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1、会计学 1模拟电子(dinz)技术基础第童诗白华成英第一页，共37 页。第一章 半导体二极管和三极管1.1 半导体基础知识1.2 半导体二极管1.3 晶体(jngt)三极管第 1 页/共 37 页第二页，共37 页。1 半导体基础知识一、本征半导体二、杂质(zzh)半导体三、PN结的形成(xngchng)及其单向导电性四、PN结的电容(dinrng)效应第 2 页/共 37 页第三页，共37 页。一、一、本征半导体本征半导体 导电性介于导体(dot)与绝缘体之间的物质称为半导体(dot)。本征半导体是纯净(chnjng)的晶体结构的半导体。1、什么(shn me)是半导体？什么(shn me)
2、是本征半导体？导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。绝缘体惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。半导体硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。无杂质 稳定的结构第 3 页/共 37 页第四页，共37 页。2 2、本征半导体的结构、本征半导体的结构(jigu)(jigu)由于热运动，具有(jyu)足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为(chn wi)空穴 自由电子与空穴相碰同时消
3、失，称为复合。共价键 一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。动态平衡第 4 页/共 37 页第五页，共37 页。两种载流子 外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反(xingfn)。由于载流子数目很少，故导电性很差。为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？3 3、本征半导体中的两种载流子、本征半导体中的两种载流子运载电荷的粒子(lz)称为载流子。温度升高，热运动加剧，载流子浓度(nngd)增大，导电性增强。热力学温度0K时不导电。第 5 页/共 37 页第六页，共37 页。二、杂质二、杂质
4、(zzh)(zzh)半导体半导体 1.N 1.N型半导体型半导体磷（P）杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子(du z)浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。多数(dush)载流子 空穴比未加杂质时的数目多了？少了？为什么？第 6 页/共 37 页第七页，共37 页。2.2.P P型半导体 型半导体硼（B）多数(dush)载流子 P型半导体主要靠空穴(kn xu)导电，掺入杂质越多，空穴(kn xu)浓度越高，导电性越强，在杂质半导体中，温度变化(binhu)时，载流子的数目变化(binhu)吗？少子与多子变化(binhu)的数目相同吗？少子与多子浓度的变化(binhu)相同吗？
5、第 7 页/共 37 页第八页，共37 页。三、三、PNPN结的形成结的形成(xngchng)(xngchng)及其单向及其单向导电性导电性 物质因浓度差而产生的运动称为(chn wi)扩散运动。气体、液体、固体均有之。扩散运动P区空穴(kn xu)浓度远高于N区。N区自由电子浓度远高于P区。扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低，产生内电场。第 8 页/共 37 页第九页，共37 页。PN PN 结的形成 结的形成(xngchng)(xngchng)因电场作用所产生(chnshng)的运动称为漂移运动。参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到(d do)
6、动态平衡，就形成了PN 结。漂移运动 由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N 区运动。第 9 页/共 37 页第十页，共37 页。PN结加正向电压导通：耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，PN结处于(chy)导通状态。PN结加反向(fn xin)电压截止：耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似认为其截止。PN PN 结的单向 结的单向(dn xin(dn xin)导电性 导电性必要吗？第 10 页/共 37 页第十一页，共37 页。四、四、PN
7、 PN 结的电容结的电容(dinrng)(dinrng)效应效应1.势垒电容(dinrng)PN 结外加电压变化(binhu)时，空间电荷区的宽度将发生变化(binhu)，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容Cb。2.扩散电容 PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容Cd。结电容：结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！第 1 1 页/共 37 页第十二页，共37 页。问题问题(wnt)(wnt)n n 为什么将自然界导电性能中等的半导体材料 为什么将自然
8、界导电性能中等的半导体材料(cilio)(cilio)制成本征半导体，导电性能极差，又将 制成本征半导体，导电性能极差，又将其掺杂，改善导电性能？其掺杂，改善导电性能？n n 为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还是少 为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还是少子是影响温度稳定性的主要因素？子是影响温度稳定性的主要因素？n n 为什么半导体器件有最高工作频率？为什么半导体器件有最高工作频率？第 12 页/共 37 页第十三页，共37 页。2 半导体二极管一、二极管的组成(z chn)二、二极管的伏安特性及电流(dinli)方程三、二极管的等效电路四、二极管的主要参数五、稳压(wn y)二极
9、管第 13 页/共 37 页第十四页，共37 页。一、二极管的组成 一、二极管的组成(z(z chn chn)将PN结封装，引出(yn ch)两个电极，就构成了二极管。小功率(gngl)二极管大功率二极管稳压二极管发光二极管第 14 页/共 37 页第十五页，共37 页。一、二极管的组成 一、二极管的组成(z(z chn chn)点接触型：结面积小，结电容小，故结允许(ynx)的电流小，最高工作频率高。面接触型：结面积大，结电容大，故结允许(ynx)的电流大，最高工作频率低。平面型：结面积可小、可大，小的工作频率高，大的结允许的电流大。第 15 页/共 37 页第十六页，共37 页。二、二极管
10、的伏安特性及电流 二、二极管的伏安特性及电流(dinli)(dinli)方程 方程材料 开启电压 导通电压 反向饱和电流硅Si 0.5V 0.50.8V 1 A 以下锗Ge 0.1V 0.10.3V 几十 A开启(kiq)电压反向(fn xin)饱和电流击穿电压温度的电压当量二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。第 16 页/共 37 页第十七页，共37 页。第 17 页/共 37 页第十八页，共37 页。利用 利用(lyng)Multisim(lyng)Multisim测试二极管伏 测试二极管伏安特性 安特性第 18 页/共 37 页第十九页，共37 页。从二极管的伏安特性 从二极管的伏
11、安特性(txng)(txng)可以反映出：可以反映出：1.1.单向导电性 单向导电性2.伏安特性受温度(wnd)影响T（）在电流不变情况下管压降u 反向(fn xin)饱和电流IS，U(BR)T（）正向特性左移，反向(fn xin)特性下移正向特性为指数曲线反向特性为横轴的平行线增大1倍/10 第 19 页/共 37 页第二十页，共37 页。三、二极管的等效电路三、二极管的等效电路理想(lxing)二极管近似分析(fnx)中最常用理想开关导通时 UD0截止时IS0导通时UDUon截止时IS0导通时 i与 u成线性关系应根据(gnj)不同情况选择不同的等效电路！1.将伏安特性折线化？100V？5
12、V？1V？第 20 页/共 37 页第二十一页，共37 页。2.2.微变等效电路 微变等效电路Q越高，rd越小。当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极管等效为一个(y)电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。ui=0 时直流电源作用(zuyng)小信号(xnho)作用静态电流第 21 页/共 37 页第二十二页，共37 页。四、二极管的主要参数四、二极管的主要参数n n 最大整流电流 最大整流电流IF IF：最大平均值：最大平均值n n 最大反向工作电压 最大反向工作电压UR UR：最大瞬时值：最大瞬时值n n 反向电流 反向电流 IR IR：即：即IS ISn n 最高工作频率
13、最高工作频率fM fM：因：因PN PN结有电容 结有电容(dinrng)(dinrng)效 效应 应第四版P20第 22 页/共 37 页第二十三页，共37 页。讨论：解决 讨论：解决(jiju)(jiju)两个问题 两个问题n n 如何判断 如何判断(pndun)(pndun)二极管的工作状态？二极管的工作状态？n n 什么情况下应选用二极管的什么等效电路？什么情况下应选用二极管的什么等效电路？uD=ViRQIDUDV 与uD 可比，则需图解(tji)：实测特性 对V和Ui二极管的模型有什么不同？第 23 页/共 37 页第二十四页，共37 页。五、稳压 五、稳压(wn y)(wn y)二
14、极管 二极管1.伏安(f n)特性进入(jnr)稳压区的最小电流不至于损坏的最大电流 由一个PN结组成，反向击穿后在一定的电流范围内端电压基本不变，为稳定电压。2.主要参数稳定电压UZ、稳定电流IZ最大功耗PZM IZM UZ动态电阻rzUZ/IZ 若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流太大则会因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必需有限制稳压管电流的限流电阻！限流电阻斜率？第 24 页/共 37 页第二十五页，共37 页。1.3 晶体(jngt)三极管一、晶体管的结构(jigu)和符号二、晶体管的放大(fngd)原理三、晶体管的共射输入特性和输出特性四、温度对晶体管特性的影响五、主要参数第
15、 25 页/共 37 页第二十六页，共37 页。一、晶体管的结构 一、晶体管的结构(jigu)(jigu)和符号 和符号多子(du z)浓度高多子(du z)浓度很低，且很薄面积大晶体管有三个极、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 26 页/共 37 页第二十七页，共37 页。二、晶体管的放大二、晶体管的放大(fngd)(fngd)原理原理 扩散运动形成发射极电流IE，复合运动形成基极(j j)电流IB，漂移运动形成集电极电流IC。少数(shosh)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
16、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 27 页/共 37 页第二十八页，共37 页。n n 电流分配：IEIBICn n IE扩散(kusn)运动形成的电流n n IB复合运动形成的电流n n IC漂移运动形成的电流穿透电流集电结反向(fn xin)电流直流电流放大系数交流(jioli)电流放大系数为什么基极开路集电极回路会有穿透电流？第 28 页/共 37 页第二十九页，共37 页。三、晶体管的共射输入 三、晶体管的共射输入(shr)(shr)特性和输出特 特性和输出特性 性为什么UCE增大曲线(qxin)右移？对于小功率晶体管，UCE大于1V的一条(y
17、 tio)输入特性曲线可以取代UCE大于1V的所有输入特性曲线。为什么像PN结的伏安特性？为什么UCE增大到一定值曲线右移就不明显了？1.输入特性第 29 页/共 37 页第三十页，共37 页。2.2.输出特性 输出特性是常数吗？什么是理想晶体管？什么情况下?对应于一个(y)IB就有一条iC随uCE变化的曲线。为什么uCE较小时iC随uCE变化很大？为什么进入(jnr)放大状态曲线几乎是横轴的平行线？饱和(boh)区放大区截止区第 30 页/共 37 页第三十一页，共37 页。晶体管的三个工作 晶体管的三个工作(gngzu)(gngzu)区域 区域 晶体管工作在放大状态(zhungti)时，输
18、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 UoniB uBE饱和 Uon iB uBE第 31 页/共 37 页第三十二页，共37 页。四、温度四、温度(wnd)(wnd)对晶体管特性对晶体管特性的影响的影响第 32 页/共 37 页第三十三页，共37 页。五、主要参数五、主要参数 直流参数：、ICBO、ICEOc-e间击穿(j chun)电压最大集电极电流(dinli)最大集电极耗散(ho sn)功率，PCMiCuCE安全工作区 交流参数：、fT（使 1 的信号频率）极限参数：
19、ICM、PCM、U（BR）CEO第 33 页/共 37 页第三十四页，共37 页。讨论讨论(t(toln)oln)一一由图示特性(txng)求出PCM、ICM、U（BR）CEO、。2.7uCE=1V 时的iC 就是(jish)ICMU（BR）CEO第 34 页/共 37 页第三十五页，共37 页。讨论二：利用讨论二：利用(lyng)Multisim(lyng)Multisim测试晶体管测试晶体管的输出特性的输出特性第 35 页/共 37 页第三十六页，共37 页。n n 利用 利用(lyng)Multisim(lyng)Multisim分析图示电路在 分析图示电路在V2 V2小于 小于何值时晶体管截止、大于 何值时晶体管截止、大于何值时晶体管饱和。何值时晶体管饱和。讨论 讨论(t(t oln)oln)三 三 以V2作为输入(shr)、以节点1作为输出，采用直流扫描的方法可得！约小于0.5V时截止约大于1V时饱和 描述输出电压与输出电压之间函数关系的曲线，称为电压传输特性。第 36 页/共 37 页第三十七页，共37 页。