电工与电子到章教案优秀课件.ppt

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1、电工与电子到章教案1第1页，本讲稿共45页7.1.1 本征半导体GeSi锗和硅都是四价元素，最外层都是四个电子。锗和硅都是四价元素，最外层都是四个电子。本征半导体本征半导体 完全纯净的、具有晶体结构的完全纯净的、具有晶体结构的 半导体。（半导体。（99.9999999）+4简化表示+4表示除价电子以外的部分2第2页，本讲稿共45页半导体晶体中，相邻原子之间以共价键结合。半导体晶体中，相邻原子之间以共价键结合。每个原子的最外层均是八个电子，形成稳定结构。每个原子的最外层均是八个电子，形成稳定结构。共价键共用电子对+4+4+4+4硅和锗的共价键结构共价键中的电子称共价键中的电子称束缚束缚 电子电子

2、，束缚电子不导电。，束缚电子不导电。常温下束缚电子很难成常温下束缚电子很难成 为为自由电子自由电子，因此本征，因此本征 半导体的导电能力很弱。半导体的导电能力很弱。3第3页，本讲稿共45页+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子常温下，一些价电子获得足够的能量，成为常温下，一些价电子获得足够的能量，成为自由自由 电子电子(称热激发称热激发)，同时共价键上留下一个空位，同时共价键上留下一个空位，称为称为空穴空穴。本征半导体中自由电子和空穴的数量相等。本征半导体中自由电子和空穴的数量相等。4第4页，本讲稿共45页在力的作用下，空穴能吸引附近的电子来填补，在力的作用下，空穴能吸引附近的电子来填补，这相当

3、于空穴的迁移，空穴的迁移相当于正电荷这相当于空穴的迁移，空穴的迁移相当于正电荷 的移动，因此可以认为空穴是载流子。的移动，因此可以认为空穴是载流子。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即即自由电子自由电子和和空穴空穴。半导体的导电能力取决于载流子的浓度。半导体的导电能力取决于载流子的浓度。温度越高，载流子的浓度越高，本征半导体的温度越高，载流子的浓度越高，本征半导体的 导电能力越强导电能力越强。半导体的半导体的特点特点:温度对半导体性能的影响很大。温度对半导体性能的影响很大。5第5页，本讲稿共45页7.1.2 杂质半导体在本征半导体中掺入微量的某些杂质，

4、会使半导体在本征半导体中掺入微量的某些杂质，会使半导体 的导电性能显著提高。原因是的导电性能显著提高。原因是掺杂掺杂使半导体的某种使半导体的某种 载流子浓度大大增加。载流子浓度大大增加。1.1.N 型半导体型半导体在本征半导体中掺入少量的在本征半导体中掺入少量的 五价五价元素磷，晶体中的某些元素磷，晶体中的某些 半导体原子被杂质取代。半导体原子被杂质取代。+4+4+5+4磷原子多余电子 磷原子最外层有五个价电子，磷原子最外层有五个价电子，四个与相邻的半导体原子形四个与相邻的半导体原子形 成共价键，多出的一个电子，成共价键，多出的一个电子，很容易激发成为自由电子。很容易激发成为自由电子。6第6页

5、，本讲稿共45页N型半导体中，掺杂形成的自由电子是热激发的型半导体中，掺杂形成的自由电子是热激发的 (103104)倍；自由电子数量大大多于空穴数量。倍；自由电子数量大大多于空穴数量。自由电子称自由电子称多数载流子多数载流子（多子），空穴称（多子），空穴称少数载少数载 流子流子（少子）；（少子）；N型半导体主要靠型半导体主要靠电子导电电子导电。2.2.P 型半导体型半导体空穴硼原子+4+4+3+4在本征半导体中掺入少量在本征半导体中掺入少量 的的三价三价元素硼，硼原子的元素硼，硼原子的 最外层有三个价电子，与最外层有三个价电子，与 相邻的半导体原子形成共相邻的半导体原子形成共 价键时，产生一个

6、空穴。价键时，产生一个空穴。(不产生自由电子不产生自由电子)7第7页，本讲稿共45页7.2 7.2 PN 结及及其单向导电性结及及其单向导电性 在同一片半导体基片上，分别制造在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导体型半导体 和和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的型半导体，经过载流子的扩散，在它们的 交界面处就形成了一个特殊的薄层，称交界面处就形成了一个特殊的薄层，称PN结。结。P 型半导体中型半导体中空穴是多子空穴是多子，电子是少子电子是少子。P 型半导体型半导体主要靠主要靠空穴导电空穴导电。8第8页，本讲稿共45页P型半导体N型半导体+扩散运动内电场E漂移运动扩散使空间电荷区逐渐加宽

7、，空间电荷区越宽，内电场越强。内电场越强，使漂移运动越强，漂移使空间电荷区变薄。空间电荷区，也称耗尽层。9第9页，本讲稿共45页漂移运动P型半导体N型半导体+扩散运动内电场E 当扩散和漂移这对相反的运动达到动态平衡时，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。10第10页，本讲稿共45页PN 结的单向导电性结的单向导电性:PN结正偏时导通，正偏时导通，反偏时截止；称为反偏时截止；称为PN结的单向导电性。单向导电性。PN 结结加加正向电压正向电压或或正向偏置正向偏置是指是指：P 区接电源的正、区接电源的正、N 区接电源的负。区接电源的负。PN 结结加反向电压加反向电压或或反向偏置反

8、向偏置是指：是指：P 区接电源的负、区接电源的负、N 区接电源的正。区接电源的正。扩散运动扩散运动:P P 区区中的空穴和中的空穴和N区区中的电子向对方中的电子向对方 运动（运动（都是多子都是多子）。）。漂移运动漂移运动:P 区中的电子和区中的电子和N 区中的空穴的区中的空穴的运动运动 （都是少都是少子子），），少子少子数量有限，因此数量有限，因此 由它们形成的电流很小。由它们形成的电流很小。11第11页，本讲稿共45页+RE PN 结正向偏置结正向偏置内电场外电场变薄PN+_ 内电场被削弱，多子的扩散加强，能够形成较大的正向电流。12第12页，本讲稿共45页 PN 结反向偏置结反向偏置+内电

9、场外电场变厚NP+_ 内电场加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。RE13第13页，本讲稿共45页7.3 半导体二极管7.3.基本结构 PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。引线外壳线触丝线基片点接触型PN结面接触型PN二极管的电路符号：14第14页，本讲稿共45页7.3.2 伏安特性和主要参数UI死区电压死区电压 硅管硅管0.6V,锗管锗管0.2V。导通压降导通压降:硅硅管管0.60.7V,锗管锗管0.20.3V。反向击穿反向击穿电压电压UBR1伏安特性 二极管的端电压 与电流关系曲线 15第15页，本讲稿共

10、45页2.主要参数 最大整流电流最大整流电流 IOM 二极管长期使用时，允许流过二极管的最大二极管长期使用时，允许流过二极管的最大 正向平均电流。正向平均电流。反向工作峰值电压反向工作峰值电压URWM 保证二极管不被反向击穿的最大电压，约为保证二极管不被反向击穿的最大电压，约为UBR 的的(1/2)(2/3)。反向峰值电流反向峰值电流 IRM 反向峰值电压下的电流。反向峰值电压下的电流。IRM大二极管的单向导电性差；故大二极管的单向导电性差；故IRM越小越好。越小越好。IRM受温度影响大，温度越高受温度影响大，温度越高IRM越大。越大。硅管的硅管的IRM较小，锗管较小，锗管IRM比硅管大几十到

11、几百倍。比硅管大几十到几百倍。16第16页，本讲稿共45页硅二极管：硅二极管：死区电压死区电压=0.5V，正向压降，正向压降 0.7V 理想二极管：理想二极管：死区电压死区电压=0，正向压降，正向压降=0 RLuiuouiuott二极管的应用举例：二极管的应用举例：二极管半波整流二极管半波整流7.3.3 二极管的等效电路及其应用 等效电路：正偏导通等效电路：正偏导通开关通，反偏截止开关通，反偏截止开关断。开关断。17第17页，本讲稿共45页曲线越陡，电压越稳定。7.4 几种特殊二极管几种特殊二极管UIIZUZ7.4.1 稳压二极管特殊的面接触型硅二极管，特殊的面接触型硅二极管，工作于反向击穿区

12、；与适工作于反向击穿区；与适 当电阻配合能稳定电压。当电阻配合能稳定电压。符号 18第18页，本讲稿共45页 稳定电流稳定电流IZ :最大、最小稳定电流最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。稳压管正常工作时允许的最大电流、稳压管正常工作时允许的最大电流、要求的最小电流。要求的最小电流。最大允许功耗最大允许功耗:稳压二极管的参数稳压二极管的参数:稳定电压稳定电压 UZ:正常工作时，稳压管两端的电压正常工作时，稳压管两端的电压 （反向击穿电压）。（反向击穿电压）。动态电阻动态电阻 :反向特性曲线越陡，反向特性曲线越陡，rZ越小；稳压性能越好。越小；稳压性能越好。19第19页，本讲稿共45页7.

13、4.2 光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。反向电流随光照强度的增加而上升。IU照度增加 暗电流：无光照时的反向电流，暗电流：无光照时的反向电流，(0.2A)光电流：有光照时的电流，（可达几十光电流：有光照时的电流，（可达几十A）。）。符号20第20页，本讲稿共45页7.4.3 发光二极管（LED）符号LED正偏导通时，若电流足够大，正偏导通时，若电流足够大，LED可发出不同颜色的光；可发出不同颜色的光；光的颜色由光的颜色由LED的材料确定。的材料确定。LED的电特性与一般二极管类似：的电特性与一般二极管类似：工作电压：工作电压：1.53V，工作电流：几几十工作电流：几几十mA21第21

14、页，本讲稿共45页BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极NPN型PNP集电极基极发射极BCEPNP型7.5 晶体管晶体管又称半导体三极管，简称三极管。又称半导体三极管，简称三极管。7.5.1 基本结构靠得很近的两个靠得很近的两个PN结组成，有结组成，有NPN和和PNP两种形式两种形式22第22页，本讲稿共45页BECNNP基极发射极集电极基区：较薄，掺杂浓度低集电区：面积较大掺杂浓度较低发射区：掺杂浓度较高集电结发射结*故故E、C不能互换不能互换 NPN管和管和PNP管的工作原理类似，仅电源极性要求不同。管的工作原理类似，仅电源极性要求不同。23第23页，本讲稿共45页7.5.2 电流放

15、大原理BECNNPEBRBECIE基区空穴向发射区的扩散可忽略。IBE进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE ，多数扩散到集电结。发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。放大电流放大电流必要条件必要条件：发射结正偏，集电结反偏。：发射结正偏，集电结反偏。24第24页，本讲稿共45页BECNNPEBRBECIE集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。ICBOIC=ICE+ICBOICEIBEICE从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICE。25第25页，本讲稿共45页IB=IBE-ICBO IBEIBBECNNPEBRBECIEICB

16、OICEIC=ICE+ICBO ICEIBE26第26页，本讲稿共45页BECIBIEICNPN型三极管BECIBIEICPNP型三极管 ICE与与IBE之比称为电流放大倍数之比称为电流放大倍数27第27页，本讲稿共45页7.5.3 特性曲线描述三极管各极电压、电流之间关系的曲线。描述三极管各极电压、电流之间关系的曲线。常用的是共射极电路的输入、输出特性曲线。常用的是共射极电路的输入、输出特性曲线。ICmAAVVUCEUBERBIBECEB测量电路28第28页，本讲稿共45页1.输入特性曲线UCE 1VIB(A)UBE(V)204060800.40.8工作压降：硅管UBE0.60.7V,锗管U

17、BE0.20.3V。UCE=0VUCE=0.5V 死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。29第29页，本讲稿共45页2.输出特性IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域满足IC=IB称为线性区（放大区）。当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关:IC=IB。30第30页，本讲稿共45页IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域中UCEUBE,集电结正偏，IBIC，UCE0.3V称为饱和区。31第31页，本讲稿共45页IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A10

18、0A 此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBEIC，UCE 0.3V(3)截止区：截止区：UBE 死区电压，死区电压，IB=0，IC=ICEO 0 33第33页，本讲稿共45页例1：=50，UCC=12V，RB=70k，RC=6k 当UB=-2V，2V，5V时，晶体管工作于何种状态？解：解：UB=-2V时：时：IB=0，IC=0晶体管工工作于截止区晶体管工工作于截止区 UB=2V时：时：IC最大饱和电流：ICUCEIBUCCRBUBCBERCUBEICVT时时，ID UGS；MOS管管导通导通开关接通开关接通UGS VT时时，ID=0；MOS管管截止截止开关断开开关断开43第43页，本讲稿共45页输出特性曲线输出特性曲线IDU DS0UGS=3VUGS=0VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=8V恒流区恒流区（放大区放大区）截止区截止区可变电阻区可变电阻区（饱和区饱和区）*P沟道增强型的沟道增强型的电源和电源和VT的的极性极性均与均与N 沟道相反沟道相反 44第44页，本讲稿共45页习题：P167 7.2 二极管电路计算P167 7.3 二极管电路波形 (1)P167 7.6 三极管型号判别P168 7.9 三极管工作状态判别 (2)45第45页，本讲稿共45页