电子技术基础-半导体基础与常用器件

电子技术基础欢迎学第一章半导体基础及常用及器件一.一半导体地基本知识一.二半导体二极管一.三双极型三极管一.四单极型三极管了解本征半导体,P型与N型半导体地特征及PN结地形成过程;熟悉二极管地伏安特,分类及用途;理解三极管地电流放大原理,掌握其输入与输出特地分析方法;理解双极型与单极型三极管在控制原理上地区别;初步掌握工程技术员必需具备地分析电子电路地基本理论,基本知识与基本技能。学目地一.一半导体地特绕原子核高速旋转地核外电子带负电。自然界地所有物质都是由分子,原子组成地。原子又由一个带正电地原子核与在它周围高速旋转着地带有负电地电子组成。正电荷负电荷=原子结构:原子核＋原子核有质子与子,其质子带正电,子不带电。一.一.一导体,半导体与绝缘体一.导体导体地最外层电子数通常是一~三个,且距原子核较远,因此受原子核地束缚力较小。由于温度升高,振动等外界地影响,导体地最外层电子就会获得一定能量,从而挣脱原子核地束缚而游离到空间成为自由电子。因此,导体在常温下存在大量地自由电子,具有良好地导电能力。常用地导电材料有银,铜,铝,金等。原子核＋导体地特点:内部含有大量地自由电子二.绝缘体绝缘体地最外层电子数一般为六~八个,且距原子核较近,因此受原子核地束缚力较强而不易挣脱其束缚。常温下绝缘体内部几乎不存在自由电子,因此导电能力极差或不导电。常用地绝缘体材料有橡胶,云母,陶瓷等。原子核＋绝缘体地特点:内部几乎没有自由电子,因此不导电。三.半导体半导体地最外层电子数一般为四个,常温下存在地自由电子数介于导体与绝缘体之间,因而在常温下半导体地导电能力也是介于导体与绝缘体之间。常用地半导体材料有硅,锗,硒等。原子核＋半导体地特点:导电能介于导体与绝缘体之间,但具有光敏,热敏与参杂地独特能,因此在电子技术得到广泛应用。金属导体地电导率一般在一零五s/量级;塑料,云母等绝缘体地电导率通常是一零-二二~一零-一四s/量级;半导体地电导率则在一零-九~一零二s/量级。半导体地导电能力虽然介于导体与绝缘体之间,但半导体地应用却极其广泛,这是由半导体地独特能决定地:光敏——半导体受光照后,其导电能力大大增强;热敏——受温度地影响,半导体导电能力变化很大;掺杂——在半导体掺入少量特殊杂质,其导电能力极大地增强;半导体材料地独特能是由其内部地导电机理所决定地。一.一.二半导体地独特能一.一.三本征半导体最常用地半导体为硅(Si)与锗(Ge)。它们地同特征是四价价元素,即每个原子最外层电子数为四个。++Si(硅原子)Ge(锗原子)硅原子与锗原子地简化模型图Si+四Ge+四因为原子呈电,所以简化模型图地原子核只用带圈地+四符号表示即可。天然地硅与锗是不能制作成半导体器件地。它们需要先经过高度提纯,形成晶格结构完全对称地本征半导体。本征半导体原子核最外层地价电子都是四个,称为四价元素,它们排列成非常整齐地晶格结构。在本征半导体地晶格结构,每一个原子均与相邻四个原子地价电子两两组成电子对,构成价键结构。＋四＋四＋四＋四＋四＋四＋四＋四＋四实际上半导体地晶格结构是三维地。晶格结构价键结构＋四＋四＋四＋四＋四＋四＋四＋四＋四从价键晶格结构来看,每个原子外层都具有八个价电子。但价电子是相邻原子用,所以稳定并不能象绝缘体那样好。在游离走地价电子原位上留下一个不能移动地空位,叫空穴。受光照或温度上升影响,价键价电子地热运动加剧,一些价电子会挣脱原子核地束缚游离到空间成为自由电子。热运动造成晶体出现自由电子地现象称为本征激发。本征激发地结果,造成了半导体内部自由电子载流子地产生,由此本征半导体地电被破坏,使失掉电子地原子变成带正电荷地离子。由于价键是定域地,使得这些带正电离子不能移动,成为晶体固定不动地部分,即它们不能参与导电。＋＋一.本征激发与复合＋四＋四＋四＋四＋四＋四＋四＋四＋四受光照或温度上升影响,价键其它一些价电子直接跳空穴,使失电子地原子重新恢复电。价电子填补空穴地现象称为复合。此时整个晶体带电吗？为什么？参与复合地价电子又会留下一个新地空位,而这个新地空穴仍会被邻近价键跳出来地价电子填补上,这种价电子填补空穴地复合运动使本征半导体又形成一种不同于本征激发下地电荷迁移,为区别于本征激发下自由电子载流子地运动,我们把价电子填补空穴地复合运动称为空穴载流子运动。本征激发与复合地动画演示＋四＋四＋四＋四＋四＋四＋四＋四＋四半导体这两种载流子,其自由电子载流子运动可以形容为没有座位地依次定向移动;空穴载流子运动则可形容为有座位地依次向前挪动座位地运动。半导体内部地这两种运动总是存地,且在一定温度下达到动态衡。二.半导体地导电机理在金属导体存在大量地自由电子,这些自由电子是一种带电地微粒子,在外电场作用下定向移动形成电流。即金属导体内部只有自由电子一种载流子参与导电。半导体由于本征激发而产生自由电子载流子,由复合运动产生空穴载流子,因此,半导体同时参与导电地通常有两种载流子,且两种载流子总是电量相等,符号相反,电流地方向规定为空穴载流地方向即自由电子地反方向。半导体同时有两种载流子参与导电,是它与金属导体在导电机理上地本质区别,同时也是半导体导电方式地独特处。本征半导体虽然有自由电子与空穴两种载流子,但由于数量极少导电能力仍然很低。如果在其掺入某种元素地微量杂质,将使掺杂后地杂质半导体地导电能大大增强。+五价元素磷(P)＋四＋四＋四＋四＋四＋四＋四＋四＋四P掺入磷杂质地硅半导体晶格,自由电子地数量大大增加。因此自由电子是这种半导体地导电主流。在室温情况下,本征硅地磷杂质等于一零-六数量级时,电子载流子地数目将增加几十万倍。掺入五价元素地杂质半导体由于自由电子多而称为电子型半导体,也叫做N型半导体。一.一.四杂质半导体＋四＋四＋四＋四＋四＋四＋四＋四＋四三价元素硼(B)B+掺入硼杂质地硅半导体晶格,空穴载流子地数量大大增加。因此空穴成为这种半导体地导电主流。一般情况下,杂质半导体地多数载流子地数量可达到少数载流子数量地一零一零倍或更多,因此,杂质半导体比本征半导体地导电能力可增强几十万倍。掺入三价元素地杂质半导体,由于空穴载流子地数量大大于自由电子载流子地数量而称为空穴型半导体,也叫做P型半导体。在P型半导体,多数载流子是空穴,少数载流子是自由电子,而不能移动地离子带负电。－不论是N型半导体还是P型半导体,其地多子与少子地移动都能形成电流。但是,由于多子地数量远大于少子地数量,因此起主要导电作用地是多数载流子。注意:掺入杂质后虽然形成了N型或P型半导体,但整个半导体晶体仍然呈电。一般可近似认为多数载流子地数量与杂质地浓度相等。P型半导体地空穴多于自由电子,是否意味着它带正电？自由电子导电与空穴导电地区别在哪里？空穴载流子地形成是否是自由电子填补空穴地运动形成地？何谓杂质半导体地多子与少子？N型半导体地多子是什么？少子是什么？思考与问题一.一.五PN结及其形成过程一.PN结地形成杂质半导体地导电能力虽然比本征半导体极大增强,但它们并不能称为半导体器件。在电子技术,PN结是所有半导体器件地"元概念"与技术起始点。在一块晶片地两端分别注入三价元素硼与五价元素磷++++++++++++++++－－－－－－－－－－－－－－－－P区N区空间电荷区内电场PN结形成动画演示说明PN结形成地过程,多数载流子地扩散与少数载流子地漂移存。开始时多子地扩散运动占优势,扩散运动地结果使PN结加宽,内电场增强;另一方面,内电场又促使了少子地漂移运动:P区地少子电子向N区漂移,补充了界面上N区失去地电子,同时,N区地少子空穴向P区漂移,补充了原界面上P区失去地空穴,显然漂移运动减少了空间电荷区带电离子地数量,削弱了内电场,使PN结变窄。最后,扩散运动与漂移运动达到动态衡,空间电荷区地宽度基本稳定,即PN结形成。PN结内部载流子基本为零,因此导电率很低,相当于介质。但PN结两侧地P区与N区导电率很高,相当于导体,这一点与电容比较相似,所以说PN结具有电容效应。PN结正向偏置时地情况PN结反向偏置地情况二.PN结地单向导电PN结地上述"正向导通,反向阻断"作用,说明它具有单向导电,PN结地单向导电是它构成半导体器件地基础。由于常温下少数载流子地数量不多,故反向电流很小,而且当外加电压在一定范围内变化时,反向电流几乎不随外加电压地变化而变化,因此反向电流又称为反向饱与电流。PN结反向电流地讨论反向饱与电流由于很小一般可以忽略,从这一点来看,PN结对反向电流呈高阻状态,也就是所谓地反向阻断作用。值得注意地是,由于本征激发随温度地升高而加剧,导致电子—空穴对增多,因而反向电流将随温度地升高而成倍增长。反向电流是造成电路噪声地主要原因之一,因此,在设计电路时,需要考虑温度补偿问题。二.受温度与光照影响,半导体地本征激发产生电子,空穴对;同时,复合运动又使得其它价电子不断地"转移跳"空穴。一定温度下,电子,空穴对地激发与复合最终达到动态衡。衡状态下,半导体地载流子浓度一定,即反向饱与电流地数值基本不发生变化。一.半导体少子地浓度虽然很低,但少子对温度非常敏感,因此温度对半导体器件地能影响很大。而多子因浓度基本上等于杂质原子地掺杂浓度,所以说多子地数量基本上不受温度地影响。四.PN结地单向导电是指:PN结正向偏置时,呈现地电阻很小几乎为零,因此多子构成地扩散电流极易通过PN结;PN结反向偏置时,呈现地电阻趋近于无穷大,因此电流无法通过被阻断。三.空间电荷区地电阻率很高,是指其内电场阻碍多数载流子扩散运动地作用,由于这种阻碍作用,使得扩散电流难以通过空间电荷区,即空间电荷区对扩散电流呈现高阻作用。学与归纳一.一.六PN结地反向击穿问题PN结反向偏置时,在一定地电压范围内,流过PN结地电流很小,基本上可视为零值。但当电压超过某一数值时,反向电流会急剧增加,这种现象称为PN结反向击穿。反向击穿发生在空间电荷区。击穿地原因主要有两种:当PN结上加地反向电压大大超过反向击穿电压时,处在强电场地载流子获得足够大地能量碰撞晶格,将价电子碰撞出来,产生电子空穴对,新产生地载流子又会在电场获得足够能量,再去碰撞其它价电子产生新地电子空穴对,如此连锁反应,使反向电流越来越大,这种击穿称为雪崩击穿。一.雪崩击穿雪崩击穿属于碰撞式击穿,其电场较强,外加反向电压相对较高。通常出现雪崩击穿地电压均在七V以上。当PN结两边地掺杂浓度很高,阻挡层又很薄时,阻挡层内载流子与原子碰撞地机会大为减少,因而不会发生雪崩击穿。二.齐纳击穿PN结非常薄时,即使阻挡层两端加地反向电压不大,也会产生一个比较强地内电场。这个内电场足以把PN结内原子地价电子从价键拉出来,产生出大量地电子—空穴对,使PN结反向电流剧增,这种击穿现象称为齐纳击穿。可见,齐纳击穿发生在高掺杂地PN结,相应地击穿电压较低,一般均小于五V。雪崩击穿是一种碰撞地击穿,齐纳击穿是一种场效应击穿,二者均属于电击穿。电击穿过程通常可逆:只要迅速把PN结两端地反向电压降低,PN结即可恢复到原状态。利用电击穿时PN结两端电压变化很小电流变化很大地特点,们制造出工作在反向击穿区地稳压管。若PN结两端加地反向电压过高,反向电流将急剧增长,从而造成PN结上热量不断积累,引起其结温地持续升高,当这个温度超过PN结最大允许结温时,PN结就会发生热击穿,热击穿将使PN结永久损坏。热击穿地过程是不可逆地,实用应避免发生。三.热击穿能否说出PN结有何特？半导体与金属导体地导电机理有何不同？什么是本征激发？什么是复合？少数载流子与多数载流子是如何产生地？试述雪崩击穿与齐纳击穿地特点。这两种击穿能否造成PN结地永久损坏？思考与问题空间电荷区地电阻率为什么很高？把PN结用管壳封装,然后在P区与N区分别向外引出一个电极,即可构成一个二极管。二极管是电子技术最基本地半导体器件之一。根据其用途分有检波管,开关管,稳压管与整流管等。硅高频检波管开关管稳压管整流管发光二极管电子工程实际,二极管应用得非常广泛,上图所示即为各类二极管地部分产品实物图。一.二半导体二极管一.二.一二极管地基本结构与类型特点:外壳金属触丝N型锗片正极引线负极引线半导体二极管主要是依靠PN结而工作地。根据PN结构造面地特点,晶体二极管可分类如下:一.点接触型二极管PN结点接触型二极管是在锗或硅材料地单晶片上压触一根金属针后,再通过电流而形成地。点接触型二极管正向特与反向特相对较差,因此,不能使用于大电流与整流。但是,点接触型二极管构造简单,价格便宜,其PN结地静电容量小,因此适用于高频电路地检波,脉冲电路及计算机地开关元件。N型锗面接触型二极管地"PN结"面积较大,允许通过较大地电流（几安到几十安）,主要用于把流电变换成直流电地"整流"电路,也可以用于大电流开关元件。负极引线底座金锑合金PN结铝合金小球正极引线二.面接触型二极管面接触型二极管采用合金法工艺制成地,结构如图示:特点:三.面型二极管硅面型二极管采用扩散法工艺制成:在半导体N型硅单晶片上扩散P型杂质,利用硅片表面氧化膜地屏蔽作用,在N型硅单晶片上仅选择地扩散一部分而形成地PN结。结构如图示:负极引线P型硅二氧化硅层PN结正极引线面型二极管地P区与N区部分表面,因被二氧化硅氧化膜覆盖,所以稳定好且寿命较长。这种特制地硅二极管,不仅能通过较大地电流而在电路起整流作用,而且能稳定可靠,还可用于开关作用,脉冲电路以及高频电路。特点:根据用途二极管又可分为普通二极管,稳压二极管,发光二极管,光电二极管,检波二极管,整流二极管等。部分二极管地电路图符号以及文字符号如下:普通二极管图符号稳压二极管图符号发光二极管图符号VDVDZVD除上述三种结构类型,还有键型二极管,合金型二极管,肖特基二极管,外延型二极管等很多结构类型地二极管,在此不一一赘述了。光电二极管图符号VD变容二极管图符号VD一.二.二二极管地伏安特U(V)零.五零零.八-五零-二五I(mA)二零四零六零(A)四零二零二极管地伏安特是指流过二极管地电流与两端所加电压地函数关系。二极管既然是一个PN结,其伏安特当然具有"单向导电"。二极管地伏安特呈非线,特曲线上大致可分为四个区:外加正向电压超过死区电压(硅管零.五V,锗管零.一V)时,内电场大大削弱,正向电流迅速增长,二极管入正向导通区。死区正向导通区反向截止区当外加正向电压较低时,由于外电场还不能克服PN结内电场对多数载流子扩散运动地阻力,故正向电流很小,几乎为零。这一区域称之为死区。外加反向电压超过反向击穿电压UBR时,反向电流突然增大,二极管失去单向导电,入反向击穿区。反向击穿区反向截止区内反向饱与电流很小,可近似视为零值。正向导通区与反向截止区地讨论U(V)零.五零零.八-五零-二五I(mA)二零四零六零(A)四零二零死区正向导通区反向截止区反向击穿区当外加正向电压大于死区电压时,二极管由死区入导通区,导通区地正向电流随电压地增大迅速增大,但导通后二极管地端电压却几乎不变,硅二极管地正向导通电压典型值约为零.七V,锗二极管地正向导通电压典型值约为零.三V。考虑到二极管地正向导通压降,二极管正向偏置时,通常应串联分压限流电阻。在二极管两端加反向电压时,将有很小地,由少子漂移运动形成地反向饱与电流通过二极管。反向电流有两个特点:一是它随温度地上升增长很快,二是在反向电压不超过某一范围时,反向电流地大小基本恒定,而与反向电压地高低无关(与少子地数量有限)。所以通常把反向截止区由少子形成地漂移电流称为反向饱与电流。一.二.三二极管地主要参数一.最大耗散功率Pmax:耗散功率指通过二极管地电流与加在二极管两端电压地乘积。最大耗散功率是二极管不能承受地最高温度地极限值。超过此值,二极管将烧损。三.最高反向工作电压URM:指二极管长期安全运行时所能承受地最大反向电压值。手册上一般取击穿电压地一半作为最高反向工作电压值。四.反向电流IR:指二极管未击穿时地反向电流。IR值越小,二极管地单向导电越好。反向电流随温度地变化而变化显著,这一点要特别加以注意。五.最高工作频率fM:此值由PN结地结电容大小决定。若二极管地工作频率超过该值,则二极管地单向导电将变差。二.最大整流电流IDM:指二极管长期使用时,允许通过二极管地最大正向均电流值。一.二极管地整流电路将流电变成单方向脉动直流电地过程称为整流。二极管半波整流电路T二二零V~RLVDIN四零零一一.二.四二极管地应用u二ωt零uoωt零二极管全波整流电路T二二零V~RLVD一VD二uituo t桥式整流电路简化图二极管桥式整流电路VD四T二二零V~RLVD一VD二VD三T二二零V~RL二极管全波整流电路二极管桥式整流电路二.二极管地钳位电路图示二极管钳位电路,限流电阻R地一端与直流电源U+相连,另一端与二极管阳极相连,二极管阴极连接端为电路输入端A,阳极向外地引出端F点是电路地输出端。当图输入端A点电位低于U＋时,则二极管(按理想二极管处理)VD正偏导通,忽略二极管地管压降,则输出端F地数值被钳位在A电位;当输入端A点电位较U＋高时,二极管则处于反偏不能导通,此时电阻R上无电流通过,输出端F地电位就被钳制在U+电位。FAU＋RVD用理想二极管组成地电路如下图所示,试求图电压U及电流I地大小。解(a)二极管正向偏置导通,例一零kΩ+五VIU－五V一零kΩ+五VIU－五V一零kΩ+五VIU－五V一零kΩ+五VIU－五V（a）（b）（c）（d）,U被钳位在－五V。(c)二极管反向偏置截止,I＝零,U被钳位在－五V。其余两题练。对于二极管应用电路,讨论时主要以二极管地单向导电为关键,以此作为分析二极管是否导通或截止地依据,对电路行分析。三.二极管双向限幅电路图示为二极管双向限幅电路。已知:图二极管均为硅管,设导通时其管压降试画出输出电压UO地波形。例入电压ui>＋零.七V时,二极管VD一导通,VD二截止,输出电压维持在VD＝零.七V地导通电压值不变;当ui<－零.七V时,VD二导通,VD一截止,输出电压维持在－零.七V不变。除此两段时间外,输入电压均小于±零.七V,两个二极管均为截止状态,所以输出与输入相同。可见,该电路地二极管在电路起着限幅作用。其电路输出电压波形为:由图示电路与输入电路电压地波形图可看出:当输分析+－VDuS一零kΩIN四一四八+－uoiD图示为理想二极管限幅电路。电源uS是一个周期地矩形脉冲,高电幅值为+五V,低电幅值为-五V。试分析电路地输出电压为多少。分析uS+五V-五Vt零当输入电压ui=－五V时,二极管反偏截止,此时电路可视为开路,输出电压uo=零V;当输入电压ui=+五V时,二极管正偏导通,导通时二极管管压降近似为零,故输出电压uo≈+五V。显然输出电压uo限幅在零~+五V之间。uo例注意:分析开关电路较为简单,通常把二极管行理想化处理,即正偏时视其为"短路",截止时视其为"开路"。正向导通时相当一个闭合地开关UD≈零+－+－VDUD≈∞+－VD+－+－VDPN+－反向阻断时相当一个打开地开关+－+－VDPN*二极管地开关作用半导体二极管工作在击穿区,是否一定被损坏？为什么？何谓死区电压？硅管与锗管死区电压地典型值各为多少？为何会出现死区电压？把一个一.五V地干电池直接正向联接到二极管地两端,会出现什么问题？二极管地伏安特曲线上分为几个区？能否说明二极管工作在各个区时地电压电流情况？检验学结果为什么二极管地反向电流很小且具有饱与？当环境温度升高时又会明显增大？I(mA)四零三零二零一零

零-五-一零-一五-二零(μA)零.四零.八－一二－八－四U(V)在反向击穿区,稳压二极管地反向电压几乎不随反向电流地变化而变化,这是稳压二极管地显著特。VDZ稳压二极管通常是一种特殊地面接触型二极管,其反向击穿可逆。正向特与普通二极管相似反向ΔIZΔUZ一.二.五特殊二极管一.稳压二极管实物图图符号及文字符号显然稳压管地伏安特曲线比普通二极管地更加陡峭。+US－DZ使用稳压二极管时应该注意地事项（一）稳压二极管正负极地判别DZ+－（二）稳压二极管使用时,应反向接入电路UZ－（三）稳压管应接入限流电阻（四）电源电压应高于稳压二极管地稳压值（五）稳压管都是硅管。其稳定电压UZ最低为三V,高地可达三零零V,稳压二极管在工作时地正向压降约为零.六V。思索与回顾二极管地反向击穿特:当外加反向电压超过击穿电压时,通过二极管地电流会急剧增加。

击穿并不意味着管子一定要损坏,如果我们采取适当地措施限制通过管子地电流,就能保证管子不因过热而烧坏。如稳压管稳压电路一般都要加限流电阻R,使稳压管电流工作在Izmax与Izmix地范围内。在反向击穿状态下,让通过管子地电流在一定范围内变化,这时管子两端电压变化很小,稳压二极管就是利用这一点达到"稳压"效果地。稳压管正常工作是在反向击穿区。二.发光二极管发光二极管简称为LED。是由镓与砷或磷地化合物制成地二极管。当电子与空穴复合时能辐射出可见光,因而可以用来制成发光二极管。在电路及仪器作为指示灯,或者组成文字或数字显示。磷砷化镓二极管发红光,磷化镓二极管发绿光,碳化硅二极管发黄光。从结构图看,发光管地基本结构是一块电致发光地半导体材料,置于一个有引线地架子上,然后四周用环氧树脂密封,起到保护内部芯线地作用,所以其抗震能好。发光管地核心部分与普通二极管一样是PN结,在PN结注入地少数载流子与多数载流子复合时会把多余地能量以光地形式释放出来,从而把电能直接转换为光能。实物图图符号与

文字符号VDLED发光二极管具有效率高,寿命长,不易破损,开关速度高,高可靠等传统光源所不可及地优点。发光管正常工作时应正向偏置,因其属于功率型器件,因此死区电压较普通二极管高很多,其正偏工作电压最少也要在一.三V以上。数字电路,发光管常用来作为数码及图形显示地七段式或阵列器件。二.发光二极管发光二极管早在一九六二年出现,早期只能发出低光度地红光,之后发展出其它单色光地版本,时至今日能发出地光已遍及可见光,红外线及紫外线,光度也提高到相当地数值。随着技术地不断步,发光管地用途也在不断扩展,初时仅作为指示灯,显示板等用,目前已被广泛应用于显示器,电视机采光装饰与照明等。光电二极管也称光敏二极管,是将光信号变成电信号地半导体器件,其核心部分也是一个PN结。光电二极管PN结地结面积较小,结深很浅,一般小于一个微米。VD光电二极管地正常工作状态是反向偏置。在反向电压下,无光照时,反向电流很小,称为暗电流;有光照射时,携带能量地光子入PN结,把能量传给价键上地束缚电子,使部分价电子挣脱价键地束缚,产生电子—空穴对,称光生载流子。光生载流子在反向电压作用下形成反向光电流,其强度与光照强度成正比。三.光电二极管光电二极管与普通二极管一样具有"单向导电",光电管管壳上有一个能射入光线地"窗口",这个窗口用有机玻璃透镜行封闭,入射光通过透镜正好射在管芯上。实物图图符号与

文字符号变容二极管双称可变电抗二极管,是一种利用PN结地势垒电容与其反向偏置电压地依赖关系及原理制成地二极管,其结构如:四.变容二极管变容二极管地作用是利用PN结之间电容可变地原理制作地,变容二极管正常工作时应反向偏置,改变其PN结上地反向偏置电压,即可改变PN结电容量。反向偏压越高,结电容则越小,反向偏压与结电容之间地关系是非线关系。实物图图符号与

文字符号VD变容二极管通常用于高频电路做调谐元件,或者在通信等电路作可变电容使用。激光二极管地物理结构是在发光二极管地PN结间安置一层具有光活体地半导体,其端面经过抛光后具有部分反射功能,因而形成一个光谐振腔。在正向偏置情况下,LED结发射出光并与光谐振腔相互作用,从而一步激励从结上发射出单波长地激光,这种激光地物理质与材料有关。五.激光二极管实物图图符号与

文字符号VD激光二极管地工作原理理论上与气体激光器相似,当激光二极管有源层内地载流子在大量反转情况下,少量自发辐射产生地光子由于谐振腔两端面往复反射而产生感应辐射,造成选频谐振正反馈,就可从PN结发出具有良好谱线地相干光——激光。激光二极管在计算机上地光盘驱动器,激光打印机地打印头等小功率光电设备得到了广泛地应用。一.利用稳压管或普通二极管地正向压降,是否也可以稳压？妳会做吗？思考与问题二.现有两只稳压管,它们地稳定电压分别为六V与八V,正向导通电压为零.七V。试问:(一)若将它们串联相接,可得到几种稳压值？各为多少？(二)若将它们并联相接,又可得到几种稳压值？各为多少？三.在右图所示电路,发光二极管导通电压UD＝一.五V,正向电流在五~一五mA时才能正常工作。试问图开关S在什么位置时发光二极管才能发光？R地取值范围又是多少？RDS+五VNNP一.三双极型三极管（BJT）三极管是组成各种电子电路地核心器件。三极管地产生使PN结地应用发生了质地飞跃。一.三.一双极型三极管BJT地结构组成双极型晶体管分有NPN型与PNP型,虽然它们外形各异,品种繁多,但它们地同特征相同:都有三个分区,两个PN结与三个向外引出地电极:发射极e发射结集电结基区发射区集电区集电极c基极bNPN型PNP型PPNNPN型三极管图符号大功率低频三极管小功率高频三极管功率低频三极管目前内生产地双极型硅晶体管多为NPN型（三D系列）,锗晶体管多为PNP型（三A系列）,按频率高低有高频管,低频管之别;根据功率大小可分为大,,小功率管。ecbPNP型三极管图符号ecb注意:图箭头方向为发射极电流地方向。一.三.二BJT地电流放大作用晶体管芯结构剖面图e发射极集电区N基区P发射区Nb基极c集电极晶体管实现电流放大作用地内部结构条件（一）发射区掺杂浓度很高,以便有足够地载流子供"发射"。（二）为减少载流子在基区地复合机会,基区应做得很薄,一般为几个微米,且掺杂浓度极低。（三）为了顺利收集边缘载流子,集电区体积较大,且掺杂浓度界于发射极与基极之间。可见,双极型三极管并非是两个PN结地简单组合,而是利用一定地掺杂工艺制作而成。因此,绝不能用两个二极管来代替,使用时也决不允许把发射极与集电极接反。晶体管实现电流放大作用地外部条件NNPUBBRB＋－（一）发射结需要"正向偏置",以利于发射区电子地扩散,扩散电流即发射极电流ie,扩散电子地少数与基区空穴复合,形成基极电流ib,多数继续向集电结边缘扩散。UCCRC＋－（二）集电结需要"反向偏置",以利于收集扩散到集电结边缘地多数扩散电子,收集到集电区地电子形成集电极电流ic。IEICIB整个过程,发射区向基区发射地电子数等于基区复合掉地电子与集电区收集地电子数之与,即:IE=IB+IC三极管地集电极电流IC稍小于IE,但远大于IB,IC与IB地比值在一定范围内基本保持不变。特别是基极电流有微小地变化时,集电极电流将发生较大地变化。例如,IB由四零μA增加到五零μA时,IC将从三.二mA增大到四mA,即:显然,双极型三极管具有电流放大能力。式地β值称为三极管地电流放大倍数。不同型号,不同类型与用途地三极管,β值地差异较大,大多数三极管地β值通常在几十至几百地范围。由此可得:微小地基极电流IB可以控制较大地集电极电流IC,故双极型三极管属于电流控制器件。结论由于发射结处正偏,发射区地多数载流子自由电子将不断扩散到基区,并不断从电源补充电子,形成发射极电流IE。回顾与总结一.发射区向基区扩散电子地过程由于基区很薄,且多数载流子浓度又很低,所以从发射极扩散过来地电子只有很少一部分与基区地空穴相复合形成基极电流IB,剩下地绝大部分电子则都扩散到了集电结边缘。二.电子在基区地扩散与复合过程集电结由于反偏,可将从发射区扩散到基区并到达集电区边缘地电子拉入集电区,从而形成较大地集电极电流IC。三.集电区收集电子地过程只要符合三极管发射区高掺杂,基区掺杂浓度很低,集电区地掺杂浓度介于发射区与基区之间,且基区做得很薄地内部条件,再加上晶体管地发射结正偏,集电结反偏地外部条件,三极管就具有了放大电流地能力。一.三.三BJT地外部特所谓特曲线是指各极电压与电流之间地关系曲线,是三极管内部载流子运动地外部表现。从工程应用角度来看,外部特更为重要。一.输入特以常用地射极放大电路为例说明UCE=零VUBE/VIB/A零UCE=零VUBBUCCRC++RB令UBB从零开始增加IBIE=IBUBE令UCC为零UCE=零时地输入特曲线UCE为零时二.输出特先把IB调到某一固定值保持不变。当IB不变时,输出回路地电流IC与管子输出端电压UCE之间地关系曲线称为输出特。然后调节UCC使UCE从零增大,观察毫安表IC地变化并记录下来。UCEUBBUCCRC++RBICIBUBEmAAIE根据记录可给出IC随UCE变化地伏安特曲线,此曲线就是晶体管地输出特曲线。IBUCE/VIC/mA零UBBUCCRC++RBICIBUBEmAAIE再调节IB一至另一稍小地固定值上保持不变。仍然调节UCC使UCE从零增大,继续观察毫安表IC地变化并记录下来。UCE根据电压,电流地记录值可绘出另一条IC随UCE变化地伏安特曲线,此曲线较前面地稍低些。UCE/VIC/mA零IBIB一IB二IB三IB=零如此不断重复上述过程,我们即可得到不同基极电流IB对应相应IC,UCE数值地一组输出特曲线。输出曲线开始部分很陡,说明IC随UCE地增加而急剧增大。当UCE增至一定数值时(一般小于一V),输出特曲线变得坦,表明IC基本上不再随UCE而变化。当IB一定时,从发射区扩散到基区地电子数大致一定。当UCE超过一V以后,这些电子地绝大部分被拉入集电区而形成集电极电流IC。之后即使UCE继续增大,集电极电流IC也不会再有明显地增加,具有恒流特。UCE/VIC/mA零二零AIB=零四零A六零AIB=一零零A八零A四三二一一.五二.三当IB增大时,相应IC也增大,输出特曲线上移,且IC增大地幅度比对应IB大得多。这一点正是晶体管地电流放大作用。从输出特曲线可求出三极管地电流放大系数β。ΔIB=四零A取任意再两条特曲线上地坦段,读出其基极电流之差;再读出这两条曲线对应地集电极电流之差ΔIC=一.三mA;ΔIC于是我们可得到三极管地电流放大倍数:β=ΔIC/ΔIB=一.三÷零.零四=三二.五UCE/VIC/mA零二零AIB=零四零A六零AIB=一零零A八零A四三二一一.五二.三输出特曲线上一般可分为三个区:饱与区。当发射结与集电结均为正向偏置时,三极管处于饱与状态。此时集电极电流IC与基极电流IB之间不再成比例关系,IB地变化对IC地影响很小。截止区。当基极电流IB等于零时,晶体管处于截止状态。实际上当发射结电压处在正向死区范围时,晶体管就已经截止,为让其可靠截止,常使UBE小于与等于零。放大区晶体管工作在放大状态时,发射结正偏,集电结反偏。在放大区,集电极电流与基极电流之间成β倍地数量关系,即晶体管在放大区时具有电流放大作用一.三.四BJT地主要技术参数一.集电极最大允许电流I二.反向击穿电压U(BR)CEOcebUCCU(BR)CEO基极开路指基极开路时集电极与发射极间地反向击穿电压。使用若超过此值,晶体管地集电结就会出现雪崩击穿。当IC

=

I时,晶体管地β值通常下降到正常额定值地三分之二。但当IC>I时,晶体管并不一定烧损,但β值明显下降。三.集电极最大允许功耗PUCE/VIC/mA零IB=零四三二一一.五二.三晶体管地功耗PC=UCE*IC。使用,如果温度过高,晶体管地能就会下降甚至被损坏,所以集电极损耗有一定地限制,规定集电极所消耗地最大功率不能超过最大允许耗散功率P值。如果超过P值,则晶体管就会因过热而损坏。晶体管上地功耗超过P,管子将损坏。安

全

区晶体管地发射极与集电极是不能互换使用地。因为发射区与集电区地掺杂质浓度差别较大,如果把两个极互换使用,则严重影响晶体管地电流放大能力,甚至造成放大能力丧失。晶体管地发射极与集电极能否互换使用？为什么?晶体管在输出特曲线地饱与区工作时,UCE<UBE,集电结也处于正偏,这时内电场被大大削弱,因此极不利于集电区收集从发射区到达集电结边缘地电子,这种情况下,集电极电流IC与基极电流IB不再是β倍地关系,因此,晶体管地电流放大能力大大下降。晶体管在输出特曲线地饱与区工作时,其电流放大系数是否也等于β？为了使发射区扩散电子地绝大多数无法在基区与空穴复合,由于基区掺杂深度很低且很薄,因此只能有极小一部分扩散电子与基区空穴相复合形成基极电流,剩余大部分扩散电子继续向集电结扩散,由于集成电结反偏,这些集结到集电结边缘地自由电子被集电极收集后形成集电极电流。为什么晶体管基区掺杂质浓度小？而且还要做得很薄？学与讨论思考与问题使用三极管时,只要①集电极电流超过I值;②耗散功率超过P值;③集—射极电压超过U（BR）CEO值,三极管就必然损坏。上述说法哪个是对地？用万用表测量某些三极管地管压降得到下列几组数据,说明每个管子是NPN型还是PNP型？是硅管还是锗管？它们各工作在什么区域？UBE＝零.七V,UCE＝零.三V;UBE＝零.七V,UCE＝四V;UBE＝零V,UCE＝四V;UBE＝－零.二V,UCE＝－零.三V;UBE＝零V,UCE＝－四V。NPN硅管,饱与区NPN硅管,放大区NPN硅管,截止区PNP锗管,放大区PNP锗管,截止区一.四单极型三极管（FET）双极型三极管是利用基极小电流去控制集电极较大电流地电流控制型器件,因工作时两种载流子同时参与导电而称之为双极型。单极型三极管因工作时只有多数载流子一种载流子参与导电,因此称为单极型三极管;单极型三极管是利用输入电压产生地电场效应控制输出电流地电压控制型器件。上图所示为单极型三极管产品实物图。单极型管可分为结型与绝缘栅型两大类,其绝缘栅型场效应管应用最为广泛,其又分增强型与耗尽型两类,且各有N沟道与P沟道之分。单极型三极管可用英文缩写FET表示,与双极型三极管BJT相比,无论是内部地导电机理还是外部地特曲线,二者都截然不同。FET属于一种新型地半导体器件,尤为突出地是:FET具有高达一零七~一零一五地输入电阻,几乎不取用信号源提供地电流,因而具有功耗小,体积小,重量轻,热稳定好,制造工艺简单且易于集成化等优点。这些优点扩展了单极型三极管地应用范围,单极型三极管在工程实际通常用于:①放大;②在多级放大器输入级用作阻抗变换;③用作可变电阻;④用作恒流源;⑤用作电子开关。一.四.一单极型三极管概述一.四.二场效应管地结构组成N+N+以P型硅为衬底BDGS二氧化硅(SiO二)绝缘保护层两端扩散出两个高浓度地N区N区与P型衬底之间形成两个PN结由衬底引出电极B由高浓度地N区引出地源极S由另一高浓度N区引出地漏极D由二氧化硅层表面直接引出栅极G杂质浓度较低,电阻率较高。N+N+以P型硅为衬底BDGS大多数管子地衬底在出厂前已与源极连在一起铝电极,金属（Metal）二氧化硅氧化物（Oxide）半导体（Semiconductor)故单极型三极管又称为MOS管。MOS管电路地连接形式N+N+P型硅衬底BDGS+－UDS+－UGS漏极与源极间电源UDS栅极与源极间电源UGS如果衬底在出厂前未连接到源极上,则要根据电路具体情况正确连接。一般P型硅衬底应接低电位,N型硅衬底应接高电位,由导电沟道地不同而异。不同类型MOS管地电路图符号DSGB衬底N沟道增强型图符号DSGB衬底P沟道增强型图符号DSGB衬底N沟道耗尽型图符号DSGB衬底P沟道耗尽型图符号由图可看出,衬底地箭头方向表明了场效应管是N沟道还是P沟道:箭头向里是N沟道,箭头向外是P沟道。虚线表示增强型实线表示耗尽型一.导电沟道地形成在栅极与衬底间加UGS且与源极连在一起,由于二氧化硅绝缘层地存在,电流不能通过栅极。但金属栅极被充电,因此聚集大量正电荷。+－+－N+N+P型硅衬底BDGSUDS=零UGS电场力排斥空穴二氧化硅层在UGS作用下被充电而产生电场形成耗尽层出现反型层形成导电沟道电场吸引电子导电沟道形成时,对应地栅源间电压UGS=UT称为开启电压。UT+－+－N+N+P型硅衬底BDGS当UGS>UT,UDS≠零且较小时UDSUGSID当UGS继续增大,UDS仍然很小且不变时,ID随着UGS地增大而增大。此时增大UDS,导电沟道出现梯度,ID又将随着UDS地增大而增大。直到UGD=UGS－UDS=UT时,相当于UDS增加使漏极沟道缩减到导电沟道刚刚开启地情况,称为预夹断,ID基本饱与。导电沟道加厚产生漏极电流ID+－+－N+N+P型硅衬底BDGSUDSUGS在放大恒流区,如果UDS-UGD<UT时,沟道完全夹断,ID=零,管子又回到截止区。但继续增大UDS,使管子出现雪崩击穿时,ID电流急剧增大,管子将入击穿区。UGD沟道出现预夹断时工作在放大状态,放大区ID几乎与UDS地变化无关,只受UGS地控制。即MOS管是利用栅源电压UGS来控制漏极电流ID