电工电子技术课程课件-第04章

第4章半导体电路基础电工电子学(Ⅱ)教学基本要求理解PN结的单向导电性；了解二极管、稳压管、三极管和MOS场效应管的基本构造、工作原理和主要特性曲线，理解主要参数的意义。分析含有二极管的电路。理解基本放大电路的构成与工作原理,并能进行静态与动态分析;掌握微变等效电路的绘制和分析方法。理解功率放大的概念,了解常见功率放大电路的形式与分析方法.理解负反馈的概念,理解负反馈对放大电路性能的影响,了解反馈类别的判别.电工电子学(Ⅱ)主要内容二极管及应用电路三极管及放大电路场效应管放大电路多级放大电路负反馈放大电路差分放大器本章小结电工电子学(Ⅱ)二极管及应用电路半导体基本知识半导体二极管二极管的应用电工电子学(Ⅱ)本征半导体(1)导电能力介于导体和绝缘体之间的材料称为半导体。最常用的半导体为硅(Si)和锗(Ge)。++SiGe电工电子学(Ⅱ)本征半导体(2)(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(可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化(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，导电能力显著增强电工电子学(Ⅱ)本征半导体(3)特点是：原子核最外层的价电子是四个，是四价元素，它们排列成非常整齐的晶格结构。所以半导体又称为晶体。本征半导体——化学成分纯净的半导体。物理结构上呈单晶体形态。电工电子学(Ⅱ)本征半导体(4)电子空穴对——由热激发而产生的自由电子和空穴对。自由电子空穴价电子电工电子学(Ⅱ)本征半导体(5)价电子与共价键在本征半导体的晶体结构中，每一个原子与相邻的四个原于结合。每一原子的—个价电子与另一原子的一个价电子组成一个电子对。这对价电子是每两个相邻原子共有的，它们把相邻的原子结合在一起，构成所谓共价键的结构。共价键电工电子学(Ⅱ)本征半导体(6)硅原子共价键价电子价电子受到激发，形成自由电子并留下空穴。半导体中的自由电子和空穴都能参与导电——半导体具有两种载流子。自由电子和空穴同时产生空穴电工电子学(Ⅱ)本征半导体(7)在价电子成为自由电子的同时，在它原来的位置上就出现一个空位，称为空穴。空穴表示该位置缺少一个电子，丢失电子的原子显正电，称为正离子。自由电子又可以回到空穴的位置上，使离子恢复中性，这个过程叫复合。硅原子共价键价电子自由电子与空穴的产生与复合电工电子学(Ⅱ)杂质半导体如果在本征半导体中掺入微量的杂质(某种元素)，这将使掺杂后的半导体(杂质半导体)的导电性能大大增强.N型半导体P型半导体电工电子学(Ⅱ)N型半导体(1)在硅或锗晶体中掺入磷(或其它五价元素)。在这种半导体中形成了大量自由电子。这种以自由电子导电作为主要导电方式的半导体称为电子型半导体或N型半导体。SiGe+P=N型电工电子学(Ⅱ)P+多余电子SiSiSiSiSiSiP特点在N型半导体中电子是多数载流子、空穴是少数载流子。室温情况下，当磷掺杂量在10–6量级时，电子载流子数目将增加几十万倍电工电子学(Ⅱ)P型半导体(1)在硅或锗晶体中渗入硼(或其它三价元素)。在半导体中形成了大量空穴，这种以空穴导电作为主要导电方式的半导体称为空穴半导体或P型半导体。SiGe+B=P型电工电子学(Ⅱ)SiSiSiSiSiSiB+B空穴掺硼的半导体中，空穴为多数载流子，自由电子是少数载流子，这种半导体称为空穴型半导体或P型半导体一般情况下，掺杂半导体中多数载流子的数量可达到少数载流子的1010倍或更多，电子载流子数目将增加几十万倍。电工电子学(Ⅱ)不论是N型半导体还是P型半导体，都只有一种多数载流子。然而整个半导体晶体仍是电中性的。思考题1：N型半导体中的自由电子多于空穴，P型半导体中的空穴多于自由电子，是否N型半导体带负电，P型半导体带正电？电工电子学(Ⅱ)PN结及其单向导电性(1)载流子在电场作用下的漂移运动：在电场作用下载流子的运动称为漂移运动。由漂移运动产生的电流为漂移电流。电场E+-eq电工电子学(Ⅱ)PN结及其单向导电性(2)如果在半导体中两个区域自由电子和空穴的浓度存在差异，那么载流子将从浓度大的一边向浓度小的一边扩散。PN自由电子空穴扩散扩散由于浓度差引起的载流子运动为扩散运动。相应产生的电流为扩散电流。电工电子学(Ⅱ)PN结及其单向导电性(3)空间电荷区P区N区内电场1.多数载流子的扩散运动将形成耗尽层；2.耗尽了载流子的交界处留下不可移动的离子形成空间电荷区；（内电场）3.内电场阻碍了多子的继续扩散。电工电子学(Ⅱ)PN结及其单向导电性(4)PN结的形成空间电荷区P区N区对进入空间电荷区的少子，内建电场又将其驱动到对面（漂移运动），在一定温度下，达到动态平衡，形成所谓PN结。这时的扩散电流等于漂移电流。PN结中没有净电流流动。漂移漂移空间电荷区的叫法很多，有叫耗尽区的，也有叫阻挡层的。扩散与漂移的动态平衡形成了PN结P型N型++--EPN结电工电子学(Ⅱ)PNPN结及其单向导电性(5)当外加电场加入后，如果外电场方向与内电场方向一致(即，外加电压正端接N区,负端接P区)，EUPN结加反向偏压，不导电（截止）内建电场得到加强，空间电荷区加宽，载流子更难通过，因而不能导电（截止）。电工电子学(Ⅱ)PN结及其单向导电性(6)当外电场方向与内电场方向相反(即，外加电压正端接P区,负端接N区)，PNEUPN结加正向偏压，导电（导通）内建电场受到削弱，空间电荷区变窄，载流子易于通过，因而产生导电现象（导通）。这种只有一种方向导电的现象称为PN结的单向导电性。电工电子学(Ⅱ)半导体二极管二极管的电路符号与基本结构二极管的伏安特性二极管的电路模型二极管的主要参数电工电子学(Ⅱ)二极管的电路符号与基本结构(1)电路符号如图：阳极阴极D二极管电路符号根据PN结的单向导电性，二极管只有当阳极电位高于阴极电位时，才能按箭头方向导通电流。符号箭头指示方向为正，色点则表示该端为正极。为了防止使用时极性接错，管壳上标有“”符号或色点，电工电子学(Ⅱ)二极管的电路符号与基本结构(2)引线外壳触丝线基片点接触型PN结面接触型电工电子学(Ⅱ)二极管的电路符号与基本结构(3)电工电子学(Ⅱ)二极管的电路符号与基本结构(4)电工电子学(Ⅱ)二极管的电路符号与基本结构(5)电工电子学(Ⅱ)二极管的伏安特性(1)U(V)0.400.8-50-25I(mA)204060(A)4020二极管的伏安特性曲线如图所示：DiDuDuDiD0正向导通0.5锗硅0.2“死区”：对应于二极管开始导通时的外加电压称为“死区电压”。锗管约为0.2V,硅管约0.5V。电工电子学(Ⅱ)二极管的伏安特性(2)DiDuDuDiD0正向导通反向截止击穿0.5锗硅0.2反向饱和电流外加反向电压不超过一定范围时通过二极管的电流是少数载流子漂移运动所形成的很小的反向电流，称为反向饱和电流或漏电流。该电流受温度影响很大。击穿特性外加反向电压超过某一数值时，反向电流会突然增大，这种现象称为击穿（击穿时，二极管失去单向导电性）。对应的电压称为击穿电压。电工电子学(Ⅱ)二极管的伏安特性(3)利用MultiSim测试二极管伏安特性电工电子学(Ⅱ)二极管的电路模型(1)1.理想二极管的电路模型：iDuD0000DDDDDiuuUi当当导通电压UD与二极管材料有关：硅管为0.6~0.7V，锗管为0.2~0.3V2.考虑导通电压的二极管模型：000DDDDDiuUui当当iDuD0_+uDiDuDUDuDUD+uDiD_电工电子学(Ⅱ)二极管的电路模型(2)3.考虑正向伏安特性曲线斜率的二极管电路模型以动态电阻rD表示曲线的斜率iDuD0UDuDUD+uDiD_DDDurirD电工电子学(Ⅱ)二极管的电路模型(3)1.限幅电路uiuoRE输入电压为一正弦波。电池电压：E=4V8sinViut08t4ou0t截止截止导通导通如果考虑二极管导通电压，则此时输出电压应为4.7V。当输入电压小于电池电压时，二极管两端电压处于反向偏置，截止，没有电流流过，所以输出电压跟随输入电压变化。当输入电压大于电池电压时，二极管两端电压处于正向偏置，导通，二极管两端电压为0，所以输出电压与电池电压相同，为4V。电工电子学(Ⅱ)二极管的电路模型(4)2.或门电路假定二极管导通电压忽略不计，我们用列表的方法来分析输入信号VA，VB和输出信号VF的关系：VAVBVFD2D13V3V3V3V0V0V0V0V导通导通导通导通导通导通截止截止3V0V3V3V如果定义3V电平为逻辑1，0V电平为逻辑0，则，该电路实现逻辑“或”的功能：F=A+BD1D2R-12VVAVBVF电工电子学(Ⅱ)二极管的主要参数(1)最大整流电流ICM最高反向电压URM最大反向电流IRM最高工作频率fMuDiD0URMIRMICMUBR电工电子学(Ⅱ)二极管的主要参数(2)1.最大整流电流ICMuDiD0URMIRMICMUBR——二极管长时间安全工作所允许流过的最大正向平均电流。由PN结结面积和散热条件决定，超过此值工作可能导致过热而损坏。2.最高反向工作电压URM——为保证二极管不被反向击穿而规定的最大反向工作电压，一般为反向击穿电压的一半。电工电子学(Ⅱ)二极管的主要参数(3)3、最大反向电流IRuDiD0URMIRMICMUBR——二极管未被击穿时，流过二极管的反向电流。此值越小，单向导电性越好。硅管优于锗管。4.最高工作频率fM——二极管维持单向导电性的最高工作频率。由于二极管中存在结电容，当频率很高时，电流可直接通过结电容，破坏二极管的单向导电性。电工电子学(Ⅱ)二极管的应用二极管的应用钳位削波隔离整流限幅特殊二极管电工电子学(Ⅱ)二极管的应用(1)例1：电路如图，求：UABD6V12V3kBAUAB+–V阳=－6VV阴=－12V，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-6.3Ｖ或-6.7V解：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。电工电子学(Ⅱ)二极管的应用(2)例2：如图由RC构成微分电路，当输入电压ui为矩形波时，试画出输出电压uo的波形。(设uc0=U0)CRDRLuiuRuouitouotoUuRto在这里，二极管起削波作用，削去正尖脉冲。电工电子学(Ⅱ)二极管的应用(3)例3：在图示或门电路中，输入端A的电位UA=+3V,B的电位UB=0V,求输出端F的电位UF=?。电阻R接负电源－12V。解：因为A端电位比B端电位高，所以，D1优先导通。设二极管的正向压降是0.3V，则，UF=2.7V。当D1导通后，D2上加的是反向电压，所以，D2截止。D1起钳位作用。将UF钳制在2.7V。D2起隔离作用D1D2R-12VVAVBVF二极管的应用(4)例4在如图所示的两个电路中，已知ui=30sinωtV，二极管的正向压降可忽略不计，试分别画出输出电压u0的波形。RDR+-uiu0u0D+-ui+-+-40tiu20u0t20t0u2时截止时导通0,0,0iiiuDuDuu0时导通时截止0,00,0iiiuDuDuu电工电子学(Ⅱ)二极管的应用(5)对13始终存有疑问例5：二极管电路如图，D1、D2为理想二极管，试画出10Vui10V范围内的电压传输特性曲线uo=f(ui)。10V5Viu1）当D1管截止，D2管导通。u0=5V-50+5+10-10ui(V)+5-5uo5V5Viu2）当D1管截止，D2管截止。u0=ui5V10Viu3）当D1管导通，D2管截止。u0=+5VuiuoRD15VD25V电路把超过±5V的输入信号部分限制掉。电工电子学(Ⅱ)二极管的应用(6)二极管电路分析小结：定性分析：判断二极管的工作状态导通截止否则，正