电工学 电子技术

1、电 工 学电 子 技 术1从20世纪初开始，人们相继发现了真空和半导体电子器件，以检波、放大及开关等功能为核心的电子技术得到迅速发展。从1948美国贝尔实验室发明半导体晶体管以来，半导体电子器件逐步取代电子管而成为应用电子技术的主角，经历了分立器件、集成电路、大规模和超大规模的集成电路。其应用领域遍及广播、通讯、测量、控制；今天，计算机已经以高技术的载体进入到各个领域，为人类文明的发展树立了一座宏伟的里程碑。2电子技术由模拟电子技术和数字电子技术两部分构成。两者的区别：处理的信号电子技术基础知识包括半导体二极管、半导体三极管、场效应管、部分典型集成电路等元器件。3电炉箱恒温自动控制系统4光源产

2、品传送带光电元件脉冲产生整 形十二进制计数器件数十进制计数器十进制计数器十进制计数器箱数译码器译码器译码器563LED数码管个位十位百位产品自动装箱计数生产线5 第十四章 二极管和晶体管6第14章 二极管和晶体管14.3 二极管14.4 稳压二极管14.5 晶体管14.2 PN结及其单向导电性14.1 半导体的导电特性14.6 光电器件7本章要求：一、理解PN结的单向导电性，三极管的电流分配和 电流放大作用；二、了解二极管、稳压管和三极管的基本构造、工 作原理和特性曲线，理解主要参数的意义；三、会分析含有二极管的电路。8学会用工程观点分析问题，就是根据实际情况，对器件的数学模型和电路的工作条件

3、进行合理的近似，以便用简便的分析方法获得具有实际意义的结果。对电路进行分析计算时，只要能满足技术指标，就不要过分追究精确的数值。器件是非线性的、特性有分散性、RC 的值有误差、工程上允许一定的误差、采用合理估算的方法。对于元器件，重点放在特性、参数、技术指标和正确使用方法，不要过分追究其内部机理。讨论器件的目的在于应用。9导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。14.1 半导体的导电特性10半导体的导电特性：

4、(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电 能力明显改变(可做成各种不同用途的半导 体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化 (可做 成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极 管、光敏三极管等)。热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强为什么具有这些导电特性？这是由半导体材料的原子结构和原子之间结合方式决定的1114.1.1 本征半导体 完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。晶体中原子的排列方式硅单晶中的共价健结构共价健共价键中的两个电子，称为价电子。 Si Si Si Si价电子12 Si Si Si Si价电

5、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）。本征半导体的导电机理这一现象称为本征激发。空穴 温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。自由电子 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）。13本征半导体的导电机理 当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流 (1)自由电子作定向运动 电子电流 (2)价电子递补空穴 空穴电流注意： (1) 本征半导体中载流子数目极少, 其导电性能很差； (2) 温度愈高， 载流子的数目

6、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。自由电子和空穴都称为载流子。 自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。1414.1.2 N型半导体和 P 型半导体 掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。掺入五价元素 Si Si Si Sip+多余电子磷原子在常温下即可变为自由电子失去一个电子变为正离子 在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成杂质半导体。 在N 型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。1514.1.2

7、N型半导体和 P 型半导体 掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或 P型半导体。掺入三价元素 Si Si Si Si 在 P 型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。B硼原子接受一个电子变为负离子空穴无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。16小结：(1)本征半导体中有两种载流子导电，自由电子和空穴，但载流子数目极少, 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。(2)本征半导体中加入五价杂质元素，便形成N型半导体。其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。(3)本征半导体中加入三价杂质

8、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。(4)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。17 1. 在杂质半导体中多子的数量与 （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。 2. 在杂质半导体中少子的数量与 （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。 3. 当温度升高时，少子的数量 （a. 减少、b. 不变、c. 增多）。abc 4. 在外加电压的作用下，P 型半导体中的电流主要是 ，N 型半导体中的电流主要是 。 （a. 电子电流、b.空穴电流） ba18 1. 电子导电和空穴导电有什么区别？空穴电流是不是由自由电子递补空穴

9、所形成的？ 练习和思考：答：电子导电是指带一个电量负电荷的自由电子在外电场的作用下，产生定向运动形成电流的过程。 而空穴导电是指共价键中的价电子挣脱共价键的束缚，填补空穴，好像空穴在运动，而形成电流的过程。 空穴电流不是自由电子递补空穴所形成的，而是共价键中的价电子递补空穴所形成的。19练习和思考： 2. 杂质半导体中的多数载流子和少数载流子是怎样产生的？为什么杂质半导体中少数载流子的浓度比本征载流子的浓度小？ 答：大量的多数载流子会与少数载流子复合，复合的数量要比本征半导体两种载流子复合的数量多，因此，杂质半导体的少数载流子比本征半导体的少数载流子浓度小。 20练习和思考： 3. N型半导体

10、的自由电子多于空穴，而P型半导体中的空穴多于自由电子，是否N型半导体带负电，而P型半导体带正电？ 答：以N型半导体为例，由于掺杂后自由电子数目大量增加，当这些带负电的自由电子离开原子核后，原子核所在的晶格上就带生了等量的正电荷，这个电荷叫空间电荷。从整个晶体来看，它仍然是不带电的。 空间电荷与带正电的空穴不同的是它是不能移动的。21不论是P型半导体还是N型半导体，都只能看做是一般的导电材料，不具有半导体器件的任何特点。半导体器件的核心是PN结，是采取一定的工艺措施在一块半导体晶片的两侧分别制成P型半导体和N型半导体，在两种半导体的交界面上形成PN结。各种各样的半导体器件都是以PN结为核心而制成

11、的，正确认识PN结是了解和运用各种半导体器件的关键所在。14.2 PN结及其单向导电性2214.2.1 PN结的形成多子的扩散运动内电场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。+形成空间电荷区23扩散运动和漂移运动的动态平衡扩散增强漂移运动增强内电场增强两者平衡PN结宽度基本稳定1.空间电荷区中没有载流子。2.空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴和N区 中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。3.P 区中的电子和

12、N区中的空穴（都是少子），数量有限，因此由它们形成的电流很小。注意:2414.2.2 PN结的单向导电性 1. PN 结加正向电压（正向偏置）PN 结变窄 P接正、N接负 外电场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。内电场PN+252. PN 结加反向电压（反向偏置）外电场 P接负、N接正 内电场PN+26PN 结变宽2. PN 结加反向电压（反向偏置）外电场 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

13、。+ 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。内电场PN+27PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻， PN结导通；PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻， PN结截止。 由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。2814.3 半导体二极管14.3.1 基本结构(a) 点接触型(b)面接触型 结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路。 结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。(c) 平面型 用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可小，用于大功率整流和开关电路中。29阴极引线阳极引线二氧化硅

14、保护层P型硅N型硅( c ) 平面型金属触丝阳极引线N型锗片阴极引线外壳( a ) 点接触型铝合金小球N型硅阳极引线PN结金锑合金底座阴极引线( b ) 面接触型图 1 半导体二极管的结构和符号 14.3 半导体二极管二极管的结构示意图阴极阳极( d ) 符号D30半导体二极管实物图片3114.3.2 伏安特性硅管0.5V,锗管0.1V。反向击穿电压U(BR)导通压降 外加电压大于死区电压二极管才能导通。 外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。正向特性反向特性特点：非线性硅0.60.8V锗0.20.3VUI死区电压PN+PN+ 反向电流在一定电压范围内保持常数。32二极管的单向

15、导电性 1. 二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负 ）时， 二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。 2. 二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正 ）时， 二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。 3. 外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。 4. 二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。 问题： 如何判断二极管的好坏及其正负极性？3314.3.3 主要参数1. 最大整流电流 IOM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。2. 反向工作峰值电压URWM是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二

16、极管反向击穿电压UBR的一半或三分之二。二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。3. 反向峰值电流IRM指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，IRM受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。34 二极管电路分析举例 定性分析：判断二极管的工作状态导通截止否则，正向管压降硅0.60.8V锗0.20.3V 分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压UD的正负。若 V阳 V阴或 UD为正( 正向偏置 )，二极管导通若 V阳 V阴 二极管导通若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 6V否则， UAB低于6V一个管压降，为6.3或6.7V例1： 取 B 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。 在这里，二极管起钳位作用。 D6V12V3kBAUAB+39两个二极管的阴极接在一起取 B 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。V1阳 =6 V，V2阳=0 V，V1阴 = V2阴= 12 VUD1 = 6V，UD2 =12V UD2 UD