第9章极管与晶体管

第9章二极管和晶体管

第12章直流稳压电源9.1半导体的导电特性导体、半导体、绝缘体。

物质按导电能力划分：

半导体的导电性能：

价电子参与导电、掺杂增强导电能力、热敏特性、光敏特性。一、本征半导体

1.什么是本征半导体

是一种完全纯净的、结构完整的半导体晶体。2.本征半导体的导电特性

在绝对零度时，不导电。温度（或光照）→价电子获得能量：本征激发产生自由电子和空穴对。自由电子和空穴均参与导电，统称为载流子。温度→载流子的浓度→导电能力。自由电子释放能量跳回共价键——复合。本征半导体载流子浓度较低，导电能力较弱。二、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。(1)掺入五价的杂质元素自由电子的浓度空穴的浓度。自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子。称这种杂质半导体为N型半导体。(2)掺入三价的杂质元素自由电子的浓度空穴的浓度。空穴为多数载流子。自由电子为少数载流子。称这种杂质半导体为P型半导体。

杂质半导体的示意表示法P型半导体N型半导体空间电荷＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－三、PN结1.PN结的形成扩散运动＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－

扩散运动：多数载流子由于浓度的差别而形成的运动。＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－内电场PN结

多数载流子的扩散运动继续进行，使PN结加宽，内电场增强。内电场越强，多数载流子的运动越难以进行。内电场越强，少数载流子的运动越易于进行。＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－－－＋＋＋＋

漂移运动：少数载流子在内电场作用下的运动。漂移运动使PN结变薄，内电场削弱。内电场削弱，又有利于多数载流子的扩散运动，而不利于少数载流子的漂移运动。漂移运动＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－

多数载流子的扩散运动与少数载流子的漂移运动达到动态平衡——平衡的PN结。内电场2.PN结的特性(1)正向偏置(2)反向偏置RＰN外电场ＰNR外电场正向导通I反向截止I≈0

主要特性：单向导电性。9.2二极管一、普通二极管

ＰN阳极阴极(1)按结构分类

点接触型、面接触型。(2)按材料分类硅管、锗管。(3)按用途不同分类普通管、整流管、开关管等。1.基本结构几种二极管外观图小功率二极管大功率二极管

发光二极管U/VI/mA

O二、伏安特性

反向特性

正向特性死区

死区电压Uth

：硅管0.5V

锗管

0.1

V

导通压降UD

：硅管0.6~0.7V

锗管0.2~0.3V

UDUBRIR(1)实际特性锗管硅管UD(2)近似特性UI

OUI

O(3)理想特性3.主要参数(1)额定正向平均电流（最大整流电流）IF(2)正向压降UF(3)最高反向工作电压UR

一般规定为反向击穿电压的1/2或1/3。(4)最大反向电流IRm

晶体二极管的应用【例1】下图中，已知VA=3V，VB=0V，DA

、DB为锗管，求输出端Y的电位，并说明每个二极管的作用。解：DA优先导通，则VY=3–0.3=2.7VDA导通后，DB因反偏而截止，起隔离作用，DA起钳位作用，将Y端的电位钳制在+2.7V。DA

–12VYABDBR2.7V3V0V【例2】下图是二极管限幅电路，D为理想二极管，E=3V

，ui

=6sintV，试画出

uo及uD的波形。2ui3V时，D截止，IR=0，uO=ui

uD=uO–3Vui>3V时，D导通，uD=0，uO=3V

ui

/Vt

6302解：t

30–6uo

/Vt

0–9uD

/V–3DE3VRuiuouRuDIR*二、光电二极管（光敏二极管）

作用：将光信号转化为电信号。反向电流随光照强度的增加而上升。RED

光电二极管电路RED

发光二极管电路*三、发光二极管

作用：将电信号转化为光信号。发光的颜色取决于制造材料。*四、光电耦合器（光电隔离器）

作用：①电气隔离；②抗干扰；③系统保护。输入电路输出电路

第12章

直流稳压电源

直流稳压电源的组成

大小不合适的交流大小合适的交流~交流电源脉动直流不稳定的直流稳定直流直流负载滤波电路电源变压器整流电路稳压电路12.1整流电路

12.1.1半波整流电路一、电路组成totototo23uou2uDio232U22U22U2Im2233二、工作原理uou2u1ioRLTuDD22,0,,0uuuDuDo==<截止时三、电路计算uOu2u1uDiODRLTUO=0.45U2,IO=UORL=0.45U2RLID=IO,UDRM=2U2t0ttt23uOu2uDiO232U22U22U2Im2233000UOIO12.1.2单相全波整流电路totototo23232U22√2U22U2Im2233uD1uD2uOu2uDiOUORLuOD1D2u2u2~220V~–~~+~12.1.3桥式全波整流电路

一、桥式整流电路的组成D1和D3导通,D2和D4截止(相当于开路)u2Tu1RLuoio二、整流电路工作原理+–+–+–—u2正半周由二极管

D1D4组成。D4D3D2D1二、整流电路工作原理D2和

D4导通,D1和

D3截止(相当于开路)u2Tu1RLD4D3D2uoio——u2负半周D1+–+–+–三、电压、电流的计算UO=0.9U2,0.9U2RLIO=UORL=UDRM

=2U2,IO=0.9I2,或I2

=1.11IO,

U2=1.11UO选用二极管的依据是:ID应小于IF

(最大整流电流）UDRM应小于UR(最高反向工作电压)ID

=IO12totototo23232U22U22U2Im2233uD1uD3uD4uD2uOu2uDiOUO桥式整流电路的几种画法+~~–+–~~~~+–~~+–[例12.1.1]一桥式整流电路，已知负载电阻RL=240，负载所需直流电压=12V，电源变压器一次电压U1=220V。试求该电路正常工作时的负载电流、二极管平均电流ID和变压器的电压比k。[解]负载直流电流IO=UORL=A=0.05A12240ID=IO=×0.05A=0.025A1212二极管平均电流

变压器的二次电压U2=

=V=13.33VUo0.9120.9变压器的电压比k=

==16.5U2U1

22013.3312.2滤波器一、电容滤波电路C＋

＋

uO

－RL＋u2－＋u1－uOωtO√2U2电容放电

当二极管导通时，电容被充电储能。当二极管截止时，电容放电。滤波电容的选择：

C≥(3~5)T2RL=1.5~2.52RLfUCN=√2U2输出电压的平均值:

UO=1.2U2（全波）空载输出直流电压:滤波电容的耐压：UCN≥√2U2[例12.2.1]一桥式整流、电容滤波电路，已知电源频率f=50Hz，负载电阻RL=100，输出直流电压UO=30V。试求：(1)选择整流二极管；(2)选择滤波电容器；(3)负载电阻断路时的输出电压UO；(4)电容断路时的输出电压UO。[解](1)选择整流二极管IO=UORL=A=0.3A30100U2=UO1.2301.2=25V=URm=2

U2

=2×25

V

=35.4VID=IO=×0.3A=0.15A1212查附录，选用2CZ53B4个（IF=300mA，UR=50V）。(2)选择滤波电容器C≥1.5~2.5RLf1.5~2.5100×50

==(300~500)μFFUCN≥=2×25

V=35.4V2

U2

(3)负载电阻断路时UO=2

U2

=2×25

V=35.4V(4)电容断路时UO=0.9U2=0.9×25V=22.5VIF≥2ID=2×0.15A=0.3A，UR≥URm=34.5V二、电感滤波电路对直流分量:

XL=0，大部分整流电压降在RL上。对谐波分量:

f

越高，XL越大，电压大部分降在XL

上。＋

uO－RLiO＋u2－＋u1－L＋

uO－RLiOC2

＋C1

＋三、复式滤波电路C2

＋C1

＋1.LC－形滤波电路2.RC－形滤波电路L＋

uO－RLiORL9.3稳压二极管又称为齐纳二极管。为面结型硅二极管。反向特性正向特性

特点：①反向击穿电压小；②反向击穿特性陡。击穿电压UZIZmax

U/V

I/mA

OIZmin12.3稳压电路[解](1)Ui＝10V时DZ反向击穿稳压：UO=UZ=5V。

(2)Ui=3V时DZ反向截止：UO=Ui=3V。

(3)Ui=－5V时DZ正向导通：UO=0V。

(4)ui

=10sin

tV时当0＜ui＜5V时，DZ反向截止：UO=Ui=10sin

tV。当ui＞5V时，DZ反向击穿稳压：[例12.3.1]如图所示电路，设UZ=

5V，正向压降忽略不计。当直流输入Ui

=10V、3V、－5V时，Uo=？当输入为交流ui

=10sin

tV时，分析uO的波形。RDZ

＋Ui－＋UO－5

tuO/VO23UO=UZ=5V。当ui＜0V时，DZ正向导通：UO=0V。、稳压二极管稳压电路+-u2+-u1C＋Ui－RL＋UO－IIORDZIZ稳压过程：UO

→

IZ

→

I

→

IR

UO三、集成稳压电路

分为线性集成稳压电路和开关集成稳压电路。1.三端固定式集成稳压器CW7800系列正电压稳压器。CW7900系列负电压稳压器。

132

输出电压规格：

5V,6V,8V,9V,12V,15V···CW7800接线图+-u2+-u1CRL＋

UO－7800CiCo123＋CW7900接线图+-u2+-u1CRL－

UO＋7900CiCo321＋

同时输出正负两组电压的接线图＋5V－5VCW7805Ci123CW790512Co3＋

Ui－CiCoUOBEC9.4晶体管（双极型三极管）一、基本结构

PNP型：NPN型：NPN基极

基区

集电极

集电区

集电结

发射极

发射区

发射结

NPNPNP基极

基区

集电极

集电区

集电结

发射极

发射区

发射结

PNPCBE结构示意图和图形符号管内载流子的运动发射区向基区扩散电子IEIB电子在基区扩散与复合集电区收集电子

电子流向电源正极形成ICICNPN电源负极向发射区补充电子形成发射极电流IEVBB正极拉走电子，补充被复合的空穴，形成IBVCCRCVBBRBICBO

晶体三极管的电流分配及放大作用以NPN管共发射极接法为例，来说明电流放大的概念。一、电流放大的概念VCCRCIC

UCECEBUBE输出回路输入回路公共端VBBRBIBIE

TVCC>VBB调节RB，观察IB、IC及IE的变化。结论（2）IC、IE比IB大得多（3）IB很小的变化可因起IC很大的变化，即IC受IB控制—这就是三极管的电流控制作用（1）IE=IC+IB综上所述，三极管具有电流控制作用的外部条件:（1）发射结正向偏置；（2）集电结反向偏置。对于NPN型三极管应满足:UBE

>0UBC

<

0即

VC>

VB>

VE对于PNP型三极管应满足:UEB>0UCB

<0即

VC

<VB

<

VEECBTECBT二、工作状态条件:发射结正偏,集电结反偏。

发射区发射载流子→形成电流IE

少部分在基区被复合→形成IB

大部分被集电区收集→形成IC

1．放大状态⑴电流的形成NPNB

E

CRCUCCUBBRB晶体管中载流子的运动过程IEICIB⑵电流的关系

IE=IB+IC

当IB=0时，

直流(静态)电流放大系数

交流(动态)电流放大系数≈ICIBIC－ICEOIBβ

=ICIBβ=

UCE=常数

ICIB≈IC=ICEONPNB

E

CRCUCCUBBRBIEICIB电路图IB微小的变化，会产生IC很大的变化。IC

=βIB

。0＜UCE＜UCC，

UCE

=UCC－RC

IC

。晶体管相当于通路。⑶特点特点：

IB↑,IC基本不变。

IC≈UCC

/RC。

UCE≈0。晶体管相当于短路。条件:发射结正偏,集电结正偏。IB↑,IC

↑UCE=(UCC－RCIC)↓

ICM=UCC/RC2.饱和状态电路图NPNB

E

CRCUCCUBBRBIEICIBCERCUCC饱和状态时的晶体管特点：

IB=0IC=0UCE=UCC

晶体管相当于开路。3.截止状态条件:发射结反偏,集电结反偏。电路图CERCUCC截止状态时的晶体管NPNB

E

CRCUCCUBBRBIEICIB晶体