二极管三极管晶闸管及其应用ppt课件

学习目标,重点难点,主要内容,本章小结,思考与练习,二极管、三极管及其应用,1,二极管、三极管及其应用,学习目标,了解半导体导电与导体导电的本质区别，了解P型半导体和N型半导体的电特点；掌握二极管的单向导电性，了解二极管伏安特性曲线；掌握稳压二极管稳压原理；了解发光二极管、光敏二极管的工作原理及相关应用。掌握单相半波整流电路、单相全波整流电路、三相半波整流电路和三相桥式整流电路的搭建及整流原理；了解汽车整流器的整流原理。,2,二极管、三极管及其应用,学习目标,掌握三极管电流放大特性，理解三极管输入特性和输出特性；掌握三极管电压放大原理；了解晶闸管电气特性及工作原理，了解晶闸管在汽车上的典型应用电路的搭建及工作原理。,3,二极管、三极管及其应用,（1）理解PN结的形成及其单向导电性；（2）掌握稳压二极管稳压电路的搭建；（3）掌握三极管共射极电压放大电路的搭建。（4）汽车电子电压调节器电路和电子闪光器电路的搭建及工作原理。,4,二极管、三极管及其应用,（1）二极管三相整流电路整流原理；（2）三极管共射极电压放大电路的放大原理及三极管开关原理。（3）汽车电子电压调节器电路和电子闪光器电路的搭建及工作原理。（4）三相桥式整流电路的搭建及整流原理；汽车整流器的整流原理。,5,二极管、三极管及其应用,一.半导体基础知识二.二极管三.二极管整流电路四.三极管五.三极管放大电路及开关电路六.晶闸管及其应用电路,6,一.半导体基础知识,一.半导体基础知识1.半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间，如：硅、锗、金属氧化物和金属硫化物等；半导体特性：,对温度敏感,热敏电阻,对光照敏感,光敏电阻,对压力敏感,压敏电阻,7,2.本征半导体1）定义：完全纯净的、具有晶体结构的半导体称为本征半导体；2）晶体结构（以Si为例）,一.半导体基础知识,掺入某种杂质后，导电能力增强。,半导体器件,8,一.半导体基础知识,硅原子,硅原子与硅原子之间通过共价键连接,硅单晶体中的共价键结构,最外层达到8个电子的稳定结构,9,一.半导体基础知识,由于价电子距离原子核较远，可挣脱原子核束缚，成为自由电子。,在电子挣脱共价键束缚成为自由电子后，共价键中留下一个空位，称为空穴；,带空穴的原子由于缺乏一个电子，带一个单位的正电荷；,10,一.半导体基础知识,空穴移动,11,一.半导体基础知识,在外电场的作用下，有空穴的A原子可以吸引相邻B原子中的价电子，B原子失去价电子成了带空穴的原子，B原子也可以由相邻C原子的价电子来递补，这样好像空穴由A原子运动到了C原子。,带空穴的A原子,带空穴的B原子,带空穴的C原子,空穴,空穴,价电子,价电子,空穴的移动与价电子的移动相反；,空穴的移动相当于正电荷的移动；,12,3）半导体导电在半导体的两端加外电压时，半导体内部出现两部分电流：一是电子的定向移动形成的电子电流，二是价电子的递补形成的空穴电流；,一.半导体基础知识,在半导体中，同时存在着电子导电和空穴导电；,自由电子和空穴统称为载流子；,13,一.半导体基础知识,3.N型半导体和P型半导体1）本征半导体：自由电子和空穴的数量极少，导电能力很低，需要掺入微量的元素，可使导电能力大大增强,2）根据掺入的杂质的不同，杂质半导体分为两大类：在半导体（例如：硅）中掺入磷（或其他五价元素）,14,一.半导体基础知识,在掺入磷元素的半导体中，自由电子的数目大大增加，自由电子导电称为主要导电方式，这种杂质半导体称为电子半导体或N型半导体；,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；,15,一.半导体基础知识,在半导体（例如：硅）中掺入硼（或其他三价元素）,硼原子与相邻硅原子构成共价键结构，将因缺少一个电子而产生一个空穴，于是在半导体中形成大量空穴。,16,一.半导体基础知识,以空穴为主要导电方式的半导体称为空穴半导体或P型半导体；,在P型半导体中，空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子；,17,4.PN结及其单向导电性1）PN结：将P型半导体和N型半导体结合在一起，在P型半导体和N型半导体的交界面形成一个特殊的薄层，称为PN结；,一.半导体基础知识,18,P型半导体和N型半导体的交界面处出现自由电子和空穴的浓度差。,一.半导体基础知识,由于浓度的差别，自由电子和空穴都要从浓度高的区域向浓度低的区域扩散。,于是在交界面附近形成了自由电子和空穴的扩散运动。,19,空穴：,一.半导体基础知识,P区,N区,扩散到,自由电子：,N区,P区,扩散到,扩散运动的结果：交界面附近的P区剩下带负电的杂质B原子；在交界面附近的N区剩下带正电荷的杂质P原子；,20,在交界面形成了一个空间电荷区，这个空间电荷区就是PN结；,一.半导体基础知识,PN结内部是一个电场，称为内电场；,N区,P区,指向,内电场方向：,内电场阻挡了进一步的扩散运动,21,内电场是怎么削弱扩散运动的？,一.半导体基础知识,扩散运动越强,形成的空间电荷区越宽,内电场越强,削弱了扩散运动,22,少数载流子在内电场的作用下，越过PN结进入对方的运动称为漂移运动；漂移运动使空间电荷区变窄；,一.半导体基础知识,P区,N区的空穴,内电场的作用,P区的自由电子,N区,23,扩散运动和漂移运动的比较,一.半导体基础知识,24,扩散运动与漂移运动的关系,一.半导体基础知识,扩散运动,形成空间电荷区,形成内电场,漂移运动,抑制,最后，扩散运动和漂移运动达到动态平衡；,25,一.半导体基础知识,扩散运动,形成空间电荷区，使之变宽,形成内电场,漂移运动,阻碍空间电荷区变宽,26,一.半导体基础知识,PN结形成过程：,27,一.半导体基础知识,PN结刚形成时，只有扩散运动，随着扩散运动的继续，逐步形成空间电荷区并逐渐变宽，内电场逐步增强，载流子在内电场的作用下开始漂移运动，漂移运动阻碍了空间电荷区进一步变宽，最后扩散运动和漂移运动达到动态平衡，空间电荷区宽度基本确定，PN结处于基本稳定状态。,28,从PN结的形成过程得到以下结论：,一.半导体基础知识,扩散运动,漂移运动,空间电荷区d变宽,扩散运动,漂移运动,=,空间电荷区d不变,扩散运动,漂移运动,0时，即A点电位高，B点电位低，电流路径：,三.二极管整流电路,当uEB,即给发射结加较小的正向偏压，给集电结加较大的反向偏压。,此时三极管才具有电流放大作用,69,用三个电流表分别测基极电流IB、集电极电流IC和发射极电流IE。调节可变电阻RP可得到多组测量值。,四.三极管,70,2）实验结论,四.三极管,三极电流满足：,基极电流IB增大时，集电极电流IC成相应比例相应增大，即IB与IC的比值保持不变；,称为三极管直流电流放大系数；,71,集电极电流的变化量与基极电流的变化量的比值为一常数，二者比值称为晶体管交流电流的放大系数；,四.三极管,一般情况下，,集电极电流IC较大变化,基极电流IB微小变化,引起,控制,72,四.三极管,当基极开路，即IB=0时，集电极电流IC很小，称为穿透电流，可忽略不计；,当,时，,所以，三极管可起到开关的作用,73,四.三极管,当IB过大时，IC保持不变，IB失去了对IC的控制作用；,74,3)产生IB、IC、IE三种电流的微观解释,四.三极管,发射区向基区扩散电子,发射结正偏,发射结自由电子扩散到基区,形成发射极电流IE,75,四.三极管,电子在基区扩散和复合,自由电子聚集发射结附近,自由电子扩散到集电结附近,当中一小部分电子被基区拉走,发射结自由电子扩散到基区,形成基极电流IB,76,四.三极管,集电区收集从发射区扩散过来的电子,集电结反偏,内电场增强,自由电子被拉入集电区,大部分电子扩散到集电结附近,形成集电极电流IC,77,3.三极管特性曲线,四.三极管,指三极管各极电压与电流之间的关系曲线；,1）输入特性曲线；,指当集射极电压UCE为常数时，基极电流IB和基射极电压uBE之间的关系曲线；当uCE1V时，不同的uCE值的输入特性曲线基本重合；,78,解释：当uCE1V时,集电结内电场足够大，可以把从发射结扩散到基区的绝大部分电子拉入集电区。此时若再增加uCE，只要uBE保持不变，则从发射区扩散到基区的电子数就一定，IB电流就不会再明显增加了。,四.三极管,79,2）输出特性曲线指当基极电流IB为常数时，集电极电流IC与集-射极电压uCE之间的关系曲线。,四.三极管,输出特性曲线划分为三个区域：截止区、放大区和饱和区；,80,四.三极管,截止区,当IB=0时曲线以下区域称为截止区；,在截止区，三极管的发射结和集电结都处于反偏；,81,四.三极管,放大区,当IB一定时，也就是UBE一定，从发射区扩散到基区的电子数一定，在uCE1V后，这些电子绝大部分被拉入集电区而形成IC，以至于再增加UCE，IC也不会有明显的增加；,当IB增加时，相应的IC也增加，曲线上移；,82,输出特性曲线近于水平部分是放大区,四.三极管,在放大区内：,发射结正偏；,集电结反偏：,83,当uCE0.5V,集电极反偏电压很小，对由发射区扩散到基区的载流子（电子）收集能力不足，造成载流子在基区大量积累，uCE稍有增加，IC增加很快。IB增加，IC几乎不变，即IC不受IB控制，三极管没有放大作用。,四.三极管,饱和区,时，三极管达到临界饱和状态。,时，处于过饱和状态。发射结和集电结都并处于,正向偏置状态。,84,4.三极管的主要参数1)电流放大系数,四.三极管,直流放大系数:,交流放大系数:,计算时,不加严格区分.,85,2)集电极-基极反向饱和电流ICBO,四.三极管,指发射极开路,集电极和基极两极间加反向电压时的电流;,集电结反偏,集电结进行漂移运动,形成反向电流ICBO,ICBO测量电路,86,基极开路时(IB=0)时,三极管集电极-发射极间的反向电流,.这个电流好像是从集电极直接穿透晶体管而到达发射极的,又称为穿透电流.,四.三极管,2)穿透电流ICEO(集-射极反向穿透电流),ICEO测量电路,集电结反偏,发射结正偏,电流从集电极穿透晶体管到达发射极,形成穿透电流ICEO,87,四.三极管,2)穿透电流ICEO微观解释,基极开路时，电源EC的电压大部分加在集电结上，发射结只分得一小部分正向电压。,集电结反偏,发射结正偏,集电结上形成漂移运动,集电区的空穴进入基区，形成反向电流ICBO,88,四.三极管,集电结反偏,发射结正偏,发射结上形成扩散运动,发射区自由电子扩散到基区形成电流ICEO,89,四.三极管,发射区扩散到基区的自由电子，形成电流ICEO,一部分电子与基区的空穴复合,一部分电子被电源拉到集电区,1：,集电区的空穴进入基区，形成反向电流ICBO,通过集电区到电源正极,90,四.三极管,得到电流ICBO和电流ICEO之间的关系：,4）集电极最大允许电流ICM,91,集电极电流超过一定值时，值要下降。当值下降到正常数值的2/3时的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM,四.三极管,集电极电流IC超过ICM时，三极管不一定要损坏，但是值要下降，导致三极管不能够正常工作。,5）集电极最大允许耗散功率PCM,集电极损耗功率为：,集电极最大允许耗散功率为：,92,四.三极管,三极管正常工作时：,93,1.共射极电压放大电路的组成,五.三极管基本放大电路,94,1）工作过程m1和m2是输入端，n1和n2是输出端，是四端网络；,五.三极管基本放大电路,无信号输入时，直流电源EB和EC保证了发射结正偏和集电结反偏，电路中有直流电，三极管处于放大状态；,直流电源EB和EC,保证发射结正偏和集电结反偏,三极管处于放大状态,电路中只有直流电,满足,95,五.三极管基本放大电路,有信号输入时，不断变化的电信号通过电容C1，电流信号与直流电流叠加，然后通过三极管进行放大，放大后的叠加电流通过电容C2，滤除直流电，只剩下信号电流，从n1和n2输出给负载；,输入信号,电容C1,与直流电叠加,通过三极管进行电流放大,电容C2滤除直流,通过负载RL,96,2）各元件的作用晶体管VT对电流放大，获得大电流。输入的能量小，输出地能量大，输出较大的能量来源于直流电源EC.,五.三极管基本放大电路,小电流,三极管,直流电源EC,大电流,提供能量,97,集电极电源EC保证集电结反偏，使晶体管处于放大状态；集电极电阻RC将已经放大的集电极电流的变化转变为电压的变化，以实现电压放大；一般为几千欧和几十千欧；基极电压EB使发射结处于正向偏置；基极电阻RB控制基极电流IB的大小，使放大电路获得合适的工作点；,五.三极管基本放大电路,98,电容C1和C2C1是用来隔断放大电路与信号源之间的直流通路，C2是用来隔断放大电路与负载之间的直流通路。,五.三极管基本放大电路,C1,三极管,交流成分和直流成分叠加,C2,信号源,负载,交流成分,交流成分,99,五.三极管基本放大电路,可改用一个直流电源供电,电路图如下：,100,4）三极管各极电压电流符号,五.三极管基本放大电路,101,2.基本放大电路分析放大电路有两种状态：静态和动态。静态指放大电路没有输入信号时的工作状态；动态指放大电路有输入信号时的工作状态；,五.三极管基本放大电路,1）静态分析放大电路无信号输入时，放大电路中都是直流电；放大电路在静态时的三极管的电压和电流称为静态工作点；,102,五.三极管基本放大电路,静态分析主要是指求IB、IC和UBE的值；,估算法求静态工作点,基极电流：,集电极电流：,集射极电压：,103,五.三极管基本放大电路,图解法求静态工作点,利用负载的伏安特性曲线和晶体管的输出特性曲线的交点确定静态工作点。此交点既符合晶体管电压和电流的关系也符合负载的电压与电流的关系,ab左边，IC和UCE的伏安特性曲线为晶体管的输出特性曲线；,ab右边为线性电路，IC和UCE的伏安特性曲线为一条直线；,104,负载线与晶体管的某条输出特性曲线的交点Q为放大电路的静态工作点，Q点对应的电流、电压值即为晶体管静态工作时电流值（IB、IC）和电压值UCE。,五.三极管基本放大电路,基极电流IB的大小不同，静态工作点Q的位置也不同。,105,【例6-1】如图所示共射电路中，已知VCC=20V，Rc=6.2k，Rb=510k，三极管为3DG100，=45。试求放大电路的静态工作点。,五.三极管基本放大电路,106,2）动态分析（一）图解法,五.三极管基本放大电路,输入信号通过C1,与直流电叠加,三极管电流放大,电容C2滤除直流,转变为电压信号,107,动态分析图解法,五.三极管基本放大电路,108,五.三极管基本放大电路,输入信号：,与直流叠加：,集电极电流：,集电极电压：,109,（1）交流负载线直流负载线反应的是静态时电流IC和电压UCE的变化关系，其,五.三极管基本放大电路,斜率为：,交流负载线反应的是动态时电流iC和电压uCE的变化关系，由于对交流信号C2可视作短路，RL与RC并联，故斜率为：,可得到：,110,交流负载线比直流负载线陡一些；并且都通过静态工作点Q；,五.三极管基本放大电路,111,（2）图解法分析过程,五.三极管基本放大电路,112,电压放大倍数为：,五.三极管基本放大电路,输入信号与输出信号相位相反；,（3）静态工作点与非线性失真失真：输出信号的波形与输入信号的波形不一致；原因：静态工作点不合适，信号太大；超出了晶体管输出特性曲线的范围，叫做非线性失真；,113,截止失真由于静态工作点Q的位置太低，在输入信号的负半周，三极管进入截止区输出波形产生失真，称为截止失真；,五.三极管基本放大电路,114,五.三极管基本放大电路,饱和失真由于静态工作点Q的位置太高，在输入信号的正半周，三极管进入饱和区，输出波形产生失真，称为饱和失真；,放大电路必须设置合适的静态工作点Q，大位置致选在交流负载线的中部；,115,（二）估算法（微变等效电路法）把非线性元件的晶体管组成的放大电路等效为一个线性电路，称为微变等效电路法；,五.三极管基本放大电路,116,三极管的发射结等效成一个电阻rbe，称为三极管的输入电阻，通过经验公式估算：,五.三极管基本放大电路,集电极电流：,输入信号电压：,输出信号电压：,其中：,电压放大倍数：,117,输入电阻ri信号源把产生的信号通过放大电路的输入端送入三极管，对于信号源来说，放大电路的输入端是负载，用等效电阻代替，称为放大电路的输入电阻ri。,五.三极管基本放大电路,输入电阻ri越小，就会从信号源获取更多的电流，增加了信号源的负担，所以输入电阻越大越好。,118,输出电阻越高，负载获取的电压就越小，负载功率就越小，所以放大电路的输出电阻越小越好。,五.三极管基本放大电路,输出电阻ro放大电路给负载供电，相对负载来说，放大电路输出端就是电源，电源的内阻，称为放大电路的输出电阻ro：,119,3.静态工作点稳定电路由于环境温度的变化使三极管的静态工作点发生移动，为了使静态工作点稳定在合适的位置，应设计一种能自动调整静态工作点的偏置电路；,五.三极管基本放大电路,Rb1和Rb2分别称为上、下偏置电阻；Re为发射极电阻；,基极电位：,B点电位只与偏置电阻和电源电压有关，与三极管参数无关；,120,在电路参数设置时，使,五.三极管基本放大电路,集电极电流:,VB基本恒定，IC也能保持恒定；调节过程如下：,121,五.三极管基本放大电路,4.射极输出器（射极跟随器）,122,1.三极管开关电路,五.三极管的应用,123,2.三极管多谐振荡器电路（三极管无稳态电路）,五.三极管的应用,124,3.汽车电气线路搭铁探测器电路,五.三极管的应用,125,6.晶体管电压调节器,五.三极管的应用,126,6.晶体管电压调节器,五.三极管的应用,127,7.磁脉冲式无触点电子点火系统,五.三极管的应用,128,7.磁脉冲式无触点电子点火系统,五.三极管的应用,129,7.磁脉冲式无触点电子点火系统,五.三极管的应用,130,7.磁脉冲式无触点电子点火系统,五.三极管的应用,131,8.电脑控制点火系统,五.三极管的应用,图3.3.1,132,单元1.晶闸管基本知识1.优点及应用（1）晶闸管是晶体闸流管的简称，又称可控硅（SCR），是一种大功率可控整流元件，只要给它的控制极以极小的电流，它就像闸门打开一样，让大电流通过。（2）优点：晶闸管具有体积小、重量轻、功耗低、寿命长、效率高和控制灵敏等优点，因此得到了广泛的应用。（3）应用：晶闸管在汽车电子设备中，起着电子开关、调压、调速和逆变等作用。,六.晶闸管及其应用,133,2.晶闸管的结构晶闸管是由三个PN结组成的半导体器件，其内部结构如图3-51(a)所示。它有是三个电极：由外层P区引出的电极为阳极A、外层N区引出的电极为阴极K、中间P区出的电极为控制极G（又称触发极或门极）。,六.晶闸管及其应用,134,3.晶闸管的导电实验,六.晶闸管及其应用,135,4晶闸管的导通、关断条件晶闸管导通时必须同时具备两个条件：（1）晶闸管阳极电路加正向电压。（2）控制极电路加适当的正向电压（实际工作中加正触发脉冲信号）。,六.晶闸管及其应用,136,5晶闸管的工作原理为说明晶闸管的工作原理，可把晶闸管看作是两个三极管PNP(VT1)管和NPN(VT2)管的组合。,六.晶闸管及其应用,137,6.晶闸管的主要参数（1）正向阻断峰值电压UFRM。在控制极断开和晶闸管正向阻断的情况下，允许重复加到晶闸管阳极与阴极之间的正向峰值电压。（2）反向阻断峰值电压URRM。在控制极断开的情况下，允许重复加到晶闸管阳极与阴极间的反向峰值电压。（3）额定正向平均电流IF。在环境温度不超过40和规定的散热条件下，晶闸管的阳极与阴极之间允许连续通过的工频正弦半波电流的平均值。（4）维持电流IH。在规定的环境温度和控制极断开的情况下，维持晶闸管继续导通所需要的最小阳极电流，称为维持电流。,六.晶闸管及其应用,138,单元二晶闸管在汽车电路中的应用,六.晶闸管及其应用,139,本章习题一、单项选择题（选择正确的答案，将相应的字母填入题内的括号中）1、半导体材料有（）种。A、1B、2C、32、N型半导体中，多数载流子是（）。A、空穴B、自由电子C、原子核3、P型半导体中，多数载流子是（）。A、空穴B、自由电子C、原子核4、PN结具有（）导电性。A、双向B、单向C、不导电5、三极管有（）PN结。A、1B、2C、3,六.晶闸管及其应用,140,6、三极管具有（）放大作用。A、电压B、电流C、功率7、三极管电流之间的关系是（）。A、；B、；C、8、三极管放大的条件是（）。A、发射极正偏、集电极反偏；B、发射极反偏、集电极正偏；C、无所谓。9、在饱和区三极管（）电流放大作用。A、有B、无C、不一定有10、在截止区三极管（）电流放大作用。A、有B、无C、不一定有,六.晶闸管及其应用,141,11、放大电路的静态是指（）信号时的状态。A、有B、无12、一只三极管的50，当时，集电极电流是（）。A、051B、0.5C、113、一只三极管的50，当时，发射极电流是（）。A、051B、0.5C、114、