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电工学 秦曾煌主编黄怡然主讲hyr 2000 电子技术 目前最基本的电子器件主要有三大类 电子管也称为真空管 Vacuumtube 它是在一个抽成真空的玻璃泡中封有一些电极而制成的 图1是各种真空管的照片 真空管是第一代电子器件 Specialforyou 半导体器件是二十世纪五十年代发展起来的 特别是1948年晶体管 Transistor isshortfor TransferResistor 的发明 对电子技术的发展起到了决定性的作用 图2和图3是各种半导体二极管和三极管的照片 图2各种半导体二极管的照片 图3各种半导体三极管的照片 Specialforyou 随后在半导体器件的基础上发展起来的集成电路 使电子技术进入了一个新的里程碑 集成电路的不断发展 从小规模集成电路到中规模 大规模集成电路 以及发展到超大规模集成电路 可以把过去一台仪器所包括的电子电路集成到一块芯片之中 图4是各种集成电路的照片 图4各种集成电路的照片 Specialforyou Applications 这是一个和电子有关的科技时代 每天都有很多激动人心的故事在上演 很多公司在倒闭 也有很多新产品在诞生 在这个纷繁喧嚣的社会里 你不是别人 你是你自己 绪论 课程目的 掌握电子技术领域中的基本概念 基本电路 基本分析方法和基本实验技能 具有能够继续深入学习和接收电子技术新发展的能力 为下一步的学习以及今后从事的专业工作打下必要的基础 绪论 主要内容 电子技术基础包括模拟电子技术和数字电子技术两大部分 模拟信号 幅值和时间都连续变化的信号 模拟电路数字信号 幅值和时间都离散的信号 数字电路 学习方法 以听课为线索建立工程的概念 能够合理近似特别注意电路原理在电子电路分析中的应用 考试方法及要求 平时成绩 30 笔试闭卷 70 会看 定性分析会算 定量计算会选 电路形式 器件 参数会调 测试方法 仪器选用 绪论 绪论 模电部分的研究内容 1半导体器件 二极管三极管 晶体管 2分立元件电路 共射 共基 共集电极放大电路差分放大电路功率放大电路3集成电路 集成运算放大器4电子电路中的反馈5直流稳压电源 模拟电子技术基础 研究模拟电路的构成原理 分析方法以及模拟电路对其传输或处理的模拟信号的影响 是一门工程性 技术性 经验性 实用性相结合的课程 新概念多 知识点多 入门较难 对初学者有一定的难度 第14章二极管和晶体管 14 1半导体的导电特性14 2PN结及其单向导电性14 3二极管14 4特殊二极管14 5晶体管 14 1半导体的导电特性 14 1半导体的导电特性 一半导体 1从导电性能上看 通常可将物质分为3类 2半导体的导电能力受外界影响形成各种应用 热敏电阻 温度影响 光敏电阻 光影响 二极管 三极管 杂质影响 下一页 返回 上一页 3根据半导体中是否掺入杂质元素可分为 二本征半导体 1概念 完全纯净的 具有晶体结构的半导体称为本征半导体 用的最多的是锗和硅 2原子结构图 Si 14 和Ge 32 的最外层轨道上都有4个电子 由于外层电子受原子核的束缚力最弱 称为价电子 14 1半导体的导电特性 下一页 返回 上一页 3晶体结构 共价键结构 共价键 每相邻两个原子都共用一对价电子 形成共价键结构 14 1半导体的导电特性 下一页 返回 上一页 晶体中原子的排列方式 硅单晶中的共价健结构 绝对温度 273 T 0K时共价键结构非常稳定 所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中 这时半导体不能导电 相当于绝缘体 4本征激发 当温度升高T 0K或受到光的照射时束缚电子能量增高 便有一些价电子可以挣脱原子核的束缚 成为自由电子 自由电子产生的同时 在其原来的共价键中就出现了一个空位 称为空穴 自由电子 空穴 这一现象称为本征激发 也称热激发 与本征激发相反的现象 复合 在一定温度下 本征激发和复合同时进行 达到动态平衡 电子空穴对的浓度一定 自由电子数 空穴数本征激发的动画演示 注意 由于自由电子和空穴总是成对出现 整个半导体对外仍处于中性 温度越高 载流子数目越多 导电性能越好 所以温度对半导体器件性能影响很大 14 1半导体的导电特性 下一页 返回 上一页 5导电过程 在外电场的作用下半导体是靠自由电子和空穴的移动来导电的 1 自由电子定向移动形成电流 2 空穴定向移动形成电流动画演示 电子流 空穴流 14 1半导体的导电特性 下一页 返回 上一页 三杂质半导体 本征半导体中载流子的数量很少 导电能力很低 如果在其中掺入微量杂质 其导电能力将大大增强 根据掺入杂质种类的不同 可以分为两大类 N型半导体 P型半导体 14 1半导体的导电特性 下一页 返回 上一页 1N型半导体 电子型 在本征半导体中掺入五价杂质元素 如磷 形成N型半导体 因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子形成共价键 而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子 N型半导体因为自由电子数目的大量增加而提高导电性能 14 1半导体的导电特性 下一页 返回 上一页 多余电子 磷原子 2P型半导体 空穴型 在本征半导体中掺入三价杂质元素 如硼 形成P型半导体 硼有3个价电子 故在形成的共价键结构时 因少一个电子而产生一个空穴 P型半导体以空穴导电作为主要导电方式 又称空穴型半导体 注意 无论P型 N型半导体 整个晶体仍然是不带电的 14 1半导体的导电特性 下一页 返回 上一页 硼原子 空穴 杂质半导体的示意图 多子 电子 少子 空穴 多子 空穴 少子 电子 少子浓度 与温度有关 与掺杂无关 多子浓度 与温度无关 与掺杂有关 在半导体中掺杂是提高半导体导电能力的最有效方法 14 1半导体的导电特性 下一页 返回 上一页 14 2PN结及其单向导电性 14 2PN结及其单向导电性 一PN结的形成 在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质 分别形成P型半导体和N型半导体 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 PN结是晶体二极管及其它半导体的基本结构 在集成电路中极其重要 PN结 下一页 返回 上一页 1PN结形成的物理过程 交界面两侧载流子存在浓度差 耗尽层 14 2PN结及其单向导电性 下一页 返回 上一页 PN结内存在两种载流子的运动 PN结的形成过程动画演示 14 2PN结及其单向导电性 下一页 返回 上一页 多子的扩散运动 浓度差 少子的漂移运动 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 二PN结的单向导电性 1PN结加正向电压 正偏 P区接正电源 N区接负 PN结呈现低阻导通状态 14 2PN结及其单向导电性 下一页 返回 上一页 14 2PN结及其单向导电性 2PN结加反向电压 反偏 P区接负电源 N区接正 PN结呈现高阻截止状态 下一页 返回 上一页 14 2PN结及其单向导电性 PN结加正向电压时 具有较大的正向扩散电流 呈现低电阻 PN结导通 PN结加反向电压时 具有很小的反向漂移电流 呈现高电阻 PN结截止 由此可以得出结论 PN结具有单向导电性 单向导电性动画演示 下一页 返回 上一页 14 3二极管 14 3二极管 将PN结上加入相应的电极引线和管壳 就成为二极管 一二极管的基本结构 点接触型二极管 PN结面积小 结电容小 用于检波和变频等高频电路 1常见的三种基本结构 下一页 返回 上一页 面接触型二极管 PN结面积大 用于工频大电流整流电路 14 3二极管 下一页 返回 上一页 硅平面型二极管 用于集成电路制造工艺中 PN结面积可大可小 用于高频整流和开关电路中 14 3二极管 下一页 返回 上一页 2二极管的表示符号 曾用符号 3二极管常见外形图 14 3二极管 下一页 返回 上一页 D 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 死区电压 反向电流在一定电压范围内保持常数Is 硅0 6 0 8V锗0 2 0 3V 二二极管的伏安特性 伏安特性 描绘二极管两端电流与端电压之间的关系或曲线 14 3二极管 下一页 返回 上一页 说明 1 二极管与PN结伏安特性的区别 二者均具有单向导电性 但由于二极管存在半导体体电阻和引线电阻 正向偏置在电流相同的情况下 二极管端电压大于PN结的端电压 或者说在相同正向偏置下 二极管电流小于PN结电流 另外 二极管表面存在漏电流 其反相电流增大 2 温度对二极管伏安特性的影响 二极管的特性对温度很敏感 环境温度升高时 二极管正向特性曲线左移 反向特性曲线下移 下一页 返回 上一页 14 3二极管 三二极管的主要参数 1最大整流电流IOM二极管允许通过的最大正向平均电流 2反向工作峰值电压URWM二极管允许通过的最大反向电压 一般为反向击穿电压的1 2或1 3 3反向峰值电流IRM二极管在URWM工作时的反向电流值 越小单向导电性越好 14 3二极管 下一页 返回 上一页 二极管的单向导电性 1 二极管加正向电压 正向偏置 阳极接正 阴极接负 时 二极管处于正向导通状态 二极管正向电阻较小 正向电流较大 2 二极管加反向电压 反向偏置 阳极接负 阴极接正 时 二极管处于反向截止状态 二极管反向电阻较大 反向电流很小 3 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 4 二极管的反向电流受温度的影响 温度愈高反向电流愈大 14 3二极管 下一页 返回 上一页 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 14 3二极管 下一页 返回 上一页 V1P 6V V2P 12VV1N V2N 0VUD1 6V UD2 12V UD2 UD1 D2优先导通 D1截止 若忽略管压降 二极管可看作短路 UAB 12V 例1 D1承受反向电压为 6V 流过D2的电流为 求 UAB 在这里 D2起钳位作用 D1起隔离作用 14 3二极管 下一页 返回 上一页 ui 8V 二极管导通 可看作短路uo 8Vui 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2 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8V 14 3二极管 下一页 返回 上一页 14 4特殊二极管 14 4特殊二极管 一稳压二极管 齐纳二极管 稳压二极管是工作在反向击穿区的一种特殊二极管 1表示符号 2伏安特性 正向同二极管 稳定电压 当稳压二极管工作在反向击穿状态下 工作电流IZ在Izmax和Izmin之间变化时 其两端电压近似为常数 稳压 由于稳压二极管工作在反向击穿区 故二极管一般反向接入电路 注意 反偏电压 UZ 反向击穿 下一页 返回 上一页 3主要参数 稳定电压UZ 正常工作下稳压管两端的反向电压值 稳定电流IZ 最大稳定电流 最大耗散功率PZM 不发生热击穿的最大功率 PZM UZIZM 动态电阻rZ 稳压管两端电压变化量与相应电流变化量的比值 rZ UZ IZ值越小 稳压效果越好 电压温度系数 稳压值受温度变化影响的的系数 越大稳压效果越好 小于Izmin时不稳压 PZM UZIZM 14 4特殊二极管 下一页 返回 上一页 例1 稳压管的技术参数 负载电阻RL 600 求限流电阻R取值范围 解 14 4特殊二极管 下一页 返回 上一页 使用时要加限流电阻 14 4特殊二极管 例2 现有两个稳压二极管 稳压值为3v 5V 正向导通压降为0 7V 配合适的电源 电阻 可得到几种输出电压 2双管 稳压管反接 3V5V 稳压管正接 0 7V 解 1单管 两只稳压管串联 稳压管正接 0 7 0 7 1 4V 稳压管反接 3 5 8V 稳压管一正一反 3 0 7 3 7V5 0 7 5 7V 两只稳压管并联 稳压管反接 5 3 2V 稳压管一正一反 3 0 7 2 3V5 0 7 4 3V 二发光二极管 有正向电流流过时 发出一定波长范围的光 目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光 它的电特性与一般二极管类似 应用 半导体光源 反向电流随光照强度的增加而上升 应用 光电检测 三光电二极管 14 4特殊二极管 下一页 返回 上一页 14 5晶体管 半导体三极管又称晶体三极管 简称晶体管或三极管 是具有两个PN结的电子器件 在三极管内 有两种载流子 电子与空穴 参与导电 故又称为双极型三极管 简记为BJT 英文Bipo1arJunctionTransistor的缩写 属于电流控制型器件 三极管的基本功能是具有电流放大作用 是各种电子线路的核心部件 14 5晶体管 下一页 返回 上一页 1946年1月 Bell实验室正式成立半导体研究小组 W Schokley肖克莱 J Bardeen巴丁 W H Brattain布拉顿 Bardeen提出了表面态理论 Schokley给出了实现放大器的基本设想 Brattain设计了实验 1947年12月23日 第一次观测到了具有放大作用的晶体管 晶体管的发明 肖克莱 WilliamShockley 巴丁 JohnBardeen 布拉顿 WalterBrattain 晶体管的发明 晶体管的发明 二战结束时 诸多半导体方面的研究成果为晶体管的发明作好了理论及实践上的准备 1946年1月 依据战略发展思想 Bell实验室成立了固体物理研究组及冶金组 开展固体物理方面的研究工作 在系统的研究过程中 肖克莱根据肖特基的整流理论 预言通过 场效应 原理 可以实现放大器 然而实验结果与理论预言相差很多 经过周密的分析 巴丁提出表面态理论 开辟了新的研究思路 兼之对电子运动规律的不断探索 经过多次实验 于1947年12月实验观测到点接触型晶体管放大现象 第二年1月肖克莱提出结型晶体管理论 并于1952年制备出结型锗晶体管 从此拉开了人类社会步入电子时代的序幕 1956年诺贝尔物理学奖授予美国加利福尼亚州景山 MountainView 贝克曼仪器公司半导体实验室的肖克莱 WilliamShockley 1910 1989 美国伊利诺斯州乌尔班那伊利诺斯大学的巴丁 JohnBardeen 1908 1991 和美国纽约州缪勒海尔 MurrayHill 贝尔电话实验室的布拉顿 WalterBrattain 1902 1987 以表彰他们在1947年12月23日发明第一个对半导体的研究和PNP点接触式Ge晶体管效应的发现 晶体管的发明 世界上第一个Ge点接触型PNP晶体管 晶体管的发明 一晶体管的基本结构 三极管的基本类型有两种 NPN型和PNP型 最常见的有平面型和合金型 14 5晶体管 下一页 返回 上一页 由两个N型区和一个P型区构成三个区域 掺杂浓度较高的一个N型区称为发射区 E区 很薄且掺杂浓度很低的P型区称为基区 B区 掺杂浓度较低的另一个N型区称为集电区 C区 由这三个区域各引出三个电极和两个PN结 发射极 Emitter E e 基极 Base B b 集电极 Collctor C c E发射极 B基极 C集电极 发射结 BE结 集电结 CB结 符号 箭头表示极性 即为PN结的指向 14 5晶体管 下一页 返回 上一页 T 基区 最薄 掺杂浓度最低 发射区 掺杂浓度最高 集电区 面积最大 1NPN型 多为平面型硅管 3三级管的特点 以上特点也是三极管放大作用的内部条件 14 5晶体管 下一页 返回 上一页 2PNP型 多为合金型锗管 使发射区的掺杂浓度最高 以有效地发射载流子 基区很薄 杂质浓度很小 以有效地传输载流子 使集电区面积最大 且掺杂浓度小于发射区 以有效地收集载流子 二晶体管的电流分配和放大原理 1放大条件 内部条件 基区要求很薄 掺杂浓度很小外部条件 发射结正偏 集电结反偏 采用NPN型管以共射极电路为例 共射 指输入回路和输出回路以发射极为公共端 接地 14 5晶体管 下一页 返回 上一页 2各电极电流关系及电流放大作用 结论 1 三电极电流关系IE IB IC2 IC IB IC IE3 IC IB 把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大变化的特性称为晶体管的电流放大作用 14 5晶体管 下一页 返回 上一页 3内部载流子的传输过程 iep ien 发射区向基区扩散载流子 形成发射极电流Ie 发射结正偏 由于发射区杂质浓度比基区高得多 Iep和Ien相比 其值很小可以略 发射极电流Ie Ien Iep Ien 14 5晶体管 下一页 返回 上一页 电子在基区中的扩散与复合 注入到基区的载流子电子在靠近发射结一侧积累起来 形成一定的浓度梯度 靠发射结浓度高 靠集电结浓度低 浓度差使电子向集电结扩散 由于基区很薄 且掺杂浓度低 电子与空穴复合机会少 IB很小 在扩散过程中 有一部分电子与基区中的空穴复合 同时基区被复合掉的空穴由电源EB提供 形成复合电流IBE IB 这样保证大部分电子扩散到集电结 有利于放大 14 5晶体管 下一页 返回 上一页 ibe 集电区收集扩散过来的电子 因为集电结反偏 收集扩散到集电区边缘的电子 形成电流ICN 另外 集电结区的少子形成漂移电流ICBO 3电流分配关系 动画演示 下一页 上一页 ibe ice iCBO 4 1晶体管 返回 当管子制成后 发射区载流子浓度 基区宽度 集电结面积等确定 故电流的比例关系确定 4 三极管的电流放大系数 14 5晶体管 下一页 返回 上一页 ICE与IBE之比称为共发射极电流放大倍数 常用公式 基极电流对集电极电流的放大能力 放大外部条件 发射结正偏 集电结反偏 NPN型 UBE 0UBC 0c极电位最高 PNP型 UBE 0UBC 0c极电位最低 5PNP三极管的放大原理 与NPN型的工作原理基本相似只是电源极性接反即可 14 5晶体管 下一页 返回 上一页 14 5晶体管 例 当三极管工作在正常放大状态时 根据以下测得的各个极的端电压来判断三极管的类型 是NPN还是PNP管 是硅管还是锗管 b b b b e e e c c c c e 解 1NPNVC VB VE PNPVC VB VE 无论何种管子基极电位居中 2发射结导通正向压降 硅 UBE 0 7V 锗 UBE 0 3V 与基极电位差为这一数值的为发射极 并判断是硅管还是锗管 4集电极电位最高的是NPN型 集电极电位最低的是PNP型 3剩下的一个电极为集电极 NPN型 NPN型 PNP型 PNP型 硅管 硅管 锗管 锗管 下一页 返回 上一页 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 三三极管特性曲线 共射极接法 14 5晶体管 下一页 返回 上一页 发射极是输入回路 输出回路的公共端 共发射极电路 输入回路 输出回路 测量晶体管特性的实验线路 14 5晶体管 下一页 返回 上一页 1输入特性曲线 描述了在管压降UCE一定的情况下 基极电流iB与发射结压降uBE之间的函数关系 常数 14 5晶体管 下一页 返回 上一页 UCE 0时 与二极管正向特性相似 UCE取不同值时 可得一簇曲线 随UCE增大右移 UCE 1时 曲线与UCE 1的特性曲线接近 一般手册只给出UCE 0和UCE 1时的两条曲线 同样存在死区电压 Si管约为0 5V Ge管约为0 1V 正常工作下的管压降 NPN型硅管UBE 0 6 0 7VPNP型锗管UBE 0 2 0 3V 在基极电流iB一定的情况下 三极管输出回路集电极与发射极之间的电压UCE与集电极电流iC之间的关系曲线 即 2输出特性曲线 输出特性曲线为固定不同的iB值调电源 在同一坐标上画出的多条曲线簇 14 5晶体管 下一页 上一页 输出特性动画演示 返回 三极管工作的三个区域 放大区 发射结正偏 集电结反偏 正常工作状态 截止区 发射结反偏 集电结反偏 饱和区 发射结正偏 集电结正偏 当IB一定时 iC几乎不随vCE变化 具有恒流特性 iC随iB变化线性变化 IC IB IC受IB控制 IB 0 IC ICEO很小 IC不随IB变化 无放大作用 IB对IC控制作用消失 注 放大电路中三极管工作区域可通过三个电极的电位来判断 14 5晶体管 下一页 上一页 IB 0 20 A 放大区 深度饱和时 硅管UCES 0 3V 锗管UCES 0 1V 饱和区 截止区 返回 14 5晶体管 下一页 返回 上一页 例 判断三极管的工作状态 放大区 截止区 饱和区 例 UCC 6V RC 3k