中职电子技术教案概要.doc

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1、项目一 半导体的基础知识一、 半导体：1、半导体的导电性介于导体与绝缘体之间。2、导体：3、绝缘体二、本征半导体1、本征半导体：纯净晶体结构的半导体我们称之为本征半导体。常用的半导体材料有：硅和锗。它们都是四价元素，原子结构的最外层轨道上有四个价电子，当把硅或锗制成晶体时，它们是靠共价键的作用而紧密联系在一起。$2、空穴：共价键中的一些价电子由于热运动获得一些能量，从而摆脱共价键的约束成为自由电子，同时在共价键上留下空位，我们称这些空位为空穴，它带正电。3、空穴电流: 在外电场作用下，自由电子产生定向移动，形成电子电流；同时价电子也按一定的方向一次填补空穴，从而使空穴产生定向移动，形成空穴电流

2、。在晶体中存在两种载流子，即带负电自由电子和带正电空穴，它们是成对出现的。三：杂质半导体1、杂质半导体:在本征半导体中两种载流子的浓度很低，因此导电性很差。我们向晶体中有控制的掺入特定的杂质来改变它的导电性，这种半导体被称为杂质半导体。1）.N型半导体 在本征半导体中，掺 入5价元素，使晶体中某些原子被杂质原子所代替，因为杂质原子最外层有5个价电子，它与周围原子形成共价键后，还多余一个自由电子，因此使其中的空穴的浓度远小于自由电子的浓度。但是，电子的浓度与空穴的浓度的乘积是一个常数，与掺杂无关。在N型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。2）.P型半导体 在本征半导体中，掺入3价元素

3、，晶体中的某些原子被杂质原子代替，但是杂质原子的最外层只有3个价电子，它与周围的原子形成共价键后，还多余一个空穴，因此使其中的空穴浓度远大于自由电子的浓度。在P型半导体中，自由电子是少数载流子，空穴使多数载流子。四、PN结一、PN结基础知识1、 PN结：我们通过现代工艺，把一块本征半导体的一边形成P型半导体，另一边形成N型半导体，于是这两种半导体的交界处就形成了PN结，它是构成其它半导体的基础，我们要掌握好它的特性！2：异形半导体接触现象1）扩散运动：在形成的PN结中，由于两侧的电子和空穴的浓度相差很大，因此它们会产生扩散运动（高浓度向低浓度扩散）：电子从N区向P区扩散；空穴从P去向N区扩散。

4、因为它们都是带电粒子，它们向另一侧扩散的同时在N区留下了带正电的空穴，在P区留下了带负电的杂质离子，这样就形成了空间电荷区，也就是形成了电场(自建场).它们的形成过程如图（1），（2）所示(2）漂移运动：在电场的作用下，载流子将作漂移运动，它的运动方向与扩散运动的方向相反，阻止扩散运动。电场的强弱与扩散的程度有关，扩散的越多，电场越强，同时对扩散运动的阻力也越大，当扩散运动与漂移运动相等时，通过界面的载流子为0。此时，PN结的交界区就形成一个缺少载流子的高阻区，我们又把它称为阻挡层或耗尽层。!&二：PN结的单向导电性我们在PN结两端加不同方向的电压，可以破坏它原来的平衡，从而使它呈现出单向导电

5、性。结外加正向电压 PN结外加正向电压的接法是P区接电源的正极，N区接电源的负极。这时外加电压形成电场的方向与自建场的方向相反，从而使阻挡层变窄，扩散作用大于漂移作用，多数载流子向对方区域扩散形成正向电流，方向是从P区指向N区。如图（1）所示结外加反向电压 它的接法与正向相反，即P区接电源的负极，N区接电源的正极。此时的外加电压形成电场的方向与自建场的方向相同，从而使阻挡层变宽，漂移作用大于扩散作用，少数载流子在电场的作用下，形成漂移电流，它的方向与正向电压的方向相反，所以又称为反向电流。因反向电流是少数载流子形成，故反向电流很小，即使反向电压再增加，少数载流子也不会增加，反向电压也不会增加，

6、因此它又被称为反向饱和电流。即：ID=-IS。此时，PN结处于截止状态，呈现的电阻为反向电阻，而且阻值很高。结论：PN结在正向电压作用下，处于导通状态，在反向电压的作用下，处于截止状态，因此PN结具有单向导电性。】检测题1半导体中有两种载流子 2空穴是（）A纯半导体晶格中的缺陷 B价电子脱离共价键后留下的空位3在P型半导体中，多数载流子是 在N型半导体中，多数载流子是 4温度升高后，在纯半导体中 UT时，V导通，IF急剧增大。导通后V两端电压基本恒定： UFIF0结论：正偏时电阻小，具有非线性(2)反向特性反向电压UR URM时，IR剧增，此现象称为反向电击穿。对应的电压URM称为反向击穿电压

7、。URIR0反向/电击穿区结论：反偏电阻大，存在电击穿现象。（3）温度特性二极管是温度的敏感器件，温度的变化对其伏安特性的影响主要表现为：随着温度的升高，其正向特性曲线左移，即正向压降减小；反向特性曲线下移，即反向电流增大。一般在室温附近，温度每升高1C，其正向压降减小2；温度每升高10C：，反向电流大约增大1倍左右。 综上所述，二极管的伏安特性具有以下特点： 二极管具有单向导电性 二极管的伏安特性具有非线性； 二极管的伏安特性与温度有关。三、二极管的型号常用二极管的型号有2Ap,2CP,2CZ,2CW,2DW等，型号中2表示二极管，第一个字母表示材料（A表示N型锗材料，C表示N型硅材料，D表

8、示P型硅材料），第二字母表示类型（P表示普通管，Z表示整流管，W表示稳压管）:四.二极管的主要参数1、最大整流电流IFM 它是二极管允许通过的最大正向平均电流。 2、最大反向工作电压URM 它是二极管允许的最大工作电压，我们一般取击穿电压的一半作UR 3、反向电流IR 二极管未击穿时的电流，它越小，二极管的单向导电性越好。 4、最高工作频率fM 它的值取决于PN结结电容的大小，电容越大，频率约高。0时二极管导通，uo=0，ui0时，二极管截止，uo=ui，它的波形图为：如图（3）所示(2) 当0EUM时，限幅电平为+E。ui+E时,二极管导通,uo=E,它的波形图为:如图(4)所示 (3)当-

9、UME1,时这两个PN结的输入特性基本重合。我们用UCE=0和UCE=1,两条曲线表示，如图（4）所示2.输出特性它的输出特性可分为三个区：（如图（5）的特性曲线）(1)截止区(Cutoff region):是指iB=0曲线以下的区域。特点：发射结反偏或零偏，集电结反偏，管子失去放大作用，处于截止状态，iC很小。此时的iC称为三极管的穿透电流ICEO。 (2)饱和区（Saturation region）：是指iB0，uCE 的区域。饱和区的特点：发射结和集电结均为正偏，且为 V(硅管)或(锗管)；(硅管)或(锗管)。 iC不受iB控制，即失去放大作用。当uBE=uCE时，集电结零偏，为临界饱和

10、状态。此时UCE称为饱和压降，用uCE(sat)表示；大小为(硅管)或(锗管)。 (3)放大区（Active region）: 是指iB0和uCE的区域，即曲线的平坦部分。放大区的特点： 发射结正偏导通，集电结反偏，且为(硅管)或(锗管)；1V； iC与iB有固定关系，即iCiB，体现了三极管的放大作用。曲线间隔的大小反映出三极管电流放大能力的大小，即值的大小；iC大小与uCE基本无关。 (4)击穿区(Breakdown region)当三极管uCE增大到某一值时，iC将急剧增加，特性曲线迅速上翘，这时三极管发生击穿。工作时应避免管子击穿。4PNP管特性曲线由于电源电压极性和电流方向不同，PN

11、P管与NPN管的特性曲线是相反、“倒置”的。$四：三级管主要参数1.放大系数它主要是表征管子放大能力。它有共基极的放大系数和共发射极的放大系数。它们二者的关系是：2.极间的反向电流（它们是有少数载流子形成的）（1）：集电极-基极的反向饱和电流。（2）ICEO：穿透电流，它与ICBO关系为：ICEO=（1+）ICBO五：参数与温度的关系由于半导体的载流子受温度影响，因此三极管的参数受温度影响，温度上升，输入特性曲线向左移，基极的电流不变，基极与发射极之间的电压降低。输出特性曲线上移。温度升高，放大系数也增加、项目四 三极管放大电路一、基础知识1、放大电路功能：利用BJT的电流控制作用把微弱的电信

12、号增强到所要求的数值。 例如常见的扩音机就是一个把微弱的声音变大的放大电路。 声音先经过话筒变成微弱的电信号，经过放大器，利用BJT的控制作用，把电源供给的能量转为较强的电信号，然后经过扬声器 (喇叭)还原成为放大了的声音。2、共射极基本放大电路的组成一个基本放大电路必须有如图所示各组成部分：输入信号源、晶体三极管、输出负载以及直流电源和相应的偏置电路。其中，直流电源和相应的偏置电路用来为晶体三极管提供静态工作点，以保证晶体三极管工作在放大区。就双极型晶体三极管而言，就是保证发射结正偏，集电结反偏。各元件的作用1）、VCC是集电极回路的直流电源 (一般在几伏到几十伏的范围)， 它的负端接发射极

13、,正端通过电阻R接集电极， 以保证集电结为反向偏置；2）、R是集电极电阻(一般在几千欧至几十千欧的范围)，它的作用是将BJT的集电极电流iC的变化转变为集电极电压VCE的变化。3）、电路的偏流IB决定于Vcc和Rb的大小，Vcc和Rb经确定后，偏流IB就是固定的，所以这种电路称为固定偏流式共射放大电路。Rb又称为基极偏置电阻。4）、电容C1和C2称为隔直电容或耦合电容(一般在几微法到几十微法的范围)，它们在电路中的作用是传送交流，隔离直流。2、放大电路的实质： 放大作用是利用BJT的基极对集电极的控制作用来实现的， 即在输入端加一个能量较小的信号，通过BJT的基极电流去控制流过集电极电路的电流

14、， 从而将直流电源VCC的能量转化为所需要的形式供给负载。 因此， 放大作用实质上是放大器件的控制作用；放大器是一种能量控制部件。同时还要注意放大作用是针对变化量而言的。 二、共射极基本放大电路1、共射极基本放大电路的工作过程待放大的输人电压vi从电路的A、o两点(称为放大电路的输入端)输入，放大电路的输出电压Vo由B、O两点(称为放大电路的输出端)输出。输入端的交流电压vi 通过电容Cb，加到BJT的发射结，从而引起基极电流iB相应的变化。iB的变化使集电极电流iC随之变化。iC的变 化量在集电极电阻RC上产生压降。集电极电压vCE =VCC 一iCRC，当iC的瞬时值增加时，vCE 就要减

15、小，所以vCE 的变化恰与iC 相反。vCE 中的变化量经过电容Cb ，传送到输出端成为输出电压Vo 。如果电路参数选择适当，v0 的幅度将比vi 大得多，从而达到放大的目的，对应的电流、电压波形示于如图所示。2、补充：在半导体电路中，常把输人电压、输出电压以及直流电源Vcc 和VBB 的共同端点(0点)称为地，用符号表示(注意，实际上这一点并不真正接到大地上)，并以地端作为零电位点 (参考电位点)。这样，电路中各点的电位实际上就是该点与地之间的电压(即电位差)。例如Vc就是指集电极对地的电压。3、放大电路的工作原理 在如图所示基本放大电路中，我们只要适当选取Rb、Rc和UCC的值，三极管就能

16、够工作在放大区。下面我们以它为例，分析放大电路的工作原理。 1. 无输入信号时放大器的工作情况 在如图所示的基本放大电路中， 在接通直流电源UCC后，当ui=0时, 由于基极偏流电阻Rb的作用，晶体管基极就有正向偏流IB流过，由于晶体管的电流放大作用，那么集电极电流IC=IB，集电极电流在集电极电阻Rc上形成的压降为UC=ICRc。 显然, 晶体管集电极-发射极间的管压降为UCE=UCC-ICRc。 当ui=0时，放大电路处于静态或叫处于直流工作状态， 这时的基极电流IB、集电极电流IC和集电极发射极电压UCE用IB、 ICQ、UCEQ表示。它们在三极管特性曲线上所确定的点就称为静态工作点，其

17、习惯上用Q表示。这些电压和电流值都是在无信号输入时的数值，所以叫静态电压和静态电流。VBE 、IB （大写符号，大写下标）表示直流值。vbe 、ib （小写符号，小写下标）表示瞬时值。vBE 、iB （小写符号，大写下标）表示交直流量之和。Vbe 、Ib （大写符号，小写下标）表示交流有效值。2. 输入交流信号时的工作情况 1）、 当在放大器的输入端加入正弦交流信号电压ui时，信号电压ui将和静态正偏压UBE相串连作用于晶体管发射结上，加在发射结上的电压瞬时值为uBE=UBE+ui,2）、 如果选择适当的静态电压值和静态电流值，输入信号电压的幅值又限制在一定范围之内，则在信号的整个周期内，发射

18、结上的电压均能处于输入特性曲线的直线部分，如图，此时基极电流的瞬时值将随uBE变化，如图。所以基极电流iB由两部分组成, 一个是固定不变的静态基极电流IB；一个是作正弦变化的交流基极电流ib。 iB=IB+ib3）、由于晶体管的电流放大作用， 集电极电流iC将随基极电流iB变化，如图（c）所示。 所以，iC也由两部分组成：一个是固定不变的静态集电极电流IC；一个是作正弦变化的交流集电极电流ic。其瞬时值为 iC=IC+ic 4） 现在讨论集电极电阻Rc上的电压降uRc。因为uRc=iCRc， 所以它要随iC变化，如图（d）所示。由于UCC=iCRc+uCE，所以在图上，管压降的瞬时值uCE相当

19、于UCC虚线下面的空白部分。把它单独画出，如图所示。显然， uCE也由两部分组成：一个是固定不变的静态管压降UCE， 另一个是作正弦变化的交流集电极-发射极电压uce。 5）如果负载电阻RL通过耦合电容C2接到晶体管的集电极-发射极之间，则由于电容C2的隔直作用，负载电阻RL上就不会出现直流电压。 但对交流信号uce，很容易通过隔直电容C2加到负载电阻RL上，形成输出电压uo。如果电容C2的容量足够大，则对交流信号的容抗很小，忽略其上的压降，则管压降的交流成分就是负载上的输出电压，因此有 uo=uce （） 3、把输出电压uo和输入信号电压ui进行对比，我们可以得到如下结论： (1) 输出电压

20、的波形和输入信号电压的波形相同， 只是输出电压幅度比输入电压大。 (2) 输出电压与输入信号电压相位差为180。 4、通过以上分析可知, 放大电路工作原理实质是用微弱的信号电压ui通过三极管的控制作用去控制三极管集电极电流iC，iC在RL上形成压降作为输出电压。iC是直流电源UCC提供的。因此三极管的输出功率实际上是利用三极管的控制作用，直流电能转化成交流电能的功率。 一）、放大器的非线性失真和静态工作点的选择1、三极管的非线性：在输入特性的弯曲部分和输出特性间距的不均匀部分。2、什么情况下会产生非线性失真：静态工作点的位置不合适，输入信号的幅值比较大。1) 截止失真:如果静态工作点选得太低，

21、在输入特性上，信号电压的负半周有一部分在阈电压以下，管子进入截止区，使iB的负半周被“削”去一部分。 iB已为失真波形，结果使iC负半周和uCE的正半周(对NPN型管而言)被“削”去相应的部分输出电压uO(uCE)的波形出现顶部失真， 如图 所示。 因为这种失真是三极管在信号的某一段时间内截止而产生的， 所以称为截止失真。:2) 饱和失真:如果静态工作点选得太高，尽管iB波形完好，但在输出特性上，信号的摆动范围有一部分进入饱和区， 结果使iC的正半周和uCE的负半周(对NPN管)被“削”去一部分，输出电压uO(uCE)的波形出现底部失真，如图 所示。 因为这种失真是三极管在信号的某一段内饱和而

22、产生的， 所以称为饱和失真。PNP型三极管的输出电压uO的波形失真现象与NPN型三极管的相反。 3、静态工作点的选择对一个放大电路，希望它的输出信号能正确地反映输入信号的变化，也就是要求波形失真小，否则就失去了放大的意义。 由于输出信号波形与静态工作点有密切的关系，所以静态工作点的设置要合理。所谓合理，即Q点的位置应使三极管各极电流、电压的变化量处于特性曲线的线性范围内。具体地说，如果输入信号幅值比较大，Q点应选在交流负载线的中央；如果输入信号幅值比较小，从减小电源的消耗考虑，Q点应尽量低一些。 二）、小信号模型分析法 1 、用图解法分析放大电路，虽然比较直观，便于理解，但过程烦琐，不易进行定

23、量分析。 因此我们将讨论等效电路分析法。 2、BJT小信号建模：三极管各极电压和电流的变量关系，在大范围内是非线性的。但是，如果三极管工作在小信号的情况下，信号只是在工作点附近很小的范围内变化，那么，此时三极管的特性可以看成是线性的，其特性参数可认为是不变的常数。因此， 可用一个线性电路来代替在小信号工作范围内的三极管，这种方法是把非线性问题线性化的工程处理方法。 3. 简单的等效电路1) 简单的等效电路分析要点(1) 小信号输入，因为动态范围很小，可以认为是在作线性变化， 如图电路所示，在静态工作点Q附近，输入特性曲线和输出特性曲线均可视为直线的一部分。在输入特性曲线上, 当uCE一定时，i

24、B与uBE成正比; 在输出特性曲线上， 各条曲线平行且间隔均匀，当uCE一定时, iC 与iB成正比。由此可以得到三极管的动态输入电阻为电流放大倍数为(2) 忽略uCE对输入特性的影响，即iB与uCE无关， 动态范围只是在同一条输入特性曲线上。所以从输入端b、e看，在小信号情况下，三极管就是一个线性电阻，即动态输入电阻%(3) 忽略uCE对输出特性的影响，即iC与uCE无关， 动态只是局限在这个小范围内，在这个范围内，输出特性曲线不但互相平行、间隔均匀，而且均与uCE轴平行，电流放大倍数为一恒量。即 因此，从输出端c、 e极看，三极管就成为一个受控电流源，于是iC=iB或ic=ib 满足以上三

25、点， 非线性的三极管就成为线性元件，它的b与e之间为一个电阻rbe，c与e之间为一个受控电流源ib，因此可画出晶体管的线性等效电路如图所示。 我们称图（b）为简化的三极管等效电路。 严格来讲, iC不是只由iB决定，还与uCE有关, uCE增大时iC也增大，输出特性曲线的斜率是略大于零的, 而且各条曲线不完全相同； 三）、用小信号模型法分析共射极放大电路1、画出简化小信号模型电路2根据图等效电路，可以求:1) 电路的输入电阻ri。从输入回路，可得输入电阻， ri=Rbrbe ，又Rb rbe ，所以rirbe2）输出电阻ro，从输出端看放大电路的电阻时， 电流源作为开路， 所以输出电阻为ro=

26、Rc 3） 电压放大倍数Au。 输入电压 ui=ibrbe输出电压 uo=-ibRc 电压放大倍数 如果有负载RL，则 uo=-ibRL 式中 RL=RcRL 四）、静态工作点的稳定问题工作点Q的重要性1、工作点Q是放大器的工作状态在特性曲线上的位置，Q即IB,IC,UBE的值。2、重要性1）影响放大器的主要性能2）可能使信号波形失真温度对静态工作点的影响影响放大电路静态工作点的因素：温度，元件的老化，电源电压的波动。晶体三极管受温度的影响十分敏感1、影响反向饱和电流ICBO：因为半导体中的热平衡电子空穴对数目随温度变化。2、随温度变化：3、发射结电压UBE变化：五)、分压式静态工作点稳定电路

27、、利用Rb1、Rb2对基极的固定分压与射极的负反馈以稳定静态工作点。图）稳定原理2）静态分析画直流通路，标出各物理量；计算程序：三、共集电极电路共集放大原理电路如图所示。输入信号从基极输入，发射极输出，故又称射极输出器。一、电路分析1.电路组成 共集电极放大电路的组成如图（a）所示，图（b）为其交流通路。各元件的作用与共发射极放大电路基本相同，只是RE除具有稳定静态工作点外，还作为放大电路空载时的负载。2.静态分析 UCCIBRB+UBE+(1+)IBRE IB IC IB UCE UCC - IERE UCC - ICRE3.动态分析(1) 电压放大倍数 (2) 输入电阻Ri (3) 输出电

28、阻Ro求输出电阻的等效电路如图所示。 二）、共集放大电路小结(1) 有电流放大，无电压放大作用；(2) 输入电压极性和输出电压极性相位相同；(3) 输入电阻高，传递信号源信号效率高；输出电阻低，带负载能力强； 常用于放大电流的输入级和输出级。（4）共集电极放大电路虽然没有电压放大作用，但仍有电流放大作用，因而有功率放大作用。 由三极管构成的还有一种共基放大电路，该电路具有电压放大，没有电流放大，输入阻抗低，输出阻抗高的特点，主要应用于高频放大。有关共射、共集、 共基三种基本放大电路的比较如表电路形式 共发射极放大电路 共集电极放大电路 共基极放大电路 电流放大系数 较大，例如200较大，例如2001电压放大倍数 较大，例如2001较大，例如100功率放大倍数 很大，例如20000较大，例如300较大，例如200输入电阻 中等，例如5k 较大，例如50k 较小，例如50输出电阻 较大，例如10k 较小，例如100较大，例如5k 200输出与输入电压相位 相反相同相同