電路與電子技術(shù)基礎(chǔ)海大演示文稿

當(dāng)前第1頁\共有64頁\編于星期六\11點優(yōu)選電路與電子技術(shù)基礎(chǔ)海大當(dāng)前第2頁\共有64頁\編于星期六\11點半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力具有獨特的性質(zhì)。①溫度升高時，純凈的半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力顯著增加；②在純凈半導(dǎo)體材料中加入微量的“雜質(zhì)”元素，它的電導(dǎo)率就會成千上萬倍地增長；③純凈的半導(dǎo)體受到光照時，導(dǎo)電能力明顯提高。當(dāng)前第3頁\共有64頁\編于星期六\11點⑵半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)原子的組成：帶正電的原子核若干個圍繞原子核運動的帶負電的電子且整個原子呈電中性。半導(dǎo)體器件的材料：硅（Silicon-Si）：四價元素，硅的原子序數(shù)是14，外層有4個電子。鍺（Germanium-Ge）：也是四價元素，鍺的原子序數(shù)是32，外層也是4個電子。

當(dāng)前第4頁\共有64頁\編于星期六\11點簡化原子結(jié)構(gòu)模型如圖的簡化形式。+4慣性核價電子硅和鍺的簡化原子模型當(dāng)前第5頁\共有64頁\編于星期六\11點單晶半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)特點：共價鍵:由相鄰兩個原子各拿出一個價電子組成價電子對所構(gòu)成的聯(lián)系。下圖是晶體共價鍵結(jié)構(gòu)的平面示意圖。晶體共價鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖+4+4+4+4+4+4+4+4+4共價鍵當(dāng)前第6頁\共有64頁\編于星期六\11點2.半導(dǎo)體的導(dǎo)電原理

⑴本征半導(dǎo)體（IntrinsicSemiconductor）純凈的、結(jié)構(gòu)完整的單晶半導(dǎo)體，稱為本征半導(dǎo)體。物質(zhì)導(dǎo)電能力的大小取決于其中能參與導(dǎo)電的粒子—載流子的多少。本征半導(dǎo)體在絕對零度（T=0K相當(dāng)于T=－273℃）時，相當(dāng)于絕緣體。在室溫條件下，本征半導(dǎo)體便具有一定的導(dǎo)電能力。當(dāng)前第7頁\共有64頁\編于星期六\11點半導(dǎo)體中的載流子自由電子空穴空穴和自由電子同時參加導(dǎo)電，是半導(dǎo)體的重要特點價電子掙脫共價鍵的束縛成為自由電子的同時，在原來的共價鍵位置上留下了一個空位，這個空位叫做空穴?？昭◣д姾伞．?dāng)前第8頁\共有64頁\編于星期六\11點在本征半導(dǎo)體中，激發(fā)出一個自由電子，同時便產(chǎn)生一個空穴。電子和空穴總是成對地產(chǎn)生，稱為電子空穴對。半導(dǎo)體中共價鍵分裂產(chǎn)生電子空穴對的過程叫做本征激發(fā)。產(chǎn)生本征激發(fā)的條件：加熱、光照及射線照射。動畫當(dāng)前第9頁\共有64頁\編于星期六\11點BA空穴自由電子圖晶體共價鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖+4+4+4+4+4+4+4+4+4C共價鍵空穴的運動實質(zhì)上是價電子填補空穴而形成的。當(dāng)前第10頁\共有64頁\編于星期六\11點由于空穴帶正電荷，且可以在原子間移動，因此，空穴是一種載流子。半導(dǎo)體中有兩種載流子：自由電子載流子（簡稱電子）和空穴載流子（簡稱空穴），它們均可在電場作用下形成電流。當(dāng)前第11頁\共有64頁\編于星期六\11點半導(dǎo)體由于熱激發(fā)而不斷產(chǎn)生電子空穴對，那么，電子空穴對是否會越來越多，電子和空穴濃度是否會越來越大呢？實驗表明，在一定的溫度下，電子濃度和空穴濃度都保持一個定值。半導(dǎo)體中存在載流子的產(chǎn)生過程載流子的復(fù)合過程當(dāng)前第12頁\共有64頁\編于星期六\11點綜上所述：(1)半導(dǎo)體中有兩種載流子：自由電子和空穴，電子帶負電，空穴帶正電。(2)本征半導(dǎo)體中，電子和空穴總是成對地產(chǎn)生，ni=pi。(3)半導(dǎo)體中，同時存在載流子的產(chǎn)生和復(fù)合過程。當(dāng)前第13頁\共有64頁\編于星期六\11點a:空穴帶正電量b：空穴是半導(dǎo)體中所特有的帶單位正電荷的粒子，與電子電量相等，符號相反空穴：自由電子載流子：帶單位負電空穴載流子：帶單位正電1、在本征激發(fā)（或熱激發(fā)）中，電子，空穴成對產(chǎn)生。2、在常溫下本征半導(dǎo)體內(nèi)有兩種載流子。載流子：物體內(nèi)運載電荷的粒子，決定物體的導(dǎo)電能力。在外電場的作用下，電子、空穴運動方向相反，對電流的貢獻是疊加的。注意：當(dāng)前第14頁\共有64頁\編于星期六\11點本征激發(fā)電子空穴E

g1電子空穴隨機碰撞復(fù)合（自由電子釋放能量）電子空穴對消失23本征激發(fā)動態(tài)平衡復(fù)合是電子空穴對的兩種矛盾運動形式。則ni=pi本征載流子濃度：當(dāng)前第15頁\共有64頁\編于星期六\11點⑵雜質(zhì)半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體的電導(dǎo)率很小，而且受溫度和光照等條件影響甚大，不能直接用來制造半導(dǎo)體器件。本征半導(dǎo)體的物理性質(zhì)：純凈的半導(dǎo)體中摻入微量元素，導(dǎo)電能力顯著提高。摻入的微量元素——“雜質(zhì)”。摻入了“雜質(zhì)”的半導(dǎo)體稱為“雜質(zhì)”半導(dǎo)體。當(dāng)前第16頁\共有64頁\編于星期六\11點常用的雜質(zhì)元素三價的硼、鋁、銦、鎵五價的砷、磷、銻通過控制摻入的雜質(zhì)元素的種類和數(shù)量來制成各種各樣的半導(dǎo)體器件。雜質(zhì)半導(dǎo)體分為：N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。當(dāng)前第17頁\共有64頁\編于星期六\11點N型半導(dǎo)體室溫T=300k++5當(dāng)前第18頁\共有64頁\編于星期六\11點P型半導(dǎo)體-當(dāng)前第19頁\共有64頁\編于星期六\11點綜上所述：(1)本征半導(dǎo)體中加入五價雜質(zhì)元素，便形成N型半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體中，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。(2)本征半導(dǎo)體中加入三價雜質(zhì)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)電的負離子。(3)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)。當(dāng)前第20頁\共有64頁\編于星期六\11點(3)漂移電流與擴散電流引起載流子定向運動的原因有兩種：由于電場而引起的定向運動――漂移運動（漂移電流）由于載流子的濃度梯度而引起的定向運動――擴散運動（擴散電流）

漂移電流

在電子濃度為n,空穴濃度為p的半導(dǎo)體兩端外加電壓V，在電場E的作用下，空穴將沿電場方向運動，電子將沿與電場相反方向運動：EV●●●●●○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●當(dāng)前第21頁\共有64頁\編于星期六\11點

擴散電流光照N型半導(dǎo)體x●●●●●●●○○○○○●●●●●●●●●●○○○○○●●●●●●●●●●○○○○○●●●●●●●●●●○○○○○●●●當(dāng)前第22頁\共有64頁\編于星期六\11點NP++++++++++++++++----------------ENP++++++++++++++++----------------一、半導(dǎo)體的接觸現(xiàn)象第二節(jié)PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管當(dāng)前第23頁\共有64頁\編于星期六\11點一PN結(jié)的動態(tài)平衡過程和接觸電位消弱內(nèi)建電場ENP++++++++++++++++----------------ENP++++++++++++++++----------------熱平衡（動態(tài)平衡）動畫當(dāng)前第24頁\共有64頁\編于星期六\11點NP++++++++++++++++----------------E動畫二、PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦援?dāng)前第25頁\共有64頁\編于星期六\11點1.正向偏置，正向電流RUNP++++++++++++++++----------------UiD擴散iDiDiDiD++__當(dāng)前第26頁\共有64頁\編于星期六\11點NP++++++++++++++++----------------2.反向偏置，反向電流RUUiRNP++++++++++++++++----------------iRiRiRiR++__當(dāng)前第27頁\共有64頁\編于星期六\11點①PN結(jié)外加正向電壓PN結(jié)外加正向電壓時（P正、N負），空間電荷區(qū)變窄。不大的正向電壓，產(chǎn)生相當(dāng)大的正向電流。外加電壓的微小變化，擴散電流變化較大。當(dāng)前第28頁\共有64頁\編于星期六\11點PN結(jié)加反向電壓時，空間電荷區(qū)變寬，自建電場增強，多子的擴散電流近似為零。反向電流很小，它由少數(shù)載流子形成，與少子濃度成正比。少子的值與外加電壓無關(guān)，因此反向電流的大小與反向電壓大小基本無關(guān)，故稱為反向飽和電流。溫度升高時，少子值迅速增大，所以PN結(jié)的反向電流受溫度影響很大。②PN結(jié)外加反向電壓

當(dāng)前第29頁\共有64頁\編于星期六\11點結(jié)論：PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕?/p>

PN結(jié)加正向電壓產(chǎn)生大的正向電流，PN結(jié)導(dǎo)電。

PN結(jié)加反向電壓產(chǎn)生很小的反向飽和電流，近似為零，PN結(jié)不導(dǎo)電。當(dāng)前第30頁\共有64頁\編于星期六\11點定量描繪PN結(jié)兩端電壓和流過結(jié)的電流的關(guān)系的曲線——PN結(jié)的伏安特性。根據(jù)理論分析，PN結(jié)的伏安特性方程為絕對溫度(K)3、

PN結(jié)的伏安特性當(dāng)前第31頁\共有64頁\編于星期六\11點令

在常溫下，T=300K，

則當(dāng)U大于UT數(shù)倍即正向電流隨正向電壓的增加以指數(shù)規(guī)律迅速增大。當(dāng)前第32頁\共有64頁\編于星期六\11點外加反向電壓時，U為負值，當(dāng)|U|比UT大幾倍時，

I≈-IS即加反向電壓時，PN結(jié)只流過很小的反向飽和電流。當(dāng)前第33頁\共有64頁\編于星期六\11點曲線OD段表示PN結(jié)正向偏置時的伏安特性，稱為正向特性；曲線OB段表示PN結(jié)反向偏置時的伏安特性，稱為反向特性。U（mV）I（mA）0圖

PN結(jié)的理論伏安特性DT=25℃B-IS（V）0.255075100(uA)0.511.52畫出PN結(jié)的理論伏安特性曲線。當(dāng)前第34頁\共有64頁\編于星期六\11點加大PN結(jié)的反向電壓到某一值時，反向電流突然劇增，這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)擊穿，發(fā)生擊穿所需的電壓稱為擊穿電壓，如圖所示。

反向擊穿的特點：反向電壓增加很小，反向電流卻急劇增加。UBRU（V）I（mA）0圖4-6PN結(jié)反向擊穿當(dāng)前第35頁\共有64頁\編于星期六\11點當(dāng)前第36頁\共有64頁\編于星期六\11點4、

PN結(jié)的電容效應(yīng)當(dāng)前第37頁\共有64頁\編于星期六\11點++++++++++++++++----------------RUU++__iR++++++++++++++++----------------當(dāng)前第38頁\共有64頁\編于星期六\11點載流子濃度。。。。。。。。。。。。。。。。ΔQpΔQn.................

PNU+ΔU⊕⊕⊕⊕⊕⊕------。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。...................................................（2）擴散電容當(dāng)前第39頁\共有64頁\編于星期六\11點1.半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和類型在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點接觸型、面接觸型和平面型三大類。(1)點接觸型二極管(a)點接觸型

二極管的結(jié)構(gòu)示意圖三、半導(dǎo)體二極管當(dāng)前第40頁\共有64頁\編于星期六\11點(c)平面型

(3)平面型二極管

(2)面接觸型二極管(4)二極管的代表符號(b)面接觸型陽極陰極當(dāng)前第41頁\共有64頁\編于星期六\11點半導(dǎo)體二極管圖片當(dāng)前第42頁\共有64頁\編于星期六\11點半導(dǎo)體二極管圖片當(dāng)前第43頁\共有64頁\編于星期六\11點半導(dǎo)體二極管圖片當(dāng)前第44頁\共有64頁\編于星期六\11點2.二極管的伏安特性

二極管的伏安特性的測出。VmAVDRRW（a）測正向特性VmAVDRRW（b）測反向特性當(dāng)前第45頁\共有64頁\編于星期六\11點二極管的伏安特性曲線可用下式表示(a)二極管理論伏安特性CDoBAUBRuDiD（b）2CP10-20的伏安特性曲線iD（mA）uD（V）012-100-20020406080-20-10-30（uA）75℃20℃（c）2AP15的伏安特性曲線iD（mA）uD（V）00.4-40-80204080-0.2-0.1-0.3600.8當(dāng)前第46頁\共有64頁\編于星期六\11點①正向特性死區(qū)電壓：硅管0.5V

鍺管0.1V線性區(qū)：硅管0.6V～1V

鍺管0.2V～0.5V對溫度變化敏感：溫度升高→正向特性曲線左移溫度每升高1℃→正向壓降減小約2mV。(a)二極管理論伏安特性CDoBAUBRuDiD當(dāng)前第47頁\共有64頁\編于星期六\11點②反向特性反向電流：很小。硅管0.1微安鍺管幾十個微安受溫度影響大：溫度每升高10℃→

反向電流增加約1倍。③反向擊穿特性反向擊穿UBR:幾十伏以上。(a)二極管理論伏安特性CDoBAUBRuDiD當(dāng)前第48頁\共有64頁\編于星期六\11點3.二極管的主要參數(shù)當(dāng)前第49頁\共有64頁\編于星期六\11點4.二極管的等效電路及應(yīng)用二極管特性曲線的非線性，給二極管電路的分析帶來一定困難。為了簡化分析，常常要做一些近似處理，可用某些線性電路元件來等效二極管，畫出二極管的等效電路。最常用的近似方法有二種。當(dāng)前第50頁\共有64頁\編于星期六\11點⑴理想二極管等效電路uDiDoDK理想二極管等效電路如果二極管導(dǎo)通時的正向壓降遠遠小于和它串聯(lián)的電壓，二極管截止時的反向電流遠遠小于與之并聯(lián)的電流，則可以忽略二極管的正向壓降和反向電流，把二極管理想化為一個開關(guān)，如圖所示。當(dāng)前第51頁\共有64頁\編于星期六\11點⑵考慮正向壓降的等效電路在二極管充分導(dǎo)通且工作電流不是很大時，二極管的正向壓降UD變化不大（例如硅管約為0.6~0.8V），因此近似認為二極管正向?qū)〞r有一個固定的管壓降UD（硅管取0.7V，鍺管取0.2V），于是可用一固定電壓源來等效正向?qū)ǖ亩O管。當(dāng)外加電壓U<UD時，二極管不通，電流為零，相當(dāng)于開路。圖中畫出了這種近似等效電路。

當(dāng)前第52頁\共有64頁\編于星期六\11點uDiDoDUD考慮正向壓降的等效電路KUD當(dāng)前第53頁\共有64頁\編于星期六\11點由于二極管具有單向?qū)щ娦裕虼死盟梢赃M行交流電到直流電的轉(zhuǎn)換。這樣的電路叫整流電路。圖

(a)就是一個實用的單相橋式全波整流電路，常應(yīng)用于直流穩(wěn)壓電源中。四個二極管Dl~D4接成電橋形式。設(shè)交流電源u為：

u

π2π3π4πtwouo+_u+_RLD4D2D1D3ioAB（a）3、二極管電路的分析方法動畫當(dāng)前第54頁\共有64頁\編于星期六\11點在一般整流電路中，交流電壓幅值Um都要遠遠大于二極管的正向壓降UD，因此常近似為UD

=0，可以用理想二極管等效電路來分析電路的工作原理。當(dāng)交流電源u>0時，二極管Dl、D3導(dǎo)通，相當(dāng)于開關(guān)閉合；D2、D4截止，相當(dāng)于開關(guān)斷開，如圖

(b)所示。因此輸出電壓uO=u。uo+_u+_RLD4D2D1D3ioAB（a）uuo+_RLD4D2D1D3ioAB（b）+-當(dāng)前第55頁\共有64頁\編于星期六\11點當(dāng)u<0時，二極管D2、D4導(dǎo)通，Dl、D3截止，如圖

(c)所示。因此uO=-u。uo+_u+_RLD4D2D1D3ioAB（a）uou+_RLD4D2D1D3ioAB（c）+-當(dāng)前第56頁\共有64頁\編于星期六\11點這樣無論在交流電源u的正半周還是負半周，負載RL兩端的輸出電壓uO始終是上正下負；RL電阻中的輸出電流iO始終是由A點流向B點。對應(yīng)于交流電源u的波形可以畫出uO，iO及二極管中的電流iD的波形如圖

(d)所示。

u

π2π3π4πtwo

uo（io）

π2π3π4πtwo

iD

π2π3π4πtwo

iD1iD3

iD2iD4

（d）當(dāng)前第57頁\共有64頁\編于星期六\11點圖(a)是一個二極管組成的限幅電路。這種電路常用于有選擇地傳輸信號波形的一部分，所傳輸?shù)牟ㄐ尾糠痔幵陔娐吩O(shè)定的參考電壓以上或以下。DURRuou++––（a）uo當(dāng)前第58頁\共有64頁\編于星期六\11點電路中u為交流正弦電壓信號。UR為直流參考電壓源。D為普通二極管?，F(xiàn)在用考慮