1、電 工 學(xué)電 子 技 術(shù)1從20世紀(jì)初開始，人們相繼發(fā)現(xiàn)了真空和半導(dǎo)體電子器件，以檢波、放大及開關(guān)等功能為核心的電子技術(shù)得到迅速發(fā)展。從1948美國貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明半導(dǎo)體晶體管以來，半導(dǎo)體電子器件逐步取代電子管而成為應(yīng)用電子技術(shù)的主角，經(jīng)歷了分立器件、集成電路、大規(guī)模和超大規(guī)模的集成電路。其應(yīng)用領(lǐng)域遍及廣播、通訊、測(cè)量、控制；今天，計(jì)算機(jī)已經(jīng)以高技術(shù)的載體進(jìn)入到各個(gè)領(lǐng)域，為人類文明的發(fā)展樹立了一座宏偉的里程碑。2電子技術(shù)由模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)兩部分構(gòu)成。兩者的區(qū)別：處理的信號(hào)電子技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)包括半導(dǎo)體二極管、半導(dǎo)體三極管、場(chǎng)效應(yīng)管、部分典型集成電路等元器件。3電爐箱恒溫自動(dòng)控制系統(tǒng)4光源產(chǎn)

2、品傳送帶光電元件脈沖產(chǎn)生整 形十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器件數(shù)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器十進(jìn)制計(jì)數(shù)器十進(jìn)制計(jì)數(shù)器箱數(shù)譯碼器譯碼器譯碼器563LED數(shù)碼管個(gè)位十位百位產(chǎn)品自動(dòng)裝箱計(jì)數(shù)生產(chǎn)線5 第十四章 二極管和晶體管6第14章 二極管和晶體管14.3 二極管14.4 穩(wěn)壓二極管14.5 晶體管14.2 PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?4.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性14.6 光電器件7本章要求：一、理解PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，三極管的電流分配和 電流放大作用；二、了解二極管、穩(wěn)壓管和三極管的基本構(gòu)造、工 作原理和特性曲線，理解主要參數(shù)的意義；三、會(huì)分析含有二極管的電路。8學(xué)會(huì)用工程觀點(diǎn)分析問題，就是根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)器件的數(shù)學(xué)模型和電路的工作條件

3、進(jìn)行合理的近似，以便用簡(jiǎn)便的分析方法獲得具有實(shí)際意義的結(jié)果。對(duì)電路進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)，只要能滿足技術(shù)指標(biāo)，就不要過分追究精確的數(shù)值。器件是非線性的、特性有分散性、RC 的值有誤差、工程上允許一定的誤差、采用合理估算的方法。對(duì)于元器件，重點(diǎn)放在特性、參數(shù)、技術(shù)指標(biāo)和正確使用方法，不要過分追究其內(nèi)部機(jī)理。討論器件的目的在于應(yīng)用。9導(dǎo)體：自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體，金屬一般都是導(dǎo)體。絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半導(dǎo)體：另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱為半導(dǎo)體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。14.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性10半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性：

4、(可做成溫度敏感元件，如熱敏電阻)。摻雜性：往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，導(dǎo)電 能力明顯改變(可做成各種不同用途的半導(dǎo) 體器件，如二極管、三極管和晶閘管等）。光敏性：當(dāng)受到光照時(shí)，導(dǎo)電能力明顯變化 (可做 成各種光敏元件，如光敏電阻、光敏二極 管、光敏三極管等)。熱敏性：當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，導(dǎo)電能力顯著增強(qiáng)為什么具有這些導(dǎo)電特性？這是由半導(dǎo)體材料的原子結(jié)構(gòu)和原子之間結(jié)合方式?jīng)Q定的1114.1.1 本征半導(dǎo)體 完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體，稱為本征半導(dǎo)體。晶體中原子的排列方式硅單晶中的共價(jià)健結(jié)構(gòu)共價(jià)健共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子，稱為價(jià)電子。 Si Si Si Si價(jià)電子12 Si Si Si Si價(jià)電

5、子 價(jià)電子在獲得一定能量（溫度升高或受光照）后，即可掙脫原子核的束縛，成為自由電子（帶負(fù)電），同時(shí)共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位，稱為空穴（帶正電）。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)?？昭?溫度愈高，晶體中產(chǎn)生的自由電子便愈多。自由電子 在外電場(chǎng)的作用下，空穴吸引相鄰原子的價(jià)電子來填補(bǔ)，而在該原子中出現(xiàn)一個(gè)空穴，其結(jié)果相當(dāng)于空穴的運(yùn)動(dòng)（相當(dāng)于正電荷的移動(dòng)）。13本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理 當(dāng)半導(dǎo)體兩端加上外電壓時(shí)，在半導(dǎo)體中將出現(xiàn)兩部分電流 (1)自由電子作定向運(yùn)動(dòng) 電子電流 (2)價(jià)電子遞補(bǔ)空穴 空穴電流注意： (1) 本征半導(dǎo)體中載流子數(shù)目極少, 其導(dǎo)電性能很差； (2) 溫度愈高， 載流子的數(shù)目

6、愈多,半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能也就愈好。所以，溫度對(duì)半導(dǎo)體器件性能影響很大。自由電子和空穴都稱為載流子。 自由電子和空穴成對(duì)地產(chǎn)生的同時(shí)，又不斷復(fù)合。在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生和復(fù)合達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，半導(dǎo)體中載流子便維持一定的數(shù)目。1414.1.2 N型半導(dǎo)體和 P 型半導(dǎo)體 摻雜后自由電子數(shù)目大量增加，自由電子導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式，稱為電子半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體。摻入五價(jià)元素 Si Si Si Sip+多余電子磷原子在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮邮ヒ粋€(gè)電子變?yōu)檎x子 在本征半導(dǎo)體中摻入微量的雜質(zhì)（某種元素）,形成雜質(zhì)半導(dǎo)體。 在N 型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。1514.1.2

7、N型半導(dǎo)體和 P 型半導(dǎo)體 摻雜后空穴數(shù)目大量增加，空穴導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式，稱為空穴半導(dǎo)體或 P型半導(dǎo)體。摻入三價(jià)元素 Si Si Si Si 在 P 型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子。B硼原子接受一個(gè)電子變?yōu)樨?fù)離子空穴無論N型或P型半導(dǎo)體都是中性的，對(duì)外不顯電性。16小結(jié)：(1)本征半導(dǎo)體中有兩種載流子導(dǎo)電，自由電子和空穴，但載流子數(shù)目極少, 其導(dǎo)電性能很差。溫度愈高，載流子的數(shù)目愈多,半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能也就愈好。(2)本征半導(dǎo)體中加入五價(jià)雜質(zhì)元素，便形成N型半導(dǎo)體。其中電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子，此外還有不參加導(dǎo)電的正離子。(3)本征半導(dǎo)體中加入三價(jià)雜質(zhì)

8、元素，便形成P型半導(dǎo)體。其中空穴是多數(shù)載流子，電子是少數(shù)載流子，此外還有不參加導(dǎo)電的負(fù)離子。(4)雜質(zhì)半導(dǎo)體中，多子濃度決定于雜質(zhì)濃度，少子由本征激發(fā)產(chǎn)生，其濃度與溫度有關(guān)。17 1. 在雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子的數(shù)量與 （a. 摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。 2. 在雜質(zhì)半導(dǎo)體中少子的數(shù)量與 （a. 摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。 3. 當(dāng)溫度升高時(shí)，少子的數(shù)量 （a. 減少、b. 不變、c. 增多）。abc 4. 在外加電壓的作用下，P 型半導(dǎo)體中的電流主要是 ，N 型半導(dǎo)體中的電流主要是 。 （a. 電子電流、b.空穴電流） ba18 1. 電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電有什么區(qū)別？空穴電流是不是由自由電子遞補(bǔ)空穴

9、所形成的？ 練習(xí)和思考：答：電子導(dǎo)電是指帶一個(gè)電量負(fù)電荷的自由電子在外電場(chǎng)的作用下，產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)形成電流的過程。 而空穴導(dǎo)電是指共價(jià)鍵中的價(jià)電子掙脫共價(jià)鍵的束縛，填補(bǔ)空穴，好像空穴在運(yùn)動(dòng)，而形成電流的過程。 空穴電流不是自由電子遞補(bǔ)空穴所形成的，而是共價(jià)鍵中的價(jià)電子遞補(bǔ)空穴所形成的。19練習(xí)和思考： 2. 雜質(zhì)半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子和少數(shù)載流子是怎樣產(chǎn)生的？為什么雜質(zhì)半導(dǎo)體中少數(shù)載流子的濃度比本征載流子的濃度??？ 答：大量的多數(shù)載流子會(huì)與少數(shù)載流子復(fù)合，復(fù)合的數(shù)量要比本征半導(dǎo)體兩種載流子復(fù)合的數(shù)量多，因此，雜質(zhì)半導(dǎo)體的少數(shù)載流子比本征半導(dǎo)體的少數(shù)載流子濃度小。 20練習(xí)和思考： 3. N型半導(dǎo)體

10、的自由電子多于空穴，而P型半導(dǎo)體中的空穴多于自由電子，是否N型半導(dǎo)體帶負(fù)電，而P型半導(dǎo)體帶正電？ 答：以N型半導(dǎo)體為例，由于摻雜后自由電子數(shù)目大量增加，當(dāng)這些帶負(fù)電的自由電子離開原子核后，原子核所在的晶格上就帶生了等量的正電荷，這個(gè)電荷叫空間電荷。從整個(gè)晶體來看，它仍然是不帶電的。 空間電荷與帶正電的空穴不同的是它是不能移動(dòng)的。21不論是P型半導(dǎo)體還是N型半導(dǎo)體，都只能看做是一般的導(dǎo)電材料，不具有半導(dǎo)體器件的任何特點(diǎn)。半導(dǎo)體器件的核心是PN結(jié)，是采取一定的工藝措施在一塊半導(dǎo)體晶片的兩側(cè)分別制成P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，在兩種半導(dǎo)體的交界面上形成PN結(jié)。各種各樣的半導(dǎo)體器件都是以PN結(jié)為核心而制成

11、的，正確認(rèn)識(shí)PN結(jié)是了解和運(yùn)用各種半導(dǎo)體器件的關(guān)鍵所在。14.2 PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?214.2.1 PN結(jié)的形成多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)少子的漂移運(yùn)動(dòng)濃度差P 型半導(dǎo)體N 型半導(dǎo)體 內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。 擴(kuò)散的結(jié)果使空間電荷區(qū)變寬?？臻g電荷區(qū)也稱 PN 結(jié) 擴(kuò)散和漂移這一對(duì)相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。+形成空間電荷區(qū)23擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)平衡擴(kuò)散增強(qiáng)漂移運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)兩者平衡PN結(jié)寬度基本穩(wěn)定1.空間電荷區(qū)中沒有載流子。2.空間電荷區(qū)中內(nèi)電場(chǎng)阻礙P中的空穴和N區(qū) 中的電子（都是多子）向?qū)Ψ竭\(yùn)動(dòng)（擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)）。3.P 區(qū)中的電子和

12、N區(qū)中的空穴（都是少子），數(shù)量有限，因此由它們形成的電流很小。注意:2414.2.2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?1. PN 結(jié)加正向電壓（正向偏置）PN 結(jié)變窄 P接正、N接負(fù) 外電場(chǎng)IF 內(nèi)電場(chǎng)被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)，形成較大的擴(kuò)散電流。 PN 結(jié)加正向電壓時(shí)，PN結(jié)變窄，正向電流較大，正向電阻較小，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。內(nèi)電場(chǎng)PN+252. PN 結(jié)加反向電壓（反向偏置）外電場(chǎng) P接負(fù)、N接正 內(nèi)電場(chǎng)PN+26PN 結(jié)變寬2. PN 結(jié)加反向電壓（反向偏置）外電場(chǎng) 內(nèi)電場(chǎng)被加強(qiáng)，少子的漂移加強(qiáng)，由于少子數(shù)量很少，形成很小的反向電流。IR P接負(fù)、N接正 溫度越高少子的數(shù)目越多，反向電流將隨溫度增加

13、。+ PN 結(jié)加反向電壓時(shí)，PN結(jié)變寬，反向電流較小，反向電阻較大，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。內(nèi)電場(chǎng)PN+27PN結(jié)加正向電壓時(shí)，具有較大的正向擴(kuò)散電流，呈現(xiàn)低電阻， PN結(jié)導(dǎo)通；PN結(jié)加反向電壓時(shí)，具有很小的反向漂移電流，呈現(xiàn)高電阻， PN結(jié)截止。 由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?814.3 半導(dǎo)體二極管14.3.1 基本結(jié)構(gòu)(a) 點(diǎn)接觸型(b)面接觸型 結(jié)面積小、結(jié)電容小、正向電流小。用于檢波和變頻等高頻電路。 結(jié)面積大、正向電流大、結(jié)電容大，用于工頻大電流整流電路。(c) 平面型 用于集成電路制作工藝中。PN結(jié)結(jié)面積可大可小，用于大功率整流和開關(guān)電路中。29陰極引線陽極引線二氧化硅

14、保護(hù)層P型硅N型硅( c ) 平面型金屬觸絲陽極引線N型鍺片陰極引線外殼( a ) 點(diǎn)接觸型鋁合金小球N型硅陽極引線PN結(jié)金銻合金底座陰極引線( b ) 面接觸型圖 1 半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào) 14.3 半導(dǎo)體二極管二極管的結(jié)構(gòu)示意圖陰極陽極( d ) 符號(hào)D30半導(dǎo)體二極管實(shí)物圖片3114.3.2 伏安特性硅管0.5V,鍺管0.1V。反向擊穿電壓U(BR)導(dǎo)通壓降 外加電壓大于死區(qū)電壓二極管才能導(dǎo)通。 外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦浴Ｕ蛱匦苑聪蛱匦蕴攸c(diǎn)：非線性硅0.60.8V鍺0.20.3VUI死區(qū)電壓PN+PN+ 反向電流在一定電壓范圍內(nèi)保持常數(shù)。32二極管的單向

15、導(dǎo)電性 1. 二極管加正向電壓（正向偏置，陽極接正、陰極接負(fù) ）時(shí)， 二極管處于正向?qū)顟B(tài)，二極管正向電阻較小，正向電流較大。 2. 二極管加反向電壓（反向偏置，陽極接負(fù)、陰極接正 ）時(shí)， 二極管處于反向截止?fàn)顟B(tài)，二極管反向電阻較大，反向電流很小。 3. 外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦浴?4. 二極管的反向電流受溫度的影響，溫度愈高反向電流愈大。 問題： 如何判斷二極管的好壞及其正負(fù)極性？3314.3.3 主要參數(shù)1. 最大整流電流 IOM二極管長期使用時(shí)，允許流過二極管的最大正向平均電流。2. 反向工作峰值電壓URWM是保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓，一般是二

16、極管反向擊穿電壓UBR的一半或三分之二。二極管擊穿后單向?qū)щ娦员黄茐?，甚至過熱而燒壞。3. 反向峰值電流IRM指二極管加最高反向工作電壓時(shí)的反向電流。反向電流大，說明管子的單向?qū)щ娦圆?，IRM受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流較大，為硅管的幾十到幾百倍。34 二極管電路分析舉例 定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)導(dǎo)通截止否則，正向管壓降硅0.60.8V鍺0.20.3V 分析方法：將二極管斷開，分析二極管兩端電位的高低或所加電壓UD的正負(fù)。若 V陽 V陰或 UD為正( 正向偏置 )，二極管導(dǎo)通若 V陽 V陰 二極管導(dǎo)通若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB = 6V否則， UAB低于6V一個(gè)管壓降，為6.3或6.7V例1： 取 B 點(diǎn)作參考點(diǎn)，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。 在這里，二極管起鉗位作用。 D6V12V3kBAUAB+39兩個(gè)二極管的陰極接在一起取 B 點(diǎn)作參考點(diǎn)，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。V1陽 =6 V，V2陽=0 V，V1陰 = V2陰= 12 VUD1 = 6V，UD2 =12V UD2 UD