电工学下册公开课一等奖课件省赛课获奖课件

电工学下册第1页电工技术：主要讲能量分派问题。电子技术：主要讲信号处理问题。

模拟电子技术：处理模拟信号

数字电子技术：处理数字信号

电工学：是研究电工技术和电子技术理论和应用技术基础课.

电工技术电子技术电工学第2页通过课堂教学：掌握基本概念、工作原理、分析办法。公式与电路与特性曲线对应，看电路列公式，学会分析电路。通过做一定数量习题，培养分析和处理问题能力、计算能力，理解和巩固课堂上所学知识。要求：绘图用尺、标明单位、书写工整，培养良好学习习惯。通过做试验培养动手能力，学会正确使用常用电子仪器和电工仪表，培养工作能力。

学习办法：三大步骤第3页参照书目《电工学（第七版）学习辅导与习题解答

》

姜三勇主编高等教育出版社课程学时：40学时（10周20次课）考评方式：总评成绩=

考试卷面成绩（80%）+平时成绩（20%）第4页电子技术第14章半导体器件第15章基本放大电路第18章直流稳压电源第21章触发器和时序逻辑电路第16章集成运算放大器第20章门电路和组合逻辑电路电工学(下)第17章电子电路中反馈第5页第6页第14章半导体器件14.3二极管14.4稳压二极管14.5双极型晶体管14.2PN结及其单向导电性14.1半导体导电特性本章要求：一、理解PN结单向导电性，三极管电流分派和电流放大作用；二、理解二极管、稳压管和三极管基本构造、工作原理和特性曲线，理解主要参数意义；三、会分析具有二极管电路。14.6光电器件第7页半导体基本知识第8页14.1

半导体导电特性半导体导电特性：(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。掺杂性：往纯净半导体中掺入微量某种杂质，导电能力显著变化(可做成多种不一样用途半导器件，如二极管、三极管和晶闸管）。光敏性：当受到光照时，导电能力显著变化(可做成多种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等)。热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强第9页14.1.1

本征半导体

完全纯净、具有晶体构造半导体，称为本征半导体。晶体中原子排列方式硅单晶中共价健构造共价健共价键中两个电子，称为价电子。

Si

Si

Si

Si价电子第10页

Si

Si

Si

Si价电子

价电子在取得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核束缚，成为自由电子（带负电），同步共价键中留下一种空位，称为空穴（带正电）。本征半导体导电机理空穴

温度愈高，晶体中产生自由电子便愈多。自由电子

在外电场作用下，空穴吸引相邻原子价电子来弥补，而在该原子中又出现一种空穴，如此继续下去，就仿佛空穴在运动（相称于正电荷移动）。本征半导体中产生电子—空穴对现象称为本征激发。第11页本征半导体导电机理

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)被原子束缚价电子递补空穴空穴电流注意：

(1)本征半导体中载流子数目很少,其导电性能很差；

(2)温度愈高，载流子数目愈多,半导体导电性能也就愈好。因此，温度对半导体器件性能影响很大。自由电子和空穴都称为载流子。本征半导体中自由电子和空穴总是成对产生同步，又不停复合。在一定温度下，载流子产生和复合达成动态平衡，半导体中载流子便维持一定数目。第12页14.1.2N型半导体和P型半导体

掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。掺入五价元素

Si

Si

Si

Sip+多出电子磷原子在常温下即可变为自由电子失去一种电子变为正离子

在本征半导体中掺入微量杂质（某种元素）,形成杂质半导体。

在N

型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。第13页14.1.2N型半导体和P型半导体

掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体主要导电方式，称为空穴半导体或P型半导体。掺入三价元素

Si

Si

Si

Si

在P型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。B–硼原子接收一种电子变为负离子空穴无论N型或P型半导体都是中性，对外不显电性。应注意：第14页14.2PN结及其单向导电性

14.2.1PN结形成多子扩散运动内电场少子漂移运动浓度差P型半导体N型半导体

内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。

扩散成果使空间电荷区变宽。空间电荷区也称PN结在没有外电场作用时，扩散和漂移这一对相反运动最后达成动态平衡，空间电荷区厚度固定不变。PN结处于相对稳定状态。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－动画形成空间电荷区PN结是组成多种半导体器件基础。

第15页14.2.2PN结单向导电性

1.PN结加正向电压（正向偏置）PN结变窄P接正、N接负外电场IF

内电场被削弱，多子扩散加强，形成较大扩散电流。

PN结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。内电场PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++动画+–第16页2.PN结加反向电压（反向偏置）外电场P接负、N接正内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+第17页PN结变宽2.PN结加反向电压（反向偏置）外电场

内电场被加强，少子漂移加强，由于少子数量很少，形成很小反向电流。IRP接负、N接正温度越高少子数目越多，反向电流将随温度增加。动画–+PN结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－PN结“正偏导通，反偏截止”称为其单向导电性质，这正是PN结组成半导体器件基础。第18页14.3

半导体二极管14.3.1基本构造(a)点接触型(b)面接触型

结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路。

结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。(c)平面型

用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。

一种PN结加上对应电极引线并用管壳封装起来，就组成了半导体二极管，简称二极管，接在P型半导体一侧引出线称为阳极；接在N型半导体一侧引出线称为阴极。阴极阳极(

d

)

符号D参看二极管实物图第19页14.3.2伏安特性硅管0.5V,锗管0.1V。反向击穿电压U(BR)导通压降

外加电压大于死区电压二极管才能导通。

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。正向特性反向特性特点：非线性硅0.6~0.8V锗0.2~0.3VUI死区电压PN+–PN–+

反向电流在一定电压范围内保持常数。

显然二极管伏安特性不是直线，因此属于非线性元件。定义：二极管电流与电压之间关系第20页14.3.3主要参数1.

最大整流电流

IOM二极管长期使用时，允许流过二极管最大正向平均电流。2.

反向工作峰值电压URWM是确保二极管不被击穿而给出反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压UBR二分之一或三分之二。3.

反向峰值电流IRM指二极管加最高反向工作电压时反向电流。反向电流大，说明管子单向导电性差，IRM受温度影响，温度越高反向电流越大。硅管反向电流较小，锗管反向电流较大，为硅管几十到几百倍。第21页二极管单向导电性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。4.二极管反向电流受温度影响，温度愈高反向电流愈大。第22页

二极管电路分析举例定性分析：判断二极管工作状态导通截止不然，正向管压降硅0.6~0.8V锗0.2~0.3V

分析办法：将二极管断开，分析二极管两端电位高低或所加电压UD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

若二极管是抱负，正向导通时正向管压降为零相称于短路，反向截止时二极管相称于断开。第23页电路如图，求：UABV阳

=－6V,V阴=－12VV阳>V阴二极管导通若忽视管压降，二极管可看作短路，UAB=－6V不然，UAB为低于－6V一种管压降，为－6.3Ｖ或－6.7V例1：

取B点作参照点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极电位。D6V12V3k

BAUAB+–第24页两个二极管阴极接在一起取B点作参照点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极电位。V1阳

=－6V，V2阳=0V，V1阴

=V2阴=－12VUD1=6V，UD2=12V

∵

UD2>UD1

∴D2优先导通，D1截止。若忽视管压降，二极管可看作短路，UAB

=0V例2:此时D1承受反向电压为－6V流过D2

电流为求：UAB

在这里，D2起钳位作用，D1起隔离作用。BD16V12V3k

AD2UAB+–第25页ui>8V，二极管导通，可看作短路uo=8V

ui<8V，二极管截止，可看作开路uo=ui已知：二极管是抱负，试画出uo

波形。8V例3：二极管用途：

整流、检波、限幅、钳位、开关、元件保护、温度赔偿等。ui18V参照点二极管阴极电位为8VD8VRuoui++––动画第26页14.4

稳压二极管1.符号UZIZIZM

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稳压管实物图第27页3.主要参数(1)稳定电压UZ

稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端电压。(2)电压温度系数

ｕ

环境温度每变化1

C引发稳压值变化百分数。(3)动态电阻(4)稳定电流IZ、最大稳定电流IZM

是指稳压管工作在稳压状态时，稳压管中流过电流，有最小稳定电流和最大稳定电流之分。(5)最大允许耗散功率PZM=UZIZM

是指稳压管正常工作时，管子上允许最大耗散功率。rZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。第28页

稳压管稳压电路中一般都要加限流电阻R，使稳压管电流工作在Izmax和Izmix范围内。稳压管在应用中要采取合适措施限制通过管子电流值，以确保管子不会造成热击穿。

注意

[例]

图中通过稳压管电流IZ等于多少？R是限流电阻，其值是否合适？[解]IZDZ+20R=1.6k

UZ=12V

IZM=18mAIZIZ

<IZM

，电阻值合适。第29页第30页14.5

双极型晶体管双极型晶体管是由两个背靠背、互有影响PN结组成。在工作过程中两种载流子都参与导电，因此全名称为双极型晶体管。双极结型晶体管有三个引出电极，人们习惯上又称它为晶体三极管或简称晶体管。

晶体管种类很多,按照频率分，有高频管、低频管；按照功率分，有小、中、大功率管；按照半导体材料分，有硅管、锗管等等。不过从它外形来看，晶体管都有三个电极，常见晶体管外形如图所示：

从晶体管外形可看出，其共同特性就是具有三个电极，这就是“三极管”简称来历。

第31页14.5晶体管14.5.1基本构造NNP基极发射极集电极NPN型BECBECPNP型PPN基极发射极集电极符号：BECIBIEICBECIBIEICNPN型三极管PNP型三极管第32页基区：最薄，掺杂浓度最低发射区：掺杂浓度最高发射结集电结BECNNP基极发射极集电极构造特点：集电区：面积最大晶体管制造工艺上特点：

发射区是高浓度掺杂区，基区很薄且杂质浓度低，集电结面积大。这样构造才能确保晶体管具有电流放大作用。第33页

我们通过试验来说明晶体管放大原理和其中电流分派，试验电路采取共发射极接法，发射极是基极电路和集电极电路公共端。试验中用是NPN型管，为了使晶体管具有放大作用，电源EB和EC极性必须使发射结上加正向电压(正向偏置)，集电结加反向电压(反向偏置)。mA

AVVmAICECIBIERB+UBE

+UCE

EBCEB3DG100

设EC=6V，变化可变电阻RB，则基极电流IB、集电极电流IC和发射极电流IE都发生变化，测量成果如下表：基极电路集电极电路14.5.2电流分派和放大原理第34页IB/mA00.020.040.060.080.10IC/mA<0.0010.701.502.303.103.95IE/mA<0.0010.721.542.363.184.05晶体管电流测量数据结论：(1)符合基尔霍夫定律(2)IC和IE比IB大得多。从第三列和第四列数据可得

这就是晶体管电流放大作用。称为共发射极静态电流(直流)放大系数。电流放大作用还体目前基极电流少许变化

IB能够引发集电极电流较大变化

IC。

式中，

称为动态电流(交流)放大系数第35页

(3)当IB=0(将基极开路)时，IC=ICEO，表中ICEO<0.001mA=1A。

(4)要使晶体管起放大作用，发射结必须正向偏置，发射区才可向基区发射电子；而集电结必须反向偏置，集电区才可搜集从发射区发射过来电子。1.三极管放大条件*外部条件：发射结正偏、集电结反偏*内部条件：发射区是高浓度掺杂区，基区很薄且杂质浓度低，集电结面积大。IB/mA00.020.040.060.080.10IC/mA<0.0010.701.502.303.103.95IE/mA<0.0010.721.542.363.184.05晶体管电流测量数据第36页1、发射区向基区扩散电子过程：由于发射结处于正向偏置，发射区多数载流子自由电子将不停扩散到基区，并不停从电源补充进电子，形成发射极电流IE。2、电子在基区扩散和复合过程：由于基区很薄，其多数载流子空穴浓度很低，因此从发射极扩散过来电子只有很少一部分和基区空穴复合，剩下绝大部分都能扩散到集电结边缘。3、集电区搜集从发射区扩散过来电子过程：由于集电结反向偏置，可将从发射区扩散到基区并达到集电区边缘电子拉入集电区，从而形成较大集电极电流IC。2.三极管内部载流子运动规律ICEIBEIE第37页

下列图给出了起放大作用时NPN型和PNP型晶体管中电流实际方向和发射结与集电结实际极性。+UBE

ICIEIBCTEB

+UCE

NPN型晶体管+UBE

IBIEICCTEB

+UCE

PNP型晶体管对于NPN型三极管应满足:UBE

>0UBC

<

0即

VC>

VB>

VE对于PNP型三极管应满足:UEB>0UCB

<0即

VC

<VB<

VE第38页放大状态：IC=βIBUBE≈0.7VUBE<UCE<UCC截止状态：IB=0,IC=ICEO≈0UBE<0.5VUCE≈UCC临界饱和：IC=βIBUCE=UBE=0.7V饱和状态：IC<

βIB，深度饱和时，IC基本不再随IB增大。UBE≈0.7VUCE<UBEIB

IB

IB

晶体管工作状态（NPN硅管）发射结反偏集电结反偏发射结正偏集电结反偏发射结正偏集电结正偏+-+-穿透电流NPN

：

VC>VB>VE第39页14.5.3

三极管特性曲线第40页第41页IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O饱和区截止区放大区第42页IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O饱和区截止区放大区第43页IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O饱和区截止区放大区第44页

当晶体管饱和时，UCE

0，发射极与集电极之间犹如一种开关接通，其间电阻很小；当晶体管截止时，IC

0，发射极与集电极之间犹如一种开关断开，其间电阻很大，可见，晶体管除了有放大作用外，尚有开关作用。晶体管三种工作状态如下列图所示+

UBE>0

ICIB+UCE

(a)放大

UBC<0+IC

0IB=0+UCE

UCC

(b)截止

UBC<0++UBE

0

+UBE>

0

IB+UCE

0

(c)饱和

UBC>0+第45页

管型

工作状态

饱和

放大

截止UBE/VUCE/V

UBE/V

UBE/V

开始截止

可靠截止硅管(NPN)锗管(PNP)

0.7

0.3

0.30.1

0.6~0.70.2~0.30.5

0.1

0

0.1晶体管结电压典型值+

UBE>0

ICIB+UCE

放大

UBC<0+IC

0IB=0+UCE

UCC

截止

UBC<0++UBE

0

+UBE>

0

IB+UCE

0

饱和

UBC>0+第46页（1）V1=3.5V，V2=2.8V，V3=12V。例1：

测得工作在放大电路中几个晶体管三个极电位值V1、V2、V3，判断管子类型、材料及三个极。NPN型硅管，1、2、3依次为B、E、C（2）V1=3V，V2=2.7V，V3=12V。（3）V1=6V，V2=11.3V，V3=12V。（4）V1=6V，V2=11.7V，V3=12V。NPN型锗管，1、2、3依次为B、E、CPNP型硅管，1、2、3依次为C、B、EPNP型锗管，1、2、3依次为C、B、E上一页下一页返回下一节上一节第47页例2：测得电路中三极管各极对地电位值如下表所示，判断各管工作状态及类型。管号VB（V）VC（V）VE（V）T1-0.3-50T22.732.32T31-60T1：UBE=-0.3V，VC＜VB＜VE，放大状态，PNP型T2：UCE=0.3V，VE＜VC＜VB，饱和状态，NPN型T3：UCE=-6V，VC＜VE＜VB，截止状态，PNP型上一页下一页返回下一节上一节第48页14.5.4

主要参数1.电流放大系数，

（反应放大能力）直流电流放大系数交流电流放大系数当晶体管接成共发射极电路时，

晶体管特性数据称为晶体管参数，晶体管参数也是设计电路、选用晶体管根据。注意：

和

含义不一样，但在特性曲线近于平行等距并且ICEO较小情况下，二者数值接近。常用晶体管

值为几十到几百。第49页2.

集电极最大允许电流ICM3.

集-射极反向击穿电压U(BR)CEO

集电极电流IC上升会造成三极管

值下降，当

值下降到正常值三分之二时集电极电流即为ICM。

当集—射极之间电压UCE超出一定数值时，三极管就会被击穿。手册上给出数值是25C、基极开路时击穿电压U(BR)

CEO。4.

集电极最大允许耗散功耗PCMPCM取决于三极管允许温升，消耗功率过大，温升过高会烧坏三极管。

PC

PCM=ICUCE

硅管允许结温约为150C，锗管约为70

90C。极限参数（决定三极管工作区域）第50页ICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作区由三个