第三節(jié)電子基礎(chǔ)知識

第三節(jié)電子基礎(chǔ)知識第1頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一第一章半導(dǎo)體二極管及基本電路基本要求理解PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，理解二極管、穩(wěn)壓管的工作原理，掌握二極管、穩(wěn)壓管電路的分析方法?；緝?nèi)容基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體二極管二極管基本電路及分析方法穩(wěn)壓二極管及電路分析方法第2頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一1.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識導(dǎo)體：自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體，金屬一般都是導(dǎo)體。絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半導(dǎo)體：另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱為半導(dǎo)體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。第3頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一物質(zhì)的導(dǎo)電性能取決于原子結(jié)構(gòu)。導(dǎo)體一般為低價元素，絕緣體一般為高價元素；使用最多的硅、鍺半導(dǎo)體的原子結(jié)構(gòu)最外層都有四個價電子，具有以下特點：

當(dāng)受外界熱和光的作用時，它的導(dǎo)電能力明顯變化。

往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會使它的導(dǎo)電能力明顯改變。第4頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一概述晶體二極管結(jié)構(gòu)及電路符號：PN結(jié)正偏(P接+、N接-)，D導(dǎo)通。PN正極負(fù)極晶體二極管的主要特性：單向?qū)щ娞匦訮N結(jié)反偏(N接+、P接-)，D截止。即主要用途：用于整流、開關(guān)、檢波電路中。第5頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一一.本征半導(dǎo)體現(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（價電子）都是四個。GeSi通過一定的工藝過程，可以將半導(dǎo)體制成晶體。第6頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一本征半導(dǎo)體：完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。共價鍵共用電子對+4+4+4+4+4表示除去價電子后的原子硅晶體中的共價鍵結(jié)構(gòu)第7頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自由電子，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。形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。共價鍵有很強(qiáng)的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。+4+4+4+4第8頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一在絕對0度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時,價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒有可以運動的帶電粒子，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)，使一些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自由電子，同時共價鍵上留下一個空位，稱為空穴。自由電子和空穴是運載電荷的粒子，稱為載流子第9頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一+4+4+4+4自由電子空穴束縛電子第10頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子來填補(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，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。第11頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一溫度越高，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)體性能的一個重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點。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.自由電子移動產(chǎn)生的電流。

2.空穴移動產(chǎn)生的電流。第12頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一二.雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(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），而形成的半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體第13頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一在硅（或鍺）的晶體中摻人少量的五價元素（如磷元素），如圖所示，多余的第五個價電子很容易掙脫磷原子核的束縛而成為自由電子。1.N型半導(dǎo)體+4+4+5+4多余電子磷原子N型半導(dǎo)體中的載流子是什么？第14頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一在硅（或鍺）的晶體中摻入少量的三價元素（如硼元素），當(dāng)組成共價鍵時，由于缺少一個電子而形成空穴，如圖所示。2.P型半導(dǎo)體+4+4+3+4空穴硼原子P型半導(dǎo)體中空穴是多子，電子是少子。第15頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一3、雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++N型半導(dǎo)體雜質(zhì)型半導(dǎo)體多子和少子的移動都能形成電流。但由于數(shù)量的關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是多子。近似認(rèn)為多子與雜質(zhì)濃度相等。第16頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一⒈半導(dǎo)體中存在著兩種載流子---自由電子和空穴。因此，半導(dǎo)體的導(dǎo)電原理明顯區(qū)別于導(dǎo)體。⒉在本征半導(dǎo)體中摻微量雜質(zhì)可以控制半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力和參加導(dǎo)電的主要載流子的類型。⒊環(huán)境的改變對半導(dǎo)體導(dǎo)電性能有很大的影響。例如當(dāng)溫度增加或受到光照時，半導(dǎo)體導(dǎo)電能力都有所增加。半導(dǎo)體熱敏器件和光敏器件都是利用這一特性制造的。半導(dǎo)體的特點：

第17頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴(kuò)散（多子）漂移（少子）內(nèi)電場對擴(kuò)散運動起阻礙作用，擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬。內(nèi)電場對漂移運動起推動作用，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。空間電荷區(qū)，也稱耗盡層。三.PN結(jié)1.PN結(jié)的形成內(nèi)電場E第18頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?）PN

結(jié)加正向電壓－－－－++++RE內(nèi)電場外電場變薄PN+內(nèi)電場被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)能夠形成較大的擴(kuò)散電流。第19頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一2）PN

結(jié)加反向電壓－－－－++++內(nèi)電場外電場變厚NP+_內(nèi)電場被被加強(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第20頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一結(jié)論：1)PN

結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?)加正向電壓，PN

結(jié)導(dǎo)通，正向電流較大，結(jié)電阻很低。3)加反向電壓，PN結(jié)截止，反向電流很小，結(jié)電阻很高。第21頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一3）PN

擊穿當(dāng)加在PN結(jié)的反向電壓超過某一數(shù)值（UBR）時，反向電流會急劇增加，這種現(xiàn)象稱為反向擊穿。只要PN結(jié)不因電流過大產(chǎn)生過熱而燒毀，反向電擊穿與反向截止兩種狀態(tài)都是可逆的。4）PN結(jié)的電容效應(yīng)加在PN結(jié)上的電壓的變化可影響空間電荷區(qū)電荷的變化，說明PN結(jié)具電容效應(yīng)。PN結(jié)的結(jié)電容的數(shù)值一般很小，故只有在工作頻率很高的情況下才考慮PN結(jié)的結(jié)電容作用。第22頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一1.2半導(dǎo)體二極管一.點接觸式和面接觸式二極管的結(jié)構(gòu)D陰極陽極二極管符號第23頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一二.伏安特性（V—A特性)硅二極管的伏安特性二極管的伏安特性將二極管分為三種狀態(tài)——截止、導(dǎo)通和擊穿。第24頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一

硅二極管的伏安特性鍺二極管的伏安特性第25頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一1）正向特性：

OA段：當(dāng)UF

＜Uon

（死區(qū)電壓）時外電場不足以克服結(jié)內(nèi)電場對多數(shù)載流子擴(kuò)散運動的阻力，故正向電流IF

很小(IF≈0)，D處于截止?fàn)顟B(tài)。硅(Si)：Uon≈0.5V;鍺(Ge):Uon≈0.1V。

AB段：當(dāng)UF

＞Uon后，

Ed↓→擴(kuò)散運動↑→

IF↑→D導(dǎo)通。

D導(dǎo)通時的正向壓降，硅管約為(0.6~0.7)V，鍺管約為(0.2~0.3)V。分析：第26頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一2）反向特性O(shè)C段：當(dāng)UR

＜UBR

（擊穿電壓）時，

CD段：當(dāng)UR

＞UBR

后，PN結(jié)被擊穿，IR隨△UD失去單向?qū)щ娦?。擴(kuò)散漂移EdIR

很小D截止。一般情況下，鍺管反向電流IR＞硅管IR反向電流。第27頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一三.主要參數(shù)1）最大整流電流IFM

二極管長時間可靠工作時，允許流過二極管的最大正向平均電流。

2）最高反向工作電壓URM

保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓。URM=（擊穿電壓）/23）最大反向電流IRM

當(dāng)二極管加上反向工作峰值電壓時所對應(yīng)的反向電流。IRM越小，單向?qū)щ娦栽胶谩５?8頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一

二極管的應(yīng)用很廣，其基本電路有整流電路、開關(guān)電路、限幅電路等。由于二極管是非線性器件，分析電路時常采用模型分析法。

理想模型恒壓模型

1.3二極管基本電路及分析方法第29頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一二極管：死區(qū)電壓=0.5V，正向壓降0.7V(硅二極管)理想二極管：死區(qū)電壓=0，正向壓降=0RLuiuouiuott二極管的應(yīng)用舉例：二極管半波整流第30頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一1.4穩(wěn)壓二極管（DZ)穩(wěn)壓二極管的工作機(jī)理是利用PN結(jié)的擊穿特性。一.V—A特性、符號、狀態(tài)DZDZ第31頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一分析：1）穩(wěn)壓管的正向特性與二極管相同。2）穩(wěn)壓管的反向特性O(shè)A段：當(dāng)0＜U＜UZ

（反向擊穿電壓，數(shù)值較?。r，IZ很小，穩(wěn)壓管截止；AB段：當(dāng)U≥UZ

時，穩(wěn)壓管反向擊穿，I

Z

很大，雖△I

Z變化范圍很大，但DZ

穩(wěn)壓管兩端的電壓△UZ

變化很??；體現(xiàn)了穩(wěn)壓特性。由此得知：1）穩(wěn)壓管的V—A特性為非線性，且反向特性很陡；2）穩(wěn)壓管有導(dǎo)通、截止、擊穿三個狀態(tài)，常工作于反向擊穿狀態(tài)。第32頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一二.主要參數(shù)1).穩(wěn)定電壓UZ

DZ在正常工作下管子兩端的電壓，也就是它的反向擊穿電壓。2).穩(wěn)定電流IZ

DZ在穩(wěn)定電壓工作管子中的工作電流。3).動態(tài)電阻rZ

DZ管端電壓的變化量與相應(yīng)的電流變化量的比值。即（動態(tài)電阻愈小，穩(wěn)壓性能愈好。）第33頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一1．發(fā)光二極管當(dāng)發(fā)光二極管的PN結(jié)加上正向電壓時，導(dǎo)通并發(fā)光，常用于信號指示、數(shù)字和字符顯示。發(fā)光二極管符號及應(yīng)用電路1.5特殊二極管第34頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一2．變?nèi)荻O管

對PN結(jié)，當(dāng)外加反向電壓增大時，耗盡層加寬，相當(dāng)于平板電容兩極板之間距離加大，電容減小。反之，反向電壓減小時，耗盡層變窄，等效平板電容兩極板之間距離變小，電容增加。變?nèi)荻O管就是利用PN結(jié)這個特性制成的。其符號及特性如下圖所示。變?nèi)荻O管容量很小，所以主要用于高頻場合。第35頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一3．光電二極管

光電二極管，又稱為光敏二極管，它的反向電流的大小與光的照度成正比。光電二極管符號第36頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一第二講晶體三極管第37頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一

一、晶體管的結(jié)構(gòu)和符號晶體管有三個極、三個區(qū)、兩個PN結(jié)。小功率管中功率管大功率管為什么有孔？第38頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一三極管的基本結(jié)構(gòu)NNP基極發(fā)射極集電極NPN型BECBECPNP型PPN基極發(fā)射極集電極符號：BECIBIEICBECIBIEICNPN型三極管PNP型三極管第39頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一基區(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)：面積最大第40頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一二、晶體管的放大原理

擴(kuò)散運動形成發(fā)射極電流IE，復(fù)合運動形成基極電流IB，漂移運動形成集電極電流IC。少數(shù)載流子的運動因發(fā)射區(qū)多子濃度高使大量電子從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)因基區(qū)薄且多子濃度低，使極少數(shù)擴(kuò)散到基區(qū)的電子與空穴復(fù)合因集電區(qū)面積大，在外電場作用下大部分?jǐn)U散到基區(qū)的電子漂移到集電區(qū)基區(qū)空穴的擴(kuò)散第41頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一3電流分配和放大原理1.三極管放大的外部條件BECNNPEBRBECRC發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏PNP發(fā)射結(jié)正偏VB<VE集電結(jié)反偏VC<VB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

第42頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一2.各電極電流關(guān)系及電流放大作用IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.10<0.0010.701.502.303.103.95<0.0010.721.542.363.184.05結(jié)論:1）三電極電流關(guān)系IE=IB+IC2）IC

IB

，

IC

IE

3）IC

IB

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，是CCCS器件。第43頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一三、晶體管的共射輸入特性和輸出特性1.輸入特性

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第44頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一發(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++––––++第45頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一1.

輸入特性特點:非線性死區(qū)電壓：硅管0.5V，鍺管0.1V。正常工作時發(fā)射結(jié)電壓：NPN型硅管

UBE0.6~0.7VPNP型鍺管

UBE0.2~0.3VIB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1VO第46頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一2.輸出特性IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O放大區(qū)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)。第47頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一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?fàn)顟B(tài)。飽和區(qū)截止區(qū)（3）飽和區(qū)

當(dāng)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。第48頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一晶體管的三個工作區(qū)域

晶體管工作在放大狀態(tài)時，輸出回路的電流iC幾乎僅僅決定于輸入回路的電流iB，即可將輸出回路等效為電流iB

控制的電流源iC

。狀態(tài)uBEiCuCE截止＜UonICEOVCC放大≥UonβiB≥uBE飽和≥Uon＜βiB≤uBE第49頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一3

主要參數(shù)1.電流放大系數(shù)，直流電流放大系數(shù)交流電流放大系數(shù)當(dāng)晶體管接成發(fā)射極電路時，

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)。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