電工電子課件 十一

1、1電工電子技術(shù)與技能（非電類少學(xué)時）電工電子技術(shù)與技能（非電類少學(xué)時）程周主編程周主編中等職業(yè)教育課程改革國家規(guī)劃新教材配套多媒體資源211 常用半導(dǎo)體器件11.1二極管二極管11.2三極管三極管11.3三極管的三種工作狀態(tài)三極管的三種工作狀態(tài)* 11.4晶閘管晶閘管1234311.1 二極管u觀察與思考觀察與思考411.1.1二極管的結(jié)構(gòu)、外形與符號二極管的結(jié)構(gòu)、外形與符號二極管二極管：將將 PN 結(jié)封裝在塑料、結(jié)封裝在塑料、玻璃或金屬外殼里，并從玻璃或金屬外殼里，并從 P 區(qū)和區(qū)和 N 區(qū)分別焊出兩根金屬引線做正、負(fù)極。區(qū)分別焊出兩根金屬引線做正、負(fù)極。外形：外形：符號：符號：二極管是由半

2、導(dǎo)體材料制成，常用的半導(dǎo)體有鍺二極管是由半導(dǎo)體材料制成，常用的半導(dǎo)體有鍺和硅。和硅。VD陽極陽極（正極）（正極）陰極陰極（負(fù)極）（負(fù)極）511.1.2二極管的電流、電壓關(guān)系二極管的電流、電壓關(guān)系1正向偏置與導(dǎo)通狀態(tài)正向偏置與導(dǎo)通狀態(tài)當(dāng)二極管兩端所加的正向電壓比較小當(dāng)二極管兩端所加的正向電壓比較小時，正向電流很小，二極管呈現(xiàn)很大的電時，正向電流很小，二極管呈現(xiàn)很大的電阻，如圖中阻，如圖中 OA 段。段。這個范圍稱為這個范圍稱為死區(qū)死區(qū)，相應(yīng)的電壓叫，相應(yīng)的電壓叫死死區(qū)電壓區(qū)電壓。硅二極管的死區(qū)電壓為。硅二極管的死區(qū)電壓為 0.5 V 左右，左右，鍺二極管的死區(qū)電壓約為鍺二極管的死區(qū)電壓約為 0.

3、1 0.2 V。外加電壓超過死區(qū)電壓以后，正向電外加電壓超過死區(qū)電壓以后，正向電流迅速增加，這時二極管處于正向?qū)盍餮杆僭黾?，這時二極管處于正向?qū)顟B(tài)，如圖態(tài)，如圖中中 AB 段段所示。所示。導(dǎo)通后管子兩端電壓幾乎恒定，硅管導(dǎo)通后管子兩端電壓幾乎恒定，硅管約為約為 0.6 0.7 V，鍺管約為鍺管約為 0.2 0.3 V。正偏導(dǎo)通正偏導(dǎo)通6當(dāng)給二極管加反向電壓時，所形成當(dāng)給二極管加反向電壓時，所形成的反向電流是很小的，而且在很大范圍的反向電流是很小的，而且在很大范圍內(nèi)基本不隨反向電壓的變化而變化，即內(nèi)基本不隨反向電壓的變化而變化，即保持恒定。保持恒定。當(dāng)反向電壓大到一定數(shù)值時，反向當(dāng)反向電

4、壓大到一定數(shù)值時，反向電流會突然增大，如圖中電流會突然增大，如圖中 CD 段，這種段，這種現(xiàn)象稱為反向擊穿，相應(yīng)的電壓叫反向現(xiàn)象稱為反向擊穿，相應(yīng)的電壓叫反向擊穿電壓。正常使用二極管時，是不允擊穿電壓。正常使用二極管時，是不允許出現(xiàn)這種現(xiàn)象的。許出現(xiàn)這種現(xiàn)象的。CD正偏導(dǎo)通2反向偏置與截止?fàn)顟B(tài)反向偏置與截止?fàn)顟B(tài)11.1.2二極管的電流、電壓關(guān)系二極管的電流、電壓關(guān)系7結(jié)論：結(jié)論：二極管具有單向?qū)щ娦?。加正向電壓時導(dǎo)通，呈現(xiàn)很二極管具有單向?qū)щ娦?。加正向電壓時導(dǎo)通，呈現(xiàn)很小的正向電阻，如同開關(guān)閉合；加反向電壓時截止，呈現(xiàn)小的正向電阻，如同開關(guān)閉合；加反向電壓時截止，呈現(xiàn)很大的反向電阻，如同開關(guān)斷

5、開。很大的反向電阻，如同開關(guān)斷開。從二極管伏安特性曲線可以看出，二極管的電壓與電從二極管伏安特性曲線可以看出，二極管的電壓與電流變化不呈線性關(guān)系，其內(nèi)阻不是常數(shù)，所以二極管屬于流變化不呈線性關(guān)系，其內(nèi)阻不是常數(shù)，所以二極管屬于非線性器件。非線性器件。11.1.2二極管的電流、電壓關(guān)系二極管的電流、電壓關(guān)系811.1.3二極管的主要參數(shù)二極管的主要參數(shù)1最大整流電流最大整流電流 IFM二極管長時間工作時允許通過的最大正向電流的平二極管長時間工作時允許通過的最大正向電流的平均值。均值。二極管正常使用時所允許加的最高反向電壓。二極管正常使用時所允許加的最高反向電壓。2最高反向工作電壓最高反向工作電壓

6、 URM 3反向電流反向電流 IR二極管加反向電壓而未擊穿時的反向電流。二極管加反向電壓而未擊穿時的反向電流。IR愈小，單向?qū)щ娦杂谩Ｓ?，單向?qū)щ娦杂谩?11.1. 4發(fā)光發(fā)光二極管二極管 發(fā)光二極管是一種把電能直接轉(zhuǎn)化成光能的固體發(fā)光元件，下發(fā)光二極管是一種把電能直接轉(zhuǎn)化成光能的固體發(fā)光元件，下圖所示為幾種發(fā)光二極管外形及其電路圖形符號。圖所示為幾種發(fā)光二極管外形及其電路圖形符號。 發(fā)光二極管是由發(fā)光二極管是由PN結(jié)組成，具有單向?qū)щ娦?。?dāng)發(fā)光二極管加上結(jié)組成，具有單向?qū)щ娦浴．?dāng)發(fā)光二極管加上正向電壓時能發(fā)出一定波長的光。發(fā)光波長除與制作使用材料有關(guān)外正向電壓時能發(fā)出一定波長的光。發(fā)光

7、波長除與制作使用材料有關(guān)外，還與，還與PN結(jié)所摻結(jié)所摻“雜質(zhì)雜質(zhì)”有關(guān)。一般用磷砷化鎵材料制作的發(fā)光二極有關(guān)。一般用磷砷化鎵材料制作的發(fā)光二極管發(fā)紅光，磷化鎵材料制作的發(fā)光二極管發(fā)綠光或黃光。管發(fā)紅光，磷化鎵材料制作的發(fā)光二極管發(fā)綠光或黃光。 發(fā)光二極管的作用：用作電子設(shè)備的通斷指示燈，數(shù)字電路的數(shù)發(fā)光二極管的作用：用作電子設(shè)備的通斷指示燈，數(shù)字電路的數(shù)碼及圖形顯示，也可作為快速光源，以及光電耦合器中的發(fā)光元件。碼及圖形顯示，也可作為快速光源，以及光電耦合器中的發(fā)光元件。 1011.1. 5光電光電二極管二極管 光電二極管由光電二極管由PN結(jié)組成，具有單向?qū)щ娦裕怆姸O管管殼結(jié)組成，具有單

8、向?qū)щ娦裕怆姸O管管殼上有一個能射入光的窗口，這個窗口用有機(jī)玻璃透鏡封閉，入射光上有一個能射入光的窗口，這個窗口用有機(jī)玻璃透鏡封閉，入射光通過透鏡正好射在管芯上。如圖通過透鏡正好射在管芯上。如圖11.5所示為光電二極管外形結(jié)構(gòu)及所示為光電二極管外形結(jié)構(gòu)及其電路圖形符號。其電路圖形符號。 光電二極管工作在反向偏置狀態(tài)。當(dāng)在光電二極管工作在反向偏置狀態(tài)。當(dāng)在PN結(jié)上加反向電壓，再用光結(jié)上加反向電壓，再用光照射照射PN結(jié)時，能形成反向光電流，光電流的大小與光照射強(qiáng)度成正比結(jié)時，能形成反向光電流，光電流的大小與光照射強(qiáng)度成正比。光電二極管用途很廣，一般常用作傳感器的光敏電元件，在光電輸。光電二極管

9、用途很廣，一般常用作傳感器的光敏電元件，在光電輸入機(jī)上用作光電讀出器件。入機(jī)上用作光電讀出器件。 11在一塊半導(dǎo)體上制作兩個相距很近在一塊半導(dǎo)體上制作兩個相距很近的的 PN 結(jié)結(jié)，就成，就成為一個新的器件，即半導(dǎo)體三極管，又稱為晶體三極管，為一個新的器件，即半導(dǎo)體三極管，又稱為晶體三極管，簡稱三極管。簡稱三極管。三極管按材料分有硅管和鍺管；三極管按材料分有硅管和鍺管；按按 PN 結(jié)的組成方結(jié)的組成方式分有式分有 NPN 型型和和 PNP 型。型。我國生產(chǎn)的硅管大多是我國生產(chǎn)的硅管大多是 NPN 型；鍺管大多是型；鍺管大多是 PNP 型。型。NPN 型的硅管是目前應(yīng)用較多的一種。型的硅管是目前應(yīng)

10、用較多的一種。11.2 三極管三極管1211.2.1三極管的外形、結(jié)構(gòu)和符號三極管的外形、結(jié)構(gòu)和符號PNP 型符號型符號NPN 型符號型符號1311.2.2三極管的放大作用三極管的放大作用三極管有三個電極，必須有兩個外加電壓，才能決定兩三極管有三個電極，必須有兩個外加電壓，才能決定兩個個 PN 結(jié)的結(jié)的工作狀態(tài)。因此有一個電極是共用的。據(jù)此，三工作狀態(tài)。因此有一個電極是共用的。據(jù)此，三極管有共發(fā)射極、共基極、共集電極三種接法。極管有共發(fā)射極、共基極、共集電極三種接法。以以 NPN 型三極管的共發(fā)射極接法為例，分析三極管的型三極管的共發(fā)射極接法為例，分析三極管的放大作用。放大作用。14UBB 為

11、基極電源，通過電位器為基極電源，通過電位器 RB 將正向電壓加到基極將正向電壓加到基極和發(fā)射極之間和發(fā)射極之間( (發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)) )，集電極電源，集電極電源 UCC 電壓應(yīng)高于電壓應(yīng)高于 UBB 電壓，使發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置。電壓，使發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置。調(diào)節(jié)電位器調(diào)節(jié)電位器 RB 的阻值，可以改變的阻值，可以改變發(fā)射結(jié)的偏壓，從而調(diào)節(jié)基極電流發(fā)射結(jié)的偏壓，從而調(diào)節(jié)基極電流 IB 的大?。幌鄳?yīng)得到集電極電流的大??；相應(yīng)得到集電極電流 IC 和發(fā)射和發(fā)射極電流極電流 IE 的值。的值。可見可見：IE = IC + IB；IC = IB.三極管各極之間電流分配關(guān)系為：三極管各

12、極之間電流分配關(guān)系為： IE = IC + IB 基極基極 IB 與集電極與集電極 IC 數(shù)量關(guān)系在一定范圍內(nèi)是比例關(guān)系即：數(shù)量關(guān)系在一定范圍內(nèi)是比例關(guān)系即：BCII 或或BCII 11.2.2三極管的放大作用三極管的放大作用15 基極電流基極電流 IB 的變化，會引起集電極電流的變化，會引起集電極電流 IC 發(fā)生更大的變化。即基發(fā)生更大的變化。即基極電流對集電極電流有控制作用，或集電極電流對基極電流有放大作極電流對集電極電流有控制作用，或集電極電流對基極電流有放大作用。這就是三極管的電流放大原理。用。這就是三極管的電流放大原理。注意：注意：( (1) )三極管的電流放大作用，實質(zhì)上是用較小的

13、基極電流信三極管的電流放大作用，實質(zhì)上是用較小的基極電流信號去控制集電極的大電流信號，是號去控制集電極的大電流信號，是 “以小控大以小控大” ” 的作用，而不是能的作用，而不是能量的放大。量的放大。( (2) )使三極管起放大作用的外部條件是發(fā)射結(jié)加正向偏置電壓，集使三極管起放大作用的外部條件是發(fā)射結(jié)加正向偏置電壓，集電結(jié)加反向偏置電壓。電結(jié)加反向偏置電壓。結(jié)論結(jié)論:( (3) )若增大若增大 RB 使發(fā)射結(jié)電壓下降到一定值使發(fā)射結(jié)電壓下降到一定值( (硅管硅管 0.5 V 以下，鍺管以下，鍺管 0.1 V 以下以下) )IC 與與 IE 基本為零，該工作狀態(tài)稱為截止?；緸榱?，該工作狀態(tài)稱為

14、截止。( (4) )若減小若減小 RB 使使 IB 增加到一定數(shù)值，增加到一定數(shù)值，IC 即隨即隨 IB 增大而增大，該工增大而增大，該工作狀態(tài)稱為飽和。作狀態(tài)稱為飽和。11.2.2三極管的放大作用三極管的放大作用161共射極電流放大系數(shù)共射極電流放大系數(shù) 是表征管子電流放大能力的參數(shù)。常用小功率管的是表征管子電流放大能力的參數(shù)。常用小功率管的 值約為值約為 20 150。 值太小，電流放大作用差；太大工值太小，電流放大作用差；太大工作穩(wěn)定性差。通常取作穩(wěn)定性差。通常取 5080 左右為宜。左右為宜。11.2.3三極管的主要參數(shù)三極管的主要參數(shù)172集電極集電極最大允許電流最大允許電流 ICM

15、 當(dāng)當(dāng) IC 過大時，過大時， 將下降。使將下降。使 下降到正常值的下降到正常值的 2/3 時的集電極電流稱為集電極最大允許電流。時的集電極電流稱為集電極最大允許電流。3集電集電極電極、發(fā)射極之間極電極、發(fā)射極之間反向擊穿電壓反向擊穿電壓 U( (BR) )CEO當(dāng)基極開路時，集電極與發(fā)射極之間所能承受的最當(dāng)基極開路時，集電極與發(fā)射極之間所能承受的最高反向電壓。高反向電壓。4集電極最大允許耗散功率集電極最大允許耗散功率 PCM保證集電結(jié)溫升不超過允許值而允許集電極所消耗的保證集電結(jié)溫升不超過允許值而允許集電極所消耗的最大功率稱集電極最大允許耗散功率。最大功率稱集電極最大允許耗散功率。11.2.

16、3三極管的主要參數(shù)三極管的主要參數(shù)18條件：發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置。條件：發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置。IC = IBIE = IC + IB =( (1+ ) )IB特點：集電極電流受基極電流控制。特點：集電極電流受基極電流控制。11.3.1放大狀態(tài)放大狀態(tài)( (a) )三極管因兩個三極管因兩個 PN 結(jié)的偏置情況不同，其工作狀態(tài)結(jié)的偏置情況不同，其工作狀態(tài)可分為三種：放大狀態(tài)、飽和狀態(tài)、截止?fàn)顟B(tài)?？煞譃槿N：放大狀態(tài)、飽和狀態(tài)、截止?fàn)顟B(tài)。11.3 三極管的三種工作狀態(tài)三極管的三種工作狀態(tài)19UCE = UCC - - RCIC集電極集電極 C 和發(fā)射極和發(fā)射極 E 之間相當(dāng)于通路

17、，用一可控電之間相當(dāng)于通路，用一可控電阻表示其間電壓降。阻表示其間電壓降。處于放大狀態(tài)的處于放大狀態(tài)的 NPN 型三極管，集電極電位最高，型三極管，集電極電位最高，基極電位次之，發(fā)射極電位最低基極電位次之，發(fā)射極電位最低( (圖圖 b 所示所示) )。( (b) )( (c) )11.3 三極管的三種工作狀態(tài)三極管的三種工作狀態(tài)20飽和條件：飽和條件：發(fā)射結(jié)正向偏置，集發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)正向偏置。電結(jié)正向偏置。特點特點： UCE 0.3 V( (硅管硅管) )、0.1 V( (鍺管鍺管) )集電極集電極 C 和發(fā)射極和發(fā)射極 E 之間相當(dāng)于一閉合開關(guān)。之間相當(dāng)于一閉合開關(guān)。在放大狀態(tài)，在放

18、大狀態(tài)，IC 隨隨 IB 增大，當(dāng)增大，當(dāng) IC 增大增大到到 ( (IC 最大值最大值) )時，時，IC 不再隨不再隨 IB 增大，即三極管處于增大，即三極管處于飽和狀態(tài)。飽和狀態(tài)。CCCRU此時，三極管的集電極電位此時，三極管的集電極電位 UCE 0，低于基極電位，即集電結(jié)正向偏置。低于基極電位，即集電結(jié)正向偏置。基極電位最高，集電極次之，發(fā)射極基極電位最高，集電極次之，發(fā)射極最低。最低。（b）（c）11.3 三極管的三種工作狀態(tài)三極管的三種工作狀態(tài)11.3.2 飽和狀態(tài)飽和狀態(tài)21條件：條件：發(fā)射結(jié)反向偏置，集電結(jié)反向偏置。發(fā)射結(jié)反向偏置，集電結(jié)反向偏置。IB 0 ; IC 0 UCE

19、= UCC - - RCIC UCC集電極電阻集電極電阻RC 無無電壓，所以電壓，所以特點：由于兩特點：由于兩 PN 結(jié)均反向偏置，各極電流都極??；結(jié)均反向偏置，各極電流都極??； 在模擬電子電路中，三極管是作為放大元件，主要工作在放在模擬電子電路中，三極管是作為放大元件，主要工作在放大狀態(tài)；在數(shù)字電路中，三極管是作為電子開關(guān)，工作在飽和狀大狀態(tài)；在數(shù)字電路中，三極管是作為電子開關(guān)，工作在飽和狀態(tài)和截止?fàn)顟B(tài)。態(tài)和截止?fàn)顟B(tài)。處于截止?fàn)顟B(tài)的三極管，集電處于截止?fàn)顟B(tài)的三極管，集電極電位最高極電位最高( ( UCC ) )，發(fā)射極電位次之，基極電位最低。發(fā)射極電位次之，基極電位最低。11.3 三極管的三

20、種工作狀態(tài)三極管的三種工作狀態(tài)11.3.3 截止?fàn)顟B(tài)截止?fàn)顟B(tài)22*11.4晶閘管晶閘管u觀察與思考觀察與思考 晶閘管又稱為可控硅，是目前半導(dǎo)體器件從弱電進(jìn)入強(qiáng)電領(lǐng)域，制造技術(shù)晶閘管又稱為可控硅，是目前半導(dǎo)體器件從弱電進(jìn)入強(qiáng)電領(lǐng)域，制造技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的器件之一。最成熟、應(yīng)用最廣泛的器件之一。 晶閘管分普通晶閘管和特種晶閘管，特種晶閘管有快速晶閘管、雙向晶閘晶閘管分普通晶閘管和特種晶閘管，特種晶閘管有快速晶閘管、雙向晶閘管、可關(guān)斷晶閘管等，人們所說的晶閘管是指普通型晶閘管。管、可關(guān)斷晶閘管等，人們所說的晶閘管是指普通型晶閘管。23晶閘管由三晶閘管由三個個 PN 結(jié)結(jié)，四層半導(dǎo)體，四層半導(dǎo)體

21、材料組成。材料組成。晶閘管的三個電極分別為陽極晶閘管的三個電極分別為陽極( (A) )、陰極陰極( (K) )、控制極控制極( (也稱為門極也稱為門極)()(G) )。三個三個PN結(jié)分別為結(jié)分別為 J1、J2 和和 J3。晶閘管的符號與二極管相似，在晶閘管的符號與二極管相似，在其陰極處有一個控制極，表明其導(dǎo)通其陰極處有一個控制極，表明其導(dǎo)通的條件除了和二極管一樣需要正向偏置的電壓外，還需另外增的條件除了和二極管一樣需要正向偏置的電壓外，還需另外增加一個控制信號。加一個控制信號。符號符號結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)外形外形11.4.1晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和符號晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和符號24晶閘管反向偏置時，無論是否給控

22、制極晶閘管反向偏置時，無論是否給控制極加電壓，晶閘管均不導(dǎo)通。加電壓，晶閘管均不導(dǎo)通。晶閘管加正向偏置電壓，陽極晶閘管加正向偏置電壓，陽極 A 接高電接高電位，陰極位，陰極 K 接低電位，但控制極接低電位，但控制極 G 沒有接任沒有接任何電壓，何電壓，J2 結(jié)反偏，晶閘管仍然不導(dǎo)通。結(jié)反偏，晶閘管仍然不導(dǎo)通。晶閘管不導(dǎo)通的狀態(tài)稱為晶閘管不導(dǎo)通的狀態(tài)稱為阻斷狀態(tài)阻斷狀態(tài)。 反向阻斷反向阻斷正向阻斷正向阻斷11.4.2晶閘管的工作原理晶閘管的工作原理25晶閘管加正向偏置電壓，給控制極晶閘管加正向偏置電壓，給控制極 G 加加一個幅度和一個寬度都足夠大的正電壓一個幅度和一個寬度都足夠大的正電壓( (稱為稱為觸發(fā)電壓觸發(fā)電壓)，此時三此時三個個 PN 結(jié)結(jié)都正偏，都正偏，晶閘管導(dǎo)通。晶閘管導(dǎo)通。晶閘管導(dǎo)通后，若去晶閘管導(dǎo)通后，若去掉控制極的電壓，晶閘管掉控制極的電壓，晶閘管仍然能保持導(dǎo)通狀態(tài)。仍然能保持導(dǎo)通狀態(tài)。導(dǎo)通狀態(tài)：導(dǎo)通狀態(tài)：正向正向觸發(fā)導(dǎo)通觸發(fā)導(dǎo)通撤除觸發(fā)信號仍導(dǎo)通撤除觸發(fā)信號仍導(dǎo)通RARG11.4.2晶閘管的工