第09章-二極管和晶體管

1、六、六、(14分分)已知：已知：us=5cos(4t-900)，is=3cos(4t+30)，R1= R2=1。 求：求：（1 1）應(yīng)用疊加定理求電容電壓）應(yīng)用疊加定理求電容電壓u uC C ；（用相量分析法做）；（用相量分析法做）（2 2）電阻）電阻R R1 1得到的有功功率。得到的有功功率。已知已知: us=5sin(4t -90)， is =3sin(4t +30)，R1= R2=1。 求：求：（1）電容電壓）電容電壓uC ,（2）電阻）電阻R1得到的有功功率。得到的有功功率。課堂練習(xí)課堂練習(xí)答案：答案：(1)uc=2.3cos(4t-1490)V (2)P1=8.8W 電子技術(shù)電子技術(shù)

2、是把是把電子元器電子元器件組成的電子件組成的電子電路應(yīng)用到科學(xué)、技術(shù)、生產(chǎn)、生活各領(lǐng)電路應(yīng)用到科學(xué)、技術(shù)、生產(chǎn)、生活各領(lǐng)域的域的應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用技術(shù)，電子電路是，電子電路是信息社會信息社會產(chǎn)生、產(chǎn)生、傳送、處理信號的傳送、處理信號的硬件載體硬件載體。IC Technology RevolutionvInvention of the Transistor1947: first point contact transistor at Bell LabsThe First Integrated Circuitv1966: ECL 3-Input gate at MotorolaHigh Performa

3、nce Processorsv2001: Intel Pentium Microprocessor42 M transistors, 1.5 GHz operationCMOS, Low power2010年世界最小晶體管問世：僅由年世界最小晶體管問世：僅由7個原子構(gòu)成，嵌于個原子構(gòu)成，嵌于單晶硅上，大小為一米的單晶硅上，大小為一米的40億分之一億分之一 。模塊化便攜式模塊化便攜式SOPC教學(xué)實驗開發(fā)板教學(xué)實驗開發(fā)板半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識導(dǎo)體：自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體，導(dǎo)體：自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體，金屬一般都是導(dǎo)體。金屬一般都是導(dǎo)體。絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為絕緣

4、體，絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半導(dǎo)體：半導(dǎo)體：導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間。如鍺、導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間。如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。9.1.1 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體1、本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)特點、本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)特點硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個。硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個。Si本征半導(dǎo)體：完全純凈的、本征半導(dǎo)體：完全純凈的、晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。9.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性在熱力學(xué)溫度零度在熱力學(xué)溫度零度和沒有外界激發(fā)時和沒有

5、外界激發(fā)時,本征半導(dǎo)體不導(dǎo)電。本征半導(dǎo)體不導(dǎo)電。共價鍵結(jié)構(gòu)共價鍵結(jié)構(gòu) 本征半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)本征半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)硅原子硅原子價電子價電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子自由電子空空穴穴本征激發(fā)本征激發(fā)復(fù)合復(fù)合在在常常溫溫下下自自由由電電子子和和空空穴穴的的形形成成成對出現(xiàn)成對出現(xiàn)成對消失成對消失+4+4+4+4+4+4+4+41 .N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體中在硅或鍺的晶體中摻入少量摻入少量五價五價元素元素磷原子磷原子+4+5多余價電子多余價電子正離子正離子N 型半導(dǎo)體中的載流子型半導(dǎo)體中的載流子: :1 1、自由電子、自由電子2 2、空

6、穴、空穴多數(shù)載流子多數(shù)載流子少數(shù)載流子少數(shù)載流子 N半導(dǎo)體和半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 N 型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖空穴是少數(shù)空穴是少數(shù)載流子載流子電子是多數(shù)電子是多數(shù)載流子載流子正離子正離子+4+4+4+4+4+4+4空穴空穴2. P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體中在硅或鍺的晶體中 摻入少量的摻入少量的三價三價元元 素素, 形成形成P 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 +4+4硼原子硼原子填補空位填補空位+3負(fù)離子負(fù)離子P 型半導(dǎo)體中型半導(dǎo)體中的載流子是的載流子是: :1 1、自由電子、自由電子2 2、空穴、空穴多數(shù)載流子多數(shù)載流子少數(shù)載流子少數(shù)載流子 P 型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖電

7、子是少數(shù)載流子電子是少數(shù)載流子負(fù)離子負(fù)離子空穴是多數(shù)載流子空穴是多數(shù)載流子半導(dǎo)體具有不同于其它物質(zhì)的特點。例如：半導(dǎo)體具有不同于其它物質(zhì)的特點。例如：當(dāng)受外界熱和光作用時，導(dǎo)電能力當(dāng)受外界熱和光作用時，導(dǎo)電能力明顯變化明顯變化, ,半導(dǎo)體對溫度敏感半導(dǎo)體對溫度敏感 。往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，導(dǎo)電能力明顯改變。導(dǎo)電能力明顯改變。半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性（三）（三）PN結(jié)結(jié)1、PN結(jié)的形成結(jié)的形成flash1多子的濃度差多子的濃度差多子的擴散多子的擴散空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)少子的漂移少子的漂移擴散擴散=飄移飄移形成穩(wěn)定的形成穩(wěn)定的PN結(jié)結(jié)注：注：PNPN結(jié)

8、的結(jié)電容很小結(jié)的結(jié)電容很小2、PN結(jié)的特性結(jié)的特性 （1）PN結(jié)外加結(jié)外加正向電壓正向電壓flash2PN結(jié)正偏結(jié)正偏PN結(jié)正向?qū)ńY(jié)正向?qū)ㄍ怆妶雠c內(nèi)電場方向相反外電場與內(nèi)電場方向相反有利于擴散進(jìn)行有利于擴散進(jìn)行擴散擴散飄移飄移PN結(jié)變窄結(jié)變窄外部電源不斷提供電荷外部電源不斷提供電荷產(chǎn)生較大的擴散電流產(chǎn)生較大的擴散電流I正正2、PN結(jié)的特性結(jié)的特性 （2）PN結(jié)外加結(jié)外加反向電壓反向電壓flash3PN結(jié)反偏結(jié)反偏PN結(jié)反向截止結(jié)反向截止外電場與內(nèi)電場方向相同外電場與內(nèi)電場方向相同有利于漂移進(jìn)行有利于漂移進(jìn)行飄移飄移擴散擴散PN結(jié)變厚結(jié)變厚外部電源不斷提供電荷外部電源不斷提供電荷產(chǎn)生較小的反

9、向電流產(chǎn)生較小的反向電流I反反 （3）PN結(jié)的特性：結(jié)的特性：加正向電壓加正向電壓導(dǎo)通導(dǎo)通加反向電壓加反向電壓截止截止單方向?qū)щ娦詥畏较驅(qū)щ娦? -正向電壓正向電壓 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管反向擊穿反向擊穿電壓電壓U(BR)反向特性反向特性PN+PN+理想二極管：理想二極管：導(dǎo)通壓降導(dǎo)通壓降=0iDuDUI0(mA)(A)1. 最大整流電流最大整流電流 IF二極管長期使用時，允許流過二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。二極管的最大正向平均電流。2.最高反向工作電壓最高反向工作電壓UR二極管工作是允許外加的最大反向電壓值。超過此值二極管工作是允許外加的最大反向電壓值。超過此值時，

10、二極管有可能因反向擊穿而損壞。手冊上給出的時，二極管有可能因反向擊穿而損壞。手冊上給出的最高反向工作電壓最高反向工作電壓UR一般是擊穿電壓一般是擊穿電壓U（BR）的一半。的一半。PN二極管符號：二極管符號：+ U -3. 反向電流反向電流 IR指二極管加反向峰值工作電壓時的反向電流。指二極管加反向峰值工作電壓時的反向電流。反向電流大，說明管子的單向?qū)щ娦圆?，因此反向電流大，說明管子的單向?qū)щ娦圆?，因此反向電流越小越好。反向電流受溫度的影響，反向電流越小越好。反向電流受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流要比硅管大幾十到幾

11、百倍。鍺管的反向電流要比硅管大幾十到幾百倍。4、微變電阻微變電阻 rDiDuDIDUDQ iD uDrD 是二極管特性曲線上工是二極管特性曲線上工作點作點Q 附近電壓的變化與附近電壓的變化與電流的變化之比：電流的變化之比：DDDiur工作點工作點Q處的直流電阻：處的直流電阻：R=UD/ID ：下圖中，已知：下圖中，已知VA=3V， VB=0V， DA 、DB為鍺管，求輸出端為鍺管，求輸出端Y的電位并說明的電位并說明二極管的二極管的作用。作用。 解：解： DA優(yōu)先導(dǎo)通，則優(yōu)先導(dǎo)通，則VY=30.3=2.7VDA導(dǎo)通后導(dǎo)通后, DB因反偏而截止因反偏而截止,起隔離作用起隔離作用, DA起鉗位作用起

12、鉗位作用,將將Y端的電位鉗制在端的電位鉗制在+2.7V。 DA 12VYABDBR3V0V-0.3V2.7VDE3VRuiuouRuD：下圖是：下圖是二極管二極管限幅電路，限幅電路，D為理想二極管，為理想二極管，ui = 6 sin t V, E= 3V,試畫出試畫出 uo波形波形 。 t t ui / V Vuo /V63300 2 2 6VLVRiu)0 ()0 (V1000010500102033注意注意:實際使用中要加保護(hù)措施實際使用中要加保護(hù)措施KULRiLKULVRiLuV：保護(hù)電路保護(hù)電路 DUZIZIZM UZ IZ_+UIOZZ ZIUr+U0RL+C+UiDzIzIoIR當(dāng)

13、電源波動或負(fù)載電流的變化引起當(dāng)電源波動或負(fù)載電流的變化引起Uo變化時變化時Uo Uz Iz I =(Iz+Io ) UR Uo =UiURUZIZIZM UZ IZ_+UIO例例9.3.1 求通過穩(wěn)壓二極管求通過穩(wěn)壓二極管的電流的電流IZ？R是限流電阻，是限流電阻，其阻值合適否？其阻值合適否？IZDZR=1.6k+20VUZ =12VIZM =18mAmA5106 . 112203AIz解解:IZ 0 UBE 0即即 VC VB VE對于對于PNP型三極管應(yīng)滿足型三極管應(yīng)滿足: UEB 0 UBC 0即即 VC VB IC，UCE 0.3V稱為稱為飽和區(qū)飽和區(qū)。 IBIC(mA )1234UC

14、E(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此區(qū)域中此區(qū)域中 : IB=0,IC=ICEO,UBE 死區(qū)電死區(qū)電壓，稱為壓，稱為截截止區(qū)止區(qū)。T工作在放大區(qū)條件：工作在放大區(qū)條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏；發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏；T工作在飽和區(qū)條件：工作在飽和區(qū)條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏；發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏；T工作在截止區(qū)條件：工作在截止區(qū)條件：發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏；發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏；輸入特性輸入特性輸出特性輸出特性BCII_例：已知晶體管導(dǎo)通時例：已知晶體管導(dǎo)通時UBE0.7V，=50。試分析試分析uI為為0V、1V、5V三種情況下三種情況下T的工的工作狀

15、態(tài)及輸出電壓作狀態(tài)及輸出電壓uO、IC的值。的值。60bBEQBBBQRUVIV9mA3 CCQCCOBQCQRIVuII 解：解：（1）當(dāng)VBB0時，T截止，uO12V。 IC =0 （2）當(dāng)VBB1V時，因為 A 所以T處于放大狀態(tài)。 （3）當(dāng)VBB5V時，因為860bBEQBBBQRUVIA所以T處于飽和狀態(tài)。 所以 uO0V，IC 12mA0mA43 CCQOBQCQRIVuIICC若：若：則：則：工作于動態(tài)的三極管，工作于動態(tài)的三極管，真正的信號是疊加在直真正的信號是疊加在直流上的交流信號。流上的交流信號。交流交流電流放大倍數(shù)電流放大倍數(shù)為：為：BIIC共射共射直流電流放大倍數(shù)直流電

16、流放大倍數(shù)：BCII_1. 電流放大倍數(shù)電流放大倍數(shù)和和 _在以后的計算中，一般作近似處理：在以后的計算中，一般作近似處理： =9.4.4 9.4.4 主要參數(shù)主要參數(shù)53704051BC.II 400400605132BC .II 2.集集- -基極反向截止電流基極反向截止電流ICBO AICBOICBO是集是集電結(jié)反偏電結(jié)反偏由少子的由少子的漂移形成漂移形成的反向電的反向電流，受溫流，受溫度變化的度變化的影響大。影響大。BECNNP3. 集集- -射極反向截止電流射極反向截止電流ICEOICEO受溫度影響很受溫度影響很大，當(dāng)溫度上升時，大，當(dāng)溫度上升時，ICEO增加很快，所增加很快，所以以

17、IC也相應(yīng)增加。也相應(yīng)增加。三極管的溫度特性三極管的溫度特性較差較差。(穿透電流穿透電流)4.集電極最大電流集電極最大電流ICM集電極電流集電極電流IC超過一定值時，三極管的超過一定值時，三極管的 值要值要下降，當(dāng)下降，當(dāng) 值下降到正常值的三分之二時的集值下降到正常值的三分之二時的集電極電流即為電極電流即為ICM。5.集集-射極反向擊穿電壓射極反向擊穿電壓當(dāng)集當(dāng)集-射極之間的電壓射極之間的電壓UCE超過一定的數(shù)值超過一定的數(shù)值時，三極管就會被擊穿。手冊上給出的數(shù)值是時，三極管就會被擊穿。手冊上給出的數(shù)值是25 C、基極開路時的擊穿電壓基極開路時的擊穿電壓U(BR)CEO。6. 集電極最大允許功耗集電極最大允許功耗PCM 集電極電流集電極電流IC流過流過三極管，所發(fā)出的焦三極管，所發(fā)出的焦耳熱為：耳熱為： PC =ICUCE 必定導(dǎo)致結(jié)溫上升，必定導(dǎo)致結(jié)溫上升，所以所以PC有限制。有限制。 PC PCMICUCEICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作區(qū)安全工作區(qū)人有了知識，就會具備各種分析能力，人有了知識，就會具備各種分析能力，明辨是非的能力。明辨是非的能力。所