模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第1章課件

1、第一章 半導(dǎo)體二極管、三極管 1.1 半導(dǎo)體二極管 1.2 特種二極管 1.3 雙極型半導(dǎo)體三極管 1.1.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí) 1半導(dǎo)體：導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。常用的半導(dǎo)體材料有硅（Si）、鍺（Ge）、 硒（Se）和砷化鎵（GaAs）等。 1.1 半導(dǎo)體二極管 5空穴產(chǎn)生：價(jià)電子獲得能量掙脫原子核吸引和共價(jià)鍵束縛后留下的空位，空穴帶正電。 2本征半導(dǎo)體： 純凈的不含任何雜質(zhì)、晶體結(jié)構(gòu)排列整齊的半導(dǎo)體。 3共價(jià)鍵：相鄰原子共有價(jià)電子所形成的束縛。 4半導(dǎo)體中有自由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電。 圖1.1.1 共價(jià)健結(jié)構(gòu)與空穴產(chǎn)生示意圖 6半導(dǎo)體的特性 7雜質(zhì)半導(dǎo)體的分類： (1)N

2、型半導(dǎo)體(N-type semiconductor)：在四價(jià)的本征半導(dǎo)體(硅)中摻入微量五價(jià)元素(磷)，就形成了N型半導(dǎo)體。 (2)P型半導(dǎo)體(P-type semiconductor)：在四價(jià)的本征半導(dǎo)體(硅)中摻入微量三價(jià)元素(硼)就形成P型半導(dǎo)體。 8雜質(zhì)半導(dǎo)體中多數(shù)載流子的產(chǎn)生見(jiàn)圖1.1.2。 圖1.1.2 摻雜半導(dǎo)體共價(jià)健結(jié)構(gòu)示意圖(a)N型半導(dǎo)體 (b)P型半導(dǎo)體 9總結(jié)： (1)N型半導(dǎo)體中自由電子為多數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱多子，空穴為少數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱少子。 (2)P型半導(dǎo)體中空穴為多子，自由電子為少子。 (3)雜質(zhì)半導(dǎo)體中，多子的濃度主要由摻雜濃度決定，而少子只與溫度有關(guān)。 (4)空位

3、與空穴：P型半導(dǎo)體形成共價(jià)鍵過(guò)程中所形成的空缺的位子為空位，而鄰近共價(jià)鍵中電子填補(bǔ)這一空位而形成的空位稱為空穴。 1.1.2 二極管的結(jié)構(gòu)、類型、電路符號(hào) 1通過(guò)一定的生產(chǎn)工藝把半導(dǎo)體的P區(qū)和N區(qū)部分結(jié)合在一起，則它們的交界處就會(huì)形成一個(gè)具有單向?qū)щ娦缘谋?，稱為PN結(jié)（PN Juntion）。 圖1.1.3 二極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖和電路符號(hào)(a)內(nèi)部結(jié)構(gòu) (b)電路符號(hào) 2以PN結(jié)為管芯，在P區(qū)和N區(qū)均接上電極引線，并以外殼封裝，就制成了半導(dǎo)體二極管，簡(jiǎn)稱二極管（Diode）。 3二極管電路符號(hào)：箭頭方向表示二極管導(dǎo)通時(shí)的電流方向。 4二極管的分類 (1)按所用材料不同劃分：硅管和鍺管； (2

4、)按制造工藝不同劃分： 點(diǎn)接觸型：結(jié)電容（Junction capacitance）很小，允許通過(guò)的電流也很小（幾十毫安以下），適用于高頻檢波、變頻、高頻振蕩等場(chǎng)合。2AP系列和2AK系列； 面接觸型：允許通過(guò)的電流較大，結(jié)電容也大，工作頻率較低，用作整流器件。如國(guó)產(chǎn)硅二極管2CP和2CZ系列；硅平面型，2CK系列開(kāi)關(guān)管。 圖1.1. 4 二極管結(jié)構(gòu)(a) 點(diǎn)接觸型 (b)硅面接觸型 (c)硅平面型 5國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體器件命名方法。 2AP9,“2”表示電極數(shù)為2,“A”表示N型鍺材料,“P”表示普通管,“9”表示序號(hào)。 查附錄表練習(xí)：說(shuō)明半導(dǎo)體器件的型號(hào)2AP8A和2CZ82F各部分的含義。 1.

5、1.3 二極管的伏安特性 一、二極管的單向?qū)щ娦?圖(a)中的開(kāi)關(guān)閉合，燈亮，大電流；圖(b)開(kāi)關(guān)閉合，燈不亮，電流幾乎為零。 圖1.1.5 半導(dǎo)體二極管單向?qū)щ娦詫?shí)驗(yàn)（a)二極管正向偏置 （b)二極管反向偏置 二極管陽(yáng)極電位高于陰極電位，稱為二極管(PN結(jié))正向偏置，簡(jiǎn)稱正偏(Forward bias)；二極管陽(yáng)極電位低于陰極電位，稱為二極管(PN結(jié))反向偏置，簡(jiǎn)稱反偏(Reverse bias)。 二極管正偏導(dǎo)通，反偏截止的這種特性稱為單向?qū)щ娦?Onilateral conductivity)； 二、二極管的伏安特性(Volt-ampere characteristics) 二極管的伏安

6、特性曲線如圖1.1.6所示，分為三部分： (a)正向特性：OA段為死區(qū)，此時(shí)正偏電壓稱為死區(qū)電壓Uth，硅管0.5V，鍺管0.1V。AB段為緩沖區(qū)。BC段為正向?qū)▍^(qū)。當(dāng)uUth時(shí)，二極管才處于完全導(dǎo)通狀態(tài)，導(dǎo)通電壓UF基本不變。硅管為0.70.8V,一般取0.7V，鍺管為0.20.3V，通常取0.2V。當(dāng)二極管為理想二極管時(shí)，UF=0。 (b)反向特性：如圖OD段所示，二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，在電路中相當(dāng)于開(kāi)關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)。 (c)反向擊穿特性：如圖所示，反向電流在E處急劇上升，這種現(xiàn)象稱之為反向擊穿（Reverse breakdown），此時(shí)所對(duì)應(yīng)的電壓為反向擊穿電壓UBR。對(duì)于非特殊要求的二

7、極管，反向擊穿時(shí)會(huì)使二極管PN結(jié)過(guò)熱而損壞。圖1.1.6 半導(dǎo)體二極管伏安特性 1.1.4 溫度對(duì)二極管特性的影響 1、溫度升高1，硅和鍺二極管導(dǎo)通時(shí)的正向壓降UF將減小2.5mv左右。 2、溫度每升高10，反向電流增加約一倍。 3、溫度升高UBR下降。 1.1.5 二極管主要參數(shù) 1最大整流電流IF IF為指二極管長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)允許通過(guò)的最大正向直流電流。IF與PN結(jié)的材料、面積及散熱條件有關(guān)。大功率二極管使用時(shí)，一般要加散熱片。在實(shí)際使用時(shí)，流過(guò)二極管最大平均電流不能超過(guò)IF，否則二極管會(huì)因過(guò)熱而損壞。 2最高反向工作電壓URM（反向峰值電壓） URM為二極管在使用時(shí)允許外加的最大反向電壓。U

8、RM=UBR。在實(shí)際使用時(shí)，二極管所承受的最大反向電壓值不應(yīng)超過(guò)URM，以免二極管發(fā)生反向擊穿。 3反向電流IR IR是指在室溫下，二極管未擊穿時(shí)的反向電流值。 4最高工作頻率 二極管的工作頻率若超過(guò)一定值，就可能失去單向?qū)щ娦?，這一頻率稱為最高工作頻率。主要由PN結(jié)的結(jié)電容的大小來(lái)決定。點(diǎn)接觸型二極管結(jié)電容較小，可達(dá)幾百兆赫茲。面接觸型二極管結(jié)電容較大，只能達(dá)到幾十兆赫茲。 1.1.6 二極管的應(yīng)用 一、二極管限幅電路 1.單向限幅電路 圖1.1.7 單向限幅電路（a）電路圖 （b）波形圖 2.雙向限幅電路 圖1.1.8 雙向限幅電路（a）電路圖 （b）波形圖 二、低電壓穩(wěn)壓電路 圖1.1.

9、9 二極管構(gòu)成的穩(wěn)壓電路 利用半導(dǎo)體二極管在正偏導(dǎo)通時(shí)導(dǎo)通電壓基本不變的特性可組成低電壓穩(wěn)壓電路，電路如圖1.1.9所示。圖中R為限流電阻，防止二極管過(guò)流而損壞。若VD1、VD2為硅管，UO=1.4V。 附：二極管引腳識(shí)別及性能簡(jiǎn)易測(cè)試二極管性能簡(jiǎn)易測(cè)試示意圖 可使用萬(wàn)用表電阻檔通過(guò)測(cè)量二極管的正、反向電阻值，來(lái)判別其陽(yáng)極、陰極。 可使用萬(wàn)用表R1k、R100檔對(duì)二極管性能進(jìn)行簡(jiǎn)易測(cè)試。 1.2.1 穩(wěn)壓二極管（Voltage regulator diode） 穩(wěn)壓二極管就是通過(guò)半導(dǎo)體特殊工藝處理后，使它具有很陡峭的反向擊穿特性的二極管。又稱齊納二極管（Zener diode），簡(jiǎn)稱穩(wěn)壓管。穩(wěn)

10、壓二極管的電路符號(hào)與其伏安特性如圖1.2.1所示。常用穩(wěn)壓二極管有2CW和2DW系列。 1.2 特種二極管 圖1.2.1 穩(wěn)壓二極管電路符號(hào)與伏安特性（a)電路符號(hào) （b)伏安特性 穩(wěn)壓二極管實(shí)物圖 1穩(wěn)壓管的工作條件： (1)外加電壓反偏且大于反向擊穿電壓，即工作在反向擊穿區(qū)。 (2)工作電流I必須滿足：IZIIZmax。 2穩(wěn)壓管主要參數(shù) (1)穩(wěn)定電壓UZ 它是指穩(wěn)壓管中電流為規(guī)定值IZ時(shí)的反向擊穿電壓。 (2)穩(wěn)定電流IZ 它是指保持穩(wěn)定電壓UZ時(shí)的電流。也就是管子的最小穩(wěn)定電流IZminIZ。當(dāng)反向擊穿電流小于IZmin時(shí)，管子不能穩(wěn)壓或效果不好。 (3)最大耗散功率PM和最大工作電

11、流IZMPM為穩(wěn)壓管所允許的最大功率，IZM為穩(wěn)壓管允許流過(guò)的最大工作電流，超過(guò)PM或IZM時(shí)，管子因溫度過(guò)高而損壞。 PMUZIZM (4)動(dòng)態(tài)內(nèi)阻rZ 它是指穩(wěn)壓管兩端電壓變化量UZ與相應(yīng)電流變化量IZ之比值。它反映管子的穩(wěn)壓性能，rZ越小，穩(wěn)壓性能越好。 (5)穩(wěn)定電壓的溫度系數(shù)CTV 穩(wěn)壓管中流過(guò)的電流為IZ時(shí)，環(huán)境溫度每變化1，穩(wěn)定電壓相對(duì)變化量（用百分?jǐn)?shù)表示）稱為穩(wěn)定電壓的溫度系數(shù)。它表示溫度變化對(duì)穩(wěn)定電壓UZ的影響程度。 通常UZ5V的穩(wěn)壓管具有負(fù)溫度系數(shù)，UZ8V的穩(wěn)壓管具有正溫度系數(shù)，而UZ在6V左右時(shí)穩(wěn)壓管（如2DW7型）的溫度系數(shù)最小。 1.2.2 變?nèi)荻O管 1變?nèi)荻O

12、管原理、電路符號(hào) 變?nèi)荻O管是利用PN結(jié)反偏時(shí)結(jié)電容大小隨外加電壓而變化的特性制成的。其電路符號(hào)如圖1.2.2所示。 圖1.2.2 變?nèi)荻O管電路符號(hào) 2用途 它主要在高頻電路中用作自動(dòng)調(diào)諧、調(diào)頻、調(diào)相等，例如在電視接收機(jī)的調(diào)諧回路中作可變電容等。 1.2.3 肖特基二極管 肖特基二極管是利用金屬和N型或P型半導(dǎo)體接觸形成具有單向?qū)щ娦缘亩O管，因此也稱金屬半導(dǎo)體二極管。其電路符號(hào)如圖1.2.3所示。 圖1.2.3 變?nèi)荻O管電路符號(hào) 它在數(shù)字集成電路中與晶體三極管做在一起，形成肖特基晶體管，以提高開(kāi)關(guān)速度。還可用作高頻檢波和續(xù)流二極管等。 1.2.4 快速恢復(fù)二極管 快速恢復(fù)二極管電路符號(hào)如

13、圖1.2.4所示，它與普通二極管相似，但制造工藝與普通二極管有所不同，在靠近PN結(jié)的摻雜濃度很低，以此獲得較高開(kāi)關(guān)速度和較低的正向壓降。它的反向恢復(fù)時(shí)間為200750nS，高速的可達(dá)10nS，與肖特基二極管相比，其耐壓值要高得多。 它主要用作高速整流元件，在開(kāi)關(guān)電源和逆變電源中作整流二極管，以降低關(guān)斷損耗，提高效率和減小噪聲。圖1.2.4 變?nèi)荻O管電路符號(hào) 1.2.5 SMT與微型二極管簡(jiǎn)介 圖1.2.5 圓柱型微型二極管圖1.2.7 SOT-23封裝型二極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖1.2.6 SOT-23封裝微型二極管 微型元器件實(shí)物圖 半導(dǎo)體三極管分為雙極型三極管(Bipolar junction t

14、ransistor，BJT)和單極型三極管。 雙極型三極管又稱為晶體三極管，簡(jiǎn)稱三極管(或晶體管)，它是多數(shù)載流子與少數(shù)載流子均參與導(dǎo)電的三極管。 單極型三極管又稱為場(chǎng)效應(yīng)管(Field effect transistor，F(xiàn)ET)，它工作時(shí)只有多數(shù)載流子參與導(dǎo)電。 1.3 半導(dǎo)體三極管 1三極管的分類 (1)按結(jié)構(gòu)(導(dǎo)電類型)劃分：NPN和PNP。 (2)按所用半導(dǎo)體材料劃分：硅管和鍺管。 (3)按用途劃分：放大管和開(kāi)關(guān)管。 (4)按工作頻率劃分：低頻管和高頻管。 (5)按功率大小劃分：小功率管、中功率管、大功率管。 1.3.1 三極管的結(jié)構(gòu)、電路符號(hào)及分類 2三極管的結(jié)構(gòu)、電路符號(hào) 三極管

15、結(jié)構(gòu)與符號(hào)如圖1.3.1所示。它們有三區(qū)：集電區(qū)、基區(qū)、發(fā)射區(qū)；三極：各對(duì)應(yīng)引出的電極分別稱為集電極c（Collector）、基極b（Base）和發(fā)射極e（Emitter）；兩結(jié)：發(fā)射區(qū)與基區(qū)之間的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)Je，基區(qū)與集電區(qū)之間的PN結(jié)稱為集電結(jié)Jc。 圖1.3.1 三極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與符號(hào)（a）NPN型 （b） PNP型 三極管實(shí)物圖片 注意： (1)兩種管子的電路符號(hào)用發(fā)射極箭頭方向的不同以示區(qū)別，箭頭方向表示發(fā)射結(jié)正偏時(shí)發(fā)射極電流的實(shí)際方向。 (2)三極管具有信號(hào)放大作用。 (3)保證放大的制造工藝：基區(qū)很薄且摻雜濃度低，發(fā)射區(qū)摻雜濃度高，集電結(jié)的面積比發(fā)射結(jié)的面積大等。 (4)在

16、使用時(shí)三極管的發(fā)射極和集電極不能互換。 3三極管命名方法參閱附錄。 查表練習(xí)： 3AX85C、3DX200B、3AK10、3AG53E、3AD50A、3DD101C。 1.3.2 三極管的電流放大作用及其放大的基本條件 一、三極管各電極上的電流分配 NPN型三極管的電流分配實(shí)驗(yàn)電路如圖1.3.2所示，圖中，IB為基極電流，IC為集電極電流，IE為發(fā)射極電流，它們的方向如圖中箭頭所示。UBE為發(fā)射結(jié)的正偏壓，UCE為集電極與發(fā)射極之間的電壓。圖1.3.2 三極管電流分配實(shí)驗(yàn)電路 調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)電路的電位器RP可以改變UBE并產(chǎn)生相應(yīng)的基極電流IB，而IB的變化又將引起IC和IE的變化。每產(chǎn)生一個(gè)IB值

17、，就有一組IC和IE值與之對(duì)應(yīng)，該實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)見(jiàn)表1.3.1。 由上表得出規(guī)律：IE=IB+IC，即發(fā)射極電流等于基極電流與集電極電流之和。 表1.3.1 三極管三個(gè)電極上的電流分配 二、三極管的電流放大作用 由表1.3.1可知，當(dāng)IB從0.02mA變化到0.03mA時(shí)， IC隨之從1.14mA變化到了1.74mA，則兩變化量之比（1.74-1.14）/（0.03-0.02）=60，說(shuō)明此時(shí)三極管IC的變化量為IB的變化量的60倍。 （1）三極管的電流放大作用就是基極電流IB的微小變化控制了集電極電流IC較大的變化。 （2）三極管放大電流時(shí)，被放大的IC是由電源VCC提供的，并不是三極管自身生

18、成的，放大的實(shí)質(zhì)是小信號(hào)對(duì)大信號(hào)的控制作用。 （3）三極管是一種電流控制器件。 三、三極管放大的基本條件 （1）放大的偏置條件：Je正偏，Jc反偏。 （2）NPN管具有放大作用時(shí)的電位關(guān)系：UCUBUE； PNP管：UCUBUE。 1.3.3 三極管的輸入、輸出特性曲線 三極管的各個(gè)電極上電壓和電流之間的關(guān)系曲線稱為三極管的伏安特性曲線或特性曲線。常用的是輸入特性曲線和輸出特性曲線。三極管在電路中的連接方式（組態(tài)）不同，其特性曲線也不同。用NPN型管組成的共射特性曲線測(cè)試電路如圖1.3.3所示。 圖1.3.3 三極管共射特性曲線測(cè)試電路 一、輸入特性曲線（Input characteristi

19、c curves） 共射輸入特性曲線方程式：iB=f(uBE)uCE=常數(shù)。圖1.3.4為NPN型硅管3DG4的共射輸入特性曲線。 (1) uCE0：c極與b極相連，相當(dāng)于兩個(gè)二極管并聯(lián)，輸入特性曲線與二極管伏安特性曲線的正向特性相似。(2)uCE1V：曲線右移。(3) uCE1V：曲線與uCE=1V時(shí)的曲線近乎重合。實(shí)際中，通常就用uCE1V這條曲線來(lái)代表。(4)三極管放大狀態(tài)的依據(jù)：硅管uBE=0.7V，鍺管uBE=0.2V。 圖1.3.4 共射輸入特性曲線 二、輸出特性曲線（Output characteristic curves） 1方程 輸出特性曲線方程式：iC= f(uBE)iB=

20、常數(shù)。 2輸出特性曲線測(cè)試 測(cè)試時(shí)，先調(diào)節(jié)RP1使iB為某一值固定不變，再調(diào)節(jié)RP2，得到與之對(duì)應(yīng)的uCE和iC值，根據(jù)所對(duì)應(yīng)的值可在直角坐標(biāo)系中畫出一條曲線。重復(fù)上述步驟，可得不同IB值的曲線族，如圖1.3.5所示。 圖1.3.5 共射輸出特性曲線 由圖可知： (1)曲線起始部分較陡，且不同iB曲線的上升部分幾乎重合。 (2)對(duì)一條曲線而言，uCE增大，iC增大，但當(dāng)uCE大于0.3V左右以后，曲線較平坦，只略有上翹。這說(shuō)明三極管具有恒流特性。 (3)輸出特性曲線不是直線，是非線性的，說(shuō)明三極管是一種非線性器件。 3三極管輸出特性曲線的四個(gè)區(qū) (1)放大區(qū)（Active region） (2

21、)飽和區(qū)（Saturation region） (3)截止區(qū)(Cutoff region) (4)擊穿區(qū)(Breakdown region) 4PNP管特性曲線 由于電源電壓極性和電流方向不同，PNP管與NPN管的特性曲線是相反、“倒置”的。 1.3.4 三極管的主要參數(shù)及溫度對(duì)特性的影響 三極管的參數(shù)用來(lái)表征管子性能優(yōu)劣和適用范圍，它是合理選用三極管的依據(jù)。 一、電流放大系數(shù)（Current amplification factor） 電流放大系數(shù)是表征三極管放大能力的參數(shù)。電路工作狀態(tài)有兩種：電路無(wú)交流信號(hào)輸入而工作在直流狀態(tài)時(shí)，稱為靜態(tài)；電路有交流信號(hào)輸入而工作在交流狀態(tài)時(shí)，稱為動(dòng)態(tài)。

22、1.共射電流放大系數(shù) 前者反映靜態(tài)時(shí)集電極電流與基極電流之比值；而后者反映動(dòng)態(tài)時(shí)的電流放大作用。 2.與溫度的關(guān)系 溫度升高，值增大。每升高1，值增加0.5%1%，反映在輸出特性曲線上就是各條曲線的間距增大。 3. 共基極電路電流放大系數(shù) 在共基極電路（即信號(hào)從發(fā)射極輸入，集電極輸出，基極為輸入輸出的公共端）中，三極管的集電極電流IC與發(fā)射極電流IE之比稱為共基極電路直流電流放大系數(shù)。，即常數(shù) 二、極間反向電流 極間反向電流是由少數(shù)載流子形成的，其大小表征了管子的溫度特性。 （1）ICBO指發(fā)射極開(kāi)路時(shí)，集電極和基極之間的反向飽和電流。ICBO很小，溫度升高，ICBO增加。一般硅管熱穩(wěn)定性比鍺管好。圖1.3.6（a）為該參數(shù)的測(cè)試電路。 （2）ICEO是指基極開(kāi)路時(shí)，集電極和發(fā)射極之間的反向飽和電流，又稱為穿透電流。ICEO=(1+) ICBO， 圖1.