第1章常用半導體器件(基礎知識、二極管、三極管)講義資料

電子技術基礎

FundamentalsofElectronicTechnique信息工程學院自動化系田建艷9/27/20241電子技術基礎？

“電子技術基礎”是電類各專業(yè)的一門技術基礎課。它是研究各種半導體器件的性能、電路及其應用的學科。根據(jù)學科內(nèi)容大的方面來劃分，分為：模擬電子技術（AnalogElectronicsTechnology)和數(shù)字電子技術（DigitalElectronicsTechnology）。根據(jù)自動化系的課程安排，將電子技術分為：基礎、模電和數(shù)電三門課。9/27/20242電子技術難學嗎？

電子技術是一門實踐性和應用性都很強的技術基礎課。要求學生在學習時要很好地掌握基本概念、基本工作原理以及基本分析方法。

總的要求是：熟練掌握基本概念，在定性分析的基礎上作定量估算。9/27/20243第一節(jié)：半導體基礎知識第二節(jié)：半導體二極管第三節(jié)：晶體三極管第四節(jié)：場效應管第五節(jié)：集成電路中的元件第一章：常用半導體器件9/27/20245本章要求:

半導體器件是構成電子電路的基本元件。具有體積小、重量輕、使用壽命長、功耗小等優(yōu)點。

半導體具有導電性、熱敏性、光敏性、摻雜性。本章要求掌握常用半導體器件的結構、工作原理、特性曲線和主要參數(shù)。

9/27/20246導體(conductor)：自然界中很容易導電的物質(zhì)稱為導體，金屬一般都是導體。絕緣體(insulator)：有的物質(zhì)幾乎不導電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半導體(semiconductor)：另有一類物質(zhì)的導電特性處于導體和絕緣體之間，稱為半導體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。Semiconductorsareaspecialclassofelementshavingaconductivitybetweenthatofagoodconductorandthatofaninsulator.9/27/20247第一節(jié)：半導體基礎知識1、半導體（semiconductor）硅silicon、鍺germanium；導電能力介于導體和絕緣體之間、光敏性、熱敏性、摻雜性2、本征半導體（intrinsicsemiconductor）純凈的、結構完整的單晶體，如圖所示。9/27/202481.1.2本征半導體GeSi通過一定的工藝過程，可以將半導體制成晶體。硅和鍺的最外層電子（價電子）都是四個。9/27/20249本征半導體結構示意圖共價鍵covalentbond束縛電子bondedelectron9/27/202410本征半導體的導電機理在絕對溫度T=0K和沒有外界激發(fā)時,價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導體中沒有可以運動的帶電粒子（即載流子carrier），它的導電能力為0，相當于絕緣體。在常溫下T=300K

，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。載流子:自由電子和空穴9/27/202411本征半導體：*本征激發(fā):T=0K300K，熱激發(fā)freeelectronhole9/27/202412+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子來填補，這樣的結果相當于空穴的遷移，而空穴的遷移相當于正電荷的移動，因此可以認為空穴是載流子。本征半導體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。本征半導體中電流：自由電子移動產(chǎn)生的電流和空穴移動產(chǎn)生的電流。9/27/202413小結本征半導體：（1）兩種載流子（carrier:自由運動的帶電粒子）：自由電子freeelectrons（負電Negative）、空穴holes（正電Positive）、數(shù)目相等；（2）載流子的運動：擴散（diffusion）運動、漂移（drift）運動（3）自由電子和空穴均參與導電—導電特殊性本征半導體的導電能力差（4）載流子的濃度指數(shù)規(guī)律于溫度，故其溫度穩(wěn)定性差，但可制作熱敏器件。9/27/2024143、雜質(zhì)（extrinsic）半導體Asemiconductormaterialthathasbeensubjectedtothedopingprocessiscalledanextrinsicsemiconductor.*根據(jù)摻入(doping)雜質(zhì)元素不同，分為：N型(Ntype)半導體、P型(Ptype)半導體

9/27/202415N型半導體：摻五價元素（如磷）多子：電子少子：空穴多子：電子majority少子：空穴minorityDonorimpurities雜質(zhì)9/27/202416P型半導體：摻三價元素（如硼）多子：空穴少子：電子Acceptorimpurities雜質(zhì)9/27/202417－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導體++++++++++++++++++++++++N型半導體9/27/202418

Putverysimplyasemiconductormaterialisonewhichcanbe‘doped’toproduceapredominanceofelectronsormobilenegativecharges(N-type)；or‘holes’orpositivecharges(P-type).占優(yōu)勢、多余的簡單地說又稱或者可移動的總結：（1）多子、少子：（2）電中性：（3）多子和少子的濃度：9/27/2024194、PN結（junction）

（1）形成采用不同的摻雜工藝，將P型半導體與N型半導體制作在同一塊硅片上，在它們的交界面就形成PN結。

9/27/202420PN結的形成:多子的擴散、少子的漂移名稱：*PN結*空間電荷區(qū)*耗盡層*阻擋層*勢壘區(qū)9/27/202421PN結的單向導電性

（1）外加正向電壓（正向偏置、正偏）——導通（2）外加反向電壓（反向偏置、反偏）——截止P區(qū)加正、N區(qū)加負電壓。P區(qū)加負、N區(qū)加正電壓。9/27/202422PN結加正向電壓時導通9/27/202423PN結加反向電壓時截止9/27/202424PN結的伏安特性PN結的電流方程：

(1)正向特性、(2)反向特性、(3)反向擊穿T=300K時，UT約為26mV9/27/202425PN結的伏安特性(1)正向特性(2)反向特性(3)反向擊穿齊納擊穿（高摻雜）雪崩擊穿（高反壓）9/27/202426PN結的電容效應：P16

（1）勢壘電容Cb：等效電容隨反向電壓變化——變?nèi)荻O管（2）擴散電容Cd

：擴散區(qū)內(nèi)，電荷的積累和釋放過程與電容器充放電過程相同。

PN結的結電容Cj

——高頻考慮PN結高頻小信號時的等效電路：勢壘電容和擴散電容的綜合效應rd9/27/202427第二節(jié)：半導體二極管*PN結（PNjunction）的形成（多子擴散與少子漂移達到動態(tài)平衡；名稱：PN結、空間電荷區(qū)、耗盡層、阻擋層、勢壘區(qū)）*PN結的單向導電性（正偏低阻導通、反偏高阻截止）9/27/202428圖1.2.1二極管的幾種外形1、半導體二極管（Diode）的外形與結構

----P18

9/27/202429圖1.2.2二極管的幾種常見結構(a)點接觸型;(b)面接觸型;(c)平面型;

(d)二極管的符號9/27/2024302、半導體二極管伏安特性

(1)正向導通、(2)反向截止、(3)反向擊穿開啟電壓Uon:死區(qū)電壓硅管0.5V,鍺管0.1V導通電壓U:硅管0.6~0.8V,鍺管0.1~0.3V——P19表1.2.1溫度對二極管伏安特性的影響:溫度每升高1℃，正向壓降減小2~2.5mV溫度每升高10℃，反向電流約增大一倍9/27/2024313、二極管的主要參數(shù)*主要參數(shù)：IF、UR、IR、fM(P20)4、二極管的等效電路9/27/2024325、二極管的應用*應用：限幅、整流、門電路例1:P68例2:補充（見下頁）例3:P69RUo2VDUD=0.7V9/27/202433補充：RUo6VD112VD29/27/202434RuiuoVRD正弦波的峰值Vim大于VR

uiVRuo9/27/202435(1)輸出電壓波形：u1u2aTbDRLuoiL9/27/202436橋式整流電路+-u2正半周時電流通路u1u2TD4D2D1D3RLuo9/27/202437橋式整流電路-+u0u1u2TD4D2D1D3RLu2負半周時電流通路9/27/202438u2>0時D1,D3導通D2,D4截止電流通路:A

D1

RL

D3Bu2<0時D2,D4導通D1,D3截止電流通路:B

D2

RL

D4A輸出是脈動的直流電壓！u2橋式整流電路輸出波形uou2D4D2D1D3RLuoAB9/27/2024396、穩(wěn)壓二極管:Zenerdiode9/27/202440圖1.2.11穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路

穩(wěn)壓管：工作在反向擊穿狀態(tài)

穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路：串、反、并

KCL

、

KVLP24參數(shù)返回UZ9/27/2024417、發(fā)光二極管(用于顯示)

LED:light-emittingdiodes發(fā)光二極管包括:可見光,不可見光,激光

可見光發(fā)光二極管:紅,綠,黃,橙等

開啟電壓大:紅1.6~1.8V綠2V9/27/202442P27例1.2.3電路圖9/27/202443ATmega16單片機的封裝與引腳ATmega16單片機的封裝有兩種：40引腳的PDIP和44引腳的TQFP。D端口A端口C端口B端口9/27/202444發(fā)光二極管：導通電壓1.6V、正向電流5~20mA才能發(fā)光。單片機輸出低電平0.7V，輸出電流20mA。135~540Ω

510Ω×2

9/27/2024459/27/2024468、光電二極管（光能與電能轉換）作業(yè)：P679/27/202447例Ifamouseisinstalledinacomputer,thentheavailablememoryspaceforuserwillreduce.9/27/2024481.3晶體三極管(Transistor)

晶體管的結構及類型晶體管的電流放大作用晶體管的共射特性曲線晶體管的主要參數(shù)---P34溫度對晶體管特性及其參數(shù)的影響9/27/202449晶體管的幾種常見外形9/27/202450

雙極型晶體管是由三層雜質(zhì)半導體構成的器件。它有三個電極，所以又稱為半導體三極管、晶體三極管。因兩種極性電荷的載流子同時參與導電，故稱雙極型晶體管BJT(BipolarJunctionTransistor)。9/27/202451becNNP基極base發(fā)射極emitter集電極collectorNPN型PNP集電極b基極發(fā)射極BcePNP型1.3.1晶體管的結構和類型9/27/202452becIBIEICNPN型三極管becIBIEICPNP型三極管9/27/202453becNNP基極發(fā)射極集電極基區(qū)：較薄，摻雜濃度低集電區(qū)：面積較大發(fā)射區(qū)：摻雜濃度較高9/27/202454becNNP基極發(fā)射極集電極發(fā)射結Je集電結Jc9/27/2024551.3.2晶體管的電流放大作用電流放大條件：內(nèi)部條件：發(fā)射區(qū)摻雜濃度高；基區(qū)??；集電區(qū)面積大。外部條件：發(fā)射結正偏；集電結反偏。NPN:Uc>Ub>UePNP:Uc<Ub<Ue放大時各電極的電位關系：9/27/202456一、晶體管內(nèi)部載流子的運動（1）發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子

（2）電子在基區(qū)中邊擴散邊復合

（3）擴散到集電結的電子被集電區(qū)收集

9/27/202457基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴散可忽略IEP。發(fā)射結正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴散，形成發(fā)射極電流IEN。進入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復合，形成電流IBN，多數(shù)擴散到集電結。集電結反偏，有少子形成的反向電流ICBO。從基區(qū)擴散來的電子作為集電結的少子，漂移進入集電結而被收集，形成ICN。9/27/202458二、晶體管的電流分配關系外部電流關系：

IE=IC+IB9/27/202459為了反映擴散到集電區(qū)的電流ICN與基區(qū)復合電流IBN之間的比例關系，定義共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)為其含義是：基區(qū)每復合一個電子，則有電子擴散到集電區(qū)去。值一般在20~200之間。9/27/202460確定了值之后，可得式中：

稱為穿透電流。因ICBO很小，在忽略其影響時，則有9/27/202461為了反映擴散到集電區(qū)的電流ICN與射極注入電流IEN的比例關系，定義共基極直流電流放大系數(shù)為：顯然，<1，一般約為0.97~0.99。不難求得9/27/202462

由于,都是反映晶體管基區(qū)擴散與復合的比例關系，只是選取的參考量不同，所以兩者之間必有內(nèi)在聯(lián)系。由,的定義可得:9/27/202463BJT的三種組態(tài)1.3.3晶體管的共射特性曲線特性曲線是描述晶體管各極電流與極間電壓關系的曲線。三種基本接法(組態(tài))，分別稱為共發(fā)射極、共基極接法和共集電極。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。9/27/202464ICmA

AVVUCEUBERBIBVCCVBB

實驗線路9/27/202465一、共發(fā)射極輸入特性共射輸入特性曲線是以uCE為參變量時，iB與uBE間的關系曲線，即典型的共發(fā)射極輸入特性曲線如圖所示。

9/27/202466UCE

1ViB(

A)uBE(V)204060800.40.8工作壓降：硅管UBE0.6~0.8V,鍺管UBE0.1~0.3V。UCE=0VUCE=0.5V死區(qū)電壓，硅管0.5V，鍺管0.1V。一、共發(fā)射極輸入特性9/27/202467二、共發(fā)射極輸出特性曲線共射輸出特性曲線是以iB為參變量時，iC與uCE間的關系曲線，即輸出特性可以劃分為三個區(qū)域，對應于三種工作狀態(tài)。9/27/202468iC(mA)1234uCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域滿足IC=

IB稱為線性區(qū)（放大區(qū)）。當UCE大于一定的數(shù)值時，IC只與IB有關，IC=

IB。1、放大區(qū)9/27/202469iC(mA)1234uCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域中UCE

UBE,集電結正偏，IB>IC，UCE0.3V稱為飽和區(qū)。2、飽和區(qū)9/27/202470iC(mA)1234uCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域中:IB=0,IC=ICEO,UBE<死區(qū)電壓，稱為截止區(qū)。3、截止區(qū)9/27/202471放大區(qū)：發(fā)射結正偏，集電結反偏。即：IC=IB,且

IC

=

IB(2)飽和區(qū)：發(fā)射結正偏，集電結正偏。即：UCE

UBE

，

IB>IC，UCE0.3V

(3)截止區(qū)：

UBE<死區(qū)電壓，IB=0，IC=ICEO

0

輸出特性三個區(qū)域的特點:9/27/202472例：

=50，UCC=12V，

RB=70k，RC=6k

當UBB=-2V，2V，5V時，晶體管的靜態(tài)工作點Q位于哪個區(qū)？當UBB

=-2V時：ICUCEIBUCCRBUBBCBERCUBEIB=0，IC=0Q位于截止區(qū)

9/27/202473IC<

ICmax(=2mA)，

Q位于放大區(qū)。ICUCEIBUCCRBUBBCBERCUBEUBB

=2V時：IC最大飽和電流：9/27/202474UBB

=5V時:Q位于飽和區(qū)，此時IC

和IB已不是倍的關系。9/27/202475前面的電路中，三極管的發(fā)射極是輸入輸出的公共點，稱為共射接法，相應地還有共基、共集接法。共射直流電流放大倍數(shù)：工作于動態(tài)的三極管，真正的信號是疊加在直流上的交流信號?；鶚O電流的變化量為

IB，相應的集電極電流變化為

IC，則交流電流放大倍數(shù)為：1.電流放大倍數(shù)和

1.3.4晶體管的主要參數(shù)——P349/27/202476例：UCE=6V時：IB=40A,IC=1.5mA；

IB=60A,IC=2.3mA。在以后的計算中，一般作近似處理：

=9/27/202477共基極直流電流放大系數(shù)和交流電流放大系數(shù)由于ICBO、ICEO都很小，在數(shù)值上β≈,α≈。所以在以后的計算中，不再加以區(qū)分。

β值與測量條件有關。一般來說，在iC很大或很小時，β值較小。只有在iC不大、不小的中間值范圍內(nèi)，β值才比較大，且基本不隨iC而變化。因此，在查手冊時應注意β值的測試條件。尤其是大功率管更應強調(diào)這一點。9/27/2024782.發(fā)射極開路時集電結的反向飽和電流ICBO

AICBOICBO是集電結反偏由少子的漂移形成的反向電流，受溫度的變化影響。9/27/202479ICEO=

(1+

)ICBO3.基極開路時集-射極間