第一章電路基礎(chǔ)

第一章電路基礎(chǔ)第1頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1半導(dǎo)體的基本知識第1章常用半導(dǎo)體器件1.2半導(dǎo)體二極管1.3特殊二極管1.4雙極型三極管1.5單極型三極管（場效應(yīng)管）第2頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1半導(dǎo)體的基本知識物質(zhì)按導(dǎo)電能力的不同可分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體三大類。金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)率一般在105s/cm量級；塑料、云母等絕緣體的電導(dǎo)率通常是10-22~10-14s/cm量級；半導(dǎo)體的電導(dǎo)率則在10-9~102s/cm量級。

半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力雖然介于導(dǎo)體和絕緣體之間，但半導(dǎo)體的應(yīng)用卻極其廣泛，這是由半導(dǎo)體的獨特性能決定的：1.半導(dǎo)體的獨特性能光敏性——半導(dǎo)體受光照后，其導(dǎo)電能力大大增強；熱敏性——受溫度的影響，半導(dǎo)體導(dǎo)電能力變化很大；摻雜性——在半導(dǎo)體中摻入少量特殊雜質(zhì)，其導(dǎo)電能力極大地增強；半導(dǎo)體材料的獨特性能是由其內(nèi)部的導(dǎo)電機(jī)理所決定的。第3頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月2.本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體(1)本征半導(dǎo)體最常用的半導(dǎo)體為硅(Si)和鍺(Ge)。它們的共同特征是四價元素，即每個原子最外層電子數(shù)為4個。++Si(硅原子)Ge(鍺原子)硅原子和鍺原子的簡化模型圖Si+4Ge+4因為原子呈電中性，所以簡化模型圖中的原子核只用帶圈的+4符號表示即可。第4頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月天然的硅和鍺是不能制作成半導(dǎo)體器件的。它們必須先經(jīng)過高度提純，形成晶格結(jié)構(gòu)完全對稱的本征半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體原子核最外層的價電子都是4個，稱為四價元素，它們排列成非常整齊的晶格結(jié)構(gòu)。在本征半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)中，每一個原子均與相鄰的四個原子結(jié)合，即與相鄰四個原子的價電子兩兩組成電子對，構(gòu)成共價鍵結(jié)構(gòu)。＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4實際上半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)是三維的。晶格結(jié)構(gòu)共價鍵結(jié)構(gòu)第5頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4從共價鍵晶格結(jié)構(gòu)來看，每個原子外層都具有8個價電子。但價電子是相鄰原子共用，所以穩(wěn)定性并不能象絕緣體那樣好。在游離走的價電子原位上留下一個不能移動的空位，叫空穴。受光照或溫度上升影響，共價鍵中價電子的熱運動加劇，一些價電子會掙脫原子核的束縛游離到空間成為自由電子。由于熱激發(fā)而在晶體中出現(xiàn)電子空穴對的現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。本征激發(fā)的結(jié)果，造成了半導(dǎo)體內(nèi)部自由電子載流子運動的產(chǎn)生，由此本征半導(dǎo)體的電中性被破壞，使失掉電子的原子變成帶正電荷的離子。由于共價鍵是定域的，這些帶正電的離子不會移動，即不能參與導(dǎo)電，成為晶體中固定不動的帶正電離子。＋＋第6頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4受光照或溫度上升影響，共價鍵中其它一些價電子直接跳進(jìn)空穴，使失電子的原子重新恢復(fù)電中性。價電子填補空穴的現(xiàn)象稱為復(fù)合。此時整個晶體帶電嗎？為什么？參與復(fù)合的價電子又會留下一個新的空位，而這個新的空穴仍會被鄰近共價鍵中跳出來的價電子填補上，這種價電子填補空穴的復(fù)合運動使本征半導(dǎo)體中又形成一種不同于本征激發(fā)下的電荷遷移，為區(qū)別于本征激發(fā)下自由電子載流子的運動，我們把價電子填補空穴的復(fù)合運動稱為空穴載流子運動。第7頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月

半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理與金屬導(dǎo)體導(dǎo)電機(jī)理有本質(zhì)上的區(qū)別：金屬導(dǎo)體中只有自由電子一種載流子參與導(dǎo)電；而半導(dǎo)體中則是本征激發(fā)下的自由電子和復(fù)合運動形成的空穴兩種載流子同時參與導(dǎo)電。兩種載流子電量相等、符號相反，即自由電子載流子和空穴載流子的運動方向相反。＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4自由電子載流子運動可以形容為沒有座位人的移動；空穴載流子運動則可形容為有座位的人依次向前挪動座位的運動。半導(dǎo)體內(nèi)部的這兩種運動總是共存的，且在一定溫度下達(dá)到動態(tài)平衡。半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理第8頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)雜質(zhì)半導(dǎo)體

本征半導(dǎo)體雖然有自由電子和空穴兩種載流子，但由于數(shù)量極少導(dǎo)電能力仍然很低。如果在其中摻入某種元素的微量雜質(zhì)，將使摻雜后的雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能大大增強。+五價元素磷(P)＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4P摻入磷雜質(zhì)的硅半導(dǎo)體晶格中，自由電子的數(shù)量大大增加。因此自由電子是這種半導(dǎo)體的導(dǎo)電主流。

在室溫情況下，本征硅中的磷雜質(zhì)等于10-6數(shù)量級時，電子載流子的數(shù)目將增加幾十萬倍。摻入五價元素的雜質(zhì)半導(dǎo)體由于自由電子多而稱為電子型半導(dǎo)體，也叫做N型半導(dǎo)體。第9頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4三價元素硼(B)B+摻入硼雜質(zhì)的硅半導(dǎo)體晶格中，空穴載流子的數(shù)量大大增加。因此空穴是這種半導(dǎo)體的導(dǎo)電主流。一般情況下，雜質(zhì)半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子的數(shù)量可達(dá)到少數(shù)載流子數(shù)量的1010倍或更多，因此，雜質(zhì)半導(dǎo)體比本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力可增強幾十萬倍。

摻入三價元素的雜質(zhì)半導(dǎo)體，由于空穴載流子的數(shù)量大大于自由電子載流子的數(shù)量而稱為空穴型半導(dǎo)體，也叫做P型半導(dǎo)體。在P型半導(dǎo)體中，多數(shù)載流子是空穴，少數(shù)載流子是自由電子，而不能移動的離子帶負(fù)電。－第10頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月不論是N型半導(dǎo)體還是P型半導(dǎo)體，其中的多子和少子的移動都能形成電流。但是，由于多子的數(shù)量遠(yuǎn)大于少子的數(shù)量，因此起主要導(dǎo)電作用的是多數(shù)載流子。注意：摻入雜質(zhì)后雖然形成了N型或P型半導(dǎo)體，但整個半導(dǎo)體晶體仍然呈電中性。一般可近似認(rèn)為多數(shù)載流子的數(shù)量與雜質(zhì)的濃度相等。P型半導(dǎo)體中的空穴多于自由電子，是否意味著帶正電？自由電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電的區(qū)別在哪里？空穴載流子的形成是否由自由電子填補空穴的運動形成的？何謂雜質(zhì)半導(dǎo)體中的多子和少子

？N型半導(dǎo)體中的多子是什么？少子是什么？想想練練第11頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月3.PN結(jié)及其形成過程PN結(jié)的形成

雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力雖然比本征半導(dǎo)體極大增強，但它們并不能稱為半導(dǎo)體器件。在電子技術(shù)中，PN結(jié)是一切半導(dǎo)體器件的“元概念”和技術(shù)起始點。在一塊晶片的兩端分別注入三價元素硼和五價元素磷++++++++++++++++－－－－－－－－－－－－－－－－P區(qū)N區(qū)空間電荷區(qū)內(nèi)電場第12頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月動畫演示第13頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月PN結(jié)形成的過程中，多數(shù)載流子的擴(kuò)散和少數(shù)載流子的漂移共存。開始時多子的擴(kuò)散運動占優(yōu)勢，擴(kuò)散運動的結(jié)果使PN結(jié)加寬，內(nèi)電場增強；另一方面，內(nèi)電場又促使了少子的漂移運動：P區(qū)的少子電子向N區(qū)漂移，補充了交界面上N區(qū)失去的電子，同時，N區(qū)的少子空穴向P區(qū)漂移，補充了原交界面上P區(qū)失去的空穴，顯然漂移運動減少了空間電荷區(qū)帶電離子的數(shù)量，削弱了內(nèi)電場，使PN結(jié)變窄。最后，擴(kuò)散運動和漂移運動達(dá)到動態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的寬度基本穩(wěn)定，即PN結(jié)形成。PN結(jié)內(nèi)部載流子基本為零，因此導(dǎo)電率很低，相當(dāng)于介質(zhì)。但PN結(jié)兩側(cè)的P區(qū)和N區(qū)導(dǎo)電率很高，相當(dāng)于導(dǎo)體，這一點和電容比較相似，所以說PN結(jié)具有電容效應(yīng)。第14頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月4.PN結(jié)的單向?qū)щ娦缘?5頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月PN結(jié)反向偏置時的情況第16頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

PN結(jié)的上述“正向?qū)ǎ聪蜃钄唷弊饔?，說明它具有單向?qū)щ娦裕琍N結(jié)的單向?qū)щ娦允撬鼧?gòu)成半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。由于常溫下少數(shù)載流子的數(shù)量不多，故反向電流很小，而且當(dāng)外加電壓在一定范圍內(nèi)變化時，反向電流幾乎不隨外加電壓的變化而變化，因此反向電流又稱為反向飽和電流。反向飽和電流由于很小一般可以忽略，從這一點來看，PN結(jié)對反向電流呈高阻狀態(tài)，也就是所謂的反向阻斷作用。

值得注意的是，由于本征激發(fā)隨溫度的升高而加劇，導(dǎo)致電子—空穴對增多，因而反向電流將隨溫度的升高而成倍增長。反向電流是造成電路噪聲的主要原因之一，因此，在設(shè)計電路時，必須考慮溫度補償問題。PN結(jié)中反向電流的討論第17頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月2.半導(dǎo)體受溫度和光照影響，產(chǎn)生本征激發(fā)現(xiàn)象而出現(xiàn)電子、空穴對；同時，其它價電子又不斷地“轉(zhuǎn)移跳進(jìn)”本征激發(fā)出現(xiàn)的空穴中，產(chǎn)生價電子與空穴的復(fù)合。在一定溫度下，電子、空穴對的激發(fā)和復(fù)合最終達(dá)到動態(tài)平衡狀態(tài)。平衡狀態(tài)下，半導(dǎo)體中的載流子濃度一定，即反向電流的數(shù)值基本不發(fā)生變化。1.半導(dǎo)體中少子的濃度雖然很低，但少子對溫度非常敏感，因此溫度對半導(dǎo)體器件的性能影響很大。而多子因濃度基本上等于雜質(zhì)原子的摻雜濃度，所以說多子的數(shù)量基本上不受溫度的影響。4.PN結(jié)的單向?qū)щ娦允侵福篜N結(jié)的正向電阻很小，因此正向偏置時多子構(gòu)成的擴(kuò)散電流極易通過PN結(jié)；同時PN結(jié)的反向電阻很大，因此反向偏置時基本上可以認(rèn)為電流無法通過PN結(jié)。3.空間電荷區(qū)的電阻率很高，是指其內(nèi)電場阻礙多數(shù)載流子擴(kuò)散運動的作用，由于這種阻礙作用，使得擴(kuò)散電流難以通過空間電荷區(qū)，即空間電荷區(qū)對擴(kuò)散電流呈現(xiàn)高阻作用。學(xué)習(xí)與歸納第18頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月5.PN結(jié)的反向擊穿問題PN結(jié)反向偏置時，在一定的電壓范圍內(nèi)，流過PN結(jié)的電流很小，基本上可視為零值。但當(dāng)電壓超過某一數(shù)值時，反向電流會急劇增加，這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)反向擊穿。反向擊穿發(fā)生在空間電荷區(qū)。擊穿的原因主要有兩種：當(dāng)PN結(jié)上加的反向電壓大大超過反向擊穿電壓時，處在強電場中的載流子獲得足夠大的能量碰撞晶格，將價電子碰撞出來，產(chǎn)生電子空穴對，新產(chǎn)生的載流子又會在電場中獲得足夠能量，再去碰撞其它價電子產(chǎn)生新的電子空穴對，如此連鎖反應(yīng)，使反向電流越來越大，這種擊穿稱為雪崩擊穿。產(chǎn)生雪崩擊穿的電場比較大，外加反向電壓相對較高。通常出現(xiàn)雪崩擊穿的電壓大約在7V以上。

(1)雪崩擊穿第19頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)PN結(jié)兩邊的摻雜濃度很高，阻擋層又很薄時，阻擋層內(nèi)載流子與中性原子碰撞的機(jī)會大為減少，因而不會發(fā)生雪崩擊穿。(2)齊納擊穿當(dāng)PN結(jié)非常薄時，即使在阻擋層兩端加的反向電壓不太大，也會產(chǎn)生一個比較強的內(nèi)電場。這個內(nèi)電場足以把PN結(jié)內(nèi)中性原子的價電子從共價鍵中拉出來，產(chǎn)生出大量的電子—空穴對，使PN結(jié)反向電流劇增，這種反向擊穿現(xiàn)象稱為齊納擊穿齊納擊穿?？梢姡R納擊穿發(fā)生在高摻雜的PN結(jié)中，相應(yīng)的擊穿電壓較低，一般小于5V。雪崩擊穿是一種碰撞的擊穿，齊納擊穿是一種場效應(yīng)擊穿，二者均屬于電擊穿。電擊穿過程通?？赡?，即PN結(jié)兩端的反向電壓降低后，PN結(jié)仍可恢復(fù)到原來狀態(tài)。利用電擊穿時PN結(jié)兩端電壓變化很小電流變化很大的特點，人們制造出工作在反向擊穿區(qū)的穩(wěn)壓管。第20頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2半導(dǎo)體二極管把PN結(jié)用管殼封裝，然后在P區(qū)和N區(qū)分別向外引出一個電極，即可構(gòu)成一個二極管。二極管是電子技術(shù)中最基本的半導(dǎo)體器件之一。根據(jù)其用途分有檢波管、開關(guān)管、穩(wěn)壓管和整流管等。硅高頻檢波管開關(guān)管穩(wěn)壓管整流管發(fā)光二極管電子工程實際中，二極管應(yīng)用得非常廣泛，上圖所示即為各類二極管的部分產(chǎn)品實物圖。第21頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月1.二極管的基本結(jié)構(gòu)和類型點接觸型：結(jié)面積小，適用于高頻檢波、脈沖電路及計算機(jī)中的開關(guān)元件。外殼觸絲N型鍺片正極引線負(fù)極引線N型鍺面接觸型：結(jié)面積大，適用于低頻整流器件。負(fù)極引線底座金銻合金PN結(jié)鋁合金小球正極引線普通二極管圖符號穩(wěn)壓二極管圖符號發(fā)光二極管圖符號DDZD使用二極管時，必須注意極性不能接反，否則電路非但不能正常工作，還有毀壞管子和其他元件的可能。第22頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月2.二極管的伏安特性U(V)0.500.8-50-25I(mA)204060

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A)4020二極管的伏安特性是指流過二極管的電流與兩端所加電壓的函數(shù)關(guān)系。二極管既然是一個PN結(jié)，其伏安特性當(dāng)然具有“單向?qū)щ娦浴?。二極管的伏安特性呈非線性，特性曲線上大致可分為四個區(qū)：外加正向電壓超過死區(qū)電壓(硅管0.5V，鍺管0.1V)時，內(nèi)電場大大削弱，正向電流迅速增長，二極管進(jìn)入正向?qū)▍^(qū)。死區(qū)正向?qū)▍^(qū)反向截止區(qū)當(dāng)外加正向電壓很低時，由于外電場還不能克服PN結(jié)內(nèi)電場對多數(shù)載流子擴(kuò)散運動的阻力，故正向電流很小，幾乎為零。這一區(qū)域稱之為死區(qū)。外加反向電壓超過反向擊穿電壓UBR時，反向電流突然增大，二極管失去單向?qū)щ娦?，進(jìn)入反向擊穿區(qū)。反向擊穿區(qū)反向截止區(qū)內(nèi)反向飽和電流很小，可近似視為零值。第23頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月正向?qū)▍^(qū)和反向截止區(qū)的討論U(V)0.500.8-50-25I(mA)204060

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A)4020死區(qū)正向?qū)▍^(qū)反向截止區(qū)反向擊穿區(qū)當(dāng)外加正向電壓大于死區(qū)電壓時，二極管由不導(dǎo)通變?yōu)閷?dǎo)通，電壓再繼續(xù)增加時，電流迅速增大，而二極管端電壓卻幾乎不變，此時二極管端電壓稱為正向?qū)妷骸?/p>

硅二極管的正向?qū)妷杭s為0.7V，鍺二極管的正向?qū)妷杭s為0.3V。在二極管兩端加反向電壓時，將有很小的、由少子漂移運動形成的反向飽和電流通過二極管。反向電流有兩個特點：一是它隨溫度的上升增長很快，二是在反向電壓不超過某一范圍時，反向電流的大小基本恒定，而與反向電壓的高低無關(guān)(與少子的數(shù)量有限)。所以通常稱它為反向飽和電流。第24頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月3.二極管的主要參數(shù)（1）最大整流電流IDM：指二極管長期運行時，允許通過的最大正向平均電流。其大小由PN結(jié)的結(jié)面積和外界散熱條件決定。（2）最高反向工作電壓URM：指二極管長期安全運行時所能承受的最大反向電壓值。手冊上一般取擊穿電壓的一半作為最高反射工作電壓值。（3）反向電流IR：指二極管未擊穿時的反向電流。IR值越小，二極管的單向?qū)щ娦栽胶?。反向電流隨溫度的變化而變化較大，這一點要特別加以注意。（4）最大工作頻率fM：此值由PN結(jié)的結(jié)電容大小決定。若二極管的工作頻率超過該值，則二極管的單向?qū)щ娦詫⒆儾?。?5頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月4.二極管的應(yīng)用舉例注意：分析實際電路時為簡單化，通常把二極管進(jìn)行理想化處理，即正偏時視其為“短路”，截止時視其為“開路”。UD=0UD=∞正向?qū)〞r相當(dāng)一個閉合的開關(guān)+－+－+－D+－D+－+－DPN+－反向阻斷時相當(dāng)一個打開的開關(guān)+－DPN(1)二極管的開關(guān)作用第26頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)二極管的整流作用

將交流電變成單方向脈動直流電的過程稱為整流。利用二極管的單向?qū)щ娦阅芫涂色@得各種形式的整流電路。二極管半波整流電路二極管全波整流電路橋式整流電路簡化圖B220V~RLDIN4001B220V~RLD1D2二極管橋式整流電路D4B220V~RLD1D2D3B220V~RL第27頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)二極管的限幅作用+－DuS10KΩ

IN4148+－u0iD圖示為一限幅電路。電源uS是一個周期性的矩形脈沖，高電平幅值為+5V，低電平幅值為-5V。試分析電路的輸出電壓為多少。分析uS+5V-5Vt0當(dāng)輸入電壓ui=－5V時，二極管反偏截止，此時電路可視為開路，輸出電壓u0=0V；當(dāng)輸入電壓ui=+5V時，二極管正偏導(dǎo)通，導(dǎo)通時二極管管壓降近似為零，故輸出電壓u0≈+5V。顯然輸出電壓u0限幅在0~+5V之間。u0第28頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月I(mA)40302010

0-5-10-15-20(μA)0.40.8－12－8－4U(V)穩(wěn)壓二極管的反向電壓幾乎不隨反向電流的變化而變化、這就是穩(wěn)壓二極管的顯著特性。D穩(wěn)壓二極管是一種特殊的面接觸型二極管，其反向擊穿可逆。正向特性與普通二極管相似反向ΔIZΔUZ1.3特殊二極管1.穩(wěn)壓二極管實物圖圖符號及文字符號顯然穩(wěn)壓管的伏安特性曲線比普通二極管的更加陡峭。第29頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月+US－DZ使用穩(wěn)壓二極管時應(yīng)該注意的事項(1)穩(wěn)壓二極管正負(fù)極的判別DZ+－(2)穩(wěn)壓二極管使用時，應(yīng)反向接入電路UZ－(3)穩(wěn)壓管應(yīng)接入限流電阻(4)電源電壓應(yīng)高于穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓值(5)穩(wěn)壓管都是硅管。其穩(wěn)定電壓UZ最低為3V，高的可達(dá)300V，穩(wěn)壓二極管在工作時的正向壓降約為0.6V。第30頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月思索與回顧二極管的反向擊穿特性：當(dāng)外加反向電壓超過擊穿電壓時，通過二極管的電流會急劇增加。擊穿并不意味著管子一定要損壞，如果我們采取適當(dāng)?shù)拇胧┫拗仆ㄟ^管子的電流，就能保證管子不因過熱而燒壞。在反向擊穿狀態(tài)下，讓通過管子的電流在一定范圍內(nèi)變化，這時管子兩端電壓變化很小，利用這一點可以達(dá)到“穩(wěn)壓”效果。穩(wěn)壓二極管就是工作在反向擊穿區(qū)。穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路中一般都要加限流電阻R，使穩(wěn)壓管電流工作在Izmax和Izmix的范圍內(nèi)。應(yīng)用中穩(wěn)壓管要采取適當(dāng)措施限制通過管子的電流值，以保證管子不會造成熱擊穿。第31頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月發(fā)光二極管是一種能把電能直接轉(zhuǎn)換成光能的固體發(fā)光元件。發(fā)光二極管和普通二極管一樣，管芯由PN結(jié)構(gòu)成，具有單向?qū)щ娦?。實物圖圖符號和

文字符號D單個發(fā)光二極管常作為電子設(shè)備通斷指示燈或快速光源及光電耦合器中的發(fā)光元件等。發(fā)光二極管一般使用砷化鎵、磷化鎵等材料制成?，F(xiàn)有的發(fā)光二極管能發(fā)出紅黃綠等顏色的光。發(fā)光管正常工作時應(yīng)正向偏置，因死區(qū)電壓較普通二極管高，因此其正偏工作電壓一般在1.3V以上。發(fā)光管屬功率控制器件，常用來作為數(shù)字電路的數(shù)碼及圖形顯示的七段式或陣列器件。2.發(fā)光二極管第32頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月光電二極管也稱光敏二極管，是將光信號變成電信號的半導(dǎo)體器件，其核心部分也是一個PN結(jié)。光電二極管PN結(jié)的結(jié)面積較小、結(jié)深很淺，一般小于一個微米。D光電二極管和穩(wěn)壓管類似，也是工作在反向電壓下。無光照時，反向電流很小，稱為暗電流；有光照射時，攜帶能量的光子進(jìn)入PN結(jié)后，把能量傳給共價鍵上的束縛電子，使部分價電子掙脫共價鍵的束縛，產(chǎn)生電子—空穴對，稱為光生載流子。光生載流子在反向電壓作用下形成反向光電流，其強度與光照強度成正比。3.光電二極管光電二極管也稱光敏二極管，同樣具有單向?qū)щ娦?，光電管管殼上有一個能射入光線的“窗口”，這個窗口用有機(jī)玻璃透鏡進(jìn)行封閉，入射光通過透鏡正好射在管芯上。實物圖圖符號和

文字符號第33頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月NNP1.4雙極型三極管三極管是組成各種電子電路的核心器件。三極管的產(chǎn)生使PN結(jié)的應(yīng)用發(fā)生了質(zhì)的飛躍。1.雙極型三極管的基本結(jié)構(gòu)和類型雙極型晶體管分有NPN型和PNP型，雖然它們外形各異，品種繁多，但它們的共同特征相同：都有三個分區(qū)、兩個PN結(jié)和三個向外引出的電極：發(fā)射極e發(fā)射結(jié)集電結(jié)基區(qū)發(fā)射區(qū)集電區(qū)集電極c基極bNPN型PNP型PPN第34頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)制造工藝和材料的不同，三極管分有雙極型和單極型兩種類型。若三極管內(nèi)部的自由電子載流子和空穴載流子同時參與導(dǎo)電，就是所謂的雙極型。如果只有一種載流子參與導(dǎo)電，即為單極型。NPN型三極管圖符號大功率低頻三極管小功率高頻三極管中功率低頻三極管目前國內(nèi)生產(chǎn)的雙極型硅晶體管多為NPN型(3D系列)，鍺晶體管多為PNP型(3A系列)，按頻率高低有高頻管、低頻管之別；根據(jù)功率大小可分為大、中、小功率管。

ecbPNP型三極管圖符號ecb注意：圖中箭頭方向為發(fā)射極電流的方向。第35頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月2.雙極型三極管的電流放大作用晶體管芯結(jié)構(gòu)剖面圖e發(fā)射極集電區(qū)N基區(qū)P發(fā)射區(qū)Nb基極c集電極晶體管實現(xiàn)電流放大作用的內(nèi)部結(jié)構(gòu)條件(1)發(fā)射區(qū)摻雜濃度很高，以便有足夠的載流子供“發(fā)射”。(2)為減少載流子在基區(qū)的復(fù)合機(jī)會，基區(qū)做得很薄，一般為幾個微米，且摻雜濃度較發(fā)射極低。(3)集電區(qū)體積較大，且為了順利收集邊緣載流子，摻雜濃度很低?？梢?，雙極型三極管并非是兩個PN結(jié)的簡單組合，而是利用一定的摻雜工藝制作而成。因此，絕不能用兩個二極管來代替，使用時也決不允許把發(fā)射極和集電極接反。第36頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月晶體管實現(xiàn)電流放大作用的外部條件NNPUBBRB＋－(1)發(fā)射結(jié)必須“正向偏置”，以利于發(fā)射區(qū)電子的擴(kuò)散，擴(kuò)散電流即發(fā)射極電流ie，擴(kuò)散電子的少數(shù)與基區(qū)空穴復(fù)合，形成基極電流ib，多數(shù)繼續(xù)向集電結(jié)邊緣擴(kuò)散。UCCRC＋－(2)集電結(jié)必須“反向偏置”，以利于收集擴(kuò)散到集電結(jié)邊緣的多數(shù)擴(kuò)散電子，收集到集電區(qū)的電子形成集電極電流ic。IEICIB整個過程中，發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射的電子數(shù)等于基區(qū)復(fù)合掉的電子與集電區(qū)收集的電子數(shù)之和，即：IE=IB+IC第37頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月第38頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)論由于發(fā)射結(jié)處正偏，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子自由電子將不斷擴(kuò)散到基區(qū)，并不斷從電源補充進(jìn)電子，形成發(fā)射極電流IE?；仡櫯c總結(jié)1.發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴(kuò)散電子的過程由于基區(qū)很薄，且多數(shù)載流子濃度又很低，所以從發(fā)射極擴(kuò)散過來的電子只有很少一部分和基區(qū)的空穴相復(fù)合形成基極電流IB，剩下的絕大部分電子則都擴(kuò)散到了集電結(jié)邊緣。2.電子在基區(qū)的擴(kuò)散和復(fù)合過程集電結(jié)由于反偏，可將從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)并到達(dá)集電區(qū)邊緣的電子拉入集電區(qū)，從而形成較大的集電極電流IC。3.集電區(qū)收集電子的過程只要符合三極管發(fā)射區(qū)的雜質(zhì)濃度大大于基區(qū)的摻雜濃度，基區(qū)的摻雜濃度又大大于集電區(qū)的雜質(zhì)濃度，且基區(qū)很薄的內(nèi)部條件，再加上晶體管的發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏的外部條件，三極管就具有了放大電流的能力。第39頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月三極管的集電極電流IC稍小于IE，但遠(yuǎn)大于IB，IC與IB的比值在一定范圍內(nèi)基本保持不變。特別是基極電流有微小的變化時，集電極電流將發(fā)生較大的變化。例如，IB由40μA增加到50μA時，IC將從3.2mA增大到4mA，即：顯然，雙極型三極管具有電流放大能力。式中的β值稱為三極管的電流放大倍數(shù)。不同型號、不同類型和用途的三極管，β值的差異較大，大多數(shù)三極管的β值通常在幾十至幾百的范圍。

由此可得：微小的基極電流IB可以控制較大的集電極電流IC，故雙極型三極管屬于電流控制器件。

第40頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月3.雙極型三極管的特性曲線所謂特性曲線是指各極電壓與電流之間的關(guān)系曲線，是三極管內(nèi)部載流子運動的外部表現(xiàn)。從工程應(yīng)用角度來看，外部特性更為重要。(1)輸入特性曲線以常用的共射極放大電路為例說明UCE=0VUBE

/VIB

/A0UCE=0VUBBUCCRC++RB令UBB從0開始增加IBIE=IBUBE令UCC為0UCE=0時的輸入特性曲線UCE為0時第41頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月UCE=0.5VUCE=0VUBE

/VIB

/A0UBBUCCRC++RB令UBB重新從0開始增加IBICUBE增大UCC讓UCE=0.5VUCE=1VUCE=0.5VUCE=0.5V的特性曲線繼續(xù)增大UCC讓UCE=1V令UBB重新從0開始增加UCE=1VUCE=1V的特性曲線繼續(xù)增大UCC使UCE=1V以上的多個值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：之后的所有輸入特性幾乎都與UCE=1V的特性相同，曲線基本不再變化。實用中三極管的UCE值一般都超過1V，所以其輸入特性通常采用UCE=1V時的曲線。從特性曲線可看出，雙極型三極管的輸入特性與二極管的正向特性非常相似。UCE>1V的特性曲線第42頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)輸出特性曲線先把IB調(diào)到某一固定值保持不變。當(dāng)IB不變時，輸出回路中的電流IC與管子輸出端電壓UCE之間的關(guān)系曲線稱為輸出特性。然后調(diào)節(jié)UCC使UCE從0增大，觀察毫安表中IC的變化并記錄下來。UCEUBBUCCRC++RBICIBUBEmAAIE根據(jù)記錄可給出IC隨UCE變化的伏安特性曲線，此曲線就是晶體管的輸出特性曲線。IBUCE/VIC

/mA0第43頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月UBBUCCRC++RBICIBUBEmAAIE再調(diào)節(jié)IB1至另一稍小的固定值上保持不變。仍然調(diào)節(jié)UCC使UCE從0增大，繼續(xù)觀察毫安表中IC的變化并記錄下來。UCE根據(jù)電壓、電流的記錄值可繪出另一條IC隨UCE變化的伏安特性曲線，此曲線較前面的稍低些。UCE/VIC

/mA0IBIB1IB2IB3IB=0如此不斷重復(fù)上述過程，我們即可得到不同基極電流IB對應(yīng)相應(yīng)IC、UCE數(shù)值的一組輸出特性曲線。輸出曲線開始部分很陡，說明IC隨UCE的增加而急劇增大。當(dāng)UCE增至一定數(shù)值時(一般小于1V)，輸出特性曲線變得平坦，表明IC基本上不再隨UCE而變化。第44頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)IB一定時，從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)的電子數(shù)大致一定。當(dāng)UCE超過1V以后，這些電子的絕大部分被拉入集電區(qū)而形成集電極電流IC。之后即使UCE繼續(xù)增大，集電極電流IC也不會再有明顯的增加，具有恒流特性。UCE/VIC

/mA020AIB=040A60AIB=100A80A43211.52.3當(dāng)IB增大時，相應(yīng)IC也增大，輸出特性曲線上移，且IC增大的幅度比對應(yīng)IB大得多。這一點正是晶體管的電流放大作用。從輸出特性曲線可求出三極管的電流放大系數(shù)β。ΔIB=40A取任意再兩條特性曲線上的平坦段，讀出其基極電流之差；再讀出這兩條曲線對應(yīng)的集電極電流之差ΔIC=1.3mA；ΔIC于是我們可得到三極管的電流放大倍數(shù)：

β=ΔIC/ΔIB=1.3÷0.04=32.5第45頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月UCE/VIC

/mA020AIB=040A60AIB=100A80A43211.52.3輸出特性曲線上一般可分為三個區(qū)：飽和區(qū)。當(dāng)發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為正向偏置時，三極管處于飽和狀態(tài)。此時集電極電流IC與基極電流IB之間不再成比例關(guān)系，IB的變化對IC的影響很小。截止區(qū)。當(dāng)基極電流IB等于0時，晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)。實際上當(dāng)發(fā)射結(jié)電壓處在正向死區(qū)范圍時，晶體管就已經(jīng)截止，為讓其可靠截止，常使UBE小于或等于零。放大區(qū)晶體管工作在放大狀態(tài)時，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。在放大區(qū)，集電極電流與基極電流之間成β倍的數(shù)量關(guān)系，即晶體管在放大區(qū)時具有電流放大作用。第46頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月4.雙極型三極管的極限參數(shù)電流放大倍數(shù)極限參數(shù)①集電極最大允許電流ICMUCE/VIC

/mA0IB=043211.52.3②反向擊穿電壓U(BR)CEOcebUCCU(BR)CEO基極開路指基極開路時集電極與發(fā)射極間的反向擊穿電壓。使用中若超過此值,晶體管的集電結(jié)就會出現(xiàn)雪崩擊穿。Β值的大小反映了晶體管的電流放大能力。IC>ICM時，晶體管不一定燒損，但β值明顯下降。③集電極最大允許功耗PCM晶體管上的功耗超過PCM，管子將損壞。安

全

區(qū)第47頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月晶體管的發(fā)射極和集電極是不能互換使用的。因為發(fā)射區(qū)的摻雜質(zhì)濃度很高，集電區(qū)的摻雜質(zhì)濃度較低，這樣才使得發(fā)射極電流等于基極電流和集電極電流之和，如果互換顯然不行。晶體管的發(fā)射極和集電極能否互換使用？為什么?

晶體管在輸出特性曲線的飽和區(qū)工作時，UCE<UBE，集電結(jié)也處于正偏，這時內(nèi)電場被大大削弱，因此極不利于集電區(qū)收集從發(fā)射區(qū)到達(dá)基區(qū)的電子，這種情況下，集電極電流IC與基極電流IB不再是β倍的關(guān)系。此時晶體管的電流放大能力大大下降。晶體管在輸出特性曲線的飽和區(qū)工作時，其電流放大系數(shù)是否也等于β？為了發(fā)射區(qū)擴(kuò)散電子的絕大多數(shù)不能在基區(qū)和空穴復(fù)合，只有極小一部分與基區(qū)空穴復(fù)合形成基極電流，其余電子被集電極收集后形成集電極電流。為什么晶體管基區(qū)摻雜質(zhì)濃度??？而且還要做得很??？學(xué)習(xí)與討論第48頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月用萬用表測試二極管好壞及極性的方法用萬用表歐姆檔檢查二極管是否存在單向?qū)щ娦裕坎⑴袆e其極性。正向?qū)娮韬苄?。指針偏轉(zhuǎn)大。反向阻斷時電阻很大，指針基本不動。選擇萬用表的R×1k歐姆檔，黑表棒是表內(nèi)電池正極，紅表棒是內(nèi)部電源負(fù)極，根據(jù)二極管正向?qū)?、反向阻斷的單向?qū)щ娦?，?yīng)用圖示方法即可測出二極管的極性。如果測量中電表偏轉(zhuǎn)都很大或很小時，說明二極管已經(jīng)損壞。第49頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月用萬用表測試三極管好壞及極性的方法用指針式萬用表檢測三極管的基極和管型：指針不動，說明管子反偏截止，因此為NPN型。先將萬用表置于R×lk

歐姆檔，將紅表棒接假定的基極B，黑表棒分別與另兩個極相接觸，觀測到指針不動(或近滿偏)時，則假定的基極是正確的;且晶體管類型為NPN型（或PNP型）。如果把紅黑兩表棒對調(diào)后，指針仍不動(或仍偏轉(zhuǎn))，則說明管子已經(jīng)老化(或已被擊穿)損壞。想一想，這種檢測方法依據(jù)的是什么？指針偏轉(zhuǎn)，說明管子正向?qū)?，因此為PNP型。PN結(jié)的單向?qū)щ娦缘?0頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月

若被測管為NPN三極管，讓黑表棒接假定的集電極C，紅表棒接假定的發(fā)射極E。兩手分別捏住B、C兩極充當(dāng)基極電阻RB(兩手不能相接觸)。注意觀察電表指針偏轉(zhuǎn)的大??；

之后，再將兩檢測極反過來假定，仍然注意觀察電表指針偏轉(zhuǎn)的大小。cb

e人體電阻cbe人體電阻假定極正確假定極錯誤用萬用表R×1k歐姆檔判別發(fā)射極E和集電極C偏轉(zhuǎn)較大的假定極是正確的！偏轉(zhuǎn)小的反映其放大能力下降，即集電極和發(fā)射極接反了。

如果兩次檢測時電阻相差不大，則說明管子的性能較差。第51頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月1.三極管起電流放大作用，其內(nèi)部、外部條件分別要滿足哪些？你會做嗎？檢驗學(xué)習(xí)結(jié)果2.使用三極管時，只要①集電極電流超過ICM值；②耗散功率超過PCM值；③集—射極電壓超過U（BR）CEO值，三極管就必然損壞。上述說法哪個是對的？

3.用萬用表測量某些三極管的管壓降得到下列幾組數(shù)據(jù)，說明每個管子是NPN型還是PNP型？是硅管還是鍺管？它們各工作在什么區(qū)域？UBE＝0.7V，UCE＝0.3V；UBE＝0.7V，UCE＝4V；UBE＝0V，UCE＝4V；UBE＝－0.2V，UCE＝－0.3V；UBE＝0V，UCE＝－4V。NPN硅管，飽和區(qū)NPN硅管，放大區(qū)NPN硅管，截止區(qū)PNP鍺管，放大區(qū)PNP鍺管，截止區(qū)第52頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3單極型三極管（場效應(yīng)管）

雙極型三極管是利用基極小電流去控制集電極較大電流的電流控制型器件，因工作時兩種載流子同時參與導(dǎo)電而稱之為雙極型。單極型三極管因工作時只有多數(shù)載流子一種載流子參與導(dǎo)電，因此稱為單極型三極管；單極型三極管是利用輸入電壓產(chǎn)生的電場效應(yīng)控制輸出電流的電壓控制型器件。上圖所示為單極型三極管產(chǎn)品實物圖。單極型管可分為結(jié)型和絕緣柵型兩大類，其中絕緣柵型場效應(yīng)管應(yīng)用最為廣泛，其中又分增強型和耗盡型兩類，且各有N溝道和P溝道之分。第53頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月1、MOS管的基本結(jié)構(gòu)N+N+以P型硅為襯底BDGS二氧化硅(SiO2)絕緣保護(hù)層兩端擴(kuò)散出兩個高濃度的N區(qū)N區(qū)與P型襯底之間形成兩個PN結(jié)由襯底引出電極B由高濃度的N區(qū)引出的源極S由另一高濃度N區(qū)引出的漏極D由二氧化硅層表面直接引出柵極G雜質(zhì)濃度較低，電阻率較高。第54頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月第55頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月N+N+以P型硅為襯底BDGS大多數(shù)管子的襯底在出廠前已和源極連在一起鋁電極、金屬（Metal）二氧化硅氧化物（Oxide）半導(dǎo)體（Semiconductor)故單極型三極管又稱為MOS管。第56頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月MOS管電路的連接形式N+N+P型硅襯底BDGS+－UDS+－UGS漏極與源極間電源UDS柵極與源極間電源UGS

如果襯底在出廠前未連接到源極上，則要根據(jù)電路具體情況正確連接。一般P型硅襯底應(yīng)接低電位，N型硅襯底應(yīng)接高電位，由導(dǎo)電溝道的不同而異。第57頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月不同類型MOS管的電路圖符號DSGB襯底N溝道增強型圖符號DSGB襯底P溝道增強型圖符號DSGB襯底N溝道耗盡型圖符號DSGB襯底P溝道耗盡型圖符號由圖可看出，襯底的箭頭方向表明了場效應(yīng)管是N溝道還是P溝道：箭頭向里是N溝道，箭頭向外是P溝道。虛線表示增強型實線表示耗盡型第58頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月2.工作原理以增強型NMOS管為例說明其工作原理。N溝道增強型MOS管不存在原始導(dǎo)電溝道。當(dāng)柵源極間電壓UGS=0時，增強型MOS管的漏極和源極之間相當(dāng)于存在兩個背靠背的PN結(jié)。N+N+P型硅襯底BDGS不存在原始溝道+－UDSUGS=0此時無論UDS是否為0，也無論其極性如何，總有一個PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，因此MOS管不導(dǎo)通，ID=0。MOS管處于截止區(qū)。PPN結(jié)PN結(jié)ID=0第59頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月怎樣才能產(chǎn)生導(dǎo)電溝道呢？在柵極和襯底間加UGS且與源極連在一起，由于二氧化硅絕緣層的存在，電流不能通過柵極。但金屬柵極被充電，因此聚集大量正電荷。+－+－N+N+P型硅襯底BDGSUDS=0UGS電場力排斥空穴二氧化硅層在UGS作用下被充電而產(chǎn)生電場形成耗盡層出現(xiàn)反型層形成導(dǎo)電溝道電場吸引電子

第60頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月導(dǎo)電溝道形成時，對應(yīng)的柵源間電壓UGS=UT稱為開啟電壓。UT+－+－N+N+P型硅襯底BDGS當(dāng)UGS>UT、UDS≠0且較小時UDSUGSID當(dāng)UGS繼續(xù)增大，UDS仍然很小且不變時，ID隨著UGS的增大而增大。此時增大UDS，導(dǎo)電溝道出現(xiàn)梯度，ID又將隨著UDS的增大而增大。直到UGD=UGS－UDS=UT時，相當(dāng)于UDS增加使漏極溝道縮減到導(dǎo)電溝道剛剛開啟的情況，稱為預(yù)夾斷，ID基本飽和。導(dǎo)電溝道加厚產(chǎn)生漏極電流第61頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月ID+－+－N+N+P型硅襯底BDGSUDSUGS如果繼續(xù)增大UDS，使UGD<UT時，溝道夾斷區(qū)延長，ID達(dá)到最大且恒定，管子將從放大區(qū)跳出而進(jìn)入飽和區(qū)。UGD溝道出現(xiàn)預(yù)夾斷時工作在放大狀