实用模拟电子技术教程

1、实用模拟电子技术教程,第一篇,常用半导体器件,介绍常用半导体器件，包括晶体二极,管、晶体三极管、场效应管和其他半导,体器件的结构、工作原理、分类、主要,性能指标、国家标准规定的命名方法以,及主要应用,。,第一篇,常用半导体器件,第,1,章,半导体二极管,学习要求：,掌握二极管结构和单向导电的特性；掌握二极管最大,整流电流、反向击穿电压、最大反向工作电压、反向电,流和最高工作频率等特性指标的定义；掌握整流电路的,工作原理；了解,PN,结、内建电场和正负载流子的概念；,了解,PN,结单向导电的原理。,第,1,章,半导体二极管,1.1,半导体二极管的单向导电特性,1.1.1,二极管的结构和产品外型,

2、二极管都有两根,引脚，一个称为正,极，另一个为负极,。,哪个为正，决定,于内部结构。,1.1,半导体二极管的单向导电特性,半导体二极管内部结构和电路符号：,N,型锗,正极引脚,负极引脚,铝合金小球,正极引脚,N,型硅,金属丝,(a),负极引脚,正极引,脚,(b),二氧化硅层,P,型区,正极,(d),负极,N,型硅片,(c),负极引脚,图,1-1,二极管的结构和电路符号,特点：都以半导体为材料,1.1,半导体二极管的单向导电特性,二极管的单向导电特性实验观察,实验装置：,R,A,二极管负极,E,+,R,P,V,VD,二极管正极,图,1-3,测量二极管导电特性实验装置,让电位器活动端逐渐向上移动，

3、施加在二极管两端的电压,也逐渐加大，测量不同电压时流过二极管的电流，即可以得,到二极管两端电压与所流过的电流之间的关系。,1.1,半导体二极管的单向导电特性,二极管的单向导电特性实验观察,实验结果：施加正向电压时的实验结果（二极管,1N4148,）,表,1-1,二极管导电特性实验结果,正向电压,u(,伏特,),正向电流,i(,毫安,),0,0,0.50,0.55,0.60,0.65,0.70,0.75,0.80,0.85,0.90,0.10,0.40,1.01,3.00,6.80,14.0,30.0,54.0,69.0,电压从,0,增加到,0.9V,流过的电流从,0,增加到,69mA,。,以二

4、极管两端电压,u,为横坐标，流过二极管的电流,i,为纵,坐标，可画出流过二极管的电流随两端电压变化的曲线,称为二极管伏安特性曲线。,1.1,半导体二极管的单向导电特性,二极管的单向导电特性实验观察,实验结果分析：,1,、存在一个开启电压,2,、在一定范围内，电流发,生较大的变化时，二极管两,端的电压降只有微小的变化。,正向电流从,1.01mA,增加到,30mA,，大了,30,倍，二极管压,降从,0.6,伏增加到,0.8,伏，只,开启电压,变化了,0.2,伏。,3,、特性曲线还与温度有关,1.1,半导体二极管的单向导电特性,二极管的单向导电特性实验观察,施加反向电压时的实验结果,1,、施加反向电

5、压时，只,有一个很小的电流流过,二极管，称为反向电流,2,、反向电流随温度的,升高而显著增加,3,、反向电压增加到一,定程度会导致二极管的,反向击穿,1.2,二极管的应用,1.2.1,整流电路,利用二极管的单向导电性，能将交流电转换为单,向脉动电流，完成这种转换的电路称为整流电路。,常用整流电路分类：,1,、半波整流电路,2,、桥式整流电路,1.2,二极管的应用,1.2.1,整流电路,1,、半波整流电路,电路结构,电路结构与功能,功能：将交流电转换为单向脉动电流,1.2,二极管的应用,1.2.1,整流电路,1,、半波整流电路,电路主要参数：,（,1,）,二,极,管,所,经,受的反向电压,（,2

6、,）输出平均电压,U,r,?,2,U,i,U,0,?,0,.,45,U,i,（,3,）整流二极管的功耗,等于二极管正向压降与负载,电流的乘积，约为,0.7V,与流过二极管的平均整流电流的乘,积。,1.2,二极管的应用,1.2.1,整流电路,2,、桥式整流电路,电路结构与功能,简化电路画法,电路结构,功能,半波整流输出,输入交流电,桥式整流输出,1.2,二极管的应用,1.2.1,整流电路,2,、桥式整流电路,工作原理,电路结构与功能,正半周电流走向是从输入电,负半周电流的走向是从输入,压正端,二极管,VD,2,负载电,电压的正端,二极管,VD,3,负,阻,二极管,VD,4,输入电压负端，,载电阻

7、,二极管,VD,1,输入端,施加在负载电阻上的电压为,上,负端，施加在负载电阻上的电,正下负,压,仍然是上正下负,1.2,二极管的应用,1.2.1,整流电路,2,、桥式整流电路,电路参数,（,1,）二极管所经受的反向电,压,U,r,?,2,U,i,U,0,?,0,.,9,U,i,与半波整流相同,（,2,）输出平均电压,是半波整流输出的,2,倍,（,3,）整流二极管的功耗,每只二极管所流过的平均电流小了一半，因此这种情,况下二极管的功耗是半波整流电路的一半。,1.2,二极管的应用,1.2.1,整流电路,3,、滤波电路,二极管整流后输出的单向脉动电压包含较多的交流成分，,为了获得较好的直流电压还需

8、要进行滤波。,滤波电路结构与功能：,滤波后的电压波形,滤波前波形,结构：滤波电容并,联负载两端,1.2,二极管的应用,1.2.2,检波电路,1,）什么是检波电路,当输入交流电压的频率较高时，将这种交流电转换为单向,脉动电的过程习惯上不叫整流，而称为检波。,2,）整流二极管不能用于检波,整流管一般为平面管或合金管，,PN,结面积大能通过大电流，,因此结电容也大，不能用于检波；,二极管两极之间电容对,高频信号来说是低阻抗,检波二极管一般采用点接触结构，结电容极小，能通过的,电流也很小，因此也不用于整流。,1.2,二极管的应用,1.2.3,稳压电路,稳压管,调整二极管的制作工艺，降低击穿电压并使反向

9、特性曲线,更陡根，由此制成的二极管称为稳压管,外型,反向特性与普通二极管的区别,电路符号,1.2,二极管的应用,1.2.3,稳压电路,稳压管组成的稳压电路,电路结构,工作原理,稳压管,D,Z,的反向击穿电压为,6.0V,，最大,工作电流为,20mA,，电源电压,V,CC,=9V,，选电,阻,R,1,=150，则流过稳压管的电流,I,Z,等于,9,?,6,I,z,?,R,1,?,20,m,A,负载电阻从,500,变到,300,，两端电,压维持为,6V,，原理如下：,1,、,500,时流向负载的电流为,12 mA,，流向稳,压管的电流降为,8 mA,，负载两端电压为,6V,2,、,3000,时负载

10、的电流降为,2 mA,，稳压管的,电流升为,18 mA,，负载两端电压仍维持为,6V,1.3,二极管的主要参数,1.3.1,常用整流二极管参数,1,、最大整流电流,I,F,：,二极管长期工作的情况下允许,通过的最大正向平均电流。,2,、反向击穿电压,U,BR,：,二极管所能承受的最高反向,电压，超过该电压，二极管被击穿。,3,、最高反向工作电压,U,R,：,二极管工作时允许施加的,最大反向电压，一般是反向击穿电压的一半或,2/3,。,4,、反向电流,I,R,：,是二极管施加反向电压而未击穿,情况下流过的反向电流。锗管一般为几十微安大小，,硅管,1,微安以下。,5,、最高工作频率,f,M,：,二

11、极管工作的上限频率，超过,此值，,PN,结结电容的影响不能忽略，二极管的单向导,特性变差。,1.3,二极管的主要参数,1.3.2,常用稳压管参数,低于该电流值时稳压效果变差，高于该电流时，稳压,效果更好，但不能超过额定功耗。,2,、稳定电压：,稳压管通过额定电流时两端的电压,1,、稳定电流：,稳压管产生稳压作用时通过的电流值，,值。生产厂家给出的是稳压范围，例如,9.3,10.6V,。,3,、额定功耗,：,稳压管正常工作时所允许的功耗，,它等于稳压值和最大允许电流的乘积。额定功耗决定,于稳压管允许的温升。,4,、电压温度系数：,温度每升高1引起的稳定电压,变化的百分比。,1.4,二极管的分类,

12、1.4.1,常用二极管分类,1,）整流二极管：,用于电子控制、无线电通信或其,他电气设备电源部分整流用的二极管一般都为硅管。,1.4,二极管的分类,1.4.1,常用二极管分类,2,）检波二极管：,常用的检波二极管为锗管，检波,二极管也可用于小电流整流。,1.4,二极管的分类,1.4.1,常用二极管分类,3,）稳压二极管,：,常用稳压管为硅二极管，用于稳,压。,1.4,二极管的分类,1.4.2,二极管封装,1,、贴片封装：,出于整机小型化和电子设备生产自,动化的需要,。,1.4,二极管的分类,1.4.2,二极管封装,2,、二极管组件,：,出于整机小型化和电子设备生,产自动化的需要,。,整流桥,四

13、只二极管组成的排管,1.4,二极管的分类,1.4.2,半导体器件命名方法,1,、半导体器件命名的国家标准,以硅整流二极管,2CZ56B,为例来说明,1.4,二极管的分类,1.4.2,半导体器件命名方法,1,、半导体器件命名的国家标准,国标半导体器件命名规定,1.4,二极管的分类,1.4.2,半导体器件命名方法,2,、美国半导体器件命名方法,美国电子工业协会半导体器件命名规定,美国型号的二极管,1N4001A,：“,1,”,表示该器件只有一个,PN,结，,为二极管；“,1,”,前面没有符号，表示这种型号的器件是非军用,品；第三部分数字“,N,”,为注册标志，表明已在美国电子工业协,会注册；第四部

14、分“,4001,”,为登记序号；第五部分“,A,”,表示档,次。,1.4,二极管的分类,1.4.2,半导体器件命名方法,3,、欧洲半导体器件命名方法,欧洲产器件型号由四部分组成，每一部分符号的含义如下,二极管,BYV28,为例：,第一部分字母“,B,”,表示制造材料为硅，第,二部分字母“,Y,”,表示器件为整流二极管，第三部分用一个字母,加两位数字,V28,表示器件登记号。,1.4,二极管的分类,1.4.2,半导体器件命名方法,4,、日本半导体器件命名方法,日本半导体器件型号由五部分组成，规定如下,1S1585,：,“,1,”,表示该器件为二极管，第二部分“,S,”,表示属半,导体器件，“,1

15、585,”,是登记序号。,1.5,整流电路设计,已知变压器输出的交流电有效值为,45V,，负载电阻,20,，需直,流供电，要求设计整流电路。,设计步骤：,第一步：首先选择整流电路类型，选用桥式整流电路,第二步：根据设计要求计算流过整流二极管的平均电流、,二极管经受的反向电压和二极管的功耗。,输出平均电压：,U,0,?,0,.,9,U,i,?,0,.,9,?,45,?,40,.,5,V,I,0,?,U,0,20,?,40,.,5,20,?,2,.,25,A,求得负载电流：,二极管功耗：,P,r,?,0,.,8,?,2,.,25,?,1,.,8,W,最大反向电压：,U,r,?,2,U,i,?,1,

16、.,4142,?,45,?,63,.,3,V,1.5,整流电路设计,已知变压器输出的交流电有效值为,45V,，负载电阻,20,，需直,流供电，要求设计整流电路。,设计步骤：,第三步：根据上面计算所得的平均电流、最大反向电压和功,耗值，从表,1-1,中选择合适的整流二极管,2CZ56C,电流：,I,0,?,2,.,25,A,V,反向电压：,U,r,?,63,.,3,功耗：,P,r,?,1,.,8,W,1.6,二极管单向导电原理简介,-1.6.1,导体、绝缘体和半导体,绝缘体：不存在能够自由移动的电荷，不导电；,导体：金属等存在大量能自由运动的电子属良导体；,半导体：硅、锗情况比较特殊，很纯的半导

17、体硅、,锗（称为本征半导体）缺少自由电荷，几乎不导电。，,但加入一定量的微量元素，导电能力将发生很大变化。,N,型硅：硅中加入微量的,5,价元素（例如磷），,4,个,被束缚在硅原子周围，而多出的一个就能够在半导,体内自由移动，于是能导电；,P,型硅：加入微量的,3,价元素（例如硼），硼原子只,有,3,个价电子，就容易从邻近硅原子的,4,个价电子中拉,一个过来，邻近硅原子失去一个电子而带正电，称为,空穴，空穴能自由移动，于是能导电。,1.6,二极管单向导电原理简介,-1.6.1,导体、绝缘体和半导体,自由电子的增加使,N,型硅导电，导电能力随磷元素,浓度变化，磷元素浓度增加时导电能力也增加。,1

18、.6,二极管单向导电原理简介,-1.6.1,导体、绝缘体和半导体,荷正电的空穴使,P,型硅导电，导电能力随硼元素浓,度变化，硼元素浓度增加时导电能力也增加。,1.6,二极管单向导电原理简介,1.6.2 PN,结的形成,硅的一边掺杂,5,价元素，成为,N,型半导体，另一边掺,杂,3,价元素，成为,P,型半导体，在边界处便会形成一种,特殊的结构称为,PN,结。,P,区的空穴向,N,区扩散，,N,区的电子向,P,区扩散，在边,界附近的,N,区留下不能移动的正电荷，在,P,区留下不能,移动的负电荷，正负电荷形成内建电场。,1.6,二极管单向导电原理简介,1.6.3,二极管的单向导电特性,一个,PN,结，在其两端制作电极，用引脚引出再加上,外壳，即为二极管。,P,区引出的为二极管的正极，,N,区,引出的为二极管的负极。,1.6,二极管单向导电原理简介,1.6.3,二极管的单向导电特性,1,、二极管施加正向电压时,内建电场方向,A,外加电场方向,外加电场的方向和,PN,结区内建电场的方向相反，外,加电场减弱了内建电场，因此扩散继续进行，形成正,向电流，因此二极管加正向电压时导通。,1.6,二极管单向导电原理简介,1.6.3,二极管的单向导电特性,2,、二极管施加反向电压时,内建电场方向,A,外加电