模拟电路与数字电路第2章g.

2半导体器件基础★半导体的基础知识★★半导体器件的核心环节——PN结★★★半导体二极管的物理结构、工作原理、特性曲线和主要参数以及二极管基本电路及其分析方法与应用★★★★半导体三极管的物理结构、工作原理、特性曲线和主要参数以及三极管基本电路及其分析方法与应用★★★★★场效应管的物理结构、工作原理、特性曲线和主要参数主要内容2.1半导体的基本知识2.1.1本征半导体•导电性能介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体。•常用的半导体有硅（Si）和锗（Ge）。•纯净的半导体称为本征半导体，其原子结构是晶体结构，故半导体管又称晶体管。本征半导体的特点：①半导体的导电性不如导体,常温下导电能力弱。②半导体中存在两种载流子：电子和空穴。③温度升高或光照增强时，半导体导电性增强2.1.2杂质半导体•N型半导体:在本征半导体硅（或锗）中掺入微量五价元素磷（或砷），以电子导电为主的半导体称为N型半导体。在外电场的作用下，其电流主要是电子电流。•P型半导体：在本征半导体硅（或锗）中掺入微量三价元素硼（或镓），以空穴导电为主的半导体称为P型半导体。掺入了三价元素的杂质半导体，空穴是多数载流子，电子是少数载流子。2.1.3PN结及其单向导电性•扩散运动：P型半导体和N型半导体的交界面处形成载流子浓度的差异。P区空穴多，N区电子多，N区电子要向P区扩散，P区空穴向N区扩散，这种由于浓度差异引起的载流子运动称为扩散运动。•漂移运动：扩散运动的结果，产生从N区指向P区的内电场。在电场作用下的载流子运动称为漂移运动。一、PN结的形成•PN结：P型半导体和N型半导体交界面发生着两种相反的运动——多子的扩散和少子的漂移。当两种运动达到动态平衡时，空间电荷不再变化，形成宽度稳定的空间电荷区——PN结。•耗尽层：在PN结内，由于载流子已扩散到对方并复合掉了，或者说被耗尽了，所以空间电荷区又称耗尽层。浓度差多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区↓空间电荷区形成形成内电场↓↓内电场促使少子漂移内电场阻止多子扩散二、PN结的单向导电性②加反向电压——PN结截止①加正向电压——PN结导通•PN结还有感温、感光、发光等特性课堂练习1、_________称为本征半导体，由于原子结构是晶体结构，故半导体管也称_______。2、常温下本征半导体自由电子数____，所以半导体导电能力____。3、半导体中有____和____两种载流子。4、在本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现的，称为________。5、N型半导体是指在本征半导体中掺入____杂质元素，这种半导体以____导电为主。•6、P型半导体是指在本征半导体中掺入____元素，这种半导体以____导电为主。•7、如果一块半导体两部分分别掺杂形成P型半导体和N型半导体，在它们的交界面处就形成____。•8、在PN结内，由于载流子已扩散到对方并复合掉了，或者说被耗尽了，所以空间电荷区又称为____。•9、通常加在PN结上的电压称为____•10、PN结________PN结低阻导通，____PN结高阻截止。2.2.1晶体二极管的结构、符号、类型2.2晶体二极管晶体二极管的符号VD负极正极电流方向二极管的分类•按制造材料分——硅二极管和锗二极管；•按用途分——整流二极管、检波二极管、稳压二极管、开关二极管等；•按结构工艺分——点接触型、面接触型等。2.2.2晶体二极管的伏安特性与等效电路2.2.2.1伏安特性(或V—A特性)•(1)正向特性①死区(也叫不导通区)，用Ur表示，一般硅二极管约0.5V，锗二极管约0.1V②导通区——一般硅二极管约为0.7V，锗二极管约为0.2V(2)反向特性①反向截止区②反向击穿区由特性曲线：•二极管是非线性器件，通过二极管的电流与加在其两端的电压近似成指数关系；•在一定电压范围内，二极管具有单向导电性。2.2.2.2．等效电路(a)理想二极管的等效电路(b)计及正向导通电压UF时的二极管等效电路理想二极管加不同极性电压时的意义考虑UF,二极管加不同电压时的意义例2.1二极管电路如下图所示，试计算回路中的电流ID及输出电压UO，设二极管为硅管。解：图示电路中，于a、b点处断开，得：Ua=-12V，Ub=-18V由于Ua＞Ub，故二极管导通。若二极管为理想的，则ID=UR/R=（-U1+U2）/R=3mA，UO=-U1=-12V若计二极管的正向压降UF，则ID=UR/R=（-U1+U2-UF）/R=2.65mA，UO=-UF-U1=-12.7V2.2.3晶体二极管的主要参数1．最大整流电流Ir——二极管长期运行允许通过的最大正向平均电流。2.最高反向工作电压URM——允许加在二极管上的反向电压的最大值。3.反向电流IR——室温下，二极管两端加上规定的反向电压时的反向电流。4．最高工作频率fm——二极管工作在高频时，电流容易从结电容通过，使管子的单向导电性能变差，甚至可能失去单向导电性，为此规定一个最高工作频率，它主要决定于PN结结电容的大小，结电容愈大，则fM愈低。二极管的参数还有结电容及最高结温等•1、二极管按结构分为_____、_____、_____。•2、二极管按制造材料分有_____、_____。•3、二极管两端的_____与通过它的_____的关系曲线称为二极管的伏安特性曲线。•4、当二极管所加正向电压_____，二极管呈现的电阻较大，与之对应的电压叫_____，该电压大小与二极管材料及_____等因素有关，一般硅二极管为_____，锗二极管约为_____。•5、导通后二极管两端的正向电压称为_____，一般硅二极管为_____，锗二极管为_____。•6、当反向电压增大超过某一值时，反向电流_____，此时二极管失去_____这种现象叫击穿。•7、二极管是_____器件。•8、二极管长期运行允许通过的最大正向平均电流叫_____。•9、允许加在二极管上的反向电压最大值叫_____。•10、二极管两端加反向峰值电压时_____越小，管子的单向导电性越好。温度升高时，二极管的正向压降将减小，每增加1℃，正向压降VF(Vd)大约减小2mV，即具有负的温度系数。2.2.4半导体二极管的温度特性硅二极管温度每增加8℃，反向电流将约增加一倍；锗二极管温度每增加12℃，反向电流大约增加一倍。2.2.5晶体二极管的基本应用•整流•检波•开关•稳压•限幅•钳位2.限幅•限幅：限制信号的幅值。2.2.6稳压、发光、光电、变容二极管简介稳压二极管发光二极管光电二极管变容二极管2.3晶体三极管2.3.1晶体三极管的结构、符号、类型晶体管的制造工艺特点：发射区的掺杂浓度高，基区很薄且掺杂浓度低，集电结的面积大，掺杂浓度更低，这些特点是保证晶体管具有电流放大作用的内部条件。晶体管的电路符号晶体管的分类：①依据制造材料的不同，晶体管分为锗管与硅管两类，其特性大同小异，硅管受温度影响较小。工作较稳定；②依据晶体管内部基本结构，分为NPN型和PNP型两类；③依据工作频率不同，大致可分为高频管和低频管等；④依据用途的不同，分为放大管和开关管；⑤依据功率不同，分为小功率管、中功率管和大功率管。2.3.2.1晶体管处于放大状态的工作条件PNP管EBUUEBUUBCUUBCUU2.3.2晶体三极管的放大原理•外加电压保证发射结正向偏置，集电结反向偏置NPN管双极型三极管有三个电极，其中两个可以作为输入,两个可以作为输出，这样必然有一个电极是公共电极。三种接法也称三种组态。三种组态共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示；共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。1、三极管三个电极分别称为______、______、______。2、三极管与三个电极对应的每层半导体分别称为______、______、______。3、三极管无论是硅管还是锗管，根据结构都可分为______和______两种类型。4、NPN三极管的符号是______，PNP三极管的符号是______。5、NPN三极管处于放大状态的工作条件是VB______VE，VC______VB。6、三极管按制造材料，分为______和______；按照用途可分为______和______。7、采用不同电极作为公共电极就形成了三极管在电路中的三种接法，也称______。8、发射极作为公共电极，称做______接法共发射极接法•输入电路——由基极电源和基极电阻供给NPN三极管发射结正向偏压构成。•输出电路——由集电极电源和集电极电阻供给集电结反向偏压构成。•共发射极接法——三极管的发射极接于输入电路和输出电路的公共端。PNNcbeVCC++--RbVBBICIBIE=IB+ICRc集电区基区发射区2.3.2.2晶体管的电流分配从基区向发射区也有空穴的扩散运动，但其数量小，形成的电流为IEP。这是因为发射区的掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度。发射结正偏时，从发射区将有大量的电子向基区扩散，形成的电流为IEN。进入基区的电子流因基区的空穴浓度低，被复合的机会较少。又因基区很薄，在集电结反偏电压的作用下，电子在基区停留的时间很短，很快就运动到了集电结的边上，进入集电结的结电场区域，被集电极所收集，形成集电极电流ICN。在基区被复合的电子形成的电流是IBN。集电结反偏，使集电结区的少子形成漂移电流ICBO。可得如下电流关系式：IE=IEN＋IEP且有IENIEPIEN=ICN+IBN且有IENIBN，ICNIBNIC=ICN+ICBOIB=IEP+IBN－ICBOIE=IEP+IEN=IEP+ICN+IBN=(ICN+ICBO)+(IBN+IEP－ICBO)=IC+IB•直流电流放大系数•交流电流放大倍数BCIIBCII)(bcii晶体管电流的分配关系与电压极性bceVCE++++++-----VCEVBEVBCVBCVBEICIEIBIBICIENPN管PNP管ecb-几点结论：(1)晶体三极管由P型和N型两种半导体组合而成，空穴和电子两种载流子参与导电，称双极型晶体管。(2)IC=βIB,且IB＜＜IC，说明晶体管基极电流对集电极电流具有控制作用。——双极型三极管具有电流放大作用。(3)欲使晶体管有放大作用，必须保证使发射结正偏，集电结反偏。(4)晶体管各极电流分配关系为：IE=IB+IC2.3.3.1输入特性与等效电路产生基极电流iB的回路称晶体管的输入电路2.3.3晶体三极管的伏安特性与等效电路VCE=常数++-VBEVCCVBBiBRBRC-+-输入特性——输入电路的电压电流关系曲线常数CEUBEBufi)(输入特性OvBE（V）0.10.20.30.40.8iB（mA）VCE=0VCE1V2.3.3.2输出特性与等效电路•输出电路——晶体管集射极与集电极电阻以及电源UCC构成的回路，是产生集电极电流iC的电路，称输出电路。VCE+VCCIBRc-+-iC输出特性集射极电压与集电极电流的关系曲线，称晶体管的输出特性，用函数式表示为：常数BICECufi)(晶体管的三种工作状态（2）饱和区——靠近IC轴的一段输出特性的右侧和点画线左侧的区域。晶体管饱和时，发射结和集电结均正偏，集射极间呈低阻状态。(3)放大区——截止区与饱和区之间的区域。(1)截止区——对应于输出特性曲线IB=0与UCE轴之间的区域。特点：e结和c结均为反向偏置；集电极电流几乎为零，没有放大作用晶体管工作在放大区时的特点①iC随iB正比变化，iB＜＜iC，说明晶体管具有电流放大作用。电流放大倍数β=iC/iB②发射结正偏，集电结反偏。③放大区的输出特性近似平行于轴uCE。uCE大幅度变化，iC基本不变。在iB一定的条件下，集射极间的特性具有恒流特性，且集电极电流的变化只受基极电流的控制。截止晶体管和饱和晶体管的等效开关bceVCE=VCES≈0+-ICIEIBICecbceVCE+-IC=ICEO≈0IB=0IC=0+-VCCce2.3.4晶体三极管的主要参数(1)电流放大系数主要性能参数(2)反向饱和