《电子电工教程》PPT课件.pptVIP

陈龙老师QQ陈龙教学群QQ117281572,课程概述,一、电子技术的发展电子技术的发展，推动计算机技术的发展，使之“无孔不入”，应用广泛！,广播通信：发射机、接收机、扩音、录音、程控交换机、电话、手机网络：路由器、ATM交换机、收发器、调制解调器工业：钢铁、石油化工、机加工、数控机床交通：飞机、火车、轮船、汽车军事：雷达、电子导航航空航天：卫星定位、监测医学：刀、CT、B超、微创手术消费类电子：家电（空调、冰箱、电视、音响、摄像机、照相机、电子表）、电子玩具、各类报警器、保安系统,电子系统,收音机,电子技术的发展很大程度上反映在元器件的发展上。从电子管半导体管集成电路,1904年电子管问世,电子管、晶体管、集成电路比较,半导体元器件的发展,1904年电子管问世1947年贝尔实验室制成第一只晶体管1958年集成电路1969年大规模集成电路1975年超大规模集成电路第一片集成电路只有4个晶体管，而1997年一片集成电路中有40亿个晶体管。有科学家预测，集成度还将按10倍/6年的速度增长，到2015或2020年达到饱和。学习电子技术方面的课程需时刻关注电子技术的发展！,值得纪念的几位科学家,他们在1947年11月底发明了晶体管，并在12月16日正式宣布“晶体管”诞生。第一只晶体管的发明者（byJohnBardeen,WilliamSchockleyandWalterBrattaininBellLab）1956年获诺贝尔物理学奖。巴因所做的超导研究于1972年第二次获得诺贝尔物理学奖。,第一只晶体管的发明者（byJohnBardeen,WilliamSchockleyandWalterBrattaininBellLab）,第一个集成电路及其发明者（JackKilbyfromTI）,1958年9月12日，在德州仪器公司的实验室里，实现了把电子器件集成在一块半导体材料上的构想。42年以后，2000年获诺贝尔物理学奖。“为现代信息技术奠定了基础”。,电子技术(ELCTRONICSTECHNOLOGY)：关于电子器件(DEVICES)与系统(SYSTEM)的科学研究与工程实用技术。在科学和工程应用上，把电子技术分为模拟电子技术和数字电子技术两大类。信号(SIGNAL)：载有信息的物理量。模拟(ANALOG)：连续变量。模拟信号(ANALOGSIGNAL)：以连续变量方式出现的物理信号。数字信号(DIGITALSIGNAL)：以数字或数据方式出现的物理信号。,电子技术的基本内容介绍,1)数字信号：离散性,“1”的电压当量,介于K与K+1之间时需根据阈值确定为K或K+1,任何瞬间的任何值均是有意义的,2)模拟信号：连续性。,电子电路中信号的分类,电子电路中信号的分类,数字信号,模拟信号,数字信号,数字信号:时间和数值上都是离散的信号,时间上离散-信号只在时间坐标的离散点上发生变化,数值上离散-各离散点上的信号数值是量化的（某个最小单位的整倍数）,模拟信号：连续性。时间和数值上都是连续变化的物理量.大多数物理量为模拟信号。,模拟电路模拟电路是对模拟信号进行处理的电路。最基本的处理是对信号的放大，有功能和性能各异的放大电路。其它模拟电路多以放大电路为基础。,“模拟电子技术”特点,处理对象：模拟信号处理目的：放大、稳定、滤波、产生信号分析方法：工程分析方法（抓住主要因素，忽略次要因素）难点：交流、直流叠加，工程分析方法学习方法：认真听讲、多做练习,模拟电子技术基础课的特点,1、工程性实际工程需要证明其可行性。强调定性分析。,实际工程在满足基本性能指标的前提下总是容许存在一定的误差范围的。定量分析为“估算”。,近似分析要“合理”。抓主要矛盾和矛盾的主要方面。,电子电路归根结底是电路。不同条件下构造不同模型。,2、实践性常用电子仪器的使用方法电子电路的测试方法故障的判断与排除方法EDA软件的应用方法,如何学习这门课程,1.掌握基本概念、基本电路和基本分析方法基本概念：概念是不变的，应用是灵活的，“万变不离其宗”。基本电路：构成的原则是不变的，具体电路是多种多样的。基本分析方法：不同类型的电路有不同的性能指标和描述方法，因而有不同的分析方法。,2.注意定性分析和近似分析的重要性3.学会辩证、全面地分析电子电路中的问题根据需求，最适用的电路才是最好的电路。要研究利弊关系，通常“有一利必有一弊”。,4.注意电路中常用定理在电子电路中的应用,课程的目的,1.掌握基本概念、基本电路、基本方法和基本实验技能。2.具有能够继续深入学习和接受电子技术新发展的能力，以及将所学知识用于本专业的能力。,本课程通过对常用电子元器件、模拟电路及其系统的分析和设计的学习，使学生获得模拟电子技术方面的基础知识、基础理论和基本技能，为深入学习电子技术及其在专业中的应用打下基础。,注重培养系统的观念、工程的观念、科技进步的观念和创新意识，学习科学的思维方法。提倡快乐学习！,课程设置的目的,电子技术基础的基本内容模拟电子技术(AnalogElectronicsTechnology)：处理模拟信号的电子技术。模拟电子技术的目的是，向工程实际提供各种模拟信号处理电子电路(系统)的分析(ANALYSIS)和设计(DESIGN)技术。模拟电路(ANALOGCIRCUITS)：处理模拟信号的电子器件组成的电子系统。数字电子技术(DigitalElectronicsTechnology)：处理数字信号的电子技术。数字电路(DIGITALCIRCUITS)：处理数字信号的电子器件组成的电子系统。数字电子技术的目的是，向工程技术提供各种数字信号处理电子电路(系统)的分析设计技术。,考查方法,1.会看：读图，定性分析2.会算：定量计算,考查分析问题的能力,3.会选：电路形式、器件、参数,4.会调：仪器选用、测试方法、故障诊断、EDA,考查解决问题的能力设计能力,考查解决问题的能力实践能力,5.会模拟仿真:会使用EWB,MULTISM10等,第14章二极管和晶体管,14.3二极管,14.4稳压二极管,14.5晶体管,14.2PN结及其单向导电性,14.1半导体的导电特性,14.6光电器件,第14章二极管和晶体管,本章要求：一、理解PN结的单向导电性，三极管的电流分配和电流放大作用；二、了解二极管、稳压管和三极管的基本构造、工作原理和特性曲线，理解主要参数的意义；三、会分析含有二极管的电路。四、会使用EWB,MULTISM10等,学会用工程观点分析问题，就是根据实际情况，对器件的数学模型和电路的工作条件进行合理的近似，以便用简便的分析方法获得具有实际意义的结果。对电路进行分析计算时，只要能满足技术指标，就不要过分追究精确的数值。器件是非线性的、特性有分散性、RC的值有误差、工程上允许一定的误差、采用合理估算的方法。学会仿真方法。,对于元器件，重点放在特性、参数、技术指标和正确使用方法，不要过分追究其内部机理。讨论器件的目的在于应用。,导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。半导体(semiconductor)硅（Si或Silicon）、锗（Ge或Germanium），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。还如硒、砷化镓和大多数金属硫化物、氧化物等都是半导体。电阻率大约2乘10的3次方cm,1、什么是半导体(semiconductor)？,导体(conductor)铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。电阻率小于10的-3方cm,绝缘体(insulator)惰性气体、橡胶、塑料、聚脂薄膜、陶瓷、特氟隆（聚四氟乙烯）和聚苯乙烯等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。电阻率大于10的8次方cm,第14章二极管和晶体管,14.1半导体的导电特性,导体示例,电阻很小。易受影响。,绝缘体示例,在一定电压范围内不会形成明显电流电阻很大当物质结构被破坏时，也会导电绝缘性受影响,半导体示例,导电能力介于导体和绝缘体之间导电性能易受影响由元素周期表中最外层为四个电子的元素所组成的物质构成。如：锗、硅。,绝缘体、导体、半导体,依据：物质在外电场作用下形成电子流能力的大小。,14.1半导体的导电特性,半导体的导电特性：,对温度反映特别灵敏,可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。,掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质()，导电能力明显改变(如硼和磷等可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、三极管、场效晶体管和晶闸管等）。,光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化(如镉、铅的硫化物与硒化物可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等)。,热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强(如钴、镍、锰等的氧化物,Impurity,14.1.1本征半导体(intrinsicsemiconductor),完全纯净的、(晶体)结构完整的半导体(晶体)，称为本征半导体。本征半导体虽有大量的价电子，但没有自由电子，此时半导体是不导电的,晶体中原子的排列方式,硅单晶中的共价健结构,共价健,共价键(covalentbond)中的两个电子，称为价电子(Valenceelectron)。,在硅(或锗)的晶体中,原子在空间排列成规则的晶格。,本征半导体(intrinsicsemiconductor),本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。,什么是本征半导体？,本征半导体：化学成分纯净的半导体,在物理结构上呈单晶体形态。绝对温度下没有自由电子的半导体.。用得最多的半导体是锗和硅,将锗或硅材料提纯(去掉无用杂质)并形成单晶体,都具有这种晶体结构,所以半导体也称为晶体,这就是晶体管名称的由来.,本征半导体(intrinsicsemiconductors),在本征半导体中，由于晶体中共价键的结合力很强，在热力学温度零度（即T=0K）时，价电子的能量不足以挣脱共价键的束缚，晶体中不存在能够导电的载流子，半导体不能导电，如同绝缘体一样。,首页,价电子,价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。,本征半导体的导电机理,这一现象称为本征激发(也称热激发)。,带正电的空穴hole,温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。,带负电的自由电子freeelectron,在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。,本征半导体的导电机理,当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流(1)自由电子作定向运动电子电流(2)价电子递补空穴空穴电流在半导体中,同时存在着电子导电和空穴导电,这是半导体导电方式的最大特点,也是半导体和金属在导电原理上的本质差别.空穴的出现是半导体区别于导体的重要特征.,注意：(1)本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差；(2)温度愈高，载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。热力学温度0K时不导电。所以，温度对半导体器件性能影响很大。,自由电子和空穴都称为载流子。自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。,复合：自由电子回到共价键结构中的现象。此时电子-空穴成对消失。或自由电子与空穴相碰同时消失,本征半导体不会在外电场作用下形成电流。,半导体导电条件:有多余的电子或空穴,半导体中存在两种载流子：带负电的自由电子和带正电的空穴。,在一定温度下电子空穴对的产生和复合达到动态平衡。,两种载流子浓度相等,14.1.2N型半导体和P型半导体杂质半导体,杂质半导体：在本征半导体中掺入微量其他元素而得到的半导体。,杂质半导体可分为：N(电子)型半导体和P(空穴)型半导体两类,14.1.2N型半导体和P型半导体,掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体(N-typesemiconductor)。,掺入五价元素,多余电子,磷原子,在常温下即可变为自由电子,失去一个电子变为正离子,在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成杂质半导体。,在N型半导体中自由电子是多数载流子（多子），空穴是少数载流子（少子）。,动画,(施主原子),失去自由电子的杂质原子固定在晶格上不能移动，并带有正电荷，称为正离子。,在这种杂质半导体中，电子的浓度大大高于空穴的浓度。,因主要依靠电子导电，故称为电子型半导体。,5价的杂质原子可以提供电子，所以称为施主原子。,简化模型：,载流子数电子数,(电子为),(空穴为),掺杂后，某些位置上的硅原子被五价杂质原子（如磷原子）取代。磷原子的5个价电子中，4个价电子与邻近硅原子的价电子形成共价键，剩余价电子只要获取较小能量即可成为自由电子。同时，提供电子的磷原子因带正电荷而成为正离子。电子和正离子成对产生。上述过程称为施主杂质电离。五价杂质原子又称施主杂质。常温下施主杂质已被全部电离。,N型半导体,14.1.2N型半导体和P型半导体,掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或P型半导体(P-typesemiconductor).,掺入三价元素,在P型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。,硼原子,接受一个电子变为负离子,空穴,动画,无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。,载流子数空穴数,简化模型：,掺杂后，某些位置上的硅原子被三价杂质原子（如硼原子）取代。硼原子有3个价电子，与邻近硅原子的价电子构成共价键时会形成空穴，导致共价键中的电子很容易运动到这里来。同时，接受一个电子的硼原子因带负电荷而成为不能移动的负离子。空穴和负离子成对产生。上述过程称为受主杂质电离。三价杂质原子又称受主杂质。常温下受主杂质已被全部电离。,P型半导体,在杂质半导体中：杂质浓度不应破坏半导体的晶体结构，多数载流子的浓度主要取决于掺入杂质的浓度；而少数载流子的浓度主要取决于温度。杂质半导体的优点：掺入不同性质、不同浓度的杂质，并使P型半导体和N型半导体以不同方式组合，可以制造出形形色色、品种繁多、用途各异的半导体器件。,总结,1.在杂质半导体中多子的数量与（a.掺杂浓度、b.温度）有关。,2.在杂质半导体中少子的数量与（a.掺杂浓度、b.温度）有关。,3.当温度升高时，少子的数量（a.减少、b.不变、c.增多）。,a,b,c,4.在外加电压的作用下，P型半导体中的电流主要是，N型半导体中的电流主要是。（a.电子电流、b.空穴电流）,b,a,14.2PN结及其单向导电性,14.2.1PN结的形成PNjunction,多子的扩散运动,少子的漂移运动,浓度差,P型半导体,N型半导体,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。,空间电荷区也称PN结,扩散(diffusion)和漂移(drift)这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。,动画,形成空间电荷区,PN结的形成(PNjunction),物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。,P区空穴浓度远高于N区。,N区自由电子浓度远高于P区。,扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低，产生内电场。,PN结的形成,因电场作用所产生的运动称为漂移运动。,参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了PN结。,由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N区运动。,1.PN结的形成,在一块本征半导体的两边掺以不同的杂质，使其一边形成P型半导体，另一边形成N型半导体，则在它们交界处就出现了电子和空穴的浓度差，于是P区空穴向N区扩散，N区电子向P区扩散。,另一方面，随着扩散运动的进行，P区一边失去空穴留下负离子，N区一边失去电子留下正离子，形成空间电荷区，产生内建电场。电场方向由N区指向P区，有利于P区和N区的少子漂移运动，而阻止多子扩散运动。,区,区,1.PN结的形成,扩散,交界处的浓度差,P区的空穴要向N区扩散,N区的电子要向P区扩散,P区留下带负电的受主离子,N区留下带正电的施主离子,内建电场,漂移电流,扩散电流,PN结,小结（1）载流子的扩散运动和漂移运动既互相联系又互相矛盾。（2）漂移运动等于扩散运动时，PN结形成且处于动态平衡状态。PN结没有电流通过。（3）若P区和N区掺杂浓度相同，则；若为结，则。,14.2.2PN结的单向导电性(uni-directconduction),1.PN结加正向电压（正向偏置forwardbias）,PN结变窄,P接正、N接负,IF,内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。扩散电流远大于漂移电流。,PN结加正向电压时，PN结变窄，PN结呈现低阻性，正向电阻很小,正向电流较大，PN结处于导通(ON)状态。,动画,PN结变宽,2.PN结加反向电压（反向偏置）,内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。,IR,P接负、N接正,温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。,动画,PN结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止(cut-off)状态。,PN结的单向导电性,正向偏置，相当于开关闭合。,反向偏置，相当于开关断开。,外加反向偏置电压,反向电压与PN结内电场方向相同，增强内电场(变宽)。漂移电流远大于扩散电流。PN结呈现高阻性，反向电阻很大。PN结不导电。漂移电流恒定，与反向电压大小无关，也称为反向饱和电流IS。,半导体的电流控制方式,PNjunctionandcurrentcontrol,PN结的单向导电性uni-directconduction,偏置bias：对半导体器件施加外界电压。,PN结不导电,PN结导电,PNjunctionandcurrentcontrol,PN结的反向击穿特性Negativebreakdown,电击穿_PN结反向偏置电压增大到一定值时，反向电流突然增加。,热击穿_电击穿时间过长，器件上长时间有大反向电流而引起器件烧毁。,雪崩击穿在反向电压下产生碰撞电离并形成载流子倍增效应，形成较大反向电流。齐纳击穿较高外电压破坏了共价键，形成大反向电流。,图为PN结正向输出特性，如果PN结的温度从25变化到45，试计算：1）当温度为25、偏置电压从0.7V变化到0.9V时，正向电流的变化是多少？2）电流为1mA时，如果PN结的温度从25变化到45，问正向电压的变化是多少？,解：1）从所给的特性图估计出，正向电流从0变化到0.2mA。2）正向电压的变化大约为0.7V。,PN结导电特性示例,载流子运动方式及形成电流,1.扩散运动及扩散电流,扩散运动：载流子受扩散力的作用所作的运动称为扩散运动。扩散电流：载流子扩散运动所形成的电流称为扩散电流。,扩散电流大小与载流子浓度梯度成正比,2.漂移运动及漂移电流,漂移运动：载流子在电场力作用下所作的运动称为漂移运动。漂移电流：载流子漂移运动所形成的电流称为漂移电流。,电位差漂移运动漂移电流,电场力,漂移电流大小与电场强度成正比,小结（1）PN结加正向电压时，正向扩散电流远大于漂移电流，PN结导通；PN结加反向电压时，仅有很小的反向饱和电流IS，考虑到，则认为PN结截止。（2）PN结正向导通、反向截止的特性称为PN结的单向导电特性。,PN结的特性,击穿特性,击穿：PN结外加反向电压且电压值超过一定限度时，反向电流急剧增加而PN结两端电压基本不变的现象。,击穿不一定导致损坏。,击穿电压UZ,利用PN结击穿特性可以制作稳压管。,PNjunctionandcurrentcontrol,PN结的反向击穿特性Negativebreakdown,电击穿_PN结反向偏置电压增大到一定值时，反向电流突然增加。,热击穿_电击穿时间过长，器件上长时间有大反向电流而引起器件烧毁。,雪崩击穿在反向电压下产生碰撞电离并形成载流子倍增效应，形成较大反向电流。齐纳击穿较高外电压破坏了共价键，形成大反向电流。,击穿特性,击穿分类,雪崩击穿,齐纳击穿,雪崩击穿(碰撞击穿),反向电压足够高时，空间电荷区的合成电场较强，通过空间电荷区的电子在强电场的作用下加速获得很大的动能，于是有可能和晶体结构中的外层电子碰撞而使其脱离原子核的束缚。被撞出来的载流子在电场作用下获得能量之后，又可以去碰撞其他的外层电子，这种连锁反应就造成了载流子突然剧增的现象，犹如雪山发生雪崩那样，所以这种击穿称为雪崩击穿或碰撞击穿。,齐纳击穿(电场击穿),当反向电压足够高，空间电荷区中的电场强度达到10的5次方Vcm以上时，可把共价键中的电子拉出来，产生电子空穴对，使载流子突然增多，产生击穿现象，称为齐纳击穿。,掺入杂质浓度小的PN结中，雪崩击穿是主要的，击穿电压一般在6V以上；在掺杂很重的PN结中，齐纳击穿是主要的，击穿电压一般在6V以下。击穿电压在6V左右的PN结常兼有两种击穿现象。,PN结的击穿特性,O,因为T载流子运动的平均自由路程V(BR)。,击穿电压的温度特性,雪崩击穿电压具有正温度系数。,齐纳击穿电压具有负温度系数。,因为T价电子获得的能量V(BR)。,PN结存在电容效应。这将限制器件工作频率。,分类,势垒电容CT,扩散电容CD,电容效应,PN结的特性,势垒电容CT,由势垒区内电荷存储效应引起。势垒区相当于介质，它两边的P区和N区相当于金属。当外加电压改变时，势垒区的电荷量改变引起的电容效应，称为势垒电容。,CT值随外加电压的改变而改变，为非线性电容。,电容效应,PN结的特性,CT0为外加电压为零时的势垒电容，U为PN结的外加电压（加反向电压时UIOM易导致二极管过热失效。最高反向工作电压URM(UR)允许加到二极管(非稳压二极管)的最高反向电压。手册上给出的最高反向工作电压UWRM一般是UBR的一半。最大允许功耗PDM实际功耗大于PDM时易导致二极管过热损坏。,（2）极限参数,14.3.3主要参数,反向工作峰值电压URWM,是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压UBR的一半或三分之二。二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。,反向峰值电流IRM,指二极管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，IRM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，锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。,最高工作频率fMfM值主要决定于PN结结电容的大小。结电容愈大，则二极管允许的最高工作频率愈低。,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。,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阴二极管导通若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=6V否则，UAB低于6V一个管压降，为6.3或6.7V,例1：,取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,在这里，二极管起钳位作用。,两个二极管的阴极接在一起取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,V1阳=6V，V2阳=0V，V1阴=V2阴=12VUD1=6V，UD2=12VUD2UD1D2优先导通，D1截止。若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=0V,例2:,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。,作业设二极管是理想的，求VAO值。,VAO=?,VAO=?,例设二极管是理想的，求VAO值。,图(a)，假设D开路，则D两端电压：,VD=V1V2=(612)V=18V0V，,VD2=V2(V1)=15V0V。,由于VD2VD1，则D2优先导通。,此时VD1=6V8V，二极管导通，可看作短路uo=8Vui2V时，D导通，则vO=vi,vi2V时，D截止，则vO=2V,由此可画出vO的波形。,20090915(3)开始,限幅电路(或削波电路),V2viV1时，D1、D2截止，vo=vi,ViV1时，D1导通、D2截止，vo=V1,ViV2时，D2导通、D1截止，vo=V2,由此，电路实现双向限幅功能。,其中：V1为上限幅电平，V2为下限幅电平。,例二极管可用作开关,正向偏置，相当于开关闭合。,反向偏置，相当于开关断开。,（b）,（a）,结合图中给定的参数分析：VD1、VD2开路时，阳极对地电位为+5V，阴极对地电位分别为+1V、0V，,例：如图所示二极管门电路（VD1、VD2为理想二极管）求：uO。,解：,门电路,门电路的分析关键是判断电路中二极管的通、断。采用的方法是比较各二极管的正向开路电压，正向开路电压最大的一只二极管抢先导通。,可见VD2导通。,uO=0,晶体二极管电路应用举例,实例example,例1判断图示电路中的二极管能否导通。,结果：VA=1VVB=1+2.5=3.5V则VAVB二极管为截止状态。,14.4稳压二极管（齐纳二极管Zenerdiode）,1.符号,UZ,IZ,IZM,UZ,IZ,2.伏安特性,稳压管正常工作时加反向电压,使用时要加限流电阻,稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。,稳压管,稳压管是一种面接触型二极管，与二极管不同之处：1.采用特殊工艺，击穿状态不致损坏；2.击穿是可逆的。符号及特性曲线如下图所示：,U,I,值很小,有稳压特性,阴极,阳极,进入稳压区的最小电流,不至于损坏的最大电流,3.主要参数,(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1C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。,使用稳压管组成稳压电路时的注意事项：,稳压管必须工作在反向击穿区。稳压管应与负载RL并联。必须限制流过稳压管的电流IZ。,限流电阻,若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流太大则会因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必需有限制稳压管电流的限流电阻！,负载电阻。,要求当输入电压由正常值发生20%波动时，负载电压基本不变。,稳压二极管的应用举例,稳压管的技术参数:,解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax。,求：电阻R和输入电压ui的正常值。,方程1,令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin。,方程2,联立方程1、2，可解得：,例电路如图所示，已知UImax=15V，UImin=10VIZmax=50mA，IZmin=5mA，RLmax=1k，RLmin=600UZ=6V,对应UZ=0.3V。求rZ，选择限流电阻RO,解：,IZ=IR-IO,=,UI-UZ,R,-,UZ,RL,IZmax,UImax-UZ,R,-,UZ,RLmax,IZmin,UImin-UZ,R,-,UZ,RLmin,rZ=,IZ,UZ,=6.7,IZ=IZmax-IZmin=45mA,U,U,U,U,例有两个稳压管VD1和VD2，它们的稳压值为UZ1=6V，UZ2=8V，正向导通压降均为UD=0.6V，将它们串联可得到几种稳压值?,U=UD+UD=1.2V,U=UZ1+UD=6.6V,U=UZ1+UZ2=14V,U=UD+UZ2=8.6V,14.6光电器件,14.6.1发光二极管(LED),当发光二极管加上正向电压并有足够大的正向电流时，就能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。常用的有2EF等系列。发光二极管的工作电压为1.53V，工作电流为几十几mA。,符号,光电子器件,发光二极管,符号,光电传输系统,光电子器件,激光二极管,（a）物理结构（b）符号,14.6.2光电二极管,光电二极管在反向电压作用下工作。当无光照时,和普通二极管一样,其反向电流很小,称为暗电流。当有光照时,产生的反向电流称为光电流。照度E越强，光电流也越大。常用的光电二极管有2AU,2CU等系列。光电流很小,一般只有几十微安,应用时必须放大。,光电二极管,（a）符号（b）电路模型（c）特性曲线,14.6.3光电晶体管,光电晶体管用入射光照度E的强弱来控制集电极电流。当无光照时,集电极电流ICEO很小,称为暗电流。当有光照时,集电极电流称为光电流。一般约为零点几毫安到几毫安。常用的光电晶体管有3AU,3DU等系列。,(a)符号,(b)输出特性曲线,光电二极管,反向电流随光照强度的增加而上升。,符号,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，正向电压较一般二极管高，电流为几几十mA,光电二极管,发光二极管,变容二极管,变容二极管利用PN结的势垒电容效应制作。并采用特殊工艺使节电容随反向电压变化比较灵敏的一种特殊二极管。变容二极管必须工作于反偏状态。（纵坐标为对数刻度）,肖特基二极管,（a）符号（b）正向V-I特性,肖特基二极管,肖特基二极管使用了一块N型硅晶片结合铂金而成的。半导体金属势垒使得二极管开或关，较PN结快得多。在肖特基二极管处于正偏压条件下，N型阴极的电子获得能量穿过势垒到达金属阳极。有时称“热载流子二极管”。“热载流子”到达金属与大量的自由电子混合，很快就释放它们的额外能量。在反偏压条件下，二极管马上就能停止导通，由于电子已经失去了额外能量，以至于电子没有足够的能量越过势垒返回到阴极。,Diodeclassification,1-2-1二极管,肖特基二极管Schottkybarrierdiode,利用金属与半导体接触所形成的势垒来对电流进行控制的。主要特点：具有较低的正向压降（0.3V至0.6V）。比其他二极管有更快的反应速度。用途：用于门电路中作为三极管集电极的箝位二极管，以防止三极管因进入饱和状态而降低开关速度。,隧道二极管tunneldiode,利用金属与半导体接触所形成的势垒来对电流进行控制的。主要特点：比齐纳二极管具有更大的电压降，可以实现快速击穿。具有一段负电阻区，可用在高频电路。,Diodeclassification,14.5晶体管(transistor),14.5.1基本结构(architecture),基极,发射极,集电极,NPN型,符号(Symbol),NPN型三极管,PNP型三极管,半导体三极管(BipolarTransistor),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,半导体三极管BipolarTransistor,分类classification,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,三极管分类,通用三极管,达林顿管darington,RF三极管,多管阵列,用于一般场合。例：3DG系列，2N系列。,功率管，也叫复合管，具有高电流放大系数，用于功率放大和驱动电路，例如2N6427等。,用于VHF/UHF小信号放大，频率可达400MHz到2GHz，例：BF224,MPS6595。,多个独立的三极管封装在一起，类似集成电路。,中功率管,大功率管,半导体三极管,外形,基区：最薄，掺杂浓度最低,发射区：掺杂浓度最高,发射结,集电结,结构特点：,集电区：面积最大,半导体三极管BipolarTransistor,电流放大原理三极管放大的条件,内部条件,发射区掺杂浓度高,基区薄且掺杂浓度低,集电结面积大,外部条件,发射结正偏集电结反偏,14.5.2电流分配和放大原理,1.三极管放大的外部条件,发射结正偏、集电结反偏,PNP发射结正偏VBVB,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）ICIB，ICIE3）ICIB,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。实质:用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的变化，是CCCS器件。,3.三极管内部载流子的运动规律,基区空穴向发射区的扩散可忽略。,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。,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。,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。,集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。,3.三极管内部载流子的运动规律,IC=ICE+ICBOICE,IB=IBE-ICBOIBE,ICE与IBE之比称为共发射极电流放大倍数,集射极穿透电流,温度ICEO,(常用公式),若IB=0,则ICICE0,半导体三极管,电流放大原理电流分配关系,IE=IC+IB,由于三极管内有两种载流子(自由电子和空穴)参与导电，故称为双极型三极管或BJT(BipolarJunctionTransistor)。,晶体管的放大原理,扩散运动形成发射极电流IE，复合运动形成基极电流IB，漂移运动形成集电极电流IC。,少数载流子的运动,因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区,因基区薄且多子浓度低，使极少数扩散到基区的电子与空穴复合,因集电区面积大，在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区,基区空穴的扩散,电流分配：IEIBICIE扩散运动形成的电流IB复合运动形成的电流IC漂移运动形成的电流,穿透电流,集电结反向电流,直流电流放大系数,交流电流放大系数,为什么基极开路集电极回路会有穿透电流？,三极管的工作原理workprinciple,工作原理workprinciple：发射区向基区注入电子电子在基区扩散和复合集电结收集电子,be结扩散,bc结漂移,结论conclusion：具有电流放大作用currentamplify是有源器件activedevice正常工作条件：发射结正向偏置集电结反向偏置IE、IB、IC间有确定的分配关系,diffuse,drift,14.5.3特性曲线,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,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,1.输入特性,特点:非线性,死区电压：硅管0.5V，锗管0.1V。,正常工作时发射结电压：NPN型硅管UBE0.60.7VPNP型锗管UBE0.20.3V,晶体管的共射输入特性和输出特性,为什么UCE增大曲线右移？,对于小功率晶体管，UCE大于1V的一条输入特性曲线可以取代UCE大于1V的所有输入特性曲线。,为什么像PN结的伏安特性？,为什么UCE增大到一定值曲线右移就不明显了？,1.输入特性,20100907/41/42/54/51/52/53开始,模拟信号：时间和数值上都是连续变化的物理量.数字信号:时间和数值上都是离散的信号,模拟电子技术(AnalogElectronicsTechnology)：处理模拟信号的电子技术。模拟电子技术的目的是，向工程实际提供各种模拟信号处理电子电路(系统)的分析(ANALYSIS)和设计(DESIGN)技术。模拟电路(ANALOGCIRCUITS)：处理模拟信号的电子器件组成的电子系统。数字电子技术(DigitalElectronicsTechnology)：处理数字信号的电子技术。数字电路(DIGITALCIRCUITS)：处理数字信号的电子器件组成的电子系统。数字电子技术的目的是，向工程技术提供各种数字信号处理电子电路(系统)的分析设计技术。,导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。,什么是半导体(semiconductor)？,半导体(semiconductor)硅（Si或Silicon）、锗（Ge或Germanium），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。还如硒、砷化镓和大多数金属硫化物、氧化物等都是半导体。,半导体的导电特性,半导体的导电特性：,对温度反映特别灵敏,可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。,掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质()，导电能力明显改变(如硼和磷等可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、三极管、场效晶体管和晶闸管等）。,光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化(如镉、铅的硫化物与硒化物可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等)。,热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强(如钴、镍、锰等的氧化物,Impurity,本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。,什么是本征半导体？,本征半导体：化学成分纯净的半导体,在物理结构上呈单晶体形态。,完全纯净的、晶体结构完整的半导体，称为本征半导体。本征半导体虽有大量的价电子，但没有自由电子，此时半导体是不导电的.,N型半导体和P型半导体,在本征半导体中掺入三价元素后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或P型半导体.在P型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。,无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。,在本征半导体中掺入五价元素后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。在N型半导体中自由电子是多数载流子（多子），空穴是少数载流子（少子）。,PN结的单向导电性,PN结不导电,PN结导电,14.3.2伏安特性,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,硅0.60.8V锗0.20.3V,死区电压,反向电流在一定电压范围内保持常数。,半导体三极管(BipolarTransistor),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,基区：最薄，掺杂浓度最低,发射区：掺杂浓度最高,发射结,集电结,结构特点：,集电区：面积最大,晶体管的放大原理,扩散运动形成发射极电流IE，复合运动形成基极电流IB，漂移运动形成集电极电流IC。,少数载流子的运动,因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区,因基区薄且多子浓度低，使极少数扩散到基区的电子与空穴复合,因集电区面积大，在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区,基区空穴的扩散,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,1.输入特性,特点:非线性,死区电压：硅管0.5V，锗管0.1V。,正常工作时发射结电压：NPN型硅管UBE0.60.7VPNP型锗管UBE0.20.3V,20090901(第1节课)小结,结束,2.输出特性,IB=0,20A,放大区,输出特性曲线通常分三个工作区：,(1)放大区,在放大区有IC=IB，也称为线性区，具有恒流特性。,在放大区，发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置，晶体管工作于放大状态。,（2）截止区,IB0以下区域为截止区，有IC=ICEO0。,在截止区发射结处于反向偏置，集电结处于反向偏置，晶体管工作于截止状态。,饱和区,截止区,（3）饱和区,当UCEUBE时，晶体管工作于饱和状态。在饱和区，IBIC，发射结处于正向偏置，集电结也处于正偏。深度饱和时，