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模电基础


单 元 课 时 计 划
(100 分钟) 编号 课程 名称 授课 日期 章目 节目 模拟电子技术 计划在 实际在 授课 班级 年 年 月 月 日星期 日星期 讲次 第 第 1 讲 讲

第 1 章半导体二极管及其基本应用 1.1 PN 结 1.2 半导体二极管

要求

了解半导体的基本知识 PN 结、掌握二极管特性及主要参数 教学 方式

教具

POWERPOINT 课件

多媒体

教 学 重 点

学习方法 、二极管的伏安特性

教 学 难 点

空穴导电的本质

教 学 主 要 内 容

1.1 PN 结 1. N 型和 P 型半导体 2. PN 结的形成 3. PN 结单相导电性 4. PN 结的结电容 1.2 半导体二极管 1.二极管结构和类型 2.二极管的伏安特性 3.二极管的使用常识

备 注 唐山工业职业技术学

教 案 副 页 第1章 章 半导体二极管及其基本应用

本章主要内容: 本章主要内容:PN 结、半导体二极管、二极管电路的分析方法、二极管的基 本应用、特殊二极管 教学基本要求 本要求: 教学基本要求:掌握普通二极管和稳压管的外特性。熟悉普通二极管和稳压管的工作 原理,主要参数,使用方法。了解普通二极管和稳压管的主要应用;发光二极管和光电二 极管的性能、使用方法。 使用方法。 使用方法

1.1 PN 结
1.1.1 N 型半导体和 P 型半导体

本征半导体:完全纯净的、结构完整的半导体晶体。 其导电能力很弱介于导体和绝缘体之间。两种载流子:在常温下,由于热激发,使一些价 电子获得足够的能量而脱 离共价键的束缚,成为自由电子,同时共价键上留下一个空 位,称为空穴。 N 型半导体:在本征半导体硅或锗中,掺入微量五价元素如磷或砷等,自 由电子浓度大大增加,自由电子为多子,空穴为少子。 P 型半导体:在本征半导体硅或锗中,掺入微量三价元素如硼或铟等,空 穴浓度大大增加,空穴为多子,电子为少子。说明:1、多子空穴是由 掺杂产生的,少子自由电子是由热激发产生的。 2、杂质半导体呈电中性,任一空间的正负电荷数相等。

N 型半导体 1.1.2

P 型半导体

PN 结的形成 在一块完整半导体中,使用搀杂工艺,一部分形成 P 型半导体,一部分形成 N 型 半导体。



1 页

教 案 副 页 扩散:多子由浓度高的地方向浓度低的地方运动。 漂移:少子在电场的作用下运动。 扩散运动和漂移运动达到动态平衡,在 PN 交界面形成稳定的空间电荷区(耗尽层) 时,PN 结形成。 1.1.3 PN 结的单向导电性

PN 结外加正向电压, 多子扩散运动增强, 结呈低阻导通状态; 结加反向电压, PN PN 多子扩散运动难于进行法,电流主要由少子漂移运动形成,PN 结呈高阻截止状态。

1.1.4

PN 结的结电容

势垒电容 CB:空间电荷区随外加电压的宽窄变化引起。

扩散电容 CD:由多子在扩散过程中的积累引起。

半导体二极管 1.2 半导体二极管
1.2.1 半导体二极管的结构和类型 在一个 PN 结的两端,各引一根电极引线,并用外壳封装起来就构成了半导体二极管。 二极管按材料分常用的有硅二极管和锗二极管等;二极管按用途分,常用有整流二极 管、稳压二极管、发光二极管、光电二极管等;二极管按结构分有点接触型、面接触型和 平面型等。 二极管符号

第 2 页

教 案 副 页 1.2.2 半导体二极管的伏安特性 一、PN 结的伏安特性方程 PN 结两端的电压 U 和 PN 结的电流 I 之间的关系可用下列方程表示:

I = IS (e ?1)
二、二极管的伏安特性曲线

U UT

1、正向特性 正向电压 UD 小于门坎电压 Uon 时,二极管截止,正向电流几乎为 0;其中,门槛 电压:硅管约为 0.5V, 锗管约为 0.1V。当正向电压大于 Uon 时,内电场削弱,电流因而 迅速增长,呈现的很小正向电阻。 2、反向特性 反向电压 UR < URM (反向击穿电压)时,反向电流 IR 很小,且近似为常数,称为 反向饱和电流。 3、反响击穿特性 UR > URM 时,IR 剧增,此现象称为反向电击穿。对应的电压 URM 称为反向击穿电压。 三、温度对二极管特性的影响 二极管是温度的敏感器件,温度的变化对其伏安特性的影响主要表现为:随着温度 的升高,其正向特性曲线左移,即正向压降减小;反向特性曲线下移,即反向电流增大。



3 页

教 案 副 页 1.2.2 半导体二极管的使用常识 一、二极管的型号

2

C

Z

52

A 规格号 序号 整流管 N型硅材料 二极管

二、二极管的主要参数 最大整流电流 IFM:二极管允许通过的最大正向工作电流平均值。 最高反向工作电压 URM:二极管允许承受的反向工作电压峰值。 反向漏电流 IR:规定的反向电压和环境温度下,二极管反向电流值。

小结:本节主要介绍了 PN 结和二极管的结构和伏安特性。

第 4 页

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(100 分钟) 编号 课程 名称 授课 日期 章目 节目 模拟电子技术 计划在 实际在 授课 班级 年 年 月 月 日星期 日星期 讲次 第 第 2 讲 讲

第 1 章半导体二极管及其基本应用 1.3 半导体二极管的基本分析

要求

理解二极管的各种模型, 掌握二极管的分析法 教学 方式

教具

POWERPOINT 课件

多媒体

教 学 重 点

二极管的各种模型

教 学 难 点

二极管模型

教 学 主 要 内 容

1.3 二极管电路的分析方法 1.理想 2. 恒压降模型 3.小信号模型

备 注 唐山工业职业技术学院

教 案 副 页 1.3 半导体二极管电路的分析方法
一、理想模型:当二极管正向电压和正向电阻与外接电路的等效电阻相比均可忽略时,这 样的二极管可称为理想二极管。

+

UD ID

-

二、恒压降模型:当二极管的正向压降与外加电压相比不能忽略,而正向电阻与外接电阻 相比可忽略时,可用由理想二极管和电压源 UF 串联构成的模型来近似替代。

+ UD ID

UF

三、小信号模型:当二极管电路中,除直流电源外,再引入很小的交流信号,则二极管两 端的电压及通过它的电流将在某一固定值附近作微小变化时, 可用二极管的动态电阻 rd 来 近似代替二极管。

+
△U

△I

rd



第 1 页

教 案 副 页
例:二极管电路如图所示,试分别用二极管的理想模型、恒压降模型计算回路中的电流 ID 和输出电压 U0。设二极管为硅管。

ID

a
E1

b
R 2K

+ + U U0 _
E2

12v 16 v
R

R

-

1.用理想模型 UR ? US1 + US 2 (?12 + 16)V = = = 2mA 由于二极管 D 导通,其管压降为 0V。 ID =

US 2

2K

2.用恒压降模型:

由于二极管 D 导通,UF=0.7V,所以

ID =

UR ? US1 + US 2 ? UF (?12 + 16 ? 0.7)V = = = 1.65mA R US 2 2K
U 0 = ID ? US 2 = 1.65mA × 2 K? ? 16V = ?12.7V

例:已知电路如图,US1=6V,us2=0.2sin3140tV,RS=1K,二极管为硅管试求流过二极管的电流 iD。

Us1

Us1 D

D

+

-

us2 RS

iD
RS

ID
UF

+
us2

-

rd

id

RS

电电

计计ID的电电

计计id的电电

第 2 页

教 案 副 页
解:

ID =

US 1 ? US 2 (6 ? 0.7)V = = 5.3mA RS 1K?

rd ≈

26mV 26mV = = 4 .9 ? ID 5.3mA

id =

us 2 0.2 sin 3140 tV = ≈ 0.2 sin 3140 tmA RS + iD (1 + 4.9 × 10 ?3 ) K?

iD = ID + id = (5.3 + 0.2 sin 3140t )mA
小结: 小结:本节主要介绍了如何用二极管等效模型分析具体电路。

第 3 页

单 元 课 时 计 划
(100 分钟) 编号 课程 名称 授课 日期 章目 节目 模拟电子技术 计划在 实际在 授课 班级 年 年 月 月 日星期 日星期 讲次 第 第 3 讲 讲

第 1 章半导体二极管及其基本应用 1.4 半导体二极管的基本应用 1.5 特殊二极管

要求

掌握半导体二极管的整流、滤波、限幅、钳位等应用,了解 稳压管 、 变容二极管 、光电器件的特性。 POWERPOINT 课件 教学 方式 多媒体

教具

教 学 重 点

半导体二极管的整流、滤波

教 学 难 点

滤波原理

教 学 主 要 内 容

1.4 半导体二极管的基本应用 1.单项桥式整流电路 2.滤波电路 3.二极管其他应用电路举例 1.5 特殊二极管 1.稳压管 2. 变容二极管 3.光电器件

备 注 唐山工业职业技术学院

教 案 副 页 1.4 半导体二极管的基本应用 半导体二极管的基本应用
我们运用二极管主要是利用它的单向导电性。它导通时,我们可用短线来代替它,它 截止时,我们可认为它断路。 1.4.1 单向桥式整流电路 利用二极管的单向导电性,将交流电变换为单向脉动直流电的电路,称为整流电路。如图:

+
u1

+A
Tr1 -B
u2
D4
4

1

D1
2

-

D3
3

D2

+
RL u0

u1 正半周时,Tr1 次级 A 点电位高于 B 点电位,二极管 D1、D3 导通,电流自上而下 流过 RL;u1 负半周时,Tr1 次级 A 点电位低于 B 点电位,二极管 D2、D4 导通,电流自上 而下流过 RL。于是 RL 两端产生单方向全波脉动直流电压 uo。 负载和整流二极管上的电压和电流: 负载电压 U 0 = 0.9U 2 负载电流 I 0 =

U 0 0 .9U 2 = RL RL

二极管的平均电流

ID =

1 I0 2
U DRM = 2U 2

二极管承受反向峰值电压

1.4.2 滤波电路 利用电容、电感等储能元件构成滤波电路,作用是滤去整流输出的交流分量,得到较 平滑的直流输出。

第 1



教 案 副 页

Tr
+

+A
+

D4
4

1

D1
2

u1 -

u2 -

3

-B

D3

D2

+
C

u0

电容滤波电路 主要利用电容两端电压不能突变的特性,使负载电压波形平滑,电容应与负载并联。 1.4.3 二极管其他应用电路 1、限幅电路 、 利用二极管的单向导电性和导通后两端电压基本不变的特点,可组成限幅电路,用来 限制输出电压的幅度。 2、钳位电路 、 作用是将输出电压钳制在一定数值上。

1.5 特殊二极管
1.5.1 稳压二极管 利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。

符号

△IZ
△UZ
稳压二极管伏安特性

+

第 2



教 案 副 页
稳压二极管的主要参数有:稳定电压 UZ、稳定电流 IZ、动态电阻 Z、最大工作电流 IZM 和最大耗散功率 PZM、电压温度系数 CTV 等。 1.5.2 变容二极管 结电容随反向电压的增加而减小的效应显著的二极管。最大电容和最小电容之比约为 5:1,在高频技术中应用较多。 1.5.3 光电器件 1、光电二极管:将光信号转换为电信号的特殊二极管 2、发光二极管:将电能转换成光能的特殊二极管

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