第8、11章_半导体器件、直流稳压电源

电子技术 1 性质 是一门技术基础课 2 特点 a 非纯理论性课程 b 实践性很强 c 以工程实践的观点处理电路中的一些问题 3 内容 以器件为基础 以信号为主线 研究各种电路的工作原理 特点及性能指标等 4 目的 了解一般的常用器件 掌握对基本电子电路的分析方法及计算方法 主要教学内容 器件与电路及应用 模拟电子技术 电子技术 电子元器件 电子电路及其应用 二极管 三极管 集成电路 放大电路 滤波电路 电源 信号检测 压力 温度 水位 流量等的测量与调节 电子仪器 电子技术的应用 智能小区 学会用工程观点分析问题 就是根据实际情况 对器件的数学模型和电路的工作条件进行合理的近似 以便用简便的分析方法获得具有实际意义的结果 对电路进行分析计算时 只要能满足技术指标 就不要过分追究精确的数值 器件是非线性的 特性有分散性 RC的值有误差 工程上允许一定的误差 采用合理估算的方法 对于元器件 重点放在特性 参数 技术指标和正确使用方法 不要过分追究其内部机理 讨论器件的目的在于应用 第8章半导体器件 8 1半导体的基础知识 8 2半导体二极管 11 1直流稳压电源的组成 8 3特殊二极管 11 2整流电路 8 4双极型晶体管 第11章直流稳压电源 11 3滤波电路 11 4稳压电路 了解半导体的基本概念 了解二极管 稳压管的基本结构 工作原理 工作状态和特性曲线 掌握二极管的特性 理解其主要参数的物理意义 掌握其主要应用领域 理解整流电路 滤波电路和稳压管电路的工作原理 了解双极型晶体管的基本结构 掌握晶体管的种类 工作原理 工作状态和特性曲线 了解其主要参数 重点 二极管的特性及其应用 稳压管电路的工作原理 晶体管工作状态和特性曲线 难点 整流 滤波 晶体管的放大原理 教学要求 半导体 导电能力介于导体和绝缘体之间 如 硅 锗 砷化镓和一些硫化物 氧化物等 8 1半导体的基础知识 当受外界热和光的作用时 导电能力明显变化 往纯净的半导体中掺入某些杂质 导电能力明显改变 结构特点 最外层电子 价电子 都是四个 半导体的主要特点 一 本征半导体 完全纯净的 具有晶体结构的半导体 称为本征半导体 晶体中原子的排列方式 硅单晶中的共价健结构 共价键 共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中 称为价电子或束缚电子 形成共价键后 每个原子的最外层电子是八个 构成稳定结构 共价键有很强的结合力 使原子规则排列 形成晶体 价电子 价电子在获得一定能量 温度升高或受光照 后 即可挣脱原子核的束缚 成为自由电子 带负电 同时共价键中留下一个空位 称为空穴 带正电 这一现象称为本征激发 本征半导体的导电机理 空穴 温度愈高 晶体中产生的自由电子便愈多 自由电子 在外电场的作用下 空穴吸引相邻原子的价电子来填补 而在该原子中出现一个空穴 其结果相当于空穴的运动 相当于正电荷的移动 在绝对0度 T 0K 和没有外界激发时 价电子完全被共价键束缚着 没有可以运动的带电粒子 即载流子 它的导电能力为0 相当于绝缘体 本征半导体的导电机理 当半导体两端加上外电压时 在半导体中将出现两部分电流 1 自由电子作定向运动 电子电流 2 价电子递补空穴 空穴电流 注意 1 本征半导体中存在数量相等的两种载流子 即带负电的自由电子和带正电的空穴 2 本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度 本征半导体中载流子数目极少 其导电性能很差 3 温度愈高 载流子的浓度越高 载流子的数目就越多 半导体的导电性能也就越好 所以 温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素 这是半导体的一大特点 自由电子和空穴都称为载流子 自由电子和空穴成对地产生的同时 又不断复合 在一定温度下 载流子的产生和复合达到动态平衡 半导体中载流子便维持一定的数目 二 杂质半导体 P型半导体 N型半导体 空穴数量 自由电子数量 多数载流子 少数载流子 自由电子数量 空穴数量 与浓度有关 与温度有关 靠空穴导电 靠自由电子导电 定义 渗入杂质的半导体 形成 在本征半导体中渗入少量的3价元素 形成 在本征半导体中渗入少量的5价元素 1 在杂质半导体中多子的数量与 a 掺杂浓度 b 温度 有关 2 在杂质半导体中少子的数量与 a 掺杂浓度 b 温度 有关 3 当温度升高时 少子的数量 a 减少 b 不变 c 增多 a b c 4 在外加电压的作用下 P型半导体中的电流主要是 N型半导体中的电流主要是 a 电子电流 b 空穴电流 b a P型半导体 N型半导体 扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽 漂移使空间电荷区变薄 扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡 空间电荷区的厚度固定不变 三 PN结及其单向导电性 称为PN结 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 漂移 在它们的交界面处就形成了PN结 扩散运动 多数载流子由浓度差形成的运动 漂移运动 少数载流子在内电场作用下形成的运动 1 PN结正向偏置 P N 内电场被削弱 多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流 I 2 PN结的特性 扩散运动 漂移运动 2 PN结反向偏置 N P 内电场被被加强 多子的扩散受抑制 少子漂移加强 但少子数量有限 只能形成较小的反向电流 R E I 0 扩散运动 漂移运动 PN结具有单向导电性正向偏置时 PN结处于导通状态呈现正向电阻很小 电流较大 反向偏置时 PN结处于截止状态呈现反向电阻很大 电流较小 反向电流受温度影响较大 通过分析可知 8 2半导体二极管 一 基本结构 PN结加上管壳和引线 就成为半导体二极管 点接触型 面接触型 二极管的电路符号 二 伏安特性 硅管0 5V 锗管0 1V 导通压降 外加电压大于死区电压二极管才能导通 正向特性 反向特性 特点 非线性 硅0 6 0 8V锗0 2 0 3V 死区电压 1 正向特性 当正向电压超过死区电压后 二极管导通 二 伏安特性 反向击穿电压U BR 外加电压大于反向击穿电压时 反向电流剧增 二极管被反向击穿 此时二极管的单向导电性被破坏 甚至会因过热而烧坏 正向特性 反向特性 反向电流在一定电压范围内保持常数 2 反向特性 硅管 几 A 锗管 几百 A 反向饱和电流 3 近似和理想伏安特性 考虑二极管导通电压时的伏安特性 忽略二极管导通电压时的伏安特性 硅管 0 6 0 7V 锗管 0 2 0 3V 1 近似特性 2 理想特性 三 主要参数 1 额定正向平均电流 最大整流电流 IF 二极管长期使用时 允许流过二极管的最大正向平均电流 3 最高反向工作电压UR 指不被击穿所允许的最大反向电压 手册上给出的最高反向工作电压 4 最大反向电流IRm 指二极管加UR工作时的反向电流 反向电流大 说明管子的单向导电性差 因此反向电流越小越好 反向电流受温度的影响 温度越高反向电流越大 硅管的反向电流较小 锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍 选择和使用二极管的依据 2 正向电压降UF IF所对应的电压 二极管的单向导电性 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 二极管电路分析 定性分析 判断二极管的工作状态 导通截止 分析方法 将二极管断开 分析二极管两端电位的高低或所加电压UD的正负 若V阳 V阴或UD为正 正向偏置 二极管导通若V阳 V阴或UD为负 反向偏置 二极管截止 若二极管是理想的 正向导通时正向管压降为零 反向截止时二极管相当于断开 二极管的应用 应用一 箝制电位的作用 将电路某点的电位箝制在某一数值 例1 已知 DA和DB为硅二极管 求下列情况下输出端电位VF的值 1 电路如图 求 UAB V阳 6VV阴 12VV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 3 或 6 7V 例2 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 在这里 二极管起箝位作用 例3 电路如图所示 设二极管D1 D2 D3的正向压降忽略不计 求输出电压uO 两个二极管的阴极接在一起取B点作参考点 断开二极管 分析二极管阳极和阴极的电位 V1阳 6V V2阳 0V V1阴 V2阴 12VUD1 6V UD2 12V UD2 UD1 D2优先导通 D1截止 若忽略管压降 二极管可看作短路 UAB 0V 例4 D1承受反向电压为 6V 流过D2的电流为 求 UAB 在这里 D2起箝位作用 D1起隔离作用 应用二 隔离的作用 二极管截止时相当于开路 可用来隔断电路或信号之间的联系 ui 2V 二极管导通 可看作短路uo 2Vui 2V 二极管截止 可看作开路uo ui 已知 US 2V 二极管是理想的 试画出uo波形 2V 例5 参考点 二极管阴极电位为2V 应用三 限幅的作用 将输出电压的幅值限制在某一数值 思考 当Us分别为2V 4V 而ui分别为3V 3sin tV时 uo的波形又将如何 P216图8 2 5 1 单相半波整流 利用二极管的单向导电性将交流电变换为脉动的直流电 特点 只利用了半个周期 应用四 整流的作用 本课小结 二极管的应用 应用一 箝制电位作用 应用二 隔离作用 二极管的特性 单向导电性 正向导通 反向截止 应用三 限幅作用 应用四 整流作用 8 3特殊二极管 1 符号 UZ IZmin IZmax UZ IZ 2 伏安特性 稳压管正常工作时加反向电压 使用时要加限流电阻 稳压管反向击穿后 电流变化很大 但其两端电压变化很小 利用此特性 稳压管在电路中可起稳压作用 一 稳压二极管 利用二极管的反向特性工作 曲线越陡 电压越稳定 稳压误差 3 稳压过程分析 当电源电压波动时 当负载电流波动时 电阻的作用 限制稳压管电流不会超过 起到电压调节作用 稳压二极管的应用举例 稳压管的技术参数 负载电阻RL 2K 要求当输入电压由正常值发生 20 波动时负载电压基本不变 解 令输入电压达到上限时 流过稳压管的电流为Izmax 求 电阻R和输入电压ui的正常值 方程1 令输入电压降到下限时 流过稳压管的电流为Izmin 方程2 联立方程1 2 可解得 P217例8 3 1 例 电路如图所示 稳压管的稳定电压UZ是6V 正向压降UD是0 6V 求 Ui 10V时各电路Uo 光电二极管 反向电流随光照强度的增加而上升 符号 发光二极管 有正向电流流过时 发出一定波长范围的光 目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光 它的电特性与一般二极管类似 正向电压较一般二极管高 电流为几 几十mA 光电二极管 发光二极管 光电二极管 工作在反向偏置 发光二极管 工作于正向偏置 第11章直流稳压电源 小功率直流稳压电源的组成 功能 把交流电压变成稳定的大小合适的直流电压 11 1直流稳压电源的组成 整流电路的作用 将交流电压转变为方向不变的脉动的直流电压 11 2整流电路 常见的整流电路 半波 全波 桥式和倍压整流 单相和三相整流等 分析时可把二极管当作理想元件处理 二极管的正向导通电阻为零 反向电阻为无穷大 整流原理 利用二极管的单向导电性 单相桥式整流电路 正半周 u2 0 uo u2 D1和D3导通 工作原理 负半周 u2 0 uo u2 D2和D4导通 则 负载的直流电压 负载的直流电流 二极管的平均电流 每个二极管只导通半周 二极管能承受的最大反向电压 选择二极管的依据 整流桥块 正确使用 交流电压经整流电路整流后输出的是脉动直流 其中既有直流成份又有交流成份 11 3滤波电路 滤波电路的作用 把脉动性比较大的直流电压变成比较平缓的直流电压 滤波原理 滤波电路利用储能元件电容两端的电压 或通过电感中的电流 不能突变的特性 滤掉整流电路输出电压中的交流成份 保留其直流成份 达到平滑输出电压波形的目的 1 工作原理 一 电容滤波电路 电源电压上升时 给负载供电的同时也给电容充电 电源电压下降时 电容放电将储存的能量输送给负载 使波形平滑 并使U0增加 输出电压的脉动程度与平均值Uo与放电时间常数RLC有关 RLC越大 电容器放电越慢 输出电压的平均值Uo越大 波形越平滑 2 数量关系 3 适用于 负载电流比较小的电路 当空载时 为了得到比较平直的输出电压 电源电压的周期 二 电感滤波电路 1 工作原理 2 适用于 负载电流比较大且变化幅度较大的电路 对直流分量 XL 0相当于短路 大部分整流电压降在RL上 对谐波分量 f越高 XL越大 电压大部分降在XL上 输出电压平均值约为 Uo 0 9U2 三 复式滤波电路 1 电路 a 型LC滤波电路 b 型LC滤波电路 补充例题 一桥式整流电容滤波电路 已知电源的f 50Hz 负载电阻RL 100 U2 25V 试求 1 选择整流二极管 2 选择滤波电容器 3 若测得UO分别为下列各值时 填写下表 a UO 30V b UO 22 5V c UO 25V d UO 11 25V e UO 35 35V 解 1 查表选择 2 3 近似估算取 Uo 1 2U2 桥式 全波整流滤波电路 Uo 1 0U2 半波整流滤波电路 11 4稳压电路 稳压电路 稳压器 是为电路或负载提供稳定的输出电压的一种电子设备 一 稳压管稳压电路 2 工作原理 UO UZ UI IRRIR IO IZ 设UI一定 负载RL变化 1 电路 限流调压 稳压电路 RL IO IR UO UZ IZ 一 稳压管稳压电路 2 工作原理 UO UZ UI IRRIR IO IZ UI UZ 设负载RL一定 UI变化 IZ IR 1 电路 二 集成稳压电路 单片集成稳压电源 具有体积小 可靠性高 使用灵活 价格低廉等优点 最简单的集成稳压电源只有输入 输出和公共引出端 故称之为三端集成稳压器 整流二极管 三端稳压器 稳压管 1N4001 1N4007 1N5391 1N5399 8 4双极型晶体管 一 基本结构 基极 发射极 集电极 NPN型 PNP型 S9011 S9018 8050 8550 二 工作状态 B E C N N P UBB RB UCC 进入P区的电子少部分与基区的空穴复合 形成基极电流IB 多数扩散到集电结 发射结正偏 发射区电子不断向基区扩散 形成发射极电流IE 取决于两个PN结的偏置 1 放大状态 集电结反偏 基区少子漂移进入集电区而被收集 形成集电极电流IC 共射电路 据KCL得 当IB 0时 IC ICEO 称为穿透电流 当IB由0 IB时 IC由ICEO IC 当改变RB 交流电流放大倍数 在放大状态下 ICEO受温度影响很大 当温度上升时 ICEO增加很快 电流分配关系 输出回路 输入回路 直流电流放大倍数 1 三极管放大状态的条件 使发射结正偏 集电结反偏 2 晶体管处于放大状态的特征 a IB小变化引起IC大变化 b c d 晶体管相当于通路 PNP发射结正偏VB VE集电结反偏VC VB 从电位的角度看 NPN发射结正偏VB VE集电结反偏VC VB a 3 截止状态 b c 晶体管相当于断路 a 2 饱和状态 b c 晶体管相当于短路 此时两个结的偏置为发射结正偏 集电结正偏 此时两个结的偏置为发射结反偏 集电结反偏 P223例8 4 1 d IB增加时 IC基本不变 三 特性曲线 IC V UCE UBE RB IB UCC UBB 实验线路 1 输入特性 工作压降 硅管UBE 0 6 0 7V 锗管UBE 0 2 0 3V 死区电压 硅管0 5V 锗管0 2V 温度增高 温度每升高1 C UBE减小 2 2 5 mV 即晶体管具有负温度系数 2 输出特性 IB 0 20 A 放大区 输出特性曲线通常分三个工作区 1 放大区 在放大区有IC IB 也称为线性区 具有恒流特性 在放大区 发射结处于正向偏置 集电结处于反向偏置 晶体管工作于放大状态 当UCE大于一定的数值时 IC只与IB有关 IC IB 2 截止区 IB 0时IC ICEO UBE 死区电压 IB 0以下区域为截止区 有IC ICEO 0 在截止区发射结处于反向偏置 集电结处于反向偏置 晶体管工作于截止状态 饱和区 截止区 3 饱和区 当UCE UBE时 晶体管工作于饱和状态 在饱和区 IB IC UCE很小 发射结处于正向偏置 集电结也处于正偏 深度饱和时 硅管UCES 0 3V 锗管UCES 0 1V 输出特性三个区域的特点 放大区 发射结正偏 集电结反偏 即 IC IB 且 IC IB 2 饱和区 发射结正偏 集电结正偏 即 UCE 0 UBE IC IB 3 截止区 发射结反偏 集电结反偏 UBE 死区电压 IB 0 IC ICEO 0 例 UCE 6V时 IB 40 A IC 1 5mA IB 60 A IC 2 3mA 在以后的计算中 一般作近似处理 四 主要参数 共射直流电流放大倍数 交流电流放大倍数 1 电流放大倍数