第一章 電子技術(shù)教案

引言

?課程介紹

一、什么是電子技術(shù)

電子技術(shù)是把電子元器件組成的電子電路應(yīng)用到科學(xué)、技術(shù)、生產(chǎn)、生

活各項(xiàng)領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)，電子電路是信息社會(huì)產(chǎn)生、傳送、處理信號(hào)的（硬

件）載體。

注：常用的電子元器件

元件：電阻、電容、電感

器件：半導(dǎo)體二極管和三極管、電子管、集成電路、傳感器、變壓器、

濾波器、繼電器等。

二、課程的性質(zhì)、特點(diǎn)、要求以及學(xué)習(xí)方法

課程性質(zhì)：技術(shù)基礎(chǔ)課

課程特點(diǎn)：

1.實(shí)踐性、工程性強(qiáng)，多采用近似方法分析計(jì)算

2.小信號(hào)下非線性電路按線性電路處理

3.內(nèi)容復(fù)雜、不斷更新

4.入門難

學(xué)習(xí)要求：理解基本原理掌握基本方法熟悉基本電路理論聯(lián)系實(shí)際

學(xué)習(xí)方法

1.從外特性上認(rèn)識(shí)理解基本元器件，淡化對其物理機(jī)理的追究

2.從系統(tǒng)角度認(rèn)識(shí)電路，理解不同電路耦合時(shí)，它們之間作為信號(hào)源與

負(fù)載的相對關(guān)系，以及輸入、輸出電阻的相互影響

3.歸納分析計(jì)算不同電路參數(shù)的基本方法，不死記硬背公式

4.把非線性電路作為線性電路對待

5.重視實(shí)踐，注重理性認(rèn)識(shí)和感性認(rèn)識(shí)的相輔相成

6.堅(jiān)持預(yù)習(xí)，及時(shí)復(fù)習(xí)，認(rèn)真聽課，獨(dú)立并及時(shí)完成作業(yè)和實(shí)驗(yàn)作業(yè)

?課堂教學(xué)內(nèi)容

「模擬電子技術(shù)一電路工作在連續(xù)信號(hào)下（1—3章）

電子技術(shù)，

八I數(shù)字電子技術(shù)一電路工作在離散信號(hào)下（6—9章）

模擬部分：

1.基本器件

半導(dǎo)體管：二極管、三極管（雙極性，晶體三極管。單極性，場效應(yīng)管）

集成器件：集成運(yùn)算放大器、集成功率放大器、集成模擬乘法器、線性集成

穩(wěn)壓器）

教學(xué)內(nèi)容：工作原理、性能參數(shù)、外特性

2.基本電路

共發(fā)射極放大電路］

“共集電極放大電路F晶體三極管構(gòu)成

共基極放大電路J

基本放大電路形式＜

差分放大電路

1互補(bǔ)對稱功率放大電路

基本應(yīng)用電路：運(yùn)算電路

教學(xué)內(nèi)容：電路的工作原理和分析方法

數(shù)字部分：

數(shù)字邏輯基礎(chǔ)、集成邏輯門電路、組合邏輯電路的分析和設(shè)計(jì)、集成觸

發(fā)器、時(shí)序邏輯電路的分析和設(shè)計(jì)、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器及數(shù)-模和模-數(shù)轉(zhuǎn)換等

第一章半導(dǎo)體基礎(chǔ)及常用器件

引言

半導(dǎo)體器件是在20世紀(jì)50年代初發(fā)展起來的電子器件，它具有體積小、

質(zhì)量小、使用壽命長、輸入功率小等優(yōu)點(diǎn)。本章主要介紹本征半導(dǎo)體、P型和

N型半導(dǎo)體的特征及PN結(jié)的形成過程；二極管的伏安特性及其分類、用途；

三極管的電流放大原理，其輸入和輸出特性的分析方法；雙極型和單極型三

極管在控制原理上的區(qū)別。

講授新課

1.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)

1.導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體

物質(zhì)按導(dǎo)電性能可分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。物質(zhì)的導(dǎo)電特性取決于原

子結(jié)構(gòu)。

（1）導(dǎo)體

導(dǎo)體一般為低價(jià)元素，如銅、鐵、鋁等金屬，其最外層電子受原子核的

束縛力很小，因而極易掙脫原子核的束縛成為自由電子。因此在外電場作用

下，這些電子產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)（稱為漂移運(yùn)動(dòng)）形成電流，呈現(xiàn)出較好的導(dǎo)電特

性。

（2）絕緣體

高價(jià)元素（如惰性氣體）和高分子物質(zhì)（如橡膠，塑料）最外層電子受原

子核的束縛力很強(qiáng)，極不易擺脫原子核的束縛成為自由電子，所以其導(dǎo)電性

極差，可作為絕緣材料。

（3）半導(dǎo)體

半導(dǎo)體的最外層電子數(shù)一般為4個(gè)，既不像導(dǎo)體那樣極易擺脫原子核的

束縛，成為自由電子，也不像絕緣體那樣被原子核束縛得那么緊，因此，半

導(dǎo)體的導(dǎo)電特性介于二者之間。常用的半導(dǎo)體材料有硅、錯(cuò)、硒等。

2.半導(dǎo)體的獨(dú)特性能

金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)率一般在105s/cm量級(jí)；塑料、云母等絕緣體的電導(dǎo)率通

常是10-22"10-14s/cm量級(jí)；半導(dǎo)體的電導(dǎo)率則在10-9"102s/cm量級(jí)。

半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力雖然介于導(dǎo)體和絕緣體之間，但半導(dǎo)體的應(yīng)用卻極其

廣泛，這是由半導(dǎo)體的獨(dú)特性能決定的：

光敏性——半導(dǎo)體受光照后，其導(dǎo)電能力大大增強(qiáng)

熱敏性一受溫度的影響，半導(dǎo)體導(dǎo)電能力變化很大；

摻雜性——在半導(dǎo)體中摻入少量特殊雜質(zhì)，其導(dǎo)電能力極大地增強(qiáng)；

半導(dǎo)體材料的獨(dú)特性能是由其內(nèi)部的導(dǎo)電機(jī)理所決定的。

3.本征半導(dǎo)體

純凈晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。常用的半導(dǎo)體材料是硅和

錯(cuò)，它們都是四價(jià)元素，在原子結(jié)構(gòu)中最外層軌道上有四個(gè)價(jià)電子。如圖1.1.1

所示

把硅或錯(cuò)材料拉制成單晶體時(shí)，相鄰兩個(gè)原子的一對最外層電子（價(jià)電子）

成為共有電子，它們一方面圍繞自身的原子核運(yùn)動(dòng)，另一方面又出現(xiàn)在相鄰

原子所屬的軌道上。即價(jià)電子不僅受到自身原子核的作用，同時(shí)還受到相鄰原

子核的吸引。于是，兩個(gè)相鄰的原子共有一對價(jià)電子，組成共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。故晶

體中，每個(gè)原子都和周圍的4個(gè)原子用共價(jià)鍵的形式互相緊密地聯(lián)系起來，如

圖1.1.3所示。

圖1.1.3單晶硅和錯(cuò)的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)示意圖

從共價(jià)鍵晶格結(jié)構(gòu)來看，每個(gè)原子外層都具有8個(gè)價(jià)電子。但價(jià)電子是

相鄰原子共用，所以穩(wěn)定性并不能象絕緣體那樣好。

受光照或溫度上升影響，共價(jià)鍵中價(jià)電子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，一些價(jià)電子會(huì)

掙脫原子核的束縛游離到空間成為自由電子。

游離走的價(jià)電子原位上留下一個(gè)不能移動(dòng)的空位，叫空穴。

由于熱激發(fā)而在晶體中出現(xiàn)電子空穴對的現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。

本征激發(fā)的結(jié)果，造成了半導(dǎo)體內(nèi)部自由電子載流子運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生，由此

本征半導(dǎo)體的電中性被破壞，使失掉電子的原子變成帶正電荷的離子。

由于共價(jià)鍵是定域的，這些帶正電的離子不會(huì)移動(dòng)，即不能參與導(dǎo)電，

成為晶體中固定不動(dòng)的帶正電離子。

受光照或溫度上升影響，共價(jià)鍵中其它一些價(jià)電子直接跳進(jìn)空穴，使失

電子的原子重新恢復(fù)電中性。價(jià)電子填補(bǔ)空穴的現(xiàn)象稱為復(fù)合。

參與復(fù)合的價(jià)電子又會(huì)留下一個(gè)新的空位，而這個(gè)新的空穴仍會(huì)被鄰近共價(jià)

鍵中跳出來的價(jià)電子填補(bǔ)上，這種價(jià)電子填補(bǔ)空穴的復(fù)合運(yùn)動(dòng)使本征半導(dǎo)體

中又形成一種不同于本征激發(fā)下的電荷遷移，為區(qū)別于本征激發(fā)下自由電子

載流子的運(yùn)動(dòng)，我們把價(jià)電子填補(bǔ)空穴的復(fù)合運(yùn)動(dòng)稱為空穴載流子運(yùn)動(dòng)。

自由電子載流子運(yùn)動(dòng)可以形容為沒有座位人的移動(dòng)；空穴載流子運(yùn)動(dòng)

則可形容為有座位的人依次向前挪動(dòng)座位的運(yùn)動(dòng)。半導(dǎo)體內(nèi)部的這兩種運(yùn)動(dòng)

總是共存的，且在一定溫度下達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。

半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理：

半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理與金屬導(dǎo)體導(dǎo)電機(jī)理有本質(zhì)上的區(qū)別：

金屬導(dǎo)體中只有自由電子一種載流子參與導(dǎo)電；而半導(dǎo)體中則是本征激發(fā)

下的自由電子和復(fù)合運(yùn)動(dòng)形成的空穴兩種載流子同時(shí)參與導(dǎo)電。兩種載流子

電量相等、符號(hào)相反，即自由電子載流子和空穴載流子的運(yùn)動(dòng)方向相反。

結(jié)論:

1.本征半導(dǎo)體中電子空穴成對出現(xiàn)，且數(shù)量少

2.半導(dǎo)體中有電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電

3.本征半導(dǎo)體導(dǎo)電能力弱，并與溫度有關(guān)。

4.雜質(zhì)半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中，有選擇地?fù)饺肷倭科渌兀瑫?huì)使其導(dǎo)電性能發(fā)生顯

著變化。這些少量元素統(tǒng)稱為雜質(zhì)。摻入雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。根

據(jù)摻入的雜質(zhì)不同，有N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體兩種。

（1）N型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中，摻入微量5價(jià)元素，如磷、睇、碑等，則原來晶格

中的某些硅（錯(cuò)）原子被雜質(zhì)原子代替。由于雜質(zhì)原子的最外層有5個(gè)價(jià)電子,

因此它與周圍4個(gè)硅（錯(cuò)）原子組成共價(jià)鍵時(shí)，還多余1個(gè)價(jià)電子。它不受

共價(jià)鍵的束縛，而只受自身原子核的束縛，因此，它只要得到較少的能量就

能成為自由電子，并留下帶正電的雜質(zhì)離子，它不能參與導(dǎo)電，如圖1.1.

4所示。顯然，這種雜質(zhì)半導(dǎo)體中電子濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空穴的濃度，即

加>>“（下標(biāo)n表示是N型半導(dǎo)體），主要靠電子導(dǎo)電，所以稱為N型半導(dǎo)體。

由于5價(jià)雜質(zhì)原子可提供自由電子，故稱為施主雜質(zhì)。N型半導(dǎo)體中，自由

電子稱為多數(shù)載流子；空穴稱為少數(shù)載流子。

\?/\91

二?■這?◎運(yùn)傘?二

圖1.1.4N型半導(dǎo)體原子結(jié)構(gòu)示意圖

（2）P型半導(dǎo)體

在本征硅（或楮）中摻入少量的三價(jià)元素，如硼、鋁、錮等，就得到P

型半導(dǎo)體。這時(shí)雜質(zhì)原子替代了晶格中的某些硅原子，它的三個(gè)價(jià)電子和相

鄰的四個(gè)硅原子組成共價(jià)鍵時(shí)，只有三個(gè)共價(jià)鍵是完整的，第四個(gè)共價(jià)鍵因

缺少一個(gè)價(jià)電子而出現(xiàn)一個(gè)空位，如圖1.L5所示。

圖1.1.5P型半導(dǎo)體原子結(jié)構(gòu)示意圖

(3)P型、N型半導(dǎo)體的簡化圖示

圖1.1.6所示為P型、N型半導(dǎo)體的簡化圖

圖1.1.6P型、N型半導(dǎo)體的簡化圖

結(jié)論：

N型半導(dǎo)體：自由電子稱為多數(shù)載流子；空穴稱為少數(shù)載流子，載流子數(shù)x

電子數(shù)

P型半導(dǎo)體：空穴稱為多數(shù)載流子；自由電子稱為少數(shù)載流子，載流子數(shù)a

空穴數(shù)

5.PN結(jié)

(1)PN結(jié)的形成

1)載流子的濃度差引起多子的擴(kuò)散

在一塊完整的晶片上，通過一定的摻雜工藝，一邊形成P型半導(dǎo)體，另一邊形

成N型半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體有機(jī)地結(jié)合在一起時(shí)，因?yàn)镻區(qū)一

側(cè)空穴多，N區(qū)一側(cè)電子多，所以在它們的界面處存在空穴和電子的濃度差。

于是P區(qū)中的空穴會(huì)向N區(qū)擴(kuò)散，并在N區(qū)被電子復(fù)合。而N區(qū)中的電子

也會(huì)向P區(qū)擴(kuò)散，并在P區(qū)被空穴復(fù)合。這樣在P區(qū)和N區(qū)分別留下了不能

移動(dòng)的受主負(fù)離子和施主正離子。上述過程如圖1.17(a)所示。結(jié)果在界面的

兩側(cè)形成了由等量正、負(fù)離子組成的空間電荷區(qū)，如圖1.1.7(b)所示。

PNPy空間電荷區(qū)1N

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Y內(nèi)電場

圖1.1.7PN結(jié)的形成

2)復(fù)合使交界面形成空間電荷區(qū)(耗盡層)

空間電荷區(qū)的特點(diǎn)：無載流子，1止擴(kuò)散進(jìn)，行，利于少子的漂移。

3)擴(kuò)散和漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡

擴(kuò)散電流等于漂移電流，總電流1=0。

(2)PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦?/p>

在PN結(jié)兩端外加電壓,稱為給PN結(jié)以偏置電壓。

1)PN結(jié)正向偏置

給PN結(jié)加正向偏置電壓,即P區(qū)接電源正極,N區(qū)接電源負(fù)極，此時(shí)稱PN

結(jié)為正向偏置(簡稱正偏)，如圖L1.8所示。由于外加電源產(chǎn)生的外電場的方

向與PN結(jié)產(chǎn)生的內(nèi)電場方向相反,削弱了內(nèi)電場，使PN結(jié)變薄,有利于兩區(qū)多

數(shù)載流子向?qū)Ψ綌U(kuò)散,形成正向電流,此時(shí)PN結(jié)處于正向?qū)顟B(tài)。

2.PN結(jié)反向偏置

給PN結(jié)加反向偏置電壓，即N區(qū)接電源正極,P區(qū)接電源負(fù)極,稱PN結(jié)反向

偏置（簡稱反偏），如圖LL9所示。

工內(nèi)市，場

<外電場

-----------------------------------~~

圖1.1.9PN結(jié)加反向電壓

由于外加電場與內(nèi)電場的方向一致，因而加強(qiáng)了內(nèi)電場，使PN結(jié)加寬，阻礙

了多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。在外電場的作用下，只有少數(shù)載流子形成的很微弱的電流,

稱為反向電流。

注：少數(shù)載流子是由于熱激發(fā)產(chǎn)生的，因而PN結(jié)的反向電流受溫度影響

很大。

結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，即加正向電壓時(shí)導(dǎo)通,加反向電壓時(shí)截止。

6、PN結(jié)的擊穿特性

當(dāng)加于PN結(jié)的反向電壓增大到一定值時(shí)，反向電流會(huì)急劇增大，這種現(xiàn)

象稱為PN結(jié)擊穿。PN結(jié)發(fā)生反向擊穿的機(jī)理可以分為兩種。

1）雪崩擊穿

在輕摻雜的PN結(jié)中，當(dāng)外加反向電壓時(shí)，耗盡區(qū)較寬，少子漂移通過

耗盡區(qū)時(shí)被加速，動(dòng)能增大。當(dāng)反向電壓大到一定值時(shí)，在耗盡區(qū)內(nèi)被加速

而獲得高能的少子，會(huì)與中性原子的價(jià)電子相碰撞，將其撞出共價(jià)鍵，產(chǎn)生

電子、空穴對。新產(chǎn)生的電子、空穴被強(qiáng)電場加速后，又會(huì)撞出新的電子、

空穴對。

2）齊納擊穿

在重?fù)诫s的PN結(jié)中，耗盡區(qū)很窄，所以不大的反向電壓就能在耗盡區(qū)

內(nèi)形成很強(qiáng)的電場。當(dāng)反向電壓大到一定值時(shí)，強(qiáng)電場足以將耗盡區(qū)內(nèi)中性

原子的價(jià)電子直接拉出共價(jià)鍵，產(chǎn)生大量電子、空穴對，使反向電流急劇增

大。這種擊穿稱為齊納擊穿或場致?lián)舸Ｒ话銇碚f，對硅材料的PN結(jié)，

UBR>7V時(shí)為雪崩擊穿；UBR<5V時(shí)為齊納擊穿；UBR介于5?7V時(shí)，兩種

擊穿都有。

本節(jié)小節(jié)

1.本征半導(dǎo)體的特性

2.兩種雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理

3.PN結(jié)的形成及單向?qū)щ娦?/p>

1.2二極管

復(fù)習(xí)并導(dǎo)入新課

上節(jié)課主要介紹了半導(dǎo)體的一些基本特性，其中重點(diǎn)講述了PN結(jié)的形成

及其單向?qū)щ娦?。在PN結(jié)加上電極引線和管殼便構(gòu)成了晶體二極管。

1.二極管的基本結(jié)構(gòu)與類型

把PN結(jié)用管殼封裝，然后在P區(qū)和N區(qū)分別向外引出一個(gè)電極，即可構(gòu)

成一個(gè)二極管。二極管是電子技術(shù)中最基本的半導(dǎo)體器件之一。根據(jù)其用途

分有檢波管、開關(guān)管、穩(wěn)壓管和整流管等。

二極管的結(jié)構(gòu)外形及在電路中的文字符號(hào)如圖1.2.1所示，在圖1.2.1(b)所示

電路符號(hào)中，箭頭指向?yàn)檎驅(qū)娏鞣较颉?/p>

外殼

引線引線

圖121晶體二極管結(jié)構(gòu)示意圖及電路符號(hào)

:根據(jù)PN結(jié)面積大小,有點(diǎn)接觸型、面接觸型二極管，其結(jié)構(gòu)如圖

1.2.2所示。

正極N型?片

引線\

/\

外殼觸絲

(a)點(diǎn)接觸型

正極引線負(fù)極引線

S(9

(C)平面型

圖1.1.2二極管的結(jié)構(gòu)

點(diǎn)接觸型：結(jié)面積小，適用于高頻檢波、脈沖電路及計(jì)算機(jī)中的開關(guān)元件。

面接觸型：結(jié)面積大，適用于低頻整流器件。

2.二極管的伏安特性

半導(dǎo)體二極管的核心是PN結(jié),它的特性就是PN結(jié)的特性一單向?qū)щ娦浴?/p>

常利用伏安特性曲線來形象地描述二極管的單向?qū)щ娦浴?/p>

若以電壓為橫坐標(biāo),電流為縱坐標(biāo)，用作圖法把電壓、電流的對應(yīng)值用平滑

的曲線連接起來，就構(gòu)成二極管的伏安特性曲線，如圖1.2.2所示（圖中虛線為

錯(cuò)管的伏安特性,實(shí)線為硅管的伏安特性）。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

圖122二極管的伏安特性曲線

說明：

1）正向特性

二極管兩端加正向電壓時(shí)，就產(chǎn)生正向電流，當(dāng)正向電壓較小時(shí)，正向電

流極小（幾乎為零），這一部分稱為死區(qū)，相應(yīng)的A（A'）點(diǎn)的電壓稱為死區(qū)電壓

或門檻電壓（也稱閾值電壓），硅管約為0.5V,錯(cuò)管約為0.1V,如圖1.6中OA（OA'）

段。

當(dāng)正向電壓超過門檻電壓時(shí)，正向電流就會(huì)急劇地增大，二極管呈現(xiàn)很小

電阻而處于導(dǎo)通狀態(tài)。這時(shí)硅管的正向?qū)▔航导s為0.6?0.7Y錯(cuò)管約為

0.2?0.3Y如圖1.2.2中AB（A'B'）段。

二極管正向?qū)〞r(shí)，要特別注意它的正向電流不能超過最大值，否則將燒

壞PN結(jié)。

2）反向特性

二極管兩端加上反向電壓時(shí)，在開始很大范圍內(nèi)，二極管相當(dāng)于非常大的

電阻,反向電流很小，且不隨反向電壓而變化。此時(shí)的電流稱之為反向飽和電流

/R,見圖1.2.2中OC（OCZ）段。

3）反向擊穿特性

二極管反向電壓加到一定數(shù)值時(shí)，反向電流急劇增大，這種現(xiàn)象稱為反向

擊穿。此時(shí)對應(yīng)的電壓稱為反向擊穿電壓，用UBR表示，如圖111中CD（C'

丁）段。

4）溫度對特性的影響

由于二極管的核心是一個(gè)PN結(jié)，它的導(dǎo)電性能與溫度有關(guān)，溫度升高時(shí)

二極管正向特性曲線向左移動(dòng)，正向壓降減小;反向特性曲線向下移動(dòng),反向電

流增大。

3.二極管的主要參數(shù)

器件參數(shù)是定量描述器件性能質(zhì)量和安全工作范圍的重要數(shù)據(jù)，是我們

合理選擇和正確使用器件的依據(jù)。參數(shù)一般可以從產(chǎn)品手冊中查到，也可以

通過直接測量得到。下面介紹晶體二極管的主要參數(shù)及其意義。

1）最大整流電流/DM。它是二極管允許通過的最大正向平均電流。工作

時(shí)應(yīng)使平均工作電流小于，F(xiàn),如超過/F,二極管將過熱而燒毀。此值取決

于PN結(jié)的面積、材料和散熱情況。

2）最大反向工作電壓URM。這是二極管允許的最大工作電壓。當(dāng)反向電

壓超過此值時(shí)，二極管可能被擊穿。為了留有余地，通常取擊穿電壓的一半作

為UR。

3）反向電流/R。指二極管未擊穿時(shí)的反向電流值。此值越小，二極管的

單向?qū)щ娦栽胶?。由于反向電流是由少?shù)載流子形成，所以/R值受溫度的影

響很大。

4）最高工作頻率？M。FM的值主要取決于PN結(jié)結(jié)電容的大小，結(jié)電容

越大，則二極管允許的最高工作頻率越低。

4.二極管的應(yīng)用舉例

（1）二極管的開關(guān)作用

一pQ

?十廠-0^4P-

正向?qū)〞r(shí)相當(dāng)反向阻斷時(shí)相當(dāng)

一個(gè)閉合的開關(guān)一個(gè)打開的開關(guān)

昨?一

5。

注意：分析實(shí)際電路時(shí)為簡單化，通常把二極管進(jìn)行理想化處理，即正偏

時(shí)視其為“短路”，截止時(shí)視其為“開路

(2)二極管的整流作用

將交流電變成單方向脈動(dòng)直流電的過程稱為整流。利用二極管的單向?qū)щ?/p>

性能就可獲得各種形式的整流電路。

二極管橋式整流電路橋式整流電路簡化圖

(3)二極管的限幅作用

圖示為一限幅電路。電源uS是一個(gè)周期性的矩形脈沖，高電平幅值為

+5V,低電平幅值為-5V。試分析電路的輸出電壓為多少。

分析：當(dāng)輸入電壓Ui=-5V時(shí)，二極管反偏截止，此時(shí)電路可視為開路，

輸出電壓uO=OV；當(dāng)輸入電壓ui=+5V時(shí)，二極管正偏導(dǎo)通，導(dǎo)通時(shí)二極管

管壓降近似為零,故輸出電壓U0-+5V。顯然輸出電壓uO限幅在0-+5V之間。

本節(jié)小結(jié)

1.二極管的伏安特性

2.二極管的主要參數(shù)

3.二極管的應(yīng)用

1.3特殊二極管

引言

前面主要討論了普通二極管，另外還有一些特殊用途的二極管，如穩(wěn)壓二

極管、發(fā)光二極管、光電二極管和變?nèi)荻O管等，現(xiàn)介紹如下。

1.穩(wěn)壓管

穩(wěn)壓管是由硅材料制成的特殊面接觸型二極管，與普通二極管不同的是，

穩(wěn)壓管的正常工作區(qū)域是PN結(jié)的反向齊納擊穿區(qū)，故而也稱為齊納二極管。

(1)穩(wěn)壓管的工作特性

穩(wěn)壓二極管簡稱穩(wěn)壓管，它的特性曲線和符號(hào)如圖1.4.1所示。

(b)符號(hào)

(a)伏安特性曲線

圖141穩(wěn)壓二極管的特性曲線和符號(hào)

顯然穩(wěn)壓管的伏安特性曲線比普通二極管的更加陡峭。穩(wěn)壓二極管的反

向電壓幾乎不隨反向電流的變化而變化、這就是穩(wěn)壓二極管的顯著特性。

（2）穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)

1）穩(wěn)定電壓Uz。

穩(wěn)定電壓是穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū)時(shí)的穩(wěn)定工作電壓。由于穩(wěn)定電

壓隨著工作電流的不同而略有變化，因而測試Uz時(shí)應(yīng)使穩(wěn)壓管的電流為規(guī)定

值。穩(wěn)定電壓"z是根據(jù)要求挑選穩(wěn)壓管的主要依據(jù)之一。不同型號(hào)的穩(wěn)壓

管，其穩(wěn)定電壓值不同。同一型號(hào)的管子，由于制造工藝的分散性，各個(gè)管子

的。z值也有差別。例如穩(wěn)壓管2DW7C,其"z=6.1?6.5V,表明均為合

格產(chǎn)品，其穩(wěn)定值有的管子是6.IV,有的可能是6.5V等等，但這并不意味

著同一個(gè)管子的穩(wěn)定電壓的變化范圍有如此大。

2）穩(wěn)定電流5

穩(wěn)定電流是使穩(wěn)壓管正常工作時(shí)的最小電流，低于此值時(shí)穩(wěn)壓效果

較差。工作時(shí)應(yīng)使流過穩(wěn)壓管的電流大于此值。一般情況是，工作電流較大

時(shí)，穩(wěn)壓性能較好。但電流要受管子功耗的限制，即

Zzmax=/^/UL。

3）耗散功率及m

由于穩(wěn)壓管兩端的電壓值為Uz,而管子中又流過一定的電流，因此要消

耗一定的功率。這部分功耗轉(zhuǎn)化為熱能，會(huì)使穩(wěn)壓管發(fā)熱。Pz取決于穩(wěn)壓管

允許的溫升。

4）動(dòng)態(tài)電阻々

rz是穩(wěn)壓二極管在擊穿狀態(tài)下，兩端電壓變化量與其電流變化量的比

值。反映在特性曲線上，是工作點(diǎn)處切線斜率的倒數(shù)。rz隨工作電流增大而

減小。白的數(shù)值一般為幾歐姆到幾十歐姆。

2.發(fā)光二極管

發(fā)光二極管與普通二極管一樣,也是由PN結(jié)構(gòu)成的，同樣具有單向?qū)?/p>

電性，但在正向?qū)〞r(shí)能發(fā)光,所以它是一種把電能轉(zhuǎn)換成光能的半導(dǎo)體器件。

電路符號(hào)如圖142所示。當(dāng)發(fā)光二極管正偏時(shí)，注入到N區(qū)和P區(qū)的載流子

被復(fù)合時(shí)，會(huì)發(fā)出可見光和不可見光。

圖142發(fā)靠二極管電路符號(hào)

單個(gè)發(fā)光二極管常作為電子設(shè)備通斷指示燈或快速光源及光電耦合器

中的發(fā)光元件等。發(fā)光二極管一般使用碎化錢、磷化錢等材料制成?，F(xiàn)有的

發(fā)光二極管能發(fā)出紅黃綠等顏色的光。發(fā)光管正常工作時(shí)應(yīng)正向偏置，因死

區(qū)電壓較普通二極管高，因此其正偏工作電壓一般在1.3V以上。

發(fā)光管屬功率控制器件，常用來作為數(shù)字電路的數(shù)碼及圖形顯示的七段

式或陣列器件。

3.光電二極管

光電二極管也稱光敏二極管，是將光信號(hào)變成電信號(hào)的半導(dǎo)體器件，其

核心部分也是一個(gè)PN結(jié)。光電二極管PN結(jié)的結(jié)面積較小、結(jié)深很淺，一般

小于一個(gè)微米。

光電二極管工作在反偏狀態(tài)，它的管殼上有一個(gè)玻璃窗口，以便接受光

照，如圖143所示。無光照時(shí)，反向電流很小，稱為暗電流；有光照射時(shí)，

攜帶能量的光子進(jìn)入PN結(jié)后，把能量傳給共價(jià)鍵上的束縛電子，使部分價(jià)電

子掙脫共價(jià)鍵的束縛，產(chǎn)生電子一空穴對，稱為光生載流子。光生載流子在

反向電壓作用下形成反向光電流，其強(qiáng)度與光照強(qiáng)度成正比。

光電二極管的檢測方法和普通二極管的一樣，通常正向電阻為幾千歐，反

向電阻為無窮大。否則光電二極管質(zhì)量變差或損壞。當(dāng)受到光線照射時(shí)，反向

電阻顯著變化，正向電阻不變。

V

.“圖1.4.3光電二極管電路符號(hào)

本節(jié)小結(jié)

本節(jié)主要介紹了幾種特殊二極管，需掌握的內(nèi)容是：穩(wěn)壓二極管的特性

及其主要參數(shù)；發(fā)光二極管及光電二極管的主要特性及電路符號(hào)。

1.4雙極型三極管

引言

三極管具有放大作用，是組成各電子電路的核心器件。三極管的產(chǎn)生使PN

結(jié)的應(yīng)用發(fā)生了質(zhì)的飛躍。它分為雙極型和單極型兩種類型。

本節(jié)主要討論雙極型三極管的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性曲線和主要參數(shù)。

講授新課

2.1雙極型三極管

雙極型三極管是由三層雜質(zhì)半導(dǎo)體構(gòu)成的器件，由于這類三極管內(nèi)部的

電子載流子和空穴載流子同時(shí)參與導(dǎo)電，故稱為雙極型三極管。它有三個(gè)電

極，所以又稱為半導(dǎo)體三極管、晶體三極管等，以后我們簡稱為三極管。

1、雙極型三極管基本結(jié)構(gòu)和類型

按PN結(jié)的組合方式有PNP型和NPN型，它們的結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)圖分別

為：如圖2.1.1(a)、(b)所示

基電極孑基電極孑

P

基根b基板b

O-------O——

P

發(fā)射極4發(fā)射極"

圖2.1.1三極管的結(jié)構(gòu)示意圖與電路符號(hào)

(a)NPN型；(b)PNP型

無論是NPN型管還是PNP型管,它們內(nèi)部均含有三個(gè)區(qū):發(fā)射區(qū)、基區(qū)、

集電區(qū)。從三個(gè)區(qū)各引出一個(gè)金屬電極分別稱為發(fā)射極(e)、基極(b)和集

電極(c);同時(shí)在三個(gè)區(qū)的兩個(gè)交界處形成兩個(gè)PN結(jié)，發(fā)射區(qū)與基區(qū)之間形成

的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)，集電區(qū)與基區(qū)之間形成的PN結(jié)稱為集電結(jié)。三極管的電

路符號(hào)如圖2.1.1所示,符號(hào)中的箭頭方向表示發(fā)射結(jié)正向偏置時(shí)的電流方向。

2、電流放大作用

三極管實(shí)現(xiàn)電流放大作用的內(nèi)部結(jié)構(gòu)條件：

(1)發(fā)射區(qū)摻雜濃度很高，以便有足夠的載流子供''發(fā)射"。

(2)為減少載流子在基區(qū)的復(fù)合機(jī)會(huì)，基區(qū)做得很薄，一般為幾個(gè)微米，

且摻雜濃度較發(fā)射極低。

(3)集電區(qū)體積較大，且為了順利收集邊緣載流子，摻雜濃度很低。

可見，雙極型三極管并非是兩個(gè)PN結(jié)的簡單組合，而是利用一定的摻

雜工藝制作而成。因此，絕不能用兩個(gè)二極管來代替，使用時(shí)也決不允許把

發(fā)射極和集電極接反。

三極管實(shí)現(xiàn)放大作用的外部條件是發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置。

1.放大狀態(tài)下晶體管中載流子的傳輸過程

當(dāng)晶體管處在發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏的放大狀態(tài)下，管內(nèi)載流子的運(yùn)

動(dòng)情況可用圖2.1.2說明。我們按傳輸順序分以下幾個(gè)過程進(jìn)行描述。

圖2.1.2晶體管內(nèi)載流子的運(yùn)動(dòng)和各極電流

(1)發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子

由于e結(jié)正偏，因而結(jié)兩側(cè)多子的擴(kuò)散占優(yōu)勢，這時(shí)發(fā)射區(qū)電子源源不斷

地越過e結(jié)注入到基區(qū)，形成電子注入電流，EN。與此同時(shí)，基區(qū)空穴也向發(fā)

射區(qū)注入，形成空穴注入電流4P。因?yàn)榘l(fā)射區(qū)相對基區(qū)是重?fù)诫s，基區(qū)空穴

濃度遠(yuǎn)低于發(fā)射區(qū)的電子濃度，所以滿足/EP?/EN，可忽略不計(jì)。因此，發(fā)

射極電流4其方向與電子注入方向相反。

(2)電子在基區(qū)中邊擴(kuò)散邊復(fù)合

注入基區(qū)的電子，成為基區(qū)中的非平衡少子，它在e結(jié)處濃度最大，而在

c結(jié)處濃度最小(因c結(jié)反偏，電子濃度近似為零)。因此，在基區(qū)中形成了非

平衡電子的濃度差。在該濃度差作用下，注入基區(qū)的電子將繼續(xù)向c結(jié)擴(kuò)散。

在擴(kuò)散過程中，非平衡電子會(huì)與基區(qū)中的空穴相遇，使部分電子因復(fù)合而失

去。但由于基區(qū)很薄且空穴濃度又低，所以被復(fù)合的電子數(shù)極少，而絕大部

分電子都能擴(kuò)散到C結(jié)邊沿。基區(qū)中與電子復(fù)合的空穴由基極電源提供，形成

基區(qū)復(fù)合電流/BN，它是基極電流/B的主要部分。

(3)擴(kuò)散到集電結(jié)的電子被集電區(qū)收集

由于集電結(jié)反偏，在結(jié)內(nèi)形成了較強(qiáng)的電場，因而，使擴(kuò)散到c結(jié)邊沿

的電子在該電場作用下漂移到集電區(qū)，形成集電區(qū)的收集電流，CN。該電流是

構(gòu)成集電極電流Ic的主要部分。另外，集電區(qū)和基區(qū)的少子在C結(jié)反向電壓

作用下，向?qū)Ψ狡菩纬蒫結(jié)反向飽和電流/CBO,并流過集電極和基極支路,

構(gòu)成左、，B的另一部分電流。

2.電流分配關(guān)系

由以上分析可知，晶體管三個(gè)電極上的電流與內(nèi)部載流子傳輸形成的電

流之間有如下關(guān)系：_1_

11—1JJ

「E~EN—BN十1CN

|IB=ICN-ICBo

LIC=ICN+ICBO(2.1.1)

式(2.1.1)表明，在e結(jié)正偏、c結(jié)反偏的條件下，晶體管三個(gè)電極上的電

流不是孤立的，它們能夠反映非平衡少子在基區(qū)擴(kuò)散與復(fù)合的比例關(guān)系。這

一比例關(guān)系主要由基區(qū)寬度、摻雜濃度等因素決定，管子做好后就基本確定

了。反之，一旦知道了這個(gè)比例關(guān)系，就不難得到晶體管三個(gè)電極電流之間

的關(guān)系，從而為定量分析晶體管電路提供方便。

為了反映擴(kuò)散到集電區(qū)的電流LN與基區(qū)復(fù)合電流/BN之間的比例關(guān)系，

定義共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)為

其含義是：基區(qū)每復(fù)合一個(gè)電子，則有方個(gè)電子擴(kuò)散到集電區(qū)去。

丹值一般在20?200之間。

確定了，值之后，由式(2.1.1)、(2.1.2)可得

rIc=^IB+(l+^ICBO=^IB+ICEO

，4=(1+^)/B+(1+^ICB0=(1+^)/B+ICE0(2.1.3)

L/B=4-/C

式中，,CEO=(1+/〃CB。稱為穿透電流。因/CBO很小，在忽略其影響時(shí)，則

有

(2.1.4)

Ic?/3IB

4?(1+M(2.1.5)

3.晶體三極管的特性曲線

晶體管伏安特性曲線是描述晶體管各極電流與極間電壓關(guān)系的曲線，它

對于了解晶體管的導(dǎo)電特性非常有用。晶體管有三個(gè)電極，通常用其中兩個(gè)

分別作輸入、輸出端，第三個(gè)作公共端，這樣可以構(gòu)成輸入和輸出兩個(gè)回路。

實(shí)際中，有圖2.1.3所示的三種基本接法(組態(tài))，分別稱為共發(fā)射極、共集電

極和共基極接法。其中，共發(fā)射極接法更具代表性，所以我們主要討論共發(fā)

射極伏安特性曲線。

lClE

ecb

(")3)(c)

圖2.1.3晶體管的三種基本接法

(a)共發(fā)射極；(b)共集電極；(c)共基極

晶體管特性曲線包括輸入和輸出兩組特性曲線。這兩組曲線可以在晶體

管特性圖示儀的屏幕上直接顯示出來，冷/以用圖2-4電路逐點(diǎn)測出。

1)共發(fā)射極輸入特性曲線

共射輸入特性曲線是以aCE為參變量時(shí)，，B與“BE間的關(guān)系曲線，即典型

的共發(fā)射極輸入特性曲線如圖2.1.5所示。

(1)在"CE、1V的條件下,當(dāng)〃BE<UBE(on)時(shí),后七0。UBE(on)為晶體管的

導(dǎo)通電壓或死區(qū)電壓，硅管約為0.5?0.6V,錯(cuò)管約為0.1V。當(dāng)&BE>UBE(on)

時(shí)，隨著1/BE的增大，后開始按指數(shù)規(guī)律增加，而后近似按直線上升。

(2)當(dāng)aCE=O時(shí)，晶體管相當(dāng)于兩個(gè)并聯(lián)的二極管，所以b,e間加正向電

壓時(shí)，，B很大。對應(yīng)的曲線明顯左移，見圖2.1.5。

(3)當(dāng)acE在0?IV之間時(shí)，隨著&CE的增加，曲線右移。特別在0<"CEW

UcE(sat)的范圍內(nèi)，即工作在飽和區(qū)時(shí)，移動(dòng)量會(huì)更大些。

(4)當(dāng)"BE<0時(shí)，晶體管截止，M為反向電流。若反向電壓超過某一值時(shí),

e結(jié)也會(huì)發(fā)生反向擊穿

2)共發(fā)射極輸出特性曲線

共射輸出特性曲線是以后為參變量時(shí)，記與"CE間的關(guān)系曲線，即

‘C=/("CE)|%=常數(shù)

典型的共射輸出特性曲線如圖2.1.6所示。由圖可見，輸出特性可以劃分

為三個(gè)區(qū)域，對應(yīng)于三種工作狀態(tài)。現(xiàn)分別討論如下。

飽

和

區(qū)

圖2.1.6共射輸出特性曲線

(1)放大區(qū)

e結(jié)為正偏，c結(jié)為反偏的工作區(qū)域?yàn)榉糯髤^(qū)。由圖2-5可以看出，在放

大區(qū)有以下兩個(gè)特點(diǎn)：

a.基極電流％對集電極電流，c有很強(qiáng)的控制作用，即，B有很小的變化量

△/B時(shí)，就會(huì)有很大的變化量4為此，用共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)

￡來表示這種控制能力。￡定義為

P—AII"『常數(shù)

日B

反映在特性曲線上，為兩條不同/B曲線的間隔。

b."cE變化對的影響很小。在特性曲線上表現(xiàn)為，，B一定而"CE增大

時(shí)，曲線略有上翹((略有增大)。這是因?yàn)椤癈E增大，C結(jié)反向電壓增大，使

C結(jié)展寬，所以有效基區(qū)寬度變窄，這樣基區(qū)中電子與空穴復(fù)合的機(jī)會(huì)減少，

即，B要減小。而要保持"不變，所以將略有增大。這種現(xiàn)象稱為基區(qū)寬度

調(diào)制效應(yīng)，或簡稱基調(diào)效應(yīng)。從另一方面看，由于基調(diào)效應(yīng)很微弱，"CE在

很大范圍內(nèi)變化時(shí)/c基本不變。因此，當(dāng)％一定時(shí)，集電極電流具有恒流

特性。

(2)飽和區(qū)

e結(jié)和c結(jié)均處于正偏的區(qū)域?yàn)轱柡蛥^(qū)。通常把"CE="BE(即c結(jié)零偏)的

情況稱為臨界飽和，對應(yīng)點(diǎn)的軌跡為臨界飽和線。

注：溫度對晶體管特性曲線的影響

溫度對晶體管的“BE、，CBO和￡有不容忽視的影響。其中，UBE、，CBO

隨溫度變化的規(guī)律與PN結(jié)相同，即溫度每升高rc,“BE減小2?2.5mV；溫

度每升高10℃,/CBO增大一倍。溫度對￡的影響表現(xiàn)為，￡隨溫度的升高而

增大，變化規(guī)律是：溫度每升高1℃,￡值增大0.5%?1%(即△￡/￡7-

(0.5~l)%/℃)o

4.三極管的極限參數(shù)

1.集電極最大允許電流/CM

￡與記的大小有關(guān)，隨著記的增大，￡值會(huì)減小。/CM一般指￡下降到

正常值的2/3時(shí)所對應(yīng)的集電極電流。當(dāng)，C>/CM時(shí)，雖然管子不致于損壞，

但￡值已經(jīng)明顯減小。因此，晶體管線性運(yùn)用時(shí)，詁不應(yīng)超過/CM。

2.集電極最大允許耗散功率尸CM

晶體管工作在放大狀態(tài)時(shí)，c結(jié)承受著較高的反向電壓，同時(shí)流過較大的

電流。因此，在c結(jié)上要消耗一定的功率，從而導(dǎo)致c結(jié)發(fā)熱，結(jié)溫升高。當(dāng)

結(jié)溫過高時(shí)，管子的性能下降，甚至?xí)龎墓茏樱虼诵枰?guī)定一個(gè)功耗限

額。

PCM與管芯的材料、大小、散熱條件及環(huán)境溫度等因素有關(guān)。一個(gè)管子

的PCM如已確定，則由「CM=/c@CE可知，PCM在輸出特性上為一條左與

UCE乘積為定值「CM的雙曲線，稱為f*CM功耗線。如圖2.1.7所小。

3.擊穿電壓

U(BR)CBO指發(fā)射極開路時(shí)，集電極-基極間的反向擊穿電壓。

U(BR)CEO指基極開路時(shí)，集電極-發(fā)射極間的反向擊穿電壓。

u(BR)CEO<U(BR)CBO。

U(BR)EBO指集電極開路時(shí)，發(fā)射極-基極間的反向擊穿電壓。普通晶體

管該電壓值比較小，只有幾伏。

安全之"CM

工作區(qū)4

U(BR)CEO

圖2.1.7晶體管的安全工作區(qū)

1.5單極型三極管

引言

單極型三極管又稱場效應(yīng)管(簡稱FET),其主要特點(diǎn)是輸入電阻非常高,

可達(dá)108Toi5Q,另外還有噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力、壽命長等優(yōu)

點(diǎn)。場效應(yīng)管按結(jié)構(gòu)分為結(jié)型場效應(yīng)管(JFET)和金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)

管(MOSFET)兩類。本節(jié)主要介紹MOS場效應(yīng)管。

新課講授

1.MOS管的基本結(jié)構(gòu)

以增強(qiáng)型N溝道MOSFET為例

結(jié)構(gòu)與符號(hào)

SIGDD

oJ1B

S

(b)

圖221增強(qiáng)型N溝道MOSFET的結(jié)構(gòu)與符號(hào)

（a）結(jié)構(gòu)（b）符號(hào)

2.工作原理

以增強(qiáng)型NMOS管為例說明其工作原理。N溝道增強(qiáng)型MOS管不存在

原始導(dǎo)電溝道。

當(dāng)柵源極間電壓UGS=0時(shí)，增強(qiáng)型MOS管的漏極和源極之間相當(dāng)于存在

兩個(gè)背靠背的PN結(jié)。此時(shí)無論%s