第一章 基本半導(dǎo)體分離器件

電子技術(shù)張振英2015年3月鷹潭職業(yè)技術(shù)學(xué)院江銅校區(qū)下一頁一、課程的主要內(nèi)容電子技術(shù)是研究電子器件及其應(yīng)用的科學(xué)。1、模擬電子技術(shù)處理的是模擬信號，即隨時間連續(xù)變化的信號。2、數(shù)字電子技術(shù)處理的是數(shù)字信號，即在時間和數(shù)值上不連續(xù)的信號。緒論電子元件圖例上一頁下一頁緒論二、電子技術(shù)的發(fā)展歷史

上一頁下一頁電子技術(shù)是在19世紀末無線電發(fā)明之后發(fā)展起來的。1、第一代：電子管緒論上一頁下一頁第一臺電子計算機緒論上一頁下一頁2、第二代：晶體管（1948年）體積小、重量輕、功耗小、壽命長

里程碑3、第三代：集成電路（1958年）體積更小、重量更輕、功耗更小、可靠性高4、第四代：中、大規(guī)模集成電路（1966年）5、第五代：超大規(guī)模集成電路（1975年）<10000/片10000以上/片<100/片緒論四、學(xué)習(xí)要求◆授課形式：理論課+實驗課◆學(xué)習(xí)要求：認真聽講、按時完成作業(yè)?！魧W(xué)期成績：平時成績占30%（其中到課率平時表現(xiàn)10%，作業(yè)10%，實驗10%）

期未考試占70%上一頁下一頁緒論第一章：基本半導(dǎo)體分立器件一、本章主要內(nèi)容1.半導(dǎo)體的基本知識與PN結(jié)2.二極管3.三極管二、本章學(xué)習(xí)要求1.理解PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，三極管的電流分配和電流

放大作用；2.了解二極管、穩(wěn)壓管和三極管的基本構(gòu)造、工作原理

和特性曲線，理解主要參數(shù)的意義；

學(xué)會用工程觀點分析問題，就是根據(jù)實際情況，對器件的數(shù)學(xué)模型和電路的工作條件進行合理的近似，以便用簡便的分析方法獲得具有實際意義的結(jié)果。

對電路進行分析計算時，只要能滿足技術(shù)指標，就不要過分追究精確的數(shù)值。器件是非線性的、特性有分散性、RC的值有誤差、工程上允許一定的誤差、采用合理估算的方法。

對于元器件，重點放在特性、參數(shù)、技術(shù)指標和正確使用方法，不要過分追究其內(nèi)部機理。討論器件的目的在于應(yīng)用。第一章：基本半導(dǎo)體分立器件1.1

半導(dǎo)體的基本知識與PN結(jié)

完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體，稱為本征半導(dǎo)體。晶體中原子的排列方式硅單晶中的共價健結(jié)構(gòu)共價健共價鍵中的兩個電子，稱為價電子。

Si

Si

Si

Si價電子一、本征半導(dǎo)體

Si

Si

Si

Si價電子

價電子在獲得一定能量（溫度升高或受光照）后，即可掙脫原子核的束縛，成為自由電子（帶負電），同時共價鍵中留下一個空位，稱為空穴（帶正電）。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。空穴

溫度愈高，晶體中產(chǎn)生的自由電子便愈多。自由電子

在外電場的作用下，空穴吸引相鄰原子的價電子來填補，而在該原子中出現(xiàn)一個空穴，其結(jié)果相當于空穴的運動（相當于正電荷的移動）。1.1

半導(dǎo)體的基本知識與PN結(jié)本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理

當半導(dǎo)體兩端加上外電壓時，在半導(dǎo)體中將出現(xiàn)兩部分電流

(1)自由電子作定向運動電子電流

(2)價電子遞補空穴空穴電流特點：

1、載流子的數(shù)量少,且成對出現(xiàn)。2、載流子的數(shù)量受溫度影響較大，溫度高，數(shù)量多。

3、導(dǎo)電能力很差自由電子和空穴都稱為載流子。自由電子和空穴成對地產(chǎn)生的同時，又不斷復(fù)合。在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生和復(fù)合達到動態(tài)平衡，半導(dǎo)體中載流子便維持一定的數(shù)目。1.1

半導(dǎo)體的基本知識與PN結(jié)

Si

Si

Si

Si1.1

半導(dǎo)體的基本知識與PN結(jié)二、雜質(zhì)半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入微量的雜質(zhì)（某種元素）,形成雜質(zhì)半導(dǎo)體。摻入五價元素p+磷原子多余電子在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮邮ヒ粋€電子變?yōu)檎x子

摻雜后自由電子數(shù)目大量增加，自由電子導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式，稱為電子半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體。

在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。1.1

半導(dǎo)體的基本知識與PN結(jié)

Si

Si

Si

Si摻入三價元素B–硼原子空穴

摻雜后空穴數(shù)目大量增加，空穴導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式，稱為空穴半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體。

在P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子。無論N型或P型半導(dǎo)體都是中性的，對外不顯電性。

1.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子的數(shù)量與

（a.摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。

2.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中少子的數(shù)量與（a.摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。

3.當溫度升高時，少子的數(shù)量

（a.減少、b.不變、c.增多）。abc

4.在外加電壓的作用下，P型半導(dǎo)體中的電流主要是

，N型半導(dǎo)體中的電流主要是（a.電子電流、b.空穴電流）ba想一想三、PN結(jié)的形成及單向?qū)щ娦?、PN結(jié)的形成擴散運動

擴散運動：多數(shù)載流子由于濃度的差別而形成的運動。＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P區(qū)N區(qū)1.1

半導(dǎo)體的基本知識與PN結(jié)＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－內(nèi)電場耗盡層勢壘區(qū)PN結(jié)P區(qū)N區(qū)

多數(shù)載流子的擴散運動繼續(xù)進行，使PN結(jié)加寬，內(nèi)電場增強。內(nèi)電場越強，多數(shù)載流子的運動越難以進行。＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－－－＋＋＋＋P區(qū)N區(qū)＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P區(qū)N區(qū)＋＋＋＋－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－－－＋＋＋＋

漂移運動：少數(shù)載流子在內(nèi)電場作用下的運動。漂移運動使PN結(jié)變薄，內(nèi)電場削弱。內(nèi)電場削弱，又有利于多數(shù)載流子的擴散運動，而不利于少數(shù)載流子的漂移運動。漂移運動

多數(shù)載流子的擴散運動與少數(shù)載流子的漂移運動達到動態(tài)平衡——平衡的PN結(jié)。＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－P區(qū)N區(qū)RＰN2.PN結(jié)的特性偏置正向偏置反向偏置ＰN多子運動少子運動正向?qū)?/p>

主要特性：

單向?qū)щ娦訰外電場外電場反向截止I≈0

I1.1

半導(dǎo)體的基本知識與PN結(jié)1.什么是N型半導(dǎo)體？什么是P型半導(dǎo)體？當二種半導(dǎo)體制作在一起時會產(chǎn)生什么現(xiàn)象？2.PN結(jié)上所加端電壓與電流符合歐姆定律嗎？它為什么具有單向性？在PN結(jié)中加反向電壓時真的沒有電流嗎？想一想1.2二極管一、二極管概述按材料分硅管鍺管按PN結(jié)分點接觸型面接觸型按用途分普通管整流管……PN陽極陰極1.基本結(jié)構(gòu)KA結(jié)面積小、結(jié)電容小、正向電流小。用于檢波和變頻等高頻電路。

結(jié)面積大、正向電流大、結(jié)電容大，用于工頻大電流整流電路。小功率二極管大功率二極管穩(wěn)壓二極管發(fā)光二極管1.2二極管2.伏安特性UIO正向：死區(qū)（OA段）硅管約0.5V，鍺管約0.2V；正向?qū)▍^(qū)硅管約0.7V，鍺管約0.3V。（溫度增加，曲線左移）反向：截止區(qū)（OB段）

I近似為0；擊穿區(qū)管子被擊穿

（普通管：永久性損壞）A硅A鍺BB1.2二極管UIOUDUIO(a)近似特性(b)理想特性因通常使用二極管時應(yīng)保證其工作在正向?qū)ɑ蚍聪蚪刂範顟B(tài)，故認為二極管正偏則導(dǎo)通，反偏則截止。

——單向?qū)щ娦?/p>

1.2二極管1.2二極管3.主要參數(shù)1.

最大整流電流

IF二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。2.反向擊穿電壓UBR管子反向擊穿時的電壓值3.反向電流IR(反向飽和電流IS）指在室溫和規(guī)定的反向電壓下（管了未擊穿）的反向電流，其值越小，單向?qū)щ娦栽胶?。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流較大，為硅管的幾十到幾百倍。

1.二極管加正向電壓（正向偏置，陽極接正、陰極接負）時，二極管處于正向?qū)顟B(tài)，二極管正向電阻較小，正向電流較大。2.二極管加反向電壓（反向偏置，陽極接負、陰極接正）時，二極管處于反向截止狀態(tài)，二極管反向電阻較大，反向電流很小。

3.外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦浴?/p>

4.二極管的反向電流受溫度的影響，溫度愈高反向電流愈大。二極管的特性———單向?qū)щ娦?.2二極管1.2二極管二、穩(wěn)壓二極管利用二極管反向擊穿特性實現(xiàn)穩(wěn)壓。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓時工作在反向電擊穿狀態(tài)，反向電壓應(yīng)大于穩(wěn)壓電壓。

穩(wěn)壓管反向擊穿后，電流變化很大，但其兩端電壓變化很小，利用此特性，穩(wěn)壓管在電路中起穩(wěn)壓作用的。

穩(wěn)壓管正常工作時是加反向電壓穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線(1)穩(wěn)定電壓UZ

在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對應(yīng)的反向工作電壓。(2)最大耗散功率PZM

(4)最大穩(wěn)定工作電流

IZmax

和最小穩(wěn)定工作電流

IZmin穩(wěn)壓管的主要參數(shù)1.2二極管三、發(fā)光二極管LED1.符號和特性工作條件：正向偏置一般工作電流幾十mA，導(dǎo)通電壓(1.53)V符號u/Vi

/mAO2特性1.2二極管1.2二極管四、二極管在電子技術(shù)中的應(yīng)用1、整流2、限幅3、穩(wěn)壓4、開關(guān)5、光電轉(zhuǎn)換與隔離

二極管電路的分析方法定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)導(dǎo)通截止否則，正向管壓降硅0.6~0.7V鍺0.2~0.3V

分析方法：將二極管斷開，分析二極管兩端電位的高低或所加電壓UD的正負。若V陽

>V陰或UD為正(正向偏置)，二極管導(dǎo)通若V陽

<V陰或UD為負(反向偏置)，二極管截止

若二極管是理想的，正向?qū)〞r正向管壓降為零，反向截止時二極管相當于斷開。電工技術(shù)1.2二極管電路如圖所示，求：UABV陽

=－6VV陰=－12VV陽>V陰二極管導(dǎo)通若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB=－6V否則，UAB低于－6V一個管壓降，為－6.3Ｖ或－6.7V例1：

取B點作參考點，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。

在這里，二極管起鉗位作用。

D6V12V3kBAUAB+–1.2二極管兩個二極管的陰極接在一起取B點作參考點，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。V1陽

=－6V，V2陽=0V，V1陰

=V2陰=－12VUD1=6V，UD2=12V

∵

UD2>UD1

∴D2優(yōu)先導(dǎo)通，D1截止。若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB

=0V例2:D1承受反向電壓為－6V流過D2

的電流為求：UAB

在這里，D2起鉗位作用，D1起隔離作用。BD16V12V3kAD2UAB+–1.2二極管ui>8V，二極管導(dǎo)通，可看作短路uo=8V

ui<8V，二極管截止，可看作開路uo=ui已知：二極管是理想的，試畫出uo

波形。8V例3：ui18V參考點二極管陰極電位為8VD8VRuoui++––1.2二極管再見

電子技術(shù)/55

一、晶體管的結(jié)構(gòu)和類型小功率管中功率管大功率管為什么有孔？電子技術(shù)1.3三極管三極管結(jié)構(gòu)示意圖和符號NPN型ecb符號集電區(qū)集電結(jié)基區(qū)發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)集電極c基極b發(fā)射極eNNP1、三極管的結(jié)構(gòu)三極管：三層半導(dǎo)體、二個PN結(jié)、三個電極構(gòu)成1.3三極管集電區(qū)集電結(jié)基區(qū)發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)集電極c發(fā)射極e基極b

cbe符號NNPPN三極管結(jié)構(gòu)示意圖和符號PNP型1.3三極管基區(qū)：最薄，摻雜濃度最低發(fā)射區(qū)：摻雜濃度最高發(fā)射結(jié)集電結(jié)BECNNP基極發(fā)射極集電極結(jié)構(gòu)特點：集電區(qū)：面積最大1.3三極管分類方法種類應(yīng)用按極性分NPN型三極管目前常用的三極管，電流從集電極流向發(fā)射極PNP型三極管電流從發(fā)射極流向集電極按材料分硅三極管熱穩(wěn)定性好，是常用的三極管鍺三極管反向電流大，受溫度影響較大，熱穩(wěn)定性差按工作頻率分低頻三極管工作頻率比較低，用于直流放大、音頻放大電路高頻三極管工作頻率比較高，用于高頻放大電路按功率分小功率三極管輸出功率小，用于功率放大器末前級大功率三極管輸出功率較大，用于功率放大器末級（輸出級）按用途分放大管應(yīng)用在模擬電子電路中開關(guān)管應(yīng)用在數(shù)字電子電路中2、三極管的類型電子技術(shù)1.3三極管1.3三極管二、三極管的基本工作原理1、三極管的電流分配關(guān)系三極管放大的外部條件：發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏BECNNPEBRBECRC從電位的角度看：

NPN

發(fā)射結(jié)正偏VB>VE集電結(jié)反偏

VC>VB

PNP發(fā)射結(jié)正偏

VB<VE集電結(jié)反偏VC<VB三極管電流分配實驗電路

通過調(diào)節(jié)電位器RB的阻值，可調(diào)節(jié)基極的偏壓，從而調(diào)節(jié)基極電流IB的大小。每取一個IB值，從毫安表可讀取集電極電流IC和發(fā)射電流IE的相應(yīng)值，實驗數(shù)據(jù)如下表。電子技術(shù)1.3三極管

三極管各電極電流的實驗數(shù)據(jù)次數(shù)項目123456IB/μA02030405060IC/mA0.0021.11.742.43.023.6IE/mA0.0021.121.772.443.073.66電子技術(shù)1.3三極管1）三電極電流關(guān)系IE=IB+IC2）IC

IB

，

IC

IE

3）IC

IB集電極與基極電流關(guān)系IC=βIB1.3三極管2、三極管的電流放大作用把基極電流的微小變化能夠引起集電極電流較大變化的特性稱為晶體管的電流放大作用。實質(zhì):用一個微小電流的變化去控制一個較大電流的變化直流電流放在系數(shù)交流電流放在系數(shù)1.3三極管三、三極管的特性曲線

即管子各電極電壓與電流的關(guān)系曲線，是管子內(nèi)部載流子運動的外部表現(xiàn)，反映了晶體管的性能，是分析放大電路的依據(jù)。為什么要研究特性曲線：

1）直觀地分析管子的工作狀態(tài)

2）合理地選擇偏置電路的參數(shù)，設(shè)計性能良好的電路

重點討論應(yīng)用最廣泛的共發(fā)射極接法的特性曲線發(fā)射極是輸入回路、輸出回路的公共端共發(fā)射極電路輸入回路輸出回路

測量晶體管特性的實驗線路ICEBmAAVUCEUBERBIBECV++––––++1.3三極管1.3三極管1.輸入特性IB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1VO正常工作時發(fā)射結(jié)電壓：NPN型硅管

UBE0.6~0.7VPNP型鍺管

UBE0.2~0.3V死區(qū)電壓：硅管0.5V，鍺管0.1V。特點:非線性1.3三極管2.輸出特性36IC(mA)1234UCE(V)912O40A60A80A100A20AIB=0輸出特性曲線通常分三個工作區(qū)：(1)放大區(qū)

在放大區(qū)有IC=IB

，也稱為線性區(qū)，具有恒流特性。

在放大區(qū)，發(fā)射結(jié)處于正向偏置、集電結(jié)處于反向偏置，晶體管工作于放大狀態(tài)。IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O（2）截止區(qū)IB<0以下區(qū)域為截止區(qū)，有IC0

。

在截止區(qū)發(fā)射結(jié)處于反向偏置，集電結(jié)處于反向偏置，晶體管工作于截止狀態(tài)。飽和區(qū)截止區(qū)（3）飽和區(qū)

當UCEUBE時，晶體管工作于飽和狀態(tài)。在飽和區(qū)，IBIC，發(fā)射結(jié)處于正向偏置，集電結(jié)也處于正偏。

深度飽和時，硅管UCES0.3V，

鍺管UCES0.1V。1.3三極管1.3三極管四、

主要參數(shù)

表示晶體管特性的數(shù)據(jù)稱為晶體管的參數(shù)，晶體管的參數(shù)也是設(shè)計電路、選用晶體管的依據(jù)。1.電流放大系數(shù)，當晶體管接成發(fā)射極電路時直流電流放大系數(shù)交流電流放大系數(shù)注意：

和

的含義不同，但在特性曲線近于平行等距并且ICE0較小的情況下，兩者數(shù)值接近。常用晶體管的

值在20~200之間。例：在UCE=6V時，在Q1點IB=40A,IC=1.5mA；

在Q2點IB=60A,IC=2.3mA。在以后的計算中，一般作近似處理：=IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)9120Q1Q2在Q1點，有由Q1和Q2點，得1.3三極管基極開路時（IB=0），C-E極間的反向電流。好象是從集電極直接穿透三極管到達發(fā)射極的電流，故又叫“穿透電流”。

ICEO＝（1＋β）ICBO，反映了三極管的穩(wěn)定性。選管子時，ICEO越小，管子受溫度影響越小，工作越穩(wěn)定。2、極間反向電流（1）集電極-基極間的反向飽和電流ICBO

發(fā)射極開路時，C-B極間的反向飽和電流。ICBO越小，集電結(jié)的單向?qū)щ娦栽胶谩?/p>

（2）集電極-發(fā)射極間反向飽和電流ICEO反映三極管的質(zhì)量好壞。1.3三極管

3、極限參數(shù)（1）集電極最大允許電流ICM

集電極電流過大時，三極管的β值要降低，一般規(guī)定β值下降到正常值的2/3時的集電極電流為集電極最大允許電流。

使用時一般IC＜ICM，否則管子易燒毀。選管時，ICM≥IC。（2）集電極-發(fā)射極間的反向擊穿電壓U（BR）CEO基極開路時，加在C與E極間的最大允許電壓。

使用時，一般UCE＜U（BR）CEO，否則易造成管子擊穿。選管時，U（BR）CEO≥UCE。（3）集電極最大允許耗散功率PCM

集電極消耗功率的最大限額。根據(jù)三極管的最高溫度和散熱條件來規(guī)定最大允許耗散功率PCM，要求PCM≥ICUCE。

PCM的大小與環(huán)境溫度有密切關(guān)系，溫度升高，PCM減小。對于大功率管，常在管子上加散熱器或散熱片，降低管子的環(huán)境溫度，從而提高PCM。

工作時，ICUCE＜PCM，否則管子會因過熱而損壞。選管時，PCM≥ICUCE。表示三極管工作時，不允許超過的極限值。電子技術(shù)1.3三極管

由PCM、ICM和UCEO在輸出特性曲線上可以確定過損耗區(qū)、過電流區(qū)和擊穿區(qū)。

輸出特性曲線上的過損耗區(qū)和擊穿區(qū)

PCM=iCuCE

U(BR)CEOUCE/V561.3三極管晶體管參數(shù)與溫度的關(guān)系1、溫度每增加10C，ICBO增大一倍。硅管優(yōu)于鍺管。2、溫度每升高1C，UB