半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)與穩(wěn)壓電路

半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)與穩(wěn)壓電路第一頁，共119頁。模擬電子技術(shù)陳麗華第1章第二頁，共119頁。本章學(xué)習(xí)基本要求：1、熟悉半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)（本征半導(dǎo)體；P型半導(dǎo)體，N型半導(dǎo)體，載流子）2、理解PN結(jié)的結(jié)構(gòu)與形成；PN結(jié)的特性（單向?qū)щ娦裕?、掌握常用的幾種半導(dǎo)體器件：二極管、雙極型三極管、場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)、特性、參數(shù)及基本應(yīng)用，了解幾種特殊類型的二極管4、了解直流穩(wěn)壓電源2半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)及穩(wěn)壓電路第三頁，共119頁。1.1.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)1.2二極管1.4雙極型三極管1.3特殊二極管1.1.2PN結(jié)的形成及特性本章學(xué)習(xí)主要內(nèi)容：2半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)及穩(wěn)壓電路1.5場(chǎng)效應(yīng)管1.6直流穩(wěn)壓電源第四頁，共119頁。

.1.1

半導(dǎo)體材料

.1.2

半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)

.1.3

本征半導(dǎo)體、空穴及其導(dǎo)電作用.1.4

雜質(zhì)半導(dǎo)體1.1.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)第五頁，共119頁。

.1.1半導(dǎo)體材料根據(jù)物體導(dǎo)電能力的不同，分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。典型的半導(dǎo)體除硅Si和鍺Ge外，還有砷化鎵GaAs等。導(dǎo)體－－鐵、鋁、銅等金屬元素等低價(jià)元素，其最外層電子在外電場(chǎng)作用下很容易產(chǎn)生定向移動(dòng)，形成電流。絕緣體－－惰性氣體、橡膠等，其原子的最外層電子受原子核的束縛力很強(qiáng)，只有在外電場(chǎng)強(qiáng)到一定程度時(shí)才可能導(dǎo)電。半導(dǎo)體－－硅（Si）、鍺（Ge），均為四價(jià)元素，它們?cè)拥淖钔鈱与娮邮茉雍说氖`力介于導(dǎo)體與絕緣體之間。第六頁，共119頁。

.1.2半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型及晶體結(jié)構(gòu)第七頁，共119頁。由于熱激發(fā)，具有足夠能量的價(jià)電子掙脫共價(jià)鍵的束縛而成為自由電子自由電子的產(chǎn)生使共價(jià)鍵中留有一個(gè)空位置，稱為空穴共價(jià)鍵

自由電子與空穴相碰同時(shí)消失，稱為復(fù)合?？昭ǖ囊苿?dòng)——空穴的運(yùn)動(dòng)是靠相鄰共價(jià)鍵中的價(jià)電子依次填充空穴來實(shí)現(xiàn)的。一定溫度下，自由電子與空穴對(duì)的濃度一定；溫度升高，熱運(yùn)動(dòng)加劇，掙脫共價(jià)鍵的電子增多，自由電子與空穴對(duì)的濃度加大。動(dòng)態(tài)平衡第八頁，共119頁。

.1.3本征半導(dǎo)體、空穴及其導(dǎo)電作用本征半導(dǎo)體——本征半導(dǎo)體是純凈的晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。（自然界中的半導(dǎo)體不是純凈的）由于隨機(jī)熱振動(dòng)致使共價(jià)鍵被打破而產(chǎn)生空穴－電子對(duì)1、什么是本征半導(dǎo)體自由電子-空穴對(duì)——由熱激發(fā)而產(chǎn)生的自由電子和空穴成對(duì)出現(xiàn)。所以，本征半導(dǎo)體中自由電子、空穴濃度相等。第九頁，共119頁。兩種載流子

當(dāng)外加電場(chǎng)時(shí)，帶負(fù)電的自由電子和帶正電的空穴均參與導(dǎo)電，且運(yùn)動(dòng)方向相反，兩者共同形成電流。為什么要將半導(dǎo)體變成導(dǎo)電性很差的本征半導(dǎo)體？2、本征半導(dǎo)體中的兩種載流子---自由電子、空穴運(yùn)載電荷的粒子稱為載流子。

當(dāng)溫度升高，熱運(yùn)動(dòng)加劇，載流子濃度增大，導(dǎo)電性增強(qiáng)。

熱力學(xué)溫度0K時(shí)不導(dǎo)電。所以半導(dǎo)體器件性能要受溫度的影響本征半導(dǎo)體由于晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，載流子數(shù)目很少，故導(dǎo)電性很差。第十頁，共119頁。

.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價(jià)或五價(jià)元素。摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。

N型半導(dǎo)體——摻入五價(jià)雜質(zhì)元素（如磷）的半導(dǎo)體。即自由電子為多數(shù)載流子的半導(dǎo)體。

P型半導(dǎo)體——摻入三價(jià)雜質(zhì)元素（如硼）的半導(dǎo)體。即空穴為多數(shù)載流子的半導(dǎo)體。第十一頁，共119頁。

1.N型半導(dǎo)體

.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體因五價(jià)雜質(zhì)原子中只有四個(gè)價(jià)電子能與周圍四個(gè)半導(dǎo)體原子中的價(jià)電子形成共價(jià)鍵，而多余的一個(gè)價(jià)電子因無共價(jià)鍵束縛而很容易形成自由電子。提供自由電子的五價(jià)雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價(jià)雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)。第十二頁，共119頁。磷（P）

雜質(zhì)半導(dǎo)體主要靠多數(shù)載流子導(dǎo)電。摻入雜質(zhì)越多，多子濃度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電性可控。多數(shù)載流子在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子，它主要由摻雜形成；空穴是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。第十三頁，共119頁。

2.P型半導(dǎo)體

.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體因三價(jià)雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，缺少一個(gè)價(jià)電子而在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空穴。空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價(jià)雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。第十四頁，共119頁。硼（B）多數(shù)載流子P型半導(dǎo)體主要靠空穴導(dǎo)電，摻入雜質(zhì)越多，空穴濃度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)，

在雜質(zhì)半導(dǎo)體中，溫度變化時(shí)，載流子的數(shù)目變化嗎？少子與多子變化的數(shù)目相同嗎？少子與多子濃度的變化相同嗎？在P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，它主要由摻雜形成；自由電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。變；相同；少子濃度變化大，半導(dǎo)體特性受溫度影響取決于少子第十五頁，共119頁。

3.雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響

.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體摻入雜質(zhì)對(duì)本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大的影響，例如:

T=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:

n=p=1.4×1010/cm31摻雜后，半導(dǎo)體導(dǎo)電能力加強(qiáng)

2摻雜后N型半導(dǎo)體中的自由電子濃度:

n=5×1016/cm3第十六頁，共119頁。本征半導(dǎo)體、雜質(zhì)半導(dǎo)體

本節(jié)中的有關(guān)概念自由電子（-）、空穴（+）

N型半導(dǎo)體、P型半導(dǎo)體多數(shù)載流子(簡(jiǎn)稱多子)、少數(shù)載流子(簡(jiǎn)稱少子)

施主雜質(zhì)、受主雜質(zhì)第十七頁，共119頁。1.1.2PN結(jié)的形成及特性

.1.2.2

PN結(jié)的形成.1.2.3

PN結(jié)的單向?qū)щ娦?1.2.4*

PN結(jié)的反向擊穿.1.2.5*

PN結(jié)的電容效應(yīng)

.1.2.1

載流子的漂移與擴(kuò)散第十八頁，共119頁。

.1.2.1載流子的漂移與擴(kuò)散載流子的漂移運(yùn)動(dòng)：由電場(chǎng)作用（電位差）引起的載流子的運(yùn)動(dòng)稱為載流子的漂移運(yùn)動(dòng)。方向：低濃度往——高濃度載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：由載流子濃度差引起的載流子的運(yùn)動(dòng)稱為載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。（氣體、固體、液體存在）方向：高濃度往——低濃度第十九頁，共119頁。

.1.2.2PN結(jié)的形成在一塊本征半導(dǎo)體兩側(cè)通過擴(kuò)散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。多子？少子？第二十頁，共119頁。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)P區(qū)空穴濃度遠(yuǎn)高于N區(qū)。N區(qū)自由電子濃度遠(yuǎn)高于P區(qū)。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的結(jié)果：P區(qū)和N區(qū)交界面的自由電子與空穴的復(fù)合，使靠近接觸面P區(qū)的空穴濃度降低、靠近接觸面N區(qū)的自由電子濃度降低，產(chǎn)生內(nèi)電場(chǎng)。第二十一頁，共119頁。

.1.2.2PN結(jié)的形成第二十二頁，共119頁。PN結(jié)的形成漂移運(yùn)動(dòng)：少子參與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：多子參與

參與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)的載流子數(shù)目相同，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，形成的空間電荷區(qū)即形成了PN結(jié)。漂移運(yùn)動(dòng)

由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使P區(qū)與N區(qū)的交界面缺少多數(shù)載流子，形成內(nèi)電場(chǎng)，從而阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行。內(nèi)電場(chǎng)方向從N區(qū)指向P區(qū)，使空穴從N區(qū)向P區(qū)、自由電子從P區(qū)向N區(qū)運(yùn)動(dòng)（即內(nèi)電場(chǎng)促進(jìn)漂移）。第二十三頁，共119頁。在一塊本征半導(dǎo)體兩側(cè)通過擴(kuò)散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此時(shí)將在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過程:因濃度差

空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng)（增強(qiáng))

內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移

內(nèi)電場(chǎng)阻止多子擴(kuò)散

最后,多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)由離子形成空間電荷區(qū)(變寬)第二十四頁，共119頁。對(duì)于P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。第二十五頁，共119頁。

.1.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦援?dāng)外加電壓使PN結(jié)中P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡(jiǎn)稱正偏；反之稱為加反向電壓，簡(jiǎn)稱反偏。當(dāng)PN結(jié)加正向電壓時(shí)，促進(jìn)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，又與內(nèi)電場(chǎng)相反，空間電荷區(qū)變窄，抑制漂移運(yùn)動(dòng)

(1)PN結(jié)加正向電壓時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)，對(duì)外呈現(xiàn)：低電阻大的正向擴(kuò)散電流

第二十六頁，共119頁。

.1.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

(2)PN結(jié)加反向電壓時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)，對(duì)外呈現(xiàn)：高電阻很小的反向漂移電流在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關(guān)，這個(gè)電流也稱為反向飽和電流。當(dāng)PN結(jié)加反向電壓時(shí)，阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向相同，空間電荷區(qū)變寬，促進(jìn)漂移運(yùn)動(dòng)第二十七頁，共119頁。

PN結(jié)加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流；

PN結(jié)加反向電壓時(shí)，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。

由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。第二十八頁，?19頁。

.1.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

(3)PN結(jié)V-I特性表達(dá)式其中PN結(jié)的伏安特性IS——反向飽和電流VT

——溫度的電壓當(dāng)量且在常溫下（T=300K）第二十九頁，共119頁。

.1.2.4

PN結(jié)的反向擊穿當(dāng)PN結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值時(shí)，反向電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。熱擊穿——不可逆雪崩擊穿

(穩(wěn)壓管)齊納擊穿電擊穿——可逆第三十頁，共119頁。

.1.2.5

PN結(jié)的電容效應(yīng)(1)擴(kuò)散電容CD擴(kuò)散電容示意圖當(dāng)PN結(jié)處于正向偏置時(shí)，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使多數(shù)載流子穿過PN結(jié)，在對(duì)方區(qū)域PN結(jié)附近有高于正常情況時(shí)的電荷累積。存儲(chǔ)電荷量的大小，取決于PN結(jié)上所加正向電壓值的大小。離結(jié)越遠(yuǎn)，由于空穴與電子的復(fù)合，濃度將隨之減小。若外加正向電壓有一增量V，則相應(yīng)的空穴（電子）擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)在結(jié)的附近產(chǎn)生一電荷增量Q，二者之比Q/V為擴(kuò)散電容CD。PN結(jié)外加的正向電壓變化時(shí)，在擴(kuò)散過程中載流子的濃度及其梯度均有變化，也有電荷的積累和釋放的過程，其等效電容稱為擴(kuò)散電容Cd。第三十一頁，共119頁。

.1.2.5

PN結(jié)的電容效應(yīng)

(2)勢(shì)壘電容CBPN結(jié)外加電壓變化時(shí)，空間電荷區(qū)的寬度將發(fā)生變化，有電荷的積累和釋放的過程，與電容的充放電相同，其等效電容稱為勢(shì)壘電容Cb。結(jié)電容：

結(jié)電容不是常量！若PN結(jié)外加電壓頻率高到一定程度，則失去單向?qū)щ娦?！所以，有使用最高頻率的限制。第三十二頁，共119頁。問題:為什么將自然界導(dǎo)電性能中等的半導(dǎo)體材料制成本征半導(dǎo)體，導(dǎo)電性能極差，又將其摻雜，改善導(dǎo)電性能？為什么半導(dǎo)體器件的溫度穩(wěn)定性差？是多子還是少子是影響溫度穩(wěn)定性的主要因素？PN結(jié)單向?qū)щ娦约捌浞蔡匦裕?個(gè)重要參數(shù)（正向?qū)妷?、反向飽和電流、擊穿電壓）為什么半?dǎo)體器件有最高工作頻率？第三十三頁，共119頁。1.2二極管

1.2.1

二極管的結(jié)構(gòu)

1.2.2

二極管的伏安特性

1.2.3

二極管的主要參數(shù)

1.2.4

二極管的應(yīng)用第三十四頁，共119頁。將PN結(jié)封裝，引出兩個(gè)電極，就構(gòu)成了二極管;符號(hào)：小功率二極管大功率二極管穩(wěn)壓二極管發(fā)光二極管1.2.1二極管的結(jié)構(gòu)PN第三十五頁，共119頁。二極管按結(jié)構(gòu)分有點(diǎn)接觸型、面接觸型兩大類。(1)點(diǎn)接觸型二極管(a)點(diǎn)接觸型

二極管的結(jié)構(gòu)示意圖PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，故結(jié)允許的電流小，最高工作頻率高。用于檢波和變頻等高頻電路。結(jié)電容、允許電流與最高工作頻率間的關(guān)系？第三十六頁，共119頁。（a）面接觸型（b）集成電路中的平面型（c）代表符號(hào)

(2)面接觸型二極管PN結(jié)面積大，結(jié)電容大，故結(jié)允許的電流大，最高工作頻率低。用于工頻大電流整流電路。(b)面接觸型第三十七頁，共119頁。材料開啟電壓導(dǎo)通電壓反向飽和電流硅Si0.5V0.5~0.8V常取0.71μA以下鍺Ge0.1V0.1~0.3V常取0.2幾十μA開啟電壓反向飽和電流擊穿電壓溫度的電壓當(dāng)量二極管的電流與其端電壓的關(guān)系稱為伏安特性。可如圖測(cè)試

1.2.2二極管的V-I特性第三十八頁，共119頁。

1.2.2二極管的V-I特性二極管的V-I特性曲線可用下式表示鍺二極管2AP15的V-I特性硅二極管2CP10的V-I特性正向特性反向特性反向擊穿特性第三十九頁，共119頁。

1.2.3二極管的主要參數(shù)(1)額定電流IF：(2)反向擊穿電壓VBR：最大瞬時(shí)值反向飽和電流IR：(3)額定電壓（不被擊穿時(shí)反向重復(fù)施加的最大峰值電壓，為反向擊穿電壓的一半

）正向?qū)妷?4)最高工作頻率（向恢復(fù)時(shí)間TRR：）最大正向電流反映單向?qū)щ娦詮?qiáng)弱反向擊穿時(shí)，反向電流急劇增大，失去單向?qū)щ娦詴r(shí)的電壓第四十頁，共119頁。.2.4.2

二極管的基本電路及其分析方法

.2.4.1

二極管電路的簡(jiǎn)化模型

1.2.4

二極管的應(yīng)用第四十一頁，共119頁。二極管是一種非線性器件，因而其電路一般要采用非線性電路的分析方法，相對(duì)來說比較復(fù)雜，常用的分析方法：等效模型分析法。

.2.4.1

二極管電路的簡(jiǎn)化模型第四十二頁，共119頁。

.2.4.1二極管電路的簡(jiǎn)化模型1.二極管V-I特性的建模將指數(shù)模型分段線性化，得到二極管特性的等效模型。（1）理想模型

（a）V-I特性（b）代表符號(hào)（c）正向偏置時(shí)的電路模型（d）反向偏置時(shí)的電路模型第四十三頁，共119頁。

.2.4.1二極管電路的簡(jiǎn)化模型分析方法（a）V-I特性（b）電路模型（a）V-I特性（b）電路模型（2）恒壓降模型（3）折線模型Uon第四十四頁，共119頁。小結(jié)：將伏安特性折線化的二極管等效模型理想二極管近似分析中最常用理想開關(guān)導(dǎo)通時(shí)UD＝0截止時(shí)IS＝0導(dǎo)通時(shí)UD＝Uon截止時(shí)IS＝0導(dǎo)通時(shí)△i與△u成線性關(guān)系應(yīng)根據(jù)不同情況選擇不同的等效電路！？100V？5V？1V？第四十五頁，共119頁。2．模型分析法應(yīng)用舉例（1）整流電路（a）電路圖（b）vs和vO的波形.2.4.2

二極管的基本電路及其分析方法第四十六頁，共119頁。2．模型分析法應(yīng)用舉例（2）限幅電路電路如圖，R=1kΩ，VREF=3V，二極管為硅二極管。分別用理想模型和恒壓降模型求解，當(dāng)vI=6sintV時(shí)，繪出相應(yīng)的輸出電壓vO的波形。第四十七頁，共119頁。2．模型分析法應(yīng)用舉例（3）開關(guān)電路電路如圖所示，求AO的電壓值解：先斷開D，以O(shè)為基準(zhǔn)電位，即O點(diǎn)為0V。則接D陽極的電位為-6V，接陰極的電位為-12V。陽極電位高于陰極電位，D接入時(shí)正向?qū)?。?dǎo)通后，D的壓降等于零，即A點(diǎn)的電位就是D陽極的電位。所以，AO的電壓值為-6V。練習(xí)P271.3用理想模型求。方法：先斷開二極管D，再比較D陽極、陰極電位，判斷導(dǎo)通情況第四十八頁，共119頁。判斷二極管的導(dǎo)通否，先斷開二極管，再分析若有兩只以上二極管，則承受正向電壓最大的優(yōu)先導(dǎo)通,然后再行判斷其他二極管是否導(dǎo)通第四十九頁，共119頁。

例：由理想二極管組成的電路如圖，試確定各電路的輸出電壓R6kΩ-18VUoVD1VD2VD3-6V0V-6VR6kΩ+18VUoVD1VD2VD3+6V0V-6VVD2導(dǎo)通，UO=0VVD2導(dǎo)通，UO=-6V第五十頁，共119頁。1.3特殊二極管

1.3.1

齊納二極管(穩(wěn)壓二極管)

1.3.2肖特基二極管

1.3.3光電二極管

1.3.4

發(fā)光二極管第五十一頁，共119頁。1.符號(hào)及穩(wěn)壓特性由一個(gè)PN結(jié)組成，利用二極管反向擊穿后在一定的電流范圍內(nèi)端電壓基本不變的特性實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓時(shí)工作在反向電擊穿狀態(tài)。

1.3.1

齊納二極管(穩(wěn)壓二極管)第五十二頁，共119頁。進(jìn)入穩(wěn)壓區(qū)的最小電流不至于損壞的最大電流2.主要參數(shù)穩(wěn)定電壓UZ、穩(wěn)定電流IZ最大功耗PZM＝IZMUZ動(dòng)態(tài)電阻rz＝ΔUZ

/ΔIZ

若穩(wěn)壓管的電流太小則不穩(wěn)壓，若穩(wěn)壓管的電流太大則會(huì)因功耗過大而損壞，因而穩(wěn)壓管電路中必需有限制穩(wěn)壓管電流的限流電阻！限流電阻斜率？第五十三頁，共119頁。3.穩(wěn)壓電路例P91.3正常穩(wěn)壓時(shí)VO=VZ

1.3.1

齊納二極管(穩(wěn)壓二極管)第五十四頁，共119頁。（a）符號(hào)（b）正向V-I特性

1.3.2

肖特基二極管第五十五頁，共119頁。（a）符號(hào)（b）電路模型（c）特性曲線

1.3.3

光電二極管第五十六頁，共119頁。符號(hào)光電傳輸系統(tǒng)

1.3.4

發(fā)光二極管第五十七頁，共119頁。1.4雙極型三極管（簡(jiǎn)稱BJT）1.4.1BJT的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介1.4.2放大狀態(tài)下BJT的工作原理1.4.3BJT的V-I特性曲線1.4.4BJT的主要參數(shù)1.4.5*溫度對(duì)BJT參數(shù)及特性的影響第五十八頁，共119頁。晶體管有三個(gè)極、三個(gè)區(qū)、兩個(gè)PN結(jié)。小功率管中功率管大功率管為什么有孔？1.4.1BJT的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

晶體管的結(jié)構(gòu)、類型和符號(hào)第五十九頁，共119頁。半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。它有兩種類型:NPN型和PNP型。1.4.1BJT的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介(b)PNP型管結(jié)構(gòu)示意圖(d)PNP管的電路符號(hào)(c)NPN管的電路符號(hào)(a)NPN型管結(jié)構(gòu)示意圖多子濃度高多子濃度很低，且很薄面積大第六十頁，共119頁。三極管的放大的外部條件：

發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏思考：兩個(gè)二極管背靠背能否構(gòu)成一個(gè)三極管？1.4.2放大狀態(tài)下BJT的工作原理1.BJT放大的內(nèi)部條件、外部條件三極管放大的內(nèi)部條件：

發(fā)射區(qū)多子濃度高，基區(qū)很薄，且多子濃度很低集電區(qū)面積大第六十一頁，共119頁。1.4.2放大狀態(tài)下BJT的工作原理2.內(nèi)部載流子的傳輸過程與電流分配P12實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表示發(fā)射區(qū)：發(fā)射載流子集電區(qū)：收集載流子基區(qū)：傳送和控制載流子

（以NPN為例）

由于三極管內(nèi)有兩種載流子(自由電子和空穴)參與導(dǎo)電，故稱為雙極型三極管或BJT(BipolarJunctionTransistor)。

IC=ICN+ICBOIE=IEN+IEP放大狀態(tài)下BJT中載流子的傳輸過程第六十二頁，共119頁。

擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成發(fā)射極電流IE，復(fù)合運(yùn)動(dòng)形成基極電流IB，漂移運(yùn)動(dòng)形成集電極電流IC。因發(fā)射區(qū)多子濃度高使大量電子從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)IE因基區(qū)薄且多子濃度低，使極少數(shù)擴(kuò)散到基區(qū)的電子與空穴復(fù)合IB因集電區(qū)面積大，在外電場(chǎng)作用下大部分?jǐn)U散到基區(qū)的電子漂移到集電區(qū)IC基區(qū)空穴的擴(kuò)散少數(shù)載流子的運(yùn)動(dòng)IE=IB+IC第六十三頁，共119頁。電流分配關(guān)系根據(jù)傳輸過程可知

IC=INC+ICBO通常

IC>>ICBO

為電流放大系數(shù)。它只與管子的結(jié)構(gòu)尺寸和摻雜濃度有關(guān)，與外加電壓無關(guān)。一般

=0.90.99

。IE=IB+IC放大狀態(tài)下BJT中載流子的傳輸過程第六十四頁，共119頁。穿透電流集電結(jié)反向電流直流電流放大系數(shù)交流電流放大系數(shù)

是另一個(gè)電流放大系數(shù)。同樣，它也只與管子的結(jié)構(gòu)尺寸和摻雜濃度有關(guān)，與外加電壓無關(guān)。一般

>>1。第六十五頁，共119頁。3.三極管的三種組態(tài)(c)共集電極接法，集電極作為公共電極，用CC表示。(b)共發(fā)射極接法，發(fā)射極作為公共電極，用CE表示；(a)共基極接法，基極作為公共電極，用CB表示；BJT的三種組態(tài)第六十六頁，共119頁。綜上所述，三極管的放大作用，主要是依靠它的發(fā)射極電流能夠通過基區(qū)傳輸，然后到達(dá)集電極而實(shí)現(xiàn)的。實(shí)現(xiàn)這一傳輸過程的兩個(gè)條件是：（1）內(nèi)部條件：發(fā)射區(qū)雜質(zhì)濃度遠(yuǎn)大于基區(qū)雜質(zhì)濃度，且基區(qū)很薄,集電區(qū)面積大。（2）外部條件：發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置。第六十七頁，共119頁。1.4.3BJT的V-I特性曲線

iB=f(vBE)

vCE=const.

(2)當(dāng)vCE≥1V時(shí)，vCB=vCE

-vBE>0，集電結(jié)已進(jìn)入反偏狀態(tài)，開始收集電子，基區(qū)復(fù)合減少，同樣的vBE下IB減小，特性曲線右移。

(1)當(dāng)vCE=0V時(shí)，相當(dāng)于發(fā)射結(jié)的正向伏安特性曲線。1.輸入特性曲線（以共射極放大電路為例）共射極連接第六十八頁，共119頁。為什么UCE增大曲線右移？

對(duì)于小功率晶體管，UCE大于1V的一條輸入特性曲線可以取代UCE大于1V的所有輸入特性曲線。為什么像PN結(jié)的伏安特性？為什么UCE增大到一定值曲線右移就不明顯了？輸入特性第六十九頁，共119頁。2.輸出特性β是常數(shù)嗎？什么是理想晶體管？什么情況下?對(duì)應(yīng)于一個(gè)IB就有一條iC隨uCE變化的曲線。為什么uCE較小時(shí)iC隨uCE變化很大？為什么進(jìn)入放大狀態(tài)曲線幾乎是橫軸的平行線？飽和區(qū)放大區(qū)截止區(qū)第七十頁，共119頁。飽和區(qū)：iC明顯受vCE控制的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)，一般vCE＜0.7V(硅管)。此時(shí)，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏。iC=f(vCE)

iB=const.2.輸出特性曲線輸出特性曲線的三個(gè)區(qū)域:截止區(qū)：iC接近零的區(qū)域，相當(dāng)iB=0的曲線的下方。此時(shí)，發(fā)射結(jié)反正偏，集電結(jié)反偏。放大區(qū)：iC平行于vCE軸的區(qū)域，曲線基本平行等距。此時(shí)，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。1.4.3BJT的V-I特性曲線VB=VC臨界飽和（放大）區(qū)第七十一頁，共119頁。練習(xí)：例：測(cè)得電路中三極管3個(gè)電極的電位如圖所示。問哪些管子工作于放大狀態(tài)，哪些處于截止、飽和狀態(tài)？發(fā)射結(jié)反正偏，集電結(jié)反偏，管子工作于截止?fàn)顟B(tài)。發(fā)射結(jié)反正偏，集電結(jié)反偏，管子工作于放大狀態(tài)。第七十二頁，共119頁。第七十三頁，共119頁。理想三極管：

晶體管工作在放大狀態(tài)時(shí)，輸出回路的電流iC僅僅決定于輸入回路的電流iB，即可將輸出回路等效為電流iB

控制的電流源iC

。（無穿透電流，β

處處相等）第七十四頁，共119頁。

(1)共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)

=（IC－ICEO）/IB≈IC/IB

vCE=const.1.電流放大系數(shù)

1.4.4BJT的主要參數(shù)與iC的關(guān)系曲線

(2)共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)

=iC/iBvCE=const.第七十五頁，共119頁。1.電流放大系數(shù)

(3)共基極直流電流放大系數(shù)

=（IC－ICBO）/IE≈IC/IE

(4)共基極交流電流放大系數(shù)α

α=iC/iEvCB=const.當(dāng)ICBO和ICEO很小時(shí)，≈、≈，可以不加區(qū)分。1.4.4BJT的主要參數(shù)第七十六頁，共119頁。

2.極間反向電流

(1)集電極基極間反向飽和電流ICBO

發(fā)射極開路時(shí)，集電結(jié)的反向飽和電流。

1.4.4BJT的主要參數(shù)

(2)集電極發(fā)射極間的反向飽和電流ICEO

第七十七頁，共119頁。(1)集電極最大允許電流ICM(2)集電極最大允許功率損耗PCM

PCM=ICVCE

3.極限參數(shù)1.4.4BJT的主要參數(shù)第七十八頁，共119頁。

3.極限參數(shù)1.4.4BJT的主要參數(shù)(3)反向擊穿電壓

V(BR)CBO——發(fā)射極開路時(shí)的集電結(jié)反 向擊穿電壓。V(BR)EBO——集電極開路時(shí)發(fā)射結(jié)的反 向擊穿電壓。

V(BR)CEO——基極開路時(shí)集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓。幾個(gè)擊穿電壓有如下關(guān)系

V(BR)CBO＞V(BR)CEO＞V(BR)EBO第七十九頁，共119頁。1.4.5溫度對(duì)BJT參數(shù)及特性的影響(1)溫度對(duì)ICBO的影響溫度每升高10℃，ICBO約增加一倍。(2)溫度對(duì)的影響溫度每升高1℃，值約增大0.5%~1%。

(3)溫度對(duì)反向擊穿電壓V(BR)CBO、V(BR)CEO的影響溫度升高時(shí)，V(BR)CBO和V(BR)CEO都會(huì)有所提高。

1.溫度對(duì)BJT參數(shù)的影響第八十頁，共119頁。2、溫度對(duì)晶體管特性的影響第八十一頁，共119頁。1.6直流穩(wěn)壓電源2濾波器3直流穩(wěn)壓電源1整流電路第八十二頁，共119頁。1.6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)壓第八十三頁，共119頁。1.6.1整流電路整流電路的作用:

將交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動(dòng)的直流電壓。

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)娮铻榱悖聪螂娮铻闊o窮大。整流原理：

利用二極管的單向?qū)щ娦缘诎耸捻?，?19頁。uDO1.6.2單相半波整流電路2.工作原理u正半周，Va>Vb，二極管D導(dǎo)通；3.工作波形

u負(fù)半周，Va<Vb，二極管D截止。1.電路結(jié)構(gòu)–++–aTrDuoubRLioutOuoO第八十五頁，共119頁。4.參數(shù)計(jì)算(1)整流電壓平均值Uo(2)整流電流平均值Io(3)流過每管電流平均值ID(4)每管承受的最高反向電壓UDRM第八十六頁，共119頁。5.整流二極管的選擇

平均電流ID與最高反向電壓UDRM

是選擇整流二極管的主要依據(jù)。選管時(shí)應(yīng)滿足：

IOM

ID

，URWMUDRM

半波整流電路的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用的元件少。缺點(diǎn)：只利用了電源的半個(gè)周期，所以電源利用率低，輸出的直流成分比較低；輸出波形的脈動(dòng)大；故半波整流只用在要求不高，輸出電流較小的場(chǎng)合。第八十七頁，共119頁。1.6.2單相橋式整流電路2.工作原理u

正半周，Va>Vb，二極管

D1、D3導(dǎo)通，D2、D4截止。3.工作波形uD2uD41.電路結(jié)構(gòu)－uouDttRLuiouo1234ab+–+–－u第八十八頁，共119頁。18.1.2單相橋式整流電路2.工作原理3.工作波形uD2uD41.電路結(jié)構(gòu)RLuiouo1234ab+–+–u

正半周，Va>Vb，二極管1、3導(dǎo)通，2、4截止。u

負(fù)半周，Va<Vb，二極管2、4導(dǎo)通，1、3截止。uouDttuD1uD3－－u第八十九頁，共119頁。4.參數(shù)計(jì)算(1)整流電壓平均值Uo(2)整流電流平均值Io(3)流過每管電流平均值ID(4)每管承受的最高反向電壓UDRM第九十頁，共119頁。(1)輸出直流電壓高；

(2)脈動(dòng)較小；

(3)電源變壓器得到充分利用。

目前，半導(dǎo)體器件廠已將整流二極管封裝在一起，制成單相及三相整流橋模塊，這些模塊只有輸入交流和輸出直流引線。減少接線，提高了可靠性，使用起來非常方便。橋式整流電路的優(yōu)點(diǎn)：第九十一頁，共119頁。解：變壓器副邊電壓有效值

例1：?jiǎn)蜗鄻蚴秸麟娐?，已知交流電網(wǎng)電壓為220V，負(fù)載電阻RL=50，負(fù)載電壓Uo=100V，試求變壓器的變比和容量，并選擇二極管。流過每只二極管電流平均值每只二極管承受的最高反向電壓整流電流的平均值

考慮到變壓器副繞組及二極管上的壓降，變壓器副邊電壓一般應(yīng)高出5%~10%，即取

U=1.1111122V第九十二頁，共119頁。例2：?jiǎn)蜗鄻蚴秸麟娐?，已知交流電網(wǎng)電壓為220V，負(fù)載電阻RL=50，負(fù)載電壓Uo=100V，試求變壓器的變比和容量，并選擇二極管。

I=1.11Io=21.11=2.2A

變壓器副邊電流有效值變壓器容量

S=UI=122

2.2=207.8VA變壓器副邊電壓U

122V

可選用二極管2CZ11C，其最大整流電流為1A，反向工作峰值電壓為300V。第九十三頁，共119頁。

試分析圖示橋式整流電路中的二極管D2

或D4

斷開時(shí)負(fù)載電壓的波形。如果D2

或D4接反，后果如何？如果D2或D4因擊穿或燒壞而短路，后果又如何？

例3：uo+_~u+_RLD2D4D1D3解：當(dāng)D2或D4斷開后電路為單相半波整流電路。正半周時(shí)，D1和D3導(dǎo)通，負(fù)載中有電流過，負(fù)載電壓uo=u；負(fù)半周時(shí)，D1和D3截止，負(fù)載中無電流通過，負(fù)載兩端無電壓，uo=0。

uo

u

π2π3π4πtwtwπ2π3π4πoo第九十四頁，共119頁。

如果D2或D4接反則正半周時(shí)，二極管D1、D4或D2、D3導(dǎo)通，電流經(jīng)D1、D4或D2、D3而造成電源短路，電流很大，因此變壓器及D1、D4或D2、D3將被燒壞。

如果D2或D4因擊穿燒壞而短路則正半周時(shí)，情況與D2或D4接反類似，電源及D1或D3也將因電流過大而燒壞。uo+_~u+_RLD2D4D1D3第九十五頁，共119頁。1.6.2

濾波器

交流電壓經(jīng)整流電路整流后輸出的是脈動(dòng)直流，其中既有直流成份又有交流成份。

濾波原理：濾波電路利用儲(chǔ)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。方法：將電容與負(fù)載RL并聯(lián)(或?qū)㈦姼信c負(fù)載RL串聯(lián))。第九十六頁，共119頁。

1.6.2電容濾波器

1.電路結(jié)構(gòu)2.工作原理u>uC時(shí)，二極管導(dǎo)通，電源在給負(fù)載RL供電的同時(shí)也給電容充電，uC

增加，uo=uC

。

u<uC時(shí)，二極管截止，電容通過負(fù)載RL

放電，uC按指數(shù)規(guī)律下降，uo=uC

。+Cici–++–aDuoubRLio=uC

3.工作波形uoutOtO第九十七頁，共119頁。4.電容濾波電路的特點(diǎn)(T—電源電壓的周期)(1)輸出電壓的脈動(dòng)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。近似估算?。?/p>

Uo

=1.2U(

橋式、全波）

Uo

=1.0U

（半波）當(dāng)負(fù)載RL開路時(shí)，UO

為了得到比較平直的輸出電壓第九十八頁，共119頁。例：

有一單相橋式整流濾波電路，已知交流電源頻率f=50Hz，負(fù)載電阻RL=200，要求直流輸出電壓Uo=30V，選擇整流二極管及濾波電容器。流過二極管的電流二極管承受的最高反向電壓變壓器副邊電壓的有效值uRLuo++––~+C解：1.選擇整流二極管可選用二極管2CP11IOM=100mAURWM=50V

第九十九頁，共119頁。

例：有一單相橋式整流濾波電路，已知交流電源頻率f=50Hz，負(fù)載電阻RL=200，要求直流輸出電壓Uo=30V，選擇整流二極管及濾波電容器。取RLC=5T/2已知RL=50uRLuo++––~+C解：2.選擇濾波電容器可選用C=250F，耐壓為50V的極性電容器第一百頁，共119頁。18.2.2電感電容濾波器1.電路結(jié)構(gòu)L

uRLuo++––~+C2.濾波原理

對(duì)直流分量:XL=0，L相當(dāng)于短路,電壓大部分降在RL上。對(duì)諧波分量:f

越高,XL越大,電壓大部分降在L上。因此,在負(fù)載上得到比較平滑的直流電壓。

當(dāng)流過電感的電流發(fā)生變化時(shí)，線圈中產(chǎn)生自感電勢(shì)阻礙電流的變化,使負(fù)載電流和電壓的脈動(dòng)減小。

LC濾波適合于電流較大、要求輸出電壓脈動(dòng)較小的場(chǎng)合，用于高頻時(shí)更為合適。第一百零一頁，共119頁。1.6.3

直流穩(wěn)壓電源

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。

穩(wěn)壓電路的輸出電壓大小基本上與電網(wǎng)電壓、負(fù)載及環(huán)境溫度的變化無關(guān)。理想的穩(wěn)壓器是輸出阻抗為零的恒壓源。實(shí)際上，它是內(nèi)阻很小的電壓源。其內(nèi)阻越小，穩(wěn)壓性能越好。

穩(wěn)壓電路是整個(gè)電子系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，也可以是一個(gè)獨(dú)立的電子部件。第一百零二頁，共119頁。18.3.1穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路2.工作原理UO

=UZ

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

基本不變IR

(IRR)基本不變UO

(UZ

)IZ1.電路+–UIRL+CIOUO+–+–uIRRDZIz限流調(diào)壓穩(wěn)壓電路第一百零三頁，共119頁。1.6.3穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路2.工作原理UO

=UZ

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第一百零四頁，共119頁。3.參數(shù)的選擇(1)UZ

=UO(2)IZM=(1.5~3)ICM(3)UI

=(2~3)UO(4)為保證穩(wěn)壓管安全工作為保證穩(wěn)壓管正常工作

適用于輸出電壓固定、輸出電流不大、且負(fù)載變動(dòng)不大的場(chǎng)合。第一百零五頁，共119頁。18.3.2恒壓源

由穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路和運(yùn)算放大器可組成恒壓源。UORFR2R1+–++–RL+–UZRDZ+UUORFR2R1++–+–RLRDZ+–UZ+U反相輸入恒壓源同相輸入恒壓源改變RF即可調(diào)節(jié)恒壓源的輸出電壓。第一百零六頁，共119頁。UiTR2UZRLUO+–R3++––+UB+–DZ+–Uf+–R118.3.3串聯(lián)型穩(wěn)壓電路1.電路結(jié)構(gòu)

串聯(lián)型穩(wěn)壓電路由基準(zhǔn)電壓、比較放大、取樣電路和調(diào)整元件四部分組成。調(diào)整元件比較放大基準(zhǔn)電壓取樣電路第一百零七頁，共119頁。

當(dāng)由于電源電壓或負(fù)載電阻的變化使輸出電壓UO

升高時(shí)，有如下穩(wěn)壓過程：2.穩(wěn)壓過程

由電路圖可知UOUfUBUOICUCE

由于引入的是串聯(lián)電壓負(fù)反饋