第3章基本电子器件

(1-1)第3章基本电子器件(1-2)半导体器件1、半导体的基础知识，P型硅，N型硅2、PN结及半导体二极管3、稳压二极管4、半导体三极管5、场效应管(1-3)（1）本征半导体现代电子学中，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。Si硅原子Ge锗原子1、半导体的基本知识(1-4)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在硅和锗原子结构中，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。(1-5)形成共价键后，每个原子都与相邻的四个原子相结合，形成最外层有八个电子的稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+4完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。由半导体制作的器件，就称为晶体管(1-6)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，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。(1-7)+4+4+4+4自由电子空穴自由电子带负电，空穴带正电。空穴很容易吸引相邻原子中的价电子来填补这个空穴，而在价电子原来的位置上形成新的空穴，…..好像空穴在移动。在外电场作用下，自由电子定向运动形成电子电流；空穴〝移动〞形成空穴电流。自由电子和空穴称为载流子所以，在本征半导体中存在两种载流子：自由电子和空穴空穴(1-8)（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。载流子：电子，空穴P型半导体（主要载流子为空穴，空穴半导体）N型半导体（主要载流子为电子，电子半导体）(1-9)N型半导体多余电子磷原子硅原子+N型硅表示SiPSiSi(1-10)N型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代。磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相临的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。硅或锗+少量磷N型半导体多数载流子：自由电子；少数载流子：空穴所以，每个磷原子提供一个电子，多个磷原子提供多个电子。这种半导体又称为电子型半导体(1-11)空穴P型半导体硼原子P型硅表示SiSiSiB硅原子空穴被认为带一个单位的正电荷，并且可以移动(1-12)P型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相临的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可以吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。硅或锗+少量硼P型半导体少数载流子：自由电子；多数载流子：空穴一个硼原子提供一个空穴，多个硼原子提供多个空穴。所以，这种半导体又成为空穴型半导体。(1-13)杂质半导体的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体°•(1-14)（1）PN结的形成在同一块半导体基片上，一半制成P型半导体，另一半制成N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了一个特殊的区域，这个特殊的区域就是PN结。2、PN结及半导体二极管(1-15)P型半导体N型半导体++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动空间电荷区PN结处载流子的运动－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++(1-16)扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++扩散运动内电场EPN结处载流子的运动空间电荷区越宽,内电场越强，使得漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。－－－－－－－－++++++++(1-17)漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场EPN结处载流子的运动当扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡时，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度就固定不变了。－－－－PN结(1-18)（2）PN结的单向导电性PN结加上正向电压，即：P区加电源的正极、N区加电源的负极。称为正向偏值PN结加上反向电压，即：P区加电源的负极、N区加电源的正极。称为反向偏值(1-19)PN结正向偏置++++内电场被减弱，使扩散加强，空间电荷区变薄PN+正向电流－－－－－－－－++++外电场内电场扩散飘移，正向电流大-PN结处于导通状态(1-20)PN结反向偏置NP+_内电场加强，使扩散停止，有少量飘移。反向饱和电流很小，A级－－－－++++－－－－++++－－－－++++·内电场外电场空间电荷区变宽PN结处于截止状态(1-21)（3）半导体二极管（一）、基本结构PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。PNPN符号阳极阴极D(1-22)(二)、伏安特性UI导通压降:硅管0.6~0.7V,锗管0.2~0.3V。反向击穿电压U(BR)死区电压硅管0.5V,锗管0.2V。UIE+-反向漏电流（很小，A级）RD电路模型正向特性反向特性(1-23)（三）静态电阻Rd，动态电阻rDUQIQUS+-R静态工作点Q（UQ，IQ）(1-24)静态电阻Rd，动态电阻rDiuIQUQQIQUQ静态电阻：Rd=UQ/IQ（非线性）动态电阻：rD=UQ/IQ在工作点Q附近，动态电阻近似为线性，故动态电阻又称为微变等效电阻(1-25)二极管：死区电压=0.5V，正向压降0.7V(硅)uit二极管起半波整流作用uot例1：二极管的应用RLuiuOD二极管的作用：利用其单向导电性，可用于整流、检波、限幅、元件保护以及数字电路中的开关元件等。理想二极管：死区电压=0，正向压降=0(1-26)例2：二极管的应用尖顶波tuo0tuR00~t1期间:C被充电，D截止uo=0。在刚充电瞬间，i最大，所以uR最大，充电结束，i＝0，uR＝0。所以为一正尖脉冲。+-iRRLuiuRuoDCtuit1t20Ut1~t2期间:在t1瞬间，C经R和RL两路放电，D导通，uR和uo均为负尖脉冲;在t2瞬间，同上，uR为一正尖脉冲。iD起检波作用，去除正尖脉冲。(1-27)（四）二极管的主要参数1、最大正向电流IFM：二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流。2、最高反向工作电压URM：3、反向电流IR：二极管工作时的实际电流IF﹤IFM，否则，二极管会因过热而损坏。二极管工作时的实际反向电压UR﹤URM，以防二极管被击穿。二极管的质量指标之一，其值越小越好。(1-28)3、稳压二极管IZmax稳压二极管符号UIUZIZ稳压二极管特性曲线IZmin当稳压二极管工作在反向击穿状态下,当工作电流IZ在Izmax和Izmin之间时,其两端电压近似为常数正向同二极管稳定电流稳定电压+-DZ(1-29)稳压管的主要参数：1、稳定电压UZ：当通过稳压管的电流为规定的测试电流IZ（稳压电流）时，稳压管两端的电压值。UZ的分散性：例如，2CW14型稳压管在IZ=10mA时，UZ的允许值在6~7.5V之间。2、动态电阻rZ:在伏安特性的稳定区域内，电压变化量U与电流变化量I之比。即：，rZ一般为几欧～几十欧。其值越小越好。UIrZ=3、最大稳定电流IZM：允许通过的最大反向电流4、电压温度系数aUZ：温度每升高10C时稳定电压的相对变化量。其值越小越好(1-30)注意：要想使稳压管起稳压作用，稳压管必须工作在反向偏置状态。RLuiuORDZiiziLUZ若稳压管正向偏置，则仅仅相当于一个普通二极管例如：(1-31)例题：有两只稳压二极管DZ1和DZ2，其稳定电压分别为5.5V和8.5V，正向压降均为0.5V。如果要想得到3V、6V、9V和14V几种稳定电压，这两只稳压管（还有限流电阻）应该如何联接？画出各个电路。●●R1R2DZ1DZ2ui+-+-3V++--uiDZ1DZ2R6V++--uiDZ1DZ2R9V++--uiDZ1DZ2R14V(1-32)4、半导体三极管（1）基本结构NNPB基极E发射极C集电极NPN型PNP基极B集电极C发射极EPNP型(1-33)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(1-34)发射结集电结BECNNP基极发射极集电极+++++++++++______________________+++++++++++(1-35)BECNPN型三极管BECPNP型三极管三极管符号NPNCBEPNPCBETT(1-36)（2）电流放大原理BECNNPEBRBEc发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。IE进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IB，多数扩散到集电结。IB(1-37)BECNNPEBRBEcIE从基区扩散来的电子漂移进入集电结而被收集，形成IC。ICICIBICBO(1-38)三极管起电流放大作用的条件：1、内部条件：发射区掺杂浓度大，基区掺杂浓度小，并且做的很薄。2、外部条件：要使三极管起电流放大，必须使发射结正向偏置，集电结反向偏置。二者缺一不可(1-39)静态(直流）电流放大倍数静态电流放大倍数，动态电流放大倍数=IC/IBIC=IB动态（交流）电流放大倍数IB：IB+IBIC：IC+IC=IC/IB一般认为：==，近似为一常数，值范围：20~100IC=IB(1-40)（3）特性曲线实验线路(共发射极接法)ICmAAVVUCEUBERBIBUSCUSBCBERC输入回路输出回路(1-41)IB与UBE的关系曲线（一）输入特性曲线：IB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1V死区电压，硅管0.5V工作压降：硅管UBE0.7V即：IB=f(UBE)UCE=常数(1-42)（二）输出特性曲线：IC与UCE的关系曲线IC(mA)123440A60AQQ′=IC/IB=2mA/40A=50=IC/IB=(3-2)mA/(60-40)A=50=IC/IB=3mA/60A=50即：IC=f(UCE)IB=常数UCE(V)369120(1-43)输出特性IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A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。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。(1-44)输出特性三个区域的特点:(1)放大区：发射结正向偏置，集电结反向偏置，IC=IB,且IC=IB(2)饱和区：发射结正向偏置，集电结正向偏置，即：UCEUBE，IBIC，UCE0.3VC和E之间相当于一个开关的闭合状态在数字电路中起开关作用在模拟电路中起放大作用(1-45)(3)截止区：发射结反向偏置，集电结反向偏置，UBE死区电压，IB=0，IC=ICEO0C和E之间相当于一个开关的断开状态在数字电路中，起开关作用(1-46)前面是以NPN型三极管为例来讲解三极管的放大原理的，其晶体管中电流实际方向和发射结与集电结的实际极性如图所示。UCE﹥UBEBECIEIBICNPNUCEUBEBECIEIBICUCEUBEPNPUCE﹥UBE电源极性反接(1-47)判断三极管的类型、种类及电极E、B、C的原则：处于放大状态的三极管，发射结一定正向偏置，基极和发射极之间电位差的绝对值（即︳UBE︳）约为0.7V（硅管）或0.3V（锗管），第三电极必为集电极，若该电极电位最高，则为NPN型三极管；若该电极电位最低，则为PNP型三极管。若为NPN型三极管，UBE﹥0，发射极电位最低；若为PNP型三极管，UBE﹤0，发射极电位最高。(1-48)例如