第三节电子基础知识

第三节电子基础知识第1页，课件共53页，创作于2023年2月第一章半导体二极管及基本电路基本要求理解PN结的单向导电性，理解二极管、稳压管的工作原理，掌握二极管、稳压管电路的分析方法。基本内容基础知识半导体二极管二极管基本电路及分析方法稳压二极管及电路分析方法第2页，课件共53页，创作于2023年2月1.1半导体的基础知识导体：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。第3页，课件共53页，创作于2023年2月物质的导电性能取决于原子结构。导体一般为低价元素，绝缘体一般为高价元素；使用最多的硅、锗半导体的原子结构最外层都有四个价电子，具有以下特点：

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。第4页，课件共53页，创作于2023年2月概述晶体二极管结构及电路符号：PN结正偏(P接+、N接-)，D导通。PN正极负极晶体二极管的主要特性：单向导电特性PN结反偏(N接+、P接-)，D截止。即主要用途：用于整流、开关、检波电路中。第5页，课件共53页，创作于2023年2月一.本征半导体现代电子学中，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。GeSi通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。第6页，课件共53页，创作于2023年2月本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子硅晶体中的共价键结构第7页，课件共53页，创作于2023年2月共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+4第8页，课件共53页，创作于2023年2月在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子，它的导电能力为0，相当于绝缘体。在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。自由电子和空穴是运载电荷的粒子，称为载流子第9页，课件共53页，创作于2023年2月+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子第10页，课件共53页，创作于2023年2月+4+4+4+4在其它力的作用下，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。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。第11页，课件共53页，创作于2023年2月温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体中电流由两部分组成：

1.自由电子移动产生的电流。

2.空穴移动产生的电流。第12页，课件共53页，创作于2023年2月二.杂质半导体杂质半导体——在本征半导体中掺入微量的杂质(某种元素），而形成的半导体。杂质半导体N型半导体P型半导体第13页，课件共53页，创作于2023年2月在硅（或锗）的晶体中掺人少量的五价元素（如磷元素），如图所示，多余的第五个价电子很容易挣脱磷原子核的束缚而成为自由电子。1.N型半导体+4+4+5+4多余电子磷原子N型半导体中的载流子是什么？第14页，课件共53页，创作于2023年2月在硅（或锗）的晶体中掺入少量的三价元素（如硼元素），当组成共价键时，由于缺少一个电子而形成空穴，如图所示。2.P型半导体+4+4+3+4空穴硼原子P型半导体中空穴是多子，电子是少子。第15页，课件共53页，创作于2023年2月3、杂质半导体的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。第16页，课件共53页，创作于2023年2月⒈半导体中存在着两种载流子---自由电子和空穴。因此，半导体的导电原理明显区别于导体。⒉在本征半导体中掺微量杂质可以控制半导体的导电能力和参加导电的主要载流子的类型。⒊环境的改变对半导体导电性能有很大的影响。例如当温度增加或受到光照时，半导体导电能力都有所增加。半导体热敏器件和光敏器件都是利用这一特性制造的。半导体的特点：

第17页，课件共53页，创作于2023年2月P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散（多子）漂移（少子）内电场对扩散运动起阻碍作用，扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽。内电场对漂移运动起推动作用，而漂移使空间电荷区变薄。空间电荷区，也称耗尽层。三.PN结1.PN结的形成内电场E第18页，课件共53页，创作于2023年2月2.PN结的单向导电性1）PN

结加正向电压－－－－++++RE内电场外电场变薄PN+内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。第19页，课件共53页，创作于2023年2月2）PN

结加反向电压－－－－++++内电场外电场变厚NP+_内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。RE第20页，课件共53页，创作于2023年2月结论：1)PN

结具有单向导电性。2)加正向电压，PN

结导通，正向电流较大，结电阻很低。3)加反向电压，PN结截止，反向电流很小，结电阻很高。第21页，课件共53页，创作于2023年2月3）PN

击穿当加在PN结的反向电压超过某一数值（UBR）时，反向电流会急剧增加，这种现象称为反向击穿。只要PN结不因电流过大产生过热而烧毁，反向电击穿与反向截止两种状态都是可逆的。4）PN结的电容效应加在PN结上的电压的变化可影响空间电荷区电荷的变化，说明PN结具电容效应。PN结的结电容的数值一般很小，故只有在工作频率很高的情况下才考虑PN结的结电容作用。第22页，课件共53页，创作于2023年2月1.2半导体二极管一.点接触式和面接触式二极管的结构D阴极阳极二极管符号第23页，课件共53页，创作于2023年2月二.伏安特性（V—A特性)硅二极管的伏安特性二极管的伏安特性将二极管分为三种状态——截止、导通和击穿。第24页，课件共53页，创作于2023年2月

硅二极管的伏安特性锗二极管的伏安特性第25页，课件共53页，创作于2023年2月1）正向特性：

OA段：当UF

＜Uon

（死区电压）时外电场不足以克服结内电场对多数载流子扩散运动的阻力，故正向电流IF

很小(IF≈0)，D处于截止状态。硅(Si)：Uon≈0.5V;锗(Ge):Uon≈0.1V。

AB段：当UF

＞Uon后，

Ed↓→扩散运动↑→

IF↑→D导通。

D导通时的正向压降，硅管约为(0.6~0.7)V，锗管约为(0.2~0.3)V。分析：第26页，课件共53页，创作于2023年2月2）反向特性OC段：当UR

＜UBR

（击穿电压）时，

CD段：当UR

＞UBR

后，PN结被击穿，IR随△UD失去单向导电性。扩散漂移EdIR

很小D截止。一般情况下，锗管反向电流IR＞硅管IR反向电流。第27页，课件共53页，创作于2023年2月三.主要参数1）最大整流电流IFM

二极管长时间可靠工作时，允许流过二极管的最大正向平均电流。

2）最高反向工作电压URM

保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压。URM=（击穿电压）/23）最大反向电流IRM

当二极管加上反向工作峰值电压时所对应的反向电流。IRM越小，单向导电性越好。第28页，课件共53页，创作于2023年2月

二极管的应用很广，其基本电路有整流电路、开关电路、限幅电路等。由于二极管是非线性器件，分析电路时常采用模型分析法。

理想模型恒压模型

1.3二极管基本电路及分析方法第29页，课件共53页，创作于2023年2月二极管：死区电压=0.5V，正向压降0.7V(硅二极管)理想二极管：死区电压=0，正向压降=0RLuiuouiuott二极管的应用举例：二极管半波整流第30页，课件共53页，创作于2023年2月1.4稳压二极管（DZ)稳压二极管的工作机理是利用PN结的击穿特性。一.V—A特性、符号、状态DZDZ第31页，课件共53页，创作于2023年2月分析：1）稳压管的正向特性与二极管相同。2）稳压管的反向特性OA段：当0＜U＜UZ

（反向击穿电压，数值较小）时，IZ很小，稳压管截止；AB段：当U≥UZ

时，稳压管反向击穿，I

Z

很大，虽△I

Z变化范围很大，但DZ

稳压管两端的电压△UZ

变化很小；体现了稳压特性。由此得知：1）稳压管的V—A特性为非线性，且反向特性很陡；2）稳压管有导通、截止、击穿三个状态，常工作于反向击穿状态。第32页，课件共53页，创作于2023年2月二.主要参数1).稳定电压UZ

DZ在正常工作下管子两端的电压，也就是它的反向击穿电压。2).稳定电流IZ

DZ在稳定电压工作管子中的工作电流。3).动态电阻rZ

DZ管端电压的变化量与相应的电流变化量的比值。即（动态电阻愈小，稳压性能愈好。）第33页，课件共53页，创作于2023年2月1．发光二极管当发光二极管的PN结加上正向电压时，导通并发光，常用于信号指示、数字和字符显示。发光二极管符号及应用电路1.5特殊二极管第34页，课件共53页，创作于2023年2月2．变容二极管

对PN结，当外加反向电压增大时，耗尽层加宽，相当于平板电容两极板之间距离加大，电容减小。反之，反向电压减小时，耗尽层变窄，等效平板电容两极板之间距离变小，电容增加。变容二极管就是利用PN结这个特性制成的。其符号及特性如下图所示。变容二极管容量很小，所以主要用于高频场合。第35页，课件共53页，创作于2023年2月3．光电二极管

光电二极管，又称为光敏二极管，它的反向电流的大小与光的照度成正比。光电二极管符号第36页，课件共53页，创作于2023年2月第二讲晶体三极管第37页，课件共53页，创作于2023年2月

一、晶体管的结构和符号晶体管有三个极、三个区、两个PN结。小功率管中功率管大功率管为什么有孔？第38页，课件共53页，创作于2023年2月三极管的基本结构NNP基极发射极集电极NPN型BECBECPNP型PPN基极发射极集电极符号：BECIBIEICBECIBIEICNPN型三极管PNP型三极管第39页，课件共53页，创作于2023年2月基区：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：面积最大第40页，课件共53页，创作于2023年2月二、晶体管的放大原理

扩散运动形成发射极电流IE，复合运动形成基极电流IB，漂移运动形成集电极电流IC。少数载流子的运动因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区因基区薄且多子浓度低，使极少数扩散到基区的电子与空穴复合因集电区面积大，在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区基区空穴的扩散第41页，课件共53页，创作于2023年2月3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

第42页，课件共53页，创作于2023年2月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，是CCCS器件。第43页，课件共53页，创作于2023年2月三、晶体管的共射输入特性和输出特性1.输入特性

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第44页，课件共53页，创作于2023年2月发射极是输入回路、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++––––++第45页，课件共53页，创作于2023年2月1.

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第46页，课件共53页，创作于2023年2月2.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。第47页，课件共53页，创作于2023年2月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。第48页，课件共53页，创作于2023年2月晶体管的三个工作区域

晶体管工作在放大状态时，输出回路的电流iC几乎仅仅决定于输入回路的电流iB，即可将输出回路等效为电流iB

控制的电流源iC

。状态uBEiCuCE截止＜UonICEOVCC放大≥UonβiB≥uBE饱和≥Uon＜βiB≤uBE第49页，课件共53页，创作于2023年2月3

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当晶体管接成发射极电路时，

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并且ICE0较小的情况下，两者数值接近。常用晶体管的