电工学少学时唐介第8半导体器件、直流稳压电源.ppt

电子技术,1、性质：是一门技术基础课。,2、特点：,a、非纯理论性课程,b、实践性很强,c、以工程实践的观点处理电路中的一些问题,3、内容：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。,4、目的：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。,主要教学内容：器件与电路及应用,模拟电子技术,电子技术,电子元器件,电子电路及其应用,二极管,三极管,集成电路,放大电路,滤波电路,电源,信号检测 压力、温度、水位、流量等的测量与调节 电子仪器,电子技术的应用,智能小区,学会用工程观点分析问题，就是根据实际情况，对器件的数学模型和电路的工作条件进行合理的近似，以便用简便的分析方法获得具有实际意义的结果。对电路进行分析计算时，只要能满足技术指标，就不要过分追究精确的数值。器件是非线性的、特性有分散性、RC 的值有误差、工程上允许一定的误差、采用合理估算的方法。,对于元器件，重点放在特性、参数、技术指标和正确使用方法，不要过分追究其内部机理。讨论器件的目的在于应用。,第 8 章半导体器件、直流稳压电源,8.1 半导体的基础知识,8.2 半导体二极管,8.3 直流稳压电源的组成,特殊二极管,8.4 整流电路,9.1 双极型晶体管,8.5 滤波电路,8.6 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。掌握其主要应用领域。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、工作原理、工作状态和特性曲线。了解其主要参数。重点：二极管的特性及其应用，稳压管电路的工作原理，晶体管工作状态和特性曲线。难点：整流、滤波，晶体管的放大原理。,教学要求：,半导体：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、氧化物等。,8.1 半导体的基础知识,当受外界热和光的作用时，导电能力明显变化。往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显 改变。,结构特点：最外层电子（价电子）都是四个。,半导体的主要特点：,一、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,共价键,共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为价电子或束缚电子。,形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。,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）。这一现象称为本征激发。,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，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。,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，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。,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)价电子递补空穴 空穴电流,注意：(1)本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即带负电的自由电子和带正电的空穴。(2)本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差。(3)温度愈高，载流子的浓度越高，载流子的数目就越多,半导体的导电性能也就越好。所以，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。,自由电子和空穴都称为载流子。自由电子和空穴成对地产生的同时，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。,二、杂质半导体,P 型半导体：,N 型半导体：,空穴数量 自由电子数量,多数载流子,少数载流子,自由电子数量 空穴数量,与浓度有关,与温度有关,靠空穴导电,靠自由电子导电,定义：渗入杂质的半导体。,形成：在本征半导体中渗入少量的 3 价元素,形成：在本征半导体中渗入少量的 5 价元素,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,P型半导体,N型半导体,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽。,漂移使空间电荷区变薄。,扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，空间电荷区的厚度固定不变。,三、PN结及其单向导电性,称为PN结,1.PN 结的形成,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、漂移，在它们的交界面处就形成了PN 结。,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。,（1）PN 结正向偏置,P,N,+,_,内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。,I,2.PN结的特性,扩散运动漂移运动,（2）PN 结反向偏置,N,P,+,_,内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。,R,E,I0,扩散运动 漂移运动,PN结具有单向导电性 正向偏置时，PN结处于导通状态 呈现正向电阻很小，电流较大,反向偏置时，PN结处于截止状态 呈现反向电阻很大，电流较小,反向电流受温度影响较大,通过分析可知,8.2 半导体二极管,一、基本结构,PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。,点接触型,面接触型,二极管的电路符号：,二、伏安特性,硅管0.5V,锗管0.1V。,导通压降,外加电压大于死区电压二极管才能导通。,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,1、正向特性：当正向电压超过死区电压后，二极管导通,二、伏安特性,反向击穿电压U(BR),外加电压大于反向击穿电压时，反向电流剧增，二极管被反向击穿。此时二极管的单向导电性被破坏，甚至会因过热而烧坏,正向特性,反向特性,反向电流在一定电压范围内保持常数。,2、反向特性：,硅管：几A,锗管：几百A,反向饱和电流：,3、近似和理想伏安特性,考虑二极管导通电压时的伏安特性,忽略二极管导通电压时的伏安特性,硅管：,锗管：,（1）近似特性,（2）理想特性,三、主要参数,1.额定正向平均电流（最大整流电流）IF,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.最高反向工作电压UR,指不被击穿所允许的最大反向电压，手册上给出的最高反向工作电压,4.最大反向电流 IRm,指二极管加UR工作时的反向电流。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。,选择和使用二极管的依据,2.正向电压降UF,IF所对应的电压。,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。,二极管电路分析,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，反向截止时二极管相当于断开。,二极管的应用,应用一、箝制电位的作用：将电路某点的电位箝制在某一数值。,例1：已知：DA和DB为硅二极管，求下列情况下输出端电位VF的值。（1）,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低于6V一个管压降，为6.3或6.7V,例2：,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。,在这里，二极管起箝位作用。,例3:电 路 如 图 所 示，设 二 极 管 D1，D2，D3 的 正 向 压 降 忽 略 不 计，求 输 出 电 压 uO。,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 VUD1=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4:,D1承受反向电压为6 V,流过 D2 的电流为,求：UAB,在这里，D2 起箝位作用，D1起隔离作用。,应用二、隔离的作用：二极管截止时相当于开路，可用来隔断电路或信号之间的联系。,ui 2V，二极管导通，可看作短路 uo=2V ui 2V，二极管截止，可看作开路 uo=ui,已知：US=2V，二极管是理想的，试画出 uo 波形。,2V,例5：,参考点,二极管阴极电位为 2 V,应用三、限幅的作用：将输出电压的幅值限制在某一数值。,思考：当Us 分别为 2 V、4 V，而 ui 分别为3 V、3sint V 时，uo 的波形又将如何？,（1）单相半波整流,利用二极管的单向导电性将交流电变换为脉动的直流电。,特点：只利用了半个周期。,应用四、整流的作用,本课小结,二极管的应用,应用一、箝制电位作用,应用二、隔离作用,二极管的特性：单向导电性,正向导通，反向截止。,应用三、限幅作用,应用四、整流作用,8.3 特殊二极管,1.符号,UZ,IZmin,IZmax,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。,一、稳压二极管,利用二极管的反向特性工作,曲线越陡，电压越稳定,稳压误差,3.稳压过程分析,当电源电压波动时：,当负载电流波动时：,电阻的作用,限制稳压管电流不会超过,起到电压调节作用。,稳压二极管的应用举例,稳压管的技术参数:,负载电阻RL=2K,要求当输入电压由正常值发生20%波动时负载电压基本不变。,解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax。,求：电阻R和输入电压 ui 的正常值。,方程1,令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin。,方程2,联立方程1、2，可解得：,例：电路如图所示，稳压管的稳定电压UZ是6V，正向压降UD是0.6V，求：Ui=10V时各电路Uo。,光电二极管：反向电流随光照强度的增加而上升。,符号,发光二极管,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，正向电压较一般二极管高，电流为几 几十mA,光电二极管,发光二极管,光电二极管：工作在反向偏置。,发光二极管：工作于正向偏置。,第11章直流稳压电源,小功率直流稳压电源的组成,功能：把交流电压变成稳定的大小合适的直流电压,11.1 直流稳压电源的组成,整流电路的作用:将交流电压转变为方向不变的脉动的直流电压。,11.2 整流电路,常见的整流电路：半波、全波、桥式和倍压整流；单相和三相整流等。,分析时可把二极管当作理想元件处理：二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。,整流原理：利用二极管的单向导电性,单相桥式整流电路,正半周:,u20，,uo=u2,D1和D3导通,工作原理：,负半周:,u2 0，,uo=u2,D2和D4导通,则：负载的直流电压：,负载的直流电流：,二极管的平均电流：,每个二极管只导通半周,二极管能承受的最大反向电压：,选择二极管的依据：,整流桥块,正确使用：,交流电压经整流电路整流后输出的是脉动直流，其中既有直流成份又有交流成份。,11.3 滤波电路,滤波电路的作用：把脉动性比较大的直流电压变成比较平缓的直流电压,滤波原理：滤波电路利用储能元件电容两端的电压(或通过电感中的电流)不能突变的特性,滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到平滑输出电压波形的目的。,1、工作原理,一、电容滤波电路,电源电压上升时，给负载供电的同时也给电容充电。电源电压下降时，电容放电将储存的能量输送给负载，使波形平滑，并使U0增加。,输出电压的脉动程度与平均值Uo与放电时间常数RLC有关。,RLC 越大 电容器放电越慢 输出电压的平均值Uo 越大，波形越平滑。,2、数量关系,3、适用于：负载电流比较小的电路,当空载时：,为了得到比较平直的输出电压,电源电压的周期,二、电感滤波电路,1、工作原理,2、适用于：负载电流比较大且变化幅度较大的电路。,对直流分量:XL=0 相当于短路,大部分整流电压降在RL上。对谐波分量:f 越高,XL越大,电压大部分降在XL上。输出电压平均值约为：Uo=0.9U2,三、复式滤波电路,1、电路,(a)型LC 滤波电路(b)型LC 滤波电路,补充例题 一桥式整流电容滤波电路，已知电源的 f=50 Hz，负载电阻 RL=100，U2=25 V，试求（1）选择整流二极管（2）选择滤波电容器（3）若测得 UO 分别为下列各值时，填写下表。(a)UO=30 V(b)UO=22.5 V(c)UO=25 V（d）UO=11.25 V(e)UO=35.35 V,解:(1),查表选择,(2),(3),近似估算取：Uo=1.2 U2(桥式、全波整流滤波电路）Uo=1.0 U2（半波整流滤波电路）,11.4 稳压电路,稳压电路（稳压器）是为电路或负载提供稳定的输出电压的一种电子设备。,一、稳压管稳压电路,2.工作原理,UO=UZ=UI-IRR IR=IO+IZ,设UI一定，负载RL变化,1.电路,限流调压,稳压电路,RL(IO)IR,UO(UZ),IZ,一、稳压管稳压电路,2.工作原理,UO=UZ=UI-IRR IR=IO+IZ,UI UZ,设负载RL一定，UI 变化,IZ,IR,1.电路,二、集成稳压电路,单片集成稳压电源，具有体积小,可靠性高,使用灵活,价格低廉等优点。最简单的集成稳压电源只有输入，输出和公共引出端,故称之为三端集成稳压器。,整流二极管,三端稳压器,稳压管,1N4001-1N4007、1N5391-1N5399,8.4 双极型晶体管,一、基本结构,基极,发射极,集电极,NPN型,PNP型,S9011-S9018、8050、8550,二、工作状态,B,E,C,N,N,P,UBB,RB,UCC,进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成基极电流IB，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。,取决于两个PN结的偏置,1、放大状态,集电结反偏，基区少子漂移进入集电区而被收集，形成集电极电流IC,共射电路,据KCL得：,当IB=0时，IC=ICEO,称为穿透电流,当IB由0IB时，IC由ICEOIC,当改变RB,交流电流放大倍数,在放大状态下,ICEO受温度影响很大，当温度上升时，ICEO增加很快。,电流分配关系,输出回路,输入回路,直流电流放大倍数,（1）三极管放大状态的条件：使发射结正偏，集电结反偏。,（2）晶体管处于放大状态的特征：,a.IB小变化引起IC大变化。,b.,c.,d.晶体管相当于通路,PNP发射结正偏 VBVE集电结反偏 VCVB,从电位的角度看：NPN 发射结正偏 VBVE集电结反偏 VCVB,a.,3、截止状态,b.,c.晶体管相当于断路,a.,2、饱和状态,b.,c.晶体管相当于短路,此时两个结的偏置为发射结正偏，集电结正偏,此时两个结的偏置为发射结反偏，集电结反偏,d.IB增加时，IC基本不变。,三、特性曲线,IC,V,UCE,UBE,RB,IB,UCC,UBB,实验线路,1、输入特性,工作压降：硅管UBE0.60.7V,锗管UBE0.20.3V。,死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。,温度增高,温度每升高1C，UBE减小(22.5)mV，即晶体管具有负温度系数。,2.输出特性,IB=0,20A,放大区,输出特性曲线通常分三个工作区：,(1)放大区,在放大区有 IC=IB，也称为线性区，具有恒流特性。,在放大区，发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置，晶体管工作于放大状态。,当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB。,（2）截止区,IB=0时IC=ICEO,UBE 死区电压，IB=0 以下区域为截止区，有 IC=ICEO 0。,在截止区发射结处于反向偏置，集电结处于反向偏置，晶体管工作于截止状态。,饱和区,截止区,（3）饱和区,当UCE UBE时，晶体管工作于饱和状态。在饱和区，IB IC，UCE很小，发射结处于正向偏置，集电结也处于正偏。深度饱和时，硅管UCES 0.3V，锗管UCES 0.1V。,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（0）UBE，ICIB,(3)截止区：发射结反偏，集电结反偏。UBE 死区电压，IB=0，IC=ICEO 0,例：UCE=6V时：IB=40 A,IC=1.5 mA；IB=60 A,IC=2.3 mA。,在以后的计算中，一般作近似处理：=,四、主要参数,共射直流电流放大倍数：,交流电流放大倍数：,1.电流放大倍数和,在放大状态下,2.穿透电流ICEO,当IB=0时的集电极电流。ICE0大的管子受温度的影响大，即温度稳定性差。,温度每升高 1C，增加 0.5%1.0%。,3.集电极最大允许电流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。,4.反向击穿电压BU(BR)CEO,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BU(BR)CEO。,5.集电极最大允许功耗PCM,集电极电流IC 流过三极管，,PC=ICUCE,必定导致结温 上升，所以PC 有限制。,PCPCM,ICUCE=PCM,安全工作区,小 结,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。,了解三极管特性曲线及主要参数。,例:电路如图所示，稳压管的稳定电压UZ=10V，稳压管的最大稳定电 流 IZMAX=20 mA，输入直流电压 UI=20V，限流电阻R最小应选（）。,例:电 路 如 图 所 示，二 极 管 D1，D2 均 为 理 想 元 件，则 电 压 uAO=（）。,例:半 导 体 的 导 电 能 力（）。(a)与 导 体 相 同(b)与 绝 缘 体 相 同(c)介 乎 导 体 和 绝 缘 体 之 间,例:理 想 二 极 管 的 正 向 电 阻 为（）。(a)零(b)无 穷 大(c)约 几 千 欧,例:电 路 如 图 所 示，二 极 管 为 同 一 型 号 的 理 想 元 件，电 阻 R=4 k，电 位 VA=1V，VB=3V，则 电 位 VF 等 于（）。(a)1 V(b)3 V(c)12 V,例:测 得 电 路 中 工 作 在 放 大 区 的 某 晶 体 管 三 个 极 的 电 位 分 别 为 0V、0.7V 和 4.7V，则 该 管 为（）。(a)NPN 型 锗 管(b)PNP 型 锗 管(c)NPN 型 硅 管(d)PNP 型 硅 管,例:电路如图所示，晶体管T的电流放大系数=50，RB=300 k，RE=3 k，晶体管T 处 于（）。(a)放大状态(b)截止状态(c)饱和状态,例:电路如图所示，晶体管UBE=0.7 V，=50，则晶体管工作在（）。(a)放大区(b)饱和区(c)截止区,