图图符号和文字符号电工电子技术电工电子技术1.利用稳压管或利用稳压管或普通二极管的正普通二极管的正向压降，是否也向压降，是否也可以稳压？

40、可以稳压？2. 现有两只稳压管，它们的稳定电压分别为6V和8V，正向导通电压为0.7V。试问：(1)若将它们串联相接，可得到几种稳压值？各为多少？(2)若将它们并联相接，又可得到几种稳压值？各为多少？3.在右图所示电路中，发光二极管导通电压UD1.5V，正向电流在515mA时才能正常工作。试问图中开关S在什么位置时发光二极管才能发光？R的取值范围又是多少？ 电工电子技术电工电子技术6.4 双极型三极管双极型三极管 三极管是组成各种电子电路的核心器件。三极管的产生使PN结的应用发生了质的飞跃。1. 双极型三极管的基本结构和类型 双极型晶体管分有NPN型和PNP型，虽然它们外形各异，品种繁多，但它

41、们的共同特征相同：都有三个分区、两个PN结和三个向外引出的电极：发射极发射极e发射结发射结集电结集电结基区基区发射区发射区集电区集电区集电极集电极c基极基极b电工电子技术电工电子技术 根据制造工艺和材料的不同，三极管分有双极型和单极型两种类型。若三极管内部的自由电子载流子和空穴载流子同时参与导电，就是所谓的双极型。如果只有一种载流子参与导电，即为单极型。NPN型三极管图符号大功率低频三极管小功率高频三极管中功率低频三极管 目前国内生产的双极型硅晶体管多为NPN型(3D系列)，锗晶体管多为PNP型(3A系列)，按频率高低有高频管、低频管之别；根据功率大小可分为大、中、小功率管。 PNP型三极管图

42、符号图中箭头方向为发射极电流的方向。电工电子技术电工电子技术2. 双极型三极管的电流放大作用晶体管实现电流放大作用的内部结构条件内部结构条件(1)发射区掺杂浓度很高，以便有足够的载流子供“发射”。(2)为减少载流子在基区的复合机会，基区做得很薄，一般为几个微米，且掺杂浓度较发射极低。(3)集电区体积较大，且为了顺利收集边缘载流子，掺杂浓度很低。 可见，双极型三极管并非是两个PN 结的简单组合，而是利用一定的掺杂工艺制作而成。因此，绝不能用两个二极管来代替，使用时也决不允许把发射极和集电极接反。电工电子技术电工电子技术晶体管实现电流放大作用的UBBRB(1)发射结必须“正向偏置”，以利于发射区电

43、子的扩散，扩散电流即发射极电流ie，扩散电子的少数与基区空穴复合，形成基极电流ib，多数继续向集电结边缘扩散。UCCRC(2)集电结必须“反向偏置”，以利于收集扩散到集电结边缘的多数扩散电子，收集到集电区的电子形成集电极电流ic。IEICIB 整个过程中，发射区向基区发射的电子数等于基区复合掉的电子与集电区收集的电子数之和，即： 电工电子技术电工电子技术电工电子技术电工电子技术 由于发射结处正偏，发射区的多数载流子自由电子将不断扩散到基区，并不断从电源补充进电子，形成发射极电流I IE E。 由于基区很薄，且多数载流子浓度又很低，所以从发射极扩散过来的电子只有很少一部分和基区的空穴相复合形成基

44、极电流I IB B，剩下的绝大部分电子则都扩散到了集电结边缘。 集电结由于反偏，可将从发射区扩散到基区并到达集电区边缘的电子拉入集电区，从而形成较大的集电极电流I IC C。只要符合三极管发射区的杂质浓度大大于基区的掺杂浓度，基区的掺杂浓度又大大于集电区的杂质浓度，且基区很薄的内部条件内部条件，再加上晶体管的发射结正偏、集电结反偏的外部条件外部条件，三极管就具有了放大电流的能力。电工电子技术电工电子技术 三极管的集电极电流IC稍小于IE，但远大于IB，IC与IB的比值在一定范围内基本保持不变。特别是基极电流有微小的变化时，集电极电流将发生较大的变化。例如，IB由40A增加到50A时，IC将从3

45、.2mA增大到4mA，即：8010)4050(10)2 . 34(63BCII 显然，双极型三极管具有电流放大能力。式中的值称为三极管的电流放大倍数。不同型号、不同类型和用途的三极管，值的差异较大，大多数三极管的值通常在几十至几百的范围。 由此可得：微小的基极电流IB可以控制较大的集电极电流IC，故双极型三极管属于电流控制器件。电工电子技术电工电子技术3. 双极型三极管的特性曲线 所谓特性曲线是指各极电压与电流之间的关系曲线，是三极管内部载流子运动的外部表现。从工程应用角度来看，外部特性更为重要。(1) 输入特性曲线以常用的共射极放大电路为例说明UCE=0VUBE /VIB / A0UCE =

46、0VUBBUCCRC+RB令令UBB从从0开始增加开始增加IBIE=IBUBE令令UCC为为0UCE=0时的输时的输入特性曲线入特性曲线UCE为为0时时电工电子技术电工电子技术UCE =0.5VUCE=0VUBE /VIB / A0UBBUCCRC+RB令令UBB重重新从新从0开开始增加始增加IBICUBE增大增大UCC让让UCE=0.5VUCE =1VUCE=0.5VUCE=0.5V的的特性曲线特性曲线继续增继续增大大UCC让让UCE=1V令令UBB重重新从新从0开开始增加始增加UCE=1VUCE=1V的的特性曲线特性曲线 继续增大UCC使UCE=1V以上的多个值，结果发现：之后的所有输入特

47、性几乎都与UCE=1V的特性相同，曲线基本不再变化。 实用中三极管的UCE值一般都超过1V，所以其输入特性通常采用UCE=1V时的曲线。从特性曲线可看出，双极型三极管的输入特性与二极管的正向特性非常相似。UCE1V的的特性曲线特性曲线电工电子技术电工电子技术(2) 输出特性曲线先把先把IB调到调到某一固定值某一固定值保持不变。保持不变。 当IB不变时，输出回路中的电流IC与管子输出端电压UCE之间的关系曲线称为输出特性。然后调节然后调节UCC使使UCE从从0增增大，观察毫安表中大，观察毫安表中IC的变的变化并记录下来。化并记录下来。UCEUBBUCCRCRBICIBUBEmA AIE 根据记录

48、可给出IC随UCE变化的伏安特性曲线，此曲线就是晶体管的输出特性曲线。IBUCE / VIC /mA0电工电子技术电工电子技术UBBUCCRCRBICIBUBEmA AIE再调节再调节IB1至至另一稍小的另一稍小的固定值上保固定值上保持不变。持不变。仍然调节仍然调节UCC使使UCE从从0增增大，继续观察毫安表中大，继续观察毫安表中IC的变化并记录下来。的变化并记录下来。UCE 根据电压、电流的记录值可绘出另一条IC随UCE变化的伏安特性曲线，此曲线较前面的稍低些。UCE / VIC /mA0IBIB1IB2IB3IB=0 如此不断重复上述过程，我们即可得到不同基极电流IB对应相应IC、UCE数

49、值的一组输出特性曲线。输出曲线开始部分很输出曲线开始部分很陡，说明陡，说明IC随随UCE的增的增加而急剧增大。加而急剧增大。当当UCE增至一定数值时增至一定数值时(一般小于一般小于1V)，输出特性曲线变得平坦，表明，输出特性曲线变得平坦，表明IC基基本上不再随本上不再随UCE而变化。而变化。电工电子技术电工电子技术 当IB一定时，从发射区扩散到基区的电子数大致一定。当UCE超过1V以后，这些电子的绝大部分被拉入集电区而形成集电极电流IC 。之后即使UCE继续增大，集电极电流IC也不会再有明显的增加，具有恒流特性。UCE / VIC /mA020 AIB=040 A60 AIB=100 A80

50、A43211.52.3 当IB增大时，相应IC也增大，输出特性曲线上移， 且IC增大的幅度比对应IB大得多。这一点正是晶体管的电流放大作用。从输出特性曲线可求出三极管的电流放大系数。IB=40 A取任意再两条特性曲线上的平坦段，读出其基极电流之差；再读出这两条曲线对应的集电极电流之差IC=1.3mA；IC于是我们可得到三极管的电流放大倍数：电工电子技术电工电子技术UCE / VIC /mA020 AIB=040 A60 AIB=100 A80 A43211.52.3输出特性曲线上一般可分为三个区：饱和区饱和区。当。当发射结和发射结和集电结均为正向偏置集电结均为正向偏置时，三极管处于饱和时，三极

51、管处于饱和状态。此时集电极电状态。此时集电极电流流IC与基极电流与基极电流IB之之间不再成比例关系，间不再成比例关系，IB的变化对的变化对IC的影响的影响很小。很小。截止区截止区。当基极电。当基极电流流IB等于等于0时，晶体时，晶体管处于截止状态。管处于截止状态。实际上当发射结电实际上当发射结电压处在正向死区范压处在正向死区范围时，晶体管就已围时，晶体管就已经截止，为让其可经截止，为让其可靠截止，常使靠截止，常使UBE小于或等于零。小于或等于零。 晶体管工作在放大状态时，发射结正偏，集电结反偏。在放大区，集电极电流与基极电流之间成倍的数量关系，即晶体管在放大区时具有电流放大作用。电工电子技术电

52、工电子技术4. 双极型三极管的极限参数电流放大倍数BCII 极限参数集电极最大允许电流ICMCMIUCE / VIC /mA0IB=043211.52.3反向击穿电压U(BR)CEOcebUCCU(BR ) CEO基极开路基极开路 指基极开路时集电极与发射极间的反向击穿电压。使用中若超过使用中若超过此值此值, ,晶体管的晶体管的集电结就会出集电结就会出现现。值的大小反映了晶体管值的大小反映了晶体管的电流放大能力。的电流放大能力。ICICM时，晶体管不一定烧时，晶体管不一定烧损，但损，但值明显下降。值明显下降。集电极最大允许功耗PCMCMP晶体管上的功晶体管上的功耗超过耗超过PCM，管，管子将损

53、坏。子将损坏。电工电子技术电工电子技术 晶体管的发射极和集电极是晶体管的发射极和集电极是不能互换使用的。因为发射区的不能互换使用的。因为发射区的掺杂质浓度很高，集电区的掺杂掺杂质浓度很高，集电区的掺杂质浓度较低，这样才使得发射极质浓度较低，这样才使得发射极电流等于基极电流和集电极电流电流等于基极电流和集电极电流之和，如果互换显然不行。之和，如果互换显然不行。晶体管的发射极晶体管的发射极和集电极能否互和集电极能否互换使用？为什么换使用？为什么? 晶体管在输出特性曲线的饱晶体管在输出特性曲线的饱和区工作时，和区工作时，UCEUT、UDS0且较小时当UGS继续增大，UDS仍然很小且不变时，ID随着U

54、GS的增大而增大。此时增大UDS，导电沟道出现梯度，ID又将随着UDS的增大而增大。直到UGD=UGSUDS=UT时，相当于UDS增加使漏极沟道缩减到导电沟道刚刚开启的情况，称为预夹断，ID基本饱和。电工电子技术电工电子技术 如果继续增大UDS，使UGDUT时，沟道夹断区延长，ID达到最大且恒定，管子将从放大区跳出而进入饱和区。 沟道出现预夹断时工作在放大状态，放大区ID几乎与UDS的变化无关，只受UGS的控制。即MOS管是利用栅源电压UGS来控制漏极电流ID大小的一种电压控制器件。电工电子技术电工电子技术电工电子技术电工电子技术3. MOS管使用注意事项(1) MOS管中, 有的产品将衬底引

55、出，形成四个管脚。使用者可视电路需要进行连接。P衬底接低电位，N衬底接高电位。但当源极电位很高或很低时 , 可将源极与衬底连在一起。(2)场效应管的漏极与源极通常可以互换，且不会对伏安特性曲线产生明显影响。：有些产品出厂时已将源极与衬底连在一起了，这时源极与漏极就不能进行对调。(3)MOS管不使用时 , 由于它的输入电阻非常高, 须将各电极短路 , 以免受外电场作用时使管子损坏。即MOS管在不使用时应避免栅极悬空，务必将各电极短接。(4)焊接MOS管时，电烙铁须有外接地线，用来屏蔽交流电场，以防止损坏管子。特别是焊接绝缘栅场效应管时，最好断电后再焊接。电工电子技术电工电子技术单极型晶体管和双极

56、型晶体管的性能比较 1. 场效应管的源极场效应管的源极S、栅极、栅极G、漏极、漏极D分别对应于双极型晶体管的发射极分别对应于双极型晶体管的发射极e、基极、基极b、集电极集电极c，它们的作用相似。，它们的作用相似。 2. 场效应管是电压控制电流器件，场效应管栅极基本上不取电流，而双极型晶体场效应管是电压控制电流器件，场效应管栅极基本上不取电流，而双极型晶体管工作时基极总要取一定的电流。所以在只允许从信号源取极小量电流的情况下，管工作时基极总要取一定的电流。所以在只允许从信号源取极小量电流的情况下，应该选用场效应管；而在允许取一定量电流时，选用双极型晶体管进行放大可以应该选用场效应管；而在允许取一定量电流时，选用双极型晶体管进行放大可以得到比场效应管较高的电压放大倍数。得到比场