电子技术基础知识分解

电子技术基本知识1第一页，共121页。半导体的导电特性2第二页，共121页。导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。3第三页，共121页。半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。1.掺杂性2.热敏性和光敏性4第四页，共121页。本征半导体（纯净和具有晶体结构的半导体）本征半导体的结构特点GeSi现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。5第五页，共121页。在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。硅和锗的晶体结构：通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。6第六页，共121页。硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子7第七页，共121页。共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。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。+4+4+4+48第八页，共121页。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，本征半导体中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。在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。1.载流子、自由电子和空穴本征半导体的导电机理9第九页，共121页。+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子10第十页，共121页。2.本征半导体的导电机理+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。11第十一页，共121页。温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，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。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体中电流由两部分组成：

1.自由电子移动产生的电流。

2.空穴移动产生的电流。（在本征半导体中自由电子和空穴成对出现，同时又不断的复合）12第十二页，共121页。在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。P型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。N型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。杂质半导体13第十三页，共121页。一、N型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷，晶体中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。14第十四页，共121页。+4+4+5+4多余电子磷原子N型半导体中的载流子是什么？1.由磷原子提供的电子，浓度与磷原子相同。2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。15第十五页，共121页。二、P型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。+4+4+3+4空穴硼原子P型半导体中空穴是多子，电子是少子。16第十六页，共121页。三、杂质半导体的符号－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体17第十七页，共121页。PN结18第十八页，共121页。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，在它们的交界面处就形成了PN结。PN结的形成19第十九页，共121页。P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽。内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。空间电荷区，也称耗尽层。20第二十页，共121页。漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。21第二十一页，共121页。－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空间电荷区N型区P型区电位VV022第二十二页，共121页。(1)加正向电压（正偏）——电源正极接P区，负极接N区

外电场的方向与内电场方向相反。

外电场削弱内电场→耗尽层变窄→扩散运动＞漂移运动→多子扩散形成正向电流IF正向电流PN结的单向导电性23第二十三页，共121页。(2)加反向电压——电源正极接N区，负极接P区

外电场的方向与内电场方向相同。

外电场加强内电场→耗尽层变宽→漂移运动＞扩散运动→少子漂移形成反向电流IRPN

在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故IR基本上与外加反压的大小无关，所以称为反向饱和电流。但IR与温度有关。

24第二十四页，共121页。PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，PN结导通；

PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，PN结截止。

由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。25第二十五页，共121页。半导体二极管26第二十六页，共121页。半导体二极管实物图片27第二十七页，共121页。PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。引线外壳线触丝线基片点接触型PN结面接触型PN二极管的电路符号：阳极+阴极-基本结构28第二十八页，共121页。伏安特性UI死区电压硅管0.5V,锗管0.1V。导通压降:硅管0.6~0.7V,锗管0.2~0.3V。反向击穿电压UBR29第二十九页，共121页。1.最大整流电流IOM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.反向击穿电压UBR二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压UWRM一般是UBR的一半。2.反向工作峰值电压UBWM保证二极管不被击穿时的反向峰值电压。二极管的主要参数30第三十页，共121页。4.反向电流IR指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。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。31第三十一页，共121页。5.微变电阻rDiDuDIDUDQ

iD

uDrD是二极管特性曲线上工作点Q附近电压的变化与电流的变化之比：显然，rD是对Q附近的微小变化区域内的电阻。32第三十二页，共121页。6.二极管的极间电容（结电容）二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：势垒电容CB和扩散电容CD。势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是势垒电容。当外加电压发生变化时，耗尽层的宽度要相应地随之改变，即PN结中存储的电荷量要随之变化，就像电容充放电一样。33第三十三页，共121页。

当外加正向电压不同时，PN结两侧堆积的少子的数量与浓度梯度也不同，这就相当电容的充放电过程。电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来扩散电容：为了形成正向电流（扩散电流），注入P区的少子（电子）在P区有浓度差，越靠近PN结浓度越大，即在P区有电子的积累。同理，在N区有空穴的积累。正向电流大，积累的电荷多。这样所产生的电容就是扩散电容.34第三十四页，共121页。CB在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置时，由于载流子数目很少，扩散电容可忽略。PN结高频小信号时的等效电路：势垒电容和扩散电容的综合效应rd35第三十五页，共121页。二极管：死区电压=0.5V，正向压降

0.7V(硅二极管)理想二极管：死区电压=0，正向压降=0RLuiuouiuott二极管的应用举例1：二极管半波整流二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。36第三十六页，共121页。二极管的应用举例2：tttuiuRuoRRLuiuRuo37第三十七页，共121页。UIIZIZmax

UZ

IZ稳压误差曲线越陡，电压越稳定。+-UZ动态电阻：rz越小，稳压性能越好。稳压二极管38第三十八页，共121页。（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。（5）最大允许功耗稳压二极管的参数:（1）稳定电压UZ（2）电压温度系数

U（%/℃）

稳压值受温度变化影响的的系数。（3）动态电阻39第三十九页，共121页。在电路中稳压管只有与适当的电阻连接才能起到稳压作用。UIIZIZmax

UZ

IZUZ40第四十页，共121页。反向电流随光照强度的增加而上升。IU照度增加光电二极管41第四十一页，共121页。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。发光二极管42第四十二页，共121页。半导体三极管43第四十三页，共121页。常见三极管的外形结构

实物照片44第四十四页，共121页。BECNNP基极发射极集电极NPN型PNP集电极基极发射极BCEPNP型基本结构45第四十五页，共121页。BECNNP基极发射极集电极基区：较薄，掺杂浓度低集电区：面积较大发射区：掺杂浓度较高46第四十六页，共121页。BECNNP基极发射极集电极发射结集电结47第四十七页，共121页。BECIBIEICNPN型三极管BECIBIEICPNP型三极管符号48第四十八页，共121页。ICmA

AVVUCEUBERBIBECEB

一.一个实验电流分配和放大原理49第四十九页，共121页。结论:1.IE=IC+IB3.IB=0,IC=ICEO4.要使晶体管放大,发射结必须正偏,集电结必须反偏。50第五十页，共121页。二.电流放大原理BECNNPEBRBECIE基区空穴向发射区的扩散可忽略。IBE进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE

，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。51第五十一页，共121页。BECNNPEBRBECIE集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。ICBOIC=ICE+ICBO

ICEIBEICE从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICE。52第五十二页，共121页。IB=IBE-ICBO

IBEIBBECNNPEBRBECIEICBOICEIC=ICE+ICBO

ICEIBE53第五十三页，共121页。ICE与IBE之比称为电流放大倍数54第五十四页，共121页。一.输入特性UCE1VIB(

A)UBE(V)204060800.40.8工作压降：硅管UBE0.6~0.7V,锗管UBE0.2~0.3V。UCE=0VUCE=0.5V

死区电压，硅管0.5V，锗管0.1V。三极管的特性曲线55第五十五页，共121页。二、输出特性IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域满足IC=

IB称为线性区（放大区）。当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=

IB。56第五十六页，共121页。IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域中UCE

UBE,集电结正偏，IB>IC，UCE0.3V称为饱和区。57第五十七页，共121页。IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBE<死区电压，称为截止区。58第五十八页，共121页。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

UBE

，

IB>IC，UCE0.3V

(3)截止区：

UBE<死区电压，IB=0，IC=ICEO

0

59第五十九页，共121页。三、主要参数前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。共射直流电流放大倍数：工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为

IB，相应的集电极电流变化为

IC，则交流电流放大倍数为：1.电流放大倍数和

60第六十页，共121页。2.集-基极反向截止电流ICBO

AICBOICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流，受温度的变化影响。61第六十一页，共121页。BECNNPICBOICEO=

IBE+ICBO

IBE

IBEICBO进入N区，形成IBE。根据放大关系，由于IBE的存在，必有电流

IBE。集电结反偏有ICBO3.集-射极反向截止电流ICEOICEO受温度影响很大，当温度上升时，ICEO增加很快，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。62第六十二页，共121页。4.集电极最大电流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。5.集-射极反向击穿电压当集---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、基极开路时的击穿电压U(BR)CEO。63第六十三页，共121页。6.集电极最大允许功耗PCM

集电极电流IC

流过三极管，所发出的功率为：PC=ICUCE

必定导致结温上升，所以PC

有限制。PC

PCMICUCEICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作区64第六十四页，共121页。集成运算放大器65第六十五页，共121页。集成电路:

将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上。集成电路的优点：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。集成电路的分类：模拟集成电路、数字集成电路；小、中、大、超大规模集成电路；

集成运放的简单介绍66第六十六页，共121页。1.电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方向一致，温度均一性好。2.电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到20千欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。3.几十pF以下的小电容用PN结的结电容构成、大电容要外接。4.二极管一般用三极管的发射结构成。集成电路内部结构的特点67第六十七页，共121页。UEE+UCC

u+uo

u–反相输入端同相输入端T3T4T5T1T2IS输入级中间级输出级与uo反相与uo同相原理框图68第六十八页，共121页。69第六十九页，共121页。70第七十页，共121页。对输入级的要求：尽量减小零点漂移,尽量提高KCMRR

,

输入阻抗ri尽可能大。对中间级的要求：足够大的电压放大倍数。对输出级的要求：主要提高带负载能力，给出足够的输出电流io

。即输出阻抗ro小。集成运放的结构（1）采用四级以上的多级放大器，输入级和第二级一般采用差动放大器。（2）输入级常采用复合三极管或场效应管，以减小输入电流，增加输入电阻。（3）输出级采用互补对称式射极跟随器，以进行功率放大，提高带负载的能力。71第七十一页，共121页。一、开环电压放大倍数Auo无外加反馈回路的差模放大倍数。一般在105

107之间。理想运放的Auo为。二、共模抑制比KCMMR常用分贝作单位，一般100dB以上。主要参数72第七十二页，共121页。晶闸管73第七十三页，共121页。一种大功率半导体器件，出现于70年代。它的出现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域。体积小、重量轻、无噪声、寿命长、容量大（正向平均电流达千安、正向耐压达数千伏）。

特点晶闸管(可控硅SCR)74第七十四页，共121页。应用领域逆变

整流（交流直流）斩波（直流交流）变频（交流交流）（直流直流）此外还可作无触点开关等75第七十五页，共121页。基本结构A（阳极）四层半导

体K（阴极）G（控制极）P1P2N1三个

PN结N276第七十六页，共121页。符号AKG工作原理GKP1P2N1N2APPNNNPAGK示意图77第七十七页，共121页。APPNNNPGKi

gßi

gßßig工作原理分析KAGT1T278第七十八页，共121页。工作原理说明UAK

>0

、UGK>0时T1导通ib1

=i

giC1=ig=ib2ic2=ßib2=

ig=ib1T2导通形成正反馈晶闸管迅速导通；T1进一步导通79第七十九页，共121页。晶闸管开始工作时，UAK加反向电压，或不加触发信号（即UGK=0）；晶闸管导通后，UGK，去掉依靠正反馈，晶闸管仍维持导通状态；晶闸管截止的条件：（1）（2）晶闸管正向导通后，令其截止，必须减小UAK，或加大回路电阻，使晶闸管中电流的正反馈效应不能维持。80第八十页，共121页。晶闸管具有单向导电性（正向导通条件：A、K间加正向电压，G、K间加触发信号）；2.晶闸管一旦导通，控制极失去作用若使其关断，必须降低UAK或加大回路电阻，把阳极电流减小到维持电流以下。

结论81第八十一页，共121页。门电路82第八十二页，共121页。门电路是用以实现逻辑关系的电子电路，与我们所讲过的基本逻辑关系相对应，门电路主要有：与门、或门、与非门、或非门、异或门等。在数字电路中，一般用高电平代表1、低点平代表0，即所谓的正逻辑系统。

分立元件门电路

门电路的基本概念83第八十三页，共121页。A、B、C条件都具备时，事件F才发生。EFABC&ABCF逻辑符号“与”逻辑84第八十四页，共121页。F=A•B•C逻辑式逻辑乘法逻辑与AFBC00001000010011000010101001101111真值表85第八十五页，共121页。二极管与门FD1D2AB+12V设二极管的饱和压降为0.3伏。0101BFA0011输入0001输出

真值表86第八十六页，共121页。A、B、C只有一个条件具备时，事件F就发生。1ABCF逻辑符号AEFBC“或”逻辑87第八十七页，共121页。F=A+B+C逻辑式逻辑加法逻辑或AFBC00001001010111010011101101111111真值表88第八十八页，共121页。二极管或门FD1D2AB-12V0101BFA0011输入0111输出

真值表89第八十九页，共121页。A条件具备时，事件F不发生；A不具备时，事件F发生。逻辑符号AEFRAF“非”逻辑90第九十页，共121页。逻辑式逻辑非逻辑反真值表AF011091第九十一页，共121页。R1DR2AF+12V+3V三极管非门嵌位二极管（三极管的饱和压降假设为0.3V）FA01输入10输出真值表92第九十二页，共121页。R1DR2F+12V+3V三极管非门D1D2AB+12V二极管与门与非门93第九十三页，共121页。几种常用的逻辑关系逻辑“与”、“或”、“非”是三种基本的逻辑关系，任何其它的逻辑关系都可以以它们为基础表示。与非：条件A、B、C都具备，则F不发生。&ABCF94第九十四页，共121页。或非：条件A、B、C任一具备，则F不发生。1ABCF异或：条件A、B有一个具备，另一个不具备则F发生。=1ABCF95第九十五页，共121页。1.体积大、工作不可靠。2.需要不同电源。3.各种门的输入、输出电平不匹配。分立元件门电路的缺点96第九十六页，共121页。与分立元件电路相比，集成电路具有体积小、可靠性高、速度快的特点，而且输入、输出电平匹配，所以早已广泛采用。根据电路内部的结构，可分为DTL、TTL、HTL、MOS管集成门电路等。TTL门电路97第九十七页，共121页。+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC

TTL与非门的基本原理98第九十八页，共121页。C+VBANNNNPPPPCCR1+V131T1CRBACCT1的内部结构99第九十九页，共121页。1.任一输入为低电平（0.3V）时“0”1V不足以让T2、T5导通三个PN结导通需2.1V+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC

100第一百页，共121页。+5VFR4R2R13kR5T3T4T1b1c1ABC1.任一输入为低电平（0.3V）时“0”1Vuouo=5-uR2-ube3-ube43.6V高电平！

101第一百零一页，共121页。CT74LS00是一种典型的TTL与非门器件，内部含有4个2输入端与非门，共有14个引脚。TTL与非门芯片102第一百零二页，共121页。电动机电子保护装置常用电子电路103第一百零三页，共121页。

其性能优良、工作可靠、使用安全，技术先进。

保护范围；

①过载保护②断相保护③短路保护④漏电保护电动机电子综合保护装置的特点

电动机电子综合保护装置是一种以各种电子元件为基础，实现对电动机进行各种保护功能的装置104第一百零四页，共121页。

由取样与整定电路获得与温度或电流成正比的电压信号，通过过载鉴幅电路，判断是否过载。在已过载的情况下，使信号电压（必要时经过放大环节）输入定时电路，定时电路的作用主要是充分模拟电机的发热与冷却特性，在必须切断电源或可以重新送电时，定时电路通过后级动作鉴幅电路，将发出一个阶跃信号，使执行电路电动作，最后发出跳闸或恢复信号，完成过载保护或使过载后自复。过载保护的基本原理105第一百零五页，共121页。

断相保护电路与过载保护电路比较，引入了不平衡鉴幅电路。因为流入电动机绕组电流不平衡，达到一定程度就是故障状态，而断一相则是最严重、最常见情况，故必须引入不平衡鉴幅电路。引入定时电路的目的是考虑到可能出现的瞬时不平衡状态。断相保护电路的基本原理106第一百零六页，共121页。

因煤矿低压开关的过流保护是作为馈电开关的后备保护，因此在速动的前提下，仍要有一定的延时，故必须引入定时电路。此外，为了使过流保护具有自锁的特性，在动作鉴幅电路或执行电路中必须有记忆特性。过流（短路）保护电路的基本原理107第一百零七页，共121页。

漏电闭锁只能在交流接触器分断后才投入，但由于电弧熄灭需要一定时间，电动机绕组断电产生的反电势与电动机的惯性在绕组产生剩磁电势，会对保护电路造成危害，故为安全起见，一般常在检测电路前增设延时闭合接点JS。漏电闭锁保护电路基本原理108第一百零八页，共121页。

电动机电子综合保护装置的电子电路主要包括取样电路、鉴幅电路、放大电路定时电路记忆电路、执行电路与进行综合时所需要的逻辑控制电路和电源电路。109第一百零九页，共121页。

鉴幅电路在整个综合保护装置中占据十分重要的地位，除了要求温度变化与电压波动有较好的稳定性外还要求；

1、具有良好的阶跃特性，使保护装置动作干脆。

2、具有一定的可调节回差。

3、具有较高的输入电阻。

4、输出幅度大且具有一定的负载能力。鉴幅电路的主要要求110第一百一十页，共121页。1、稳压管鉴幅电路。2、稳压管与晶体管组合鉴幅电路。3、施密特电路－射极耦合电路。4、JEC－2集成触发器