第一章.電子線路

第一章

基本半導(dǎo)體器件§1-1ＰＮ結(jié)半導(dǎo)體：其導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。特殊性質(zhì)即電導(dǎo)率可控：溫度光照磁場(chǎng)摻雜質(zhì)

1.1.1本征半導(dǎo)體GeSi現(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，它們的最外層電子（價(jià)電子）都是四個(gè)而且都具有特定的晶體結(jié)構(gòu)。在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點(diǎn)陣，每個(gè)原子都處在正四面體的中心，而四個(gè)其它原子位于四面體的頂點(diǎn)，每個(gè)原子與其相臨的原子之間形成共價(jià)鍵，共用一對(duì)價(jià)電子。硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)：硅和鍺的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵共用電子對(duì)+4+4+4+4+4表示除去價(jià)電子后的原子共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子被緊緊束縛在共價(jià)鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價(jià)鍵成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。形成共價(jià)鍵后，每個(gè)原子的最外層電子是八個(gè)，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。+4+4+4+4完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體－－本征半導(dǎo)體1.本征半導(dǎo)體的特點(diǎn)在絕對(duì)0度（T=0K）和沒(méi)有外界激發(fā)時(shí),價(jià)電子完全被共價(jià)鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒(méi)有可以運(yùn)動(dòng)的帶電粒子（即載流子），它的導(dǎo)電能力為0，相當(dāng)于絕緣體。在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價(jià)電子獲得足夠的能量而脫離共價(jià)鍵的束縛，成為自由電子，同時(shí)共價(jià)鍵上留下一個(gè)空位，稱為空穴。此時(shí)在外電場(chǎng)作用下具有一定的導(dǎo)電能力+4+4+4+4自由電子空穴束縛電子本征激發(fā)載流子2.本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理+4+4+4+4在其它外力的作用下，空穴吸引附近的電子來(lái)填補(bǔ)，這樣的結(jié)果相當(dāng)于空穴的遷移，而空穴的遷移相當(dāng)于正電荷的移動(dòng)，因此可以認(rèn)為空穴是載流子。本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強(qiáng)，溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個(gè)重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點(diǎn)。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成：

1.自由電子移動(dòng)產(chǎn)生的電流。2.空穴移動(dòng)產(chǎn)生的電流。1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性

雜質(zhì)半導(dǎo)體：在本征半導(dǎo)體中人為摻入某種“雜質(zhì)”元素形成的半導(dǎo)體。分為N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。一N型半導(dǎo)體：在純凈Si中摻入五價(jià)元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半導(dǎo)體。所摻入五價(jià)元素稱為施主雜質(zhì)，簡(jiǎn)稱施主（能供給自由電子）。右圖（2-1）N型半導(dǎo)體中，自由電子為多子，空穴為少子。

二.P型半導(dǎo)體：在純凈Si中摻入三價(jià)元素（硼），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了P型半導(dǎo)體。所摻入三價(jià)元素稱為受主雜質(zhì)，簡(jiǎn)稱受主P型半導(dǎo)體中，空穴為多子，自由電子為少子。§1.1.3PN結(jié)的形成★PN結(jié)：采用不同的摻雜工藝，將P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體制作在同一塊硅片上，在它們的交界面就形成PN結(jié)。PN結(jié)形成過(guò)程分解：1.1.4PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦?/p>

當(dāng)外加電壓使PN結(jié)中P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡(jiǎn)稱正偏；反之稱為加反向電壓，簡(jiǎn)稱反偏。－－－－++++REPN結(jié)正向偏置內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)變薄PN+_內(nèi)電場(chǎng)被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)能夠形成較大的擴(kuò)散電流。反向偏置（簡(jiǎn)稱反偏）PN結(jié)反偏：P區(qū)接低電位（負(fù)電位），N區(qū)接高電位（正電位）。

PN結(jié)反向偏置－－－－++++內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)變厚NP+_內(nèi)電場(chǎng)被被加強(qiáng)，多子的擴(kuò)散受抑制。少子漂移加強(qiáng)，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。RE

PN結(jié)加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流；PN結(jié)加反向電壓時(shí)，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。

由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?/p>

1.3.1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)及符號(hào)

在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個(gè)二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點(diǎn)接觸型、面接觸型和平面型三大類。(1)點(diǎn)接觸型二極管PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。(a)點(diǎn)接觸型

二極管的結(jié)構(gòu)示意圖§1-2二極管(3)平面型二極管往往用于集成電路制造藝中。PN結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開(kāi)關(guān)電路中。(2)面接觸型二極管PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。(b)面接觸型(c)平面型(4)二極管的代表符號(hào)半導(dǎo)體二極管圖片一.PN結(jié)的伏安特性PN結(jié)所加端電壓U與流過(guò)它的電流I的關(guān)系為：其中

為反向飽和電流，VT為kT/q稱溫度的電壓當(dāng)量，k為玻耳茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度，q為電子的電量，常溫下，T＝300K時(shí)，VT可取26mv

1.3.2二極管的伏安特性UI死區(qū)電壓硅管0.6V,鍺管0.2V。導(dǎo)通壓降:硅管0.6~0.7V,鍺管0.2~0.3V。反向擊穿電壓UBRPN結(jié)的伏安特性曲線當(dāng)PN結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值時(shí)，反向電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。熱擊穿——不可逆雪崩擊穿齊納擊穿電擊穿——可逆*擊穿并不意味著PN結(jié)燒壞。二極管的伏安特性曲線可用下式表示硅二極管2CP10的V-I特性鍺二極管2AP15的V-I特性正向特性反向特性反向擊穿特性二.實(shí)際二極管的伏安特性

三.理想二極管的特性

1.二極管的正向壓降遠(yuǎn)小于和它串聯(lián)的電壓2.反向電流遠(yuǎn)小于和它并聯(lián)的電流

三.理想二極管的特性

1.二極管的正向壓降遠(yuǎn)小于和它串聯(lián)的電壓2.反向電流遠(yuǎn)小于和它并聯(lián)的電流0

1.3.3二極管的參數(shù)(1)最大正向電流IF+iDvD-R

1.3.3二極管的參數(shù)(2)反向擊穿電壓VBR和最大反向工作電壓VRMVRM=0.5VBR為了保證二極管安全工作：(3)反向電流IR

1.3.3二極管的參數(shù)(4)正向壓降VF（硅二極管典型值）（鍺二極管典型值）導(dǎo)通壓降：+iDvD-R(5)最高工作頻率fM1.3.4穩(wěn)壓二極管1.穩(wěn)壓特性(a)符號(hào)(b)伏安特性利用二極管反向擊穿特性實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓時(shí)工作在反向電擊穿狀態(tài)。IZ很大，VZ很小。(1)穩(wěn)定電壓VZ(3)動(dòng)態(tài)電阻rZ

在反向擊穿后兩端的實(shí)際工作電壓。rZ=VZ/IZ(4)最大穩(wěn)定工作電流IZmax和最小穩(wěn)定工作電流IZmin2.穩(wěn)壓二極管主要參數(shù)1.3.4穩(wěn)壓二極管(2)穩(wěn)定電流IZ3.如何穩(wěn)壓正常穩(wěn)壓時(shí)VO=VZ限流電阻R的選擇：IZmin

≤IZ≤IZmax一.限幅電路：?jiǎn)蜗蛳薹娐罚喝?7頁(yè)圖二.穩(wěn)壓電路§1.3.5二極管電路

1.4半導(dǎo)體三極管（雙極型晶體管）

1.4.1晶體管的結(jié)構(gòu)及符號(hào)半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。它有兩種類型:NPN型和PNP型。兩種類型的三極管發(fā)射結(jié)(Je)

集電結(jié)(Jc)

基極，用B或b表示（Base）

發(fā)射極，用E或e表示（Emitter）；集電極，用C或c表示（Collector）。

發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)三極管符號(hào)

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：?發(fā)射區(qū)的摻雜濃度最高；?集電區(qū)摻雜濃度低于發(fā)射區(qū)，且面積大；?基區(qū)很薄，一般在幾個(gè)微米至幾十個(gè)微米，且摻雜濃度最低。平面型結(jié)構(gòu)1.內(nèi)部載流子的傳輸過(guò)程

三極管的放大作用是在一定的外部條件控制下，通過(guò)載流子傳輸體現(xiàn)出來(lái)的。外部條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。發(fā)射區(qū)：發(fā)射載流子集電區(qū)：收集載流子基區(qū)：傳送和控制載流子

（以NPN為例）

載流子的傳輸過(guò)程1.4.2晶體管內(nèi)載流子的傳輸過(guò)程以上看出，三極管內(nèi)有兩種載流子(自由電子和空穴)參與導(dǎo)電，故稱為雙極型三極管。或BJT(BipolarJunctionTransistor)。

1.4.2晶體管內(nèi)載流子的傳輸過(guò)程2.電流分配關(guān)系根據(jù)傳輸過(guò)程可知IC=InC+ICBOIB=IB’-ICBO通常IC>>ICBO

為電流放大系數(shù)，與管子的結(jié)構(gòu)尺寸和摻雜濃度有關(guān)一般

=0.90.99IE=IB+IC載流子的傳輸過(guò)程根據(jù)

是另一個(gè)電流放大系數(shù)，同樣，它也與管子的結(jié)構(gòu)尺寸和摻雜濃度有關(guān)。一般

>>1IE=IB+IC可得2.電流分配關(guān)系或?qū)懗?.三極管的三種組態(tài)信號(hào)源負(fù)載模擬信號(hào)的放大共發(fā)射極接法，發(fā)射極作為公共電極，用CE表示；

是共射電流放大系數(shù)，一般

>>13.三極管的三種組態(tài)信號(hào)源負(fù)載共基極接法，基極作為公共電極，用CB表示。

為共基電流放大系數(shù)，一般

=0.90.993.三極管的三種組態(tài)信號(hào)源負(fù)載共集電極接法，集電極作為公共電極，用CC表示;IE=IB（1＋hFE）=IB/(1-hFB)3.三極管的三種組態(tài)共集電極接法，集電極作為公共電極，共基極接法，基極作為公共電極，共發(fā)射極接法，發(fā)射極作為公共電極，BJT的三種組態(tài)實(shí)現(xiàn)這一傳輸過(guò)程的兩個(gè)條件是：（1）內(nèi)部條件：發(fā)射區(qū)雜質(zhì)濃度遠(yuǎn)大于基區(qū)雜質(zhì)濃度，且基區(qū)很薄。（2）外部條件：發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置。IE=IB+ICIC=hFEIBIC=hFBIE 綜上所述，三極管的放大作用，主要是依靠它的發(fā)射極電流能夠通過(guò)基區(qū)傳輸，然后到達(dá)集電極而實(shí)現(xiàn)的。vCE=0V+-bce共射極放大電路VBBVCCvBEiCiB+-vCE

iB=f(vBE)

vCE=const(2)當(dāng)vCE≥1V時(shí)，vCB=vCE

-vBE>0，集電結(jié)已進(jìn)入反偏狀態(tài)，開(kāi)始收集電子，基區(qū)復(fù)合減少，同樣的vBE下IB減小，特性曲線右移。vCE=0VvCE

1V(1)當(dāng)vCE=0V時(shí)，相當(dāng)于發(fā)射結(jié)的正向伏安特性曲線。1.輸入特性曲線1.4.4晶體管的特性曲線（以共射極放大電路為例）(3)輸入特性曲線的三個(gè)部分①死區(qū)

②非線性區(qū)③線性區(qū)

1.輸入特性曲線1.4.4晶體管的特性曲線飽和區(qū)：iC明顯受vCE控制的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)，一般vCE＜0.7V(硅管)。此時(shí)，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏或反偏電壓很小。iC=f(vCE)

iB=const2.輸出特性曲線輸出特性曲線的三個(gè)區(qū)域:1.4.4BJT的特性曲線截止區(qū)：iC接近零的區(qū)域，相當(dāng)iB=0的曲線的下方。此時(shí)，vBE小于死區(qū)電壓，集電結(jié)反偏。放大區(qū)：iC平行于vCE軸的區(qū)域，曲線基本平行等距。此時(shí)，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。end1.4.5BJT的主要參數(shù)(1)共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)

1.電流放大系數(shù)

(2)共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)hfe

hfe

=IC/IBvCE=const1.4.5BJT的主要參數(shù)1.電流放大系數(shù)

(3)共基極直流電流放大系數(shù) =IC/IE

(4)共基極交流電流放大系數(shù)hFE

hFE=IC/IE

VCB=const當(dāng)BJT工作于放大區(qū)時(shí)，≈hfe、≈hfb，可以不加區(qū)分。1.4.5BJT的主要參數(shù)1.電流放大系數(shù)

(2)集電極發(fā)射極間的反向飽和電流ICEO

ICEO=（1+）ICBO

2.極間反向電流ICEO (1)集電極基極間反向飽和電流ICBO