第9章極管與晶體管

第9章二極管和晶體管

第12章直流穩(wěn)壓電源9.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體。

物質(zhì)按導(dǎo)電能力劃分：

半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能：

價電子參與導(dǎo)電、摻雜增強(qiáng)導(dǎo)電能力、熱敏特性、光敏特性。一、本征半導(dǎo)體

1.什么是本征半導(dǎo)體

是一種完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。2.本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性

在絕對零度時，不導(dǎo)電。溫度（或光照）→價電子獲得能量：本征激發(fā)產(chǎn)生自由電子和空穴對。自由電子和空穴均參與導(dǎo)電，統(tǒng)稱為載流子。溫度→載流子的濃度→導(dǎo)電能力。自由電子釋放能量跳回共價鍵——復(fù)合。本征半導(dǎo)體載流子濃度較低，導(dǎo)電能力較弱。二、雜質(zhì)半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。(1)摻入五價的雜質(zhì)元素自由電子的濃度空穴的濃度。自由電子為多數(shù)載流子，空穴為少數(shù)載流子。稱這種雜質(zhì)半導(dǎo)體為N型半導(dǎo)體。(2)摻入三價的雜質(zhì)元素自由電子的濃度空穴的濃度?？昭槎鄶?shù)載流子。自由電子為少數(shù)載流子。稱這種雜質(zhì)半導(dǎo)體為P型半導(dǎo)體。

雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體空間電荷＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－三、PN結(jié)1.PN結(jié)的形成擴(kuò)散運(yùn)動＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－

擴(kuò)散運(yùn)動：多數(shù)載流子由于濃度的差別而形成的運(yùn)動。＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－內(nèi)電場PN結(jié)

多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動繼續(xù)進(jìn)行，使PN結(jié)加寬，內(nèi)電場增強(qiáng)。內(nèi)電場越強(qiáng)，多數(shù)載流子的運(yùn)動越難以進(jìn)行。內(nèi)電場越強(qiáng)，少數(shù)載流子的運(yùn)動越易于進(jìn)行。＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－－－＋＋＋＋

漂移運(yùn)動：少數(shù)載流子在內(nèi)電場作用下的運(yùn)動。漂移運(yùn)動使PN結(jié)變薄，內(nèi)電場削弱。內(nèi)電場削弱，又有利于多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動，而不利于少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動。漂移運(yùn)動＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－

多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動與少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動達(dá)到動態(tài)平衡——平衡的PN結(jié)。內(nèi)電場2.PN結(jié)的特性(1)正向偏置(2)反向偏置RＰN外電場ＰNR外電場正向?qū)↖反向截止I≈0

主要特性：單向?qū)щ娦浴?.2二極管一、普通二極管

ＰN陽極陰極(1)按結(jié)構(gòu)分類

點(diǎn)接觸型、面接觸型。(2)按材料分類硅管、鍺管。(3)按用途不同分類普通管、整流管、開關(guān)管等。1.基本結(jié)構(gòu)幾種二極管外觀圖小功率二極管大功率二極管

發(fā)光二極管U/VI/mA

O二、伏安特性

反向特性

正向特性死區(qū)

死區(qū)電壓Uth

：硅管0.5V

鍺管

0.1

V

導(dǎo)通壓降UD

：硅管0.6~0.7V

鍺管0.2~0.3V

UDUBRIR(1)實(shí)際特性鍺管硅管UD(2)近似特性UI

OUI

O(3)理想特性3.主要參數(shù)(1)額定正向平均電流（最大整流電流）IF(2)正向壓降UF(3)最高反向工作電壓UR

一般規(guī)定為反向擊穿電壓的1/2或1/3。(4)最大反向電流IRm

晶體二極管的應(yīng)用【例1】下圖中，已知VA=3V，VB=0V，DA

、DB為鍺管，求輸出端Y的電位，并說明每個二極管的作用。解：DA優(yōu)先導(dǎo)通，則VY=3–0.3=2.7VDA導(dǎo)通后，DB因反偏而截止，起隔離作用，DA起鉗位作用，將Y端的電位鉗制在+2.7V。DA

–12VYABDBR2.7V3V0V【例2】下圖是二極管限幅電路，D為理想二極管，E=3V

，ui

=6sintV，試畫出

uo及uD的波形。2ui3V時，D截止，IR=0，uO=ui

uD=uO–3Vui>3V時，D導(dǎo)通，uD=0，uO=3V

ui

/Vt

6302解：t

30–6uo

/Vt

0–9uD

/V–3DE3VRuiuouRuDIR*二、光電二極管（光敏二極管）

作用：將光信號轉(zhuǎn)化為電信號。反向電流隨光照強(qiáng)度的增加而上升。RED

光電二極管電路RED

發(fā)光二極管電路*三、發(fā)光二極管

作用：將電信號轉(zhuǎn)化為光信號。發(fā)光的顏色取決于制造材料。*四、光電耦合器（光電隔離器）

作用：①電氣隔離；②抗干擾；③系統(tǒng)保護(hù)。輸入電路輸出電路

第12章

直流穩(wěn)壓電源

直流穩(wěn)壓電源的組成

大小不合適的交流大小合適的交流~交流電源脈動直流不穩(wěn)定的直流穩(wěn)定直流直流負(fù)載濾波電路電源變壓器整流電路穩(wěn)壓電路12.1整流電路

12.1.1半波整流電路一、電路組成totototo23uou2uDio232U22U22U2Im2233二、工作原理uou2u1ioRLTuDD22,0,,0uuuDuDo==<截止時三、電路計算uOu2u1uDiODRLTUO=0.45U2,IO=UORL=0.45U2RLID=IO,UDRM=2U2t0ttt23uOu2uDiO232U22U22U2Im2233000UOIO12.1.2單相全波整流電路totototo23232U22√2U22U2Im2233uD1uD2uOu2uDiOUORLuOD1D2u2u2~220V~–~~+~12.1.3橋式全波整流電路

一、橋式整流電路的組成D1和D3導(dǎo)通,D2和D4截止(相當(dāng)于開路)u2Tu1RLuoio二、整流電路工作原理+–+–+–—u2正半周由二極管

D1D4組成。D4D3D2D1二、整流電路工作原理D2和

D4導(dǎo)通,D1和

D3截止(相當(dāng)于開路)u2Tu1RLD4D3D2uoio——u2負(fù)半周D1+–+–+–三、電壓、電流的計算UO=0.9U2,0.9U2RLIO=UORL=UDRM

=2U2,IO=0.9I2,或I2

=1.11IO,

U2=1.11UO選用二極管的依據(jù)是:ID應(yīng)小于IF

(最大整流電流）UDRM應(yīng)小于UR(最高反向工作電壓)ID

=IO12totototo23232U22U22U2Im2233uD1uD3uD4uD2uOu2uDiOUO橋式整流電路的幾種畫法+~~–+–~~~~+–~~+–[例12.1.1]一橋式整流電路，已知負(fù)載電阻RL=240，負(fù)載所需直流電壓=12V，電源變壓器一次電壓U1=220V。試求該電路正常工作時的負(fù)載電流、二極管平均電流ID和變壓器的電壓比k。[解]負(fù)載直流電流IO=UORL=A=0.05A12240ID=IO=×0.05A=0.025A1212二極管平均電流

變壓器的二次電壓U2=

=V=13.33VUo0.9120.9變壓器的電壓比k=

==16.5U2U1

22013.3312.2濾波器一、電容濾波電路C＋

＋

uO

－RL＋u2－＋u1－uOωtO√2U2電容放電

當(dāng)二極管導(dǎo)通時，電容被充電儲能。當(dāng)二極管截止時，電容放電。濾波電容的選擇：

C≥(3~5)T2RL=1.5~2.52RLfUCN=√2U2輸出電壓的平均值:

UO=1.2U2（全波）空載輸出直流電壓:濾波電容的耐壓：UCN≥√2U2[例12.2.1]一橋式整流、電容濾波電路，已知電源頻率f=50Hz，負(fù)載電阻RL=100，輸出直流電壓UO=30V。試求：(1)選擇整流二極管；(2)選擇濾波電容器；(3)負(fù)載電阻斷路時的輸出電壓UO；(4)電容斷路時的輸出電壓UO。[解](1)選擇整流二極管IO=UORL=A=0.3A30100U2=UO1.2301.2=25V=URm=2

U2

=2×25

V

=35.4VID=IO=×0.3A=0.15A1212查附錄，選用2CZ53B4個（IF=300mA，UR=50V）。(2)選擇濾波電容器C≥1.5~2.5RLf1.5~2.5100×50

==(300~500)μFFUCN≥=2×25

V=35.4V2

U2

(3)負(fù)載電阻斷路時UO=2

U2

=2×25

V=35.4V(4)電容斷路時UO=0.9U2=0.9×25V=22.5VIF≥2ID=2×0.15A=0.3A，UR≥URm=34.5V二、電感濾波電路對直流分量:

XL=0，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。＋

uO－RLiO＋u2－＋u1－L＋

uO－RLiOC2

＋C1

＋三、復(fù)式濾波電路C2

＋C1

＋1.LC－形濾波電路2.RC－形濾波電路L＋

uO－RLiORL9.3穩(wěn)壓二極管又稱為齊納二極管。為面結(jié)型硅二極管。反向特性正向特性

特點(diǎn)：①反向擊穿電壓小；②反向擊穿特性陡。擊穿電壓UZIZmax

U/V

I/mA

OIZmin12.3穩(wěn)壓電路[解](1)Ui＝10V時DZ反向擊穿穩(wěn)壓：UO=UZ=5V。

(2)Ui=3V時DZ反向截止：UO=Ui=3V。

(3)Ui=－5V時DZ正向?qū)ǎ篣O=0V。

(4)ui

=10sin

tV時當(dāng)0＜ui＜5V時，DZ反向截止：UO=Ui=10sin

tV。當(dāng)ui＞5V時，DZ反向擊穿穩(wěn)壓：[例12.3.1]如圖所示電路，設(shè)UZ=

5V，正向壓降忽略不計。當(dāng)直流輸入Ui

=10V、3V、－5V時，Uo=？當(dāng)輸入為交流ui

=10sin

tV時，分析uO的波形。RDZ

＋Ui－＋UO－5

tuO/VO23UO=UZ=5V。當(dāng)ui＜0V時，DZ正向?qū)ǎ篣O=0V。、穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路+-u2+-u1C＋Ui－RL＋UO－IIORDZIZ穩(wěn)壓過程：UO

→

IZ

→

I

→

IR

UO三、集成穩(wěn)壓電路

分為線性集成穩(wěn)壓電路和開關(guān)集成穩(wěn)壓電路。1.三端固定式集成穩(wěn)壓器CW7800系列正電壓穩(wěn)壓器。CW7900系列負(fù)電壓穩(wěn)壓器。

132

輸出電壓規(guī)格：

5V,6V,8V,9V,12V,15V···CW7800接線圖+-u2+-u1CRL＋

UO－7800CiCo123＋CW7900接線圖+-u2+-u1CRL－

UO＋7900CiCo321＋

同時輸出正負(fù)兩組電壓的接線圖＋5V－5VCW7805Ci123CW790512Co3＋

Ui－CiCoUOBEC9.4晶體管（雙極型三極管）一、基本結(jié)構(gòu)

PNP型：NPN型：NPN基極

基區(qū)

集電極

集電區(qū)

集電結(jié)

發(fā)射極

發(fā)射區(qū)

發(fā)射結(jié)

NPNPNP基極

基區(qū)

集電極

集電區(qū)

集電結(jié)

發(fā)射極

發(fā)射區(qū)

發(fā)射結(jié)

PNPCBE結(jié)構(gòu)示意圖和圖形符號管內(nèi)載流子的運(yùn)動發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴(kuò)散電子IEIB電子在基區(qū)擴(kuò)散與復(fù)合集電區(qū)收集電子

電子流向電源正極形成ICICNPN電源負(fù)極向發(fā)射區(qū)補(bǔ)充電子形成發(fā)射極電流IEVBB正極拉走電子，補(bǔ)充被復(fù)合的空穴，形成IBVCCRCVBBRBICBO

晶體三極管的電流分配及放大作用以NPN管共發(fā)射極接法為例，來說明電流放大的概念。一、電流放大的概念VCCRCIC

UCECEBUBE輸出回路輸入回路公共端VBBRBIBIE

TVCC>VBB調(diào)節(jié)RB，觀察IB、IC及IE的變化。結(jié)論（2）IC、IE比IB大得多（3）IB很小的變化可因起IC很大的變化，即IC受IB控制—這就是三極管的電流控制作用（1）IE=IC+IB綜上所述，三極管具有電流控制作用的外部條件:（1）發(fā)射結(jié)正向偏置；（2）集電結(jié)反向偏置。對于NPN型三極管應(yīng)滿足:UBE

>0UBC

<

0即

VC>

VB>

VE對于PNP型三極管應(yīng)滿足:UEB>0UCB

<0即

VC

<VB

<

VEECBTECBT二、工作狀態(tài)條件:發(fā)射結(jié)正偏,集電結(jié)反偏。

發(fā)射區(qū)發(fā)射載流子→形成電流IE

少部分在基區(qū)被復(fù)合→形成IB

大部分被集電區(qū)收集→形成IC

1．放大狀態(tài)⑴電流的形成NPNB

E

CRCUCCUBBRB晶體管中載流子的運(yùn)動過程IEICIB⑵電流的關(guān)系

IE=IB+IC

當(dāng)IB=0時，

直流(靜態(tài))電流放大系數(shù)

交流(動態(tài))電流放大系數(shù)≈ICIBIC－ICEOIBβ

=ICIBβ=

UCE=常數(shù)

ICIB≈IC=ICEONPNB

E

CRCUCCUBBRBIEICIB電路圖IB微小的變化，會產(chǎn)生IC很大的變化。IC

=βIB

。0＜UCE＜UCC，

UCE

=UCC－RC

IC

。晶體管相當(dāng)于通路。⑶特點(diǎn)特點(diǎn)：

IB↑,IC基本不變。

IC≈UCC

/RC。

UCE≈0。晶體管相當(dāng)于短路。條件:發(fā)射結(jié)正偏,集電結(jié)正偏。IB↑,IC

↑UCE=(UCC－RCIC)↓

ICM=UCC/RC2.飽和狀態(tài)電路圖NPNB

E

CRCUCCUBBRBIEICIBCERCUCC飽和狀態(tài)時的晶體管特點(diǎn)：

IB=0IC=0UCE=UCC

晶體管相當(dāng)于開路。3.截止?fàn)顟B(tài)條件:發(fā)射結(jié)反偏,集電結(jié)反偏。電路圖CERCUCC截止?fàn)顟B(tài)時的晶體管NPNB

E

CRCUCCUBBRBIEICIB晶體