模电第一章 半导体元件的分析与测试

《模拟电路》项目分解

情境1：半导体元件的分析与测试—第1章（8学时）情境2：小信号放大电路的分析与测试—第2章（16学时）情境3：运算放大电路的分析与测试—第3、4章（24学时）情境4：功放电路的分析与测试—第5章（16学时）情境5：整流、滤波、稳压电路的分析与测试—第7章（8学时）任务1-1半导体二极管的分析

任务1-2半导体二极管的典型应用电路分析

任务1-3半导体三极管的分析

情境任务任务1-4仪器仪表使用及半导体元件的测量

一、半导体的特性

1.半导体――导电能力介于导体和绝缘体之间的物质，常用硅(Si)、锗(Ge)和砷化镓(GaAs)等。

2.半导体的特性－－热敏性、光敏性、掺杂性1.1半导体基础知识任务1-1半导体二极管的分析二、本征半导体－－化学成分纯净的单晶结构半导体

1.硅和锗简化原子结构模型

硅和锗都是四价元素，原子最外层有4个价电子。硅原子锗原子硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子。束缚电子

把硅或锗材料制成单晶体时,原子间距离很近。价电子不仅受到自身原子核的约束，还要受到相邻原子核的吸引，使得每个价电子为相邻原子所共有，从而形成共价键。2.本征半导体共价键晶体结构

本征半导体的共价键结构在T=0K时，所有的价电子被共价键紧紧束缚在共价键中，不会成为自由电子，故本征半导体导电能力很弱，接近绝缘体。

这一现象称为本征激发，也称热激发。

当温度升高或受到光的照射时，束缚电子能量增高，有的电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴

自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，称为空穴。自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴电子空穴对2)本征激发产生的载流子－－电子和空穴本征激发产生电子空穴对空穴－－带正电，它靠正离子吸引附近自由电子而移动电子－－带负电，它能自由移动自由电子带负电荷电子流+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子E＋－载流子空穴带正电荷空穴流本征半导体的导电性取决于外加能量：温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。3)导电原理

两种载流子在电场中的运动

结论：电子和空穴移动方向相反复合现象激发和复合矛盾由于本征激发产生的电子空穴对的数目很少，则本征半导体中载流子浓度很低，其导电能力很弱。热敏和光敏特性

掺杂特性

三、杂质半导体1.N型半导体（电子型）本征硅(或锗)中掺入少量的五价元素（如磷、砷、锑等），多数载流子是电子，少数载流子（本征激发引起）是空穴。

掺入杂质（微量有用）的半导体N型半导体（电子型）多余电子磷原子砷等硅原子多数载流子——自由电子少数载流子——空穴++++++++++++N型半导体施主离子自由电子电子空穴对

在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。空穴硼原子硅原子多数载流子——空穴少数载流子——自由电子－－－－－－－－－－－－P型半导体受主离子空穴电子空穴对2.P型半导体（空穴型）杂质半导体的示意图++++++++++++N型半导体多子—电子少子—空穴－－－－－－－－－－－－P型半导体多子—空穴少子—电子少子浓度——与温度有关多子浓度——与温度无关耗尽层势垒层内电场E

因多子浓度差

形成内电场

多子的扩散

空间电荷区

阻止多子扩散，促使少子漂移。PN结合空间电荷区多子扩散电流少子漂移电流三、PN结及单向导电特性

1.PN结的形成

少子飘移补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E多子扩散

又失去多子，耗尽层宽，E内电场E多子扩散电流少子漂移电流耗尽层动态平衡：扩散电流＝漂移电流总电流＝0(1)加正向电压（正偏）——电源正极接P区，负极接N区

外电场的方向与内电场方向相反

外电场削弱内电场→耗尽层变窄→扩散运动＞漂移运动→多子扩散形成正向电流IF正向电流

2.PN结的单向导电性(2)加反向电压——电源正极接N区，负极接P区

外电场的方向与内电场方向相同。

外电场加强内电场→耗尽层变宽→漂移运动＞扩散运动→少子漂移形成反向电流IRPN

在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故IR基本上与外加反压的大小无关，所以称为反向饱和电流。但IR与温度有关。

PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，PN结导通；

PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，PN结截止。

由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。检验学习结果半导体的特点？杂质半导体有哪两种？各自特点是什么？PN结的特点是什么？热激发现象是指什么？为什么本征半导体导电能力很弱？课前小练习1.本征半导体的导电能力比较（）。

A.强B.弱2.N型杂质半导体是在本征半导体中掺入（）价元素。

A.三B.五3.PN结最基本的特性为（）。1.2半导体二极管一、半导体二极管的结构、符号及类型

1.结构符号任务1-2半导体二极管的典型应用电路分析2．类型

(1）按材料分:有硅二极管,锗二极管和砷化镓二极管等。

(2）按结构分:有点接触型、面接触型二极管。

(3）按用途分:有整流、稳压、开关、发光、光电、变容、阻尼等二极管。

(4）按封装形式分:有塑封及金属封等二极管。

(5）按功率分:有大功率、中功率及小功率等。（1）按封装形式塑料封装金属封装玻璃封装（2）按结构分类点接触型面接触型平面型（3）按作用场合分类整流管发光管稳压管光敏管贴片二级管

二、半导体二极管的伏安特性

硅：0.5V

锗：

0.1V(1)正向特性导通压降反向饱和电流(2)反向特性死区电压击穿电压UBR实验曲线uEiVmAuEiVuA锗

硅：0.7V锗：0.3V

1.正向特性

当正向电压较小时,正向电流极小（几乎为零）,这一部分称为

,相应的A(A′)点的电压称为

电压或门槛电压(也称阈值电压),硅管约为V,锗管约为V,如图中OA(OA′)段。当正向电压超过门槛电压时,正向电流就会急剧地增大,二极管呈现很

电阻而处于导通状态。这时硅管的正向导通压降约为V,锗管约为V,如图中AB(A′B′)段。

二极管正向导通时,要特别注意它的正向电流不能超过最大值,否则将烧坏PN结。

2.反向特性二极管两端加上反向电压时,在开始很大范围内,二极管相当于非常

的电阻,反向电流

,且

反向电压而变化。此时的电流称之为

IR,见图中OC（OC’）段。4.温度对特性的影响

温度升高时二极管正向特性曲线向左移动,正向压降减小;反向特性曲线向下移动,反向电流增大。3.反向击穿特性

由伏安特性看出，当反向电压超过UBR后稍有增加时，反向电流急剧增加,这种现象称为

,

UBR称为。辩是非有所为有所不为三、半导体二极管的主要参数1.最大整流电流IF：二极管允许通过的最大正向平均电流。超过ＩＦ,二极管将过热而烧毁。

2.最大反向工作电压ＵＲM：二极管允许的最大工作电压。当反向电压超过此值时,二极管可能被击穿。为了留有余地,通常取击穿电压的一半作为ＵＲM3.反向饱和电流IR：二极管未击穿时的反向电流值。

4.最高工作频率fM1.最大整流电流：二极管允许通过的最大正向平均电流。超过此电流,二极管将可能因过热而烧毁。

2.最大反向工作电压：二极管允许的最大工作电压。当反向电压超过此值时，二极管可能被击穿。3.反向饱和电流：二极管未击穿时的反向电流值。4.正向峰值浪涌电流：正向浪涌电流承受能力。任务1-1半导体二极管的分析

任务1-2半导体二极管的典型应用电路分析

任务1-3半导体三极管的分析

情境任务任务1-4仪器仪表使用及半导体元件的测量

五、晶体二极管基本电路及分析

1.二极管等效电路

1)理想模型：把二极管看作理想开关

2)恒压降模型（c)二极管恒压降电路模型（d)理想电路模型2.二极管整流电路

把交流电变为直流电，称为整流。一个简单的二极管半波整流电路如图(a)所示。若二极管为理想二极管，当输入一正弦波时，其输入、输出波形见图(b)。整流电路可用于信号检测，也是直流电源的一个组成部分。练一练3.二极管限幅电路限幅电路也称为削波电路，它是一种能把输入电压的变化范围加以限制的电路，常用于波形变换和整形。一个简单的上限幅电路如图(a)所示。

4.二极管电平选择电路

一从多路输入信号中选出最低或最高电平的电路。一种二极管低电平选择电路如图(a)所示。设两路输入信号u1,u2均小于E。若u1<u2，则V1导通后将把uo限制在低电平u1上，使V2截止。反之，若u2<u1，则V2导通，使V1截止。只有当u1=u2时，V1,V2才能都导通。试分析下列几种情况下二极管的工作状态及输出端F的电位VF。设二极管正向压降为0.7V。（1）VA=VB=0V（2）VA=0V，VB=3V（3）VA=3V，VB=0V（4）VA=VB=3V

练习1.稳压管

稳压二极管是利用PN结反向击穿后具有稳压特性制作的二极管。稳压管的主要参数如下:(1)稳定电压UZ

(2)稳定电流IZ

六、特殊二极管IZmin<IZ<IZmax

稳压管的伏安特性及符号稳压二极管的电路符号及伏安特性曲线如图所示。它的正、反向特性与普通二极管基本相同。区别仅在于击穿后，特性曲线更加陡峭，即电流在很大范围内变化时(IZmin<I<IZmax)，其两端电压几乎不变。稳压管正确工作条件之一：稳压管反向接于电路之中AB稳压管正确工作条件之二：IZmin<IZ<IZmax1.稳压管

稳压二极管是利用PN结反向击穿后具有稳压特性制作的二极管。稳压管的主要参数如下:(1)稳定电压UZ

(2)稳定电流IZ

(3)动态电阻rZ(4)电压温度系数

(5)额定功耗PZ

六、特殊二极管IZmin<IZ<IZmax

稳压管动态电阻稳压管等效电路2.发光二极管

发光二极管也称为LED，是一种将电能转换为光能的半导体器件，其应用极为广泛。

早期只能发出低光度的红光，之后发展出其他单色光的版本，时至今日能发出的光已遍及可见光、红外线及紫外线，光度也提高到相当的光度。单色光双色光红外线随着技术的不断进步，发光二极管用途也由初时作为指示灯、显示板等逐渐扩展至广泛应用于显示器、电视机采光装饰和照明。指示灯显示器照明发光二极管分类（1）按使用材料

可分为磷化镓（GaP）发光二极管、磷砷化镓（GaAsP）发光二极管、砷化镓（GaAs）发光二极管、磷铟砷化镓（GaAsInP）发光二极管和砷铝化镓（GaAIAs）发光二极管等多种。（2）按管体颜色

可分为红色、琥珀色、黄色、橙色、浅蓝色、绿色、黑色、白色、透明无色等多种。圆形发光二极管的外径为2~20mm，分为多种规格。（3）按封装形式

可分为金属封装、陶瓷封装、塑料封装、树脂封装和无引线表面封装外，还可分为加色散射封装、无色散射封装、有色透明封装和无色透明封装。金属封装塑料封装无色透明封装（4）按发光颜色

可分为有色光和红外光。有色光又分为红色光、黄色光、橙色光、绿色光等。红色光

黄色光

绿色光

此外，发光二极管还可分为普通单色发光二极管、高亮度发光二极管、超高亮度发光二极管、变色发光二极管、闪烁发光二极管、电压控制型发光二极管、红外发光二极管和负阻发光二极管等。

高亮度发光

闪烁发光

变色发光发光二极管工作条件发光二极管正确工作条件之一：发光二极管正向接于电路之中

发光二极管与普通二极管一样，都是由PN结构成，也具备单向导电性。当发光二极管正偏，注入到N区和P区的载流子被复合时，会发出可见光和不可见光。发光二极管工作条件发光二极管正确工作条件之一：发光二极管正向接于电路之中发光二极管正确工作条件之二：发光二极管串联合适阻值电阻3.光敏二极管

光敏二极管又称为光电二极管（photodiode），是一种能够根据使用方式，将光信号转换成电流或者电压信号的光探测器。光敏二极管工作条件

光敏二极管结构与普通二极管相似，只是管壳上留有一个能入射光线的窗口。其管芯是一个具有光敏特征的PN结，具有单向导电性，工作时需加上反向电压。光敏二极管工作原理无光照时，有很小的饱和反向漏电流，即暗电流，此时光敏二极管截止。当受到光照时,

PN结中产生电子—空穴对，少数载流子密度增加。这些载流子在反向电压下漂移，使反向电流增加，形成光电流，它随入射光强度的变化而变化。因此可以利用光照强弱来改变电路中的电流。光敏二极管典型应用感应式水龙头安防对射管

光敏二极管常常和发光器件（通常是发光二极管）被合并在一起组成一个模块，这个模块常被称为光电耦合元件。光敏二极管典型应用光敏二极管典型应用

光电式烟雾探测器红外线遥控光敏二极管典型应用

照相机测光器亮度自动调节路灯任务1-1半导体二极管的分析

任务1-2半导体二极管的典型应用电路分析

任务1-3半导体三极管的分析

情境任务任务1-4仪器仪表使用及半导体元件的测量

1.3半导体三极管一、三极管的结构与分类几种半导体三极管的外形

任务1-3半导体三极管的分析

1.晶体三极管的结构与符号2.组成晶体管有3个导电区:

发射区——发射载流子的区域;

基区——传输载流子的区域;

集电区——收集载流子的区域。

3个电极：发射极e、基极b、集电极c

2个PN结：be区交界面－－发射结

cb区交界面－－集电结工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，因此，还被称为双极型晶体管（简称BJT）。3.分类

1)NPN、PNP2)高频管、低频管、功放管、开关管

3)大功率、小功率

4)锗管、硅管常用型号分别为：3A(锗PNP)、3B(锗NPN)、3C(硅PNP)、3D(硅NPN)四种系列4.结构特点

1)发射区杂质浓度高

2)基区杂质浓度低、很薄

3)集电结面积大

1）因为发射结正偏，所以发射区向基区注入电子，形成了扩散电流IEN

。同时从基区向发射区也有空穴的扩散运动，形成的电流为IEP。但其数量小，可忽略。所以发射极电流IE≈

IEN。

2）发射区的电子注入基区后，变成了少数载流子。少部分遇到的空穴复合掉，形成IBN。所以基极电流IB≈

IBN。大部分到达了集电区的边缘。3）因为集电结反偏，收集扩散到集电区边缘的电子，形成电流ICN

。

另外，集电结区的少子形成漂移电流ICBO。二、三极管的电流分配与放大作用基极偏置电阻

基极偏置电源

基极回路集电极回路共发射极电路

改变可变电阻RB的阻值，使基极电流IB为不同的值，测出相应的集电极电流IC和发射极电流IE。IB/mA00.020.040.060.080.10IC/mA0.0010.701.502.303.103.95IE/mA0.0010.721.542.363.184.05（1）结论（2）共发射极直流电流放大系数IB/mA00.020.040.060.080.10IC/mA0.0010.701.502.303.103.95IE/mA0.0010.721.542.363.184.05共发射极交流电流放大系数要使NPN三极管能起正常的放大作用，发射结必须加正向偏置，集电结必须加反向偏置。测得工作在放大状态的三极管的两个电极电流如图所示（1）求另一个电极电流，并在图中标出实际方向；（2）标出e、b、C极，判断该管是NPN还是PNP型管；（3）估算其β值。共射极电路对微弱电信号的放大三、晶体三极管特性曲线

1.共发射极接法的输入特性曲线

uＣＥ为常数,iＢ～uＢＥ关系曲线测试原理图输入特性曲线

(1)uCE=0时,曲线和普通二极管的特性相似。常温下硅管的死区电压0.5V、锗管0.1V，发射结导通电压硅管约0.6～0.7V,锗管约0.2～0.3V。

(2)uCE≥1V时，曲线右移,且不同uCE的曲线基本重合。

2.共发射极接法的输出特性曲线

IＢ为常数,IＣ～UＣＥ之间的关系曲线

(1)截止区－－

IＢ≤０的区域

发射结、集电结均反偏。IＢ=0时,IＣ＝0，三极管没有放大作用呈高阻抗，e、c、b之间如同开关断开。

(2)放大区－－曲线平坦区

发射结正偏,集电结反偏。IＣ＝βIＢ，IＣ几乎与UCE而无关。体现了三极管的电流放大作用。

(3)饱和区－－ＵCE≤ＵBE靠近纵轴区

发射结正偏、集电结正偏或零偏。UＣＥ较小，小于临界饱和压降UCES（硅管0.3V，锗管0.1V）。IＣ不受IＢ控制即IＣ≠βIＢ，e、c、b之间如同开关闭合。表三极管的四种运用状态

集电运用状态结发射结

正向运用

反向运用

正向运用

饱和状态

放大状态

反向运用

反向放大状态

截止状态例题：测得工作在放大电路中晶体管三个电极电位：U1=3.5V，U2=2.8V，U3=12V，试判断管型、各电极及所用材料。

在一块工作正常的放大电路板上，测出1端对地为－6.2V，2端对地为－6V，3端对地为－9V，试判断管脚所属电极和管子类型。1）标出e、b、c2）是NPN还是PNP3）锗管还是硅管思考题四、三极管的主要参数及温度的影响

1.电流放大系数－－表征三极管放大能力(1)共发射极交流电流放大系数β(2)共发射极直流电流放大系数β

(3)共基极交流电流放大系数α

(4)共基极直流电流放大系数α。在忽略反向饱和电流ＩＣＢＯ时,在放大区中间，β＝β，α＝α

2.极间反向电流集电极－基极反向饱和电流ＩＣＢＯ：发射极开路时集电结的反向电流，值很小，小功率管硅＜1uA，锗约10uA。越小越好。穿透电流ICEO

：基极开路，c、e间加上一定反向电压时的集电极电流。ICEO＝（1＋β）ICBO3极限参数

（1）集电极最大