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电子技术与数字电路(第二版)全套课件.ppt
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电子技术与数字电路(第二版)电子技术与数字电路(第二版)第第1章章 半导体器件本章主要内容本章主要内容 (1)(1)半导体基础知识半导体基础知识 (2(2)半导体二极管)半导体二极管 (3 3)双极型晶体管)双极型晶体管 (4 4)场效应晶体管)场效应晶体管1.1 半导体基础知识1.1.1半导体的导电特性半导体的导电特性n自自然然界界中中的的物物质质,按按其其导导电电能能力力的的强强弱弱可可分分为为导导体体、半半导导体体和和绝绝缘缘体体三三种种类类型型。半半导导体体的的导导电电能能力力介介于于导导体体和和绝绝缘缘体之间。体之间。n导导体体一一般般为为低低价价元元素素,例例如如银银、铜铜等等金金属属材材料料都都是是良良好好的的导导体体,它它们们的的原原子子结结构构中中的的最最外外层层电电子子极极易易挣挣脱脱原原子子核核的的束束缚缚而而成成为为自自由由电电子子,在在外外电电场场的的作作用用下下产产生生定定向向移移动动,形成电流。形成电流。n高高价价元元素素(如如隋隋性性气气体体)或或高高分分子子物物质质(如如橡橡胶胶),它它们们的的原原子子结结构构中中的的最最外外层层电电子子极极难难挣挣脱脱原原子子核核的的束束缚缚成成为为自自由电子,其导电性极差,称为由电子,其导电性极差,称为绝缘体绝缘体。n常常用用的的半半导导体体材材料料有有硅硅(Si)和和锗锗(Ge)等等,硅硅原原子子中中共共有有14个个电电子子围围绕绕原原子子核核旋旋转转,最最外外层层轨轨道道上上有有4个个电子,电子,如图如图1.1(a)所示)所示。n原原子子最最外外层层轨轨道道上上的的电电子子通通常常称称为为价价电电子子,因因此此硅硅为为4价价元元素素。锗锗原原子子中中共共有有32个个电电子子围围绕绕原原子子核核旋旋转转,最最外外层层轨轨道道上上的的电电子子数数也也为为4个个,如如图图1.1(b)所所示示,所所以锗也为以锗也为4价元素。价元素。n为为了了简简便便起起见见,常常用用带带+4电电荷荷的的正正离离子子和和周周围围的的4个个价价电子来表示一个电子来表示一个4价元素的原子,价元素的原子,如图如图1.1(c)所示)所示。图图1.1硅和锗的原子结构示意图硅和锗的原子结构示意图 n硅硅和和锗锗的的最最外外层层电电子子既既不不像像导导体体那那样样容容易易挣挣脱脱原原子子核核的的束束缚缚,也也不不像像绝绝缘缘体体那那样样被被原原子子核核所所紧紧紧紧束束缚缚,所所以以其其导导电电性性介介于于导导体体和和绝绝缘缘体体之之间间,呈呈现现出出典典型型的的半半导体导电特性。导体导电特性。1.本征半导体本征半导体将将硅硅和和锗锗这这样样的的半半导导体体材材料料经经一一定定的的工工艺艺高高纯纯度度提提炼炼后后,其其原原子子排排列列将将变变成成非非常常整整齐齐的的状状态态,称称为为单单晶晶体体,也称本征半导体。也称本征半导体。在在本本征征半半导导体体中中,每每个个原原子子与与相相邻邻的的4个个原原子子结结合合,每每一一原原子子的的4个个价价电电子子分分别别为为相相邻邻的的4个个原原子子所所共共有有,组组成所谓共价键结构,成所谓共价键结构,如图如图1.2所示。所示。图图1.2共价键结构示意图共价键结构示意图 n共价键中的电子不像绝缘体中的价电子被束缚得那样共价键中的电子不像绝缘体中的价电子被束缚得那样紧。一些价电子获得一定能量(如温度升高或被光照)紧。一些价电子获得一定能量(如温度升高或被光照)后,可以克服共价键的束缚而成为自由电子,这种现后,可以克服共价键的束缚而成为自由电子,这种现象称为电子象称为电子“激发激发”。n此时,本征半导体具有了一定的导电能力,但由于自此时,本征半导体具有了一定的导电能力,但由于自由电子的数量很少,所以它的导电能力比较微弱。同由电子的数量很少,所以它的导电能力比较微弱。同时,在原来的共价键中留下一个空位,这种空位称为时,在原来的共价键中留下一个空位,这种空位称为空穴空穴。空穴因失掉一个电子而带正电。由于正负电的相互吸空穴因失掉一个电子而带正电。由于正负电的相互吸引作用,空穴附近共价键中的价电子会来填补这个空位,引作用,空穴附近共价键中的价电子会来填补这个空位,于是又会产生新的空穴,又会有相邻的价电子来填补,于是又会产生新的空穴,又会有相邻的价电子来填补,如此进行下去就形成了空穴移动,如此进行下去就形成了空穴移动,如图如图1.3所示所示图图1.3空穴和自由电子空穴和自由电子n半半导导体体中中存存在在着着两两种种运运载载电电荷荷的的粒粒子子,称称为为载载流流子子,即即带带负负电电的的自自由由电电子子和和带带正正电电的的空空穴穴。在在本本征征半半导导体体中中,自自由由电电子子和和空空穴穴总总是是成成对对产产生生,成成为为电电子子-空空穴穴对对,所以两种载流子浓度是相等的。所以两种载流子浓度是相等的。n在在室室温温条条件件下下,本本征征半半导导体体中中载载流流子子的的数数目目很很少少,所所以以导导电电性性能能较较差差。温温度度升升高高时时,载载流流子子浓浓度度将将按按指指数数规律增加。规律增加。2.杂质半导体杂质半导体n若若在在本本征征半半导导体体中中掺掺入入少少量量的的杂杂质质元元素素,就就能能显显著著地地改改善善半半导导体体的的导导电电性性能能。根根据据所所掺掺杂杂质质的的不不同同,掺掺杂杂后后 的的 半半 导导 体体 可可 分分 为为 N(Negative)型型 半半 导导 体体 和和P(Positive)型半导体两种。)型半导体两种。(1)N型半导体型半导体n如如果果在在纯纯净净的的硅硅(或或锗锗)晶晶体体中中掺掺入入少少量量的的5价价杂杂质质元元素素(如如磷磷P、砷砷As、锑锑Sb等等),则则原原来来晶晶格格中中的的某某些些硅硅原原子子的的位位置置将将被被杂杂质质原原子子所所代代替替,就就形形成成了了N型型半半导导体。体。n由由于于这这种种杂杂质质原原子子最最外外层层有有5个个价价电电子子,其其中中4个个与与周周围围硅硅原原子子形形成成共共价价键键,因因此此还还多多出出一一个个电电子子。这这个个多多出出的的电电子子由由于于不不受受共共价价键键的的束束缚缚便便成成为为可可以以导导电电的的自自由由电电子子,而杂质原子成为不可移动的正离子,如图而杂质原子成为不可移动的正离子,如图1.4所示。所示。图图1.4N型半导体结构型半导体结构n在在N型半导体中,自由电子的浓度将远远高于空穴的浓型半导体中,自由电子的浓度将远远高于空穴的浓度,因此自由电子称为多数载流子(简称多子),而度,因此自由电子称为多数载流子(简称多子),而其中的空穴称为少数载流子(简称少子)。其中的空穴称为少数载流子(简称少子)。n由于杂质原子可以提供电子,故称为由于杂质原子可以提供电子,故称为施主原子施主原子。N型半型半导体主要靠施主原子提供的电子导电,掺入的杂质原导体主要靠施主原子提供的电子导电,掺入的杂质原子越多,自由电子的浓度也就越高,导电性能就越强。子越多,自由电子的浓度也就越高,导电性能就越强。(2)P型半导体型半导体n如如果果在在纯纯净净的的硅硅(或或锗锗)晶晶体体中中掺掺入入少少量量的的3价价杂杂质质元元素素(如如硼硼B、铝铝Al、镓镓Ga等等),则则原原来来晶晶格格中中的的某某些些硅硅原原子子的的位位置置将将被被杂杂质质原原子子所所代代替替,就就形形成成了了P型型半半导导体体。由由于于这这种种杂杂质质原原子子最最外外层层有有3个个价价电电子子,在在与与周周围围4个个硅硅原原子子形形成成共共价价键键时时,就就产产生生了了一一个个空空穴穴,如如图图1.5所示。所示。n当当相相邻邻硅硅原原子子的的外外层层电电子子由由于于热热运运动动填填补补此此空空穴穴时时,杂杂质质原原子子成成为为不不可可移移动动的的负负离离子子,同同时时在在硅硅原原子子的的共共价键中又产生了一个新的空穴。价键中又产生了一个新的空穴。图图1.5P型半导体结构型半导体结构n在在P型型半半导导体体中中,空空穴穴的的浓浓度度将将远远远远高高于于自自由由电电子子的的浓浓度度,因因此此空空穴穴为为多多子子,而而其其中中的的自自由由电电子子为为少少子子。由由于于杂杂质质原原子子中中形形成成的的空空穴穴可可以以吸吸收收电电子子,故故称称这这样样的的杂质原子为杂质原子为受主原子受主原子。nP型型半半导导体体主主要要靠靠受受主主原原子子提提供供的的空空穴穴导导电电,掺掺入入的的杂杂质原子越多,空穴的浓度就越高,导电性能就越强。质原子越多,空穴的浓度就越高,导电性能就越强。nN型型半半导导体体和和P型型半半导导体体虽虽然然各各自自都都有有一一种种多多数数载载流流子子,但但在在整整个个半半导导体体中中正正、负负电电荷荷数数是是相相等等的的,即即从从总总体体上看,仍然保持着电中性。上看,仍然保持着电中性。1.1.2PN结及其单向导电特性结及其单向导电特性n在在一一块块本本征征半半导导体体上上,一一边边掺掺入入施施主主杂杂质质,使使之之成成为为N型型半半导导体体,另另一一边边掺掺入入受受主主杂杂质质,使使之之成成为为P型型半半导导体体,那那么么在在N型型和和P型型半半导导体体的的交交界界面面附附近近,就就会会形形成成具具有有特特殊殊物理性能的物理性能的PN结结。nPN结是构成各种半导体器件的基础。结是构成各种半导体器件的基础。1.PN结的形成结的形成n在在N型型半半导导体体和和P型型半半导导体体的的交交界界处处存存在在着着较较大大的的电电子子和和空空穴穴浓浓度度差差。N型型区区中中的的电电子子要要向向P型型区区扩扩散散,P型型区区中中的的空空穴穴要要向向N型型区区扩扩散散。如如图图1.6所所示示,靠靠近近交交界界处处的的箭箭头头表表示了两种载流子的扩散方向。示了两种载流子的扩散方向。图图1.6多子的扩散运动多子的扩散运动n带带电电粒粒子子的的扩扩散散不不会会无无限限制制地地进进行行下下去去,因因为为带带电电粒粒子子一一旦旦扩扩散散到到对对方方就就会会发发生生复复合合现现象象,从从而而使使电电子子和和空穴因复合而消失。空穴因复合而消失。nN型型区区的的电电子子向向P型型区区扩扩散散,并并与与P型型区区的的空空穴穴复复合合,使使P型区失去空穴而留下不能移动的带负电的离子。型区失去空穴而留下不能移动的带负电的离子。nP型型区区的的空空穴穴也也要要向向N型型区区扩扩散散,并并与与N型型区区的的电电子子复复合合,使使N型型区区失失去去电电子子而而留留下下带带正正电电的的离离子子。这这些些正正、负离子所占的空间称作负离子所占的空间称作“空间电荷区空间电荷区”。n由由于于空空间间电电荷荷区区内内缺缺少少可可以以自自由由运运动动的的载载流流子子,所所以以又称又称“耗尽层耗尽层”,如图,如图1.7所示。所示。图图1.7PN结的形成结的形成n空空间间电电荷荷区区中中的的正正、负负离离子子之之间间形形成成一一个个内内电电场场,方方向向是是由由N型型区区指指向向P型型区区。内内电电场场对对两两边边多多子子的的进进一一步步扩扩散起阻挡作用,所以空间电荷区也称为散起阻挡作用,所以空间电荷区也称为“阻挡层阻挡层”。n内内电电场场可可以以使使两两边边的的少少子子产产生生漂漂移移运运动动。漂漂移移运运动动的的方方向向与与扩扩散散运运动动相相反反。扩扩散散运运动动使使空空间间电电荷荷区区加加宽宽,内内电电场场增增强强,于于是是扩扩散散阻阻力力增增大大;漂漂移移运运动动使使空空间间电电荷荷区区变变窄,内电场减弱,使扩散容易进行。窄,内电场减弱,使扩散容易进行。n当当扩扩散散运运动动和和漂漂移移运运动动作作用用相相等等时时,便便处处于于动动态态平平衡衡状状态态,空空间间电电荷荷区区不不再再扩扩大大,这这种种动动态态平平衡衡状状态态下下的的空空间间电荷区就是电荷区就是PN结。结。2.PN结的单向导电性结的单向导电性如如果果在在PN结结两两端端外外加加电电压压,将将破破坏坏其其原原来来的的平平衡衡状状态态。当当外外加加电电压压极极性性不不同同时时,PN结结表表现现出出截截然然不不同同的的导导电电性能,即呈现出单向导电性。性能,即呈现出单向导电性。当当电电源源的的正正极极接接P区区,负负极极接接N区区,称称为为“加加正正向向电电压压”或或“正正向向偏偏置置”,如如图图1.8所所示示。这这时时外外加加电电场场方方向向与与内内电电场场方方向向相相反反,外外电电场场将将P区区和和N区区的的多多数数载载流流子子推推向向空空间间电电荷荷区区,使使其其空空窄窄,削削弱弱了了内内电电场场,破破坏坏了了原来的平衡,使扩散运动加剧,而漂移运动减弱。原来的平衡,使扩散运动加剧,而漂移运动减弱。由由于于电电源源的的作作用用,扩扩散散运运动动源源源源不不断断地地进进行行,从从而而形形成正向电流,成正向电流,PN结导通。结导通。图图1.8PN结外加正向电压时导通结外加正向电压时导通PN结结导导通通时时的的结结压压降降只只有有零零点点几几伏伏,所所以以应应在在它它所所在在的的回回路路中中串串联联一一个个电电阻阻,以以限限制制回回路路中中的的电电流流,防防止止PN结结因正向电流过大而损坏。因正向电流过大而损坏。当当电电源源的的正正极极接接N区区,负负极极接接P区区,称称为为“加加反反向向电电压压”或或“反向偏置反向偏置”,如图如图1.9所示所示。反反向向偏偏置置时时,外外加加电电场场与与内内电电场场方方向向相相同同,外外电电场场将将N区区和和P区区的的多多数数载载流流子子拉拉向向电电源源电电极极方方向向,使使空空间间电电荷荷区区变变宽宽,内内电电场场增增加加,阻阻止止扩扩散散运运动动的的进进行行,而而加加剧剧漂漂移运动的进行,形成反向电流(移运动的进行,形成反向电流(也称漂移电流也称漂移电流)。)。图图1.9PN结外加反向电压时截止结外加反向电压时截止反反向向电电流流是是由由少少数数载载流流子子的的漂漂移移运运动动形形成成的的,当当温温度度不不变变时时,少少数数载载流流子子的的浓浓度度不不变变,反反向向电电流流在在一一定定范范围围内内将将不不随随外外加加电电场场的的大大小小而而变变化化,所所以以常常把把反反向向电电流流称称为为“反反向向饱和电流饱和电流”。由由于于少少数数载载流流子子数数目目极极少少,所所以以反反向向电电流流近近似似为为零零,可可以以认为认为PN结反向偏置时处于截止状态。结反向偏置时处于截止状态。PN结结加加正正向向电电压压时时,呈呈现现较较小小的的正正向向电电阻阻,形形成成较较大大的的正正向向电电流流,PN结结处处于于导导通通状状态态;PN结结加加反反向向电电压压时时,呈呈现现很很大大的的反反向向电电阻阻,流流过过很很小小的的反反向向电电流流,PN结结近近似似于于截止状态。截止状态。这这种种只只允允许许一一个个方方向向电电流流通通过过的的特特性性称称为为PN结结的的单单向向导导电性。电性。3.PN结的伏安特性结的伏安特性式式1-1给给出出了了流流过过PN结结的的电电流流I与与PN结结两两端端电电压压U之之间间的关系式的关系式I=IS(eU/UT-1)(1-1)式式中中,IS为为反反向向饱饱和和电电流流;UT是是温温度度的的电电压压当当量量,在在常温(常温(300K)下,)下,UT=26mV。把把式式(1-1)绘绘成成曲曲线线,如如图图1.10所所示示,称称为为PN结结的的伏伏安特性曲线。安特性曲线。图图1.10PN结的伏安特性曲线结的伏安特性曲线n当当PN结结加加正正向向电电压压时时,在在U大大于于UT几几倍倍以以后后,式式(1-1)中中eU/UT1,于于是是IISeU/UT,表表明明正正向向电电流流I随随电电压压U呈呈指指数数规规律律增增加加,如如图图中中OA段段,这这段段曲曲线线称称为为PN结的结的正向伏安特性正向伏安特性。n当当PN结结加加反反向向电电压压时时,U0,在在|U|大大于于UT几几倍倍后后,式式(1-1)中中的的eU/UT0,于于是是I-IS,即即反反向向电电流流基基本本上上是是一一个个不不随随外外加加电电压压变变化化而而变变化化的的常常数数,如如图图中中的的OB段,这段曲线称为段,这段曲线称为PN结的结的反向伏安特性反向伏安特性。4.PN结的击穿结的击穿n当当加加于于PN结结的的反反向向电电压压增增大大到到一一定定数数值值时时,反反向向电电流流突突然然急急剧剧增增大大,如如图图1.10中中的的BE段段所所示示,这这种种现现象象称称为为PN结结的的反反向向击击穿穿。对对应应于于电电流流开开始始剧剧增增的的反反向向电电压压UBR,称称为为击击穿穿电电压压。PN结结的的击击穿穿分分为为“雪雪崩崩击击穿穿”和和“齐纳击穿齐纳击穿”两种类型。两种类型。n雪雪崩崩击击穿穿是是指指PN结结内内作作漂漂移移运运动动的的少少数数载载流流子子受受强强电电场场的的加加速速作作用用可可获获得得很很大大的的能能量量,当当它它与与PN结结内内的的原原子子碰碰撞撞时时,把把其其中中的的价价电电子子碰碰撞撞出出来来,产产生生新新的的电电子子-空空穴穴对对。新新的的电电子子-空空穴穴对对在在强强电电场场的的作作用用下下,再再去去碰碰撞其他原子,产生更多的电子撞其他原子,产生更多的电子-空穴对,如同雪崩一样。空穴对,如同雪崩一样。n齐齐纳纳击击穿穿发发生生在在高高浓浓度度掺掺杂杂的的PN结结中中。由由于于杂杂质质浓浓度度高高,所所以以形形成成的的PN结结很很窄窄,即即使使外外加加反反向向电电压压并并不不很很高高,结结内内电电场场强强度度就就很很强强,它它可可以以把把结结内内的的束束缚缚电电子子从共价键中拉出来引起反向电流的剧增。从共价键中拉出来引起反向电流的剧增。n需需要要指指出出,发发生生上上述述两两种种击击穿穿后后,只只要要反反向向电电流流的的热热效效应应不不致致损损坏坏PN结结,当当反反向向电电压压降降到到击击穿穿电电压压以以下下时时,PN结的性能仍可恢复。结的性能仍可恢复。1.2半导体二极管半导体二极管1.2.1二极管的结构与分类二极管的结构与分类n如如果果在在一一个个PN结结的的两两端端加加上上电电极极引引线线并并用用外外壳壳封封装装起起来,便构成一只半导体二极管,简称二极管。来,便构成一只半导体二极管,简称二极管。n由由P区区引引出出的的电电极极称称为为阳阳极极或或正正极极,由由N区区引引出出的的电电极极为为阴阴极极或或负负极极。常常见见的的二二极极管管的的结结构构及及符符号号表表示示如如图图1.11所示。所示。图图1.11二极管的结构和符号二极管的结构和符号n二二极极管管的的类类型型很很多多,按按制制造造材材料料来来分分,有有硅硅二二极极管管和和锗锗二二极极管管;按按二二极极管管的的结结构构来来分分,主主要要有有点点接接触触型型和和面面接接触型触型。1.点接触型点接触型n其其结结构构如如图图1.11(a)所所示示。它它是是用用一一根根细细金金属属丝丝压压在在晶晶片片上上,在在接接触触点点形形成成PN结结。由由于于它它的的结结面面积积小小,因因而而不不能能通通过过较较大大的的电电流流,但但结结电电容容小小,适适用用于于高高频频检检波波及及小小电流高速开关电路中。电流高速开关电路中。2.面接触型面接触型n其其结结构构如如图图1.11(b)所所示示。它它用用合合金金法法做做成成较较大大接接触触面面积积,允允许许通通过过较较大大电电流流,但但结结电电容容较较大大,只只适适用用于于低频及整流电路中。低频及整流电路中。3.平面型平面型n其其结结构构如如图图1.11(c)所所示示。它它用用二二氧氧化化硅硅作作保保护护层层,使使PN结结不不受受污污染染,从从而而大大大大地地减减小小了了PN结结两两端端的的漏漏电电流流,因因此此,它它的的质质量量较较好好。其其中中结结面面积积大大的的作作大大功功率率整流管,结面积小的作高频管或高速开关管。整流管,结面积小的作高频管或高速开关管。1.2.2二极管的伏安特性二极管的伏安特性n二二极极管管的的特特性性实实际际上上是是PN结结特特性性,考考虑虑到到引引线线电电阻阻及及表表面面漏漏电电流流等等因因素素的的影影响响,实实测测的的二二极极管管伏伏安安特特性性与与PN结伏安特性存在一定偏差。结伏安特性存在一定偏差。n图图1.12是是实实测测二二极极管管伏伏安安特特性性曲曲线线,该该特特性性曲曲线线可可以以分分为为正向特性正向特性和和反向特性反向特性两部分。两部分。图图1.12二极管伏安特性二极管伏安特性1.正向特性正向特性n当当二二极极管管两两端端加加很很低低的的正正向向电电压压时时(如如图图1.12中中所所指指部部分分),外外电电场场还还不不能能克克服服PN结结内内电电场场对对多多数数载载流流子子扩扩散散运运动动所所形形成成的的阻阻力力,因因此此这这时时的的正正向向电电流流仍仍很很小小,二极管呈现的电阻较大。二极管呈现的电阻较大。n当当二二极极管管两两端端的的电电压压超超过过一一定定数数值值即即阈阈值值电电压压后后(如如图图1.12中中所所指指部部分分),内内电电场场被被大大大大削削弱弱,二二极极管管的的电阻变得很小,于是电流增长很快。电阻变得很小,于是电流增长很快。n阈阈值值电电压压又又称称开开启启电电压压或或死死区区电电压压,随随管管子子的的材材料料和和温度的不同而改变,硅管约为温度的不同而改变,硅管约为0.6V,锗管约为,锗管约为0.2V。2.反向特性反向特性n当当二二极极管管两两端端加加上上反反向向电电压压时时(如如图图1.12中中所所指指部部分分),由由于于少少数数载载流流子子的的漂漂移移运运动动,因因而而形形成成很很小小的的反反向向电电流流。反反向向电电流流有有两两个个特特性性,一一是是它它随随温温度度的的增增长长而而增增长长;二二是是当当反反向向电电压压不不超超过过某某一一数数值值时时,反反向向电电流流不不随随反反向向电电压压改改变变而而改改变变,因因此此这这个个电电流流称称为为反反向向饱饱和电流。和电流。n当当外外加加反反向向电电压压过过高高时时,反反向向电电流流将将突突然然增增大大(如如图图1.12中中所所指指部部分分),二二极极管管失失去去单单向向导导电电特特性性,这这种种现现象象称称为为反反向向击击穿穿。产产生生击击穿穿时时加加在在二二极极管管上上的的反反向向电压称为反向击穿电压电压称为反向击穿电压UBR。3.温度对二极管特性的影响温度对二极管特性的影响n温温度度对对二二极极管管特特性性有有较较大大影影响响,随随着着温温度度的的升升高高,将将使使正正向向特特性性曲曲线线向向左左移移,反反向向特特性性曲曲线线向向下下移移。正正向向特特性性曲曲线线左左移移,表表明明在在相相同同的的正正向向电电流流下下,二二极极管管正正向向压压降降随温度升高而减小。随温度升高而减小。n实实验验表表明明,温温度度每每升升高高1,正正向向压压降降约约减减小小2mV。反反向特性曲线下移,表明温度升高时,反向电流增大。向特性曲线下移,表明温度升高时,反向电流增大。n实验表明,温度每升高实验表明,温度每升高10,反向电流反向电流约增大一倍。约增大一倍。4.理想二极管特性理想二极管特性n在在电电路路中中,如如果果二二极极管管正正向向压压降降远远小小于于和和它它串串联联的的电电压压,反反向向电电流流远远小小于于和和它它并并联联的的电电流流,则则二二极极管管可可用用理想二极管来等效。理想二极管来等效。n对对于于理理想想二二极极管管,正正向向偏偏置置时时,二二极极管管管管压压降降为为零零,相相当当于于短短路路;反反向向偏偏置置时时,反反向向电电流流为为零零,二二极极管管相相当于开路。当于开路。n例例1.1 在在如如图图1.13所所示示的的电电路路中中,已已知知输输入入端端A的的电电位位UA=3V,输输入入端端B的的电电位位UB=0V,电电阻阻R接接+5V电电源源,设设二二极极管管D1和和D2均均为为理理想想二二极极管管,试试求求输输出出端端F的的电电位位UF。图图1.13例例1.1的电路图的电路图解解 n因因为为UBUA,所所以以二二极极管管D2优优先先导导通通,又又由由于于二二极极管管为为理理想想元元件件,则则输输出出F的的电电位位为为UF=UB=0V。当当D2导导通通后,后,D1上加的是反向电压,因而上加的是反向电压,因而D1截止。截止。n在在本本例例中中,二二极极管管D2起起钳钳位位作作用用,把把F端端的的电电位位钳钳制制在在0V;D1起隔离作用,把输入端起隔离作用,把输入端A和输出端和输出端F隔离开来。隔离开来。1.2.3二极管的主要参数二极管的主要参数1.最大整流电流最大整流电流IFMnIFM是是指指二二极极管管长长期期运运行行时时,允允许许通通过过的的最最大大平平均均电电流流。其其大大小小主主要要取取决决于于PN结结的的结结面面积积,并并且且受受结结温温的的限限制制。使使用用时时,二二极极管管的的平平均均电电流流不不要要超超过过此此值值,否否则则可可能能使二极管因过热而损坏。使二极管因过热而损坏。2.最高反向工作电压最高反向工作电压UDRMnUDRM是是指指二二极极管管使使用用时时允允许许加加在在二二极极管管上上的的最最大大反反向向电压,通常取反向击穿电压电压,通常取反向击穿电压URB的的1/2。3.反向电流反向电流IRnIR是是指指在在室室温温下下,在在二二极极管管两两端端加加上上规规定定的的反反向向电电压压时时,流流过过二二极极管管的的反反向向电电流流。IR越越小小,管管子子的的单单向向导导电性能越好。电性能越好。4.最高工作频率最高工作频率fMnfM值主要决定于值主要决定于PN结的结电容大小,结电容越大,二结的结电容大小,结电容越大,二极管允许的最高工作频率越低。极管允许的最高工作频率越低。1.2.4特殊二极管特殊二极管1.稳压二极管稳压二极管(1)稳压管的工作特性稳压管的工作特性n稳稳压压二二极极管管是是一一种种具具有有特特殊殊用用途途的的面面接接触触型型二二极极管管,由由于于它它在在电电路路中中与与适适当当数数值值的的电电阻阻配配合合后后能能够够起起稳稳定定电压的作用,故称稳压管(也称齐纳二极管)。电压的作用,故称稳压管(也称齐纳二极管)。n稳稳压压管管的的伏伏安安特特性性曲曲线线与与普普通通二二极极管管类类似似,如如图图1.14(a)所所示示,其其差差异异是是稳稳压压管管的的反反向向特特性性曲曲线线比比较较陡。图陡。图1.14(b)是稳压管的符号表示。)是稳压管的符号表示。图图1.14稳压管的伏安特性曲线与符号稳压管的伏安特性曲线与符号n稳稳压压管管工工作作于于反反向向击击穿穿状状态态,利利用用其其反反向向电电流流变变化化量量IZ很很大大时时而而管管子子两两端端电电压压的的变变化化量量UZ却却很很小小的的特特点点,在电路中达到稳压的目的。在电路中达到稳压的目的。n与与一一般般二二极极管管不不同同的的是是,稳稳压压管管的的反反向向击击穿穿是是可可逆逆的的。当当反反向向电电压压去去掉掉之之后后,稳稳压压管管又又可可恢恢复复正正常常。这这一一特特性是由制造工艺来达到的。性是由制造工艺来达到的。n需需注注意意的的是是,如如果果反反向向电电流流超超过过允允许许范范围围,稳稳压压管管将将因过热而损坏。因过热而损坏。(2)稳压管的主要参数稳压管的主要参数(a)稳定电压)稳定电压UZ它它是是稳稳压压管管在在正正常常工工作作下下管管子子两两端端的的电电压压。这这一一参参数数随随工工作作电电流流和和温温度度的的不不同同略略有有改改变变,且且不不同同管管子子的的参参数数值值存存在在一一定定的的分分散散性性。例例如如,手手册册中中给给出出2CW14的的UZ=(67.5)V,是是指指有有的的管管子子是是6V,有有的的是是7V等等等等,而不是指每只管子的稳定电压变化有如此之大。而不是指每只管子的稳定电压变化有如此之大。(b)稳定电流)稳定电流IZ它它是是稳稳压压管管正正常常工工作作时时的的电电流流值值,原原则则上上应应选选IZminIZIZmax。IZmin是是稳稳压压管管能能够够正正常常稳稳压压的的最最小小工工作作电电流流,电电流流低于此值时稳压效果变坏,甚至不稳压。低于此值时稳压效果变坏,甚至不稳压。IZmax是是稳稳压压管管能能够够正正常常稳稳压压的的最最大大工工作作电电流流,电电流流高于此值时会因高于此值时会因PN结温度过高而损坏结温度过高而损坏。(c)动态电阻)动态电阻rZ它它是是指指稳稳压压管管两两端端电电压压的的变变化化量量与与相相应应的的电电流流变变化化量量的的比比值值,即即rZ=UZ/IZ。稳稳压压管管的的反反向向伏伏安安特特性性曲曲线线越陡,则动态电阻越小,稳压性能越好。越陡,则动态电阻越小,稳压性能越好。(d)最大耗散功率)最大耗散功率PZM它它是是指指保保证证稳稳压压管管安安全全工工作作所所允允许许的的最最大大功功率率损损耗耗,PZM=UZIZmax。2.光电二极管光电二极管n光光电电二二极极管管也也是是一一种种特特殊殊二二极极管管,又又称称光光敏敏二二极极管管。其其管壳上备有一个玻璃窗口管壳上备有一个玻璃窗口,以便接受光照。以便接受光照。n它它利利用用光光粒粒子子激激发发共共价价键键中中的的束束缚缚电电子子而而获获取取光光生生电电子子,从从 而而 把把 光光 能能 转转 变变 为为 电电 能能,其其 灵灵 敏敏 度度 的的 典典 型型 值值 为为0.1A/Lx(Lx光照强度单位,勒克斯光照强度单位,勒克斯)。n光光电电二二极极管管的的伏伏安安特特性性曲曲线线及及符符号号表表示示如如图图1.15所所示示,其其主要特点是反向电流与光照强度成正比。主要特点是反向电流与光照强度成正比。n人人们们日日常常生生活活中中使使用用的的太太阳阳能能电电池池正正是是由由若若干干这这种种光光电电二极管组成的储能电路。二极管组成的储能电路。图图1.15光电二极管的伏安特性曲线及符号光电二极管的伏安特性曲线及符号3.发光二极管发光二极管n发发光光二二极极管管简简写写为为LED(LightEmittingDiode),其其符号表示及正向导通发光时的工作电路符号表示及正向导通发光时的工作电路如图如图1.16所示所示。n在在正正向向偏偏置置的的二二极极管管中中,多多数数载载流流子子扩扩散散到到对对方方要要被被复复合合,复复合合过过程程是是载载流流子子释释放放能能量量的的过过程程,在在每每个个复复合的晶格上辐射成一粒光子。合的晶格上辐射成一粒光子。n硅硅(锗锗)半半导导体体发发射射光光的的波波长长不不在在可可见见光光谱谱内内,故故不不能做成发光二极管。能做成发光二极管。n砷砷化化镓镓(GaAs)、磷磷化化镓镓(GaP)等等化化合合物物半半导导体体材材料料制制成成的的PN结结复复合合时时可可以以发发射射可可见见光光,光光的的颜颜色色视视具具体的半导体材料而定。体的半导体材料而定。图图1.16发光二极管的符号及其工作电路发光二极管的符号及其工作电路n当当发发光光二二极极管管正正向向偏偏置置时时,其其发发光光亮亮度度随随注注入入电电流流的的增增大大而而提提高高。为为限限制制其其工工作作电电流流,通通常常都都要要串串接接限限流流电电阻阻R。由由于于发发光光二二极极管管的的工工作作电电压压低低(1.5V3V)、工工作作电电流流小小(5mA10mA),所所以以用用发发光光二二极极管管做做为为显显示示器器件件具具有有响响应应速速度度快快、功功率率小小、驱驱动动简简单单和和寿寿命命长等优点。长等优点。n常常见见的的发发光光二二极极管管除除可可以以单单个个使使用用外外,还还有有七七段段数数码码管,它可以显示管,它可以显示09的的10个字形符号。个字形符号。n发发光光二二极极管管广广泛泛应应用用于于数数字字钟钟、计计算算机机及及各各种种数数字字化化仪器的数字显示中。仪器的数字显示中。1.2.5二极管的应用二极管的应用1.单相半波整流电路单相半波整流电路n单单相相半半波波整整流流电电路路是是一一种种最最简简单单的的整整流流电电路路。图图1.17(a)所示电路为纯电阻负载的单相半波整流电路。所示电路为纯电阻负载的单相半波整流电路。n图图中中Tr为为电电源源变变压压器器,它它的的作作用用是是将将交交流流电电网网电电压压u1变变换换为为整整流流电电路路所所需需要要的的交交流流电电压压u2,即即变变压压器器原原边边电电压压为为u1,副边电压为,副边电压为u2;D为整流二极管,为整流二极管,RL为负载电阻。为负载电阻。图图1.17单相半波整流电路及其波形图单相半波整流电路及其波形图n设设变变压压器器副副边边电电压压u2=U2msint。当当u2为为正正半半周周时时,其其极极性性为为上上正正下下负负,即即a点点电电位位高高于于b点点电电位位,二二极极管管因承受正向电压而导通。因承受正向电压而导通。n此此时时有有电电流流流流过过负负载载,并并且且和和二二极极管管上上的的电电流流相相等等。忽忽略略二二极极管管上上的的电电压压降降,则则负负载载两两端端的的输输出出电电压压等等于于变变压压器器副副边边电电压压,即即uo=u2,输输出出电电压压uo的的波波形形与与变变压压器副边电压器副边电压u2的波形相同。的波形相同。n当当u2为为负负半半周周时时,其其极极性性为为上上负负下下正正,即即a点点电电位位低低于于b点点电电位位,二二极极管管因因承承受受反反向向电电压压而而截截止止。此此时时负负载载上上无无电电流流流流过过,输输出出电电压压uo=0,变变压压器器副副边边电电压压u2全全部部加在二极管加在二极管D上。上。n综综上上所所述述,在在负负载载电电阻阻RL上上呈呈现现的的电电压压波波形形如如图图1.17(b)所所示示。由由于于这这种种电电路路只只在在整整个个交交流流周周期期的的半半个个周周期期二二极极管管导导通通,才才有有电电流流流流过过负负载载,输输出出电电压压是是单单方方向向的的脉脉动动电电压压,故故称称此此种种电电路路为为单单相相半半波波整整流流电电路路。2.限幅电路限幅电路n所所谓谓限限幅幅,是是指指输输出出电电压压的的幅幅度度受受到到规规定定电电压压(限限幅幅电压)的限制。电压)的限制。n图图1.18(a)是是一一个个二二极极管管限限幅幅电电路路,UL为为限限幅幅电电压压。在在实实际际电电路路的的分分析析中中,通通常常把把二二极极管管看看成成理理想想器器件件,即即当当其其正正向向通通导导时时,相相当当于于短短路路,反反向向截截止止时时,相相当当于于开开路路。对对于于图图1.18(a)的的电电路路,当当输输入入电电压压ui高高于于限限幅幅电电压压UL时时,加加在在二二极极管管上上的的电电压压(ui-UL)为为正正,二二极极管管导导通通,相相当当于于短短路路,输输出出电电压压uo被被限限定定在在UL值值上上;反反之之,当当输输入入电电压压ui低低于于限限幅幅电电压压UL时时,加加在在二二极管上的电压(极管上的电压(ui-UL)为负,二极管截止,)为负,二极管截止,uo=ui。n即即uo与与ui的关系为的关系为uo=UL(uiUL)ui(uiUL)(1-2)n由由此此得得到到输输出出电电压压uo的的波波形形如如图图1.18(b)所所示示。显显然然,当当限限幅幅电电压压UL取取不不同同极极性性和和数数值值时时,输输出出电电压压波波形形也也将不同。将不同。n由由此此得得到到输输出出电电压压uo的的波波形形如如图图1.18(b)所所示示。显显然然,当当限限幅幅电电压压UL取取不不同同极极性性和和数数值值时时,输输出出电电压压波波形形也也将不同。将不同。图图1.18二极管限幅电路及其工作波形二极管限幅电路及其工作波形3.稳压电路稳压电路n最最简简单单的的直直流流稳稳压压电电源源是是采采用用稳稳压压管管来来稳稳定定电电压压的的。如如图图1.19所所示示,将将稳稳压压管管与与适适当当数数值值的的限限流流电电阻阻R相相配配合合即即组组成成了稳压管直流稳压电路。了稳压管直流稳压电路。n稳稳压压管管DZ工工作作在在反反向向击击穿穿状状态态,电电阻阻R起起限限流流和和调调压压作作用用。稳稳压压电电路路的的输输入入电电压压UI通通常常是是整整流流滤滤波波电电路路的的输输出出- 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