《《计算机电路基础（第二版）》-何超-电子教案 计电二版 第3,4章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《计算机电路基础（第二版）》-何超-电子教案 计电二版 第3,4章（50页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、计算机电路基础(第二版),何超 主 编 中国水利水电出版社,第3章,半导体器件基本知识,3.1 半导体的导电特性,3.1.1 本征半导体与本征激发 半导体的主要导电形式 电子导电 空穴导电 (空穴:共价键的位置上少了一个束缚电子) 半导体的材料:硅（Si）和锗（Ge） 本征半导体:完全纯净的半导体。 空穴导电:空穴向相反的方向运动. 电子和空穴统称为载流子，电子带负电荷，空穴呈现为正电荷。,图3-1 电子、空穴对的产生,由于热激发而产生的自由电子,自由电子移走后而留下的空穴,3.1.2 P型半导体和型半导体,根据掺入杂质元素的不同，杂质半导体又可分为P型（也叫“空穴型”）半导体和型（也叫“电子
2、型”）半导体两大类。 P型半导体 :在硅（或锗）晶体内掺入少量的三价元素杂质，如硼（或铟） 说明：在P型半导体中，杂质原子的三个价电子与周围的四个硅原子形成共 价键时，未能饱和，留有一个空位，形成空穴。请注意，这个空穴是掺杂产生的。 型半导体：在硅（或锗）晶体内掺入少量的五价元素杂质，如磷（或锑） 型半导体的共价键结构和图-型半导体的共价键结构如下：,图3-2 P型半导体的共价键结构和图-型半导体的共价键结构,邻近电子落入空位 留下可移动空穴,可移动的空穴,杂质原子接受一个电子成为负离子,图3-2,杂质原子提供的多余电子,杂质原子失去一个电子成为正离子,图3-3,3.2.1 PN结及其单向导电
3、性,“PN结”：不能移动的带正电或负电的离子通常称为“空间电荷”，它们集中在P区 和区交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区,P型区,空间,电荷区,N型区,内电场,图3-4 PN结的形成,PN结具有单向导电性,PN结具有单向导电性： 加正向电压时，其电阻很小，电流几乎可以畅通无阻；而加反向电压时，其电阻很大，电流就很难通过。,图3-5 PN结加正向电压,N,P,2 1 1 2,21 12,P,N,外电场,内电场,图3-6 PN结加反向电压,3.2.2 半导体二极管,1二极管的类型和结构: 半导体二极管按所用材料不同分,锗二极管,硅二极管,按其内部结构的不同分,点接触型,面接触型,点接触型二极管
4、的结构,点接触型二极管的结构：如图3-7（a）所示是由一根很细的金属丝（如三价元素铝）与一块型锗晶片的表面相接触，然后从正方向施加很大的瞬时电流，使触丝与锗晶片牢固地熔接在一起而构成PN结，接出相应的电极引线，并以外壳封装而成。与金属丝接在一起的引出线为二极管的阳极，从晶片支架引出的线为阴极。,阳极引线,阴极引线,N型锗片,触丝,外壳,（a）,面接触型二极管的结构如图3-7（b）所示,阳极引线,阴极引线,铝合金 小球,PN结,金锑合金,N型硅,底座,（b）,图3-7（c）所示是硅工艺平面型二极管的结构图,阳极引线,阴极引线,P,N,P型支持衬底,（c）,二极管的符号如图3-7（d）所示,P区一
5、侧为阳极a，区一侧为阴极k,阳极a,k阴极,（d）符号图,2二极管的特性,二极管的特性: 主要用伏安特性曲线表示。它反映了通过二极管的电流随外加电压变化的规律 曲线形状如图3-8所示,0.4,图3-8 锗二极管2AP15的伏安特性,3二极管的主要参数及选用方法,（1）最大整流电流: 这是指二极管在长期运行时所允许通过的最大正向平均电流 （2）最高反向工作电压U: 这是指二极管在工作时允许承受的最高反向电压，为确保二极管长期运行的安全，通常取值为反向击穿电压的一半 （3）最大反向电流R: 这是指在一定环境温度条件下，让二极管承受反向工作电压、尚未反向击穿时的反向电流值。 （4）最高工作频率fM:
6、 加到二极管上的信号源或电压源一般都是交流电,3.2.3 稳压二极管,稳压二极管: 是一种工作在反向击穿区、并且当反向电压撤除后其性能仍恢复正常的特殊二极管。 电气符号和典型的伏安特性如图3-10所示,A,K,A,C,O,( a ) 符号,（b）伏安特性,稳压管的参数主要有：,（1）稳定电压UZ 指稳压管在正常工作时管子的端电压。低的为3V，高的可达300V，一般在325V。 （2）稳定电流IZ 指稳压管正常工作时（即保持稳定电压UZ时）时的参考电流。 （3）最大耗散功率PZM 最大耗散功率也叫“额定功耗”，是指稳压管不至于产生过热损坏时的最大功率损耗值。 （4）动态电阻rZ 稳压管端电压的变
7、化量uZ与对应电流变化量iZ之比叫稳压管的动态电阻 （5）稳定电压的温度系数 指稳压管的稳定电压UZ随工作温度变化影响的系数,图3-11所示是压电路稳压管组成的稳,+,ui,-,R,iR,iZ,VDZ,iO(iL),+,-,uo,RL,R是限流电阻,RL为负载,VDZ是稳压管,iRiZiL。,3.3 半导体三极管（晶体管或BJT）,3.3.1 半导体三极管的结构与符号 半导体三极管简称“三极管”，通常又称为“晶体管”或“BJT” 按基片材料的不同分 按工作频率分 按额定功率分,锗三极管,硅三极管,低频,高频,超高频,小功率,中功率,大功率,图3-12是NPN型管和PNP型管的结构,按结构分,P
8、NP型三极管,NPN型三极管,（a）NPN型BJT结构示意图及电路符号,（b）PNP型BJT结构示意图及电路符号,3.3.2 半导体三极管的连接方法,半导体三极管的三种连接方式（共基极、共发射极和共集电极 ） 图3-14所示的共发射极电路,e,c,V,b,（a）共基极组态,b,V,c,e,（b）共发射极组态,b,e,V,c,（c）共集电极组态,UBE,IE,UCE,IB,IB,b,c,N,P,N,图314 NPN管共射电路接法,3.3.3 半导体三极管的电流分配与放大用,（1）三极管之所以能放大输入信号，其外部条件是发射结正偏，集电结反偏 （2）放大作用的实质是用一个微小的电流变化IB去控制较
9、大的电流变化IC。 （3）PNP管与NPN管的工作原理相同，只是在电路连接时，要注意其电压极性和电流流向的不同，如图3-15所示,UBE,IB,c,b,V,IE,UCE,IC,e,UBE,IB,b,e,c,V,IC,IE,UCE,3.3.4 半导体三极管的特性曲线,如图3-16 NPN管的共射极特性曲线所示,iB /A,uBE/V,20,40,60,80,0,0.2,0.4,0.6,0.8,25,uCE=0V,uCE1V,iC,iC/mA,饱和区,25,放大区,Q,80,100,60,40,iB=20 A,截止区,uCE/V,iB,0,2,4,6,8,（a）电路图,（b）输入特性曲线,（c）输
10、出特性曲线,三极管的工作范围可分三个区域,（1）截止区 （2）饱和区 （3）放大区 3.3.5 半导体三极管的主要参数 1电流放大系数 2反向饱和电流ICBO 3穿透电流ICEO ICEO（1）ICBO 4极限参数,3.4 场效应管（FET）,3.4.1 结型场效应管的结构、符号与工作原理 1结构 结型场效应管的结构如图3-17（a）所示,P,P,耗尽层,N型沟道,d（漏极）,g（栅极）,s（源极）,g,d,s,（b）N型的符号,g,d,S,（c）P型的符号,2基本工作原理,g,P,N,P,d,s,iD较大,Rd,UDD,（a）uGS0时,UGG,g,S,P,P,P,P,N,d,Rd,iD减小
11、,UDD,（b）uGS0时,g,UGG,S,d,iD0,Rd,UDD,（c）uGS为某一负值时， 导电沟道被“夹断”,3.4.2 结型场效应管的特性曲线,1输出特性曲线,可变 电阻区,0,预夹断轨迹,恒流区,UGS=0V,-1V,-2V,-3V,-4V,-5V,UDS/V,夹断区,UGS (off),UDS=常数,-4,-2,0,UGS/V,IDSS,iD/mA,（a）输出特性曲线,（b）转移特性曲线,2转移特性曲线,3.4.3 结型场效应管的主要参数,1直流参数 2极限参数 3交流参数 3.4.4 绝缘栅场效应管 “绝缘栅场效应管” : 绝缘栅场效应管也有三个电极（栅极、源极和漏极），但它的
12、栅极与源极和漏极之间均无电接触 1增强型绝缘栅场效应管 (1)图3-21（a）所示是N沟导增强型绝缘栅场效应管的结构示意图 (2)代表符号如图3-21（b）所示，符号中的箭头方向表示由P（衬底）指 向N（沟道）,（a）结构示意图,（b）符号,UDS,UDS,UDS,UDS,UGS,UGS,UGS,N+,N+,N+,N+,N+,N+,N+,N+,S,S,S,g,g,g,g,d,d,d,d,耗尽层,耗尽层,二氧化硅,铝,衬底引线,衬底引线,衬底引线,衬底引线,P,P,N型（感生）沟道,N型（感生）沟道,迅速增大,id,id,饱和,夹断区,（a）uGS0时，没有导电沟道；,（b）uGSVT时，出现N
13、型沟道；,（c）uDS较小时，iD迅速增大；,d）uDS较大出现夹断时，iD趋于饱和,（a）,（b）,（c）,d）,2耗尽型绝缘栅场效应管,S,g,d,掺杂后具有正,离子的绝缘层,二氧化硅,N+,N+,耗尽层,N型沟道,P,衬底引线,图3-24 N沟道耗尽型绝缘栅场效应管结构示意图,第4章 基本放大电路,4.1 放大电路的主要性能指标 1增益 （1）电压增益AuU0UI。 （2）电流增益AiI0II。 （3）功率增益ApP0PiAu:AI 2输入电阻Ri,RS,+,-,us,+,+,+,-,-,-,ii,i0,Ui,Ri,Ri,Uo,R0,R0,u0,RL,图41 放大器的输入电阻和输出电阻,
14、3输出电阻R0,4通频带 5非线性失真,图42 放大电路的幅频特性,4.2 晶体管共射极放大电路,4.2.1 放大电路的组成及各元件的作用 晶体管放大电路利用三极管的电流放大作用，可将一个微弱的、一般为毫伏级的信号不失真地放大 。,A,B,O,+,+,+,+,+,-,-,-,-,Cb1,Rb,300k,UBB,12V,iB,b,UBE,c,V,e,UCE,Re,4k,UCC,12V,Cb2,uo,图43 共射极基本放大电路,4.2.2 静态与动态工作情况,1静态工作情况 2动态工作情况 如下图4-5所示：,Rb,UBB,IB,b,e,V,c,Ic,IK,Rc,UCE,图44 图4-3的直流通路
15、,图45 共射放大电路的动态工作状态,ui,t,iB,iB,IB,t,t,t,t,t,O,O,O,O,+,+,-,-,Cb1,ui,ui,uBE,UBE,Rc,Rb,V,i,iC,IC,UCC,uCE,uCE,UCE,uo,uo,图45 共射放大电路的动态工作状态,4.3 共射极放大电路的分析方法,4.3.1 放大电路的图解分析法 1用图解法确定静态工作点 （1）把放大电路分成非线性和线性两部分 （2）作出电路非线性部分的伏安特性三极管输出特性，通常可查三极管手册得到 （3）作出线性部分的伏安特性直流负载线 （4）由电路的线性与非线性两部分伏安特性的交点确定静态工作点Q,（a）直流通路,（b）图解分析,图47 静态工作点的图解,2用图解法分析动态工作情况,（1）根据ui的波形在三极管输入特性上求iB和ib。设输入信号uiUimsint，则有uBEUBEui，并引起基极电流作相应变化，即iBIBib。根据已知IB在输入特性上找到Q点，并对应画出uBE和iB的波形。如图4-8（a）所示,iB,O,O,O,ib,IB,Ibm,t,iB,Q,Q,Q,uBE,uBE,t,UBE,ui,（a）输入回路的波形,2用图
