电工学下册

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电工学下册\n电工技术：主要讲能量分配的问题。电子技术：主要讲信号处理的问题。模拟电子技术：处理模拟信号数字电子技术：处理数字信号电工学：是研究电工技术和电子技术的理论和应用的技术基础课.电工技术电子技术电工学\n通过课堂教学：掌握基本概念、工作原理、分析方法。公式与电路与特性曲线对应，看电路列公式，学会分析电路。通过做一定数量的习题，培养分析和解决问题的能力、计算能力，理解和巩固课堂上所学的知识。要求：绘图用尺、标明单位、书写工整，培养良好的学习习惯。通过做实验培养动手能力，学会正确使用常用的电子仪器和电工仪表，培养工作能力。学习方法：三大环节\n参考书目《电工学（第七版）学习辅导与习题解答》姜三勇主编高等教育出版社课程学时：40学时（10周20次课）考核方式：总评成绩=考试卷面成绩（80%）+平时成绩（20%）\n电子技术第14章半导体器件第15章基本放大电路第18章直流稳压电源第21章触发器和时序逻辑电路第16章集成运算放大器第20章门电路和组合逻辑电路电工学(下)第17章电子电路中的反馈\n\n第14章半导体器件14.3二极管14.4稳压二极管14.5双极型晶体管14.2PN结及其单向导电性14.1半导体的导电特性本章要求：一、理解PN结的单向导电性，三极管的电流分配和电流放大作用；二、了解二极管、稳压管和三极管的基本构造、工作原理和特性曲线，理解主要参数的意义；三、会分析含有二极管的电路。14.6光电器件\n半导体的基本知识\n14.1半导体的导电特性半导体的导电特性：(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。掺杂性：往纯净的半导体中掺入微量的某种杂质，导电能力明显改变(可做成各种不同用途的半导器件，如二极管、三极管和晶闸管）。光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化(可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等)。热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强\n14.1.1本征半导体完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。晶体中原子的排列方式硅单晶中的共价健结构共价健共价键中的两个电子，称为价电子。SiSiSiSi价电子\nSiSiSiSi价电子价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。本征半导体的导电机理空穴温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。自由电子在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中又出现一个空穴，如此继续下去，就好像空穴在运动（相当于正电荷的移动）。本征半导体中产生电子—空穴对的现象称为本征激发。\n本征半导体的导电机理当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流(1)自由电子作定向运动电子电流(2)被原子束缚的价电子递补空穴空穴电流注意：(1)本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差；(2)温度愈高，载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。自由电子和空穴都称为载流子。本征半导体中的自由电子和空穴总是成对产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。\n14.1.2N型半导体和P型半导体掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。掺入五价元素SiSiSiSip+多余电子磷原子在常温下即可变为自由电子失去一个电子变为正离子在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成杂质半导体。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。\n14.1.2N型半导体和P型半导体掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或P型半导体。掺入三价元素SiSiSiSi在P型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。B–硼原子接受一个电子变为负离子空穴无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。应注意：\n14.2PN结及其单向导电性14.2.1PN结的形成多子的扩散运动内电场少子的漂移运动浓度差P型半导体N型半导体内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。扩散的结果使空间电荷区变宽。空间电荷区也称PN结在没有外电场的作用时，扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。PN结处于相对稳定的状态。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－动画形成空间电荷区PN结是构成各种半导体器件的基础。\n14.2.2PN结的单向导电性1.PN结加正向电压（正向偏置）PN结变窄P接正、N接负外电场IF内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。PN结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。内电场PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++动画+–\n2.PN结加反向电压（反向偏置）外电场P接负、N接正内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+\nPN结变宽2.PN结加反向电压（反向偏置）外电场内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。IRP接负、N接正温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。动画–+PN结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－PN结的“正偏导通，反偏截止”称为其单向导电性质，这正是PN结构成半导体器件的基础。\n14.3半导体二极管14.3.1基本结构(a)点接触型(b)面接触型结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路。结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。(c)平面型用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。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，接在P型半导体一侧的引出线称为阳极；接在N型半导体一侧的引出线称为阴极。阴极阳极(d)符号D参看二极管的实物图\n14.3.2伏安特性硅管0.5V,锗管0.1V。反向击穿电压U(BR)导通压降外加电压大于死区电压二极管才能导通。外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。正向特性反向特性特点：非线性硅0.6~0.8V锗0.2~0.3VUI死区电压PN+–PN–+反向电流在一定电压范围内保持常数。显然二极管的伏安特性不是直线，因此属于非线性元件。定义：二极管电流与电压之间的关系\n14.3.3主要参数1.最大整流电流IOM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。2.反向工作峰值电压URWM是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压UBR的一半或三分之二。3.反向峰值电流IRM指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，IRM受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。\n二极管的单向导电性1.二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负）时，二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。2.二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正）时，二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。3.外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。4.二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。\n二极管电路分析举例定性分析：判断二极管的工作状态导通截止否则，正向管压降硅0.6~0.8V锗0.2~0.3V分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压UD的正负。若V阳>V阴或UD为正(正向偏置)，二极管导通若V阳V阴二极管导通若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=－6V否则，UAB为低于－6V一个管压降，为－6.3Ｖ或－6.7V例1：取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。D6V12V3kBAUAB+–\n两个二极管的阴极接在一起取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。V1阳=－6V，V2阳=0V，V1阴=V2阴=－12VUD1=6V，UD2=12V∵UD2>UD1∴D2优先导通，D1截止。若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=0V例2:此时D1承受的反向电压为－6V流过D2的电流为求：UAB在这里，D2起钳位作用，D1起隔离作用。BD16V12V3kAD2UAB+–\nui>8V，二极管导通，可看作短路uo=8Vui<8V，二极管截止，可看作开路uo=ui已知：二极管是理想的，试画出uo波形。8V例3：二极管的用途：整流、检波、限幅、钳位、开关、元件保护、温度补偿等。ui18V参考点二极管阴极电位为8VD8VRuoui++––动画\n14.4稳压二极管1.符号UZIZIZMUZIZ2.伏安特性稳压管正常工作时加反向电压使用时要加限流电阻稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。_+UIO稳压管实物图\n3.主要参数(1)稳定电压UZ稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。(2)电压温度系数ｕ环境温度每变化1C引起稳压值变化的百分数。(3)动态电阻(4)稳定电流IZ、最大稳定电流IZM是指稳压管工作在稳压状态时，稳压管中流过的电流，有最小稳定电流和最大稳定电流之分。(5)最大允许耗散功率PZM=UZIZM是指稳压管正常工作时，管子上允许的最大耗散功率。rZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。\n稳压管稳压电路中一般都要加限流电阻R，使稳压管电流工作在Izmax和Izmix的范围内。稳压管在应用中要采取适当的措施限制通过管子的电流值，以保证管子不会造成热击穿。注意[例]图中通过稳压管的电流IZ等于多少？R是限流电阻，其值是否合适？[解]IZDZ+20R=1.6kUZ=12VIZM=18mAIZIZ0UBC<0即VC>VB>VE对于PNP型三极管应满足:UEB>0UCB<0即VCVB>VE\n14.5.3三极管的特性曲线\n\nIB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O饱和区截止区放大区\nIB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O饱和区截止区放大区\nIB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O饱和区截止区放大区\n当晶体管饱和时，UCE0，发射极与集电极之间如同一个开关的接通，其间电阻很小；当晶体管截止时，IC0，发射极与集电极之间如同一个开关的断开，其间电阻很大，可见，晶体管除了有放大作用外，还有开关作用。晶体管的三种工作状态如下图所示+UBE>0ICIB+UCE(a)放大UBC<0+IC0IB=0+UCEUCC(b)截止UBC<0++UBE0+UBE>0IB+UCE0(c)饱和UBC>0+\n管型工作状态饱和放大截止UBE/VUCE/VUBE/VUBE/V开始截止可靠截止硅管(NPN)锗管(PNP)0.70.30.30.10.6~0.70.2~0.30.50.100.1晶体管结电压的典型值+UBE>0ICIB+UCE放大UBC<0+IC0IB=0+UCEUCC截止UBC<0++UBE0+UBE>0IB+UCE0饱和UBC>0+\n（1）V1=3.5V，V2=2.8V，V3=12V。例1：测得工作在放大电路中几个晶体管三个极电位值V1、V2、V3，判断管子的类型、材料及三个极。NPN型硅管，1、2、3依次为B、E、C（2）V1=3V，V2=2.7V，V3=12V。（3）V1=6V，V2=11.3V，V3=12V。（4）V1=6V，V2=11.7V，V3=12V。NPN型锗管，1、2、3依次为B、E、CPNP型硅管，1、2、3依次为C、B、EPNP型锗管，1、2、3依次为C、B、E上一页下一页返回下一节上一节\n例2：测得电路中三极管各极对地的电位值如下表所示，判断各管的工作状态及类型。管号VB（V）VC（V）VE（V）T1-0.3-50T22.732.32T31-60T1：UBE=-0.3V，VC＜VB＜VE，放大状态，PNP型T2：UCE=0.3V，VE＜VC＜VB，饱和状态，NPN型T3：UCE=-6V，VC＜VE＜VB，截止状态，PNP型上一页下一页返回下一节上一节\n14.5.4主要参数1.电流放大系数，（反映放大能力）直流电流放大系数交流电流放大系数当晶体管接成共发射极电路时，晶体管特性的数据称为晶体管的参数，晶体管的参数也是设计电路、选用晶体管的依据。注意：和的含义不同，但在特性曲线近于平行等距并且ICEO较小的情况下，两者数值接近。常用晶体管的值为几十到几百。\n2.集电极最大允许电流ICM3.集-射极反向击穿电压U(BR)CEO集电极电流IC上升会导致三极管的值的下降，当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。当集—射极之间的电压UCE超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿电压U(BR)CEO。4.集电极最大允许耗散功耗PCMPCM取决于三极管允许的温升，消耗功率过大，温升过高会烧坏三极管。PCPCM=ICUCE硅管允许结温约为150C，锗管约为7090C。极限参数（决定三极管的工作区域）\nICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作区由三个极限参数可画出三极管的安全工作区ICUCEO\n5.集-基极反向截止电流ICBO发射极开路时，ICBO是由少数载流子的漂移运动所形成的电流，受温度的影响大。温度ICBOICBOA+–EC6.集-射极反向截止电流(穿透电流)ICEOAICEOIB=0+–ICEO受温度的影响大。温度ICEO，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。极间反向电流（反映管子温度稳定性）\n例3：在UCE=6V时，在Q1点IB=40A,IC=1.5mA；在Q2点IB=60A,IC=2.3mA，求。在以后的计算中，一般作近似处理：=。IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)9120Q1Q2在Q1点，有由Q1和Q2点，得\n关于输出特性曲线，需理解以下几点：1.当UCE=0时，IC=0,即曲线通过坐标原点。随着UCE增大（不超过1V），集电结内电场对基区中扩散电子的收集能力加强，所以集电极电流IC迅速增加。但当UCE超过某个数值（一般为1V）后，集电结的内电场足以把基区中扩散电子的绝大多数拉向集电区，再增大UCE，集电极电流也不明显增加，表明此时IC受UCE变化的影响极小，这时管子的IC呈现恒流特性，相当于特性曲线的平坦部分。2.基极电流IB不同，则曲线的平坦部分上下移动所对应的IC也不同，因此要增大集电极电流IC，唯一的途径是增大基极电流IB，这正体现了IB对IC的控制作用。3.特性曲线平坦部分的间隔大小，反映了晶体管电流放大作用的强弱。若间隔大，表示在一定的ΔIB下，引起的ΔIC大。\n学习与探讨晶体管的发射极和集电极是不能互换使用的。因为发射区的掺杂质浓度很高，集电区的掺杂质浓度较低，这样才使得发射极电流等于基极电流和集电极电流之和，如果互换作用显然不行。晶体管的发射极和集电极能否互换使用？为什么?晶体管在输出特性曲线的饱和区工作时，UCE

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