第八章半導(dǎo)體器件

1第八章

半導(dǎo)體器件

28.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)8.2半導(dǎo)體二極管8.3特殊二極管8.4集成穩(wěn)壓器8.5雙極型晶體管8.6場效應(yīng)晶體管8.7集成電路8.8晶閘管38.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)

導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體

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。

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。

另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱為半導(dǎo)體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。4

半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理不同于其它物質(zhì)，所以它具有不同于其它物質(zhì)的特點(diǎn)。比如：當(dāng)受外界熱和光的作用時(shí)，它的導(dǎo)電能力明顯變化。往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會(huì)使它的導(dǎo)電能力明顯改變。

在常態(tài)下導(dǎo)電能力接近于絕緣體，但在摻雜、受熱、光照后，其導(dǎo)電能力明顯增強(qiáng)而接近于導(dǎo)體。半導(dǎo)體特性：熱敏特性、光敏特性、摻雜特性5（一）本征半導(dǎo)體現(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，它們的最外層電子（價(jià)電子）都是四個(gè)。GeSi通過一定的工藝過程，可以將半導(dǎo)體制成晶體。完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體，稱為本征半導(dǎo)體。+4簡化模型6在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點(diǎn)陣，每個(gè)原子與其相臨的原子之間形成共價(jià)鍵，共用一對價(jià)電子。硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)7共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子被束縛在共價(jià)鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價(jià)鍵成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。形成共價(jià)鍵后，每個(gè)原子的最外層電子是八個(gè)，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。共價(jià)鍵有很強(qiáng)的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。+4+4+4+4共價(jià)鍵共用電子對共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)8本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理在常溫下，由于受激發(fā)（溫度升高或者光照等等），使一些價(jià)電子獲得足夠的能量而脫離共價(jià)鍵的束縛，成為自由電子，使半導(dǎo)體材料具有了一定的導(dǎo)電能力，同時(shí)在共價(jià)鍵上留下一個(gè)空位，稱為空穴。電子和空穴成對出現(xiàn)，稱為電子空穴對。+4+4+4+4自由電子空穴束縛電子9

當(dāng)半導(dǎo)體兩端加上外電壓時(shí)，在半導(dǎo)體中將出現(xiàn)兩部分電流

(1)自由電子作定向運(yùn)動(dòng)電子電流

(2)價(jià)電子遞補(bǔ)空穴空穴電流注意：

(1)本征半導(dǎo)體中載流子數(shù)目極少,其導(dǎo)電性能很差；

(2)溫度愈高，載流子的數(shù)目愈多,半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能也就愈好。所以，溫度對半導(dǎo)體器件性能影響很大。自由電子和空穴都稱為載流子。自由電子和空穴成對地產(chǎn)生的同時(shí)，又不斷復(fù)合。在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生和復(fù)合達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，半導(dǎo)體中載流子便維持一定的數(shù)目。10（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(huì)使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加。

根據(jù)所摻雜質(zhì)不同，摻雜后的半導(dǎo)體可分為：N型半導(dǎo)體（使自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體——電子半導(dǎo)體），P型半導(dǎo)體（使空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體——空穴半導(dǎo)體）。11N型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入少量的五價(jià)元素磷（或銻），晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代。多余電子磷原子硅原子+N型硅表示SiSiSiSiP失去一個(gè)電子變?yōu)檎x子磷原子的最外層有五個(gè)價(jià)電子，其中四個(gè)與相臨的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵，必定多出一個(gè)電子。

這個(gè)電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動(dòng)的帶正電的離子。每個(gè)磷原子給出一個(gè)電子，稱為施主原子。12N型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體中的載流子是什么？1、由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。2、本征半導(dǎo)體中成對產(chǎn)生電子和空穴。3、摻雜后自由電子數(shù)目大量增加，自由電子導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式，稱為電子半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體。自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度。自由電子稱為多數(shù)載流子（多子），空穴稱為少數(shù)載流子（少子）。？13P型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入少量的三價(jià)元素，如硼（或銦），晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，硼原子的最外層有三個(gè)價(jià)電子，與相臨的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)空穴。這個(gè)空穴可能吸引束縛電子來填補(bǔ)，使得硼原子成為不能移動(dòng)的帶負(fù)電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為受主原子。14空穴P型半導(dǎo)體硼原子P型硅表示SiSiSiB硅原子空穴被認(rèn)為帶一個(gè)單位的正電荷，并且可以移動(dòng)接受一個(gè)電子變?yōu)樨?fù)離子15總結(jié)1、N型半導(dǎo)體中電子是多子，其中大部分是摻雜提供的電子，本征半導(dǎo)體中受激產(chǎn)生的電子只占少數(shù)。N型半導(dǎo)體中空穴是少子，少子的遷移也能形成電流，由于數(shù)量的關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是多子。近似認(rèn)為多子與雜質(zhì)濃度相等。2、P型半導(dǎo)體中空穴是多子，電子是少子。無論N型或P型半導(dǎo)體都是中性的，對外不顯電性。16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171.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子的數(shù)量與

（a.摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。2.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中少子的數(shù)量與（a.摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。3.當(dāng)溫度升高時(shí)，少子的數(shù)量（a.減少、b.不變、c.增多）。abc4.在外加電壓的作用下，P型半導(dǎo)體中的電流主要是

，N型半導(dǎo)體中的電流主要是。（a.電子電流、b.空穴電流）ba18擴(kuò)散的結(jié)果使空間電荷區(qū)變寬（三）PN結(jié)（1）PN結(jié)的形成在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，經(jīng)過載流子的擴(kuò)散，在它們的交界面處就形成了PN結(jié)。內(nèi)電場P型N型－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－PN結(jié)多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)少子的漂移運(yùn)動(dòng)形成空間電荷區(qū)內(nèi)電場越強(qiáng)，漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄擴(kuò)散和漂移這一對相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。191、空間電荷區(qū)中沒有載流子。2、空間電荷區(qū)中內(nèi)電場阻礙P中的空穴、N中的電子（都是多子）向?qū)Ψ竭\(yùn)動(dòng)（擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)）。3、P中的電子和N中的空穴（都是少子），數(shù)量有限，因此由它們形成的電流很小。請注意201.PN結(jié)加正向電壓（正向偏置）PN結(jié)變窄P接正、N接負(fù)外電場I

內(nèi)電場被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)，形成較大的擴(kuò)散電流。

PN結(jié)加正向電壓時(shí)，PN結(jié)變窄，正向電流較大，正向電阻較小，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。內(nèi)電場PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–（2）PN結(jié)的單向?qū)щ娦?12.PN結(jié)加反向電壓（反向偏置）外電場P接負(fù)、N接正內(nèi)電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+22PN結(jié)變寬2.PN結(jié)加反向電壓（反向偏置）外電場

內(nèi)電場被加強(qiáng)，少子的漂移加強(qiáng)，由于少子數(shù)量很少，形成很小的反向電流。I≈0P接負(fù)、N接正溫度越高少子的數(shù)目越多，反向電流將隨溫度增加。–+PN結(jié)加反向電壓時(shí)，PN結(jié)變寬，反向電流較小，反向電阻較大，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。內(nèi)電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－23PN結(jié)的形成擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)平衡擴(kuò)散強(qiáng)漂移運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)內(nèi)電場增強(qiáng)兩者平衡PN結(jié)寬度基本穩(wěn)定外加電壓平衡破壞擴(kuò)散強(qiáng)漂移強(qiáng)PN結(jié)導(dǎo)通PN結(jié)截止248.2半導(dǎo)體二極管(一)基本結(jié)構(gòu)PN結(jié)加上管殼和電極引線，就成為半導(dǎo)體二極管。PN二極管外形和符號(hào)陽極陰極PN25鋁合金小球N型硅陽極引線PN結(jié)金銻合金底座陰極引線(

c)面接觸型金屬觸絲陽極引線N型鍺片陰極引線外殼(

b)

點(diǎn)接觸型二極管的結(jié)構(gòu)示意圖

點(diǎn)接觸型(鍺管）：PN結(jié)的面積小結(jié)電容小，只能通過較小的電流用于高頻電路或小電流整流電路，也用作數(shù)字電路的開關(guān)元件。

面接觸型（硅管）：PN結(jié)的面積大結(jié)電容大，能通過較大的電流可用于低頻電路或大電流整流電路

陰極陽極(

a

)

符號(hào)D26硅管0.5V,鍺管0.2V。反向擊穿電壓U(BR)導(dǎo)通壓降

外加電壓大于死區(qū)電壓二極管才能導(dǎo)通。

外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦?。正向特性反向特性特點(diǎn)：非線性硅0.6~0.7V鍺0.2~0.3VUI死區(qū)電壓PN+–PN–+

反向電流在一定電壓范圍內(nèi)保持常數(shù)。(二)伏安特性27伏安特性的折線化近似特性理想特性

理想二極管加正向電壓導(dǎo)通，正向電壓降和正向電阻為零，相當(dāng)于短路；加反向電壓截止，反向電流為零，反向電阻等于無窮大，相當(dāng)于開路。I0I028(三)主要參數(shù)（1）額定正向平均電流IF

（最大整流電流）二極管長期使用時(shí)，允許流過二極管的最大正向平均電流。（3）反向擊穿電壓UBR二極管反向擊穿時(shí)的電壓值。擊穿時(shí)反向電流劇增，二極管的單向?qū)щ娦员黄茐?，甚至過熱而燒壞。二極管通過額定正向平均電流時(shí)兩端的電壓降。（2）正向電壓降UF（4）最高反向工作電壓UR保證二極管不被擊穿所允許施加的最大反向電壓，一般是UBR的一半或三分之二。29以上均是二極管的直流參數(shù)，二極管的應(yīng)用是主要利用它的單向?qū)щ娦??？捎糜谡鳌z波、限幅、元件保護(hù)以及在數(shù)字電路中作為開關(guān)元件。（5）最大反向電流

IRm指二極管加最高反向工作電壓時(shí)的反向電流。所選管子反向電流越大，說明管子的單向?qū)щ娦栽胶?。反向電流受溫度的影響，溫度升高反向電流?huì)顯著增加。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流要大幾十到幾百倍。30二極管的單向?qū)щ娦?.二極管加正向電壓（正向偏置，陽極接正、陰極接負(fù)）時(shí)，二極管處于正向?qū)顟B(tài)，二極管正向電阻較小，正向電流較大。2.二極管加反向電壓（反向偏置，陽極接負(fù)、陰極接正）時(shí)，二極管處于反向截止?fàn)顟B(tài)，二極管反向電阻較大，反向電流很小。

3.外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦浴?.二極管的反向電流受溫度的影響，溫度愈高反向電流愈大。31溫度對二極管特性有較大的影響：溫度升高，使正向特性曲線左移，反向特性曲線下移。UI正向特性曲線左移表明在相同的正向電流下，二極管正向壓降隨溫度升高而減少反向特性曲線下移表明溫度升高時(shí)，反向電流劇增。32

二極管電路分析舉例定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)導(dǎo)通截止否則，正向管壓降硅0.6-0.7V鍺0.2-0.3V

分析方法：將二極管斷開，分析二極管兩端電位的高低或所加電壓UD的正負(fù)。若V陽

>V陰或UD為正(正向偏置)，二極管導(dǎo)通若V陽

<V陰或UD為負(fù)(反向偏置)，二極管截止

若二極管是理想的，正向?qū)〞r(shí)正向管壓降為零，反向截止時(shí)二極管相當(dāng)于斷開。33電路如圖，求：UABV陽

=－6VV陰=－12VV陽>V陰二極管導(dǎo)通若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB=－6V否則，UAB低于－6V一個(gè)管壓降，為－6.3Ｖ或－6.7V

取B點(diǎn)作參考點(diǎn)，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。

在這里，二極管起鉗位作用。D6V12V3kBAUAB+–例8.2.1

陽

陰34ui>8V，二極管導(dǎo)通，可看作短路uo=8V

ui<8V，二極管截止，可看作開路uo=ui已知：二極管是理想的，試畫出uo

波形。8V二極管的用途：

整流、檢波、限幅、鉗位、開關(guān)、元件保護(hù)、溫度補(bǔ)償?shù)?。ui18V參考點(diǎn)二極管陰極電位為8VD8VRuoui++––例8.2.2書例8.2.1、8.2.2351.符號(hào)UZIZIZMUZIZ2.伏安特性

穩(wěn)壓管正常工作時(shí)加反向電壓，工作于反向擊穿區(qū)使用時(shí)要加限流電阻

穩(wěn)壓管工作于反向擊穿區(qū)時(shí)，電流變化很大，但其兩端電壓變化很小，利用此特性，穩(wěn)壓管在電路中可起穩(wěn)壓作用。UIO8.3特殊二極管（一）穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓誤差+-363.穩(wěn)壓二極管的參數(shù)（1）穩(wěn)定電壓UZ（3）電壓溫度系數(shù)U（%/℃）穩(wěn)壓值受溫度變化影響的的系數(shù)。環(huán)境溫度每變化1C引起穩(wěn)壓值變化的百分?jǐn)?shù)。（4）動(dòng)態(tài)電阻（2）穩(wěn)定電流IZ

最大、最小穩(wěn)定電流Izmax、Izmin。(5)最大允許耗散功率PZm=UZIZmrZ愈小，曲線愈陡，穩(wěn)壓性能愈好。37RUoUi++––DZUZ+–IoIZI+–UR已知：穩(wěn)壓管參數(shù)為

要求當(dāng)輸入電壓Ui由正常值發(fā)生±20%的波動(dòng)時(shí)，輸出電壓Uo

基本不變。求：電阻R和Ui正常值。解：當(dāng)輸入電壓達(dá)到上限時(shí)：流過穩(wěn)壓管的電流為最大值IZM

，因此有：當(dāng)輸入電壓達(dá)到下限時(shí)：流過穩(wěn)壓管的電流為最小值IZ

，有：聯(lián)立求解兩式得：例8.3.1RL38（二）光電二極管反向電流隨光照強(qiáng)度的增加而上升。IU照度增加（三）發(fā)光二極管有正向電流流過時(shí)，發(fā)出一定波長范圍的光，目前的發(fā)光管可以發(fā)出從紅外到可見波段的光，它的電特性與一般二極管類似，正向電壓較一般二極管高，電流為幾～幾十mA39直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源的組成:功能：把交流電壓變成穩(wěn)定的大小合適的直流電壓u4uou3u2u1交流電源負(fù)載變壓整流濾波穩(wěn)壓40電源變壓器:將交流電網(wǎng)電壓u1變?yōu)楹线m的交流電壓u2。整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路u1u2u3u4uo整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路整流電路:將交流電壓u2變?yōu)槊}動(dòng)的直流電壓u3。濾波電路:將脈動(dòng)直流電壓u3轉(zhuǎn)變?yōu)槠交闹绷麟妷簎4。穩(wěn)壓電路:清除電網(wǎng)波動(dòng)及負(fù)載變化的影響,保持輸出電壓u0的穩(wěn)定。

直流穩(wěn)壓電源的組成和功能41

整流電路整流電路的作用:

將交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動(dòng)的直流電壓。

常見的整流電路：輸出波形：半波、全波、橋式和倍壓整流；輸入電源：單相和三相整流等。分析時(shí)可把二極管當(dāng)作理想元件處理：

二極管的正向?qū)娮铻榱?，反向電阻為無窮大。整流原理：

利用二極管的單向?qū)щ娦?2iDOuoOuDO一、單相半波整流電路2.工作原理u2

正半周，Va>Vb，二極管D導(dǎo)通；3.工作波形

u2

負(fù)半周，Va<Vb，二極管D截止。1.電路結(jié)構(gòu)–++–aTrDuou2bRLiou2tO434.參數(shù)計(jì)算(1)負(fù)載直流電壓平均值Uo(2)負(fù)載直流電流平均值Io(3)二極管平均電流值ID(4)二極管承受的最高反向電壓URm5.整流二極管的選擇

二極管平均電流ID與最高反向電壓URm

是選擇整流二極管的主要依據(jù)。選管時(shí)應(yīng)滿足：

IF

≥ID

，UR

≥

URm

44二、單相全波整流電路的工作原理只給出分析結(jié)果，請自行分析。﹢﹢﹢﹢﹣﹣﹣﹣輸出電壓波形：uou0平均值U0：U0=0.9U2二極管上承受的最高電壓：二極管上的平均電流：I0=0.9U2/RLu1u2aTbD1RLu0D2u2i0cde45三、單相橋式整流電路2.工作原理u2

正半周，Va>Vb，二極管

D1、D3

導(dǎo)通，D2、D4

截止。3.工作波形1.電路結(jié)構(gòu)－uotRLu2iouo1234ab+–+–－u2電流路徑：46RLu2iouo1234ab+–+–2.工作原理u2

負(fù)半周，Va<Vb，二極管

D2、D4

導(dǎo)通，D1、D3截止。3.工作波形1.電路結(jié)構(gòu)－uot-u2電流路徑：三、單相橋式整流電路47u2>0時(shí)D1,D3導(dǎo)通D2,D4截止電流通路:由a經(jīng)D1RLD3bu2<0時(shí)D2,D4導(dǎo)通D1,D3截止電流通路:由b經(jīng)D2RLD4a輸出是脈動(dòng)的直流電壓！u2橋式整流電路輸出電壓波形及電流波形uou2D4D2D1D3RLu0ab通過負(fù)載的電流484.參數(shù)計(jì)算(1)負(fù)載直流電壓平均值Uo(2)負(fù)載直流電流平均值Io(3)二極管平均電流值ID(4)二極管承受的最高反向電壓URm5.整流二極管的選擇

平均電流ID與最高反向電壓URm

是選擇整流二極管的主要依據(jù)。選管時(shí)應(yīng)滿足：

IF

≥ID

，UR

≥

URm

uoRLu2iouo1234ab+–+–49

單相橋式整流電路中的整流電橋可由四個(gè)整流二極管組成，也可直接用集成的整流橋塊代替。整流橋塊二極管橋整流橋?qū)嵨镎掌?fù)載電源50

交流電壓經(jīng)整流電路整流后輸出的是脈動(dòng)直流，其中既有直流成份又有交流成份。濾波原理：濾波電路利用儲(chǔ)能元件電容兩端的電壓(或通過電感中的電流)不能突變的特性,濾掉整流電路輸出電壓中的交流成份，保留其直流成份，達(dá)到平滑輸出電壓波形的目的。方法：將電容與負(fù)載RL并聯(lián)(或?qū)㈦姼信c負(fù)載RL串聯(lián))。

濾波電路51uou2tOtO一、電容濾波器

1.電路結(jié)構(gòu)2.工作原理

u2

>uC時(shí)，二極管導(dǎo)通，電源在給負(fù)載RL供電的同時(shí)也給電容充電，uC

增加，uo=uC

。u2<uC時(shí)，二極管截止，電容通過負(fù)載RL

放電，uC按指數(shù)規(guī)律下降，uo=uC

。+Cici

–++–aDuou2bRLio=uC

3.工作波形（負(fù)載端開路）二極管承受的最高反向電壓。52橋式整流電容濾波電路

以單向橋式整流電容濾波為例進(jìn)行分析，其電路如圖所示。u0u1u2u1abD4D2D1D3RLSC53加電容并且RL未接入時(shí)：u2t設(shè)t1時(shí)刻接通電源t1整流電路為電容充電充電結(jié)束忽略整流電路內(nèi)阻合上S沒有電容時(shí)的輸出波形u0u1u2u1abD4D2D1D3RLSCu0t54接入RL（且RLC較大）時(shí)u2tu0t忽略整流電路內(nèi)阻電容通過RL放電，在整流電路電壓小于電容電壓時(shí)，二極管截止，整流電路不為電容充電，u0會(huì)逐漸下降。u0u1u2u1abD4D2D1D3RLSC55一般取(T:電源電壓的周期)近似估算:Uo=1.2U2。(2)流過二極管瞬時(shí)電流很大RLC越大Uo越高,負(fù)載電流的平均值越大整流管導(dǎo)電時(shí)間越短iD的峰值電流越大故一般選管時(shí)，取2、電容濾波電路的特點(diǎn)(1)輸出電壓Uo與時(shí)間常數(shù)τ=RLC有關(guān)RLC愈大電容器放電愈慢Uo(平均值)愈大，(3)濾波電容56輸出波形隨負(fù)載電阻RL或C的變化而改變?nèi)?RL愈小(I0越大),Uo下降多。電容濾波電路適用于輸出電壓較高,負(fù)載電流較小且負(fù)載變動(dòng)不大的場合。(4)輸出特性(外特性):Uo電容濾波無電容濾波1.4U20.9U20Io結(jié)論57二、電感濾波電路電感濾波電路

電路結(jié)構(gòu):在橋式整流電路與負(fù)載間串入一電感L就構(gòu)成了電感濾波電路。u2u1RLLu0581、濾波原理:對直流分量(f=0):XL=0相當(dāng)于短路,電壓大部分降在RL上。對諧波分量:f越高,XL越大,電壓大部分降在XL上。因此,在輸出端得到比較平滑的直流電壓。Uo=0.9U2

當(dāng)忽略電感線圈的直流電阻時(shí)，輸出平均電壓約為：u2u1RLLu0592、電感濾波的特點(diǎn):

輸出電壓沒有電容濾波的高。當(dāng)負(fù)載改變時(shí)，對輸出電壓的影響較小。因此適用于負(fù)載電壓較低、負(fù)載電流較大、負(fù)載變化大的場合。缺點(diǎn)是制作復(fù)雜、電感鐵芯笨重,體積大,易引起電磁干擾。u2u1RLLu060為了改善濾波特性，可采取多級(jí)濾波的辦法,如在電感濾波后面再接一電容，或在電容濾波后再接一級(jí)RC濾波電路。從而構(gòu)成LC-型或RC-型濾波電路，其性能及應(yīng)用場合分別與電感濾波和電容濾波相似。三、LC-型濾波電路C2u0u2u1C1u0′RLL61四、RC-型濾波電路C2u0Ru2u1C1u0′RL62例8.2.3一橋式整流電容濾波電路，已知電源頻率，

負(fù)載電阻，輸出直流電壓。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(shí)的輸出電壓ＵＯ；（４）電容斷路時(shí)的輸出電壓ＵＯ。解：（1）選擇整流二極管查附錄，選用2CZ53B的二極管4個(gè)。其中：63（2）選擇濾波電容器查附錄，選用的電解電容器。（3）負(fù)載電阻開路時(shí)（4）電容開路時(shí)64DZu0Ru2u1C1u0′RL

引起電壓不穩(wěn)定的原因是：交流電源電壓的波動(dòng)和負(fù)載電流的變化。IRIZIL

穩(wěn)壓電路65一、集成穩(wěn)壓電源簡介三端集成穩(wěn)壓器的硅片封裝在普通功率管的外殼內(nèi)，電路內(nèi)部附有短路和過熱保護(hù)環(huán)節(jié)。

隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展,現(xiàn)在已生產(chǎn)并廣泛應(yīng)用的單片集成穩(wěn)壓器，具有體積小,可靠性高,使用靈活,價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。

本節(jié)主要介紹常用的7800、7900系列固定輸出式三端集成穩(wěn)壓器組件及其應(yīng)用。

根據(jù)輸出端電壓是否可調(diào)可分為固定輸出式和可變輸出式兩類。8.4集成穩(wěn)壓器

最簡單的集成穩(wěn)壓器只有輸入，輸出和公共引出端,故稱之為三端集成穩(wěn)壓器。66二、分類正穩(wěn)壓7800系列負(fù)穩(wěn)壓37系列正穩(wěn)壓17系列負(fù)穩(wěn)壓7900系列三端集成穩(wěn)壓器固定式可調(diào)式注意：7800/7900系列型號(hào)后兩位數(shù)字XX代表輸出電壓值。如：7805輸出電壓為5V67三端集成穩(wěn)壓器實(shí)物照片68三端集成穩(wěn)壓器管腳排列78系列－輸出正電壓79系列－輸出負(fù)電壓7805＋5V7806＋6V7808＋8V7809＋9V7810＋10V7812＋12V7815＋15V7818＋18V7824＋24V……7905－5V7906－6V7908－8V7909－9V7910－10V7912－12V7915－15V7918－18V7924－24V……輸入輸出公共端輸入輸出公共端691、輸出為固定正電壓的電路三、應(yīng)用電路

輸出為固定正壓時(shí)7800系列穩(wěn)壓器的基本接線圖如圖所示。注意：輸入與輸出端之間的電壓差不得低于3V！702、輸出為固定負(fù)電壓的電路

輸出為固定負(fù)壓時(shí)7900系列穩(wěn)壓器的基本接線圖如圖所示。71正負(fù)電壓同時(shí)輸出電路W78XXCIUI+_123+_CIW79XX12COCO3UO3、輸出正、負(fù)電壓的電路72UXX:為78XX固定輸出電壓，則

Uo=UXX+UZ4、提高輸出電壓的電路738.5雙極型晶體管（一）基本結(jié)構(gòu)BECNNP基極發(fā)射極集電極NPN型PNP集電極基極發(fā)射極BCEPNP型符號(hào)：BECIBIEICBECIBIEIC74基區(qū)：最薄，摻雜濃度最低發(fā)射區(qū)：摻雜濃度最高發(fā)射結(jié)集電結(jié)BECNNP基極發(fā)射極集電極結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：集電區(qū)：面積最大75條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。BECIBIEICUBEUCE（二）工作狀態(tài)1、放大狀態(tài)

NPN

發(fā)射結(jié)正偏VB>VE集電結(jié)反偏VC>VB

從電位的角度看：BECNNP基極發(fā)射極集電極PN陽極陰極–+正偏導(dǎo)通+–反偏截止發(fā)射結(jié)集電結(jié)76

發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴(kuò)散，形成發(fā)射極電流IE。從基區(qū)擴(kuò)散來的電子作為集電結(jié)的少子，漂移進(jìn)入集電結(jié)而被收集流入集電極電源，形成IC。

基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴(kuò)散可忽略。

進(jìn)入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復(fù)合，形成電流IB，多數(shù)擴(kuò)散到集電結(jié)附近。BECNNPUBBRBUCCIEIBICRC電流分配原則：IE=IB+IC晶體管中載流子運(yùn)動(dòng)：77IE=IC+IBIBBECNNPUBBRBUCCIE溫度ICEO直流（或靜態(tài)）電流放大系數(shù)若基極開路，即：IB=0,則這時(shí)集電極電流用ICE0

表示稱為集－射極穿透電流，ICICE0IC改變RB保持UCE不變：交流（或動(dòng)態(tài)）電流放大系數(shù)RC78

把基極電流的微小變化能夠引起集電極電流較大變化的特性稱為晶體管的電流放大作用。

實(shí)質(zhì):用一個(gè)微小電流的變化去控制一個(gè)較大電流的變化。IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.10<0.0010.701.502.303.103.95<0.0010.721.542.363.184.051）三電極電流關(guān)系

IE=IB+IC2）IC

IB

，

IC

IE

3）IC

IB實(shí)驗(yàn)：電極電流關(guān)系及電流放大作用ICUBBmAmAVUCEUBERBIBUCCV++––––++79晶體管處于放大狀態(tài)的特征是：IB的微小變化會(huì)引起IC的較大變化。(b),是由和決定的。(c)＜＜(d)晶體管相當(dāng)于通路。ICUBBmAAVUCEUBERBIBUCCV++––––++RC+–++––80放大狀態(tài)UBE條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏。2、飽和狀態(tài)BECIBIEICNPN型三極管UBEUCERBIBICICUBBUCEUBERBIBUCC++––––++RC飽和81晶體管處于飽和狀態(tài)的特征是：

IB

增加時(shí)，IC基本不變。(b),是由和決定的。(c)(d)晶體管相當(dāng)于短路。ICUBBmAAVUCEUBERBIBUCCV++––––++RCIB+–飽和++––82特征：基極電流IB=0；(b)集電極電流IC=0；(c)(d)晶體管相當(dāng)于開路。ICUBBUCEUBERBIBUCC++––––++RCBECIBIEIC條件：發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。3、截止?fàn)顟B(tài)NPN型三極管+–++––83已知三極管三個(gè)極的電位，判定三極管的工作狀態(tài)。

判定方法：兩結(jié)正偏，飽和；發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，放大；發(fā)射結(jié)反偏（兩結(jié)反偏），截止。放大截止飽和放大84

即管子各電極電壓與電流的關(guān)系曲線，是管子內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)的外部表現(xiàn)，反映了晶體管的性能，是分析放大電路的依據(jù)。為什么要研究特性曲線：

1）直觀地分析管子的工作狀態(tài)

2）合理地選擇偏置電路的參數(shù)，設(shè)計(jì)性能良好的電路

重點(diǎn)討論應(yīng)用最廣泛的共發(fā)射極接法的特性曲線（三）特性曲線85發(fā)射極是輸入回路、輸出回路的公共端共發(fā)射極電路輸入回路輸出回路

測量晶體管特性的實(shí)驗(yàn)線路ICUBBmAAVUCEUBERBIBUCCV++––––++RC861.

輸入特性特點(diǎn):非線性死區(qū)電壓：NPN型硅管

0.6~0.7VPNP型鍺管0.2~0.3VIB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1VO872.輸出特性IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O放大區(qū)輸出特性曲線通常分三個(gè)工作區(qū)：(1)放大區(qū)

在放大區(qū)有IC=IB

，也稱為線性區(qū)，具有恒流特性。

在放大區(qū)，發(fā)射結(jié)處于正向偏置、集電結(jié)處于反向偏置，晶體管工作于放大狀態(tài)。

UCE>UBE88IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O（2）截止區(qū)IB<0以下區(qū)域?yàn)榻刂箙^(qū)，有IC0UCEUCC

。

在截止區(qū)發(fā)射結(jié)處于反向偏置，集電結(jié)處于反向偏置，晶體管工作于截止?fàn)顟B(tài)。飽和區(qū)截止區(qū)（3）飽和區(qū)

當(dāng)UCEUBE時(shí)，晶體管工作于飽和狀態(tài)。在飽和區(qū)，發(fā)射結(jié)處于正向偏置，集電結(jié)也處于正偏。

UCE0ICUCC/RC891.電流放大系數(shù)，直流電流放大系數(shù)交流電流放大系數(shù)當(dāng)晶體管接成發(fā)射極電路時(shí)，

表示晶體管特性的數(shù)據(jù)稱為晶體管的參數(shù)，晶體管的參數(shù)也是設(shè)計(jì)電路、選用晶體管的依據(jù)。注意：

和

的含義不同，但在特性曲線近于平行等距并且ICE0較小的情況下，兩者數(shù)值接近。常用晶體管的

值在20-150之間。（四）主要參數(shù)90

在UCE=6V時(shí)，在Q1點(diǎn)IB=40A,IC=1.5mA；

在Q2點(diǎn)IB=60A,IC=2.3mA。在以后的計(jì)算中，一般作近似處理：IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)9120Q1Q2在Q1點(diǎn)，有由Q1和Q2點(diǎn)，得例題8.5.1912.集-射極反向截止電流(穿透電流)ICEOAICEOIB=0+–

ICEO受溫度的影響大。溫度ICEO，所以IC也相應(yīng)增加。三極管的溫度特性較差。3.

集電極最大允許電流ICM

集電極電流IC上升超過一定值時(shí)晶體管參數(shù)開始變化，特別是會(huì)導(dǎo)致三極管的值的下降，當(dāng)值下降到正常值的三分之二時(shí)的集電極電流即為ICM924.

集電極最大允許耗散功耗PCMPCM取決于三極管允許的溫升，消耗功率過大，溫升過高會(huì)燒壞三極管。

UCEIC=

PC

PCM

硅管允許結(jié)溫約為150C，鍺管約為7090C。5.

集-射極反向擊穿電壓BU(BR)CEO

當(dāng)集—射極之間的電壓UCE超過一定的數(shù)值時(shí)，三極管就會(huì)被擊穿。手冊上給出的數(shù)值是25C、基極開路時(shí)的擊穿電壓BU(BR)CEO。93PCM=

ICUCM功耗曲線ICMU(BR)CEO安全工作區(qū)由三個(gè)極限參數(shù)可畫出三極管的安全工作區(qū)ICUCEO過損耗區(qū)94一、集成穩(wěn)壓電源簡介三端集成穩(wěn)壓器的硅片封裝在普通功率管的外殼內(nèi)，電路內(nèi)部附有短路和過熱保護(hù)環(huán)節(jié)。

隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展,現(xiàn)在已生產(chǎn)并廣泛應(yīng)用的單片集成穩(wěn)壓器，具有體積小,可靠性高,使用靈活,價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。

本節(jié)主要介紹常用的7800、7900系列固定輸出式三端集成穩(wěn)壓器組件及其應(yīng)用。

根據(jù)輸出端電壓是否可調(diào)可分為固定輸出式和可變輸出式兩類。8.4集成穩(wěn)壓器

最簡單的集成穩(wěn)壓器只有輸入，輸出和公共引出端,故稱之為三端集成穩(wěn)壓器。95二、分類正穩(wěn)壓7800系列負(fù)穩(wěn)壓37系列正穩(wěn)壓17系列負(fù)穩(wěn)壓7900系列三端集成穩(wěn)壓器固定式可調(diào)式注意：7800/7900系列型號(hào)后兩位數(shù)字XX代表輸出電壓值。如：7805輸出電壓為5V96三端集成穩(wěn)壓器實(shí)物照片97三端集成穩(wěn)壓器管腳排列78系列－輸出正電壓79系列－輸出負(fù)電壓7805＋5V7806＋6V7808＋8V7809＋9V7810＋10V7812＋12V7815＋15V7818＋18V7824＋24V……7905－5V7906－6V7908－8V7909－9V7910－10V7912－12V7915－15V7918－18V7924－24V……輸入輸出公共端輸入輸出公共端981、輸出為固定正電壓的電路三、應(yīng)用電路

輸出為固定正壓時(shí)7800系列穩(wěn)壓器的基本接線圖如圖所示。注意：輸入與輸出端之間的電壓差不得低于3V！992、輸出為固定負(fù)電壓的電路

輸出為固定負(fù)壓時(shí)7900系列穩(wěn)壓器的基本接線圖如圖所示。100正負(fù)電壓同時(shí)輸出電路W78XXCIUI+_123+_CIW79XX12COCO3UO3、輸出正、負(fù)電壓的電路101UXX:為78XX固定輸出電壓，則

Uo=UXX+UZ4、提高輸出電壓的電路1028.5雙極型晶體管（一）基本結(jié)構(gòu)BECNNP基極發(fā)射極集電極NPN型PNP集電極基極發(fā)射極BCEPNP型符號(hào)：BECIBIEICBECIBIEIC103基區(qū)：最薄，摻雜濃度最低發(fā)射區(qū)：摻雜濃度最高發(fā)射結(jié)集電結(jié)BECNNP基極發(fā)射極集電極結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：集電區(qū)：面積最大104條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。BECIBIEICUBEUCE（二）工作狀態(tài)1、放大狀態(tài)

NPN

發(fā)射結(jié)正偏VB>VE集電結(jié)反偏VC>VB

從電位的角度看：BECNNP基極發(fā)射極集電極PN陽極陰極–+正偏導(dǎo)通+–反偏截止發(fā)射結(jié)集電結(jié)105

發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴(kuò)散，形成發(fā)射極電流IE。從基區(qū)擴(kuò)散來的電子作為集電結(jié)的少子，漂移進(jìn)入集電結(jié)而被收集流入集電極電源，形成IC。

基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴(kuò)散可忽略。

進(jìn)入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復(fù)合，形成電流IB，多數(shù)擴(kuò)散到集電結(jié)附近。BECNNPUBBRBUCCIEIBICRC電流分配原則：IE=IB+IC晶體管中載流子運(yùn)動(dòng)：106IE=IC+IBIBBECNNPUBBRBUCCIE溫度ICEO直流（或靜態(tài)）電流放大系數(shù)若基極開路，即：IB=0,則這時(shí)集電極電流用ICE0

表示稱為集－射極穿透電流，ICICE0IC改變RB保持UCE不變：交流（或動(dòng)態(tài)）電流放大系數(shù)RC107

把基極電流的微小變化能夠引起集電極電流較大變化的特性稱為晶體管的電流放大作用。

實(shí)質(zhì):用一個(gè)微小電流的變化去控制一個(gè)較大電流的變化。IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.10<0.0010.701.502.303.103.95<0.0010.721.542.363.184.051）三電極電流關(guān)系

IE=IB+IC2）IC

IB

，

IC

IE

3）IC

IB實(shí)驗(yàn)：電極電流關(guān)系及電流放大作用ICUBBmAmAVUCEUBERBIBUCCV++––––++108晶體管處于放大狀態(tài)的特征是：IB的微小變化會(huì)引起IC的較大變化。(b),是由和決定的。(c)＜＜(d)晶體管相當(dāng)于通路。ICUBBmAAVUCEUBERBIBUCCV++––––++RC+–++––109放大狀態(tài)UBE條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏。2、飽和狀態(tài)BECIBIEICNPN型三極管UBEUCERBIBICICUBBUCEUBERBIBUCC++––––++RC飽和110晶體管處于飽和狀態(tài)的特征是：

IB

增加時(shí)，IC基本不變。(b),是由和決定的。(c)(d)晶體管相當(dāng)于短路。ICUBBmAAVUCEUBERBIBUCCV++––––++RCIB+–飽和++––111特征：基極電流IB=0；(b)集電極電流IC=0；(c)(d)晶體管相當(dāng)于開路。ICUBBUCEUBERBIBUCC++––––++RCBECIBIEIC條件：發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。3、截止?fàn)顟B(tài)NPN型三極管+–++–