1、教 学 要 求,1）成绩分布：实验成绩20分，平时成绩10分，卷面70分。 2）听课要求：认真听课，做笔记，及时复习。 3）作业要求：每章有作业 4）实验要求：有预习报告，认真实验，做实验报告。,基本内容,可编程控制器（PLC）原理及应用 1、半导体器件 2、基本放大电路（以三极管为核心)、交流放大。 3、多级放大电路 4、运算放大器（直流放大） 6、整流电路和直流稳压电源 7、晶闸管及其应用 8、门电路和组合逻辑电路 9、触发器和时序逻辑电路,电子技术,东北大学信息科学与工程学院 Northeastern University,主要内容,半导体器件 整流电路和直流稳压电源,第1章 半导体器件
2、,内容主要有： 半导体的导电性能 PN结的形成及单向导电性 半导体器件的结构、工作原理、工作特性、参数半导体器件主要包括： 半导体二极管（包括稳压管） 三极管,1.1 半导体基础知识,1. 半导体物质根据其导电性能分为导体：导电能力良好的物质。绝缘体：导电能力很差的物质。半导体：是一种导电能力介于导体和绝缘体之 间的物质，如硅、锗、硒、砷化镓及一些硫化物和氧化物。,1.半导体,半导体的导电能力具有独特的性质。 温度升高时，纯净的半导体的导电能力显著增加； 在纯净半导体材料中加入微量的“杂质”元素，它的电导率就会成千上万倍地增长； 纯净的半导体受到光照时，导电能力明显提高。,2.本征半导体（In
3、trinsic Semiconductor）,原子的组成：带正电的原子核；若干个围绕原子核运动的带负电的电子； 且整个原子呈电中性。 半导体器件的材料：硅（Silicon-Si）：四价元素，硅的原子序数是14，外层有4个电子。锗（Germanium-Ge）：也是四价元素，锗的原子序数是32，外层也是4个电子,完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。,简化原子结构模型如图简化形式。,惯性核,价电子,硅和锗的简化原子模型,2.本征半导体,晶体中原子的排列方式,共价键:由相邻两个原子各拿出一个价电子组成价电子对所构成的联系。,2.本征半导体,晶体共价键结构平面示意图,2.本征半导体,晶体共
4、价键结构平面示意图,空穴,自由电子,价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。,这一现象称为本征激发。,2.本征半导体,晶体共价键结构平面示意图,温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。,在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。,2.本征半导体,在本征半导体中，激发出一个自由电子，同时便产生一个空穴。电子和空穴总是成对地产生，称为电子空穴对。半导体中的载流子 自由电子 空穴（Hole）空穴和自由电子同时参加导电，是半导体的
5、重要特点 空穴带正电荷。,由于空穴带正电荷，且可以在原子间移动，因此，空穴是一种载流子。半导体中有两种载流子：自由电子载流子（简称电子）和空穴载流子（简称空穴），它们均可在电场作用下形成电流。,2.本征半导体,半导体由于热激发而不断产生电子空穴对，那么，电子空穴对是否会越来越多，电子和空穴浓度是否会越来越大呢？ 实验表明，在一定的温度下，电子浓度和空穴浓度都保持一个定值。 半导体中存在 载流子的产生过程 载流子的复合过程,2.本征半导体,综上所述：,(1)半导体中有两种载流子：自由电子和空穴，电子带负电，空穴带正电。 (2)本征半导体中，电子和空穴总是成对地产生。 (3)半导体中，同时存在载流
6、子的产生和复合过程。,注意,本征半导体中载流子数目极少, 其导电性能很差；温度愈高， 载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。,3. N型半导体和P型半导体,本征半导体的电导率很小，而且受温度和光照等条件影响甚大，不能直接用来制造半导体器件。 本征半导体的物理性质：纯净的半导体中掺入微量元素，导电能力显著提高。 掺入的微量元素“杂质”。 掺入了“杂质”的半导体称为“杂质”半导体。, N型半导体,在本征半导体中加入微量的五价元素，如：砷、磷、锑，可使半导体中自由电子浓度大为增加，形成N型半导体。 掺入的五价杂质原子占据晶格中某些硅（或锗）原子的位置。如图所
7、示。,N型半导体晶体结构示意图,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,掺入五价原子, N型半导体,在室温下就可以激发成自由电子,掺入五价原子占据Si原子位置,杂质半导体中仍有本征激发产生的少量电子空穴对。 自由电子的数目高，故导电能力显著提高。把这种半导体称为N型半导体，其中的电子称为多数载流子（简称多子），空穴称为少数载流子（简称少子）。 在N型半导体中自由电子数等于正离子数和空穴数之和，自由电子带负电，空穴和正离子带正电，整块半导体中正负电荷量相等，保持电中性。, N型半导体, P型半导体,在本征半导体中加入微量的三价元素，如：硼、铝，可使半导体中的空穴浓度大为增加，形成P
8、型半导体。,空位吸引邻近原子的价电子填充，从而留下一个空穴。,在P型半导体中，空穴数等于负离子数与自由电子数之和，空穴带正电，负离子和自由电子带负电，整块半导体中正负电荷量相等，保持电中性。,综上所述：,(1)本征半导体中加入五价杂质元素，便形成N型半导体。N型半导体中，电子是多数载流子，空穴是少数载流子，此外还有不参加导电的正离子。 (2)本征半导体中加入三价杂质元素，便形成P型半导体。其中空穴是多数载流子，电子是少数载流子，此外还有不参加导电的负离子。 (3)杂质半导体中，多子浓度决定于杂质浓度，少子由本征激发产生，其浓度与温度有关。,1.2 PN结的形成及其单向导电性,PN结：是指在P型
9、半导体和N型半导体的交界处形成的空间电荷区。PN结是构成多种半导体器件的基础。二极管的核心是一个PN结；三极管中包含了两个PN结。, PN结的形成,有电场力作用时，电子和空穴便产生定向运动，称为漂移运动（Drift Movement）。由于浓度差而引起的定向运动称为扩散运动（Diffusion Movement）。, PN结的形成,（1）PN结的形成,多子的扩散运动,少子的漂移运动,浓度差,P 型半导体,N 型半导体,内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,扩散的结果使空间电荷区变宽。,空间电荷区也称 PN 结,扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。
10、,动画,形成空间电荷区,（2）PN结的单向导电性, PN 结加正向电压（正向偏置）,PN 结变窄,P接正、N接负,IF,内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。,PN 结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。,动画, PN 结加反向电压（反向偏置）,P接负、N接正,动画,PN 结变宽, PN 结加反向电压（反向偏置）,内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。,IR,P接负、N接正,温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。,动画,PN 结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。,结论
11、：,PN结的单向导电性：PN结加正向电压产生大的正向电流， PN结导电。PN结加反向电压产生很小的反向饱和电流，近似为零， PN结不导电。,1.3 半导体二极管,1.半导体二极管的结构和类型在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。,二极管的代表符号,D,半导体二极管图片,半导体二极管图片,2. 二极管的伏安特性,二极管的伏安特性的测出。,2. 二极管的伏安特性,二极管的伏安特性曲线, 正向特性 死区电压：硅管 0.5V锗管 0.1V 正向压降：硅管 0.6V0.7V锗管 0.2V0.3V,二极管伏安特性,正向特性,2. 二极管的伏安特性,
12、反向特性 反向电流：很小。硅管 0.1微安锗管 几十个微安 反向击穿特性 反向击穿UBR:几十伏以上。,二极管伏安特性,反向击穿特性,反向特性,3. 二极管的主要参数,最大整流电流IOM：二极管长期工作使用时，允许通过的最大平均电流。最高反向工作电压URM：二极管反接时，能承受的最大电压，它的数值低于反向击穿电压UB 。最大反向电流IRM：二极管加最高反向工作电压时的反向电流。,1.4 稳压二极管,稳压二极管亦称齐纳二极管(Zener Diodes)，与一般二极管不同之处是它正常工作在PN结的反向击穿区。因其具有稳定电压作用，故称为稳压管（Voltage Regulators）。 稳压管的符号
13、和特性曲线如图所示。,1.4 稳压二极管,它的伏安特性与二极管基本相同，只是稳压管正常工作时是利用特性曲线的反向击穿区。,电流改变而电压基本不变的特性称为稳压特性，稳压管就是利用这一特性工作的。,稳压管的主要参数：,稳定电压UZ UZ是稳压管反向击穿后的稳定工作电压值。,1.4 稳压二极管,稳定电流IZ,稳定电流IZ是稳压管工作时的参考电流数值。 工作电流若小于稳定电流IZ，稳压性能较差； 工作电流若大于稳定电流，稳压性能较好，但是要注意管子的功率损耗不要超出允许值。,1.4 稳压二极管,最大稳定电流IZM,稳压管正常工作时允许通过的最大反向电流。,1.4 稳压二极管,如图，考虑二极管正向压降
14、。若Ia=10mA,则 Ib=20mA Ib20mA Ib20mA,例一,解：,例二:忽略二极管正向压降。已知ui=10sint V,画出图中输出电压uo波形。,a,b,c,a,b,1.5 双极型晶体管,1. 晶体管的结构和类型 外形,晶体管图片,1. 晶体管的结构和类型,内部结构,1. 晶体管的结构和类型,符号,发射极是输入回路、输出回路的公共端,共发射极电路,输入回路,输出回路,实验线路,IC,EB,mA,A,V,UCE,UBE,RB,IB,EC,V,+,+,+,+,2. 晶体管的放大作用,E,C,B,实验数据,IE = IC+IB,结论,实验数据,结论,结论,工作条件,NPN: UCUB
15、 UE,发射结正偏，,集电结反偏,E,C,B, 共射输入特性,3. 晶体管的特性曲线, 共射输入特性,UCE 1V,20,3. 晶体管的特性曲线,死区电压：硅管 0.5V锗管 0.2V 线性区：硅管 (NPN)UBE=0.6V0.7V锗管 (PNP)UBE= -0.2V-0.3V,UCE增加，特性曲线右移。UCE1V以后，特性曲线几乎重合。与二极管的伏安特性相似,输入特性有以下几个特点：, 输出特性, 输出特性,放大区,输出特性曲线通常分三个工作区：,(1) 放大区,在放大区有 IC= IB ，也称为线性区，具有恒流特性。,在放大区，发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置，晶体管工作于放大状态
16、。, 输出特性,(2)截止区,IB 0 以下区域为截止区，有 IC 0 。,在截止区发射结处于反向偏置，集电结处于反向偏置，晶体管工作于截止状态。,截止区, 输出特性,3,6,IC(mA ),1,2,3,4,UCE(V),9,12,O,放大区,（3）饱和区,当UCE UBE时，晶体管工作于饱和状态。在饱和区，发射结处于正向偏置，集电结也处于正偏。,截止区,饱和区,4. 晶体管的主要参数,晶体管的参数是用来表示晶体管的各种性能指标。 电流放大系数,静态电流放大系数,它表示静态时，集电极电流和基极电流之间的关系, 电流放大系数,A点对应的IC=6mA，IB=40A,表示在动态时，集电极电流的变化量
17、与相应的基极电流变化量之比，即, 动态电流放大系数,大表示只要基极电流很小的变化，就可以控制产生集电极电流大的变化，即电流放大作用好。,值的求法：,找两个UCE相同的点C和D,所以,对应于C点，IC=8.8mA，IB=60A；,对应于D点，IC=3.3mA，IB=20A，,IC =8.8-3.3=5.5mA，,IB=60-20=40A，, 共射电流放大系数,(2)集电极-基极反向饱和电流ICBO,发射极开路，集电结加反向电压时流过集-基极的反向电流。,集-射极穿透电流ICEO,ICEO是基极开路，集电极与发射极间加反向电压时的集电极电流。,集电极电流 IC上升会导致晶体管的值的下降，当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为 ICM。,(4) 集电极最大允许耗散功耗PCM,PCM取决于晶体管允许的温升，消耗功率过大，温升过高会烧坏晶体管。PC PCM =IC UCE,（3）集电极最大允许电流ICM,4. 晶体管的主要参数,
