电子技术第三节

电子技术基础FundamentalsofElectronics马稚昱仲恺农业工程学院机电学院二〇一二年1.1半导体基础知识1.半导体中两种载流子带负电的自由电子带正电的空穴2.本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为电子-空穴对。3.本征半导体中自由电子和空穴的浓度用ni和pi表示，显然ni=pi。4.由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又不断的复合。在一定的温度下，产生与复合运动会达到平衡，载流子的浓度就一定了。本证半导体小结：5.载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升高，基本按指数规律增加。1.1半导体基础知识杂质半导体小结：1.掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少数载流子的浓度。3.杂质半导体总体上保持电中性。4.杂质半导体的表示方法如下图所示。2.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。(a)N型半导体(b)P型半导体杂质半导体的的简化表示法1.1半导体基础知识小结：1、当PN结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流，PN结处于导通状态；2、当PN结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零，PN结处于截止状态。可见，PN结具有单向导电性。温度对PN结的正向特性和反向特性有何影响。1.2.5二极管的应用【例1】下图是二极管限幅电路，D为理想二极管，E=3V，ui=6sintV，试画出uo及uD的波形。ui/Vt6302DE3VRuiuouRuD1.2半导体二极管2ui3时，D截止，uo=ui，uD=ui–3ui3时，D导通，uo=3，uD=0ui/Vt6302解：t30–6uo/VDE3VRuiuouRuDt0–9uD/V–31.2半导体二极管【例2】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。DA–12VYABDBR1.2半导体二极管VAVB,DA优先导通，使VY=3V。VBVY，DB截止，将VB与VY隔离。设DA、DB，为理想二极管。解：DA起箝位作用。DB起隔离作用。1.2.5二极管的应用讨论：如何判断二极管的工作状态？1.2半导体二极管判断二极管是否正向导通：１．先假设二极管截止，求其阳极和阴极电位；２．若阳极阴极电位差＞UD，则其正向导通；３．若电路有多个二极管，阳极和阴极电位差最大的二极管优先导通；其导通后，其阳极阴极电位差被钳制在正向导通电压（０.7V或０.３V）；再判断其它二极管．1.2.5二极管的应用1.2半导体二极管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。1.2半导体二极管分析方法：将二极管断开。若V阳V阴，则二极管导通；若V阳V阴，则二极管截止。实际二极管应考虑其正向压降(硅管0.6～0.7V，锗管0.2～0.3V)。理想二极管正向压降为零，反向截止。二极管的应用广泛。根据二极管的单向导电性，它可用于整流、检波、限幅、元件保护及在数字电路中作为开关元件等。使用注意二极管的应用1.2半导体二极管稳压管(b)符号(a)伏安特性正向特性反向特性反向击穿区+u-iIZ-UZ+DZ1.3特殊二极管稳压管实物图稳压管稳压管特征参数IZUZu/V0-UZ-IZmin-IZmax一.稳定电压UZ：是在规定电流下稳压管的正常工作（反向击穿）电压。二.稳定电流IZmin：保证管子进入反向击穿区的电流。若电流低于IZmin，则管子的稳压性不佳，甚至根本不稳压。要求IZIZmin.三.最大允许耗散功率PZM：PZM=UZIZmax四.动态电阻rZ：rZ=IZUZ进入稳压区的最小电流不至于损坏的最大电流1.3特殊二极管稳压管稳压管稳压电路一、电路关于电路组成的说明：（1）负载（RL）必需与DZ并联，使Uo稳定。（2）DZ必需工作在反向击穿区。RUiILUoIＺDZRLIRUz+二、稳压原理UiUo(UZ)IＺIRURUo（3）为保证IZminIZIzmax，必需串联一个大小合适的限流电阻R。1.3特殊二极管三、限流电阻的选择IZminIZIZmaxIZ=UiUZR－IL1.当Ui最大，而IL最小时，IZ最大IZmax：UimaxUZR－ILminIZmaxRUimaxUZIzmax+ILmin2.当Ui最小，而IL最大时，IZ最小IZmin：UiminUZR－ILmaxIZminRUiminUZIZmin+ILmax稳压管稳压电路RUimin–UZIZmin+ILmaxUimax–UZIZmax+ILmin稳压管1.3特殊二极管RLUiUORDZIIzILUZ【例1】在稳压管稳压电路中，已知Ui=12V，且变化范围20%，UZ=5V，IZmin=5mA，PZmax=360mw，IL=0～5mA，求限流电阻R。解：由已知条件得：Uimin=9.6V，Uimax=14.4V，IZmin=5mA，IZmax=PZmax/UZ=360/5=75mA则KIIUURlZZi125.007554.14minmaxmaxKIIUURlZZi46.05556.9maxminmin1.3特殊二极管【作业】稳压二极管的应用tu0I/V63tu0O1/V3tu0O2/V3已知ui的波形如图所示,画出输出uo的波形。（UZ＝3V）uiuODZR(a)(b)uiuORDZ1.3特殊二极管1.4晶体三极管又称双极型晶体管(BJT)、晶体三极管，或简称晶体管。三极管有两种类型：NPN型和PNP型。双极型晶体管双极型晶体管双极型晶体管双极型晶体管1.4晶体管1.4.1双极型晶体管的基本结构和类型常用的三极管的结构有硅平面管和锗合金管两种类型。(a)平面型(NPN)(b)合金型(PNP)NecNPb二氧化硅becPNPe发射极，b基极，c集电极。发射区集电区基区基区发射区集电区三极管结构示意图和符号NPN型ecb符号集电区集电结基区发射结发射区集电极c基极b发射极eNNP1.4晶体管1.4晶体管1.4.2晶体管的电流放大作用以NPN型三极管为例讨论cNNPebbec表面看三极管若实现放大，必须从三极管内部结构和外部所加电源的极性来保证。不具备放大作用NN＋P几百微米几微米ebcNPN型三极管结构图1.4晶体管三极管内部结构要求：NNPebcNNNPPP1.发射区高掺杂。2.基区做得很薄。通常只有几微米到几十微米，而且掺杂较少。三极管放大的外部条件：外加电源的极性应使发射结处于正向偏置状态，而集电结处于反向偏置状态。3.集电结面积大。1.4晶体管——晶体管的电流放大作用一、晶体管内部载流子的运动1.4晶体管——晶体管的电流放大作用becRcRbIEIB晶体管内部载流子的运动1.发射结加正向电压，扩散运动形成发射极电流发射区的电子越过发射结扩散到基区，基区的空穴扩散到发射区—形成发射极电流IE(基区多子数目较少，空穴电流可忽略)。2.扩散到基区的自由电子与空穴的复合运动形成基极电流电子到达基区，少数与空穴复合形成基极电流Ibn，复合掉的空穴由VBB补充。多数电子在基区继续扩散，到达集电结的一侧。1.4晶体管——晶体管的电流放大作用becIEIBRcRb3.集电结加反向电压，漂移运动形成集电极电流Ic集电结反偏，有利于收集基区扩散过来的电子而形成集电极电流Icn。其能量来自外接电源VCC。IC另外，集电区和基区的少子在外电场的作用下将进行漂移运动而形成反向饱和电流，用ICBO表示。ICBO晶体管内部载流子的运动beceRcRb二、晶体管的电流分配关系IEpICBOICIBIEnIBnICnIC=ICn+ICBOIE=ICn+IBn+IEp=IEn+IEpIB=IEP+IBN－ICBOIE=IC+IB晶体管内部载流子的运动与外部电流1.4晶体管——晶体管的电流放大作用1.4晶体管三极管的特性曲线是其各极电压和电流之间关系的曲线。iCuCEuBEiBiB=f(uBE)UCE=常数输入特性输出特性IB=常数iC=f(uCE)1.4.3晶体管的伏安特性曲线（1）输入特性曲线IEIBRBUBICUCCRC＋--＋UBEUCEUBEIB//VµAO材料不同，死区电压不同IB=f(UBE)UCE=常数1.4晶体管——晶体管的伏安特性曲线一、三极管的输入特性发射极是输入回路、输出回路的公共端。一、三极管的输入特性iB=f(uBE)UCE=常数死区uBE/ViB/A0UCE=0UCE≥1VUCE=0时：+-uBEBCEiBUCE0V时，曲线右移，UCE≥1V后，曲线几乎重合。一般用UCE１V的任一曲线与二极管正向特性相似ＵＯＮ——晶体管的伏安特性曲线（1）输入特性曲线1.4晶体管iC/mAuCE/V0IB=0µA20µA40µA60µA80µA饱和区截止区放大区饱和区:发射结、集电结均正向偏置截止区:发射结、集电结均反向偏置放大区:发射结正向偏置；集电结反向偏置iBiCQ二、三极管的输出特性IB=常数iC=f(uCE)CEBEuu临界曲线发射结反偏:uBE＜=UON集电结反偏:uCB0NPN1.4晶体管——晶体管的伏安特性曲线三极管的参数分为三大类:直流参数、交流参数、极限参数一、直流参数1.共发射极直流电流放大系数=（IC－ICEO）/IB≈IC/IB2.共基直流电流放大系数ECII3.集电极基极间反向饱和电流ICBO集电极发射极间的反向饱和电流ICEOICEO=（1+）ICBO1.4晶体管CBOBCIII)1(忽略ICBOCBOECIII1.4.4晶体管的主要参数——晶体管的主要参数1.4晶体管二、交流参数1.共发射极交流电流放大系数=iC/iBUCE=const2.共基极交流电流放大系数αα=iC/iEUCB=const1.最大集电极耗散功率PCMPCM=iCuCE三、极限参数2.最大集电极电流ICM3.反向击穿电压UCBO——发射极开路时的集电结反向击穿电压。UEBO——集电极开路时发射结的反向击穿电压。UCEO——基极开路时集电极和发射极间的击穿电压。几个击穿电压有如下关系UCBO＞UCEO＞UEBO——晶体管的主要参数1.4晶体管由PCM、ICM和UCEO在输出特性曲线上可以确定过损耗区、过电流区和击穿区。输出特性曲线上的过损耗区和击穿区——晶体管的主要参数1.4晶体管集电极最大允许电流ICM集-射反向击穿电压U(BR)CEO集电极最大允许耗散功率PCM过压区过流区安全工作区过损区PCM=iCuCEUCE/VU(BR)CEOIC/mAICMO使用时不允许超过这些极限参数.——温度对晶体管特性及参数的影响1.4晶体管一、温度对ICBO的影响温度每升高100C，ICBO增加约一倍。反之，当温度降低时ICBO减少。硅管的ICBO比锗管的小得多。二、温度对输入特性的影响温度升高时正向特性左移，反之右移60402000.40.8I/mAU/V温度对输入特性的影响200600三、温度对输出特性的影响温度升高将导致IC增大iCuCEOiB200600温度对输出特性的影响正偏反偏反偏集电结正偏正偏反偏发射结饱和放大截止三极管工作状态的判断[例1]：测量某NPN型BJT各电极对地的电压值如下，试判别管子工作在什么区域？（1）VC＝6VVB＝0.7VVE＝0V（2）VC＝6VVB＝4VVE＝3.6V（3）VC＝3.6VVB＝4VVE＝3.4V解：原则：对NPN管而言，放大时VC＞VB＞VE对PNP管而言，放大时VC＜VB＜VE（1）放大区（2）截止区（3）饱和区1.5场效应晶体管本节内容(1)场效应管的结构、工作原理、特性曲线和主要参数特点单极型器件(一种载流子导电)；输入