第1章电子元器件基本知识精.ppt

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1、第1章电子元器件基本知识第1页，本讲稿共30页1.1 1.1 半导体基本知识半导体基本知识1.1.1 1.1.1 半导体的特点半导体的特点1.1.本征半导体本征半导体 所谓本征半导体就是结构完整的、纯净的不掺杂任何杂质所谓本征半导体就是结构完整的、纯净的不掺杂任何杂质的半导体。的半导体。2.2.自由电子和空穴自由电子和空穴 共价键中的电子不是自由的，不能自由运动。即本征半导共价键中的电子不是自由的，不能自由运动。即本征半导体是不导电的。体是不导电的。下一页下一页 返回返回第2页，本讲稿共30页1.1 1.1 半导体基本知识半导体基本知识3.3.杂质半导体杂质半导体1 1）N N型半导体型半导体

2、 在本征半导体硅（或锗）中掺入微量五价元素（如磷）在本征半导体硅（或锗）中掺入微量五价元素（如磷）后，就可形成后，就可形成N N型半导体。型半导体。2 2）P P型半导体型半导体 在本征半导体硅（或锗）中掺入微量五价元素（如硼）在本征半导体硅（或锗）中掺入微量五价元素（如硼）后，就可形成后，就可形成P P型半导体。型半导体。上一页上一页 下一页下一页第3页，本讲稿共30页1.1 1.1 半导体基本知识半导体基本知识1.1.2 PN1.1.2 PN结形成与特点结形成与特点1.PN1.PN结的形成结的形成 在一块完整的半导体晶片的两边，通过掺杂工艺分别做成在一块完整的半导体晶片的两边，通过掺杂工艺

3、分别做成P P型半导体和型半导体和N N型半导体，在它们的交界面处将形成一个具有特殊型半导体，在它们的交界面处将形成一个具有特殊性能的带电薄层，这个带点薄层就叫做性能的带电薄层，这个带点薄层就叫做PNPN结。结。2.PN2.PN结的单向导电性结的单向导电性1 1）PNPN结正向偏置结正向偏置 当当PNPN结的结的P P区接电源正极，区接电源正极，N N区接电源负极时，称为给区接电源负极时，称为给PNPN结结上一页上一页 下一页下一页第4页，本讲稿共30页1.1 1.1 半导体基本知识半导体基本知识外加正向偏置电压，简称正偏。外加正向偏置电压，简称正偏。2 2）PNPN结反向偏置结反向偏置 当当

4、PNPN结的结的P P区接电源负极，区接电源负极，N N区接电源正极时，称为给区接电源正极时，称为给PNPN结结外加反向偏置电压，简称反偏。外加反向偏置电压，简称反偏。由于外加电源产生的电场与由于外加电源产生的电场与PNPN结内电场方向相同，加强了内结内电场方向相同，加强了内电场，使电场，使PNPN结变宽，阻碍了结变宽，阻碍了P P区和区和N N区多数载流子向对方的扩散。区多数载流子向对方的扩散。在外电场作用下，只有少数载流子形成了极为微弱的电流，称为在外电场作用下，只有少数载流子形成了极为微弱的电流，称为反向电流。此时反向电流。此时PNPN结处于反向截止状态。应当指出，反向电流是结处于反向截

5、止状态。应当指出，反向电流是少数载流子由于热激发产生，因而反向电流受温度影响很大。少数载流子由于热激发产生，因而反向电流受温度影响很大。上一页上一页 返回返回第5页，本讲稿共30页1.2 1.2 半导体二极管半导体二极管1.2.1 1.2.1 二极管的结构和类型二极管的结构和类型1.1.结构和符号结构和符号 PNPN结用管壳封装，并在两端引出两根电极引线，便构成了结用管壳封装，并在两端引出两根电极引线，便构成了二极管。二极管是最基本的半导体器件，它广泛应用于整流、稳二极管。二极管是最基本的半导体器件，它广泛应用于整流、稳压、检波和开关等电子技术领域。常见二极管的外形及二极管的压、检波和开关等电

6、子技术领域。常见二极管的外形及二极管的电路符号如电路符号如图图1-61-6所示，三角形表示所示，三角形表示P P区，短线表示区，短线表示N N区。区。下一页下一页 返回返回第6页，本讲稿共30页图图1-61-6返回返回第7页，本讲稿共30页1.2 1.2 半导体二极管半导体二极管2.2.类型类型 依据不同的分类方法，可对二极管的类型做以下归类：依据不同的分类方法，可对二极管的类型做以下归类：（1 1）按制造材料分：有硅二极管、锗二极管等。）按制造材料分：有硅二极管、锗二极管等。（2 2）按用途分：有整流、稳压、检波、开关等二极管。）按用途分：有整流、稳压、检波、开关等二极管。（3 3）按结构分

7、：有点接触型、面结型和平面型二极管。）按结构分：有点接触型、面结型和平面型二极管。（4 4）按功率分：有大功率、中功率、小功率二极管。）按功率分：有大功率、中功率、小功率二极管。（5 5）按封装形式分：有金属封装和塑料封装二极管。）按封装形式分：有金属封装和塑料封装二极管。上一页上一页 下一页下一页第8页，本讲稿共30页1.2 1.2 半导体二极管半导体二极管1.2.2 1.2.2 二极管的特性及参数二极管的特性及参数1.1.二极管的单向导电性二极管的单向导电性 半导体二极管的核心其实就是一个半导体二极管的核心其实就是一个PNPN结，二极管的特性就结，二极管的特性就是是PNPN结的特性，即单向

8、导电性。结的特性，即单向导电性。1 1）二极管正向运用）二极管正向运用 二极管的正极接高电位，负极接低电位（即二极管的正极接高电位，负极接低电位（即PNPN结的结的P P区接高区接高电位，电位，N N区接低电位），称为二极管处于正向运用，又称为外加区接低电位），称为二极管处于正向运用，又称为外加正向电压或叫正向偏置。正向电压或叫正向偏置。2 2）二极管反向运用）二极管反向运用 二极管的正极接低电位，负极接高电位（即二极管的正极接低电位，负极接高电位（即PNPN结的结的P P区接低区接低上一页上一页 下一页下一页第9页，本讲稿共30页1.2 1.2 半导体二极管半导体二极管电位，电位，N N区接

9、高电位），称为二极管反向运用，又称为外加反向区接高电位），称为二极管反向运用，又称为外加反向电压或叫反向偏置。此时流过二极管的电流非常小，仅为零点电压或叫反向偏置。此时流过二极管的电流非常小，仅为零点几几AA，而且反向电压增大时，反向电流几乎不变，该电流称为，而且反向电压增大时，反向电流几乎不变，该电流称为反向饱和电流，记为反向饱和电流，记为I IS S，我们称二极管处于截止状态。，我们称二极管处于截止状态。2.2.二极管的反向击穿特性二极管的反向击穿特性 二极管反向应用时，当反向电压超过一定数值时，反向电二极管反向应用时，当反向电压超过一定数值时，反向电流会急剧增加，这种现象称为二极管反向击

10、穿。流会急剧增加，这种现象称为二极管反向击穿。3.3.二极管的温度特性二极管的温度特性上一页上一页 下一页下一页第10页，本讲稿共30页1.2 1.2 半导体二极管半导体二极管 二极管的核心是一个二极管的核心是一个PNPN结，它的导电性能对温度比较敏结，它的导电性能对温度比较敏感，温度对二极管的影响主要有两个方面：一是反向饱和电流感，温度对二极管的影响主要有两个方面：一是反向饱和电流I IS S随温度升高而增大，二是正向压随温度升高而降低。随温度升高而增大，二是正向压随温度升高而降低。4.4.二极管的主要参数二极管的主要参数1 1）最大整流电流）最大整流电流I IF F 最大整流电流最大整流电

11、流I IF F是指二极管长期工作时，所允许通过的最大是指二极管长期工作时，所允许通过的最大正向平均电流。正向平均电流。2 2）反向击穿电压）反向击穿电压U U(BR)(BR)引起二极管反向击穿的电压。引起二极管反向击穿的电压。上一页上一页 下一页下一页第11页，本讲稿共30页1.2 1.2 半导体二极管半导体二极管3 3）最大反向工作电压）最大反向工作电压U URMRM 实际使用时加在二极管两端的最大反向电压。实际使用时加在二极管两端的最大反向电压。4 4）反向饱和电流）反向饱和电流I IR R 反向饱和电流反向饱和电流I IR R是指在规定的反向电压和室温下所测得的反是指在规定的反向电压和室

12、温下所测得的反向电流值。向电流值。5 5）最高工作频率）最高工作频率f fM M 6 6）直流电阻）直流电阻R RD D 二极管直流电阻二极管直流电阻R RD D指加在二极管两端的直流电压与流过二极指加在二极管两端的直流电压与流过二极管两端的直流电流的比值。管两端的直流电流的比值。上一页上一页 下一页下一页第12页，本讲稿共30页1.2 1.2 半导体二极管半导体二极管1.2.3 1.2.3 二极管的应用电路举例二极管的应用电路举例1.1.整流电路整流电路 所谓整流，就是指把交流电压变成直流电压的过程。所谓整流，就是指把交流电压变成直流电压的过程。2.2.限幅电路限幅电路 如如图图1-111-

13、11（a a）是一个简单限幅电路，理想二极管是一个简单限幅电路，理想二极管D D，限流，限流电阻电阻R R，直流电压，直流电压U U。当输入信号电压。当输入信号电压u ui iUU时，二极管时，二极管D D导通，导通，u u0 0=U=U；当输入信号电压；当输入信号电压u ui iUU；D D截止，视为开路，截止，视为开路，u u0 0=u=ui i，输入、，输入、输出波形如输出波形如图图1-111-11（b b）所示，显然，该电路能把输出信号的最）所示，显然，该电路能把输出信号的最高电平限制在某一数值上，称为上限幅电路。高电平限制在某一数值上，称为上限幅电路。上一页上一页 下一页下一页第13

14、页，本讲稿共30页图图1-111-11返回返回第14页，本讲稿共30页1.2 1.2 半导体二极管半导体二极管1.2.4 1.2.4 特殊二极管及应用特殊二极管及应用1.1.稳压二极管稳压二极管1 1）稳压二极管的工作特性）稳压二极管的工作特性 利用二极管的反向击穿特性制成的专用二极管称为稳压二极利用二极管的反向击穿特性制成的专用二极管称为稳压二极管，其工作原理是利用管，其工作原理是利用PNPN结发生反向击穿时，流过二极管的反结发生反向击穿时，流过二极管的反向电流在较大范围内变化而二极管两端电压基本不变这一特点。向电流在较大范围内变化而二极管两端电压基本不变这一特点。2 2）稳压二极管的主要参

15、数）稳压二极管的主要参数（1 1）稳定电压）稳定电压U UZ Z ：稳定电压：稳定电压U UZ Z即反向击穿电压。即反向击穿电压。（2 2）最小稳定电流）最小稳定电流I IZminZmin （3 3）最大稳定电流）最大稳定电流I IZmazZmaz 上一页上一页 下一页下一页第15页，本讲稿共30页1.2 1.2 半导体二极管半导体二极管2.2.发光二极管和电光二极管发光二极管和电光二极管 发光二极管是用砷化镓、磷砷化镓等特殊化合物制成的二发光二极管是用砷化镓、磷砷化镓等特殊化合物制成的二极管，和普通二极管一样，也是由极管，和普通二极管一样，也是由PNPN结构成，同样具有单向导结构成，同样具有

16、单向导电性。但是这种二极管在正向电流通过时，能将电流转换成光电性。但是这种二极管在正向电流通过时，能将电流转换成光能而发光，根据发光波长，分为激光管、红外光管和可见光管。能而发光，根据发光波长，分为激光管、红外光管和可见光管。光电二极管是将光能装变成电流的器件。光电二极管是将光能装变成电流的器件。3.3.变容二极管变容二极管 变容二极管是指利用变容二极管是指利用PNPN结电容可变原理制成的二极管，它结电容可变原理制成的二极管，它也工作在反向偏置状态，当外加的反向偏置电压大小变化时，也工作在反向偏置状态，当外加的反向偏置电压大小变化时，其结电容随着外加偏压的变化而变化，相当于一个电压控制的其结电

17、容随着外加偏压的变化而变化，相当于一个电压控制的可变电容。可变电容。上一页上一页 返回返回第16页，本讲稿共30页1.3 1.3 半导体三极管半导体三极管1.3.1 1.3.1 三极管的结构和类型三极管的结构和类型1.1.三极管的结构和电路符合三极管的结构和电路符合 它是由三种不同性质的半导体组合而成，按照半导体的排列它是由三种不同性质的半导体组合而成，按照半导体的排列顺序不同，可将其分成顺序不同，可将其分成NPNNPN型管和型管和PNPPNP型管。型管。2.2.三极管的类型三极管的类型（1 1）按结构类型分：）按结构类型分：NPNNPN型、型、PNPPNP型。型。（2 2）按制作材料分：硅管

18、、锗管。）按制作材料分：硅管、锗管。（3 3）按功率大小分：大、中、小功率管。）按功率大小分：大、中、小功率管。（4 4）按工作频率分：高频管、低频管。）按工作频率分：高频管、低频管。（5 5）按工作状态分：开关管、放大管。）按工作状态分：开关管、放大管。下一页下一页 返回返回第17页，本讲稿共30页1.3 1.3 半导体三极管半导体三极管1.3.2 1.3.2 三极管电流分配和放大作用三极管电流分配和放大作用1.1.三极管的工作电压三极管的工作电压 三极管处于放大状态的外部电压条件是：发射结正偏、集三极管处于放大状态的外部电压条件是：发射结正偏、集电结反偏，原理电路如电结反偏，原理电路如图图

19、1-141-14所示。所示。2.2.三极管的电流放大作用三极管的电流放大作用（1 1）NPNNPN型三极管的基极电流和集电极电流流进三极管，而发射型三极管的基极电流和集电极电流流进三极管，而发射上一页上一页 下一页下一页第18页，本讲稿共30页图图1-141-14返回返回第19页，本讲稿共30页1.3 1.3 半导体三极管半导体三极管极电流流出三极管（对于极电流流出三极管（对于PNPPNP型三极管则正好相反）。型三极管则正好相反）。（2 2）三极管的电流符号基尔霍夫结点电流关系，称为三极管的）三极管的电流符号基尔霍夫结点电流关系，称为三极管的电流分配关系。电流分配关系。（3 3）微小的基极电流

20、变化引起了集电极电流几十乃至上百倍的）微小的基极电流变化引起了集电极电流几十乃至上百倍的变化，这就是三极管的电流控制作用，激流电流变化，这就是三极管的电流控制作用，激流电流I IB B对集电极电流对集电极电流I IC C的控制作用，也称为三极管的电流放大作用。因此半导体三极的控制作用，也称为三极管的电流放大作用。因此半导体三极管是一种电流控制型器件。管是一种电流控制型器件。上一上一页页 下一页下一页第20页，本讲稿共30页1.3 1.3 半导体三极管半导体三极管1.3.3 1.3.3 三极管的特征曲线三极管的特征曲线 三极管的特征曲线是指三极管各级间电压和电流之间的关三极管的特征曲线是指三极管

21、各级间电压和电流之间的关系曲线。特性曲线是用来描述各级电流与电压的关系，是分析系曲线。特性曲线是用来描述各级电流与电压的关系，是分析三极管电路的基础。三极管电路的基础。1.1.输入特性曲线输入特性曲线 共射极输入特性曲线所描述的是加在基极与发射极之间的共射极输入特性曲线所描述的是加在基极与发射极之间的电压电压u uBEBE和与之对应的基极电流和与之对应的基极电流i iB B的关系。的关系。2.2.输出特性曲线输出特性曲线 输出特性曲线所描述的是加在发射极与集电极之间的电压输出特性曲线所描述的是加在发射极与集电极之间的电压u uCECE和与之对应的集电极电流和与之对应的集电极电流i iC C的关

22、系。的关系。上一页上一页 下一页下一页第21页，本讲稿共30页1.3 1.3 半导体三极管半导体三极管1.3.4 1.3.4 三极管的主要参数三极管的主要参数1 1）电流放大系数）电流放大系数 =I=IC C/I/IB B2 2）极间反向电流）极间反向电流 反向饱和电流反向饱和电流I ICBOCBO 穿透电流穿透电流I ICEOCEO 3 3）极限参数）极限参数（1 1）反向击穿电压）反向击穿电压U U(BR)CBO(BR)CBO：发射极开路，集电极：发射极开路，集电极-基极之间的反向击穿电压。基极之间的反向击穿电压。上一页上一页 下一页下一页第22页，本讲稿共30页1.3 1.3 半导体三极

23、管半导体三极管U U(BR)EBO(BR)EBO：集电极开路，基极：集电极开路，基极-发射极之间的反向击穿电压。发射极之间的反向击穿电压。U U(BR)CEO(BR)CEO：基极开路，集电极：基极开路，集电极-发射极之间的反向击穿电压。发射极之间的反向击穿电压。U U(BR)CBR(BR)CBR：基极与发射极之间接电阻，集电极：基极与发射极之间接电阻，集电极-发射极之间的反向发射极之间的反向击穿电压。击穿电压。U U(BR)CES(BR)CES：基极与发射极之间短路，集电极：基极与发射极之间短路，集电极-发射极之间的反向击发射极之间的反向击穿电压。穿电压。（2 2）集电极最大允许电流）集电极最

24、大允许电流I ICMCM （3 3）集电极最大允许耗散功率）集电极最大允许耗散功率P PCMCM 上一上一页页 下一页下一页第23页，本讲稿共30页1.3 1.3 半导体三极管半导体三极管1.3.5 1.3.5 复合三极管复合三极管 在放大电路中，有时单只三极管难以满足某些方面的特殊在放大电路中，有时单只三极管难以满足某些方面的特殊要求，通常把两个或两个以上三极管按一定方式连接成一个电要求，通常把两个或两个以上三极管按一定方式连接成一个电路来达到所要求的参数，这个电路可以等效的看成一只参数特路来达到所要求的参数，这个电路可以等效的看成一只参数特别的管子，称为复合管。复合管又称达林顿管。别的管子

25、，称为复合管。复合管又称达林顿管。1.1.两只同类型（两只同类型（NPNNPN或或PNPPNP）三极管组成的复合管）三极管组成的复合管 图图1-201-20（a a）是由两只）是由两只NPNNPN（或（或PNPPNP）型三极管构成的复合管）型三极管构成的复合管电路，根据电流的流向，这个电路可以等效成电路，根据电流的流向，这个电路可以等效成图图1-201-20（b b）所示所示的一只特殊参数的的一只特殊参数的NPNNPN型三极管型三极管T T。2.2.两只不同类型（两只不同类型（NPNNPN或或PNPPNP）三极管组成的复合管）三极管组成的复合管上一页上一页 返回返回第24页，本讲稿共30页图图

26、1-201-20返回返回第25页，本讲稿共30页1.4 1.4 场效应管场效应管1.4.1 1.4.1 绝缘栅型场效应管的原理和特性绝缘栅型场效应管的原理和特性 晶体三极管是利用输入电流控制输出电流的半导体器件，晶体三极管是利用输入电流控制输出电流的半导体器件，称为电流控制型器件。场效应管是利用电场效应来控制输出电称为电流控制型器件。场效应管是利用电场效应来控制输出电流的半导体器件。场效应管具有输入电阻高、噪声小、热稳定流的半导体器件。场效应管具有输入电阻高、噪声小、热稳定性高、抗干扰能力强和制作工艺简单等优点，在现代的各种集性高、抗干扰能力强和制作工艺简单等优点，在现代的各种集成电路中得到广

27、泛的应用。成电路中得到广泛的应用。1.1.增强型绝缘栅型场效应管的结构和符号增强型绝缘栅型场效应管的结构和符号2.2.增强型绝缘栅型场效应管的工作原理增强型绝缘栅型场效应管的工作原理 下一页下一页 返回返回第26页，本讲稿共30页1.4 1.4 场效应管场效应管3.N3.N沟道增强型绝缘栅型场效应管的特性曲线沟道增强型绝缘栅型场效应管的特性曲线1 1）输出特性曲线）输出特性曲线 U UGSGS越大，半导体表面的电场就越强，形成导电沟道的电子越大，半导体表面的电场就越强，形成导电沟道的电子就越多，导电沟道就越宽。相反，就越多，导电沟道就越宽。相反，U UGSGS越小，导电沟道越窄。所越小，导电沟

28、道越窄。所以，改变以，改变U UGSGS就可以改变导电沟道的宽窄，在电压就可以改变导电沟道的宽窄，在电压U UDSDS作用下，作用下，U UGSGS可以控制可以控制i iD D的大小，这就是的大小，这就是N N沟道沟道MOSMOS管的工作原理。这种在管的工作原理。这种在U UGSGS=0=0时没有导电沟道，而只有在时没有导电沟道，而只有在U UGSGS大于大于U UGSGS（thth）时才能形成导电时才能形成导电沟道的沟道的MOSMOS管称做增强型管。管称做增强型管。2 2）转移特性）转移特性 上一页上一页 下一页下一页第27页，本讲稿共30页1.4 1.4 场效应管场效应管1.4.2 1.4

29、.2 场效应管主要参数场效应管主要参数1.1.低频跨导低频跨导g gm m 2.2.夹断电压夹断电压U UGS(off)GS(off)和开启电压和开启电压U UGS(th)GS(th)夹断电压夹断电压U UGS(off)GS(off)和开启电压和开启电压U UGS(th)GS(th)是两个极限电压，但其实是两个极限电压，但其实质是一样的，对应于质是一样的，对应于I ID D电流从无到有，或者从有到无时的栅源电电流从无到有，或者从有到无时的栅源电压压U UGSGS。3.3.漏极饱和电流漏极饱和电流I IDSSDSS 4.4.击穿电压击穿电压上一上一页页 下一页下一页第28页，本讲稿共30页1.4

30、 1.4 场效应管场效应管 漏源击穿电压漏源击穿电压U U(BR)DS(BR)DS 栅源击穿电压栅源击穿电压U U(BR)GS(BR)GS 在实际使用中加在场效应管各电极之间的电压不允许超过在实际使用中加在场效应管各电极之间的电压不允许超过上述两个击穿电压，否则会损坏场效应管。上述两个击穿电压，否则会损坏场效应管。5.5.漏极最大允许耗散功率漏极最大允许耗散功率P PDMDM 场效应管工作时要消耗电功率，继而转变成热能，使场效场效应管工作时要消耗电功率，继而转变成热能，使场效应管的温度升高。所以场效应管在工作时实际消耗的功率不允应管的温度升高。所以场效应管在工作时实际消耗的功率不允许超过许超过

31、P PDMDM，否则会因温度过高而烧毁场效应管。，否则会因温度过高而烧毁场效应管。上一上一页页 下一页下一页第29页，本讲稿共30页1.4 1.4 场效应管场效应管1.4.3 1.4.3 场效应管与双极型三极管比较场效应管与双极型三极管比较（1 1）场效应管是电压控制器件，三极管是电流控制器件。）场效应管是电压控制器件，三极管是电流控制器件。（2 2）场效应管是单极型器件，三极管为双极性器件。）场效应管是单极型器件，三极管为双极性器件。（3 3）场效应管的输入电阻很大，三极管在放大状态时输入电阻）场效应管的输入电阻很大，三极管在放大状态时输入电阻很小。很小。（4 4）场效应管的功耗低、制造工艺简单、便于集成化，因此在）场效应管的功耗低、制造工艺简单、便于集成化，因此在电子设备中得到了广泛应用。电子设备中得到了广泛应用。上一页上一页 返回返回第30页，本讲稿共30页