基本电子器件

基本电子器件第1页，共81页，2023年，2月20日，星期一2.1

半导体的基本知识2.1.1本征半导体2.1.2杂质半导体2.1.3

PN结第2页，共81页，2023年，2月20日，星期一2.1.1

本征半导体半导体—导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。本征半导体—纯净的半导体。如硅、锗单晶体。载流子

—自由运动的带电粒子。共价键—相邻原子共有价电子所形成的束缚。第3页，共81页，2023年，2月20日，星期一硅(锗)的原子结构简化模型惯性核硅(锗)的共价键结构价电子自由电子(束缚电子)空穴空穴空穴可在共价键内移动第4页，共81页，2023年，2月20日，星期一半导体的特性：光敏性－－－光照影响热敏性－－－温度影响掺杂性－－－杂质半导体第5页，共81页，2023年，2月20日，星期一2.1.2杂质半导体一、N型半导体和P型半导体N型半导体+5+4+4+4+4+4磷原子自由电子电子为多数载流子（多子）空穴为少数载流子（少子）第6页，共81页，2023年，2月20日，星期一P型半导体+3+4+4+4+4+4硼原子空穴空穴—多子电子—少子第7页，共81页，2023年，2月20日，星期一二、P型、N型半导体的简化图示负离子多数载流子少数载流子正离子多数载流子少数载流子P型半导体N型半导体第8页，共81页，2023年，2月20日，星期一2.1.3PN结一、PN结(PNJunction)的形成1.载流子的浓度差引起多子的扩散2.复合使交界面形成空间电荷区(耗尽层)空间电荷区特点:无载流子，阻止扩散进行，利于少子的漂移。内建电场第9页，共81页，2023年，2月20日，星期一3.扩散和漂移达到动态平衡扩散电流等于漂移电流，总电流I=0二、PN结的单向导电性第10页，共81页，2023年，2月20日，星期一P区N区内电场外电场外电场使多子向PN结移动,中和部分离子使空间电荷区变窄。IF限流电阻扩散运动加强形成正向电流IF。IF=I多子I少子

I多子2.外加反向电压(反向偏置)

—reversebias

P

区N

区内电场外电场外电场使少子背离PN结移动，空间电荷区变宽。IRPN结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大;

反偏截止，电阻很大，电流近似为零。漂移运动加强形成反向电流IRIR=I少子

01.外加正向电压(正向偏置)

—forwardbias第11页，共81页，2023年，2月20日，星期一三、PN结的伏安特性反向饱和电流温度的电压当量电子电量玻尔兹曼常数当T=300(27C)：UT

=26mVOu

/VI

/mA正向特性反向击穿加正向电压时加反向电压时i≈–IS第12页，共81页，2023年，2月20日，星期一2.2

半导体二极管2.2.1半导体二极管的结构和类型2.2.2二极管的伏安特性2.2.3二极管的主要参数2.2.4稳压二极管2.2.5二极管的应用举例第13页，共81页，2023年，2月20日，星期一2.2.1半导体二极管的结构和类型构成：PN结+引线+管壳=二极管(Diode)符号：A(anode)C(cathode)分类：按材料分硅二极管锗二极管按结构分点接触型面接触型平面型第14页，共81页，2023年，2月20日，星期一点接触型正极引线触丝N型锗片外壳负极引线负极引线

面接触型N型锗PN结

正极引线铝合金小球底座金锑合金正极

引线负极

引线集成电路中平面型PNP型支持衬底第15页，共81页，2023年，2月20日，星期一第16页，共81页，2023年，2月20日，星期一OuD/ViD/mA正向特性Uth死区电压iD

=0Uth=

0.5V

0.1V(硅管)(锗管)UUthiD急剧上升0U

Uth

UD(on)

=(0.60.8)V硅管0.7V(0.10.3)V锗管0.2V反向特性ISU(BR)反向击穿U(BR)

U0iD=IS<0.1A(硅)

几十

A

(锗)U<

U(BR)反向电流急剧增大(反向击穿)2.2.2二极管的伏安特性第17页，共81页，2023年，2月20日，星期一硅管的伏安特性锗管的伏安特性604020–0.02–0.0400.40.8–25–50iD

/mAuD/ViD

/mAuD

/V0.20.4–25–5051015–0.01–0.020第18页，共81页，2023年，2月20日，星期一温度对二极管特性的影响604020–0.0200.4–25–50iD

/mAuD/V20C90CT

升高时，UD(on)以(22.5)mV/C下降第19页，共81页，2023年，2月20日，星期一2.2.3二极管的主要参数1.

IF—

最大整流电流(最大正向平均电流)2.

URM—

最高反向工作电压，为U(BR)/2

3.

IR

—

反向电流(越小单向导电性越好)4.

fM—

最高工作频率(超过时单向导电性变差)iDuDU(BR)IFURMO第20页，共81页，2023年，2月20日，星期一2.2.4稳压二极管一、伏安特性符号工作条件：反向击穿iZ/mAuZ/VOUZ

IZmin

IZmaxUZIZ

IZ特性第21页，共81页，2023年，2月20日，星期一二、主要参数1.

稳定电压UZ

流过规定电流时稳压管两端的反向电压值。2.稳定电流IZ

越大稳压效果越好，小于Imin时不稳压。3.

最大工作电流IZM

最大耗散功率PZMPZM=UZ

IZM第22页，共81页，2023年，2月20日，星期一补充：发光二极管与光敏二极管一、发光二极管LED(LightEmittingDiode)1.符号和特性工作条件：正向偏置一般工作电流几十mA，导通电压(12)V符号u/Vi

/mAO2特性第23页，共81页，2023年，2月20日，星期一2.主要参数电学参数：IFM

，U(BR)

，IR光学参数：峰值波长P，亮度

L，光通量发光类型：可见光：红、黄、绿显示类型：普通LED，不可见光：红外光点阵LED七段LED,第24页，共81页，2023年，2月20日，星期一第25页，共81页，2023年，2月20日，星期一二、光敏二极管1．符号和特性符号特性uiO暗电流E=200lxE=400lx工作条件：反向偏置2.主要参数电学参数：暗电流，光电流，最高工作范围光学参数：光谱范围，灵敏度，峰值波长实物照片第26页，共81页，2023年，2月20日，星期一补充：选择二极管限流电阻步骤：1.设定工作电压(如0.7V；2V(LED)；UZ)2.确定工作电流(如1mA；10mA；5mA)3.根据欧姆定律求电阻R=(UIUD)/ID(R要选择标称值)第27页，共81页，2023年，2月20日，星期一例1

画出硅二极管构成的桥式整流电路在ui

=15sint(V)作用下输出uO的波形。(按理想模型)Otui

/V15RLV1V2V3V4uiBAuO2.2.5二极管应用举例第28页，共81页，2023年，2月20日，星期一OtuO/V15Otui

/V15第29页，共81页，2023年，2月20日，星期一例2

分析简单稳压电路的工作原理，

R为限流电阻。IR=IZ+ILUO=UI

–IRRUIUORRLILIRIZ第30页，共81页，2023年，2月20日，星期一2.3双极型晶体管2.3.1晶体三极管2.3.2晶体三极管的特性曲线2.3.3晶体三极管的主要参数第31页，共81页，2023年，2月20日，星期一(SemiconductorTransistor)2.3.1晶体三极管一、结构、符号和分类NNP发射极E基极B集电极C发射结集电结—基区—发射区—集电区emitterbasecollectorNPN型PPNEBCPNP型ECBECB第32页，共81页，2023年，2月20日，星期一分类：按材料分：硅管、锗管按功率分：小功率管<500mW按结构分：NPN、PNP按使用频率分：低频管、高频管大功率管>1W中功率管0.51W第33页，共81页，2023年，2月20日，星期一二、电流放大原理1.三极管放大的条件内部条件发射区掺杂浓度高基区薄且掺杂浓度低集电结面积大外部条件发射结正偏集电结反偏2.满足放大条件的三种电路uiuoCEBECBuiuoECBuiuo共发射极共集电极共基极第34页，共81页，2023年，2月20日，星期一3.三极管内部载流子的传输过程1)

发射区向基区注入多子电子，形成发射极电流

IE。ICN多数向集电结方向扩散形成ICN。IE少数与空穴复合，形成IBN。IBN基区空穴来源基极电源提供(IB)集电区少子漂移(ICBO)I

CBOIBIBN

IB+ICBO即：IB=IBN

–

ICBO2)电子到达基区后(基区空穴运动因浓度低而忽略)第35页，共81页，2023年，2月20日，星期一ICNIEIBNI

CBOIB

3)

集电区收集扩散过来的载流子形成集电极电流ICICIC=ICN+ICBO第36页，共81页，2023年，2月20日，星期一4.三极管的电流分配关系5.三极管的电流放大作用第37页，共81页，2023年，2月20日，星期一2.3.2晶体三极管的特性曲线一、输入特性输入回路输出回路与二极管特性相似第38页，共81页，2023年，2月20日，星期一O特性基本重合(电流分配关系确定)特性右移(因集电结开始吸引电子)导通电压UBE(on)硅管：(0.60.8)V锗管：

(0.20.3)V取0.7V取0.2V第39页，共81页，2023年，2月20日，星期一二、输出特性iC

/mAuCE

/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O24684321截止区：

IB0

IC=ICEO0条件：两个PN结反偏截止区ICEO第40页，共81页，2023年，2月20日，星期一iC

/mAuCE

/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O246843212.放大区：放大区截止区条件：

发射结正偏集电结反偏特点：

水平、等间隔ICEO第41页，共81页，2023年，2月20日，星期一iC

/mAuCE

/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O246843213.饱和区：uCE

u

BEuCB=uCE

u

BE

0条件：两个PN结正偏特点：IC

IB临界饱和时：

uCE

=uBE深度饱和时：0.3V(硅管)UCE(SAT)=0.1V(锗管)放大区截止区饱和区ICEO第42页，共81页，2023年，2月20日，星期一三、温度对特性曲线的影响(略)1.温度升高，输入特性曲线向左移。温度每升高1C，UBE

(22.5)mV。温度每升高10C，ICBO

约增大1倍。OT2>T1第43页，共81页，2023年，2月20日，星期一2.温度升高，输出特性曲线向上移。iCuCE

T1iB=0T2>iB=0iB=0温度每升高1C，

(0.51)%。输出特性曲线间距增大。O第44页，共81页，2023年，2月20日，星期一2.3.3晶体三极管的主要参数一、电流放大系数1.共发射极电流放大系数iC

/mAuCE

/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O24684321—直流电流放大系数

—交流电流放大系数一般为几十几百Q第45页，共81页，2023年，2月20日，星期一二、极间反向饱和电流（略）CB极间反向饱和电流

ICBOCE极间反向饱和电流ICEO第46页，共81页，2023年，2月20日，星期一三、极限参数1.ICM

—集电极最大允许电流，超过时

值明显降低。2.PCM—集电极最大允许功率损耗PC=iC

uCE。iCICMU(BR)CEOuCEPCMOICEO安全工作区第47页，共81页，2023年，2月20日，星期一2.4场效应管

引言2.4.1结型场效应管2.4.3场效应管的主要参数2.4.2MOS场效应管第48页，共81页，2023年，2月20日，星期一引言场效应管FET

(FieldEffectTransistor)类型：结型JFET

(JunctionFieldEffectTransistor)绝缘栅型IGFET(InsulatedGateFET)第49页，共81页，2023年，2月20日，星期一特点：1.单极性器件(一种载流子导电)3.工艺简单、易集成、功耗小、

体积小、成本低2.输入电阻高

(1071015，IGFET可高达1015)第50页，共81页，2023年，2月20日，星期一2.4.1结型场效应管(略)1.结构与符号N沟道JFETP沟道JFET第51页，共81页，2023年，2月20日，星期一2.工作原理uGS

0，uDS

>0此时

uGD=UGS(off)；

沟道楔型耗尽层刚相碰时称预夹断。预夹断当uDS

，预夹断点下移。第52页，共81页，2023年，2月20日，星期一3.转移特性和输出特性UGS(off)当UGS(off)

uGS0时,uGSiDIDSSuDSiDuGS=–3V–2V–1V0V–3VOO第53页，共81页，2023年，2月20日，星期一一、增强型N沟道MOSFET

(MentalOxideSemi—FET)2.4.2MOS场效应管1.结构与符号P型衬底(掺杂浓度低)N+N+用扩散的方法制作两个N区在硅片表面生一层薄SiO2绝缘层SD用金属铝引出源极S和漏极DG在绝缘层上喷金属铝引出栅极GB耗尽层S—源极SourceG—栅极Gate

D—漏极DrainSGDB第54页，共81页，2023年，2月20日，星期一2.工作原理1)uGS

对导电沟道的影响

(uDS=0)反型层(沟道)第55页，共81页，2023年，2月20日，星期一1)uGS

对导电沟道的影响

(uDS=0)a.

当UGS=0

，DS间为两个背对背的PN结；b.当0<UGS<UGS(th)(开启电压)时，GB间的垂直电场吸引P区中电子形成离子区(耗尽层)；c.当uGS

UGS(th)

时，衬底中电子被吸引到表面，形成导电沟道。uGS

越大沟道越厚。第56页，共81页，2023年，2月20日，星期一2)

uDS

对

iD的影响(uGS>UGS(th))

DS间的电位差使沟道呈楔形，uDS，靠近漏极端的沟道厚度变薄。预夹断(UGD=

UGS(th))：漏极附近反型层消失。预夹断发生之前：uDSiD。预夹断发生之后：uDSiD不变。第57页，共81页，2023年，2月20日，星期一3.转移特性曲线2464321uGS/ViD/mAUDS=10VUGS(th)开启电压O第58页，共81页，2023年，2月20日，星期一4.输出特性曲线可变电阻区uDS<uGSUGS(th)uDSiD

，直到预夹断饱和(放大区)uDS，iD

不变（恒流）uDS加在耗尽层上，沟道电阻不变截止区uGS

UGS(th)

全夹断iD=0

iD/mAuDS/VuGS=2V4V6V8V截止区饱和区可变电阻区放大区恒流区OuGS↑

→iD↑（放大，压控）第59页，共81页，2023年，2月20日，星期一二、耗尽型N沟道MOSFET（略）SGDB

Sio2

绝缘层中掺入正离子在uGS=0时已形成沟道；在DS间加正电压时形成iD，uGS

UGS(off)

时，全夹断。第60页，共81页，2023年，2月20日，星期一二、耗尽型N沟道MOSFET输出特性uGS/ViD/mA转移特性IDSSUGS(off)夹断电压饱和漏极电流当uGS

UGS(off)

时，uDS/ViD/mAuGS=4V2V0V2VOO第61页，共81页，2023年，2月20日，星期一三、P沟道MOSFET增强型耗尽型SGDBSGDB第62页，共81页，2023年，2月20日，星期一N沟道增强型SGDBiDP沟道增强型SGDBiD2

–2OuGS/ViD/mAUGS(th)SGDBiDN沟道耗尽型iDSGDBP沟道耗尽型UGS(off)IDSSuGS/ViD/mA–5O5FET符号、特性的比较第63页，共81页，2023年，2月20日，星期一OuDS/ViD/mA5V2V0V–2VuGS=2V0V–2V–5VN沟道结型SGDiDSGDiDP沟道结型uGS/ViD/mA5–5OIDSSUGS(off)OuDS/ViD/mA5V2V0VuGS=0V–2V–5V第64页，共81页，2023年，2月20日，星期一2.4.3场效应管的主要参数开启电压UGS(th)(增强型)

夹断电压

UGS(off)(耗尽型)指uDS=某值，使漏极电流iD为某一小电流时的uGS

值。UGS(th)UGS(off)2.饱和漏极电流IDSS耗尽型场效应管，当uGS=0时所对应的漏极电流。IDSSuGS/ViD/mAO第65页，共81页，2023年，2月20日，星期一1.运放的电压传输特性：2.6

集成器件第66页，共81页，2023年，2月20日，星期一2.理想运算放大器：开环电压放大倍数AV=∞差摸输入电阻rid=∞输出电阻r0=0为了扩大运放的线性区，给运放电路引入负反馈：运放工作在线性区的分析方法：虚短（U+=U-）虚断（i+=i-=0）3.线性区第67页，共81页，2023年，2月20日，星期一小结第2章第68页，共81页，2023年，2月20日，星期一一、两种半导体和两种载流子两种载流子的运动电子—自由电子空穴—价电子两种半导体N型(多电子)P型(多空穴)二、二极管1.特性—单向导电正向电阻小(理想为0)，反向电阻大()。第69页，共81页，2023年，2月20日，星期一iDO

uDU(BR)IFURM2.主要参数正向—最大平均电流IF反向—最大反向工作电压U(BR)(超过则击穿)反向饱和电流IS(受温度影响)IS第70页，共81页，2023年，2月20日，星期一3.二极管的等效模型理想模型(大信号状态采用)正偏导通电压降为零相当于理想开关闭合反偏截止电流为零相当于理想开关断开UD(on)=(0.60.8)V估算时取0.7V硅管：锗管：(0.10.3)V0.2V导通压降：第71页，共81页，2023年，2月20日，星期一4.特殊二极管工作条件主要用途稳压二极管反偏稳压发光二极管正偏发光光敏二极管反偏光电转换第72页，共81页，2023年，2月20日，星期一三、两种半导体放大器件双极型半导体三极管(晶体三极管

BJT)单极型半导体三极管(场效应管

FET)两种载流子导电多数载流子导电晶体三极管1.形式与结构NPNPNP三区、三极、两结2.特点基极电流控制集电极电流并实现放大第73页，共81页，2023年，2月20日，星期一放大条件内因：发射区载流子浓度高、

基区薄、集电区面积大外因：发射结正偏、集电结反偏3.电流关系IE=IC+IBIC=

IB

IE=(1+)

IB

第74页，共81页，2023年，2月20日，星期一4.特性iC

/mAuCE

/V100µA80µA60µA40µA20µAIB=0O369124321