第1章半导体器件.ppt
《第1章半导体器件.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《第1章半导体器件.ppt(115页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、一、教学内容及学时分配,(一)理论教学(40学时) 第1章 半导体器件 (6学时) 第2章 交流放大电路 (6学时) 第3章 集成运算放大器 (8学时) 第4章 电源技术 (2学时) 第5章 组合逻辑电路 (8学时) 第6章 时序逻辑电路 (8学时) 第7章 模拟量与数字量的转换 (2学时),(二)实验教学(8学时),实验1: 常用电子仪器的使用 实验2: 晶体管共射极单管放大器 实验3: 集成运算放大器的基本应用() 实验4: 组合逻辑电路的设计与测试 实验5: 计数器及其应用 实验6: 触发器及其应用 实验7: 译码器及其应用,二、考核与成绩评定,本课程成绩评定方法: 实验成绩占15,平时
2、成绩占20,期末考试成绩占65。 其中,平时成绩由作业、小测验成绩等综合评定。,三、教科书与参考书,选用教材: 1 李燕民等编. 电路和电子技术 (下册) M. 北京:北京理工大学出版社,2010年. 参考书: 1 秦曾煌主编 . 电工学 (上、下册 ) M .第六版. 北京:高等教育出版社,2004. 2 王鸿明编 . 电工技术与电子技术 (上、下册)M. 北京:清华大学出版社,2005.,第1章 半导体器件,1.2 半导体二极管,1.3 硅稳压二极管,1.4 半导体三极管,1.5 绝缘栅场效应管,1.1 半导体的基础知识,1.6 电力半导体器件,在热力学温度零 度和没有外界激发 时,本征半
3、导体不导 电。,把纯净的具有共价键结构的半导体单晶称为本征半导体。 它是共价键结构。,本征半导体的共价键结构,1.1.1 本征半导体,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,1.1 半导体的基础知识,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,自由电子,空穴,在常温下自由电子和空穴的形成,成对出现,成对消失,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,外电场方向,空穴导电的实质是共价键中的束缚电子依次填补空穴形成电流。故半导体中有电子和空穴两 种载流子。,在外电场作用下,电子和空穴均能参与导电。,价电子填补空穴,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,
4、1.1.2 杂质半导体,1 . N 型半导体,在硅或锗的晶体中掺入少量的五价元 素,如磷,则 形成N型半导体。,多余价电子,N 型半导体结构示意图,在N型半导中,电子是多数载流子, 空穴是少数载流子。,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,空穴,2. P型半导体,在硅或锗的晶 体中掺入少量的三 价元素,如硼,则形 成P 型半导体。,+4,P 型半导体结构示意图,在P型半导中,电子是少数载流子, 空穴是多数载流子。,P 区,N 区,1. PN 结的形成,用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上,形成 P型半导体区域和N型半导体区域,在这两个区域的交界处就形成了一个PN 结。,1.1.3 PN 结
5、,内电场方向,空间电荷区,P 区,N 区,在一定的条件下,多子扩散与少子漂移达到动态平衡,空间电荷区的宽度基本上稳定下来。,空间电荷区不存在载流子,因而不能导电。,内电场方向,R,2 . PN 结的单向导电性,P 型半导体,外电场驱使P型半导体的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷,N型半导体电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷,a. 外加正向电压,N 型半导体,内电场方向,R,扩散运动增强,形 成较大的正向电流,a. 外加正向电压,P 型半导体,N 型半导体,内电场方向,R,外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走,少数载流子越过PN结形成很小的反向电流,多数载流子的扩散运动难于进行
6、,b. 外加反 向电压,P 型半导体,N 型半导体,1、PN结加正向电压:PN结所处的状态称为正向导通,其特点:PN结正向电流大,PN结电阻小。,相当于开关闭合,PN结的单向导电性:,2、PN结加反向电压:PN结所处的状态称为反向截止,其特点:PN结反向电流小,PN结电阻大。,相当于开关打开,点接触型二极管,1.2.1 二极管的基本结构,1.2 半导体二极管,600,400,200, 0.1, 0.2,0,0.4,0.8,50,100,ID / mA,UD / V,正向特性,反向击 穿特性,硅管的伏安特性,1.2.1 二极管的伏安特性,+ UD ,ID,ID=f(UD),对于理想二极管,正向特
7、性:二极管加正向电压,对于理想二极管,反 向特性:二极管加反向电压,1.2.3 二极管的主要参数,最大整流电流IF 最大整流电流是指二极管长时间使用时,允许流过二极管的最大正向平均电流。,反向工作峰值电压URM 它是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压,一般是反向击穿电压的一半或三分之二。,反向峰值电流IR 它是指二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。,二极管的应用范围很广,它可用于整流、检波、限幅、 元件保护以及在数字电路中作为开关元件。,D,E 3V,R,ui,uo,uR,uD,例:下图是二极管限幅电路,D为理想二极管,ui = 6 sin t V, E= 3V,试画出 uo波形 。
8、, t,ui / V,6,0,2,uR?,1.二极管限幅,1.2.2 二极管的主要应用, t,6,0,2,双向限幅电路, t,0,D,E 3V,R,D,E 3V,ui,uo,uR,uD,ui / V,uo /V,uo, t,o, t,o, t,o, t,o,2,3,uo,u2,u2,u1,uD,io,io,RL,T,2,3,Im,2,2,3,3,uD,D,2.二极管整流,将交流电变成直流电称为整流。,(1)单相半波整流电路,uO, t,0, t, t, t,2,3,uO,u2,u2,u1,uD,uD,iO,iO,D,RL,T,2,3,Im,2,2,3,3,UO=0.45U2,电路计算,0,0,
9、0,uO的电压平均值 :,UO=0.45 U2,uO的电压平均值:,负载 的电流平均值 :,截止时二极管所承受的最高反向电压为:,(2)单相桥式整流电路,整流电路中最常用的是单相桥式整流电路它由四个二极管 D1D4 接成电桥的形式构成。,io,RL,A,u2,u1,uo,+,D1,D2,D4,D3,B,+,+,在u2的正半周, D1和D3导通,D2和D4截止(相当于开路) 。,在u2的负半周,D2 和 D4导通, D1和 D3 截止(相当于开路),,在一个周期内,通过电阻的电流方向相同,在负载上得到的是全波整流电压uo。,工作原理,Uo,t,o,t,o,t,o,t,o,2,3,2,3,Im,2
10、,2,3,3,uD1,uD3,uD4,uD2,uO,u,uD,iO,由于二极管的正向压降很小,因此可认为uO 的波形和u 的正半波是相同的。输出电压的平均值为,式中U2是变压器副方交流电压u2的有效值。,截止管所承受的最高反向电压为,UO=0.9 U2,每个二极管通过的平均电流,下图是单相桥式整流电路的简化画法,例 已知负载电阻RL =80,负载电压UO=110V。今采用单相桥式整流电路,交流电源电压为380V。(1)如何选用晶体二极管?(2)求整流变压器的变比及容量。,解 (1)负载电流,每个二极管通过的平均电流,变压器副边电压的有效值为,整流桥符号,考虑到变压器副绕组及管子上的压降,变压器
11、副边的电压大约要高出10%,即1221.1=134V。于是,因此可选用,其最大整流电流为1A,反向工作峰值电压为300V晶体二极管。,(2)变压器的变比及容量,变压器的变比,变压器副边电流的有效值为,变压器的容量为,可选用BK300(300VA),380/134V的变压器。,半波整流电容滤波 电路的外特性,估算公式: UO=1.0U2,u2,滤波后输出电压 uo 的波形变得平缓,平均值提高。,uO,(1) 电容滤波,3.滤波电路,二极管导通时给电容充电,二极管截止时电容向负载放电,t,uO, ,UO =1.2U2,0,uo,RL,C,+,uC,u2,u1,+,+,+,io,放电时间常数 = R
12、LC越大,脉动越小,输出电压平均值越高,一般要求,全波整流电容滤波电路,例 有一单相桥式电容滤波整流电路,已知交流电源频率f=50Hz,负载电阻RL =200,要求直流输出电压UO =30V,选择整流二极管及滤波电容器。,解 (1)选择整流二极管,流过二极管的电流,取UO =1.2U2, 所以变压器副边电压的有效值,RL,C1,u2,u1,+,+,型电容滤波整流电路,+,+,C2,R,(2) 选择滤波电容器,选用C=250 F ,耐压为50V的极性电容器,二极管所承受的最高反向电压,因此可选用二极管,其最大整流电流为100mA,反向工作峰值电压为50V。,(2) 电感滤波,电感滤波电路,uo,
13、RL,L,u2,u1,+,+,+,io,由于电感的感抗XLL,对直流分量XL0,电感视为短路。对于交流分量频率越高,XL越大,因此直流分量通过电感线圈全部输出到负载上,而交流分量在电感线圈上产生较大压降,而被滤掉,使负载上得到较平缓的输出电压,电感L越大,滤波效果越好。,若忽略电感线圈电阻,输出电压为Uo0.9U2,1.3 硅稳压二极管,稳压管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。其表示符号如下图所示。,稳压管工作于反向击穿区。从反向特性曲线上可以看出,反向电压在一定范围内变化时,反向电流很小。当反向电压增高到击穿电压时,反向电流突然剧增,稳压管反向击穿。此后,电流虽然在很大范围内变化,但稳压管
14、两端的电压变化很小。利用这一特性,稳压管在电路中能起到稳压作用。,1.3.1 硅稳压二极管的伏安特性,1. 稳定电压UZ UZ是稳压管反向击穿后,稳压管两端的稳压值。不同型号的稳压管具有不同的稳压值,同一型号稳压管的稳压值也略有差别。,1.3.2 稳压二极管的主要参数,4. 动态电阻Rz rZ是稳压管在工作区电压变化量UZ与电流变化量IZ的比值,即:,2. 最小稳定电流IZmin IZmin是保证稳压管具有正常稳压性能的最小工作电流,当稳压管的反向电流小于IZmin时,稳压管尚未击穿,稳出电压不稳定。,3. 最大稳定电流IZmax IZmax是稳压管允许流过的最大工作电流。,动态电阻越小,反向
15、伏安特性曲线越陡,稳压性能越好。,1.3.3 稳压二极管稳压电路,引起电压不稳定的原因是交流电源电压的波动和负载电流的变化,下面分析在这两种情况下的稳压作用。,(1)当交流电源电压增加而使整流输出电压Ui随着增加时,负载电压Uo也要增加。Uo即为稳压管两端的反向电压。当负载电压Uo稍有增加时,稳压管的电流IZ就显著增加,因此限流电阻R上的压降增加,以抵偿Ui的增加,从而使Uo保持近似不变。,Uo,RL不变:,u2 ,Ui, Uo ,IZ ,IR,UR,限流电阻,u2不变:,RL , IR , UO ,UR,IZ , Uo , UR, IR,IO,(2)当电源电压保持不变,而负载电流增大时,电阻
16、R上的压降增大,负载电压Uo因而下降。只要Uo下降一点,稳压管电流IZ就显著减小,使通过电阻R的电流和电阻上的压降保持近似不变,因此负载电压Uo也就近似稳定不变。,选择稳压管时一般取: UZ = Uo , Ui =(23)Uo, Izmax=(23)Iomax,稳压管稳压电路结构简单,但输出电流较小,输出电压不能调节,通常适用于小电流,固定输出电压,负载变化不大,稳压精度要求不高的场合,(1)在稳压电路中,稳压管为反接; (2)使用稳压管时必须串联限流电阻。,注意:,例 稳压管稳压电路,负载电阻由开路变到500,要求输出电压Uo6V, 试求Ui,U2 ,UZ、IZmax。,IZmax=(23)
17、Iomax=(23)12=2436mA,UZ=Uo=6V,解 Ui(23)Uo(23)61218V,1.4.1 半导体三极管的结构,1. 4 半导体三极管,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,集电极C,基极B,发射极E,NPN 型三极管,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,集电极C,发射极E,基极B,PNP型三极管,EC,RC,IC,UCE,C,E,B,UBE,共发射极接法放大电路,1.4.2 三极管的工作状态,1.三极管的电流放大状态,(1)发射结正向偏置 (加正向电压);,(2)集电结反向偏置 (加反向电压)。,EB,RB,IB,NPN型三极管:,UBE 0,UBC 0,即 VC VB
18、 VE,通常NPN型硅管的发射结电压UBE=0.6V0.7V,PNP型锗管的发射结电压UBE= -0.2V-0.3V。,IE,EC,RC,IC,UCE,C,E,B,UBE,共发射极接法放大电路,三极管具有电流控 制作用的外部条件 :,(1)发射结正向偏置;,(2)集电结反向偏置。,对于PNP型三极管应满足:,EB,RB,IB,IE,即 VC VB VE,UBC 0,UBE 0,1.三极管的电流放大状态,C,B,E,三极管的电流放大示意图,UCC,UBB,RC,RB,N,N,P,IE,IC,IB,电子,集电区收集电子,由于基区很薄,掺杂浓度又很小,电子在基区扩散的数量 远远大于复合的数量。所以:
19、,IC IB,同样有: IC IB,所以说三极管具有电流控制作用,也称之为电流放大作用。,电流关系: IE=IB+IC,EC,RC,IC,UCE,C,E,B,UBE,EB,RB,IB,IE,IC=IB,直流电流放大系数,交流电流放大系数,(1) UBE 0, UBC 0,(2) IC=IB,条 件,特 征,(1)发射结正向偏置;,(2)集电结反向偏置。,EC,RC,IC,UCE,C,E,B,UBE,EB,RB,IB,IE,1.三极管的电流放大状态,集电结、发射结均反向偏置,即UBE 0,(1) IB增加时,IC基本不变, 且IC UC / RC,(2) UCE 0,晶体管C、E之间相当于短路,
20、即UCE UBE,(1) IB=0、 IC 0,(2) UCE EC,晶体管C、E之间相当于开路,条 件,特 征,(1)发射结正向偏置;,(2)集电结正向偏置。,条件,特 征,2.三极管的饱和状态,EC,RC,IC,UCE,C,E,B,UBE,EB,RB,IB,IE,3.三极管的截止状态,UCE 1V,1. 三极管的输入特性,1.4.3 三极管的特性曲线,EC,公共端,RC,IC,UCE,C,E,B,UBE,EB,RB,IB,IE,IB =40A,IB =60A,IB = 20A,2. 三极管的输出特性,IC / mA,UCE /V,0,三极管输出特性上的三个工作区,IB= 0 A,20A,4
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 半导体器件
链接地址:https://www.31doc.com/p-2597448.html