第一章.电子线路

1、 第一章第一章 基本半导体器件基本半导体器件1-1 结半导体： 其导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。特殊性质即电导率可控： 温度 光照 磁场 掺杂质 1.1.1本征半导体本征半导体GeSi现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个而且都具有特定的最外层电子（价电子）都是四个而且都具有特定的晶体结构。的晶体结构。在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子而四个其它原子位于

2、四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成与其相临的原子之间形成共价键共价键，共用一对价，共用一对价电子。电子。硅和锗的晶硅和锗的晶体结构：体结构：硅和锗的共价键结构硅和锗的共价键结构共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4+4+4+4+4表示除表示除去价电子去价电子后的原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，称为束缚电子束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自自由电子由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以，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。本征半导体的导电能力很弱

3、。形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。构成稳定结构。+4+4+4+4 完全纯净的、结构完整的完全纯净的、结构完整的 半导体晶体半导体晶体本征半导体本征半导体1.1.本征半导体的特点本征半导体的特点在绝对在绝对0度度（T=0K）和没有外界激发时和没有外界激发时, ,价价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即可以运动的带电粒子（即载流子载流子），它的导电），它的导电能力为能力为 0，相当于绝缘体。，相当于绝缘体。在常温下，由于热激发，使一些价电子获在常温下，由于热激发，使一

4、些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由自由电子电子，同时共价键上留下一个空位，称为，同时共价键上留下一个空位，称为空穴空穴。此时在外电场作用下具有一定的导电能力此时在外电场作用下具有一定的导电能力+4+4+4+4自由电子自由电子空穴空穴束缚电子束缚电子本征激发载流子载流子2.本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理+4+4+4+4在其它外力的作用下，在其它外力的作用下，空穴吸引附近的电子空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此正电荷的移动，因此

5、可以认为空穴是载流可以认为空穴是载流子。子。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子自由电子和和空穴空穴。温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体中电流由两部分组成：本征半导体中电流由两部分组成： 1. 自由电子移动产生的电流。自由电子移动产生的电流。 2.

6、 空穴移动产生的电流。空穴移动产生的电流。1.1.2 杂质半导体的导电特性 杂质半导体：杂质半导体：在本征半导体中人为掺入某种“杂质”元素形成的半导体。分为N型半导体和P 型半导体。一一 N N型半导体：型半导体： 在纯净Si中掺入五价元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体。 所掺入五价元素称为施主 杂质，简称施主 （能供给自由电子）。 右图（2-1）N型半导体中，自由电子为多子，空穴为少子。型半导体中，自由电子为多子，空穴为少子。 二. P型半导体： 在纯净Si中掺入三价元素（硼），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了P型半导体。所掺入三价元素称为受主杂质，简称受主P型

7、半导体中，空穴为多子，自由电子为少子。型半导体中，空穴为多子，自由电子为少子。1.1.3 PN结的形成PN结：采用不同的掺杂工艺，将P型半导体和N型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交界面就形成PN结。PN结形成过程分解：结形成过程分解：1.1.4 PN结的单向导电特性结的单向导电特性 当外加电压使当外加电压使PN结中结中P区的电位高于区的电位高于N区的电位，称为区的电位，称为加加正向电压正向电压，简称，简称正偏正偏；反之；反之称为加称为加反向电压反向电压，简称简称反偏反偏。 +REPN 结正向偏置结正向偏置内电场内电场外电场外电场变薄变薄PN+_内电场被削弱，多子内电场被削弱，多子的扩散加强

8、能够形成的扩散加强能够形成较大的扩散电流。较大的扩散电流。反向偏置（简称反偏） PN结反偏：P区接低电位（负电位），N区接高电位（正电位）。 PN 结反向偏置结反向偏置+内电场内电场外电场外电场变厚变厚NP+_内电场被被加强，多内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子子漂移加强，但少子数量有限，只能形成数量有限，只能形成较小的反向电流。较小的反向电流。RE PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；大的正向扩散电流； PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。小的反向

9、漂移电流。 由此可以得出结论：由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。结具有单向导电性。 1.3.1 半导体二极管的结构及符号半导体二极管的结构及符号 在在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平点接触型、面接触型和平面型面型三大类。三大类。(1) 点接触型二极管点接触型二极管 PN结面积小，结电结面积小，结电容小，用于检波和变频等容小，用于检波和变频等高频电路。高频电路。(a)(a)点接触型点接触型 二极管的结构示意图二极管的结构示意图1-2 二极管二极管(3) 平面型二极管平面型二极管 往往用于集

10、成电路制造往往用于集成电路制造艺中。艺中。PN 结面积可大可小，结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。用于高频整流和开关电路中。(2) 面接触型二极管面接触型二极管 PN结面积大，用结面积大，用于工频大电流整流电路。于工频大电流整流电路。(b)(b)面接触型面接触型(c)(c)平面型平面型阴极阴极引线引线阳极阳极引线引线PNP 型支持衬底型支持衬底(4) 二极管的代表符号二极管的代表符号(d) 代表符号代表符号k 阴极阴极阳极阳极 a半导体二极管图片一一.PN结的伏安特性结的伏安特性PN结所加端电压结所加端电压U与流过它的电流与流过它的电流I的关系为：的关系为：其中其中 为反向饱和电流，为

11、反向饱和电流，VT为为kT/q称温度的电压当称温度的电压当量，量，k为玻耳兹曼常数，为玻耳兹曼常数，T为热力学温度，为热力学温度，q为电子的电为电子的电量，常温下，量，常温下，T300K时，时，VT可取可取26mv 1.3.2 1.3.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性) 1()(eIiTDVvsatRD)(satRIUI死区电压死区电压 硅管硅管0.6V,锗管锗管0.2V。导通压降导通压降: : 硅硅管管0.60.7V,锗锗管管0.20.3V。反向击穿反向击穿电压电压UBRPN结的伏安特性曲线结的伏安特性曲线) 1(/R(sat)DDTVveIi 当当PN结的反向电压结的反向电压增加到一定

12、数值时，反增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，向电流突然快速增加，此现象称为此现象称为PN结的结的反向反向击穿。击穿。iDOVBR D热击穿热击穿不可逆不可逆 雪崩击穿雪崩击穿 齐纳击穿齐纳击穿 电击穿电击穿可逆可逆*击穿并不意味着击穿并不意味着PN结烧坏。结烧坏。二极管的伏安特性曲线可用下式表示二极管的伏安特性曲线可用下式表示)1(/SDD TVveIi0 D/V0.2 0.4 0.6 0.8 10 20 30 405101520 10 20 30 40iD/ AiD/mA死区死区VthVBR硅二极管硅二极管2CP102CP10的的V V- -I I 特性特性0 D/V0.2 0.4 0

13、.6 20 40 605101520 10 20 30 40iD/ AiD/mAVthVBR锗二极管锗二极管2AP152AP15的的V V- -I I 特性特性正向特性正向特性反向特性反向特性反向击穿特性反向击穿特性二二.实际二极管的伏安特性实际二极管的伏安特性三三.理想二极管的特性理想二极管的特性+iDvD-R1.二极管的正向压降远小于和它串联的电压2.反向电流远小于和它并联的电流Di三三.理想二极管的特性理想二极管的特性DiDv+iDvD-R1.二极管的正向压降远小于和它串联的电压2.反向电流远小于和它并联的电流Di0 1.3.3 二极管的参数二极管的参数(1) 最大正向电流最大正向电流I

14、F+iDvD-R 1.3.3 二极管的参数二极管的参数(2) 反向击穿电压反向击穿电压VBR和最大反向工作电压和最大反向工作电压VRMiDOVBR DVRM =0.5VBR为了保证二极管安全工作：为了保证二极管安全工作：(3) 反向电流反向电流I IR R 1.3.3 二极管的参数二极管的参数(4) 正向压降正向压降VFV 70on.硅V（硅二极管典型值）（硅二极管典型值）V 20on.锗V（锗（锗 二极管典型值）二极管典型值）导通压降：+iDvD-R(5) 最高工作频率fM1.3.4 稳压二极管稳压二极管1. 稳压特性稳压特性(a)符号符号(b) 伏安特性伏安特性 利用二极管反向击穿特性实现

15、稳压。稳压二极管稳压时工利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。作在反向电击穿状态。 IZ很大，很大， VZ很小。很小。(1) 稳定电压稳定电压VZ(3) 动态电阻动态电阻rZ 在反向击穿后两端的在反向击穿后两端的实际工作电压。实际工作电压。rZ = VZ / IZ(4)(4)最大稳定工作电流最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流和最小稳定工作电流 IZmin2. 稳压二极管主要参数稳压二极管主要参数1.3.4 稳压二极管稳压二极管(2) 稳定电流稳定电流IZ 3. 如何稳压如何稳压+R-IR+-RLIOVOVIIZDZ正常稳压时正常稳压时 VO =VZ

16、IZmin IZ IZmax一.限幅电路：单向限幅电路：如17页图二.稳压电路稳压电路1.3.5 1.3.5 二极管电路二极管电路半导体三极管半导体三极管 （双极型晶体管）（双极型晶体管） 1.4.1 晶体管的结构及符号晶体管的结构及符号 半导体三极管的结构示意图如图所示。它有两种类型半导体三极管的结构示意图如图所示。它有两种类型:NPN型和型和PNP型。型。两种类型的三极管两种类型的三极管发射结发射结(Je) 集电结集电结(Jc) 基极基极，用B或b表示（Base） 发射极发射极，用E或e表示（Emitter）；集电极集电极，用C或c表示（Collector）。 发射区发射区集电区集电区基区

17、基区三极管符号三极管符号 结构特点：结构特点： 发射区的掺杂浓度最高；发射区的掺杂浓度最高； 集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大；集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大； 基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。杂浓度最低。平面型结构平面型结构 1.内部载流子的传输过程内部载流子的传输过程 三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通过载流三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通过载流子传输体现出来的。子传输体现出来的。 外部条件：外部条件：发射结正偏，集电结反偏。发射结正偏，集电结反偏。发射区：发射载流子发射区：发射载流子集电区：收集载

18、流子集电区：收集载流子基区：传送和控制载流子基区：传送和控制载流子 （以（以NPN为例）为例） 载流子的传输过程载流子的传输过程 以上看出，三极管内有两种载流子以上看出，三极管内有两种载流子(自自由电子和空穴由电子和空穴)参与导电，故称为双极型三参与导电，故称为双极型三极管。或极管。或BJT (Bipolar Junction Transistor)。 2. 电流分配关系电流分配关系发射极注入电流发射极注入电流传输到集电极的电流传输到集电极的电流设设 FBhIIEnC 即根据传输过程可知根据传输过程可知 IC= InC+ ICBOIB= IB - ICBO通常通常 IC ICBOECFB II

19、h则有 为电流放大系数，为电流放大系数，与管子的结构尺寸和掺杂与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关浓度有关一般一般 = 0.9 0.99IE=IB+ IC载流子的传输过程载流子的传输过程FBh)(FBh1 根据根据 是另一个电流放大系数，是另一个电流放大系数，同样，它也与管同样，它也与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关。子的结构尺寸和掺杂浓度有关。一般一般 1IE=IB+ ICECFB IIh可得可得2. 电流分配关系电流分配关系FEhIIBC 令)(FEh或写成FBFBhhh1 FE3. 三极管的三种组态三极管的三种组态Rs放大电路放大电路IoIi+Vo+Vs+ViRL信号源信号源负载负载模拟信号的放大

20、模拟信号的放大共发射极接法共发射极接法，发射极作为公共电极，用，发射极作为公共电极，用CE表示；表示； 是是共射共射电流放大系电流放大系数，一般数，一般 1BCFE IIh)(FEh3. 三极管的三种组态三极管的三种组态Rs放大电路放大电路IoIi+Vo+Vs+ViRL信号源信号源负载负载共基极接法共基极接法，基极作为公共电极，用基极作为公共电极，用CB表示。表示。ECIIhFB 为共基电流放大为共基电流放大系数，一般系数，一般 = 0.9 0.99)(FBh3. 三极管的三种组态三极管的三种组态Rs放大电路放大电路IoIi+Vo+Vs+ViRL信号源信号源负载负载共集电极接法共集电极接法，集

21、电极作为公共电极，用，集电极作为公共电极，用CC表示表示;IE=IB（1hFE）=IB/(1-hFB)3. 三极管的三种组态三极管的三种组态共集电极接法共集电极接法，集电极作为公共电极，集电极作为公共电极，共基极接法共基极接法，基极作为公共电极，基极作为公共电极，共发射极接法共发射极接法，发射极作为公共电极，发射极作为公共电极，BJT的三种组态的三种组态实现这一传输过程的两个条件是：实现这一传输过程的两个条件是：（1）内部条件：内部条件：发射区杂质浓度远大于基区发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，且基区很薄。杂质浓度，且基区很薄。（2）外部条件：外部条件：发射结正向偏置，集电结反发射结正向偏置，

22、集电结反向偏置。向偏置。IE=IB+ ICIC=hFEIBIC=hFBIE综上所述，三极管的放大作用，主要是依靠它的综上所述，三极管的放大作用，主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现的。的。vCE = 0V+-bce共射极放大电路VBBVCCvBEiCiB+-vCE iB=f(vBE) vCE=const(2) 当当vCE1V时，时， vCB= vCE - - vBE0，集电结已进入反偏状态，开始收，集电结已进入反偏状态，开始收 集电子，基区复合减少，同样的集电子，基区复合减少，同样的vBE下下 IB减小，特性曲线右移。减

23、小，特性曲线右移。vCE = 0VvCE 1V(1) 当当vCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。1. 输入特性曲线输入特性曲线1.4.4 晶体管的特性曲线晶体管的特性曲线（以共射极放大电路为例）（以共射极放大电路为例）(3) 输入特性曲线的三个部分输入特性曲线的三个部分死区死区非线性区非线性区线性区线性区1. 输入特性曲线输入特性曲线1.4.4晶体管的特性曲线晶体管的特性曲线饱和区：饱和区：iC明显受明显受vCE控控制的区域，该区域内，制的区域，该区域内，一般一般vCE0.7V(硅管硅管)。此时，此时，发射结正偏，集发射结正偏，集电结正偏或反偏电压

24、很电结正偏或反偏电压很小小。iC=f(vCE) iB=const2. 2. 输出特性曲线输出特性曲线输出特性曲线的三个区域输出特性曲线的三个区域:1.4.4 BJT的特性曲线的特性曲线截止区：截止区：iC接近零的接近零的区域，相当区域，相当iB=0的曲的曲线的下方。此时，线的下方。此时， vBE小于死区电压，小于死区电压，集电结反偏集电结反偏。放大区：放大区：iC平行于平行于vCE轴的轴的区域，曲线基本平行等距。区域，曲线基本平行等距。此时，此时，发射结正偏，集电发射结正偏，集电结反偏结反偏。end1.4.5 BJT的主要参数的主要参数 ( (1)1)共发射极直流电流放大系数共发射极直流电流放大系数 FEhBCFEIIh1. 电流放大系数电流放大系数 (2) 共发射极交流电流放大系数共发射极交流电流放大系数hfe hfe = IC/ IB vCE=const1.4.5 BJT的主要参数的主要参数1. 电流放大系数电流放大系数 (3) 共基极直流电流放大系数共基极直流电流放大系数 =IC/IE fehfeh (4) 共基极交流电流放大系数共基极交流电流放大系数hFE hFE= IC/ IE VCB=const 当当BJT工作于放