《電子技術基礎》PPT課件

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1、【知識點】 本征半導體、摻雜半導體的導電特性；PN結及其特性；二極管的結構、伏安特性及主要參數(shù)；特殊二極管的用途；單相橋式整流電路、濾波電路及穩(wěn)壓電路的組成、工作原理、分析計算方法、元件的選用；集成穩(wěn)壓器的使用。,電工與電子技術,2.1 半導體二極管,在自然界中，存在著許多不同的物質，有的物質很容易傳導電流，稱為導體。有的物質幾乎不傳導電流，稱為絕緣體。此外還有一類物質，它的導電能力介于導體與絕緣體之間，稱它為半導體。常見的半導體如鍺、硅、硒化鎵、一些硫化物和氧化物等。半導體除了在導電能力方面與導體和絕緣體不同外，還具有不同于其他物質的特點，例如，半導體受到外界光和熱的刺激時或者在純凈的半導體

2、中加入微量的雜質，其導電性能會發(fā)生顯著變化。其中半導體的電阻率隨溫度的上升而明顯下降，呈負溫度系數(shù)的特性；半導體的導電能力隨溫度上升而明顯增加；半導體的電阻率隨光照的不同而變化；在純凈的半導體摻入少量的雜質，它的導電能力會得到顯著的提高。這就是半導體的特點。,一、 半導體的基本知識,2.1 半導體二極管,半導體的導電特性：,(可做成溫度敏感元件，如熱敏電阻)。,摻雜性：往純凈的半導體中摻入某些雜質，導電 能力明顯改變(可做成各種不同用途的半導 體器件，如二極管、三極管和晶閘管等）。,光敏性：當受到光照時，導電能力明顯變化 (可做 成各種光敏元件，如光敏電阻、光敏二極 管、光敏三極管等)。,熱敏

3、性：當環(huán)境溫度升高時，導電能力顯著增強,在T=0和沒有外界激發(fā)時，沒有可以自由運動的帶電粒子載流子，這時它相當于絕緣體。例如高純度半導體材料硅、鍺都是單晶體結構。如圖所示分別為鍺和硅的原子結構示意圖。,2.1.1本征半導體,完全純凈的、具有晶體結構的半導體，稱為本征半導體。,在硅、鍺制成單晶體后，最外層的4個價電子不僅受自身原子核的束縛，還與其相鄰的4個原子核相互吸引，2個相鄰原子之間有1對價電子，稱為共價鍵結構。 半導體共價鍵中的價電子并不像絕緣體中的電子被束縛得那么緊，在室溫300K時，由于熱激發(fā)，就會使一些價電子獲得足夠的能量掙脫共價鍵的束縛，成為自由電子。這種現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。在電子掙

4、脫共價鍵的束縛成為自由電子后，共價鍵就留下1個空位，這個空位叫做空穴。顯然，空穴帶有正電荷。當溫度越高時，電子空穴就越多；電子空穴的熱運動是雜亂無章的，對外不顯電性。,2.1.1 本征半導體,晶體中原子的排列方式,硅單晶中的共價健結構,共價健,共價鍵中的兩個電子，稱為價電子。,價電子,價電子在獲得一定能量（溫度升高或受光照）后，即可掙脫原子核的束縛，成為自由電子（帶負電），同時共價鍵中留下一個空位，稱為空穴（帶正電）。,本征半導體的導電機理,這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。,空穴,溫度愈高，晶體中產生的自由電子便愈多。,自由電子,在外電場的作用下，空穴吸引相鄰原子的價電子來填補，而在該原子中出現(xiàn)一個空穴

5、，其結果相當于空穴的運動（相當于正電荷的移動）。,本征半導體的導電機理,當半導體兩端加上外電壓時，在半導體中將出現(xiàn)兩部分電流 (1)自由電子作定向運動 電子電流 (2)價電子遞補空穴 空穴電流,注意： (1) 本征半導體中載流子數(shù)目極少, 其導電性能很差； (2) 溫度愈高， 載流子的數(shù)目愈多,半導體的導電性能也就愈好。所以，溫度對半導體器件性能影響很大。,自由電子和空穴都稱為載流子。 自由電子和空穴成對地產生的同時，又不斷復合。在一定溫度下，載流子的產生和復合達到動態(tài)平衡，半導體中載流子便維持一定的數(shù)目。,2.1.2 雜質半導體,摻雜后自由電子數(shù)目大量增加，自由電子導電成為這種半導體的主要導

6、電方式，稱為電子半導體或N型半導體。,摻入五價元素,多余電子,磷原子,在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮?失去一個電子變?yōu)檎x子,在本征半導體中摻入微量的雜質（某種元素）,形成雜質半導體。,在N 型半導體中自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。,摻雜后空穴數(shù)目大量增加，空穴導電成為這種半導體的主要導電方式，稱為空穴半導體或 P型半導體。,摻入三價元素,在 P 型半導體中空穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子。,硼原子,接受一個電子變?yōu)樨撾x子,空穴,無論N型或P型半導體都是中性的，對外不顯電性。,（1）N型半導體,在本征半導體中（如硅、鍺中）摻入少量的5價元素雜質，如磷、銻、砷等，磷原子有5個價電子，它

7、的4個價電子與相鄰的硅組成共價鍵后，還多余1個價電子，多余的價電子很容易受激發(fā)成為自由電子。摻入的磷元素越多，則自由電子就越多。,由于磷原子在硅晶體中給出了1個多余的電子，稱磷為施主雜質，或N型雜質。但在產生自由電子的同時并不產生新的空穴，因此在N型半導體中，自由電子數(shù)遠大于空穴數(shù)。這樣的一種半導體將以自由電子導電為主，所以自由電 子稱為多數(shù)載流子， 而空穴稱為少數(shù)載流 子。,在本征半導體中（如硅、鍺中）摻入少量的3價元素雜質，如硼、銦等，硼原子最外層只有3個價電子，它與周圍硅原子組成共價鍵時，因缺少1個價電子，在晶體中就留有1個空穴，空穴數(shù)量增多，自由電子則相對很少。如圖所示。由于硼原子在硅

8、晶體中能接受電子，故稱硼為受主雜質，或P型雜質。在產生空穴的同時并不產生新的自由電子，因此在P型半導體中，空穴數(shù)遠大于自由電子數(shù)。在這種半導體中以空穴導電為主，故空穴為多數(shù)載流子，而自由電子為少數(shù)載流子。注意不論是N型半導體還是P型半導體都是電中性，對外不顯電性。,（2）P型半導體,P型半導體,PN結的形成,PN結的形成 當P型半導體和N型半導體接觸后，在交界面處由于載流子的擴散運動，P區(qū)的空穴向N區(qū)擴散，N區(qū)的電子向P區(qū)擴散。在P區(qū)和N區(qū)的接觸面上就產生了正、負離子層。N區(qū)一側失去自由電子剩下正離子，P區(qū)一側失去空穴剩下負離子，這個區(qū)域稱為空間電荷區(qū)，即PN結。同時形成一個由N區(qū)指向P區(qū)的內

9、電場，內電場對擴散運動起阻礙作用，電子和空穴的擴散運動隨著內電場的增強而逐漸減弱，最后達到動態(tài)的平衡。,PN結及其單向導電性,2.1 半導體二極管,2.1.3 PN結,1. PN結的形成,多子的擴散運動,少子的漂移運動,濃度差,P 型半導體,N 型半導體,內電場越強，漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。,擴散的結果使空間電荷區(qū)變寬。,擴散和漂移這一對相反的運動最終達到動態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。,動畫,形成空間電荷區(qū),PN結單向導電性 PN結在使用時總是加一定的電壓,若PN結外加正向電壓(P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位),稱為正向偏置,簡稱正偏。這時PN結外電場與內電場方向相反，PN結變窄

10、，則P區(qū)的多數(shù)載流子空穴和N區(qū)的多數(shù)載流子自由電子在回路中形成較大的正向電流IF，使PN結正向導通。這時PN結呈低電阻狀態(tài)。 若PN結外加反向電壓（P區(qū)的電位低于N區(qū)的電位），稱為反向偏置，簡稱反偏。這時外加電場與內電場方向相同，使內電場增強，PN結變厚，多數(shù)載流子運動難以進行，而P區(qū)的少數(shù)載流子自由電子和N區(qū)的少數(shù)載流子空穴在回路中形成極小的反向電流IR，稱PN結反向截止。這時PN結呈高阻狀態(tài)。,2.1 半導體二極管,由此可知，PN結正向偏置時，呈導通狀態(tài)；反向偏置時，呈截止狀態(tài)。這就是PN結的單向導電性。另外在室溫下，少數(shù)載流子形成的反向電流雖然很小，但它隨溫度的上升而明顯增加，使用時要特

11、別注意。,圖 PN結的單向導電性 （a）加正向電壓時導通；（b）加反向電壓時截止,2.1 半導體二極管,2 PN結的單向導電性,(1) PN 結加正向電壓（正向偏置）,PN 結變窄,P接正、N接負,IF,內電場被削弱，多子的擴散加強，形成較大的擴散電流。,PN 結加正向電壓時，PN結變窄，正向電流較大，正向電阻較小，PN結處于導通狀態(tài)。,PN 結變寬,(2) PN 結加反向電壓（反向偏置）,內電場被加強，少子的漂移加強，由于少子數(shù)量很少，形成很小的反向電流。,IR,P接負、N接正,溫度越高少子的數(shù)目越多，反向電流將隨溫度增加。,PN 結加反向電壓時，PN結變寬，反向電流較小，反向電阻較大，PN

12、結處于截止狀態(tài)。,半導體二極管由一個PN結加上相應的引出端和管殼構成。它有兩個電極，P區(qū)引出線稱二極管的正極（又稱陽極），N區(qū)引出線稱二極管的負極（又稱陰極）。常見二極管的外形和符號如圖所示。,二極管的結構,二極管的內部結構示意圖和符號,2.1 半導體二極管,二極管的種類很多，按結構分，常見的有點接觸型和面接觸型。點接觸型二極管的PN結是用一根含雜質元素的金屬絲壓在半導體晶片上，經特殊工藝、方法處理而成，如圖所示。因其結面積小，允許通過的電流小，但結電容小，工作頻率高，主要用在高頻檢波和開關電路。面接觸型二極管的PN結是用合金或擴散法做成的，其結構如圖所示。由于面接觸型二極管的PN結結面積大，

13、PN結電容較大，一般適于較低的頻率下工作，允許通過較大電流和具有較大功率容量，主要用于整流電路。按制造材料分，常用的有硅二極管和鍺二極管，其中硅二極管的熱穩(wěn)定性比鍺二極管好得多。按用途分，常用的有普通二極管、整流二極管、檢波二極管、穩(wěn)壓二極管、光電二極管、開關二極管等等。,2.1 半導體二極管,常見二極管的結構和符號 （a）點接觸型；（b）面接觸型；（c）符號,2.1 半導體二極管,1 、 基本結構,(a) 點接觸型,(b)面接觸型,結面積小、結電容小、正向電流小。用于檢波和變頻等高頻電路。,結面積大、正向電流大、結電容大，用于工頻大電流整流電路。,(c) 平面型 用于集成電路制作工藝中。PN

14、結結面積可大可小，用于高頻整流和開關電路中。,2.1.4半導體二極管,二極管的結構和符號示意圖,2 .伏安特性,硅管0.5V,鍺管0.1V。,反向擊穿 電壓U(BR),導通壓降,外加電壓大于死區(qū)電壓二極管才能導通。,外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向導電性。,正向特性,反向特性,特點：非線性,硅0.60.8V鍺0.20.3V,死區(qū)電壓,反向電流 在一定電壓 范圍內保持 常數(shù)。,當二極管兩端加正向電壓時，便有正向電流通過。但當二極管承受電壓很低時，還不足以克服PN結內電場對多數(shù)載流子運動的阻擋作用，因此，這時正向電流IF仍然很小，二極管呈現(xiàn)的電阻較大，稱為死區(qū)。通常，硅材料二極管的死

15、區(qū)電壓約為0.5V，鍺材料二極管的死區(qū)電壓為0.2V。 當外加電壓超過一定電壓數(shù)值UT時，外電場大大抵消了內電場，二極管的電阻變得很小，正向電流IF隨外加電壓的增加而顯著增大。如圖所示。當二極管完全導通后，正向壓降基本維持不變，稱為二極管的正向導通電壓或門檻電壓，一般硅管為0.7V,鍺管為0.3V。,2.1 半導體二極管,1 、正向特性,二極管加反向電壓，此時外電場與內電場方向一致，只有少數(shù)載流子的漂移運動，形成反向電流IR。如圖所示。反向電流IR極小，一般硅管為幾微安以下，鍺管較大，為幾十到幾百微安。這種特性稱為反向截止特性。,2.1 半導體二極管,2 、 反向特性,當外加反向電壓增大到一定

16、數(shù)值時，外加電場過強，可能破壞共價鍵而把價電子拉出，使少數(shù)載流子的數(shù)目劇增；強電場也可能引起電子與原子碰撞，產生新的電子空穴對，而引起載流子的數(shù)目急劇上升。這都將使反向電流突然劇增，這種現(xiàn)象稱二極管反向擊穿，擊穿時對應的電壓稱為反向擊穿電壓UBR。如圖所示。普通二極管發(fā)生反向擊穿后，將會因電流過大使管子過熱而造成永久性損壞，這種現(xiàn)象叫做熱擊穿。,2.1 半導體二極管,3 、 反向擊穿特性,3、 主要參數(shù),（1） 最大整流電流 IOM,二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。,（2） 反向工作峰值電壓URWM,是保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓，一般是二極管反向擊穿電壓UBR的

17、一半或三分之二。二極管擊穿后單向導電性被破壞，甚至過熱而燒壞。,（3） 反向峰值電流IRM,指二極管加最高反向工作電壓時的反向電流。反向電流大，說明管子的單向導電性差，IRM受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流較大，為硅管的幾十到幾百倍。,二極管的單向導電性,（1） 二極管加正向電壓（正向偏置，陽極接正、陰極接負 ）時， 二極管處于正向導通狀態(tài)，二極管正向電阻較小，正向電流較大。,（2） 二極管加反向電壓（反向偏置，陽極接負、陰極接正 ）時， 二極管處于反向截止狀態(tài)，二極管反向電阻較大，反向電流很小。,（3） 外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向導電

18、性。,（4） 二極管的反向電流受溫度的影響，溫度愈高反向電流愈大。,二極管電路分析舉例,定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài),導通截止,分析方法：將二極管斷開，分析二極管兩端電位 的高低或所加電壓UD的正負。,若 V陽 V陰或 UD為正( 正向偏置 )，二極管導通 若 V陽 V陰或 UD為負( 反向偏置 )，二極管截止,若二極管是理想的，正向導通時正向管壓降為零，反向截止時二極管相當于斷開。,電路如圖，求：UAB,V陽 =6 V V陰 =12 V V陽V陰 二極管導通 若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB = 6V 否則， UAB低于6V一個管壓降，為6.3或6.7V,例1：,取 B 點作參考點，

19、斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。,在這里，二極管起鉗位作用。,兩個二極管的陰極接在一起 取 B 點作參考點，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。,V1陽 =6 V，V2陽=0 V，V1陰 = V2陰= 12 V UD1 = 6V，UD2 =12V UD2 UD1 D2 優(yōu)先導通， D1截止。 若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB = 0 V,例2:,D1承受反向電壓為6 V,流過 D2 的電流為,求：UAB,在這里， D2 起鉗位作用， D1起隔離作用。,ui 8V，二極管導通，可看作短路 uo = 8V ui 8V，二極管截止，可看作開路 uo = ui,已知： 二極管是理想的

20、，試畫出 uo 波形。,8V,例3：,二極管的用途： 整流、檢波、 限幅、鉗位、開 關、元件保護、 溫度補償?shù)取?參考點,二極管陰極電位為 8 V,（1） 符號,UZ,IZ,IZM, UZ, IZ,（2） 伏安特性,穩(wěn)壓管正常工作時加反向電壓,使用時要加限流電阻,穩(wěn)壓管反向擊穿后，電流變化很大，但其兩端電壓變化很小，利用此特性，穩(wěn)壓管在電路中可起穩(wěn)壓作用。,2.1.5 特殊二極管,1、穩(wěn)壓二極管,（3） 主要參數(shù),1) 穩(wěn)定電壓UZ 穩(wěn)壓管正常工作(反向擊穿)時管子兩端的電壓。,2) 電壓溫度系數(shù) 環(huán)境溫度每變化1C引起穩(wěn)壓值變化的百分數(shù)。,3) 動態(tài)電阻,4) 穩(wěn)定電流 IZ 、最大穩(wěn)定電流

21、 IZM,5) 最大允許耗散功率 PZM = UZ IZM,rZ愈小，曲線愈陡，穩(wěn)壓性能愈好。,光電二極管又稱光敏二極管，是一種將光信號轉換成電信號的特殊二極管。它的反向電流隨光照強度的增加而上升，通常在管殼備有一個玻璃窗口以接受光照。其外形和符號如圖所示。 光電二極管工作在反向偏置狀態(tài)。當管殼上的玻璃窗口無光照時，反向電流很小，稱為暗電流；有光照時反向電流很大，稱為亮電流，且光照越強，亮電流越大。如果在外電路接上負載，便可獲得隨光照強弱而變化的電信號。是光電二極管的基本應用電路，無光照時，負載RL上無電壓；有光照時，亮電流在RL上轉換為電壓輸出，從而實現(xiàn)光電轉換。,2.光電二極管,2.光電二

22、極管,反向電流隨光照強度的增加而上升。,符號,發(fā)光二極管,有正向電流流過時，發(fā)出一定波長范圍的光，目前的發(fā)光管可以發(fā)出從紅外到可見波段的光，它的電特性與一般二極管類似，正向電壓較一般二極管高，電流為幾 幾十mA,光電二極管,發(fā)光二極管,光電二極管使用時應注意： 保證光電二極管的反偏電壓不小于5V，否則光電流和光強度不呈線性關系； 保持光電二極管的管殼清潔，否則光電靈敏度會下降。,光電二極管的外形及符號 （a）外形；（b）符號,光電二極管的基本應用電路,2.光電二極管,發(fā)光二極管是一種將電能轉換成光能的元器件，簡寫成LED（Light Emitting Diode）。通常用元素周期表中、族元素的

23、化合物，如砷化鎵、磷化鎵等制成。發(fā)光二極管和普通二極管相似，也是由一個PN結構成，發(fā)光二極管正向導通時，由于空穴和電子的直接復合而放出能量，發(fā)出一定波長的可見光，由于光的波長不同，顏色也不相同。常見的發(fā)光二極管有紅、綠、黃等顏色。下圖為發(fā)光二極管的外形和符號。,3、發(fā)光二極管,發(fā)光二極管正向偏置并達到一定電流時就會發(fā)光。工作電流在1030mA時，正向壓降為23V。通常管腳引線較長的為正極，較短的為負極。當管殼上有凸起的標志時，靠近標志的管腳為正極。,發(fā)光二極管的外形及符號 （a）外形；（b）符號,3、發(fā)光二極管,使用發(fā)光二極管時也要串入限流電阻，避免流過的電流太大。改變電流的大小還可以改變發(fā)光

24、的亮度。圖a是常用的直流驅動電路。限流電阻R可按下式計算： 式中UF為LED的正向電壓，約為2V；IF為正向工作電流，可從產品手冊中查得。用交流電源驅動時，圖b所示。此時，在計算限流電阻R時仍用上式，不過上式中的U是交流電壓的有效值，二極管D可避免LED承受高的反向電壓。,3、發(fā)光二極管,發(fā)光二極管除可單個使用外，也常做成七段式或矩陣式，工作電流一般為幾毫安到幾十毫安之間。LED的反向擊穿電壓一般大于5V，但為使器件長時間穩(wěn)定而又可靠地工作，安全使用電壓選擇在5V以下。,LED的驅動電路 （a）直流驅動；（b）交流驅動,3、發(fā)光二極管,變容二極管是利用PN結的電容效應工作的，即空間電荷區(qū)內沒有

25、載流子，起著絕緣介質的作用，PN結類似一個平板電容器。它的電容量一般為幾十皮法至幾百皮法，且隨反偏電壓（030V）的升高而減小（約15倍）。因此變容二極管是工作在反向偏置狀態(tài)，其符號如圖所示。 變容二極管的常見用途是 作為調諧電容使用，例如 在電視機的頻道選擇器中， 利用它來微調選擇電臺的 頻道。,變容二極管的符號,4、變容二極管,2.2 半導體三極管,2.2.1 三極管基本結構,基極,發(fā)射極,集電極,NPN型,符號：,NPN型三極管,PNP型三極管,部分三極管的外型,三極管根據(jù)基片的材料不同，分為鍺管和硅管兩大類，目前國內生產的硅管多為NPN型（3D系列），鍺管多為PNP型（3A系列）；按頻

26、率特性分為高頻管和低頻管；按功率大小分為大功率管、中功率管和小功率管等。實際應用中采用NPN型的三極管較多，所以下面以NPN型三極管為例加以討論，所得結論對于PNP型三極管同樣適用。,2.2 半導體三極管,三極管的類型,分類： 按材料分： 硅管、鍺管 按結構分： NPN、 PNP 按使用頻率分： 低頻管、高頻管 按功率分： 小功率管 1 W,基區(qū)：最薄， 摻雜濃度最低,發(fā)射區(qū)：摻 雜濃度最高,發(fā)射結,集電結,結構特點：,集電區(qū)： 面積最大,2. 2. 2 三極管的放大原理,1. 三極管放大的外部條件,發(fā)射結正偏、集電結反偏,PNP 發(fā)射結正偏 VBVE 集電結反偏 VCVB,從電位的角度看：

27、NPN 發(fā)射結正偏 VBVE 集電結反偏 VCVB,1. 三極管放大的條件,內部 條件,發(fā)射區(qū)摻雜濃度高,基區(qū)薄且摻雜濃度低,集電結面積大,外部 條件,發(fā)射結正偏 集電結反偏,2. 滿足放大條件的三種電路,共發(fā)射極,共集電極,共基極,觀察輸入信號作用在那個電極上，輸出信號從那個電極取出，此外的另一個電極即為組態(tài)形式。,放大電路的組態(tài)是針對交流信號而言的。,三極管內部載流子的運動過程 要實現(xiàn)三極管的放大作用， 需要外加合適的電源電壓。 要求發(fā)射結外加正向電壓， 簡稱正向偏置；集電結外 加反向電壓，簡稱反向偏 置。如圖所示。,三極管的電流放大作用,三極管內部載流子的運動,（1）發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射電子

28、 由于電源EB經過電阻RB加在發(fā)射結上，發(fā)射結正偏。發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子自由電子不斷通過發(fā)射結向基區(qū)擴散，形成發(fā)射極電流IE。同時基區(qū)多數(shù)載流子空穴也向發(fā)射區(qū)擴散，但由于基區(qū)的多數(shù)載流子濃度遠遠低于發(fā)射區(qū)載流子濃度，故與電子流相比，空穴流可以忽略不計。因此可以認為三極管發(fā)射結電流主要是電子流。,2.2 半導體三極管,（2）電子在基區(qū)中的擴散和復合 由發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的電子，在發(fā)射結附近積累起來，形成了一定的濃度梯度，而靠近集電結附近電子濃度很小，漸漸形成電子濃度差，在濃度差的作用下，促使電子流在基區(qū)向集電結擴散，在擴散過程中，電子不斷與基區(qū)空穴復合形成電子流IBN，復合的空穴由基極電源補充，從而形

29、成基極電流IB。,2.2 半導體三極管,（3）集電區(qū)收集電子 由于集電結外加反向電壓很大，這個反向電壓產生的電場力一方面使集電區(qū)的電子和基區(qū)的空穴很難通過集電結；另一方面吸引基區(qū)中擴散到集電結附近的大量電子，將它們收集到集電區(qū)，形成收集電流ICN。同時集電區(qū)的少數(shù)載流子即空穴也會產生漂移運動，流向基區(qū)形成反向飽和電流ICBO。 以上分析的是NPN型三極管的電流放大原理，對于PNP型三極管，其工作原理相同，只是三極管各極所接電源極性相反，發(fā)射區(qū)發(fā)射的載流子是空穴而不是電子。,2.2 半導體三極管,電流分配關系 由上面載流子的運動過程可知，由于電子在基區(qū)的復合，發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的電子并非全部到達集電

30、極，三極管制成后，發(fā)射區(qū)注入的電子傳輸?shù)郊娊Y所占的比例是一定的。如圖描述了三極管電流分配關系。,圖7.4 三極管的電流分配關系,2.2 半導體三極管,從圖中可知： 由于在常溫下ICBO的數(shù)值很小，可忽略不計。故 以因為 所以 設 故 上式中IC與IB的比值，即共射極直流電流放大系數(shù)，用 表示。,2.2 半導體三極管,2. 各電極電流關系及電流放大作用,結論:,1）三電極電流關系 IE = IB + IC 2） IC IB ， IC IE 3） IC IB,把基極電流的微小變化能夠引起集電極電流較大變化的特性稱為晶體管的電流放大作用。 實質:用一個微小電流的變化去控制一個較大電流的變化，是CC

31、CS器件。,3.三極管內部載流子的運動規(guī)律,基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴散可忽略。,發(fā)射結正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴散，形成發(fā)射極電流IE。,進入P 區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復合，形成電流IBE ，多數(shù)擴散到集電結。,從基區(qū)擴散來的電子作為集電結的少子，漂移進入集電結而被收集，形成ICE。,集電結反偏，有少子形成的反向電流ICBO。,3. 三極管內部載流子的運動規(guī)律,IC = ICE+ICBO ICE,IB = IBE- ICBO IBE,ICE 與 IBE 之比稱為共發(fā)射極電流放大倍數(shù),集射極穿透電流, 溫度ICEO,(常用公式),若IB =0, 則 IC ICE0,2.2.3 特性曲線,即管子

32、各電極電壓與電流的關系曲線，是管子內部載流子運動的外部表現(xiàn)，反映了晶體管的性能，是分析放大電路的依據(jù)。,為什么要研究特性曲線： 1）直觀地分析管子的工作狀態(tài) 2）合理地選擇偏置電路的參數(shù)，設計性能良好的電路,重點討論應用最廣泛的共發(fā)射極接法的特性曲線,發(fā)射極是輸入回路、輸出回路的公共端,共發(fā)射極電路,輸入回路,輸出回路,測量晶體管特性的實驗線路,1. 輸入特性,特點:非線性,死區(qū)電壓：硅管0.5V，鍺管0.1V。,正常工作時發(fā)射結電壓： NPN型硅管UBE 0.60.7V PNP型鍺管UBE 0.2 0.3V,2. 輸出特性,IB=0,20A,放大區(qū),輸出特性曲線通常分三個工作區(qū)：,(1) 放

33、大區(qū),在放大區(qū)有 IC= IB ，也稱為線性區(qū)，具有恒流特性。,在放大區(qū)，發(fā)射結處于正向偏置、集電結處于反向偏置，晶體管工作于放大狀態(tài)。,（2）截止區(qū),IB 0 以下區(qū)域為截止區(qū)，有 IC 0 。,在截止區(qū)發(fā)射結處于反向偏置，集電結處于反向偏置，晶體管工作于截止狀態(tài)。,飽和區(qū),截止區(qū),（3）飽和區(qū),當UCE UBE時，晶體管工作于飽和狀態(tài)。 在飽和區(qū)，IB IC，發(fā)射結處于正向偏置，集電結也處于正偏。 深度飽和時， 硅管UCES 0.3V， 鍺管UCES 0.1V。,2.2.4 主要參數(shù),(1) 電流放大系數(shù)，,直流電流放大系數(shù),交流電流放大系數(shù),當晶體管接成發(fā)射極電路時，,表示晶體管特性的數(shù)

34、據(jù)稱為晶體管的參數(shù)，晶體管的參數(shù)也是設計電路、選用晶體管的依據(jù)。,注意：,和 的含義不同，但在特性曲線近于平行等距并且ICE0 較小的情況下，兩者數(shù)值接近。,常用晶體管的 值在20 200之間。,例：在UCE= 6 V時， 在 Q1 點IB=40A, IC=1.5mA； 在 Q2 點IB=60 A, IC=2.3mA。,在以后的計算中，一般作近似處理： = 。,Q1,Q2,在 Q1 點，有,由 Q1 和Q2點，得,(2)集-基極反向截止電流 ICBO,ICBO是由少數(shù)載流子的漂移運動所形成的電流，受溫度的影響大。 溫度ICBO,(3)集-射極反向截止電流(穿透電流)ICEO,ICEO受溫度的影

35、響大。 溫度ICEO，所以IC也相應增加。三極管的溫度特性較差。,(4) 集電極最大允許電流 ICM,(5) 集-射極反向擊穿電壓U(BR)CEO,集電極電流 IC上升會導致三極管的值的下降，當值下降到正常值的三分之二時的集電極電流即為 ICM。,當集射極之間的電壓UCE 超過一定的數(shù)值時，三極管就會被擊穿。手冊上給出的數(shù)值是25C、基極開路時的擊穿電壓U(BR) CEO。,(6) 集電極最大允許耗散功耗PCM,PCM取決于三極管允許的溫升，消耗功率過大，溫升過高會燒壞三極管。 PC PCM =IC UCE,硅管允許結溫約為150C，鍺管約為7090C。,ICUCE=PCM,安全工作區(qū),由三個

36、極限參數(shù)可畫出三極管的安全工作區(qū),晶體管參數(shù)與溫度的關系,1、溫度每增加10C，ICBO增大一倍。硅管優(yōu) 于鍺管。,2、溫度每升高 1C，UBE將減小 (22.5)mV， 即晶體管具有負溫度系數(shù)。,3、溫度每升高 1C， 增加 0.5%1.0%。,1、三極管管腳極性的識別 、根據(jù)管腳排列識別 由于三極管的種類較多，封裝形式也不一樣，因此管腳的排列也有多種形式。常見的如圖2-17。 、用萬用表判別管腳極性 測小功率時用R1或R10檔。以紅表筆為準，黑表筆接另外兩個管腳，如果測得兩個阻值均較小，則該管為PNP型，紅筆所接為基極；如果兩次阻值較大，則該管為NPN型，紅筆所接仍是基極?；鶚O判別出來后，

37、其余兩個管腳不是發(fā)射極就是集電極。,2.2.5、晶體三極管的識別和簡單測試,假設一腳為集電極，管型為NPN，將黑筆接集電極，紅筆接發(fā)射極。然后用手捏住基極和集電極（兩極不能相碰），觀察指針偏轉情況并記下偏轉位置，再將兩表筆交換極性，重復上述過程，則偏轉角大的一次黑筆所接腳為集電極。如果是PNP型管，只需將紅筆接假設的集電極，其余和NPN型的測試完全相似。,2.2.5、晶體三極管的識別和簡單測試,：“三顛倒，找基極；PN結，定管型；順箭頭，偏轉大；測不準，動嘴巴?！毕旅孀屛覀冎鹁溥M行解釋吧。一。三顛倒，找基極大家知道，三極管是含有兩個PN結的半導體器件。根據(jù)兩個PN結連接方式不同，可以分為NPN

38、型和PNP型兩種不同導電類型的三極管，假定我們并不知道被測三極管是NPN型還是PNP型，也分不清各管腳是什么電極。測試的第一步是判斷哪個管腳是基極。這時，我們任取兩個電極(如這兩個電極為1.2),用萬用電表兩支表筆顛倒測量它的正。反向電阻，觀察表針的偏轉角度；接著，再取1.3兩個電極和2.3兩個電極，分別顛倒測量它們的正。反向電阻，觀察表針的偏轉角度。在這三次顛倒測量中，必然有兩次測量結果相近：即顛倒測量中表針一次偏轉大，一次偏轉小；剩下一次必然是顛倒測量前后指針偏轉角度都很小，這一次未測的那只管腳就是我們要尋找的基極。二。 PN結，定管型找出三極管的基極后，我們就可以根據(jù)基極與另外兩個電極之

39、間PN結的方向來確定管子的導電類型。將萬用表的黑表筆接觸基極，紅表筆接觸另外兩個電極中的任一電極，若表頭指針偏轉角度很大，則說明被測三極管為NPN型管；若表頭指針偏轉角度很小，則被測管即為PNP型。,2.2.5、晶體三極管的識別和簡單測試,三。順箭頭，偏轉大找出了基極b,另外兩個電極哪個是集電極c,哪個是發(fā)射極e呢？這時我們可以用測穿透電流ICEO的方法確定集電極c和發(fā)射極e。(1)對于NPN型三極管，穿透電流的測量電路如圖3所示。根據(jù)這個原理，用萬用電表的黑。紅表筆顛倒測量兩極間的正。反向電阻Rce和Rec,雖然兩次測量中萬用表指針偏轉角度都很小，但仔細觀察，總會有一次偏轉角度稍大，此時電流

40、的流向一定是：黑表筆c極b極e極紅表筆，電流流向正好與三極管符號中的箭頭方向一致(“順箭頭”),所以此時黑表筆所接的一定是集電極c,紅表筆所接的一定是發(fā)射極e。(2)對于PNP型的三極管，道理也類似于NPN型，其電流流向一定是：黑表筆e極b極c極紅表筆，其電流流向也與三極管符號中的箭頭方向一致，所以此時黑表筆所接的一定是發(fā)射極e,紅表筆所接的一定是集電極c。四。測不出，動嘴巴若在“順箭頭，偏轉大”的測量過程中，若由于顛倒前后的兩次測量指針偏轉均太小難以區(qū)分時，就要“動嘴巴”了。具體方法是：在“順箭頭，偏轉大”的兩次測量中，用兩只手分別捏住兩表筆與管腳的結合部，用嘴巴含住(或用舌頭抵住)基電極b

41、,仍用“順箭頭，偏轉大”的判別方法即可區(qū)分開集電極c與發(fā)射極e。其中人體起到直流偏置電阻的作用，目的是使效果更加明顯。,2.2.5、晶體三極管的識別和簡單測試,2、三極管好壞的大致判別 根據(jù)PN結的單向導電性，檢查三極管內各極間PN結的正反向電阻，如果相差較大，說明三極管基本上是好的。如果正反向電阻都很大，說明三極管內都有斷路或PN結性能不好；如果正反向電阻都很小，說明三極管極間短路或擊穿了。,2.2.5、晶體三極管的識別和簡單測試,在各種電子設備和自動控制裝置中，都需要穩(wěn)定的直流電源供電。常用的直流電源有干電池、蓄電池和直流發(fā)電機。但最經濟實用的辦法是將交流電換成直流電。,2.3 整流電路、

42、濾波電路、穩(wěn)壓電路,電源變壓器：將交流電源電壓變成所需要的交流電壓值。 整流電路：利用二極管的單向導電性，將交流電壓變換成脈動直流電壓。 濾波電路：利用電容、電感線圈的儲能特性，把脈動直流電的脈動部分去掉，使輸出電壓成為平滑的直流電壓。 穩(wěn)壓電路：使輸出的直流電壓在電源波動和負載變化時保持穩(wěn)定。,一、整流電路,1、單相半波整流電路 利用二極管的單向導電性，將大小和方向都隨時間變化的工頻交流電變換成單方向的脈動直流電的過程稱為整流。 有時將變壓器、整流電路和濾波電路一起統(tǒng)稱為整流器。,工作原理,設變壓器二次繞組的交流電壓u2= U2sint，式中，U2為二次電壓有效值。u2的波形如圖7.1.2（

43、a）所示。圖7.1.1 單相半波整流電路(1)正半周u2瞬時極性a(+)，b(-)，V正偏導通，二極管和負載上有電流流過。若向壓降UF忽略不計，則uo=u2。(2)負半周u2瞬時極性a(-)，b(+)，V反偏截止，IF0，uD=u2。雖然簡單，但輸出電壓低，脈動大，效率低（只用了原電壓的一半）。,2、單相橋式整流電路,單相橋式整流電路如圖所示。圖中，四個整流二極管D1D4接成橋形，其中一個對角線接變壓器的次級，另一個對角線接負載電阻RL，二者不能互換。,電路工作原理 為正半周時,D1、D3正偏導通，D2、D4反偏截止，電流從上往下流過RL，在RL上得到上正下負的電壓。u2為負半周時,極性和圖示

44、相反,D2、D4正偏導通，D1、D3反偏截止，電流也是從上往下流過RL，在RL上得到上正下負的電壓。 上述過程周而復始，在RL上得到如圖所示的UL完整波形。這是一個脈動直流電壓，與全波整流電路輸出的波形完全相同。 橋式整流電路具有變壓器利用率高、平均直流電壓高、脈動小燈優(yōu)點，所以得到廣泛應運。,圖6.16 單相橋式整流電路波形圖,3、三相橋式整流,工作原理,對于三個正極管子（D1、D3、D5正極和定子繞組始端相聯(lián)），在某瞬時，電壓最高一相的正極管導通。 對于三個負極管子（D2、D4、D6負極和定子繞組始端相聯(lián)），在某瞬時，電壓最低一相的負極管導通。 但同時導通的管子總是兩個，正、負管子各一個。

45、,二、濾波電路,為了獲得較平滑的直流輸出，還必須采用濾波電路，把脈動電壓中的交流成分濾除。 1、電容濾波 （1）電路工作原理 在小功率的整流電路中最常用的是電容濾波電路，它是利用電容兩端的電壓不能突變的特性，與負載并聯(lián)，使負載得到較平滑的電壓，下圖就是一個很實用的單相橋式整流電容濾波電路。,下圖,2、電感濾波,單向橋式整流電感濾波電路如圖所示。電感濾波電路中，電感L與負載RL為串聯(lián)連接，利用電感中的電流不能突變的特性來實現(xiàn)濾波。其基本工作原理為：,下圖,若線圈的電感L 足夠大，且忽略電感的電阻，即電感L 兩端的電壓平均值為零，則電感濾波后的輸出電壓平均值約為： 電感的作用是使整流后電壓的交流分

46、量的大部分降在它的上面，而直流分量基本輸出給負載RL 。雖然整流輸出電壓沒有提高，但其穩(wěn)定性能得到了改善。 電感濾波主要適用于電容濾波難以勝任的大電流負載或負載經常變化的場合。但電感量較大的電感器體積大、笨重、不便于集成化，故其應用有一定的局限性，在小功率的電子設備中很少采用。,（1）LC 濾波器 在電容C 濾波之前串接一個電感L ，如圖（a）所示，即組成LC 濾波器。整流后的脈動直流中的大部分交流分量降在電感L上，再經過電容C 的進一步濾波后，負載RL 上得到更加平滑的直流值。 （2）形濾波器 在LC濾波器前再并聯(lián)一個電容器，如圖（b）所示，組成形LC 濾波器，濾波效果進一步改善。如果是小電

47、流負載時，可將電感用一個小電阻R 代替，組成形RC 濾波器，如圖（c）所示。,3 、 復式濾波,圖6.20 常用的幾種復式濾波器 (a) LC 濾波器；(b) 形LC 濾波器；（c）形RC 濾波器,圖6.21 硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路,當用一個不穩(wěn)定的電壓對負載供電時，會引起負載工作不穩(wěn)定，甚至不能正常工作。精密電子儀器、自動控制和計算裝置等都需要很穩(wěn)定的直流電源供電。為了得到穩(wěn)定的直流輸出電壓，在整流濾波電路之后需要增加穩(wěn)壓電路。其作用是當交流電源電壓波動、負載或溫度變化時，維持輸出直流電壓穩(wěn)定。 1 、 硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路 圖所示為硅穩(wěn)壓管組成的穩(wěn)壓電路，電阻R 限制流過穩(wěn)壓管的電流使之不超過IZM

48、，稱為限流電阻。負載RL與用作調整元件的穩(wěn)壓管VZ 并聯(lián)，輸出電壓就是穩(wěn)壓管兩端的穩(wěn)定電壓，故又稱為并聯(lián)型穩(wěn)壓電路。,穩(wěn)壓電路,三、 直流穩(wěn)壓電源,電路要有穩(wěn)定的電壓輸出，要求穩(wěn)壓管必須工作在反向擊穿狀態(tài)，且流過穩(wěn)壓管的電流要在穩(wěn)定電流IZ 和允許的最大電流IZM 之間。下面結合穩(wěn)壓管的反向特性曲線，分析電路的穩(wěn)壓原理。,圖6.22 硅穩(wěn)壓管的反向伏安特性,2、 集成穩(wěn)壓器 隨著電子技術的發(fā)展，目前集成穩(wěn)壓器只有輸入端、輸出端及公共端，故稱為三端穩(wěn)壓器。三端穩(wěn)壓器分為兩大類，即固定式和可調式。固定式三端穩(wěn)壓器的輸出電壓固定不變，不用調節(jié)。它的型號有W78和W79兩個系列，其中最后兩位數(shù)表示輸出

49、電壓值，有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V等。78系列為正電壓輸出，79系列為負電壓輸出。比如W7812和W7909分別表示穩(wěn)壓值為正12V和負9V。78系列的1端為輸入端，2端為輸出端，3端為公共端；79系列的3端為輸入端，2為輸出端，1端為公共端。圖6.23為它們的外形圖及實用接線圖。,圖6.23 三端穩(wěn)壓器的外形圖和實用接線圖 （a）外形圖；（b）正電壓輸出；（c）負電壓輸出,圖6.24 正、負電壓同時輸出的穩(wěn)壓電源,圖是同時輸出正、負雙電壓的穩(wěn)壓電路，由W78和W79共同組成。W78的輸出為正極，W79的輸出為負極，而它們的公共端相連作為整個電源的公共端接地。 可調式三

50、端集成穩(wěn)壓器的輸出電壓在一定范圍內連續(xù)可調，其外形及表示符號與固定式完全相同，只是型號不同?？烧{集成穩(wěn)壓器的國內型號有CW117/CW217/CW317、CW137/CW237/CW337，對應國外型號為LM117/LM217/LM317、LM137/LM237/LM337，其中17系列為正穩(wěn)壓器，37系列為負穩(wěn)壓器。圖是以正穩(wěn)壓器為例的接線圖，圖中CW117的2是輸入端，3是輸出端，1是調整端。,C1是為防止容性負載產生高頻振蕩時而設的，取值為1025F，耐壓值高于UI值。C2是為消除紋波而設的，取值為10100F，D1是為防止當輸入短路時C2反向通過穩(wěn)壓器放電使之損壞而設的。R1、R2為分壓電路，調節(jié)R2/R1分壓比可以改變輸出電壓。由后面的例題可知，輸出電壓與分壓比的關系如下： 式中UREF 輸出端3與調整端1之間的電壓。,應用CW（LM）系列時應注意以下技巧： R1應焊接在含有集成穩(wěn)壓器的輸出管腳和調整管腳上，否則將影響穩(wěn)壓器的負載調整率； R2的接地點應與負載電流返回的接地點處在同一點，以免引起輸出電 壓偏差； R1、R2應選擇零溫 度系數(shù)的高精度、高 穩(wěn)定度電阻，以保證 輸出電壓的精度和穩(wěn) 定性。,圖6.25 17系列實際接線圖,