《电气控制与工程实习指南 教学课件 ppt 作者 丁学文 第十二章 电子器件与集成电路》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电气控制与工程实习指南 教学课件 ppt 作者 丁学文 第十二章 电子器件与集成电路（169页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第十二章 电子器件与集成电路,12.1半导体,12.1半导体 12.1.1半导体的基本知识,所有的物质由原子有序的排列而成。原子由三种基本粒子组成，分别是质子、中子和电子。质子和中子构成了原子核，电子围绕着原子核高速旋转。物质的导电性能由原子最外层的电子（价电子）决定，导体的价电子数目只有一至两个，而绝缘体的价电子数目往往较多，半导体的价电子数目均为4个。就半导体元素硅和锗而言，其原子序数分别为14和32，但它们有一个共同的特点：即原子最外层的电子（价电子）数均为4，其原子结构简图和晶体结构如图121所示。,图121 半导体原子结构和晶体结构,惯性核正离子,惯性核负离子,图12-2 掺杂半导体
2、的共价键结构,a) N型半导体,b) P型半导体,空穴,12.1.1半导体的基本知识,根据物体导电能力（电阻率）的不同，可以将物质划分为导体、绝缘体和半导体。导体的电阻率小于104cm，绝缘体的电阻率大于109cm，而半导体的电阻率介于中间。典型的半导体元素有硅（Si）和锗（Ge），此外，还有半导体化合物砷化镓（GaAs）等。在本征半导体中掺入微量的杂质可形成杂质半导体，杂质半导体分为P型（空穴型）半导体和N型（电子型）半导体。由于掺杂的影响，会使半导体的导电性能发生显著的改变。,12.1.1半导体的基本知识,N型半导体是在本征半导体中掺入微量五价元素磷、砷和锑等的杂质形成的，其共价键结构如图
3、122（a）所示，形成惯性核正离子，且周围多余了一个带负电的自由电子（惯性核：是指原子核和它周围的全部电子，即离子，因体积大、重量重不能移动），自由电子的多少与掺杂的浓度有关。由于本征激发，也会出现一点空穴，但数量极少。所以在N型半导体中，自由电子为多数载流子，而空穴为少数载流子。见图123（a）电荷分布图。,12.1.1半导体的基本知识,P型半导体是在本征半导体中掺入微量三价元素硼、铟等杂质形成的，其共价键结构如图122（b）所示，形成惯性核负离子，且在周围有了一个带正电的空穴，这个空穴是根 据电荷平衡原理人们假想的一个正带电体，它以电荷递补的形式进行导电。空穴的多少与掺杂的浓度有关。由于本
4、征激发，也会出现一点自由电子，但数量极少。所以在P型半导体中，空穴为多数载流子，自由电子为少数载流子。见图123（b）电荷分布图。 注意：不论N型半导体还是P型半导体都是电中性，对外不显电性。,a) N型半导体 b) P型半导体 图12-3 电荷分布图,12.1.2 PN结,1PN结的形成 当P型半导体和N型半导体接触以后，由于交界两侧半导体类型不同，存在电子和空穴的浓度差。这样P区的空穴向N区扩散，N区的电子向P区扩散，由于扩散运动，在P区和N区的接触面就产生正负离子层。N区失掉电子产生正离子，P区得到电子产生负离子，这些离子固定在晶格上不能自由移动。称这个正负离子层为PN结。 在结的区一侧
5、带负电，区一侧带正电。结便产生了内电场，内电场的方向从区指向区。内电场对扩散运动起到阻碍作用，电子和空穴的扩散运动随着内电场的加强而逐步减弱，直至停止。在界面处形成稳定的空间电荷区。,a） b） 图124 PN结的形成,12.1.2 PN结,2. PN结的特性 （1）PN结的正向导通特性 给PN结加正向电压，即P区接正电源，N区接负电源，此时称PN结为正向偏置，如图125所示。 这时PN结的外加电场与内电场方向相反，当外电场大于内电场时，外加电场抵消内电场，使空间电荷区变窄，有利于多数载流子的扩散运动，形成正向电流。外加电场越强，正向电流越大，这意味着PN结的正向电阻变小。,图125 正偏,图
6、126 反偏,12.1.2 PN结,（2）PN结的反向截止特性 给PN结加反向电压，即电源正极接N区，负极接P区，称PN结反向偏置，如图126所示。这时外加电场与内电场方向相同，使内电场的作用增强，PN结变厚，多数载流子扩散运动难以进行，但有助于少数载流子的漂移运动，少数载流子很少，所以电流很小，接近于零，即PN结反向电阻很大。 综上所述，PN结具有单向导电性，加正向电压时，PN结电阻很小，电流较大，是多数载流子的扩散运动形成的；加反向电压时，PN结电阻很大，电流很小，是少数载流子的漂移运动形成的。,12.2二极管和整流电路 12.2.1二极管,1二极管的结构和外形 将一个PN结，用塑料、玻璃
7、或金属等材料做外壳封装起来就成为最简单的二极管。其中，正极从P区引出，为阳极；负极从N区引出，为阴极。根据所用半导体材料的不同，二极管可分为锗管和硅管。 接在二极管P区的引出线称二极管的阳极，接在N区的引出线称二极管的阴极。常见的二极管如图127所示。二极管的电气符号如图128所示，其中三角箭头表示正向电流的方向，正向电流从二极管的阳极流入，阴极流出。二极管的文字符号为V。,图127 二极管,正偏,电流,电压,正向电流,雪崩电流,反向击穿,反向电流,（ma）,反偏,正偏,反偏,V,图形符号和文字符号,图12-8 二极管伏安特性和符号,（a）,12.2.1二极管,2二极管的伏安特性 二极管的伏安
8、特性如图128所示。当二极管承受正向电压小于某一数值(称为死区电压)时，还不足以克服PN结内电场对多数载流子运动的阻挡作用，这一区段二极管正向电流IF很小，称为死区。通常，硅材料二极管的死区电压约为0.5V，锗材料二极管的死区电压约为0.1V。当正向电压超过死区电压值时，外电场抵消了内电场，正向电流随外加电压的增加而明显增大，二极管正向电阻变得很小。当二极管完全导通后，正向压降基本维持不变，称为二极管正向导通压降UF。一般硅管的UF为0.7V，锗管的UF为0.3V。,12.2.1二极管,当二极管承受反向电压时，外电场与内电场方向一致，只有少数载流子的漂移运动，形成的漏电流IR极小，一般硅管的I
9、R为几微安以下，锗管IR较大，为几十到几百微安。这时二极管反向截止。 当反向电压增大到某一数值时，反向电流将随反向电压的增加而急剧增大，这种现象称二极管反向击穿。击穿时对应的电压称为反向击穿电压。普通二极管发生反向击穿后，造成二极管的永久性损坏，失去单向导电性。,12.2.1二极管,3二极管的主要参数 最大整流电流IFM IFM是指二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流值，由PN结的面积和散热条件所决定。管子通过的电流不应超过这个数值。 最高反向工作电压URM URM是指二极管不击穿所允许施加的最高反向电压。超过此值二极管就有被反向击穿的危险。,12.2.1二极管,最大反向电流IRM IR
10、M是指二极管在常温下承受最高反向工作电压URM时的反向漏电流，一般很小，但其受温度影响较大。当温度升高时，IRM显著增大。 最高工作频率fM fM是指保持二极管单向导通性能时，外加电压允许的最高频率。二极管工作频率与PN结的极间电容大小有关，电容量越小，工作频率越高。,12.2.1二极管,5二极管的检测 （1）二极管的极性鉴别 将模拟万用表置于R100档或R1k档，两表笔分别接二极管的两个电极，测出一个结果后，对调两表笔，再测出一个结果。两次测量的结果中，有一次测量出的阻值较大（为反向电阻），一次测量出的阻值较小（为正向电阻）。在阻值较小的一次测量中，黑表笔接的是二极管的正极，红表笔接的是二极
11、管的负极。,12.2.1二极管,（2）单向导电性能的检测及好坏的判断 通常，使用万用表测量时，锗材料二极管的正向电阻值为1k左右，反向电阻值为300k左右。硅材料二极管的正向电阻值为5k左右，反向电阻值为（无穷大）。正向电阻越小越好，反向电阻越大越好。正、反向电阻值相差越悬殊，说明二极管的单向导电特性越好。 若测得二极管的正、反向电阻值均接近0或阻值较小，则说明该二极管内部已击穿短路或漏电损坏。若测得二极管的正、反向电阻值均为无穷大，则说明该二极管已开路损坏。,也可以使用数字万用表的二极管档来测量二极管的好坏，好的二极管在施加正向电压时，可测出正向压降和导通电流，一般硅管的正常压降范围为：0.
12、50.8V，锗管的正常压降范围为：0.20.3V。当万用表的表笔连接在二极管的两极时，实际是给二极管施加了一个很小的电压，此时万用表上显示的是二极管的管压降。测试步骤如下所示。 关闭电源； 将万用表调到二极管测试档； 将红黑表笔连接到二极管的两极，红表笔连接二极管的正极，黑表笔连接二极管的负极，此时万用表显示的是二极管的正向压降。如果正向压降在正常范围内则表示二极管的正向导通没问题； 将红黑笔调换，即给二极管加反向电压，万用表应显示“1”，表示无穷大，表示二极管反向截止性能是正常的。 如果二极管有问题，可能两个方向都显示无穷大；或者两个方向均显示导通压降，一般为0.4V左右。,关闭电源,将万用
13、表调到二极管测试档,表笔连接到二极管的两极,表笔正负极调换,图12-9（a） 二极管测量,12.2.1二极管,（3）反向击穿电压的检测 二极管反向击穿电压（耐压值）可以用晶体管直流参数测试仪测量。方法是：将测试仪的“NPN/PNP”选择键设置为NPN状态，再将被测二极管的正极接测试仪的“C”插孔内，负极插入测试仪的“e”插孔，然后按下“V（BR）”键，测试表即指示出二极管的反向击穿电压值。 用兆欧表和万用表来测量二极管的反向击穿电压、测量时被测二极管的负极与兆欧表的正极相接，正极与兆欧表的负极相连，同时用万用表（置于合适的直流电压档）监测二极管两端的电压。如图12-9（b）所示，摇动兆欧表手柄
14、（应由慢逐渐加快），待二极管两端电压稳定而不再上升时，此电压值即是二极管的反向击穿电压。,万用表,兆欧表,图12-9（b） 测量二极管反向击穿电压,12.2.2整流电路,利用PN结的特性，可以制作多种不同功能的晶体二极管，例如普通二极管、稳压二极管、变容二极管、光电二极管等。其中，具有单向导电特性的普通二极管应用最广，可实现整流、限幅及电平选择等功能。把交流电变为直流电，称为整流。完成整流功能的电路就称为整流电路。按交流电的相数，可分为单相整流和三相整流；按整流后的输出电压波形，又可分为半波整流和全波整流。,12.2.2整流电路,1单相半波整流电路图 二极管单相半波整流电路如图12-10(a)
15、所示。若二极管为理想，当输入正弦波时，由图可知：正半周时，二极管导通(相当开关闭合)，uo=ui；负半周时，二极管截止(相当开关打开)，uo=0。其输入、输出波形见图12-10(b)。,图12-10 二极管半波整流电路,12.2.2整流电路,对于电源来自电网的整流电路而言，由于输入整流电路的交流电压频率是50Hz，所以半波整流电路输出的单向脉动直流电压中的脉动频率也是50Hz。对于滤波电路而言，频率越低越不利于滤波。半波整流电路输出的单向脉动直流电压中的交流成分频率最低，所以最不利于滤波。,12.2.2整流电路,2单相全波整流电路 二极管单相全波整流电路如图1211所示。正半周时，二极管V1导
16、通；负半周时，二极管V2导通，其输入、输出波形见图1211。全波整流电路输出的单向脉动直流电压中依然存在大量的交流成分，其脉动频率是交流输入频率的2倍，即100Hz。对于滤波电路，在滤波电容的容量一定时，脉动的频率越高，滤波效果越好。全波整流电路较半波整流电路更有利于滤波电路的工作，而且全波整流电路的输出整流电压高于半波整流电路。,图1211 单相全波整流电路,12.2.2整流电路,图1211的单相全波整流电路必须使用有中心抽头的变压器，这样，不但使整流变压器的体积增大、重量增加、成本提高，而且二极管所承受的电压为桥式整流电路（如图12-12所示）的二倍。所以虽然此类整流电路只使用了两个二极管，但是其经济性还是无法与桥式整流电路相比，因此全波整流电路在实际应用上多为桥式电路。,表12-2 单相全波整流电路故障分析,12.2.2整流电路,3. 桥式整流电路 在电路中需要使用
