电工电子技术半导体分立器件及其基本电路

第一章半导体分立器件及其基本电路§1.1半导体的基本知识与PN结§1.2半导体二极管及其应用电路§1.3放大电路的基本概念及其性能指标§1.4三极管及其放大电路§1.6多级放大电路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半导体的基本知识与PN结半导体的导电具有不同于其它物质的特点。•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。外激发控制掺杂质控制结构：半导体晶体。导电性：导电可控性1.本征半导体本征半导体的结构特点:GeSi现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。硅和锗的共价键结构共价键,共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子半导体的导电机理+4+4+4+4空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。自由电子和空穴称为半导体载流子。3.光敏性、热敏性，载流子的浓度越高。本征半导体的导电能力越强，这是半导体的一大特点。2.本征半导体的导电能力取决于自由电子、空穴(载流子)的浓度。1.本征半导体中电流(载流子移动)由两部分组成：(1)自由电子移动产生的电流。(2)空穴移动产生的电流。本征半导体的导电机理2.杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑ti）,自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟yin）,空穴是多子，电子是少子。N型半导体（电子型半导体）P型半导体（空穴型半导体）掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。掺入五价元素SiSiSiSip+多余电子磷原子在常温下即可变为自由电子失去一个电子变为正离子在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成杂质半导体。在N型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或P型半导体。掺入三价元素SiSiSiSi在P型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。B–硼原子接受一个电子变为负离子空穴杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。+4+4+P+4+4+4-B+4NPPN结在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的运移，在它们的交界面处就形成了空间电荷区，即PN结。1.1.2PN结及其单向导电性1.1.2PN结及其单向导电性1.PN结的形成多子的扩散运动内电场少子的漂移运动浓度差P型半导体N型半导体内电场强，不利于扩散，而使漂移运动加强，漂移使空间电荷区变薄。扩散的结果使空间电荷区变宽。空间电荷区称PN结扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空间电荷区二.PN结的单向导电性PN结外加上正向电压(正向偏置):PN结外加反向电压(反向偏置):P区加正电压、N区加负电压。P区加负电压、N区加正电压。PN结外加上正向电压(正向偏置)PN结外加上反向电压(反向偏置)PN结具有单向导电性定义1.当PN结外加正向电压时，有较大的正向电流,呈现一低电阻特性,PN结导通；2.当PN结外加反向电压时，电流很小，呈现一高电阻特性，PN结截止。一、基本结构PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。(1)点接触型二极管(2)面接触型二极管PN二极管的电路符号：(a)点接触型(b)面接触型正(阳)极负(阴)极+-§1.2半导体二极管及其应用电路二、伏安特性UI死区电压硅管0.5V,锗管0.1V。导通压降:硅管0.6~0.7V,锗管0.2~0.3V。反向击穿电压UBRIRM三、主要参数1.最大整流电流IFM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。2.反向击穿电压UBR二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。指管子不被反向击穿所允许外加的电压。一般手册上给出的UDRM约为击穿电压的一半。3.最高反向工作电压UDRM4.最大反向电流IRM：管子在常温下承受最高反向工作电压UDRM时的反向饱和电流，其值愈小，则管子的单向导电性愈好。由于温度增加，IRM会急剧增加，所以在使用二极管时要注意温度的影响。四.二极管的模型1.理想模型:具有这种理想特性的二极管也叫做理想二极管。即：二极管在正向导通时相当于开关闭和，死区电压=0，正向压降=0，二极管反向截止时相当于开关断开。等效电路2.恒压降模型.二极管在正向导通时，其管压降为恒定值，硅管的管压降约为0.6-0.7V，锗管的管压降约为0.2-0.3V。等效电路反向截止D6V12V3kBAUAB+–电路如图，求：UAB1.2.2二极管应用电路二极管电路分析举例定量分析：判断二极管的工作状态导通截止分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压UD的正负。若V阳V阴或UD为正(正向偏置)，二极管导通若V阳V阴或UD为负(反向偏置)，二极管截止否则，正向管压降硅0.6~0.7V锗0.2~0.3V若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零，反向截止时二极管相当于断开。电路如图，求：UABV阳=－6VV阴=－12VV阳V阴二极管导通若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=－6V否则，UAB低于－6V一个管压降，为－6.3Ｖ或－6.7V例1：取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。D6V12V3kBAUAB+–ui8V，二极管导通，可看作短路uo=8Vui8V，二极管截止，可看作开路uo=ui已知：二极管是理想的，试画出uo波形。Vsin18itu8V例：uit18V参考点二极管阴极电位为8VD8VRuoui++––RLuiuouiuott二极管的应用电路2：二极管半波整流1.稳压二极管UIIZIZmaxUZIZ稳压误差曲线越陡，电压越稳定。+-UZ动态电阻：ZZIUZrrz越小，稳压性能越好。§1.2.3特殊二极管（4）稳定电流IZ（5）最大允许功耗maxZZZMIUP稳压二极管的参数:（1）稳定电压UZ（2）电压温度系数U（%/℃）稳压值受温度变化影响的的系数。（3）动态电阻ZZIUZr稳压二极管的稳压原理:输入变化时:IZUIIZIZmaxUZUZioUUDZUDZIRIRUOU负载变化时:R作用?iRuoiZDZRiLuiRLioUUDZUDZIRIRUOUoLURoLURRiLDZRuuuiii0负载电阻。要求当输入电压由正常值发生20%波动时，负载电压基本不变。稳压二极管的应用举例:uoiZDZRiLiuiRLmaxmin10V,20mA,5mAzzzUII稳压管的技术参数:k2LR解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax。求：电阻R和输入电压ui的正常值。max25mAZzLUiIR1.22510izuiRUR——方程1令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin。min10mAZzLUiIR101080RUiRu.zWi——方程2uoiZDZRiLiuiRL联立方程1、2，可解得：k50V7518.R,.ui2.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光到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。阳极阴极3.光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。IU照度增加阳极阴极小结：•2.二极管的应用分析。•3.稳压管的应用特点。特殊二极管•1.半导体的基本知识与PN结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BCEPNP型§1.4三极管及其放大电路1.4.1三极管BECNNP基极发射极集电极发射结集电结BECNNP基极发射极集电极基区：较薄，掺杂浓度低发射区：掺杂浓度较高集电区：面积较大BECIBIEICNPN型三极管BECIBIEICPNP型三极管三极管的符号1.4.2电流分配和放大原理1.三极管放大的外部条件BECNNPEBRBECRC发射结正偏、集电结反偏PNP发射结正偏VBVE集电结反偏VCVB从电位的角度看：NPN发射结正偏VBVE集电结反偏VCVBIBICIE2.各电极电流关系及电流放大作用IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.100.0010.701.502.303.103.950.0010.721.542.363.184.05结论:1）三电极电流关系IE=IB+IC2）ICIB，ICIE3）ICIB把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大变化的特性称为晶体管的电流放大作用。或者:用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的变化。小结：•三极管的基本结构：结构,分类，•三极管放大的条件。内部:发射区掺杂高，基区薄掺杂低，集电区面积大。外部:发射结正偏、集电结反偏发射极是输入回路、输出回路的公共端共发射极电路输入回路输出回路测量晶体管特性的实验线路ICEBmAAVUCEUBERBIBECV++––––++1.4.3特性曲线1.输入特性常数CE)(BEBUUfI特点:非线性死区电压：硅管0.5V，锗管0.1V。正常工作时发射结电压：NPN型硅管UBE0.6~0.7VPNP型锗管UBE0.2~0.3VIB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1VOUCE1VIB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE=0VUCE=0.5V2.输出特性IB=020A40A60A80A100A常数B)(CECIUfI36IC(mA)1234UCE(V)912O放大区输出特性曲线通常分三个工作区：(1)放大区在放大区有IC=IB，也称为线性区，具有恒流特性。在放大区，发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置，晶体管工作于放大状态。IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O（2）截止区IB0以下区域为截止区，有IC0。在截止区发射结处于反向偏置，集电结处于反向偏置，晶体管工作于截止状态。饱和区截止区（3）饱和区当UCEUBE时，晶体管工作于饱和状态。在饱和区，IBIC，发射结处于正向偏置，集电结也处于正偏。深度饱和时，硅管UCES0.3V，锗管UCES0.1V。临界饱和、饱和状态1.4.4主要参数1.电流放大系数直流电流放大系数BCII___BCIIΔΔ交流电流放大系数表示晶体管特性的数据称为晶体管的参数，晶体管的参数也是设计电路、选用晶体管的依据。注意：和的含义不同，但在特性曲线近于平行等距的情况下，两者数值接近。常用晶体管的值在20~200之间。例：在UCE=6V时，在Q1点IB=40A,IC=1.5mA；在Q2点IB=60A,IC=2.3mA。求：电流放大系数53704051BC...II400400605132BC....IIΔΔ在以后的计算中，一般作近似处理：=。IB=020A40A60A80A10