電路與電子技術(shù)基礎(chǔ)海大演示文稿

本文檔共64頁；當(dāng)前第1頁；編輯于星期二\17點(diǎn)17分優(yōu)選電路與電子技術(shù)基礎(chǔ)海大本文檔共64頁；當(dāng)前第2頁；編輯于星期二\17點(diǎn)17分半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力具有獨(dú)特的性質(zhì)。①溫度升高時(shí)，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(huì)成千上萬倍地增長(zhǎng)；③純凈的半導(dǎo)體受到光照時(shí)，導(dǎo)電能力明顯提高。本文檔共64頁；當(dāng)前第3頁；編輯于星期二\17點(diǎn)17分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(gè)圍繞原子核運(yùn)動(dòng)的帶負(fù)電的電子且整個(gè)原子呈電中性。半導(dǎo)體器件的材料：硅（Silicon-Si）：四價(jià)元素，硅的原子序數(shù)是14，外層有4個(gè)電子。鍺（Germanium-Ge）：也是四價(jià)元素，鍺的原子序數(shù)是32，外層也是4個(gè)電子。

本文檔共64頁；當(dāng)前第4頁；編輯于星期二\17點(diǎn)17分簡(jiǎn)化原子結(jié)構(gòu)模型如圖的簡(jiǎn)化形式。+4慣性核價(jià)電子硅和鍺的簡(jiǎn)化原子模型本文檔共64頁；當(dāng)前第5頁；編輯于星期二\17點(diǎn)17分單晶半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：共價(jià)鍵:由相鄰兩個(gè)原子各拿出一個(gè)價(jià)電子組成價(jià)電子對(duì)所構(gòu)成的聯(lián)系。下圖是晶體共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)的平面示意圖。晶體共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖+4+4+4+4+4+4+4+4+4共價(jià)鍵本文檔共64頁；當(dāng)前第6頁；編輯于星期二\17點(diǎn)17分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(duì)零度（T=0K相當(dāng)于T=－273℃）時(shí)，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。本文檔共64頁；當(dāng)前第7頁；編輯于星期二\17點(diǎn)17分半導(dǎo)體中的載流子自由電子空穴空穴和自由電子同時(shí)參加導(dǎo)電，是半導(dǎo)體的重要特點(diǎn)價(jià)電子掙脫共價(jià)鍵的束縛成為自由電子的同時(shí)，在原來的共價(jià)鍵位置上留下了一個(gè)空位，這個(gè)空位叫做空穴。空穴帶正電荷。本文檔共64頁；當(dāng)前第8頁；編輯于星期二\17點(diǎn)17分在本征半導(dǎo)體中，激發(fā)出一個(gè)自由電子，同時(shí)便產(chǎn)生一個(gè)空穴。電子和空穴總是成對(duì)地產(chǎn)生，稱為電子空穴對(duì)。半導(dǎo)體中共價(jià)鍵分裂產(chǎn)生電子空穴對(duì)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(dòng)畫本文檔共64頁；當(dāng)前第9頁；編輯于星期二\17點(diǎn)17分BA空穴自由電子圖晶體共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖+4+4+4+4+4+4+4+4+4C共價(jià)鍵空穴的運(yùn)動(dòng)實(shí)質(zhì)上是價(jià)電子填補(bǔ)空穴而形成的。本文檔共64頁；當(dāng)前第10頁；編輯于星期二\17點(diǎn)17分由于空穴帶正電荷，且可以在原子間移動(dòng)，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(jiǎn)稱電子）和空穴載流子（簡(jiǎn)稱空穴），它們均可在電場(chǎng)作用下形成電流。本文檔共64頁；當(dāng)前第11頁；編輯于星期二\17點(diǎn)17分半導(dǎo)體由于熱激發(fā)而不斷產(chǎn)生電子空穴對(duì)，那么，電子空穴對(duì)是否會(huì)越來越多，電子和空穴濃度是否會(huì)越來越大呢？實(shí)驗(yàn)表明，在一定的溫度下，電子濃度和空穴濃度都保持一個(gè)定值。半導(dǎo)體中存在載流子的產(chǎn)生過程載流子的復(fù)合過程本文檔共64頁；當(dāng)前第12頁；編輯于星期二\17點(diǎn)17分綜上所述：(1)半導(dǎo)體中有兩種載流子：自由電子和空穴，電子帶負(fù)電，空穴帶正電。(2)本征半導(dǎo)體中，電子和空穴總是成對(duì)地產(chǎn)生，ni=pi。(3)半導(dǎo)體中，同時(shí)存在載流子的產(chǎn)生和復(fù)合過程。本文檔共64頁；當(dāng)前第13頁；編輯于星期二\17點(diǎn)17分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(hào)相反空穴：自由電子載流子：帶單位負(fù)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(duì)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(yùn)載電荷的粒子，決定物體的導(dǎo)電能力。在外電場(chǎng)的作用下，電子、空穴運(yùn)動(dòng)方向相反，對(duì)電流的貢獻(xiàn)是疊加的。注意：本文檔共64頁；當(dāng)前第14頁；編輯于星期二\17點(diǎn)17分本征激發(fā)電子空穴E

g1電子空穴隨機(jī)碰撞復(fù)合（自由電子釋放能量）電子空穴對(duì)消失23本征激發(fā)動(dòng)態(tài)平衡復(fù)合是電子空穴對(duì)的兩種矛盾運(yùn)動(dòng)形式。則ni=pi本征載流子濃度：本文檔共64頁；當(dāng)前第15頁；編輯于星期二\17點(diǎn)17分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。本文檔共64頁；當(dāng)前第16頁；編輯于星期二\17點(diǎn)17分常用的雜質(zhì)元素三價(jià)的硼、鋁、銦、鎵五價(jià)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。本文檔共64頁；當(dāng)前第17頁；編輯于星期二\17點(diǎn)17分N型半導(dǎo)體室溫T=300k++5本文檔共64頁；當(dāng)前第18頁；編輯于星期二\17點(diǎn)17分P型半導(dǎo)體-本文檔共64頁；當(dāng)前第19頁；編輯于星期二\17點(diǎn)17分綜上所述：(1)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。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(jià)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(fù)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)。本文檔共64頁；當(dāng)前第20頁；編輯于星期二\17點(diǎn)17分(3)漂移電流與擴(kuò)散電流引起載流子定向運(yùn)動(dòng)的原因有兩種：由于電場(chǎng)而引起的定向運(yùn)動(dòng)――漂移運(yùn)動(dòng)（漂移電流）由于載流子的濃度梯度而引起的定向運(yùn)動(dòng)――擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)（擴(kuò)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(chǎng)E的作用下，空穴將沿電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)，電子將沿與電場(chǎng)相反方向運(yùn)動(dòng)：EV●●●●●○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●本文檔共64頁；當(dāng)前第21頁；編輯于星期二\17點(diǎn)17分

擴(kuò)散電流光照N型半導(dǎo)體x●●●●●●●○○○○○●●●●●●●●●●○○○○○●●●●●●●●●●○○○○○●●●●●●●●●●○○○○○●●●本文檔共64頁；當(dāng)前第22頁；編輯于星期二\17點(diǎn)17分NP++++++++++++++++----------------ENP++++++++++++++++----------------一、半導(dǎo)體的接觸現(xiàn)象第二節(jié)PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管本文檔共64頁；當(dāng)前第23頁；編輯于星期二\17點(diǎn)17分一PN結(jié)的動(dòng)態(tài)平衡過程和接觸電位消弱內(nèi)建電場(chǎng)ENP++++++++++++++++----------------ENP++++++++++++++++----------------熱平衡（動(dòng)態(tài)平衡）動(dòng)畫本文檔共64頁；當(dāng)前第24頁；編輯于星期二\17點(diǎn)17分NP++++++++++++++++----------------E動(dòng)畫二、PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦员疚臋n共64頁；當(dāng)前第25頁；編輯于星期二\17點(diǎn)17分1.正向偏置，正向電流RUNP++++++++++++++++----------------UiD擴(kuò)散iDiDiDiD++__本文檔共64頁；當(dāng)前第26頁；編輯于星期二\17點(diǎn)17分NP++++++++++++++++----------------2.反向偏置，反向電流RUUiRNP++++++++++++++++----------------iRiRiRiR++__本文檔共64頁；當(dāng)前第27頁；編輯于星期二\17點(diǎn)17分①PN結(jié)外加正向電壓PN結(jié)外加正向電壓時(shí)（P正、N負(fù)），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(kuò)散電流變化較大。本文檔共64頁；當(dāng)前第28頁；編輯于星期二\17點(diǎn)17分PN結(jié)加反向電壓時(shí)，空間電荷區(qū)變寬，自建電場(chǎng)增強(qiáng)，多子的擴(kuò)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(shí)，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

本文檔共64頁；當(dāng)前第29頁；編輯于星期二\17點(diǎn)17分結(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。本文檔共64頁；當(dāng)前第30頁；編輯于星期二\17點(diǎn)17分定量描繪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(duì)溫度(K)3、

PN結(jié)的伏安特性本文檔共64頁；當(dāng)前第31頁；編輯于星期二\17點(diǎn)17分令

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。本文檔共64頁；當(dāng)前第32頁；編輯于星期二\17點(diǎn)17分外加反向電壓時(shí)，U為負(fù)值，當(dāng)|U|比UT大幾倍時(shí)，

I≈-IS即加反向電壓時(shí)，PN結(jié)只流過很小的反向飽和電流。本文檔共64頁；當(dāng)前第33頁；編輯于星期二\17點(diǎn)17分曲線OD段表示PN結(jié)正向偏置時(shí)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(shí)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。本文檔共64頁；當(dāng)前第34頁；編輯于星期二\17點(diǎn)17分加大PN結(jié)的反向電壓到某一值時(shí)，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(diǎn)：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)反向擊穿本文檔共64頁；當(dāng)前第35頁；編輯于星期二\17點(diǎn)17分本文檔共64頁；當(dāng)前第36頁；編輯于星期二\17點(diǎn)17分4、

PN結(jié)的電容效應(yīng)本文檔共64頁；當(dāng)前第37頁；編輯于星期二\17點(diǎn)17分++++++++++++++++----------------RUU++__iR++++++++++++++++----------------本文檔共64頁；當(dāng)前第38頁；編輯于星期二\17點(diǎn)17分載流子濃度。。。。。。。。。。。。。。。。ΔQpΔQn.................

PNU+ΔU⊕⊕⊕⊕⊕⊕------。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。...................................................（2）擴(kuò)散電容本文檔共64頁；當(dāng)前第39頁；編輯于星期二\17點(diǎn)17分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(gè)二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點(diǎn)接觸型、面接觸型和平面型三大類。(1)點(diǎn)接觸型二極管(a)點(diǎn)接觸型

二極管的結(jié)構(gòu)示意圖三、半導(dǎo)體二極管本文檔共64頁；當(dāng)前第40頁；編輯于星期二\17點(diǎn)17分(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(hào)(b)面接觸型陽極陰極本文檔共64頁；當(dāng)前第41頁；編輯于星期二\17點(diǎn)17分半導(dǎo)體二極管圖片本文檔共64頁；當(dāng)前第42頁；編輯于星期二\17點(diǎn)17分半導(dǎo)體二極管圖片本文檔共64頁；當(dāng)前第43頁；編輯于星期二\17點(diǎn)17分半導(dǎo)體二極管圖片本文檔共64頁；當(dāng)前第44頁；編輯于星期二\17點(diǎn)17分2.二極管的伏安特性

二極管的伏安特性的測(cè)出。VmAVDRRW（a）測(cè)正向特性VmAVDRRW（b）測(cè)反向特性本文檔共64頁；當(dāng)前第45頁；編輯于星期二\17點(diǎn)17分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本文檔共64頁；當(dāng)前第46頁；編輯于星期二\17點(diǎn)17分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(duì)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本文檔共64頁；當(dāng)前第47頁；編輯于星期二\17點(diǎn)17分②反向特性反向電流：很小。硅管0.1微安鍺管幾十個(gè)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本文檔共64頁；當(dāng)前第48頁；編輯于星期二\17點(diǎn)17分3.二極管的主要參數(shù)本文檔共64頁；當(dāng)前第49頁；編輯于星期二\17點(diǎn)17分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(jiǎn)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。本文檔共64頁；當(dāng)前第50頁；編輯于星期二\17點(diǎn)17分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(shí)的正向壓降遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于和它串聯(lián)的電壓，二極管截止時(shí)的反向電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(gè)開關(guān)，如圖所示。本文檔共64頁；當(dāng)前第51頁；編輯于星期二\17點(diǎn)17分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(shí)，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(rèn)為二極管正向?qū)〞r(shí)有一個(gè)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(shí)，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。

本文檔共64頁；當(dāng)前第52頁；編輯于星期二\17點(diǎn)17分uDiDoDUD考慮正向壓降的等效電路KUD本文檔共64頁；當(dāng)前第53頁；編輯于星期二\17點(diǎn)17分由于二極管具有單向?qū)щ娦裕虼死盟梢赃M(jìn)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(gè)實(shí)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(gè)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(dòng)畫本文檔共64頁；當(dāng)前第54頁；編輯于星期二\17點(diǎn)17分在一般整流電路中，交流電壓幅值Um都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shí)，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）+-本文檔共64頁；當(dāng)前第55頁；編輯于星期二\17點(diǎn)17分當(dāng)u<0時(shí)，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）+-本文檔共64頁；當(dāng)前第56頁；編輯于星期二\17點(diǎn)17分這樣無論在交流電源u的正半周還是負(fù)半周，負(fù)載RL兩端的輸出電壓uO始終是上正下負(fù)；RL電阻中的輸出電流iO始終是由A點(diǎn)流向B點(diǎn)。對(duì)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）本文檔共64頁；當(dāng)前第57頁；編輯于星期二\17點(diǎn)17分圖(a)是一個(gè)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(hào)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本文檔共64頁；當(dāng)前第58頁；編輯于星期二\17點(diǎn)17分電路中u為交流正弦電壓信號(hào)。UR為直流參考電壓源。D為普通二極管。現(xiàn)在