劳动第三版电子电路基础教案

电子电路基础 科 课 时 计 划§ 第 1 章 常用半导体器件 § 1-1 晶体二极管 § 旧课回顾 ① 同学们还记得上学期我们有没有学过半导体器件 ? 我们学习过那些晶体 管？ ② 自然物质的铁和铜与塑料、玻璃在导电性能方面有何区别？ § 教学目的 (5 分钟) ① 了解本征、杂质半质体的导电特性及 PN 结中截流子的运动； ② 掌握半导体的伏安特性及其主要参数，理解稳压管的原理及应用，了解 PN 结的电容效应。 一、半导体的基础知识 1.什么是半导体 导体：铁、铝、钢(金属材料) 按导电能力分 绝缘体：木(塑料、木材、陶瓷等) 硅 Si 半导体：导电介于导体与绝缘体之间 锗 Ge 2.本征半导体 本征半导体--化学成分纯净的半导体。 自由电子(带负电，可移动) 内部存数量相等的两种截流子 空穴(带正电，不可移动) 3.杂质半导体 在纯净半导体(本征半导体)中掺入微量合适的杂质元素，可使半导体的 导电能力大大增强。 杂质半导体分： (1)N 型半导体-又称电子型半导体，其内部自由电子数量多于空穴数量，即 自由电子是多数截流子(多子) ,空穴是少数截流子(少子) 。 (负电多于正电) (2)P 型半导体-又称空穴型半导体，其内部空穴是多数截流子，自由电子是少 数截流子。 (正电多于负电) 二、晶体二极管的结构和特性 1.二极管的结构和符号 采用掺杂工艺，使硅或锗晶体的一边形成 P 型半导体，另一边形成 N 型半 导体区，在它们的交界面就形成 PN 结。 2.二极管的单向导体性 PN 结具有单向导体性，若外加电压使电流从 P 区流到 N 区，PN 结呈低阻 性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。 (1)加正向电压时二极管导通

备 注

电子电路基础 科 课 时 计 划二极管正偏时，内部呈现较小的电阻，可以有较大的电流通过，二极管的 这种状态称为正向导通状态。 (2)加反向电压时二极管截止 二极管反偏时，内部呈现很大的电阻，几乎没有电流通过，二极管的这种 状态称为反向截止状态。 3.二极管的伏安特性曲线 加在二极管两端的电压和流过二极管的电流之间的关系称为二极管的伏安 特性。 (1)正向特性 (2)反向特性 三、二极管的主要参数 1.二极管的分类 (1)按材料分：硅二极管和锗二极管两大类； (2)制造工艺分：点接触型、面接触型和平面型三种； (3)用途分：普通、整流、稳压、开关、热敏、发光、光电、变容二极管等。 2.二极管的型号命名 国外晶体管型号命名与我国不同，国外以“1N”美国、 “1S”日本，以 1 个 PN 结来命名，我国是以 2 个电极来命名二极管的。 3.二极管的主要参数 (1)最大整流电流 IFM 二

极管长期运行时允许通过的最大正向平均电流，实 际使用不能超过此值。 (2)最高反向工作电压 URM 二极管正常工作时所允许外加的最高反向电压。 (3)反向饱和电流 IR 二极管未击穿时的反向电流，此值受温度影响很大。 (4)最高工作频率 fM 二极管工作的上限频率. 四、二极管的简易测量(复习内容) 1.先由学生自行归纳上学期所学过的极性检测和质量好差检测方法。 2. 根据学生掌握的情况进行讲解.。 五、常用二极管 1、整流二极管 (1)单向半波整流电路:原理利用二极管的单向导电性在一个半周导通。 过程分析：当 u2 为正半周时，V 导通，uo 有输出。 当 u2 为负半周时，V 截止，uo 无输出。

备 注

电子电路基础 科 课 时 计 划V +T

备 注

u1

u2

IL

RL

uo

u2

t

uo

t

输出平均值估算：Uo=0.45U2 (2)单相全波整流电路 整流过程：当 u2 为正半周时，V1 导通，uo 有输出。 当 u2 为负半周时， V1 V2 导通，uo 有输出。+

T

RL

Uo -

Ui V2

u2

t

uo

t

学生思考(提问) :全波整流与半波整流结果有何不同？ 输出平均值估算：Uo=0.9U2

电子电路基础 科 课 时 计 划2、稳压二极管(又称齐纳二极管) (1)原理：工作在硅二极管的反向击穿状态

备 注

(2)符号： 注意问题：在实际电路中，稳压管工作时电路的电流很大，所以必须在电路串 联一个限流电阻。 (3)稳压管的主要参数 ①稳定电压 UZ:稳压管的反向击穿电压 ②稳定电流 IZ:稳压观管在稳定电压下的工作电流

③动态电阻 rZ:稳压管两端电压变化量与通过电流变化量之比。 注意问题：rZ 越小，稳压管性能越好。 3、发光二极管 (1)原理：把电能转换成光能的器件。

(2)符号： 4、光电二极管(又称光敏二极管) (1)原理：利用光的照射控制 PN 节反向电流的大小。

(2)符号： (2)检测：用万用表 RÍ 1k 挡测量它的反向电阻，要求无光照时电阻要大，有 光照时电阻要小。 5、光电耦合器 (1)组成：由发光器件和光敏器件组合而成。 (2)原理：进行电-光-电的转换。 6、变容二极管 (1)原理：利用二极管的节电容随着反向电压的增大而变化的原理，反向电压 越大，节电容越小。

(2)符号：

电子电路基础 科 课 时 计 划小结: 熟悉二极管的主要特性 1、重点： 普通二极管、稳压二极管的应用 二极管的检测 2、了解：半导体的基本知识 作业： 1. P24 1.2.3.4.5.6.7. 2. 习题册第一章第一节

备 注

电子电路基础 科 课 时 计 划§ 1-2 晶体三极管 § 旧课回顾 1、同学们，我们上节课学习了晶体二极管的 PN 结结构，单向导电性，以及常用二 极管种类，今天我们学习新的半导体器件晶体

三极管。 § 教学目的 (5 分钟) 了解三极管的结构，种类，外形，型号。 掌握三极管的电流放大作用，共射特性曲线，及主要参数。 复习三极管的简易测试。 一、晶体三极管的结构与分类 一、三极管的结构及分类 1.结构集电极c N 基极bP

备

注

集电结

c集电区

cP

集电极c

c

基区 N 发射区

b

b

基极bN

P

发射结

e发射极e

e

发射极 e

ee

两个结：发射结、集电结 三个区：发射区、基区、集电区 三个电极：发射极(Emitter)、基极(Base)、集电极(Collector) 2.分类 按结构分：NPN、PNP 按材料分：硅管、锗管 按工作频率分：高频管、低频管 按功率分：小功率管、大功率管 按用途分：普通放大二极管、开关二极管 3.外形

电子电路基础 科 课 时 计 划4.复合三极管 小功率管作输入管，大功率管作输出管； 输入管能为功率管提供基极电流，则连接正确； 导电类型由输入管决定； 输出功率由输出管决定； 电流放大系数等于两管的乘积。

备 注

四种类型的复合管5.型号 ①国内命名 ②国外命名：2N 或 2S 开头，2 表示两个 PN 结 二、电流放大作用 1.三极管的工作电压 放大作用的条件：发射结正偏、集电结反偏 就各极电位而言， NPN 型：UC>UB>UE PNP 型：UC<UB<UE 三极管的基本连接方式(组态) :共发射极、共基极、共集电极

电子电路基础 科 课 时 计 划备 注

2.三极管的电流放大作用 ①内部电流分配规律：IE=IC+IB ∵基极电流很小 ∴IE≈IC =

②共发射极直流电流放大系数：

共发射极直流交流放大系数：β =

IC IB

注意：就同一只三极管而言，前者比后者略小，实际不严格区别；

Δ IC Δ IB 其数值大小表明了三极管电流放大能力的强弱；实质是 IB 对 IC 控制能力。 三、三极管的共射特性曲线 1.输入特性曲线

三极管集电极和发射极之间的电压uCE保持一定时，加在基极和发射极之间 的电压uBE和基极电流iB之间的关系曲线。 开启电压：硅0.5V,锗0.1VUBE:硅0.7V,锗0.3V 2.输出特性曲线 ⑴截止区：一般把 IB=0 这条曲线以下的区域称为截止区。 相当于一个断开的开关 ⑵放大区：当三极管的发射结正偏，集电结反偏时，输出特性曲线近似水 平的区域为放大区。 相当于一个可变电阻 ⑶饱和区：当三极管的 uCE 减小到 uCE﹤uBE 时，它的发射结和集电结都处 于正偏，此时 iC 不再受 iB 控制，却随 uCE 的增大而增大。

电子电路基础 科 课 时 计 划iB/1 00 0 0 0 0 8

ic /mA4

饱 和区μ A 10080 μ 60 μ A μ A 40 20

备 注

μ A

≥1V

6

uCE

2CE=0

3 2

放 大 区

A

5℃4 2

u

1

μ A iB=0 μ

0 .2.4

0

0

0 .8E /v

( .6

uB

2

4

6 A

8

1E /v

uC

( b) 止区

a)

三极管的特性曲线

截0

相当

于一个闭合的开关 饱和压降 uCES:硅 0.3V,锗 0.1V 四、三极管的主要参数 1.共射电流放大系数 (有时用 h ②共发射极交流电流放大系数： (有时用 h 同一只三极管在相同工作条件下， ≈ ①共发射极直流电流放大系数： 2.极间反向饱和电流 ①集电极—基极反向饱和电流 ICBO 是发射极开路时集电结的反向饱和电流。FE

) )

fe

ICBO 的下标 CB 代表集电极和基极，O 是 Open 的字头，代表第三个电极 E 开路。②集电极发射极间的反向饱和电流 ICEO 基极开路时， 集电极和发射极间的穿透 电流。

ICEO 和 ICBO 有如下关系 ICEO=(1+β )ICBO ICEO 越小越好3.共射特征频率 fT 三极管的 β 值下降到 1 时所对应的信号频率。 其值不仅与工作电流有关，而且与工作频率有关。

电子电路基础 科 课 时 计 划4.极限参数 ①集电极最大允许电流 ICM 当 β 值下降到线性放大区 β 值的 70%~30%(正常值的 )时，所对应

备 注

的集电极电流称为集电极最大允许电流 ICM ②集电极—发射极反向击穿电压 U(BR)CEO 当基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压。 注意使用时不能超过此值。 ③集电极最大允许功率损耗 PCM 集电极电流 IC 通过集电结时所产生的功耗。 PCM= ICUCB≈ICUCE因发射结正偏，呈低阻，所以功耗主要集中在集电结上。在计算时往往用 UCE 取代 UCB。 五、简易测试 1.确定基极和管型 ①万用表 R×100 或 R×1K 挡 ②黑表接三极管任一管脚，用红笔分别接触其余两个管脚，如果两次测得 阻值均较小(或均较大)==>黑笔接的是基极 b ③阻值：均较小==>NPN;均较大==>PNP ④如果两次测得的阻值相差很大，则应调换黑笔所接管脚再测 2.确定集电极和发射极 以 NPN 型为例，确定基极之后 ①将红黑表笔分别接在两个未知电极上，指示无穷大； ②用手把基极和黑笔所接管脚捏紧，记下所测阻值； ③对调表笔，重复②,再测得一个阻值； ==>比较两次阻值，读数较小的一次黑笔接的管脚为集电极 c,另一只 则为发射极 e。 ④如果两次测试表针均不动，说明三极管已失去放大能力。

电子电路基础 科 课 时 计 划若为 PNP 型， 方法同上， 只是手同时捏的是基极和红笔所接管脚， 备 注 结果读数较小的一次红笔所接的为集电极 c,剩下的是发射极 e。 3.用数字万用表 ①选 挡；

②通过测 PN 结的正向压降 正向压降大==>发射结 正向压降小==>集电结 ==>确定管脚和管型； ③选 NPN 或 PNP 把三极管插入相应插孔，即可得 hFE 值。小结: 熟悉结构和分类 1、重点： 掌握三极管的放大原理 三管的检测 2、了解：三极管的主要参数 作业： 习题册第一章第二节

电子电路基

础 科 课 时 计 划§1-3 场效应管晶体三极管(V) :电流控制型器件，输入电流控制输出电流 场效应管(FET) :电压控制型器件，输入电压控制输出电流 按沟道分：P 沟道、N 沟道 按结构分：结型(J) 、绝缘栅型(MOS) 按工作方式分：耗尽型(D) 、增强型(E) 一、绝缘栅场效应管(MOSFET) 以 N 沟道绝缘栅场效应管为例 1.结构和符号

备 注

D G B 衬底 S N 沟道耗尽型场 效应管的符号 D G B 衬底 S N 沟道增强型场 效应管的符号

源极 S 栅极 G 漏极 D SiO2 金属铝 绝缘层 N+ N+ N 沟道 P 型硅衬底 N 沟道绝缘栅型场效应管的结构①结构

P 型硅衬底：掺杂浓度较低的 P 型硅片作衬底； 高浓度的 N 型区：N 区，引出两电极，源极 Source、漏极 Drain; SiO2 绝缘层：绝缘层上再制作一层金属膜作为栅极 Gate; ==>由于栅极和其他极及硅片之间是绝缘的，故称之为绝缘栅场效应管 ②符号： 衬底的尖头向内表示 N 沟道，反之表示 P 沟道； D 极和 S 极之间的三段断续线表示增强型，连续线表示耗尽型。 ③说明：+

电子电路基础 科 课 时 计 划场效应管 G、D、S→三极管 B、C、E; B 表示衬底(有时也用 U 表示) ,一般与源极相接。

备 注

2.N 沟道增强型绝缘栅场效应管工作原理：UDS

S

UGS

G DD

i

N P型硅衬底

N

N沟道增强型MOS管工作原理在漏源极之间加正向电压 UDS,UGS 由 0 开始增大： ①当 UGS= 0 时，漏源之间没有导电沟道，iD=0; ②当 UGS=UT(开启电压)时，漏源间形成导电沟道，产生漏极 iD; ③UGS 继续增大，导电沟变宽，iD 越大。 3.N 沟道增强型绝缘栅场效应管特性曲线

iD/mA 16 12 8 4 0 UT =2V 2 4 6 UDS=常数

iD/mA 16 12 8 4 UGS/V 0 5

可变电阻区 放 大 区 6V 击 穿 4V 区 UGS=UT =2V 15 UDS/V

10

(a) 转移特性曲线

(b) 输出特性曲线

电子电路基础 科 课 时 计 划①转移特性曲线：是指漏源电压 UDS 为定值，漏极电流 iD 与栅源电压 UGS 之间的关系曲线。 UGS< UT 时，iD=0 UGS≥UT 时，iD 随 UGS 增大而增大 ==>通过 UGS 的变化控制 iD 的变化。 ②输出特性曲线：是指栅源电压 UGS 为定值，漏极电流 iD 与漏源电压 UDS 之间的关系曲线。 可边电阻区(Ⅰ区) : UDS 相对较小，iD 随 UDS 增大而增大： (UDS↗==>iD↗) UGS 越大，曲线越陡： (UGS↗==>曲线越陡) 放大区或饱和区(Ⅱ区) :又称恒流区 漏极电流基本不随 UDS 变化而变化(UDS↗==>iD 基本不变) ,只随 UGS 增大而增大，体现了 UGS 对 iD 的控制作用(UGS↗==>iD↗) 。 击穿区(Ⅲ区) : 当 UDS 增大到一定值时，场效应管内 PN 结被击穿，iD 突然增大。 (UDS↗至一定值==>PN 结击穿==>iD 突然↗) 4.P 沟道增强型绝缘栅场效应管

备 注

D 源极 S

栅极 G 漏极 D 金属铝 P+ P+ P 沟道 N 型硅衬底 P 沟道绝缘栅型场效应管的结构 SiO2 绝缘层 G B 衬底

S P 沟道耗尽型场效 应管的符号 D G B 衬底 S P 沟道增强型场 效应管的符号

电子电路基础 科 课 时 计 划①结构： N 型硅衬底：掺杂浓度较低的 N 型硅片作衬底； 高浓度的 P 型区：P 区，引出两电极，源极 Source、漏极 Drain; SiO2 绝缘层：绝缘层上再制作一层金属膜作为栅极 Gate; ②符号： 衬底的尖头向内表示 N 沟道，反之表示 P 沟道； D 极和 S 极之间的三段断续线表示增强型，连续线表示耗尽型。+

备 注

5.N N 沟道耗尽型场效应管的特性曲线

iD/mA 16 12 8 UP -4 4 -2 0 2 4 (a) 转移特性曲线 UDS=常数 IDSS

iD/mA 16 12 8 4 UGS/V 0 3 放

可变电阻区

2V UGS=0V -2V UDS/V

大 区 6 9 12 (b) 输出特性曲线

①UDS 一定时：UGS↗==>iD↗ UGS 由 0 正值增大，iD 随之增大； UGS 由 0 负值增大，iD 随之减小。 ②iD=0 时所对应的 UGS 称为夹断电压，用 UP 表示。 6.主要参数 ①开启电压 UT: 当 UDS 为定值时，使增强型场效应管开始导通的 UGS 值。 N 沟道管：UT > 0 P 沟道管：UT < 0 ②夹断电压 UP: 当 UDS 为定值，使耗尽型场效应管 iD 减小到近似为零时的 UGS 值

电子电路基础 科 课 时 计 划N 沟道管：UP < 0 P 沟道管：UP > 0 ③饱和漏极电流 IDSS: 当 UGS=0,且 UDS > UP 时，耗尽型场效应管所对应的漏极电流。 ④跨导 gm: 当 UDS 为定值时，iD 的变化量与 UGS 的变化量的比值。 反映了栅源电压对漏极电流的控制能力，单位：S(西门子) gm= ⑤漏极击穿电压 U(BR)DS: ID

备 注

Δ Δ

当 iD 急剧上升时的 UDS 值，它是漏源极间所允许加的最大电压。

UGS

二、结型场效应管 1.结构D D 漏极 漏极

P+

PN 型 沟 道- +

N栅 极 G P 型 沟 道-

N

栅 极 G

S 源极 源极

S

2.符号D G G S D

S

(a)N 沟道 3.注意：

(b)P 沟道

电子电路基础 科 课 时 计 划结型场效应管采用的是耗尽型工作方式，即当 UGS=0 时，iD≠0。 4.转移特性曲线

备 注iD

UGS=0 时，iD 值为 IDDS;DDS

I

/mA

6 5 4

UGS 负值越高，导电沟越窄， 电阻增大，iD 减小；

3 2

U当 UGS 达到夹断电压 UP 时 iD=0。 5.输出特性曲线P

1 -3 -2 -1 0

-4

uG

- N沟道结型场效应管的转移特性曲线 S/V

iD/mA区 5 4 可 变 3 电 2 阻 10

恒流区(放大 区)uGS=0V 1V 2V -

区 击 穿

3V 4V 2 4 6 8 10 12 14 16

uD

S/V 三、各种场效应管的特性比较(详见课本 P21 表 1-6) 夹 18 断区 四、特殊 MOS 管

http://www.77cn.com.cnS 管 N 沟道 MOS 管和 P 沟道 MOS 管组成互补电路，称为 COMS 管。 特点：输入电流小，功耗小，工作电源范围宽，连接方便。 2.VMOS 管和 UMOS 管 特点：耗散功率大，工作速度快，耐压高，转移

特性的线性度好。 3.P—MOS 管

电子电路基础 科 课 时 计 划即：功率场效应管，又称之为电力场效应管。 由 1×10 ~1×10 个小单元 MOS 管并联而成。 五、场效应管与三极管的比较 双极型三极管 NPN 型 PNP 型 结 构 C 与 E 一般不可倒置 使用 道 绝缘栅耗尽型:N 沟道、P 沟道 绝缘栅增强型:N 沟道、P 沟道 D 与 S 有的型号可倒置使 用 多子漂移 场效应三极管 结型耗尽型:N 沟道、 P沟4 5

备 注

载流 子 输入 量 控制

多子扩散少子漂移

电流输入

电压输入

电流控制电流源 CCCS(β )

电 压 控 制 电 流 源 VCCS(gm) 较小 较小， 可有零温度系数点

噪声 温度 特性 输入 电阻 静电 影响 集成 工艺

较大 受温度影响较大

几十到几千欧姆

几兆欧姆以上

不受静电影响

易受静电影响

不易大规模集成

适宜大规模和超大规模 集成

六、场效应管的使用注意事项

电子电路基础 科 课 时 计 划1.对 MOSFET 一般不允许用万用表检测，以防高压将管子击穿； 对 JFET 可用判定三极管 B 的方法来判定 G,但 D 和 S 不能判断。 2.D 和 S 通常可互换使用，但 S 与衬底已连在一起的不可； 3.存放 MOSFET 应将三个极短路，防止 G 击穿，取用时应注意人体静电对 其的影响。 4.一切测试仪器、电烙铁等都要外接地线，余热焊接，先 S 最后 G; 5.使用时要注意电压极性，且电压和电流值不能超过最大允许值。 小结: 熟悉场效应管的结构和分类 1、重点： 掌握场效应管的工作原理 场效应管的比较 2、了解：使用注意事项 作业： 习题册第一章第三节

备 注

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