第15章
半导体二极管和三极管
哈尔滨工业大学
电工学教研室
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目录
15.1半导体的导电特性15.2 PN结
15.3 半导体二极管15.4 稳压管
15.5 半导体三极管
15.1 半导体的导电特性
半导体：导电能力介乎于导体和绝缘体之间的物质。
半导体特性：热敏特性、光敏特性、掺杂特性
本征半导体就是完全纯净的半导体。
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
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
本征半导体晶体结构中的共价健结构
15.1.1本征半导体
Si Si
Si
Si
共价键
价电子
自由电子与空穴
15.1.1 本征半导体
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
Si Si
Si Si
自由
电子
热激发与复合现象
由于受热或光照
产生自由电子和空穴的现象-----热激发15.1.1 本征半导体
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
温度一定时，本征半导体中的自由电子—空穴对的数
目基本不变。温度
愈高，自由电子—空穴对数目越多。Si Si
Si Si
自由
电子
空穴
半导体导电方式
在半导体中，同时存在着电子导电和空穴导电，这是半导体导电方式的最大特点，也是半导体和金属在导电原理上的本质差别。
载流子
自由电子和空穴因为，温度愈高，载流子数目愈多，导电性能也就愈好，所以，温度对半导体器件性能的影响很大。15.1.1 本征半导体
Si
Si
Si Si
价电子
空穴
当半导体两端加上外电压时，自由电子作定向运动形成电子电流；而空穴的运动相当于正电荷的运动
15.1.2 N 型半导体和P 型半导体
N 型半导体
在硅或锗的晶体中掺入微量的磷（或其它五价元素）。自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。
电子型半导体或N 型半导体Si Si
P+Si
多余电子
15.1.2 N型半导体和P型半导体P型半导体
在硅或锗晶体中
掺入硼（或其它
三价元素）。
空穴是多数载流子，自由电子是少数载
流子。
空穴型半导体
或P型半导体。Si Si
B-Si
空穴
15.1.2 N型半导体和P型半导体
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。
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15.2 PN 结
15.2.1 PN 结的形成
自由电子
P
N
空穴
PN 结是由扩散运动形成的
15.2.1PN 结的形成
自由电子
P
N
空间电荷区
内电场方向
空穴
15.2.1 PN 结的形成
扩散运动和漂移运动的动态平衡
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
外加电压
平衡破坏
扩散强
漂移强
PN 结导通PN 结截止
15.2.2 PN 结的单向导电性
1 外加正向电压使PN 结导通
PN 结呈现低阻导通状态，通过PN 结的电流基本是多子的扩散电流——正向电流
–
+
变窄
P
N
内电场方向外电场方向
R
I
15.2.2 PN 结的单向导电性
2 外加反向电压使PN 结截止
PN 结呈现高阻状态，通过PN 结的电流是少子的漂移电流
----反向电流
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
+
-
变
宽
P
N
内电场方向
外电场方向
R
I=0
15.2.2 PN结的单向导电性
结论
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。
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15.3 半导体二极管
15.3.2 伏安特性15.3.3 伏安特性的折线化
15.3.4 二极管的主要参数
15.3.1 基本结构
PN 结
阴极引线铝合金小球
金锑合金底座
N 型硅
阳极引线
面接触型
引线
外壳触丝N 型锗片
点接触型
表示符号
15.3.2 伏安特性
正向
O 0.4 0.8 U/V
I/mA
80
6040
20
-50 -25
I/μA
-20-40反向
死区电压
击穿电压
半导体二极
管的伏安特性
是非线性的。
正向
O 0.4 0.8 U/V
I/mA 80
60
40
20
-50 -25
I/μA
-20
-40
反向
死区电压
击穿电压
死区电压：
硅管：0.5伏左右，锗管：0.1伏左右。正向压降：
硅管：0.7伏左右，锗管：0.2~ 0.3伏。
15.3.2 伏安特性
1 正向特性
哈尔滨工业大（威海） ２００３ /2004 学年 秋 季学期 电工技术 试题（Ａ） 题号 一 二 三 四 五 六 七 八 九 十 总分 附加题 分数 一、选择与填空（ 20分 ，1-7每题 2分，8题每空2分） 1．图（1）所示电路中，a 、b 间的等效电阻为（4?）。 （１） （２） 2．试计算图（２）所示电路中的 Ａ点的电位为（５Ｖ）。 3．将下图所示电路的ab 二端网络化成戴维南等效电路。 4．三相异步电动机的额定转速为 1460r/min 。当负载转矩为额定转矩的一 半时，电动机的转速为（1480r/min ）。 姓名 班级: 注 意 行 为 规 范 遵 守 考 试 纪 律 10V I +-a b 0.5 I 1k Ω 1k Ω
5．电路如图所示，已知X L =R=X C ，并已知安培计A 的读数为5A ，则A 1的读数为（52A ），A 2的读数为（5A ）。 6．有一交流铁心线圈，线圈匝数加倍，线圈的电阻及电源电压保持不变。铁心的磁感应强度将（增大、减小、不变），线圈中的电流将（增大、减 小 、不变） 7．将R L =8Ω的扬声器接在输出变压器的副绕组上，已知Ｎ１＝３００匝，Ｎ２＝１００匝，信号源电动势Ｅ＝６Ｖ，内阻Ｒ０＝１００Ω，扬声器得到的功率为 （０．０８７６Ｗ）。 8．三相异步电动机的额定转速为１４７０转／分，电源电压为３８０Ｖ，三角形联接，功率为30kW ，效率为93%，功率因数为0.85。试计算额定转矩为（194.90N m ?）；额定转差率为（ 2% ）；额定电流为（ 57.66A ）。 二、图中Ｎ为无源电阻网络，已知当ＵＳ＝１０Ｖ，ＩＳ＝０时，ＵＸ＝１０Ｖ；当ＵＳ＝０，ＩＳ＝１Ａ时，ＵＸ＝２０Ｖ。求当ＵＳ＝２０Ｖ，ＩＳ＝３Ａ时，ＵＸ为多少。（７分） 解: 由线性电路的叠加定理得: a s U + b s I = c x V 当V V s 10=时 V U I s s 10,0== 即 10a=10c + － U s + － U x
哈尔滨工业大学 电工学教研室 第3章正弦交流电路 返回
3.1 正弦电压与电流3.3 电阻元件、电感元件与电容元件3.4 电阻元件的交流电路3.5 电感元件的交流电路3.6 电容元件的交流电路 3.7 电阻、电感与电容元件的交流电路3.8 阻抗的串联与并联3.9 交流电路的频率特性3.10 功率因数的提高 目录 3.2 正弦量的相量表示法
3.1 正弦电压与电流 直流电和正弦交流电 前面两章分析的是直流电路，其中的电压和电流的大小 和方向是不随时间变化的。 I，U O t 直流电压和电流 返回
t i u O 正弦电压和电流 实际方向和参考方向一致 实际方向和参考方向相反 ＋ － 正半周 实际方向和参考方向一致 + _ u R ⊕ i 负半周 实际方向和参考方向相反 + _ u R ⊕ i 正弦交流电的电压和电流是按照正弦规律周期性变化的。
3.1.1 频率和周期 正弦量变化一次所需要的时间（秒）称为周期（T ）。每秒内变化的次数称为频率（），单位是赫兹（Hz ）。 我国和大多数国家采用50Hz 的电力标准，有些国家（美国、日本等）采用60Hz 。 小常识 正弦量变化的快慢还可用角频率来表示：f T ππω22==t T 2 T 2 3T t ωπ π 2π3π 4T 2u i O f 频率是周期的倒数: f =1/T 已知=50Hz,求T 和ω。 [解]T =1/=1/50=0.02s, ω=2π=2×3.14×50＝314rad/s f f f 例题3.1
3.1.2 幅值和有效值 瞬时值和幅值 正弦量在任一瞬间的值称为瞬时值，用小写字母表示，如、u、e等。 i 瞬时值中的最大的值称为幅值或最大值，用带下标m的大写字母表示，如I U m、E m等。 m、 有效值 在工程应用中常用有效值表示交流电的幅度。一般所讲的正 弦交流电的大小，如交流电压380V或220V，指的都是有效值。 有效值是用电流的热效应来规定的。设一交流电流和一直流 电流I 流过相同的电阻R，如果在交流电的一个周期内交流电和直 流电产生的热量相等，则交流电流的有效值就等于这个直流电的 电流I。
关于绿色照明电源 摘要：阐述了绿色照明的经济效益和环境效益，世界主要发达国家及中国绿色照明计划及进展，论述了国内实施绿色照明计划存在的问题及主要技术措施。 关键词：绿色照明，经济效益，理论模型，技术措施 一、“绿色照明“的提出及发展现状 “绿色照明”概念的提出源于上世纪九十年代初的美国,1991 年美国环保局 (EPA)提出了一项提高照明用电效率、节约电力、减少空气污染的行动计划 , 被形象地命名为“绿色照明计划”。其主要做法 是以政府与私营单位签订自愿协议的方式 , 在任何有成本效益的地方用高效节能照明器具替代传统低效 的照明器具 , 采用科学的照明设计和照明控方法 , 提高照明用电效率和照明质量。作为当时一项独具特色的节能行动计划 , “绿色照明”在美国取得了前所未有的成功 , 很快得到了国际社会的广泛认可 和积极响应。从此 , “绿色照明”一词即成为照明节电的代名词。“绿色照明”经历了二十多年的探 索和实践 , 现在已在全球范围内产生了巨大的经济效益和社会效益 , 被国际社会视为推动节能、保护环境的最有效措施。【1】 1996 年EPA 与美国能源部(Department ofEnergy, 简称DOE) 联合起来推广经能源之星标志认证的 产品, 认证范围也逐渐扩大到包括新建房屋、商业与公共建筑、民用空调设备、办公设备、照明系统和其他家电等。随着能源之星发展成为一个系统的建筑节能计划, 绿色照明(Green Lighting) 和所有经认证 的产品都使用新的标志———能源之星。这一标志 使消费者和商家更易于识别具有节能和环保功能的产品和服务。《能源之星建筑指南( Energy Star BuildingManual) 》指出, 如果美国所有消费者和厂商都使用经能源之星认证的产品和建筑节能升级方案, 那么美国每年用于能源消费的支出可节约2 000 亿美元。除了经济上的效益外, 能源之星的作用还体现在减少污染和保护大气等方面。能源之星自实 施以来, 已减少了640 万t 碳化合物的排放, 并节约了316 亿kWh 的电能。 目前, 欧洲住宅照明耗电90TWh , 预计 存在30 % 的节电潜能。在德国汉堡, 启动了 一项计划,“为了气候环境, 更新照明设施, 在一些公共大楼,例如中学、大学、公厕、隧 道、剧院、博物馆等更新照明设施, 如用钠 灯更换隧道的荧光灯, 在法国的连锁超市, 用T5 更换400W 的汞灯, 在意大利的连锁超 市中安装电子镇流器, 根据天然采光进行调 光控制, 在一些超市安装T5 , 照度由900lx 减至700lx 。在荷兰, 安装可调光电子镇流器, 采用天然采
大作业一 积分电路的讨论 班级： 学号： 姓名： 2013年11月10日
关于RC 积分电路的深入讨论： 在输入为周期性单向方波脉冲信号的激励下。讨论积分电路的特性。 1） 理论推导稳态时输出电压平均值与输入电压平均值的关系； 2） 设2ms T =，11ms t =，m 10V U =，讨论电路从零初始值过渡到稳态所需时间与RC 参数之间的关系。绘制出 变化曲线。可选择做计算机仿真分析。 3） 讨论在时间常数τ相同，不同的R 、C 取值（比如10k Ω/1F μ的组合，与10Ω/1000F μ的组合）之间有何分 别？ 答案： 1）电路处于稳态时，输出端电压变化为下图粗线，输入电压的变化为下图细线。 图1 输出端电压和输入电压的变化图像 在电路处于稳态时选择一个起始时间零点，不妨设t 1=T/2。假设在时间零点，输出电压为u 0。则在0~t 1时间内，输出端电压u 2对时间t 的函数为τ t m m e U u U u - ?-+=)(02 在0~t 1时间内对u 2积分得)1()(2])([202 01-?-?-?=?-+=--?τττT m m T t m m e U u U T dt e U u U I 。 t 1时刻输出端电压为τ 20)(T m m e U u U -?-+。 t 1~T 时刻输出端电压u 2对时间t 的函数为τ τ 2 202])([T t T m m e e U u U u -- -??-+=。 在t 1~T 时间内对u 2积分得 )1(])([])([2202 2 202-??-+?-=??-+=- - - - -?τ τ τ τ τT T m m T T T t T m m e e U u U dt e e U u U I 。
1.对放大电路的分析有估算法和图解法 估算法是：⑴先画出直流通路（方法是将电容开路，信号 源短路，剩下的部分就是直流通路）， 求静态工作点I B、I C、U CE。 ⑵画交流通路，微变等效电路求电压放大倍 数A U输入输出电阻R I和R0。 图解法：是在输入回路求出I B后，在输入特性作直线，得 到工作点Q，读出相应的I B、U BE 而在输出回路列电压方程在输出曲线作直线，得到工作点Q，读出相应的I C、U CE 加入待放大信号u i从输入输出特性曲线可观察 输入输出波形，。若工作点Q点设得合适，（在 放大区）则波形就不会发生失真。 2、失真有三种情况: ⑴截止失真：原因是I B、I C太小，Q点过低，使输出波 形后半周（正半周）失真。消除办法是调小R B， 以增大I B、I C，使Q点上移。 ⑵饱和失真：原因是I B、I C太大，Q点过高，使输出波 形前半周（负半周）失真。消除办法是调大R B， 以减小I B、I C，使Q点下移。 ⑶信号源U S过大而引起输出的正负波形都失真，消除办法是调小信号源。
3、放大电路基本组态： 固定偏置电路、分压式偏置电路的输入输出公共端是发射极，故称共发射极电路。 共射电路的输出电压U0与输入电压U I反相，所以又称反相器。 共集电路的输出电压U0与输入电压U I同相，所以又称同相器。 入电压。（是待放大的信号） 共模输入电压U iC= U i1=U i2指两个大小相等，相位相同的输入电压。（是干扰信号） 差模输出电压U0d 是指在U id作用下的输出电压。 共模输出电压U0C是指在U iC作用下的输出电压。 差模电压放大倍数A ud= U0d / /U id是指差模输出与输入电压的比值。 共模放大倍数A uc =U0C /U iC是指共模输出与输入电压的比值。（电路完全对称时A uc =0） 共模抑制比K CRM=A ud /A uc是指差模共模放大倍数的比值，电路越对称K CRM越大，电路的抑制能力越强。 6、电压放大器的主要指标是电压放大倍数A U和输入输出电阻R i ，R0 。
电子技术课程设计一评分：数字显示电子钟 班级：
题目：数字显示电子钟 设计要求： 1)LED数码管显示小时、分、秒； 2）可以快速校准小时、分；秒计时可以校零；3）最大显示为23小时59分59秒； 4）秒脉冲信号由1MHz信号经分频器产生；5）绘制电气原理图（手工或EDA软件）； 6）给出各功能块的原理说明； 7）编写操作说明； 8）统一封面格式
1. 设计目的 数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。数字钟从原理上讲是一种典型的数字电路，其中包括了组合逻辑电路和时序电路。 因此，我们此次设计数字钟就是为了了解数字钟的原理，从而学会制作数字钟。而且通过数字钟的制作进一步的了解各种在制作中用到的中小规模集成电路的作用及实用方法。且由于数字钟包括组合逻辑电路和时叙电路。通过它可以进一步学习与掌握各种组合逻辑电路与时序电路的原理与使用方法。 2.设计要求： （1）LED数码管显示小时、分、秒； （2）可以快速校准小时、分；秒计时可以校零； （3）最大显示为23小时59分59秒； （4）秒脉冲信号由1MHz信号经分频器产生； （5）绘制电气原理图（手工或EDA软件）； （6）给出各功能块的原理说明； （7）编写操作说明； （8）统一封面格式 3. 功能原理 （1）数字钟的基本原理 数字电子钟由信号发生器、“时、分、秒”计数器、LED数码管、校时电路等组成。工作原理为时钟源用以产生稳定的脉冲信号，作为数字种的时间基准，要求震荡频率为1HZ，为标准秒脉冲。将标准秒脉冲信号送入“秒计数器”，该计数器采用60进制计数器，每累计60秒发出一个“分脉冲”信号，该信号将作为“分计数器”的时钟脉冲。“分计数器”也采用60进制计数器，每累计60分，发出一个“时脉冲”信号，该信号将被送到“时计数器”。“时计数器”采用24进制计数器，可以实现24小时的累计。LED数码管将“时、分、秒”计数器的输出状态显示。校时电路是来对“时、分、秒”显示数字进行校对调整。
2013秋季学期《电工技术I》大作业 （1208101~104） 班级： 11208103 学号： 1120810332 姓名：李雪皑 成绩：
继电接触器和可编程控制器综合设计题目 有一运料小车在A 、B 两地来回运行，其中A 地为装料处，设有限位开关ST1，每次装料时间为30s ；B 地为卸料处，设有限位开关ST2，每次卸料时间为20s 。 小车运行控制分手控操作和自控操作。 一．系统控制要求： （1）手动操作：能手动控制小车向A 地运行或向B 地运行。 （2）自控操作：当小车启动时，有一物料检测传感器检测小车料箱是否有料，如果有料，该传感器的常开触点闭合，小车自动向B 地运行；如果无料，该传感器的常闭触点闭合，小车自动向A 地运行。小车到达B 地限位开关ST2处停车20s 卸料，然后自动驶向A 地；小车到达A 地限位开关ST1处停车30s 装料，然后再自动返回B 地卸料。如此循环往复。 （3）停车控制：小车在自动往返运行过程中，均可用手动开关令其停车。再次启动后，小车重复（2）中内容。 设计要求： （1）设计控制该小车运行的继电接触器控制电路（包括主电路和控制电路）； （2）设计控制该小车运行的PLC 控制梯形图程序并画出外部接线图（注意进行I/O 分配）。 （3）写出综合设计报告。 二．继电接触器系统的设计分析 根据控制要求，程序应由手动控制和自动控制两部分组成，手动控制时，将手动/自动转换开关至于手动位置。程序执行手动操作时，小车前进和后退设有联锁，并设置前进和后退的限位保护。按前进按钮时，小车前进，碰到前进现为保护时，小车停下，底门电磁铁动作。按后退按钮，小车后退，底门电磁铁释放，碰到后退限位保护时，小车停车。当选择自动控制工作方式时，将手动/自动转换开关至于自动位置，执行自动工作程序。 1. 继电接触器控制开关及符号分配 QS ： 总电源开关 QS1：手动和自动控制选择开关 限位开关 限位开关