半导体二极管及半导体三极管放大电路.ppt

主要教学内容 电工电子 电工技术 电子技术 模拟电子技术数字电子技术 模拟电子技术教学内容 第一章半导体二极管和整流电路第二章半导体三极管和基本放大电路第三章集成运算放大器第四章正弦振荡电路第五章直流电源稳压 调压电路 核心 放大电路 数字电子技术教学内容 第六章逻辑门电路和组合逻辑电路第七章触发器和时序逻辑电路第八章脉冲信号的产生与整形第九章a d转换器和d a转换器 核心 逻辑电路的分析和设计方法常用数字芯片的使用 教学参考书 模拟电子技术基础 高教出版社华成英 童诗白 数字电子技术基础 高教出版社阎石 电子技术基础 高教出版社康华光 第一章 半导体二极管和整流电路 第一节 半导体二极管第二节 整流电路第三节 滤波电路第四节 稳压管和简单的稳压电路 能力目标 掌握二极管的单向导电性 能够识别常用半导体二级管的种类 第一节 半导体二极管 掌握检测二极管质量的技能及选用二极管的基本方法 导体 自然界中很容易导电的物质称为导体 金属一般都是导体 绝缘体 有的物质几乎不导电 称为绝缘体 如橡皮 陶瓷 塑料和石英 半导体 另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间 称为半导体 如锗 硅 砷化镓和一些硫化物 氧化物等 半导体的导电特性 半导体的导电机理不同于其它物质 所以它具有不同于其它物质的特点 例如 当受外界热和光的作用时 它的导电能力明显变化 热敏特性 光敏特性 往纯净的半导体中掺入某些杂质 会使它的导电能力明显改变 掺杂特性 本征半导体 一 本征半导体的结构特点 通过一定的工艺过程 可以将半导体制成晶体 现代电子学中 用的最多的半导体是硅 si 和锗 ge 它们的最外层电子 价电子 都是四个 本征半导体 完全纯净的 结构完整的半导体晶体 在硅和锗晶体中 原子按四角形系统构成晶体点阵 每个原子都处在正四面体的中心 而相邻四个原子位于四面体的顶点 每个原子与其相邻的原子之间形成共价键 共用一对价电子 硅和锗的共价键结构 共价键共用电子对 4表示除去价电子后的原子 共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中 称为束缚电子 常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子 因此本征半导体中的自由电子很少 所以本征半导体的导电能力很弱 共价键形成后 每个原子最外层电子是八个 构成稳定结构 共价键有很强的结合力 使原子规则排列 形成晶体 二 本征半导体的导电机理 在绝对0度 t 0k 和没有外界激发时 价电子完全被共价键束缚 本征半导体中没有可以运动的带电粒子 即载流子 它的导电能力为0 相当于绝缘体 在常温下 由于热激发 使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚 成为自由电子 同时共价键上留下一个空位 称为空穴 1 载流子 自由电子和空穴 自由电子 空穴 束缚电子 自由电子 空穴成对出现 2 本征半导体的导电机理 在其它力的作用下 空穴可吸引附近的电子来填补 其结果相当于空穴的迁移 而空穴的迁移相当于正电荷的移动 因此可认为空穴是载流子 本征半导体中存在数量相等的两种载流子 自由电子和空穴 自由电子 在晶格中运动 空穴 在共价键中运动 温度越高 载流子的浓度越高 本征半导体的导电能力越强 温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素 这是半导体的一大特点 本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度 本征半导体中电流由两部分组成 1 自由电子移动产生的电流 2 空穴移动产生的电流 n型半导体和p型半导体 在本征半导体中掺入某些微量的杂质 会使半导体的导电性能发生显著变化 其原因是掺杂半导体的某种载流子的浓度大大增加 p型半导体 空穴浓度大大增加的杂质半导体 也称为 空穴半导体 n型半导体 自由电子浓度大大增加的杂质半导体 也称为 电子半导体 一 n型半导体 多余电子 磷原子 n型半导体中的载流子是什么 1 由施主原子提供的电子 浓度与施主原子相同 2 本征半导体中成对产生的电子和空穴 因掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度 所以自由电子浓度远大于空穴浓度 自由电子称为多数载流子 多子 空穴称为少数载流子 少子 二 p型半导体 p型半导体中空穴是多子 电子是少子 三 杂质半导体的示意表示法 杂质型半导体中多子和少子的移动都可形成电流 但由于数量关系 起导电作用的主要是多子 受温度影响较小 一般近似认为多子与杂质浓度相等 pn结的形成 在同一片半导体基片上 分别制造p型半导体和n型半导体 经过载流子的扩散 在它们的交界面处就形成了pn结 pn结及其单向导电性 p型半导体 n型半导体 扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽 内电场越强 漂移运动就越强 而漂移的结果使空间电荷区变薄 当扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡时 空间电荷区的厚度固定不变 空间电荷区 n型区 p型区 电位v v0 1 空间电荷区中几乎没有载流子 2 空间电荷区中内电场阻碍p中的空穴 n区中的电子 都是多子 向对方运动 扩散运动 3 p区中的电子和n区中的空穴 都是少子 数量有限 因此由它们形成的电流很小 注意 pn结的单向导电性 pn结加上正向电压 正向偏置的意思都是 p区加正电压 n区加负电压 pn结加上反向电压 反向偏置的意思都是 p区加负电压 n区加正电压 一 pn结加正向电压 p n 内电场被削弱 多子扩散加强 能够形成较大的正向电流 二 pn结加反向电压 n p r e 内电场被加强 多子扩散受到抑制 少子漂移加强 但因少子数量有限 只能形成较小的反向电流 pn结的单向导电性 1 加正向电压时 pn结处于导通状态 呈低电阻 正向电流较大 2 加反向电压时 pn结处于截止状态 呈高电阻 反向电流很小 二极管 一 基本结构 pn结加上管壳和引线 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 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 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时 二极管被击穿 失去单向导电性 二 伏安特性 非线性 三 主要参数 1 最大整流电流if 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 超过后会引起pn结过热而损坏 2 反向工作峰值电压ur 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u br 的一半 点接触型d管为数十伏 面接触型d管可达数百伏 3 反向峰值电流ir 指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流 反向电流越大 说明二极管的单向导电性越差 反向电流受温度影响 温度越高反向电流越大 硅管的反向电流较小 几微安 锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍 二极管的应用 整流 检波 限幅 保护等 关键 判定二极管的工作状态 导通 截止 实际二极管 正向导通 硅0 6 0 7v锗0 2 0 3v 理想二极管 正向导通 管压降为零反向截止 相当于断开 四 二极管的电路分析 分析方法 1 断开二极管 2 分析其两端电位高低 v阳 v阴 导通v阳 v阴 截止 二极管的应用举例1 二极管半波整流 分析依据 二极管的单向导电性 假定为理想二极管 二极管的应用举例 二极管半波整流 非理想二极管 硅管 练习 已知 ui 10sinwtv 二极管为理想元件 试画出uo的波形 ui 5v uo ui 解 首先判断二极管何时导通 截止 ui 5v uo 5v 例 已知 管子为锗管 va 3v vb 0v 试求 vy 先判二极管谁导通 导通后二极管起嵌位作用 两端压降为定值 解 多个二极管时 压差大者优先导通 例 二极管的应用 检波 uo 第二节整流电路 1 半波整流 2 桥式整流 输入正半周 1 工作原理 2 波形 输入负半周 uo 3 参数估算 整流输出电压平均值 二极管平均电流 二极管最大反向压 4 简化画法 5 整流桥 把四只二极管封装在一起称为整流桥 二 滤波电路 1 电容滤波 v导通时给c充电 v截止时c向rl放电 电路和工作原理 滤波后uo的波形变得平缓 平均值提高 电容充电 电容放电 波形及输出电压 当rl 时 当rl为有限值时 通常取uo 1 2u2 rc越大uo越大 rl 为获得良好滤波效果 一般取 t为输入交流电压的周期 例8 1 单相桥式电容滤波整流 交流电源频率f 50hz 负载电阻rl 40 要求直流输出电压uo 20v 选择整流二极管及滤波电容 解 1 选二极管 选二极管应满足 if 2 3 id 可选 2cz55c if 1a urm 100v 或1a 100v整流桥 电流平均值 承受最高反压 2 选滤波电容 可选 1000 f 耐压50v的电解电容 2 其他形式滤波 电感滤波 整流后的输出电压 直流分量被电感l短路交流分量主要降在l上 电感越大 滤波效果越好 型滤波 c1 c2对交流容抗小 l对交流感抗很大 负载电流小时 三 整流滤波电路的参数关系 1 整流 2 电容滤波 当 uo 1 2u2 符号 稳压管进入稳压工作状态时 工作于反向击穿区 使用时要加限流电阻 稳压原理 稳压管反向击穿以后 电流变化很大 但其两端电压变化很小 稳压二极管 特殊的二极管 反向击穿时 稳压管并不一定损坏 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 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 uzizm rz愈小 曲线愈陡 稳压性能愈好 稳压二极管的主要参数 例 已知 uz 12v izm 18ma r 1 6k 试求 iz 限流电阻r的阻值是否合适 解 iz 20 uz r 20 12 1 6x103 5ma因 iz izm故 限流电阻r的阻值合适 联立方程 可解得 uimin 0 8ui 流过稳压管的电流为izmin 能力目标 掌握半导体三极管的放大原理 能够识别常用半导体三级管的种类 任务二十四 半导体三极管 掌握检测三极管的质量及选用方法 一 三极管的基本结构和分类 发射极e 基极b 集电极c 发射结 集电结 基区 发射区 集电区 emitter base collector npn型 pnp型 分类 按材料分 硅管 锗管按结构分 npn pnp按使用频率分 低频管 高频管按功率分 小功率管1w 二 三极管的放大作用 1 三极管放大的条件 以npn型三极管为例讨论 三极管若实现放大 必须从三极管内部结构和外部所加电源的极性来保证 不具备放大作用 三极管内部结构要求 1 发射区高掺杂 2 基区做得很薄 通常只有几微米到几十微米 而且掺杂较少 三极管放大的外部条件 外加电源的极性应使发射结处于正向偏置状态 而集电结处于反向偏置状态 3 集电结面积大 实验 共射极放大电路 表2 1三极管各极电流实验数据 ic 2 三极管内部载流子的传输过程 1 发射区向基区注入多子电子 形成发射极电流ie icn 多数向集电结方向扩散形成icn ie 少数与空穴复合 形成ibn ibn 基区空穴来源 基极电源提供 ib 集电区少子漂移 icbo icbo ib ibn ib icbo 即 ib ibn icbo 3 集电区收集扩散过来的载流子形成集电极电流ic ic ic icn icbo 2 电子到达基区后 基区空穴运动因浓度低而忽略 三 三极管的特性曲线 ib f ube uce 常数 2 当uce 1v时 ucb uce ube 0 集电结已进入反偏状态 开始收集电子 基区复合减少 在同样的ube下ib减小 特性曲线右移 1 当uce 0v时 相当于发射结的正向伏安特性曲线 输入特性曲线 ic f uce ib 常数 输出特性曲线 输出特性曲线的三个区域 晶体管三种工作状态 a 放大 b 截止 c 饱和 npn型 集电极电位最高 发射极电位最低 pnp型 发射极电位最高 集电极电位最低 四 晶体三极管的主要参数 1 电流放大系数 直流电流放大系数 交流电流放大系数 一般为几十 几百 q 2 极间反向电流 icbo为发射极开路时集电极与基极之间的反向饱和电流 iceo为基极开路时集电极与发射极之间的穿透电流 3 极限参数 1 icm 集电极最大允许电流 超过时 值明显降低 u br cbo 发射极开路时c b极间反向击穿电压 2 pcm 集电极最大允许功率损耗 pc ic uce 3 u br ceo 基极开路时c e极间反向击穿电压 u br ebo 集电极极开路时e b极间反向击穿电压 u br cbo u br ceo u br ebo 已知 icm 20ma pcm 100mw u br ceo 20v 当uce 10v时 ic ma当uce 1v 则ic ma当ic 2ma 则uce v 10 20 20 例1 50 usc 12vrb 70k rc 6k 当usb 2v 2v 5v时 晶体管处于何种工作状态 解 当usb 2v时 ib 0 ic 0 截止 当usb 2v时 假定在放大区 假定成立 放大 例1 50 usc 12vrb 70k rc 6k 当usb 2v 2v 5