《电子技术基础》第1章.ppt

1、学习电子技术基础的作用,这门功课是自动控制、计算机硬件等电子产品的基础。,计算机（MP3、MP4）,数字电路,电视机、手机、摄像机,模拟（数字）电路,数字电路、模拟电路,半导体电路,半导体电路,二极管,三极管,场效应管,集成电路,电子技术基础教案,第1章 常用半导体器件,主要内容： 半导体基本知识 晶体二极管 晶体三极管 场效应管,重点： 符号 主要参数 伏安特性,难点： 半导体基本知识、PN结概念 晶体二极管、三极管的伏安特性,本次课的内容讲完第一章,第1章 常用半导体器件,半导体：导电性能介于导体与绝缘体之间的物体称为半导体（例如硅、锗、氧化物等）,物质按照导电性,导 体：导电性能良好的物

2、体称为导体（例如铜、铁等）。,绝缘体：几乎不导电的物体称为绝缘体（如橡胶、陶瓷等）。,1.1 半导体基础知识,半导体的导电性能： 半导体的电阻率随着温度的升高而下降，即温度升高，半导体的导电能力增强。 半导体的导电能力受掺入杂质的影响显著，即在半导体材料中掺入微量杂质（特定的元素），电阻率下降，导电能力增强。 半导体的导电能力随着光照强度的增强而增强。下面将详细讲述半导体的基础知识,半导体具有温度、光敏以及掺杂特性,常用的半导体材料有硅（元素符号为Si）和锗（元素符号为Ge）两种。 纯净的半导体称为本征半导体。因为半导体的原子结构是晶体结构，所以又称为晶体。 用半导体材料做成的二极管、三极管又

3、称为晶体二极管、晶体三极管。,1、本征半导体,几个名词,半导体硅元素和锗元素的单个原子都是4价元素，其原子结构为相对稳定的共价健结构。所以在室温下有少数的价电子可以从原子的热运动中获得能量，挣脱共价健的束缚，成为带负电荷的自由电子；在原来的位置上留下一个带正电荷的空位，这个空位称为空穴。在本征半导体中自由电子和空穴是成对出现的称为电子空穴对。在外加电压的作用下，电子和空穴都参与导电，所以电子和空穴都称为载流子。两种载流子所带的电量相等、极性相反，对外不显电性。自由电子与空穴相遇时也会中和，称为复合。 常温下本征半导体导电能力差，要提高它的导电能力，必须掺入微量的杂质（特定元素），这就是杂质半导

4、体。,半导体的共价键结构（原子物理）,硅 14锗 32,硅的原子结构,最内层2个电子,第二层8个电子,第三层4个电子,共价键：价电子共有化运动，价电子不同于自由电子，不能导电。,2、杂质半导体,掺入杂质以后的半导体称为杂质半导体。杂质半导体有两种： N型半导体和P型半导体 。 （1）N型半导体 在本征半导体硅（或锗）元素中掺入五价元素，例如磷，就可以得到N型半导体。 N型半导体中自由电子占大多数，称为多数载流子；而空穴称为少数载流子。 在外电场的作用下电流中主要部分是电子流。这种以电子导电为主的半导体称为N型半导体。 在硅元素中掺入五价元素，得到的杂质半导体称为N型硅；在锗元素中掺入五价元素，

5、得到的杂质半导体称为N型锗。,（2）P型半导体 在本征半导体硅（或锗）元素中掺入三价元素，例如硼，就可以得到P型半导体。 在P型半导体中空穴占大多数，称为多数载流子；而自由电子称为少数载流子。在外电场的作用下电流中主要部分是空穴流。这种以空穴导电为主的半导体称为P型半导体。 如果在硅元素中掺入三价元素，得到的杂质半导体称为P型硅；如果在锗元素中掺入三价元素，得到的杂质半导体称为P型锗。,1、N型半导体,掺入五价元素（杂质）杂质电离 形成一个自由电子和不能移动的正离子 N型半导体特征： 多数载流子自由电子 少数载流子空穴,3、PN结,将N型半导体与P型半导体采用特殊的工艺结合在一起时，在其交界处

6、会形成一种特殊的阻挡层，这就是PN结。 PN结具有很重要的特性单向导电性。实际电路中，PN结上总要加上一定的电压，外加电压的极性不同，导电性能差异很大。,（1）PN结的形成,PN结的空间电荷区存在电场，即有电位差，通常称该电位差为内建电位差或接触电位差，其值约为零点几伏,浓度差,多子扩散运动,PN结的单向导电性,PN结加正向电压导通 P3,图1-1 PN结的单向导电性,将PN结按照图1-1（a）所示接上电源称为加正向电压，加正向电压时阻挡层（PN结）变窄，电阻变小，电流增大，称为PN结处于导通状态。,PN结的单向导电性,将PN结按照图1-1（b）所示接上电源称为加反向电压，加反向电压时阻挡层（

7、PN结）变宽，电阻变大，电流减小，称为PN结处于截止状态。,综上所述，当PN结加正向电压时会导通，加反向电压时会截止，这就是PN结的单向导电性。,PN结加反向电压截止,图1-1 PN结的单向导电性,仿真,1.2 晶体二极管,1晶体二极管的结构,用外壳把一个PN结封装起来，从P区和N区各引出一个电极，就组成一个晶体二极管，简称二极管，用VD表示。示意图如图1-2（a）所示。图（b）是晶体二极管的电路符号。,图1-2 晶体二极管,晶体二极管的分类,材 料,硅二极管,锗二极管,用 途,整流二极管,检波二极管,稳压二极管,开关二极管,光敏二极管,工 艺,点接触,面接触,平面型,2晶体二极管的伏安特性,

8、二极管两端的电压u（单位为伏）与电流i（单位为安）之间的变化规律称为晶体二极管的伏安特性。通常用曲线来表示二极管的伏安特性，这条曲线称为伏安特性曲线。伏安特性曲线可以通过实验的方法得到，测试电路如下图1-3所示。,图1-3 晶体二极管伏安特性测试,二极管特性曲线测试,用图1-3（a）测试二极管的正向特性曲线 用图1-4（b）测试二极管的反向特性曲线 电阻R为限流电阻，为防止因电路中的电流过大损坏二极管而设计。改变可调电阻RW的大小，可以得到不同的输入电压，每给定一个电压值读出相应的电流值，把若干个这样的测试结果用描点连线的方法作在同一个u-i平面上,就可以得到如图1-4所示的晶体二极管的伏安特

9、性曲线。,图1-4 晶体二极管伏安特性曲线,晶体二极管特性曲线,门限电压,击穿电压,（1）正向特性 只有当正向电压超过某一数值时，才有明显的正向电流，这个电压数值称为“门限电压”或“死区电压”用UT表示。对于硅管UT为0.60.8伏； 对于锗管UT为0.20.3伏。一般情况下，从曲线近似直线部分作切线，切线与横坐标的交点即为UT。 随着电压u的增加，电流i按照指数的规律增加，当电流较大时，电流随着电压的增加几乎直线上升。 不论硅管还是锗管，即使工作在最大允许电流，管子两端的电压降一般也不会超过1.5伏，这是晶体二极管的特殊结构所决定的。,曲线分析,计算时取UD= 0.7V,（2）反向特性 反向

10、电流很小。而且相同温度下，硅管比锗管的反向电流更小。 反向击穿之前，反向电流基本不随反向电压的变化而变化，所以这个电流称为反向饱和电流。用IS表示。 反向饱和电流随着温度的上升而按照指数的规律增长。 （3）反向击穿特性 当反向电压超过某一数值时，反向电流将急剧增加，这种现象称为击穿现象。对应于电流突变的这一点的电压称为反向击穿电压，用UB表示。,曲线分析,IS,3晶体二极管的主要参数,（1）最大整流电流IF 允许流过二极管的平均电流的最大值。正常工作时二极管的电流ID应该小于IF。 （2）最高反向工作电压UR 允许加在二极管上反向电压的最大值。一般情况下取UR为UB（反向击穿电压）的一半。 （

11、3）最高工作频率fM 指二极管工作频率的上限值。主要由PN结的电容决定。外加信号的频率超过二极管的最高工作频率时，二极管的单向导电性能将不能很好的体现。,例题1:电路如图所示。设Ui15V、R1.43K,求UD=?、 ID=?,解：已知二极管正偏时导通， 且导通电压UD=0.7V,因为流过二极管的电流为流过电阻的电流,电阻上的电压为：,电阻上的电流为：,例题2:电路如图所示。设Ui15V、R1.43K,求ID=?，UD=?,解：已知二极管反偏不导通，相当于开路。所以流过二极管的电流为0。 因此：ID=0,1.3 晶体三极管,1晶体三极管的结构,在一片半导体基片上制作两个PN结，就有两个N型区域

12、，一个P型区域（或者两个P型区，一个N型区），从三个区各引出一根导线，作为三个电极就组成一个晶体三极管。 图1-5是晶体三极管的结构示意图，其中图（a）为NPN型晶体三极管的结构示意图和电路符号；图（b）是PNP型晶体三极管的结构示意图和电路符号。电路中晶体三极管用VT表示。,图1-5 晶体三极管结构及其符号,作业： P13：11，17,无论 PNP型还是NPN型晶体三极管引脚都有相同的名称： 晶体三极管中间的区域为基区，两边的分别为发射区和集电区。三个电极分别称为： 基 极：（Base）用 b 表示 发射极：（ Emitter ）用 e 表示 集电极：（ Collector ）用 c 表示

13、发射极与基极之间的PN结称为发射结（简称e结）；集电极与基极之间的PN结称为集电结（简称c结）。,集电结,发射结,集电结,发射结,基极b Base,集电极c Collector,发射极e Emitter,NPN型,PNP型,晶体管的分类,材料,硅管,锗管,结构,NPN,PNP,不论是硅管还是锗管都有NPN型和PNP型,用途,放大管,开关管,频率,低频管,高频管,功率,小功率管,中功率管,大功率管,2晶体三极管的放大原理,晶体三极管具有放大作用，因此常用它组成放大电路。放大电路框图如图1-6所示。在输入端加上一个小信号ui，在输出端可以得到比较大的信号uo。,图1-6 放大电路框图,三极管的三种

14、连接方法,晶体三极管只有三个电极，用它组成放大电路时，一个电极作为输入端，一个电极作为输出端，剩下的一个电极作为输入、输出的公共端，所以用三极管组成放大器时就有三种接法。如图1-7所示。,图1-7 三极管的三种连接方法,（1）晶体三极管具有放大作用的条件,要使三极管能够放大，必须满足一定的外部条件： 发射结加一个正向电压，习惯上称为正向偏置。 P端电位大于N端电位。 给集电结加一个反向电压，习惯上称为反向偏置。 P端电位小于N端电位。,1-8（a） NPN管放大电路 1-8（b） PNP管放大电路,图1-8 晶体三极管放大的条件,三极管放大的条件,基极b Base,集电极c Collector

15、,发射极e Emitter,NPN型,图1-8 晶体三极管放大的条件,三极管放大的条件,基极b Base,集电极c Collector,发射极e Emitter,NPN型,NPN型管 Uc Ub Ue,（2）晶体三极管中的电流分配关系,三极管制作完成以后，基区的宽度与各区载流子的浓度就确定了，因此发射极电流 IE、基极电流IB与集电极电流IC的关系也被确定下来。 发射极电流传输到集电极的电流分量与基极电流分量的比值，称为共发射极直流电流放大系数，用表示。,当发射结两端的电压变化时IB就要变化，IC也要随之变化，因此IC的变化量与IB的变化量之比称为共发射极交流电流放大系数，用表示，即IC/IB

16、。由于 和数值上相近，一般情况下不予严格区分，晶体管手册上都以给出,或写成,在图1-8所示的各电流的参考方向下， IEICIB；ICIB 这就是三极管的电流分配关系。,不论是那一种连接方法，不论是NPN管还是PNP管，电流分配关系都是相同的。,图1-8 晶体三极管放大的条件,3晶体三极管的伏安特性,晶体三极管的伏安特性有输入特性和输出特性两组。三极管的连接方法不同，特性也有所不同，以共发射极为例说明。 （1）输入特性 在UCE一定的条件下，输入端基极电流iB与uBE之间的关系称为输入特性。通过实验的方法可以得到输入特性曲线，如图1-9所示。,图1-9 三极管的输入特性,按照图1-9（a）连接电

17、路，固定一个UCE的值，每改变一次基极电阻可以得到一组电流、电压数值，在ui平面上用描点连线的方法可以得到如图1-9（b）所示的输入特性曲线 。,UCE=0时，c、e短接，两个PN结都正偏，相当两个二极管并联输入特性曲线与二极管的正向特性曲线相似。当uBE大于门限电压UT以后，iB随着uBE的增加而增加。当UCE0时，输入特性曲线右移，而且非常接近。手册上给出的是UCE1V的特性曲线。,晶体三极管的伏安特性,（2）输出特性曲线,在一定的基极电流IB下，输出回路中集电极电流iC与uCE之间的关系曲线称为输出特性曲线。按照图1-10（a）连接电路，改变RB使IB为某一个固定的数值（例如20A）并保

18、持不变。逐渐增加VCC，测出一系列iC和uCE的值，描点连线即可以得到一条输出特性曲线。改变RB重复上述过程，就可以得到如图1-10（b）所示的一族曲线，这就是输出特性曲线。,图1-10 三极管的输出特性,曲线分成三个区域：当uCE较小时，曲线陡峭，这部分称为饱和区。在饱和区，iB增加时iC变化不大，不同iB下的几条曲线几乎重合，表明iB对iC失去控制，呈现“饱和”现象。 一般情况下，把UCEUBE（C结零偏）的点连起来称为临界饱和线（图中的虚线），临界饱和线左边的区域就是饱和区。,输出特性曲线,饱和区的特点是：发射结和集电结都正偏，三极管没有放大作用。 电压关系：UCUB,三极管的输出特性,

19、中间比较平坦部分称为放大区。 在放大区，iC随着iB按倍成比例变化，晶体管具有电流放大作用。对输入信号进行放大就要使三极管工作在放大区。 放大区的特点是：发射结正偏，集电结反偏，iCiB。 IB0以下区域称为截止区。电压关系：UCUBUE,在截止区，UBEUT，IB0， ICICEO（这个电流从集电极直接穿过基极流向发射极的电流称为穿透电流，它不受IB的控制） 截止区的特点是：发射结、集电结都反偏，IB0，IC0 三极管没有放大作用。 电压关系：UCE=VCC,三个工作区的判断(NPN),UBE,0.7V,UC UB : 放大 UC UB : 饱和,损坏,截止,-0.2V,0V,UC UB :

20、 饱和,截止,损坏,PNP型锗,NPN型硅,坐标记忆法判断,4三极管的主要参数 P8,（1）共发射极电流放大系数 集电极电流的变化量与基极电流的变化量的比值，称为共发射极交流电流放大系数。一般为几十几百不等。可以用仪器测出，也可以由输出特性曲线上求出。 （2）极间反向电流 ICBO：指发射极开路时，集电极与基极之间的反向电流。一定温度下ICBO是一个常数，所以又称为反向饱和电流 ICEO：是指基极开路时，集电极与发射极之间的电流，又称为穿透电流。 ICBO、ICEO是三极管噪声的根源，所以希望ICBO、ICEO越小越好。,（3）极限参数 极限参数是指三极管正常工作时不能超过的值，否则有可能损坏

21、管子。 集电极最大允许电流ICM 集电极电流IC达到一定的数值以后会下降，当下降到正常值的一半时，所允许的集电极电流称为集电极最大允许电流。 集电极发射极反向击穿电压BUCEO BUCEO是指基极开路时，允许加在集电极与发射极之间的电压的最大值。 集电极允许最大耗散功率PCM 正常工作时，IC流过集电结要消耗功率，而使三极管发热，三极管达到一定温度后，性能变差或者损坏。使用时应该使集电极消耗的功率PCPCM,作业： P13 113，115,1.4场效应管FET,1.4.1结型场效应管 1结型场效应管的结构,图1-11 结型场效应管,（a）内部结构 （b）N沟道符号 （c）P沟道符号,如图1-1

22、1（a）所示，在N型半导体的两侧分别扩散一个P型区，形成两个PN结，从两个P区引出的电极称为栅极（G：控制电极）；从N型半导体两端引出的电极分别称为源极（S：电子的发源处）和漏极（D：电子的泄漏处）。,场效应管内部结构及工作原理,中间的N型半导体是电子的通路，称为导电沟道。由于导电沟道中流动的是电子，所以称为N沟道结型场效应管。,图1-11（b）是N沟道结型场效应管的电路符号。场效应管与三极管一样，具有放大作用。场效应管的栅极相当于双极型三极管的基极、源极相当于发射极、漏极相当于集电极。所不同的是，场效应管是用栅源电压UGS控制漏极电流ID。,N沟道结型场效应管电路符号,如果在P型半导体上扩散

23、两个N型区，形成两个PN结，构成P沟道结型场效应管，电路符号如图1-11（c）所示。N沟道结型场效应管与NPN三极管对应；P沟道结型场效应管与PNP三级管对应。,源极(Source)用S或s表示,漏极(Drain)用D或d表示,栅极(Grid)用G或g表示,按照图1-12（a）连接电路，改变漏极电源电压VDD给定漏极电源电压UDS的值（例如4V）不变，改变栅源电压uGS可以得到一系列iD的值，以uGS为横坐标，以iD为纵坐标，得到的曲线称为转移特性曲线，表明输入端的电压对输出端的电流的控制作用。如图1-12（b）所示。图中UGS0时的ID称为饱和漏极电流，用IDSS表示。ID0时的电压称为夹断

24、电压，用UP表示。,图1-12 结型场效应管的转移特性,输入量与输出量的关系曲线称为转移特性曲线,转移特性曲线,2结型场效应管的伏安特性,图1-12 结型场效应管的输出特性,在栅源电压UGS一定的情况下，改变uDS可以得到一系列的iD的值，以uDS为横坐标，以iD为纵坐标，描点连线，得到输出特性曲线，如图1-12（c）所示。,输出特性曲线,2结型场效应管的伏安特性,转移特性与输出特性的关系,曲线由四部分组成 接近纵轴虚线以左部分：称为可变电阻区。当uDS较小时，随着uDS的增加iD也增加，相当于可变电阻。 中间平坦部分：称为恒流区。uDS增加到一定程度后iD几乎不随uDS的变化而变化，而是随着

25、UGS的变化而变化。要放大交流信号管子就工作在这个区域。 曲线右边上翘部分：称为击穿区。uDS增加到一定程度以后，再增加uDS ，会使PN结因电压过大而击穿，使电流急剧增加，称为击穿。 UGS UP（图中UP 4V）以下的部分为截止区。,三个工作区的判断,UGS UP时：,UGS UP时：截止区,UP=UGS( of f ) 为书写方便，很多教材用UP表示 ID0 时的UGS 电压,设：UP=-4V, UGS=-3V, UDS=5V 判断场效应管的工作区. UGS UP 不在截止区 UGD=UGS-UDS =-3V-5V =-8V UGDUP工作在恒流区,3结型场效应管的主要参数,（1）夹断电

26、压UP 当漏源电压为某一个固定的数值时，使漏极电流为零的栅源电压称为夹断电压。 （2）漏极饱和电流IDSS 当UGS0时的ID称为漏极饱和电流， （3）漏源击穿电压BUDS 当UGS一定时，使漏极电流急剧增加的漏源电压称为漏源击穿电压。正常使用时漏源电压应该小于BUDS。,（4）低频小信号跨导gm,gm的大小表示栅源电压对漏极电流的控制能力，是放大作用的一个重要参数。 gm的单位：西门子（姆欧） 符号: S （在场效应管一般在中毫西门子mS量级）,当UDS一定时，漏极电流的变化量与栅源电压的变化量之比称为跨导，用gm表示。,1.4.2绝缘栅型场效应管,1绝缘栅场效应管的结构,N沟道绝缘栅场效应

27、管的结构示意图如图1-13（a）所示。,图1-13 绝缘栅场效应管,P沟道,N沟道,在结构上：从上到下为金属、氧化物、半导体，所以这种场效应管称为金属氧化物半导体场效应管，简称MOS管。对于N沟道的MOS管称为NMOS管，图1-13（b）为电路符号。 如果在N型半导体基片，制作两个P型区，可以得到P沟道的MOS，简称PMOS，电路符号如图1-13（c）所示。 MOS管使用时从衬底也引出一个电极，与源极相连。,绝缘栅场效应管的结构,在一片P型半导体基片（称为衬底）上用特殊工艺制作两个N型区，在其上面生成一层二氧化硅绝缘层，再在其上喷涂一层金属铝，从金属层和两个N型区引出三个电极分别称为栅极、源极和漏极。,绝缘栅场效应管的结构,绝缘栅场效应管的工作原理,UGS：栅源电压 UDS：漏源电压 iD ：漏极电流 uT ：开启电压,2MOS管的伏安特性,以NMOS为例，按照图1-14（a）连接电路。改变V