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1、Im Glad to Meet You!,电 工 学,考核方式,1、平时成绩：30,作业、出勤、课堂表现：10,实验：20,2、期终考试：70,第一章 半导体分立器件 及其基本电路,第一章 半导体分立器件及其基本电路,1.1 半导体的基本知识与PN结 1.2 半导体二极管及其应用电路 1.3 放大电路的基本概念及其性能指标 1.4 三极管及其放大电路 1.6 多级放大电路,1.1 半导体的基本知识与PN结,1.1.1 半导体的导电特性,半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间的材料。,常见的半导体材料有硅、锗、硒及许多金属的氧化物和硫化物等。,半导体材料的特性：,纯净半导体的导电能力很差； 温度升
2、高导电能力增强； 光照增强导电能力增强； 掺入少量杂质导电能力增强。,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。,一、 本征半导体,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,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。,完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。,硅和锗的晶体结构,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。,当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增
3、高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。,自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。,这一现象称为本征激发，也称热激发。,本征半导体的导电机理,本征半导体的导电机理,自由电子,空穴,束缚电子,本征半导体的导电机理,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。,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。,在本征半导体中掺入某些微量的
4、杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。,N型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑）,二、 杂质半导体,Negative,N型半导体,多余电子,磷原子,N型半导体,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。,2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。,3、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）。,空穴,P型半导体,硼原子,在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟）,Positive,杂质半导体的示意表示法,空穴,正离子,负离子,电子,1.1.2 PN 结及
5、其单向导电性,半导体器件的核心是PN结，是采取一定的工艺措施在一块半导体晶片的两侧分别制成P型半导体和N型半导体，在两种半导体的交界面上形成PN结。,各种各样的半导体器件都是以PN结为核心而制成的，正确认识PN结是了解和运用各种半导体器件的关键所在。,扩散运动:,物质从浓度高的地方向浓度低的地方运动,即由于浓度差产生的运动.,漂移运动:,在电场力作用下,载流子的运动.,P型半导体,N型半导体,空间电荷区,一、PN结形成,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。,最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。对于P型半导体和N型半导体
6、结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。又称阻挡层。,图 PN结的形成过程,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（都是少子），数量有限，因此由它们形成的电流很小。,注意:,二、PN结的单向导电性,如果外加电压使PN结中： P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；,P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压， 简称反偏。,PN结具有单向导电性:若外加电压使电流从P区流到N区， PN结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流
7、小。,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。,(1) PN结加正向电压,图 PN结加正向电压时的导电情况,N,P,+,_,内电场被加强， 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。,(2) PN结加反向电压,图 PN结加反向电压时的导电情况,1.2 半导体二极管及其应用电路,在PN结上加上引线和管壳，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。,1.2.1 半导体二极管,PN结面积小，结电容小， 用于检波和变频等高频电路。,(b)面接触型,符号：,PN结面积大，用 于工频大电流整流电路。,PN 结
8、面积可大可小，用 于高频整流和开关电路中。,死区电压 硅管0.5V,锗管0.1V。,导通压降: 硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。,反向击穿电压U(BR),死区 电压,正向,反向,一、伏安特性,当外加电压大于死区电压内电场被大大减削弱,电流增加很快。,由于少子的漂移运动形成很小的反向电流,在且U U(BR)内,其大小基本恒定,称反向饱和电流IS,其随温度变化很大。,一、伏安特性,当U U(BR)时,其反向电流突然增大,反向击穿。,一、伏安特性,二、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
9、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UDRM一般是UBR的一半。,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，一般在几uA以下；锗管的反向电流要大几十到几百倍。,三、二极管的模型,1、理想模型,2、恒压降模型,硅管:0.7V锗管:0.3V,1.2.2 二极管的应用,二极管的应用是主要利用它的单向导电性,包括整流、限幅、保护、检波、开关等。,例,单向脉动电压,例 已知E=5V，ui=10sintV,试画出输出
10、电压波形。,例,例：电路如图，求Y点的电位。,VAVB,DA优先导通， 若D的压降为0.3V，则：,VY=2.7V,DA导通 DB截止,DA：钳位作用 DB：隔离作用,一、伏安特性曲线,U,UZ,IZ,稳压误差,曲线越陡，电压越稳定。,1.2.3 特殊二极管,稳压管是特殊的面接触型半导体硅二极管,其反向击穿是可逆的,且反向电压较稳定.,1.稳压管：,二、稳压过程：,RL,UO,IZ,UO,稳压二极管的参数,（1）稳定电压 UZ,（2）电压温度系数U（%/）,稳压值受温度变化影响的系数。 UZ=5.6V左右， 受温度影响小，有较好的温度稳定性。,（3）动态电阻,稳压二极管反向击穿后稳定工作的电压
11、。,（4）稳定电流IZ,（5）最大允许功耗,管子不致产生热击穿的最大功率损耗,工作电压等于稳定电压时的工作电流，即管子的正常工作电流。,2. 发光二极管(LED),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。,3. 光电二极管,反向电流随光照强度的增加而上升。,1.3 放大电路的基本概念及其性能指标,放大电路：也叫放大器，是一种能量转换电路， 能将微 弱的电信号放大，其能量来源于供电电源。,性能指标,1、输入电阻 ri,从输入端口看进去的电阻,ri 是衡量放大电路对信号源衰减程度,2、输出电阻 ro,从输出端口看进去的电阻,ro
12、是衡量放大电路带负载能力,3、放大倍数：描述放大电路的放大能力,电压放大倍数：,电流放大倍数：,源电压放大倍数：,1.4 三极管及其放大电路,1.4.1 三极管,基极,发射极,集电极,NPN型,PNP型,一、三极管结构和符号,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,发射结,集电结,NPN型三极管,PNP型三极管,三极管的符号,1、实验线路,二、 电流分配和放大作用,0,0.02,0.04,0.06,0.08,0.10,0.001,0.7,1.5,2.3,3.10,3.95,0.001,0.72,1.54,2.36,3.18,4.05,IC,IB,IE,2.实验数据,(
13、1) IE = IB+IC,(2) IC (或IE )IB,这就是晶体管的 电流放大作用,(4)要使晶体管起放大作用, 外部条件: 发射结正偏,集电结反偏.,(3)当IB=0时, IC =ICEO0.001mA=1uA,EB,RB,Ec,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。,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。,三、晶体管内部载流子运动规律,EB,RB,Ec,集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。,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。,IB=IBE-ICBOIBE,要使三极管能放大电流，必须使发
14、射结正偏，集电结反偏。,ICE与IBE之比称为电流放大倍数,测量电路,四、 特性曲线,三极管各极电流与电压的关系,工作压降： 硅管UBE0.60.7V,锗管UBE0.20.3V。,死区电压，硅管0.5V，锗管0.1V。,此区域满足IC=IB称为线性区（放大区）。,集电结正偏，IBIC，UCE0.3V称为饱和区。,此区域中 : IB=0,IC=ICEO,UBE 死区电压，称为截止区。,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： UB
15、E 死区电压， IB=0 ， IC=ICEO 0,NPN型三极管,PNP型三极管,UCUBUE,UEUBUC,符号：,（1）V1=3.5V， V2=2.9V， V3=12V。,例1： 测得工作在放大电路中几个晶体管三个极电位值V1、V2、V3，判断管子的类型、材料及三个极。,NPN型硅管，1、2、3依次为B、E、C,（2）V1=3V， V2=2.8V， V3=12V。,（3）V1=6V， V2=11.4V， V3=12V。,（4）V1=6V， V2=11.8V， V3=12V。,NPN型鍺管，1、2、3依次为B、E、C,PNP型硅管，1、2、3依次为C、B、E,PNP型鍺管，1、2、3依次为C
16、、B、E,四、主要参数,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：,直流放大倍数,例：UCE=6V时：IB=40A, IC=1.5mA； IB=60 A, IC=2.3mA。,在以后的计算中，一般作近似处理：=,2.集-基极反向截止电流ICBO,ICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流，受温度的变化影响。越小越好。,3.集-射极反向截止电流ICEO,5.集-射极反向击穿电压,当集-射极之间的电压UCE超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿电压U(BR)CEO。,4.集电极最大电流ICM,集电极电流IC上升会导致三极管的值的下降，当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。,6.集电极最大允许功耗PCM,集电极电流IC 流过三极管， 所发出的焦耳 热为：,PC =I
