無線電技術(shù)原理導(dǎo)論第三章電子器件

第三章電子器件序

■導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體

■半導(dǎo)體器件第一節(jié)半導(dǎo)體二極管

■半導(dǎo)體二極管的工作特性

■半導(dǎo)體二極管的電壓和電流關(guān)系

■半導(dǎo)體二極管的種類及其主要特性參數(shù)與常用電路

■半導(dǎo)體二極管的種類與選用第二節(jié)半導(dǎo)體三極管

■半導(dǎo)體三極管的工作特性

■半導(dǎo)體三極管常用電路

■半導(dǎo)體三極管的種類與選用序

一.導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體

物質(zhì)按照導(dǎo)電能力的大小分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。導(dǎo)體具有良好導(dǎo)電能力的物質(zhì)。其電阻率在10-6~10-1歐姆·厘米(Ω·cm)。例如,金屬。銀銅鋁的電阻率為10-6~10-5Ω·cm

絕緣體導(dǎo)電能力能力很差或不能導(dǎo)電的物質(zhì)。其電阻率一般大于106~1018歐姆·厘米(Ω·cm)。例如,玻璃、塑料、陶瓷,其電阻率大于109Ω·cm

半導(dǎo)體導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。其電阻率在10-3~109歐姆·厘米(Ω·cm)。例如,硅,其電阻率為2.14×105Ω·cm二.半導(dǎo)體的特點(diǎn)

半導(dǎo)體不僅在于其電阻率與導(dǎo)體和絕緣體的在數(shù)值上差別,而且在于其導(dǎo)電性具有兩個(gè)顯著的特點(diǎn):

電阻率受雜質(zhì)的影響極大在半導(dǎo)體中摻入雜質(zhì)，其電阻率會(huì)顯著下降。例如,

硅(Si)中含有億分之一的硼(B),其電阻率會(huì)下降到2.14×103Ω·cm,比無雜質(zhì)的純硅降低100倍。如果半導(dǎo)體所含雜質(zhì)的類型不同,其導(dǎo)電類型也不同。電阻率受外界條件(如熱、光等)的影響很大

溫度升高或受光照射時(shí),半導(dǎo)體的電阻率會(huì)迅速下降。

三.半導(dǎo)體的類型

按化學(xué)成分可分為元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體;■元素半導(dǎo)體由單一元素組成的半導(dǎo)體材料例如：Si，Ge均為常用的元素半導(dǎo)體■化合物半導(dǎo)體由化合物組成的半導(dǎo)體材料例如：GaAs，GaP均為常用的化合物半導(dǎo)體無論是元素半導(dǎo)體還是化合物半導(dǎo)體

按含否雜質(zhì)可分為本征半導(dǎo)體和非本征半導(dǎo)體;▲本征半導(dǎo)體不含雜質(zhì)、無缺陷的半導(dǎo)體材料?！潜菊靼雽?dǎo)體摻雜質(zhì)、有缺陷的半導(dǎo)體材料，這種半導(dǎo)體材料按導(dǎo)電類型分為N型和P型半導(dǎo)體

N型半導(dǎo)體

以電子為多數(shù)載流子的半導(dǎo)體材料

P型半導(dǎo)體

以空穴為多數(shù)載流子的半導(dǎo)體材料四.本征半導(dǎo)體的原子結(jié)構(gòu)

原子由帶正電的原子核和帶等量負(fù)電的核外電子組成。原子呈電中性。電子分列在不同的殼層上繞原子核運(yùn)動(dòng)。每殼層軌道上分列的最大電子數(shù)為2n2(n是殼層數(shù))。內(nèi)層電子受原子核的吸引力大于外層電子。最外層電子為價(jià)電子,容易脫離原子核的束縛，成為自由電子。根據(jù)泡利不相容原理,1s層最多容納的電子數(shù):22s層最多容納的電子數(shù):22p層最多容納的電子數(shù):63s層最多容納的電子數(shù):23p層最多容納的電子數(shù):63d層最多容納的電子數(shù):10硅原子有14個(gè)電子,分列在1s,2s,2p,3s,3p層上,3層沒滿只有4個(gè)電子,所以硅有4個(gè)價(jià)電子,為四價(jià)元素。五.N型半導(dǎo)體與P型半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體由于其原子外層電子的熱運(yùn)動(dòng),存在成對(duì)產(chǎn)生的自由電子和空穴,在溫度t下,自由電子和空穴對(duì)的產(chǎn)生與復(fù)合會(huì)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡,數(shù)量有限而且是t的函數(shù)。因此,本征半導(dǎo)體導(dǎo)電性能低。根據(jù)半導(dǎo)體的一個(gè)顯著特點(diǎn)：在半導(dǎo)體中摻入雜質(zhì)，其電阻率會(huì)顯著下降。因此，通過在半導(dǎo)體中摻入一定量的雜質(zhì)，可以獲得滿足導(dǎo)電性要求(電阻率,導(dǎo)電載流子類型)的半導(dǎo)體材料。1.N型半導(dǎo)體例如，在Si本征半導(dǎo)體材料中摻入五價(jià)元素磷(P),P原子貢獻(xiàn)出1個(gè)自由電子。因此,P原子被稱作施主。Si半導(dǎo)體材料中自由電子數(shù)量取決于摻入的P原子數(shù)量(摻雜濃度),其多數(shù)載流子是P原子貢獻(xiàn)的自由電子。摻入P的Si半導(dǎo)體為N型半導(dǎo)體。2.P型半導(dǎo)體例如，在Si本征半導(dǎo)體材料中摻入三價(jià)硼(B),B原子空出1個(gè)空 穴。因此,B原子被稱作受主。Si半導(dǎo)體材料中空穴數(shù)量取決于摻入的B原子數(shù)量(摻雜濃度)。Si半導(dǎo)體多數(shù)載流子是B原子空出的空穴。摻入B的Si半導(dǎo)體為P型半導(dǎo)體。六.半導(dǎo)體器件

采用半導(dǎo)體材料制造的器件,統(tǒng)稱為半導(dǎo)體器件。其種類繁多,通常分為半導(dǎo)體分立器件和半導(dǎo)體集成電路。半導(dǎo)體分立器件分為半導(dǎo)體二極管和半導(dǎo)體三極管。半導(dǎo)體二極管通常是指具有一個(gè)PN結(jié)的半導(dǎo)體分立器件。根據(jù)特性和用途又分為整流、檢波二極管,穩(wěn)壓二極管,開關(guān)二極管,變?nèi)荻O管,…半導(dǎo)體三極管通常是指具有兩個(gè)PN結(jié)的半導(dǎo)體分立器件。根據(jù)其特性和用途又分為：高頻三極管,低頻三極管,開關(guān)三極管,…半導(dǎo)體集成電路

是在一片半導(dǎo)體材料上制造的由二極管、三極管、電阻、電容組成的電路。第一節(jié)半導(dǎo)體二極管

一、半導(dǎo)體二極管工作特性二極管在電路中具有單向?qū)щ娦?。按國際制(SI),在電路中二極管的符號(hào):D

工作原理：

無外電場時(shí)

外加電場時(shí)二、半導(dǎo)體二極管的電壓和電流關(guān)系

在溫度T下,二極管伏安特性曲線：

△二極管具有單向?qū)щ娞匦??！鳒囟壬邥r(shí),半導(dǎo)體的電阻率會(huì)迅速下降,V-I曲線會(huì)漂移。

VF:正向電壓

IF:正向電流

IFM:最大正向電流

VR:反向電壓

VRWM:反向工作峰值電壓

IR

(

IRM

)

:反向電流三、半導(dǎo)體二極管的種類及其主要特性參數(shù)與常用電路1.整流、檢波二極管

整流、檢波二極管工作原理都是單向?qū)щ娦浴?/p>

整流管的作用:將交流電變成直流電。

檢波管的作用:取出調(diào)制高頻無線電波中的低頻信號(hào)。

主要參數(shù)

VF,IF,VR,IR

常用電路⑴半波整流電路

υo

=0≤ωt≤π0π≤ωt≤2π

常用電路(續(xù))

⑵全波整流電路

E:交流電壓有效值

Vo:輸出電壓有效值

VR:二極管最大反向電壓

υo=0≤ωt≤2π

⑶橋式整流電路

⑷檢波電路

2.開關(guān)二極管

開關(guān)二極管工作原理是單向?qū)щ娦?。開關(guān)管的作用:整流和開關(guān)。

主要參數(shù):VF,IF,VR,IR,trr

開關(guān)時(shí)間,通常用trr(反向恢復(fù)時(shí)間)表示,是二極管由導(dǎo)通到關(guān)斷的過渡時(shí)間正向?qū)娮韬苄?反向關(guān)斷電阻很大影響開關(guān)時(shí)間的主要因素:①電子和空穴的存儲(chǔ)效應(yīng)②PN結(jié)的電容效應(yīng)常用電路

⑴削波電路

常用電路(續(xù))⑵雙向限幅電路

⑶邏輯電路

3.穩(wěn)壓二極管

穩(wěn)壓二極管工作原理是齊納(Zener)擊穿特性。

Zener提出:當(dāng)PN結(jié)的電場強(qiáng)度足夠大時(shí)(106V/cm),可直接把晶格原子中的價(jià)電子從束縛狀態(tài)解放出來,成為載流子,從而使反向電流劇增。穩(wěn)壓管也稱齊納管。齊納擊穿是非破壞性擊穿。穩(wěn)壓管的作用:穩(wěn)定電壓。

主要參數(shù):VZ工作電壓

IZ

在工作電壓范圍內(nèi)的工作電流

IZM

在工作電壓范圍內(nèi)的最大工作電流

rZ微分電阻

IR反向電流

αVZ工作電壓溫度系數(shù)

Ptot總耗散功率

常用電路:

⑴穩(wěn)壓電路

穩(wěn)壓管D與負(fù)載RL并聯(lián)，此電路也稱作并聯(lián)穩(wěn)壓電路。

穩(wěn)壓管D的作用:保護(hù)負(fù)載RL不受電源浪涌的影響,使Vo=VZ。

該電路對(duì)負(fù)載的要求:ILRL=VZmin～VZmax

，所以，IZmin≤IL≤IZmax，否則無法VZ保持。

常用電路(續(xù))⑵穩(wěn)壓管保護(hù)表頭電路

穩(wěn)壓管D的作用:一般選VZ稍高于表頭滿刻度電壓Vo,當(dāng)表頭電壓VA≥VZ時(shí),

穩(wěn)壓管D導(dǎo)通,從而避免表頭過流受損。

⑶穩(wěn)壓管限幅電路穩(wěn)壓管D的作用:

當(dāng)υi高于穩(wěn)壓管VZ時(shí),

輸出信號(hào)Vo被切成方波。

4.變?nèi)荻O管變?nèi)荻O管是利用半導(dǎo)體PN結(jié)電容(或金屬-半導(dǎo)體接觸勢壘)

隨外加電壓的非線性變化。

變?nèi)荻O管通常在反向偏壓下工作。變?nèi)莨艿淖饔?

作為變電抗(替代可變電容)用于調(diào)諧電路。變?nèi)莨艿牡刃щ娐?

主要參數(shù):

VR工作電壓(反向偏壓)

VB

(VRm)最大工作電壓

Ct

在工作電壓VR下的結(jié)電容

突變結(jié):n=2,緩變結(jié):n=3,超突變結(jié):n＜2rs

串聯(lián)電阻

Q結(jié)電容品質(zhì)因數(shù),是表示結(jié)電容品質(zhì)的參數(shù)，Q=1/2πfrsCt

rs越小，Q值越高。

fC截止頻率,是Q=1時(shí)f值,fC=1/2πrsCt

,rs越小,fC越高。

常用電路⑴壓控振蕩電路

VCO

常用電路(續(xù))

⑵倍頻電路變?nèi)莨艿淖饔?

基波經(jīng)fi濾波器至變?nèi)莨軙r(shí),由于變?nèi)莨蹸-V為非線性關(guān)系,在

A點(diǎn)除基波外,

還有二次諧波2fi,

三次諧波3fi,…

用諧波nfi濾波器可取得所需的第

n次諧波。四、半導(dǎo)體二極管的種類與選用1.國產(chǎn)二極管的型號(hào)

例如：

2CB22

2CK502CZ1052CW702.進(jìn)口二極管的型號(hào)

例如：

1N4007

1N821第二節(jié)半導(dǎo)體三極管

一、半導(dǎo)體三極管工作特性按國際制(SI),

在電路中三極管的符號(hào):T

1.

雙極型晶體管

△工作原理(NPN管示例)

△雙極型晶體管V-I特性曲線

NPN管示例△雙極型晶體管的主要特性參數(shù)

Ptot總耗散功率

PCM集電極耗散功率

IC集電極電流

ICM集電極峰值電流

IB基極電流

IE發(fā)射極電流

VCE(sat)集電極-發(fā)射極飽和電壓

VBE(sat)基極-發(fā)射極飽和電壓

V(BR)CEOIB=0時(shí)集電極-發(fā)射極擊穿電壓

V(BR)CBOIE=0時(shí)集電極-基極擊穿電壓

V(BR)EBOIC=0時(shí)發(fā)射極-基極擊穿電壓

ICEOIB=0時(shí)集電極-發(fā)射極截止電流

ICBOIE=0時(shí)集電極-基極截止電流

IEBOIC=0時(shí)發(fā)射極-基極截止電流

△雙極型晶體管的主要特性參數(shù)(續(xù))

hFE共發(fā)射極正向電流傳輸比

β共發(fā)射極動(dòng)態(tài)電流放大系數(shù)

α

共基極動(dòng)態(tài)電流放大系數(shù)

γ共集電極動(dòng)態(tài)電流放大系數(shù)

fT特征頻率

fβ共發(fā)射極截止頻率

fα共基極截止頻率二、半導(dǎo)體三極管常用電路1.雙極型晶體管基本電路

1.雙極型晶體管基本電路(續(xù))

雙極型晶體管基本電路中電壓和電流的相位關(guān)系共發(fā)射極電路電壓反相電流同相

共基極電路電壓反相電流反相

共集電極電路電壓同相電流反相2.雙極型晶體管基本電壓放大電路

⑴直流偏置狀態(tài)---靜態(tài):(υi=0)

●靜態(tài)工作點(diǎn)●靜態(tài)工作點(diǎn)的確定

方法一:計(jì)算法⊙靜態(tài)基極電流VBE和IB的計(jì)算

VBE=E-IBRB,IB=(E-VBE)/RB

由于EB結(jié)為正向偏置，VBE比較小(硅管:0.6~0.7V;鍺管:0.3~0.4V;),

因此,IB≈E/RB,當(dāng)E和RB確定后,IB即可確定?！鸯o態(tài)集電極電流IC的計(jì)算

IC=hFEIB(IC=βIB)晶體管其hFE(β)是確定的,IC即可確定⊙靜態(tài)集電極-發(fā)射極電壓VCE的計(jì)算

VCE=E-ICRC,當(dāng)E和RC確定后,VCE即可確定?！耢o態(tài)工作點(diǎn)的確定(續(xù))

方法二:圖解法例: