电工学(少学时)唐介第8半导体器件、直流稳压电源张幻灯片

1、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

2、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、直流稳压电源8.1 半导体的基础知识8.2 半导体二极管8.3 直流稳压电源的组成 特殊二极管8.4 整流电路9.1 双极型晶体管8.5 滤波电路8.6 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

3、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

4、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。 Si Si Si Si价电子形成共价键后，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。 Si Si Si Si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

5、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，

6、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

7、的数量 （a. 减少、b. 不变、c. 增多）。abc 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） baP型半导体N型半导体+扩散运动内电场漂移运动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。空间电荷区，也称耗尽层。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

8、在内电场作用下形成的运动。+RE（1）PN 结正向偏置内电场外电场变窄PN+_内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。I2.PN结的特性扩散运动漂移运动（2）PN 结反向偏置+内电场外电场变厚NP+_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。REI0+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PN8.2 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。引线外壳触丝线

9、基片点接触型PN结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0.60.8V锗0.20.3VUI死区电压PN+PN+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UIPN+PN+ 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

10、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UFIF所对应的电压。二极管的单向导电性 1. 二极管加正向电压

11、（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否则，正向管压降硅0.60.7V锗0.20.3V 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 二极管导通若忽

12、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。 D6V12V3kBAUAB+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 =6 V，V2阳=0 V，V1阴 = V2阴= 12 VUD1 = 6V，UD2 =12V UD2 UD1 D2 优先导通， D1截止。若忽略管压降，二极管可看

13、作短路，UAB = 0 V例4:D1承受反向电压为6 V流过 D2 的电流为求：UAB 在这里， D2 起箝位作用， D1起隔离作用。 BD16V12V3kAD2UAB+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 = 2V ui 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：ui3V参考点二极管阴极电位为 2 VDUSRuoui+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 2 V、4 V，而 ui 分别为3 V、3sint V

14、时，uo 的波形又将如何？P216 图8.2.5RLuiuouiuott（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、整流的作用定义：交流直流整流逆变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 UZIZminIZmax UZ IZ2. 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。UIO一、稳压二极管利用二极管的反向特性

15、工作曲线越陡，电压越稳定稳压误差UoIZDZRI0IUIRL3. 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uoiZDZRiLiuiRL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2uoiZDZRiLiuiRL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

16、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。IU 照度增加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u4uou3u2u1交流电源负载变压整流滤波稳压11.1 直流稳压电源的组成交流电 直流电脉动直流电 平滑直流电不稳定直流电 稳定直流电整流电路的作用: 将交流电压转变为

17、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u1D4D2D1D3RLuou2+aTb正半周:u20，uo= u2D1和D3导通,工作原理：+aTbu1D4D2D1D3RLuou2负半周:u2 R 故 ui 的直流分量大都降在 R 上, 故使 uo 变得平缓(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 = 50 Hz，负载电阻 RL= 100 ，U2 =

18、25 V，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= 30 V (b) UO = 22.5 V (c) UO= 25 V （d）UO = 11.25 V (e) UO = 35.35 V+u2+uORLC +u2+uORLC解:(1)查表选择(2)查表选择的电解电容器 (3)近似估算取： Uo = 1. 2 U2 ( 桥式、全波整流滤波电路） Uo = 1. 0 U2 （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-I

19、RR IR = IO + IZ设UI一定，负载RL变化1.电路+UIRL+CIOUO+uIRRDZIz限流调压稳压电路UIUZRL(IO) IR UO 基本不变 IR (IRR) 基本不变 UO (UZ ) IZ一、稳压管稳压电路2. 工作原理UO = UZ =UI-IRR IR = IO + IZUIUZUI UZ 设负载RL一定， UI 变化 UO 基本不变 IRR IZ IR 1. 电路+UIRL+CIOUO+uIRRDZIz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

20、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BECNNP基极发射极集电极NPN型PNP型BECIBIEICBECIBIEIC集电区发射区集电结发射结基区PNP集电极基极发射极CEBS9011-S9018、8050、8550 二、工作状态BECNNPUBBRBUCCIE基区空穴向发射区的扩散可忽略。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IB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ICIC共射

21、电路据KCL得：当IB=0时，IC=ICEO称为穿透电流当IB由0IB时，IC由ICEOIC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ICUCEUBERBIBUCCUBBIERC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 VBVE集电结反偏 VCVE集电结反偏 VCVB 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

22、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8.4.1ICICd.IB增加时，IC基本不变。 三、特性曲线ICmAAVVUCEUBERBIBUCCUBB 实验线路1、输入特性UCE 1VIB(A)UBE(V)204060800.40.8工作压降： 硅管UBE0.60.7V,锗管UBE0.20.3V。 死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。温度增高温度每升高1C，UBE减小(22.5)mV，即晶体管具有负温度系数。2. 输出特性IB=020A40A60A80A100A36IC(mA )1234UCE(V)912O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=

23、 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。IB=020A40A60A80A100A36IC(mA )1234UCE(V)912O（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

24、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 ， ICIB (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 =1.5 mA； IB = 60 A, IC =2.3 mA。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.电流放大倍数和 在放大状态下2. 穿透电流ICEO 当IB=0时的集电极电流。ICE0大的管子受温度的影响大，即温度稳定性差。 温度每升高 1C， 增加 0.5%1.0%。3.集电极最大允许电流ICM 集电极电流IC上升会导致三极管的值的下降，当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。4. 反向击穿电压BU(BR)CEO 当集-射极之间的电压UCE超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25C、基极开路时的击