电工技术基础培训课件2

1、技能拓展电工电子技术专题老师欢迎参加高中通用技术教师浙江师范大学 工学、职业技术教育学院技能拓展电工电子技术专题老师欢迎参加高中通用技术教师浙江一 半导体二极管和三极管1.1 半导体基础知识1.2 半导体二极管1.3 晶体三极管一 半导体二极管和三极管1.1 半导体基础知识1.2 半1.1 半导体基础知识一、本征半导体二、杂质半导体三、PN结的形成及其单向导电性四、PN结的电容效应1.1 半导体基础知识一、本征半导体二、杂质半导体三、PN一、本征半导体 导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。1、什么是半导体？什么是本征半导体？ 导体铁、铝、铜等金属元素

2、等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。 绝缘体惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。 半导体硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。无杂质稳定的结构一、本征半导体 导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为2、本征半导体的结构由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴 自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。共价键 一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子

3、增多，自由电子与空穴对的浓度加大。动态平衡2、本征半导体的结构由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价两种载流子 外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于载流子数目很少，故导电性很差。为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？3、本征半导体中的两种载流子运载电荷的粒子称为载流子。 温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。 热力学温度0K时不导电。两种载流子 外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴二、杂质半导体 1. N型半导体磷（P） 杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。多数载流子 空穴比未加

4、杂质时的数目多了？少了？为什么？二、杂质半导体 1. N型半导体磷（P） 杂质半导2. P型半导体硼（B）多数载流子 P型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强， 在杂质半导体中，温度变化时，载流子的数目变化吗？少子与多子变化的数目相同吗？少子与多子浓度的变化相同吗？2. P型半导体硼（B）多数载流子 P型半导体主要三、PN结的形成及其单向导电性 物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。扩散运动P区空穴浓度远高于N区。N区自由电子浓度远高于P区。 扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低，产生内电场。三、PN结的形成及

5、其单向导电性 物质因浓度差而产生的PN 结的形成 因电场作用所产生的运动称为漂移运动。 参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了PN结。漂移运动 由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N 区运动。PN 结的形成 因电场作用所产生的运动称为漂移运动。 PN结加正向电压导通： 耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，PN结处于导通状态。PN结加反向电压截止： 耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似认为其截止。PN 结的单向导电性必要

6、吗？PN结加正向电压导通：PN结加反向电压截止：PN 结的单向导四、PN 结的电容效应1. 势垒电容 PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容Cb。2. 扩散电容 PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容Cd。结电容： 结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！四、PN 结的电容效应1. 势垒电容 PN结外加电压变问题为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成本征半导体，导电性能极差，又将其掺杂，改善导电性能？为

7、什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还是少子是影响温度稳定性的主要因素？为什么半导体器件有最高工作频率？问题为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成本征半导体，导2 半导体二极管一、二极管的组成二、二极管的伏安特性及电流方程三、二极管的等效电路四、二极管的主要参数五、稳压二极管2 半导体二极管一、二极管的组成二、二极管的伏安特性及电流 一、二极管的组成将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。小功率二极管大功率二极管稳压二极管发光二极管 一、二极管的组成将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管 一、二极管的组成点接触型：结面积小，结电容小，故结允许的电流小，最高工作频率高。面接触型：结面

8、积大，结电容大，故结允许的电流大，最高工作频率低。平面型：结面积可小、可大，小的工作频率高，大的结允许的电流大。 一、二极管的组成点接触型：结面积小，结电容小，故结允许的电 二、二极管的伏安特性及电流方程材料开启电压导通电压反向饱和电流硅Si0.5V0.50.8V1A以下锗Ge0.1V0.10.3V几十A开启电压反向饱和电流击穿电压温度的电压当量二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。 二、二极管的伏安特性及电流方程材料开启电压导通电压反向饱和电工技术基础培训课件2利用Multisim测试二极管伏安特性利用Multisim测试二极管伏安特性从二极管的伏安特性可以反映出： 1. 单向导电性2.

9、 伏安特性受温度影响T（）在电流不变情况下管压降u 反向饱和电流IS，U(BR) T（）正向特性左移，反向特性下移正向特性为指数曲线反向特性为横轴的平行线增大1倍/10从二极管的伏安特性可以反映出： 1. 单向导电性2.三、二极管的等效电路理想二极管近似分析中最常用理想开关导通时 UD0截止时IS0导通时UDUon截止时IS0导通时i与u成线性关系应根据不同情况选择不同的等效电路！1. 将伏安特性折线化？100V？5V？1V？三、二极管的等效电路理想近似分析中最常用理想开关导通时UD2. 微变等效电路Q越高，rd越小。 当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极管等效为一个电阻，称为动

10、态电阻，也就是微变等效电路。ui=0时直流电源作用小信号作用静态电流2. 微变等效电路Q越高，rd越小。 当二极管在静态基四、二极管的主要参数最大整流电流IF：最大平均值最大反向工作电压UR：最大瞬时值反向电流 IR：即IS最高工作频率fM：因PN结有电容效应第四版P20四、二极管的主要参数最大整流电流IF：最大平均值第四版P讨论：解决两个问题如何判断二极管的工作状态？什么情况下应选用二极管的什么等效电路？uD=ViRQIDUDV与uD可比，则需图解：实测特性 对V和Ui二极管的模型有什么不同？讨论：解决两个问题如何判断二极管的工作状态？uD=ViRQ五、稳压二极管1. 伏安特性进入稳压区的最

11、小电流不至于损坏的最大电流 由一个PN结组成，反向击穿后在一定的电流范围内端电压基本不变，为稳定电压。2. 主要参数稳定电压UZ、稳定电流IZ最大功耗PZM IZM UZ动态电阻rzUZ /IZ 若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流太大则会因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必需有限制稳压管电流的限流电阻！限流电阻斜率？五、稳压二极管1. 伏安特性进入稳压区的最小电流不至于损坏1.3 晶体三极管一、晶体管的结构和符号二、晶体管的放大原理三、晶体管的共射输入特性和输出特性四、温度对晶体管特性的影响五、主要参数1.3 晶体三极管一、晶体管的结构和符号二、晶体管的放 一、晶体管的结构和符号多子浓

12、度高多子浓度很低，且很薄面积大晶体管有三个极、三个区、两个PN结。小功率管中功率管大功率管为什么有孔？ 一、晶体管的结构和符号多子浓度高多子浓度很低，且很薄面积大二、晶体管的放大原理 扩散运动形成发射极电流IE，复合运动形成基极电流IB，漂移运动形成集电极电流IC。少数载流子的运动因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区因基区薄且多子浓度低，使极少数扩散到基区的电子与空穴复合因集电区面积大，在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区基区空穴的扩散二、晶体管的放大原理 扩散运动形成发射极电流IE，复合电流分配： IEIBIC IE扩散运动形成的电流 IB复合运动形成的电流 IC漂移运

13、动形成的电流穿透电流集电结反向电流直流电流放大系数交流电流放大系数为什么基极开路集电极回路会有穿透电流？电流分配： IEIBIC穿透电流集电结反向电流直流三、晶体管的共射输入特性和输出特性为什么UCE增大曲线右移？ 对于小功率晶体管，UCE大于1V的一条输入特性曲线可以取代UCE大于1V的所有输入特性曲线。为什么像PN结的伏安特性？为什么UCE增大到一定值曲线右移就不明显了？1. 输入特性三、晶体管的共射输入特性和输出特性为什么UCE增大曲线右移？2. 输出特性是常数吗？什么是理想晶体管？什么情况下 ?对应于一个IB就有一条iC随uCE变化的曲线。 为什么uCE较小时iC随uCE变化很大？为什

14、么进入放大状态曲线几乎是横轴的平行线？饱和区放大区截止区2. 输出特性是常数吗？什么是理想晶体管？什么情况下 晶体管的三个工作区域 晶体管工作在放大状态时，输出回路的电流 iC几乎仅仅决定于输入回路的电流 iB，即可将输出回路等效为电流 iB 控制的电流源iC 。状态uBEiCuCE截止UonICEOVCC放大 UoniB uBE饱和 UoniB uBE晶体管的三个工作区域 晶体管工作在放大状态时，输出回四、温度对晶体管特性的影响四、温度对晶体管特性的影响五、主要参数 直流参数： 、 、ICBO、 ICEOc-e间击穿电压最大集电极电流最大集电极耗散功率，PCMiCuCE安全工作区 交流参数：

15、、fT（使1的信号频率） 极限参数：ICM、PCM、U（BR）CEO五、主要参数 直流参数： 、 、ICBO、 IC讨论一由图示特性求出PCM、ICM、U （BR）CEO 、。2.7uCE=1V时的iC就是ICMU（BR）CEO讨论一由图示特性求出PCM、ICM、U （BR）CEO 、讨论二：利用Multisim测试晶体管的输出特性讨论二：利用Multisim测试晶体管的输出特性利用Multisim分析图示电路在V2小于何值时晶体管截止、大于何值时晶体管饱和。讨论三 以V2作为输入、以节点1作为输出，采用直流扫描的方法可得！约小于0.5V时截止约大于1V时饱和 描述输出电压与输出电压之间函数关

16、系的曲线，称为电压传输特性。利用Multisim分析图示电路在V2小于何值时晶体管截止、2 基本放大电路2.1 共发射极放大电路的组成2.2 放大电路的静态分析2.4 静态工作点的稳定2.3 放大电路的动态分析2.5 射极输出器2 基本放大电路2.1 共发射极放大电路的组成2.2 放大2.1 共发射极放大电路的组成2.1.1 共发射极基本放大电路组成 共发射极基本电路ECRSesRBEBRCC1C2T+RL+ui+uo+2.1 共发射极放大电路的组成2.1.1 共发射极基本放2.1.2 基本放大电路各元件作用 晶体管T-放大元件, iC= iB。要保证集电结反偏,发射结正偏,使晶体管工作在放大

17、区 。基极电源EB与基极电阻RB-使发射结 处于正偏，并提供大小适当的基极电流。共发射极基本电路ECRSesRBEBRCC1C2T+RL+ui+uo+2.1.2 基本放大电路各元件作用 晶体管T-放大元件2.1.2 基本放大电路各元件作用 集电极电源EC -为电路提供能量。并保证集电结反偏。集电极电阻RC-将电流的变化转变为电压的变化。耦合电容C1 、C2 -隔离输入、输出与放大电路直流的联系，使交流信号顺利输入、输出。信号源负载共发射极基本电路ECRSesRBEBRCC1C2T+RL+ui+uo+2.1.2 基本放大电路各元件作用 集电极电源EC -单电源供电时常用的画法共发射极基本电路+U

18、CCRSesRBRCC1C2T+RLui+uo+uBEuCEiCiBiEECRSesRBEBRCC1C2T+RL+ui+uo+uBEuCEiCiBiE直流量：大字母，大下标，如IB交流量：小字母，小下标，如ib混合量：小字母，大下标，如iB单电源供电时常用的画法共发射极基本电路+UCCRSesRBR2.1.3 共射放大电路的电压放大作用UBEIBICUCE无输入信号(ui = 0)时:uBE = UBEuCE = UCE uo = 0+UCCRBRCC1C2T+ui+uo+uBEuCEiCiBiEuBEtOiBtOiCtOuCEtO2.1.3 共射放大电路的电压放大作用UBEIBICUCICU

19、CEOIBUBEO结论： (1) 无输入信号电压时，三极管各电极都是恒定的 电压和电流:IB、UBE和 IC、UCE 。 (IB、UBE) 和(IC、UCE)分别对应于输入、输出特性曲线上的一个点，称为静态工作点。QIBUBEQUCEICICUCEOIBUBEO结论： (1) 无输入信号电压时，三UBEIB无输入信号(ui = 0)时:？有输入信号(ui 0)时 uCE = UCC iC RC uBE = UBE+ uiuCE = UCE+ uo uo 0IC+UCCRBRCC1C2T+ui+uo+uBEuCEiCiBiEuBEtOiBtOiCtOuCEtOuitOUCEuotO= ubeUB

20、EIB无输入信号(ui = 0)时:？有输入信号(ui 结论：(2) 加上输入信号电压后，各电极电流和电压的大 小均发生了变化，都在直流量的基础上叠加了 一个交流量。+集电极电流直流分量交流分量动态分析iCtOiCtICOiCticO静态分析结论：(2) 加上输入信号电压后，各电极电流和电压的大+集电结论：(3) 若参数选取得当，输出电压可比输入电压大， 即电路具有电压放大作用。(4) 输出电压与输入电压在相位上相差180， 即共发射极电路具有反相作用。uitOuotO结论：(3) 若参数选取得当，输出电压可比输入电压大，(4)1. 实现放大的条件 (1) 晶体管必须工作在放大区。发射结正偏，

21、集 电结反偏。(2) 正确设置静态工作点，使晶体管工作于放大区。(3) 输入回路将变化的电压转化成变化的基极电流。(4) 输出回路将变化的集电极电流转化成变化的 集电极电压，经电容耦合只输出交流信号。1. 实现放大的条件 (1) 晶体管必须工作在放大区。发射2. 直流通路和交流通路 因电容对交、直流的作用不同。在放大电路中如果电容的容量足够大，可以认为它对交流分量不起作用，即对交流短路。而对直流可以看成开路。这样，交、直流分量所走的通路是不同的。直流通路：无信号时电流（直流电流）的通路， 用来计算静态工作点。交流通路：有信号时交流分量（变化量）的通路， 用来计算电压放大倍数、输入电阻、 输出电

22、阻等性能指标。2. 直流通路和交流通路 因电容对交、直流的作用不同。在例：画出下图放大电路的直流通路直流通路直流通路用来计算静态工作点Q ( IB 、 IC 、 UCE )对直流信号电容 C 可看作开路（即将电容断开）断开断开+UCCRBRCT+UBEUCEICIBIE+UCCRSesRBRCC1C2T+RLui+uo+uBEuCEiCiBiE例：画出下图放大电路的直流通路直流通路直流通路用来计算静态工RBRCuiuORLRSes+对交流信号(有输入信号ui时的交流分量) XC 0，C 可看作短路。忽略电源的内阻，电源的端电压恒定，直流电源对交流可看作短路。短路短路对地短路交流通路 用来计算电

23、压放大倍数、输入电阻、输出电阻等性能指标。+UCCRSesRBRCC1C2T+RLui+uo+uBEuCEiCiBiERBRCuiuORLRSes+对交流信号(有输入信2.2 放大电路的静态分析静态：放大电路无信号输入（ui = 0）时的工作状态。分析方法：估算法、图解法。分析对象：各极电压、电流的直流分量。所用电路：放大电路的直流通路。设置Q点的目的： (1) 使放大电路的放大信号不失真； (2) 使放大电路工作在较佳的工作状态，静态是动态的基础。静态工作点Q：IB、IC、UCE 。静态分析：确定放大电路的静态值。2.2 放大电路的静态分析静态：放大电路无信号输入（ui 2.2.1 用估算法

24、确定静态值1. 直流通路估算 IB根据电流放大作用2. 由直流通路估算UCE当UBE UBE 时，三极管发生了截止，使 uo 失真，因此该失真为截止失真。 uito（4） 若要消除失真必须改变RB1与RB2的比例，适当2.5 射极输出器 因对交流信号而言，集电极是输入与输出回路的公共端，所以是共集电极放大电路。 因从发射极输出，所以称射极输出器。RB+UCCC1C2RERLui+uo+es+RS2.5 射极输出器 因对交流信号而言，集电极是输入与输求Q点：2.5.1 静态分析直流通路+UCCRBRE+UCE+UBEIEIBICRB+UCCC1C2RERLui+uo+es+RS求Q点：2.5.1

25、 静态分析直流通路+UCCRBRE+2.5.2 动态分析1. 电压放大倍数 电压放大倍数Au1且输入输出同相，输出电压跟随输入电压，故称电压跟随器。微变等效电路rbeRBRLEBC+-+-+-RSRE2.5.2 动态分析1. 电压放大倍数 电压放大倍数ArbeRBRLEBC+-+-+-RSRE2. 输入电阻 射极输出器的输入电阻高，对前级有利。 ri 与负载有关rbeRBRLEBC+-+-+-RSRE2. 输入电阻 3. 输出电阻射极输出器的输出电阻很小，带负载能力强。rbeRBRLEBC+-+-+-RSRE3. 输出电阻射极输出器的输出电阻很小，带负载能力强。rbe例1:. 在图示放大电路中

26、，已知UCC=12V, RE= 2k, RB= 200k， RL= 2k ，晶体管=60， UBE=0.6V, 信号源内阻RS= 100，试求:(1) 静态工作点 IB、IE 及 UCE；(2) 画出微变等效电路；(3) Au、ri 和 ro 。RB+UCCC1C2RERLui+uo+es+RS例1:. 在图示放大电路中，已知UCC=12V, 解:(1)由直流通路求静态工作点。直流通路+UCCRBRE+UCE+UBEIEIBIC解:(1)由直流通路求静态工作点。直流通路+UCCRBRE+(2) 由微变等效电路求Au、 ri 、 ro。rbeRBRLEBC+-+-+-RSRE微变等效电路(2)

27、由微变等效电路求Au、 ri 、 ro。rbeRBR共集电极放大电路(射极输出器)的特点：1. 电压放大倍数小于1，约等于1;2. 输入电阻高；3. 输出电阻低；4. 输出与输入同相。共集电极放大电路(射极输出器)的特点：1. 电压放大倍数小于射极输出器的应用主要利用它具有输入电阻高和输出电阻低的特点。 1. 因输入电阻高，它常被用在多级放大电路的第一级，可以提高输入电阻，减轻信号源负担。 2. 因输出电阻低，它常被用在多级放大电路的末级，可以降低输出电阻，提高带负载能力。 3. 利用 ri 大、 ro小以及 Au 1 的特点，也可将射极输出器放在放大电路的两级之间，起到阻抗匹配作用，这一级射

28、极输出器称为缓冲级或中间隔离级。射极输出器的应用主要利用它具有输入电阻高和输出电阻低的特点。 3 由555定时器组成的单稳态触发器和无稳态触发器 555定时器是一种将模拟电路和数字电路集成于一体的电子器件。用它可以构成单稳态触发器、多谐振荡器和施密特触发器等多种电路。 555定时器在工业控制、定时、检测、报警等方面有广泛应用。3.1 555定时器1.分压器：由三个等值电阻构成2.比较器：由电压比较器C1和C2构成3.R-S触发器4.放电开关管T 3 由555定时器组成的单稳态触发器和无稳态触发VAVB输出端 电压控制端 高电平触发端低电平触发端放电端复位端UCC分压器比较器R-S触发器放电管地

29、+C1+C2QQRDSD5K5K5KT24567831VAVB输出端 电压控制端 高电平触发端低电平触发端放电端复2/3 UCC2/3 UCC1/3 UCC011/3 UCC112/3 UCC1/3 UCC00RDSDV6V2比较结果1/3 UCC不允许2/3 UCC+C1+C2.5K5K5KVAVBUCCRDSD5622/3 UCC2/3 UCC1/3V6V22/3 UCC2/3 UCC1/3 UCC1/3 UCCQT10保持导通截止保持555功能表QQRDSDT输出RDSD101011QT10保持导通截止保持V6V22/3 UCC2/3 UCC1 单稳态触发器只有一个稳定状态。在未加触发脉

30、冲前，电路处于稳定状态；在触发脉冲作用下，电路由稳定状态翻转为暂稳定状态，停留一段时间后，电路又自动返回稳定状态。 暂稳定状态的长短，取决于电路的参数，与触发脉冲无关。3 .2 由555定时器组成的单稳态触发器单稳态触发器一般用做定时、整形及延时。 单稳态触发器只有一个稳定状态。在未加触发脉冲前，电路(地)uCR1+UCCuiUCC+C1+C2QQRDSD5K5K5KVAVB T1348(复位端)uO6527接通电源2/3 UCC01101Q=0导通1稳定状态(地)uCR1+UCCuiUCC+C1+C2QQRDSD(地)uCR1+UCCuiUCC+C1+C2QQRDSD5K5K5KVAVB T1348(复位端)uO65271101Q=1截止暂稳状态02/3 UCC1010Q=1010110稳定状态Q=0(地)ucR1+UCCuiUCC+C1+C2QQRDSD+UCC48562713.0.01FuCCuiuoRuituCtuOt(1/3UCC)Q=0Q=1T导通，C通过T放电,uC 0接通电源RD=0SD=1保持“0”态RD=1SD=1上升到2/3 UCC+UCC48562713.0.01FuCCuiuoRuiuituCtuOt暂稳态tptp=RC ln3=1.1RC+UCC48562713.0.01FuCCuiuO2/3UCCRD=1SD=0Q=1Q=0T截止