第14章半导体元件及其特性

1、主讲主讲 职业技术学院车辆工程系职业技术学院车辆工程系吴鸣副教授吴鸣副教授联系：联系686656)电子技术电子技术参考书一、电子技术基础 康华光主编二、模拟电子技术基础 童诗白、华成英主编三、数学电子技术基础 阎石主编I. 电子技术发展史电子技术发展史 电子技术的出现和应用，使人类进入了高新技电子技术的出现和应用，使人类进入了高新技术时代。电子技术诞生的历史虽短，但深入的领域术时代。电子技术诞生的历史虽短，但深入的领域却是最深最广，它不仅是现代化社会的重要标志，却是最深最广，它不仅是现代化社会的重要标志，而且成为人类探索宇宙宏观世界和微观世界的物质而且成为人类探索宇宙

2、宏观世界和微观世界的物质技术基础。电子技术是在通信技术发展的基础上诞技术基础。电子技术是在通信技术发展的基础上诞生的。随着新型电子材料的发现，电子器件发生了生的。随着新型电子材料的发现，电子器件发生了深刻变革。自深刻变革。自19061906年第一支电子器件发明以来，世年第一支电子器件发明以来，世界电子技术经历了电子管、晶体管和集成电路等重界电子技术经历了电子管、晶体管和集成电路等重要发展阶段。要发展阶段。绪绪 论论I. 电子技术发展史电子技术发展史 电子技术的出现和应用，使人类进入了高新技电子技术的出现和应用，使人类进入了高新技术时代。电子技术诞生的历史虽短，但深入的领域术时代。电子技术诞生的

3、历史虽短，但深入的领域却是最深最广，它不仅是现代化社会的重要标志，却是最深最广，它不仅是现代化社会的重要标志，而且成为人类探索宇宙宏观世界和微观世界的物质而且成为人类探索宇宙宏观世界和微观世界的物质技术基础。技术基础。电子技术是在通信技术发展的基础上诞电子技术是在通信技术发展的基础上诞生的。生的。随着新型电子材料的发现，电子器件发生了随着新型电子材料的发现，电子器件发生了深刻变革。深刻变革。19061906年第一支电子器件发明以来，世界年第一支电子器件发明以来，世界电子技术经历了电子技术经历了电子管、晶体管和集成电路电子管、晶体管和集成电路等重要等重要发展阶段。发展阶段。1.原始通信方式原始通

4、信方式人力、烽火台等人力、烽火台等2.横木通信机横木通信机1791年（法）年（法）C.Chappe3.有线电报有线电报1837年（美）年（美）S . B . Morse4.有线电话有线电话1875年（苏）年（苏）A. G. Bell5.无线电收发报机无线电收发报机1895年年（意）意）G.Marconi通信业务蓬勃发展通信业务蓬勃发展电子器件产生之后。电子器件产生之后。一一. . 通信技术的发展通信技术的发展 电子器件是按照电子器件是按照“电子管电子管晶晶体管体管集成电路集成电路”的顺序，逐步发展的顺序，逐步发展起来的。起来的。 二二. . 电子器件的产生电子器件的产生 电电 子子 管管 晶晶

5、 体体 管管 集集 成成 电电 路路1. 真空电子管的发明：真空电子管的发明：真空二极管真空二极管1904年（美）年（美）Fleming真空三极管真空三极管1906年（美）年（美）Leede Forest2.晶体管的产生晶体管的产生晶体管晶体管Transistor1947（美）（美） Shockley、 Bardeen、Brattain集成电路集成电路IC(integrate circuit)1959 （美）（美） Kilby、Noyis二二. . 电子器件的产生电子器件的产生3.集成电路的出现集成电路的出现集成电路的出现，标志着人类进入了微电子时代。集成电路的出现，标志着人类进入了微电子时代

6、。 自电子器件出现自电子器件出现至今，电子技术已经至今，电子技术已经应用到了社会的各个应用到了社会的各个领域。领域。 II .电子技术的应用电子技术的应用II .电子技术的应用电子技术的应用1875年年（苏）（苏）1906年年（美）（美）1925年年（美、英）（美、英）1946年年（美）（美）1923年年（瑞）（瑞）1902年年（美）（美）1901年年（美）（美）1934年年（俄）（俄）Internet互联网1990年年（美）（美）1992年年（中）（中）VCD1983年年（美）（美）1961年年（美）（美）工工 业业 控控 制制 机床生产过程自动化控制机床生产过程自动化控制 电力牵引控制电力

7、牵引控制 信信 号号 检检 测（压力、温度、水位、测（压力、温度、水位、流量等的测量与调节）流量等的测量与调节）电子技术电子技术模拟电子技术模拟电子技术数字电子技术数字电子技术二极管及其应用二极管及其应用三极管及其应用三极管及其应用组合逻辑电路组合逻辑电路时序逻辑电路时序逻辑电路电子技术的组成电子技术的组成主要教学内容模拟电子技术电子元器件电子电路及其应用二极管三极管集成电路 放大电路（ ）滤波电路（ ）电源电路（ ） 返回电子技术发展简史电子技术是十九世纪末、二十世纪初开始电子技术是十九世纪末、二十世纪初开始发展起来的新兴技术，二十世纪发展最迅速，发展起来的新兴技术，二十世纪发展最迅速，应用

8、最广泛，成为近代科学技术发展的一个重应用最广泛，成为近代科学技术发展的一个重要标志。要标志。电子技术的发展主要经历了四个阶段：电子技术的发展主要经历了四个阶段： 返回四个阶段分别是：第一阶段：以以电子管电子管为核心的第一代电子产品；为核心的第一代电子产品；第二阶段：二十世纪二十世纪四十年四十年代末世界上诞生了第一只代末世界上诞生了第一只半半导体三极管导体三极管，它以小巧、轻，它以小巧、轻便、省电、寿命长等特点，便、省电、寿命长等特点，很快地被各国应用起来，在很快地被各国应用起来，在很大范围内取代了电子管。很大范围内取代了电子管。第三阶段：二十世纪二十世纪五十年代末期，世界上出五十年代末期，世界

9、上出现了第一块现了第一块集成电路集成电路，它把许多晶体管等电子，它把许多晶体管等电子元件集成在一块硅芯片上，使电子产品向更小元件集成在一块硅芯片上，使电子产品向更小型化发展。型化发展。第四阶段：集成电路从小规模集成电路迅速发集成电路从小规模集成电路迅速发展到展到大规模集成电路和超大规模集成电路大规模集成电路和超大规模集成电路，从，从而使电子产品向着高效能低消耗、高精度、高而使电子产品向着高效能低消耗、高精度、高稳定、智能化的方向发展。稳定、智能化的方向发展。 计算机发展史中的超级古董【超级古董之一】世界第一台机械式加法计算机世界第一台机械式加法计算机(1642(1642年年) )【超级古董之二

10、】16741674年发明的乘法计算机年发明的乘法计算机 年研制的差分机年研制的差分机【超级古董之三】18221822 年研制的分析机年研制的分析机【超级古董之四】18341834【超级古董之五】19361936年制造的手摇式机械计算机年制造的手摇式机械计算机【超级古董之六】电动机械式计算机电动机械式计算机(1930(1930年年) )【超级古董之七】 19411941年研制的年研制的Z-3Z-3型计算机型计算机【超级古董之八】 19431943年年1212月，月，“巨人巨人”计算机运行计算机运行【超级古董之九】（1946年2月14日）电子技术的应用一在信号检测方面的应用v 压力、温度、水位、流

11、量等的测量与压力、温度、水位、流量等的测量与调节调节v 电子仪器电子仪器v 返回二在汽车电子方面的应用汽车电子电源电源发动机控制发动机控制行驶装置行驶装置报警与安全装置报警与安全装置旅居性旅居性仪表仪表娱乐通讯娱乐通讯点火装置、燃油喷射控制、发动机电子控制车速控制、间歇刮水、除雾装置、车门紧锁安全带、车灯未关报警、速度报警、安全气囊空调控制、动力窗控制里程表、数字式速度表、出租车用仪表收音机、汽车电话、业余电台ElectricVehicelEV？21世纪绿色环保汽车EV高效率无废气排放（零排放）安全舒适可靠v 课程性质：专业技术基础课专业技术基础课v 课程特点：本课是电类一切后续课程的基础，是

12、学本课是电类一切后续课程的基础，是学习数字电路、数字信号处理、信号与系习数字电路、数字信号处理、信号与系统等一些课程的基础。学时少、内容多、统等一些课程的基础。学时少、内容多、不能轻视。不能轻视。内容丰富，技术更新快，内容丰富，技术更新快，紧密联系实际，应用非常广泛。紧密联系实际，应用非常广泛。课程性质及特点返回主要教学环节课堂教学紧跟老师讲课思路，搞清基本概念，注意解题方紧跟老师讲课思路，搞清基本概念，注意解题方法和技巧。法和技巧。习题独立完成作业，按时交作业。独立完成作业，按时交作业。实验注意理论联系实际，掌握常用仪器、仪表的使用注意理论联系实际，掌握常用仪器、仪表的使用方法，验证与探索相

13、结合。方法，验证与探索相结合。返回模拟电子技术返回在这部分内容中，需要同学们清楚以下几个问题：1. 什么是什么是“电子系统电子系统”？2. 电子系统中所说的电子系统中所说的“信号信号”是指什么？是指什么？3. “放大放大”的概念是模拟电子技术中一个极的概念是模拟电子技术中一个极其重要的基本概念！其重要的基本概念！4. 电子电路的频率响应及带宽的概念是怎样电子电路的频率响应及带宽的概念是怎样的？的？一电子系统与信号1. 什么是电子系统？所谓所谓“电子系统电子系统”，通常是指由若干相互，通常是指由若干相互联接、相互作用的基本电路组成的具有特联接、相互作用的基本电路组成的具有特定功能的电路整体。定功

14、能的电路整体。【见教材P1】注：电子系统在绝大多数情况下必须和物理系统相结合，才能构成完整的实用系统。2.信号及其频谱（1 1）信号）信号信号是信号是信息的载体信息的载体。【见教材P4】如：声音信号、图象信号等等。如：声音信号、图象信号等等。非电信号相应传感器电信号电子系统为一般化起见，常把传感器作为信号源处理。等 效（2 2）信号源的等效电路）信号源的等效电路SI电流源RsRiRsSV电压源Ri+-电子系统电子系统当当RsRi时更适用；时更适用；当当RsRi时更适用；时更适用；（3 3）频谱）频谱在信号处理时，在信号处理时，正弦波信号正弦波信号经常作为经常作为标准信号标准信号用用来对模拟电子

15、电路进行测试。来对模拟电子电路进行测试。（3 3）频谱）频谱在信号处理时，正弦波信号经常作为标准信号用来对模在信号处理时，正弦波信号经常作为标准信号用来对模拟电子电路进行测试。拟电子电路进行测试。正弦波信号：正弦波信号：v(t)=Vmsin(t+)当当0 0时，时，V=Vmsin，为直流电压信号。，为直流电压信号。当当Vm、都为已知常数时，信号中不再都为已知常数时，信号中不再含任何未知信息，可见正弦波是最简单的信含任何未知信息，可见正弦波是最简单的信号。号。（3 3）频谱）频谱在信号处理时，正弦波信号经常作为标准信号用来对模在信号处理时，正弦波信号经常作为标准信号用来对模拟电子电路进行测试。拟

16、电子电路进行测试。正弦波信号：正弦波信号：v(t)=Vmsin(t+)当当0 0时，时，V=Vmsin，为直流电压信号。，为直流电压信号。当当Vm、都为已知常数时，信号中不再含任何未都为已知常数时，信号中不再含任何未知信息，可见正弦波是最简单的信号。知信息，可见正弦波是最简单的信号。把一个信号分解为正弦信号的集合，得到其正弦把一个信号分解为正弦信号的集合，得到其正弦信号幅值随角频率变化的分布，称为该信号的信号幅值随角频率变化的分布，称为该信号的频频谱谱。定义：3.模拟信号和数字信号（1 1）模拟信号）模拟信号【AnalogAnalog Signal Signal】v 定义：在时间上与数值上都连

17、续的信号。定义：在时间上与数值上都连续的信号。v 模拟信号波形：模拟信号波形：u模拟信号波形模拟信号波形t最常见的模拟信号最常见的模拟信号波形就是波形就是正弦波正弦波。t正弦波形正弦波形u（2 2）数字信号）数字信号【Digital SignalDigital Signal】v 定义：定义：在时间上和数值上不连续的（即离散在时间上和数值上不连续的（即离散的）信号。的）信号。v 数字信号波形：数字信号波形：对数字信号进行传输、处理的电子线路称为对数字信号进行传输、处理的电子线路称为数数字电路字电路。v 数字电路数字电路u数字信号波形数字信号波形t1 0011数字电路跟模拟电路相比在对于信号的传输

18、、存储、处理方面有很大优势。放大是最基本的模拟信号处理功能是最基本的模拟信号处理功能。二放大电路的基本知识模拟电子中研究的最主要电路：放大电路这里的这里的“放大放大”是指把微小的、微弱的信号是指把微小的、微弱的信号不不失真的失真的进行放大。进行放大。所谓“不失真”就是保证原来的形状、基本参数等不变。具有放大特性的电子设备：收音机、电视机、具有放大特性的电子设备：收音机、电视机、手机、扩音器等等。手机、扩音器等等。【举例】：收音机接收广播信号广播电台感应前置放大器电压放大中间放大器（功率放大器天线扬声器属于交流放大！一般来说，放大电路就是一个双端口网络。一般来说，放大电路就是一个双端口网络。iV

19、oVoI放大电路（放大器）SV+-Rs+-+-RLiI信号源负载【见教材P11图1.2.1】SV信号源电压信号源电压iV输入电压输入电压oV输出电压输出电压Rs信号源内阻信号源内阻RL负载电阻负载电阻iI输入电流输入电流oI输出电流输出电流放大电路的分类：分类标准分类标准根据放大电路根据放大电路输入信号的条件输入信号的条件和和输出信号的要求输出信号的要求分类。分类。VA四种类型：四种类型： 电压放大对应有一个电压放大倍数，称为对应有一个电压放大倍数，称为电压增益电压增益，常用符号常用符号 ，表示为：，表示为：ioVVVA 电流放大对应有一个电流放大倍数，称为对应有一个电流放大倍数，称为电流增益

20、电流增益，常用符号常用符号 ，表示为：，表示为：iA 互导放大 互阻放大对应有一个对应有一个互阻增益互阻增益，表示为：，表示为：对应有一个对应有一个互导增益互导增益，表示为：，表示为：ioIIAiioIVARioVIAG不太常用，了解即可放大电路的主要性能指标：性能指标性能指标是衡量放大电路品质优劣的标准，同时是衡量放大电路品质优劣的标准，同时由这些指标还要来决定放大电路的适用范围。由这些指标还要来决定放大电路的适用范围。这里主要讨论这里主要讨论输入电阻输入电阻输出电阻输出电阻增益增益频率响应频率响应1.输入电阻RiiVoVoI放大电路（放大器）SV+-Rs+-+-RLiIRiiiiIVRRi

21、决定了放大电路从信号源吸决定了放大电路从信号源吸取信号幅值的大小，即它决定取信号幅值的大小，即它决定了放大电路对信号源的要求。了放大电路对信号源的要求。一般情况下，要求一般情况下，要求RiRs【参见教材P16图1.2.5】2.输出电阻RoLRVIVR0ooosRo的求法：将信号源短路，即的求法：将信号源短路，即 =0，但保，但保留留Rs；且负载；且负载RL两端开路，即两端开路，即RL=时时SViVoVoI放大电路（放大器）SV+-Rs+-+-RLiIRo【参见教材P17图1.2.6】短路开路3.增益实质上就是输出对输入的放大倍数。实质上就是输出对输入的放大倍数。ioVVVAioIIAiioIV

22、ARioVIAG电压增益电压增益电流增益电流增益互阻增益互阻增益互导增益互导增益无量纲无量纲无量纲无量纲量纲量纲:量纲量纲:S在工程上常用以在工程上常用以10为底的对数增益表达，其基为底的对数增益表达，其基本单位为本单位为B（贝尔，（贝尔，Bel），平时用它的十分之），平时用它的十分之一单位一单位dB（分贝，（分贝，decibel的缩写）。的缩写）。在工程上常用以在工程上常用以10为底的对数增益表达，其基本单位为为底的对数增益表达，其基本单位为B（贝尔，（贝尔，Bel），平时用它的十分之一单位），平时用它的十分之一单位dB（分贝，（分贝，decibel的缩写）。的缩写）。dB lg20d 20

23、lgIVABA电流增益电压增益用分贝表示的电压增益和电流增益如下：用分贝表示的电压增益和电流增益如下：由于功率与电压（或电流）的平方成比例，由于功率与电压（或电流）的平方成比例，因此功率增益表示为：因此功率增益表示为：功率增益功率增益10lgAP】【ioPPAP用对数方式表示放大电路增益的原因：（1 1）当用对数坐标表达增益随频率变化的曲线）当用对数坐标表达增益随频率变化的曲线时，可大大扩大增益变化的视野；时，可大大扩大增益变化的视野；（2 2）计算多级放大电路的总增益时，可将乘法）计算多级放大电路的总增益时，可将乘法化为加法进行计算。化为加法进行计算。这两点原因有助于简化电路的分析和设计过程

24、。4.频率响应指在输入正弦信号情况下，输出随频率连续指在输入正弦信号情况下，输出随频率连续变化的稳态响应。变化的稳态响应。)()(VVAA式中：式中： 信号的角频率；信号的角频率；AV () 幅频响应；幅频响应；() 相频响应；相频响应；波特图：VAVAlg20lgf20f/Hz600fLfH带宽BWfL下限频率下限频率fH上限频率上限频率带宽带宽BW fH- - fL通常通常 fL fH有有 BW fH倍10003lg60lg20VVVAAA例：例：针对本门课程对同学们的希望：理论实践学有所成！+返回14.1 半导体的导电特性半导体的导电特性共价健共价健 Si Si Si Si价电子价电子

25、Si Si Si Si价电子价电子本征激发：本征激发：空穴空穴自由电子自由电子l半导体有两种导电粒子（载流子）：半导体有两种导电粒子（载流子）：自由电子、空穴自由电子、空穴 Si Si Si Sip+多多余余电电子子磷原子磷原子在常温下即可在常温下即可变为自由电子变为自由电子失去一个失去一个电子变为电子变为正离子正离子 Si Si Si SiB硼原子硼原子空穴空穴PN 结：结：P型半导体和型半导体和N型半导体交界面的特殊薄层型半导体交界面的特殊薄层 外电场外电场IFPN+少子在外电场少子在外电场作用下定向移作用下定向移动，形成很小动，形成很小的反向电流。的反向电流。IR二极管的单向导电性.sw

26、f阴极引线阴极引线阳极引线阳极引线二氧化硅保护层二氧化硅保护层P型硅型硅N型硅型硅( c ) 平面型平面型金属触丝金属触丝阳极引线阳极引线N型锗片型锗片阴极引线阴极引线外壳外壳( a ) 点接触型点接触型铝合金小球铝合金小球N型硅型硅阳极引线阳极引线PN结结金锑合金金锑合金底座底座阴极引线阴极引线( b ) 面接触型面接触型阴极阴极阳极阳极( d ) 符号符号D反向击穿反向击穿电压电压U(BR)反向特性反向特性UIPN+PN+定性分析：定性分析：判断二极管的工作状态判断二极管的工作状态导通导通截止截止 若二极管是若二极管是理想理想的，的，例例1：D6V12V3k BAUAB+解：解：例例2:m

27、A43122D IBD16V12V3k AD2UAB+解：解：V sin18itu t 解：解：UZIZIZM UZ IZ_+UIOZZ ZIUrNNPBECBECIBIEICBECIBIEICEEBRBRCBECNNPEBRBECIEIBEICEICBOICIBBECNNPEBRBECIEIBEICEICBOBCCBOBCBOCBECEIIIIIIII CEOBCBOBC)(1 IIIII BC CEO III ，有有忽忽略略 即管子各电极电压与电流的关系曲线，是管子即管子各电极电压与电流的关系曲线，是管子内部载流子运动的外部表现，反映了晶体管的性能，内部载流子运动的外部表现，反映了晶体管的性能，是分析放大电路的依据。是分析放大电路的依据。 重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线共发射极电路共发射极电路输入回路输入回路输出回路输出回路ECICEBmA AVUCEUBERBIBV+常常数数 CE)(BEBUUfIIB( A)UBE(V)204060800.40.8UCE 1VOIB=020 A40 A60 A80 A100 A常常数数 B)(CECIUfI36IC(mA )1234UCE(V)912O放大区放大区O 。 。 BCII_ BCII ICBO A+EC AICEOIB=0+ICMU(BR)CEO安全