實用模擬電子技術(shù)教程

1、實用模擬電子技術(shù)教程,第一篇,常用半導(dǎo)體器件,介紹常用半導(dǎo)體器件，包括晶體二極,管、晶體三極管、場效應(yīng)管和其他半導(dǎo),體器件的結(jié)構(gòu)、工作原理、分類、主要,性能指標(biāo)、國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的命名方法以,及主要應(yīng)用,。,第一篇,常用半導(dǎo)體器件,第,1,章,半導(dǎo)體二極管,學(xué)習(xí)要求：,掌握二極管結(jié)構(gòu)和單向?qū)щ姷奶匦?；掌握二極管最大,整流電流、反向擊穿電壓、最大反向工作電壓、反向電,流和最高工作頻率等特性指標(biāo)的定義；掌握整流電路的,工作原理；了解,PN,結(jié)、內(nèi)建電場和正負(fù)載流子的概念；,了解,PN,結(jié)單向?qū)щ姷脑怼?第,1,章,半導(dǎo)體二極管,1.1,半導(dǎo)體二極管的單向?qū)щ娞匦?1.1.1,二極管的結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品外型,

2、二極管都有兩根,引腳，一個稱為正,極，另一個為負(fù)極,。,哪個為正，決定,于內(nèi)部結(jié)構(gòu)。,1.1,半導(dǎo)體二極管的單向?qū)щ娞匦?半導(dǎo)體二極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電路符號：,N,型鍺,正極引腳,負(fù)極引腳,鋁合金小球,正極引腳,N,型硅,金屬絲,(a),負(fù)極引腳,正極引,腳,(b),二氧化硅層,P,型區(qū),正極,(d),負(fù)極,N,型硅片,(c),負(fù)極引腳,圖,1-1,二極管的結(jié)構(gòu)和電路符號,特點：都以半導(dǎo)體為材料,1.1,半導(dǎo)體二極管的單向?qū)щ娞匦?二極管的單向?qū)щ娞匦詫嶒炗^察,實驗裝置：,R,A,二極管負(fù)極,E,+,R,P,V,VD,二極管正極,圖,1-3,測量二極管導(dǎo)電特性實驗裝置,讓電位器活動端逐漸向上移動，

3、施加在二極管兩端的電壓,也逐漸加大，測量不同電壓時流過二極管的電流，即可以得,到二極管兩端電壓與所流過的電流之間的關(guān)系。,1.1,半導(dǎo)體二極管的單向?qū)щ娞匦?二極管的單向?qū)щ娞匦詫嶒炗^察,實驗結(jié)果：施加正向電壓時的實驗結(jié)果（二極管,1N4148,）,表,1-1,二極管導(dǎo)電特性實驗結(jié)果,正向電壓,u(,伏特,),正向電流,i(,毫安,),0,0,0.50,0.55,0.60,0.65,0.70,0.75,0.80,0.85,0.90,0.10,0.40,1.01,3.00,6.80,14.0,30.0,54.0,69.0,電壓從,0,增加到,0.9V,流過的電流從,0,增加到,69mA,。,以二

4、極管兩端電壓,u,為橫坐標(biāo)，流過二極管的電流,i,為縱,坐標(biāo)，可畫出流過二極管的電流隨兩端電壓變化的曲線,稱為二極管伏安特性曲線。,1.1,半導(dǎo)體二極管的單向?qū)щ娞匦?二極管的單向?qū)щ娞匦詫嶒炗^察,實驗結(jié)果分析：,1,、存在一個開啟電壓,2,、在一定范圍內(nèi)，電流發(fā),生較大的變化時，二極管兩,端的電壓降只有微小的變化。,正向電流從,1.01mA,增加到,30mA,，大了,30,倍，二極管壓,降從,0.6,伏增加到,0.8,伏，只,開啟電壓,變化了,0.2,伏。,3,、特性曲線還與溫度有關(guān),1.1,半導(dǎo)體二極管的單向?qū)щ娞匦?二極管的單向?qū)щ娞匦詫嶒炗^察,施加反向電壓時的實驗結(jié)果,1,、施加反向電

5、壓時，只,有一個很小的電流流過,二極管，稱為反向電流,2,、反向電流隨溫度的,升高而顯著增加,3,、反向電壓增加到一,定程度會導(dǎo)致二極管的,反向擊穿,1.2,二極管的應(yīng)用,1.2.1,整流電路,利用二極管的單向?qū)щ娦?，能將交流電轉(zhuǎn)換為單,向脈動電流，完成這種轉(zhuǎn)換的電路稱為整流電路。,常用整流電路分類：,1,、半波整流電路,2,、橋式整流電路,1.2,二極管的應(yīng)用,1.2.1,整流電路,1,、半波整流電路,電路結(jié)構(gòu),電路結(jié)構(gòu)與功能,功能：將交流電轉(zhuǎn)換為單向脈動電流,1.2,二極管的應(yīng)用,1.2.1,整流電路,1,、半波整流電路,電路主要參數(shù)：,（,1,）,二,極,管,所,經(jīng),受的反向電壓,（,2

6、,）輸出平均電壓,U,r,?,2,U,i,U,0,?,0,.,45,U,i,（,3,）整流二極管的功耗,等于二極管正向壓降與負(fù)載,電流的乘積，約為,0.7V,與流過二極管的平均整流電流的乘,積。,1.2,二極管的應(yīng)用,1.2.1,整流電路,2,、橋式整流電路,電路結(jié)構(gòu)與功能,簡化電路畫法,電路結(jié)構(gòu),功能,半波整流輸出,輸入交流電,橋式整流輸出,1.2,二極管的應(yīng)用,1.2.1,整流電路,2,、橋式整流電路,工作原理,電路結(jié)構(gòu)與功能,正半周電流走向是從輸入電,負(fù)半周電流的走向是從輸入,壓正端,二極管,VD,2,負(fù)載電,電壓的正端,二極管,VD,3,負(fù),阻,二極管,VD,4,輸入電壓負(fù)端，,載電阻

7、,二極管,VD,1,輸入端,施加在負(fù)載電阻上的電壓為,上,負(fù)端，施加在負(fù)載電阻上的電,正下負(fù),壓,仍然是上正下負(fù),1.2,二極管的應(yīng)用,1.2.1,整流電路,2,、橋式整流電路,電路參數(shù),（,1,）二極管所經(jīng)受的反向電,壓,U,r,?,2,U,i,U,0,?,0,.,9,U,i,與半波整流相同,（,2,）輸出平均電壓,是半波整流輸出的,2,倍,（,3,）整流二極管的功耗,每只二極管所流過的平均電流小了一半，因此這種情,況下二極管的功耗是半波整流電路的一半。,1.2,二極管的應(yīng)用,1.2.1,整流電路,3,、濾波電路,二極管整流后輸出的單向脈動電壓包含較多的交流成分，,為了獲得較好的直流電壓還需

8、要進(jìn)行濾波。,濾波電路結(jié)構(gòu)與功能：,濾波后的電壓波形,濾波前波形,結(jié)構(gòu)：濾波電容并,聯(lián)負(fù)載兩端,1.2,二極管的應(yīng)用,1.2.2,檢波電路,1,）什么是檢波電路,當(dāng)輸入交流電壓的頻率較高時，將這種交流電轉(zhuǎn)換為單向,脈動電的過程習(xí)慣上不叫整流，而稱為檢波。,2,）整流二極管不能用于檢波,整流管一般為平面管或合金管，,PN,結(jié)面積大能通過大電流，,因此結(jié)電容也大，不能用于檢波；,二極管兩極之間電容對,高頻信號來說是低阻抗,檢波二極管一般采用點接觸結(jié)構(gòu)，結(jié)電容極小，能通過的,電流也很小，因此也不用于整流。,1.2,二極管的應(yīng)用,1.2.3,穩(wěn)壓電路,穩(wěn)壓管,調(diào)整二極管的制作工藝，降低擊穿電壓并使反向

9、特性曲線,更陡根，由此制成的二極管稱為穩(wěn)壓管,外型,反向特性與普通二極管的區(qū)別,電路符號,1.2,二極管的應(yīng)用,1.2.3,穩(wěn)壓電路,穩(wěn)壓管組成的穩(wěn)壓電路,電路結(jié)構(gòu),工作原理,穩(wěn)壓管,D,Z,的反向擊穿電壓為,6.0V,，最大,工作電流為,20mA,，電源電壓,V,CC,=9V,，選電,阻,R,1,=150，則流過穩(wěn)壓管的電流,I,Z,等于,9,?,6,I,z,?,R,1,?,20,m,A,負(fù)載電阻從,500,變到,300,，兩端電,壓維持為,6V,，原理如下：,1,、,500,時流向負(fù)載的電流為,12 mA,，流向穩(wěn),壓管的電流降為,8 mA,，負(fù)載兩端電壓為,6V,2,、,3000,時負(fù)載

10、的電流降為,2 mA,，穩(wěn)壓管的,電流升為,18 mA,，負(fù)載兩端電壓仍維持為,6V,1.3,二極管的主要參數(shù),1.3.1,常用整流二極管參數(shù),1,、最大整流電流,I,F,：,二極管長期工作的情況下允許,通過的最大正向平均電流。,2,、反向擊穿電壓,U,BR,：,二極管所能承受的最高反向,電壓，超過該電壓，二極管被擊穿。,3,、最高反向工作電壓,U,R,：,二極管工作時允許施加的,最大反向電壓，一般是反向擊穿電壓的一半或,2/3,。,4,、反向電流,I,R,：,是二極管施加反向電壓而未擊穿,情況下流過的反向電流。鍺管一般為幾十微安大小，,硅管,1,微安以下。,5,、最高工作頻率,f,M,：,二

11、極管工作的上限頻率，超過,此值，,PN,結(jié)結(jié)電容的影響不能忽略，二極管的單向?qū)?特性變差。,1.3,二極管的主要參數(shù),1.3.2,常用穩(wěn)壓管參數(shù),低于該電流值時穩(wěn)壓效果變差，高于該電流時，穩(wěn)壓,效果更好，但不能超過額定功耗。,2,、穩(wěn)定電壓：,穩(wěn)壓管通過額定電流時兩端的電壓,1,、穩(wěn)定電流：,穩(wěn)壓管產(chǎn)生穩(wěn)壓作用時通過的電流值，,值。生產(chǎn)廠家給出的是穩(wěn)壓范圍，例如,9.3,10.6V,。,3,、額定功耗,：,穩(wěn)壓管正常工作時所允許的功耗，,它等于穩(wěn)壓值和最大允許電流的乘積。額定功耗決定,于穩(wěn)壓管允許的溫升。,4,、電壓溫度系數(shù)：,溫度每升高1引起的穩(wěn)定電壓,變化的百分比。,1.4,二極管的分類,

12、1.4.1,常用二極管分類,1,）整流二極管：,用于電子控制、無線電通信或其,他電氣設(shè)備電源部分整流用的二極管一般都為硅管。,1.4,二極管的分類,1.4.1,常用二極管分類,2,）檢波二極管：,常用的檢波二極管為鍺管，檢波,二極管也可用于小電流整流。,1.4,二極管的分類,1.4.1,常用二極管分類,3,）穩(wěn)壓二極管,：,常用穩(wěn)壓管為硅二極管，用于穩(wěn),壓。,1.4,二極管的分類,1.4.2,二極管封裝,1,、貼片封裝：,出于整機(jī)小型化和電子設(shè)備生產(chǎn)自,動化的需要,。,1.4,二極管的分類,1.4.2,二極管封裝,2,、二極管組件,：,出于整機(jī)小型化和電子設(shè)備生,產(chǎn)自動化的需要,。,整流橋,四

13、只二極管組成的排管,1.4,二極管的分類,1.4.2,半導(dǎo)體器件命名方法,1,、半導(dǎo)體器件命名的國家標(biāo)準(zhǔn),以硅整流二極管,2CZ56B,為例來說明,1.4,二極管的分類,1.4.2,半導(dǎo)體器件命名方法,1,、半導(dǎo)體器件命名的國家標(biāo)準(zhǔn),國標(biāo)半導(dǎo)體器件命名規(guī)定,1.4,二極管的分類,1.4.2,半導(dǎo)體器件命名方法,2,、美國半導(dǎo)體器件命名方法,美國電子工業(yè)協(xié)會半導(dǎo)體器件命名規(guī)定,美國型號的二極管,1N4001A,：“,1,”,表示該器件只有一個,PN,結(jié)，,為二極管；“,1,”,前面沒有符號，表示這種型號的器件是非軍用,品；第三部分?jǐn)?shù)字“,N,”,為注冊標(biāo)志，表明已在美國電子工業(yè)協(xié),會注冊；第四部

14、分“,4001,”,為登記序號；第五部分“,A,”,表示檔,次。,1.4,二極管的分類,1.4.2,半導(dǎo)體器件命名方法,3,、歐洲半導(dǎo)體器件命名方法,歐洲產(chǎn)器件型號由四部分組成，每一部分符號的含義如下,二極管,BYV28,為例：,第一部分字母“,B,”,表示制造材料為硅，第,二部分字母“,Y,”,表示器件為整流二極管，第三部分用一個字母,加兩位數(shù)字,V28,表示器件登記號。,1.4,二極管的分類,1.4.2,半導(dǎo)體器件命名方法,4,、日本半導(dǎo)體器件命名方法,日本半導(dǎo)體器件型號由五部分組成，規(guī)定如下,1S1585,：,“,1,”,表示該器件為二極管，第二部分“,S,”,表示屬半,導(dǎo)體器件，“,1

15、585,”,是登記序號。,1.5,整流電路設(shè)計,已知變壓器輸出的交流電有效值為,45V,，負(fù)載電阻,20,，需直,流供電，要求設(shè)計整流電路。,設(shè)計步驟：,第一步：首先選擇整流電路類型，選用橋式整流電路,第二步：根據(jù)設(shè)計要求計算流過整流二極管的平均電流、,二極管經(jīng)受的反向電壓和二極管的功耗。,輸出平均電壓：,U,0,?,0,.,9,U,i,?,0,.,9,?,45,?,40,.,5,V,I,0,?,U,0,20,?,40,.,5,20,?,2,.,25,A,求得負(fù)載電流：,二極管功耗：,P,r,?,0,.,8,?,2,.,25,?,1,.,8,W,最大反向電壓：,U,r,?,2,U,i,?,1,

16、.,4142,?,45,?,63,.,3,V,1.5,整流電路設(shè)計,已知變壓器輸出的交流電有效值為,45V,，負(fù)載電阻,20,，需直,流供電，要求設(shè)計整流電路。,設(shè)計步驟：,第三步：根據(jù)上面計算所得的平均電流、最大反向電壓和功,耗值，從表,1-1,中選擇合適的整流二極管,2CZ56C,電流：,I,0,?,2,.,25,A,V,反向電壓：,U,r,?,63,.,3,功耗：,P,r,?,1,.,8,W,1.6,二極管單向?qū)щ娫砗喗?-1.6.1,導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體,絕緣體：不存在能夠自由移動的電荷，不導(dǎo)電；,導(dǎo)體：金屬等存在大量能自由運(yùn)動的電子屬良導(dǎo)體；,半導(dǎo)體：硅、鍺情況比較特殊，很純的半導(dǎo)

17、體硅、,鍺（稱為本征半導(dǎo)體）缺少自由電荷，幾乎不導(dǎo)電。，,但加入一定量的微量元素，導(dǎo)電能力將發(fā)生很大變化。,N,型硅：硅中加入微量的,5,價元素（例如磷），,4,個,被束縛在硅原子周圍，而多出的一個就能夠在半導(dǎo),體內(nèi)自由移動，于是能導(dǎo)電；,P,型硅：加入微量的,3,價元素（例如硼），硼原子只,有,3,個價電子，就容易從鄰近硅原子的,4,個價電子中拉,一個過來，鄰近硅原子失去一個電子而帶正電，稱為,空穴，空穴能自由移動，于是能導(dǎo)電。,1.6,二極管單向?qū)щ娫砗喗?-1.6.1,導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體,自由電子的增加使,N,型硅導(dǎo)電，導(dǎo)電能力隨磷元素,濃度變化，磷元素濃度增加時導(dǎo)電能力也增加。,1

18、.6,二極管單向?qū)щ娫砗喗?-1.6.1,導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體,荷正電的空穴使,P,型硅導(dǎo)電，導(dǎo)電能力隨硼元素濃,度變化，硼元素濃度增加時導(dǎo)電能力也增加。,1.6,二極管單向?qū)щ娫砗喗?1.6.2 PN,結(jié)的形成,硅的一邊摻雜,5,價元素，成為,N,型半導(dǎo)體，另一邊摻,雜,3,價元素，成為,P,型半導(dǎo)體，在邊界處便會形成一種,特殊的結(jié)構(gòu)稱為,PN,結(jié)。,P,區(qū)的空穴向,N,區(qū)擴(kuò)散，,N,區(qū)的電子向,P,區(qū)擴(kuò)散，在邊,界附近的,N,區(qū)留下不能移動的正電荷，在,P,區(qū)留下不能,移動的負(fù)電荷，正負(fù)電荷形成內(nèi)建電場。,1.6,二極管單向?qū)щ娫砗喗?1.6.3,二極管的單向?qū)щ娞匦?一個,PN,結(jié)，在其兩端制作電極，用引腳引出再加上,外殼，即為二極管。,P,區(qū)引出的為二極管的正極，,N,區(qū),引出的為二極管的負(fù)極。,1.6,二極管單向?qū)щ娫砗喗?1.6.3,二極管的單向?qū)щ娞匦?1,、二極管施加正向電壓時,內(nèi)建電場方向,A,外加電場方向,外加電場的方向和,PN,結(jié)區(qū)內(nèi)建電場的方向相反，外,加電場減弱了內(nèi)建電場，因此擴(kuò)散繼續(xù)進(jìn)行，形成正,向電流，因此二極管加正向電壓時導(dǎo)通。,1.6,二極管單向?qū)щ娫砗喗?1.6.3,二極管的單向?qū)щ娞匦?2,、二極管施加反向電壓時,內(nèi)建電場方向,A,外加電