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1、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
2、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
3、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,
4、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
5、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
6、。,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
7、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,P
8、N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
9、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
10、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，
11、 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
12、。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/）；
13、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
14、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
15、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
16、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
