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1、模擬電子線路,Analog Circuits,,半導(dǎo)體器件是組成各種電子電路包括模擬電路和數(shù)字電路，分立元件電路和集成電路的基礎(chǔ)。 本章討論半導(dǎo)體的特性，PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，二極管、三極管、場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)，工作原理，特性曲線和主要參數(shù),第1章半導(dǎo)體器件,,物質(zhì)可分為： 導(dǎo)體：<=10-4.cm 如：銅，銀，鋁 絕緣體：=109.cm 如：橡膠，塑料 半導(dǎo)體其導(dǎo)電能力介于上面兩者之間，一般為四價(jià)元素的物質(zhì)，即原子最外層的軌道上均有四個(gè)價(jià)電子,所以稱(chēng)它們?yōu)? 價(jià)元素。 半導(dǎo)體有：元素半導(dǎo)體：硅（Si）、鍺（Ge）等； 化合物半導(dǎo)體：砷化鎵（GaAs）等,第一節(jié)半導(dǎo)體的特性,,
2、原子結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化模型,圖1.1.1 硅或鍺的 簡(jiǎn)化原子結(jié)構(gòu)模型,,本征半導(dǎo)體 通常把非常純凈的、幾乎不含雜質(zhì)的且結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體稱(chēng)為本征半導(dǎo)體。 在T=0K（相當(dāng)于273oC）時(shí)半導(dǎo)體不導(dǎo)電，如同絕緣體一樣。 如溫度升高，如在室溫條件下，將有少數(shù)價(jià)電子獲得足夠的能量，以克服共價(jià)鍵的束縛而成為自由電子，其載流子的數(shù)量很少（自由電子的數(shù)量）導(dǎo)電能力很弱。,1.1.1 本征半導(dǎo)體,,束縛電子 本征激發(fā) 空穴、電子對(duì) 兩種載流子： 電子與空穴載流子 產(chǎn)生與復(fù)合 動(dòng)態(tài)平衡 載流子濃度與T有關(guān),圖1.1.3 本征激發(fā)現(xiàn)象,,在本征半導(dǎo)體中摻入少量的雜質(zhì)，就會(huì)使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著的改變。 根據(jù)摻
3、入雜質(zhì)的化合價(jià)的不同，雜質(zhì)半導(dǎo)體分為: N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體兩大類(lèi)。 一N型半導(dǎo)體： 在4價(jià)硅或鍺的晶體中摻入少量的5價(jià)雜質(zhì)元素，如磷，銻，砷等。,1.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體,,施主雜質(zhì)、多數(shù)載流子（多子）、少數(shù)載流子（少子）、 電子型半導(dǎo)體,（a） （b） 圖1.1.4 N型半導(dǎo)體 （a）結(jié)構(gòu)示意圖 （b）離子和載流子（不計(jì)本征激發(fā)）,,受主雜質(zhì)、多子、少子、空穴型半導(dǎo)體,（a） （b） 圖1.1.5 P型半導(dǎo)體 （a）結(jié)構(gòu)示意圖 （b）離子和載流子（不計(jì)本征激發(fā)）,二P型半導(dǎo)體：在4 價(jià)硅或鍺的晶體中摻入少量 的
4、3 價(jià)雜質(zhì)元素，如硼，錫，銦等。,,N半導(dǎo)體、P半導(dǎo)體電中性 半導(dǎo)體的特性： 1、熱敏性 2、摻雜性 3、光敏性,,1.2.1PN結(jié)及其單向?qū)щ娦? 單純的P型或N型半導(dǎo)體，僅僅是導(dǎo)電能力增強(qiáng)了，因此它還不是電子線路中所需要的半導(dǎo)體器件。若在一塊本征半導(dǎo)體上，兩邊摻入不同的雜質(zhì)，使一邊成為P型半導(dǎo)體，另一邊成為N型半導(dǎo)體，則在兩種半導(dǎo)體的交界面附近形成一層很薄的特殊導(dǎo)電層PN結(jié)。PN結(jié)是構(gòu)成各種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。,第二節(jié)半導(dǎo)體二極管,,1.PN結(jié)的形成 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)、空間電荷區(qū)、耗盡層、漂移運(yùn)動(dòng)、動(dòng)態(tài)平衡、內(nèi)建電位差、勢(shì)壘區(qū)或阻擋層,（a） （b） 圖1.
5、2.1 PN結(jié)的形成 （a）載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) （b）平衡狀態(tài)下的PN結(jié),,,2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦栽?偏置、正向偏置（正偏）、反向偏置（反偏） 正向?qū)?、反向截?（a） （b） 圖1.2.2 外加電壓時(shí)的PN結(jié) （a）正偏 （b）反偏,,,PN結(jié)正偏時(shí)產(chǎn)生較大的正向電流PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。 PN結(jié)反偏時(shí)產(chǎn)生較小的反向電流，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。 故PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?,1.2.2 半導(dǎo)體二極管及其基本特性,（a） （b） 圖1.2.3 二極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào) （a）結(jié)構(gòu)示意圖 （b）符號(hào),一、 二極管的結(jié)構(gòu)與符號(hào),,,圖1.2.4 二極管的伏
6、安特性曲線,,二、二極管（PN結(jié)）伏安特性1、正向特性、 “死區(qū)”、導(dǎo)通電壓或開(kāi)啟電壓；室溫下，硅管的Uon0.5V，鍺管的Uon0.1V。管壓降：硅管UD=0.60.8V，鍺管UD=0.10.3V,,2反向擊穿特性 反向特性、反向飽和電流、反向擊穿電壓。 電擊穿：雪崩擊穿、齊納擊穿。 熱擊穿 需要特別指出的是，普通二極管的反向擊穿電壓較高，一般在幾十伏到幾百伏以上（高反壓管可達(dá)幾千伏）。普通二極管在實(shí)際應(yīng)用中不允許工作在反向擊穿區(qū)。,,二極管的伏安特性方程： 可近似用PN結(jié)的伏安特性方程來(lái)表示。理論研究表明，PN結(jié)兩端電壓U與流過(guò)PN結(jié)的電流I之間的關(guān)系為 （1.2.1） I
7、sat--反向飽和電流 UT =kT/q-溫度電壓當(dāng)量，其中k為玻耳茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度，q為電子電量。在室溫（27或300K）時(shí)UT26mV。,,三、二極管的主要參數(shù) 1、最大整流電流IF：指二極管長(zhǎng)期工作時(shí)，允許通 過(guò)管子的最大正向平均電流。 2、最高反向工作電壓UR： 3、 反向電流IR：指在室溫下，在二極管兩端加上規(guī)定的反向電壓時(shí)，流過(guò)管子的反向電流。 IR愈小單向?qū)щ娦杂谩R與溫度有關(guān)（少子運(yùn)動(dòng)） 4、 最高工作頻率：fM值主要決定于PN結(jié)結(jié)電容的大小。結(jié)電容愈大，則fM愈低。,,四穩(wěn)壓二極管 利用二極管的反向擊穿特性，可將二極管做成一種特殊二極管穩(wěn)壓二極管。穩(wěn)
8、壓二極管簡(jiǎn)稱(chēng)穩(wěn)壓管 穩(wěn)壓二極管的電路符號(hào)如圖1.2.5所示 穩(wěn)壓二極管參數(shù)：穩(wěn)定電壓、穩(wěn)定電流、動(dòng)態(tài)電阻、額定功耗、穩(wěn)定電壓的溫度系數(shù)。,,五、 二極管的分類(lèi)及其選擇 1二極管的分類(lèi) 按材料的可分為鍺管和硅管； 按功能可分為開(kāi)關(guān)管、整流管、穩(wěn)壓管、變?nèi)莨?、發(fā)光管和光電（敏）管等， 普通二極管、特殊二極管； 按工作電流可分為小電流管和大電流管； 按耐壓高低可分為低壓管和高壓管； 按工作頻率高低可分為低頻管和高頻管等。,,2二極管的選擇 （1） 要求導(dǎo)通電壓低時(shí)選鍺管；要求反向電流小時(shí)選硅管；要求擊穿電壓高時(shí)選硅管；要求工作頻率高時(shí)選點(diǎn)接觸型高頻管；要求工作環(huán)境溫度高時(shí)選硅管。 （2） 在修理
9、電子設(shè)備時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)二極管損壞，則用同型號(hào)的管子來(lái)替換。如果找不到同型號(hào)的管子則可改用其他型號(hào)二極管來(lái)代替，替代管子的極限參數(shù)IF 、UR和 fM應(yīng)不低于原管，且替代管子的材料類(lèi)型（硅管或鍺管）一般應(yīng)和原管相同。,,1電容效應(yīng) 二極管除了單向?qū)щ娦酝?，還具有電容效應(yīng)（PN結(jié)電容效應(yīng)），即當(dāng)其兩端電壓變化時(shí)，其存儲(chǔ)的電荷也發(fā)生變化，因此就出現(xiàn)充、放電現(xiàn)象。 按產(chǎn)生的原因不同分為勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容兩種。 （1）勢(shì)壘電容Cb （2）擴(kuò)散電容Cd 結(jié)電容Cj為兩者之和，即Cj= Cb + Cd 正偏時(shí)，Cb Cd ，Cj主要由勢(shì)壘電容決定。,1.2.3 二極管的電容效應(yīng),,2變?nèi)荻O管 利用二極管的電
10、容效應(yīng)，可將二極管做成一種特殊二極管變?nèi)荻O管，其電路符號(hào)如圖1.2.9所示。 主要用作可變電容（受電壓控制） 必須工作在反偏狀態(tài) 常用于高頻電路中的電調(diào)諧電路。,圖1.2.6 變?nèi)荻O管的電路符號(hào),,1光敏特性與光敏二極管 半導(dǎo)體具有光敏特性，光照越強(qiáng)，受激產(chǎn)生的電子空穴對(duì)的數(shù)量越多。 普通二極管的外殼都是不透光的 利用二極管的光敏特性，可制成一種特殊二極管光敏二極管。 光敏二極管又稱(chēng)光電二極管，屬于光電子器件。 為了便于接受光照，光電二極管的管殼上有一個(gè)玻璃窗口，讓光線透過(guò)窗口照射到PN結(jié)的光敏區(qū)。 光電二極管的符號(hào)如圖1.2.7（a）所示。,1.2.4 二極管的光電效應(yīng),,,（a）
11、 （b） 圖1.2.7 光電二極管的符號(hào)與光電特性的測(cè)量電路 （a）符號(hào) （b）光電特性的測(cè)量電路,,,2發(fā)光二極管 發(fā)光二極管的符號(hào)與基本應(yīng)用電路如圖1.2.8所示。顯然，發(fā)光二極管應(yīng)工作在正偏狀態(tài)，且當(dāng)正向電流達(dá)到一定值時(shí)才能發(fā)出光。,（a） （b） 圖1.2.8 光電二極管的符號(hào)與發(fā)光特性的測(cè)量電路 （a）符號(hào) （b）發(fā)光特性的測(cè)量電路,,1.2.5 二極管的溫度特性 半導(dǎo)體還具有熱敏特性 溫度每升高1，正向壓降減小22.5mV； 溫度每升高10，反向電流約增大一倍。 二極管的反向特性受溫度的影響較大 溫度對(duì)二極管的影響是不可避免的，因?yàn)闇囟瓤偸谴嬖谟?/p>
12、器件中存在且經(jīng)常變化的。,,它有空穴和電子兩種載流子參與導(dǎo)電，故稱(chēng)雙極型。 分為硅管和鍺管；大、中、小功率管；高頻管和低頻管。 半導(dǎo)體三極管（簡(jiǎn)稱(chēng)三極管）就是一種能將直流能量轉(zhuǎn)化為交流能量的器件，這樣的器件也稱(chēng)為有源器件。,第三節(jié)、晶體三極管,,半導(dǎo)體三極管又稱(chēng)為雙極型三極管（Bipolar Junction Transistor，BJT）、晶體三極管，簡(jiǎn)稱(chēng)三極管，是最為常用的一種半導(dǎo)體器件。它是通過(guò)一定的工藝，將兩個(gè)PN結(jié)結(jié)合在一起的器件。由于PN結(jié)之間的相互影響，使三極管表現(xiàn)出不同于二極管單個(gè)PN結(jié)的特性而具有電流放大作用，從而使PN結(jié)的應(yīng)用發(fā)生了質(zhì)的飛躍。本節(jié)將圍繞三極管為什么具有電流放
13、大作用這個(gè)核心問(wèn)題，討論三極管的結(jié)構(gòu)、內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)過(guò)程以及它的各極電流分配關(guān)系。,,1.3.1 三極管的結(jié)構(gòu)與符號(hào) 實(shí)物演示 各類(lèi)三極管及其外形 三極管按結(jié)構(gòu)可分為NPN和PNP兩類(lèi)。 三極管的結(jié)構(gòu)：（硅平面型、鍺合金型） 三個(gè)區(qū)：基區(qū)、發(fā)射區(qū)、集電區(qū) 三個(gè)極：基極、發(fā)射極、集電極 三個(gè)結(jié)：發(fā)射結(jié)、集電結(jié),,,,,,,,,1.3.2 三極管放大原理 1三極管的偏置 放大電路中的三極管都需要提供直流電源， 并得到一個(gè)合適的偏置。,,由于三極管有兩個(gè)PN結(jié)，所以偏置的方式有四種： 發(fā)射結(jié)正偏、集電極反偏； 發(fā)射極反偏、集電結(jié)正偏； 二結(jié)均正偏； 二結(jié)均反偏。 放大電路中的三極管的偏置應(yīng)為
14、發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏。 NPN型三極管，UCUBUE ； PNP型三極管， UC
15、5之間； 定義 （1.3.3b） 稱(chēng)為共發(fā)射極直流電流放大系數(shù), 其值一般在幾十至幾百之間。,,由于ICBO一般很小，若忽略ICBO ，則有 IB IBN （13.4a） IC ICN （1.3.4b） IE = ICN IBN = IB IC （1.3.4c） （1.3.5a） （1.3.5b）,,因此， （1.3.6） （1.3.7） 且有 (1.3.8a) (1.3.8b),,,,,,,若考慮ICBO，則由式（1.3.1）、
16、（1.3.2）和（1.3.3）得 (1.3.9) 上式第二項(xiàng)用ICEO表示，即 于是 通常稱(chēng)ICEO為穿透電流，或集電極.發(fā)射極間反向飽和電流。,,,,,管子各極的電流及方向如圖2.1.7所示。PNP型管的各極電流方向與NPN型管相反，但電流分配關(guān)系完全相同。 三極管三個(gè)電極的電流中，IB 最小，IE最大，IC IE ,即 IEICIB 。,（a） （b） 圖1.3.7 三極管各極的電流及方向 （a）NPN型 （b）PNP型,,,,1.3.3 三極管的共射特性曲線,采用共射接法的三極管的特性曲線稱(chēng)為共射特性曲線。 三極管有三個(gè)電極，而且還有放大作用，
17、所以它的特性曲線要比二極管復(fù)雜的多。常用的是輸入特性曲線和輸出特性曲線。,圖1.3.8 測(cè)量三極管共射特性曲線的電路,,輸入特性曲線反映了三極管輸入端的電流iB和電壓uBE關(guān)系，輸出特性曲線則反映了三極管輸出端的電流iC和電壓uCE的關(guān)系。 1.共射輸入特性曲線 三極管的共射輸入特性曲線表示當(dāng)管子的輸出電壓uCE為常數(shù)時(shí)，輸入電流iB與輸入電壓uBE之間的關(guān)系曲線，即,在一般情況下，當(dāng)uCE較大（大于1V）時(shí)，三極管工作在正常放大狀態(tài)，則uCE對(duì)iB的影響很小。因此，為使問(wèn)題簡(jiǎn)單化，將只考慮保證uCE始終大于 1V，但并不固定uCE為某一數(shù)值，其誤差很小。,,圖1.3.9為某硅NPN管的共
18、射輸入特性曲線,,（1）uCE =0V時(shí)，相當(dāng)于c、e極短路，這時(shí)三極管可以看為兩個(gè)二極管的正向并聯(lián)，因此uCE =0V的輸入特性與二極管的正向特性相似，但更陡一些。 （2）隨著uCE的增大，曲線逐漸右移。這是因?yàn)殡S著uCE的增大，基區(qū)調(diào)寬效應(yīng)使電子在基區(qū)與空穴的復(fù)合減少，在相同的uBE下iB減小，曲線右移。 （3）uCE1V以后各條輸入特性曲線密集在一起，幾乎重合。 由于在實(shí)際使用時(shí)，uCE一般總是大于1V的，因此通常只畫(huà)出有用的uCE =1V的那條輸入特性曲線。,,(4) 一般硅管的UBE0.7V， 鍺管的UBE0.2V。 (5) 輸入特性是非線性的。 總之，三極管
19、的輸入特性曲線與二極管的正向特性相似，因?yàn)閎、e極間是正向偏置的PN結(jié)。,,2共射輸出特性曲線 共射組態(tài)時(shí)，三極管的輸出電流iC不但取決于輸出電壓uCE ，而且與輸入電流iB有關(guān)。三極管的共射輸出特性曲線表示當(dāng)管子的輸入電流iB為某一常數(shù)時(shí)，輸出電流iC與輸出電壓uCE之間的關(guān)系曲線，即,,圖1.3.10為某硅NPN三極管的共射輸出特性曲線,,（1） 曲線起始部分較陡，且不同iB曲線的上升部分幾乎重合。這表明uCE很小時(shí)，uCE略有增大，iC就很快增加，但iC幾乎不受iB的影響。 （2）當(dāng)uCE較大（如大于1V）后，曲線比較平坦，但略有上翹。 （3）輸出特性是非線性的。 由共射
20、輸出特性曲線，可以把三極管的工作狀態(tài)分為三個(gè)區(qū)域 ： 截止區(qū)、放大區(qū)、飽和區(qū),,（1）截止區(qū) 通常把iB=0（此時(shí)iC=iE=ICEO ）的輸出特性曲線以下的區(qū)域稱(chēng)為截止區(qū)。截止區(qū)的特點(diǎn)是各極電流均很小（接近或等于零），此時(shí)發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均反偏，三極管失去放大作用且呈高阻狀態(tài)，e、b、c極之間近似看作開(kāi)路。,,（2）放大區(qū) 放大區(qū)指iB0和uCEuBE的區(qū)域，粗略看來(lái)就是圖2.5.4中曲線的平坦部分。 在放大區(qū)，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。此時(shí)由于iCiB ，則iC隨時(shí)iB而變化，即iC受控于iB（受控特性）；同時(shí)iC與uCE基本無(wú)關(guān)，即iC對(duì)uCE而言可近似看成恒流（恒流特性）。
21、 由于iCiB ，所以三極管有電流放大的作用。曲線間的間隔大小反映出的大小，即管子的電流放大能力。三極管只有工作在放大區(qū)才有放大作用。由于iC受控于iB ，所以三極管是一種電流控制型器件。,,（3）飽和區(qū) 飽和區(qū)指uCEuBE的區(qū)域，大致是圖2.5.4中曲線靠近縱軸的區(qū)域。在飽和區(qū)，發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均正偏，三極管也失去放大作用，iC=iB不再成立。這時(shí)，iC隨uCE而變化，卻幾乎不受iB控制，即：當(dāng)uCE一定時(shí)，即使iB增加，iC卻幾乎不變，這就是飽和現(xiàn)象。由于三極管飽和時(shí)，各極之間電壓很小，而電流卻較大，呈現(xiàn)低阻狀態(tài)，故各極之間可近似看成短路。,,飽和時(shí)的uCE稱(chēng)飽和壓降，用UCE（sat）表示。 小功率硅管UCE（sat）0.3V； 小功率鍺管UCE（sat）0.1V； 大功率硅管UCE（sat）1V。 uCE=uBE（即uCB=0，集電結(jié)零偏）時(shí)的狀態(tài)稱(chēng)臨界飽和，見(jiàn)圖1.3.10中的虛線，此線稱(chēng)臨界飽和線。臨界飽和線是飽和區(qū)和放大區(qū)的分界線，該線左方區(qū)域的uCEuBE（或uCB0），稱(chēng)為過(guò)飽和。 應(yīng)當(dāng)指出，當(dāng)uCE增大到某一值時(shí)，iC將急劇增加，這時(shí)三極管發(fā)生擊穿，擊穿電壓隨iB的增加而減小。（未畫(huà)） PNP型管的特性曲線是“倒置”的。,,
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