電工學(xué)少學(xué)時(shí)唐介第8半導(dǎo)體器件、直流穩(wěn)壓電源課件

電子技術(shù)1、性質(zhì)：是一門技術(shù)基礎(chǔ)課。2、特點(diǎn)：a、非純理論性課程b、實(shí)踐性很強(qiáng)c、以工程實(shí)踐的觀點(diǎn)處理電路中的一些問題3、內(nèi)容：以器件為基礎(chǔ)，以信號為主線，研究各種電路的工作原理、特點(diǎn)及性能指標(biāo)等。4、目的：了解一般的常用器件，掌握對基本電子電路的分析方法及計(jì)算方法。主要教學(xué)內(nèi)容：器件與電路及應(yīng)用模擬電子技術(shù)電子技術(shù)電子元器件電子電路及其應(yīng)用二極管三極管集成電路放大電路濾波電路電源

信號檢測◆壓力、溫度、水位、流量等的測量與調(diào)節(jié)◆電子儀器

電子技術(shù)的應(yīng)用智能小區(qū)第8章半導(dǎo)體器件、直流穩(wěn)壓電源8.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識8.2半導(dǎo)體二極管8.3直流穩(wěn)壓電源的組成

特殊二極管8.4整流電路9.1雙極型晶體管8.5濾波電路8.6穩(wěn)壓電路了解半導(dǎo)體的基本概念。了解二極管、穩(wěn)壓管的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、工作狀態(tài)和特性曲線。掌握二極管的特性，理解其主要參數(shù)的物理意義。掌握其主要應(yīng)用領(lǐng)域。理解整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓管電路的工作原理。了解雙極型晶體管的基本結(jié)構(gòu)，掌握晶體管的種類、工作原理、工作狀態(tài)和特性曲線。了解其主要參數(shù)。重點(diǎn)：二極管的特性及其應(yīng)用，穩(wěn)壓管電路的工作原理，晶體管工作狀態(tài)和特性曲線。難點(diǎn)：整流、濾波，晶體管的放大原理。教學(xué)要求：半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間。

如：硅、鍺、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。8.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識當(dāng)受外界熱和光的作用時(shí)，導(dǎo)電能力明顯變化。往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，導(dǎo)電能力明顯改變。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：最外層電子（價(jià)電子）都是四個(gè)。半導(dǎo)體的主要特點(diǎn)：

Si

Si

Si

Si價(jià)電子

價(jià)電子在獲得一定能量（溫度升高或受光照）后，即可掙脫原子核的束縛，成為自由電子（帶負(fù)電），同時(shí)共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位，稱為空穴（帶正電）。這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理空穴溫度愈高，晶體中產(chǎn)生的自由電子便愈多。自由電子

在外電場的作用下，空穴吸引相鄰原子的價(jià)電子來填補(bǔ)，而在該原子中出現(xiàn)一個(gè)空穴，其結(jié)果相當(dāng)于空穴的運(yùn)動（相當(dāng)于正電荷的移動）。

在絕對0度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時(shí),價(jià)電子完全被共價(jià)鍵束縛著，沒有可以運(yùn)動的帶電粒子（即載流子），它的導(dǎo)電能力為0，相當(dāng)于絕緣體。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理

當(dāng)半導(dǎo)體兩端加上外電壓時(shí)，在半導(dǎo)體中將出現(xiàn)兩部分電流

(1)自由電子作定向運(yùn)動電子電流

(2)價(jià)電子遞補(bǔ)空穴空穴電流注意：(1)本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即帶負(fù)電的自由電子和帶正電的空穴。(2)本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。本征半導(dǎo)體中載流子數(shù)目極少,其導(dǎo)電性能很差。(3)溫度愈高，載流子的濃度越高，載流子的數(shù)目就越多,半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能也就越好。所以，溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個(gè)重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點(diǎn)。自由電子和空穴都稱為載流子。

自由電子和空穴成對地產(chǎn)生的同時(shí)，又不斷復(fù)合。在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生和復(fù)合達(dá)到動態(tài)平衡，半導(dǎo)體中載流子便維持一定的數(shù)目。二、雜質(zhì)半導(dǎo)體P

型半導(dǎo)體：N型半導(dǎo)體：空穴數(shù)量>>自由電子數(shù)量多數(shù)載流子少數(shù)載流子自由電子數(shù)量>>空穴數(shù)量與濃度有關(guān)與溫度有關(guān)靠空穴導(dǎo)電靠自由電子導(dǎo)電定義：滲入雜質(zhì)的半導(dǎo)體。形成：在本征半導(dǎo)體中滲入少量的3價(jià)元素形成：在本征半導(dǎo)體中滲入少量的5價(jià)元素P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴(kuò)散運(yùn)動內(nèi)電場漂移運(yùn)動擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬。漂移使空間電荷區(qū)變薄?？臻g電荷區(qū)，也稱耗盡層。擴(kuò)散和漂移這一對相反的運(yùn)動最終達(dá)到平衡，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。三、PN結(jié)及其單向?qū)щ娦苑Q為PN結(jié)1.PN

結(jié)的形成在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P

型半導(dǎo)體和N

型半導(dǎo)體，經(jīng)過載流子的擴(kuò)散、漂移，在它們的交界面處就形成了PN結(jié)。擴(kuò)散運(yùn)動：多數(shù)載流子由濃度差形成的運(yùn)動。漂移運(yùn)動：少數(shù)載流子在內(nèi)電場作用下形成的運(yùn)動。－－－－++++RE（1）PN結(jié)正向偏置內(nèi)電場外電場變窄PN+_內(nèi)電場被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)能夠形成較大的擴(kuò)散電流。I2.PN結(jié)的特性擴(kuò)散運(yùn)動〉漂移運(yùn)動

PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?/p>

正向偏置時(shí)，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)呈現(xiàn)正向電阻很小，電流較大

反向偏置時(shí)，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)呈現(xiàn)反向電阻很大，電流較小反向電流受溫度影響較大通過分析可知PN8.2半導(dǎo)體二極管一、基本結(jié)構(gòu)PN結(jié)加上管殼和引線，就成為半導(dǎo)體二極管。引線外殼觸絲線基片點(diǎn)接觸型PN結(jié)面接觸型二極管的電路符號：二、伏安特性硅管0.5V,鍺管0.1V。導(dǎo)通壓降

外加電壓大于死區(qū)電壓二極管才能導(dǎo)通。正向特性反向特性特點(diǎn)：非線性硅0.6~0.8V鍺0.2~0.3VUI死區(qū)電壓PN+–PN–+1、正向特性：當(dāng)正向電壓超過死區(qū)電壓后，二極管導(dǎo)通3、近似和理想伏安特性考慮二極管導(dǎo)通電壓時(shí)的伏安特性忽略二極管導(dǎo)通電壓時(shí)的伏安特性硅管：0.6-0.7V鍺管：0.2-0.3V（1）近似特性（2）理想特性三、主要參數(shù)1.額定正向平均電流（最大整流電流）IF二極管長期使用時(shí)，允許流過二極管的最大正向平均電流。3.最高反向工作電壓UR

指不被擊穿所允許的最大反向電壓，手冊上給出的最高反向工作電壓4.最大反向電流

IRm

指二極管加UR工作時(shí)的反向電流。反向電流大，說明管子的單向?qū)щ娦圆睿虼朔聪螂娏髟叫≡胶?。反向電流受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流要比硅管大幾十到幾百倍。選擇和使用二極管的依據(jù)2.正向電壓降UFIF所對應(yīng)的電壓。二極管的單向?qū)щ娦?.二極管加正向電壓（正向偏置，陽極接正、陰極接負(fù)）時(shí)，二極管處于正向?qū)顟B(tài)，二極管正向電阻較小，正向電流較大。2.二極管加反向電壓（反向偏置，陽極接負(fù)、陰極接正）時(shí)，二極管處于反向截止?fàn)顟B(tài)，二極管反向電阻較大，反向電流很小。

3.外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦浴?.二極管的反向電流受溫度的影響，溫度愈高反向電流愈大。二極管的應(yīng)用應(yīng)用一、箝制電位的作用：將電路某點(diǎn)的電位箝制在某一數(shù)值。例1：已知：DA和DB為硅二極管，求下列情況下輸出端電位VF的值。（1）電路如圖，求：UABV陽=－6VV陰=－12VV陽>V陰二極管導(dǎo)通若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB=－6V否則，UAB低于－6V一個(gè)管壓降，為－6.3Ｖ或－6.7V例2：

取B點(diǎn)作參考點(diǎn)，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。在這里，二極管起箝位作用。D6V12V3kBAUAB+–ui>2V，二極管導(dǎo)通，可看作短路uo=2V

ui<2V，二極管截止，可看作開路uo=ui已知：US=2V，二極管是理想的，試畫出uo

波形。2V例5：ui3V參考點(diǎn)二極管陰極電位為2VDUSRuoui++––應(yīng)用三、限幅的作用：將輸出電壓的幅值限制在某一數(shù)值。思考：當(dāng)Us分別為2V、4V，而ui分別為3V、3sinωtV時(shí)，uo的波形又將如何？P216圖8.2.5RLuiuouiuott（1）單相半波整流

利用二極管的單向?qū)щ娦詫⒔涣麟娮儞Q為脈動的直流電。特點(diǎn)：只利用了半個(gè)周期。應(yīng)用四、整流的作用定義：交流直流整流逆變本課小結(jié)二極管的應(yīng)用應(yīng)用一、箝制電位作用應(yīng)用二、隔離作用二極管的特性：單向?qū)щ娦哉驅(qū)?，反向截止。?yīng)用三、限幅作用應(yīng)用四、整流作用8.3特殊二極管1.符號

UZIZminIZmaxUZIZ2.伏安特性

穩(wěn)壓管正常工作時(shí)加反向電壓使用時(shí)要加限流電阻

穩(wěn)壓管反向擊穿后，電流變化很大，但其兩端電壓變化很小，利用此特性，穩(wěn)壓管在電路中可起穩(wěn)壓作用。UIO一、穩(wěn)壓二極管利用二極管的反向特性工作曲線越陡，電壓越穩(wěn)定穩(wěn)壓誤差UoIZDZRI0IUIRL3.穩(wěn)壓過程分析當(dāng)電源電壓波動時(shí)：當(dāng)負(fù)載電流波動時(shí)：電阻的作用限制穩(wěn)壓管電流不會超過起到電壓調(diào)節(jié)作用。穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用舉例uoiZDZRiLiuiRL穩(wěn)壓管的技術(shù)參數(shù):負(fù)載電阻RL=2KΩ,要求當(dāng)輸入電壓由正常值發(fā)生20%波動時(shí)負(fù)載電壓基本不變。解：令輸入電壓達(dá)到上限時(shí)，流過穩(wěn)壓管的電流為Izmax。求：電阻R和輸入電壓ui的正常值?！匠?令輸入電壓降到下限時(shí)，流過穩(wěn)壓管的電流為Izmin。——方程2uoiZDZRiLiuiRL聯(lián)立方程1、2，可解得：P217例8.3.1例：電路如圖所示，穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ是6V，正向壓降UD是0.6V，求：Ui=10V時(shí)各電路Uo。光電二極管：反向電流隨光照強(qiáng)度的增加而上升。IU照度增加符號發(fā)光二極管有正向電流流過時(shí)，發(fā)出一定波長范圍的光，目前的發(fā)光管可以發(fā)出從紅外到可見波段的光，它的電特性與一般二極管類似，正向電壓較一般二極管高，電流為幾~幾十mA光電二極管發(fā)光二極管

光電二極管：工作在反向偏置。發(fā)光二極管：工作于正向偏置。

第11章直流穩(wěn)壓電源小功率直流穩(wěn)壓電源的組成功能：把交流電壓變成穩(wěn)定的大小合適的直流電壓u4uou3u2u1交流電源負(fù)載變壓整流濾波穩(wěn)壓11.1

直流穩(wěn)壓電源的組成交流電直流電脈動直流電平滑直流電不穩(wěn)定直流電穩(wěn)定直流電整流電路的作用:

將交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榉较虿蛔兊拿}動的直流電壓。

11.2整流電路常見的整流電路：半波、全波、橋式和倍壓整流；單相和三相整流等。分析時(shí)可把二極管當(dāng)作理想元件處理：

二極管的正向?qū)娮铻榱?，反向電阻為無窮大。整流原理：利用二極管的單向?qū)щ娦詥蜗鄻蚴秸麟娐穟1D4D2D1D3RLuou2+－+－+－aTb正半周:u2＞0，uo=u2D1和D3導(dǎo)通,工作原理：+－+－+－aTbu1D4D2D1D3RLuou2負(fù)半周:u2<0，uo=－u2D2和D4導(dǎo)通,uD3,uD1uD4,uD2D1D3D2D4OωtuDuoOωtu2Oωtuou2D4D2D1D3RL+-+－UoIo=RLID=12IoURm=√2U2則：▲負(fù)載的直流電壓：▲負(fù)載的直流電流：▲二極管的平均電流：每個(gè)二極管只導(dǎo)通半周▲二極管能承受的最大反向電壓：▲選擇二極管的依據(jù)：

整流橋塊正確使用：~~輸入交流電壓+輸出直流電壓~~~~交流電壓經(jīng)整流電路整流后輸出的是脈動直流，其中既有直流成份又有交流成份。11.3濾波電路濾波電路的作用：把脈動性比較大的直流電壓變成比較平緩的直流電壓濾波原理：濾波電路利用儲能元件電容兩端的電壓(或通過電感中的電流)不能突變的特性,濾掉整流電路輸出電壓中的交流成份，保留其直流成份，達(dá)到平滑輸出電壓波形的目的。1、工作原理一、電容濾波電路電源電壓上升時(shí)，給負(fù)載供電的同時(shí)也給電容充電。電源電壓下降時(shí)，電容放電將儲存的能量輸送給負(fù)載，使波形平滑，并使U0增加。輸出電壓的脈動程度與平均值Uo與放電時(shí)間常數(shù)RLC有關(guān)。

RLC越大電容器放電越慢輸出電壓的平均值Uo越大，波形越平滑。2、數(shù)量關(guān)系

有所提高：通常取負(fù)載開路時(shí)據(jù)

選電解電容原則：則選二極管原則：因有沖擊電流流過二極管3、適用于：負(fù)載電流比較小的電路當(dāng)空載時(shí)：為了得到比較平直的輸出電壓電源電壓的周期二、

電感濾波電路1、工作原理2、適用于：負(fù)載電流比較大且變化幅度較大的電路。

對直流分量:

XL=0

相當(dāng)于短路,大部分整流電壓降在RL上。

對諧波分量:

f

越高,XL越大,電壓大部分降在XL上。

輸出電壓平均值約為：

Uo

=0.9U2u2D4D2D1D3RL+-+－uoL三、復(fù)式濾波電路1、電路L++C1C2++RLuoui--R++C1C2++RLuoui--2、工作原理

π型

LC濾波：C1+L+C2混合濾波

π型

RC濾波：XC2很小

故ui的交流分量大都降在

R

上

RL>R故

ui的直流分量大都降在

R上,故使

uo

變得平緩(a)π型LC濾波電路(b)π型LC濾波電路[補(bǔ)充例題]一橋式整流電容濾波電路，已知電源的

f=50Hz，負(fù)載電阻

RL=100Ω，U2=25V，試求（1）選擇整流二極管（2）選擇濾波電容器（3）若測得

UO分別為下列各值時(shí)，填寫下表。(a)UO=30V(b)UO

=22.5V(c)UO=25V（d）UO=11.25V(e)UO

=35.35V~+—u2++—uORLC

~+—u2++—uORLC解:(1)查表選擇(2)查表選擇的電解電容器

(3)近似估算?。?/p>

Uo

=1.2U2(

橋式、全波整流濾波電路）

Uo

=1.0U2（半波整流濾波電路）11.4穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路（穩(wěn)壓器）是為電路或負(fù)載提供穩(wěn)定的輸出電壓的一種電子設(shè)備。一、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路2.工作原理UO

=UZ

=UI-IRR

IR=IO+IZ設(shè)UI一定，負(fù)載RL變化1.電路+–UIRL+CIOUO+–+–uIRRDZIz限流調(diào)壓穩(wěn)壓電路UIUZRL(IO)IRUO

基本不變IR

(IRR)基本不變UO

(UZ

)IZ一、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路2.工作原理UO

=UZ=UI-IRR

IR=IO+IZUIUZUIUZ設(shè)負(fù)載RL一定，UI變化UO

基本不變IRRIZIR1.電路+–UIRL+CIOUO+–+–uIRRDZIz二、集成穩(wěn)壓電路單片集成穩(wěn)壓電源，具有體積小,可靠性高,使用靈活,價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。最簡單的集成穩(wěn)壓電源只有輸入，輸出和公共引出端,故稱之為三端集成穩(wěn)壓器。

整流二極管三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓管1N4001-1N4007、1N5391-1N53998.4雙極型晶體管一、基本結(jié)構(gòu)BECNNP基極發(fā)射極集電極NPN型PNP型BECIBIEICBECIBIEIC集電區(qū)發(fā)射區(qū)集電結(jié)發(fā)射結(jié)基區(qū)PNP集電極基極發(fā)射極CEB

S9011-S9018、8050、8550二、工作狀態(tài)BECNNPUBBRBUCCIE基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴(kuò)散可忽略。進(jìn)入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復(fù)合，形成基極電流IB

，多數(shù)擴(kuò)散到集電結(jié)。發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴(kuò)散，形成發(fā)射極電流IE。取決于兩個(gè)PN結(jié)的偏置1、放大狀態(tài)IB集電結(jié)反偏，基區(qū)少子漂移進(jìn)入集電區(qū)而被收集，形成集電極電流ICIC共射電路據(jù)KCL得：當(dāng)IB=0時(shí)，IC=ICEO稱為穿透電流當(dāng)IB由0→IB時(shí)，IC由ICEO→IC當(dāng)改變RB交流電流放大倍數(shù)在放大狀態(tài)下ICEO受溫度影響很大，當(dāng)溫度上升時(shí)，ICEO增加很快。電流分配關(guān)系ICUCEUBERBIBUCCUBBIERC輸出回路輸入回路直流電流放大倍數(shù)（1）三極管放大狀態(tài)的條件：使發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。（2）晶體管處于放大狀態(tài)的特征：a.IB小變化引起IC大變化。b.c.d.晶體管相當(dāng)于通路PNP發(fā)射結(jié)正偏

VB<VE集電結(jié)反偏

VC<VB從電位的角度看：

NPN

發(fā)射結(jié)正偏

VB>VE集電結(jié)反偏

VC>VB

a.3、截止?fàn)顟B(tài)b.c.晶體管相當(dāng)于斷路a.2、飽和狀態(tài)b.c.晶體管相當(dāng)于短路此時(shí)兩個(gè)結(jié)的偏置為發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏此時(shí)兩個(gè)結(jié)的偏置為發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏P223例8.4.1ICICd.IB增加時(shí)，IC基本不變。三、特性曲線ICmAAVVUCEUBERBIBUCCUBB

實(shí)驗(yàn)線路1、輸入特性UCE1VIB(A)UBE(V)204060800.40.8工作壓降：硅管UBE0.6~0.7V,鍺管UBE0.2~0.3V。

死區(qū)電壓，硅管0.5V，鍺管0.2V。溫度增高溫度每升高1C，UBE減小–(2~2.5)mV，即晶體管具有負(fù)溫度系數(shù)。2.輸出特性IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O放大區(qū)輸出特性曲線通常分三個(gè)工作區(qū)：(1)放大區(qū)

在放大區(qū)有IC=IB

，也稱為線性區(qū)，具有恒流特性。

在放大區(qū)，發(fā)射結(jié)處于正向偏置、集電結(jié)處于反向偏置，晶體管工作于放大狀態(tài)。當(dāng)UCE大于一定的數(shù)值時(shí)，IC只與IB有關(guān)，IC=IB。IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O（2）截止區(qū)IB=0時(shí)IC=ICEO,UBE<死區(qū)電壓，

IB=0以下區(qū)域?yàn)榻刂箙^(qū)，有IC=ICEO

0

。在截止區(qū)發(fā)射結(jié)處于反向偏置，集電結(jié)處于反向偏置，晶體管工作于截止?fàn)顟B(tài)。飽和區(qū)截止區(qū)（3）飽和區(qū)

當(dāng)UCEUBE時(shí)，晶體管工作于飽和狀態(tài)。

在飽和區(qū)，IBIC，UCE很小，發(fā)射結(jié)處于正向偏置，集電結(jié)也處于正偏。

深度飽和時(shí)，

硅管UCES0.3V，

鍺管UCES0.1V。輸出特性三個(gè)區(qū)域的特點(diǎn):放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。

即：IC=IB,且

IC

=

IB(2)飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏。

即：UCE（≈0）UBE

，IC＜IB

(3)截止區(qū)：發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。UBE<死區(qū)電壓，IB=0，IC=ICEO

0

例：UCE=6V時(shí)：IB=40A,IC=1.5mA；

IB=60A,IC=2.3mA。在以后的計(jì)算中，一般作近似處理：=四、主要參數(shù)共射直流電流放大倍數(shù)：交流電流放大倍數(shù)：1.電流放大倍數(shù)和在放大狀態(tài)下2.穿透電流ICEO

當(dāng)IB=0時(shí)的集電極電流。ICE0大的管子受溫度的影響大，即溫度穩(wěn)定性差。

溫度每升高1C，

增加0.5%~1.0%。3.集電極最大允許電流ICM

集電極電流IC上升會導(dǎo)致三極管的值的下降，當(dāng)值下降到正常值的三分之二時(shí)的集電極電流即為ICM。4.反向擊穿電壓BU(BR)CEO

當(dāng)集---射極之間的電壓UCE超過一定的數(shù)值時(shí)