无线电技术导论第三章电子器

第三章电子器件,序导体、绝缘体、半导体半导体器件第一节半导体二极管半导体二极管的工作特性半导体二极管的电压和电流关系半导体二极管的种类及其主要特性参数与常用电路半导体二极管的种类与选用第二节半导体三极管半导体三极管的工作特性半导体三极管常用电路半导体三极管的种类与选用,序,一.导体、绝缘体、半导体物质按照导电能力的大小分为导体、绝缘体和半导体。导体具有良好导电能力的物质。其电阻率在10-610-1欧姆厘米(cm)。例如,金属。银铜铝的电阻率为10-610-5cm绝缘体导电能力能力很差或不能导电的物质。其电阻率一般大于1061018欧姆厘米(cm)。例如,玻璃、塑料、陶瓷,其电阻率大于109cm半导体导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。其电阻率在10-3109欧姆厘米(cm)。例如,硅,其电阻率为2.14105cm,二.半导体的特点,半导体不仅在于其电阻率与导体和绝缘体的在数值上差别,而且在于其导电性具有两个显著的特点:电阻率受杂质的影响极大在半导体中掺入杂质，其电阻率会显著下降。例如,硅(Si)中含有亿分之一的硼(B),其电阻率会下降到2.14103cm,比无杂质的纯硅降低100倍。如果半导体所含杂质的类型不同,其导电类型也不同。电阻率受外界条件(如热、光等)的影响很大温度升高或受光照射时,半导体的电阻率会迅速下降。,三.半导体的类型,按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体;元素半导体由单一元素组成的半导体材料例如：Si，Ge均为常用的元素半导体化合物半导体由化合物组成的半导体材料例如：GaAs，GaP均为常用的化合物半导体无论是元素半导体还是化合物半导体按含否杂质可分为本征半导体和非本征半导体;本征半导体不含杂质、无缺陷的半导体材料。非本征半导体掺杂质、有缺陷的半导体材料，这种半导体材料按导电类型分为N型和P型半导体N型半导体以电子为多数载流子的半导体材料P型半导体以空穴为多数载流子的半导体材料,四.本征半导体的原子结构,原子由带正电的原子核和带等量负电的核外电子组成。原子呈电中性。电子分列在不同的壳层上绕原子核运动。每壳层轨道上分列的最大电子数为2n2(n是壳层数)。内层电子受原子核的吸引力大于外层电子。最外层电子为价电子,容易脱离原子核的束缚，成为自由电子。根据泡利不相容原理,1s层最多容纳的电子数:22s层最多容纳的电子数:22p层最多容纳的电子数:63s层最多容纳的电子数:23p层最多容纳的电子数:63d层最多容纳的电子数:10硅原子有14个电子,分列在1s,2s,2p,3s,3p层上,3层没满只有4个电子,所以硅有4个价电子,为四价元素。,五.N型半导体与P型半导体,本征半导体由于其原子外层电子的热运动,存在成对产生的自由电子和空穴,在温度t下,自由电子和空穴对的产生与复合会达到动态平衡,数量有限而且是t的函数。因此,本征半导体导电性能低。根据半导体的一个显著特点：在半导体中掺入杂质，其电阻率会显著下降。因此，通过在半导体中掺入一定量的杂质，可以获得满足导电性要求(电阻率,导电载流子类型)的半导体材料。1.N型半导体例如，在Si本征半导体材料中掺入五价元素磷(P),P原子贡献出1个自由电子。因此,P原子被称作施主。Si半导体材料中自由电子数量取决于掺入的P原子数量(掺杂浓度),其多数载流子是P原子贡献的自由电子。掺入P的Si半导体为N型半导体。,2.P型半导体,例如，在Si本征半导体材料中掺入三价硼(B),B原子空出1个空穴。因此,B原子被称作受主。Si半导体材料中空穴数量取决于掺入的B原子数量(掺杂浓度)。Si半导体多数载流子是B原子空出的空穴。掺入B的Si半导体为P型半导体。,六.半导体器件,采用半导体材料制造的器件,统称为半导体器件。其种类繁多,通常分为半导体分立器件和半导体集成电路。半导体分立器件分为半导体二极管和半导体三极管。半导体二极管通常是指具有一个PN结的半导体分立器件。根据特性和用途又分为整流、检波二极管,稳压二极管,开关二极管,变容二极管,半导体三极管通常是指具有两个PN结的半导体分立器件。根据其特性和用途又分为：高频三极管,低频三极管,开关三极管,半导体集成电路是在一片半导体材料上制造的由二极管、三极管、电阻、电容组成的电路。,第一节半导体二极管,一、半导体二极管工作特性二极管在电路中具有单向导电性。按国际制(SI),在电路中二极管的符号:D工作原理：无外电场时,外加电场时,二、半导体二极管的电压和电流关系,在温度T下,二极管伏安特性曲线：二极管具有单向导电特性。温度升高时,半导体的电阻率会迅速下降,V-I曲线会漂移。VF:正向电压IF:正向电流IFM:最大正向电流VR:反向电压VRWM:反向工作峰值电压IR(IRM):反向电流,三、半导体二极管的种类及其主要特性参数与常用电路,1.整流、检波二极管整流、检波二极管工作原理都是单向导电性。整流管的作用:将交流电变成直流电。检波管的作用:取出调制高频无线电波中的低频信号。主要参数VF,IF,VR,IR常用电路半波整流电路o=0t0t2,常用电路(续),全波整流电路E:交流电压有效值Vo:输出电压有效值VR:二极管最大反向电压o=0t2,桥式整流电路,检波电路,2.开关二极管,开关二极管工作原理是单向导电性。开关管的作用:整流和开关。主要参数:VF,IF,VR,IR,trr开关时间,通常用trr(反向恢复时间)表示,是二极管由导通到关断的过渡时间正向导通电阻很小,反向关断电阻很大影响开关时间的主要因素:电子和空穴的存储效应PN结的电容效应常用电路削波电路,常用电路(续),双向限幅电路逻辑电路,3.稳压二极管,稳压二极管工作原理是齐纳(Zener)击穿特性。Zener提出:当PN结的电场强度足够大时(106V/cm),可直接把晶格原子中的价电子从束缚状态解放出来,成为载流子,从而使反向电流剧增。稳压管也称齐纳管。齐纳击穿是非破坏性击穿。稳压管的作用:稳定电压。主要参数:VZ工作电压IZ在工作电压范围内的工作电流IZM在工作电压范围内的最大工作电流rZ微分电阻IR反向电流VZ工作电压温度系数Ptot总耗散功率,常用电路:,稳压电路稳压管D与负载RL并联，此电路也称作并联稳压电路。稳压管D的作用:保护负载RL不受电源浪涌的影响,使Vo=VZ。该电路对负载的要求:ILRL=VZminVZmax，所以，IZminILIZmax，否则无法VZ保持。,常用电路(续),稳压管保护表头电路稳压管D的作用:一般选VZ稍高于表头满刻度电压Vo,当表头电压VAVZ时,稳压管D导通,从而避免表头过流受损。稳压管限幅电路稳压管D的作用:当i高于稳压管VZ时,输出信号Vo被切成方波。,4.变容二极管,变容二极管是利用半导体PN结电容(或金属-半导体接触势垒)随外加电压的非线性变化。变容二极管通常在反向偏压下工作。变容管的作用:作为变电抗(替代可变电容)用于调谐电路。变容管的等效电路:主要参数:VR工作电压(反向偏压)VB(VRm)最大工作电压Ct在工作电压VR下的结电容突变结:n=2,缓变结:n=3,超突变结:n2rs串联电阻Q结电容品质因数,是表示结电容品质的参数，Q=1/2frsCtrs越小，Q值越高。fC截止频率,是Q=1时f值,fC=1/2rsCt,rs越小,fC越高。,常用电路,压控振荡电路VCO,常用电路(续),倍频电路变容管的作用:基波经fi滤波器至变容管时,由于变容管C-V为非线性关系,在A点除基波外,还有二次谐波2fi,三次谐波3fi,用谐波nfi滤波器可取得所需的第n次谐波。,四、半导体二极管的种类与选用,1.国产二极管的型号例如：2CB222CK502CZ1052CW702.进口二极管的型号例如：1N40071N821,第二节半导体三极管,一、半导体三极管工作特性按国际制(SI),在电路中三极管的符号:T1.双极型晶体管工作原理(NPN管示例),双极型晶体管V-I特性曲线,NPN管示例,双极型晶体管的主要特性参数,Ptot总耗散功率PCM集电极耗散功率IC集电极电流ICM集电极峰值电流IB基极电流IE发射极电流VCE(sat)集电极-发射极饱和电压VBE(sat)基极-发射极饱和电压V(BR)CEOIB=0时集电极-发射极击穿电压V(BR)CBOIE=0时集电极-基极击穿电压V(BR)EBOIC=0时发射极-基极击穿电压ICEOIB=0时集电极-发射极截止电流ICBOIE=0时集电极-基极截止电流IEBOIC=0时发射极-基极截止电流,双极型晶体管的主要特性参数(续),hFE共发射极正向电流传输比共发射极动态电流放大系数共基极动态电流放大系数共集电极动态电流放大系数fT特征频率f共发射极截止频率f共基极截止频率,二、半导体三极管常用电路,1.双极型晶体管基本电路,1.双极型晶体管基本电路(续),双极型晶体管基本电路中电压和电流的相位关系共发射极电路电压反相电流同相共基极电路电压反相电流反相共集电极电路电压同相电流反相,2.双极型晶体管基本电压放大电路,直流偏置状态-静态:(i=0)静态工作点,静态工作点的确定,方法一:计算法静态基极电流VBE和IB的计算VBE=E-IBRB,IB=(E-VBE)/RB由于EB结为正向偏置，VBE比较小(硅管:0.60.7V;锗管:0.30.4V;),因此,IBE/RB,当E和RB确定后,IB即可确定。静态集电极电流IC的计算IC=hFEIB(IC=IB)晶体管其hFE()是确定的,IC即可确定静态集电极-发射极电压VCE的计算VCE=E-ICRC,当E和RC确定后,VCE即可确定。,静态工作点的确定(续),方法二:图解法例:已知硅晶体管的输出特性曲线(如右图),E=12V,RB=370,RC=2k。用图解法确定静态工作点。解：IC=0,VCE=E=12V,在图上标M点;VCE=0,IC=E/RC=6mA,图上标N点;确定Q点,IB=(E-VBE)/RB=6mA硅管VBE=0.7V,IB=(E-VBE)/RB30A,设置静态工作点的意义,保证输出信号完整不失真如果工作点不当,会造成:丢失输入信号负半周,设置静态工作点的意义(续),输出信号非线性失真当E和晶体管T确定时,调整RC,避免饱和失真;调整RB,避免截止失真,2.双极型晶体管基本电压放大电路(续),直流偏置状态-静态:(i=0)放大状态-动态:BE=VBE+iiB=IB+ibiC=IC+icCE=E-iCRC=E-ICRCicRC,三、半导体三极管的种类与选用,1.国产三极管的型号例如：3CG1203DG1823DD1693CD43DK1042.进口三极管的型号例如：2N22222N6800,第三章的重点与基本要求要求：,1.理解PN结电场的形成过程和二极管工作原理。2.理解二极管的伏安特性和单向导电特性。3.了解整流、检波、开关二极管和稳压二极管的主要参数。4.了解整流、检波、开关和稳压电路。5.理解三极管的工作原理和特性曲线，了解三极管的主要参数。6.掌握共发射极放大电路的静态工作