《{电子公司企业管理}从模电到数电的电子技术讲义dzchap01》由会员分享，可在线阅读，更多相关《{电子公司企业管理}从模电到数电的电子技术讲义dzchap01（93页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、电子技术,第一章 半导体器件,模拟电路部分,1,第一章 半导体器件, 1.1 半导体的基本知识 1.2 PN 结及半导体二极管 1.3 特殊二极管 1.4 半导体三极管 1.5 场效应晶体管,2,1.1 半导体的基本知识,1.1.1 导体、半导体和绝缘体,导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。,绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。,3,半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：,当受外界热和光的作用时，它的导电能
2、 力明显变化。,往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使 它的导电能力明显改变。,4,1.1.2 本征半导体,一、本征半导体的结构特点,Ge,Si,通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。,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。,5,本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。,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，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。,硅和锗的晶体结构：,6,硅和锗的共价键结构,共价键共 用电子对,+4表示除去价电子后的原子,7,共价键中的两个电子被紧紧
3、束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，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。,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。,共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。,8,二、本征半导体的导电机理,在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价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（即载流子），它的导电能力为 0，相当于绝缘体。,在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。,1.载流子、自由电子和空穴,9,自由电子,空穴,束缚电子
4、,10,2.本征半导体的导电机理,在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。,本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。,11,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能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。,本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。,本征半导体中电流由两部分组成： 1. 自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。,12,1.1.3 杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂
5、半导体的某种载流子浓度大大增加。,P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。,N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。,13,一、N 型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。,14,多余 电子,磷原子,N 型半导体中的载流子是什么？,1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。,
6、2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。,掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。,15,二、P 型半导体,空穴,硼原子,P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。,16,三、杂质半导体的示意表示法,杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。,17,1.2 PN结及半导体二极管,2.1.1 PN 结的形成,在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN 结。,18,P型半导体,N型半
7、导体,扩散运动,内电场E,漂移运动,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。,内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,空间电荷区， 也称耗尽层。,19,所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。,20,空间电荷区,N型区,P型区,电位V,V0,21,1、空间电荷区中没有载流子。,2、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、N区 中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。,3、P 区中的电子和 N区中的空穴（都是少），数量有限，因此由它们形成的电流很小。,注意:,22,2.1.2 PN结的单向导电性,PN 结加上正向
8、电压、正向偏置的意思都是： P 区加正、N 区加负电压。,PN 结加上反向电压、反向偏置的意思都是： P区加负、N 区加正电压。,23,一、PN 结正向偏置,内电场,外电场,变薄,P,N,+,_,内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。,24,二、PN 结反向偏置,内电场,外电场,变厚,N,P,+,_,内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。,R,E,25,2.1.3 半导体二极管,一、基本结构,PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。,点接触型,PN结,面接触型,二极管的电路符号：,26,二、伏安特性,死区电压 硅管0.6V,锗
9、管0.2V。,导通压降: 硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。,反向击穿电压UBR,27,三、主要参数,1. 最大整流电流 IOM,二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,2. 反向击穿电压UBR,二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压UWRM一般是UBR的一半。,28,3. 反向电流 IR,指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。,以上均是
10、二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。下面介绍两个交流参数。,29,4. 微变电阻 rD,iD,uD,rD 是二极管特性曲线上工作点Q 附近电压的变化与电流的变化之比：,显然，rD是对Q附近的微小变化区域内的电阻。,30,5. 二极管的极间电容,二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：势垒电容CB和扩散电容CD。,势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是势垒电容。,扩散电容：为了形成正向电流（扩散电流），注入P 区的少子（电子）在P 区有浓度差，越靠近PN结浓度越大，即在
11、P 区有电子的积累。同理，在N区有空穴的积累。正向电流大，积累的电荷多。这样所产生的电容就是扩散电容CD。,31,CB在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置时，由于载流子数目很少，扩散电容可忽略。,PN结高频小信号时的等效电路：,势垒电容和扩散电容的综合效应,rd,32,二极管：死区电压=0 .5V，正向压降0.7V(硅二极管) 理想二极管：死区电压=0 ，正向压降=0,二极管的应用举例1：二极管半波整流,33,二极管的应用举例2：,34,1.3 特殊二极管,1.3.1 稳压二极管,U,I,IZ,IZmax,UZ,IZ,稳压误差,曲线越陡，电压越稳定。,+,-,UZ,35,（4）稳定电流IZ
12、、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。,（5）最大允许功耗,稳压二极管的参数:,（1）稳定电压 UZ,（3）动态电阻,36,稳压二极管的应用举例,稳压管的技术参数:,负载电阻 。,要求当输入电压由正常值发生20%波动时，负载电压基本不变。,解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax 。,求：电阻R和输入电压 ui 的正常值。,方程1,37,令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin 。,方程2,联立方程1、2，可解得：,38,1.3.2 光电二极管,反向电流随光照强度的增加而上升。,39,1.3.3 发光二极管,有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以
13、发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。,40,1.4 半导体三极管,1.4.1 基本结构,基极,发射极,集电极,NPN型,PNP型,41,基区：较薄，掺杂浓度低,集电区：面积较大,发射区：掺 杂浓度较高,42,发射结,集电结,43,1.4.2 电流放大原理,EB,RB,EC,IE,基区空穴向发射区的扩散可忽略。,IBE,进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE ，多数扩散到集电结。,发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。,44,EB,RB,EC,IE,集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。,ICBO,IC=ICE+ICBOICE,IBE,IC
14、E,从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICE。,45,IB=IBE-ICBOIBE,IB,46,ICE与IBE之比称为电流放大倍数,要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。,47,NPN型三极管,PNP型三极管,48,1.4.3 特性曲线,IC,mA,A,V,UCE,UBE,RB,IB,EC,EB,实验线路,49,一、输入特性,UCE 1V,工作压降： 硅管UBE0.60.7V,锗管UBE0.20.3V。,UCE=0V,UCE =0.5V,死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。,50,二、输出特性,IC(mA ),此区域满足IC=IB称为线性区（放大区
15、）。,当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB。,51,此区域中UCEUBE,集电结正偏，IBIC，UCE0.3V称为饱和区。,52,此区域中 : IB=0,IC=ICEO,UBE 死区电压，称为截止区。,53,输出特性三个区域的特点:,放大区：发射结正偏，集电结反偏。 即： IC=IB , 且 IC = IB,(2) 饱和区：发射结正偏，集电结正偏。 即：UCEUBE ， IBIC，UCE0.3V,(3) 截止区： UBE 死区电压， IB=0 ， IC=ICEO 0,54,例： =50， USC =12V， RB =70k， RC =6k 当USB = -2V，2V，5V时，
16、 晶体管的静态工作点Q位 于哪个区？,当USB =-2V时：,IB=0 ， IC=0,IC最大饱和电流：,Q位于截止区,55,例： =50， USC =12V， RB =70k， RC =6k 当USB = -2V，2V，5V时， 晶体管的静态工作点Q位 于哪个区？,IC ICmax (=2mA) ， Q位于放大区。,USB =2V时：,56,USB =5V时:,例： =50， USC =12V， RB =70k， RC =6k 当USB = -2V，2V，5V时， 晶体管的静态工作点Q位 于哪个区？,IC Icmax(=2 mA)， Q位于饱和区。(实际上，此时IC和IB 已不是的关系）,57,三、主要参数,前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。,共射直流电流放大倍数：,工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为IB，相应的集电极电流变化为IC，则交流电流放大倍数为：,1. 电流放大倍数和 ,58,例：
