电子电工课件

电子电工课件演示文稿第一页，共59页。优选电子电工课件第二页，共59页。半导体基本知识导体导体的最外层电子数通常是1~3个，且距原子核较远，因此受原子核的束缚力较小。由于温度升高、振动等外界的影响，导体的最外层电子就会获得一定能量，从而挣脱原子核的束缚而游离到空间成为自由电子。因此，导体在常温下存在大量的自由电子，具有良好的导电能力。常用的导电材料有银、铜、铝、金等。

原子核＋内部含有大量的自由电子

导体的特点：第三页，共59页。绝缘体

绝缘体的最外层电子数一般为6~8个，且距原子核较近，因此受原子核的束缚力较强而不易挣脱其束缚。常温下绝缘体内部几乎不存在自由电子，因此导电能力极差或不导电。常用的绝缘体材料有橡胶、云母、陶瓷等。原子核＋绝缘体的特点：

内部几乎没有自由电子，因此不导电。第四页，共59页。半导体半导体的最外层电子数一般为4个，在常温下存在的自由电子数介于导体和绝缘体之间，因而在常温下半导体的导电能力也是介于导体和绝缘体之间。常用的半导体材料有硅、锗、硒等。原子核＋

半导体的特点：

导电性能介于导体和绝缘体之间，但具有光敏性、热敏性和参杂性的独特性能，因此在电子技术中得到广泛应用。第五页，共59页。半导体的独特性能光敏性——半导体受光照后，其导电能力大大增强；热敏性——受温度的影响，半导体导电能力变化很大；掺杂性——在半导体中掺入少量特殊杂质，其导电能力极大地增强；半导体材料的独特性能是由其内部的导电机理所决定的。

半导体的导电能力虽然介于导体和绝缘体之间，但半导体的应用却极其广泛，这是由半导体的独特性能决定的：第六页，共59页。++Si(硅原子)Ge(锗原子)硅原子和锗原子的简化模型图Si+4Ge+4因为原子呈电中性，所以简化模型图中的原子核只用带圈的+4符号表示即可。本征半导体最常用的半导体为硅(Si)和锗(Ge)。它们的共同特征是4价元素，即每个原子最外层电子数为4个。第七页，共59页。＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4从共价键晶格结构来看，每个原子外层都具有8个价电子。但价电子是相邻原子共用，所以稳定性并不能象绝缘体那样好。

由于热激发而在晶体中出现电子空穴对的现象称为本征激发。

本征激发的结果，造成了半导体内部自由电子载流子运动的产生，由此本征半导体的电中性被破坏，使失掉电子的原子变成带正电荷的离子。＋＋

本征半导体原子核最外层的价电子都是4个，称为四价元素，每一个原子均与相邻的四个原子结合，即与相邻四个原子的价电子两两组成电子对，构成共价键结构。第八页，共59页。本征激发动画演示第九页，共59页。＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4

价电子填补空穴的现象称为复合。

参与复合的价电子又会留下一个新的空位，而这个新的空穴仍会被邻近共价键中跳出来的价电子填补上，这种价电子填补空穴的复合运动使本征半导体中又形成一种不同于本征激发下的电荷迁移，为区别于本征激发下自由电子载流子的运动，这种价电子填补空穴的复合运动称为空穴载流子运动。第十页，共59页。在金属导体中存在大量的自由电子，这些自由电子是一种带电的微粒子，在外电场作用下定向移动形成电流。即金属导体内部只有自由电子一种载流子参与导电。半导体由于本征激发而产生自由电子载流子，由复合运动产生空穴载流子。因此，半导体中同时参与导电的通常有两种载流子，且两种载流子总是电量相等、符号相反，电流的方向规定为空穴载流的方向即自由电子的反方向。这一点正是半导体区别于金属导体在导电机理上的本质差别，同时也是半导体导电方式的独特之处。半导体的导电机理第十一页，共59页。

本征半导体虽然有自由电子和空穴两种载流子，但由于数量极少导电能力仍然很低。如果在其中掺入某种元素的微量杂质，将使掺杂后的杂质半导体的导电性能大大增强。掺入五价元素的杂质半导体由于自由电子多而称为电子型半导体，也叫做N型半导体。掺入三价元素的杂质半导体，由于空穴载流子的数量大大于自由电子载流子的数量而称为空穴型半导体，也叫做P型半导体。杂质半导体掺入杂质后虽然形成了N型或P型半导体，但整个半导体晶体仍然呈电中性。注意：第十二页，共59页。说明：

杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。杂质半导体总体上保持电中性。(a)N型半导体(b)P型半导体第十三页，共59页。PN结是一切半导体器件的“元概念”和技术起始点。PN结（1）PN结的形成在一块晶片的两端分别注入三价元素硼和五价元素磷++++++++++++++++－－－－－－－－－－－－－－－－P区N区空间电荷区内电场第十四页，共59页。PN结动画演示第十五页，共59页。（2）PN结的电特性PN结正向偏置时的情况第十六页，共59页。PN结反向偏置的情况第十七页，共59页。PN结的单向导电性

PN结的上述“正向导通，反向阻断”作用，说明它具有单向导电性，PN结的单向导电性是它构成半导体器件的基础。

PN结反向偏置时，在一定的电压范围内，流过PN结的电流很小，基本上可视为零值。但当电压超过某一数值时，反向电流会急剧增加，这种现象称为PN结反向击穿。PN结的反向击穿问题第十八页，共59页。

把PN结用管壳封装，然后在P区和N区分别向外引出一个电极，即可构成一个二极管。二极管是电子技术中最基本的半导体器件之一。根据其用途分有检波管、开关管、稳压管和整流管等。1.2半导体二极管及其特性硅高频检波管开关管稳压管整流管发光二极管

电子工程实际中，二极管应用得非常广泛，上图所示即为各类二极管的部分产品实物图。第十九页，共59页。二极管的结构类型普通二极管稳压二极管发光二极管D

使用二极管时，必须注意极性不能接反，否则电路非但不能正常工作，还有毁坏管子和其他元件的可能。DZDN型锗面接触型：结面积大，适用于低频整流器件。负极引线底座金锑合金PN结铝合金小球正极引线外壳触丝N型锗片正极引线负极引线点接触型：结面积小，适用于高频检波、脉冲电路及计算机中的开关元件。第二十页，共59页。二极管的伏安特性U(V)0.500.8-50-25I(mA)204060

(

A)4020死区正向导通区反向截止区反向击穿区

二极管的伏安特性呈非线性，特性曲线上大致可分为四个区：

当外加正向电压很低时，由于外电场还不能克服PN结内电场对多数载流子扩散运动的阻力，故正向电流很小，几乎为零。这一区域称之为死区。

外加正向电压超过死区电压(硅管0.5V，锗管0.1V)时，内电场大大削弱，正向电流迅速增长，二极管进入正向导通区。反向截止区内反向饱和电流很小，可近似视为零值。

外加反向电压超过反向击穿电压UBR时，反向电流突然增大，二极管失去单向导电性，进入反向击穿区。第二十一页，共59页。正向导通区和反向截止区的讨论

当外加正向电压大于死区电压时，二极管由不导通变为导通，电压再继续增加时，电流迅速增大，而二极管端电压却几乎不变，此时二极管端电压称为正向导通电压。

硅二极管的正向导通电压约为0.7V，

锗二极管的正向导通电压约为0.3V。

在二极管两端加反向电压时，将有很小的、由少子漂移运动形成的反向饱和电流通过二极管。

反向电流的两个特点：一是它随温度的上升增长很快，二是在反向电压不超过某一范围时，反向电流的大小基本恒定，而与反向电压的高低无关(与少子的数量有限)。所以通常称为反向饱和电流。U(V)0.500.8-50-25I(mA)204060

(

A)4020死区正向导通区反向截止区反向击穿区第二十二页，共59页。二极管的主要技术参数

（1）最大整流电流IDM：指二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。其大小由PN结的结面积和外界散热条件决定。

（2）最高反向工作电压URM：指二极管长期安全运行时所能承受的最大反向电压值。手册上一般取击穿电压的一半作为最高反向工作电压值。

（3）反向电流IR：指二极管未击穿时的反向电流。IR值越小，二极管的单向导电性越好。反向电流随温度的变化而变化较大，这一点要特别加以注意。

（4）最大工作频率fM：此值由PN结的结电容大小决定。若二极管的工作频率超过该值，则二极管的单向导电性能将变得较差。第二十三页，共59页。图解分析法简化模型分析法理想模型：正向偏置时，其管压降为0V，而当二极管处于反向偏置时，认为其电阻为无穷大，电流为0A。恒压降模型：基本思想是当二极管导通后，认为其管压降是恒定的，且不随电流而变，典型值为0.7V。折线模型：为了较真实地描述二极管U-I特性，在恒压降模型的基础上，作一定的修正，即认为二极管的管压降不是恒定的，而是随着通过二极管电流的增加而增加。用一个直流电源（选定为二极管的开启电压，约为0.5V）和一个电阻来作进一步的近似。二极管电路的分析方法

第二十四页，共59页。4.小信号模型在二极管不能作理想化等效的情况下，分析和估算二极管对交流信号的影响，及其小信号等效电路模型需从二极管的交流等效电阻开始讨论。第二十五页，共59页。稳压二极管发光二极管特殊二极管介绍

D实物图电路符号实物图D电路符号第二十六页，共59页。光电二极管

光电二极管也称光敏二极管，同样具有单向导电性，是将光信号变成电信号的半导体器件，其核心部分也是PN结。变容二极管

二极管两端的电容特性随着电压的改变而变化，可以用于电视机、收音机等的高频接受部分，用于调台使用。D实物图电路符号第二十七页，共59页。二极管的应用

二极管钳位电路

二极管钳位电路利用二极管正向导通时压降很小的特性。限流电阻R的一端与直流电源U(+)相连，另一端与二极管阳极相连，二极管阴极连接端子为电路输入端A，阳极向外引出的F点为电路输出端。

当图中A点电位为零时，则(理想二极管)VD正向导通，此时二极管管压降可视为零值，输出点F的电位就等于A点电位零伏，称作输出F被钳制在零电位；若A点电位较高，造成二极管反偏而不能导通时，电阻R上就会无电流通过，输出F的电位则被钳制在U（+）。第二十八页，共59页。

利用导通后正向压降基本保持不变（硅管为0.7V，锗管为0.3V）的特性，可把二极管作为电路的限幅元件。如左图所示。加正向或反向电压时，输出最大值只能为0.7V，从而把信号幅度限制在这一范围内。电路输出电压波形如图所示。

二极管双向限幅电路第二十九页，共59页。

二极管的限幅作用举例+－DuS10KΩ

IN4148+－u0iD

图示为一限幅电路。电源uS是一个周期性的矩形脉冲，高电平幅值为+5V，低电平幅值为-5V。试分析电路的输出电压为多少。分析uS+5V-5Vt0当输入电压ui=－5V时，二极管反偏截止，此时电路可视为开路，输出电压u0=0V；

当输入电压ui=+5V时，二极管正偏导通，导通时二极管管压降近似为零，故输出电压u0≈+5V。

显然输出电压u0限幅在0~+5V之间。u0第三十页，共59页。1.3三极管及其特性

1.结构

双极型晶体管分有NPN型和PNP型，虽然它们外形各异，品种繁多，但它们的共同特征相同：都有三个分区、两个PN结和三个向外引出的电极：NNP发射极e发射区基极bNPN型PNP型PPN集电极C第三十一页，共59页。2.分类和电路符号目前国内生产的双极型硅晶体管多为NPN型(3D系列)，锗晶体管多为PNP型(3A系列)，按频率高低有高频管、低频管之别；根据功率大小可分为大、中、小功率管。NPN型三极管图符号大功率低频三极管小功率高频三极管中功率低频三极管ecbPNP型三极管图符号ecb注意：图中箭头方向为发射极电流的方向。电路符号第三十二页，共59页。3.BJT的电流放大作用晶体管芯结构剖面图e发射极集电区N基区P发射区Nb基极c集电极晶体管实现电流放大作用的内部结构条件(1)发射区掺杂浓度很高，以便有足够的载流子供“发射”。(2)为减少载流子在基区的复合机会，基区做得很薄，一般为几个微米，且掺杂浓度极低。(3)集电区体积较大，且为了顺利收集边缘载流子，掺杂浓度界于发射极和基极之间。

可见，双极型三极管并非是两个PN结的简单组合，而是利用一定的掺杂工艺制作而成。因此，绝不能用两个二极管来代替，使用时也决不允许把发射极和集电极接反。第三十三页，共59页。晶体管实现电流放大作用的外部条件NNPUBBRB＋－(1)发射结必须“正向偏置”，以利于发射区电子的扩散，扩散电流即发射极电流ie，扩散电子的少数与基区空穴复合，形成基极电流ib，多数继续向集电结边缘扩散。UCCRC＋－(2)集电结必须“反向偏置”，以利于收集扩散到集电结边缘的多数扩散电子，收集到集电区的电子形成集电极电流ic。IEICIB

整个过程中，发射区向基区发射的电子数等于基区复合掉的电子与集电区收集的电子数之和，即：

IE=IB+IC第三十四页，共59页。第三十五页，共59页。

显然，双极型三极管具有电流放大能力。三极管的电流放大倍数，称为β值。不同型号、不同类型和用途的三极管，β值的差异较大，大多数三极管的β值通常在几十至几百的范围。即：微小的基极电流IB可以控制较大的集电极电流IC，故双极型三极管属于电流控制器件。

第三十六页，共59页。4.BJT的外部特性

所谓特性曲线是指各极电压与电流之间的关系曲线，是三极管内部载流子运动的外部表现。（1）输入特性曲线以常用的共射极放大电路为例说明UCE=0VUBE

/VIB

/A0UCE=0VUBBUCCRC++RBIBIE=IBUBE第三十七页，共59页。UCE=0.5VUCE=0VUBE

/VIB

/A0UBBUCCRC++RBIBICUBEUCE=1VUCE=0.5VUCE=1V

继续增大UCC使UCE=1V以上的多个值，结果发现：之后的所有输入特性几乎都与UCE=1V的特性相同，曲线基本不再变化。

实用中三极管的UCE值一般都超过1V，所以其输入特性通常采用UCE=1V时的曲线。从特性曲线可看出，双极型三极管的输入特性与二极管的正向特性非常相似。第三十八页，共59页。（2）输出特性

当IB不变时，输出回路中的电流IC与管子输出端电压UCE之间的关系曲线称为输出特性。然后调节UCC使UCE从0增大，观察毫安表中IC的变化并记录下来。UCEUBBUCCRC++RBICIBUBEmAAIE

根据记录可给出IC随UCE变化的伏安特性曲线，此曲线就是晶体管的输出特性曲线。IBUCE/VIC

/mA0第三十九页，共59页。UBBUCCRC++RBICIBUBEmAAIE再调节IB1至另一稍小的固定值上保持不变。UCE

根据电压、电流的记录值可绘出另一条IC随UCE变化的伏安特性曲线，此曲线较前面的稍低些。UCE/VIC

/mA0IBIB1IB2IB3IB=0

如此不断重复上述过程，即可得到不同基极电流IB对应相应IC、UCE数值的一组输出特性曲线。第四十页，共59页。输出特性曲线上一般可分为三个区：UCE/VIC

/mA020AIB=040A60AIB=100A80A43211.52.3截止区。当基极电流IB等于0时，晶体管处于截止状态。实际上当发射结电压处在正向死区范围时，晶体管就已经截止，为让其可靠截止，常使UBE小于和等于零。放大区

晶体管工作在放大状态时，发射结正偏，集电结反偏。在放大区，集电极电流与基极电流之间成β倍的数量关系，即晶体管在放大区时具有电流放大作用第四十一页，共59页。5.BJT的主要技术参数1.电流放大倍数2.极限参数①集电极最大允许电流ICMUCE/VIC

/mA0IB=043211.52.3②反向击穿电压U(BR)CEOcebUCCU(BR)CEO

指基极开路时集电极与发射极间的反向击穿电压。③集电极最大允许功耗PCM安

全

区第四十二页，共59页。

例1.用万用表测量某些三极管的管压降得到下列几组数据，说明每个管子是NPN型还是PNP型？是硅管还是锗管？它们各工作在什么区域？UBE＝0.7V，UCE＝0.3V；UBE＝0.7V，UCE＝4V；UBE＝0V，UCE＝4V；UBE＝－0.2V，UCE＝－0.3V；UBE＝0V，UCE＝－4V。NPN硅管，饱和区NPN硅管，放大区NPN硅管，截止区PNP锗管，放大区PNP锗管，截止区第四十三页，共59页。例2.若测得放大电路中的6个三极管的三个引脚对地电位U1、U2、U3分别为下述数值，试判断它们是硅管还是锗管，是NPN型还是PNP型？并确定e、b、c极。①U1=2.5VU2=6VU3=1.8V②U1=2.5VU2=-6VU3=1.8V③U1

=-6VU2

=-3VU3

=-2.8V④U1=-4.8VU2=-5VU3=0V①

NPN型，且1脚为b极，3脚为e极

②PNP型硅管，且3脚为b极，1脚为e极，2脚则仍为c极

③PNP型，且2脚为b极，3脚为e极④NPN型锗管，2脚为e极，1脚为b极第四十四页，共59页。1.4放大电路基本组成与分析

所谓“放大”，是指将一个微弱的电信号，通过某种装置，得到一个波形与该微弱信号相同、而幅值却大很多的信号输出。这个装置就是晶体管放大电路。“放大”作用的实质是电路对电流、电压或能量的控制作用。扬声器负载输入信号源扩音器中放大电路的组成为放大器提供能量的直流电源RS+－US放大电路+－u0i0

1.

放大电路基础第四十五页，共59页。

放大电路的核心元件是晶体管，放大电路若要实现对输入小信号的放大作用，必须首先保证晶体管工作在放大区。晶体管工作在放大区的外部偏置条件是：发射结正向偏置、集电结反向偏置。ui放大电路u0幅度大大增强的输出信号u0放大电路的组态共射极组态放大电路共集电极组态放大电路共基极组态放大电路第四十六页，共59页。3DG6管RBUBBC1+RCUCCC2+耦合电容基极电阻双电源组成的共发射极基本放大电路2.共射放大电路的组成及各部分作用共发射极放大电路是电子技术中应用最为广泛的放大电路形式第四十七页，共59页。

基极偏置电阻的作用是为放大电路提供合适的静态工作点。3DG6管RBC1+RCC2++UCC实际应用中，共射放大电路通常采用单电源供电，各部分的作用分别如下：第四十八页，共59页。3DG6RBC1+RCC2++UCCcebuiu0ibiCuCEiBIB显然，放大电路内部各电流、电压都是交直流共存的。uit0iBt0IBiCt0ICuCEt0ICRCu0t0反相！3.共射放大电路的工作原理第四十九页，共59页。4.共射放大电路的静态分析

输入信号ui=0、只在直流电源UCC作用下电路的状态称“静态”。直流分析就是要求出此时的IB、IC和UCE三数值。C1+C2+ICUBE放大电路的直流通道UCE3DG6RBRC＋UCCcebIC=βIBUCE=UCC－ICRCIB=RBUCC-UBE直流下耦合电容C1、C2相当于开路由直流通道求工作点上的IB：IB由图可得由晶体管放大原理可求得IC：由图又可求得工作点上UCE：①

静态分析第五十页，共59页。分析UBE(V)IB0.5V0.7V死区uit0ibt0t1t1t2t3t4t3t2t4由于输入信号大部分无法通过晶体管，ib电流波形与ui波形完全不一样了，造成输入信号输入时的“截止失真”。输入信号电压波形不设置静态工作点可以吗？结论：为保证传输信号不失真地输入到放大器中得到放大，必须在放大电路中设置静态工作点。第五十一页，共59页。ICIEIBUBEUCERBRC＋UCCceb

例：已知图示电路中UCC=10V，RB=250KΩ，RC=3KΩ，β=50，试求该放大电路的静态工作点Q。解IB=37.2