电子技术及应用-第六章

城市轨道交通电子技术及应用人民交通出版社单永欣主编陕西电子科技职业学院主讲：王玉宝6.常用半导体器件(10学时)7.交流放大电路(12学时)8.集成运算放大器及其应用(10学时)9.直流电源(6学时)10.数字电路(20学时)11.城市轨道交通远动系统(6学时)目录第六章主要讲述半导体器件的工作原理，为学习以后各章创造必要的条件；

第七章主要讨论了根本放大电路的组成原理、工作状态的分析以及放大电路的指标计算，为本课程的重要根底；第八章讨论运算放大器的组成、性能指标、分析方法以及线性/非线性应用；第九章为直流电源；第十章为数字电子技术，主要讲述了逻辑代数的化简、组合逻辑电路的分析与设计、同步时序电路的分析与设计及应用；第十一章扼要介绍了城市轨道交通运动系统的知识。教材内容简解《城市轨道交通电子技术及应用》模拟电子技术数字电子技术城市轨道交通运动系统具体安排和要求1.学习方法注重根本概念、根本原理、根本分析方法的训练与培养，掌握分析问题、解决问题的思路和方法。3.教学参考书2.课时及成绩评定标准课时：72学时=64(理论)+8(实验)作业：课后复习与思考习题选作成绩：平时20%+期中30%+期末50%江晓安主编，《模拟电子技术》第四版，西安电子科技大学出版社江晓安主编，《数字电子技术》第四版，西安电子科技大学出版社康华光主编，《电子技术根底》第三版，高等教育出版社陈国联主编，《电子技术》第一版，西安交通大学出版社阎石主编，《数字电子技术根底习题解答》第五版，高等教育出版社第六章常用半导体器件§6.1半导体的基础知识§

6.2半导体二极管§

6.3特殊二极管§

6.4半导体三极管本章主要学习要点：(1)半导体的导电特性；(2)PN结的工作原理和主要特性；(3)三极管的工作原理和主要特性。§6.1半导体的根底知识物质

导体半导体绝缘体导电性能原子结构最外层轨道电子≤3最外层轨道电子=4最外层轨道电子≥5半导体——导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。其组成原子按照一定的规律排列，具有晶体结构。一、半导体半导体材料

元素半导体化合物半导体掺杂或其他化合物半导体本征半导体N型半导体杂质半导体P型半导体1.本征半导体完全纯洁的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。本征半导体又称纯洁半导体。+4图6-1硅和锗简化原子结构模型图6-2本征半导体共价键晶体结构示意图硅或锗材料拉制成单晶体时,相邻两个原子的一对最外层电子(价电子)成为共有电子,它们一方面围绕自身的原子核运动,另一方面又出现在相邻原子所属的轨道上。即价电子不仅受到自身原子核的作用,同时还受到相邻原子核的吸引。于是,两个相邻的原子共有一对价电子,组成共价键结构。故晶体中,每个原子都和周围的４个原子以共价键的形式互相紧密地联系起来,如图6-2所示。由于本征半导体每个原子都和周围的４个原子以共价键形式结合，原子之间的共价键结构非常稳定，价电子不易脱离束缚而成为自由电子。当共价键中的价电子由于热运动而获得一定的能量,其中少数能够摆脱共价键的束缚而成为自由电子,同时必然在共价键中留下一个“空位〞,称为空穴。空穴带正电,如图6-3所示。空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点。图6-3本征半导体中的自由电子和空穴由此可见,半导体中存在着两种载流子：带负电的自由电子和带正电的空穴。本征半导体中,自由电子与空穴是同时成对产生的。因此，它们的浓度是相等的。我们用n和p分别表示电子和空穴的浓度,即ni=pi,下标i表示为本征半导体。++μA+--自由电子空穴-价电子在热运动中获得能量产生了电子--空穴对。同时自由电子在运动过程中失去能量,与空穴相遇,使电子--空穴对消失，这种现象称为复合。在一定温度下，载流子的产生过程和复合过程是相对平衡的，载流子的浓度是一定的。图6-4半导体的两种载流子在本征半导体中,掺入微量５价元素,如磷、锑、砷等,那么原来晶格中的某些硅(锗)原子被杂质原子代替。由于杂质原子的最外层有５个价电子,因此它与周围４个硅(锗)原子组成共价键时,还多余1个价电子。它不受共价键的束缚，而只受自身原子核的束缚，因此，它只要得到较少的能量就能成为自由电子，并留下带正电的杂质离子，它不能参与导电，如图6-5所示。2.杂质半导体在本征半导体中虽然存在两种载流子，但因本征载流子的浓度很低，所以，他们的导电能力很差。当我们人为地、有控制地掺入少量的特定杂质时，其导电特性将产生质的变化。掺入杂质的半导体称为杂质半导体。(1)N型半导体图6-5Ｎ型半导体共价键结构显然，这种杂质半导体中电子浓度远远大于空穴的浓度，即nn>>pn(下标ｎ表示是Ｎ型半导体)，主要靠电子导电，所以称为Ｎ型半导体，也称为电子型半导体。Ｎ型半导体中,自由电子称为多数载流子；空穴称为少数载流子。(2)P型半导体在本征半导体中,掺入少量3价元素,如硼、镓、铟等，那么原来晶格中的某些硅(锗)原子被杂质原子代替。由于杂质原子的最外层有3个价电子，在与周围硅(锗)原子组成共价键时因缺少1个电子而形成一个空位。其他共价键的电子只需摆脱一个原子核的束缚就可转移到空位上形成空穴。因此，在较少的能量就可形成空穴，并留下带负电的杂质离子，它不能参与导电，如图6-6所示。在P型半导体中，pp>>np(下标p表示是P型半导体)。图6-6P型半导体共价键结构二、PN结在一块本征半导体上，用工艺的方法使其一边形成Ｎ型半导体，另一边形成P型半导体，N区中的自由电子会扩散到P区，并与P型半导体中的空穴复合；同时P区中浓度高的空穴会扩散到N区，并与N型半导体中的自由电子复合。那么在两种半导体的交界处，可自由移动的空穴和自由电子相互中和形成了一个具有特殊电性能的薄层，称为空间电荷区，即PN结。PN结是构成其他半导体器件的根底(1个PN结：二极管2个PN结：三极管)。图6-7PN结的形成(a)多数载流子的扩散运动(b)平衡时阻挡层形成1.PN结的单向导电特性(a)外加正向电压(b)外加反向电压图6-8PN结的单向导电性将电源的正极接Ｐ区,负极接Ｎ区。此时外加电压在阻挡层内形成的电场与自建场方向相反,削弱了自建场,使阻挡层变窄,如图6-8(a)所示。PN结处于导通状态，呈现的电阻称为正向电阻，其阻值很小。将电源的正极接Ｎ区,负极接Ｐ区。此时外加电压在阻挡层内形成的电场与自建场方向相同,增强了自建场,使阻挡层变宽，如图6-8(b)所示。此时，PN结处于截止状态，呈现的电阻称为反向电阻，其阻值很大，高达105欧姆以上。(1)ＰＮ结外加正向电压(2)ＰＮ结外加反向电压图6-9PN结伏安特性曲线PN结伏安特性方程2.PN结的击穿PN结处于反向偏置时,在一定电压范围内,流过ＰＮ结的电流是很小的反向饱和电流。但是当反向电压超过某一数值(ＵＢ)后,反向电流急剧增加,这种现象称为反向击穿。ＵＢ称为击穿电压。发生击穿并不一定意味着ＰＮ结被损坏。当PN结反向击穿时,只要注意控制反向电流的数值(一般通过串接电阻Ｒ实现),不使其过大,以免因过热而烧坏ＰＮ结,当反向电压(绝对值)降低时,ＰＮ结的性能就可以恢复正常。稳压二极管正是利用了ＰＮ结的反向击穿特性来实现稳压的,当流过ＰＮ结的电流变化时,结电压保持ＵＢ根本不变。§6.2半导体二极管半导体二极管——由PN结加上引线和管壳组成

Ｐ区引线为阳极，Ｎ区引线为阴极

导通时电流方向由阳极通过管子内部流向阴极一、半导体二极管的结构二极管分类按材料来分按结构来分按用途来分硅二极管点接触型锗二极管面接触型硅平面型普通二极管整流二极管稳压二极管点接触型二极管特点是：结面积小，因而结电容小，适用于高频下工作，但不能通过很大的电流。主要应用于小电流的整流和检波、混频等。面接触型二极管特点是：结面积大，因而能通过较大的电流，但其结电容也大，适用于较低的频率下工作。主要应用整流电路。硅平面型二极管特点是：结面积大的，可通过较大的电流，适用于大功率整流;结面积小的，结电容小，适合在脉冲数字电路中作开关管。半导体二极管的结构特点和符号二极管符号稳压二极管变容二极管发光二极管光电二极管第一部分（数字）第二部分（拼音）第三部分（拼音）第四部分（数字）第五部分（拼音）电极数材料和极性类型序号规格号（表示反向峰值电压的档次）符号意义符号意义符号意义2二极管AN型锗材料P普通管BP型锗材料Z整流管CN型硅材料W稳压管DP型硅材料U光电管K开关管C参量管L整流堆S隧道管二极管的型号组成及其意义国家标准《半导体分立器件型号命名方法》(GB/T249—1989)二、半导体二极管的伏安特性及其检测二极管的电流与电压的关系曲线，称为二极管的伏安特性。导致二极管特性与PN结理论特性略有差异的因素有：引线电阻、半导体的体电阻以及外表漏电流等。二极管的伏安特性曲线是非线性的，分为三局部：正向特性、反向特性和反向击穿特性。(a)2AP22(锗管)特性(b)2CP10~20(锗管)特性(c)硅二极管的特性图6-10二极管的伏安特性曲线1、正向特性2、反向特性位于图中第一象限。正向电压低于某一数值时，正向电流很小，只有当正向电压高于某一值后，才有明显的正向电流。该电压称为导通电压，又称为门限电压或死区电压，用Uon表示。在室温下，硅管的Uon约为0.6~0.8V,锗管的Uon约为0.1~0.3V。通常认为,当正向电压Ｕ＜Uon时，二极管截止；Ｕ＞Uon时，二极管导通。位于图中第三象限。二极管加上反向电压时，形成很小的反向电流，且在一定温度下它的数量根本维持不变，因此，当反向电压在一定范围内增大时，反向电流的大小根本恒定，而与反向电压大小无关，故称为反向饱和电流，一般小功率锗管的反向电流可达几十μA，而小功率硅管的反向电流要小得多，一般在0.1μA以下。3、温度特性二极管的特性对温度很敏感,温度升高,正向特性曲线向左移,反向特性曲线向下移。其规律是：在室温附近,在同一电流下,温度每升高1℃,正向压降减小2~2.5ｍV；温度每升高10℃,反向电流约增大1倍。4、管脚识别和检测(自学)三、半导体二极管的主要参数1、最大整流电流IDM二极管长期工作时，允许通过的最大的正向平均电流。(取决于PN结的面积、材料和散热情况)2、反向工作峰值电压VRM管子不被击穿所允许的最大反向电压。(取反向击穿电压的一半)3、反向峰值电流IRM二极管加反向电压VRM时的反向电流值。(值越小，二极管单向导电性越好)4、最高工作频率ƒM二极管单向导电作用开始明显退化的交流信号的频率。(取决于PN结结电容的大小)5、二极管的直流电阻RD加到二极管两端的直流电压与流过二极管的电流之比。6、二极管的交流电阻rd在二极管工作点附近,电压的微变值ΔU与相应的微变电流值ΔI之比。(工作点Q处的切线斜率的倒数)表6-1半导体二极管的典型参数四、半导体二极管的应用电路1.开关电路图1-11电子开关电路电路工作原理电路工作原理：在负半周时,二极管截止,那么2.单相半波整流电路图1-12整流电路与波形在正半周时,二极管导通,那么3.钳位电路假设A点UA=0，二极管VD可正向导通，其压降很小，故F点的电位也被钳制在0V左右，即UF≈0利用二极管正向导通时压降很小的特性，可组成钳位电路。图1-13二极管钳位电路图1-14二极管“与〞门电路图6-15例6-1图例6-1在图6-15所示电路中，当开关S闭合后，H1、H2两个指示灯哪一个可能发光？例6-2由理想二极管组成的电路如图6-16所示，试确定各电路的输出电压Uo。图6-16例6-2图§6.3特殊二极管一、稳压二极管图6-17稳压二极管的电路图、伏安特性和电路符号稳压二极管的工作机理是利用PN结的反向击穿特性，其稳定电压值是稳压管工作在反向击穿区时的稳定工作电压。稳压管正向偏压时，其特性和普通二极管一样；反向偏压时，开始一段和二极管一样，当反向电压到达一定数值以后，反向电流突然上升，而且电流在一定范围内增长时，管两端电压只有少许增加，变化很小，说明它具有很好的稳压性能。1、使用稳压管组成电路时需注意的问题：2、稳压管的主要参数：(1)稳压管正常工作是在反向击穿状态；(2)稳压管应与负载并联；(3)必须限制流过稳压管的电流Iz。(1)稳定电压Uz稳定电压随着工作电流的不同而略有变化,因而测试Uz时应使稳压管的电流为规定值。(2)稳定电流Iz稳定电流是使稳压管正常工作时的最小电流,低于此值时稳压效果较差。工作时应使流过稳压管的电流大于此值。一般情况是,工作电流较大时,稳压性能较好。但电流要受管子功耗的限制,即Izmax=Pz/Uz。(3)电压温度系数αα指稳压管温度变化1℃时,所引起的稳定电压变化的百分比。(4)动态电阻rzrz是稳压管工作在稳压区时,两端电压变化量与电流变化量之比,即rz=ΔU/ΔI。rz值越小,那么稳压性能越好。(5)额定功耗PzPz取决于稳压管允许的温升。发光二极管简称LED(LightEmittingDiode)是一种将电能直接转换成光能的半导体固体显示器件，主要是由Ⅲ~Ⅴ族化合物半导体如GaAs、GaP制成，符号如图6-18所示。二、发光二极管图6-18发光二极管符号当加正向电压时，P区和N区的多数载流子扩散至对方并与多数载流子发生复合，复合过程中，有一局部能量以光子的形式放出，使二极管发光。发出的光波可以是红外光或可见光。发光二极管导通时管压降为1.5~2.5V。三、光电二极管图6-19光电二极管符号光电二极管又称光敏二极管，是一种将光能转换成电能的半导体器件，符号如图6-19所示。其结构与普通二极管相似，只是在管壳上留有一个能使光线照入的窗口。光电二极管被光照射时，产生大量的电子和空穴，从而提高了少子的浓度，在反向偏置下，产生漂移电流，从而使反向电流增加，等效于一个恒流源。反向电流大小与光照强弱以及入射光波长有光。将光电二极管和发光二极管组合起来可组成二极管型的光电耦合器，如图6-20所示。它以光为媒介可实现电信号的传递。在输入端参加电信号，那么发光二极管的发射光随信号而变，它照在光电二极管上那么会在输出端产生与输入信号变化一致的电信号。通常用在计算机控制系统的接口电路中。想一想???图6-20光电耦合器件利用特殊二极管的特性分析光电耦合器。§6.4半导体三极管图6-21几种半导体三极管的外形半导体三极管又称为晶体管、双极型三极管。由三个电极，分别为集电极、发射极和基极。如图6-21所示。一、半导体三极管的结构图6-22三极管的结构示意图和符号无论是NPN型或是PNP型的三极管，它们均包含三个区:发射区、基区和集电区，并相应地引出三个电极：发射极(e)、基极(b)和集电极(c)。同时，在三个区的两两交界处，形成两个PN结，分别称为发射结和集电结。(a)NPN(b)PNPPPN图6-23三极管的三种连接方式放大器一般为4端网络，在组成放大电路时三极管中有一个电极必须作为输入与输出信号的公共端。根据所选择的公共端电极的不同，三极管有共发射极、共基集、共集电极三种不同的连接方式(对交流信号)。(a)共基集(b)共发射极(c)共集电极二、三极管的电流分配与放大作用1.三极管的结构特点为了使三极管实现放大，必须由三极管的内部结构和外部条件来保证。(1)内部结构特点①发射区进行重掺杂。多数载流子电子浓度远大于基区多数载流子空穴浓度。②基区做的很薄。处于微米数量级，且是低掺杂。③集电极面积大。以保证尽可能收集到发射区发射的电子。(2)外部条件①外加电源的极性应保证发射结处于正向偏置状态。②集电结应处于反向偏置状态。2.三极管的电流分配关系和电流放大系数(1)载流子的传输过程图6-24三极管中载流子的传输过程①发射。由于发射结正向偏置，那么发射区的大量电子扩散注入到基区。发射区重掺杂。②扩散和复合。电子的注入，是基区靠近集电结处的电子浓度很低。因此在基区形成电子浓度差，电子靠扩散作用向集电区运动。③收集。集电结反向运用，在结电场的作用下，通过扩散到达集电结的电子作漂移运动，到达集电区被集电区收集。(2)电流分配关系图6-25三极管电流分配实验电路实验得出如下结论：三极管的三个极的电流满足节点电流定律。IB虽然很小，但对IC有控制作用，IC随IB改变而改变。β称为共发射极直流电流放大系数。反映三极管的电流放大能力，也可以说电流IB对IC的控制能力。IB/mA-0.00100.010.020.030.040.05IC/mA0.0010.010.561.141.742.332.91IE/mA00.010.571.161.772.372.96表6-2三极管电流关系的一组典型数据三、三极管的伏安特性图6-26(NPN)三极管共发射极特性曲线测试电路保持UCE不变的前提下,输入回路中的电流IB与发射结压降UBE之间的关系曲线称为输入特性,即1.输入特性曲线图6-27三极管输入特性曲线输入特性曲线特点：①输入特性曲线上也有一个开启电压。②当UCE=0时，相当于集电极和发射极间短路，三极管等效成两个二极管并联，其特性类似于二极管的正向特性。③当UCE≥1V时，输入特性曲线右移(相对于UCE=0时的曲线)，说明对应同一个UBE值，IB减小了。2.三极管的输出特性曲线图6-28三极管输出特性曲线输出特性曲线是指当三极管基极电流IB为常数时，集电极电流IC与集电极、发射极间电压UCE之间的关系。一般将IB≤0的区域称为截止区,在图中为IB=0曲线以下的局部。此时三极管集电结处于反偏，发射结电压UBE<0，也处于反偏状态，在电路中相当于一个断开的开关。IC也近似为零。由于各极电流都根本上等于零,因而此时三极管没有放大作用。实际上，处于截止状态的三极管集电极有很小的电流，称为三极管的穿透电流。即：IB=0时,IC并不等于零,而是等于穿透电流ICEO。一般硅三极管的穿透电流小于1μA,在特性曲线上无法表示出来。锗三极管的穿透电流约几十至几百微安。当发射结反向偏置时,发射区不再向基区注入电子,那么三极管处于截止状态。所以,在截止区,三极管的两个结均处于反向偏置状态。对NPN三极管,UBE<0,UBC<0。(1)截止区曲线靠近纵轴附近,各条输出特性曲线的上升局部属于饱和区。在这个区域,不同IB值的各条特性曲线几乎重叠在一起,即当UCE较小时，管子的集电极电流IC根本上不随基极电流IB而变化，这种现象称为饱和。此时三极管失去了放大作用。

规定UCE=UBE，即UCB=0时，三极管处于临界饱和状态。当UCE<UBE时称为过饱和。三极管饱和时的管压降用UCES表示。在深度饱和时，小功率管管压降通常小于0.3V。三极管工作在饱和区时，发射结和集电结都处于正向偏置状态。对NPN三极管，UBE>0，UBC>0。(2)饱和区三极管输出特性曲线饱和区和截止区之间的局部即为放大区，在曲线上是比较平坦的局部，表示当IB一定时IC的值根本上不随UCE而变化。此时发射结正向运用，集电结反向运用。在这个区域内，当基极电流发生微小的变化量ΔIB时,相应的集电极电流将产生较大的变化量ΔIC，此时二者的关系为：ΔIC=βΔIB。对于NN硅三极管,工作在放大区时UBE≥0.7V,而UBC<0。(3)放大区三极管的应用模电中：作为放大管数电中：作为开关四、三极管的主要参数1.电流放大系数β和β交流(动态)电流放大系数β：当集电极电压UCE为定值时，集电极电流变化量ΔIC与基极电流变化量ΔIB之比，当IC>>ICEO时,β≈IC/IB。直流(静态)电流放大系数β：当集电极电压UCE为定值时，集电极电流变化量IC与基极电流IB之比，电流放大系数β和β的含义虽然不同，但工作在输出特性曲线放大区平坦部分的三极管，二者差异极小，可直接互相替代使用。图6-29三极管极间反向电流的测量ICBSICES(a)ICBS(b)ICES2.极间反向饱和电流ICBS和ICES集电结反向饱和电流ICBS：发射极开路，集电结加反向电压时测得的集电极电流。集电极-发射极反向饱和电流ICES：基集开路时，集电极与发射极之间的反向电流，即穿透电流。(作为晶体管热稳定性评价指标)实际工作中使用三极管时，要求所选用管子的ICBS和ICES尽可能的小。它们越小，说明管子的质量越高。3.极限参数(1)集电极最大允许电流ICM。图6-30β与IC关系曲线图6-31三极管的平安工作区(2)集电极最大允许功率损耗PCM。当三极管工作时,管子两端电压为UCE,集电极电流为IC,因此集电极损耗的功率为

ＢＵCBO——发射极开路时,集电极-基极间的反向击穿电压。ＢＵCEO——基极开路时,集电极-发射极间的反向击穿电压。ＢＵCER——基射极间接有电阻Ｒ时,集电极-发射极间的反向击穿电压。ＢＵCES——基射极间短路时,集电极-发射极间的反向击穿电压。ＢＵEBO——集电极开路时,发射极-基极间的反向击穿电压,此电压一般较小,仅有几伏左右。上述电压一般存在如下关系：(3)反向击穿电压(1)温度对UBE的影响

(2)温度对ICBS的影响ＩＣＢS是由少数载流子形成的。当温度上升时,少数载流子增加,故ＩCBS也上升。其变化规律是,温度每上升10℃,ＩCBS约上升1倍。ＩCES随温度变化规律大致与ＩCBS相同。在输出特性曲线上,温度上升,曲线上移。4.温度对三极管参数的影响(3)温度对β的影响

β随温度升高而增大,变化规律是：温度每升高１℃,β值增大０.５%～１％。在输出特性曲线图上,曲线间的距离随温度升高而增大。