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1、模擬電子線路,Analog Circuits,,半導體器件是組成各種電子電路包括模擬電路和數(shù)字電路，分立元件電路和集成電路的基礎。 本章討論半導體的特性，PN結的單向導電性，二極管、三極管、場效應管的結構，工作原理，特性曲線和主要參數(shù),第1章半導體器件,,物質(zhì)可分為： 導體：<=10-4.cm 如：銅，銀，鋁 絕緣體：=109.cm 如：橡膠，塑料 半導體其導電能力介于上面兩者之間，一般為四價元素的物質(zhì)，即原子最外層的軌道上均有四個價電子,所以稱它們?yōu)? 價元素。 半導體有：元素半導體：硅（Si）、鍺（Ge）等； 化合物半導體：砷化鎵（GaAs）等,第一節(jié)半導體的特性,,
2、原子結構的簡化模型,圖1.1.1 硅或鍺的 簡化原子結構模型,,本征半導體 通常把非常純凈的、幾乎不含雜質(zhì)的且結構完整的半導體晶體稱為本征半導體。 在T=0K（相當于273oC）時半導體不導電，如同絕緣體一樣。 如溫度升高，如在室溫條件下，將有少數(shù)價電子獲得足夠的能量，以克服共價鍵的束縛而成為自由電子，其載流子的數(shù)量很少（自由電子的數(shù)量）導電能力很弱。,1.1.1 本征半導體,,束縛電子 本征激發(fā) 空穴、電子對 兩種載流子： 電子與空穴載流子 產(chǎn)生與復合 動態(tài)平衡 載流子濃度與T有關,圖1.1.3 本征激發(fā)現(xiàn)象,,在本征半導體中摻入少量的雜質(zhì)，就會使半導體的導電性能發(fā)生顯著的改變。 根據(jù)摻
3、入雜質(zhì)的化合價的不同，雜質(zhì)半導體分為: N型半導體和P型半導體兩大類。 一N型半導體： 在4價硅或鍺的晶體中摻入少量的5價雜質(zhì)元素，如磷，銻，砷等。,1.1.2 雜質(zhì)半導體,,施主雜質(zhì)、多數(shù)載流子（多子）、少數(shù)載流子（少子）、 電子型半導體,（a） （b） 圖1.1.4 N型半導體 （a）結構示意圖 （b）離子和載流子（不計本征激發(fā)）,,受主雜質(zhì)、多子、少子、空穴型半導體,（a） （b） 圖1.1.5 P型半導體 （a）結構示意圖 （b）離子和載流子（不計本征激發(fā)）,二P型半導體：在4 價硅或鍺的晶體中摻入少量 的
4、3 價雜質(zhì)元素，如硼，錫，銦等。,,N半導體、P半導體電中性 半導體的特性： 1、熱敏性 2、摻雜性 3、光敏性,,1.2.1PN結及其單向導電性 單純的P型或N型半導體，僅僅是導電能力增強了，因此它還不是電子線路中所需要的半導體器件。若在一塊本征半導體上，兩邊摻入不同的雜質(zhì)，使一邊成為P型半導體，另一邊成為N型半導體，則在兩種半導體的交界面附近形成一層很薄的特殊導電層PN結。PN結是構成各種半導體器件的基礎。,第二節(jié)半導體二極管,,1.PN結的形成 擴散運動、空間電荷區(qū)、耗盡層、漂移運動、動態(tài)平衡、內(nèi)建電位差、勢壘區(qū)或阻擋層,（a） （b） 圖1.
5、2.1 PN結的形成 （a）載流子的擴散運動 （b）平衡狀態(tài)下的PN結,,,2.PN結的單向導電性原理 偏置、正向偏置（正偏）、反向偏置（反偏） 正向導通、反向截止,（a） （b） 圖1.2.2 外加電壓時的PN結 （a）正偏 （b）反偏,,,PN結正偏時產(chǎn)生較大的正向電流PN結處于導通狀態(tài)。 PN結反偏時產(chǎn)生較小的反向電流，PN結處于截止狀態(tài)。 故PN結具有單向導電性。,,1.2.2 半導體二極管及其基本特性,（a） （b） 圖1.2.3 二極管的結構和符號 （a）結構示意圖 （b）符號,一、 二極管的結構與符號,,,圖1.2.4 二極管的伏
6、安特性曲線,,二、二極管（PN結）伏安特性1、正向特性、 “死區(qū)”、導通電壓或開啟電壓；室溫下，硅管的Uon0.5V，鍺管的Uon0.1V。管壓降：硅管UD=0.60.8V，鍺管UD=0.10.3V,,2反向擊穿特性 反向特性、反向飽和電流、反向擊穿電壓。 電擊穿：雪崩擊穿、齊納擊穿。 熱擊穿 需要特別指出的是，普通二極管的反向擊穿電壓較高，一般在幾十伏到幾百伏以上（高反壓管可達幾千伏）。普通二極管在實際應用中不允許工作在反向擊穿區(qū)。,,二極管的伏安特性方程： 可近似用PN結的伏安特性方程來表示。理論研究表明，PN結兩端電壓U與流過PN結的電流I之間的關系為 （1.2.1） I
7、sat--反向飽和電流 UT =kT/q-溫度電壓當量，其中k為玻耳茲曼常數(shù)，T為絕對溫度，q為電子電量。在室溫（27或300K）時UT26mV。,,三、二極管的主要參數(shù) 1、最大整流電流IF：指二極管長期工作時，允許通 過管子的最大正向平均電流。 2、最高反向工作電壓UR： 3、 反向電流IR：指在室溫下，在二極管兩端加上規(guī)定的反向電壓時，流過管子的反向電流。 IR愈小單向導電性愈好。IR與溫度有關（少子運動） 4、 最高工作頻率：fM值主要決定于PN結結電容的大小。結電容愈大，則fM愈低。,,四穩(wěn)壓二極管 利用二極管的反向擊穿特性，可將二極管做成一種特殊二極管穩(wěn)壓二極管。穩(wěn)
8、壓二極管簡稱穩(wěn)壓管 穩(wěn)壓二極管的電路符號如圖1.2.5所示 穩(wěn)壓二極管參數(shù)：穩(wěn)定電壓、穩(wěn)定電流、動態(tài)電阻、額定功耗、穩(wěn)定電壓的溫度系數(shù)。,,五、 二極管的分類及其選擇 1二極管的分類 按材料的可分為鍺管和硅管； 按功能可分為開關管、整流管、穩(wěn)壓管、變?nèi)莨?、發(fā)光管和光電（敏）管等， 普通二極管、特殊二極管； 按工作電流可分為小電流管和大電流管； 按耐壓高低可分為低壓管和高壓管； 按工作頻率高低可分為低頻管和高頻管等。,,2二極管的選擇 （1） 要求導通電壓低時選鍺管；要求反向電流小時選硅管；要求擊穿電壓高時選硅管；要求工作頻率高時選點接觸型高頻管；要求工作環(huán)境溫度高時選硅管。 （2） 在修理
9、電子設備時，如果發(fā)現(xiàn)二極管損壞，則用同型號的管子來替換。如果找不到同型號的管子則可改用其他型號二極管來代替，替代管子的極限參數(shù)IF 、UR和 fM應不低于原管，且替代管子的材料類型（硅管或鍺管）一般應和原管相同。,,1電容效應 二極管除了單向導電性外，還具有電容效應（PN結電容效應），即當其兩端電壓變化時，其存儲的電荷也發(fā)生變化，因此就出現(xiàn)充、放電現(xiàn)象。 按產(chǎn)生的原因不同分為勢壘電容和擴散電容兩種。 （1）勢壘電容Cb （2）擴散電容Cd 結電容Cj為兩者之和，即Cj= Cb + Cd 正偏時，Cb Cd ，Cj主要由勢壘電容決定。,1.2.3 二極管的電容效應,,2變?nèi)荻O管 利用二極管的電
10、容效應，可將二極管做成一種特殊二極管變?nèi)荻O管，其電路符號如圖1.2.9所示。 主要用作可變電容（受電壓控制） 必須工作在反偏狀態(tài) 常用于高頻電路中的電調(diào)諧電路。,圖1.2.6 變?nèi)荻O管的電路符號,,1光敏特性與光敏二極管 半導體具有光敏特性，光照越強，受激產(chǎn)生的電子空穴對的數(shù)量越多。 普通二極管的外殼都是不透光的 利用二極管的光敏特性，可制成一種特殊二極管光敏二極管。 光敏二極管又稱光電二極管，屬于光電子器件。 為了便于接受光照，光電二極管的管殼上有一個玻璃窗口，讓光線透過窗口照射到PN結的光敏區(qū)。 光電二極管的符號如圖1.2.7（a）所示。,1.2.4 二極管的光電效應,,,（a）
11、 （b） 圖1.2.7 光電二極管的符號與光電特性的測量電路 （a）符號 （b）光電特性的測量電路,,,2發(fā)光二極管 發(fā)光二極管的符號與基本應用電路如圖1.2.8所示。顯然，發(fā)光二極管應工作在正偏狀態(tài)，且當正向電流達到一定值時才能發(fā)出光。,（a） （b） 圖1.2.8 光電二極管的符號與發(fā)光特性的測量電路 （a）符號 （b）發(fā)光特性的測量電路,,1.2.5 二極管的溫度特性 半導體還具有熱敏特性 溫度每升高1，正向壓降減小22.5mV； 溫度每升高10，反向電流約增大一倍。 二極管的反向特性受溫度的影響較大 溫度對二極管的影響是不可避免的，因為溫度總是存在于
12、器件中存在且經(jīng)常變化的。,,它有空穴和電子兩種載流子參與導電，故稱雙極型。 分為硅管和鍺管；大、中、小功率管；高頻管和低頻管。 半導體三極管（簡稱三極管）就是一種能將直流能量轉化為交流能量的器件，這樣的器件也稱為有源器件。,第三節(jié)、晶體三極管,,半導體三極管又稱為雙極型三極管（Bipolar Junction Transistor，BJT）、晶體三極管，簡稱三極管，是最為常用的一種半導體器件。它是通過一定的工藝，將兩個PN結結合在一起的器件。由于PN結之間的相互影響，使三極管表現(xiàn)出不同于二極管單個PN結的特性而具有電流放大作用，從而使PN結的應用發(fā)生了質(zhì)的飛躍。本節(jié)將圍繞三極管為什么具有電流放
13、大作用這個核心問題，討論三極管的結構、內(nèi)部載流子的運動過程以及它的各極電流分配關系。,,1.3.1 三極管的結構與符號 實物演示 各類三極管及其外形 三極管按結構可分為NPN和PNP兩類。 三極管的結構：（硅平面型、鍺合金型） 三個區(qū)：基區(qū)、發(fā)射區(qū)、集電區(qū) 三個極：基極、發(fā)射極、集電極 三個結：發(fā)射結、集電結,,,,,,,,,1.3.2 三極管放大原理 1三極管的偏置 放大電路中的三極管都需要提供直流電源， 并得到一個合適的偏置。,,由于三極管有兩個PN結，所以偏置的方式有四種： 發(fā)射結正偏、集電極反偏； 發(fā)射極反偏、集電結正偏； 二結均正偏； 二結均反偏。 放大電路中的三極管的偏置應為
14、發(fā)射結正偏、集電結反偏。 NPN型三極管，UCUBUE ； PNP型三極管， UC
15、5之間； 定義 （1.3.3b） 稱為共發(fā)射極直流電流放大系數(shù), 其值一般在幾十至幾百之間。,,由于ICBO一般很小，若忽略ICBO ，則有 IB IBN （13.4a） IC ICN （1.3.4b） IE = ICN IBN = IB IC （1.3.4c） （1.3.5a） （1.3.5b）,,因此， （1.3.6） （1.3.7） 且有 (1.3.8a) (1.3.8b),,,,,,,若考慮ICBO，則由式（1.3.1）、
16、（1.3.2）和（1.3.3）得 (1.3.9) 上式第二項用ICEO表示，即 于是 通常稱ICEO為穿透電流，或集電極.發(fā)射極間反向飽和電流。,,,,,管子各極的電流及方向如圖2.1.7所示。PNP型管的各極電流方向與NPN型管相反，但電流分配關系完全相同。 三極管三個電極的電流中，IB 最小，IE最大，IC IE ,即 IEICIB 。,（a） （b） 圖1.3.7 三極管各極的電流及方向 （a）NPN型 （b）PNP型,,,,1.3.3 三極管的共射特性曲線,采用共射接法的三極管的特性曲線稱為共射特性曲線。 三極管有三個電極，而且還有放大作用，
17、所以它的特性曲線要比二極管復雜的多。常用的是輸入特性曲線和輸出特性曲線。,圖1.3.8 測量三極管共射特性曲線的電路,,輸入特性曲線反映了三極管輸入端的電流iB和電壓uBE關系，輸出特性曲線則反映了三極管輸出端的電流iC和電壓uCE的關系。 1.共射輸入特性曲線 三極管的共射輸入特性曲線表示當管子的輸出電壓uCE為常數(shù)時，輸入電流iB與輸入電壓uBE之間的關系曲線，即,在一般情況下，當uCE較大（大于1V）時，三極管工作在正常放大狀態(tài)，則uCE對iB的影響很小。因此，為使問題簡單化，將只考慮保證uCE始終大于 1V，但并不固定uCE為某一數(shù)值，其誤差很小。,,圖1.3.9為某硅NPN管的共
18、射輸入特性曲線,,（1）uCE =0V時，相當于c、e極短路，這時三極管可以看為兩個二極管的正向并聯(lián)，因此uCE =0V的輸入特性與二極管的正向特性相似，但更陡一些。 （2）隨著uCE的增大，曲線逐漸右移。這是因為隨著uCE的增大，基區(qū)調(diào)寬效應使電子在基區(qū)與空穴的復合減少，在相同的uBE下iB減小，曲線右移。 （3）uCE1V以后各條輸入特性曲線密集在一起，幾乎重合。 由于在實際使用時，uCE一般總是大于1V的，因此通常只畫出有用的uCE =1V的那條輸入特性曲線。,,(4) 一般硅管的UBE0.7V， 鍺管的UBE0.2V。 (5) 輸入特性是非線性的。 總之，三極管
19、的輸入特性曲線與二極管的正向特性相似，因為b、e極間是正向偏置的PN結。,,2共射輸出特性曲線 共射組態(tài)時，三極管的輸出電流iC不但取決于輸出電壓uCE ，而且與輸入電流iB有關。三極管的共射輸出特性曲線表示當管子的輸入電流iB為某一常數(shù)時，輸出電流iC與輸出電壓uCE之間的關系曲線，即,,圖1.3.10為某硅NPN三極管的共射輸出特性曲線,,（1） 曲線起始部分較陡，且不同iB曲線的上升部分幾乎重合。這表明uCE很小時，uCE略有增大，iC就很快增加，但iC幾乎不受iB的影響。 （2）當uCE較大（如大于1V）后，曲線比較平坦，但略有上翹。 （3）輸出特性是非線性的。 由共射
20、輸出特性曲線，可以把三極管的工作狀態(tài)分為三個區(qū)域 ： 截止區(qū)、放大區(qū)、飽和區(qū),,（1）截止區(qū) 通常把iB=0（此時iC=iE=ICEO ）的輸出特性曲線以下的區(qū)域稱為截止區(qū)。截止區(qū)的特點是各極電流均很?。ń咏虻扔诹悖?，此時發(fā)射結和集電結均反偏，三極管失去放大作用且呈高阻狀態(tài)，e、b、c極之間近似看作開路。,,（2）放大區(qū) 放大區(qū)指iB0和uCEuBE的區(qū)域，粗略看來就是圖2.5.4中曲線的平坦部分。 在放大區(qū)，發(fā)射結正偏，集電結反偏。此時由于iCiB ，則iC隨時iB而變化，即iC受控于iB（受控特性）；同時iC與uCE基本無關，即iC對uCE而言可近似看成恒流（恒流特性）。
21、 由于iCiB ，所以三極管有電流放大的作用。曲線間的間隔大小反映出的大小，即管子的電流放大能力。三極管只有工作在放大區(qū)才有放大作用。由于iC受控于iB ，所以三極管是一種電流控制型器件。,,（3）飽和區(qū) 飽和區(qū)指uCEuBE的區(qū)域，大致是圖2.5.4中曲線靠近縱軸的區(qū)域。在飽和區(qū)，發(fā)射結和集電結均正偏，三極管也失去放大作用，iC=iB不再成立。這時，iC隨uCE而變化，卻幾乎不受iB控制，即：當uCE一定時，即使iB增加，iC卻幾乎不變，這就是飽和現(xiàn)象。由于三極管飽和時，各極之間電壓很小，而電流卻較大，呈現(xiàn)低阻狀態(tài)，故各極之間可近似看成短路。,,飽和時的uCE稱飽和壓降，用UCE（sat）表示。 小功率硅管UCE（sat）0.3V； 小功率鍺管UCE（sat）0.1V； 大功率硅管UCE（sat）1V。 uCE=uBE（即uCB=0，集電結零偏）時的狀態(tài)稱臨界飽和，見圖1.3.10中的虛線，此線稱臨界飽和線。臨界飽和線是飽和區(qū)和放大區(qū)的分界線，該線左方區(qū)域的uCEuBE（或uCB0），稱為過飽和。 應當指出，當uCE增大到某一值時，iC將急劇增加，這時三極管發(fā)生擊穿，擊穿電壓隨iB的增加而減小。（未畫） PNP型管的特性曲線是“倒置”的。,,
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