大学电子电路基础 第一章

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在温度升高或受到光线照射时,共价键中的价电子挣脱共 价键的束缚成为自由电子,在共价键中留下相同数量的空穴 (可以看作带正电的离子)这种现象称为本征激发。
空穴形成后,邻近共价键中的价电子受它的吸引作用很容易 跳过去填补空穴,这样空穴便转移到邻近共价价键中去,因 此就出现价电子和空穴两个相反方向的运动,半导体正是依 靠自由电子和空穴两种载流子导电的物质。
例:判别二极管是导通还是截止。
解:
+
+
+
9V 12.5V
14V
-
-
-
+
1V
+
截止
+
2.5V
1V
-
-
-
+
+
9V 12.5V
14V
+
-
-
-
1V
+ +
截止
+
2.5V
1V
-
-
+
+
+
18V 12.5V
14V
-
-
-
+
导通
2V
-
+
+
2.5V
1V百度文库
-
-
PN结的形成
在一块本征半导体 两侧通过掺杂不同的杂 质,分别形成N型半导体 和P型半导体。
平均值,即
ID(AV )
IO(AV )
0.45U 2 RL
二极管承受的最大反向电压等于变压器副边的峰值电压,即
为安全起见
URmax 2U2
IF 1.1IO( AV )
1.1
2U 2
RL
U RM 1.1 2U 2
单相半波整流电路简单易行,所用二极管数量少。但是由
于它只利用了交流电压的半个周期,所以输出电压低,交流分
量大,效率低。因此,这种电路仅适用于整流电流小,对脉动
要求不高的场合
2. 单相桥式整流电路
(1) 工作原理
当正半周时二极管D1、D3导通, 在负载电阻上得到正弦波的正半周。 当负半周时二极管D2、D4导通,在 负载电阻上得到正弦波的负半周。
在负载电阻上正负半周经过合成,得 到的是同一个方向的单向脉动电压。
1、 N型半导体
在纯净的硅晶体中掺入五价元素的杂质(磷、锑或 砷),使之取代晶格中硅的位置,形成N型半导体。
磷有五个价电子,而只需拿出四个与相邻的硅原子进 行共价键结合,多余一个电子未被束缚在共价键中,仅 受磷原子核内的正电荷吸引(比共价键弱),在常温下 很容易挣脱束缚成为自由电子,磷原子因少一个电子成 为带正电荷的磷离子(但其束缚在晶格中,不能移动, 不能像载流子那样起导电作用),因其施放电子,故称 施主杂质。
3.反向电流IR 二极管未击穿时的反向电流。IR越小,二极管的单向导电性越好, IR对温度非常敏感。
4.最高工作频率fM 二极管工作的上限截止频率。超过此值时,由于结电容的作用, 二极管将不能很好的体现 单向导电性。
1.3 特殊二极管
一、稳压二极管 稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊硅二极管。稳压 二极管的伏安特性曲线与硅二极管 的伏安特性曲线完全一样。
可见,二极管的特性对温度很敏感。
三、二极管的主要参数
1.最大整流电流IF 二极管长期运行时允许通过的最大正向平均电流,与PN结面积 及外部散热条件有关。若二极管最大正向平均电流超过此值, 将因温度过高而烧坏。
2.最高反向工作电压UB 二极管工作时允许外加的最大反向电压,超过此值有可能被反向 击穿而损坏。通常UB 为击穿电压 UBR 的一半。
所谓复合是指自由电子在热运动过程中与空穴相遇而释放 能量,造成自由电子--空穴对的消失。
载流子:运载电荷的粒子。
图1.1.2 本征半导体中的自由电子和空穴
二、 杂质半导体
在本征半导体中,掺入一定量的杂质元素就成为杂质 半导体,根据掺入的杂质元素不同,可形成N型和P 型; 控制掺入杂质元素的浓度,可以控制杂质半导体的导电 性能。
因浓度差
+ 三价的元素
产生多余空穴
+ 五价的元素
产生多余电子
多子的扩散运动 由杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成内电场
内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散
1.5 二极管整流及滤波电路
电子电路工作时都需要直流电源提供能量,电池因使 用费用高,一般只用于低功耗便携式的仪器设备中。
本章所介绍的直流电源为单相小功率电源,它将频率为 50Hz、有效值为220V的单相交流电压转换为幅值稳定、输 出电流为几十安以下的直流电压。
最大功率损耗取决于PN结的面积和散热等条件。反向工作 时PN结的功率损耗为 PZ= VZ IZ,由 PZM和VZ可以决定IZmax。 (4) 最大稳定工作电流 IZmax
管子允许通过的最大反向电流
稳压管的稳压过程。
IR IZ Io
例:RL
Io
IR
Vo
IZ IR
Vo
如图所示稳压管稳压电路 中,已知稳压管的稳定电 压为6V,最小稳定电流为 5mA,最大稳定电流为 25mA;负载电阻为600欧 姆。求限流电阻的取值范 围。
6、逻辑门电路 7、组合逻辑电路 8、触发器 9、时序逻辑电路 10、脉冲波型的产生与整形
第一章 半导体二极管及其基本电路
掌握
理解
了解
主要内容:
1.半导体的基本知识
2.半导体二极管及其基本特性
3.特殊二极管
4.二极管的基本应用电路
5.二极管整流及滤波电路
1.1 半导体的基本知识
半导体:导电能力介于导体和绝缘体之间的物体, 它的电阻率在(10-3--109) .cm 范围内,主要 有硅(主要材料)、锗、砷化镓(高频高速器件) 等。 一、本征半导体
图1.1.3 N型半导体
与本征激发相比,N型半导 体中自由电子浓度大大增加, 而空穴因与自由电子相遇而 复合机会增加浓度反而更小 了。杂质半导体中载流子浓 度不再相等,多的称为多数 载流子,又称多子,少的称 为少数载流子,又称少子。
2、 P型半导体
硼只有三个价电子,在与 相邻的硅原子形成共价键时, 缺少一 个价电子,因而形 成一个空穴,而自由电子因 与空穴相遇而复合机会增加 浓度反而更小了。
0.45U 2
IO( AV )
UO( AV ) RL
0.45U 2 RL
图10.2.2 半波整流电路的波形图
(3)、二极管的选择
当整流电路的变压器副边电压有效值和负载电阻值确定后, 电路对二极管的要求也就确定了。 一般根据流过二极管电 流的平均值和它所承受的最大反向电压来选择二极管的型号。
在单相半波整流电路中,二极管的正向平均电流等于负载电流
1.单相半波整流
(1)、工作原理
图1.5.2 单相半波整流电路
图1.5.3 半波整流电路的波形图
(2)、主要参数
1.整流电路输出电压平均值
1
UO( AV ) 2 0
2U2 sin td(t)
2U 2
0.45U2
2.输出电流平均值
U O( AV )
1 2
0
2U 2 sin td (t)
2U 2
外电场使空间电荷区变宽, 加强了内电场,阻止扩散运 动的进行,而加剧漂移运动 的进行,形成反向电流,但 非常小,一般分析时忽略不 计,认为PN结截止。
PN结截止时呈现高阻性。
(3) PN结的电流方程
qu
i Is(e kt 1)
kt q
用UT
取代,则i
Is
U
(eUT
1)
(4)PN结的伏安特性
当反向电压超过一定数值 UBR 后,反向电流急剧 增大,这时称之为反向 击穿。
1.4、二极管的基本应用电路
一、开关电路 普通二极管常用来作为电子开关,如下图
例题:如图所示,二极管导通电压约为0.7V。 试分别计算开关断开和闭合时输出电压的数值。
解:断开时,二极管加正 向电压导通,故输出电压 UO=V1-VD≈(60.7)V=5.3V 闭合时,二极管加反向电 压截止,故输出电压 UO=V2=12V
纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。
1、本征半导体的晶体结构: 晶格:晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵
图1.1.1 本征半导体结构示意图
它们最外层都有四个价电子,形成单晶时,每个价电子和邻 近原子的价电子形成共价键。
3、本征半导体中的两种载流子
在热力学温度0K时和没有外界影响条件下,价电子束缚 在共价键中,不能自由移动,不是自由电子,是良好的绝缘 体。
齐纳击穿(高掺杂的情况)
雪崩击穿(低掺杂的情况)
无论哪种击穿,若对电流 不加限制,都可能造成 PN结的永久损坏。
1.2 半导体二极管及其基本特性
一、二极管的常见结构
二极管是由PN结加上引出线和管壳构成的,具 有PN结的各种特性,由P区引出的电极为阳极, 由N区引出的电极为阴极,常见的外形如图:
常见结构通常 有以下几种类 型:
当空穴由相邻共价键中的 价电子填补时(相当于空穴 移动),硼原子由于接 受 一个电子成为带负电的硼离 子,因其接受电子,称为受 主杂质。
三、PN结
采用不同的掺杂工艺,将P 型半导体与N型半导体制作 在同一块硅片上,在他们的 交界面就形成PN结。
PN结具有单向导电性
PN结的形成(理解)
扩散运动:由于浓度差而产生 的运动
本门课程作为电子技术基础的一门课程(模拟和 数字两部分),将对目前一些最常用的基本电子电 路的分析与设计方法进行讨论。
本课程的主要内容简介:
1、模拟电路基础(半导体器件:是本课程基础部分,主要包 括半导体物理基础知识,二极管、晶体三极管工作原理及应用 原理;基本放大电路:是本课程重点之一,主要包括放大器的 静态分析、动态分析及性能指标,单管放大电路,组合放大电 路,差分放大电路,电流源电路及应用,集成运算放大电路。)
稳压二极管在工作时应反接, 并串入一只电阻。
电阻起限流作用,保护稳压管; 其次是当输入电压或负载电流变化 时,通过该电阻上电压降的变化, 取出误差信号以调节稳压管的工作 电流,从而起到稳压作用。
(1) 稳定电压VZ
在规定的稳压管反向工作电流IZ下, 所对应的反向工作电压。 (2) 动态电阻rZ
rZ =VZ /IZ, rZ愈小,反映 稳压管的击穿特性愈陡。 (3) 最大耗散功率 PZM
用于在数字电路中作开关管
二、二极管的伏安特性
使二极管开始导通的临界电 压称为开启电压Uon 当所加反向电压足够大时, 反向电流为Is.
反向电压过大会使二极 管击穿。
温度升高时,二极管正向特 性曲线左移,反向特性曲 线下移。室温附近温度每 升高一度,正向电压降减 小2-2.5mV;温度升高10 度,反向电流约增大一倍。
(2) 负载上的直流电压和直流电流
输出电压是单相脉动电压。通常 用它的平均值与直流电压等效。
输出平均电压为
VL
1 π
π 0
2V2
sin
td
t
2 π
2
V2
0.9V2
流过负载的平均电流为
IL
2 2V2 π RL
0.9V2 RL
2、功率放大器 3、集成运算放大器及其应用电路,是课程又一个重点和难点,
主要包括集成运算放大器应用电路的组成原理(加减乘除比例 对数指数开平方等各类算术运算、有源滤波、精密测量放大器 和仪器放大器、电流传输器等),集成运算放大器性能参数及 其对电路的影响,集成电压比较器。 4、直流稳压电源
5、数字电路基础,包括数字电路的基本概念、数字信号的主 要参数、数字电路中的二极管与三极管、基本逻辑运算等)
漂移运动:在电场力作用下, 载流子的运动
(1)外加正向电压时处于导 通状态。
由于电源作用,扩散运动将 源源不断的进行,从而形成 正向电流,PN结导通。
PN结导通时的结电压只 有零点几伏,因而在它所在 的回路中串联一个电阻,以 限制回路的电流,防止PN 结因正向电流过大而损坏。
(2)外加反向电压时处于截 止状态。
点接触型:结面积小,结 电容小,适用于高频如几 百兆赫工作,但不能通过 很大的电流,主要用于高 频电路和小功率整流。
面接触型:结面积大,结
电容大,能通过较大的电
流但只能在低频下工作。 硅平面型:结面积较大的,可通
一般在100KHz以下用作整 过较大电流,适用大功率整流,
流器件。
结面积较小的,结电容较小,适
单相交流电经过电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电 路转换成稳定的直流电压,其方框图如下
整流电路是将工频交流电转为具有直流电成分的脉动直流电。
滤波电路是将脉动直流中的交流成分滤除,减少交流成分,增 加直流成分。 稳压电路对整流后的直流电压采用负反馈技术进一步稳定直流 电压。
一、单相整流电路
在分析整流电路时,为了突出重点,简化分析过程,一般 均假定负载为纯电阻性;整流二极管具有理想的伏安特性, 即:导通时正向压降为零,截止时反向电流为零;变压器无损 耗,内部压降为零等。
电子电路基础
教材:电子技术基础 吴利斌主编 参考教材:电子技术基础 华成英 阎石主编
绪论
由于物理学的重大突破,电子技术在20世纪取 得了惊人的进步,特别是近40年来,微电子技术和 其他高科技术的飞速发展,致使工、农、科技和国 防等领域进入信息时代,作为其发展基础之一的电 子技术必将以更快的速度前进。
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