电子技术电工电子技术(第3版)

1,第三部分电子技术,本部分课程内容主要是学习电子电路的基本知识和基本技能，为学习本专业后续课程及今后从事岗位技术工作打下基础。,重视实验重视工程实践能力的培养。,2,第六章常用半导体器件,PN结的单向导电性,绝缘栅场效应管的特点,晶体管的电流放大作用、特性、参数和分析方法,二极管的伏安特性、参数和分析方法,主要内容,注意:从“使用”的角度出发，了解半导体器件的外部特性，学习使用方法。,3,6-1PN结的单向导电性,PN结是构成各种半导体器件的基础与核心,PN结最基本、最主要的性质是,一.半导体的导电特性,单向导电性,搀杂性,在纯净的半导体材料中,掺入微量的某些元素(例如百万分之一),就可以使其导电能力增加几十万乃至几百万倍。,4,硅（Si）和锗（Ge）,(一)本征半导体,共价键结构,本征半导体高度纯净、晶体结构完整、排列整齐,的半导体,空间三维菱形结构,平面图表示,4价元素,5,(二)本征激发本征半导体导电特性,（1）本征激发环境温度升高，半导体受到热激发产生。,(3)在常温下,本征激发产生的电子空穴对浓度低,半导体的导电能力差。随着外界温度的升高，电子空穴对浓度增大，半导体的导电能力相应增加。,6,二.两种杂质半导体,根据掺入杂质的不同，杂质半导体有两种。,在本征半导体中掺入某些微量杂质元素,即可使其导电,能力显著增强，这种半导体称为杂质半导体。,（一）N型半导体,掺入5价微量元素,如磷(P),形成N型半导体。,在N型半导体中电子载流子浓度极高，而由本征激发产生的空穴载流子浓度低，二者相差十分悬殊。,7,（二）P型半导体,掺入微量3价元素如硼(B),形成P型半导体。,在P型半导体中空穴载流子浓度极高，而由本征激发产生的电子载流子浓度低，二者相差十分悬殊。,三.PN结的单向导电性,PN结呈现高阻状态,8,(一)外加正偏电压P区接电源正极,N区接电源负极。,PN结的单向导电性,外加不同极性的电压时,PN结的导电能力相差极为悬殊。,PN结呈现低电阻，在外电路产生很大的正向电流IF。,正向导通电流P区N区。,PN结处于正向导通状态。,9,（二）外加反偏电压P区接电源负极,N区接电源正极。,PN结在反偏电压作用下，形成反向电流R。但此时PN结呈现极高电阻，反向电流R0。PN结截止。,注意：反向电流IR对温度变化敏感，温度增高,IR显著加大。,10,一.二极管的基本结构,6-2半导体二极管,几种二极管的外形,11,点接触型二极管,特点:结面积小,能够承受的电压较低,只允许通过较小的正向电流。,工作频率高，可达100MHz以上。,二极管按结构分类,12,面接触型二极管,特点:结面积大,允许通过,工作频率低。,多用于低频整流。,国产硅二极管2CP系列和2CZ系列。,较大的正向电流。,新型片状二极管,注意：使用二极管首先要认清它的正负极，外加电压的极性不能接错。,13,二.二极管的伏安特性,流过二极管的电流与其端电压的关系,(一)正向特性,二极管阳极（P区）接电源正极，阴极（N区）接电源负极。,I=f（U）。,死区电压硅管0.40.5V锗管0.2V左右,14,(二)反向特性,反向特性,0,二极管阳极（P区）接电源负极，阴极（N区）接电源正极。,15,锗管的伏安特性,硅二极管的伏安特性,16,PN结加正偏电压：PN结所处的状态称为正向导通。特点：PN结正向电流大，PN结电阻小,管压降低U0。,相当于开关闭合。,PN结加反偏电压：PN结所处的状态称为反向截止。特点：反向饱和电流极小，近似为零。PN结电阻极大,近似为。,相当于开关断开。,三.理想二极管PN结的单向导电性,理想二极管伏安特性,17,四二极管的使用知识（一）国产二极管的型号命名,由五部分组成,第一部分阿拉伯数字“2”，表示二极管,第二部分汉语拼音字母，表示二极管的材料和极性,第三部分汉语拼音字母，表示二极管的类型,例如是P普通管（小信号管）、Z是整流管、W是稳压管、K是开关二极管等,18,（二）二极管的主要参数,19,最大整流电流IF最大整流电流是指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。,实际使用中,工作电流超过最大整流电流IF,将使管子温升过高,烧坏PN结。,以上两个参数表示二极管承受正向导通电流和反向电压的能力，从使用的角度出发，应该越大越好。,20,最大反向电流IRM它是指二极管加上最高反向工作电压时的反向电流值，IRM越小,二极管的单向导电性越好。,产品举例,2AP8N型锗材料，普通管（点接触型）。IF=35mAUR=10V最高工作频率f=150MHz主要用于检波和小功率整流。,2CZ53MN型硅材料，整流二极管（面接触型）。IF=0.3AUR=100VUF1V最高工作频率f=1kHz,21,选用二极管的原则,要求正向平均电流大、反向工作电压高、反向电流小且热稳定性好（如整流电路中的二极管），以选用面接触型硅二极管为好，如2CZ、2DZ系列产品。,要求正向平均电流小、但要求工作频率高且正向导通电压较低（如检波、小功率整流电路中的二极管），宜选用点接触型锗二极管，如2AP系列产品。,22,解：判断二极管是否导通的方法,VD接入后，正向偏置，导通。,电位VA=E1=12VVB=E2=4V,23,五.二极管应用电路举例,（一）整流将交流电转换为脉动的直流电,(二)箝位与隔离,箝位利用二极管的正向导通作用将电路中某点电位强行固定为某一确定值,隔离利用二极管的反向截止作用割断两部分电路之间的联系,24,(1)VA=VB=0V；(2)VA=+3V、VB=0V；(3)VA=+3V、VB=+3V；,例题例题6-2,分别计算以下三种情况下的,Y点电位VY和电流IA、IB、IR。,（1）VA=VB=0V,VDA和VDB均承受正偏电压导通,YY=0V。,Y点电位被钳制为零箝位。,解：VDA和VDB均作为理想二极管处理。,电流,25,（2）VA=+3V、VB=0V,DVB承受的正偏电压高，率先导通，使得VY=0V。,3V,箝位作用,26,（3）VA=VB=+3V,DVA和DVB承受相同的正偏电压同时导通,Y点电位VY=+3V,电流,（三）限幅限制输出电压的幅度,27,例题6-3电路和输入信号ui波形如图所示,对应画出输出信号uo波形。,解：当uiUs时，VD正偏导通，等效电路如图示。,输出uo=Us，被限幅,uo,28,t,Us,ui,0,Um,输出uo=ui,29,6-3稳压二极管,稳压二极管的作用和特点：利用反向击穿特性实现稳定电压的作用。,特殊二极管发光二极管、光电二极管、稳压二极管等。,工作在反向击穿状态。,30,一.稳压二极管的主要参数,稳压二极管的反向击穿特性十分陡直,当电流在大范围内变化(IZ),对应的电压(UZ),变化很小。,1.稳定电压UZ反向击穿区正常工作范围内某一确定点(如A点)所对应的端电压。,31,2.最大耗散功率PZM和最大稳定电流IZmax,稳压管正常工作时允许消耗的最大功率PZM=UZIZmax,PZM由最大稳定电流IZmax决定,使用中不得超过。,实际工作时，稳压管消耗的功率超过PZM将使稳压管温升过高,造成永久性损坏。,32,3.动态电阻rz衡量稳压管稳压性能优劣的指标之一。rz是稳压管在反向工作区内电压变化量UZ与电流变化,量IZ的比值，即,动态电阻越小，反向击穿特性曲线越陡，稳压性能越好。,稳压管的rz都比较小，,2CW58在电流IZ=5mA时,动态电阻rz=25。,一般为几欧姆至几十之间欧姆。,33,温度系数u越小越好。,一般稳压二极管稳定电压Uz高于6V的，温度系数u为正值；稳定电压Uz低于6V的，温度系数u为负值。Uz=6V左右的，稳定电压Uz受环境温度变化的影响最小。,34,双向稳压二极管2DW7简介,两个Uz数值相同的稳压二极管反向串联组成。,其中，一个反向工作，具有正的温度系数；另一个正向工作具有负的温度系数。二者配合，有温度补偿作用。,35,二.简单应用举例,引起电压不稳定的原因是交流电源电压的波动和负载电流的变化,引起整流输出的直流电压变化。,下面分析在这两种情况下的稳压作用。,限流电阻,RL不变,当交流电源电压增加而使整流输出电压UI随着增加时，负载电压Uo也要增加。Uo即为稳压管两端的反向电压。,36,当交流电源电压增加而使整流输出电压UI随着增加时，负载电压Uo也要增加。Uo即为稳压管两端的反向电压。当负载电压Uo稍有增加时，稳压管的电流IZ就显著增加，因此限流电阻R上的压降增加，以抵偿UI的增加，从而使Uo保持近似不变。,UIUoUZIZIIRUo,37,输出直流电压Uo=UIIR,I=IZ+IL,UI不变,RL变化,RLILIIRUOUZIZIIRUO,38,二极管是否具有稳压作用?若UI=2.5VUO=?,硅二极管正向导通电压0.7VUO=0.7+0.7=1.4V,限流电阻的作用,思考练习,UO=6+0.7=6.7V,39,6-4双极型晶体管,双极型晶体管两个PN结三个电极,简称三极管、晶体管（BJT）,电流放大作用,根据结构的不同,晶体管分为两种类型NPN型和PNP型,40,一.晶体管的基本结构,41,晶体管的结构特点,(1)基极尺寸极薄(m数量级),占整个晶体管尺寸的百分之一以下。,(2)发射区和集电区虽为同一类型的杂质半导体,但它们的搀杂浓度相差悬殊:发射区的搀杂浓度远大于集电区的搀杂浓度。,(3)集电结的面积大,发射结的面积小。,注意:发射极E和集电极C不能对调使用,42,晶体管的分类,图形符号和电流方向,43,按功率的不同小功率管和大功率管,功率小于0.5W的是小功率管,大于1W的是大功率管,介于二者之间的是中功率管。,按工作频率的不同低频管和高频管,工作频率低于3MHz的是低频管，高于3MHz的是高频管。,按用途的不同电压放大管、功率放大管、开关管等。,第一部分阿拉伯数码3,表示三极管,44,型号举例3AX51、3BX81、3CG14、3DG6、3AD50等。,第四部分阿拉伯数字表示的三极管的序号,第五部分汉语拼音字母表示的该三极管的规格号,45,二.晶体管的电流放大作用,晶体管实现电流放大作用必须具备的外部条件,晶体管的发射结正偏集电结反偏,UBE0,UCB0,即VCVBVE,UEB0,UBC0,即VEVBVC,46,(一)实验电路NPN型晶体管,基极回路,共发射极电路,电源UCCUB,使发射结正偏集电结反偏,（二）实验操作,改变电位器RB的阻值UBE变化IB变化IC变化,IB变化IC和IE变化,晶体管的电流放大作用,集电极回路,IE变化,47,晶体管的电流放大作用,48,(三)分析实验数据结论,(1)每一组数据说明三个电极的电流符合KCL,IE=IB+IC,49,（3）基极电流的微小变化引起集电极电流的显著变化,晶体管的电流放大作用放大微弱电信号,以第三组数据变化到第四组数据为例,50,三.晶体管的特性曲线,表示各极电流与极间电压的关系,是了解晶体管特性和分析晶体管工作状态的重要依据,共射极放大电路,（一）共射极组态输入特性曲线,NPN型硅管输入特性曲线,正常工作时VCVBVE,UCE1V即可使集电结反偏,常数,UCE1V,所有的输入特性曲线几乎重合,51,死区电压硅管0.40.5V锗管0.2V,线性工作范围晶体管正常工作时的正偏电压,硅管0.60.7V锗管0.20.3V,IB与UBE之间是非线性关系,(二)共射极组态输出特性曲线,基极电流IB为常数，集电极电流IC与集电极发射极电压UCE的关系,常数,52,输出特性曲线族,第一.每一条曲线的变化规律,例如:IB=40A,该段近似为陡直的直线。,恒流特性段UCE1V后，UCE增加，IC几乎不再增加。,特性曲线近似平行于水平轴,表现为恒流特性。,53,IB的数值增加,曲线上移，组成一组输出特性曲线。,第二.整个输出特性分为三个区,1.放大区,条件:发射结正偏集电结反偏,放,大,区,54,特点:电流放大作用,要改变IC，只能用改变IB的办法达到。,表现为IB对IC的控制作用即电流放大作用,每一条曲线表现为恒流,即IC与UCE无关。,55,IB以等差值规律变化，对应的特性曲线是一组间距基本相等的平行线，它们之间的间距就体现了基极电流对,集电极电流的控制和放大作用。,例如保持UCE=6V不变，调节IB由40A增大为60A对应的IC由1.5mA增大为2.25mA。,56,IB=6040=20A,IC=2.251.5=0.75mA,基极电流的微小变化IB引起集电极电流IC的显著变化,57,2.截止区,由于IB0表明发射结反偏集电结亦反偏。,穿透电流ICEO基极断开（IB=0），集-射极之间加上一定值的UCE时,集电极-发射极的电流。ICEO由少子形成，近似为零。,但ICEO随温度增加而显著增加，使晶体管工作不稳定。,特点,58,晶体管的开关作用IB=0、ICEO0,开关断开,59,3.饱和区,特点发射结正偏,集电结亦为正偏。,晶体管失去放大作用。,晶体管的开关作用。,深度饱和时,UCES0。等效为开关闭合,60,四.晶体管的主要参数,（一）电流放大系数表示晶体管放大电信号的能力。,直流电流放大系数,表示晶体管性能优劣、适用范围及合理选择、正确使用晶体管的依据。,61,交流电流放大系数,在放大区,约为几十至一百左右,利用输出特性曲线，可以计算出,62,（二）集-射极反向饱和电流ICEO（穿透电流）,（三）集电极最大允许电流ICM,（四）集-射反向击穿电压U(BR)CEO,63,例题:某放大电路中的晶体管各极电位如图所示,判断管子工作在何种状态。,放大,饱和,放大,截止,64,例题:某晶体管输出特性如图示,根据输出特性曲线计算值,解:取UCE=12V,做图,65,五.晶体管小信号电路模型,(一)为什么要建立晶体管小信号电路模型？,线性元件,解析计算,(图解分析),注意:晶体管小信号电路模型只对电流、电压变化量（IB、IC、UBE、UCE）等效。,非线性元件,66,（二）可能性,对交流变化量（动态）等效,特性曲线中都有一段近似为线性段,之间具有线性正比关系,电流、电压,变化量,电信号幅度较小，在该线性段工作，电流变化量与电压变化量之间就存在确定的线性正比关系。,67,在输入特性的直线范围，rbe是常数，能够用来表示IB与UBE之间的关系。这样，晶体管基极与发射极之间就可以用晶体管的输入电阻rbe等效代替。,基射极间IB与UBE的关系,68,在输出特性的放大区内，IC与UCE无关，只受IB控制。,IC=IB,因此，集-射极之间可以用一个电流源等效代替。,该电流源受IB控制，称为受控电流源。,UCE与IC的关系由输出特性曲线决定,其变化量之间的关系,69,等效的意义对晶体管三个电极以外的电路等效。对极间电压与电流的变化量之间等效。,式中IE是工作点Q对应的发射极电流,70,6-5绝缘栅型场效应晶体管,功能:场效应晶体管（FET），也是一种放大元件,用来放大微弱电信号。,特点：双极型晶体管是电流控制型器件IBIC=IB,场效应晶体管是电压控制型器件,其输入端只需要控制电压,而不存在控制电流。,双极型晶体管中参与导电的载流子既有多子，又有少,子,即有两种载流子（电子和空穴），故称双极型晶体管（BJT）。,场效应晶体管中参与导电的载流子只有多子电子或空穴,是一种单极性器件，故又称单极型晶体管。,71,FET的分类,结型场效应管（较少应用),(JFET),N沟道,P沟道,N沟道,P沟道,绝缘栅场效应管,(MOSFET),输入电阻高、温度稳定性好、抗干扰、抗辐射能力强、功耗小、制作工艺简单、适宜大规模集成。,优点：,72,一.绝缘栅场效应晶体管的基本结构和工作原理,(一)N沟道增强型绝缘栅场效应晶体管应用较广,1.基本结构,掺杂浓度低的P型硅衬底,两个高掺杂浓度的N区-铝电极：源极S和漏极D,二氧化硅（SiO2）薄层（厚约0.1m),绝缘栅极G(铝电极),衬底引线B,绝缘栅场效应晶体管,金属-氧化物-半导体场效应管(MOSFET),73,2.工作原理,栅-源极电压UGS对漏极电流ID的控制作用,74,第二.漏-源极间加入正向电压。(UDS0),75,第一.在栅-源极加入确定数值的正向电压(UGS0)，建立导电沟道。,UGS建立垂直于衬底表面的强电场，吸引衬底、源极和漏极中的大量电子载流子至衬底表面，形成连通漏-源极的导电沟道，称为N型沟道。,UDS,ID,N型沟道(电子载流子形成),UGS,开启电压UGS（th）,这时在UDS作用下可以形成漏极电流ID。,开始出现导电沟道的栅-源极电压。,76,只有UGSUGS（th）后，才能形成漏极电流ID。,第二.漏-源极间加入