第04章《实用电工电子技术教程(第二版)》-电子教案

本章内容简介：1.半导体基础知识2.半导体二极管3.双极性三极管（三极管、场效应管）4.习题分析技术5.实用培训技术4.1半导体基础知识学习要点1.半导体的导电机理；2.PN结的形成及其导电特性。4.1.1本征半导体1、半导体导电能力介于导体和绝缘体之间的物质［如硅(Si),锗(Ge)］２、本征半导体纯净的半导体称为本征半导体３、载流子自由运动的带电粒子４、共价键相邻原子共有价电子所形成的束缚一、有关概念自由电子二、结构图硅(锗)的原子结构简化模型价电子惯性核硅(锗)的共价键结构空穴可在共价键内移动空穴空穴＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4受光照或温度上升影响，共价键中其它一些价电子直接跳进空穴，使失电子的原子重新恢复电中性。价电子填补空穴的现象称为复合。此时整个晶体带电吗？为什么？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，我们把价电子填补空穴的复合运动称为空穴载流子运动。三、本征激发复合：自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程。漂移：自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位(空穴)的过程。两种载流子电子(自由电子)空穴两种载流子的运动自由电子(在共价键以外)的运动空穴(在共价键以内)的运动结论：1.本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少；2.半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；3.本征半导体导电能力弱，并与温度有关。４.1.2掺杂半导体一、N型半导体（掺入磷原子）N型+5+4+4+4+4+4磷原子自由电子电子为多数载流子空穴为少数载流子载流子数电子数二、P型半导体（掺入硼原子）P型+3+4+4+4+4+4硼原子空穴空穴—多子电子—少子载流子数空穴数结论：1.掺杂半导体的导电能力优于本征半导体，但仍然很弱；2.不管是N型半导体还是P型半导体，从宏观上讲仍然是呈电中性。4.1.3PN结的形成1.载流子的浓度差引起多子的扩散2.复合使交界面形成空间电荷区(耗尽层)空间电荷区特点:无载流子，阻止扩散进行，利于少子的漂移。内建电场3.扩散和漂移达到动态平衡扩散电流等于漂移电流，总电流I=0。4.1.4PN结的单向导电性1.外加正向电压(正向偏置)内电场外电场外电场使多子向PN结移动,中和部分离子使空间电荷区变窄。IF限流电阻扩散运动加强形成正向电流IF。IF=I多子I少子I多子2.外加反向电压(反向偏置)内电场外电场外电场使少子背离PN结移动，空间电荷区变宽。IRPN结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大;反偏截止，电阻很大，电流近似为零。漂移运动加强形成反向电流IRIR=I少子0P区N区P区N区-4.2半导体二极管及其应用学习要点1.掌握二极管基本工作原理2.掌握二极管电路的分析方法4.2.1二极管的分类1.根据PN结面积分：（1）点接触型（2）面接触型点接触型二极管PN结面积很小，因而结电容也小，可以在高频下工作，适用于检波、调制和混频等，但管子中不允许通过较大的电流和承受较高的电压。面接触型二极管则相反，由于PN结的面积大，故结电容也大，适宜在低频电路总工作，能通过较大的电流，能承受较高的电压，可用于整流电路等。2.根据工作频率分：（1）高频管；（检波用）（2）低频管。（整流用）3.根据功率分：（1）大功率管；（电力系统用）（2）中功率管；（电源整流用）（3）小功率管。（检波用）需注意的是：整流管也有高频管、低频管之分。例如：开关电源中脉冲变压器次级整流管为高频管，工频变压器次级整流管为低频管，二者不能用错。点接触型正极引线触丝N型锗片外壳负极引线负极引线面接触型N型锗PN结正极引线铝合金小球底座金锑合金正极引线负极引线集成电路中平面型PNP型支持衬底2CZ42CZ44.2.2二极管的伏安特性OuD/ViD/mA正向特性Uth死区电压iD=0Uth=0.5V0.1V(硅管)(锗管)UUthiD急剧上升0UUthUD(on)=(0.60.8)V硅管0.7V(0.10.3)V锗管0.2V反向特性ISU(BR)反向击穿U(BR)U0iD=IS0.1A(硅)几十A(锗)UU(BR)反向电流急剧增大(反向击穿)伏安特性仿真实验4.2.3二极管的主要参数1.IF—最大整流电流(最大正向平均电流)2.URM—最高反向工作电压，为U(BR)/23.IR—反向电流(越小单向导电性越好)4.fM—最高工作频率(超过时单向导电性变差)iDuDU(BR)IFURMO温度对二极管特性的影响T升高时，UD(on)以(22.5)mV/C下降604020–0.0200.4–25–50iD/mAuD/V20C90C4.2.4普通二极管电路分析1、普通二极管可采用两种电路分析方法为了区别其他用途的二极管，习惯上将利用单向导电性完成一定电路功能二极管称为普通二极管。（1）理想开关模型方法当外加正向电压远大于二极管的导通电压UD(on)时：[UD(on)可以视为二极管导通时的管压降]即相对于大电压UD(on)可忽略不计，从而认定二极管上的电压降为零，相当于理想开关的接通状态。反偏时二极管截止，忽略反向电流并认定流过二极管的电流为零，相当于理想开关的断开状态（设正偏时电压降为零，反向击穿电压无穷大的二极管称为理想二极管）。理想开关模型如后图;特性uDiD符号及等效模型SS理想开关模型正偏导通UD=0反偏截止ID=0U(BR)→【例4-1】硅二极管电路如下图所示，，试求当VDD=1.5V和VDD=15V时回路电流Io和输出电压UO的值。(a)电路(b)考虑管压降电路(c)理想开关电路解：（1）当VDD=1.5V时，由于UDD和UD(ON)的值接近，必须考虑二极管在导通时的管压降，由图（b）可得：U0=VDD-UD(on)=1.5-0.7=0.8（V）000.80.8mA1UIR（）(2)当VDD=15V时，VDD的值远大于UD(on)，UD(on)可忽略不计，由图（c）可得UO=VDD=15V。001515mA1UIR（）考虑管压降理想开关模型【例4-2】理想二极管电路如下图所示，试判定下列情况下，电路中二极管是导通还是截止？并求出AO二端的电压UAO。（1）VDD1=6V，VDD2=12V（2）VDD1=6V，VDD2=-12V；（3）VDD1=-6V，VDD2=-12V。复杂的二极管电路思路点拨:假设电路接通瞬间通过各元件的电流为0.然后计算二极管两端电位，以此来判断二极管工作状态。+12V+12V+6V二极管截止，UAO=12V（2）VDD1=6V，VDD2=-12V；UAO=？-12V-12V+6V二极管导通，使得A点电位钳制为+6V，UAO=6V仿真仿真记录（3）VDD1=-6V，VDD2=-12V，UAO=？-12V-12V-6V二极管导通，UAO=-6V仿真记录【例4-3】一交流电ui、经过理想二极管加在负载RL上，如图（a）试分析RL上的输出电压波形。(a）电路（b）正半波等效电路（c）负半波等效电路（d）Vi、V0波形图交流输入电压ui经过二极管之后，在负载RL上只得到正半周的单一方向电压，使电压由输入的交流电变成了单方向的直流电。由于整流后输出电压U0只有正半波，这种整流称为半波整流。半波整流使输出电压有半个周期输出为零，输出电压波动较大，下面的电路将有效地改善这一缺陷。交流电ui负半周加在电路上时，二极管反偏截止，相当于开关断开交流电ui正半周加在电路上时，二极管正偏导通，相当于开关接通【例4-4】VD1、VD2、VD3、VD4四个普通二极管组成一个桥式电路，电路接法如下图（a），试分析输出电压U0的波形。当交流电ui的正半周加在电路输入端时当交流电ui的负半周加在电路输入端时桥式二极管整流电路，把交流电经正、负半周后变成单一方向的脉冲直流电输出，这种整流称为桥式全波整流。[练习题]求图中电压表的示数?-9V-12V0VVD1导通VD2截止由于VD1导通,使得输出被强制限制在0V,所以UO=0V课前练习题1.图中电路，设ui=10sinωt（V），且二极管有理想特性，当开关S闭合和断开的二种情况下，试画出对应的波形图。uS课前练习题2.求图中电压表的读数：-6V-3V二极管截止，输出电压为-6V4.2.5稳压二极管及实际应用稳压二极管是利用反向电击穿特性达到稳定输出电压的器件之一。这类二极管是面接触型的（允许流过的电流比较大）.一、伏安特性符号工作条件：反向击穿iZ/mAuZ/VOUZIZminIZmaxUZIZIZ特性二、主要参数1.稳定电压UZ流过规定电流时稳压管两端的反向电压值。2.稳定电流IZ越大稳压效果越好，小于Imin时不稳压。3.最大工作电流IZM最大耗散功率PZMPZM=UZIZM4.动态电阻rZrZ=UZ/IZ越小稳压效果越好。几几十5.稳定电压温度系数CT%100ZZTTUUCUZ4V，CTV0(为齐纳击穿)具有负温度系数；UZ7V，CTV0(为雪崩击穿)具有正温度系数；4VUZ7V，CTV很小。【例4-5】利用稳压二极管组成的稳压电路如下图，R为限流电阻，Z为稳压二极管，试分析输出电压U0的稳压原理。UIUORRLILIRIZAB稳压原理：注：UAB为DZ开路时A、B间电压DZLLIABRRRUU当UAB＞UZ时：DZ反向导通，UI增大，IR增大IZ增大，UO=UZ当UAB＜UZ时：DZ反向截止，UO=UAB。此时DZ不起作用。【例4-6】稳压管稳压电路如下图，稳压管的各参数为UZ=6V，IZ=5mA，Pzm=240mW，输入电压UI=12±10%（V），最大输出负载电流15mA，试计算选用阻值、功率多大的电阻？计算电阻R的稳压电路第一步：选出电源电压最低，负载最大时的限流电阻阻值，依题意：UI低=12-(12×10%)=10.8（V）最大输出电流为15mA，加上确保稳压管正常工作的电流:IZ=5mA，总电流为20mA又因为UZ=6V所以加在限流电阻上的压降为：10.8-6=4.8V选择接近且小于计算值的标称电阻：R=4.8V/20mA=220Ω。【方法点拨】第二步：计算出该标称电阻在极端条件下（最高电源电压，负载开路）的电流是或超过稳压管的IZM，因为：PZM=IZMUZ在限流电阻为220Ω，负载开路时，流过稳压管的最大电流为：ZMZMZ24040mA6PIU（）mAI33≈2206}%101212第三步：计算限流电阻的功率，一般选择3倍额定容量值。P=3PN=3（13.2-6）×0.033≈0.7（W）选择限流电阻的功率为1W。结论：选择阻值220Ω，1W的电阻作为限流电阻。IIZM不会损坏稳压管限流电阻选择为220Ω。4.3双极型三极管双极型三极管是因为它在工作时，内部有自由电子和空穴两种载流子同时参与导电而得名。故它又称为双极结型三极管、半导体三极管或晶体管，简称三极管。它能将微弱电信号加以放大和处理，是组成各种电子产品和电子电路的核心器件，应用极为广泛。4.3.1三极管的结构和特点NPNeb集电结发射结cPPPPeb集电区发射区N基区c(a)(b)三极管的结构示意图1.三极管的结构三极管的图形符号及电极命名:基极集电极发射极NPNPNP基极集电极发射极三极管的图形符号常见三极管的外形图（a）塑封管（b）铁壳小型管（c）中功率管（d）大功率管2、制作工艺的特点为了保证三极管具有电流放大作用，它们在制作工艺上有以下三个特点：（1）基区做得极薄（几个微米），掺杂浓度最低（相对于其它两个区），故基区多数载流子浓度最低；（2）发射区掺杂浓度最高，多数载流子浓度也最高，比基区高几百倍；（3）集电区掺杂浓度其次，多数载流子浓度比发射区低，但比基区高很多，因而三极管的发射极和集电极不能互换使用。4.