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1、电子技术,下 编,项华珍编写,前 言,本学期讲述下编电子技术，它包括模拟电子和数字电子，模拟电子包括半导体器件、基本放大电路、运算放大器、直流稳压电源，其输入输出为模拟信号，即电压和电流信号随时间是连续的；数字电子包括组合逻辑电路、时序逻辑电路、555定时器、模数转换等，其输入输出为数字信号，即电压和电流信号随时间是离散的。两部分共授课42学时，实验课12学时，一共54学时，共3个学分，为必修课。考试形式同电工技术。,8 常用半导体器件,本章主要讨论半导体二极管、三极管、场效应管的结构、工作原理、伏安特性、主要参数及应用。重点掌握器件的伏安特性及应用，为后续放大电路的分析打下基础 。,本章要点
2、,你知道吗？,为什么现在电子技术发展得如此迅猛？,根据物体导电能力(电阻率)的不同，把自然界的划分成导体、绝缘体和半导体。,*导体是自由电子导电，一般金属为电的良导体，其电阻率为 10-6 109 cm,*绝缘体不导电，如橡胶、棉花、玻璃等。其电阻率为1010 1020 cm,*半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间，如硅、锗、硒、大多数金属氧化物和硫化物等，其电阻率为10-3109 cm,8.1 半导体,（1）热敏性： 利用这一特性可以做成热敏器件，如热敏电阻。,（2）光敏性： 利用这一特性可以做成光敏器件，如光电二极管、光电三极管等。,（3）杂质效应： 利用这一特性可以做成各种半导体器件，如
3、半导体二极管、三极管、场效应管等。,纯净的半导体导电能力和绝缘能力都很差，但其具有如下的特性：,完全纯净、由单一元素组成、具有晶体结构的半导体称为本征半导体。,最常用的半导体材料是硅和锗，它们都是四价元素，其原子结构示意图如图8-1(a)、(b)所示，简化示意图如图8-1(c)所示。,8.1.1 本征半导体,共价键,本征激发,自由电子,空穴,本征半导体具有共价健结构,价电子,产生载流子：自由电子、空穴,自由电子和空穴成对出现,温度越高，载流子浓度越大,填补空穴,空穴运动,空穴电流,自由电子电流,自由电子运动,外加电场时：,1.电子电流,2.空穴电流,在一定温度下：,复合运动,本征激发和复合运动
4、,动态平衡,本征半导体在常温下能导电吗？,(1)当半导体两端外加电压时，半导体中将出现两部分电流：自由电子作定向运动所形成的电子电流；仍被原子核束缚的价电子填补空穴所形成的空穴电流；,(2)半导体中有两种载流子：自由电子和空穴。空穴参与导电是半导体和金属在导电机理上的本质区别,注意：本征半导体中自由电子和空穴总是成对出现。自由电子释放激发时吸收的能量，又会填补空穴，称为复合。在一定的温度下，本征激发和复合达到动态平衡，载流子的数目便维持不变。温度越高，载流子的数目越多，导电能力越强。,结论：,8.1.2 N型半导体和P型半导体,在本征半导体中，由于载流子的数目很少，故导电能力很弱。如果在其中掺
5、入某些微量的其他元素，会出现什么情况呢？,1. N型（电子型 ）半导体,在硅或锗的本征半导体中掺入微量的五价元素，如磷或砷。某些位置上的硅或锗原子被磷或砷原子取代，如图8-3所示。,多数载流子（多子）： 自由电子,磷离子,自由电子,少数载流子（少子）：空穴,多子浓度由什么决定？,少子浓度由什么决定？,1. N型（电子型 ）半导体,在外电场作用下，形成大的电子电流及小的空穴电流。,在四价的本征半导体中掺入微量的三价元素硼，则在原来的晶体点阵中某些位置上的原子被硼原子取代。,硼或铟原子外层有三个价电子，其与相邻的四个硅或锗原子组成共价键时，因缺少一个价电子而形成一个空穴。,空穴,2.P型(空穴型）
6、半导体,在外电场作用下，形成大的空穴电流及小的电子电流。,硼离子,多子：空穴,2. P型 (空穴型）半导体,少子：自由电子,(1)不管是P型还是N型半导体，尽管其各有一种载流子占多数，但整个半导体仍然是电中性的。正负离子不能移动，不能参与导电。由于掺杂后的半导体中载流子的浓度大大增加，故导电能力将显著增强。只要在本征半导体中掺入百万分之一的杂质，其导电能力将增加一百万倍。,(2)在杂质半导体中，多子的浓度由杂质含量决定，与温度无关；少子的浓度主要由本征激发决定，对温度的变化非常敏感。所以温度是影响半导体器件性能的一个重要因素。,注：,8.2.1 PN结的形成,单一的杂质半导体，只能用来制造电阻
7、器件。如果使用特殊的掺杂工艺，在一块N型半导体基片上加工出一个P型区，P型和N型交界处会发生什么现象呢？又有何种特性？,1.载流子的扩散运动,如图8-5所示。,8.2 PN结及单向导电性,得到电子的硼离子,失去电子的磷离子,由于浓度差： P区的空穴要向N区移动 N区的电子也向P区移动 在运动过程中两者相遇，复合而消失。,由于浓度差而引起的载流子的运动叫扩散运动,多子的扩散、电子空穴的复合，使在交界处出现： 无载流子的耗尽层 留下不能移动的正离子和负离子，形成空间电荷区。,空间电荷区,产生了一个由正离子指向负离子的内电场。,内电场,2.内电场的建立,对多子的扩散运动阻碍（阻挡层）,少子在电场力作
8、用下的运动漂移运动。,3.内电场对载流子运动的作用,对少子的漂移运动加强,当多子的扩散运动和少子的漂移运动达到动态平衡时，空间电荷区的宽度不再变化，形成了稳定的空间电荷区即PN结 。,4.PN结的形成,开始时，扩散运动强，这使空间电荷区增宽、内电场增强。同时也加速了少子的漂移运动，漂移运动使内电场减弱。这又将导致多子扩散运动的加强。,8.2.2 PN结的单向导电性,PN结无外加电压时，扩散运动和漂移运动达到动态平衡，PN结的电流为零。当PN结加有外部电压时，其导电情况如何？,1.外加正向电压（正偏）：,电源的正极接P区，负极接N区。,外电场的方向和内电场的方向相反，打破了扩散运动和漂移运动的动
9、态平衡。,注：在一定的范围内，外电场越强，正向电流越大，这时PN结呈低阻导通状态。为了电流避免过大，电路中串入限流电阻R 。,外电场的作用： 使空间电荷区变窄 内电场减弱 扩散运动增强，漂移运动减弱 形成了较大的扩散电流-正向电流IF,多子,多子,多子形成,外电场的作用： 使空间电荷区变厚 内电场增强 阻碍多子的扩散运动 增强少子的漂移运动 形成了N区到P区的反向电流IR,电源的正极接N区，负极接P区 外电场方向和内电场方向相同,少子形成反向电流,2.外加反向电压（反偏）,在一定温度下，少子的浓度不变，因而反向电流不随外加电压而变化，故称为反向饱和电流IS,由于少子的浓度对温度的变化敏感，反向
10、饱和电流随温度升高而增大,总结：PN结正偏时，呈低阻导通状态；PN结反偏时，呈高阻截止状态，这就是PN结的单向导电性。需要指出的是，当反向电压超过一定值时，反向电流将急剧增加，单向导电性将被破坏，发生了反向击穿现象。,注意：,由于反向电流是由少子形成的,反向电流很小，一般可以忽略不计 ，PN结呈高阻截止状态,8.3.1 基本结构,在一个PN结的两端，各引出一个电极，并用外壳封装，就构成了一个半导体二极管即晶体二极管。二极管分为点接触型、面接触型和平面型三种。如图8-9所示。,8.3 半导体二极管,2.面接触型： 结面积、结电容大；适用于低频大电流场合。用于整流电路,3.平面型： 特制的硅二极管
11、，性能稳定。可用于开关、脉冲、高频电路,1.点接触型： 结面积、结电容小；适用高频小电流场合。用于检波、开关电路,1. 正向特性：,A）正向死区,8.3.2 伏安特性,死区电压： 硅管约为0.5伏，锗管约为0.2伏,B）正向导通区,正向导通电压UD： 硅管约为0.7伏，锗管约为0.3伏,2. 反向特性：,A）反向电流（反向饱和电流）IS很小，可近似为0,8.3.2 伏安特性,IS与电压无关，和温度有关。 硅管小于0.1uA，锗管约为几十uA,B）反向击穿电压UBR,3. 击穿特性：,A）击穿电压UBR,8.3.2 伏安特性,小功率管约为几伏几十伏，大功率管可达几百伏,B）击穿电流,击穿时反向电
12、流很大，失去了单向导电性。若无限流散热，易损坏二极管,4. 温度特性：,温度升高： PN结变薄、死区电压下降,8.3.2 伏安特性,正向特性左移，反向特性下移,反向电流越大，说明管子的温度稳定性越差,硅管优于锗管,5. 理想化处理：,A）恒压降模型,8.3.2 伏安特性,uUD时，二极管导通，且uUD uUD时，二极管截止，i0,B）理想模型,u0时，二极管导通，且u0 u0时，二极管截止，i0,二极管的特性除了可用伏安特性表示外，还可用一些参数来描述，它是合理选用和正确使用管子的依据。,1最大整流电流IF,二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大整流电流的平均值，由PN结的面积和散热条件所
13、决定，使用时不能超过此值，否则，将会因为过热而烧坏管子。,8.3.3 主要参数,2最高反向工作电压URM,它是允许加在二极管上的反向电压的最大值（峰值）。为安全起见，最高反向电压约为反向击穿电压的一半。,3最大反向电流IRM,它是指在二极管上加上最大反向工作电压时的反向电流值。其值越小，管子的单导电性越好。它随温度的升高而增加，在高温条件下不能忽略其影响。,例8-1 二极管电路如图8-14所示，试计算回路中的电流ID及输出电压UO。设二极管为理想二极管。,如何判别电路中二极管是导通还是截止？,先移去二极管，计算其在电路中阳极和阴极电位，再判断两极电位的高低。若阳极电位大于阴极电位，则二极管导通
14、；若阳极电位小于阴极电位，则二极管截止。,解：移去二极管后,二极管导通,利用二极管的的单向导电性，可用于整流、限幅、检波、元件保护、钳位及数字电路中作为开关元件。,1. 钳位电路,钳位电路的作用是将输出电压钳制在一定的数值上,优先导通：多个二极管，接成共阴或者共阳形式时，判断其导通与否，就需要计算移开二极管后，每个二极管的阳极和阴极之间的电位差，电位差大的二极管优先导通。,3.3.4 基本应用,隔离作用,钳位作用,例8-2 电路如图8-15所示，试判断二极管DA、DB的导通截止情况，并求F的电位UF 。,解：移开二极管DA、DB，每个二极管阳极和阴极之间的电位差分别为：,UAF5V-（-12V
15、）17V UBF0-（-12V）12V,由于DA阳极和阴极之间的电位差大而优先导通。,二极管DB承受反向电压而截止。,利用二极管的单向导电性和导通后两端电压基本不变的特点，可组成限幅（削波）电路 ，用以限制输出电压的幅度。,例8-3 在图8-16（a)所示电路中，设ui10sint V，D为理想二极管，试画出输出电压uo的波形。,解：当uiE5V时，二极管承受正向电压而导通， uoE 5V。,当uiE5V时，二极管承受反向电压而截止， uo ui,2.限幅电路,得波形如图8-16（b),输出电压负半波受到限制,8.4.1 稳压二极管,稳压管在使用时都要串联限流电阻,1.伏安特性,8.4 特殊二
16、极管,稳压管又叫齐纳二极管，面接触型二极管，反向伏安特性较陡，并工作在反向击穿区。,2.主要参数,（1） 稳定电压Uz,（2）稳定电流Iz和最大稳定电流IZM,(3) 最大耗散功率PZM,例8-4 图中，Uz6V，PZM200mW，IZ=10mA。问若电源电压E在18伏至30伏内变化时，输出电压是否基本不变，稳压管是否安全。,当E=18V时，稳压管中的电流为,当E=30V时，稳压管中的电流为,解：稳压管最大稳定电流为,注：稳压二极管在工作时应接反向电压，并串入限流调压电阻R。,显然，稳压管工作电流在正常工作范围之内，能正常稳压，输出电压为UoUz6V,稳定过程如下:,8.4.2 发光二极管,LED在使用时都要串联限流电阻,发光二极管当正向电流流过时，发出一定波长范围的光,正向导通电压较一般二极管高，约为1.5V-3V，电流为几mA-几十mA。,图8-19 发光二极管的外形、符号和应用电路,8.4.3 光电二极管,光电二极管是将光信号转换为电信号的半导
