模拟、数字及电力电子技术课件.pptx

1、模拟、数字及电力电子技术 2013年版,课程代码：02238组编/全国高等教育自学考试指导委员会主编/邢毓华主讲/,课程大纲,模拟电子篇第1章：半导体器件基础第2章：放大电路及其分析方法第3章：集成运算放大器及其应用数字电子篇第4章：数字电路基础第5章：逻辑门电路与触发器第6章：组合逻辑电路第7章：时序逻辑电路第8章：脉冲波形的产生与整形,课程大纲,电力电力篇第9章：常用电力电子器件第10章：相控整流电路第11章：斩控电路与交-交变换电路,第1章：半导体器件基础,1.1 半导体基础1.2 二极管1.3 晶体管1.4 场效应晶体管,1.1 半导体基础,物质按其导电性质可分为导体（如：金、银、铜、

2、铁等）、半导体、绝缘体（如：陶瓷、云母、橡胶等）。这里我们谈到的半导体就介于导体和绝缘体之间，目前来说制造电子器件的半导体材料主要是硅（Si）、锗（Ge）和砷化镓（GaAs）等。,了解硅和锗的化学结构模型，如下图a和b分别是锗和硅的化学结构模型，简化模型如图c，他们最外层电子都是4个，从稳定性上来说，他们既不像导电体那样容易失去电子，也不像绝缘体那样容易束缚电子，所以性质介于导体与绝缘体之间。,本征半导体：纯净的单晶半导体。原子按一定间隔排列成有规律的空间点阵。以此每个原子之间互相吸引，形成四对共价键。正常情况下电子被共价键束缚不能参与导电，但当外界温度升高或者出现外电场时，共价键中的电子就会

3、挣脱出来形成自由电子同时也伴随一个空穴的产生，这种现象叫做本征激发。,杂质半导体：在本征半导体中掺入少量的其他元素，会使导电性能发生显著变化。 根据掺入杂质的不同将其分为N型半导体和P型半导体。其中掺入磷、砷等五价元素的为N型半导体，掺入硼、铝等三价元素的为P型半导体。,在N型半导体中掺入的五价元素与四价的硅（或锗）形成四对共价键，多出一个电子，随着共价键的结合，多出的自由电子就会越来越多，所以这里我们把自由电子称做多子，由于外界温度等条件的影响还有极少一部分共价键中的电子会挣脱形成空穴，这里我们把空穴称作少子。,在P型半导体中掺入的三价元素与四价的硅（或锗）形成四对共价键，在四对共价键中有一

4、对会少一个电子，随之便对出一个空穴，随着共价键的结合，多出的空穴就会越来越多，所以这里我们把空穴称做多子，由于外界温度等条件的影响还有极少一部分共价键中的电子会挣脱成为自由电子，这里我们把自由电子称作少子。,PN结：通过掺杂工艺，把本征硅(或销) 片的一边做成P型半导体，另一边做成N型半行体。因为P区一侧多子是空穴，N区一侧多子是自由电子，所以在它们的交界面处存在空穴和电子的浓度差。于是P区中的空穴会向N区扩散，并在N区被电子复合。而N 区中的电于也会向P区扩散，并在P区被空穴复合。这样，在P区和N 区分别留下了不能移动的受主负离子和施主正离子，结果在界面的两侧形成了由正、负离子组成的空间电荷

5、区。这个空间电荷区形成一个电场，称为内电场。由浓度差引起的多数载流子的运动，称为扩散运动。在内电场的作用下少数载流子的运动称为漂移运动。这种P型半导体和N 型半导体交界面处形成的一个很薄的特殊物理结构，称为PN结。,PN结的单向导电性，在外加电场的作用下，PN结具有单向导电性。外加电场使P区电位高于N 区电位的接法称为PN结加正向电压或正向偏置(简称正偏)，外加电场使P区电位低于N 区电位的接法称为PN结加反向电压或反向偏置(简称反偏)。PN结正偏时，外加电场方向与内电场方向相反，抵消了内电场的作用，多子扩散到空间电荷区，并中和了电荷区中的杂质离子，使得空间电荷区的宽度变窄。在外电场作用下，多

6、子扩散形成了比较大电流，PN 结对外呈现比较小的电阻。这种情况称为PN 结导通。,PN结反偏时，外加电场方向与内电场方向相同，加强了内电场的作用，靠近PN结的多子(P区的空穴或N区的自由电子) 在外电场的作用下远离PN 结，使得空间电荷区的宽度变寬。多子扩散受到了严重的阻碍，形成的电流为零。另一方面，外电场有利于少子的漂移，但由于少子是本征激发产生的，数量与温度有关且浓度有限，形成的电流很小，因此PN 结对外星现比较大的电阻。这种情况称为PN结截止。PN结正偏时导通、反偏时截止的特点，称为PN 结的单向导电性。,1.2 二极管,二极管是PN结的直接应用，其结构符号如下：二极管的伏安特性就是二极

7、管上的电压与电流的关系曲线，实际二极管由于引线的接触电阻、P区和N 区体电阻以及表面漏电流等影响，其伏安特性与理想的PN结伏安特性略有差异。,正向电压只有超过某一数值时，才有明显的正向电流。这一电压称为导通电压或死区电压，用U表示。室温下，硅管的Uon= (0.50.6)V,锗管的Uon=(0.10.2)V。正向特性在小电流时，呈现出指数变化规律，电流较大以后近似按直线上升。,极管的运用基础，就是二极管的单向导电特性，因此，在应用电路中，关键是利用二极管的模型，判断二极管的导通或截止。利用理想模型时，不管是硅管还是锗管，二极管导通时UD =0; 利用恒压源模型时，二极管正向导通时的工作电压，一

8、般硅管UD约为0.7V,锗管约为0.3V,或者根据实际二极管测量得到。,当输人信号电压在一定范围内变化时，输出电压随输人电压相应变化; 而当输人电压超出该范围时，输出电压保持不变，这就是限幅电路。下图是一个典型的二极管限幅电路。假定二极管是硅管，利用恒压源模型，二极管正偏导通时的电压为0.7V。当UiE+0.7V时，二极管VD正偏导通Uo=E+0.7V。当Ui0时的工作波形。从图中可以看出，该电路是上限幅。,由此可得到（图a）下限幅电路及（图b）双向限幅电路。,二极管的半波整流电路，二极管VD串联在负载与交流信号源之间。如果VD 是理想的，当Ui0时,Uo=Ui。当Ui0时Uo=0。工作波形如

9、下图，整流后输出是单向的。,若用四个二极管VD1VD2组成桥式全波整流电路，该电路多用于直流电源中。当U2为正半周时，VD1、VD4导通，VD2、VD3截止，电流从+U2 经VD1、RL、VD4回到-U2。负载电流由上而下。当U2为负半周时，VD1、VD4截止，VD2、VD3导通，电流从+U2 经VD2、RL、VD3回到+u2。负载电流还是由上而下。,稳压管是一种特殊的极管，是利用PN结反向击穿后具有稳压特性制作的二极管。普通二极管利用的是PN 结的单向导电性，而稳压管利用的是二极管的反向击穿特性。普通二极管在加太大的反向电压时击穿，会因为电流突然增大而损坏但稳压管利用特殊的工艺，使得在击穿后，电流在一定的范围内时不会损坏。所以，稳压管正常使用时是工作在反偏状态及反向击穿区。,