第1章半导体二极管、三极管和场效应管

第1章半导体二极管、三极管和场效应管1.2PN结1.3半导体二极管1.4稳压管1.5半导体三极管1.6绝缘栅场效应管第1章目录1.1半导体的导电特性一、电子技术的发展很大程度上反映在元器件的发展上:•1947年贝尔实验室制成第一只晶体管•1958年集成电路•1969年大规模集成电路•1975年超大规模集成电路第一片集成电路只有4个晶体管，而1997年一片集成电路中有40亿个晶体管。有科学家预测，集成度还将按10倍/6年的速度增长，到2015或2020年达到饱和。二、模拟信号与模拟电路1.电子电路中信号的分类数字信号：离散性模拟信号：连续性。大多数物理量为模拟信号。2.模拟电路模拟电路：对模拟量进行处理的电路。最基本的处理是对信号的放大。放大的本质：能量的控制有源元件：能够控制能量的元件。如晶体管、场效应管三、“模拟电子技术基础”课程的特点1、工程性实际工程需要证明其可行性。强调定性分析。实际工程在满足基本性能指标的前提下总是容许存在一定的误差范围的。定量分析为“估算”。近似分析要“合理”。抓主要矛盾和矛盾的主要方面。电子电路归根结底是电路。不同条件下构造不同模型。2.实践性常用电子仪器的使用方法电子电路的测试方法故障的判断与排除方法四、如何学习这门课程1.掌握基本概念、基本电路和基本分析方法基本概念：概念是不变的，应用是灵活的，“万变不离其宗”。基本电路：构成的原则是不变的，具体电路是多种多样的。基本分析方法：不同类型的电路有不同的性能指标和描述方法，因而有不同的分析方法。2.学会辩证、全面地分析电子电路中的问题根据需求，最适用的电路才是最好的电路。要研究利弊关系，通常“有一利必有一弊”。3.注意电路中常用定理在电子电路中的应用五、课程的目的1.掌握基本概念、基本电路、基本分析方法和基本实验技能。2.具有能够继续深入学习和接受电子技术新发展的能力，以及将所学知识用于本专业的能力。本课程通过对常用电子元器件、模拟电路及其系统的分析和设计的学习，使学生获得模拟电子技术方面的基础知识、基础理论和基本技能，为深入学习电子技术及其在专业中的应用打下基础。建立起系统的观念、工程的观念、科技进步的观念和创新意识。1.1.1导体、半导体和绝缘体导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。1.1半导体的导电特性半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：•当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。•往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。在热力学温度零度和没有外界激发时,本征半导体不导电。把纯净的没有结构缺陷的半导体单晶称为本征半导体。它是共价键结构。本征半导体的共价键结构硅原子价电子第1章1.11.1.2本征半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子空穴本征激发复合在常温下自由电子和空穴的形成成对出现成对消失第1章1.1+4+4+4+4+4+4+4+4+4外电场方向空穴导电的实质是共价键中的束缚电子依次填补空穴形成电流。故半导体中有电子和空穴两种载流子。空穴移动方向电子移动方向在外电场作用下，电子和空穴均能参与导电。价电子填补空穴第1章1.1+4+4+4+4+4+4+4+41.1.3P半导体和N型半导体1.N型半导体在硅或锗的晶体中掺入少量的五价元素,如磷,则形成N型半导体。磷原子+4+5多余价电子自由电子正离子第1章1.1N型半导体结构示意图少数载流子多数载流子正离子在N型半导中,电子是多数载流子,空穴是少数载流子。第1章1.1+4+4+4+4+4+4+4空穴2.P型半导体在硅或锗的晶体中掺入少量的三价元素,如硼,则形成P型半导体。+4+4硼原子填补空位+3负离子第1章1.1P型半导体结构示意图电子是少数载流子负离子空穴是多数载流子第1章1.1P区N区1.2.1PN结的形成用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上,形成P型半导体区域和N型半导体区域,在这两个区域的交界处就形成了一个PN结。N区的电子向P区扩散并与空穴复合P区的空穴向N区扩散并与电子复合空间电荷区内电场方向1.2PN结第1章1.2多子扩散少子漂移内电场方向空间电荷区P区N区在一定的条件下，多子扩散与少子漂移达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本上稳定下来。第1章1.2内电场方向E外电场方向RI1.2.2PN结的单向导电性P区N区外电场驱使P区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷N区电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷空间电荷区变窄扩散运动增强，形成较大的正向电流1.外加正向电压第1章1.2P区N区内电场方向ER空间电荷区变宽外电场方向IR2.外加反向电压外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走少数载流子越过PN结形成很小的反向电流多数载流子的扩散运动难于进行第1章1.21.2.3PN结电容PN结电容势垒电容扩散电容1.势垒电容PN结中空间电荷的数量随外加电压变化所形成的电容称为势垒电容，用Cb来表示。势垒电容不是常数，与PN结的面积、空间电荷区的宽度和外加电压的大小有关。载流子在扩散过程中积累的电荷量随外加电压变化所形成的电容称为扩散电容，用Cd与来示。PN正偏时，扩散电容较大，反偏时，扩散电容可以忽略不计。2.扩散电容第1章1.2正极引线触丝N型锗支架外壳负极引线点接触型二极管1.3.1二极管的结构和符号二极管的符号正极负极1.3半导体二极管正极引线二氧化硅保护层P型区负极引线面接触型二极管N型硅PN结PN结第1章1.3D600400200–0.1–0.200.40.8–50–100I/mAU/V正向特性反向击穿特性硅管的伏安特性1.3.2二极管的伏安特性反向特性死区电压I/mAU/V0.40.8–40–80246–0.1–0.2锗管的伏安特性正向特性反向特性0第1章1.3mV)26()1e(TSTUIiUu常温下温度的电压当量1.3.3二极管的主要参数1.最大整流电流IOM2.反向工作峰值电压URM3.反向峰值电流IRM例1：下图中，已知VA=3V，VB=0V，DA、DB为锗管，求输出端Y的电位并说明二极管的作用。解：DA优先导通，则VY=3–0.3=2.7VDA导通后,DB因反偏而截止,起隔离作用,DA起钳位作用,将Y端的电位钳制在+2.7V。DA–12VYABDBR二极管的应用范围很广,它可用与整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。第1章1.3例2：二极管：死区电压=0.5V，正向压降0.7V(硅二极管)理想二极管：死区电压=0，正向压降=0RLuiuOuiuott二极管半波整流DE3VRuiuouRuD例3：下图是二极管限幅电路，D为理想二极管，ui=6sintV,E=3V,试画出uo波形。ttui/Vuo/V6330022–6第1章1.3t6302例4：双向限幅电路t03–3DE3VRDE3V第1章1.3uiuouRuDui/Vuo/V1.4稳压管IFUF0正向特性反向激穿区UZIminIZmaxDZ正极负极符号伏安特性稳压管是一种特殊的面接触型半导体二极管。第1章1.40稳压管的主要参数1.稳定电压UZ2.最小稳定电流Imin3.最大稳定电流IZmax4.动态电阻RZIZUZRZ=IZUZ5.电压温度系数VZT6.最大允许耗散功率PM第1章1.4IFUFIminIZmax例：稳压二极管的应用RLuiuORDZiiziLUZ稳压二极管技术数据为：稳压值UZW=10V，Izmax=12mA，Izmin=2mA，负载电阻RL=2k，输入电压ui=12V，限流电阻R=200。若负载电阻变化范围为1.5k~4k，是否还能稳压？RLuiuORDZiiziLUZUZW=10Vui=12VR=200Izmax=12mAIzmin=2mARL=2k(1.5k~4k)iL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5（mA）i=（ui-UZ）/R=（12-10）/0.2=10（mA）iZ=i-iL=10-5=5（mA）RL=1.5k,iL=10/1.5=6.7(mA),iZ=10-6.7=3.3（mA）RL=4k,iL=10/4=2.5(mA),iZ=10-2.5=7.5（mA）负载变化,但iZ仍在12mA和2mA之间,所以稳压管仍能起稳压作用光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。IU照度增加发光二极管有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。N型硅二氧化硅保护膜BECN+P型硅1.5.1半导体三极管的结构（a）平面型N型锗ECB铟球铟球PP+（b）合金型1.5半导体三极管第1章1.51.NPN型三极管集电区集电结基区发射结发射区NN集电极C基极B发射极E三极管的结构分类和符号PECB符号第1章1.5T集电区集电结基区发射结发射区CBEN集电极C发射极E基极BNPPN2.PNP型三极管第1章1.5TECRCICUCECEBUBE共发射极接法放大电路1.5.2三极管的电流控制作用三极管具有电流控制作用的外部条件:（1）发射结正向偏置；（2）集电结反向偏置。对于NPN型三极管应满足:UBE0UBC0即VCVBVE对于PNP型三极管应满足:UEB0UCB0即VCVBVE输出回路输入回路公共端第1章1.5EBRBIB发射区向基区扩散电子IEIB电子在基区扩散与复合集电区收集电子电子流向电源正极形成ICICNPN电源负极向发射区补充电子形成发射极电流IE三极管的电流控制原理EB正极拉走电子，补充被复合的空穴，形成IB第1章1.5VCCRCVBBRB由于基区很薄,掺杂浓度又很小,电子在基区扩散的数量远远大于复合的数量。所以：ICIB同样有:ICIB所以说三极管具有电流控制作用,也称之为电流放大作用。IBUBE0UCE≥1V死区电压1.三极管的输入特性IB=f(UBE)UCE=常数1.5.3三极管的特性曲线第1章1.5IB=40µAIB=60µAUCE0ICIB增加IB减小IB=20µAIB=常数IC=f(UCE)2.三极管的输出特性第1章1.5IC/mAUCE/V0放大区三极管输出特性上的三个工作区IB=0µA20µA40µA60µA80µA第1章1.5此区域中UCEUBE,集电结正偏，IBIC，UCE0.3V称为饱和区。此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBE死区电压，称为截止区。当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB,且IC=IB。此区域称为线性放大区。输出特性三个区域的特点:(1)放大区BE结正偏，BC结反偏，IC=IB,且IC=IB(2)饱和区BE结正偏，BC结正偏，即UCEUBE，IBIC，UCE0.3V(3)截止区UBE死区电压，IB=0，IC=ICEO0例：=50，USC=12V，RB=70k，RC=6k当USB=-2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？USB=-2V，IB=0，IC=0，Q位于截止区USB=2V，IB=(USB-UBE)/RB=(2-0.7)/70=0.019mAIC=IB=500.019=0.95mAICS=2mA，Q位于放大区IC最大饱和电流ICS=(USC-UCE)/RC=(12-0)/6=2mAICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEICUCEIBUSCRBUSBCBERC例：=50，USC=12V，RB=70k，RC=6k当USB=-2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？USB=5V，IB=(USB-UBE)/RB=(5-0.7)/70=0.061mAIC=IB=500.061=3.05mAICS=2mA，Q位于饱和区(实际上，此时IC和IB已不是的关系）1.