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1、模块1常用半导体器件 模块3功率放大器 模块5集成运放及其应用 模块2电压放大器 模块4负反馈放大器 模块6信号发生器 模块7直流稳压电源 模块8电子线路仿真软件简介 常用半导体器件 模块1 1 1半导体的基本知识1 2半导体二极管1 3半导体三极管1 4场效应管1 5晶闸管及应用 1 1 1本征半导体 半导体 导电能力介于导体和绝缘体之间的物质 本征半导体 纯净的半导体 如硅 锗单晶体 载流子 自由运动的带电粒子 共价键 相邻原子共有价电子所形成的束缚 硅 锗 的原子结构 简化模型 硅 锗 的共价键结构 自由电子 束缚电子 空穴可在共价键内移动 1 1半导体的基础知识 本征激发 复合 自由电
2、子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程 漂移 自由电子和空穴在电场作用下的定向运动 在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子 并在共价键中留下一个空位 空穴 的过程 两种载流子 电子 自由电子 空穴 两种载流子的运动 自由电子 在共价键以外 的运动 空穴 在共价键以内 的运动 结论 1 本征半导体中电子空穴成对出现 且数量少 2 半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电 3 本征半导体导电能力弱 并与温度有关 1 1 2杂质半导体 一 N型半导体和P型半导体 N型 磷原子 自由电子 电子为多数载流子 空穴为少数载流子 载流子数 电子数 P型 硼原子 空穴 空穴 多子 电子
3、 少子 载流子数 空穴数 施主离子 施主原子 受主离子 受主原子 二 杂质半导体的导电作用 I IP IN I IP IN N型半导体I IN P型半导体I IP 三 P型 N型半导体的简化图示 1 1 3PN结 一 PN结 PNJunction 的形成 1 载流子的浓度差引起多子的扩散 2 复合使交界面形成空间电荷区 耗尽层 空间电荷区特点 无载流子 阻止扩散进行 利于少子的漂移 3 扩散和漂移达到动态平衡 扩散电流等于漂移电流 总电流I 0 内建电场 二 PN结的单向导电性 1 外加正向电压 正向偏置 forwardbias 内电场 外电场 外电场使多子向PN结移动 中和部分离子使空间电荷
4、区变窄 扩散运动加强形成正向电流IF IF I多子 I少子 I多子 2 外加反向电压 反向偏置 reversebias 外电场使少子背离PN结移动 空间电荷区变宽 PN结的单向导电性 正偏导通 呈小电阻 电流较大 反偏截止 电阻很大 电流近似为零 漂移运动加强形成反向电流IR IR I少子 0 1 2 1半导体二极管的结构和分类 构成 PN结 引线 管壳 二极管 Diode 符号 A anode C cathode 分类 按材料分 硅二极管 锗二极管 按结构分 点接触型 面接触型 平面型 1 2半导体二极管 1 2 2二极管的伏安特性 一 PN结的伏安方程 反向饱和电流 温度的电压当量 电子电
5、量 玻尔兹曼常数 当T 300 27 C UT 26mV 二 二极管的伏安特性 正向特性 Uth 死区电压 iD 0 Uth 0 5V 0 1V 硅管 锗管 U Uth iD急剧上升 0 U Uth UD on 0 6 0 8 V 硅管0 7V 0 1 0 3 V 锗管0 2V 反向特性 IS U BR 反向击穿 U BR U 0 iD IS 0 1 A 硅 几十 A 锗 U U BR 反向电流急剧增大 反向击穿 反向击穿类型 电击穿 热击穿 反向击穿原因 齐纳击穿 Zener 反向电场太强 将电子强行拉出共价键 击穿电压 6V 负温度系数 雪崩击穿 反向电场使电子加速 动能增大 撞击使自由电
6、子数突增 PN结未损坏 断电即恢复 PN结烧毁 击穿电压 6V 正温度系数 击穿电压在6V左右时 温度系数趋近零 硅管的伏安特性 锗管的伏安特性 温度对二极管特性的影响 T升高时 UD on 以 2 2 5 mV C下降 1 2 3二极管的主要参数 1 IF 最大整流电流 最大正向平均电流 2 URM 最高反向工作电压 为U BR 2 3 IR 反向电流 越小单向导电性越好 4 fM 最高工作频率 超过时单向导电性变差 影响工作频率的原因 PN结的电容效应 结论 1 低频时 因结电容很小 对PN结影响很小 高频时 因容抗增大 使结电容分流 导致单向导电性变差 2 结面积小时结电容小 工作频率高
7、 1 2 4二极管等效电路 一 理想二极管 特性 符号及等效模型 正偏导通 uD 0 反偏截止 iD 0U BR 二 二极管的恒压降模型 UD on uD UD on 0 7V Si 0 2V Ge 三 二极管的折线近似模型 UD on 斜率1 rD rD UD on UD on 例 1 1 硅二极管 R 2k 分别用二极管理想模型和恒压降模型求出VDD 2V和VDD 10V时IO和UO的值 解 VDD 2V 理想 IO VDD R 2 2 1 mA UO VDD 2V 恒压降 UO VDD UD on 2 0 7 1 3 V IO UO R 1 3 2 0 65 mA VDD 10V 理想
8、IO VDD R 10 2 5 mA 恒压降 UO 10 0 7 9 3 V IO 9 3 2 4 65 mA VDD大 采用理想模型VDD小 采用恒压降模型 例 1 2 试求电路中电流I1 I2 IO和输出电压UO的值 解 假设二极管断开 UP 15V UP UN 二极管导通 等效为0 7V的恒压源 UO VDD1 UD on 15 0 7 14 3 V IO UO RL 14 3 3 4 8 mA I2 UO VDD2 R 14 3 12 1 2 3 mA I1 IO I2 4 8 2 3 7 1 mA P N 例1 3二极管构成 门 电路 设V1 V2均为理想二极管 当输入电压UA UB
9、为低电压0V和高电压5V的不同组合时 求输出电压UO的值 0V 0V 正偏导通 正偏导通 0V 0V 5V 正偏导通 反偏截止 0V 5V 0V 反偏截止 正偏导通 0V 5V 5V 正偏导通 正偏导通 5V 例1 4画出硅二极管构成的桥式整流电路在ui 15sin t V 作用下输出uO的波形 按理想模型 若有条件 可切换到EWB环境观察桥式整流波形 例1 5ui 2sin t V 分析二极管的限幅作用 ui较小 宜采用恒压降模型 ui 0 7V V1 V2均截止 uO ui uO 0 7V ui 0 7V V2导通V 截止 ui 0 7V V1导通V2截止 uO 0 7V 思考题 V1 V
10、2支路各串联恒压源 输出波形如何 可切至EWB 小结 理想二极管 正偏导通 电压降为零 相当于开关合上 反偏截止 电流为零 相当于开关断开 恒压降模型 正偏电压 UD on 时导通 等效为恒压源UD on 否则截止 相当于二极管支路断开 四 指数模型 电路中含直流和小信号交流电源时 二极管中含交 直流成分 C隔直流通交流 当ui 0时 iD IQ UQ 0 7V 硅 0 2V 锗 设ui sinwt VDD VDD R Q IQ UQ id 斜率1 rd rd UT IQ 26mV IQ 当ui幅度较小时 二极管伏安特性在Q点附近近似为直线 五 微变等效电路 对于交流信号电路可等效为 例 1
11、6 ui 5sin t mV VDD 4V R 1k 求iD和uD 解 1 静态分析 令ui 0 取UQ 0 7V IQ VDD UQ R 3 3mA 2 动态分析 rd 26 IQ 26 3 3 8 Idm Udm rd 5 8 0 625 mA id 0 625sin t 3 总电压 电流 0 7 0 005sin t V 3 3 0 625sin t mA 1 2 5特殊二极管一 稳压二极管 1 伏安特性 符号 工作条件 反向击穿 特性 2 主要参数 1 稳定电压UZ流过规定电流时稳压管两端的反向电压值 2 稳定电流IZ越大稳压效果越好 小于Imin时不稳压 3 最大工作电流IZM最大耗
12、散功率PZM PZM UZIZM 4 动态电阻rZ rZ UZ IZ 越小稳压效果越好 几 几十 二 发光二极管LED LightEmittingDiode 1 符号和特性 工作条件 正向偏置 一般工作电流几十mA 导通电压 1 2 V 2 主要参数 电学参数 IFM U BR IR 光学参数 峰值波长 P 亮度L 光通量 发光类型 可见光 红 黄 绿 显示类型 普通LED 不可见光 红外光 点阵LED 符号 特性 七段LED 三 光敏二极管 1 符号和特性 符号 特性 工作条件 反向偏置 2 主要参数 电学参数 暗电流 光电流 最高工作范围 光学参数 光谱范围 灵敏度 峰值波长 1 3 1三
13、极管结构与工作原理 一 结构 符号和分类 发射极E 基极B 集电极C 发射结 集电结 基区 发射区 集电区 emitter base collector NPN型 PNP型 分类 按材料分 硅管 锗管按结构分 NPN PNP按使用频率分 低频管 高频管按功率分 小功率管1W 1 3半导体三极管 二 电流放大原理 1 三极管放大的条件 内部条件 发射区掺杂浓度高 基区薄且掺杂浓度低 集电结面积大 外部条件 发射结正偏集电结反偏 2 满足放大条件的三种电路 共发射极 共集电极 共基极 实现电路 3 三极管内部载流子的传输过程 1 发射区向基区注入多子电子 形成发射极电流IE ICN 多数向BC结方
14、向扩散形成ICN IE 少数与空穴复合 形成IBN IBN 基区空穴来源 基极电源提供 IB 集电区少子漂移 ICBO ICBO IB IBN IB ICBO 即 IB IBN ICBO 3 集电区收集扩散过来的载流子形成集电极电流IC IC IC ICN ICBO 2 电子到达基区后 基区空穴运动因浓度低而忽略 4 三极管的电流分配关系 当管子制成后 发射区载流子浓度 基区宽度 集电结面积等确定 故电流的比例关系确定 即 IB IBN ICBO IC ICN ICBO IE IC IB 穿透电流 1 3 2三极管的伏安特性 一 输入特性 输入回路 输出回路 与二极管特性相似 特性基本重合 电
15、流分配关系确定 特性右移 因集电结开始吸引电子 导通电压UBE on 硅管 0 6 0 8 V 锗管 0 2 0 3 V 取0 7V 取0 2V 二 输出特性 截止区 IB 0IC ICEO 0条件 两个结反偏 2 放大区 3 饱和区 uCE uBE uCB uCE uBE 0 条件 两个结正偏 特点 IC IB 临界饱和时 uCE uBE 深度饱和时 0 3V 硅管 UCE SAT 0 1V 锗管 放大区 截止区 饱和区 条件 发射结正偏集电结反偏特点 水平 等间隔 ICEO 温度对特性曲线的影响 1 温度升高 输入特性曲线向左移 温度每升高1 C UBE 2 2 5 mV 温度每升高10
16、C ICBO约增大1倍 2 温度升高 输出特性曲线向上移 T1 T2 温度每升高1 C 0 5 1 输出特性曲线间距增大 O 三 晶体三极管的主要参数 一 电流放大系数 1 共发射极电流放大系数 直流电流放大系数 交流电流放大系数 一般为几十 几百 2 共基极电流放大系数 1一般在0 98以上 Q 二 极间反向饱和电流 CB极间反向饱和电流ICBO CE极间反向饱和电流ICEO 三 极限参数 1 ICM 集电极最大允许电流 超过时 值明显降低 U BR CBO 发射极开路时C B极间反向击穿电压 2 PCM 集电极最大允许功率损耗 PC iC uCE 3 U BR CEO 基极开路时C E极间反向击穿电压 U BR EBO 集电极极开路时E B极间反向击穿电压 U BR CBO U BR CEO U BR EBO P342 1 7 已知 ICM 20mA PCM 100mW U BR CEO 20V 当UCE 10V时 IC mA当UCE 1V 则IC mA当IC 2mA 则UCE V 10 20 20 四 三极管的等效电路 1 3 3常用三极管 引言 场效应管FET FieldEff
