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计 算 机 电 路 基 础

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计 算 机 电 路 基 础. 执教者:谢婷. 本章内容. 开关特性:二极管、三极管、 MOS 管 三种管子的特性曲线与主要参数. 重点和难点. 重点: 1、理解 PN 结的单向导电性。 2、理解三极管的电流放大作用及实现电流作用的外部工作条件。理解三极管的输入特性和输出特性以及主要参数。 3、掌握三极管输出特性曲线中的截止区、放大区和饱和区等概念。 4、熟悉对三极管开关电路工作状态的分析方法。 5、熟悉 MOS 场效应管的分类及符号。 难点: 1、载流子运动规律与器件外部特性的关系。只须了解,不必深究. 半导体基本知识. 半导体: - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: 计 算 机 电 路 基 础

计 算 机 电 路 基 础

执教者:谢婷

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本章内容• 开关特性:二极管、三极管、 MOS 管• 三种管子的特性曲线与主要参数

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重点和难点• 重点:

– 1、理解 PN 结的单向导电性。– 2、理解三极管的电流放大作用及实现电流作用的外

部工作条件。理解三极管的输入特性和输出特性以及主要参数。

– 3、掌握三极管输出特性曲线中的截止区、放大区和饱和区等概念。

– 4、熟悉对三极管开关电路工作状态的分析方法。– 5、熟悉 MOS 场效应管的分类及符号。

• 难点:– 1、载流子运动规律与器件外部特性的关系。只须了

解,不必深究

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半导体基本知识• 半导体:

– 定义 : 导电性能介于导体和绝缘之间的物质– 材料 : 常见硅、锗– 硅、锗晶体的每个原子均是靠共价键紧密

结合在一起。

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本征半导体

• 本征半导体:纯净的半导体。 0K 时,价电子不能挣脱共价键而参与导电,因此不导电。随T 上升晶体中少数的价电子获得能量。挣脱共价键束缚,成为自由电子,原来共价键处留下空位称为空穴。空穴与自由电子统称载流子。

• 自由电子:负电荷• 空穴:正电荷• 不导电

自由电子与空穴成对出现 / 复合

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杂质半导体

• 杂质半导体:– 在本征半导体中掺入微量杂质。– 导电性能发生变化

• N 型半导体• P 型半导体

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N 型半导体 / 电子型半导体• 定义:硅晶体中掺入五价元素(磷、锑)• 自由电子(多子):掺杂 + 热激发• 空穴(少子):热激发

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P 型半导体 / 空穴型半导体

• 定义:硅晶体中掺入三价元素(硼、铟)• 自由电子(少子):热激发• 空穴(多子):掺杂 + 热激发• 总结:

– 多子:掺杂(主) + 热激发– 少子:热激发(主)

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PN 结的形成 • 多子扩散运动形成耗尽层

– 空穴浓度: P 区 >N 区;自由电子: P 区 <N 区– 多子由浓度高— > 浓度低扩散,扩散到对方复合,交界区

仅剩正负离子形成耗尽层 / 阻挡层 / 空间电荷区 / 内电场EIN 。

• 少子漂移运动 – 内电场的存在,阻止了多子的扩散, P 区的少子——电子,

N 区少子——空穴, 内电场作用下向对方移动——漂移。• 总结: PN 结中存在:由浓度差引起的多子扩散运动,它使

阻挡层变宽;由内电场作用下产生的少子漂移运动,它使阻挡层变窄。当两者强度相当时,达到动态平衡。

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思考 : PN 结内部存在电场,若将 P 区与N 区端点用导线连接,是否有电流流过?

• 无电流流过– 在无外电压的条件下,扩散电流 = 漂移电

流,且方向相反,处于平衡状态,所以流过交界面的静态电流为 0 。

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(一)   PN 结的单向导电性• 1.  加正向电压(正向偏置)

– P 区接电源正极, N 区接电源负极。– 外电场 EEXT 与内电场 EIN 方向相反。即削弱

了内电场,空间电荷区变窄,有利于多子扩散,不利于少子漂移,使扩散电流大大超过了漂移电流,于是回路形成较大的正向电流 IF 。

– EEXT< EIN 截止– EEXT> EIN 导通

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( 一 ) PN 结的单向导电性 2.  加反向电压(反向偏置)

– P 区接电源负极, N 区接电源正极。– 外电场 EEXT 与内电场 EIN 方向相同。即加强

了内电场,空间电荷区变宽,不利于多子扩散,有利于少子漂移,使漂移电流超过扩散电流,于是回路中形成反向电流 IR 。因为是少子产生,所以很微弱。

– PN 结截止

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(一)   PN 结的单向导电性• 总结: PN 结具有单向导电性,当正向偏置时,有较大的正向电流,电阻很小,成导通状态,反向偏置时电流很小(几乎为 0 )。电阻很大,成截止状态。

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PN 结的伏安特性 • 正向特性( u>0 )

– UON :开启 / 导通电压– 硅: 0.5V 锗: 0.1V

• 反向特性 (u<0)

• 击穿特性– U ( RB ):击穿电压– 稳压管使用

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半导体二极管

• A :阳极 / 正极 K :阴极 / 负极• 二极管的伏安特性与 PN 结伏安特性一致。 • 二极管主要参数:

– 1. 最大正向电流 IF

– 2. 反向击穿电压 U ( RB )

– 3. 反向电流 IR

– 4. 最高工作频率 FT 和反向恢复时间 tre

– 5 、 温度影响

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限幅电路如图示:假设输入 UI 为一周期性矩形脉冲,低电压 UIL=-5V ,高电压 UIH=5V 。

• 当输入 UI 为 -5V 时,二极管 D 截止,• 视为“开路”,输出 UO=0V 。• 当输入 UI 为 +5V 时,二极管 D 导通,• 由于其等效电阻 RD 相对于负载电• 阻 R 的值小得多,故 UI 基本落在 R 上,• 即 UO=UI=+5V 。

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二极管分析

• 1 、分析二极管的状态:是导通还是截止——二极管的两端电压:若是反偏则截止;若是正偏还要看 P 的电压是否比 N 的电压高 Uon(导通电压)是则导通,否则截止。若是理想二级管, Uon=0V 。2 、二极管导通则相当于一导线(理想状态)或一个小电阻(非理想状态);截止则相当于断开的开关。

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稳压管及其应用• 工作在反向击穿状态,输出稳定值• 与普通二极管相反,阴极:高;阳极:低• 如图:稳压值 5.6V , IZ : 5mA~82mA ,分析电路• 不接 RL 时 , IL=0 , I1=IZD , RMIN=(12-5.6)/IZM=78Ω ,• 若选 R=82Ω , I1MAX=(12-5.6)/82=78mA

• 保证 IZD>5mA , ILMAX=I1MAX-5=78-5=73mA , • RLMIN=5.6/73=75Ω ,只要负载电阻 RL 大于 75Ω ,其上可获

得稳定的 5.6伏输出电压。

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半导体三极管• 材料:硅、锗• 分类: NPN 、 PNP

• 组成:三极:发射极 e 、基极 b 、集电极 c

• 三区:发射区、基区、集电区• 两结:发射结、集电结

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三极管放大原理• 发射区浓度很高,基区浓度低且很簿• 要求:发射结正偏,集电结反偏• 发射区向基区发射电子• 电子在基区中扩散与复合• 电子被集电极收集

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输出特性曲线

• 截止区:U BE< UON iB≈0,iC≈0

• 放大区:U BE≥UON (硅: 0.5V ;锗:0.3V ) IC=βIB

• 饱和区:U BE> UON I BS> I CS/ β

截止区

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三极管主要参数• 共发射极电流放大系数 β

• 集电极 - 发射极击穿电压 UCEO

• 集电极最大电流 ICM

• 最大功率 PCM

• 特征频率 fT

• 集电极 - 发射极饱和压降 UCES

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例开关电路如图所示 . 输入信号 U1 是幅值为 5V频率为1KHZ 的脉冲电压信号 .已知 β=125, 三极管饱和时 UBE=

0.7V,UCES=0.25V.试分析电路的工作状态和输出电压的波形

Page 24: 计 算 机 电 路 基 础

三极管的三种接法• 共射极电路:• 共基极电路 :

• 共集极电路(射极跟随器)

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MOS 场效应管• 压控电流源器件• 分类:

– 增强型、耗尽型– PMOS 管、 NMOS 管

• 特性曲线– 转移特性曲线– 输出特性曲线

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MOS 场效应管的主要参数• 直流参数:

– 开启电压 UTN , UTP

– 输入电阻 rgs

• 交流参数:– 跨导 gm

– 导通电阻 Rds

– 极间电容

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例 NMOS 管构成反相器如图示 ,其主要参数为 UTN=2.0V ,gM=1.3MA/V , rDS(ON)=875 ,电源电压 UC=12V 。输入脉冲电压源辐值为 5V,频率为 1KHZ 。试分析电路的工作状态及输出电压 UO 的波形。

• (1)uI=0V , uGS=uI(0)<UTN(2V)

• 故管子截止。 iD=0 , uO=uC=12V

• uI=5V,uGS=uI=5V>UTN 管子导通• uDS=UC*rDS(ON)/(rDS(ON)+R1)=0.9V.

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本章小结• 开关特性:二极管、三极管、 MOS 管• 三种管子的特性曲线与主要参数

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重点和难点• 重点:

– 1、理解 PN 结的单向导电性。– 2、理解三极管的电流放大作用及实现电流作用的外

部工作条件。理解三极管的输入特性和输出特性以及主要参数。

– 3、掌握三极管输出特性曲线中的截止区、放大区和饱和区等概念。

– 4、熟悉对三极管开关电路工作状态的分析方法。– 5、熟悉 MOS 场效应管的分类及符号。

• 难点:– 1、载流子运动规律与器件外部特性的关系。只须了

解,不必深究

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本章小结• 开关特性:二极管、三极管、 MOS 管• 三种管子的特性曲线与主要参数

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主教材重点例题

1、 P44 例 2.1.1

2、 P51 例 2.2.1

3、 P61 例 2.3.1作业:

P63 1P64 5