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电工学(下册) -电子技术,电工技术:主要讲能量分配的问题。 电子技术:主要讲信号处理的问题。 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的理论和应用的技术基础课. 电工技术 电子技术,电工学,通过课堂教学:掌握基本概念、工作原理、分析方法。公式与电路与特性曲线对应,看电路列公式,学会分析电路。 通过做一定数量的习题,培养分析和解决问题的能力、计算能力,理解和巩固课堂上所学的知识。要求:绘图用尺、标明单位、书写工整,培养良好的学习习惯。 通过做实验培养动手能力,学会正确使用常用的电子仪器和电工仪表,培养工作能力。,学习方法:三大环节,参考书目,课程学时:40学时(10周20次课) 考核方式:总评成绩= 考试卷面成绩(80%)+平时成绩(20%),1. 秦曾煌主编 电工学第七版 高教出版社 2. 骆雅琴主编 电子同步指导与实习第二版 中科大出版社 3. 图书馆其它相关模拟电子和数字电子的教材,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 电子电路中的反馈,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,14.2 PN结及其单向导电性,14.1 半导体的导电特性,本章要求: 一、理解PN结的单向导电性,三极管的电流分配和 电流放大作用; 二、了解二极管、稳压管和三极管的基本构造、工 作原理和特性曲线,理解主要参数的意义; 三、会分析含有二极管的电路。,14.6 光电器件,半导体的基本知识,14.1 半导体的导电特性,半导体的导电特性:,(可做成温度敏感元件,如热敏电阻)。,掺杂性:往纯净的半导体中掺入微量的某种杂质, 导电能力明显改变(可做成各种不同用途的 半导器件,如二极管、三极管和晶闸管)。,光敏性:当受到光照时,导电能力明显变化 (可做 成各种光敏元件,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,14.1.1 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。,晶体中原子的排列方式,硅单晶中的共价健结构,共价健,共价键中的两个电子,称为价电子。,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)。,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,而在该原子中又出现一个空穴,如此继续下去,就好像空穴在运动(相当于正电荷的移动)。,本征半导体中产生电子空穴对的现象称为本征激发。,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)被原子束缚的价电子递补空穴 空穴电流,注意: (1) 本征半导体中载流子数目极少, 其导电性能很差; (2) 温度愈高, 载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。所以,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。 本征半导体中的自由电子和空穴总是成对产生的同时,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。,14.1.2 N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的主要导电方式,称为电子半导体或N型半导体。,掺入五价元素,多余电子,磷原子,在常温下即可变为自由电子,失去一个电子变为正离子,在本征半导体中掺入微量的杂质(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。,14.1.2 N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的主要导电方式,称为空穴半导体或 P型半导体。,掺入三价元素,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。,硼原子,接受一个电子变为负离子,空穴,无论N型或P型半导体都是中性的,对外不显电性。,应注意:,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,少子的数量 (a. 减少、b. 不变、c. 增多)。,a,b,c,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),b,a,14.2 PN结及其单向导电性,14.2.1 PN结的形成,多子的扩散运动,少子的漂移运动,浓度差,P 型半导体,N 型半导体,扩散的结果使空 间电荷区变宽。,空间电荷区也称 PN 结,在没有外电场的作用时, 扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡,空间电荷区的厚度固定不变。PN结处于相对稳定的状态。,动画,形成空间电荷区,PN结是构成各种半导体器件的基础。,内电场越强,漂移运动越强,阻碍多子扩散运动能力越强,而漂移使空间电荷区变薄。,14.2.2 PN结的单向导电性,1. PN 结加正向电压(正向偏置),PN 结变窄,P接正、N接负,IF,内电场被削弱,多子的扩散加强,形成较大的扩散电流。,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。,动画,2. PN 结加反向电压(反向偏置),P接负、N接正,PN 结变宽,2. PN 结加反向电压(反向偏置),内电场被加强,少子的漂移加强,由于少子数量很少,形成很小的反向电流。,IR,P接负、N接正,温度越高少子的数目越多,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。,PN结的“正偏导通,反偏截止”称为其单向导电性质,这正是PN结构成半导体器件的基础。,14.3 半导体二极管,14.3.1 基本结构,(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。,一个PN结加上相应的电极引线并用管壳封装起来,就构成了半导体二极管,简称二极管,接在P型半导体一侧的引出线称为阳极;接在N型半导体一侧的引出线称为阴极。,参看二极管的实物图,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0.60.8V锗0.20.3V,死区电压,反向电流 在一定电压 范围内保持 常数。,显然二极管的伏安特性不是直线,因此属于非线性元件。,定义:二极管电流与电压之间的关系,伏安特性,因通常使用二极管时应保证其工作在正向导通或反向截止状态,故认为二极管正偏则导通,反偏则截止单向导电性,正向:死区( OA 段): 硅管约 0.5 V, 锗管约 0.1 V; 正向导通区: 硅管 约 0.7 V,锗管约0.3 V,温度增加,曲线左移,反向:截止区( OB 段): I 近似为 0; 击穿区: 管子被击穿,半导体二极管的伏安特性,(a) 近似特性 (b) 理想特性,14.3.3 主要参数,1. 最大整流电流 IOM,二极管长期使用时,允许流过二极管的最大正向平均电流。,2. 反向工作峰值电压URWM,是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压,一般是二极管反向击穿电压UBR的一半或三分之二。,3. 反向峰值电流IRM,指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流大,说明管子的单向导电性差,IRM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,锗管的反向电流较大,为硅管的几十到几百倍。,二极管的单向导电性,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. 二极管的反向电流受温度的影响,温度愈高反向电流愈大。,二极管是对温度非常敏感的器件。实验表明,随温度升高,二极管的正向压降会减小,正向伏安特性左移,即二极管的正向压降具有负的温度系数(约为-2mV/);温度升高,反向饱和电流会增大,反向伏安特性下移,温度每升高10,反向电流大约增加一倍。,温度对二极管伏安特性的影响,二极管的温度特性,二极管电路分析举例,定性分析:判断二极管的工作状态,导通截止,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阴或 UD为负( 反向偏置 ),二极管截止,若二极管是理想的,正向导通时正向管压降为零相当于短路,反向截止时二极管相当于断开。,电路如图,求:UAB,V阳 =6 V , V阴 =12 V V阳V阴 二极管导通 若忽略管压降,二极管可看作短路,UAB = 6V 否则, UAB为低于6V一个管压降, 二极管若为硅管则UAB为6.3; 若为硅管则UAB为6 .7V,例1:,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。,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 V UD1 = 6V,UD2 =12V UD2 UD1 D2 优先导通, D1截止。 若忽略管压降,二极管可看作短路,UAB = 0 V,例2:,此时D1承受的反向电压为6 V,流过 D2 的电流为,求:UAB,在这里, D2 起钳位作用, D1起隔离作用。,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: 二极管是理想的,试画出 uo 波形。,8V,例3:,二极管的用途: 整流、检波、 限幅、钳位、开 关、元件保护、 温度补偿等。,参考点,二极管阴极电位为 8 V,动画,14.4 稳压二极管,1. 符号,UZ,IZ,IZM, UZ, IZ,2. 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。,稳压管实物图,3. 主要参数,(1) 稳定电压UZ 稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。,(2) 电压温度系数 环境温度每变化1C引起稳压值变化的百分数。,(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,稳压管中流过的电 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 = UZ IZM 是指稳压管正常工作时,管子上允许的最大耗散功率。,rZ愈小,曲线愈陡,稳压性能愈好。,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的范围内。稳压管在应用中要采取适当的措施限制通过管子的电流值,以保证管子不会造成热击穿。,注意,例 图中通过稳压管的电流 IZ 等于多少?R 是限流电阻,其值是否合适?,解,IZ IZM ,电阻值合适。,14.5 双极型晶体管,双极型晶体管是由两个背靠背、互有影响的PN结构成的。在
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