1、模擬、數字及電力電子技術模擬、數字及電力電子技術 2013年版年版課程代碼：02238組編/全國高等教育自學考試指導委員會主編/邢毓華主講/0 課程大綱 模擬電子篇 第1章：半導體器件基礎 第2章：放大電路及其分析方法 第3章：集成運算放大器及其應用 數字電子篇 第4章：數字電路基礎 第5章：邏輯門電路與觸發器 第6章：組合邏輯電路 第7章：時序邏輯電路 第8章：脈沖波形的產生與整形12021-11-4課程大綱 電力電力篇 第9章：常用電力電子器件 第10章：相控整流電路 第11章：斬控電路與交-交變換電路22021-11-4第1章：半導體器件基礎 1.1 半導體基礎 1.2 二極管 1.3

2、晶體管 1.4 場效應晶體管32021-11-41.1 半導體基礎物質按其導電性質可分為導體（如：金、銀、銅、鐵等）、半導體、絕緣體（如：陶瓷、云母、橡膠等）。這里我們談到的半導體就介于導體和絕緣體之間，目前來說制造電子器件的半導體材料主要是硅（si）、鍺（ge）和砷化鎵（gaas）等。42021-11-4 了解硅和鍺的化學結構模型，如下圖a和b分別是鍺和硅的化學結構模型，簡化模型如圖c，他們最外層電子都是4個，從穩定性上來說，他們既不像導電體那樣容易失去電子，也不像絕緣體那樣容易束縛電子，所以性質介于導體與絕緣體之間。52021-11-4本征半導體：純凈的單晶半導體。原子按一定間隔排列成有規

3、律的空間點陣。以此每個原子之間互相吸引，形成四對共價鍵。正常情況下電子被共價鍵束縛不能參與導電，但當外界溫度升高或者出現外電場時，共價鍵中的電子就會掙脫出來形成自由電子同時也伴隨一個空穴的產生，這種現象叫做本征激發。62021-11-4雜質半導體：在本征半導體中摻入少量的其他元素，會使導電性能發生顯著變化。 根據摻入雜質的不同將其分為n型半導體和p型半導體。其中摻入磷、砷等五價元素的為n型半導體，摻入硼、鋁等三價元素的為p型半導體。72021-11-4 在n型半導體中摻入的五價元素與四價的硅（或鍺）形成四對共價鍵，多出一個電子，隨著共價鍵的結合，多出的自由電子就會越來越多，所以這里我們把自由電

4、子稱做多子，由于外界溫度等條件的影響還有極少一部分共價鍵中的電子會掙脫形成空穴，這里我們把空穴稱作少子。82021-11-4 在p型半導體中摻入的三價元素與四價的硅（或鍺）形成四對共價鍵，在四對共價鍵中有一對會少一個電子，隨之便對出一個空穴，隨著共價鍵的結合，多出的空穴就會越來越多，所以這里我們把空穴稱做多子，由于外界溫度等條件的影響還有極少一部分共價鍵中的電子會掙脫成為自由電子，這里我們把自由電子稱作少子。92021-11-4pn結：通過摻雜工藝，把本征硅(或銷) 片的一邊做成p型半導體，另一邊做成n型半行體。因為p區一側多子是空穴，n區一側多子是自由電子，所以在它們的交界面處存在空穴和電子

5、的濃度差。于是p區中的空穴會向n區擴散，并在n區被電子復合。而n 區中的電于也會向p區擴散，并在p區被空穴復合。這樣，在p區和n 區分別留下了不能移動的受主負離子和施主正離子，結果在界面的兩側形成了由正、負離子組成的空間電荷區。這個空間電荷區形成一個電場，稱為內電場。由濃度差引起的多數載流子的運動，稱為擴散運動。在內電場的作用下少數載流子的運動稱為漂移運動。這種p型半導體和n 型半導體交界面處形成的一個很薄的特殊物理結構，稱為pn結。102021-11-4pn結的單向導電性，在外加電場的作用下，pn結具有單向導電性。外加電場使p區電位高于n 區電位的接法稱為pn結加正向電壓或正向偏置(簡稱正偏

6、)，外加電場使p區電位低于n 區電位的接法稱為pn結加反向電壓或反向偏置(簡稱反偏)。pn結正偏時，外加電場方向與內電場方向相反，抵消了內電場的作用，多子擴散到空間電荷區，并中和了電荷區中的雜質離子，使得空間電荷區的寬度變窄。在外電場作用下，多子擴散形成了比較大電流，pn 結對外呈現比較小的電阻。這種情況稱為pn 結導通。112021-11-4pn結反偏時，外加電場方向與內電場方向相同，加強了內電場的作用，靠近pn結的多子(p區的空穴或n區的自由電子) 在外電場的作用下遠離pn 結，使得空間電荷區的寬度變寬。多子擴散受到了嚴重的阻礙，形成的電流為零。另一方面，外電場有利于少子的漂移，但由于少子

7、是本征激發產生的，數量與溫度有關且濃度有限，形成的電流很小，因此pn 結對外星現比較大的電阻。這種情況稱為pn結截止。pn結正偏時導通、反偏時截止的特點，稱為pn 結的單向導電性。122021-11-41.2 二極管二極管是pn結的直接應用，其結構符號如下：二極管的伏安特性就是二極管上的電壓與電流的關系曲線，實際二極管由于引線的接觸電阻、p區和n 區體電阻以及表面漏電流等影響，其伏安特性與理想的pn結伏安特性略有差異。132021-11-4 正向電壓只有超過某一數值時，才有明顯的正向電流。這一電壓稱為導通電壓或死區電壓，用u表示。室溫下，硅管的uon= (0.50.6)v,鍺管的uon=(0.

8、10.2)v。正向特性在小電流時，呈現出指數變化規律，電流較大以后近似按直線上升。142021-11-4極管的運用基礎，就是二極管的單向導電特性，因此，在應用電路中，關鍵是利用二極管的模型，判斷二極管的導通或截止。利用理想模型時，不管是硅管還是鍺管，二極管導通時ud =0; 利用恒壓源模型時，二極管正向導通時的工作電壓，一般硅管ud約為0.7v,鍺管約為0.3v,或者根據實際二極管測量得到。152021-11-4當輸人信號電壓在一定范圍內變化時，輸出電壓隨輸人電壓相應變化; 而當輸人電壓超出該范圍時，輸出電壓保持不變，這就是限幅電路。下圖是一個典型的二極管限幅電路。假定二極管是硅管，利用恒壓源

9、模型，二極管正偏導通時的電壓為0.7v。當uie+0.7v時，二極管vd正偏導通uo=e+0.7v。當ui0時的工作波形。從圖中可以看出，該電路是上限幅。162021-11-4由此可得到（圖a）下限幅電路及（圖b）雙向限幅電路。172021-11-4二極管的半波整流電路，二極管vd串聯在負載與交流信號源之間。如果vd 是理想的，當ui0時,uo=ui。當ui0時uo=0。工作波形如下圖，整流后輸出是單向的。182021-11-4若用四個二極管vd1vd2組成橋式全波整流電路，該電路多用于直流電源中。當u2為正半周時，vd1、vd4導通，vd2、vd3截止，電流從+u2 經vd1、rl、vd4回到-u2。負載電流由上而下。當u2為負半周時，vd1、vd4截止，vd2、vd3導通，電流從+u2 經vd2、rl、vd3回到+u2。負載電流還是由上而下。192021-11-4穩壓管是一種特殊的極管，是利用pn結反向擊穿后具有穩壓特性制作的二極管。普通二極管利用的是pn 結的單向導電性，而穩壓管利用的是二極管的反向擊穿特性。普通二極管