模拟电子技术基础第1章.ppt

半导体器件是组成各种电子电路包括模拟电路和数字电路，分立元件电路和集成电路的基础。 本章讨论半导体的特性，PN结的单向导电性，二极管、三极管、场效应管的结构，工作原理，特性曲线和主要参数,第1章 半导体二极管 及基本应用,物质可分为： 导体：=10-4.cm 如：铜，银，铝 绝缘体：=109.cm 如：橡胶，塑料 半导体其导电能力介于上面两者之间，一般为四价元素的物质，即原子最外层的轨道上均有四个价电子,所以称它们为4 价元素。 半导体有：元素半导体：硅（Si）、锗（Ge）等； 化合物半导体：砷化镓（GaAs）等,1.1 半导体的特性,原子结构的简化模型,硅或锗的 简化原子结构模型,本征半导体 通常把非常纯净的、几乎不含杂质的且结构完整的半导体晶体称为本征半导体。 在T=0K（相当于273oC）时半导体不导电，如同绝缘体一样。 如温度升高，如在室温条件下，将有少数价电子获得足够的能量，以克服共价键的束缚而成为自由电子，其载流子的数量很少（自由电子的数量）导电能力很弱。,1.1.1 本征半导体,束缚电子 本征激发 空穴、电子对 两种载流子： 电子与空穴载流子 产生与复合 动态平衡 载流子浓度与T有关,图1.1.3 本征激发现象,在本征半导体中掺入少量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著的改变。 根据掺入杂质的化合价的不同，杂质半导体分为: N型半导体和P型半导体两大类。 1N型半导体： 在4价硅或锗的晶体中掺入少量的5价杂质元素，如磷，锑，砷等。,1.1.2 杂质半导体,施主杂质、多数载流子（多子）、少数载流子（少子）、 电子型半导体,（a） （b） N型半导体 （a）结构示意图 （b）离子和载流子（不计本征激发）,受主杂质、多子、少子、空穴型半导体,（a） （b） P型半导体 （a）结构示意图 （b）离子和载流子（不计本征激发）,2P型半导体：在4 价硅或锗的晶体中掺入少量 的3 价杂质元素，如硼，锡，铟等。,N半导体、P半导体电中性 半导体的特性： 1、热敏性 2、掺杂性 3、光敏性,1.2.1PN结及其单向导电性 单纯的P型或N型半导体，仅仅是导电能力增强了，因此它还不是电子线路中所需要的半导体器件。若在一块本征半导体上，两边掺入不同的杂质，使一边成为P型半导体，另一边成为N型半导体，则在两种半导体的交界面附近形成一层很薄的特殊导电层PN结。PN结是构成各种半导体器件的基础。,1.2半导体二极管,1.PN结的形成 扩散运动、空间电荷区、耗尽层、漂移运动、动态平衡、内建电位差、势垒区或阻挡层,（a） （b） 图1.2.1 PN结的形成 （a）载流子的扩散运动 （b）平衡状态下的PN结,2.PN结的单向导电性原理 偏置、正向偏置（正偏）、反向偏置（反偏） 正向导通、反向截止,（a） （b） 外加电压时的PN结 （a）正偏 （b）反偏,PN结正偏时产生较大的正向电流PN结处于导通状态。 PN结反偏时产生较小的反向电流，PN结处于截止状态。 故PN结具有单向导电性。,1.2.2 半导体二极管及其基本特性,（a）结构示意图 （b）符号 二极管的结构和符号,二极管的结构与符号,二极管的伏安特性曲线,1.2.1 二极管（PN结）伏安特性 1.正向特性 “死区”、导通电压或开启电压； 室温下，硅管的Uon0.5V， 锗管的Uon0.1V。 管压降：硅管UD=0.60.8V， 锗管UD=0.10.3V,2反向击穿特性 反向特性、反向饱和电流、反向击穿电压。 电击穿：雪崩击穿、齐纳击穿。 热击穿 需要特别指出的是，普通二极管的反向击穿电压较高，一般在几十伏到几百伏以上（高反压管可达几千伏）。普通二极管在实际应用中不允许工作在反向击穿区。,二极管的伏安特性方程： 可近似用PN结的伏安特性方程来表示。理论研究表明，PN结两端电压U与流过PN结的电流I之间的关系为 Isat-反向饱和电流 UT =kT/q-温度电压当量，其中k为玻耳兹曼常数，T为绝对温度，q为电子电量。在室温（27或300K）时UT26mV。,1.2.2二极管的主要参数 1.最大整流电流IF：指二极管长期工作时，允许通 过管子的最大正向平均电流。 2.最高反向工作电压UR： 3. 反向电流IR：指在室温下，在二极管两端加上规定的反向电压时，流过管子的反向电流。 IR愈小单向导电性愈好。IR与温度有关（少子运动） 4. 最高工作频率：fM值主要决定于PN结结电容的大小。结电容愈大，则fM愈低。,1.3 半导体二极管的基本应用,1.3.1 整流电路 利用二极管的单向导电特性，可以将交流电变换为单向脉动直流电，完成整流作用。完成整流功能的电路称为整流电路。,单相桥式整流电路,1工作原理,2参数计算,单相桥式整流电路的整流电压的平均值，即输出电压uo的直流分量UO(AV)为 负载电阻RL中的直流电流IO(AV)（即负载电流平均值）为,1.3.2 检波电路,1.3.3 限幅电路,1.4 特殊二极管,1.4.1稳压二极管 利用二极管的反向击穿特性，可将二极管做成一种特殊二极管稳压二极管。稳压二极管简称稳压管 稳压二极管的电路符号如图所示,稳压二极管参数：稳定电压、稳定电流、动态电阻、额定功耗、稳定电压的温度系数。,稳压二极管稳压电路,1电容效应 二极管除了单向导电性外，还具有电容效应（PN结电容效应），即当其两端电压变化时，其存储的电荷也发生变化，因此就出现充、放电现象。 按产生的原因不同分为势垒电容和扩散电容两种。 （1）势垒电容Cb （2）扩散电容Cd 结电容Cj为两者之和，即Cj= Cb + Cd 正偏时，Cb Cd ，Cj主要由势垒电容决定。,1.4.2 变容二极管,2变容二极管 利用二极管的电容效应，可将二极管做成一种特殊二极管变容二极管，其电路符号如图1.2.9所示。 主要用作可变电容（受电压控制） 必须工作在反偏状态 常用于高频电路中的电调谐电路。,变容二极管的电路符号,1光敏特性与光敏二极管 半导体具有光敏特性，光照越强，受激产生的电子空穴对的数量越多。 普通二极管的外壳都是不透光的 利用二极管的光敏特性，可制成一种特殊二极管光敏二极管。 光敏二极管又称光电二极管，属于光电子器件。 为了便于接受光照，光电二极管的管壳上有一个玻璃窗口，让光线透过窗口照射到PN结的光敏区。,1.4.3光电和发光二极管,2发光二极管 发光二极管的符号与基本应用电路如图所示。显然，发光二极管应工作在正偏状态，且当正向电流达到一定值时才能发出光。,（a） （b） 发光二极管的符号与发光特性的测量电路 （a）符号 （b）发光特性的测量电路,二极管的分类及其选择 1二极管的分类 按材料的可分为锗管和硅管； 按功能可分为开关管、整流管、稳压管、变容管、发光管和光电（敏）管等， 普通二极管、特殊二极管； 按工作电流可分为小电流管和大电流管； 按耐压高低可分为低压管和高压管； 按工作频率高低可分为低频管和高频管等。,2二极管的选择 （1） 要求导通电压低时选锗管；要求反向电流小时选硅管；要求击穿电压高时选硅管；要求工作频率高时选点接触型高频管；要求工作环境温度高时选硅管。 （2） 在修理电子设备时，如果发现二极管损坏，则用同型号的管子来替换。如果找不到同型号的管子则可改用其他型号二极管来代替，替代管子的极限参数IF 、UR和 fM应不低于原管，且替代管子的材料类型（硅管或锗管）一般应和原管相同。,它有空穴和电子两种载流子参与导电，故称双极型。 分为硅管和锗管；大、中、小功率管；高频管和低频管。 半导体三极管（简称三极管）就是一种能将直流能量转化为交流能量的器件，这样的器件也称为有源器件。,第三节、晶体三极管,半导体三极管又称为双极型三极管（Bipolar Junction Transistor，BJT）、晶体三极管，简称三极管，是最为常用的一种半导体器件。它是通过一定的工艺，将两个PN结结合在一起的器件。由于PN结之间的相互影响，使三极管表现出不同于二极管单个PN结的特性而具有电流放大作用，从而使PN结的应用发生了质的飞跃。本节将围绕三极管为什么具有电流放大作用这个核心问题，讨论三极管的结构、内部载流子的运动过程以及它的各极电流分配关系。,1.3.1 三极管的结构与符号 实物演示 各类三极管及其外形 三极管按结构可分为NPN和PNP两类。 三极管的结构：（硅平面型、锗合金型） 三个区：基区、发射区、集电区 三个极：基极、发射极、集电极 三个结：发射结、集电结,1.3.2 三极管放大原理 1三极管的偏置 放大电路中的三极管都需要提供直流电源， 并得到一个合适的偏置。,由于三极管有两个PN结，所以偏置的方式有四种： 发射结正偏、集电极反偏； 发射极反偏、集电结正偏； 二结均正偏； 二结均反偏。 放大电路中的三极管的偏置应为发射结正偏、集电结反偏。 NPN型三极管，UCUBUE ； PNP型三极管， UCUBUE。,图1.3.5 NPN三极管内部载流子的运动,2三极管的电流分配关系,半导体三极管内有两种载流子参于导电，故称为双极型三极管（BJT）。,由节点电流定律，有 IE = ICN IBN （1.3.1a） IB = IBN ICBO （1.3.1b） IC = ICN ICBO （1.3.1c） 由上述三式可得 IE = IB IC （1.3.2）,定义 （ 1.3.3a） 称为共基极直流电流放大系数，其值一般在0.95至0.995之间； 定义 （1.3.3b） 称为共发射极直流电流放大系数, 其值一般在几十至几百之间。,由于ICBO一般很小，若忽略ICBO ，则有 IB IBN （13.4a） IC ICN （1.3.4b） IE = ICN IBN = IB IC （1.3.4c） （1.3.5a） （1.3.5b）,因此， （1.3.6） （1.3.7） 且有 (1.3.8a) (1.3.8b),若考虑ICBO，则由式（1.3.1）、（1.3.2）和（1.3.3）得 (1.3.9) 上式第二项用ICEO表示，即 于是 通常称ICEO为穿透电流，或集电极.发射极间反向饱和电流。,管子各极的电流及方向如图2.1.7所示。PNP型管的各极电流方向与NPN型管相反，但电流分配关系完全相同。 三极管三个电极的电流中，IB 最小，IE最大，IC IE ,即 IEICIB 。,（a） （b） 图1.3.7 三极管各极的电流及方向 （a）NPN型 （b）PNP型,1.3.3 三极管的共射特性曲线,采用共射接法的三极管的特性曲线称为共射特性曲线。 三极管有三个电极，而且还有放大作用，所以它的特性曲线要比二极管复杂的多。常用的是输入特性曲线和输出特性曲线。,图1.3.8 测量三极管共射特性曲线的电路,输入特性曲线反映了三极管输入端的电流iB和电压uBE关系，输出特性曲线则反映了三极管输出端的电流iC和电压uCE的关系。 1.共射输入特性曲线 三极管的共射输入特性曲线表示当管子的输出电压uCE为常数时，输入电流iB与输入电压uBE之间的关系曲线，即,在一般情况下，当uCE较大（大于1V）时，三极管工作在正常放大状态，则uCE对iB的影响很小。因此，为使问题简单化，将只考虑保证uCE始终大于 1V，但并不固定uCE为某一数值，其误差很小。,图1.3.9为某硅NPN管的共射输入特性曲线,（1）uCE =0V时，相当于c、e极短路，这时三极管可以看为两个二极管的正向并联，因此uCE =0V的输入特性与二极管的正向特性相似，但更陡一些。 （2）随着uCE的增大，曲线逐渐右移。这是因为随着uCE的增大，基区调宽效应使电子在基区与空穴的复合减少，在相同的uBE下iB减小，曲线右移。 （3）uCE1V以后各条输入特性曲线密集在一起，几乎重合。 由于在实际使用时，uCE一般总是大于1V的，因此通常只画出有用的uCE =1V的那条输入特性曲线。,(4) 一般硅管的UBE0.7V， 锗管的UBE0.2V。 (5) 输入特性是非线性的。 总之，三极管的输入特性曲线与二极管的正向特性相似，因为b、e极间是正向偏置的PN结。,2共射输出特性曲线 共射组态时，三极管的输出电流iC不但取决于输出电压uCE ，而且与输入电流iB有关。三极管的共射输出特性曲线表示当管子的输入电流iB为某一常数时，输出电流iC与输出电压uCE之间的关系曲线，即,图1.3.10为某硅NPN三极管的共射输出特性曲线,（1） 曲线起始部分较陡，且不同iB曲线的上升部分几乎重合。这表明uCE很小时，uCE略有增大，iC就很快增加，但iC几乎不受iB的影响。 （2）当uCE较大（如大于1V）后，曲线比较平坦，但略有上翘。 （3）输出特性是非线性的。 由共射输出特性曲线，可以把三极管的工作状态分为三个区域 ： 截止区、放大区、饱和区,（1）截止区 通常把iB=0（此时iC=iE=ICEO ）的输出特性曲线以下的区域称为截止区。截止区的特点是各极电流均很小（接近或等于零），此时发射结和集电结均反偏，三极管失去放大作用且呈高阻状态，e、b、c极之间近似看作开路。,（2）放大区 放大区指iB0和uCEuBE的区域，粗略看来就是图2.5.4中曲线的平坦部分。 在放大区，发射结正偏，