电子技术基础知识

电子技术基础知识一、半导体根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。半导体的电阻率为10-3～109

cm。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。二极管、三极管，习惯称为晶体管。优点：体积小、重量轻、寿命长、耗电少和功率转换效率高等。（一）半导体的特性1、光敏性：当受到光线照射时导电性能增强。2、热敏性：半导体的电阻温度系数为负，当温度升高时，电阻下降，导电性能增强。3、掺杂性：在半导体中掺入微量元素（磷、硼）后，导电性能成千上万倍的增加。（二）半导体类型本征半导体：完全纯净的、具有晶体结构的半导体。硅或锗均是四价元素，将硅或锗材料提纯并形成单晶体后，便形成共价键结构。在获得一定能量(热、光等)后，少量价电子即可挣脱共价键的束缚成为自由电子，同时在共价键中就留下一个空位，称为空穴。自由电子和空穴总是成对出现，同时又不断复合。自由电子空穴共价键SiSiSiSi本征半导体中自由电子和空穴的形成（二）半导体类型1、P型半导体：在半导体中掺入微量的三价元素（铟、硼、铝、镓）后，能产生许多带正电的空穴的半导体。在P型半导体中，空穴称为多数载流子（简称多子），电子称为少数载流子（简称少子）。在P型半导体中，空穴数等于负离子数与自由电子数之和，空穴带正电，负离子和自由电子带负电，整块半导体中正负电荷量相等，保持电中性。P型半导体的结构空穴硼原子＋4＋4＋4＋4＋3＋4＋4＋4＋4（二）半导体类型2、N型半导体：在半导体中掺入微量的五价元素（锑、磷、砷）后，能产生许多带负电的自由电子的半导体。在N型半导体中，电子称为多数载流子（简称多子），空穴称为少数载流子（简称少子）。在N型半导体中,自由电子数等于正离子数和空穴数之和，自由电子带负电，空穴和正离子带正电，整块半导体中正负电荷量相等，保持电中性。N型半导体的结构磷原子自由电子＋4＋4＋4＋4＋5＋4＋4＋4＋4（三）PN结PN结：指在P型半导体和N型半导体的交界处形成的空间电荷区（特殊的薄层）。PN结是构成多种半导体器件的基础。二极管的核心是一个PN结；三极管中包含了两个PN结。

P区N区扩散运动：由于载流子浓度的差异，而形成浓度高的区域向浓度低的区域扩散，产生扩散运动。漂移运动：两种载流子（电子和空穴）在电场的作用下产生的运动。其运动产生的电流方向一致。1、PN结的形成在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散运动，在它们的交界面处形成PN结（空间电荷区）。－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空间电荷区N型区P型区内电场2、PN结的单向导电性外加正向电压（正向偏置）R外电场内电场IF空穴(多子)电子(多子)NP变薄空间电荷区变薄，多数载流子的扩散运动增强，形成较大的正向电流2、PN结的单向导电性外加反向电压（反向偏置）NP变厚IR≈0R外电场内电场电子(少子)空穴(少子)空间电荷区变厚，多数载流子的扩散运动难于进行少数载流子漂移运动越过PN结，形成很小的反向电流PN结正向偏置时，加正向电压产生大的正向电流，PN结导电。PN结反向偏置时，加反向电压产生很小的反向饱和电流，近似为零，PN结不导电。2、PN结的单向导电性3、PN结的伏安特性

曲线OD段表示PN结正向偏置时的伏安特性，称为正向特性；曲线OB段表示PN结反向偏置时的伏安特性，称为反向特性。U（mV）I（mA）0

PN结的伏安特性DT=25℃B-IS（V）0.255075100(uA)0.511.52二、晶体二极管（一）类型点接触型、面接触型和平面型(集成电路中)。(a)点接触型二、晶体二极管（一）类型点接触型、面接触型和集成电路中的平面型。(b)面接触型(c)平面型二、晶体二极管（二）符号阳极阴极PN（三）二极管的伏安特性（四）二极管的主要参数1、最大整流电流IFM

IFM是指二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流。工作时，二极管通过的电流不应超过此数值，否则将导致过热而损坏。2、最高反向工作电压URM

URM

是指二极管不击穿所允许加的最高反向电压。超过此值二极管就有被反向击穿的危险。

URM

通常为反向击穿电压的1/2~2/3，以确保二极管安全工作。（四）二极管的主要参数3、最大反向电流IRM

IRM

是指二极管在常温下承受最高反向工作电压URM

时的反向漏电流。它一般很小，但其受温度影响较大，当温度升高时，IRM

显著增大。4、最高工作频率fM

fM

是指保持二极管单向导通性能时，外加电压允许的最高频率。二极管工作频率与PN结的极间电容大小有关，容量越小，工作频率越高。（五）二极管的判别无标记的二极管，可用万用表电阻挡来判别正、负极。根据二极管正向电阻小，反向电阻大的特点，将万用表拨到电阻挡(一般用R×100或R×1k挡。不要用R×1或R×10k挡，因为R×1挡使用的电流太大，容易烧坏管子，而R×10k挡使用的电压太高，可能击穿管子)。用表笔分别与二极管的两极相接，测出两个阻值。在所测得阻值较小的一次，与黑表笔相接的一端为二极管的正极。同理，在所测得较大阻值的一次，与黑表笔相接的一端为二极管的负极。如果测得的正、反向电阻均很小，说明管子内部短路；若正、反向电阻均很大，则说明管子内部开路。在这两种情况下，管子就不能使用。整流：把交流电变成直流电的过程。（六）二极管整流电路整流原理：二极管的单向导电特性。二极管单相整流电路：把单相交流电变成直流电的电路。（1）电路结构V：整流二极管，把交流电变成脉动直流电；

T：电源变压器，把v1变成整流电路所需的电压值v2。（2）工作原理：利用二极管单向导电性可把交流电v2

变成脉动直流电vL。由于电路仅利用v2

的半个波形，故称为半波整流电路。1、单相半波整流电路单相半波整流电路（3）负载和整流二极管上的电压和电流二极管的反向峰值电压VRM

负载电压VLVL=0.45V2负载电流IL二极管的平均电流IV

（1）二极管允许的最大反向电压应大于承受的反向峰值电压；（2）二极管允许的最大整流电流应大于流过二极管的实际工作电流。解决办法：全波整流电路缺点：电源利用率低，纹波成分大。选管条件：

V1、V2为性能相同的整流二极管；T为电源变压器，作用是产生大小相等而相位相反的v2a和v2b。

2、单相全波整流电路（1）变压器中心抽头式单相全波整流电路电路结构变压器中心抽头式全波整流电路工作原理：

v1正半周时，T次级A点电位高于B点电位，在v2a作用下，V1导通（V2截止），iV1自上而下流过RL；

v1负半周时，T次级A点电位低于B点电位，在v2b的作用下，V2导通（V1截止），iV2自上而下流过RL；可见，在v1一周期内，流过二极管的电流iV1

、iV2叠加形成全波脉动直流电流iL，于是RL两端产生全波脉动直流电压vL。故电路称为全波整流电路。变压器中心抽头式全波整流电路缺点：单管承受的反峰压比半波整流高一倍，变压器T需中心抽头。负载和整流二极管上的电压和电流负载电压VL

负载电流IL

二极管的平均电流IV

二极管的反向峰值电压

VRM

（3）单相桥式全波整流电路电路结构V1～V4为整流二极管，电路为桥式结构。桥式全波整流电路

v2负半周时，A点电位低于B点电位，则V2、V4导通（V1、V3截止），i2自上而下流过负载RL；桥式整流电路工作过程工作原理

v2正半周时，A点电位高于B点电位，则V1、V3导通（V2、V4截止），i1自上而下流过负载RL；由波形图，v2一周期内，两组整流二极管轮流导通产生的单方向电流i1

和i2叠加形成了iL。于是负载得到全波脉动直流电压vL。优点：输出电压高，纹波小，较低。应用广泛。负载和整流二极管上的电压和电流负载电压VL

负载电流IL

二极管的平均电流IV

二极管的反向峰值电压VRM

常用整流电路性能比较半波整流中心抽头式全波整流桥式全波整流负载电压VLVL=0.45V2VL=0.9V2VL=0.9V2负载电流ILIL=0.45V2/RLIL=0.9V2/RLIL=0.9V2/RL二极管的平均电流IVIV=ILIV=IL/2IV=IL/2二极管的反向峰值电压VRM特点电路简单,输出电压脉动性大负载能力较好，变压器有抽头负载能力强，需四只整流管

[例1.2.1]有一直流负载，需要直流电压

V，直流电流A。若采用桥式整流电路，求电源变压器次级电压并选择整流二极管。查晶体管手册，可选用整流电流为3安培，额定反向工作电压为100伏的整流二极管2CZ12A（3A/100V）四只。二极管承受的反向峰值电压流过二极管的平均电流因为

所以解：三、晶体三极管（一）三极管的结构及类型三个区：基区、发射区、集电区；掺杂浓度：发射区>>集电区>>基区；基区必须很薄。两个PN结：发射区与基区之间的发射结；集电区与基区之间的集电结；三个电极：发射极e、基极b和集电极c。三极管的组成型式：NPN型和PNP型。三、晶体三极管（一）三极管的结构及类型NNPcbeSiO2绝缘层NPN硅管结构图NcbePN型锗铟球铟球

PNP锗管结构图c集电极b基极集电区PN基区发射区P集电结发射结e发射极ebcPNP型

NPN型c集电极b基极集电区NP基区发射区N集电结发射结e发射极ebc（二）晶体三极管在电路中的接法发射结正偏，集电结反偏。电路接法：共基接法、共射接法。NPNEeEciBRcReiEiCbec共基接法RbEbEcRcicc+ibbeNPNubeiE++－－－共射接法ubcucePNP型与NPN型晶体管电路的差别：电压极性不同。电流方向不同。cEcbeibicie

PNP型EbcEbbeibicie

NPN型Ec（三）晶体三极管的放大作用发射极电流分成两部分：Ie=Ic+IbIb控制Ie

，Ie控制Ic。β称为三极管的电流放大系数。它反映三极管的电流放大能力，也即电流Ib

对Ic的控制能力。温度对β的影响：温度升高时β随之增大。一般，温度每升高1℃，增加约(0.5~1)%。cEbbeibicieEc（四）晶体三极管的工作状态三种工作状态：放大状态、饱和状态、截止状态。放大状态：ΔIc与ΔIb成比例。饱和状态：无论Ib如何变化，Ic、Ie总是维持一定数值不变。截止状态：当Ib

＝0时，Ic、Ie基本为0。开关管一般工作在饱和与截止状态。cEbbeibicieEc可控硅整流器（SCR

）四、晶闸管晶闸管是在半导体二极管、三极管之后发现的一种新型的大功率半导体器件，它是一种可控制的硅整流元件，亦称可控硅。晶闸管也具有单向导电性，但它的导通时间是可控的，主要用于整流、逆变、调压及开关等方面。优点：体积小、重量轻、效率高、动作迅速、维修简单、操作方便、寿命长、容量大（正向平均电流达千安、正向耐压达数千伏）。（一）晶闸管的结构和符号4层半导体(P1、N1、P2、N2)，3个PN结。(a)外形KGA(b)符号G控制极K阴极阳极

AP1P2N1N2四层半导体三个

PN

结(c)结构示意图晶闸管相当于PNP和NPN型两个晶体管的组合P1P2N1N2K

GA+KA

T2T1_P2N1N2IGIAP1N1P2IKGPPNNNPAGKT1T2（二）工作原理A在极短时间内使两个三极管均饱和导通，此过程称触发导通。形成正反馈过程KGEG>0、EA>0EGEA+_RT1T2（二）工作原理A形成正反馈过程KGEG=0

、

EA>0EG=0EA+_R晶闸管导通后，去掉EG

，依靠正反馈，仍可维持导通状态。晶闸管导通的两个必备条件：1、晶闸管阳极电路(阳极与阴极之间)施加正向电压。2、晶闸管控制电路(控制极与阴极之间)施加正向电压或正向脉冲(正向触发电压)。晶闸管导通后，控制极便失去作用。

依靠正反馈，晶闸管仍可维持导通状态。晶闸管关断的条件：1、必须将阳极正向电压降低到一定值，以减小阳极电流，使正反馈效应不能维持。2、将阳极电源断开或者在晶闸管的阳极与阴极间施加反向电压。如图（a）所示，主电路加上交流电压~u2，控制极电路接入Eg，在t1瞬间合上开关S，在t4瞬间拉开开关S，则u2、ug和电阻上RL的电压ud的波形关系如图（b）所示。（1）在0~t1之间:开关S未合上，ug=0，尽管uAK>0，但ud=0，即晶闸管未导通；（2）在t1~t2之间:uAK>0，由于开关S合上，使ug>0，而，即晶闸管导通；（3）在t2~t3之间，uAK<0，尽管ug>0，但ud=0，即晶闸管关断；（4）在t3~t4之间，uAK>0，这时ug>0,而，所以，晶闸管又导通；（5）当t=t4时，ug=0，但uAK>0，，即晶闸管仍处于导通状态；（6）当t=t5时，uAK=0，ug=0，而ud=0，即晶闸管关断，晶闸管处于阻断状态。

正向特性反向特性URRMUFRMIG2>IG1>IG0UBRIFUBO正向转折电压IHoUIIG0IG1IG2+_+_反向转折电压正向平均电流维持电流

U（三）伏安特性（四）晶闸管的主要参数1、UFRM:正向重复峰值电压（晶闸管耐压值）晶闸管控制极开路，且正向阻断情况下,允许重复加在晶闸管两端的正向峰值电压。普通晶闸管UFRM

为100V—3000V2、URRM：反向重复峰值电压控制极开路时,允许重复作用在晶闸管元件上的反向峰值电压。普通晶闸管URRM为100V—3000V3、IF：正向平均电流环境温度为40

C及标准散热条件下，晶闸管处于全导通时可以连续通过的工频正弦半波电流的平均值。IF

t

2

如果正弦半波电流的最大值为Im,则普通晶闸管IF为1A—1000A。5、UF:

通态平均电压（管压降）在规定的条件下，通过正弦半波平均电流时，晶闸管阳、阴极间的电压平均值。一般为1V左右。4、IH:

维持电流在规定的环境和控制极断路时，晶闸管维持导通状态所必须的最小电流。一般IH为几十到

一百多毫安。6、UG、IG：控制极触发电压和电流室温下，阳极电压为直流6V时，使晶闸管完全导通所必须的最小控制极直流电压、电流。一般UG为1到5V，IG为几十到几百毫安。（五）晶闸管型号及其含义导通时平均电压组别共九级,用字母A~I表示0.4~1.2V额定电压,用百位或千位数表示取UFRM或URRM较小者额定正向平均电流(IF)（晶闸管类型）P--普通晶闸管K--快速晶闸管S--双向晶闸管

晶闸管KP如KP5-7表示额定正向平均电流为5A,额定电压为700V。（六）可控整流电路整流：将交流电变为直流电的过程。整流电路：将交流电变为直流电的电路。可控整流电路：使用晶闸管作为整流元件的整流电路。整流单相三相1、单相半波可控整流（1）电阻性负载电路

u

>0时：若ug

=0，晶闸管不导通，u

<0时:

晶闸管承受反向电压不导通,

uo=0,uT=u，故称可控整流。若控制极加触发信号，ug

>

0，晶闸管承受正向电压导通

uuoRL+–+uT+––Tio工作原理

t1

2u

<

0时:晶闸管承受反向电压不导通，即：晶闸管反向阻断。加触发信号，ug>0，晶闸管承受正向电压导通。

tOu

>0时:

tOuo

uRL+–+uT+––Tio

tO

控制角

t1

tO

tO

t22

tO导通角工作波形α范围θ范围uo

uRL+–+uT+––Tio整流输出电压及电流的平均值由公式可知：改变控制角，可改变输出电压Uo。晶闸管承受的最大正反向电压：uo

uRL+–+uT+––Tio（2）电感性负载电路

当电压u过零后，由于电感反电动势的存在，晶闸管在一段时间内仍维持导通，失去单向导电作用。

uuoR+–+uT+––T

⃝LeL⃝在电感性负载中，当晶闸管刚触发导通时，电感元件上产生阻碍电流变化的感应电势，电流不能跃变，将由零逐渐上升。

tO

tO

tO

t1

tO

t22

工作波形

uuoR+–+uT+––LTioDiou>0时：

D反向截止，不影响整流电路工作。u

<0时：

D正向导通,晶闸管承受反向电压关断,电感元件L释放能量形成的电流经D构成回路(续流),负载电压uo波形与电阻性负载相同。电感性负载(加续流二极管)+–电路工作波形(加续流二极管)iL

t

tO

tO

2

tO2、单相半控桥式整流电路电路工作原理

T1和D2承受正向电压。T1控制极加触发电压,则T1和D2导通，电流的通路为T1、T2

晶闸管D1、D2

晶体管aRLD2T1b电压u

为正半周时：io+–+–T1T2RLuoD1D2a

u+–b此时，T2和D1均承受反向电压而截止。io+–+–T1T2RLuoD1D2a

u+–b

T2和D1承受正向电压。T2控制极加触发电压,则T2和D1导通，电流的通路为电压u

为负半周时：bRLD1T2a此时，T1和D2均承受反向电压而截止。

t

tO

tO工作波形2

tO输出电压及电流的平均值3、三相桥式半控整流电路电路工作原理①当α＝o时，直流输出电压波形和三相不控整流相同，每周期有6个相同的波头。②三相半控桥式整流的触发移相范围0～180°，触发电压有三组，分别加在相应的晶闸管上，三相触发电压必须与主回路的三相电源同步，彼此相差120°，晶闸管最大导通角为120°，当α＜60°时，输出电压Ud是连续波形；当α＞6o°以后，Ud的波形不连续。只要控制好触发角的大小，就能得到所需的直流输出电压值。③当α＝60°时，导电晶闸管的相电压已降至与另一个最低相电压的晶闸管相等，导电晶闸管自行关断，输出波形剩下三个波头。④α＞60°时，输出波形不连续，每个晶闸管自行关断，直至另一相晶闸管被触发才有电压输出。由上分析可知，控制角α越大，导通角θ越小，输出电压波形的面积越小，输出电压的平均值越小。当α＝180°时，导通角θ

＝180°—α＝0，就没有电压输出了。三相半控桥式整流的触发范围是180°，脉冲间隔为120°，晶闸管最大导通角是120°，只要控制好触发角的大小就能获得所需的直流电压值。五、单结晶体管触发电路（一）单结晶体管结构及工作原理1、结构与符号B2第二基极B1N欧姆接触接触电阻P发射极E第一基极PN结N型硅片(a)示意图单结晶体管结构示意图及其表示符号(b)符号B2EB12、工作原理

UE<

UBB+UD=UP时PN结反偏，IE很小；PN结正向导通,IE迅速增加。UE

UP时

–分压比(0.5~0.9)UP

–峰点电压UD–

PN结正向导通压降B2B1UBBEUE+_+_RP+_+_等效电路RB1RB2AUBBEUE+_RP+_+_B2B1测量单结晶体管的实验电路由图可求得3、单结晶体管的伏安特性UV、IV(谷点电压、电流):维持单结管导通的最小电压、电流。

UP(峰点电压)：

单结管由截止变导通

所需发射极电压。IpIVoIEUEUP峰点电压UV谷点电压V负阻区截止区饱和区负阻区：UE>UP后，大量空穴注入基区，致使IE增加、UE反而下降，出现负阻。P

UE<UP时单结管截止；UE>UP时单结管导通，UE<UV时恢复截止。4、单结晶体管的特点：单结晶体管的峰点电压UP与外加固定电压UBB及分压比

有关。若外加电压UBB或分压比

不同，则峰点电压UP不同。不同单结晶体管的谷点电压UV和谷点电流IV都不一样。谷点电压大约在2~5V之间。常选用

稍大一些，UV稍小的单结晶体管，以增大输出脉冲幅度和移相范围。（二）单结晶体管触发电路振荡电路（能够产生振荡电流的电路。振荡电流是一种频率很高的交变电流。直流变交流的电路。）单结晶体管弛张振荡电路单结晶体管弛张振荡电路，利用单结管的负阻特性及RC电路的充放电特性组成频率可调的振荡电路。振荡过程分析设通电前uC=0。接通电源U,电容C经电阻R充电。电容电压uC逐渐升高。

当uC

UP时,单结管导通,电容C放电,R1上得到一脉冲电压。UpUvUp-UDuC

tug

t电容放电至uC

Uv时，单结管重新关断，使ug0。(a)(b)upuv(c)电压波形uC

t

tugOO（三）单结管触发的半控桥式整流电路1、电路2、工作原理整流削波U2M削波UZRu2+–+–uo+–uZ整流U2M

tO2

tO

tO触发电路UP-UD

t

tUvUpRLT1D1D2T2uL+输出电压uLOOUZ

tO

tO电压的调节Rp

电容充电速度变慢

uL交流电压脉动直流电压整流滤波直流电压经过整流后的电源电压虽然没有交流变化成分，但其脉动较大，需要经过滤波电路消除其脉动成分，使其更接近于直流。滤波的方法一般采用无源元件电容或电感，利用其对