无线电基础知识.ppt

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1、无线电基础知识无线电基础知识一、无线电通信基础知识一、无线电通信基础知识1.1、无线电波的划分、无线电波的划分1.2、无线电波的传播、无线电波的传播1.3、无线电发送与接收、无线电发送与接收 无线电波：无线电波：在电磁场里，磁场的任何变化会产生电场，电场的任何变化也会产生磁场。交变的电磁场不仅可能存在于电荷、电流或导体的周围，而且能够脱离其产生的波源向远处传播，这种在空间以这种在空间以定速度传播的交变电磁场，定速度传播的交变电磁场，就称为电磁波就称为电磁波。无线电技术中使用的这一段电磁波通常称为无线电波。1.1.1、无线电波、无线电波1.1.2 无线电波的波段无线电波的波段 c T cf 无线

2、电波的应用无线电波的应用1.21.2 无线电波的传播无线电波的传播频率从几十Hz(甚至更低)到3000GHz左右，波长从几十Mm到0.1mm左右的频谱范围内的电磁波，称为无线电波无线电波。电波旅行不依靠电线，也不象声波那样，必须依靠空气媒介帮它传播，有些电波能够在地球表面传播地球表面传播，有些波能够在空间直线传播空间直线传播，也能够从大气层上空反射传播大气层上空反射传播，有些波甚至能穿透大气层，飞向遥远的宇宙空间。发信天线或自然辐射源所辐射的无线电波，通过自然条件下的媒质到达收信天线的过程，就称为无线电波的传播无线电波的传播。1)地波地波:这是沿地球表面传播的无线电波。（中波、长波）这是沿地球

3、表面传播的无线电波。（中波、长波）2)天波天波:也即电离层波。地球大气层的高层约也即电离层波。地球大气层的高层约100Km存在着存在着“电离层电离层”。无线电波进入电离层时其方向会发生改变，出。无线电波进入电离层时其方向会发生改变，出现现“反射反射”。因为电离层折射效应的积累，电波的入射方。因为电离层折射效应的积累，电波的入射方向会连续改变，最终会向会连续改变，最终会“拐拐”回地面，电离层如同一面镜回地面，电离层如同一面镜子会反射无线电波。我们把这种经电离层反射而折回地子会反射无线电波。我们把这种经电离层反射而折回地面的无线电波称为面的无线电波称为“天波天波”。受气候、季节、昼夜等因素。受气候

4、、季节、昼夜等因素影响。（中、短波）影响。（中、短波）无线电波的传播方式（一）无线电波的传播方式（一）3）空间波：空间波：由发射天线直接到达接收点的电波，被称为由发射天线直接到达接收点的电波，被称为直射波。有一部分电波是通过地面或其他障碍物反射到直射波。有一部分电波是通过地面或其他障碍物反射到达接收点的，被称为反射波。直射波和反射波合称为空达接收点的，被称为反射波。直射波和反射波合称为空间波。（电视广播、微波中继、移动通信）间波。（电视广播、微波中继、移动通信）4）散射波：散射波：当大气层或电离层出现不均匀团块时当大气层或电离层出现不均匀团块时（1216Km），无线电波有可能被这些不均匀媒质向

5、四），无线电波有可能被这些不均匀媒质向四面八方折射和散射，使一部分能量到达接收点，这就是面八方折射和散射，使一部分能量到达接收点，这就是散射波。散射波。（波长较短的波段）（波长较短的波段）5)外球层传播：外球层传播：离开地面离开地面1000Km以外的宇宙间通信称为以外的宇宙间通信称为外球层传播。卫星通讯和卫星直播电视就是利用这种传外球层传播。卫星通讯和卫星直播电视就是利用这种传播方式。播方式。无线电波的传播方式（二）无线电波的传播方式（二）1.3.1、无线电传送的好处 1）电波传输不依靠电线。2）也不象声波那样，必须依靠空气媒介帮它传播。3）传播距离远、速度快，而且衰减小。4）频段宽。1.3.

6、2 1.3.2 有效的向外发射电磁波的条件有效的向外发射电磁波的条件 1）要有足够高的振荡频率，因为频率越高，发射电 磁波的本领越大。2）振荡电路的电场和磁场必须分散到尽可能大的 空间，才有可能有效的将电磁场的能量传播出去。1.3 无线电的发送与接收无线电的发送与接收2）无线电的）无线电的发信部分发信部分 信号源，低频放大器，调制器，信号源，低频放大器，调制器，高频信号振荡器，高频放大器，高频信号振荡器，高频放大器，发射天线发射天线1.3.3 1.3.3 无线电传输无线电传输 任何一种无线电信号传输系统均由发信部分、收信部分和 传输媒质三部分组成。1 1）无线电的）无线电的传输媒质传输媒质 输

7、无线电信号的媒质主要有地表、对流层和电离层等，这些媒质的电特性对不同波段的无线电波的传播有着不 同的影响。3）无线电的）无线电的收信部分收信部分 接收天线，输入电路，高频放接收天线，输入电路，高频放大器，变频器，中频放大器，大器，变频器，中频放大器，解调器，低频放大解调器，低频放大 A.常以一个高频正弦信号或脉冲信号作为载体，这个载体称为载波载波信号信号。B.用需要传输的信号去改变载波信号的某一参数，如幅值、频率、相位。这个用来改变载波信号的某一参数的信号称调制信号调制信号。C.在测控系统中需传输的是测量信号，通常就用测量信号作调制信号。经过调制的载波信号叫已调信号已调信号。1.3.4 1.3

8、.4 无线电信号的调制无线电信号的调制1 1）调幅）调幅AMAM：使高频振荡的振幅使高频振荡的振幅随信号而改变叫做调幅。随信号而改变叫做调幅。任何一种非线性器件都可以用来产生调幅彼。晶体管是一种非线性器件，只要让其工作在非线性（甲乙类，乙类或丙 类）状态下，即可用它构成调幅电路。一般总是把高频载波信号和调制信号分别加在谐振功率放大器的晶体管的某个电极上，利用晶体管的发射结进行频率变换，并通过选频放大，从而达到调幅的目的。根据信号所加的电极不同，可分为基极调幅，集电极调幅和发射极调幅等多种调幅电路。调制调制：用传递信号去调制载波的过程。调制又有调幅与调频和调相之分。2）调频调频FM：使高频振荡的

9、频率随使高频振荡的频率随信号而改变叫做调频。信号而改变叫做调频。调频波（调频信号）的特点是：其频率随调制信号振幅的变化而变化，而它的幅度却始终保持不变。当调制信号的幅度为零时，调频波的频率称为中心频率0。当调制信号向正的方向增大时，调频波的频率就高于中心频率；反之，当调制信号向着负的方向变化时，调频波的频率就低于中心频率。1 1）发射的无线电波如何被接收到：发射的无线电波如何被接收到：电磁波在空间传播时，如果遇到导体，会使导体产生感应电流，感应电流的频率跟激起它的电磁波的频率相同。因此利用放在电磁波传播空间中的导体，就可以接收到电磁波了。1.3.5 1.3.5 无线电信号的解调无线电信号的解调

10、2）无线电波的调谐装置（天线）无线电波的调谐装置（天线）通过改变可变电容的电容大小改变调谐电路的固有频率，进而使其、与接收电台的电磁波频率相同，这个频率的电磁波就在调谐电路里激起较强的感应电流，这样就选出了电流最大的电磁波。解调解调：将调制信号还原出来的过程。解调又有检波与鉴频和鉴相之分。3）变频（混频）变频（混频）将一定频率范围的已调制高频信号变成固定的中频信号。调幅收音机中频：465KHz调频收音机中频：10.7MHz电视图象中频：38MHz幅度检波幅度检波：从调幅波中取出调制信号的过程,称为幅度检波。从高频调幅波中解调出原调制信号4）无线电波的调幅解调（检波一）无线电波的调幅解调（检波一

11、）常用的检波电路三种:小信号平方律检波,大信号包络全波和乘积检波。分类分类调幅检波的过程：调幅检波的过程：5）无线电波的调频解调（检波二）无线电波的调频解调（检波二）二、常用电子线路二、常用电子线路2.1、整流电路、整流电路2.2、滤波电路、滤波电路2.3、稳压电路、稳压电路2.4、振荡电路、振荡电路2.1 整流电路整流电路1）半波整流2）全波整流3）桥式整流整流整流：利用整流元件（通常是整流二极管）的单向导电性，实现将交流电变换成单向的脉动直流电。单相桥式整流桥式整流电路的变压器中只有交流电流流过，而半波和全波整流电路中均有直流分量流过。所以单相桥式整流电路的变压器效率较高，在同样功率容量条

12、件下，体积可以小一些。单相桥式整流电路的总体性能优于单相半波和全波整流电路，故广泛应用于直流电源之中。半波整流：半波整流：全波整流：全波整流：桥式整流：桥式整流：滤波：滤波：将脉动直流中的交流成分滤除，减少交流成分，增加直流成分。滤波电路利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波。2.2、滤波电路、滤波电路电容器C对直流开路，对交流阻抗小，所以C应该并联在负载两端。电感器L对直流阻抗小，对交流阻抗大，因此L应与负载串联。经过滤波电路后，既可保留直流分量，又可滤掉一部分交流分量，改变了交直流成分的比例，减小了电路的脉动系数，改善了直流电压的质量。电容滤波电路：电容滤波电路：电容滤波电路原理：电

13、容滤波电路原理：若v2处于正半周，二极管D1、D3导通，变压器次端电压v2给电容器C充电。此时C相当于并联在v2上，所以输出波形同v2，是正弦波。当v2到达wt=p/2时，开始下降。先假设二极管关断，电容C就要以指数规律向负载L放电。指数放电起始点的放电速率很大。在刚过wt=p/2时，正弦曲线下降的速率很慢。所以刚过wt=p/2时二极管仍然导通。在超过wt=p/2后的某个点，正弦曲线下降的速率越来越快，当刚超过指数曲线起始放电速率时，二极管关断。所以在t2到t3时刻，二极管导电，充电，Vi=Vo按正弦规律变化；t1到t2时刻二极管关断，Vi=Vo按指数曲线下降，放电时间常数为RLC。电感滤波电

14、路原理：电感滤波电路原理：电感滤波电路：电感滤波电路：利用储能元件电感器的电流不能突变的性质，把电感与整流电路的负载L相串联，也可以起到滤波的作用。当v2正半周时，D1、D3导电，电感中的电流将滞后v2。当负半周时，电感中的电流将更换经由D2、D4提供。因桥式电路的对称性和电感中电流的连续性，四个二极管D1、D3；D2、D4的导电角都是180。2.3、稳压电路、稳压电路引起输出电压变化的原因是负载电流的变化和输入电压的变化理想的稳压电路输出电阻Ro=0,则Vo与负载RL无关，为了降低Ro,稳定Vo,高质量的稳压电路必须采用深度电压负反馈以改善电路性能。2.3.1 二极管稳压电路二极管稳压电路2

15、.3.2 串联型稳压电路串联型稳压电路2.3.3 三端集成稳压电路三端集成稳压电路2.3.1 二极管稳压电路：二极管稳压电路：它是利用稳压二极管的反向击穿特性稳压的，由于反向特性陡直，较大的电流变化，只会引起较小的电压变化。当输入电压变化时如何稳压：当输入电压变化时如何稳压：IVOVZIZIRVRVO 当负载电流变化时如何稳压：当负载电流变化时如何稳压：IOIRVRVZ（VO）IZIRVRVO 稳压二极管的缺点是工作电流较小，稳定电压值不能连续调节。线性串联型稳压电源工作电流较大，输出电压一般可连续调节，稳压性能优越。目前这种稳压电源已经制成单片集成电路，广泛应用在各种电子仪器和电子电路之中。

16、线性串联型稳压电源的缺点是损耗较大、效率低。2.3.2 串联型稳压电路：串联型稳压电路：显然，VO=VI-VR，当VI增加时，R受控制而增加，使VR增加，从而在一定程度上抵消了VI增加对输出电压的影响。若负载电流IL增加，R受控制而减小，使VR减小，从而在一定程度上抵消了因IL增加（或VI减小）对输出电压的影响。在实际电路中，可变电阻R是用一个三极管来替代的，控制基极电位，从而就控制了三极管的管压降VCE，VCE相当于VR。要想输出电压稳定，必须按电压负反馈电路的模式来构成串联型稳压电路。典型的串联型稳压电路如图16.04所示。它由调整管调整管、放大环节、比较环节、基准电放大环节、比较环节、基

17、准电压源压源几个部分组成。VIVOVFVO1VCEVO 输入电压变化，负载电流保持不变输入电压变化，负载电流保持不变 负载电流变化，输入电压保持不变负载电流变化，输入电压保持不变 ILVIVOVFVO1VCEVOVFVREF VF=Vo(R2+R3)/(R1+R2+R3)=nVo 其中n为取样系数，n=(R2+R3)/(R1+R2+R3)所以，Vo=VREF/n调节R2显然可以改变输出电压。串联型稳压电源的内阻很小，如果输出端短路，则输出短路电流很大。同时输入电压将全部降落在调整管上，使调整管的功耗大大增加，调整管将因过损耗发热而损坏，为此必须对稳压电源的短路进行保护。过载也会造成损坏。稳压电

18、路的保护环节 保护的方法有反馈保护型反馈保护型和温度保护型温度保护型两种。反馈保护型又分截流型截流型和限流型限流型两种。温度保护型是利用集成电路制造工艺，在调整管旁制作PN结温度传感器，当温度超标时，启动保护电路工作，工作原理与反馈保护型相同。截流型是当发生短路时，通过保护电路使调整管截止，从而限制了短路电流，使之接近为零。截流特性如图2.31所示。限流型是当发生短路时，通过电路中取样电阻的反馈作用，使输出电流得以限制。限流特性如图2.32所示。图2.31 截流型特性 图2.32 限流型特性 将线性串联稳压电源和各种保护电路集成在一起就得到了集成稳压器。早期的集成稳压器外引线较多，现在的集成稳

19、压器只有三个外引线：输入端、现在的集成稳压器只有三个外引线：输入端、输出端和公共端输出端和公共端。2.3.3 三端集成稳压电路：三端集成稳压电路：振荡电路振荡电路：是一种自激振荡电路，它的特点是利用“自激振荡”原理工作的，其实质是放大器引正反馈的结果。振荡电路是不需要输入信号，自己就可以产生一定输出信号的电子电路。2.4、振荡电路、振荡电路振荡电路的振荡条件：振荡电路的振荡条件：相位平衡条件相位平衡条件和幅值平衡条件幅值平衡条件 1）振幅平衡条件(AF=AF=1)2）其二为相位平衡条件(a+f=2n，n=0，1，2，)。自激振荡：自激振荡：是指在不外加信号的条件下，放大电路就能够产生某一频率和

20、一定幅度的输出信号，这种现象称“自激振荡”。振荡电路的组成部分振荡电路的组成部分：由四部分组成，即放大电路、反馈网络、选频即放大电路、反馈网络、选频网络和稳幅环节网络和稳幅环节。(1)放大电路放大电路具有一定的电压放大倍数，其作用是对选择出来的某一频率具有一定的电压放大倍数，其作用是对选择出来的某一频率的信号进行放大。根据电路需要可采用单级放大电路或多级放大电的信号进行放大。根据电路需要可采用单级放大电路或多级放大电路。路。(2)反馈网络反馈网络是反馈信号所经过的电路，其作用是将输出信号反馈到输入是反馈信号所经过的电路，其作用是将输出信号反馈到输入端，引入自激振荡所需的正反馈，一般反馈网络由线

21、性元件端，引入自激振荡所需的正反馈，一般反馈网络由线性元件R、L和和C按需要组成。按需要组成。(3)选频网络选频网络具有选频的功能，其作用是选出指定频率的信号，以便使正具有选频的功能，其作用是选出指定频率的信号，以便使正弦波振荡电路实现单一频率振荡。选频网络分为弦波振荡电路实现单一频率振荡。选频网络分为Lc选频网络和选频网络和Rc选选频网络。使用频网络。使用LC选频网络的正弦波振荡电路，称为选频网络的正弦波振荡电路，称为LC振荡电路；使振荡电路；使用用RC选频网络的正弦波振荡电路，称为选频网络的正弦波振荡电路，称为RC振荡电路。振荡电路。(4)稳幅环节稳幅环节具有稳定输出信号幅值的作用，以便使

22、电路达到等幅振荡，具有稳定输出信号幅值的作用，以便使电路达到等幅振荡，因此稳幅环节是正弦波振荡电路的重要组成部分。因此稳幅环节是正弦波振荡电路的重要组成部分。2.4.1 变压器反馈式振荡器变压器反馈式振荡器反馈网络采用变压器，利用变压器的反馈网络采用变压器，利用变压器的一次绕组与电容并联组成振荡回路作一次绕组与电容并联组成振荡回路作选频网络，代替晶体管集电极电阻选频网络，代替晶体管集电极电阻Rc，从变压器的二次绕组引回反馈电压，从变压器的二次绕组引回反馈电压并将其加到放大电路的输入端，电路并将其加到放大电路的输入端，电路如图如图1-31所示。所示。变压器反馈式变压器反馈式LC振荡电路的特点是振

23、振荡电路的特点是振荡频率调节方便，容易实现阻抗匹配荡频率调节方便，容易实现阻抗匹配和达到起振要求，输出波形一般，频和达到起振要求，输出波形一般，频率稳定度不高，产生正弦波信号的频率稳定度不高，产生正弦波信号的频率为几千赫至几十兆赫，一般适用于率为几千赫至几十兆赫，一般适用于要求不高的设备。要求不高的设备。电感三点式振荡器的典型电路如图1-32所示。在LC振荡回路中，电感有一个抽头使线圈分成两部分即线圈L1和线圈L2，线圈L1的3端接到晶体管的基极B，线圈L2的1端接晶体管的集电极C，中间抽头2接发射极E。也就是说电感线圈的三端分别接晶体管的三极，所以叫电感三点式振荡器，又称哈特莱振荡器。在该电

24、路中L1兼作反馈网络，通过耦合电容Cl将Ll反馈电压加在晶体管的输入端，经放大后，在LC振荡回路中得到高频振荡信号，只要适当选择电感线圈抽头的位置使反馈信号大于输入信号，就可以在LC回路中获得不衰减的等幅振荡。2.4.2 电感三端式振荡器电感三端式振荡器式中，Ll、L2为线圈抽头两边的自感系数；M为两段电感线圈的瓦感系数；C为振荡电容；fo为振荡频率。其振荡频率可由下式求得：2.4.3 电容三端式振荡器电容三端式振荡器电容三点式振荡器的典型电路图。其结构与电感三点式振荡器相似，只是将L、C互换了位置。LC振荡回路中采用两个电容串联成电容支路，两电容中间有一引出端，通过引出端从LC振荡回路的电容

25、支路上取一部分电压反馈到放大电路的输入端，由于电容支路三个端点分别接于晶体管的三极上，所以把这种电路称为电容三点式LC振荡器，又称为柯尔皮兹振荡器。该电路的振荡频率可由下式求得：式中，Ceq为LC并联回路的等效电容。电感三点式振荡器电感三点式振荡器和电容三点式振荡器电容三点式振荡器各自的特点：电感三点式电感三点式LC振荡器的特点振荡器的特点 是振荡频率调节方便，电路容易起振，输出信号的波形中含有高次谐波，波形较差，频率稳定度不高，可产生正弦波信号的频率为几千赫至几十兆赫。一般用于要求不高的场合或设备中。电容三点式电容三点式LC振荡器的特点振荡器的特点 是频率调节不方便，输出信号的波形好，频率的

26、稳定度较高，可产生几兆赫至100MHz以上的频率。一般用于频率固定或在小范围内频率调节的场合或设备中。电感三点式振荡器与电容三点式振荡器相比有两个缺点：(1)改变电感不方便。(2)因反馈电压取自Ll上，Ll对高次谐波阻抗大，从而引起振荡回路输出 谐波分量增大，输出波形较差。采用RC元件组成的电路作选频网络的正弦波振荡电路，称为RC振荡器。按反馈网络的结构特点，RC振荡电路可分为RC移相式、RC桥式和双T式选频网络的振荡电路。其中RC桥式振荡电路采用RC串并联电路作选频网络，故又称RC串并联振荡电路，如图1-29所示。这个电路由两部分组成，即放大器Au和选频网络Fuo Au为集成运算放大器所组成

27、的电压串联负反馈放大器，而Fu则由Zl、Z2组成，同时兼作正反馈网络。Zl、Z2和Rl、R2正好形成一个四臂电桥，放大电路的输入端和输出端分别接到电桥的两个对角线上，因此这种RC振荡电路又称RC桥式振荡器。2.4.4 RC振荡器振荡器RCRC移相式正弦波振荡电路是把移相式正弦波振荡电路是把RCRC移相网络作为正弦波振荡电移相网络作为正弦波振荡电路的反馈环节，如图路的反馈环节，如图l-30l-30所示。所示。该振荡电路的该振荡电路的RCRC移相网络提供移相网络提供180180解的相移，而放大器采用解的相移，而放大器采用反相输入比例放大电路，故反相输入比例放大电路，故a=-180a=-180。，。

28、，a+f=0a+f=0满足振满足振荡的相位条件，只要调节热敏荡的相位条件，只要调节热敏电阻电阻RfRf，使放大倍数足以补偿，使放大倍数足以补偿反馈网络引起的信号幅度衰减，反馈网络引起的信号幅度衰减，就可以产生正弦波振荡信号。就可以产生正弦波振荡信号。RC移相式正弦波振荡电路：移相式正弦波振荡电路：文氏电桥振荡电路：文氏电桥振荡电路：振荡电路的原理图如上图所示。其中集成运放A作为放大电路，它的选频网络是一个由R、C元件组成的串并联网络，RF和R支路引入一个负反馈。由图可见，串并联网络中的R1、C1和R2、C2以及负反馈支路中的RF和R正好组成一个电桥的四个臂，因此这种电路又称为文氏电桥振荡电路。

29、采用石英晶体作选频网络选频元件的正弦波振荡电路叫采用石英晶体作选频网络选频元件的正弦波振荡电路叫石英晶体石英晶体振荡器振荡器。石英晶体振荡器的形式多种多样，但其基本电路只有两类，。石英晶体振荡器的形式多种多样，但其基本电路只有两类，即即并联晶体振荡电路并联晶体振荡电路和和串联晶体振荡电路串联晶体振荡电路。在前者中石英晶体是以。在前者中石英晶体是以并联谐振的形式出现，而在后者中则是以串联谐振的形式出现。在并联谐振的形式出现，而在后者中则是以串联谐振的形式出现。在并联晶体振荡电路中，石英晶体工作在串联谐振频率和并联谐振频并联晶体振荡电路中，石英晶体工作在串联谐振频率和并联谐振频率之间，石英晶体作为

30、一个电感来组成振荡电路。而在串联晶体振率之间，石英晶体作为一个电感来组成振荡电路。而在串联晶体振荡电路中，石英晶体工作在串联谐振频率处，利用串联谐振时阻抗荡电路中，石英晶体工作在串联谐振频率处，利用串联谐振时阻抗最小的特性来组成正弦波振荡电路。最小的特性来组成正弦波振荡电路。2.4.5 石英晶体振荡器石英晶体振荡器 分析判断电路能否产生振荡常采用的方法：分析判断电路能否产生振荡常采用的方法：分析电路能否产生振荡的方法是看电路是否满足自激振荡条件。首先检查相位平衡条件即检查反馈是否为正反馈；然后检查振幅平衡条件，一般振幅平衡条件比较容易满足，若不满足，可在测试调整时，通过改变放大倍数Au和反馈系

31、数F使电路满足AF1的振幅平衡条件。通常只要正弦波振荡电路满足相位平衡条件，就可认为电路产生正弦波振荡。判断相位平衡条件，常用瞬时极性法，所谓瞬时极性法即断开反馈信号至放大电路的输入端点，在放大电路的输入端加一输入电压Vi，并设其极性为正，然后经过放大电路和反馈网络的传输放大后，若引入的是并联反馈，则看反馈信号Vf与输入信号Vi的极性是否相同，若两者极性相同，则电路满足相位平衡条件，能产生正弦波振荡；若两者极性不同，则电路不满足相位平衡条件，无法产生正弦波振荡。思考题：思考题：1)1)无线电的传播有哪几种方式？无线电的传播有哪几种方式？2 2）说说电磁波的特点。）说说电磁波的特点。3 3）简单

32、描述）简单描述无线电信号传输系统。无线电信号传输系统。4 4）整流电路有哪几种方式？）整流电路有哪几种方式？5 5）振荡电路的振荡条件是什么？振荡电路的振荡条件是什么？三三.晶体二极管与晶体三极管晶体二极管与晶体三极管3.13.1、半导体基础、半导体基础3.23.2、晶体二极管、晶体二极管3.33.3、晶体三极管、晶体三极管 3.1 1、半导体基础、半导体基础 3.1.1 3.1.1 半导体的概念半导体的概念 3.1.2 PN 3.1.2 PN结的形成结的形成 3.1.3 PN 3.1.3 PN结的单向导电性结的单向导电性3.1.1 半导体的概念半导体的概念半导体半导体 导电能力介于导体和绝缘

33、体之间的物质，主要是硅、导电能力介于导体和绝缘体之间的物质，主要是硅、锗、硒及大多数金属氧化物和硫化物等四价元素。锗、硒及大多数金属氧化物和硫化物等四价元素。本征半导体本征半导体 本征半导体是一种完全纯净的、结构完整的半导体本征半导体是一种完全纯净的、结构完整的半导体 晶晶体，也就是说不含体，也就是说不含“杂质杂质”的四价元素，所谓的四价元素，所谓“杂质杂质”就是就是非四价元素。非四价元素。杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中掺入微量的杂质，就会使半导体的在本征半导体中掺入微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著的改变。因掺入杂质性质不同，杂导电性能发生显著的改变。因掺入杂质性质不同，杂质半

34、导体可分为空穴（质半导体可分为空穴（P）型半导体和电子（）型半导体和电子（N）型半）型半导体两大类。导体两大类。P型型半导体是在纯净的半导体中掺入半导体是在纯净的半导体中掺入三价元素三价元素而形而形成的，其中空穴为多数载流子，自由电子为少数载流成的，其中空穴为多数载流子，自由电子为少数载流子，以子，以空穴导电空穴导电为主。为主。三价元素：硼、铝、铟（受主原子-能够吸收电子的杂质原子）N型型半导体是在纯净的半导体中掺入半导体是在纯净的半导体中掺入五价元素五价元素而形而形成的，其中自由电子为多数载流子，而空穴为少数载成的，其中自由电子为多数载流子，而空穴为少数载流子，以流子，以自由电子导电自由电子

35、导电为主。为主。五价元素：磷、砷、锑（施主原子-可以提供电子的杂质原子）由于热激发而产生由于热激发而产生的自由电子的自由电子自由电子移走后而自由电子移走后而留下的空穴留下的空穴 P型、型、N型半导体的导电型半导体的导电能力虽然增强，但并不能能力虽然增强，但并不能直接用来制造半导体器件。直接用来制造半导体器件。通常应将一块完整的半导通常应将一块完整的半导体中的一部分形成体中的一部分形成P型半导型半导体，另一部分形成体，另一部分形成N型半导型半导体，在流子扩散后，在体，在流子扩散后，在P型型及及N型半导体的交界面处就型半导体的交界面处就会形成一个具有会形成一个具有内电场的内电场的电荷区电荷区，称，

36、称PN结结。3.1.2 PN结的形成结的形成3.1.2.1 3.1.2.1 载流子的浓度差产生的多子的扩散运动载流子的浓度差产生的多子的扩散运动 在在P型半导体和型半导体和N型半型半导体结合后，在它们的交导体结合后，在它们的交界处就出现了电子和空穴界处就出现了电子和空穴的浓度差，的浓度差，N型区内的电型区内的电子很多而空穴很少，子很多而空穴很少，P型型区内的空穴很多而电子很区内的空穴很多而电子很少，这样电子和空穴都要少，这样电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低从浓度高的地方向浓度低的地方扩散，因此，有些的地方扩散，因此，有些电子要从电子要从N型区向型区向P型区扩型区扩散，散，也有一些空穴要从也

37、有一些空穴要从P型区向型区向N型区扩散。型区扩散。电子和空穴带有相反的电电子和空穴带有相反的电荷，它们在扩散过程中要产荷，它们在扩散过程中要产生复合（中和），结果使生复合（中和），结果使P区和区和N区中原来的电中性被区中原来的电中性被破坏。破坏。P区失去空穴留下带区失去空穴留下带负电的离子，负电的离子，N区失去电子区失去电子留下带正电的离子，留下带正电的离子，这些离这些离子因物质结构的关系，它们子因物质结构的关系，它们不能移动，因此称为空间电不能移动，因此称为空间电荷，它们集中在荷，它们集中在P区和区和N区的区的交界面附近，形成了一个很交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，这就是所薄的空间电

38、荷区，这就是所谓的谓的PN结结。3.1.2.2 3.1.2.2 电子和空穴的复合形成了空间电荷区电子和空穴的复合形成了空间电荷区 在空间电荷区后，由于正负电荷之间的相互作用，在空间电荷区后，由于正负电荷之间的相互作用，在空间电荷区中形成一个电场，其方向从带正电的在空间电荷区中形成一个电场，其方向从带正电的N区区指向带负电的指向带负电的P区，由于该电场是由载流子扩散后在半区，由于该电场是由载流子扩散后在半导体内部形成的，故称为导体内部形成的，故称为内电场内电场。因为内电场的方向与。因为内电场的方向与电子的扩散方向相同，与空穴的扩散方向相反，所以它电子的扩散方向相同，与空穴的扩散方向相反，所以它是

39、阻止载流子的扩散运动的。是阻止载流子的扩散运动的。3.1.2.3 3.1.2.3 内电场内电场E E又阻止多子的扩散运动又阻止多子的扩散运动 半导体中的半导体中的PN结是半导体内的内电场，它的方向是由结是半导体内的内电场，它的方向是由N区指向区指向P区的，只允许一个方向的电流通过，因此说区的，只允许一个方向的电流通过，因此说PN结具有单向导电性。结具有单向导电性。3.1.3 PN结的单向导电特性结的单向导电特性 当当P P型和型和N N型半导体材料结型半导体材料结合时，由于合时，由于P P型材料空穴多电子型材料空穴多电子少，而少，而N N型材料电子多空穴少，型材料电子多空穴少，结果结果P P型

40、材料中的空穴向型材料中的空穴向N N型材型材料这边扩散，料这边扩散，N N型材料中的电子型材料中的电子向向P P 型材料这边扩散，扩散的型材料这边扩散，扩散的结果使得结合区两侧的结果使得结合区两侧的P P型区出型区出现负电荷，现负电荷，N N型区带正电荷，形型区带正电荷，形成一个势垒，由此而产生的内成一个势垒，由此而产生的内电场将阻止扩散运动的继续进电场将阻止扩散运动的继续进行，当两者达到平衡时，在行，当两者达到平衡时，在PNPN结两侧形成一个耗尽区，耗尽结两侧形成一个耗尽区，耗尽区的特点是区的特点是无自由载流子无自由载流子，呈，呈现高阻抗。现高阻抗。当当PNPN结反偏结反偏时，外加电场与内电

41、场方向一致，耗时，外加电场与内电场方向一致，耗尽区在外电场作用下变宽，使势垒加强；尽区在外电场作用下变宽，使势垒加强；当当PNPN结正偏结正偏时，外加电场与时，外加电场与内电场方向相反，内电场方向相反，耗尽区在外电场耗尽区在外电场作用下变窄，势作用下变窄，势垒削弱，使载流垒削弱，使载流子扩散运动继续子扩散运动继续形成电流，此即形成电流，此即为为PNPN结的单向导结的单向导电性电性,电流方向电流方向是从是从P P指向指向N N。零偏零偏负偏负偏正偏正偏思考题思考题1、最常用来制成半导体的材料是什么？2、P型半导体和N型半导体分别是由什么构成的？3、空间电荷区又称为耗尽区，为什么？4、如需将PN结

42、处于正向偏置，外接电压的极性如何确定？5、PN结处于反向偏置时，耗尽区的宽度是增加还是减少？为什么？3.23.2、半导体二极管半导体二极管3.2.1 3.2.1 二极管结构类型二极管结构类型3.2.2 3.2.2 二极管的分类及应用二极管的分类及应用3.2.3 3.2.3 二极管的导电特性二极管的导电特性3.2.4 3.2.4 技术参数技术参数 半导体二极管内部有一个半导体二极管内部有一个PNPN结，结，还有相应的正负电极引还有相应的正负电极引线，用玻璃、塑料或金属管壳封装制成，从线，用玻璃、塑料或金属管壳封装制成，从P P区引出的电极区引出的电极称为称为阳极阳极，用，用“+”表示；从表示；从

43、N N区引出的电极称为区引出的电极称为阴极阴极，用，用“-”表示。二极管的文字符号用表示。二极管的文字符号用D D表示。表示。二极管的结构二极管的结构+-P ND特性特性：作为一种非线性元件，具有单方向导电能力，因此：作为一种非线性元件，具有单方向导电能力，因此常用于整流和检波。常用于整流和检波。半导体二极管按其结构的不同可以分为点接触型、面接半导体二极管按其结构的不同可以分为点接触型、面接触型和平面型。触型和平面型。二极管的类型二极管的类型点接触型二极管点接触型二极管 点接触型二极管是由一根很细点接触型二极管是由一根很细的金属触丝（如三价元素铝）和一的金属触丝（如三价元素铝）和一块半导体（如

44、锗）的表面接触，然块半导体（如锗）的表面接触，然后在正方向通过很大的瞬时电流，后在正方向通过很大的瞬时电流，使出丝和半导体牢固地熔接在一起，使出丝和半导体牢固地熔接在一起，三价金属与锗结合构成三价金属与锗结合构成PN结，并做结，并做出相应的电极引线，外加管壳密封出相应的电极引线，外加管壳密封而成。而成。由于点接触型二极管金属丝由于点接触型二极管金属丝很细，形成的很细，形成的PN结面积很小，所以结面积很小，所以极间电容很小，同时也不能承受高极间电容很小，同时也不能承受高的反向电压和大的电流，这种类型的反向电压和大的电流，这种类型的管子适于做高频检波和脉冲数字的管子适于做高频检波和脉冲数字电路里的

45、开关元件。电路里的开关元件。面接触型二极管面接触型二极管 面接触型二极管面接触型二极管的的“PN结结”面积较大，面积较大，允许通过较大的电流允许通过较大的电流（几安到几十安），（几安到几十安），主要用于把交流电变主要用于把交流电变换成直流电的换成直流电的“整流整流”电路中。电路中。平面型二极管平面型二极管 平面型二极管是平面型二极管是一种特制的硅二极一种特制的硅二极管，它不仅能通过管，它不仅能通过较大的电流，而且较大的电流，而且性能稳定可靠，多性能稳定可靠，多用于开关、脉冲及用于开关、脉冲及高频电路、集成电高频电路、集成电路中。路中。二极管的分类及应用二极管的分类及应用按用途分：按用途分：普通

46、二极管普通二极管用于检波用于检波 鉴频鉴频 限幅；限幅；整流二极管整流二极管用于不同功率的整流；用于不同功率的整流；开关二极管开关二极管用于计算机用于计算机 脉冲控制脉冲控制 开关电路；开关电路；稳压二极管稳压二极管用于稳压电路；用于稳压电路；还有还有发光二极管发光二极管等。等。按材料不同分为：按材料不同分为：硅管硅管：起始电流较大：起始电流较大(0.6(0.6伏伏)，用于信号较强电路；，用于信号较强电路；锗管锗管：起始电流较小：起始电流较小(0.2(0.2伏伏)，用于信号较弱电路。，用于信号较弱电路。按封装材料不同分为：按封装材料不同分为：玻璃管壳玻璃管壳、塑料管壳塑料管壳和和环氧树脂管壳环

47、氧树脂管壳等多种。等多种。常用各类二极管常用各类二极管普通二极管普通二极管稳压二极管稳压二极管发光二极管发光二极管二极管的命名方法二极管的命名方法:如如 2CP10 2-二极管二极管C-N型硅材料型硅材料P-普通管普通管10-序号序号 利用二极管的单向导电性将交流电转换为单向脉动利用二极管的单向导电性将交流电转换为单向脉动直流电的电路，称为整流电路，此时的二极管可看成开直流电的电路，称为整流电路，此时的二极管可看成开关元件，即所谓理想二极管。关元件，即所谓理想二极管。常用整流电路可分为：常用整流电路可分为：半波整流电路半波整流电路全波整流电路全波整流电路桥式整流电路桥式整流电路 整流二极管整流

48、二极管 输出电输出电压在一个工压在一个工频周期内，频周期内，只是正半周只是正半周导电，在负导电，在负载上得到的载上得到的是半个正弦是半个正弦波。波。半波整流电路半波整流电路全波整流电路全波整流电路 当正半周时，当正半周时，二极管二极管D1D1、D3D3导导通，在负载电阻通，在负载电阻上得到正弦波的上得到正弦波的正半周。正半周。当负半周时，当负半周时，二极管二极管D2D2、D4D4导导通，在负载电阻通，在负载电阻上得到正弦波的上得到正弦波的负半周。负半周。桥式整流电路桥式整流电路 稳压二极管是一种特殊的面接触型硅晶体二极管。稳压二极管是一种特殊的面接触型硅晶体二极管。由于它有稳定电压的作用，经常

49、应用在稳压设备和一些由于它有稳定电压的作用，经常应用在稳压设备和一些电子线路中。电子线路中。稳压二极管的结构与普通二极管相似，但是制造工稳压二极管的结构与普通二极管相似，但是制造工艺不同。当它承受一定的反向电压时，就会反向击穿。艺不同。当它承受一定的反向电压时，就会反向击穿。这种反向击穿不会使稳压管损坏，反而使稳压管两端的这种反向击穿不会使稳压管损坏，反而使稳压管两端的电压不变，起到稳定电压的作用。因此稳压管不是工作电压不变，起到稳定电压的作用。因此稳压管不是工作于正向导通，而是将他反向连接在电路中，与负载并联，于正向导通，而是将他反向连接在电路中，与负载并联，稳定负载电压。稳压管的反向击穿电

50、压就是稳压管的稳稳定负载电压。稳压管的反向击穿电压就是稳压管的稳定电压值。定电压值。稳压二极管稳压二极管稳压二极管典型应用电路稳压二极管典型应用电路发光二极管是采用磷化镓或磷砷化镓等半导体材料制发光二极管是采用磷化镓或磷砷化镓等半导体材料制成的，以直接将电能转变为光能的发光器件。与普通成的，以直接将电能转变为光能的发光器件。与普通二极管一样也由二极管一样也由PN结构成，同样具有单向导电性，但结构成，同样具有单向导电性，但发光二极管不是用它的单向导电性，而是让它发光作发光二极管不是用它的单向导电性，而是让它发光作指示（显示）器件。发光二极管以功耗低、体积小、指示（显示）器件。发光二极管以功耗低、