g第1章半导体分立器件课件

电工学2电子技术电子技术1概述电子技术：研究电子器件、电子电路和系统及其应用的技术。电子技术模拟电子技术数字电子技术2模拟信号：在时间上和数值上具有连续变化的特点；t数字信号：在时间上和数值上是离散的，突变。等矩形波t尖顶波t31.1.1导体、半导体和绝缘体导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。§1.1半导体的基本知识与PN结5半导体的导电具有不同于其它物质的特点。当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。外激发控制掺杂质控制结构：半导体晶体。导电性：导电可控性61.本征半导体本征半导体的结构特点:GeSi现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。7+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子9半导体的导电机理+4+4+4+4空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。自由电子和空穴称为半导体载流子。10112.杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑ti）,自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。

在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟yin）,空穴是多子，电子是少子。N型半导体（电子型半导体）P型半导体（空穴型半导体）13

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。掺入五价元素

Si

Si

Si

Sip+多余电子磷原子在常温下即可变为自由电子失去一个电子变为正离子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。

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。(1-14)

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。掺入三价元素

Si

Si

Si

Si

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。B–硼原子接受一个电子变为负离子空穴(1-15)二.PN结的单向导电性

PN结外加上正向电压(正向偏置):

PN结外加反向电压(反向偏置):P区加正电压、N区加负电压。P区加负电压、N区加正电压。17PN结外加上正向电压(正向偏置)18PN结外加上反向电压(反向偏置)19半导体二极管图片§1.2半导体二极管及其应用电路212223二、伏安特性UI死区电压硅管0.5V,锗管0.1V。导通压降:硅管0.6~0.7V,锗管0.2~0.3V。反向击穿电压UBR25三、主要参数1.最大整流电流

IFM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二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。26指管子不被反向击穿所允许外加的电压。一般手册上给出的UDRM约为击穿电压的一半。3.最高反向工作电压UDRM27四.二极管的模型1.理想模型:具有这种理想特性的二极管也叫做理想二极管。即：二极管在正向导通时相当于开关闭和，死区电压=0，正向压降=0，二极管反向截止时相当于开关断开。等效电路292.恒压降模型.二极管在正向导通时，其管压降为恒定值，硅管的管压降约为0.6-0.7V，锗管的管压降约为0.2-0.3V。等效电路反向截止30D6V12V3kBAUAB+–电路如图，求：UAB1.2.2二极管应用电路31二极管电路分析举例定量分析：判断二极管的工作状态导通截止分析方法：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)，二极管截止否则，正向管压降硅0.6~0.7V锗0.2~0.3V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。32电路如图，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。D6V12V3kBAUAB+–33ui>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：ui18V参考点二极管阴极电位为8VD8VRuoui++––34RLuiuouiuott二极管的应用电路2：二极管半波整流351.稳压二极管UIIZIZmaxUZIZ稳压误差曲线越陡，电压越稳定。+-UZ动态电阻：rz越小，稳压性能越好。§1.2.3特殊二极管36（4）稳定电流IZ（5）最大允许功耗稳压二极管的参数:（1）稳定电压

UZ（2）电压温度系数U（%/℃）稳压值受温度变化影响的的系数。（3）动态电阻37稳压二极管的稳压原理:输入变化时:IZUIIZIZmaxUZUZ负载变化时:R作用?iRuoiZDZRiLuiRL38负载电阻。要求当输入电压由正常值发生20%波动时，负载电压基本不变。稳压二极管的应用举例:uoiZDZRiLiuiRL稳压管的技术参数:解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax。求：电阻R和输入电压ui的正常值。——方程139令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin。——方程2uoiZDZRiLiuiRL联立方程1、2，可解得：402.发光二极管有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外光到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。阳极阴极413.光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。IU照度增加阳极阴极42小结：2.二极管的应用分析。3.稳压管的应用特点。特殊二极管1.半导体的基本知识与PN结431.基本结构BECNNP基极发射极集电极NPN型PNP集电极基极发射极BCEPNP型§1.4三极管及其放大电路1.4.1三极管44BECNNP基极发射极集电极基区：较薄，掺杂浓度低集电区：面积较大发射区：掺杂浓度较高45BECNNP基极发射极集电极发射结集电结46BECIBIEICNPN型三极管BECIBIEICPNP型三极管三极管的符号471.4.2电流分配和放大原理1.三极管放大的外部条件BECNNPEBRBECRC发射结正偏、集电结反偏PNP发射结正偏VB<VE集电结反偏VC<VB从电位的角度看：

NPN

发射结正偏VB>VE集电结反偏VC>VB

IBICIE(1-48)2.各电极电流关系及电流放大作用IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.10<0.0010.701.502.303.103.95<0.0010.721.542.363.184.05结论:1）三电极电流关系IE=IB+IC2）IC

IB

，

IC

IE

3）IC

IB

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。(1-49)小结：1.二极管的应用分析。2.稳压管的应用特点。特殊二极管50小结：三极管的基本结构：结构,分类，三极管放大的条件。内部:发射区掺杂高，基区薄掺杂低，集电区面积大。外部:发射结正偏、集电结反偏三极管的特性曲线、主要参数51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++––––++1.4.3特性曲线52输入特性特点:非线性死区电压：硅管0.5V，锗管0.1V。正常工作时发射结电压：NPN型硅管

UBE0.6~0.7VPNP型锗管

UBE0.2~0.3VIB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1VO(1-53)UCE1VIB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE=0VUCE=0.5V542.输出特性IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O放大区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。(1-55)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。临界饱和、饱和状态561.4.4主要参数1.电流放大系数，直流电流放大系数交流电流放大系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。注意：和

的含义不同，但在特性曲线近于平行等距的情况下，两者数值接近。常用晶体管的

值在20~200之间。(1-57)例：在UCE=6V时，在Q1点IB=40A,IC=1.5mA；

在Q2点IB=60A,IC=2.3mA。求：电流放大系数在以后的计算中，一般作近似处理：=。IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)9120Q1Q2在Q1点，有由Q1和Q2点，得582.集-基极反向截止(饱和)电流ICBO

ICBO是由少数载流子的漂移运动所形成的电流，受温度的影响大。温度ICBOICBOA+–EC3.集-射极反向截止(饱和)电流(穿透电流)ICEOAICEOIB=0+–

ICEO受温度的影响大。温度ICEO，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。ICEO=(1+β)ICBO594.集电极最大允许电流ICM5.集-射极反向击穿电压U(BR)CEO6.集电极最大允许耗散功耗PCMPCM取决于三极管允许的温升，消耗功率过大，温升过高会烧坏三极管。

PC

PCM=ICUCE

硅管允许结温约为150C，锗管约为7090C。三个极限参数60ICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作区由三个极限参数可画出三极管的安全工作区ICUCEO615.复合三极管(a)即:β=β1β2

62(b)63光电三极管和光电耦合器光电耦合器的特点:输入端与输出端在电气上是绝缘的.64三极管放大电路有三种形式共射放大器共基放大器共集放大器以共射放大器为例讲解工作原理§1.4.2共发射极放大电路653、元件选择要使信号不失真地放大。放大电路的组成原则：1、有直流电源，保证E结正偏，C结反偏。2、元件安排要保证信号传输，即信号能从输入端加到三极管上（有信号输入回路），经放大后从输出端输出（有输出回路）。一、共射极放大电路组成66一、基本放大电路的组成基本放大电路各元件作用晶体管T--放大元件,iC=iB。要保证集电结反偏,发射结正偏,使晶体管工作在放大区。基极电源EB与基极电阻RB--使发射结处于正偏，并提供大小适当的基极电流。共发射极基本电路ECRSesRBEBRCC1C2T+++–RL++––ui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiE67一、基本放大电路的组成集电极电源EC--为电路提供能量。并保证集电结反偏。集电极电阻RC--将变化的电流转变为变化的电压。耦合电容C1、C2--隔离输入、输出与放大电路直流的联系，同时使信号顺利输入、输出。信号源负载共发射极基本电路ECRSesRBEBRCC1C2T+++–RL++––ui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiE68一、基本放大电路的组成单电源供电时常用的画法共发射极基本电路+UCCRSesRBRCC1C2T+++–RLui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiEECRSesRBEBRCC1C2T+++–RL++––ui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiE69放大电路的分析放大电路分析静态分析动态分析估算法图解法微变等效电路法图解法70二、共射放大电路的静态分析UBEIBICUCE无输入信号(ui

=0)时:uo=0uBE=UBEuCE=UCE+UCCRBRCC1C2T++ui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiEuBEtOiBtOiCtOuCEtO71ICUCEOIBUBEO结论：无输入信号电压时，三极管各电极都是恒定的电压和电流:IB、UBE和IC、UCE。

(IB、UBE)

和(IC、UCE)分别对应于输入、输出特性曲线上的一个点，称为静态工作点。QIBUBEQUCEIC72对交流输入信号为零，只有直流信号（VCC）开路开路+VCCRBRCC1C2T直流通道+VCCRBRC73（1）根据直流通道估算IBIBUBERB称为偏置电阻，IB称为偏置电流。+VCC直流通道RBRC(一)静态工作点-估算法74（2）根据直流通道估算UCE、ICICUCE直流通道RBRCVcc75例：用估算法计算静态工作点。已知：VCC=12V，RC=4k，RB=300k，=37.5。解：请注意电路中IB和IC的数量级。+VCCRBRCC1C2T++RLui+–++–uBEuCE–iCiBiE76(二)用图解法确定静态值用作图的方法确定静态值步骤：

1.用估算法确定IB2.由输出特性确定IC

和UCEUCE

=UCC–ICRC+UCCRBRCT++–UBEUCE–ICIB直流负载线方程77(二)用图解法确定静态值直流负载线斜率ICQUCEQUCCUCE

=UCC–ICRCUCE/VIC/mA直流负载线Q由IB确定的那条输出特性与直流负载线的交点就是Q点O78UBEIB无输入信号(ui

=0)时:uo=0uBE=UBEuCE=UCE？有输入信号(ui

≠0)时uCE=UCC－iC

RCuo0uBE=UBE+uiuCE=UCE+uoIC三、共射放大电路的动态分析+UCCRBRCC1C2T++ui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiEuBEtOiBtOiCtOuCEtOuitOUCEuotO79结论：(1)加上输入信号电压后，各电极电流的大小均发生了变化，都在直流量的基础上叠加了一个交流量，但方向始终不变。+集电极电流直流分量交流分量动态分析iCtOiCtICOiCticO静态分析80结论：(2)若参数选取得当，输出电压可比输入电压大，即电路具有电压放大作用。(3)输出电压与输入电压在相位上相差180°，即共发射极电路具有反相作用。uitOuotO81符号规定UA大写字母、大写下标，表示直流量。uA小写字母、大写下标，表示全量。ua小写字母、小写下标，表示交流分量。uAua全量交流分量tUA直流分量82(一)三极管的微变等效电路(小信号模型分析法)(1)输入回路iBuBE当信号很小时，将输入特性在小范围内近似线性。uBEiB对输入的小交流信号而言，三极管相当于电阻rbe。三、动态分析-微变等效电路法(小信号模型法)83rbe的量级从几百欧到几千欧。对于小功率三极管：ibrbebe84(2)输出回路所以：结论:输出端相当于一个受ib控制的电流源。ibceiCtOUCE/VIC/mAIC85ubeibuceicrbeibibbce等效cbe(3)三极管的微变等效电路(小信号模型)86(二)放大电路的微变等效电路(小信号模型)交流通路的原则:*电容可忽略,以短路代替。*直流电源可认为是对地短路。RBRCuiuORLRSes++–+––短路短路对地短路交流通路+UCCRSesRBRCC1C2T+++–RLui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiE87交流通路RBRCRLuiuouirbeibibiiicuoRBRCRLbce(二)放大电路的微变等效电路(小信号模型)88rbeRBRCRL(三)放大电路的性能指标1.电压放大倍数特点：负载电阻越小，放大倍数越小。89输入电阻的定义：是动态电阻。2.输入电阻的计算rbeRBRCRL电路的输入电阻越大，从信号源取得的信号越大，因此一般总是希望得到较大的的输入电阻。90对于负载而言，放大电路相当于信号源，可以将它进行戴维宁等效，戴维宁等效电路的内阻就是输出电阻。计算输出电阻的方法：所有独立电源置零，保留受控源，加压求流法。3输出电阻的计算91所以：用加压求流法求输出电阻：rbeRBRC0092动态分析图解法QuCE/VttiB/AIBtiC/mAICiB/AuBE/VtuBE/VUBEUCEiC/mAuCE/VOOOOOOQicQ1Q2ibuiuoRL=由uo和ui的峰值（或峰峰值）之比可得放大电路的电压放大倍数。93小结：+UCCRSesRBRCC1C2T+++–RLui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiE放大电路放大电路分析静态分析动态分析估算法图解法微变等效电路法图解法94静态分析：直流通道+VCCRBRC+UCCRSesRBRCC1C2T+++–RLui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiEIBICUCEUBE95交流通路RBRCRLuiuouirbeibibiiicuoRBRCRLbce动态分析：rorbe96在放大电路中，输出信号应该成比例地放大输入信号（即线性放大）；如果两者不成比例，则输出信号不能反映输入信号的情况，放大电路产生非线性失真。为了得到尽量大的输出信号，要把Q设置在交流负载线的中间部分。如果Q设置不合适，信号进入截止区或饱和区，则造成非线性失真。4.非线性失真及其改善措施97iCuCEuo可输出的最大不失真信号选择静态工作点ib98若Q设置过高，晶体管进入饱和区工作，造成饱和失真。Q2uo适当减小基极电流可消除失真。UCEQuCE/VttiC/mAICiC/mAuCE/VOOOQ199若Q设置过低，晶体管进入截止区工作，造成截止失真。适当增加基极电流可消除失真。uiuotiB/AiB/AuBE/VtuBE/VUBEOOOQQuCE/VtiC/mAuCE/VOOUCE如果Q设置合适，信号幅值过大也可产生失真，减小信号幅值可消除失真。100Q点上移饱和失真:

注意：对于PNP管，由于是负电源供电，失真的表现形式，与NPN管正好相反。3.波形的失真由于放大电路的工作点达到了三极管的饱和区而引起的非线性失真。对于NPN管，输出电压表现为底部失真。由于放大电路的工作点达到了三极管的截止区而引起的非线性失真。对于NPN管，输出电压表现为顶部失真。Q点下移截止失真:101为了保证放大电路的稳定工作，必须有合适的、稳定的静态工作点。但是，温度的变化严重影响静态工作点。5.稳定静态工作点-射极偏置电路+VCCRSesRBRCC1C2T+++–RLui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiETICUBEIB102iCuCEQQ´总的效果是：温度上升时，输出特性曲线上移，造成Q点上移。1031.4.2分压式(射极)偏置电路1.稳定Q点的原理

基极电位基本恒定，不随温度变化。VBRB1RCC1C2RB2CERERLI1I2IB++++UCCuiuo++––ICRSeS+–(1-104)Q点稳定的过程VEVBRB1RCC1C2RB2CERERLI1I2IB++++UCCuiuo++––ICRSeS+–TUBEIBICVEICVB固定

RE：温度补偿电阻，负反馈

对直流：RE越大,稳定Q点效果越好；

对交流：RE越大,交流损失越大,为避免交流损失加旁路电容CE。IE1051.4.2分压式(射极)偏置电路1.稳定Q点的原理VB集电极电流基本恒定，不随温度变化。RB1RCC1C2RB2CERERLI1I2IB++++UCCuiuo++––ICRSeS+–在估算时一般选取：I2=(5~10)IB，VB=(5~10)UBE，RB1、RB2的阻值一般为几十千欧。(1-106)2.静态工作点的计算VBRB1RCC1C2RB2CERERLI1I2IB++++UCCuiuo++––ICRSeS+–直流通路1072.静态工作点的计算估算法:直流通路1083.动态分析对交流：旁路电容CE

将RE

短路，RE不起作用，Au，ri，ro与固定偏置电路相同。旁路电容RB1RCC1C2RB2CERERL++++UCCuiuo++––RSeS+–rbeRBRCRLEBC+-+-+-RS109RB1RCC1C2RB2CERERL++++UCCuiuo++––RSeS+–去掉CE后的微变等效电路短路对地短路如果去掉CE，Au，ri，ro

?rbeRBRCRLEBC