1、電路中文課件第一章第1頁，共80頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五 直流電源電路半導體二極管整流電路電源濾波電路穩壓二極管穩壓電路第2頁，共80頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五 一、PN結及其單向導電性1、半導體的導電特性 半導體二極管 半導體的導電機理不同于其它物質，所以它具有不同于其它物質的導電特點。它的導電能力在不同條件下差別很大。 熱敏性：環境溫度升高時，導電能力增強很多。可以用于溫度控制。作熱敏元件。 光敏性：無光照時和絕緣體一樣不導電，受光 照時 導電能力變強。作光敏元件。 濕敏性：根據濕度不同導電性能改變，可以用于倉 庫的濕度控制、報警等。作濕敏元件。1

2、）導電能力隨外界因素影響變化很大第3頁，共80頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五 利用這種特性，可以制造各種 不同用途的半導體。2）導電能力的可控性 摻入微量有用雜質，其導電能力會發生急劇變化。可增加幾十至幾百萬倍。如：硅加入百萬分之一的硼，其導電能力 增加五十萬倍。第4頁，共80頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五 2、 本征半導體現代電子學中，用的最多的半導體是硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個。GeSi1）本征半導體的共價鍵結構通過一定的工藝過程，可以將半導體制成晶體。完全純凈的、結構完整的半導體晶體，稱為本征半導體。第5頁，共80頁，2022年，5月20日

3、，7點41分，星期五硅和鍺的共價鍵結構共價鍵共用電子對+4+4+4+4+4表示除去價電子后的原子每個原子與其相臨的原子之間形成共價鍵，共用一對價電子。形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構成穩定結構。第6頁，共80頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自由電子，因此本征半導體中的自由電子很少，所以本征半導體的導電能力很弱。+4+4+4+4第7頁，共80頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五+4+4+4+42）本征半導體的導電機理自由電子 空穴束縛電子在常溫下，由于熱激發，使一些價電子獲得

4、足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自由電子，同時共價鍵上留下一個空位，稱為空穴。它們成雙結對地出現，稱為電子空穴對。第8頁，共80頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引臨近的電子來填補，這樣的結果相當于空穴的遷移，而空穴的遷移相當于正電荷的移動，因此可以認為空穴是載流子。第9頁，共80頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五小結本征半導體中存在數量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導體的導電能力越強，溫度是影響半導體性能的一個重要的外部因素，這是半導體的一大特點。本征半導體的導電能力取決于載流子的濃

5、度。（金屬導體中只存在一種載流子，即自由電子）第10頁，共80頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五3、雜質半導體在本征半導體中摻入某些微量的雜質，就會使半導體的導電性能發生顯著變化。其原因是摻雜半導體的某種載流子濃度大大增加。使自由電子濃度大大增加的雜質半導體稱為N型半導體（電子半導體），使空穴濃度大大增加的雜質半導體稱為P型半導體（空穴半導體）。第11頁，共80頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五N型半導體在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷（或銻），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質取代。磷原子的最外層有五個價電子，其中四個與相臨的半導體原子形成共價鍵，必定多出一個電子，這

6、個不受共價鍵束縛的價電子,在室溫下獲得的熱能很容易使它掙脫原子核的引力而成為自由電子。這樣磷原子它失去一個價電子成為帶一個電荷量的正離子，但不會產生空穴。與本征激發不同，正離子束縛在晶格中，不能象空穴那樣起導電作用。每個磷原子給出一個電子，稱為施主原子。第12頁，共80頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五+4+4+5+4N型半導體多余電子磷原子第13頁，共80頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五N型半導體N型半導體中的載流子的組成：1、由施主原子提供的電子，濃度與施 主原子相同。2、本征半導體中成對產生的電子和空穴。摻雜濃度遠大于本征半導體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠

7、大于空穴濃度。自由電子稱為多數載流子（多子），空穴稱為少數載流子（少子）。？第14頁，共80頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五P型半導體在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼（或銦），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質取代，硼原子的最外層有三個價電子，與相臨的半導體原子形成共價鍵時，產生一個空穴。這個空穴可能吸引束縛電子來填補，使得硼原子成為不能移動的帶負電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為受主原子。第15頁，共80頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五+4+4+3+4空穴P型半導體硼原子第16頁，共80頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五總 結1、N型半導體中電

8、子是多子，其中大部分是摻雜提供的電子，本征半導體中受激產生的電子只占少數。 N型半導體中空穴是少子，少子的遷移也能形成電流，由于數量的關系，起導電作用的主要是多子。近似認為多子與雜質濃度相等。2、P型半導體中空穴是多子，電子是少子。3、多子的數量受雜質濃度影響；少子的數量 主要受外界環境溫度影響。第17頁，共80頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五雜質半導體的示意表示法P型半導體+N型半導體第18頁，共80頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五1） PN 結的形成在同一片半導體基片上，分別制造P型半導體和N型半導體，經過載流子的擴散，在它們的交界面處就形成了PN結。4、PN結

9、的形成及其單向導電性第19頁，共80頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五P型半導體N型半導體+擴散運動內電場E漂移運動空間電荷區PN結處載流子的運動第20頁，共80頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五擴散的結果是使空間電荷區逐漸加寬，內電場得到加強漂移運動P型半導體N型半導體+擴散運動內電場EPN結處載流子的運動內電場越強，就使漂移運動越強，而漂移使空間電荷區變薄。第21頁，共80頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五漂移運動P型半導體N型半導體+擴散運動內電場EPN結處載流子的運動所以擴散和漂移這一對相反的運動最終達到平衡，相當于兩個區之間沒有電荷運動，空間電荷區

10、的厚度固定不變。第22頁，共80頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五+空間電荷區N型區P型區PN結第23頁，共80頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五1、空間電荷區中沒有載流子。2、空間電荷區中內電場阻礙多子（ P中的空穴、N中的電子）向對方擴散運動。3、因為少子（ P中的電子和N中的空穴），數量有限，因此由它們形成的漂移電流很小。請注意第24頁，共80頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五2）PN結的單向導電性 PN結加上正向電壓、正向偏置的意思都是： P區加正、N區加負電壓。 PN結加上反向電壓、反向偏置的意思都是： P區加負、N區加正電壓。第25頁，共80頁，

11、2022年，5月20日，7點41分，星期五PNEUPNEU加正向偏壓，導電（導通）加反向偏壓，不導電（截止） 當外加反向偏壓后，外電場方向與內電場方向一致 ( 即，外加電壓正端接N區, 負端接P區)， PN結單向導電性： 當外加正向偏壓時，外電場方向與內電場方向相反即，外加電壓正端接P區，負端接N區)，這種只有一種方向導電的現象稱為PN結的單向導電性。載流子更難通過，因而不能導電。則內電場得到加強，空間電荷區加寬，則內建電場受到削弱，空間電荷區變窄，載流子易于 通過，因而產生導電現象。第26頁，共80頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五PN結面接觸型引線外殼線觸絲線基片點接觸型二、

12、半導體二極管1、基本結構 半導體二極管內部就是一個PN結，將其封裝并接出兩個引出端，從P區引出的端稱為陽極（正極），從N區引出的端稱為陰極（負極）。第27頁，共80頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五它的電路符號如圖：半導體二極管用符號V表示，（也常用D表示） 根據PN結的單向導電性，二極管只有當陽極電位高于陰極電位時，才能按箭頭方向導通電流。 二極管極性接錯，輕則電路無法正常工作，重則燒壞二極管及電路中其他元件。 為了防止使用時極性接錯，管殼上標有 “ ”符號或色點，符號箭頭指示方向為正，色點則表示該端為正極。或黑圈側為負極。陽極陰極DPN第28頁，共80頁，2022年，5月20日

13、，7點41分，星期五DiDuD伏安特性是二極管上所加電壓和流過管子電流之間的關系。uDiD0正向導通反向截止擊穿0.5鍺硅0.21）正向特性外加正向電壓時，正向特性的起始部分，正向電流幾乎為零。這一段稱為 “死區”。對應于二極管開始導通時的外加電壓稱為 “死區電壓”。鍺管約為0.2V, 硅管約0.5V。2）反向特性外加反向電壓不超過一定范圍時通過二極管的電流是少數載流子漂移運動所形成的很小的反向電流，稱為反向飽和電流或漏電流。該電流受溫度影響很大。2、伏安特性 正常工作時，電流變電壓基本維持不變，稱為正向導通壓降。 硅管0.60.7V,鍺管0.3V。第29頁，共80頁，2022年，5月20日，

14、7點41分，星期五UI死區電壓 硅管0.5V,鍺管0.2V。導通壓降: 硅管0.60.7V,鍺管0.3V。反向擊穿電壓UBR3）擊穿特性外加反向電壓超過某一數值時，反向電流會突然增大，這種顯現稱為擊穿（擊穿時，二極管失去單向導電性）。 對應的電壓稱為擊穿電壓。第30頁，共80頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五3、主要參數（1）最大整流電流 IOM二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。由PN結結面積和散熱條件決定，超過此值工作可能導致過熱而損壞。（2）反向擊穿電壓UBR二極管反向擊穿時的電壓值。擊穿時反向電流劇增，二極管的單向導電性被破壞，甚至過熱而燒壞。手冊上給出的最

15、高反向工作電壓URWM一般是UBR的一半。第31頁，共80頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五（3）反向電流 IRM指二極管加反向峰值工作電壓時的反向電流。反向電流大，說明管子的單向導電性差，因此反向電流越小越好。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，鍺管的反向電流要大幾十到幾百倍。以上均是二極管的直流參數，下面介紹兩個交流參數。第32頁，共80頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五（4）微變電阻 rDiDvDIDVDQiDvDrD是二極管特性曲線工作點Q附近電壓的變化與電流的變化之比：顯然，rD是對Q附近的微小變化量的電阻。第33頁，共80頁，20

16、22年，5月20日，7點41分，星期五（5）二極管的極間電容二極管的兩極之間有電容，此電容由兩部分組成：勢壘電容CB和擴散電容CD。PN結高頻小信號時的等效電路：勢壘電容和擴散電容的綜合效應rd 二極管的應用是主要利用它的單向導電性，起整流、限幅、保護等作用。第34頁，共80頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五在實際電路分析、設計中，常使用二極管的電路模型：（1）帶導通電壓的電路模型：iDuD0UD導通電壓UD與二極管材料有關：硅管為0.60.7V，鍺管為0.20.3V（2）忽略導通電壓的電路模型 （理想二極管）：iDuD0第35頁，共80頁，2022年，5月20日，7點41分，星期

17、五理想二極管應用電路實例1、限幅電路uiuoRDE輸入電壓為一正弦波：電池電壓：E=4V08t輸出電壓如圖04t截止截止導通導通 當輸入電壓小于電池電壓時，二極管兩端電壓處于反向偏置，截止，沒有電流流過，所以輸出電壓跟隨輸入電壓變化。 當輸入電壓大于電池電壓時，二極管兩端電壓處于正向偏置，導通，二極管兩端電壓為0，所以輸出電壓與電池電壓相同，為4V。如果考慮二極管導通電壓，則此時輸出電壓應為4.7V。 該電路的作用就是限制過高的輸入電壓。仿真4第36頁，共80頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五理想二極管應用電路實例2、或門電路D1D2R-12VVAVBVF假定二極管導通電壓忽略不計

18、，我們用列表的方法來分析輸入信號VA，VB和輸出信號VF的關系：VAVBVFD2D13V3V3V3V0V0V0V0V導通導通導通導通導通導通截止截止3V0V3V3V如果定義 3V電平為邏輯 1，0V電平為邏輯 0，則，該電路實現邏輯“或”的功能：VF=VA+VB共陰極接法：陽極電位高的 優先導通。共陽極接法：陰極電位低的 優先導通。仿真第37頁，共80頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五例：uiuoRD15VD25Voooo1）當二極管電路如圖，D1、D2為理想二極管，試畫出范圍內的電壓傳輸特性曲線。解：D1管截止，D2管導通。u 0 = -5V-50+5+10-10ui(V)+5-

19、5uo2）當D1管截止，D2管截止。u 0 = ui3）當D1管導通，D2管截止。u 0 = +5V第38頁，共80頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五例：二極管的應用：RRLuiuRuotttuiuRuo第39頁，共80頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五第40頁，共80頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五整 流 電 路濾 波 電 路穩 壓 電 路u1u2u3u4uo電源變壓器: 將交流電網電壓u1變為合適的交流電壓u2。整 流 電 路濾 波 電 路穩 壓 電 路整流電路: 將交流電壓u2變為脈動的直流電壓u3。濾波電路: 將脈動直流電壓u3轉變為平滑的直流電壓

20、u4。穩壓電路: 清除電網波動及負載變化的影響,保持輸出電壓u0的穩定。 直流穩壓電源的組成和功能第41頁，共80頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五 整流電路的任務是把交流電壓轉變為直流脈動的電壓。常見的小功率整流電路，有單相半波、橋式和倍壓、全波整流等。下面主要介紹前兩種。為分析簡單起見，我們把二極管當作理想元件處理，即二極管的正向導通電阻為零，反向電阻為無窮大。 整流電路第42頁，共80頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五一、 單相半波整流電路u20時，二極管導通。二極管導通i0u1u2aTbDRLu0忽略二極管正向壓降： u0=u2輸出電壓波形：uou21、工作原理

21、第43頁，共80頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五u20 時D1,D3導通D2,D4截止電流通路:由+經D1RLD3-u20 時D2,D4導通D1,D3截止電流通路:由-經D2RLD4+輸出是脈動的直流電壓！u2uD4,uD2uD3,uD1uou2D4D2D1D3RLu0+-橋式整流電路輸出波形及二極管上電壓波形（3）第49頁，共80頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五a、整流輸出電壓平均值（U0）負載電壓 U0的平均值為:負載上的(平均)電流:b、注意：Uom=?U2m U2mu2uoUom電路的主要參數 （4）第50頁，共80頁，2022年，5月20日，7點41分，星

22、期五平均電流(ID)與反向峰值電壓(URM)是選擇整流管的主要依據。例如， 在橋式整流電路中，每個二極管只有半周導通。因此，流過每只整流二極管的平均電流 ID 是負載平均電流的一半。 二極管截止時兩端承受的最大反向電壓：整流電路中整流管的選擇c、選管時要滿足：第51頁，共80頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五幾種常見的硅整流橋+ A C -+- + - 第52頁，共80頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五 整流電路如圖所示，二極管為理想元件，已知負載電阻 ， 試求：(1)直流電壓表(V)和直流電流表(A)的讀數(設電壓表內阻為無窮大，電流表的內阻為零);(2)在下表中選出

23、合適型號的二極管。解：(1)(V)的讀數為例(A)的讀數為0.135A第53頁，共80頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五（2）選管：可選用：2CP12第54頁，共80頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五第55頁，共80頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五 電源濾波電路濾波原理:交流電壓經整流電路整流后輸出的是脈動直流，其中既有直流成分又有交流成份。濾波電路利用儲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, 將電容與負載RL并聯(或將電感與負載RL串聯)，濾掉整流電路輸出電壓中的交流成份，保留其直流成份，達到平滑輸出電壓波形的目的。第56頁，共80頁

24、，2022年，5月20日，7點41分，星期五一、 電容濾波電路橋式整流電容濾波電路u1u2u1abD4D2D1D3RLu0SC以單相橋式整流電容濾波為例進行分析，其電路如圖所示。1、濾波原理第57頁，共80頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五u1u2u1abD4D2D1D3RLu0SCRL接入（且RLC較大）時u2tu0t忽略整流電路內阻電容通過RL放電，在整流電路電壓小于電容電壓時，二極管截止，整流電路不為電容充電，u0會逐漸下降。第58頁，共80頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五u1u2u1abD4D2D1D3RLu0SCRL未接入時u2tu0t設t1時刻接通電源t1

25、整流電路為電容充電充電結束忽略整流電路內阻沒有電容時的輸出波形第59頁，共80頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五u1u2u1abD4D2D1D3RLu0SCu2tu0t忽略整流電路內阻只有整流電路輸出電壓大于u0的時間區間，才有充電電流。因此整流電路的輸出電流是脈沖波。整流電路的輸出電流RL接入（且RLC較大）時充電放電第60頁，共80頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五u1u2u1abD4D2D1D3RLu0SCu2tu0t考慮整流電路內阻電容充電時，電容電壓滯后于u2。整流電路的輸出電流RL接入（且RLC較大）時RLC越小，輸出電壓越低第61頁，共80頁，2022年，

26、5月20日，7點41分，星期五一般取(T:電源電壓的周期)近似估算: U0=1.2U2（全波）（滿載時）U0=1.0U2（半波）。 (2) 流過二極管瞬時電流很大RLC越大U0越高,負載電流的平均值越大整流管導電時間越短iD的峰值電流越大故一般選管時，取2、電容濾波電路的特點(1) 輸出電壓U0與時間常數RLC有關RLC愈大電容器放電愈慢U0(平均值)愈大，濾波電容選取原則空載時，Uo均為1.414U2第62頁，共80頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五輸出波形隨負載電阻RL或C的變化而改變,U0也隨之改變。如:RL愈小(I0越大),U0下降愈多。電容濾波電路適用于輸出電壓較高,負載

27、電流較小且負載變動不大的場合。(3)、輸出特性(外特性):uL電容濾波純電阻負載1.4U20.9U20IL結論第63頁，共80頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五 整流濾波電路如圖所示，負載電阻 ，電容 ，變壓器副邊電壓有效值 ，二極管為理想元件，試求：輸出電壓 和輸出電流的平均值 ，及二極管承受的最高反向電壓 。例解：第64頁，共80頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五 整流濾波電路如圖所示，二極管是理想元件，電容 ，負載電阻 ， 開關 閉合、 斷開時，直流電壓表(V)的讀數為 141.4V ，求 (1)開關 閉合、 斷開時直流電流表的讀數; (2)開關 斷開、 閉合時，

28、直流電流表的讀數;(3)開關 、 均閉合時，直流電流表的讀數。(設電流表內阻為零，電壓表內阻為無窮大)。 例解：(1)開關 閉合、 斷開時: A 的讀數為零。第65頁，共80頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五(2)開關 斷開、 閉合時，(3)開關 、 均閉合時，A的讀數為:A的讀數為:第66頁，共80頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五第67頁，共80頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五穩壓二極管UIUZIZ+-工作在反向擊穿區的二極管1、結構特點：1）摻入雜質多，PN結易于擊穿。 反向擊穿電壓50V以下。2） PN結體積大，散熱好， 使反向擊穿是可逆的。當反向

29、電壓降低后，管子仍可恢復原來狀態。普通二極管PN結體積小，一次擊穿后，由于散熱慢，溫度過高而將PN結燒毀。這叫熱擊穿。熱擊穿是不可逆的。第68頁，共80頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五2、穩壓二極管的參數（1）穩定電壓 UZ （3）動態電阻IUZUZIZ穩壓誤差（2）電壓溫度系數U（%/）穩壓值受溫度變化影響的的系數。如：U=0.09%/oC,即溫度每升高1oC,穩壓值將增加0.09%。rZ越小，穩壓性能越好UZU(BR)第69頁，共80頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五（4）穩定電流IZ、最大穩定電流IZM （5）最大允許功耗穩定電流IZ:穩定性能最佳的工作電流值。

30、最大穩定電流IZM：允許通過穩壓管的最大電流值。穩壓管正常工作時，耗散的最大功率。超過時會發生熱擊穿，損壞管子。第70頁，共80頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五例已知穩壓管的參數是：Uz=8V，Iz=10mA，Izm=29mA。現用600、1/8W的電阻R作限流電阻，是否合適？+20VRDzI解雖然但 1/8W0.24W所以 不合適！第71頁，共80頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五第72頁，共80頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五 穩壓電路穩壓管穩壓電路開關型穩壓電路串聯型穩壓電路常用穩壓電路(小功率設備)在小功率設備中常用的穩壓電路有穩壓管穩壓電路、串

31、聯型穩壓電路和開關型穩壓電路等。其中穩壓管穩壓電路最簡單，但是帶負載能力差，一般只提供基準電壓，不作為電源使用。開關型穩壓電源效率較高，目前用的也比較多，但因學時有限，這里不做介紹。以下主要討論穩壓管穩壓電路。第73頁，共80頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五一、穩壓管穩壓電路整流輸出電壓雖然經過電容濾波減小了波動，可以得到波動較小的輸出直流電壓，但是，如果輸入交流電源電壓發生波動，或負載電流發生變動（這種情況經常出現），輸出直流電壓都可能產生變化。如何保證在輸入交流電源電壓波動、負載變化時，輸出直流電壓保持恒定，這就是穩壓電路的功能。穩壓電路穩定輸出直流電壓的基本思想是在輸出直流電壓時，在電路中設置一個吸收波動成分的元件（調整元件），當市電或負載波動時，調整元件將根據輸出直流電壓的變動情況