第一章 基本半导体分离器件

电子技术张振英2015年3月鹰潭职业技术学院江铜校区下一页一、课程的主要内容电子技术是研究电子器件及其应用的科学。1、模拟电子技术处理的是模拟信号，即随时间连续变化的信号。2、数字电子技术处理的是数字信号，即在时间和数值上不连续的信号。绪论电子元件图例上一页下一页绪论二、电子技术的发展历史

上一页下一页电子技术是在19世纪末无线电发明之后发展起来的。1、第一代：电子管绪论上一页下一页第一台电子计算机绪论上一页下一页2、第二代：晶体管（1948年）体积小、重量轻、功耗小、寿命长

里程碑3、第三代：集成电路（1958年）体积更小、重量更轻、功耗更小、可靠性高4、第四代：中、大规模集成电路（1966年）5、第五代：超大规模集成电路（1975年）<10000/片10000以上/片<100/片绪论四、学习要求◆授课形式：理论课+实验课◆学习要求：认真听讲、按时完成作业。◆学期成绩：平时成绩占30%（其中到课率平时表现10%，作业10%，实验10%）

期未考试占70%上一页下一页绪论第一章：基本半导体分立器件一、本章主要内容1.半导体的基本知识与PN结2.二极管3.三极管二、本章学习要求1.理解PN结的单向导电性，三极管的电流分配和电流

放大作用；2.了解二极管、稳压管和三极管的基本构造、工作原理

和特性曲线，理解主要参数的意义；

学会用工程观点分析问题，就是根据实际情况，对器件的数学模型和电路的工作条件进行合理的近似，以便用简便的分析方法获得具有实际意义的结果。

对电路进行分析计算时，只要能满足技术指标，就不要过分追究精确的数值。器件是非线性的、特性有分散性、RC的值有误差、工程上允许一定的误差、采用合理估算的方法。

对于元器件，重点放在特性、参数、技术指标和正确使用方法，不要过分追究其内部机理。讨论器件的目的在于应用。第一章：基本半导体分立器件1.1

半导体的基本知识与PN结

完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。晶体中原子的排列方式硅单晶中的共价健结构共价健共价键中的两个电子，称为价电子。

Si

Si

Si

Si价电子一、本征半导体

Si

Si

Si

Si价电子

价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。本征半导体的导电机理这一现象称为本征激发。空穴

温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。自由电子

在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。1.1

半导体的基本知识与PN结本征半导体的导电机理

当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流

(1)自由电子作定向运动电子电流

(2)价电子递补空穴空穴电流特点：

1、载流子的数量少,且成对出现。2、载流子的数量受温度影响较大，温度高，数量多。

3、导电能力很差自由电子和空穴都称为载流子。自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。1.1

半导体的基本知识与PN结

Si

Si

Si

Si1.1

半导体的基本知识与PN结二、杂质半导体

在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成杂质半导体。掺入五价元素p+磷原子多余电子在常温下即可变为自由电子失去一个电子变为正离子

掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。

在N型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。1.1

半导体的基本知识与PN结

Si

Si

Si

Si掺入三价元素B–硼原子空穴

掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或P型半导体。

在P型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。

1.在杂质半导体中多子的数量与

（a.掺杂浓度、b.温度）有关。

2.在杂质半导体中少子的数量与（a.掺杂浓度、b.温度）有关。

3.当温度升高时，少子的数量

（a.减少、b.不变、c.增多）。abc

4.在外加电压的作用下，P型半导体中的电流主要是

，N型半导体中的电流主要是（a.电子电流、b.空穴电流）ba想一想三、PN结的形成及单向导电性1、PN结的形成扩散运动

扩散运动：多数载流子由于浓度的差别而形成的运动。＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P区N区1.1

半导体的基本知识与PN结＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－内电场耗尽层势垒区PN结P区N区

多数载流子的扩散运动继续进行，使PN结加宽，内电场增强。内电场越强，多数载流子的运动越难以进行。＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－－－＋＋＋＋P区N区＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P区N区＋＋＋＋－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－－－＋＋＋＋

漂移运动：少数载流子在内电场作用下的运动。漂移运动使PN结变薄，内电场削弱。内电场削弱，又有利于多数载流子的扩散运动，而不利于少数载流子的漂移运动。漂移运动

多数载流子的扩散运动与少数载流子的漂移运动达到动态平衡——平衡的PN结。＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－P区N区RＰN2.PN结的特性偏置正向偏置反向偏置ＰN多子运动少子运动正向导通

主要特性：

单向导电性R外电场外电场反向截止I≈0

I1.1

半导体的基本知识与PN结1.什么是N型半导体？什么是P型半导体？当二种半导体制作在一起时会产生什么现象？2.PN结上所加端电压与电流符合欧姆定律吗？它为什么具有单向性？在PN结中加反向电压时真的没有电流吗？想一想1.2二极管一、二极管概述按材料分硅管锗管按PN结分点接触型面接触型按用途分普通管整流管……PN阳极阴极1.基本结构KA结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路。

结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。小功率二极管大功率二极管稳压二极管发光二极管1.2二极管2.伏安特性UIO正向：死区（OA段）硅管约0.5V，锗管约0.2V；正向导通区硅管约0.7V，锗管约0.3V。（温度增加，曲线左移）反向：截止区（OB段）

I近似为0；击穿区管子被击穿

（普通管：永久性损坏）A硅A锗BB1.2二极管UIOUDUIO(a)近似特性(b)理想特性因通常使用二极管时应保证其工作在正向导通或反向截止状态，故认为二极管正偏则导通，反偏则截止。

——单向导电性

1.2二极管1.2二极管3.主要参数1.

最大整流电流

IF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管子反向击穿时的电压值3.反向电流IR(反向饱和电流IS）指在室温和规定的反向电压下（管了未击穿）的反向电流，其值越小，单向导电性越好。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。

1.二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负）时，二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。2.二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正）时，二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。

3.外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。

4.二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。二极管的特性———单向导电性1.2二极管1.2二极管二、稳压二极管利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态，反向电压应大于稳压电压。

稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中起稳压作用的。

稳压管正常工作时是加反向电压稳压二极管的伏安特性曲线(1)稳定电压UZ

在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。(2)最大耗散功率PZM

(4)最大稳定工作电流

IZmax

和最小稳定工作电流

IZmin稳压管的主要参数1.2二极管三、发光二极管LED1.符号和特性工作条件：正向偏置一般工作电流几十mA，导通电压(1.53)V符号u/Vi

/mAO2特性1.2二极管1.2二极管四、二极管在电子技术中的应用1、整流2、限幅3、稳压4、开关5、光电转换与隔离

二极管电路的分析方法定性分析：判断二极管的工作状态导通截止否则，正向管压降硅0.6~0.7V锗0.2~0.3V

分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压UD的正负。若V阳

>V阴或UD为正(正向偏置)，二极管导通若V阳

<V阴或UD为负(反向偏置)，二极管截止

若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零，反向截止时二极管相当于断开。电工技术1.2二极管电路如图所示，求：UABV阳

=－6VV阴=－12VV阳>V阴二极管导通若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=－6V否则，UAB低于－6V一个管压降，为－6.3Ｖ或－6.7V例1：

取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。

在这里，二极管起钳位作用。

D6V12V3kBAUAB+–1.2二极管两个二极管的阴极接在一起取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。V1阳

=－6V，V2阳=0V，V1阴

=V2阴=－12VUD1=6V，UD2=12V

∵

UD2>UD1

∴D2优先导通，D1截止。若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB

=0V例2:D1承受反向电压为－6V流过D2

的电流为求：UAB

在这里，D2起钳位作用，D1起隔离作用。BD16V12V3kAD2UAB+–1.2二极管ui>8V，二极管导通，可看作短路uo=8V

ui<8V，二极管截止，可看作开路uo=ui已知：二极管是理想的，试画出uo

波形。8V例3：ui18V参考点二极管阴极电位为8VD8VRuoui++––1.2二极管再见

电子技术/55

一、晶体管的结构和类型小功率管中功率管大功率管为什么有孔？电子技术1.3三极管三极管结构示意图和符号NPN型ecb符号集电区集电结基区发射结发射区集电极c基极b发射极eNNP1、三极管的结构三极管：三层半导体、二个PN结、三个电极构成1.3三极管集电区集电结基区发射结发射区集电极c发射极e基极b

cbe符号NNPPN三极管结构示意图和符号PNP型1.3三极管基区：最薄，掺杂浓度最低发射区：掺杂浓度最高发射结集电结BECNNP基极发射极集电极结构特点：集电区：面积最大1.3三极管分类方法种类应用按极性分NPN型三极管目前常用的三极管，电流从集电极流向发射极PNP型三极管电流从发射极流向集电极按材料分硅三极管热稳定性好，是常用的三极管锗三极管反向电流大，受温度影响较大，热稳定性差按工作频率分低频三极管工作频率比较低，用于直流放大、音频放大电路高频三极管工作频率比较高，用于高频放大电路按功率分小功率三极管输出功率小，用于功率放大器末前级大功率三极管输出功率较大，用于功率放大器末级（输出级）按用途分放大管应用在模拟电子电路中开关管应用在数字电子电路中2、三极管的类型电子技术1.3三极管1.3三极管二、三极管的基本工作原理1、三极管的电流分配关系三极管放大的外部条件：发射结正偏、集电结反偏BECNNPEBRBECRC从电位的角度看：

NPN

发射结正偏VB>VE集电结反偏

VC>VB

PNP发射结正偏

VB<VE集电结反偏VC<VB三极管电流分配实验电路

通过调节电位器RB的阻值，可调节基极的偏压，从而调节基极电流IB的大小。每取一个IB值，从毫安表可读取集电极电流IC和发射电流IE的相应值，实验数据如下表。电子技术1.3三极管

三极管各电极电流的实验数据次数项目123456IB/μA02030405060IC/mA0.0021.11.742.43.023.6IE/mA0.0021.121.772.443.073.66电子技术1.3三极管1）三电极电流关系IE=IB+IC2）IC

IB

，

IC

IE

3）IC

IB集电极与基极电流关系IC=βIB1.3三极管2、三极管的电流放大作用把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大变化的特性称为晶体管的电流放大作用。实质:用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的变化直流电流放在系数交流电流放在系数1.3三极管三、三极管的特性曲线

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，是分析放大电路的依据。为什么要研究特性曲线：

1）直观地分析管子的工作状态

2）合理地选择偏置电路的参数，设计性能良好的电路

重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线发射极是输入回路、输出回路的公共端共发射极电路输入回路输出回路

测量晶体管特性的实验线路ICEBmAAVUCEUBERBIBECV++––––++1.3三极管1.3三极管1.输入特性IB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1VO正常工作时发射结电压：NPN型硅管

UBE0.6~0.7VPNP型锗管

UBE0.2~0.3V死区电压：硅管0.5V，锗管0.1V。特点:非线性1.3三极管2.输出特性36IC(mA)1234UCE(V)912O40A60A80A100A20AIB=0输出特性曲线通常分三个工作区：(1)放大区

在放大区有IC=IB

，也称为线性区，具有恒流特性。

在放大区，发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置，晶体管工作于放大状态。IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O（2）截止区IB<0以下区域为截止区，有IC0

。

在截止区发射结处于反向偏置，集电结处于反向偏置，晶体管工作于截止状态。饱和区截止区（3）饱和区

当UCEUBE时，晶体管工作于饱和状态。在饱和区，IBIC，发射结处于正向偏置，集电结也处于正偏。

深度饱和时，硅管UCES0.3V，

锗管UCES0.1V。1.3三极管1.3三极管四、

主要参数

表示晶体管特性的数据称为晶体管的参数，晶体管的参数也是设计电路、选用晶体管的依据。1.电流放大系数，当晶体管接成发射极电路时直流电流放大系数交流电流放大系数注意：

和

的含义不同，但在特性曲线近于平行等距并且ICE0较小的情况下，两者数值接近。常用晶体管的

值在20~200之间。例：在UCE=6V时，在Q1点IB=40A,IC=1.5mA；

在Q2点IB=60A,IC=2.3mA。在以后的计算中，一般作近似处理：=IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)9120Q1Q2在Q1点，有由Q1和Q2点，得1.3三极管基极开路时（IB=0），C-E极间的反向电流。好象是从集电极直接穿透三极管到达发射极的电流，故又叫“穿透电流”。

ICEO＝（1＋β）ICBO，反映了三极管的稳定性。选管子时，ICEO越小，管子受温度影响越小，工作越稳定。2、极间反向电流（1）集电极-基极间的反向饱和电流ICBO

发射极开路时，C-B极间的反向饱和电流。ICBO越小，集电结的单向导电性越好。

（2）集电极-发射极间反向饱和电流ICEO反映三极管的质量好坏。1.3三极管

3、极限参数（1）集电极最大允许电流ICM

集电极电流过大时，三极管的β值要降低，一般规定β值下降到正常值的2/3时的集电极电流为集电极最大允许电流。

使用时一般IC＜ICM，否则管子易烧毁。选管时，ICM≥IC。（2）集电极-发射极间的反向击穿电压U（BR）CEO基极开路时，加在C与E极间的最大允许电压。

使用时，一般UCE＜U（BR）CEO，否则易造成管子击穿。选管时，U（BR）CEO≥UCE。（3）集电极最大允许耗散功率PCM

集电极消耗功率的最大限额。根据三极管的最高温度和散热条件来规定最大允许耗散功率PCM，要求PCM≥ICUCE。

PCM的大小与环境温度有密切关系，温度升高，PCM减小。对于大功率管，常在管子上加散热器或散热片，降低管子的环境温度，从而提高PCM。

工作时，ICUCE＜PCM，否则管子会因过热而损坏。选管时，PCM≥ICUCE。表示三极管工作时，不允许超过的极限值。电子技术1.3三极管

由PCM、ICM和UCEO在输出特性曲线上可以确定过损耗区、过电流区和击穿区。

输出特性曲线上的过损耗区和击穿区

PCM=iCuCE

U(BR)CEOUCE/V561.3三极管晶体管参数与温度的关系1、温度每增加10C，ICBO增大一倍。硅管优于锗管。2、温度每升高1C，UB