电工学简明教程第九章第二版.ppt

电子技术由模拟电子技术和数字电子技术构成模拟电子技术处理的信号在时间上和数值上是连续变化的，如温度和速度——模拟信号相应的电路称为模拟电路绪 论,数字电子技术处理的信号在时间和数值上都是不连续的，即所谓离散的，如计数装置，来一件产品就发一个脉冲（自动计数）——数字信号相应的电路称为数字电路主 要 内 容,第 9 章 二极管和晶体管 第10章 基本放大电路 第11章 运算放大器 第12章 直流稳压电源,9.1 半导体的导电特性,第9章二极管和晶体管,9.2 二极管,9.3 稳压二极管,9.4 晶体管,第9章 半导体二极管和三极管,本章要求： 一、理解PN结的单向导电性，三极管的电流分配和电流放大作用； 二、了解二极管、稳压管和三极管的基本构造、工作原理和特性曲线，了解主要参数的意义； 三、会分析含有二极管的电路对于元器件，重点放在特性、参数、技术指标和正确使用方法，不要过分追究其内部机理讨论器件的目的在于应用学会用工程观点分析问题，就是根据实际情况，对器件的数学模型和电路的工作条件进行合理的近似，以便用简便的分析方法获得具有实际意义的结果半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间如硅、锗、硒、及多数金属氧化物和硫化物。

9.1 半导体的导电特性,半导体的导电特性：,(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电 能力明显改变(可做成各种不同用途的半导 体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化 (可做 成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极 管、光敏三极管等)热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强,最常用的半导体为硅(Si)和锗(Ge)它们的共同特征是四价元素，即每个原子最外层电子数为4个Si(硅原子),Ge(锗原子),硅原子和锗原子的简化模型图,因为原子呈电中性，所以简化模型图中的原子核只用带圈的+4符号表示即可9.1 半导体的导电特性,9.1.1 本征半导体,完全纯净的、具有晶体结构的半导体9.1.1 本征半导体,实际上半导体的晶格结构是三维的共价健,硅单晶中的共价健结构,价电子,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）本征半导体的导电机理,本征激发：,空穴,温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多自由电子,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）。

自由电子和空穴都称为载流子可见在半导体中有自由电子和空穴都能参与导电空穴移动方向,,,,电子移动方向,外电场方向,,,当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流 ：(1)自由电子作定向运动 电子电流 (2)价电子递补空穴 空穴电流,自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目注意： (1) 本征半导体中载流子数目极少, 其导电性能很差； (2) 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如果在其中参入微量的杂质(某种元素)将使其导电能力大大增强9.1.2 N型半导体和 P 型半导体,掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体掺入五价元素,,,多余电子,磷原子,在常温下即可变为自由电子,失去一个电子变为正离子,在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成杂质半导体多数载流子（多子）：自由电子 少数载流子（少子）：空穴,9.1.2 N型半导体和 P 型半导体,掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或 P型半导体。

掺入三价元素,,,多子：空穴 少子：自由电子,硼原子,接受一个电子变为负离子,,,,空穴,无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性杂质半导体的导电能力虽然比本征半导体极大增强，但它们并不能称为半导体器件在电子技术中，PN结是一切半导体器件的“元概念”和技术起始点P区,N区,,,,空间电荷区,,内电场,9.1.3 PN 结及其单向导电性,1. PN 结的形成,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9.1.3 PN结及其单向导电性,PN 结：P型半导体和N型半导体交界面的特殊薄层,1. PN 结加正向电压（正向偏置）,P接正、N接负,,IF,多子在外电场作用下定向移动，形成较大的正向电流PN 结加正向电压时，正向电阻较小，处于导通状态动画演示,,2. PN结的单向导电性,PN结正向偏置时的情况,PN结反向偏置时的情况,9.2 二极管,9.2.1 基本结构,将 PN 结加上相应的电极引线和管壳，就成为半导体二极管按结构分，有点接触型和面接触型两类点接触型,,9.2 半导体二极管,9.2.1 基本结构（一个PN结）,(a) 点接触型,(b)面接触型,结面积小、结电容小、正向电流小。

用于检波和变频等高频电路结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路9.2.2 伏安特性,,硅管0.5V, 锗管0.1V反向击穿 电压U(BR),导通压降,外加电压大于死区电压二极管才能导通外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性正向特性,反向特性,特点：非线性,硅0.6~0.8V锗0.2~0.3V,死区电压,反向电流在一定电压 范围内保持常数9.2.3 主要参数,1. 最大整流电流 IOM,二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流2. 反向工作峰值电压URWM,是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压UBR的一半或三分之二二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏3. 反向峰值电流IRM,指二极管加最高反向工作电压时的反向电流反向电流大，说明管子的单向导电性差，IRM受温度的影响，温度越高反向电流越大硅管的反向电流较小，锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍二极管的应用举例,注意：分析实际电路时为简单化，通常把二极管进行理想化处理，即正偏时视其为“短路”，截止时视其为“开路”UD=0,UD=∞,,正向导通时相当 一个闭合的开关,+,－,反向阻断时相当 一个打开的开关,(1)二极管的开关作用,,二极管电路分析举例,定性分析：判断二极管的工作状态,导通截止,,分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位 的高低,若 V阳 V阴，二极管导通 若 V阳 V阴，二极管截止,若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零，反向截止时二极管相当于断开。

电路如图，求：UAB,V阳 =－6 V ， V阴 =－12 V V阳 V阴 ，二极管导通 若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB =－ 6V 否则， UAB低于－6V一个管压降，为－6.3Ｖ或－6.7V,例1：,取 B 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位二极管起钳位作用解：,,断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位VA阳 =+3V，VB阳=0 V，VA阴 = VB阴= －12 V UA = 15V，UB =12V ∵ UA UB ∴ DA 优先导通， 钳位，使DB截止 若忽略管压降，二极管可看作短路，VY = +3 V 若管压降为0.3V,则VY = +2.7 V,例2:,求：VY,DA ：钳位作用，DB：隔离作用12V,解：,,ui 8V，二极管导通，可看作短路 uo = 8V ui 8V，二极管截止，可看作开路 uo = ui,已知： 二极管是理想的，试画出 uo 波形8V,例3：,二极管的用途： 整流、检波、 限幅、钳位、开 关、元件保护、 温度补偿等参考点,二极管阴极电位为 8 V,解：,9.3 稳压二极管,1. 符号,,UZ,IZ,IZM, UZ,, IZ,2. 伏安特性,稳压管正常工作时加反向电压,使用时要加限流电阻,稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。

3. 主要参数,(1) 稳定电压UZ 稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压2) 电压温度系数ｕ 环境温度每变化1C引起稳压值变化的百分数3) 动态电阻,(4) 稳定电流 IZ 、最大稳定电流 IZM,(5) 最大允许耗散功率 PZM = UZ IZM,rZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好[例 1] 图中通过稳压管的电流 IZ 等于多少？R 是限流电阻，其值是否合适？,IZ IZM ，电阻值合适[解],,,9.4 晶体管,9.4.1 基本结构,,返回,9.4 晶体管,9.4.1 基本结构,基极,发射极,集电极,NPN型,符号：,NPN型三极管,PNP型三极管,基区：最薄， 掺杂浓度最低,发射区：掺 杂浓度最高,发射结,集电结,结构特点：,集电区： 面积最大,,,三极管内部载流子的运动规律,,,,,,,基区空穴向发射区的扩散可忽略发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE进入P 区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE ，多数扩散到集电结从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICE集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO9.4. 2 电流分配和放大原理,1.晶体管放大的外部条件,发射结正偏、集电结反偏,PNP 发射结正偏 VBVE 集电结反偏 VCVB,从电位的角度看： NPN 发射结正偏 VBVE 集电结反偏 VCVB,发射极是输入回路、输出回路的公共端,共发射极电路,测量晶体管特性的实验线路,,,输入回路,输出回路,,晶体管电流测量数据,(2) IC 和 IE 比 IB 大得多。

式中， 称为动态电流(交流)放大系数,(3)当 IB = 0(将基极开路)时，IC = ICEO，表中 ICEO 0.001 mA = 1 A4)要使晶体管起放大作用，发射结必须正向偏置，发射区才可向基区发射电子；而集电结必须反向偏置，集电区才可收集从发射区发射过来的电子对于 PNP 型三极管应满足: UEB 0 UCB 0 即 VC VB VE,对于 NPN 型三极管应满足: UBE 0 UBC VB VE,9.4.3 特性曲线,反映了晶体管的性能，是分析放大电路的依据为什么要研究特性曲线： 1）直观地分析管子的工作状态 2）合理地选择偏置电路的参数，设计性能良好的电路,重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线,1. 输入特性,,特点:非线性,死区电压：硅管0.5V，锗管0.1V正常工作时发射结电压： NPN型硅管 UBE  0.6~0.7V PNP型锗管 UBE  0.2 ~  0.3V,2. 输出特性,,,,IB=0,20A,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，具有恒流特性条件：发射结正向偏置 集电结反向偏置,（2）截止区,IB 0 以下区域为截止区，有UBE0.5， IC  0 ， UCE  UCC 。

条件：发射结反向偏置、集电结反向偏置,,,饱和区,截止区,（3）饱和区,UCE UBE时，饱和状态 UCE  0 , IC  UCC / RC 条件：发射结正向偏置 集电结正向偏置,当晶体管饱和时， UCE  0，发射极与集电极之间如同一个开关的接通，其间电阻很小； 当晶体管截止时，IC  0 ，发射极与集电极之间如同一个开关的断开，其间电阻很大;,晶体管的三种工作状态如下图所示,,,例9.4.1： UCC =6V，RC =3k， RB =10k， =25。