第1章半導(dǎo)體二極管和三極管幻燈片資料

第一章半導(dǎo)體二極管和三極管第二章基本放大電路第三章集成運(yùn)算放大器第七章基本門電路和組合邏輯電路

電子技術(shù)講授內(nèi)容第一章半導(dǎo)體二極管和三極管1.理解PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴?.了解半導(dǎo)體二極管的基本類型、伏安特性和主要參數(shù)，了解二極管的整流作用、鉗位作用和限幅作用。3.了解穩(wěn)壓二極管的主要特性及其穩(wěn)壓作用。4.了解雙極型晶體管的基本類型、特性曲線和主要參數(shù)，理解晶體管的三種工作狀態(tài)?；疽螅?半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性第一章電路的基本概念和基本定律半導(dǎo)體二極管2半導(dǎo)體三極管4穩(wěn)壓二極管31.半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性典型的元素半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge，此外，還有化合物半導(dǎo)體砷化鎵GaAs等。硅原子鍺原子硅和鍺最外層軌道上的四個(gè)電子稱為價(jià)電子。1.半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性(可做成溫度敏感元件，如熱敏電阻)。摻雜性：往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，導(dǎo)電能力明顯改變(可做成各種不同用途的半導(dǎo)體器件，如二極管、三極管和晶閘管等）。光敏性：當(dāng)受到光照時(shí)，導(dǎo)電能力明顯變化(可做成各種光敏元件，如光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管等)。熱敏性：當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，導(dǎo)電能力顯著增強(qiáng)1.半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性1.2本征半導(dǎo)體完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體，稱為本征半導(dǎo)體。

Si

Si

Si

Si晶體中原子的排列方式硅單晶中的共價(jià)健結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子，稱為價(jià)電子。1.半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理

Si

Si

Si

Si價(jià)電子空穴自由電子

價(jià)電子在獲得一定能量（溫度升高或受光照）后，掙脫原子核的束縛，成為自由電子（帶負(fù)電），同時(shí)共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位，稱為空穴（帶正電）。本征激發(fā)：溫度愈高，晶體中產(chǎn)生的自由電子、空穴愈多。1.半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性(5)當(dāng)半導(dǎo)體兩端加上外電壓時(shí)，載流子定向運(yùn)動(dòng)（漂移運(yùn)動(dòng)），在半導(dǎo)體中將出現(xiàn)兩部分電流

①自由電子作定向運(yùn)動(dòng)

電子電流

②價(jià)電子遞補(bǔ)空穴空穴電流結(jié)論：(1)半導(dǎo)體有兩種載流子:（負(fù)）電子、（正）空穴。(2)自由電子和空穴成對(duì)地產(chǎn)生，同時(shí)又不斷復(fù)合。在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生和復(fù)合達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，半導(dǎo)體中載流子便維持一定的數(shù)目。(3)

載流子的數(shù)量少，故導(dǎo)電性能很差。(4)載流子的數(shù)量受溫度影響較大，溫度高數(shù)量就多。所以，溫度對(duì)半導(dǎo)體器件性能影響很大。1.半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性1.3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）,形成雜質(zhì)半導(dǎo)體。

Si

Si

Si

Si多余電子磷原子在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮邮ヒ粋€(gè)電子變?yōu)檎x子p+摻雜后自由電子數(shù)目大量增加，自由電子導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式，稱為電子半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體。摻入五價(jià)元素在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。1.半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性

Si

Si

Si

SiB–硼原子接受一個(gè)電子變?yōu)樨?fù)離子空穴因三價(jià)雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，缺少一個(gè)價(jià)電子而在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空穴。摻雜后空穴數(shù)目大量增加，空穴導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式，稱為空穴半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體。摻入三價(jià)元素?zé)o論N型或P型半導(dǎo)體都是中性的，對(duì)外不顯電性。1.半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性(1)N型半導(dǎo)體（電子型半導(dǎo)體）形成：向本征半導(dǎo)體中摻入少量的5價(jià)元素特點(diǎn)：（a）含有大量的電子——多數(shù)載流子

（b）含有少量的空穴——少數(shù)載流子(2)P型半導(dǎo)體（空穴型半導(dǎo)體）形成：向本征半導(dǎo)體中摻入少量的3價(jià)元素特點(diǎn)：（a）含有大量的空穴——多數(shù)載流子

（b）含有少量的電子——少數(shù)載流子1.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子的數(shù)量與

（a.摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。2.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中少子的數(shù)量與（a.摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。3.當(dāng)溫度升高時(shí)，少子的數(shù)量（a.減少、b.不變、c.增多）。abc4.在外加電壓的作用下，P型半導(dǎo)體中的電流主要是

，N型半導(dǎo)體中的電流主要是。（a.電子電流、b.空穴電流）ba思考題：1.4PN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦远嘧拥臄U(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)少子的漂移運(yùn)動(dòng)濃度差P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。擴(kuò)散的結(jié)果使空間電荷區(qū)變寬。空間電荷區(qū)也稱PN結(jié)擴(kuò)散和漂移這一對(duì)相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空間電荷區(qū)PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕?）PN結(jié)加正向電壓（正向偏置）PN結(jié)變窄P接正、N接負(fù)外電場(chǎng)IF內(nèi)電場(chǎng)被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)，形成較大的擴(kuò)散電流。

PN結(jié)加正向電壓時(shí)，PN結(jié)變窄，正向電流較大，正向電阻較小，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。內(nèi)電場(chǎng)PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–（2）PN結(jié)加反向電壓（反向偏置）外電場(chǎng)P接負(fù)、N接正內(nèi)電場(chǎng)PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+PN結(jié)變寬（2）PN結(jié)加反向電壓（反向偏置）外電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)被加強(qiáng)，少子的漂移加強(qiáng)，由于少子數(shù)量很少，形成很小的反向電流。IRP接負(fù)、N接正

溫度越高少子的數(shù)目越多，反向電流隨溫度升高而增加。–+

PN結(jié)加反向電壓時(shí)，PN結(jié)變寬，反向電流較小，反向電阻較大，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。內(nèi)電場(chǎng)PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－2.半導(dǎo)體二極管2.1基本結(jié)構(gòu)PN陽(yáng)極陰極兩層半導(dǎo)體一個(gè)PN結(jié)按結(jié)面積分點(diǎn)接觸型面接觸型金屬觸絲陽(yáng)極引線N型鍺片陰極引線外殼(

a)

點(diǎn)接觸型鋁合金小球N型硅陽(yáng)極引線PN結(jié)金銻合金底座陰極引線(

b)面接觸型2.半導(dǎo)體二極管(1)點(diǎn)接觸型(2)面接觸型結(jié)面積小、結(jié)電容小、正向電流小。用于檢波和變頻等高頻電路。結(jié)面積大、正向電流大、結(jié)電容大，用于工頻大電流整流電路。按材料分硅管鍺管按用途分普通管整流管……2.半導(dǎo)體二極管2.2伏安特性二極管電流與電壓之間的關(guān)系UIOAABB硅鍺半導(dǎo)體二極管的伏安特性正向：死區(qū)（OA段）:硅管約0.5V，鍺管約0.2V；正向?qū)▍^(qū):硅管約0.7V，鍺管約0.3V反向：截止區(qū)（OB段）:I近似為0；擊穿區(qū):管子被擊穿2.半導(dǎo)體二極管2.2伏安特性二極管電流與電壓之間的關(guān)系UIOAABB硅鍺半導(dǎo)體二極管的伏安特性UIOUDUIO(a)近似特性(b)理想特性2.3主要參數(shù)（1）IOM：最大整流電流（2）URM：最高反向工作電壓（3）IRM：最大反向電流二極管長(zhǎng)期使用時(shí)，允許流過(guò)二極管的最大正向平均電流。是保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓，一般是二極管反向擊穿電壓的一半或三分之二。二極管擊穿后單向?qū)щ娦员黄茐模踔吝^(guò)熱而燒壞。指二極管加最高反向工作電壓時(shí)的反向電流。反向電流越小，說(shuō)明管子的單向?qū)щ娦栽胶?。小結(jié)：二極管的單向?qū)щ娦裕?）二極管加正向電壓（正向偏置，陽(yáng)極接正、陰極接負(fù)）時(shí)，二極管處于正向?qū)顟B(tài)，二極管正向電阻較小，正向電流較大。（2）二極管加反向電壓（反向偏置，陽(yáng)極接負(fù)、陰極接正）時(shí)，二極管處于反向截止?fàn)顟B(tài)，二極管反向電阻較大，反向電流很小。（3）外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦?。?）二極管的反向電流受溫度的影響，溫度愈高反向電流愈大。二極管電路分析：先判斷二極管的工作狀態(tài)導(dǎo)通截止分析方法：將二極管斷開(kāi)，分析二極管兩端電位的高低或所加電壓UD的正負(fù)。若V陽(yáng)>V陰或

UD為正，二極管導(dǎo)通若V陽(yáng)<V陰或

UD為負(fù)，二極管截止

若二極管是理想的，正向?qū)〞r(shí)管壓降為零，反向截止時(shí)相當(dāng)于開(kāi)路。否則，正向管壓降硅0.6~0.7V鍺0.2~0.3V例1：分析輸出電壓和二極管上電壓的波形。假設(shè)二極管為理想二極管。–++–aTrDuou2bRLio+–u1uDOuoOu2

tOu2

正半周，Va>Vb，D導(dǎo)通，uo=u2；u2

負(fù)半周，Va<Vb，D截止，uo=0。例2：電路如圖，求：UABD6V12V3k

BAUAB+–V陽(yáng)=－6VV陰

=－12VV陽(yáng)>V陰

二極管導(dǎo)通若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB=－6V否則，

UAB低于－6V一個(gè)管壓降，為－6.3Ｖ或－6.7V

取B點(diǎn)作參考點(diǎn)，斷開(kāi)二極管，分析二極管陽(yáng)極和陰極的電位。例3：求：UAB=？流過(guò)D2

的電流，D1承受反向電壓。BD16V12V3k

AD2UAB+–兩個(gè)二極管的陰極接在一起取B點(diǎn)作參考點(diǎn)，斷開(kāi)二極管，分析二極管陽(yáng)極和陰極的電位。V1陽(yáng)=－6V，V2陽(yáng)=0V，V1陰=V2陰=－12VUD1=6V，UD2=12V

∵

UD2>UD1

∴D2優(yōu)先導(dǎo)通，鉗位，使

D1截止。若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB

=0V流過(guò)D2

的電流為D1承受反向電壓為－6V例4：當(dāng)VA=3V，VB=0V時(shí)，分析輸出端的電位VY。+6VRDAVAVBVYDB-6VRDAVAVBVYDB理想二極管：VY=VB=0V∵

UDB>UDA

∴DB優(yōu)先導(dǎo)通，DA截止。鍺二極管：VY=VB+UD=0.3V硅二極管：VY=VB+UD=0.7V∵

UDA>UDB

∴DA

優(yōu)先導(dǎo)通，DB截止。理想二極管：VY=VA=3V鍺二極管：VY=VA-UD=2.7V硅二極管：VY=VA–UD=2.3V作業(yè)P18：1-3，1-5電工技術(shù)試驗(yàn)安排時(shí)間：第七周周三第二大節(jié)（采礦09-1班）第七周周三第三大節(jié)（采礦09-2班）第七周周三第四大節(jié)（采礦09-3班）第七周周五第二大節(jié)（采礦09-4班）

第八周周三第二大節(jié)（采礦09-5班）第八周周三第四大節(jié)（采礦09-6班）地點(diǎn)：一號(hào)實(shí)驗(yàn)樓421

1.班長(zhǎng)負(fù)責(zé)將電子檔打印為紙質(zhì)文檔，保證每人一份。2.進(jìn)實(shí)驗(yàn)室不得大聲喧嘩，不得嬉鬧，注意安全。3.在實(shí)驗(yàn)室不允許玩手機(jī)，不允許吃喝，注意保持實(shí)驗(yàn)室的整潔衛(wèi)生。4.實(shí)驗(yàn)完成后認(rèn)真寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，實(shí)驗(yàn)報(bào)告紙由班長(zhǎng)負(fù)責(zé)統(tǒng)一在五樓杜老師處購(gòu)買，每人五張。要求：3.穩(wěn)壓二極管符號(hào)_+3.1伏安特性UZIZIZM

UZ

IZUIO穩(wěn)壓管正常工作時(shí)加反向電壓穩(wěn)壓管反向擊穿后，電流變化很大，但其兩端電壓變化很小，利用此特性，穩(wěn)壓管在電路中可起穩(wěn)壓作用。使用時(shí)要加限流電阻3.2主要參數(shù)（1）穩(wěn)定電壓UZ

穩(wěn)壓管正常工作(反向擊穿)時(shí)管子兩端的電壓。（2）動(dòng)態(tài)電阻rZ愈小，曲線愈陡，穩(wěn)壓性能愈好。（3）穩(wěn)定電流IZ是指某種穩(wěn)壓管進(jìn)入反向擊穿工作區(qū)所必需的參考電流，通常該電流為5mA,穩(wěn)壓管的實(shí)際電流大于穩(wěn)定電流時(shí)，穩(wěn)壓性能較好。3.3穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路（1）穩(wěn)電管正向偏置時(shí)，相當(dāng)于一個(gè)普通二極管正向偏置的情況。

（2）穩(wěn)壓管反向偏置時(shí)①當(dāng)外加反向電壓小于穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓時(shí)，穩(wěn)壓管截止，可視為開(kāi)路。②當(dāng)外加反向電壓大于或等于穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓，并且流過(guò)穩(wěn)壓管的電流滿足一定要求時(shí)，穩(wěn)壓管穩(wěn)壓。

例：穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定電壓UZ=5V，正向壓降忽略不計(jì)。當(dāng)輸入電壓Ui分別為直流10V、3V、-5V時(shí)，求（1）輸出電壓UO；（2）若ui=10sinωtV，試畫出uo的波形。DZRuoui++––Ui=10V：DZ工作在反向擊穿區(qū)，穩(wěn)壓，UO=UZ=5VUi=3V：DZ反向截止，UO=Ui=3VUi=-5V：DZ工作在正向?qū)顟B(tài)，UO=0Vui=10sinωtV：ui正半周，當(dāng)ui>UZ，DZ反向擊穿，uO=5V當(dāng)ui<UZ，DZ反向截止，uO=uiui負(fù)半周，DZ正向?qū)?，uO=0Vui10V5V

（2）若ui=10sinωtV，uo的波形如下：DZRuoui++––4.半導(dǎo)體三極管4.1基本結(jié)構(gòu)基極發(fā)射極集電極NPN型BECPNP型PPN基極發(fā)射極集電極NNP符號(hào)：BECIBIEICBECIBIEICNPN型三極管PNP型三極管4.半導(dǎo)體三極管結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：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)：面積大BECNNP基極發(fā)射極集電極集電區(qū)：尺寸最大4.2電流分配和放大原理4.2.1.三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

發(fā)射極是輸入回路、輸出回路的公共端共發(fā)射極電路ICEBmA

AVUCEUBERBIBECV++––––++IE4.2.2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(shí)質(zhì):用一個(gè)微小電流的變化去控制一個(gè)較大電流的變化，是CCCS器件。4.2.3三極管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律BECNNPEBRBECIEIBEICEICBO

基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴(kuò)散可忽略。發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴(kuò)散，形成發(fā)射極電流IE。

進(jìn)入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復(fù)合，形成電流IBE，多數(shù)擴(kuò)散到集電結(jié)。從基區(qū)擴(kuò)散來(lái)的電子作為集電結(jié)的少子，漂移進(jìn)入集電結(jié)而被收集，形成ICE。集電結(jié)反偏，有少子形成的反向電流ICBO。4.2.3三極管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律ICIBBECNNPEBRBECIEIBEICEICBO可見(jiàn)，集電極電流IC是由ICBO與ICE兩部分組成的，

IB是由ICBO和IBE兩部分組成的，晶體管的放大是因ICE遠(yuǎn)大于IBE，其比值為(常用公式)4.3特性曲線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(yùn)動(dòng)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(jì)性能良好的電路重點(diǎn)討論應(yīng)用最廣泛的共發(fā)射極接法的特性曲線發(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(cè)量晶體管特性的實(shí)驗(yàn)線路ICEBmA

AVUCEUBERBIBECV++––––++

4.3.1輸入特性IB(

A)UBE(V)204060800.40.8UCE1VO特點(diǎn):非線性死區(qū)電壓：硅管0.5V，鍺管0.2V。正常工作時(shí)發(fā)射結(jié)電壓：NPN型硅管

UBE0.6~0.7VPNP型鍺管

UBE0.3V結(jié)論:（1）輸入特性是發(fā)射結(jié)的正向特性，它是一條非線性曲線。（2）只有當(dāng)加在發(fā)射結(jié)的電壓大于死區(qū)電壓時(shí)，晶體管才會(huì)出現(xiàn)基極電流。（3）正常工作時(shí)，NPN型硅管的發(fā)射結(jié)電壓UBE=0.6～0.7V,PNP型鍺管的發(fā)射結(jié)電壓UBE=-0.3V。4.3.2

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(gè)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)。IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O（2）截止區(qū)IB=0以下的區(qū)域稱為截止區(qū)，有IC0

。

對(duì)于NPN型硅管，當(dāng)UBE<0.5V時(shí)，已處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)UBE<0V時(shí)，晶體管可靠截止，此時(shí)發(fā)射結(jié)處于反向偏置。

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)IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O飽和區(qū)（3）飽和區(qū)

靠近縱軸的區(qū)域成為飽和區(qū)，晶體管在飽和區(qū)工作時(shí)的狀態(tài)稱為飽和狀態(tài)。

當(dāng)UCE

UBE時(shí)，晶體管工作于飽和狀態(tài)。在飽和區(qū)，

IB

IC，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(shí)，

硅管UCES0.3V，

鍺管UCES0.1V。4.4主要參數(shù)（6個(gè)）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(shí)，表示