电子技术基础知识分解.ppt

电子技术基本知识,半导体的导电特性,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。,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。,1.掺杂性,2.热敏性和光敏性,本征半导体（纯净和具有晶体结构的半导体）,本征半导体的结构特点,现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。,在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。,通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。,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。,形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，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。,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着，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,本征半导体的导电机理,自由电子,空穴,束缚电子,2.本征半导体的导电机理,在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的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，因此可以认为空穴是载流子。,本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。,温度越高，载流子的浓度越高。因此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。,（在本征半导体中自由电子和空穴成对出现，同时又不断的复合）,在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就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）。,杂质半导体,一、N型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷，晶体中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。,多余电子,磷原子,N型半导体中的载流子是什么？,1.由磷原子提供的电子，浓度与磷原子相同。,2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。,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,空穴,硼原子,P型半导体中空穴是多子，电子是少子。,三、杂质半导体的符号,PN结,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结的形成,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，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,P型半导体,N型半导体,所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，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)加正向电压（正偏）电源正极接P区，负极接N区,外电场的方向与内电场方向相反。外电场削弱内电场,耗尽层变窄,扩散运动漂移运动,多子扩散形成正向电流IF,PN结的单向导电性,(2)加反向电压电源正极接N区，负极接P区,外电场的方向与内电场方向相同。外电场加强内电场,耗尽层变宽,漂移运动扩散运动,少子漂移形成反向电流IR,在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故IR基本上与外加反压的大小无关，所以称为反向饱和电流。但IR与温度有关。,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。,半导体二极管,半导体二极管实物图片,PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。,点接触型,面接触型,基本结构,伏安特性,死区电压硅管0.5V,锗管0.1V。,导通压降:硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。,反向击穿电压UBR,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。,3.反向击穿电压UBR,二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压UWRM一般是UBR的一半。,2.反向工作峰值电压UBWM,保证二极管不被击穿时的反向峰值电压。,二极管的主要参数,4.反向电流IR,指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。,5.微变电阻rD,uD,rD是二极管特性曲线上工作点Q附近电压的变化与电流的变化之比：,显然，rD是对Q附近的微小变化区域内的电阻。,6.二极管的极间电容（结电容）,二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：势垒电容CB和扩散电容CD。,势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是势垒电容。,当外加电压发生变化时，耗尽层的宽度要相应地随之改变，即PN结中存储的电荷量要随之变化，就像电容充放电一样。,当外加正向电压不同时，PN结两侧堆积的少子的数量及浓度梯度也不同，这就相当电容的充放电过程。,电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来,扩散电容：为了形成正向电流（扩散电流），注入P区的少子（电子）在P区有浓度差，越靠近PN结浓度越大，即在P区有电子的积累。同理，在N区有空穴的积累。正向电流大，积累的电荷多。这样所产生的电容就是扩散电容.,CB在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置时，由于载流子数目很少，扩散电容可忽略。,PN结高频小信号时的等效电路：,势垒电容和扩散电容的综合效应,二极管：死区电压=0.5V，正向压降0.7V(硅二极管)理想二极管：死区电压=0，正向压降=0,二极管的应用举例1：二极管半波整流,二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。,二极管的应用举例2：,U,IZ,稳压误差,曲线越陡，电压越稳定。,UZ,稳压二极管,（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。,（5）最大允许功耗,稳压二极管的参数:,（1）稳定电压UZ,（3）动态电阻,在电路中稳压管只有与适当的电阻连接才能起到稳压作用。,反向电流随光照强度的增加而上升。,光电二极管,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。,发光二极管,半导体三极管,常见三极管的外形结构,实物照片,基极,发射极,集电极,NPN型,PNP型,基本结构,基区：较薄，掺杂浓度低,集电区：面积较大,发射区：掺杂浓度较高,发射结,集电结,NPN型三极管,PNP型三极管,符号,IC,V,UCE,UBE,RB,IB,EC,EB,一.一个实验,电流分配和放大原理,结论:,1.IE=IC+IB,3.IB=0,IC=ICEO,4.要使晶体管放大,发射结必须正偏,集电结必须反偏。,二.电流放大原理,EB,RB,EC,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。,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。,EB,RB,EC,集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。,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。,IB=IBE-ICBOIBE,ICE与IBE之比称为电流放大倍数,一.输入特性,工作压降：硅管UBE0.60.7V,锗管UBE0.20.3V。,死区电压，硅管0.5V，锗管0.1V。,三极管的特性曲线,二、输出特性,IC(mA),此区域满足IC=IB称为线性区（放大区）。,当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB。,此区域中UCEUBE,集电结正偏，IBIC，UCE0.3V称为饱和区。,此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBEIC，UCE0.3V,(3)截止区：UBE0、UGK0时,T1导通,ib1=ig,iC1=ig=ib2,ic2=ib2=ig=ib1,T2导通,形成正反馈,晶闸管迅速导通；,T1进一步导通,晶闸管开始工作时，UAK加反向电压，或不加触发信号（即UGK=0）；,晶闸管截止的条件：,（1）,（2）,晶闸管正向导通后，令其截止，必须减小UAK，或加大回路电阻，使晶闸管中电流的正反馈效应不能维持。,晶闸管具有单向导电性（正向导通条件：A、K间加正向电压，G、K间加触发信号）；,2.晶闸管一旦导通，控制极失去作用若使其关断，必须降低UAK或加大回路电阻，把阳极电流减小到维持电流以下。,结论,门电路,门电路是用以实现逻辑关系的电子电路，与我们所讲过的基本逻辑关系相对应，门电路主要有：与门、或门、与非门、或非门、异或门等。,在数字电路中，一般用高电平代表1、低点平代表0，即所谓的正逻辑系统。,分立元件门电路,门电路的基本概念,A、B、C条件都具备时，事件F才发生。,逻辑符号,“与”逻辑,F=ABC,逻辑式,真值表,二极管与门,设二极管的饱和压降为0.3伏。,A、B、C只有一个条件具备时，事件F就发生。,逻辑符号,“或”逻辑,F=A+B+C,逻辑式,真值表,二极管或门,A条件具备时，事件F不发生；A不具备时，事件F发生。,逻辑符号,“非”逻辑,逻辑式,真值表,三极管非门,嵌位二极管,（三极管的饱和压降假设为0.3V）,与非门,几种常用的逻辑关系逻辑,“与”、“或”、“非”是三种基本的逻辑关系，任何其它的逻辑关系都可以以它们为基础表示。,与非：条件A、B、C都具备，则F不发生。,或非：条件A、B、C任一具备，则F不发生。,异或：条件A、B有一个具备，另一个不具备则F发生。,1.体积大、工作不可靠。,2.需要不同电源。,3.各种门的输入、输出电平不匹配。,分立元件门电路的缺点,与分立元件电路相比，集成电路具有体积小、可靠性高、速度快的特点，而且输入、输出电平匹配，所以早已广泛采用。根据电路内部的结构，可分为DTL、TTL、HTL、MOS管集成门电路等。,TTL门电路,TTL与非门的基本原理,T1的内部结构,1.任一输入为低电平（0.3V）时,1V,不足以让T2、T5导通,1.任一输入为低电平（0.3V）时,1V,uo=5-uR2-ube3-ube43.6V高电平！,CT74LS00是一种典型的TTL与非门器件，内部含有4个2输入端与非门，共有14个引脚。,TTL与非门芯片,电动机电子保护装置,常用电子电路,其性能优良、工作可靠、使用安全，技术先进。保护范围；过载保护断相保护短路保护漏电保护,电动机电子综合保护装置的特点,电动机电子综合保护装置是一种以各种电子元件为基础，实现对电动机进行各种保护功能的装置,由取样与整定电路获得与温度或电流成正比的电压信号，通过过载鉴幅电路，判断是否过载。在已过载的情况下，使信号电压（必要时经过放大环节）输入定时电路，定时电路的作用主要是充分模拟电机的发热与冷却特性，在必须切断电源或可以重新送电时，定时电路通过后级动作鉴幅电路，将发出一个阶跃信号，使执行电路电动作，最后发出跳闸或恢复信号，完成过载保护或使过载后自复。,过载保护的基本原理,断相保护电路与过载保护电路比较，引入了不平衡鉴幅电路。因为流入电动机绕组电流不平衡，达到一定程度就是故障状态，而断一相则是最严重、最常见情况，故必须引入不平衡鉴幅电路。引入定时电路的目的是考虑到可能出现的瞬时不平衡状态。,断相保护电路的基本原理,因煤矿低压开关的过流保护是作为馈电开关的后备保护，因此在速动的前提下，仍要有一定的延时，故必须引入定时电路。此外，为了使过流保护具有自锁的特性，在动作鉴幅电路或执行电路中必须有记忆特性。,过流（短路）保护电路的基本原理,漏电闭锁只能在交流接触器分断后才投入，但由于电弧熄灭需要一定时间，电动机绕组断电产生的反电势及电动机的惯性在绕组产生剩磁电势，会对保护电路造成危害，故为安全起见，一般常在检测电路前增设延时闭合接点JS。,漏电闭锁保护电路基本原理,电动机电子综合保护装置的电子电路主要包括取样电路、鉴幅电路、放大电路定时电路记忆电路、执行电路及进行综合时所需要的逻辑控制电路和电源电路。,鉴幅电路在整个综合保护装置中占据十分重要的地位，除了要求温度变化与电压波动有较好的稳定性外还要求；1、具有良好的阶跃特性，使保护装置动作干脆。2、具有一定的可调节回差。3、具有较高的输入电阻。4、输出幅度大且具有一定的负载能力。,鉴幅电路的主要要求,1、稳压管鉴幅电路。2、稳压管与晶体管组合鉴幅电路。3、施密特电路射极耦合电路。4、JEC2集成触发器。5、集成运放鉴幅器。,鉴幅电路的常用电路,为了使电子保护装置具有很宽的整定范围，采用空心互感器，所以取出的电压信号非常微弱，为了使后级电路可靠工作，必须对过载信号进行放大。另外为了获得过载保护优良的反时限特性，要求20过载动作时间为20min，而50过载动作时间为3min，二者相差几乎7倍，可是如在整定电流时过载信号电压取3V，则20过载时取3.6V，50过载时取4.5V、二者相差仅0.9V，这样微小的电压差要获得相差7倍的动作时间，给定时电路的时间带来很大的困难。因此需要对信号电压进行放大，以增加不同过载时信号电压的差值。对放大电路的要求是；1、放大电路增益稳定，不随温度、电压等外部条件变化而变化。2、增益调节方便。3、有足够高的输入阻抗。