数字电子技术

第一章常用半导体器件1.1半导体基础知识1.2半导体二极管1.3双极型晶体管1.4场效应管重点掌握内容：（1）PN结的原理及特性，二极管（包括稳压管）的特性及应用电路分析；（2）晶体管的工作原理、特性、主要参数及应用电路分析。1.1半导体基础知识在物理学中，根据材料的导电能力，将其划分为三类：a.导体：电阻率10-4Ω∙cm的物质；b.绝缘体：电阻率109Ω∙cm的物质；c.半导体：电阻率介于二者之间的物质；典型的半导体是硅Si和锗Ge，它们都是4价元素。sisi硅原子Ge锗原子Ge+4+4硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子。正离子核本征半导体的共价键结构束缚电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4在绝对温度T=0K时，所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不会成为自由电子，因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。1.1.1本征半导体本征半导体—化学成分纯净、结构完整的半导体晶体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。当温度升高或受到光照时，共价键中的束缚电子能量增高，有的电子挣脱原子核的束缚而参与导电，成为自由电子。这一现象称为本征激发，即热激发。自由电子产生的同时，在其原来的共价键中出现一个空位，称为空穴。可见，本征激发同时产生电子空穴对。外加能量越高（温度越高），产生的电子空穴对越多。与本征激发相反的现象——复合在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达到动态平衡。电子空穴对的浓度一定。常温300K时：电子空穴对的浓度硅：310cm104.1锗：313cm105.2自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴电子空穴对E＋－自由电子带负电荷电子流＋总电流载流子空穴带正电荷空穴流本征半导体的导电性取决于外加能量：温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。导电机制1.1.2杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为杂质半导体。1.N型半导体在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，称为N型半导体。N型半导体多余电子磷原子硅原子+4+4+4+4+4+4+4+4+5多数载流子——自由电子少数载流子——空穴++++++++++++N型半导体施主离子自由电子电子空穴对在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。空穴硼原子硅原子+4+4+4+4+4+4+3+4+4多数载流子——空穴少数载流子——自由电子－－－－－－－－－－－－P型半导体受主离子空穴电子空穴对2.P型半导体杂质半导体的示意图++++++++++++N型半导体多子—电子少子—空穴－－－－－－－－－－－－P型半导体多子—空穴少子—电子少子浓度——与温度有关多子浓度——与温度无关内电场E因多子浓度差形成内电场多子的扩散空间电荷区阻止多子扩散，促使少子漂移。PN结合－－－－－－－++++－+++－+P型半导体－－++N型半导体+－+空间电荷区多子扩散电流少子漂移电流耗尽层1.1.3PN结及其单向导电性1.PN结的形成少子漂移补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E多子扩散又失去多子，耗尽层宽，EP型半导体+－+－N型半导体+++++－++－－++－+－－－－－－内电场E多子扩散电流少子漂移电流耗尽层动态平衡：扩散电流＝漂移电流总电流＝02.PN结的单向导电性(1)加正向电压（正偏）——电源正极接P区，负极接N区外电场的方向与内电场方向相反。外电场削弱内电场→耗尽层变窄→扩散运动＞漂移运动→多子扩散形成正向电流IF－－－－－－－++++－+++－+P型半导体－－++N型半导体+－+WER空间电荷区内电场E正向电流(2)加反向电压——电源正极接N区，负极接P区外电场的方向与内电场方向相同。外电场加强内电场→耗尽层变宽→漂移运动＞扩散运动→少子漂移形成反向电流IR+－－－+－－内电场++－++－E+－EW－－+－空间电荷区+－R+++IRPN在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故IR基本上与外加反压的大小无关，所以称为反向饱和电流。但IR与温度有关。PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，PN结导通；PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，PN结截止。结论：PN结具有单向导电性。)1(eTSUuIi根据理论分析，电流方程为：u为PN结两端的电压降i为流过PN结的电流IS为反向饱和电流UT=kT/q称为温度的电压当量其中k为玻耳兹曼常数1.38×10－23q为电子电荷量1.6×10－9T为热力学温度室温（相当T=300K）时，UT=26mV。当u0uUT时1eTUuTeSUuIi当u0|u||UT|时1eTUuSIi3.PN结的电流方程和伏安特性曲线PN结的伏安特性曲线电击穿——可逆热击穿——烧坏PN结正偏IF（多子扩散）TeSUuIiIR（少子漂移）反偏反向饱和电流反向击穿电压反向击穿SIi1.2半导体二极管二极管=PN结+管壳+引线NP结构符号阳极+阴极-二极管的几种外形：二极管按结构分为三大类：(1)点接触型二极管PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。N型锗正极引线负极引线外壳金属触丝(3)平面型二极管：用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。(2)面接触型二极管：PN结面积大，用于工频大电流整流电路。SiO2正极引线负极引线N型硅P型硅负极引线正极引线N型硅P型硅铝合金小球底座半导体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：2AP9用数字代表同类器件的不同规格。代表器件的类型，P为普通管，Z为整流管，K为开关管。代表器件的材料，A为N型Ge，B为P型Ge，C为N型Si，D为P型Si。2代表二极管，3代表三极管。1.2.1半导体二极管的V—A特性曲线反向饱和电流硅：0.5V锗：0.1V死区电压iu0击穿电压UBR实验曲线(1)正向特性uEiVmA(2)反向特性uEiVuA锗导通压降硅：0.7V锗：0.3V1.2.2二极管的主要参数(1)最大整流电流IF二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大正向平均电流。(2)最高反向工作电压UR二极管工作时允许外加的最大反向电压，超过此值，二极管可能因反向击穿而损坏。(3)反向电流IR——室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级。(4)最高工作频率fM——fM是二极管工作的上限频率。超过此值，由于结电容的作用，二极管的单向导电性将不能很好的体现。fCZC21C+-当f很高时，CZ很小，电容近似短路，二极管失去单向导电作用。C1.2.3二极管的模型及近似分析计算1.二极管的直流模型IR10VE1kΩ)1(eTSUuIiD—非线性器件iu0iuRLC—线性器件Riu二极管的模型iuDU+-uiDUDU串联电压源模型（恒压降模型）DUuDUuUD二极管的导通压降。硅管0.7V；锗管0.3V。理想二极管模型ui正偏反偏-+iu导通压降二极管的V—A特性-+iuiu0二极管的近似分析计算IR10VE1kΩ串联电压源模型mA3.9K1V)7.010(IIR10VE1kΩ例1：实际测量值：I=9.32mA相对误差00002.010032.99.332.9理想二极管模型RI10VE1kΩmA10K1V10I相对误差0000710032.932.9100.7V例2：二极管构成的限幅电路如图所示，R＝1kΩ，UREF=2V，输入信号为ui。(1)若ui为4V的直流信号，分别采用理想二极管模型、串联电压源模型计算电流I和输出电压uo+--+UIuREFRiuO解：（1）采用理想模型分析。采用串联电压源模型分析。mA2k12VV4REFiRUuI＝V2REFoUumA31k1V702VV4DREFi..RUUuI－＝2.7V0.7VV2DREFoUUu（2）如果ui为幅度±4V的交流三角波，波形如下图右所示，分别采用理想二极管模型和串联电压源模型分析电路并画出相应的输出电压波形。+--+UIuREFRiuO解：①采用理想二极管模型分析。波形如右图所示。0-4V4Vuit2V2Vuot02.7Vuot0-4V4Vuit2.7V②采用串联电压源模型分析，波形如右图所示。+--+UIuREFRiuO例3：图示电路，二极管导通电压UD为0.7V，试分别估算开关S断开和闭合时，输出电压Uo的值。解：1）开关断开时。DIOUVUV3.57.062）开关闭合时。VUO12当稳压二极管工作在反向击穿状态下，工作电流IZ在Izmax和Izmin之间变化时，其两端电压近似为常数。稳定电压1.2.4稳压二极管稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊二极管+-DZiuUZ△I△UIzminIzmax反偏电压≥UZ时，稳压管反向击穿。＋UZ－限流电阻稳压二极管的主要参数(1)稳定电压UZ——在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。(2)动态电阻rZ——rZ=U/IrZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡，稳压性能越好。(3)最小稳定工作电流Izmin——保证稳压管击穿所对应的电流，若IZ＜IZmin则不能稳压。(4)最大稳定工作电流Izmax——超过Izmax稳压管会因功耗过大而烧坏。iuUZ△I△UIzminIzmax例4：图示电路，已知发光二极管的导通电压为1.6V，正向电流为5∼20mA时才能发光。试问：（1）开关处于何位置时发光二极管可能发光‽（2）为使发光二极管发光，电路中R的取值范围是多少‽解：1）开关断开时。2）minmaxDDIUVRK88.056.16maxminDDIUVRK22.0206.16R的取值范围是220∼880Ω。2019/8/41.3双极型晶体管半导体三极管，也叫晶体三极管。由于工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，因此，还被称为双极型晶体管（BipolarJunctionTransistor，简称BJT）。BJT是由两个PN结组成的。图1.3.1晶体管的几种常见外形1.3.1基本结构BECNNP基极发射极集电极NPN型PNP集电极基极发射极CEPNP型B符号:---bceNPN管---ebcPNP管BECNNP基极发射极集电极基区：较薄，掺杂浓度低集电区：面积较大发射区：掺杂浓度较高BECNNP基极发射极集电极发射结集电结2019/8/41.3.2BJT的内部工作原理（NPN管）三极管在工作时要加上适当的直流偏置电压。若在放大工作状态：发射结正偏：由VBB保证集电结反偏：由VCC、VBB保证UCB=UCE-UBE0+UCE－＋UBE－＋UCB－NNPBBVCCVRbRCebc共发射极接法c区b区e区（1）因为发射结正偏，所以发射区向基区注入电子，形成了扩散电流IEN。同时从基区向发射区也有空穴的扩散运动，形成的电流为IEP。但其数量小，可忽略。所以发射极电流IE≈IEN。（2）发射区的电子注入基区后，变成了少数载流子。少部分遇到的空穴复合掉，形成IBN。所以基极电流IB≈IBN。大部分到达了集电区的边缘。1．BJT内部的载流子传输过程NNPBBVCCVRbRCebcIENEPIIEBI（3）因为集电结反偏，收集扩散到集电区边缘的电子，形成电流ICN。NNPBBVCCVRbRCebcIENEPIIEBICNICICBOI另外，集电结区的少子形成漂移电流ICBO。2019/8/42．电流分配关系NNPBBVCCVRbRCebcIENEPIIEBICNICICBOI定义：ECNII＝ECII称为共基极直流电流放大系数ECii＝称为共基极交流电流放大系数其值的大小约为0.9～0.99，近似为1。定义：BCII称为共射极直流电流放大系数BCii＝称为共射极交流电流放大系数其值一般在几十到一百多倍。一般有，三个电极上的电流关系:IE=IC+IB其中：CBOCEOII)1(基本关系：CBOBIII)1(C