《电路和电路元》PPT课件

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第1章电路和电路元件1.1电路和电路的基本物理量1.2电阻、电感和电容元件1.3独立电源元件1.4二极管1.5双极晶体管1.6绝缘栅场效晶体管 1.理解电路基本物理量的定义及其意义；2.理解电路元件的特性，了解电路元件的参数及其模型。3.理解独立电源元件及其模型。4.理解二极管、晶体管的基本构造、工作原理和特性（曲线）、主要参数的意义及小信号模型。本章要求: 教材P32-36：1.1.1;1.2.2;1.2.6;1.3.1;1.3.4;1.4.1;1.4.4;1.5.4;1.5.6;1.6.1;1.6.3。本章作业: 1.1电路和电路的基本物理量(1)实现电能的传输、分配与转换电路的分类（作用）——两个电路是电为了实现某种应用目的，将若干电工、电子器件或设备按一定方式相互连接所组成的整体。发电机升压变压器降压变压器电灯电动机电炉...输电线1.1.1电路电路的基本特征是基本中存在着电流的通路。由于电的应用很广泛，所以电路的具体形式是多种多样、千变万化的。 (2)实现信号的传递与处理放大器扬声器话筒这类电路由于电压较高、电流和功率较大，习惯上称不“强电”电路。这类电路通常电压较低、电流和功率较小，习惯上称不“弱电”电路。 电路的组成部分电源:提供电能的装置负载:取用电能的装置中间环节：传递、分配和控制电能的作用发电机升压变压器降压变压器电灯电动机电炉...输电线电路一般由电源、负载和中间环节三部分组成。 直流电源直流电源:提供能源负载信号源:提供信息电路的组成部分放大器扬声器话筒电源或信号源的电压或电流称为激励，它推动电路工作；由激励所产生的电压和电流称为响应。信号处理：放大、调谐、检波等 1.1.2电路元件和电路模型实际电路元件：用于构成电路的电工源或信号源的电压或电流称、电子元器件，简称为实际元件。实际元件种类繁多，各具其他特性和用途。实际电路：用实际元件构成的电路。某一个实际电路元件往往呈现多种物理性质。如线圈具有：电感、电阻、电容。实际电路元件的模型：为了便于进行电路分析，常采用一些理想电路元件来表征实际元件的特性。理想电路元件，简称电路元件：是对实际元件在一定条件下进行的科学抽象而得到的，具有某种理想的电路特性。理想电路元件主要有电阻元件、电感元件、电容元件和电源元件等。一般只含有一个电路参数。 电路模型手电筒的电路模型将实际电路中的各种实际元件都用其相应的模型表示后，就构成实际电路的电路模型。例：手电筒由电池、灯泡、开关和筒体组成。+R0R开关EI电珠+U干电池导线电路模型是由一些理想电路元件相互连接而构成的整体，是实际电路的一种等效表示，故也称为等效电路。 建立电路模型给实际电路的分析带来很大方便，是研究电路问题的常用方法。今后分析的都是指电路模型，简称电路。在电路图中，各种电路元件都用规定的图形符号表示。理想电路元件主要有电阻元件、电感元件、电容元件和电源元件等。 1.1.3电流、电压及其参考方向带电粒子在电源作用下的有规则移动形成电流。（1）电流及其参考方向习惯上规定正电荷移动的方向为电流的实际方向。电荷（量）对时间的变化率称为电流，即单位：为安[培]（A），毫安（mA)、微安(μA)或千安(kA)。直流电流（directcurrent，简称DC，用大写字母I表示）：大小和方向都不随时间变化。交流电流（alternatingcurrent，简称AC，用小写字母i表示）：大小和方向都随时间变化。 电流参考方向的表示方法I在进行电路分析计算时，为了列出与电流有关的表达式，必须预先假定电流的方向，称为电流的参考方向（也称为正方向）。Iab文字中：双下标电流的参考方向电路中：箭标abRI+R0E3V注意：如果实际方向可以判定，就取其为参考方向，否则参考方向任意假定。在参考方向选定后,电流(或电压)值才有正负之分。正表示电流实际方向与参考方向一致，否则相反。交直流都必须规定参考方向。 （2）电压及其参考方向电动势是描述电源中非静电场力对电荷作功的物理量，它在数量上等于非静电场力在电源内部将单位正电荷，从负极移至正极所作的功。在右图所示电路中，电池具有电动势E。+R0E3V电动势的单位为伏[特]（V）。在电动势E的作用下，电源和负载两等到电压Uab，并有电流I流过。Uab+_电压是描述电场力对电荷作功的物理量。定义为单位：为伏[特]（V），毫伏（mV)、微伏(μV)或千伏(kV)。 直流电压（大写字母U表示）：大小和方向都不随时间变化。（2）电压及其参考方向图中a、b两点之间的电压Uab电压就是a、b两点的电势差，在数值上等于电场力驱使单位正电荷从a点移至b点所作的功。a点（或b点）的电位Va（或Vb）在数值上等于电场力驱使单位正电荷从a点（或b点）移至零电位点所作的功。零电位点又称参考点，可以位意设定，常用符号“⊥”表示。图中若先b为参考点，则交流电压（小写字母i表示）：大小和方向都随时间变化。b+R0E3VUab+_a 上式表明，要知道某一点的电位，只要计算该点到参考点的电压就可得到。（2）电压及其参考方向电压是由于两点之间的电位的高低差别而形成的，它的方向是从高电位指向低电位，是电位降低的方向。电动势的方向则是从低电压指向高电位，是电位升高的方向。电位的单位：伏[特]（V）b+R0E3VUab+_a在进行电路分析计算时，为了列出与电压有关的表达式，必须预先假定电压或电动势的参考方向，也称为参考极性。电压的参考方向（极性）用“＋”、“－”极性表示。 当电压采用双下标（例如Uab）表示时，习惯上认为前一个下标的端点为参考方向的“+”。说明：电压参考方向和电流参考方向可以分别加以假定，但在电路分析时，对电源（或电路）以外的元件，常假定其电压参考方向与电流参考方向一致。即电流的参考方向从电压参考方向“+”端流向“-”端。称这种参考方向的规定为关联参考方向。为了便于分析，如果电压和电势的实际方向已知，常以其实际方向作为参考方向。在采用关联系参考方向时，如果标出某个电路元件的电压（或电流）的参考方向，则该元件的电流（或电压）的参考方向就随之关联地确定，可以不再标出。 功率是电路分析中常用的另一个物理量。如果某个元件（某段电路）的电流i和电压u参考方向采用关联参考方向，则其功率单位为瓦[特]（W））为正值时表示该元件（电路）吸收功率（消耗电能或吸收电能）；若为负值则表示输出功率，即送出电能。1.1.4电路功率说明：习惯上对电源的端电压和流过的电流采用非关联系参考方向。其功率（>0)表示电源向外电路提供功率。在时间t1和t2期间，元件（或电路）吸收的电能为电能的单位为焦[耳]（J），实用中常采用千瓦时（kW·h），1kW·h=3.6×106J，俗称为1度电。 例1.1.1负值表示E2吸收功率，即电池处于充电状态。[解]：(1)d为参考点，由欧姆定律得Ubd=R3I3=9V在下图所示电路中，d为电路参考点，各元件的参数值及电压、电流参考方向如图所示，并已知I1=2A，I2=-1.25A，I3=0.75A。试求（1）a、b、c各点的电位，Va、Vb、Vc；（2）电压Uab、Ubc；（3）E1、E2输出功率PE1、PE2。(3)PE1=E1I1=10×2W=20W(2)Uab=R1I1=0.5×2V=1V，PE2=E2I2=8×(-1.25)W=-10W故Vb=Ubd=9VI1adb+-E28VR20.8Ω+-R312ΩR10.5ΩE110VcI2I3Ubc=-Ucb。也可以理解为非关联参考方向下的欧姆定律表达式。因为参考方向是从c指向b，故Ubc=–R2I2=-0.8×(-1.25)V=1V; 1.2电阻、电感和电容元件电路中普遍存在着电能的消耗、磁场能量的储存、电场能量储存这三种基本的能量转换过程。表征这三种物理性质的电路参数是电阻、电感和电容。电阻、电感、电容元件的图形符号如下：本节先讨论（理想）电阻、电感、电容元件的基本特性，然后介绍实际电阻器、电感器和电容器的主要参数及模型。+Rui-+Cui-+Lui-+-eL 线性电阻的伏安特性满足欧姆律（Ohm’sLaw），当电压和电流的参考方向为关联参考方向时，其伏安特性为1.2.1电阻元件(简称电阻)上式表明，线性电阻的电压与电流之间成线性函数关系。电阻上的压和电流之间关系称为伏安特性。u=RiR为元件的参数电阻，是一个与电压、电流无关的常数，单位为欧[姆]（Ω）。如果电阻上的伏安特性曲线在u-i平面上是一条通过原点的直线，则称为线性电阻。+Rui- 线性关系函数具有的性质：（1）比例性（亦称齐次性）。变量随自变量成比例增加。电阻吸收的功率为（2）可加性。若电流i1、i2在电阻R上分别产生的电压为u1=Ri1、u2=Ri2，则电流之和i1+i2产生的电压为u=R(i1+i2)=u1+u2。从t1到t2的时间内，电阻元件吸收的电能为电阻吸收的电能全部转化成热能，是不可逆的能量转换过程，因此，电阻是一个耗能元件。如果电阻上的电压与电流之间不是线性函数关系，则称为非线性电阻。非线性电阻在u-i平面上的伏安特性曲线是一条通过原点或不通过原点的曲，也可以是不通过原点的直线。本章1.4节将要介绍的二极管就是一个典型的非线性电阻元件。 1.2.2电感元件(简称电感)当流过电感的电流i发生变化时，则要产生自感电动势eL，元件两端就有电压u。若电感元件的i，eL，u的参考方向如图所规定，则有通有电流i的电感元件，会在其周围产生磁场。若电感线圈匝数为N，每匝磁通为Φ，则其匝数与磁通之积为NΦ。NΦ=LiL为元件的参数电感，是一个与磁通、电流无关的常数，单位为亨[利]（H）。磁通Φ的单位为韦[伯]（Wb）。线性感元件的特性方程为如果电感元件中的磁通Φ和电流i之间是线性函数关系，则称为线性电感，否则称为非线性电感。+Lui-+-eL 1.2.2电感元件(简称电感)对恒定电流（直流电），电感元件的端电压为零，故在直流电路的稳态情况下电感元件相当于短路。当流过电感的电流增大时，磁通增大，它所储存的磁场能量也变大。如果电流减小到零，所储存的能量全部释放出来，故电感元件本身不消耗能量，是一个储能元件。这表明线性电感的端电压u与电流i对时间的变化率di/dt成正比。在0到t1时间，流过电感的电流由0变到I时，电感所储存的磁场能[量]为上式表明，电感元件在某一时刻的储能只取决于该时刻的电流值，而与电流的过去变化进程无关。 1.2.3电容元件(简称电容)当电容两端的电压u发生变化时，其极板上的电荷[量]就随之变化，和极板连接的导线中就有电流i，若u，i的参考方向如图所规定，则有当电容两端加有电压u时，它的极板上就会储有电荷[量]q。q=CuC为元件的参数电容，是一个与电荷[量]、电压无关的常数，单位为法[拉](F)。这个单位比较大，实用中常采用微法(μF)、纳法(nF)或皮法(pF)。1F=106μF=109nF=1012pF。线性容元件的特性方程为如果电荷[量]q和电压u之间是线性函数关系，则称为线性电容，否则称为非线性电容。+Cui- 1.2.3电容元件(简称电容)对恒定电电压，电容的电流为零，故在直流电路的稳态情况下电容元件相当于开路。和电感相类似，电容元件本身不消耗能量，是一个储能元件——能量储存于电容的电场之中。这表明线性电容的电流i与电压对时间的变化率du/dt成正比。在0到t1时间，流过电容的电压由0变到U时，电容所储存的电场能[量]为上式表明，电容元件在某一时刻的储能只取决于该时刻的电压值，而与电压的过去变化进程无关。 1.2.4实际元件的主要参数及电路模型电阻器的种类很多，如铸铁电阻器、绕线电阻器、碳膜电阻器、金属膜电阻器等。电阻器的主要参数为：实际的电阻器、电感器和电容器，是人们为了得到一定数值的电阻、电感和电容而制成的元件。它们在电工电子电路中应用广泛。标称阻值：电阻器上所标的电阻值。允许偏差：实际阻值与标称值之差和标称值的百分数。额定功率（或额定电流）：例：某RJ-2型金属膜电阻器，标称阻值为820Ω，允许偏差为±5%，额定功率为2W。具体标注方法请参见有关手册。选用：其电阻值符合要求，而且实际消耗功率（或通过的电流）不允许超过额定功率（或额定电流）。 电阻的标称值误差标称值10%（E12）5%（E24）1.0、1.2、1.5、1.8、2.2、2.7、3.3、3.9、4.7、5.6、6.8、8.2电阻的标称值=标称值10n1.0、1.1、1.2、1.3、1.5、1.6、1.8、2.0、2.2、2.4、2.7、3.0、3.3、3.6、3.9、4.3、4.7、5.1、5.6、6.2、6.8、7.5、8.2、9.1等参考资料，不讲 电阻器的色环表示法四环五环倍率10n误差有效数字误差黑、棕、红、橙、黄、绿、蓝、紫、灰、白、金、银01234567890.10.01误差:1%20.50.20.1510有效数字倍率10n参考资料，不讲 如电阻的4个色环颜色依次为：绿、棕、金、金——如电阻的5个色环颜色依次为：棕、绿、黑、金、红——四环倍率10n误差有效数字五环有效数字误差倍率10n参考资料，不讲 额定值额定值是制造厂为保证器件或设备能长期安全工作在设计制造时确定的，通常标示在器件或设备的铭牌上，也可以从产品技术文件或手册中查得。各种电工电子器件或设备，其工作电压、电流和功率等都有一个定额，称为额定值。在使用各种器件或设备时，务请了解其额定值，按规定的条件正确使用，以防损坏。 电气设备的额定值额定值:电气设备在正常运行时的规定使用值1.额定值反映电气设备的使用安全性；2.额定值表示电气设备的使用能力。注意：电气设备工作时的实际值不一定都等于其额定值，要能够加以区别。电气设备的三种运行状态欠载(轻载)：IIN，P>PN(设备易损坏)额定工作状态：I=IN，P=PN(经济合理安全可靠)参考资料，不讲 电感器通常是用导线绕制而成的线圈，有的电感线圈含有铁芯，称为铁芯线圈。线圈中放入铁芯可以大大增加其电感的数值，但却引起了非线性，并产生铁芯损耗。电阻器的主要参数为：电感值：额定电流：例：某LG4型电感器，电感量为标称值为820μH，最大工作电流为150mA。 电容器通常由绝缘介质隔开的金属极板组成。其种类很多，主要是介质不同，如纸、云母、瓷、涤纶、玻璃釉、钽、电解质、空气等都是常见的介质。电容器的主要参数为：标称容量：额定电压：例：某CJ10型纸介质电容器，标称容量为0.15μF、额定工作电压为400V。在使用中，电容器实际承受电压不允许超过额定值，否则可能使其绝缘介质被击穿。电解电容器有正、负极，使用时，应用将正极接高电位端，负极接低电位端，不能接反。 实际元件的电路模型实际电阻器、电感器和电容器在多数情况下可以只考虑其主要物理性质，将它们近似地看作理想元件。但在有些情况下，除考虑这些元件的主要物理性质外，还要考虑其次要的物理性质，此时可用R、L、C组成的电路模型来表示。不同情况下具体的模型不同，如：考虑电能损耗时的电容器模型RCLRC考虑电能损耗和磁场能储存时的电容器模型 电路元件串并联时参数计算公式在实际使用中，若单个器件参数不能满足要求，常将几个元件串联或并联起来使用，R、L、C元件串联、并联参数计算公式如下：[例1.2.1]：（教材P9），怎样选用元件组成符合参数要求的电路。连接方式串联并联等效电阻等效电感等效电容 1.3独立电源元件能向电路独立地提供电压、电流的器件或装置称为独立电源，如化学电池、发电机、稳压电源、稳流电源等。本节介绍理想电源元件——电压源和电流源，及实际电源的模型。1.3.1电压源和电流源电压源和电流源都是理想化的电源元件，其图形符号如下：+-电压源电流源在电路分析中，电压源的电压和电流、电流源的电流和电压的参考方向都采用非关系参考方向。 电压源电流源电压源是一个理想二端元件。电压源具有两个特点:(1)能提供一个恒定值的电压(又称源电压)——直流电压US或是按某一定规律随时间变化的电压us（如电力系统的正弦电压）。端电压与流过它的电流无关(不因外电路不同而改变)。(2)输出的电流i(t)取决于外电路，由外电路的负载决定。电流源也是一个理想二端元件，它具有以下两个特点:(1)能提供的一个恒定的电流(又称为源电流)——直流电流IS或是某种确定的时间函数is(t)，输出电流与端电压无关。(2)其端电压u(t)取决于外电路，由外电路负载决定。 实际电源一般不具有理想电源的特征，即当外接负载变化时，其所提供的电压或电流都会发生变化。1.3.2实际电源的模型实际电源的特性可以用理想电源元件和电阻元件的组合来表征。当外部负载变化时，有的电源输出特性，比较接近电压源的特性，有的比较接近电流源的特性。由负载R减小，I增大，输出电压U下降低这特性可知，实际电源可以用以下电压源模型来表示。在右图所示电路中，当外接负载断开（称为开路）时，设其端电压U=US（称为开路电压）。实际有源元件RLUA+-VI 实际电源可以用电压源US和电阻R0（电源的内阻）串联的模型（称为电压源模型）来表示，如下图所示。电压源模型由上式可知，电源内阻R0越小（R0<>R），输出电流I就越接近IS（源电流），该实际电源的特性就越接近电流源。令IR0+-URL实际电源元件I+-URL上式表示，实际电源可以用电流源IS和电阻R0并联的模型（称为电流源模型）来表示，如下图所示。则有 一个实际电源元件既可以用电压源模型（电压源US与内阻R0的串联）表示，也可以用一个电流源模型（电流源IS与内阻R0的并联）来表示，如图1.3.5(a)、(b)虚线框中部分所示。(a)图中US的数值等于实际电源的开路电压，(b)图中IS的数值等于实际电源的短路电流（R=0时的电流）。IR0+-URLR0I+-URL图1.3.5(a)图1.3.5(b)说明：注意：很多实际电源的内阻R0很小，在实际使用中绝不允许将这类实际电源短路。 一个实际有源元件既可用电压源模型来表示，又可以用电流源模型来表示。这就说明，电压源组模型和电流源组合模型是可以相互等效互换的，如下图所示，这一变换原理简称为电源互换原理。电源互换原理——两种电源模型的等效互换由实际电源输出特性可得变换条件为U=US－IR0U=（IS–I）R0IR0+-UR0+-UI或注意：内阻不变；（理想）电压源和电流源不能等于互换。 (2)等效变换时，两电源的参考方向要一一对应。(3)理想电压源与理想电流源之间无等效关系。(1)电压源和电流源的等效关系只对外电路而言，对电源内部则是不等效的。注意事项：例：当RL=时，电压源的内阻R0中不损耗功率，而电流源的内阻R0中则损耗功率。(4)任何一个电动势E和某个电阻R串联的电路，都可化为一个电流为IS和这个电阻并联的电路。R0+–EabISR0abR0–+EabISR0ab参考资料，不讲 [解]：本题注意实际电源内阻的求法，及两类电源模型的特性方程的应用。[例题1.3.1](教材P13）实际电源元件I+-URL 电源两种模型之间的等效变换由图a：U=E－IR0由图b：U=ISR0–IR0IRLR0+–EU+–电压源等效变换条件:E=ISR0RLR0UR0UISI+–电流源参考资料，不讲 例1:求下列各电路的等效电源解:+–abU25V(a)++–abU5V(c)+(c)a+-2V5VU+-b2+(b)aU5A23b+(a)a+–5V32U+a5AbU3(b)+参考资料，不讲 例2:试用电压源与电流源等效变换的方法计算2电阻中的电流。解:–8V+–22V+2I(d)2由图(d)可得6V3+–+–12V2A6112I(a)2A3122V+–I2A61(b)4A2222V+–I(c)参考资料，不讲 例3：解：统一电源形式试用电压源与电流源等效变换的方法计算图示电路中1电阻中的电流。2+-+-6V4VI2A34612A362AI4211AI4211A24A参考资料，不讲 继前页I4211A24A1I421A28V+-I411A42AI213A参考资料，不讲 例3:电路如图。U1＝10V，IS＝2A，R1＝1Ω，R2＝2Ω，R3＝5Ω，R＝1Ω。(1)求电阻R中的电流I；(2)计算理想电压源U1中的电流IU1和理想电流源IS两端的电压UIS；(3)分析功率平衡。解：(1)由电源的性质及电源的等效变换可得：aIRISbI1R1(c)IR1IR1RISR3+_IU1+_UISUR2+_U1ab(a)aIR1RIS+_U1b(b)参考资料，不讲 (2)由图(a)可得：理想电压源中的电流理想电流源两端的电压aIRISbI1R1(c)aIR1RIS+_U1b(b)参考资料，不讲IR1IR1RISR3+_IU1+_UISUR2+_U1ab(a) 各个电阻所消耗的功率分别是：两者平衡：(60+20)W=(36+16+8+20)W80W=80W(3)由计算可知，本例中理想电压源与理想电流源都是电源，发出的功率分别是：参考资料，不讲 1.4二极管现代电子技术器件是由半导体材料制成的，二极管、双极晶体管（BipolarJunctionTransistor），是最基本的元件，本节介绍二极管。二极管是一种应用非常广泛的电路器件，它的工作原理是基于PN结的单向导电性。用来制造半导体器件的主材料是硅、锗和砷化镓等。1.4.0半导体简介纯净的半导体（称为本征半导体）中含有自由电子（带负电）和空穴（带正电）两种运载电流的粒子（称为载流子），它本的数量相等，因此，本征半导体呈电中性。载流子的数量随温度的升高而增加。 半导体的特性半导体的导电特性：热敏特性、光敏特性、掺杂特性。热敏特性：当环境温度升高时，导电能力增强。参考资料，不讲半导体：是导电能力介乎于导体和绝缘体之间的物质。(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。掺杂特性：纯净半导体中掺入某些杂质，导电能力显著增强。光敏特性：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)。(可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。 应用最多的本征半导体为锗和硅，它们各有四个价电子，都是四价元素.硅的原子结构硅原子的结构参考资料，不讲 纯净的半导体其所有的原子基本上整齐排列，形成晶体结构，所以半导体也称为晶体——晶体管名称的由来。本征半导体的共价健结构——晶体结构参考资料，不讲晶体中原子的排列方式 晶体结构中的原子之间形成共价键结构本征半导体的共价健结构——晶体结构参考资料，不讲SiSiSiSi共价键价电子 自由电子与空穴的形成参考资料，不讲共价键中的电子在获得一定能量后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子。同时在共价键中留下一个空穴。空穴SiSiSiSi自由电子 SiSiSiSi自由电子空穴本征半导体的热激发与复合参考资料，不讲本征半导体由于受热或光照产生自由电子和空穴的现象-----称为热激发。自由电子在运动中遇到空穴后，两者同时消失，称为复合现象。在一定温度下，半导体的热激发与复合达到动态平衡。使得空穴和自由电子维持一定的数目 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)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。自由电子和空穴成对地产生的同时，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。 载流子自由电子和空穴：本征半导体的导电方式SiSiSiSi价电子空穴当半导体两端加上外电压时，导带中由电子作定向运动形成电子电流；参考资料，不讲空带中价电子填补空穴的运动形成空穴电流，相当于正电荷的运动。注意其实质上仍是电子的运动。 本征半导体的导电方式不含杂质且无晶格缺陷的半导体称为本征半导体。在极低温度下，半导体的价带是满带(见能带理论)，受到热激发后，价带中的部分电子会越过禁带进入能量较高的空带，空带中存在电子后成为导带，价带中缺少一个电子后形成一个带正电的空位，称为空穴。导带中的电子和价带中的空穴合称电子-空穴对，均能自由移动，即载流子。它们在外电场作用下产生定向运动而形成宏观电流，分别称为电子导电和空穴导电。这种由于电子-空穴对的产生而形成的混合型导电称为本征导电。导带中的电子会落入空穴，电子-空穴对消失，称为复合。复合时释放出的能量变成电磁辐射（发光）或晶格的热振动能量（发热）。在一定温度下，电子-空穴对的产生和复合同时存在并达到动态平衡，此时半导体具有一定的载流子密度，从而具有一定的电阻率。温度升高时，将产生更多的电子-空穴对，载流子密度增加，电阻率减小。无晶格缺陷的纯净半导体的电阻率较大，实际应用不多。参考资料，不讲 在纯净半导体中掺入微量杂质（某种元素），形成杂质半导体。N型半导体和P型半导体SiSiSiSi在P型半导体中，多数载流子是带正电荷（Positivecharge）的空穴，少数载流子是带负电荷（Negativecharge）的自由电子。B–3价硼原子硼接受一个电子变为负离子Si成为空穴掺入硼或铝、镓等三价元素掺杂后，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，简称P型半导体。共价健中少一个电子 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，简称N型半导体。掺入磷或砷、锑等五价元素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N型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。N型半导体和P型半导体 N型半导体和P型半导体注意：不论N型半导体还是P型半导体，虽然它们都有一种载流子占多数，但是整个晶体仍然是不带电的。 1.在杂质半导体中多子的数量与（a.掺杂浓度、b.温度）有关。2.在杂质半导体中少子的数量与（a.掺杂浓度、b.温度）有关。3.当温度升高时，少子的数量（a.减少、b.不变、c.增多）。abc4.在外加电压的作用下，P型半导体中的电流主要是，N型半导体中的电流主要是。（a.电子电流、b.空穴电流）ba参考资料，不讲半导体课堂练习 1.4.1PN结及其单向导电性PN结的形成采用某种工艺使一块杂质半导体的一侧为P型，加一侧为N型，则在二者的交界而附近会形成PN结。P型半导体N型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－下图中用空心圈“○”表示P区可移动的空穴。用实习圈“●”表示N区可移动的自由电子，用“⊕”、“㈠”表示不能移动的杂质正负离子。 PN结的形成多数载流子的扩散运动内电场少数载流子的漂移运动浓度差P型半导体N型半导体扩散的结果使空间电荷区变宽。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，这就是PN结。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空间电荷区内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。 PN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（正向电流）。PN结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，PN结处于导通状态。内电场PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–PN导通时呈现的电阻，称为正向电阻，其数值很小，般为几欧到几百欧。 PN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（漂称）电流。可认为PN结基本上不导电。IRP接负、N接正–+内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－PN结呈现截止状态，引时的电阻称为反向电阻，其数值很大一般为几千欧到十几欧。PN的反向漂移电流的特点:受温度影响大。原因:反向电流是靠热激发产生的少子形成的。 PN结的电容效应小结：（1）扩散运动和漂移运动的动态平衡形成PN结扩散强漂移运动增强内电场增强两者平衡PN结宽度基本稳定（2）外加电压平衡破坏扩散强漂移强PN结导通PN结截止PN结除了有单向导电性外，还有一定的电容效应。PN结的结电容的大小和外加偏置电压有关，当外加反向电压增加（反偏）时，因空间电荷区加宽而使结电容减小。PN结的结电容一般很小，当工作频率很高（高频）时要考虑结电容的作用。参考资料，不讲 小结PN结具有单向导电性（1）PN结加正向电压时，处在导通状态，结电阻很低，正向电流较大。（2）PN结加反向电压时，处在截止状态，结电阻很高，反向电流很小。 阴极引线阳极引线二氧化硅保护层P型硅N型硅(c)平面型触丝阳极引线N型锗片阴极引线外壳(a)点接触型铝合金小球N型硅阳极引线PN结金锑合金底座阴极引线(b)面接触型半导体二极管的结构和符号1.4.2二极管特性和参数二极管由一个PN结，加电极引线和管壳组成。有以下三类阴极阳极(d)符号D阳极：接P区。阴极：接N区。 二极管基本结构及实物图简介(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)平面型参考资料，不讲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。(d)实物图 PN结的伏安特性——通过实验测得硅管0.5V,锗管0.1V。反向击穿（电压UB）导通压降外加电压大于导通电压时二极管才能导通。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：非线性电阻元件硅0.6~0.8V锗0.2~0.3VUI死区PN+–PN–+反向电流，在一定电压范围内保持常数。导通电压 主要参数1.最大正向电流IFM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.反向工作电压URM是为保证二极管不被击穿，使用时实际承受的电压不应越过此值，一般是二极管反向击穿电压UB的一半或三分之二。二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。3.反向电流IR是二极管质量指标之一。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。IR受温度的影响，温度越高反向电流越大。4.最高工作频率fM在高频应用时，二极管单向导电性变差，存在一个最高工作频率 说明1.其他参数二极管的参数很多，各类二级管参数可查阅有关无线电手册、产器手册。2.二极管的选用参数是在一定条件下测出的，因此使用参数时要注意参数的测试条件。由于产品制造过程中的离散性，手册有时只给出参数范围。应根据用途来选择类型。请参见教材。今后，有关节类知识，除非与日常生活联系紧密，其余的请同学们自学。 1.4.3二极管的工作点和理想特性二极管正向导通时，其电流和电压的大小由正向特性确定。在下图(a)所示电路中，二极管理的端电压为上式是由欧姆定律得到的关于二极管电压与电流之间关系的参数方程，是如图(b)所示的MN直线。另一方面二极管的电压和电流又要符合它本身的伏安特性曲线。故图(b)中两条线的交点Q所对应的电压和电流就是二极管的工作时的电压和电流，点称Q称为工作点。IDD+-UDR(a)NuDiDOIDUDUDMQ(b)二极管的工作点 二极管的工作点若US和R改变，则M、N点的位置必变，工作点Q的位置也随着改变。定义二极管静态电阻为显然工作点Q的位置不同，RD的数值也不同，即二极管静态电阻随工作电流的变化而变化。NuDiDOIDUDUDMQ(b)如果由于某种原因，使二极管电压在原来的工作点附近发生微小变化△UD，相应的电流也要发生变化△ID,电路分析中把二者的比值的极限定义为二极管的动态电阻。动态电阻的数值等于过Q点切线斜率的倒数 二极管的理想特性由于二极管伏安特性的非线性,使得前面介绍的二极管分析图解法比较困难。由于二极管理的正向压降和动态电阻都比较小，因此在很多场合（如整流电路、开关电路）采用折线来近似三极管的伏安特性。UIUI认为二极管导通时正向压降为零，截止时反向电流为零。这样的二极管称为理想二极管。或认为二极管导通时正向压降为一个恒定值UON，通常硅管为0.7V，0.3V。UIUON 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0.6~0.7V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低于－6V一个管压降，为－6.3Ｖ或－6.7V例2：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。二极管起钳位作用。D6V12V3kBAUAB+– 例3.例3:图中电路，输入端A的电位VA=+3V，B的电位VB=0V，求输出端Y的电位VY。电阻R接负电源-12V。VY=+2.7V解：DA优先导通，DA导通后，DB上加的是反向电压，因而截止。DA起钳位作用，DB起隔离作用。-12VAB+3V0VDBDAY返回 ui>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4：二极管的用途：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++–– 1.4.4稳压二极管图形符号与伏安特性(2)与普通二极管的区别制造时采用了措施可以长时间工作在击穿状态。稳压管工作在反向击穿状态。反向击穿后，反向在一定范围变化时，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。是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。它在电路中与适当数值的电阻相配合能起稳定电压的作用。UZUZIZIZMIZUIOiZ+_uZ使用时要加限流电阻限流稳压管实物图 主要参数(1)稳定电压UZ：稳压管正常工作(反向击穿，通过稳定电流)时管子两端的电压。注意，同一型号的UZ有分散性，如2CW14的允许值在6~7.5V之间。(5)电压温度系数UZ：环境温度每变化1C引起稳压值变化的百分数。UZ有为6V左右时稳压管的温度稳定性较好。(2)动态电阻：通常为几欧至几十欧，随IZ增而减小。(3)稳定电流IZ：最大稳定电流IZM（允许通过的最大反向电流）(4)最大允许耗散功率：PZM=UZIZMrZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。 U：为输入电压，U0+_UUZRR为限流电阻当UUZ时,稳压管击穿此时要求：正确选R，使IZ0时，P型衬底中的电子受到电场力的吸引到达表层，填补空穴形成负离子的耗尽层。EGP型硅衬底N+N+GSD+–UGSED+–B (c)增强型NMOS管图形符号N沟道耗尽型MOS和增强型MOS管的图形符号(b)耗尽型NMOS管图形符号增强型MOS管的符号中，源极和漏极之间的连线是断开的，表示UGS=0时导电沟道没有形成。漏极D金属电极栅极G源极SSiO2绝缘层P型硅衬底高掺杂N区(N+区)BGSDBGSDB(a)耗尽型NMOS管结构示意图 P沟道MOS管的图形符号(2)P沟道场效晶体管SiO2绝缘层N型硅衬底P型导电沟道也分为耗尽型和增强型。增强型场效晶体管只有当UGSUGS(th）时才形成导电沟道。高掺杂P区(P+区)引出电极P型导电沟道(a)耗尽型GSDBGSDB(b)增强型说明：由于场效晶体管工作时只有一种极性的载流子参与导电，故亦称为单极晶体管。 （3）N沟道耗尽型MOS管工作原理和双极晶体管的共发射极接法相类似，MOS管常采用共源极接法。下图是N沟道耗尽型MOS管构成的共源极电路。DSEGP型硅衬底N+N+G+–UGSUDD+–BIDUDSGSDBUGGUGSUDD++--P型衬底和源极S相连，使P型衬底电位低于N型沟道的电位，衬底和沟道之间的PN结处于反向偏置，保证MOS管正常工作。 N沟道耗尽型MOS管工作原理在正电源UDD的作用下，耗尽型MOS管N型沟道中的电子就从源极向漏极运动，形成漏极电流ID。如果栅源电压UGS增加（或减少）时，则垂直于衬底的表面电场强度加强（或减弱），从而使导电沟道加宽（或变窄），引起漏极电流ID的增大（或减小）。IDUDSGSDBUGGUGSUDD++-- N型导电沟道MOS管是利用半导体表面的电场效应来改变导电沟道的宽窄而控制漏电电流的。或者说，是利用栅源电压UGS来控制漏极电流的。场效晶体管的漏极电流ID受栅源电压UGS控制，是一种电压控制型器件。这是与晶体管不同之处。场效晶体管的源极相当于晶体管的发射极，漏极相当于集电极，栅极相当于基极。N沟道耗尽型MOS管工作原理DSEGP型硅衬底N+N+G+–UGSUDD+–B MOS管的制造工艺比较简单，占用芯片面积小，特别适用于制作大规模集成电路。场效晶体管的特点场效晶体管具有输入电阻大、耗电少、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强等优点。在低噪声放大器的前级或环境条件变化较大的场合常被采用。1.6.2特性曲线和主要参数由于MOS管的栅极是绝缘的，栅极电流IG≈0，因此不研究IG和UGS之间的关系。ID和UDS、UGS之间的关系可输出特性和转移特性来表示。 可变电阻区(1)N沟道耗尽型MOS管的输出特性曲线当uDS较小时，在一定的uGS下，iD几乎随uDS的增大而线性增大，iD增长的斜率取决于uGS的大小，在这个区域内场效晶体管D、S间可以看作是一个受uGS控制的可变电阻——可变电阻区。也称为漏极特性曲线N沟道耗尽型MOS管漏极特性曲线uDSUGS=0UGS<0UGS>00iD/mA16201248121648是以uGS为参变量的一族曲线，存在三个区域。恒流区截止区 可变电阻区(1)N沟道耗尽型MOS管的输出特性曲线（漏极特性曲线）场效晶体管用于放大时就工作在这个区域。N沟道耗尽型MOS管漏极特性曲线uDSUGS=0UGS<0UGS>00iD/mA16201248121648恒流区截止区当uDS较大时，iD几乎不随uDS的增大而变化。但在一定的uDS下，iD随uGS的增加而增大—称为线性放大区或恒流区。当uGS减小（即向负值方向增大）到某一数值时，N型导电沟道消失，iD≈0，称为场效晶体管处于夹断状态（即截止）通常定义iD为某一微小电流（几十微安）时的栅源电压为栅源夹断电压uGS(off)。 (2)N沟道耗尽型MOS管的转移特性曲线夹断电压转移特性是指以uDS为参变量时，iD和uGS之间的关系，即uGS(off)转移特性曲线0iD/mAuGS/V-1-2-348121612UDS=常数IDSSuGS=0时的漏极电流用IDSS表示，称为饱和漏极电流。下图是N沟道耗尽型MOS管的转移特性曲线，它可由输出特性曲线求得：iD≈0时的栅源电压为夹断电压UGS(off)。在UGS>UGS(off)的范围内，转移特性可近似表示为 （3）N沟道和P沟道增强型MOS管的转移特性增强型MOS管在制成后不存在导电沟道，使用用时必须外加uGS才会出现导电沟道。使漏极和源极之间开始有电流流过的栅源电压称为开启电压UGS(th)。增强型MOS管的转移特性曲线uGSOiDUGS（th）(a)NMOS管(b)PMOS管uGSOiDUGS（th）通常把|ID|=10μA时的UGS值规定为开启电压。 N沟道和P沟道增强型MOS管的电源极性P沟道增强型MOS管漏极、栅极电源的极性均和N沟道增强型MOS管相反，故其转移特性在第三象限。也就是说P沟道增强型MOS管漏极和源极间要加负极性电源，栅极电位比源极电位低|UGS(th)|时，管了才导通。uGSOiDUGS（th）uGSOiDUGS（th）(a)NMOS管(b)PMOS管 (4)场效晶体管的主要参数①夹断电压UGS(off)：②饱和漏电流IDSS：是结型和耗尽型MOS管的参数④栅源直流输入电阻RGS：是栅源电压和栅极电流的比值。MOS管的RGS一般大于109Ω。⑤最大漏源击穿电压U(BR)DS。是漏极和源极之间的击穿电压（漏区和衬底间的PN结反向击穿），即ID开始急剧上繁荣昌盛时的UDS值。③开启电压UGS(th)：是增强型MOS管的参数 (4)场效晶体管的主要参数⑥低频跨导gm：表示栅源电压对漏极电流的控制能力，是衡量场效晶体管放大能力的参数。单位：μS或mS（S西[门子]），为电导的单位。其大小是转移特性曲线在工作点处的斜率，工作点位置不同，gm值也不同。极限参数：最大漏极电流、耗散功率、击穿电压。 跨导gmgm=iD/uGSuDS=constgm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。在转移特性曲线上，gm为曲线的斜率。在输出特性曲线上也可求出gm。参考资料，不讲 场效晶体管与晶体管的比较电流控制电压控制控制方式电子和空穴两种载流子同时参与导电载流子电子或空穴中一种载流子参与导电类型NPN和PNPN沟道和P沟道放大参数rce很高rds很高输出电阻输入电阻较低较高双极型三极管单极型场效晶体管热稳定性差好制造工艺较复杂简单，成本低对应电极B—E—CG—S—D参考资料，不讲 上页1.6.3简化的小信号模型IDGSDUGS+–gmUGS由于MOS管的栅源输入电阻很大，故可认为G、S间是开路的。说明得ΔID=gmΔUGS，由此可得如下图所示简化小信号模型场效晶体管的输出特性曲线在线性放大区内比较平坦，可以近似认为是一族和横轴平行的直线，故ID仅受UGS控制，与UDS无关。由 ClassisOver!Thankyou!Boysandgirls!本章结束