第9章二極管和晶體管

第12章直流穩壓電源9.1半導體的導電特性導體、半導體、絕緣體。

物質按導電能力劃分：

半導體的導電性能：

價電子參與導電、摻雜增強導電能力、熱敏特性、光敏特性。一、本征半導體

1.什么是本征半導體

是一種完全純凈的、結構完整的半導體晶體。2.本征半導體的導電特性

在絕對零度時，不導電。溫度（或光照）→價電子獲得能量：本征激發產生自由電子和空穴對。自由電子和空穴均參與導電，統稱為載流子。溫度→載流子的濃度→導電能力。自由電子釋放能量跳回共價鍵——復合。本征半導體載流子濃度較低，導電能力較弱。二、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。(1)摻入五價的雜質元素自由電子的濃度空穴的濃度。自由電子為多數載流子，空穴為少數載流子。稱這種雜質半導體為N型半導體。(2)摻入三價的雜質元素自由電子的濃度空穴的濃度?？昭槎鄶递d流子。自由電子為少數載流子。稱這種雜質半導體為P型半導體。

雜質半導體的示意表示法P型半導體N型半導體空間電荷＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－三、PN結1.PN結的形成擴散運動＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－

擴散運動：多數載流子由于濃度的差別而形成的運動。＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－內電場PN結

多數載流子的擴散運動繼續進行，使PN結加寬，內電場增強。內電場越強，多數載流子的運動越難以進行。內電場越強，少數載流子的運動越易于進行。＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－－－＋＋＋＋

漂移運動：少數載流子在內電場作用下的運動。漂移運動使PN結變薄，內電場削弱。內電場削弱，又有利于多數載流子的擴散運動，而不利于少數載流子的漂移運動。漂移運動＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－

多數載流子的擴散運動與少數載流子的漂移運動達到動態平衡——平衡的PN結。內電場2.PN結的特性(1)正向偏置(2)反向偏置RＰN外電場ＰNR外電場正向導通I反向截止I≈0

主要特性：單向導電性。9.2二極管一、普通二極管

ＰN陽極陰極(1)按結構分類

點接觸型、面接觸型。(2)按材料分類硅管、鍺管。(3)按用途不同分類普通管、整流管、開關管等。1.基本結構幾種二極管外觀圖小功率二極管大功率二極管

發光二極管U/VI/mA

O二、伏安特性

反向特性

正向特性死區

死區電壓Uth

：硅管0.5V

鍺管

0.1

V

導通壓降UD

：硅管0.6~0.7V

鍺管0.2~0.3V

UDUBRIR(1)實際特性鍺管硅管UD(2)近似特性UI

OUI

O(3)理想特性3.主要參數(1)額定正向平均電流（最大整流電流）IF(2)正向壓降UF(3)最高反向工作電壓UR

一般規定為反向擊穿電壓的1/2或1/3。(4)最大反向電流IRm

晶體二極管的應用【例1】下圖中，已知VA=3V，VB=0V，DA

、DB為鍺管，求輸出端Y的電位，并說明每個二極管的作用。解：DA優先導通，則VY=3–0.3=2.7VDA導通后，DB因反偏而截止，起隔離作用，DA起鉗位作用，將Y端的電位鉗制在+2.7V。DA

–12VYABDBR2.7V3V0V【例2】下圖是二極管限幅電路，D為理想二極管，E=3V

，ui

=6sintV，試畫出

uo及uD的波形。2ui3V時，D截止，IR=0，uO=ui

uD=uO–3Vui>3V時，D導通，uD=0，uO=3V

ui

/Vt

6302解：t

30–6uo

/Vt

0–9uD

/V–3DE3VRuiuouRuDIR*二、光電二極管（光敏二極管）

作用：將光信號轉化為電信號。反向電流隨光照強度的增加而上升。RED

光電二極管電路RED

發光二極管電路*三、發光二極管

作用：將電信號轉化為光信號。發光的顏色取決于制造材料。*四、光電耦合器（光電隔離器）

作用：①電氣隔離；②抗干擾；③系統保護。輸入電路輸出電路

第12章

直流穩壓電源

直流穩壓電源的組成

大小不合適的交流大小合適的交流~交流電源脈動直流不穩定的直流穩定直流直流負載濾波電路電源變壓器整流電路穩壓電路12.1整流電路

12.1.1半波整流電路一、電路組成totototo23uou2uDio232U22U22U2Im2233二、工作原理uou2u1ioRLTuDD22,0,,0uuuDuDo==<截止時三、電路計算uOu2u1uDiODRLTUO=0.45U2,IO=UORL=0.45U2RLID=IO,UDRM=2U2t0ttt23uOu2uDiO232U22U22U2Im2233000UOIO12.1.2單相全波整流電路totototo23232U22√2U22U2Im2233uD1uD2uOu2uDiOUORLuOD1D2u2u2~220V~–~~+~12.1.3橋式全波整流電路

一、橋式整流電路的組成D1和D3導通,D2和D4截止(相當于開路)u2Tu1RLuoio二、整流電路工作原理+–+–+–—u2正半周由二極管

D1D4組成。D4D3D2D1二、整流電路工作原理D2和

D4導通,D1和

D3截止(相當于開路)u2Tu1RLD4D3D2uoio——u2負半周D1+–+–+–三、電壓、電流的計算UO=0.9U2,0.9U2RLIO=UORL=UDRM

=2U2,IO=0.9I2,或I2

=1.11IO,

U2=1.11UO選用二極管的依據是:ID應小于IF

(最大整流電流）UDRM應小于UR(最高反向工作電壓)ID

=IO12totototo23232U22U22U2Im2233uD1uD3uD4uD2uOu2uDiOUO橋式整流電路的幾種畫法+~~–+–~~~~+–~~+–[例12.1.1]一橋式整流電路，已知負載電阻RL=240，負載所需直流電壓=12V，電源變壓器一次電壓U1=220V。試求該電路正常工作時的負載電流、二極管平均電流ID和變壓器的電壓比k。[解]負載直流電流IO=UORL=A=0.05A12240ID=IO=×0.05A=0.025A1212二極管平均電流

變壓器的二次電壓U2=

=V=13.33VUo0.9120.9變壓器的電壓比k=

==16.5U2U1

22013.3312.2濾波器一、電容濾波電路C＋

＋

uO

－RL＋u2－＋u1－uOωtO√2U2電容放電

當二極管導通時，電容被充電儲能。當二極管截止時，電容放電。濾波電容的選擇：

C≥(3~5)T2RL=1.5~2.52RLfUCN=√2U2輸出電壓的平均值:

UO=1.2U2（全波）空載輸出直流電壓:濾波電容的耐壓：UCN≥√2U2[例12.2.1]一橋式整流、電容濾波電路，已知電源頻率f=50Hz，負載電阻RL=100，輸出直流電壓UO=30V。試求：(1)選擇整流二極管；(2)選擇濾波電容器；(3)負載電阻斷路時的輸出電壓UO；(4)電容斷路時的輸出電壓UO。[解](1)選擇整流二極管IO=UORL=A=0.3A30100U2=UO1.2301.2=25V=URm=2

U2

=2×25

V

=35.4VID=IO=×0.3A=0.15A1212查附錄，選用2CZ53B4個（IF=300mA，UR=50V）。(2)選擇濾波電容器C≥1.5~2.5RLf1.5~2.5100×50

==(300~500)μFFUCN≥=2×25

V=35.4V2

U2

(3)負載電阻斷路時UO=2

U2

=2×25

V=35.4V(4)電容斷路時UO=0.9U2=0.9×25V=22.5VIF≥2ID=2×0.15A=0.3A，UR≥URm=34.5V二、電感濾波電路對直流分量:

XL=0，大部分整流電壓降在RL上。對諧波分量:

f

越高，XL越大，電壓大部分降在XL

上。＋

uO－RLiO＋u2－＋u1－L＋

uO－RLiOC2

＋C1

＋三、復式濾波電路C2

＋C1

＋1.LC－形濾波電路2.RC－形濾波電路L＋

uO－RLiORL9.3穩壓二極管又稱為齊納二極管。為面結型硅二極管。反向特性正向特性

特點：①反向擊穿電壓??；②反向擊穿特性陡。擊穿電壓UZIZmax

U/V

I/mA

OIZmin12.3穩壓電路[解](1)Ui＝10V時DZ反向擊穿穩壓：UO=UZ=5V。

(2)Ui=3V時DZ反向截止：UO=Ui=3V。

(3)Ui=－5V時DZ正向導通：UO=0V。

(4)ui

=10sin

tV時當0＜ui＜5V時，DZ反向截止：UO=Ui=10sin

tV。當ui＞5V時，DZ反向擊穿穩壓：[例12.3.1]如圖所示電路，設UZ=

5V，正向壓降忽略不計。當直流輸入Ui

=10V、3V、－5V時，Uo=？當輸入為交流ui

=10sin

tV時，分析uO的波形。RDZ

＋Ui－＋UO－5

tuO/VO23UO=UZ=5V。當ui＜0V時，DZ正向導通：UO=0V。、穩壓二極管穩壓電路+-u2+-u1C＋Ui－RL＋UO－IIORDZIZ穩壓過程：UO

→

IZ

→

I

→

IR

UO三、集成穩壓電路

分為線性集成穩壓電路和開關集成穩壓電路。1.三端固定式集成穩壓器CW7800系列正電壓穩壓器。CW7900系列負電壓穩壓器。

132

輸出電壓規格：

5V,6V,8V,9V,12V,15V···CW7800接線圖+-u2+-u1CRL＋

UO－7800CiCo123＋CW7900接線圖+-u2+-u1CRL－

UO＋7900CiCo321＋

同時輸出正負兩組電壓的接線圖＋5V－5VCW7805Ci123CW790512Co3＋

Ui－CiCoUOBEC9.4晶體管（雙極型三極管）一、基本結構

PNP型：NPN型：NPN基極

基區

集電極

集電區

集電結

發射極

發射區

發射結

NPNPNP基極

基區

集電極

集電區

集電結

發射極

發射區

發射結

PNPCBE結構示意圖和圖形符號管內載流子的運動發射區向基區擴散電子IEIB電子在基區擴散與復合集電區收集電子

電子流向電源正極形成ICICNPN電源負極向發射區補充電子形成發射極電流IEVBB正極拉走電子，補充被復合的空穴，形成IBVCCRCVBBRBICBO

晶體三極管的電流分配及放大作用以NPN管共發射極接法為例，來說明電流放大的概念。一、電流放大的概念VCCRCIC

UCECEBUBE輸出回路輸入回路公共端VBBRBIBIE

TVCC>VBB調節RB，觀察IB、IC及IE的變化。結論（2）IC、IE比IB大得多（3）IB很小的變化可因起IC很大的變化，即IC受IB控制—這就是三極管的電流控制作用（1）IE=IC+IB綜上所述，三極管具有電流控制作用的外部條件:（1）發射結正向偏置；（2）集電結反向偏置。對于NPN型三極管應滿足:UBE

>0UBC

<

0即

VC>

VB>

VE對于PNP型三極管應滿足:UEB>0UCB

<0即

VC

<VB

<

VEECBTECBT二、工作狀態條件:發射結正偏,集電結反偏。

發射區發射載流子→形成電流IE

少部分在基區被復合→形成IB

大部分被集電區收集→形成IC

1．放大狀態⑴電流的形成NPNB

E

CRCUCCUBBRB晶體管中載流子的運動過程IEICIB⑵電流的關系

IE=IB+IC

當IB=0時，

直流(靜態)電流放大系數

交流(動態)電流放大系數≈ICIBIC－ICEOIBβ

=ICIBβ=

UCE=常數

ICIB≈IC=ICEONPNB

E

CRCUCCUBBRBIEICIB電路圖IB微小的變化，會產生IC很大的變化。IC

=βIB

。0＜UCE＜UCC，

UCE

=UCC－RC

IC

。晶體管相當于通路。⑶特點特點：

IB↑,IC基本不變。

IC≈UCC

/RC。

UCE≈0。晶體管相當于短路。條件:發射結正偏,集電結正偏。IB↑,IC

↑UCE=(UCC－RCIC)↓

ICM=UCC/RC2.飽和狀態電路圖NPNB

E

CRCUCCUBBRBIEICIBCERCUCC飽和狀態時的晶體管特點：

IB=0IC=0UCE=UCC

晶體管相當于開路。3.截止狀態條件:發射結反偏,集電結反偏。電路圖CERCUCC截止狀態時的晶體管NPNB

E

CRCUCCUBBRBIEICIB晶體