电子线路基础培训教案.pptx
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1、第一章半导体器件1、半导体与二极管、半导体与二极管2、特殊二极管、特殊二极管3、半导体三极管、半导体三极管4、场效应管、场效应管小结小结第一节第一节半导体与二极管半导体与二极管半导体:导电性能介于导体和绝缘体之间的物质,如硅(Si)、锗(Ge)。硅和锗是4价元素,原子的最外层轨道上有4个价电子。提问:什么是导体?什么是绝缘体?热激发产生自由电子和空穴室温下,由于热运动少数价电子挣脱共价键的束缚成为自由电子,同时在共价键中留下一个空位这个空位称为空穴空穴空穴空穴。失去价电子的原子成为正离子,就好象空穴带正电荷一样。在电子技术中,将空穴看成带正电荷的载流子。每个原子周围有四个相邻的原子,原子之间通
2、过共价键共价键共价键共价键紧密结合在一起。两个相邻原子共用一对电子。1 1 1 1半导体的导电特征半导体的导电特征半导体的导电特征半导体的导电特征空穴运动(与自由电子的运动不同)有了空穴,邻近共价键中的价电子很容易过来填补这个空穴,这样空穴便转移到邻近共价键中。新的空穴又会被邻近的价电子填补。带负电荷的价电子依次填补空穴的运动,从效果上看,相当于带正电荷的空穴作相反方向的运动。本征半导体中有两种载流子:带负电荷的自由电子和带正电荷的空穴热激发产生的自由电子和空穴是成对出现的,电子和空穴又可能重新结合而成对消失,称为复合复合复合复合。在一定温度下自由电子和空穴维持一定的浓度。在纯净半导体中掺入某
3、些微量杂质,其导电能力将大大增强。在纯净半导体硅或锗中掺入磷、砷等5价元素,由于这类元素的原子最外层有5个价电子,故在构成的共价键结构中,由于存在多余的价电子而产生大量自由电子,这种半导体主要靠自由电子导电,称为电子半导体或N型半导体,其中自由电子为多数载流子,热激发形成的空穴为少数载流子。N N型半导体型半导体型半导体型半导体自由电子 多数载流子(简称多子)空 穴少数载流子(简称少子)N型半导体中电子数远远大于空穴数型半导体中电子数远远大于空穴数。多子是电子(其数量主要取决于杂质的掺杂浓度)多子是电子(其数量主要取决于杂质的掺杂浓度)少子是空穴(其数量主要取决于环境的温度)少子是空穴(其数量
4、主要取决于环境的温度)N型半导体(型半导体(在硅(锗)中掺入 5 价元素(磷、砷等)多子多子P P型半导体型半导体型半导体型半导体在纯净半导体硅或锗中掺入硼、铝等3价元素,由于这类元素的原子最外层只有3个价电子,故在构成的共价键结构中,由于缺少价电子而形成大量空穴,这类掺杂后的半导体其导电作用主要靠空穴运动,称为空穴半导体或P型半导体,其中空穴为多数载流子,热激发形成的自由电子是少数载流子。自由电子 多数载流子(简称多子)空 穴少数载流子(简称少子)P型半导体中空穴数远远大于电子数型半导体中空穴数远远大于电子数。多子是空穴(其数量主要取决于杂质的掺杂浓度)多子是空穴(其数量主要取决于杂质的掺杂
5、浓度)少子是电子(其数量主要取决于环境的温度)少子是电子(其数量主要取决于环境的温度)P型半导体(型半导体(在硅(锗)中掺入 3 价元素(硼、铟等)空穴空穴多子多子无论是P型半导体还是N型半导体都是中性的,对外不显电性。掺入的杂质元素的浓度越高,多数载流子的数量越多。少数载流子是热激发而产生的,其数量的多少决定于温度。2 2 2 2PNPNPNPN结及其单向导电性结及其单向导电性结及其单向导电性结及其单向导电性PNPN结的形成结的形成结的形成结的形成半导体中载流子有扩散运动和漂移运动两种运动方式。载流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动漂移运动。在半导体中,如果载流子浓度分布不均匀,因为浓度差
6、,载流子将会从浓度高的区域向浓度低的区域运动,这种运动称为扩散运动扩散运动。将一块半导体的一侧掺杂成P型半导体,另一侧掺杂成N型半导体,在两种半导体的交界面处将形成一个特殊的薄层 PN结结。多子扩散 形成空间电荷区产生内电场 少子漂移促使促使阻止阻止 扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的PN结外加正向电压(也叫正向偏置)外加电场与内电场方向相反,内电场削弱,扩散运动大大超过漂移运动,N区电子不断扩散到P区,P区空穴不断扩散到N区,形成较大的正向电流,这时称PN结处于导通导通导通导通状态。PNPN结的单向导电性结的单向导电性结的单向导电性结的单向导电性外加反向电压(也叫反向偏置)外加电场与内电场
7、方向相同,增强了内电场,多子扩散难以进行,少子在电场作用下形成反向电流 IR,因为是少子漂移运动产生的,IR很小,这时称PN结处于截止截止状态。3.半导体二极管半导体二极管一个PN结加上相应的电极引线并用管壳封装起来,就构成了半导体二极管,简称二极管。半导体二极管按其结构不同可分为点接触型和面接触型两类。点接触型二极管PN结面积很小,结电容很小,多用于高频检波及脉冲数字电路中的开关元件。面接触型二极管PN结面积大,结电容也小,多用在低频整流电路中。1 1 1 1半导体二极管的结构与符号半导体二极管的结构与符号二极管的结构二极管的结构1、组成、组成 PN结、阳极引线、阴极引线、管壳;2、分类、分
8、类 点接触型(图a)高频、工作电流小 面接触型(图b)低频、工作电流较大2、符号、符号 (图c)2 2 2 2半导体二极管的伏安特性曲线半导体二极管的伏安特性曲线(1 1)正向特性)正向特性)正向特性)正向特性外加正向电压较小时,外电场不足以克服内电场对多子扩散的阻力,PN结仍处于截止状态。正向电压大于死区电压后,正向电流 随着正向电压增大迅速上升。外加反向电压时,PN结处于截止状态,反向电流 很小。反向电压大于击穿电压时,反向电流急剧增加。(2 2)反向特性)反向特性)反向特性)反向特性二极管的二极管的VA特性特性I =f(U)正向特性正向特性死区电压:死区电压:硅:0.5V 锗:0.1V正
9、常工作时的管压降正常工作时的管压降 硅:0.7V 锗:0.3V 反向特性反向特性 反向电流由少子形成,因此反向电流一般很小很小;小功率硅管:小于1微安;小功率锗管:几十微安;反向击穿特性反向击穿特性 反向击穿反向击穿:外加电压达到一定数值时,在PN结中形成强大的电场,强制产生大量的电子和空穴,使反向电流剧增;提问:温度对VA特性的有没有影响?3 3 3 3半导体二极管的主要参数半导体二极管的主要参数1)最大整流电流IF:指管子长期运行时,允许通过的最大正向平均电流。2)反向击穿电压UB:指管子反向击穿时的电压值。3)最大反向工作电压UDRM:二极管运行时允许承受的最大反向电压(约为UB 的一半
10、)。4)反向电流IR:指管子未击穿时的反向电流,其值越小,则管子的单向导电性越好。5)最高工作频率fm:主要取决于PN结结电容的大小。理想二极管理想二极管理想二极管理想二极管:正向电阻为零,正向导通时为短路特性,正向压降忽略不计;反向电阻为无穷大,反向截止时为开路特性,反向漏电流忽略不计。例1-1 ui=10sinwt(v)E=5vR=1k欧姆忽略二极管的正向压降和反向电流画出画出uo的波形的波形(1)ui E 时,二极管正向导通,uo=E;例1-2 判断二极管的 工作状态。判断方法判断方法:正向偏置VAVB;导通;反向偏置VAVB;截止;解题方法:解题方法:断开二极管2AP1,求VA和和VB
11、VA=15(10/(10+140)=1V;VB=-10(2/(18+2)+15(5/(25+5)=1.5V;VA基区集电区 b)基区很薄 外部:发射结正偏,集电结反偏(2)三极管内部载流子的传输过程a)发射区向基区注入电子,形成发射极电流 iEb)电子在基区中的扩散与复合,形成基极电流 iBc)集电区收集扩散过来的电子,形成集电极电流 iC(3)电流分配关系:iE=iC+iB 实际偏置电路实际偏置电路IcIEIBRBEBECRCNNP一般参数一般参数EC EBRB RC实验表明IC比IB大数十至数百倍,因而有。IB虽然很小,但对IC有控制作用,IC随IB的改变而改变,即基极电流较小的变化可以引
12、起集电极电流较大的变化,表明基极电流对集电极具有小量控制大量的作用,这就是三极管的电流放大作用。三极管的电流分配关系:IE=IB+IC 而且而且 IC IB ,IC IB IC=IB ;IE=(1+)IB ;iC=iB ;iE=(1+)iB ;三极管的交流放大系数:=IC/IB 三极管的直流放大系数:=IC/IB 极间电压和各极电流之间的关系;极间电压和各极电流之间的关系;包括输入特性和输出特性两组;包括输入特性和输出特性两组;EB输入回路:输入回路:EB、RB、B、E;输出回路:输出回路:EC、RC、C、E;3.三极管的特性曲线三极管的特性曲线三极管的特性曲线三极管的特性曲线1 1 1 1输
13、入特性曲线输入特性曲线与二极管类似2 2 2 2输出特性曲线输出特性曲线(1)放大区:发射极正向偏置,集电结反向偏置)放大区:发射极正向偏置,集电结反向偏置(2)截止区:发射结反向偏置,集电结反向偏置)截止区:发射结反向偏置,集电结反向偏置(3)饱和区:发射结正向偏置,集电结正向偏置)饱和区:发射结正向偏置,集电结正向偏置 4.主要参数主要参数1、交流放大倍数与支流放大倍数2、ICBO 集电极-基极反向饱和电流:受温度影响较大,是影响管子工作特性的主要因素;3、ICEO 穿透电流:受温度影响较大,是影响管子工作特性的主要因素;4、几个极限参数:ICM:集电极最大电流;UCEO:集-射反向击穿电
14、压;PCM:集电极最大允许功耗;温度对参数的影响温度对参数的影响1、对ICEO和ICBO的影响;2、:温度升高:温度升高1,值增大值增大0.5%1%;3、对UBE的影响:温度升高温度升高1,UBE 约下降约下降22.5mv;4、温度升高,、温度升高,IC值增大值增大;第四节.场效应管1.场效应管的结构和分类2.场效应管的主要参数1.结构分类结构分类场效应管分为结型场效应管(JFET)和绝缘栅场效应管(MOS管)N沟道结型场效应管P沟道结型场效应管漏极D栅极G源极S氧化层金属铝电极耗尽层两个高掺杂区N型导电沟道N沟道结型场效应管正常工作时,在漏沟道结型场效应管正常工作时,在漏-源之间加正向电压源
15、之间加正向电压,形成漏极,形成漏极电流电流。UGS0,有电流从漏极流向源极,从而使沟道各点与栅极间的电压不再相等,沿沟道从源极到漏极逐渐增大,造成靠近漏极一边的耗尽层比靠近源极一边的宽。继续增大,=开启电压UGS(TH)时,形成源极和漏极间的N型导电沟道N+N+PSGDEGB 图1UGS 很小时,形成连通的耗尽层IDRDEDSN+N+PGDBID图3:当EDS增加时,产生电流ID 出现不等的沟道;图4:当ED增加到一定值时,漏极附近的沟道消失;ED 继续增加时,沟道几乎不变,电流ID 基本稳定;RDEDSN+N+PGDBID控制规则:控制规则:通过通过UGS的大小控制的大小控制D、S间的导通或
16、关闭;间的导通或关闭;UGS UGS(TH),D、S间导通;(间导通;(UDS 0)UGS UGS(TH),D、S间断开;(间断开;(D、S间呈高阻状态)间呈高阻状态)二、应用二、应用BSG+12VRIDuiuoUGS(TH)=5Vui=10 sin(t)tuituo5v10v12V场效应管与三极管的比较场效应管与三极管的比较1.场效应管是以UGS控制ID,称电压控制元件 三极管是以IB控制IC,称电流控制元件。2.场效应管的放大系数为gm,三极管的放大系数为。3.场效应管与三极管电极的对应关系为G B、D C、S E。4.绝缘栅场效应管存放时,三个电极应短接在一起,防止外界静电感应电压过高时
17、击穿绝缘层使其损坏。焊接时,烙铁应有良好的接地,最好拔下烙铁电源插头再焊。第二章第二章放大电路的基本知识放大电路的基本知识第一节.放大电路的基本概念第二节.共发射极基本放大电路第三节.放大电路工作点的稳定第四节.共集电极与共基极放大电路第五节.阻容耦合放大电路的频率特性1.基本放大电路基本放大电路一、放大器的一般概念一、放大器的一般概念电压放大器功率放大器直流电源话筒扬声器晶体管放大器AUUOUi=电压放大 器+-RSUSUiUoRL1122AUUOUi=电压放大倍数电压放大倍数电压放大器的基本要求电压放大器的基本要求:具有足够高的电压放大倍数,尽可能小的失真具有足够高的电压放大倍数,尽可能小
18、的失真。1、例子:、例子:2、电压放大器、电压放大器 AU UiUo电压放大器框图二、放大器的组成二、放大器的组成放大电路说明放大电路说明:1、必须保证三极管处于放大状态:发射结正偏,集电结反偏;2、耦合电容:隔直通交,交流耦合;C1 +RBEBECRCIEUi+C2UoRL(1)V(2)C1 +RBECRCIEUi+C2UoRLVC1 +RB+UCCRCIEUi+C2RL(3)放大电路的电位图VUo三、静态分析(三、静态分析(ui=0,各部分电压、电流均为直流各部分电压、电流均为直流)1、输入回路、输入回路(1)UBE=0.7V(硅管);0.3(锗管)RCIEV+UCCRBICIBUCEUB
19、EUCC-UBE(2)IB=RBUCC RB2、输出回路、输出回路(1)IC IB 或(IC =IB )(2)UCE=UCC-IC RC静态工作点静态工作点:静态工作状态时IB、IC 和和 UCE 的数值。注意事项:静态分析时各个电量的书写方法。必须用大写字母和大写下标大写字母和大写下标表示。Vi=0四、动态分析(四、动态分析(ui 0)C1 +RB+UCCRCIEUi+C2RLVUo1、输入端、输入端(1)uBE=UBE+ui ;(2)iB=IB+ib=IB+ibmsinwt;2、输出端、输出端(1)iC=IC+ic =IC+icmsinwt(2)uCE=UCE+uce UCE=UCC-IC
20、RC uce=-icRC=IcmRCsinwt =Ucemsin(wt-180o)(3)uo=uce=Ucemsin(wt-180o);ui=Umsin t五、波形失真与静态工作点的关系五、波形失真与静态工作点的关系1、截止失真、截止失真 (IB太小太小)ui=Umsin t(1)失真原因 RB很大,使得静态工作点太低,位于三极管截止区;(2)避免措施 设法提高管子的静态工作点,如减小RB。(3)放大电路的电位图C1 +RB+UCCRCIEUi+C2RLVUo2、饱和失真、饱和失真(IB太大,接近太大,接近ICS)ui=Umsin tIcs(1)失真原因 RB太小,使得静态工作点过高,(IB太
21、大),位于或靠近三极管饱和区使得 IC=ICES;(2)避免措施 设法降低管子的静态工作点,如增加RB。六、静态工作点的稳定六、静态工作点的稳定 当环境条件如温度等变化时,无法维持合适的静态工作点。可以很好的稳定静态工作点。1、使I1 IB,则UB基本稳定。2、使UB UBE,则IC、IB基本稳定。C1 +RB+UCCRCIEUi+C2RLVUo固定偏置放大电路C1 +RB1+UCCRCUi+C2RLVUoIECE+RERB2IBICI1分压式偏置放大电路CE为交流旁路电容UB温度温度 IC IERE UBE IC IB 电路稳定静态工作点的过程(反馈)(反馈)RE越大,稳定性越好;但RE不能
22、太大,否则管子饱和。一般选取方法:一般选取方法:I1=(510)IB(硅管)I1=(1020)IB(锗管)UB=(35)V (硅管)UB=(13)V(锗管)C1 +RB1+UCCRCUi+C2RLVUoIECE+RERB2IBICI1UBC1 +RB+UCCRCUi+C2VUo放大电路分析方法放大电路分析方法300K4K+12V第一第一 图解分析法图解分析法分析思路:利用三极管的输入特性和输出特性,用作图方法来分析放大电路的工作情况。基本分析步骤基本分析步骤:1、静态分析(1)估算IB;(2)由输出特性曲线找出 IC 和 UCE;2、动态分析(1)从输入特性曲线找出iB的变化规律;(2)从输出
23、特性曲线找出ic 、u uCE变化规律;注意:必须有输入、输出特性曲线;图解法适用于大信号的放大电路;+12VRB+UCCRCV300K4K一、静态分析一、静态分析1、估算IBIB=(UCC-UBE)/RB UCC/RB=40A2、由输出特性曲线找IC 和 UCE;(1)做直流负载线AB UCE=UCC-IC RC AB(2)根据直流负载线与IB估算值对应曲线的交点Q(静态工作点),找出对应的UCE 和 IC U UCEICIB二、动态分析二、动态分析1、根据输入特性曲线找出、根据输入特性曲线找出i iB的变化规律的变化规律(1)、图解过程a、IB Q UBEb、ui uBE iB (2)iB
24、变化规律iB=IB+ib =40+20sint(A)2、从输出特性曲线找出、从输出特性曲线找出ic c 、u uCE变化规律变化规律(1)图解过程a、iB变化 iC变化b、iB变化 uBE变化 (2)iC 变化规律iC=IC+ic=1.5+0.75sin t(mA)2.250.75(3)uCE 变化规律uCE=UCE+uce=6+3 sin(t-180 )V第二第二 微变等效电路分析方法微变等效电路分析方法一、三极管的微变等效电路一、三极管的微变等效电路BCEEibicuceube输入口输出口1、输入口等效、输入口等效ib(A)ube(v)ubeQibAB 将A、B曲线线性化则ib B与ube
25、成正比输入口可以等效为一个电阻定义:输入电阻输入电阻 Rbe=ube/ib;对正弦量,Rbe=Ube/Ib;说明:(1)Rbe是Q处切线斜率的倒数;(2)Rbe是动态电阻;静态工作点不同,Rbe也不同;(3)小功率管:Rbe=300+(1+)26mV IE(mA)输入端等效电路:BERbeUbeIb第二第二 微变等效电路分析方法微变等效电路分析方法一、三极管的微变等效电路一、三极管的微变等效电路BCEEibicuceube输入口输出口1、输入口等效、输入口等效ib(A)ube(v)ubeQibAB 将A、B曲线线性化则ib B与ube成正比输入口可以等效为一个电阻定义:输入电阻输入电阻 Rbe
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