《实用电工电子技术教程(二版)》-电子教案

1、第4章 实用半导体器件本章内容简介：1.半导体基础知识2.半导体二极管3.双极性三极管（三极管、场效应管）4.习题分析技术5.实用培训技术4.1 半导体基础知识 学习要点 1.半导体的导电机理； 2.PN结的形成及其导电特性。4.1.1 本征半导体1、半导体导电能力介于导体和绝缘体之间的物质如硅(Si),锗(Ge)、本征半导体纯净的半导体称为本征半导体 、载流子自由运动的带电粒子、共价键相邻原子共有价电子所形成的束缚一、有关概念自由电子二、结构图硅(锗)的原子结构简化模型价电子惯性核硅(锗)的共价键结构空穴可在共价键内移动空穴空穴444444444受光照或温度上升影响，共价键中其它一些价电子直

2、接跳进空穴，使失电子的原子重新恢复电中性。 价电子填补空穴的现象称为复合。此时整个晶体带电吗？为什么？ 参与复合的价电子又会留下一个新的空位，而这个新的空穴仍会被邻近共价键中跳出来的价电子填补上，这种价电子填补空穴的复合运动使本征半导体中又形成一种不同于本征激发下的电荷迁移，为区别于本征激发下自由电子载流子的运动，我们把价电子填补空穴的复合运动称为空穴载流子运动。三、本征激发复 合：自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程。漂 移：自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位(空穴)的过程。两种载流子电子(

3、自由电子)空穴两种载流子的运动自由电子(在共价键以外)的运动空穴(在共价键以内)的运动 结论：1. 本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少； 2. 半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电； 3. 本征半导体导电能力弱，并与温度有关。 .1.2 掺杂半导体一、N 型半导体（掺入磷原子）N 型+5+4+4+4+4+4磷原子自由电子电子为多数载流子空穴为少数载流子载流子数 电子数二、 P 型半导体（掺入硼原子）P 型+3+4+4+4+4+4硼原子空穴空穴 多子电子 少子载流子数 空穴数结论：1.掺杂半导体的导电能力优于本征半导体，但仍然很弱；2.不管是N型半导体还是P型半导体，从宏观上讲仍然是呈电中

4、性。4.1.3 PN 结的形成1. 载流子的浓度差引起多子的扩散2. 复合使交界面形成空间电荷区(耗尽层) 空间电荷区特点:无载流子，阻止扩散进行，利于少子的漂移。内建电场3. 扩散和漂移达到动态平衡扩散电流 等于漂移电流， 总电流 I = 0。4.1.4 PN 结的单向导电性1. 外加正向电压(正向偏置)内电场外电场外电场使多子向 PN 结移动,中和部分离子使空间电荷区变窄。 IF限流电阻扩散运动加强形成正向电流 IF 。IF = I多子 I少子 I多子2. 外加反向电压(反向偏置)内电场外电场外电场使少子背离 PN 结移动， 空间电荷区变宽。IRPN 结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电

5、流较大; 反偏截止，电阻很大，电流近似为零。漂移运动加强形成反向电流 IRIR = I少子 0P 区N 区P 区N 区-4.2 半导体二极管及其应用学习要点1.掌握二极管基本工作原理2.掌握二极管电路的分析方法4.2.1 二极管的分类1.根据PN结面积分： （1）点接触型 （2）面接触型 点接触型二极管PN结面积很小，因而结电容也小，可以在高频下工作，适用于检波、调制和混频等，但管子中不允许通过较大的电流和承受较高的电压。 面接触型二极管则相反，由于PN结的面积大，故结电容也大，适宜在低频电路总工作，能通过较大的电流，能承受较高的电压，可用于整流电路等。 2.根据工作频率分：（1）高频管；（检

6、波用） （2）低频管。（整流用）3.根据功率分：（1）大功率管；（电力系统用） （2）中功率管；（电源整流用） （3）小功率管。（检波用）需注意的是：整流管也有高频管、低频管之分。 例如：开关电源中脉冲变压器次级整流管为高频管，工频变压器次级整流管为低频管，二者不能用错。点接触型正极引线触丝N 型锗片外壳负极引线负极引线 面接触型N型锗PN 结 正极引线铝合金小球底座金锑合金正极引线负极引线集成电路中平面型PNP 型支持衬底2CZ42CZ44.2.2 二极管的伏安特性OuD /ViD /mA正向特性Uth死区电压iD = 0Uth = 0.5 V 0.1 V(硅管)(锗管)U UthiD 急剧

7、上升0 U Uth UD(on) = (0.6 0.8) V硅管 0.7 V(0.1 0.3) V锗管 0.2 V反向特性ISU (BR)反向击穿U(BR) U 0 iD = IS 0.1 A(硅) 几十 A (锗)U U(BR)反向电流急剧增大(反向击穿)伏安特性仿真实验4.2.3 二极管的主要参数1. IF 最大整流电流(最大正向平均电流)2. URM 最高反向工作电压，为 U(BR) / 2 3. IR 反向电流(越小单向导电性越好)4. fM 最高工作频率(超过时单向导电性变差)iDuDU (BR)I FURMO温度对二极管特性的影响T 升高时，UD(on)以 (2 2.5) mV/

8、C 下降604020 0.0200.42550iD / mAuD / V20C90C4.2.4 普通二极管电路分析1、普通二极管可采用两种电路分析方法 为了区别其他用途的二极管，习惯上将利用单向导电性完成一定电路功能二极管称为普通二极管。 （1）理想开关模型方法 当外加正向电压远大于二极管的导通电压UD(on)时： UD(on)可以视为二极管导通时的管压降 即相对于大电压UD(on)可忽略不计，从而认定二极管上的电压降为零，相当于理想开关的接通状态。反偏时二极管截止，忽略反向电流并认定流过二极管的电流为零，相当于理想开关的断开状态（设正偏时电压降为零，反向击穿电压无穷大的二极管称为理想二极管）

9、。 理想开关模型如后图;特性uDiD符号及等效模型SS理想开关模型 正偏导通UD = 0反偏截止 ID = 0 U(BR) 【例4-1】硅二极管电路如下图所示，试求当VDD=1.5V和VDD=15V时回路电流Io和输出电压UO的值。(a)电 路(b)考虑 管压降电路(c)理想开关电路解：（1）当VDD=1.5V时，由于UDD和UD(ON)的值接近，必须考虑二极管在导通时的管压降，由图（b）可得：U0=VDD-UD(on)= 1.5-0.7=0.8（V）(2)当VDD=15V时，VDD的值远大于UD(on) ，UD(on)可忽略不计，由图（c）可得UO=VDD=15V。考虑管压降理想开关模型【例

10、4-2】理想二极管电路如下图所示，试判定下列情况下，电路中二极管是导通还是截止？并求出AO二端的电压UAO。（1）VDD1 = 6V， VDD2=12V（2）VDD1= 6V， VDD2= -12V；（3）VDD1= - 6V，VDD2= -12V。复杂的二极管电路思路点拨:假设电路接通瞬间通过各元件的电流为0 .然后计算二极管两端电位，以此来判断二极管工作状态。+12V+12V+6V二极管截止，UAO=12V （2）VDD1= 6V， VDD2= -12V；UAO=？-12V-12V+6V二极管导通，使得A点电位钳制为+6V，UAO=6V仿真仿真记录（3）VDD1= - 6V，VDD2= -

11、12V，UAO=？-12V-12V-6V二极管导通，UAO=-6V仿真记录【例4-3】一交流电ui 、经过理想二极管加在负载RL上，如图（a）试分析RL上的输出电压波形。 (a）电路 （ b）正半波等效电路 （c）负半波等效电路 （d） Vi、V0波形图交流输入电压ui经过二极管之后，在负载RL上只得到正半周的单一方向电压，使电压由输入的交流电变成了单方向的直流电。由于整流后输出电压U0只有正半波，这种整流称为半波整流。半波整流使输出电压有半个周期输出为零，输出电压波动较大，下面的电路将有效地改善这一缺陷。交流电ui负半周加在电路上时，二极管反偏截止，相当于开关断开 交流电ui正半周加在电路上

12、时，二极管正偏导通，相当于开关接通【例4-4】VD1、VD2、VD3、VD4四个普通二极管组成一个桥式电路，电路接法如下图（a），试分析输出电压U0的波形。当交流电ui的正半周加在电路输入端时当交流电ui的负半周加在电路输入端时桥式二极管整流电路，把交流电经正、负半周后变成单一方向的脉冲直流电输出，这种整流称为桥式全波整流。练习题求图中电压表的示数?-9V-12V0VVD1导通VD2截止由于VD1导通,使得输出被强制限制在0V,所以UO=0V课前练习题 1.图中电路，设ui=10sint（V），且二极管有理想特性，当开关S闭合和断开的二种情况下，试画出对应的波形图。uS课前练习题2.求图中电压

13、表的读数：-6V-3V二极管截止，输出电压为-6V4.2.5 稳压二极管及实际应用 稳压二极管是利用反向电击穿特性达到稳定输出电压的器件之一。这类二极管是面接触型的（允许流过的电流比较大）.一、伏安特性符号工作条件：反向击穿iZ /mAuZ/VOUZ IZmin IZmaxUZIZ IZ特性二、主要参数1. 稳定电压 UZ 流过规定电流时稳压管 两端的反向电压值。2. 稳定电流 IZ 越大稳压效果越好， 小于 Imin 时不稳压。3. 最大工作电流 IZM 最大耗散功率 PZMP ZM = UZ IZM4. 动态电阻 rZrZ = UZ / IZ 越小稳压效果越好。几 几十 5. 稳定电压温度

14、系数 CTUZ 4 V，CTV 7 V，CTV 0 (为雪崩击穿)具有正温度系数；4 V UZ 7 V，CTV 很小。【例4-5】利用稳压二极管组成的稳压电路如下图，R为限流电阻，Z为稳压二极管，试分析输出电压U0的稳压原理。UIUORRLILIRIZAB稳压原理：注：UAB为DZ开路时A、B间电压DZ当UABUZ时：DZ反向导通，UI增大，IR增大IZ增大，UO=UZ当UABUZ时：DZ反向截止，UO=UAB。此时DZ不起作用。【例4-6】稳压管稳压电路如下图，稳压管的各参数为UZ=6V，IZ=5mA，Pzm=240mW，输入电压UI=1210%（V），最大输出负载电流15mA，试计算选用阻

15、值、功率多大的电阻？计算电阻R的稳压电路 第一步：选出电源电压最低，负载最大时的限流电阻阻值，依题意： UI低=12-(1210%) =10.8（V）最大输出电流为15mA，加上确保稳压管正常工作的电流: IZ=5mA， 总电流为20mA又因为 UZ=6V 所以加在限流电阻上的压降为：10.8-6=4.8V 选择接近且小于计算值的标称电阻： R=4.8V/20mA =220。 【方法点拨】第二步：计算出该标称电阻在极端条件下（最高电源电压，负载开路）的电流是或超过稳压管的IZM，因为： PZM=IZMUZ在限流电阻为220，负载开路时，流过稳压管的最大电流为：第三步：计算限流电阻的功率，一般选

16、择3倍额定 容量值。 P=3PN =3（13.2-6）0.0330.7（W） 选择限流电阻的功率为1W。结论：选择阻值220，1W的电阻作为限流电阻。 I IZM 不会损坏稳压管限流电阻选择为220。4.3 双极型三极管 双极型三极管是因为它在工作时，内部有自由电子和空穴两种载流子同时参与导电而得名。故它又称为双极结型三极管、半导体三极管或晶体管，简称三极管。它能将微弱电信号加以放大和处理，是组成各种电子产品和电子电路的核心器件，应用极为广泛。4.3.1 三极管的结构和特点 三极管的结构示意图1.三极管的结构三极管的图形符号及电极命名:基极集电极发射极NPNPNP基极集电极发射极 三极管的图形

17、符号 常见三极管的外形图（a）塑封管（b）铁壳小型管 （c）中功率管（d）大功率管2、制作工艺的特点为了保证三极管具有电流放大作用，它们在制作工艺上有以下三个特点：（1）基区做得极薄（几个微米），掺杂浓度最低（相对于其它两个区），故基区多数载流子浓度最低；（2）发射区掺杂浓度最高，多数载流子浓度也最高，比基区高几百倍；（3）集电区掺杂浓度其次，多数载流子浓度比发射区低，但比基区高很多，因而三极管的发射极和集电极不能互换使用。4.3.2 三极管的电流放大原理放大条件：发射结正偏，集电结反偏三极管内部载流子的运动(1)发射区 由于发射结正向偏置，有利于多数载流子的扩散运动，又因为发射区的多数载流子

18、（电子）的浓度很高，因而大量的电子越过发射结向基区扩散，形成由发射区注入基区的电子流。在外电路，发射极接UBB负极，不断给发射区补充自由电子，形成发射极电流IE（注意：IE的方向与自由电子的方向相反）。可见发射极电流IE主要是发射区向基区注入电子流形成的。（2）基区 基区同时存在两种运动：复合和扩散。 因为基区掺杂浓度最低，多数载流子空穴数量很少，当发射区的自由电子进入基区后，其中少量的自由电子和基区的空穴复合，形成基极电流IB。在外电路，基极接UBB正极，不断地从基区拉走自由电子，以补充复合掉的空穴。 与此同时，没有进行复合的绝大多数自由电子继续扩散到集电结附近。（3）集电区 由于集电结反向

19、偏置，它对集电区和基区的载流子产生三方面的影响： A、阻止集电结两边的多数载流子向对方扩散，即集电区的自由电子和基区的空穴很难通过集电结； B、吸引通过基区扩散到集电结附近的大量的自由电子，这些自由电子越过集电结，收集到集电区，形成集电极电流IC； C、促使集电结两边的少数载流子向对方漂移。主要是集电区的少数载流子（空穴）越过集电结，形成集电极c和基极b之间的反向饱和电流ICBO（类似二极管的IS）。 在外电路，集电极接Ucc正极，不断地从集电区拉走自由电子，以保证集电区能收集到比较多的自由电子，使 ICIB 。 2、三极管的电流分配（1）共发射极电流放大系数 和 共射直流电流放大系数 ： 三

20、极管制成后，发射区向基区发射的自由电子中，在基区复合的少部分和扩散到集电区的大部分之间的比例就确定了，这个比值是一个常数，用 表示，称为共射直流电流放大系数. 共射交流电流放大系数： 当基极电流是一个交流信号ib时，它会有一个较小的变化量ib，相对应的集电极电流ic也是一个交流信号，此时会有一个较大的变化量ic，这两个变化的电流量之比用表示，称为共射交流电流放大系数。 和的数值和差别很小，在一般情况下不再严格区分。 三极管电流的分配关系式： (2)共基极电流放大系数 和共基直流电流放大系数 当三极管接成共基极组态时，其集电极电流和发射极电流之比也是确定的常数，用 表示，称为共基直流电流放大系数

21、。共基交流电流放大系数 : 电流变化量ic和ie之比用表示，称为共基交流电流放大系数。 和 的数值和差别很小，在一般情况下，不再严格区分。 和这两个参数不是独立的，它们之间存在以下关系： 或 3、三极管的电流放大作用（1）三极管电极间的电流分配规律符合KCL定律：（2）改变基极电流IB（ib）的值会引起IC（ic）和IE（ie）的变化。（3）集电极电流和基极电流之比为常数。（4）由于 ，当基极电流有微小变化时，集电极电流和发射极电流将会发生很大的变化，即 ，所以说三极管具有电流“放大”作用。 ewb实验-三极管放大4.3.3 三极管共发射极电路的特性曲线1.输入特性曲线: 三极管共发射极电路输

22、入特性曲线是指UCE为常数时，输入回路中的电流iB和电压uCE之间的关系曲线。 三极管输入特性有以下几个特点： （1）当uCE=0V时，输入特性如同二极管正向特 性。 （2）当uCE0V时，曲线略向右移。 （3）当uCE1V后，集电结反偏，三极管工作在放大状态时就用这条曲线。（4）对应uCE1V的输入特性曲线，当UBE0.5V时，硅三极管的IB=0，只有UBE0，才不为零因此硅三极管的导通电压为0.5V，小于导通电压的范围称为截止区。NPN型硅三极管输入特性曲线2、输出特性曲线 三极管共射极电路的输出特性是指当IB为参变量（常数）时，IC和UCE之间的关系曲线。 即 =常数输出特性曲线划分为三个区域：截止区，放大区和饱和区。 （1）截止区:将IB0区域称为截止区，此时外电路电压的特点为：发射结反偏，