东北大学电子技术课件.ppt

教学要求 1 成绩分布 实验成绩20分 平时成绩10分 卷面70分 2 听课要求 认真听课 做笔记 及时复习 3 作业要求 每章有作业4 实验要求 有预习报告 认真实验 做实验报告 基本内容 可编程控制器 PLC 原理及应用1 半导体器件2 基本放大电路 以三极管为核心 交流放大 3 多级放大电路4 运算放大器 直流放大 6 整流电路和直流稳压电源7 晶闸管及其应用8 门电路和组合逻辑电路9 触发器和时序逻辑电路 电子技术 东北大学信息科学与工程学院NortheasternUniversity 主要内容 半导体器件整流电路和直流稳压电源 第1章半导体器件 内容主要有 半导体的导电性能PN结的形成及单向导电性半导体器件的结构 工作原理 工作特性 参数半导体器件主要包括 半导体二极管 包括稳压管 三极管 1 1半导体基础知识 1 半导体物质根据其导电性能分为导体 导电能力良好的物质 绝缘体 导电能力很差的物质 半导体 是一种导电能力介于导体和绝缘体之间的物质 如硅 锗 硒 砷化镓及一些硫化物和氧化物 1 半导体 半导体的导电能力具有独特的性质 温度升高时 纯净的半导体的导电能力显著增加 在纯净半导体材料中加入微量的 杂质 元素 它的电导率就会成千上万倍地增长 纯净的半导体受到光照时 导电能力明显提高 2 本征半导体 IntrinsicSemiconductor 原子的组成 带正电的原子核 若干个围绕原子核运动的带负电的电子 且整个原子呈电中性 半导体器件的材料 硅 Silicon Si 四价元素 硅的原子序数是14 外层有4个电子 锗 Germanium Ge 也是四价元素 锗的原子序数是32 外层也是4个电子 完全纯净的 具有晶体结构的半导体 称为本征半导体 简化原子结构模型如图简化形式 惯性核 价电子 硅和锗的简化原子模型 2 本征半导体 晶体中原子的排列方式 共价键 由相邻两个原子各拿出一个价电子组成价电子对所构成的联系 2 本征半导体 晶体共价键结构平面示意图 2 本征半导体 晶体共价键结构平面示意图 空穴 自由电子 价电子在获得一定能量 温度升高或受光照 后 即可挣脱原子核的束缚 成为自由电子 带负电 同时共价键中留下一个空位 称为空穴 带正电 这一现象称为本征激发 2 本征半导体 晶体共价键结构平面示意图 温度愈高 晶体中产生的自由电子便愈多 在外电场的作用下 空穴吸引相邻原子的价电子来填补 而在该原子中出现一个空穴 其结果相当于空穴的运动 相当于正电荷的移动 2 本征半导体 在本征半导体中 激发出一个自由电子 同时便产生一个空穴 电子和空穴总是成对地产生 称为电子空穴对 半导体中的载流子自由电子空穴 Hole 空穴和自由电子同时参加导电 是半导体的重要特点空穴带正电荷 由于空穴带正电荷 且可以在原子间移动 因此 空穴是一种载流子 半导体中有两种载流子 自由电子载流子 简称电子 和空穴载流子 简称空穴 它们均可在电场作用下形成电流 2 本征半导体 半导体由于热激发而不断产生电子空穴对 那么 电子空穴对是否会越来越多 电子和空穴浓度是否会越来越大呢 实验表明 在一定的温度下 电子浓度和空穴浓度都保持一个定值 半导体中存在载流子的产生过程载流子的复合过程 2 本征半导体 综上所述 1 半导体中有两种载流子 自由电子和空穴 电子带负电 空穴带正电 2 本征半导体中 电子和空穴总是成对地产生 3 半导体中 同时存在载流子的产生和复合过程 注意 本征半导体中载流子数目极少 其导电性能很差 温度愈高 载流子的数目愈多 半导体的导电性能也就愈好 所以 温度对半导体器件性能影响很大 3 N型半导体和P型半导体 本征半导体的电导率很小 而且受温度和光照等条件影响甚大 不能直接用来制造半导体器件 本征半导体的物理性质 纯净的半导体中掺入微量元素 导电能力显著提高 掺入的微量元素 杂质 掺入了 杂质 的半导体称为 杂质 半导体 N型半导体 在本征半导体中加入微量的五价元素 如 砷 磷 锑 可使半导体中自由电子浓度大为增加 形成N型半导体 掺入的五价杂质原子占据晶格中某些硅 或锗 原子的位置 如图所示 N型半导体晶体结构示意图 4 4 4 4 4 4 4 4 4 掺入五价原子 N型半导体 在室温下就可以激发成自由电子 掺入五价原子占据Si原子位置 杂质半导体中仍有本征激发产生的少量电子空穴对 自由电子的数目高 故导电能力显著提高 把这种半导体称为N型半导体 其中的电子称为多数载流子 简称多子 空穴称为少数载流子 简称少子 在N型半导体中自由电子数等于正离子数和空穴数之和 自由电子带负电 空穴和正离子带正电 整块半导体中正负电荷量相等 保持电中性 N型半导体 P型半导体 在本征半导体中加入微量的三价元素 如 硼 铝 可使半导体中的空穴浓度大为增加 形成P型半导体 空位吸引邻近原子的价电子填充 从而留下一个空穴 在P型半导体中 空穴数等于负离子数与自由电子数之和 空穴带正电 负离子和自由电子带负电 整块半导体中正负电荷量相等 保持电中性 综上所述 1 本征半导体中加入五价杂质元素 便形成N型半导体 N型半导体中 电子是多数载流子 空穴是少数载流子 此外还有不参加导电的正离子 2 本征半导体中加入三价杂质元素 便形成P型半导体 其中空穴是多数载流子 电子是少数载流子 此外还有不参加导电的负离子 3 杂质半导体中 多子浓度决定于杂质浓度 少子由本征激发产生 其浓度与温度有关 1 2PN结的形成及其单向导电性 PN结 是指在P型半导体和N型半导体的交界处形成的空间电荷区 PN结是构成多种半导体器件的基础 二极管的核心是一个PN结 三极管中包含了两个PN结 PN结的形成 有电场力作用时 电子和空穴便产生定向运动 称为漂移运动 DriftMovement 由于浓度差而引起的定向运动称为扩散运动 DiffusionMovement PN结的形成 1 PN结的形成 多子的扩散运动 少子的漂移运动 浓度差 P型半导体 N型半导体 内电场越强 漂移运动越强 而漂移使空间电荷区变薄 扩散的结果使空间电荷区变宽 空间电荷区也称PN结 扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡 空间电荷区的厚度固定不变 动画 形成空间电荷区 2 PN结的单向导电性 PN结加正向电压 正向偏置 PN结变窄 P接正 N接负 IF 内电场被削弱 多子的扩散加强 形成较大的扩散电流 PN结加正向电压时 PN结变窄 正向电流较大 正向电阻较小 PN结处于导通状态 动画 PN结加反向电压 反向偏置 P接负 N接正 动画 PN结变宽 PN结加反向电压 反向偏置 内电场被加强 少子的漂移加强 由于少子数量很少 形成很小的反向电流 IR P接负 N接正 温度越高少子的数目越多 反向电流将随温度增加 动画 PN结加反向电压时 PN结变宽 反向电流较小 反向电阻较大 PN结处于截止状态 结论 PN结的单向导电性 PN结加正向电压产生大的正向电流 PN结导电 PN结加反向电压产生很小的反向饱和电流 近似为零 PN结不导电 1 3半导体二极管 1 半导体二极管的结构和类型在PN结上加上引线和封装 就成为一个二极管 二极管按结构分有点接触型 面接触型和平面型三大类 二极管的代表符号 D 半导体二极管图片 半导体二极管图片 2 二极管的伏安特性 二极管的伏安特性的测出 2 二极管的伏安特性 二极管的伏安特性曲线 正向特性死区电压 硅管0 5V锗管0 1V正向压降 硅管0 6V 0 7V锗管0 2V 0 3V 二极管伏安特性 正向特性 2 二极管的伏安特性 反向特性反向电流 很小 硅管0 1微安锗管几十个微安 反向击穿特性反向击穿UBR 几十伏以上 二极管伏安特性 反向击穿特性 反向特性 3 二极管的主要参数 最大整流电流IOM 二极管长期工作使用时 允许通过的最大平均电流 最高反向工作电压URM 二极管反接时 能承受的最大电压 它的数值低于反向击穿电压UB 最大反向电流IRM 二极管加最高反向工作电压时的反向电流 1 4稳压二极管 稳压二极管亦称齐纳二极管 ZenerDiodes 与一般二极管不同之处是它正常工作在PN结的反向击穿区 因其具有稳定电压作用 故称为稳压管 VoltageRegulators 稳压管的符号和特性曲线如图所示 1 4稳压二极管 它的伏安特性与二极管基本相同 只是稳压管正常工作时是利用特性曲线的反向击穿区 电流改变而电压基本不变的特性称为稳压特性 稳压管就是利用这一特性工作的 稳压管的主要参数 稳定电压UZUZ是稳压管反向击穿后的稳定工作电压值 1 4稳压二极管 稳定电流IZ 稳定电流IZ是稳压管工作时的参考电流数值 工作电流若小于稳定电流IZ 稳压性能较差 工作电流若大于稳定电流 稳压性能较好 但是要注意管子的功率损耗不要超出允许值 1 4稳压二极管 最大稳定电流IZM 稳压管正常工作时允许通过的最大反向电流 1 4稳压二极管 如图 考虑二极管正向压降 若Ia 10mA 则 Ib 20mA Ib 20mA Ib 20mA 例一 解 例二 忽略二极管正向压降 已知ui 10sin tV 画出图中输出电压uo波形 a b c a b 1 5双极型晶体管 1 晶体管的结构和类型外形 晶体管图片 1 晶体管的结构和类型 内部结构 1 晶体管的结构和类型 符号 发射极是输入回路 输出回路的公共端 共发射极电路 输入回路 输出回路 实验线路 IC EB mA A V UCE UBE RB IB EC V 2 晶体管的放大作用 E C B 实验数据 IE IC IB 结论 实验数据 结论 结论 工作条件 NPN UC UB UE 发射结正偏 集电结反偏 E C B 共射输入特性 3 晶体管的特性曲线 共射输入特性 UCE 1V 20 3 晶体管的特性曲线 死区电压 硅管 0 5V锗管 0 2V线性区 硅管 NPN UBE 0 6V 0 7V锗管 PNP UBE 0 2V 0 3V UCE增加 特性曲线右移 UCE 1V以后 特性曲线几乎重合 与二极管的伏安特性相似 输入特性有以下几个特点 输出特性 输出特性 放大区 输出特性曲线通常分三个工作区 1 放大区 在放大区有IC IB 也称为线性区 具有恒流特性 在放大区 发射结处于正向偏置 集电结处于反向偏置 晶体管工作于放大状态 输出特性 2 截止区 IB 0以下区域为截止区 有IC 0 在截止区发射结处于反向偏置 集电结处于反向偏置 晶体管工作于截止状态 截止区 输出特性 3 6 IC mA 1 2 3 4 UCE V 9 12 O 放大区 3 饱和区 当UCE UBE时 晶体管工作于饱和状态 在饱和区 发射结处于正向偏置 集电结也处于正偏 截止区 饱和区 4 晶体管的主要参数 晶体管的参数是用来表示晶体管的各种性能指标 电流放大系数 静态电流放大系数 它表示静态时 集电极电流和基极电流之间的关系 电流放大系数 A点对应的IC 6mA IB 40 A 表示在动态时 集电极电流的变化量与相应的基极电流变化量之比 即 动态电流放大系数 大表示只要基极电流很小的变化 就可以控制产生集电极电流大的变化 即电流放大作用好 值的求法 找两个UCE相同的点C和D 所以 对应于C点 IC 8 8mA IB 60 A 对应于D点 IC 3 3mA IB 20 A IC 8 8 3 3 5 5mA IB