第四章半导体二极管和晶体管

1、第四章 半导体二极管和晶体管教学目标本章课程通过对常用电子元器件、模拟电路及其系统的分析和 设计的学习，使学生获得模拟电子技术方面的基础知识、基础理论 和基本技能，为深入学习电子技术及其在专业中的应用打下基础。1. 掌握基本概念、基本电路、基本方法和基本实验技能。2. 具有能够继续深入学习和接受电子技术新发展的能力，以及 将所学知识用于本专业的能力。教学内容1、半导体基础知识2、PN结特性3、晶体管教学重点与难点1、PN结的单向导电性、伏安特性2、二极管的伏安特性及主要参数3、三极管放大、饱和、截止三种模式的工作条件和性能特点一、电子技术的发展电子技术的发展很大程度上反映在元器件的发展上。电子

2、管T半导体管T集成电路半导体元器件的发展：1947年贝尔实验室制成第一只晶体管1958年集成电路1969年大规模集成电路1975年超大规模集成电路第一片集成电路只有4个晶体管，而1997年一片集成电路中 有40亿个晶体管。有科学家预测，集成度还将按10倍/6年的速度 增长，至U 2015或2020年达到饱和。二、模拟信号与模拟电路1、电子电路中信号的分类：数字信号：离散性。模拟信号：连续性。大多数物理量为模拟信号。2、模拟电路模拟电路是对模拟信号进行处理的电路。最基本的处理是对信号的放大，有功能和性能各异的放大电路。 模拟电路多以放大电路为基础。3、数字电路数字电路主要研究数字信号的存储、变换

3、等内容，其主要包括 门电路、组合数字电路、触发器、时序数字电路等。数字电路的发展与模拟电路一样经历了由电子管、半导体分立 器件到集成电路等几个时代。但其发展比模拟电路发展的更快。二、电子信息系统的组成传感器接收器运算、转 换、比较隔离、滤5 波、放大功放执行机构信号的11信号的信号的信号的驱提取厂预处理加工动与执行I | IIII模拟电子电路VD转换计算机或其 它数字系统模拟电子系统I xrl_数字电子电路（系统模拟-数字混合电子电路四、模拟电子技术基础课的特点1、工程性实际工程需要证明其可行性。强调定性分析。实际工程在满足基本性能指标的前提下总是容许存在一定的误 差范围的。 定量分析为 估算

4、”近似分析要 合理” 抓主要矛盾和矛盾的主要方面。电子电路归根结底是电路。不同条件下构造不同模型。2. 实践性常用电子仪器的使用方法电子电路的测试方法故障的判断与排除方法EDA软件的应用方法4.1 半导体基础知识4.1.1 本征半导体1、本征半导体导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。导体 铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在 外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。绝缘体-惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核 的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。半导体硅（Si）、错（Ge）,均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。本征

5、半导体是纯净的晶体结构的半导体。本征半导体导电性：与杂质浓度和温度有关在绝对零度（-273 C）和没有外界影响时，所有价电子都被束缚 在共价键内，晶体中没有自由电子，所以半导体不能导电。晶体中 无载流子。共价键2、本征半导体的结构由于热运动，具有足够能 量的价电子挣脱共价键.I空穴自由自由电子的产生使共 价键中留有一个空位 称为空穴自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运 动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。3、本征半导体中的两种载流子电子、空穴对产生、复合，维持动态平衡。对应的电子、空穴 浓度称为本征载流子浓度。外加电

6、场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电， 且运动方向相反。由于数目很少，故导电性很差。温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。热力 学温度0K时不导电4.1.2、杂质半导体杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多数载流 子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。1. N型半导体在N型半导体中，自由电子为多子，空穴为少子，主要靠自由 电子导电，掺入的杂质越多，多子（自由电子）的浓度就越高，导 电性能就越强。2、N型半导体P型半导体主要靠空穴导电，自由电子为少子，空穴为多子,主要靠空穴导电，入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强，4.1.3 PN结的形成及其单向导电性1、漂移

7、电流(Drift Current)在电场作用下，半导体中的载流子作定向飘移运动而形成的电流。11 n 1 p， In电子电流，Ip空穴电流2 扩散电流(Diffusion Current)主要取决于该处载流子浓度差(即浓度梯度)。浓度差越大，扩散电流越大，而与该处的浓度值无关。扩散运动竺餐子正离子巾由电子/ 000o0 _Ng自由电子浓度远高于P区.PN结的形成由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内 电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从 N区向P区、自 由电子从P区向N区运动。参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡， 就形成了 PN结。即扩散过去多少多子，

8、就有多少少子漂移过来。一空间电荷区一00 0 o O0 O 0 oO0 Gjj O0 OO Oo O 00 00*0 G 0 &0- 0*0 P区 N区耗尽层P区 N区0 O(3le.o qO O|O包 O 0.0O O0l+外电场/1 1内电场|11/V/?PN结的单向导电性PN结加正向电压导通:耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，PN结处于导通状态PN结电流方程i J(eu/UT i)Ut是热力学温度的电压当量，Ut =kT/q =26mvPN结电流方程讨论? 当 u=100mV 时，u/Ut e4551is Is eu/UT? 当u比Ut大几倍时，成指数变化。? 当

9、u Ub UeUc对 NPN 管 Ue UbVBTUc2、电流分配关系bCIep :基区向发射区扩散所形成的空穴电流（很小）I CBO集电区与基区之间的漂移运动所形成的电流 （很小） 晶体管的主要功能：lc 电流控制（基极电流控制集电极电流）| b电流放大（放大的比例关系一定）3、直流电流放大系数20 200共射极直流电流放大系数三、晶体管的特性曲线 b输入 回路输山 回路JO(b)共集电极(c)共基极晶体管特性曲线：描述晶体管各极电流与极间电压关系的曲线。1、共射极输入特性曲线它是指一定集电极和发射极电压 UCE下，三极管的基极电流IB 与发射结电压Ube之间的关系曲线。Uce=0时，e与c

10、短路，发射结与集电结并联，特性类似 PN 结。UCE增大时，曲线右移。2、共射极输出特性曲线共射组态晶体管的输出特性：它是指一定基极电流 IB下，三极管的输结电压出回路集电极电流IC与集电UCE之间的关系曲线。放大区：发射结正向偏置， 集电结反向偏置UCEUBE, UBE Uon1、基极电流iB对集电极电流iC的控制作用很强2、UCE变化时，ic影响很小（恒流特性）即: iC仅取决于iB，与输出环路的外电路无关。饱和区：发射结和集电结均正向偏置。临界饱和：UCE二UBE，UCB=0（集电结零偏）1、iB 定时，ic比放大时要小；三极管的电流放大能力下降，通常有iC Ube（on）,输出 仍然严

11、重失真。只有在信号的整个周期内晶体管始终工作在放大状态，输出信号才不会产生失真。放大电路的基本要求：输出不失真、静态工作点的作用：保证放大电路 中的三极管正常工作 ，保证放大电路 输出不产生失真。晶体管放大电路的放大原理当 UiO：iB= IbQ+ ib ；C= Icq+ ic= |cq +; UCE= UCEQ+ Uce ; Uo= Uce ；T ic f-UCE Jic JiCE f输出能够放大O4 icOo0WcEQ二方向和ic相反?设置合适的静态工作点，让交流信号承载在直流分量之上， 保 证晶体管在输入信号的整个周期内始终工作在放大状态，输出电压 波形才不会产生非线性失真。?基本共射放

12、大电路的电压放大作用是利用晶体管的电流放大 作用，并依靠Rc将电流的变化转化成电压的变化来实现的。5.13放大电路的分析方法组成放大电路必须遵守的原则： 设置合适的静态工作点，使三极管偏置于放大状态。 输入信号能够作用于的输入回路（基极-发射极回路） 必须设置合理的信号通路。当静态工作点设置在放大区后，就要叠加需要放大的交流小信 号us,为了使电路的静态工作点不至于发生漂移。必须选择合理的 叠加方式。+UiJ?cHu直接耦合：电路中信号源与 放大电路，放大电路与负载电阻均 直接相连Ucc :直流电源；Rb :基极偏置电阻Rc:集电极偏置电阻Rl:负载电阻ui :正弦信号源电压及内阻阻容耦合：电

13、路中信号源与放大电路，放大电路与负载电阻均 通过电容相连。耦合电容Cl、C2 （一般几微法到几十微法）隔离直流；通过交流作用：静态工作点与信号源内阻和负载电阻无关，且不受输入 交流信号的影响。1、直流通路和交流通路?直流通路：直流电源作用下直流电流流经的道路?画直流通路的原则C开路，L短路，输入信号为0 （保留内阻）交流通路? 交流通路：只考虑交流信号的分电路? 画交流通路的原则：C短路；直流电源对地短路；（恒压源M/fcT处理）CjIF*2、图解分析法由于交流信号均叠加在静态工作点上，且交流信号幅度很小,直流分析法彳L分析右法：IS解法祥估算法因此对工作在放大模式下的电路进行分析时，应先进行

14、直流分析, 后进行交流分析。图解法：在已知放大管的输入特性、输出特性以及放大电路中奁流分析法分桁指标：H八尺宀化分析右法：解法、微变等效电S&法其它各元件参数的情况下，利用作图的方法对放大电路进行分析。优点：直观、形象3、非线性失真非线性失真：当输入某一频率的正弦信号时，其输出波形中除基波Ilm成分之外，还包含有一定数量的谐波In,n=2,3,，该失真为 非线性失真。它是由于方法电路中的非线性器件引起。Q点不合适产生的非线性失真(1) Q点过低一一截止失真Q点过低-动态工作点进入截止区， 出现截止失真。对NPN管的共射极放大 器，发生截止失真时，其输出电压出现“胖 顶”的现象(顶部限幅)，最大

15、不失真输出电压的幅度为U om1 1 CQ RL(2) Q点过高一饱和失真Q点过高-动态工作点进入饱和区，出现饱和失真。对NPN管的共射极放大器，发生饱和失真时，其输出电压出现“削底”现象(底部限幅)Uom2 Uceq UcES最大不失真输出电压的幅度为放大器输出动态范围：受截止失真限制，其最大不失真输出电压的幅度为U om 1 CQ RL因饱和失真的限制，最大不失真输出电压的幅度为U om U CEQ U CES其中较小的即为放大器最大不失真输出电压的幅度，而输出动态范围Uopp则为该幅度的两倍，即 Uopp =2 UomQ点过低叫半周易截止失真一 Q点过高庁负半周易饱和失真。Q点位置与波形

16、失真：由于PNP管电压极性与NPN管相反，故横轴uce可改为-uceQ点过低叫步i半周易截止失真。q点过高正半周易ta和失真减小RB，增大IBQ消除饱和失真：降低Q点：增大Rb，减小Ibq ；减小Rc :负载线变陡。消除截止失真：升高Q点:例：Ucc=12V , Rc=2k Q,Rl= x, RB=280k Q, （3=100求：1） Uopp= ?2）调节 Rb，使 IcQ=2mA , Uopp= ?3）调节 Rb,使 |cQ=3mA ,Uopp= ?解题思路：第一步：求出 Icq比较U om1 =IcqRl 和 U om2 = UCEQ- UCES 临界大小.忽略晶体管的饱和压降U CES

17、临界=0UCEQ- UCES 临界=UCEQ比较 Uom1和Uom2大小第二步：若 Uom1 V Uom2 , UoPP =2 Um1若 Uom2 V U om1 , Uopp =2 Uom2结论：动态范围决定于 Uom1、 Uom2 中的小者。当Uom1=Uom2时，动态范围最大。(Q点在有效交流负载线中央)2、等效电路法(1)晶体管的直流模型及静态工作点的估算晶体管伏安特性曲线的折线近似a）输入特性近似b）输出特性近似（a）截止状态模型；（b）放大状态模型；（c）饱和状态模型晶体管三种状态的直流模型例1 :晶体管电路如图（a）所示。若已知晶体管工作在放大状态，试计算晶体管的|bq，Icq和Uceq。例1 :晶体管电路如图（a）所示。若已知晶体管工作在放大状态，试计算晶体管的|bq , Icq和Uceq（a）电路（b）直流等效电路图：晶体管直流电路分析解:因为晶体管工作在放大状态。这时用图（b）的模型代替晶体管，便得到图）所示的直流等效电路。由图可知UBB=I BQ+U BE(on)则：Ibq=(U bb-U be(on) )/R B ； Icq= bq ；Uceq = U cc-IcqRc共射放大电路的动态分析微变等效电路法tc）晶体箭燉变等数电路所谓放大电路的微变等效电路，就是把非线性元件晶体管所组 成的放大电路等效为一个线性电路，