第1章电子元器件基本知识

第1章电子元器件基本知识1.1半导体基本知识1.2半导体二极管1.3半导体三极管1.4场效应管1.1半导体基本知识1.1.1半导体的特点1.本征半导体所谓本征半导体就是结构完整的、纯净的不掺杂任何杂质的半导体。2.自由电子和空穴共价键中的电子不是自由的，不能自由运动。即本征半导体是不导电的。下一页返回1.1半导体基本知识3.杂质半导体1）N型半导体在本征半导体硅（或锗）中掺入微量五价元素（如磷）后，就可形成N型半导体。2）P型半导体在本征半导体硅（或锗）中掺入微量五价元素（如硼）后，就可形成P型半导体。上一页下一页1.1半导体基本知识1.1.2PN结形成与特点1.PN结的形成在一块完整的半导体晶片的两边，通过掺杂工艺分别做成P型半导体和N型半导体，在它们的交界面处将形成一个具有特殊性能的带电薄层，这个带点薄层就叫做PN结。2.PN结的单向导电性1）PN结正向偏置当PN结的P区接电源正极，N区接电源负极时，称为给PN结上一页下一页1.1半导体基本知识外加正向偏置电压，简称正偏。2）PN结反向偏置当PN结的P区接电源负极，N区接电源正极时，称为给PN结外加反向偏置电压，简称反偏。由于外加电源产生的电场与PN结内电场方向相同，加强了内电场，使PN结变宽，阻碍了P区和N区多数载流子向对方的扩散。在外电场作用下，只有少数载流子形成了极为微弱的电流，称为反向电流。此时PN结处于反向截止状态。应当指出，反向电流是少数载流子由于热激发产生，因而反向电流受温度影响很大。上一页返回1.2半导体二极管1.2.1二极管的结构和类型1.结构和符号PN结用管壳封装，并在两端引出两根电极引线，便构成了二极管。二极管是最基本的半导体器件，它广泛应用于整流、稳压、检波和开关等电子技术领域。常见二极管的外形及二极管的电路符号如图1-6所示，三角形表示P区，短线表示N区。下一页返回图1-6返回1.2半导体二极管2.类型依据不同的分类方法，可对二极管的类型做以下归类：（1）按制造材料分：有硅二极管、锗二极管等。（2）按用途分：有整流、稳压、检波、开关等二极管。（3）按结构分：有点接触型、面结型和平面型二极管。（4）按功率分：有大功率、中功率、小功率二极管。（5）按封装形式分：有金属封装和塑料封装二极管。上一页下一页1.2半导体二极管1.2.2二极管的特性及参数1.二极管的单向导电性半导体二极管的核心其实就是一个PN结，二极管的特性就是PN结的特性，即单向导电性。1）二极管正向运用二极管的正极接高电位，负极接低电位（即PN结的P区接高电位，N区接低电位），称为二极管处于正向运用，又称为外加正向电压或叫正向偏置。2）二极管反向运用二极管的正极接低电位，负极接高电位（即PN结的P区接低上一页下一页1.2半导体二极管电位，N区接高电位），称为二极管反向运用，又称为外加反向电压或叫反向偏置。此时流过二极管的电流非常小，仅为零点几μA，而且反向电压增大时，反向电流几乎不变，该电流称为反向饱和电流，记为IS，我们称二极管处于截止状态。2.二极管的反向击穿特性二极管反向应用时，当反向电压超过一定数值时，反向电流会急剧增加，这种现象称为二极管反向击穿。3.二极管的温度特性上一页下一页1.2半导体二极管二极管的核心是一个PN结，它的导电性能对温度比较敏感，温度对二极管的影响主要有两个方面：一是反向饱和电流IS随温度升高而增大，二是正向压随温度升高而降低。4.二极管的主要参数1）最大整流电流IF最大整流电流IF是指二极管长期工作时，所允许通过的最大正向平均电流。2）反向击穿电压U(BR)引起二极管反向击穿的电压。上一页下一页1.2半导体二极管3）最大反向工作电压URM实际使用时加在二极管两端的最大反向电压。4）反向饱和电流IR反向饱和电流IR是指在规定的反向电压和室温下所测得的反向电流值。5）最高工作频率fM6）直流电阻RD二极管直流电阻RD指加在二极管两端的直流电压与流过二极管两端的直流电流的比值。上一页下一页1.2半导体二极管1.2.3二极管的应用电路举例1.整流电路所谓整流，就是指把交流电压变成直流电压的过程。2.限幅电路如图1-11（a）是一个简单限幅电路，理想二极管D，限流电阻R，直流电压U。当输入信号电压ui≥U时，二极管D导通，u0=U；当输入信号电压ui≤U；D截止，视为开路，u0=ui，输入、输出波形如图1-11（b）所示，显然，该电路能把输出信号的最高电平限制在某一数值上，称为上限幅电路。上一页下一页图1-11返回1.2半导体二极管1.2.4特殊二极管及应用1.稳压二极管1）稳压二极管的工作特性利用二极管的反向击穿特性制成的专用二极管称为稳压二极管，其工作原理是利用PN结发生反向击穿时，流过二极管的反向电流在较大范围内变化而二极管两端电压基本不变这一特点。2）稳压二极管的主要参数（1）稳定电压UZ：稳定电压UZ即反向击穿电压。（2）最小稳定电流IZmin（3）最大稳定电流IZmaz上一页下一页1.2半导体二极管2.发光二极管和电光二极管发光二极管是用砷化镓、磷砷化镓等特殊化合物制成的二极管，和普通二极管一样，也是由PN结构成，同样具有单向导电性。但是这种二极管在正向电流通过时，能将电流转换成光能而发光，根据发光波长，分为激光管、红外光管和可见光管。光电二极管是将光能装变成电流的器件。3.变容二极管变容二极管是指利用PN结电容可变原理制成的二极管，它也工作在反向偏置状态，当外加的反向偏置电压大小变化时，其结电容随着外加偏压的变化而变化，相当于一个电压控制的可变电容。上一页返回1.3半导体三极管1.3.1三极管的结构和类型1.三极管的结构和电路符合它是由三种不同性质的半导体组合而成，按照半导体的排列顺序不同，可将其分成NPN型管和PNP型管。2.三极管的类型（1）按结构类型分：NPN型、PNP型。（2）按制作材料分：硅管、锗管。（3）按功率大小分：大、中、小功率管。（4）按工作频率分：高频管、低频管。（5）按工作状态分：开关管、放大管。下一页返回1.3半导体三极管1.3.2三极管电流分配和放大作用1.三极管的工作电压三极管处于放大状态的外部电压条件是：发射结正偏、集电结反偏，原理电路如图1-14所示。2.三极管的电流放大作用（1）NPN型三极管的基极电流和集电极电流流进三极管，而发射上一页下一页图1-14返回1.3半导体三极管极电流流出三极管（对于PNP型三极管则正好相反）。（2）三极管的电流符号基尔霍夫结点电流关系，称为三极管的电流分配关系。（3）微小的基极电流变化引起了集电极电流几十乃至上百倍的变化，这就是三极管的电流控制作用，激流电流IB对集电极电流IC的控制作用，也称为三极管的电流放大作用。因此半导体三极管是一种电流控制型器件。上一页下一页1.3半导体三极管1.3.3三极管的特征曲线三极管的特征曲线是指三极管各级间电压和电流之间的关系曲线。特性曲线是用来描述各级电流与电压的关系，是分析三极管电路的基础。1.输入特性曲线共射极输入特性曲线所描述的是加在基极与发射极之间的电压uBE和与之对应的基极电流iB的关系。2.输出特性曲线输出特性曲线所描述的是加在发射极与集电极之间的电压uCE和与之对应的集电极电流iC的关系。上一页下一页1.3半导体三极管1.3.4三极管的主要参数1）电流放大系数β=ΔIC/ΔIB2）极间反向电流反向饱和电流ICBO穿透电流ICEO3）极限参数（1）反向击穿电压U(BR)CBO：发射极开路，集电极-基极之间的反向击穿电压。上一页下一页1.3半导体三极管U(BR)EBO：集电极开路，基极-发射极之间的反向击穿电压。U(BR)CEO：基极开路，集电极-发射极之间的反向击穿电压。U(BR)CBR：基极与发射极之间接电阻，集电极-发射极之间的反向击穿电压。U(BR)CES：基极与发射极之间短路，集电极-发射极之间的反向击穿电压。（2）集电极最大允许电流ICM（3）集电极最大允许耗散功率PCM上一页下一页1.3半导体三极管1.3.5复合三极管在放大电路中，有时单只三极管难以满足某些方面的特殊要求，通常把两个或两个以上三极管按一定方式连接成一个电路来达到所要求的参数，这个电路可以等效的看成一只参数特别的管子，称为复合管。复合管又称达林顿管。1.两只同类型（NPN或PNP）三极管组成的复合管图1-20（a）是由两只NPN（或PNP）型三极管构成的复合管电路，根据电流的流向，这个电路可以等效成图1-20（b）所示的一只特殊参数的NPN型三极管T。2.两只不同类型（NPN或PNP）三极管组成的复合管上一页返回图1-20返回1.4场效应管1.4.1绝缘栅型场效应管的原理和特性晶体三极管是利用输入电流控制输出电流的半导体器件，称为电流控制型器件。场效应管是利用电场效应来控制输出电流的半导体器件。场效应管具有输入电阻高、噪声小、热稳定性高、抗干扰能力强和制作工艺简单等优点，在现代的各种集成电路中得到广泛的应用。1.增强型绝缘栅型场效应管的结构和符号2.增强型绝缘栅型场效应管的工作原理下一页返回1.4场效应管3.N沟道增强型绝缘栅型场效应管的特性曲线1）输出特性曲线UGS越大，半导体表面的电场就越强，形成导电沟道的电子就越多，导电沟道就越宽。相反，UGS越小，导电沟道越窄。所以，改变UGS就可以改变导电沟道的宽窄，在电压UDS作用下，UGS可以控制iD的大小，这就是N沟道MOS管的工作原理。这种在UGS=0时没有导电沟道，而只有在UGS大于UGS（th）时才能形成导电沟道的MOS管称做增强型管。2）转移特性上一页下一页1.4场效应管1.4.2场效应管主要参数1.低频跨导gm2.夹断电压UGS(off)和开启电压UGS(th)夹断电压UGS(off)和开启电压UGS(th)是两个极限电压，但其实质是一样的，对应于ID电流从无到有，或者从有到无时的栅源电压UGS。3.漏极饱和电流IDSS4.击穿电压上一页下一页1.4场效应管漏源击穿电压U(BR)DS栅源击穿电压U(BR)GS在实际使用中加在场效应管各电极之间的电压不允许超过上述两个击穿电压，否则会损坏场效应管。5.漏极最大允许耗散功率PDM场效应管工作时要消耗电功率，继而转变成热能，使场效应管的温度升高。所以场效应管在工作时实际消耗的功率不允许超过PDM，否则会因温度过高而烧毁场效应管。上一页下一页1.4场效应管1.4.3场效应管与双极型三极管比较（1）场效应管是电压控制器件，三极管是电流控制器件。（2）场效应管是单极型器件，三极管为双极性器件。（3）场效应管的输入电阻很大，三极管在放大状态时输入电阻很小。（4）场效应管的功耗低、制造工艺简单、便于集成化，因此在电子设备中得到了广泛应用。上一页返回