《电路和电路元》PPT课件.ppt

第1章 电路和电路元件,1.1 电路和电路的基本物理量,1.2 电阻、电感和电容元件,1.3 独立电源元件,1.4 二极管,1.5 双极晶体管,1.6 绝缘栅场效晶体管,1.理解电路基本物理量的定义及其意义； 2. 理解电路元件的特性，了解电路元件的参数及其模型。 3. 理解独立电源元件及其模型。 4. 理解二极管、晶体管的基本构造、工作原理和特性（曲线）、主要参数的意义及小信号模型。,本章要求:,教材P32-36： 1.1.1; 1.2.2; 1.2.6; 1.3.1; 1.3.4; 1.4.1; 1.4.4; 1.5.4; 1.5.6; 1.6.1; 1.6.3。,本章作业:,1.1 电路和电路的基本物理量,(1) 实现电能的传输、分配与转换,电路的分类（作用）两个,电路是电为了实现某种应用目的，将若干电工、电子器件或设备按一定方式相互连接所组成的整体。,1.1.1 电路,电路的基本特征是基本中存在着电流的通路。,由于电的应用很广泛，所以电路的具体形式是多种多样、千变万化的。,(2)实现信号的传递与处理,这类电路由于电压较高、电流和功率较大，习惯上称不“强电”电路。,这类电路通常电压较低、电流和功率较小，习惯上称不“弱电”电路。,电路的组成部分,电源: 提供 电能的装置,负载: 取用 电能的装置,中间环节：传递、分 配和控制电能的作用,电路一般由电源、负载和中间环节三部分组成。,直流电源: 提供能源,负载,信号源: 提供信息,电路的组成部分,电源或信号源的电压或电流称为激励，它推动电路工作；由激励所产生的电压和电流称为响应。,信号处理： 放大、调谐、检波等,1.1.2 电路元件和电路模型,实际电路元件：用于构成电路的电工源或信号源的电压或电流称、电子元器件，简称为实际元件。实际元件种类繁多，各具其他特性和用途。,实际电路：用实际元件构成的电路。,某一个实际电路元件往往呈现多种物理性质。如线圈具有：电感、电阻、电容。,实际电路元件的模型：为了便于进行电路分析，常采用一些理想电路元件来表征实际元件的特性。,理想电路元件，简称电路元件：是对实际元件在一定条件下进行的科学抽象而得到的，具有某种理想的电路特性。理想电路元件主要有电阻元件、电感元件、电容元件和电源元件等。一般只含有一个电路参数。,电路模型,手电筒的电路模型,将实际电路中的各种实际元件都用其相应的模型表示后，就构成实际电路的电路模型。,例：手电筒,由电池、灯泡、开关和筒体组成。,电路模型是由一些理想电路元件相互连接而构成的整体，是实际电路的一种等效表示，故也称为等效电路。,建立电路模型给实际电路的分析带来很大方便，是研究电路问题的常用方法。,今后分析的都是指电路模型，简称电路。在电路图中，各种电路元件都用规定的图形符号表示。,理想电路元件主要有电阻元件、电感元件、电容元件和电源元件等。,1.1.3 电流、电压及其参考方向,带电粒子在电源作用下的有规则移动形成电流。,（1） 电流及其参考方向,习惯上规定正电荷移动的方向为电流的实际方向。,电荷（量）对时间的变化率称为电流，即,单位：为安培（A），毫安（mA)、微安(A)或千安(kA)。,直流电流（direct current，简称DC，用大写字母I表示）：大小和方向都不随时间变化。,交流电流（alternating current，简称AC，用小写字母i表示）：大小和方向都随时间变化。,电流 参考方向的表示方法,在进行电路分析计算时，为了列出与电流有关的表达式，必须预先假定电流的方向，称为电流的参考方向（也称为正方向）。,电流的参考方向,注意：,如果实际方向可以判定，就取其为参考方向，否则参考方向任意假定。,在参考方向选定后,电流(或电压)值才有正负之分。正表示电流实际方向与参考方向一致，否则相反。,交直流都必须规定参考方向。,（2）电压及其参考方向,电动势是描述电源中非静电场力对电荷作功的物理量，它在数量上等于非静电场力在电源内部将单位正电荷，从负极移至正极所作的功。,在右图所示电路中，电池具有电动势E。,电动势的单位为伏特（V）。,在电动势E的作用下，电源和负载两等到电压Uab，并有电流I流过。,电压是描述电场力对电荷作功的物理量。定义为,单位：为伏特（V），毫伏（mV)、微伏(V)或千伏(kV)。,直流电压（大写字母U表示）：大小和方向都不随时间变化。,（2）电压及其参考方向,图中a、b两点之间的电压Uab电压就是a、b两点的电势差，在数值上等于电场力驱使单位正电荷从a点移至b点所作的功。,a点（或b点）的电位Va（或Vb）在数值上等于电场力驱使单位正电荷从a点（或b点）移至零电位点所作的功。,零电位点又称参考点，可以位意设定，常用符号“”表示。,图中若先b为参考点，则,交流电压（小写字母i表示）：大小和方向都随时间变化。,上式表明，要知道某一点的电位，只要计算该点到参考点的电压就可得到。,（2）电压及其参考方向,电压是由于两点之间的电位的高低差别而形成的，它的方向是从高电位指向低电位，是电位降低的方向。,电动势的方向则是从低电压指向高电位，是电位升高的方向。,电位的单位：伏特（V）,在进行电路分析计算时，为了列出与电压有关的表达式，必须预先假定电压或电动势的参考方向，也称为参考极性。电压的参考方向（极性）用“”、“”极性表示。,当电压采用双下标（例如Uab）表示时，习惯上认为前一个下标的端点为参考方向的“+”。,说明：,电压参考方向和电流参考方向可以分别加以假定，但在电路分析时，对电源（或电路）以外的元件，常假定其电压参考方向与电流参考方向一致。即电流的参考方向从电压参考方向“+”端流向“-”端。称这种参考方向的规定为关联参考方向。,为了便于分析，如果电压和电势的实际方向已知，常以其实际方向作为参考方向。,在采用关联系参考方向时，如果标出某个电路元件的电压（或电流）的参考方向，则该元件的电流（或电压）的参考方向就随之关联地确定，可以不再标出。,功率是电路分析中常用的另一个物理量。,如果某个元件（某段电路）的电流i和电压u参考方向采用关联参考方向，则其功率 单位为瓦特（W）为正值时表示该元件（电路）吸收功率（消耗电能或吸收电能）；若为负值则表示输出功率，即送出电能。,1.1.4 电路功率,说明： 习惯上对电源的端电压和流过的电流采用非关联系参考方向。其功率 （0)表示电源向外电路提供功率。,在时间t1和t2期间，元件（或电路）吸收的电能为,电能的单位为焦耳（J），实用中常采用千瓦时（kWh），1 kWh=3.6106 J，俗称为1度电。,例1.1.1,负值表示E2吸收功率，即电池处于充电状态。,解：(1)d为参考点，由欧姆 定律得Ubd=R3I3=9 V,在下图所示电路中，d为电路参考点，各元件的参数值及电压、电流参考方向如图所示，并已知I1=2 A，I2=-1.25 A，I3=0.75 A。试求（1） a、b、c各点的电位，Va、Vb、Vc；（2）电压Uab、Ubc；（3）E1、E2输出功率PE1、PE2。,(3) PE1=E1I1=102 W=20 W,(2) Uab=R1I1=0.52 V=1 V，,PE2=E2I2=8(-1.25) W= -10 W,故 Vb=Ubd=9 V,Ubc=- Ucb。也可以理解为非关联参考方向下的欧姆定律表达式。,因为参考方向是从c指向b，故 Ubc= R2I2=-0.8 (-1.25) V=1 V;,1. 2 电阻、电感和电容元件,电路中普遍存在着电能的消耗、磁场能量的储存、电场能量储存这三种基本的能量转换过程。表征这三种物理性质的电路参数是电阻、电感和电容。,电阻、电感、电容元件的图形符号如下：,本节先讨论（理想）电阻、电感、电容元件的基本特性，然后介绍实际电阻器、电感器和电容器的主要参数及模型。,线性电阻的伏安特性满足欧姆律（Ohms Law），当电压和电流的参考方向为关联参考方向时，其伏安特性为,1.2.1 电阻元件(简称电阻),上式表明，线性电阻的电压与电流之间成线性函数关系。,电阻上的压和电流之间关系称为伏安特性。,u=Ri,R为元件的参数电阻，是一个与电压、电流无关的常数，单位为欧姆（）。,如果电阻上的伏安特性曲线在u-i平面上是一条通过原点的直线，则称为线性电阻。,线性关系函数具有的性质：,（1）比例性（亦称齐次性）。变量随自变量成比例增加。,电阻吸收的功率为,（2）可加性。若电流i1、i2在电阻R上分别产生的电压为u1=Ri1、u2=Ri2，则电流之和i1+i2产生的电压为u=R(i1+i2)=u1+u2。,从t1到t2的时间内，电阻元件吸收的电能为,电阻吸收的电能全部转化成热能，是不可逆的能量转换过程，因此，电阻是一个耗能元件。,如果电阻上的电压与电流之间不是线性函数关系，则称为非线性电阻。非线性电阻在u-i平面上的伏安特性曲线是一条通过原点或不通过原点的曲，也可以是不通过原点的直线。本章1.4节将要介绍的二极管就是一个典型的非线性电阻元件。,1.2.2 电感元件(简称电感),当流过电感的电流i发生变化时，则要产生自感电动势eL，元件两端就有电压u。若电感元件的i，eL，u的参考方向如图所规定，则有,通有电流i的电感元件，会在其周围产生磁场。若电感线圈匝数为N，每匝磁通为，则其匝数与磁通之积为N。,N =Li,L为元件的参数电感，是一个与磁通、电流无关的常数，单位为亨利（H）。磁通的单位为韦伯 （ Wb ）。,线性感元件的特性方程为,如果电感元件中的磁通和电流i之间是线性函数关系，则称为线性电感，否则称为非线性电感。,1.2.2 电感元件(简称电感),对恒定电流（直流电），电感元件的端电压为零，故在直流电路的稳态情况下电感元件相当于短路。,当流过电感的电流增大时，磁通增大，它所储存的磁场能量也变大。如果电流减小到零，所储存的能量全部释放出来，故电感元件本身不消耗能量，是一个储能元件。,这表明线性电感的端电压u与电流i对时间的变化率di/dt成正比。,在0到t1时间，流过电感的电流由0变到I时，电感所储存的磁场能量为,上式表明，电感元件在某一时刻的储能只取决于该时刻的电流值，而与电流的过去变化进程无关。,1.2.3 电容元件(简称电容),当电容两端的电压u发生变化时，其极板上的电荷量就随之变化，和极板连接的导线中就有电流i，若u，i的参考方向如图所规定，则有,当电容两端加有电压u时，它的极板上就会储有电荷量q。,q =Cu,C为元件的参数电容，是一个与电荷量、电压无关的常数，单位为法拉(F)。这个单位比较大，实用中常采用微法(F)、 纳法(nF)或皮法(pF) 。1 F=106 F=109 nF=1012 pF。,线性容元件的特性方程为,如果电荷量q和电压u之间是线性函数关系，则称为线性电容，否则称为非线性电容。,1.2.3 电容元件(简称电容),对恒定电电压，电容的电流为零，故在直流电路的稳态情况下电容元件相当于开路。,和电感相类似，电容元件本身不消耗能量，是一个储能元件能量储存于电容的电场之中。,这表明线性电容的电流i 与电压对时间的变化率du/dt成正比。,在0到t1时间，流过电容的电压由0变到U时，电容所储存的电场能量为,上式表明，电容元件在某一时刻的储能只取决于该时刻的电压值，而与电压的过去变化进程无关。,1.2.4 实际元件的主要参数及电路模型,电阻器的种类很多，如铸铁电阻器、绕线电阻器、碳膜电阻器、金属膜电阻器等。电阻器的主要参数为：,实际的电阻器、电感器和电容器，是人们为了得到一定数值的电阻、电感和电容而制成的元件。它们在电工电子电路中应用广泛。,标称阻值：电阻器上所标的电阻值。,允许偏差：实际阻值与标称值之差和标称值的百分数。,额定功率（或额定电流）：,例：某RJ-2型金属膜电阻器，标称阻值为820 ，允许偏差为5%，额定功率为2 W。,具体标注方法请参见有关手册。,选用：其电阻值符合要求，而且实际消耗功率（或通过的电流）不允许超过额定功率（或额定电流）。,电阻的标称值,误差,标 称 值, 10%（E12）, 5% （E24）,1.0、1.2、1.5、 1.8、2.2、2.7、 3.3、3.9、4.7、 5.6、6.8、8.2,电阻的标称值 = 标称值10n,1.0、1.1、1.2、1.3、1.5、1.6、1.8、2.0、2.2、2.4、2.7、3.0、 3.3、3.6、3.9、4.3、4.7、5.1、5.6、6.2、6.8、7.5、8.2、9.1等,参考资料，不讲,电阻器的色环表示法,四环,五环,倍 率 10n,误 差,有效 数字,误 差,有效 数字,倍 率 10n,参考资料，不讲,如电阻的4个色环颜色依次为： 绿、棕、金、金,如电阻的5个色环颜色依次为： 棕、绿、黑、金、红,参考资料，不讲,额定值,额定值是制造厂为保证器件或设备能长期安全工作在设计制造时确定的，通常标示在器件或设备的铭牌上，也可以从产品技术文件或手册中查得。,各种电工电子器件或设备，其工作电压、电流和功率等都有一个定额，称为额定值。,在使用各种器件或设备时，务请了解其额定值，按规定的条件正确使用，以防损坏。,电气设备的额定值,额定值: 电气设备在正常运行时的规定使用值,注意：电气设备工作时的实际值不一定都等于其 额定值，要能够加以区别。,电气设备的三种运行状态,欠载(轻载)： I IN ，P PN (不经济),过载(超载)： I IN ，P PN (设备易损坏),额定工作状态： I = IN ，P = PN (经济合理安全可靠),参考资料，不讲,电感器,通常是用导线绕制而成的线圈，有的电感线圈含有铁芯，称为铁芯线圈。,线圈中放入铁芯可以大大增加其电感的数值，但却引起了非线性，并产生铁芯损耗。,电阻器的主要参数为：,电感值：,额定电流：,例：某LG4型电感器，电感量为标称值为820 H，最大工作电流为150 mA。,电容器,通常由绝缘介质隔开的金属极板组成。,其种类很多，主要是介质不同，如纸、云母、瓷、涤纶、玻璃釉、钽、电解质、空气等都是常见的介质。,电容器的主要参数为：,标称容量：,额定电压：,例：某CJ10型纸介质电容器，标称容量为0.15 F、额定工作电压为400 V。,在使用中，电容器实际承受电压不允许超过额定值，否则可能使其绝缘介质被击穿。,电解电容器有正、负极，使用时，应用将正极接高电位端，负极接低电位端，不能接反。,实际元件的电路模型,实际电阻器、电感器和电容器在多数情况下可以只考虑其主要物理性质，将它们近似地看作理想元件。,但在有些情况下，除考虑这些元件的主要物理性质外，还要考虑其次要的物理性质，此时可用R、L、C组成的电路模型来表示。不同情况下具体的模型不同，如：,考虑电能损耗时的电容器模型,考虑电能损耗和磁场能储存时的电容器模型,电路元件串并联时参数计算公式,在实际使用中，若单个器件参数不能满足要求，常将几个元件串联或并联起来使用，R、L、C元件串联、并联参数计算公式如下：,例 1.2.1：（教材P9），怎样选用元件组成符合参数要求的电路。,1.3 独立电源元件,能向电路独立地提供电压、电流的器件或装置称为独立电源，如化学电池、发电机、稳压电源、稳流电源等。本节介绍理想电源元件电压源和电流源，及实际电源的模型。,1.3.1 电压源和电流源,电压源和电流源都是理想化的电源元件，其图形符号如下：,在电路分析中，电压源的电压和电流、电流源的电流和电压的参考方向都采用非关系参考方向。,电压源,电流源,电压源是一个理想二端元件。电压源具有两个特点: (1) 能提供一个恒定值的电压(又称源电压)直流电压US或是按某一定规律随时间变化的电压us（如电力系统的正弦电压）。端电压与流过它的电流无关(不因外电路不同而改变)。 (2) 输出的电流i(t)取决于外电路，由外电路的负载决定。,电流源也是一个理想二端元件，它具有以下两个特点: (1) 能提供的一个恒定的电流(又称为源电流)直流电流IS或是某种确定的时间函数is(t)，输出电流与端电压无关。 (2)其端电压u(t)取决于外电路，由外电路负载决定。,实际电源一般不具有理想电源的特征，即当外接负载变化时，其所提供的电压或电流都会发生变化。,1.3.2 实际电源的模型,实际电源的特性可以用理想电源元件和电阻元件的组合来表征。,当外部负载变化时，有的电源输出特性，比较接近电压源的特性，有的比较接近电流源的特性。,由负载R减小，I增大，输出电压U下降低这特性可知，实际电源可以用以下电压源模型来表示。,在右图所示电路中，当外接负载断开（称为开路）时，设其端电压U=US（称为开路电压）。,实际电源可以用电压源US和电阻R0（电源的内阻）串联的模型（称为电压源模型）来表示，如下图所示。,电压源模型,由上式可知，电源内阻R0越小（R0R），输出电压就越接近US，该实际电源的特性就越接近电压源。,实际电源的输出特性可以表示为,实际电源的输出特性还可以表示为：,电流源模型,显然，电源内阻R0越大（R0R），输出电流I就越接近IS（源电流），该实际电源的特性就越接近电流源。,令,上式表示，实际电源可以用电流源IS和电阻R0并联的模型（称为电流源模型）来表示，如下图所示。,则有,一个实际电源元件既可以用电压源模型（电压源US与内阻R0的串联）表示，也可以用一个电流源模型（电流源IS与内阻R0的并联）来表示，如图1.3.5(a)、(b)虚线框中部分所示。 (a)图中US的数值等于实际电源的开路电压， (b)图中IS的数值等于实际电源的短路电流（R=0时的电流）。,图1.3.5(a),图1.3.5(b),说明：,注意：很多实际电源的内阻R0很小，在实际使用中绝不允许将这类实际电源短路。,一个实际有源元件既可用电压源模型来表示，又可以用电流源模型来表示。这就说明，电压源组模型和电流源组合模型是可以相互等效互换的，如下图所示，这一变换原理简称为电源互换原理。,电源互换原理两种电源模型的等效互换,由实际电源输出特性,可得变换条件为,U = US IR0,U = （IS I）R0,或,注意： 内阻不变； （理想）电压源和电流源不能等于互换。,(2) 等效变换时，两电源的参考方向要一一对应。,(3) 理想电压源与理想电流源之间无等效关系。,(1) 电压源和电流源的等效关系只对外电路而言，对电源内部则是不等效的。,注意事项：,例：当RL= 时，电压源的内阻 R0 中不损耗功率，而电流源的内阻 R0 中则损耗功率。,(4) 任何一个电动势 E 和某个电阻 R 串联的电路， 都可化为一个电流为 IS 和这个电阻并联的电路。,参考资料，不讲,解：本题注意实际电源内阻的求法，及两类电源模型的特性方程的应用。,例题1.3.1(教材P13）,电源两种模型之间的等效变换,由图a： U = E IR0,由图b： U = ISR0 IR0,参考资料，不讲,例1:,求下列各电路的等效电源,解:,参考资料，不讲,例2:,试用电压源与电流源等效变换的方法计算2电阻中的电流。,解:,由图(d)可得,参考资料，不讲,例3：,解：统一电源形式,试用电压源与电流源等效变换的方法计算图示电路中1 电阻中的电流。,参考资料，不讲,继前页,参考资料，不讲,例3:,电路如图。U110V，IS2A，R11， R22，R35 ，R1 。(1) 求电阻R中的电流I；(2)计算理想电压源U1中的电流IU1和理想电流源IS两端的电压UIS；(3)分析功率平衡。,解：(1)由电源的性质及电源的等效变换可得：,参考资料，不讲,(2)由图(a)可得：,理想电压源中的电流,理想电流源两端的电压,参考资料，不讲,各个电阻所消耗的功率分别是：,两者平衡：,(60+20)W=(36+16+8+20)W,80W=80W,(3)由计算可知，本例中理想电压源与理想电流源 都是电源，发出的功率分别是：,参考资料，不讲,1.4 二极管,现代电子技术器件是由半导体材料制成的，二极管、双极晶体管（Bipolar Junction Transistor），是最基本的元件，本节介绍二极管。 二极管是一种应用非常广泛的电路器件，它的工作原理是基于PN结的单向导电性。,用来制造半导体器件的主材料是硅、锗和砷化镓等。,1.4.0 半导体简介,纯净的半导体（称为本征半导体）中含有自由电子（带负电）和空穴（带正电）两种运载电流的粒子（称为载流子），它本的数量相等，因此，本征半导体呈电中性。,载流子的数量随温度的升高而增加。,半导体的特性,半导体的导电特性：热敏特性、光敏特性、掺杂特性。,热敏特性：当环境温度升高时，导电能力增强。,参考资料，不讲,半导体：是导电能力介乎于导体和绝缘体之间的物质。,(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。,掺杂特性：纯净半导体中掺入某些杂质，导电能力显著增强。,光敏特性：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)。,(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）。,应用最多的本征半导体为锗和硅，它们各有四个价电子，都是四价元素.,硅的原子结构,硅原子的结构,参考资料，不讲,纯净的半导体其所有的原子基本上整齐排列，形成晶体结构，所以半导体也称为晶体晶体管名称的由来。,本征半导体的共价健结构晶体结构,参考资料，不讲,晶体中原子的排列方式,晶体结构中的原子之间形成共价键结构,本征半导体的共价健结构晶体结构,参考资料，不讲,自由电子与空穴的形成,参考资料，不讲,共价键中的电子在获得一定能量后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子。,同时在共价键中 留下一个空穴。,本征半导体的热激发与复合,参考资料，不讲,本征半导体由于受热或光照产生自由电子和空穴的现象- 称为 热激发。,自由电子在运动中遇到空穴后，两者同时消失，称为复合现象。,在一定温度下，半导体的热激发与复合达到动态平衡。使得空穴和自由电子维持一定的数目,本征半导体的导电机理,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,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。,自由电子和空穴都称为载流子。 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。,载流子,自由电子和空穴：,本征半导体的导电方式,当半导体两端加上外电压时，导带中由电子作定向运动形成电子电流；,参考资料，不讲,空带中价电子填补空穴的运动形成空穴电流，相当于正电荷的运动。注意其实质上仍是电子的运动。,本征半导体的导电方式,不含杂质且无晶格缺陷的半导体称为本征半导体。在极低温度下，半导体的价带是满带(见能带理论)，受到热激发后，价带中的部分电子会越过禁带进入能量较高的空带，空带中存在电子后成为导带，价带中缺少一个电子后形成 一个带正电的空位，称为空穴。导带中的电子和价带中的空穴合称电子- 空穴对，均能自由移动，即载流子。 它们在外电场作用下产生定向运动而形成宏观电流，分别称为电子导电和空穴导电。这种由于电子-空穴对的产生而形成的混合型导电称为本征导电。导带中的电子会落入空穴，电子-空穴对消失，称为复合。复合时释放出的能量变成电磁辐射（发光）或晶格的热振动能量（发热）。在一定温度下，电子- 空穴对的产生和复合同时存在并达到动态平衡，此时半导体具有一定的载流子密度，从而具有一定的电阻率。温度升高时，将产生更多的电子- 空穴对，载流子密度增加，电阻率减小。无晶格缺陷的纯净半导体的电阻率较大，实际应用不多。,参考资料，不讲,在纯净半导体中掺入微量杂质（某种元素），形成杂质半导体。,N型半导体和 P 型半导体,在 P 型半导体中，多数载流子是带正电荷（Positive charge）的空穴，少数载流子是带负电荷（Negative charge）的自由电子。,3价硼原子,硼接受一个电子变为负离子,Si成为空穴,掺入硼或铝、镓等三价元素,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，简称P型半导体。,共价健中少一个电子,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，简称N型半导体。,掺入磷或砷、锑等五价元素,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N 型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。,N型半导体和 P 型半导体,N型半导体和 P 型半导体,注意：不论N型半导体还是P型半导体，虽然它们都有一种载流子占多数，但是整个晶体仍然是不带电的。,1. 在杂质半导体中多子的数量与 （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。,2. 在杂质半导体中少子的数量与 （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。,3. 当温度升高时，少子的数量 （a. 减少、b. 不变、c. 增多）。,a,b,c,4. 在外加电压的作用下，P 型半导体中的电流 主要是 ，N 型半导体中的电流主要是 。 （a. 电子电流、b.空穴电流）,b,a,参考资料，不讲,半导体课堂练习,1.4.1 PN结及其单向导电性,PN结的形成,采用某种工艺使一块杂质半导体的一侧为P型，加一侧为N型，则在二者的交界而附近会形成PN结。,P 型半导体,N 型半导体,下图中用空心圈“ ”表示P区可移动的空穴。用实习圈“”表示N区可移动的自由电子，用“”、“”表示不能移动的杂质正负离子。,PN结的形成,多数载流子的扩散运动,少数载流子的漂移运动,浓度差,P 型半导体,N 型半导体,扩散的结果使空间电荷区变宽。,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，这就是PN结。,形成空间电荷区,内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,PN结的单向导电性,(1) 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（正向电流）。,PN 结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，PN结处于导通状态。,PN导通时呈现的电阻，称为正向电阻，其数值很小，般为几欧到几百欧。,PN 结变宽,（2）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（漂称）电流。可认为PN结基本上不导电。,IR,P接负、N接正,PN结呈现截止状态，引时的电阻称为反向电阻，其数值很大一般为几千欧到十几欧。,PN的反向漂移电流的特点: 受温度影响大。 原因: 反向电流是靠热激发产生的少子形成的。,PN结的电容效应,小结：（1）扩散运动和漂移运动的动态平衡形成PN结,扩散强,漂移运动增强,内电场增强,两者平衡,PN结宽度基本稳定,（2） 外加电压,平衡破坏,扩散强,漂移强,PN结导通,PN结截止,PN结除了有单向导电性外，还有一定的电容效应。PN结的结电容的大小和外加偏置电压有关，当外加反向电压增加（反偏）时，因空间电荷区加宽而使结电容减小。,PN结的结电容一般很小，当工作频率很高（高频）时要考虑结电容的作用。,参考资料，不讲,小结,PN结具有单向导电性,（1） PN结加正向电压时，处在导通状态，结电阻很低，正向电流较大。,（2）PN结加反向电压时，处在截止状态，结电阻很高，反向电流很小。,半导体二极管的结构和符号,1.4.2 二极管特性和参数,二极管由一个PN结，加电极引线和管壳组成。有以下三类,阳极：接P区。,阴极：接N区。,二极管基本结构及实物图简介,(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。,(c) 平面型,参考资料，不讲,用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,(d) 实物图,PN结的伏安特性通过实验测得,硅管0.5V, 锗管0.1V。,反向击穿 （电压UB）,导通压降,外加电压大于导通电压时二极管才能导通。,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：非线性电阻元件,硅0.60.8V 锗0.20.3V,死区,反向电流，在一定电压 范围内保持常数。,导通电压,主要参数,1. 最大正向电流 IFM,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. 反向工作电压URM,是为保证二极管不被击穿，使用时实际承受的电压不应越过此值，一般是二极管反向击穿电压UB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. 反向电流IR,是二极管质量指标之一。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。IR受温度的影响，温度越高反向电流越大。,4. 最高工作频率fM,在高频应用时，二极管单向导电性变差，存在一个最高工作频率,说明,1. 其他参数,二极管的参数很多，各类二级管参数可查阅有关无线电手册、产器手册。,2. 二极管的选用,参数是在一定条件下测出的，因此使用参数时要注意参数的测试条件。,由于产品制造过程中的离散性，手册有时只给出参数范围。,应根据用途来选择类型。请参见教材。,今后，有关节类知识，除非与日常生活联系紧密，其余的请同学们自学。,1.4.3 二极管的工作点和理想特性,二极管正向导通时，其电流和电压的大小由正向特性确定。在下图(a)所示电路中，二极管理的端电压为,上式是由欧姆定律得到的关于二极管电压与电流之间关系的参数方程，是如图(b)所示的MN直线。,另一方面二极管的电压和电流又要符合它本身的伏安特性曲线。故图(b)中两条线的交点Q所对应的电压和电流就是二极管的工作时的电压和电流，点称Q称为工作点。,二极管的工作点,二极管的工作点,若US和R改变，则M、N点的位置必变，工作点Q的位置也随着改变。,定义二极管静态电阻为,显然工作点Q的位置不同，RD的数值也不同，即二极管静态电阻随工作电流的变化而变化。,如果由于某种原因，使二极管电压在原来的工作点附近发生微小变化UD，相应的电流也要发生变化ID,电路分析中把二者的比值的极限定义为二极管的动态电阻。,动态电阻的数值等于过Q点切线斜率的倒数,二极管的理想特性,由于二极管伏安特性的非线性,使得前面介绍的二极管分析图解法比较困难。,由于二极管理的正向压降和动态电阻都比较小，因此在很多场合（如整流电路、开关电路）采用折线来近似三极管的伏安特性。,认为二极管导通时正向压降为零，截止时反向电流为零。这样的二极管称为理想二极管。,或认为二极管导通时正向压降为一个恒定值UON，通常硅管为0.7V，0.3V。,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或所加电压UD的正负。,若 V阳 V阴或 UD为正( 正向偏置 )，二极管导通 若 V阳 V阴或 UD为负( 反向偏置 )，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。,定量计算：,注意本题结果是：D1优先导通后，D2反偏截止。,解：分析方法，选取电位参考点，分析二极管阳极、阴极的电位。计算端电压，判断是否导通。,例 1.4.1 教材P18,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6.3或6.7V,例2：,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。,例3.,例3: 图中电路，输入端A的电位VA=+3V，B的电位VB=0V，求输出端Y的电位VY。电阻R接负电源-12V。,VY=+2.7V,解：,DA优先导通， DA导通后， DB上加的是反向电压，因而截止。,DA起钳位作用， DB起隔离作用。,返回,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4：,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,1.4.4 稳压二极管,图形符号与伏安特性,(2) 与普通二极管的区别,制造时采用了措施可以长时间工作在击穿状态。,稳压管工作在反向击穿状态。反向击穿后，反向在一定范围变化时，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。,是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。它在电路中与适当数值的电阻相配合能起稳定电压的作用。,使用时要加限流电阻限流,稳压管实物图,主要参数,(1) 稳定电压UZ ：稳压管正常工作(反向击穿，通过稳定电流)时管子两端的电压。注意，同一型号的UZ有分散性，如2CW14的允许值在67.5V之间。,(5) 电压温度系数UZ：环境温度每变化1C引起稳压值变化的百分数。UZ有为6V左右时稳压管的温度稳定性较好。,(2) 动态电阻： 通常为几欧至几十欧，随IZ增而减小。,(3) 稳定电流 IZ ： 最大稳定电流 IZM（允许通过的最大反向电流）,(4) 最大允许耗散功率： PZM = UZ IZM,rZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。,U：为输入电压，,U0,R为限流电阻,当UUZ时,稳压管击穿,此时,要求：正确选R，使IZIZM,稳压管的稳压电路,U0：为输出电压，接负载,1.4.5 发光二极管和光电二极管,发光二极管符号、电路及实物图如下,发光二极管的正向工作电压比普通二极管高，但不超过2V，正向工作电流一般为几毫安到几十毫安。,发光二极管工作在正向偏置状态，正向电流流过发光二极管时，它会发出可见光。发光颜色视材料而定。,（b) 单个发光二极管实物,1.4.5 发光二极管和光电二极管,发光二极管符号、电路及实物图如下,光电二极管又称光敏二极管，它工作在反向偏置状态，反向电流随光照强度增加而增加。无光照时，电路中电流很小，有光照时电流会迅速上长升。,1.5 双极晶体管（Bipolar Junction Transistor）,双极晶体管（简称BJT）常简称为晶体管，它有NPN和PNP两种类型。其结构示意图和符号如下：,B,发射区,集电结,发射结,集电区,基 区,E,C,NPN型结构,NPN符号,PNP型结构,PNP符号,1.5.1 基本结构和电流放大作用,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,参考资料，不讲,晶体管实物图,晶体管的工作原理和特性以NPN型为例,为了实现放大作用，要把NPN型晶体管接成下图所示电路。,基极电路,晶体管是一个具有放大作用的元件。,发射极为公共端,集电极电路,共发射极放大电路,晶体管内部载流子的运动规律,基区少子空穴向发射区的扩散形成的电流很小，可忽略。,基极电源UBB使发射结正偏，发射区电子不断越过发射结，向基区扩散，并不断由电源补充电子，形成发射极电流IE。,进入基区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE 。复合掉的空穴不断由电源补充。注入基区的绝大部分电子扩散到集电结边沿。,电源UCC使集电结反偏，从基区扩散来的电子作为集电极的少子，漂移越过集电结，被集极收集，形成集电极电流ICE。,集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。,IB,三极管内部载流子的运动规律,集电极电路电流：IC = ICE+ICBO ICE,基极电路电流： IB = IBE- ICBO IBE,ICE 与 IBE 之比称为共发射极电流放大系数,称为晶体管的（集射）极穿透电流, 温度ICEO,(常用公式),它是基极IB =0时, 集电极电流 IC ICE0。,说明：这里有关电流的脚标不同，是因为教材中后面出现了，这里介绍目的是更方面大家对后面知识的理解。,结构决定了内部电流的分配关系，即IC和IB分别占IE的一定比例，且IC接近于IE，IC远大于IB， IC和IB之间也存在比例关系。这样当基极电路由于电压或电阻变化引起IB的微小变化时，IC必定会发生较大的变化。这就是晶体管的电流放大作用，也就是通常所说的基极电流对集电极电流的控制作用。,由分析可知，晶体管制成后，其内部尺寸和杂质浓度是确定的，其发射区所发射的电子（少子）在基区被复合的百分数、和被集电极收集的百分数大体上是确定的。,晶体管的电流放大作用,晶体管能实现电流放大作用的内部条件构造特点。外部条件外部电电路使发射正偏，集电结反偏。,首先说明一点： 由于穿透电流较小，以后再区分电路电流和电极电流，统称为电极电流。,由于晶体管中电子和空穴两种极性的载流子都参与了导电，故称为双极晶体管（Bipolar Junction Transistor，简称BJT） 。,PNP型和NPN型基本放大电路的电源极性正好相反。,晶体管的电流放大作用,对PNPN型晶体管基本放大电路为,1.5.2 特性曲线和主要参数,晶体管特性曲线即管子各电极电压与电流的关系曲线，是管子内部载流子运动的外部表现，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,参考资料，不讲,发射极是输入回路与输出回路的公共端,测量晶体管特性的实验线路,IC,参考资料，不讲,(1)共发射极输入和输出特性曲线,共处共发射极输入特性是指以uCE为参考变量时，iB和uBE之间的关系，即,由于发射结是正向偏置的，故晶体管的输入特性和二极管的正向特性相似。,不同之处是iB不仅与 uBE有关，而且还受到uCE的影响，故在测量iB和uBE的关系时要求 uCE为一定值。,晶体管各极电流、电压参考方向规定如图所示,分析表明，当uCE1时，晶体管集电结的电场已足够大，可以把从发射区进入基区的电子中的绝大部分吸引到集电极，uCE变化对iB的影响可以忽略，故可认为uCE 1时的各条输入特性曲线基本重合。,参考资料，不讲,输入特性曲线,下图是小功率硅晶体管的输入特性曲线,（1）存在一个死区。死区电压：硅管0.5V，锗管0.1V。,（2）正常工作时发射结电压： NPN型硅管UBE 0.60.7V PNP型锗管UBE 0.2 0.3V,（1）截止区,IB = 0 以下区域,在截止区（IB 0），发射结和集电结均处于反向偏置。,截止区,输出特性,输出特性曲线通常分三个工作区：,实验测得可知，对应于不同的IB值，有不同的输出特性曲线。故输出特性是一族曲线。,IB=0,20A,在截止区，若忽略ICEO ，集电极和发射极之间相当于开路，即晶体管相当于断开状态的开关。,IB =0时, 集电极电流 为 ICE0很小。,饱和区,（2）饱和区,UCE UBE时，集电极电位低于基极，发射结处于正向偏置，集电结也处于正偏。,当UCE= UBE时的状态称为临界饱和状态。如图虚线所示为临界饱和点的轨迹。,这个区域，所有不同的IB特性曲线几乎是重合的，即这时IC不受IB控制，只随UCE变化，失去放大作用。,饱和时集射之间的电压称为饱和压降，用UCES 表示。,硅管UCES 0.3V，锗管UCES 0.1V。,饱和时UCES很小相当于开关的接通。,(3) 放大区,放大区,在放大区，输出特性是一组以 IB为参变量的的几乎平行于横轴的（略有上翘）的曲线族。,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。,在放大区有 IC= IB ，也称为线性区，具有恒流特性。,小结：晶体管三个工作区的特点:,放大区:,截止区:,饱和区:,发射结正偏,集电结反偏,有电流放大作用, IC=IB,输出曲线具有恒流特性,发射结、集电结处于反偏,失去电流放大作用, IC0,晶体管C、E之间相当于开路,发射结、集电结处于正偏,失去放大作用,晶体管C、E之间相当于短路,参考资料，不讲,例1.5.1(教材P24）,解,不同状态下UCE的数值,结论P24-25,上页,下页,返回,晶体管静态工作点的计算,14.5.4 主要参数,1. 电流放大系数，,直流电流放大系数,交流电流放大系数,当晶体管接成共发射极电路时，,表示晶体管特性的数据称为晶体管的参数，晶体管的参数是设计电路、选用晶体管的依据。,注意：,和 的含义不同，但在特性曲线近于平行等距并且ICE0 较小的情况下，两者数值接近。,常用晶体管的 值在20 150之间。 随温度升高而增大，在输出特性曲线上，温度升高时曲线向上移动，且曲线间的距离增大。,例：在UCE= 6 V时， 在 Q1 点IB=40A, IC=1.5mA； 在 Q2 点IB=60 A, IC=2.3mA。,在以后的计算中，一般作近似处理： = 。,Q1,Q2,在 Q1 点，有,由 Q1 和Q2点，得,2.集-基极反向截止电流 ICBO,ICBO是由少数载流子的漂移运动所形成的电流，受温度的影响大。 温度ICBO,3.集-射极反向截止电流(穿透电流)ICEO（IB=0时集电极电流）,ICEO受温度的影响大。 温度ICEO，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。,ICEO=IC|IB=0,穿透电流ICEO与ICBO的关系：,参考资料，不讲,4. 集电极最大允许电流 ICM,5. 集-射极反向击穿电压U(BR)CEO,集电极电流 IC上升会导致三极管的值的下降，当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。,基极开路时，当集射极之间的电压UCE 超过一定的数值，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿电压U(BR) CEO。,5. 集电极最大允许耗散功耗PCM,集电极功耗：PC =IC UCE PCM PC的存在使集电结温度上升。消耗功率过大，温升过高会烧坏三极管。 PCM取决于三极管允许的温升。,硅管允许结温约为150C，锗管约为7090C。,PCM=ICUCE,安全工作区,由三个极限参数可画出三极管的安全工作区,参考资料，不讲,晶体管参数与温度的关系,1、温度每增加10C，ICBO增大一倍。硅管优 于锗管。,2、温度每升高 1C，UBE将减小 (22.5)mV， 即晶体管具有负温度系数。,3、温度每升高 1C， 增加 0.5%1.0%。,参考资料，不讲,1.5.3 简化的小信号模型,三极管工作在放大状态时可用电路模型来表征它的特性。,由于三极管集电极电流受基极电流控制，故电路分析中，采用一种称为受控源的电路无件来描述这种受控特性。,独立