模擬電子技術基礎第1章課件

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

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

3、與空穴：P型半導體形成共價鍵過程中所形成的空缺的位子為空位，而鄰近共價鍵中電子填補這一空位而形成的空位稱為空穴。 1.1.2 二極管的結構、類型、電路符號 1通過一定的生產工藝把半導體的P區(qū)和N區(qū)部分結合在一起，則它們的交界處就會形成一個具有單向導電性的薄層，稱為PN結（PN Juntion）。 圖1.1.3 二極管內部結構示意圖和電路符號(a)內部結構 (b)電路符號 2以PN結為管芯，在P區(qū)和N區(qū)均接上電極引線，并以外殼封裝，就制成了半導體二極管，簡稱二極管（Diode）。 3二極管電路符號：箭頭方向表示二極管導通時的電流方向。 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： 點接觸型：結電容（Junction capacitance）很小，允許通過的電流也很?。◣资涟惨韵拢?，適用于高頻檢波、變頻、高頻振蕩等場合。2AP系列和2AK系列； 面接觸型：允許通過的電流較大，結電容也大，工作頻率較低，用作整流器件。如國產硅二極管2CP和2CZ系列；硅平面型，2CK系列開關管。 圖1.1. 4 二極管結構(a) 點接觸型 (b)硅面接觸型 (c)硅平面型 5國產半導體器件命名方法。 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。 查附錄表練習：說明半導體器件的型號2AP8A和2CZ82F各部分的含義。 1.

5、1.3 二極管的伏安特性 一、二極管的單向導電性 圖(a)中的開關閉合，燈亮，大電流；圖(b)開關閉合，燈不亮，電流幾乎為零。 圖1.1.5 半導體二極管單向導電性實驗（a)二極管正向偏置 （b)二極管反向偏置 二極管陽極電位高于陰極電位，稱為二極管(PN結)正向偏置，簡稱正偏(Forward bias)；二極管陽極電位低于陰極電位，稱為二極管(PN結)反向偏置，簡稱反偏(Reverse bias)。 二極管正偏導通，反偏截止的這種特性稱為單向導電性(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段為正向導通區(qū)。當uUth時，二極管才處于完全導通狀態(tài)，導通電壓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。當二極管為理想二極管時，UF=0。 (b)反向特性：如圖OD段所示，二極管處于截止狀態(tài)，在電路中相當于開關處于關斷狀態(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），此時所對應的電壓為反向擊穿電壓UBR。對于非特殊要求的二

7、極管，反向擊穿時會使二極管PN結過熱而損壞。圖1.1.6 半導體二極管伏安特性 1.1.4 溫度對二極管特性的影響 1、溫度升高1，硅和鍺二極管導通時的正向壓降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為指二極管長期運行時允許通過的最大正向直流電流。IF與PN結的材料、面積及散熱條件有關。大功率二極管使用時，一般要加散熱片。在實際使用時，流過二極管最大平均電流不能超過IF，否則二極管會因過熱而損壞。 2最高反向工作電壓URM（反向峰值電壓） URM為二極管在使用時允許外加的最大反向電壓。U

8、RM=UBR。在實際使用時，二極管所承受的最大反向電壓值不應超過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，二極管未擊穿時的反向電流值。 4最高工作頻率 二極管的工作頻率若超過一定值，就可能失去單向導電性，這一頻率稱為最高工作頻率。主要由PN結的結電容的大小來決定。點接觸型二極管結電容較小，可達幾百兆赫茲。面接觸型二極管結電容較大，只能達到幾十兆赫茲。 1.1.6 二極管的應用 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 二極管構成的穩(wěn)壓電路 利用半導體二極管在正偏導通時導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，防止二極管過流而損壞。若VD1、VD2為硅管，UO=1.4V。 附：二極管引腳識別及性能簡易測試二極管性能簡易測試示意圖 可使用萬用表電阻檔通過測量二極管的正、反向電阻值，來判別其陽極、陰極。 可使用萬用表R1k、R100檔對二極管性能進行簡易測試。 1.2.1 穩(wěn)壓二極管（Voltage regulator diode） 穩(wěn)壓二極管就是通過半導體特殊工藝處理后，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），簡稱穩(wěn)壓管。穩(wěn)

10、壓二極管的電路符號與其伏安特性如圖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)壓二極管電路符號與伏安特性（a)電路符號 （b)伏安特性 穩(wěn)壓二極管實物圖 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時的電流。也就是管子的最小穩(wěn)定電流IZminIZ。當反向擊穿電流小于IZmin時，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)壓管允許流過的最大工作電流，超過PM或IZM時，管子因溫度過高而損壞。 PMUZIZM (4)動態(tài)內阻rZ 它是指穩(wěn)壓管兩端電壓變化量UZ與相應電流變化量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)壓管中流過的電流為IZ時，環(huán)境溫度每變化1，穩(wěn)定電壓相對變化量（用百分數(shù)表示）稱為穩(wěn)定電壓的溫度系數(shù)。它表示溫度變化對穩(wěn)定電壓UZ的影響程度。 通常UZ5V的穩(wěn)壓管具有負溫度系數(shù)，UZ8V的穩(wěn)壓管具有正溫度系數(shù)，而UZ在6V左右時穩(wěn)壓管（如2DW7型）的溫度系數(shù)最小。 1.2.2 變容二極管 1變容二極

12、管原理、電路符號 變容二極管是利用PN結反偏時結電容大小隨外加電壓而變化的特性制成的。其電路符號如圖1.2.2所示。 圖1.2.2 變容二極管電路符號 2用途 它主要在高頻電路中用作自動調諧、調頻、調相等，例如在電視接收機的調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型半導體接觸形成具有單向導電性的二極管，因此也稱金屬半導體二極管。其電路符號如圖1.2.3所示。 圖1.2.3 變容二極管電路符號 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，以提高開關速度。還可用作高頻檢波和續(xù)流二極管等。 1.2.4 快速恢復二極管 快速恢復二極管電路符號如

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結的摻雜濃度很低，以此獲得較高開關速度和較低的正向壓降。它的反向恢復時間為200750nS，高速的可達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，在開關電源和逆變電源中作整流二極管，以降低關斷損耗，提高效率和減小噪聲。圖1.2.4 變容二極管電路符號 1.2.5 SMT與微型二極管簡介 圖1.2.5 圓柱型微型二極管圖1.2.7 SOT-23封裝型二極管內部結構圖1.2.6 SOT-23封裝微型二極管 微型元器件實物圖 半導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)載流子均參與導電的三極管。 單極型三極管又稱為場效應管(Field effect transistor，F(xiàn)ET)，它工作時只有多數(shù)載流子參與導電。 1.3 半導體三極管 1三極管的分類 (1)按結構(導電類型)劃分：NPN和PNP。 (2)按所用半導體材料劃分：硅管和鍺管。 (3)按用途劃分：放大管和開關管。 (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 三極管的結構、電路符號及分類 2三極管的結構、電路符號 三極管

15、結構與符號如圖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：各對應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：發(fā)射區(qū)與基區(qū)之間的PN結稱為發(fā)射結Je，基區(qū)與集電區(qū)之間的PN結稱為集電結Jc。 圖1.3.1 三極管的內部結構與符號（a）NPN型 （b） PNP型 三極管實物圖片 注意： (1)兩種管子的電路符號用發(fā)射極箭頭方向的不同以示區(qū)別，箭頭方向表示發(fā)射結正偏時發(fā)射極電流的實際方向。 (2)三極管具有信號放大作用。 (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，集電結的面積比發(fā)射結的面積大等。 (4)在

16、使用時三極管的發(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： 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驗電路如圖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 三極管電流分配實驗電路 調節(jié)實驗電路的電位器RP可以改變UBE并產生相應的基極電流IB，而IB的變化又將引起IC和IE的變化。每產生一個IB值

17、，就有一組IC和IE值與之對應，該實驗所得數(shù)據見表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IB從0.02mA變化到0.03mA時， 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，說明此時三極管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，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，放大的實質是小信號對大信號的控制作用。 （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管具有放大作用時的電位關系：UCUBUE； PNP管：UCUBUE。 1.3.3 三極管的輸入、輸出特性曲線 三極管的各個電極上電壓和電流之間的關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試電路如圖1.3.3所示。 圖1.3.3 三極管共射特性曲線測試電路 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，相當于兩個二極管并聯(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時的曲線近乎重合。實際中，通常就用uCE1V這條曲線來代表。(4)三極管放大狀態(tài)的依據：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輸出特性曲線測試 測試時，先調節(jié)RP1使iB為某一值固定不變，再調節(jié)RP2，得到與之對應的uCE和iC值，根據所對應的值可在直角坐標系中畫出一條曲線。重復上述步驟，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)對一條曲線而言，uCE增大，iC增大，但當uCE大于0.3V左右以后，曲線較平坦，只略有上翹。這說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)及溫度對特性的影響 三極管的參數(shù)用來表征管子性能優(yōu)劣和適用范圍，它是合理選用三極管的依據。 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：電路無交流信號輸入而工作在直流狀態(tài)時，稱為靜態(tài)；電路有交流信號輸入而工作在交流狀態(tài)時，稱為動態(tài)。

22、1.共射電流放大系數(shù) 前者反映靜態(tài)時集電極電流與基極電流之比值；而后者反映動態(tài)時的電流放大作用。 2.與溫度的關系 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)射極開路時，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)的測試電路。 （2）ICEO是指基極開路時，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.