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.ppt

1、1 1、性质：、性质：是一门技术基础课。是一门技术基础课。2、特点：、特点：a、非纯理论性课程、非纯理论性课程b、实践性很强、实践性很强c、以工程实践的观点处理电路中的一些问题、以工程实践的观点处理电路中的一些问题3、内容：、内容：以器件为基础，以信号为主线，研究各种电以器件为基础，以信号为主线，研究各种电 路的工作原理、特点及性能指标等路的工作原理、特点及性能指标等。4、目的：、目的：了解一般的常用器件，掌握对基本电子电路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的分析方法及计算方法。模模拟拟电电子子技技术术电子元器件电子元器件电子电路及其应用电子电路及其应用二极管二极管三

2、极管三极管集成电路集成电路放大电路放大电路滤波电路滤波电路电源电源 信号检测信号检测 压力、温度、水位、流量等的测量与调节压力、温度、水位、流量等的测量与调节 电子仪器电子仪器 电子技术的应用电子技术的应用智能小区智能小区8.1 8.1 半导体的基础知识半导体的基础知识8.2 8.2 半导体二极管半导体二极管8.3 8.3 直流稳压电源的组成直流稳压电源的组成 特殊二极管特殊二极管8.4 8.4 整流电路整流电路9.1 9.1 双极型晶体管双极型晶体管8.5 8.5 滤波电路滤波电路8.6 8.6 稳压电路稳压电路 了解半导体的基本概念。了解二极管、稳压管的基本了解半导体的基本概念。了解二极管

3、、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。掌握其主要应用领特性，理解其主要参数的物理意义。掌握其主要应用领域。域。理解整流电路、滤波电路和稳压管电路的工作原理。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、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。工作原理、工作状态和特性曲线。了解其主要参数。重点：重点：二极管的特性及其应用，稳压管电路的工作原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

4、和特性曲线。理，晶体管工作状态和特性曲线。难点：难点：整流、滤波，晶体管的放大原理。整流、滤波，晶体管的放大原理。教学要求：教学要求：半导体：半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间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、氧如：硅、锗、砷化镓和一些硫化物、氧化物等化物等。u 当受外界热和光的作用时，导电能力明显变化。当受外界热和光的作用时，导电能力明显变化。u 往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显 改变。改变。结构特点：结构特点：最外层电子（价电子）都是四个最外层电子（价电子）都是四个。半导体的主要特点：半导体的主要特点：共价键

5、共价键被紧紧束缚在共价键中，称为被紧紧束缚在共价键中，称为 Si Si Si Si价电子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价电子价电子这一现象称为这一现象称为本征激发本征激发。空穴空穴自由电子自由电子 在绝对在绝对0度度（T=0K）和没有外界激发时和没有外界激发时,价电子完全被价电子完全被共价键束缚着，没有可以运动的带电粒子（共价键束缚着，没有可以运动的带电粒子（即即载流子载流子），它），它的导电

6、能力为的导电能力为 0，相当于绝缘体相当于绝缘体。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即即和和本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。载流子的浓度越高，载流子的浓度越高，P 型半导体：型半导体：N N 型半导体：型半导体：空穴数量空穴数量 自由电子数量自由电子数量多数载流子多数载流子 少数载流子少数载流子自由电子数量自由电子数量 空穴数量空穴数量与浓度有关与浓度有关与温度有关与温度有关靠空穴导电靠空穴导电靠自由电子导电靠自由电子导电定义：渗入杂质的半导体。定义：渗入杂质的半导体。形成：在本征半导体中渗入少量的形成：

7、在本征半导体中渗入少量的 3 3 价价元素元素形成：在本征半导体中渗入少量的形成：在本征半导体中渗入少量的 5 5 价元素价元素P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场漂移运动漂移运动扩散的结果是使空间电扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽。荷区逐渐加宽。漂移使空间电漂移使空间电荷区变薄。荷区变薄。空间电荷区，空间电荷区，也称耗尽层。也称耗尽层。扩散和漂移这一对相反的运动扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，空间电荷区的最终达到平衡，空间电荷区的厚度固定不变厚度固定不变。称为称为PNPN结结在同一片半导体基片上，分别制造在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导体和型半导

8、体和N 型半导体，经过载流子的扩散、漂移，在它们的交型半导体，经过载流子的扩散、漂移，在它们的交界面处就形成了界面处就形成了PN 结。结。扩散运动：多数载流子由浓度差形成的运动。扩散运动：多数载流子由浓度差形成的运动。漂移运动：少数载流子在内电场作用下形成的运动。漂移运动：少数载流子在内电场作用下形成的运动。+RE（1 1）PN 结正向偏置结正向偏置内电场内电场外电场外电场变窄变窄PN+_内电场被削弱，多子内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成的扩散加强能够形成较大的扩散电流。较大的扩散电流。I扩散运动漂移运动扩散运动漂移运动（2）PN 结反向偏置结反向偏置+内电场内电场外电场外电场变厚变厚NP

9、+_内电场被被加强，多子内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反限，只能形成较小的反向电流。向电流。REI0+扩散运动扩散运动 漂移运动漂移运动 PN结具有单向导电性结具有单向导电性 正向偏置时，正向偏置时，PN结处于导通状态结处于导通状态 呈现呈现正向电阻很小，电流较大正向电阻很小，电流较大 反向偏置时，反向偏置时，PN结处于截止状态结处于截止状态 呈现呈现反向电阻很大，电流较小反向电阻很大，电流较小 反向电流受温度影响较大反向电流受温度影响较大通过分析可知通过分析可知PNPN PN 结加上管壳和引线，就成为半导

10、体二极管。结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。引线引线外壳外壳触丝线触丝线基片基片点接触型点接触型PN结结面接触型面接触型二极管的电路符号二极管的电路符号：反向特性反向特性UIPN+PN+1、正向特性：、正向特性：当正向电压超过死区电压后，当正向电压超过死区电压后，二极管二极管导通导通反向击穿反向击穿电压电压U(BR)反向特性反向特性UIPN+PN+2 2、反向特性：、反向特性：硅管：几硅管：几AA锗管：几百锗管：几百AA反向饱和电流反向饱和电流：IU03 3、近似和理想伏安特性、近似和理想伏安特性考虑二极管导通电压时的伏安特性考虑二极管导通电压时的伏安特性DUIU0忽略二极管导通电压时的伏

11、安特性忽略二极管导通电压时的伏安特性0UD=DU硅管硅管：0.6-0.7V锗管锗管：0.2-0.3V（1 1）近似特性）近似特性（2 2）理想特性）理想特性三、主要参数三、主要参数1.1.额定正向平均电流（最大整流电流额定正向平均电流（最大整流电流）IF3.3.最高反向工作电压最高反向工作电压UR R 4.4.最大反向电流最大反向电流 IRm 选择和使用二极管的依据选择和使用二极管的依据2.2.正向电压降正向电压降UFI IF F所对应的电压所对应的电压。BR)U32(or21=U定性分析：定性分析：判断二极管的工作状态判断二极管的工作状态导通导通截止截止 若二极管是理想的，若二极管是理想的，

12、已知：已知：DA和和DB为硅二极管，求下列情况下输出端电位为硅二极管，求下列情况下输出端电位VF的值。的值。（1 1）AVBV6VADBDFVRV3VVBA0VV,3(2)VBA0V(3)VBA例例2：D6V12V3k BAUAB+电电 路路 如如 图图 所所 示，设示，设 二二 极极 管管 D1，D2，D3 的的 正正 向向 压压 降降 忽忽 略略 不不 计，求计，求 输输 出出 电电 压压 uO。0 V6 V 2 V12VRD3D2D1uO+-例例4:mA43122D IBD16V12V3k AD2UAB+V sin3itut ：当：当Us 分别为分别为 2 V、4 V，而，而 ui 分别

13、为分别为3 V、3sint V 时，时，uo 的波形又将如何？的波形又将如何？P216 图图8.2.5RLuiuouiuott 定义定义：交流交流直流直流整流整流逆变逆变应用一、箝制电位作用应用一、箝制电位作用应用二、隔离作用应用二、隔离作用二极管的特性：二极管的特性：应用三、限幅作用应用三、限幅作用应用四、整流作用应用四、整流作用UZIZminIZmax UZ IZUIO利用二极管的反向特性工作利用二极管的反向特性工作曲线越陡，曲线越陡，电压越稳定电压越稳定稳压稳压误差误差UoIZDZRI0IUIRL)(00IIRUIRUUZIIIU0UZUZI IR0U0I IRU0限制稳压管电流不会超过

14、限制稳压管电流不会超过maxZIRUUII0起到电压调节作用。起到电压调节作用。0IuoiZDZRiLiuiRL5mA 20mA,V,10minmaxzzzWIIU负载电阻负载电阻RL=2K,要求要求当输入当输入电压由正常值发生电压由正常值发生 20%波动时负载电压基本不变波动时负载电压基本不变。解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为流为I Iz zmax max。电阻电阻R和输入电压和输入电压 ui 的正常值的正常值。mA25maxLZWzRUIi102521RUiRu.zWi方程方程1令输入电压降到下限时，令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流

15、为流过稳压管的电流为I Iz zmin min。mA10minLZWzRUIi101080RUiRu.zWi方程方程2uoiZDZRiLiuiRL联立方程联立方程1、2，可解得可解得：k50V7518.R,.uiP217例例8.3.1电路如图所示，稳压管的稳定电压电路如图所示，稳压管的稳定电压UZ是是6V，正向正向压降压降UD是是0.6V，求求：Ui=10V时时各电路各电路Uo。uiRLRuiRLRuiRLRuiRLRuOuOuOuO()a()b(c)(d)+-+-+-+-+-+-+-+-第第章直流稳压电源章直流稳压电源功能：功能：把交流电压变成稳定的大小合适的直流电压把交流电压变成稳定的大小

16、合适的直流电压u4uou3u2u1 直流稳压电源的组成直流稳压电源的组成 将交流电压转变为方向不变的脉动的直流电压。将交流电压转变为方向不变的脉动的直流电压。半波、全波、桥式和倍压整流；单相和三相整流等。半波、全波、桥式和倍压整流；单相和三相整流等。二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。利用二极管的单向导电性利用二极管的单向导电性u1D4D2D1D3RLuou2+aTb正半周正半周:u20，uo=u2D1和和D3导通导通,+aTbu1D4D2D1D3RLuou2负半周负半周:u2 R 故故 ui 的直流分量大都降在的直流分量大都降在 R 上上,

17、故使故使 uo 变得平缓变得平缓(a)型型LC 滤波电路滤波电路 (b)型型LC 滤波电路滤波电路 一一桥式整流电容滤波电路，已知电源的桥式整流电容滤波电路，已知电源的 f=50 Hz，负载电阻负载电阻 RL=100，U2=25 V，试求试求（1）选择整流二极选择整流二极管管（2）选择滤波电容器选择滤波电容器（3）若测得若测得 UO 分别为下列各值时，填分别为下列各值时，填写下表。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解解:(1)O2OOLOFDRRm21.230V

18、0.3 A220.3A2235.4VUUUIRIIIUUU查表选择查表选择FR2 CZ 53 B4(300 mA50 V)IU，(2)LLCN2(3 5)(1.5 2.5)(300 500)2235.4VTCFRR fUU查表选择查表选择CN470F,50 VCU的电解电容器的电解电容器 (3)近似估算取近似估算取：Uo=1.2 U2 (桥式、全波整流滤波电路桥式、全波整流滤波电路）Uo=1.0 U2（半波整流滤波电路半波整流滤波电路）UO=UZ =UI-IRR IR=IO+IZ设设UI一定，负载一定，负载RL变化变化+UIRL+CIOUO+uIRRDZIz限流调压限流调压稳压电路稳压电路UI

19、UZRL(IO)IR UO 基本不变基本不变 IR(IRR)基本不变基本不变 UO(UZ)IZ UO=UZ=UI-IRR IR=IO+IZUIUZUI UZ UO 基本不变基本不变 IRR IZ IR +UIRL+CIOUO+uIRRDZIz单片集成稳压电源，具有单片集成稳压电源，具有体积小体积小,可靠性高可靠性高,使用灵活使用灵活,价格低廉等优点。价格低廉等优点。最简单的集成稳压电源只最简单的集成稳压电源只有输入，输出和公共引出端有输入，输出和公共引出端,故称之为三端集成稳压器。故称之为三端集成稳压器。整流二极管整流二极管三端稳压器三端稳压器稳压管稳压管1N4001-1N4007、1N539

20、1-1N5399 BECNNPNPN型型PNP型型BECIBIEICBECIBIEICPNPCEBS9011-S9018、8050、8550 BECNNPUBBRBUCCIE基区空穴基区空穴向发射区向发射区的扩散可的扩散可忽略。忽略。进入进入P区的电子少部分区的电子少部分与基区的空穴复合，形与基区的空穴复合，形成成基极电流基极电流IB，多数扩，多数扩散到集电结。散到集电结。发射结正偏，发射发射结正偏，发射区电子不断向基区区电子不断向基区扩散，形成扩散，形成发射极发射极电流电流IE。CRIB集电结反偏，集电结反偏，基区少子漂移基区少子漂移进入集电区而进入集电区而被收集，形成被收集，形成集电极电流

21、集电极电流I IC CIC据据KCL得得：BCEIII当当IB=0=0时，时，IC=ICEO称为称为当当IB由由00IB时时，IC由由ICEOICBCBCEOCIIIII当改变当改变RBBCII交流电流放大倍数交流电流放大倍数在放大状态下在放大状态下BCIIICEO受温度影响很大，当温度上升受温度影响很大，当温度上升时，时，ICEO增加很快。增加很快。ICUCEUBERBIBUCCUBBIERC输出回路输出回路输入输入回路回路直流电流放大倍数直流电流放大倍数（1 1）三极管放大状态的条件三极管放大状态的条件：使使。（2 2）晶体管处于放大状态的特征晶体管处于放大状态的特征：b.b.BCIIc.

22、c.CCCCCECCCERIUUUU,0a.a.0,0CBIIb.b.CCCEUUc.c.a.a.CCCCRUIb.b.0CEUc.c.此时两个结的偏置为此时两个结的偏置为此时两个结的偏置为此时两个结的偏置为P223例8.4.1BCECRCCUICBCECRCCUICICmA AVVUCEUBERBIBUCCUBB UCE 1VIB(A)UBE(V)204060800.40.8工作压降工作压降：硅管硅管UBE 0.60.7V,锗管锗管UBE 0.20.3V。死区电压死区电压，硅管硅管0.5V，锗管锗管0.2V。常数CEUBEBUfI)(温度增高温度增高IB=020 A40 A60 A80 A1

23、00 A常数常数 B)(CECIUfI36IC(mA )1234UCE(V)912O放大区放大区OIB=0时时IC=ICEO,UBE 死区电压，死区电压，=ICEO发射结正偏，集电结反偏发射结正偏，集电结反偏。即即：,且且 发射结正偏，集电结正偏发射结正偏，集电结正偏。即即：，发射结反偏，集电结反偏发射结反偏，集电结反偏。UBE 死区电压死区电压，例：例：UCE=6V时时：IB=40 A,IC=1.5 mA；IB=60 A,IC=2.3 mA。5.3704.05.1_BCII4004.006.05.13.2BCII在以后的计算中，一般作近似处理：在以后的计算中，一般作近似处理：=共射共射：BC

24、_II BIIC_在放大状态下在放大状态下 当当IB=0=0时的集电极电流。时的集电极电流。ICE0大的管子受温大的管子受温度的影响大，即温度稳定性差度的影响大，即温度稳定性差。集电极电流集电极电流IC上升会导致三极管的上升会导致三极管的 值的下降，值的下降，当当 值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。集电极电流集电极电流IC 流过三极管流过三极管，PC=ICUCE 必定导致结温必定导致结温 上升，所以上升，所以PC 有限制有限制。PC PCMICUCEICUCE=PCMICMBU(BR)CEO安全工作区安全工作区 三极管的主要特点：电流放

25、大作用三极管的主要特点：电流放大作用掌握三极管三种工作状态的条件和特征值。掌握三极管三种工作状态的条件和特征值。了解三极管特性曲线及主要参数。了解三极管特性曲线及主要参数。例例:电路如图所示，稳压管的稳定电压电路如图所示，稳压管的稳定电压UZ=10V=10V，稳压，稳压管的最大稳定电管的最大稳定电 流流 IZMAX=20 mA=20 mA，输入直流电压，输入直流电压 UI=20V=20V，限流电阻限流电阻R最小应选（最小应选（）。）。RDZuIUO+-+-例例:电电 路路 如如 图图 所所 示，二示，二 极极 管管 D1，D2 均均 为为 理理 想想 元元 件，件，则则 电电 压压 uAO=（

26、）。）。3k15V12 VuAOD1D2+-+-+-例例:半半 导导 体体 的的 导导 电电 能能 力（力（）。）。(a)(a)与与 导导 体体 相相 同同(b)(b)与与 绝绝 缘缘 体体 相相 同同(c)(c)介介 乎乎 导导 体体 和和 绝绝 缘缘 体体 之之 间间 例例:理理 想想 二二 极极 管管 的的 正正 向向 电电 阻阻 为为（）。）。(a)(a)零零 (b)(b)无无 穷穷 大大 (c)(c)约约 几几 千千 欧欧 例例:电电 路路 如如 图图 所所 示，二示，二 极极 管管 为为 同同 一一 型型 号号 的的 理理 想想 元元 件，电件，电 阻阻 R=4 k，电电 位位 V

27、A=1V，VB=3V，则则 电电 位位 VF 等等 于于（）。）。(a)(a)1 V (b)(b)3 V(c)(c)12 VR+12VuAuBuFDD例例:测测 得得 电电 路路 中中 工工 作作 在在 放放 大大 区区 的的 某某 晶晶 体体 管管 三三 个个 极极 的的 电电 位位 分分 别别 为为 0V0V、0.7V 0.7V 和和 4.7V4.7V，则则 该该 管管 为为 （）。）。(a)NPN (a)NPN 型型 锗锗 管管 (b)PNP (b)PNP 型型 锗锗 管管 (c)NPN (c)NPN 型型 硅硅 管管 (d)PNP (d)PNP 型型 硅硅 管管例例:电路如图所示，晶体管电路如图所示，晶体管T T的电流放大系数的电流放大系数 =50，RB=300 k，RE=3 k，晶体管，晶体管T T 处处 于（于（）。）。(a)放大状态放大状态 (b)(b)截止状态截止状态 (c)(c)饱和状态饱和状态T12VRBRE例例:电路如图所示，晶体管电路如图所示，晶体管UBE=0.7 V，=50，则晶体管工作在（则晶体管工作在（）。）。(a)放大区放大区 (b)(b)饱和区饱和区 (c)(c)截止区截止区 3k6k1k12V3V12V