電路與電子技術第4章--半導體器件基礎2演示文檔

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.,2、二極管限幅電路,當輸入信號電壓在一定范圍內變化時，輸出電壓隨輸入電壓做相應變化；而當輸入電壓超出該范圍時，輸出電壓保持不變，這種電路就是限幅電路。,通常將輸出電壓uo保持不變的電壓值稱為限幅電平。,當輸入電壓高于限幅電平時，輸出電壓保持不變的限幅,上限幅,下限幅,當輸入電壓低于限幅電平時，輸出電壓保持不變的限幅,.,ui > 8V，二極管導通，可看作短路 uo = 8V ui < 8V，二極管截止，可看作開路 uo = ui,例,參考點,二極管陰極電位為 8 V,.,電路如圖，求：UAB,V陽 =－6 V V陰 =－12 V,例,取 B 點作參考點，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。,在這里，二極管起鉗位作用。,若忽略管壓降，則二極管可看作短路，UAB =－ 6V,V陽>V陰 二極管導通,若設 UD=0.7V，則 UAB低于－6V一個管壓降，UAB= －6.7V,.,兩個二極管的陰極接在一起 取 B 點作參考點，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。,V1陽 =－6 V，V2陽=0 V，V1陰 = V2陰= －12 V UD1 = 6V，UD2 =12V ∵ UD2 >UD1 ∴ D2 優(yōu)先導通， D1截止。 若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB = 0 V,,例,D1承受反向電壓為－6 V,流過 D2 的電流為,求：UAB,在這里， D2 起鉗位作用， D1起隔離作用。,.,當ui ≤-0.7 V時，D1截止，D2導通，uo = -Uon = -0.7 V；,解 此題中已知二極管的壓降均為0.7V。,圖中兩只二極管D1、D2方向相反，所以當ui ≥0.7 V時，D1導通，D2截止，uo = Uon = 0.7 V；,由上分析可畫出uo與ui的關系曲線，如圖所示。該電路為一個雙向限幅電路，D1、D2的接法使uo的大小限在 -0.7 V～+0.7 V之內。,當-0.7 V＜ui ＜0.7 V時，D1、D2均截止，相當于開關斷開，uo = ui，uo與ui成正比例關系。,例 在圖所示電路中，已知兩只二極管的導通壓降Uon均為0.7 V，試畫出輸出電壓uo與輸入電壓ui的關系曲線（即電壓傳輸特性）。,.,例一個簡單的上限幅電路如圖(a)所示，已知輸入為5V的正弦波,解：利用二極管的模型可知，當ui≥E +UD(on)=2.7V時，V導通，uo=2.7 V，即將ui的最大電壓限制在2.7V上；,當ui <2.7V時，V截止，二極管支路開路，uo= ui 。,電路的輸出波形如圖(b)所示?？梢?，上限幅電路將輸入信號中高出2.7 V的部分削平了。,.,當uｉ＞０時二極管導通, uo＝０V；,并聯(lián)二極管上限幅電路,Ｅ＝０V, 限幅電平為０V。,當ui＜０V, 二極管截止, uo＝uｉ。波形如圖所示。,.,例：在圖中，輸入電位 UA = + 3 V， UB = 0 V， 電阻 R 接負電源 –12 V。求輸出端電位 UO。,解：因為UA 高于UB ，所以D1 優(yōu)先導通。。,D1起鉗位作用，將輸出端電位鉗制在 + 2.7 V。,設二極管的正向壓降是 0.3V，則 UO = + 2.7V。,當 D1 導通后, D2 因反偏而截止。,.,并聯(lián)下限幅電路,并聯(lián)上限幅電路,雙向限幅電路,自行畫出下限幅和雙限幅電路的波形圖,.,無線電技術中經常要進行信號的遠距離輸送，這就需要把低頻信號（如聲頻信號）裝載到高頻振蕩信號上并由天線發(fā)射出去。,3. 檢波電路,低頻信號稱為調制信號,高頻振蕩信號稱為載波,在無線電路中,受低頻信號控制的高頻振蕩稱為已調波，控制的過程稱為調制。,信號經放大后,還原成原來的低頻信號，這一過程稱為解調或檢波。,下列為由二極管組成的檢波器，其中D用于檢波，稱為檢波二極管，一般為點接觸型二極管；C為檢波器負載電容，用來濾除檢波后的高頻成分；RL為檢波器負載，用來獲取檢波后所需的低頻信號。,.,二極管也可用作保護器件，如圖所示。當開關S閉合時，直流電壓源US接通大電感L，二極管D因反偏而截止，全部電流流過電感線圈。,4. 二極管“續(xù)流”保護電路,若在電路中接有如圖中所示的二極管時，二極管為電感線圈的放電提供了通路，使uL的負峰值限制在二極管的正向壓降范圍內，開關S兩端的電弧被消除，同時電感線圈中的電流將平穩(wěn)地減少。,當開關S斷開時，電感線圈中的電流將迅速降到零，大電感兩端會產生很大的負瞬時電壓。如果沒有提供另外的電流通路，該暫態(tài)電壓將在開關兩端產生電弧，損壞開關。,.,在開關電路中，我們一般把二極管看成理想模型，即二極管導通時兩端電壓為零，截止時兩端電阻為無窮大。,5. 邏輯運算（開關）電路,僅當全部輸入為高電平時，輸出才為高電平；,1）“與”邏輯,只要三個輸入有一個為低電平，則對應二極管導通，使輸出電壓鉗位在低電平；,這在邏輯運算中稱為“與”邏輯運算。,.,5. 邏輯運算（開關）電路,僅當全部輸入為低電平時，輸出才為低電平；,1）“或”邏輯,若三個輸入中有一個輸入為高電平，則對應二極管導通，使輸出為高電平；,這種運算稱為“或”邏輯運算。,.,總之：二極管的用途如下：,1.整流：將正弦交流信號變?yōu)橹绷餍盘?2.檢波：將周期非正弦信號變?yōu)閱蜗蛐盘?3.鉗位(限幅)：二極管一端與固定電位相連接，另一端 不高于（低于）該電位。不同方向鉗位構成限幅電路 4.開關：用于數字電路 5.元件保護：二極管反向并聯(lián)，限制其端電壓 6.溫度補償：利用半導體的溫度特性,.,4.3.1 三極管的基本結構、外形及符號,4.3 晶體三極管,晶體三極管又稱為半導體三極管、雙極型晶體管，簡稱晶體管或三極管。它具有電流放大作用，是構成各種電子電路的基本元件。,三極管有NPN型和PNP型兩種類型，它們的外形圖、結構示意圖及電路符號如圖所示。,1、 三極管的外型,.,二氧化硅保護膜,銦球,銦球,（1）發(fā)射區(qū)的摻雜濃度遠大于集電區(qū)的摻雜濃度；,2、 三極管的基本結構及類型,（2）基區(qū)很薄，一般為1μm至幾μm；,（3）集電結面積大于發(fā)射結面積。,三極管的制作工藝要求,.,按結構可分為：NPN型和PNP型。,集電極，用C表示,集電區(qū)，摻雜濃度低,基極，用B表示,基區(qū)，薄,發(fā)射區(qū)，摻雜濃度高,發(fā)射結,集電結，面積比發(fā)射結大,發(fā)射極，用E表示,無論是NPN型或是PNP型的三極管,它們均包含三個區(qū)、三個電極和兩個PN結。三個區(qū): 發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū), 并相應地引出三個電極：發(fā)射極（e)、基極(b)和集電極(c)。同時,在三個區(qū)的兩兩交界處, 形成兩個PN結, 分別稱為發(fā)射結和集電結。,.,發(fā)射極的箭頭代表發(fā)射極電流的實際方向,NPN型與PNP型三極管的工作原理相似，只是使用時所加電源的極性不同。,常用的半導體材料有硅和鍺， 因此共有四種三極管類型。它們對應的型號分別為：3A(鍺PNP)、3B(鍺NPN)、3C(硅PNP)、3D(硅NPN)四種系列。,3、三極管的符號,.,1、晶體管內部載流子的運動,擴散運動形成發(fā)射極電流IE，復合運動形成基極電流IB，擴散的集電極電流形成IC。,少數載流子的漂移運動,發(fā)射區(qū)多子濃度高，大量電子從發(fā)射區(qū)擴散到基區(qū),基區(qū)薄且多子濃度低，極少數擴散到基區(qū)的電子與空穴復合,集電區(qū)面積大，在外電場作用下，大部分擴散到基區(qū)的電子漂移到集電區(qū),基區(qū)空穴的擴散,,,,4.3.2 三極管的放大原理,.,載流子的傳輸過程,截止狀態(tài): 當發(fā)射結和集電結均反偏,放大狀態(tài) :當發(fā)射結正偏、集電結反偏,飽和狀態(tài): 當發(fā)射結和集電結均正偏,當電源電壓VCC＞VBB且各電源、電阻取值合適時，能保證發(fā)射結正偏、集電結反偏，即保證三極管處于放大狀態(tài)。,發(fā)射:發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子,(2) 擴散和復合:電子在基區(qū)的擴散和復合,(3) 收集:集電區(qū)收集電子,.,2、電流分配,由于集電結反向偏置，基區(qū)本身的少子（電子）與集電區(qū)的少子（空穴）將在結電場的作用下形成漂移電流，即反向飽和電流，稱為ICBO。ICBO數值很小，可以忽略不計，但由于它受溫度影響大，將影響管子的性能。,集電極電流ＩＣ由兩部分組成：ＩＣN和ＩＣＢＯ。,ＩＣ＝ＩＣN＋ＩＣＢＯ,ＩＣN是由發(fā)射區(qū)發(fā)射的電子被集電極收集后形成的。,ＩＣＢＯ是由集電區(qū)和基區(qū)的少數載流子漂移運動形成的(集電結反向),稱為反向飽和電流。 于是有,.,發(fā)射極電流ＩＥ由兩部分組成：,基極電流ＩＢ是ＩＢｎ與ＩＣＢＯ之差：,ＩＥｎ為發(fā)射區(qū)發(fā)射的電子所形成的電流。,ＩＥｐ是由基區(qū)向發(fā)射區(qū)擴散的空穴所形成的電流。因為發(fā)射區(qū)是重摻雜, 所以ＩＥｐ忽略不計, 即ＩＥ≈ＩＥｎ。,,ＩＥｎ又分成兩部分,,ＩＣｎ是由發(fā)射區(qū)發(fā)射的電子被集電極收集后形成的,ＩＢｎ是電子在基區(qū)與空穴復合時所形成的電流,基區(qū)空穴是由電源ＵＢＢ提供的。,ＩＣ＝ＩＣN＋ＩＣＢＯ,.,交流電流放大系數,實際電路中，三極管主要用于放大動態(tài)信號。當輸入回路加上動態(tài)信號后，將引起發(fā)射結電壓的變化，從而使發(fā)射極電流、基極電流變化，集電極電流也將隨之變化。集電極電流的變化量△IC與基極電流變化量△IB的比值稱為共發(fā)射極交流電流放大系數，用β表示，即滿足,.,上式表明：三極管具有將基極電流變化量△IB放大β倍的能力，這就是三極管的電流放大作用。,在近似分析中可認為 ，故在實際應用中不再加以區(qū)分。,在共射放大電路中，三極管共射放大電路中的三個電極電流關系可完整表示為： IE = IB + IC = IB + β IB =（1+β）IB,當忽略基極電流IB時，上式可寫為 IE = IB + IC ≈IC,.,用實驗說明三極管的電流分配與放大作用,實驗電路采用共發(fā)射極接法，NPN 型管。,為了使三極管具有放大作用，電源 EB 和 EC 的極性必須使發(fā)射結上加正向電壓(正向偏置)，集電結加反向電壓(反向偏置)。,改變可變電阻 RB，則基極電流 IB、集電極電流 IC 和發(fā)射極電流 IE 都發(fā)生變化，,3、電流放大作用,.,三極管電流測量數據,結論：(1),符合KCL，且 IC≈IE,(2) IB 對IC有控制作用。,IB的改變控制了IC的變化，體現了三極管的電流控制作用。,直電流放大系數,.,NPN 型三極管應滿足: UBE > 0 UBC UB > UE,PNP 型三極管應滿足: UEB > 0 UCB < 0 即 UC < UB < UE,三極管實現放大的外部條件： 發(fā)射結加正向電壓，集電結加反向電壓。,.,4、三極管的三種連接方式,共基極,共發(fā)射極,共集電極,(c) 共集電極接法，集電極作為公共電極，用CC表示。,(b) 共發(fā)射極接法，發(fā)射極作為公共電極，用CE表示；,(a) 共基極接法，基極作為公共電極，用CB表示；,