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实用模拟电子技术教程

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实用模拟电子技术教程

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  1. 实用模拟电子技术教程 副主编: 刘希真 张小冰 主编:徐正惠

  2. 第一篇 常用半导体器件 介绍常用半导体器件,包括晶体二极管、晶体三极管、场效应管和其他半导体器件的结构、工作原理、分类、主要性能指标、国家标准规定的命名方法以及主要应用。

  3. 第一篇 常用半导体器件 第1章 半导体二极管 学习要求: 掌握二极管结构和单向导电的特性;掌握二极管最大 整流电流、反向击穿电压、最大反向工作电压、反向电 流和最高工作频率等特性指标的定义;掌握整流电路的 工作原理;了解PN结、内建电场和正负载流子的概念; 了解PN结单向导电的原理。

  4. 二极管都有两根引脚,一个称为正极,另一个为负极 。 哪个为正,决定于内部结构。 第1章 半导体二极管 1.1.1 二极管的结构和产品外型 1.1 半导体二极管的单向导电特性

  5. N型锗 正极引脚 负极引脚 正极引脚 铝合金小球 N型硅 金属丝 负极引脚 正极引脚 二氧化硅层 (a) (b) P型区 N型硅片 负极引脚 负极 正极 (d) (c) 图1-1 二极管的结构和电路符号 1.1 半导体二极管的单向导电特性 半导体二极管内部结构和电路符号: 特点:都以半导体为材料

  6. 实验装置: A R 二极管负极 - VD RP E V + 二极管正极 图1-3 测量二极管导电特性实验装置 1.1 半导体二极管的单向导电特性 二极管的单向导电特性实验观察 让电位器活动端逐渐向上移动,施加在二极管两端的电压也逐渐加大,测量不同电压时流过二极管的电流,即可以得到二极管两端电压与所流过的电流之间的关系。

  7. 0.90 正向电压 u(伏特) 0 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 正向电流 i(毫安) 0 0.10 0.40 1.01 3.00 6.80 14.0 30.0 54.0 69.0 表1-1 二极管导电特性实验结果 1.1 半导体二极管的单向导电特性 实验结果:施加正向电压时的实验结果(二极管1N4148) 二极管的单向导电特性实验观察 电压从0增加到0.9V,流过的电流从0增加到69mA。 以二极管两端电压u为横坐标,流过二极管的电流i为纵坐标,可画出流过二极管的电流随两端电压变化的曲线——称为二极管伏安特性曲线。

  8. 1、存在一个开启电压 2、在一定范围内,电流发生较大的变化时,二极管两端的电压降只有微小的变化。正向电流从1.01mA增加到30mA,大了30倍,二极管压降从0.6伏增加到0.8伏,只变化了0.2伏。 3、特性曲线还与温度有关 开启电压 1.1 半导体二极管的单向导电特性 实验结果分析: 二极管的单向导电特性实验观察

  9. 施加反向电压时的实验结果 1.1 半导体二极管的单向导电特性 二极管的单向导电特性实验观察 1、施加反向电压时,只有一个很小的电流流过二极管,称为反向电流 2、反向电流随温度的升高而显著增加 3、反向电压增加到一定程度会导致二极管的反向击穿

  10. 常用整流电路分类: 1、半波整流电路 2、桥式整流电路 1.2二极管的应用 利用二极管的单向导电性,能将交流电转换为单向脉动电流,完成这种转换的电路称为整流电路。 1.2.1整流电路

  11. 电路结构 功能:将交流电转换为单向脉动电流 1.2二极管的应用——1.2.1整流电路 1、半波整流电路 电路结构与功能

  12. 1、半波整流电路 (1)二极管所经受的反向电压 (2)输出平均电压 1.2二极管的应用——1.2.1整流电路 电路主要参数: (3)整流二极管的功耗——等于二极管正向压降与负载电流的乘积,约为0.7V与流过二极管的平均整流电流的乘积。

  13. 2、桥式整流电路 电路结构与功能 简化电路画法 电路结构 半波整流输出 功能 输入交流电 桥式整流输出 1.2二极管的应用——1.2.1整流电路

  14. 2、桥式整流电路 电路结构与功能 工作原理 正半周电流走向是从输入电压正端—二极管VD2—负载电阻—二极管VD4—输入电压负端,施加在负载电阻上的电压为上正下负 1.2二极管的应用——1.2.1整流电路 负半周电流的走向是从输入电压的正端—二极管VD3—负载电阻—二极管VD1—输入端负端,施加在负载电阻上的电压仍然是上正下负

  15. 2、桥式整流电路 电路参数 (1)二极管所经受的反向电压 与半波整流相同 (2)输出平均电压 是半波整流输出的2倍 (3)整流二极管的功耗 每只二极管所流过的平均电流小了一半,因此这种情况下二极管的功耗是半波整流电路的一半。 1.2二极管的应用——1.2.1整流电路

  16. 3、滤波电路 二极管整流后输出的单向脉动电压包含较多的交流成分,为了获得较好的直流电压还需要进行滤波。 滤波电路结构与功能: 滤波后的电压波形 结构:滤波电容并联负载两端 滤波前波形 1.2二极管的应用——1.2.1整流电路

  17. 1)什么是检波电路 当输入交流电压的频率较高时,将这种交流电转换为单向脉动电的过程习惯上不叫整流,而称为检波。 2)整流二极管不能用于检波 整流管一般为平面管或合金管,PN结面积大能通过大电流,因此结电容也大,不能用于检波; 二极管两极之间电容对高频信号来说是低阻抗 1.2二极管的应用——1.2.2检波电路 检波二极管一般采用点接触结构,结电容极小,能通过的电流也很小,因此也不用于整流。

  18. 稳压管 调整二极管的制作工艺,降低击穿电压并使反向特性曲线更陡根,由此制成的二极管称为稳压管 反向特性与普通二极管的区别 外型 电路符号 1.2二极管的应用——1.2.3稳压电路

  19. 工作原理 电路结构 稳压管DZ的反向击穿电压为6.0V,最大工作电流为20mA,电源电压VCC=9V,选电阻R1=150Ω,则流过稳压管的电流IZ等于 负载电阻从500 Ω变到300 Ω,两端电压维持为6V,原理如下: 1、500Ω时流向负载的电流为12 mA,流向稳压管的电流降为8 mA,负载两端电压为6V 2、3000Ω时负载的电流降为2 mA,稳压管的电流升为18 mA,负载两端电压仍维持为6V 1.2二极管的应用——1.2.3稳压电路 稳压管组成的稳压电路

  20. 1.3二极管的主要参数——1.3.1常用整流二极管参数1.3二极管的主要参数——1.3.1常用整流二极管参数 1、最大整流电流IF:二极管长期工作的情况下允许通过的最大正向平均电流。 2、反向击穿电压UBR:二极管所能承受的最高反向电压,超过该电压,二极管被击穿。 3、最高反向工作电压UR:二极管工作时允许施加的最大反向电压,一般是反向击穿电压的一半或2/3。 4、反向电流IR:是二极管施加反向电压而未击穿情况下流过的反向电流。锗管一般为几十微安大小,硅管1微安以下。 5、最高工作频率fM:二极管工作的上限频率,超过此值,PN结结电容的影响不能忽略,二极管的单向导特性变差。

  21. 1.3二极管的主要参数——1.3.2常用稳压管参数 1、稳定电流:稳压管产生稳压作用时通过的电流值,低于该电流值时稳压效果变差,高于该电流时,稳压效果更好,但不能超过额定功耗。 2、稳定电压:稳压管通过额定电流时两端的电压值。生产厂家给出的是稳压范围,例如9.3~10.6V。 3、额定功耗 :稳压管正常工作时所允许的功耗,它等于稳压值和最大允许电流的乘积。额定功耗决定于稳压管允许的温升。 4、电压温度系数:温度每升高1℃引起的稳定电压变化的百分比。

  22. 1.4 二极管的分类——1.4.1常用二极管分类 1)整流二极管:用于电子控制、无线电通信或其他电气设备电源部分整流用的二极管一般都为硅管。

  23. 1.4 二极管的分类——1.4.1常用二极管分类 2)检波二极管:常用的检波二极管为锗管,检波二极管也可用于小电流整流。

  24. 1.4 二极管的分类——1.4.1常用二极管分类 3)稳压二极管 :常用稳压管为硅二极管,用于稳压。

  25. 1.4 二极管的分类——1.4.2 二极管封装 1、贴片封装:出于整机小型化和电子设备生产自动化的需要 。

  26. 整流桥 四只二极管组成的排管 1.4 二极管的分类——1.4.2 二极管封装 2、二极管组件 :出于整机小型化和电子设备生产自动化的需要 。

  27. 1.4 二极管的分类——1.4.2 半导体器件命名方法 1、半导体器件命名的国家标准 以硅整流二极管2CZ56B为例来说明

  28. 1.4 二极管的分类——1.4.2 半导体器件命名方法 1、半导体器件命名的国家标准 国标半导体器件命名规定

  29. 2、美国半导体器件命名方法 美国电子工业协会半导体器件命名规定 1.4 二极管的分类——1.4.2 半导体器件命名方法 美国型号的二极管1N4001A:“1”表示该器件只有一个PN结,为二极管;“1”前面没有符号,表示这种型号的器件是非军用品;第三部分数字“N”为注册标志,表明已在美国电子工业协会注册;第四部分“4001”为登记序号;第五部分“A”表示档次。

  30. 3、欧洲半导体器件命名方法 欧洲产器件型号由四部分组成,每一部分符号的含义如下 1.4 二极管的分类——1.4.2 半导体器件命名方法 二极管BYV28为例:第一部分字母“B”表示制造材料为硅,第二部分字母“Y”表示器件为整流二极管,第三部分用一个字母加两位数字V28表示器件登记号。

  31. 4、日本半导体器件命名方法 日本半导体器件型号由五部分组成,规定如下 1.4 二极管的分类——1.4.2 半导体器件命名方法 1S1585:“1”表示该器件为二极管,第二部分“S”表示属半导体器件,“1585”是登记序号。

  32. 设计步骤: 第一步:首先选择整流电路类型,选用桥式整流电路 第二步:根据设计要求计算流过整流二极管的平均电流、二极管经受的反向电压和二极管的功耗。 输出平均电压: 求得负载电流: 二极管功耗: 最大反向电压: 1.5 整流电路设计 已知变压器输出的交流电有效值为45V,负载电阻20Ω,需直流供电,要求设计整流电路。

  33. 设计步骤: 第三步:根据上面计算所得的平均电流、最大反向电压和功耗值,从表1-1中选择合适的整流二极管——2CZ56C 电流: 反向电压: 功耗: 1.5 整流电路设计 已知变压器输出的交流电有效值为45V,负载电阻20Ω,需直流供电,要求设计整流电路。

  34. 1.6 二极管单向导电原理简介-1.6.1 导体、绝缘体和半导体 绝缘体:不存在能够自由移动的电荷,不导电; 导体:金属等存在大量能自由运动的电子属良导体; 半导体:硅、锗情况比较特殊,很纯的半导体硅、锗(称为本征半导体)缺少自由电荷,几乎不导电。,但加入一定量的微量元素,导电能力将发生很大变化。 N型硅:硅中加入微量的5价元素(例如磷),4个被束缚在硅原子周围,而多出的一个就能够在半导体内自由移动,于是能导电; P型硅:加入微量的3价元素(例如硼),硼原子只有3个价电子,就容易从邻近硅原子的4个价电子中拉一个过来,邻近硅原子失去一个电子而带正电,称为空穴,空穴能自由移动,于是能导电。

  35. 1.6 二极管单向导电原理简介-1.6.1 导体、绝缘体和半导体 自由电子的增加使N型硅导电,导电能力随磷元素浓度变化,磷元素浓度增加时导电能力也增加。

  36. 1.6 二极管单向导电原理简介-1.6.1 导体、绝缘体和半导体 荷正电的空穴使P型硅导电,导电能力随硼元素浓度变化,硼元素浓度增加时导电能力也增加。

  37. 1.6 二极管单向导电原理简介——1.6.2 PN结的形成 硅的一边掺杂5价元素,成为N型半导体,另一边掺杂3价元素,成为P型半导体,在边界处便会形成一种特殊的结构称为PN结。 P区的空穴向N区扩散,N区的电子向P区扩散,在边界附近的N区留下不能移动的正电荷,在P区留下不能移动的负电荷,正负电荷形成内建电场。

  38. 1.6 二极管单向导电原理简介——1.6.3 二极管的单向导电特性 一个PN结,在其两端制作电极,用引脚引出再加上外壳,即为二极管。P区引出的为二极管的正极,N区引出的为二极管的负极。

  39. 外加电场方向 内建电场方向 A 1.6 二极管单向导电原理简介——1.6.3 二极管的单向导电特性 1、二极管施加正向电压时 外加电场的方向和PN结区内建电场的方向相反,外加电场减弱了内建电场,因此扩散继续进行,形成正向电流,因此二极管加正向电压时导通。

  40. 外加电场方向 内建电场方向 A 1.6 二极管单向导电原理简介——1.6.3 二极管的单向导电特性 2、二极管施加反向电压时 外加电场与内建电场方向相同,内建电场得到加强,P区空穴、N区电子的扩散被阻止,二极管表现为截止状态。

  41. 少数载流子 1.6 二极管单向导电原理简介——1.6.3 二极管的单向导电特性 3、反向漏电流的形成 P区除了大量的空穴以外还存在少量的可自由移动的电子,称为少数载流子(P区的空穴则称为多数载流子);同样,N区除了多数载流子电子之外,也存在少量可自由移动的空穴(少数载流子)。

  42. 内建电场 +电压 -电压 外电场 1.6 二极管单向导电原理简介——1.6.3 二极管的单向导电特性 3、反向漏电流的形成 二极管负极加正压时,N区的少数载流子在外电场的作用下会向P区漂移,而内建电场并不能阻挡这种漂移(注意内建电场的方向是N区指向P区,因此有助于这种漂移),同理,P区的少数载流子—电子会在外电场作用下通过PN结区向N区漂移,这样,在反向电压作用下就有电流通过-称为反向漏电流。由于少数载流子的数量是很少的,因此反向电流十分微弱。

  43. 1.6 二极管单向导电原理简介——1.6.3 二极管的单向导电特性 4、二极管的击穿 反向电压很高时,载流子在空间电荷区受到强烈的电场加速作用,获得巨大的能量。使载流子能碰撞其他原子,产生新的电子孔穴对,这些新的电子空穴对又去碰撞别的原子,于是产生大量的电子空穴对,如此连锁反应,致使电流剧增,这就是我们实验中观察到的击穿现象。

  44. 第1章讲授到此结束谢谢大家!