《电子电路辅导课件》PPT课件

1,电子电路,模拟电子技术,2,电子技术由模拟电子技术和数字电子技术两部分构成。两者的区别在于所处理的信号不同：前者处理的是模拟信号（在时间上或数值上连续变化的信号），相应的电路称为模拟电路；后者处理的是数字信号（在时间上或数值上都是不连续的，即所谓离散的信号），相应的电路称为数字电路。,(1-3),1.半导体基本知识和PN结,1）导体、半导体和绝缘体,物质按其导电性能分类,可分为导体、绝缘体和半导体。,半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间。其内部存在有两种载流子：自由电子和空穴。在常态下，它们的导电能力很弱，更接近于绝缘体；但在掺入杂质(其它元素)、受热、光照或受到其它条件影响后，它的导电能力将明显增强而接近于导体。,一、半导体基础和常用半导体器件,(1-4),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。比如：,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（其它元素），会使它的导电能力明显改变。,(1-5),通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。,完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。,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，它们共用一对价电子。,(1-6),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,(1-7),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8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。,(1-8),本征半导体的导电机理,自由电子,空穴,被束缚电子,(1-9),本征半导体的导电机理,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（单位体积内的载流子数量）。,(1-10),2）杂质半导体,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。,使自由电子浓度大大增加的杂质半导体称为N型半导体（电子型半导体），使空穴浓度大大增加的杂质半导体称为P型半导体（空穴型半导体）。,(1-11),N型半导体,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。,3、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）。,(1-12),P型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼B（或铟In），晶体点阵中的某些半导体原子被硼原子或铟原子（杂质）所取代；硼原子的最外层有三个价电子，与相临的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。,(1-13),总结,1、N型半导体中电子是多子，其中大部分是所掺杂质提供的电子，本征半导体产生的电子只占少数。N型半导体中空穴是少子，少子的迁移也能形成电流，由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。,2、P型半导体中空穴是多子，电子是少子。,(1-14),3）PN结,PN结的形成,在同一片半导体基片上，采用半导体工艺分别制造P型半导体（P区）和N型半导体（N区），经过多数载流子的扩散运动，在它们的交界面处就形成了PN结。,(1-15),空间电荷区,N型区,P型区,内电场,(1-16),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、N区加负电压(P+,N-)。,PN结加上反向电压、反向偏置的意思都是：P区加负、N区加正电压(P-,N+)。,(1-17),结论：,所谓PN结的单向导电性是指：1.PN结外加正向电压（正向偏置，即P+，N-）时PN结导通，其正向导通电阻很小，有较大的正向电流通过（主要由多数载流子组成）；2.PN结外加反向电压（反向偏置，即P-，N+）时PN结截止，其反向电阻很大，只流过很小的反向电流（主要由少数载流子组成）；此电流很小，常可视为0。,(1-18),2.半导体二极管,(1)、基本结构,PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。,点接触型,(1-19),面接触型,阳极,阴极,(1-20),(2)、伏安特性,门槛电压（死区电压）Uth硅管0.5V,锗管0.2V。,导通电压（压降）UDon硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。,反向击穿电压U(BR),(1-21),(3)、主要参数,1）额定正向平均电流（最大整流电流）IF,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）最高反向工作电压UR保证二极管安全工作时允许外加的最高反向电压值。一般取UR=(1/22/3)U(BR)。,(1-22),3）反向电流IR,指二极管外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，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，锗管的反向电流要大几十到几百倍。,以上均是二极管的直流参数。二极管的应用主要是利用它的单向导电性,包括整流、限幅、保护等。,4)最高工作频率fM,保证二极管的单向导电作用的最高工作频率。,(1-23),(4)二极管的应用举例,二极管是电子线路中常用的基本半导体器件之一。它被广泛应用于整流、检波、箝位、限幅以及数字开关电路中。例二极管箝位电路右图电路中，设DA、DB都是硅二极管；求下列几种情况下电路输出端的电位VF。1)VA=VB=0V;2)VA=3V,VB=0V;3)VA=VB=3V,(1-24),解：,1）此时DA,DB均导通，VF=0+0.6=0.6V2）此时DB导通，DA截止，VF=0+0.6=0.6V3）此时DA,DB均导通，VF=3+0.6=3.6V电路中，利用二极管正向导通压降很小的特点，使输出端F的电位维持在一个不变的数值上，这就是二极管的箝位作用。在第2）题中，DB就起着箝位作用，而DA则起着隔离作用。,(1-25),例二极管限幅电路右示电路中,ui=5sintV,D为理想二极管,E=2V;试画出uo波形。解当uiE时，D导通，uo=ui；当uiE时，D截止，uo=E。因此可画得uo波形如右。本例中，利用二极管的单向导电特性，使uoE，这就是二极管的限幅作用。,ui/V,0,t,E,u0/V,E,t,5,2,-5,5,2,0,D,R,E,+,_,+,_,ui,uo,+,_,(1-26),特殊二极管,稳压二极管,U,UZ,IZ,稳压误差,曲线越陡，电压越稳定。,-,符号及伏安特性,稳压工作区,(1-27),稳压二极管的参数,（1）稳定电压UZ,（3）动态电阻,（4）稳定电流IZ；最大、最小稳定电流Izmax、Izmian。,（5）最大允许功耗,(1-28),光电二极管,反向电流随光照强度的增加而上升。,(1-29),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。,(1-30),3.双极型晶体管(半导体三极管),1）基本结构,基极,发射极,集电极,NPN型,PNP型,(1-31),NPN型三极管,PNP型三极管,(1-32),（1）输入特性,死区电压:硅管0.5V，锗管0.2V。,导通电压UBE(on)：硅管UBE(on)0.60.7V,锗管UBE(on)0.20.3V。,(1-33),（2）输出特性,IC(mA),此区域满足IC=IB称为线性区（放大区）；发射结正偏，集电结反偏。,当UCE大于一定的数值时IC只与IB有关，IC=IB。,(1-34),此区域中UCEUBE,发射结、集电结均正偏，IBIC，UCE0.3V称为饱和区。,(1-35),此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBE死区电压，称为截止区。此时，发射结、集电结均反偏。,(1-36),小结：,1.三极管有三个工作区：放大区、饱和区和截止区；,2.三极管工作在放大区时：发射结正偏，集电结反偏；对NPN管，集电极（c）的电位最高，基极（b）电位其次，发射极（e）电位最低；对PNP管，集电极（c）的电位最低，基极（b）电位其次，发射极(e)电位最高；,(1-37),3.三极管工作在饱和区时：发射结和集电结都正偏；对NPN管，基极（b）的电位最高，集电极（c）和发射极（e）的电位都低于基极（b）的电位；对PNP管，基极（b）的电位最低，集电极（c）和发射极(e)电位都高于基极（b）的电位；,4.三极管工作在截止区时：发射结和集电结都反偏；对NPN管，基极（b）的电位最低，集电,(1-38),极（c）和发射极（e）的电位都高于基极（b）的电位；对PNP管，基极（b）的电位最高，集电极（c）和发射极(e)电位都低于基极（b）的电位。,三极管工作于放大区时各极电位情况,+,+,_,_,_,+,NPN,PNP,(1-39),（3）主要参数,前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。,共射直流电流放大系数：,1.电流放大系数和,_,(1-40),工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为IB，相应的集电极电流变化为IC，则交流电流放大系数为：,(1-41),例：UCE=6V时：IB=40A,IC=1.5mA；IB=60A,IC=2.3mA。,在以后的计算中，一般作近似处理：=,注意：前提是三极管工作在放大区。,(1-42),2.集-基极反向截止电流ICBO,ICBO是集电结反偏时由少子漂移形成的反向电流，它受温度变化的影响。,(1-43),3.集-射极反向截止电流ICEO（穿透电流）,ICEO=(1+)ICBO,(1-44),4.集电极最大电流ICM,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。,所以集电极电流应为：IC=IB+ICEO,而ICEO受温度影响很大，当温度上升时，ICEO增加很快，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。,以下三个参数为极限参数：,(1-45),5.集-射极反向击穿电压,当集-射极之间的电压UCE超过一定的数值时，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。,6.集电极最大允许功耗PCM,集电极电流IC流过三极管，所发出的焦耳热为：,PC=ICUCE,必定导致结温上升，所以对PC有限制。,PCPCM,(1-46),ICUCE=PCM,安全工作区,(1-47),4.单极型三极管（场效应管FET）场效应晶体管（FieldEffectTransistor缩写FET）简称场效应管。由一种多数载流子参与导电,也称为单极型晶体管。它是根据三极管的原理开发出的新一代放大元件，有3个电极栅极，漏极，源极，它的特点是栅极的输入电阻极高，采用二氧化硅材料的可以达到几百兆欧，它属于电压控制型（电场效应控制型）半导体器件。,(1-48),特点:具有输入电阻高（100M1000M）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽、热稳定性好等优点,现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者.,分类：场效应晶体管可分为结型场效应管和MOS型场效应管。而MOS场效应管又分为N沟道耗尽型和增强型、P沟道耗尽型和增强型四大类。,(1-49),(1-50),参阅教材p.4244表2.2.1,(1-51),