第二章 常見電子元件

第二章常見電子元件2.1電阻、電容和電感的回顧2.2半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識2.3二極管2.4三極管2.5場效應(yīng)管2.6其它半導(dǎo)體元件簡介2.1電阻、電容和電感的回顧2.1.1電阻器

電阻用來限制通過它所連支路的電流大小，符號為“R”，電阻的單位是歐姆（Ω）。2.1.2電容器電容是一種儲能元件，用字母“C”表示，電容的單位是法拉，簡稱法（F）。

2.1.3電感器電感也是儲能元件，用字母“L”表示，在國際單位制里，電感的單位是亨利（H）。2.2半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)，我們稱之為半導(dǎo)體。2.2.1本征半導(dǎo)體高度提純、晶體結(jié)構(gòu)完整的單晶體叫做本征半導(dǎo)體。1、本征半導(dǎo)體的原子結(jié)構(gòu)2、本征半導(dǎo)體中的兩種載流子當(dāng)溫度變化或有光輻射作用時，少數(shù)價電子獲得足夠的能量，可以克服共價鍵的束縛成為自由電子，同時，在原來的共價鍵中留下了一個空位，稱為空穴。這種在光熱激發(fā)下產(chǎn)生電子-空穴對的現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。在外電場的作用下，自由電子作定向運動，形成電子電流；空穴也作定向運動，并形成空穴電流。3、本征半導(dǎo)體的熱平衡在半導(dǎo)體中，自由電子在運動過程中和空穴相遇就會填補空穴，重新被共價鍵束縛起來，自由電子-空穴成對消失，這種現(xiàn)象稱為復(fù)合。本征激發(fā)產(chǎn)生自由電子-空穴對，復(fù)合使自由電子-空穴對消失。在一定的溫度下，兩者達到動態(tài)平衡，稱為熱平衡。熱平衡時本征半導(dǎo)體中載流子濃度一定，并且自由電子與空穴的濃度相等。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。在一般使用的溫度范圍內(nèi)，溫度愈高，載流子濃度就愈高，導(dǎo)電性能也就愈好，因此本征半導(dǎo)體具有對溫度的敏感性。利用這種敏感性，可制作熱敏元件和光敏元件。2.2.2雜質(zhì)半導(dǎo)體摻入雜質(zhì)后的半導(dǎo)體叫雜質(zhì)半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體分為電子型半導(dǎo)體（N型半導(dǎo)體）和空穴型半導(dǎo)體（P型半導(dǎo)體）兩種。1、N型半導(dǎo)體如圖所示，在硅或鍺的晶體中摻入少量五價元素原子。這種雜質(zhì)半導(dǎo)體中的電子濃度高于空穴濃度，主要依靠電子導(dǎo)電，故稱之為電子型半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體。2、P型半導(dǎo)體如圖所示，在硅或鍺的晶體中摻入少量三價元素原子。這種雜質(zhì)半導(dǎo)體中的空穴濃度高于電子濃度，主要依靠空穴導(dǎo)電，故稱之為空穴型半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體。2.2.3PN結(jié)的形成及特性PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，是?gòu)成各種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。1、載流子的擴散和漂移運動（1）載流子的擴散運動在電中性的半導(dǎo)體中，當(dāng)同一種載流子濃度有差別時，載流子將從濃度較高的區(qū)域向濃度較低的區(qū)域運動，這種運動叫擴散運動，由此引起的電流叫擴散電流。（2）載流子的漂移運動半導(dǎo)體在無外加電場時，電子和空穴均處于雜亂無章的熱運動狀態(tài)，且其運動方向是隨機的，所以它們的平均移動速度為零，即不產(chǎn)生電流。在有電場作用時，載流子將作定向運動，這種運動叫漂移運動，由此引起的電流叫漂移電流。2、PN結(jié)的形成對一塊半導(dǎo)體采用不同的摻雜工藝，使其一側(cè)成為P型半導(dǎo)體，而另一側(cè)成為N型半導(dǎo)體，在它們的交界面就會形成PN結(jié)。PN結(jié)的具體形成過程:1）由于濃度差引起的多子的擴散運動；2）由于內(nèi)電場的作用形成的非平衡少子的漂移運動；3）動態(tài)平衡；3、PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮區(qū)接外加電壓的正極，N區(qū)接負(fù)極，叫PN結(jié)的正向偏置，簡稱正偏。如圖所示擴散電流超過漂移電流，最后形成正向電流。 P區(qū)接外加電壓的負(fù)極，N區(qū)接正極，叫PN結(jié)的反向偏置，簡稱反偏。如圖所示在電路中形成了少子漂移的反向電流，由于少子數(shù)量少，因此反向電流很小。4、PN結(jié)的伏安特性PN結(jié)的導(dǎo)電特性可用下面的電流方程及曲線表示：5、PN結(jié)的擊穿特性當(dāng)外加反向電壓過高時，反向電流將突然增大，這種現(xiàn)象稱為反向擊穿。產(chǎn)生擊穿時加在PN結(jié)上的反向電壓稱為反向擊穿電壓U(BR)。擊穿按機理分為齊納擊穿和雪崩擊穿兩種情況。齊納擊穿：在高摻雜的情況下，因耗盡層寬度很小，不大的反向電壓就可在耗盡層形成很強的電場，而直接破壞共價鍵，使價電子脫離共價鍵束縛，產(chǎn)生電子-空穴對，致使電流急劇增大，形成反向擊穿。雪崩擊穿：在材料摻雜濃度較低的PN結(jié)中，當(dāng)PN結(jié)反向電壓增加時，空間電荷區(qū)中的電場將隨之增強。當(dāng)電場增強到一定程度時，通過空間電荷區(qū)的電子將獲得足夠的能量并不斷的與空間電荷區(qū)中的晶體原子發(fā)生碰撞，將束縛在共價鍵中的價電子碰撞出來，產(chǎn)生自由電子-空穴對。新產(chǎn)生的自由電子又會在電場作用下撞出其它價電子，產(chǎn)生更多新的自由電子-空穴對。如此連鎖反應(yīng)，使得空間電荷區(qū)中載流子的數(shù)量雪崩式地增加，流過PN結(jié)的電流就會急劇增大。6、PN結(jié)的電容效應(yīng)當(dāng)工作頻率超過一定值時，PN結(jié)的單向?qū)щ娦詫⒉粡?fù)存在，其原因是PN結(jié)具有一定的電容效應(yīng)。根據(jù)其形成原因不同分為勢壘電容和擴散電容。（1）勢壘電容外加電壓的變化引起了空間電荷量的變化，這就是電容效應(yīng)。它發(fā)生在勢壘區(qū)內(nèi)，所以叫做勢壘電容CB。（2）擴散電容擴散電容主要研究的是由非平衡少子數(shù)量變化引起的電容效應(yīng)。擴散電容用用CD表示。2.3二極管2.3.1二極管的結(jié)構(gòu)和類型將PN結(jié)封裝，引出兩個電極，就構(gòu)成了二極管。普通二極管按使用的半導(dǎo)體材料不同分為硅管和鍺管；按結(jié)構(gòu)形式不同，常用的有點接觸型和平面型。2.3.2二極管的伏安特性典型二極管在常溫時的伏安特性如圖所示。特性曲線分三個區(qū)：正向工作區(qū)、反向工作區(qū)、擊穿區(qū)。uD>0的區(qū)域是正向工作區(qū)，U(BR)<uD<0的區(qū)域是反向工作區(qū)，uD<U(BR)的區(qū)域是擊穿區(qū)。2.3.3二極管的主要電參數(shù)二極管的主要參數(shù)如下：（1）最大整流電流IF最大整流電流是指二極管長時間使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。（2）反向工作峰值電壓URUR是保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓，一般是反向擊穿電壓的一半或三分之二。（3）反向電流ISIS是指在室溫和最大反向電壓下的反向電流。IS愈小，二極管的單向?qū)щ娦杂?，IS對溫度比較敏感。2.3.4二極管電路的分析方法1、二極管電路的靜態(tài)分析【例2.1】圖示電路中，二極管的UON=0.7V，R=1kΩ，試計算當(dāng)ED分別為0V、1V和10V時，I的數(shù)值各是多大?解：將圖中二極管用恒壓源簡化電路模型替代，可得到簡化等效電路如圖b。由圖可見，當(dāng)ED<UON時，理想二極管截止，回路無電流流過；當(dāng)ED>UON時，理想二極管導(dǎo)通，回路電流可由下式求得。 由前面的分析可知：當(dāng)ED=0V時，二極管截止，I=0當(dāng)ED=1V時，二極管導(dǎo)通，當(dāng)ED=10V，2、二極管電路的動態(tài)分析用伏安特性在Q點處的切線近似表示實際的二極管伏安特性上的一段曲線，如圖（a）所示。二極管在Q點附近的微變信號模型如圖（b）所示?！纠?.2】圖示電路中，2CP10是硅二極管，UON=0.7V，R=1kΩ，E=10V，ui=sinωt，求uO并畫出其波形。解：（1）求電路中的直流電壓和電流，確定二極管直流（靜態(tài)）工作點Q（UDQ，IDQ）。二極管靜態(tài)工作點的參數(shù)為：UDQ=UON=0.7V輸出電壓的直流部分：UO=E-0.7=9.3V（2）確定電路中的交流量。在交流電壓作用下，流過二極管的是交流電流，此時應(yīng)采用二極管微變信號模型如圖（b），即把二極管等效為交流電阻rd：輸出電壓的交流部分：（3）把直流量和交流量疊加，就可得出在E和ui共同作用時電路的輸出電壓uO。輸出波形如圖（c）。2.3.5半導(dǎo)體二極管的應(yīng)用舉例1、整流應(yīng)用把交流電壓變換成直流電壓的過程稱為整流。圖（a）是半波整流電路，輸出為半周的正弦脈沖電壓，顯然含有直流成分，如圖（b）所示。2、檢波應(yīng)用3、限幅應(yīng)用限幅電路是防止輸出電壓超過給定值的電路，又稱為削波電路。下圖是雙向削波電路，限制輸出電壓不超過±0.7V。2.3.6穩(wěn)壓二極管1、穩(wěn)壓管的伏安特性穩(wěn)壓二極管（簡稱穩(wěn)壓管）是利用PN結(jié)擊穿特性制作的元件，其伏安特性曲線如圖(a)所示。穩(wěn)壓管的電路符號及其模型如圖(b)。2、穩(wěn)壓管的主要參數(shù)穩(wěn)壓管的主要參數(shù)有下面幾個：（1）穩(wěn)定電壓UZ（2）穩(wěn)定電流IZ

（3）動態(tài)電阻rd（4）電壓溫度系數(shù)αU（5）最大允許耗散功率PZM

【例2.3】在圖示穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路中，已知直流輸入電壓、穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓及限流電阻值如圖所示，則輸出電壓UO分別為多少？解：（1）由圖（a）所示電路可知，穩(wěn)壓管工作在穩(wěn)壓狀態(tài)，因此，UO=6V。（2）由圖（b）所示電路可知，穩(wěn)壓管DZ1正偏導(dǎo)通，導(dǎo)通壓降為0.7V；穩(wěn)壓管DZ2工作在穩(wěn)壓狀態(tài)，因此，輸出電壓UO=0.7+UZ2=8.7V。2.4三極管從字面上理解，三極管是具有3個引腳的管子。但在電子技術(shù)中，通常三極管指由兩個PN結(jié)組成的雙極型器件，又稱BJT。2.4.1三極管的結(jié)構(gòu)及工作原理1、三極管的結(jié)構(gòu)及符號根據(jù)半導(dǎo)體排列方式的不同，三極管又分NPN和PNP兩種類型，如圖（a）、（b）所示。由圖可見每一種三極管都有三個區(qū)，分別是基區(qū)、發(fā)射區(qū)和集電區(qū)；三個極，基極B（或b）、發(fā)射極E（或e）和集電極C（或c）；兩個結(jié)，發(fā)射結(jié)和集電結(jié)。2、三極管的工作原理（1）三極管內(nèi)部載流子的運動主流：e區(qū)向b區(qū)擴散大量的電子，由于b區(qū)空穴濃度低且容積小，到達b區(qū)的電子只有少部分可以復(fù)合形成電流IBN，大量的電子以b區(qū)非平衡少子的形式被反偏的集電結(jié)電壓漂移到c區(qū)形成ICN。次流1：b區(qū)向e區(qū)擴散空穴在e區(qū)復(fù)合形成電流IEP。次流2：因集電結(jié)反偏而形成的平衡少子漂移電流ICBO，此部分電流有c區(qū)流向b區(qū)的空穴及b區(qū)流向c區(qū)的電子。（2）三極管的電流關(guān)系及控制作用

IE=IEN+IEPIB=IBN+IEP-ICBOIC=ICN+ICBO

IE=IB+IC

三極管共基直流電流放大系數(shù)三極管共射直流電流放大系數(shù)：2.4.2三極管的特性曲線三極管的特性曲線是用來表示三極管各極的電壓和電流之間相互關(guān)系的，它反映出三極管的性能。1、三極管的輸入特性曲線當(dāng)UCE不變時，輸入回路中的電流iB與電壓uBE之間的關(guān)系曲線稱為輸入特性曲線，可表示為：圖a三極管輸入特性測試電路圖b三極管輸入特性曲線2、三極管的輸出特性曲線當(dāng)IB不變時，輸出回路中的電流iC與電壓uCE之間的關(guān)系曲線稱為輸出特性曲線，可表示為：三極管輸出特性曲線分為：（1）截止區(qū)（2）放大區(qū)（3）飽和區(qū)。三極管輸出特性曲線2.4.3三極管的主要電參數(shù)三極管的主要電參數(shù)為：1、直流參數(shù)。2、交流參數(shù)。3、極限參數(shù)。晶體管安全工作區(qū)4、溫度對三極管參數(shù)的影響：1）溫度對ICBO的影響2）溫度對輸入特性的影響3）溫度對輸出特性的影響溫度對輸入特性和輸出特性的影響2.4.4三極管的直流模型和中低頻小信號等效模型1、三極管的直流模型進行直流分析時，工作在放大狀態(tài)下的三極管，其輸入端可用直流電壓源等效，輸出端可用受控電流源等效，共射接法下三極管簡化直流電路模型可用下圖表示。三極管簡化直流電路模型2、三極管的微變等效模型（1）三極管的h參數(shù)。三極管在共射極接法時，可看成一個雙口網(wǎng)絡(luò)，如圖a。圖a視作雙口網(wǎng)路的三極管ube=h11ib+h12uceic=h21ib+h22uce

對應(yīng)各電量的微小增量，有：h11、h12、h21和h22就叫做三極管在共射接法下的h參數(shù)。ube=h11ib+h12uceic=h21ib+h22uce

h參數(shù)的物理意義：h11的物理意義是在輸出電壓恒定即uCE=UCEQ時，三極管b和e極間的輸入阻抗，單位為Ω，常用符號rbe表示。h12的物理意義是基極電流恒定即iB=IBQ時，三極管輸出電壓uCE的變化對輸入電壓uBE的影響，也叫反向電壓傳輸系數(shù)，是三極管的內(nèi)部反饋，無量綱，通常用μr表示h21的物理意義是輸出電壓恒定即uCE=UCEQ時，三極管的交流共射電流放大系數(shù)。它表示iB對iC的控制能力，無量綱，常用符號β表示。h22的物理意義是基極電流恒定即iB=IBQ時的輸出電導(dǎo)，表示三極管集-射極電壓的變化對集電極電流的影響程度，單位為S（西門子），數(shù)值很小。三極管的輸出阻抗rce為h22的倒數(shù)。（2）三極管的h參數(shù)等效電路圖a三極管中低頻小信號電路模型ube=h11ib+h12uceic=h21ib+h22uce

圖b三極管輸入回路的分析下面給出rbe的求法。

2.5場效應(yīng)管場效應(yīng)管（FET-FieldEffectTransistor）在工作時只有一種載流子參與導(dǎo)電，屬于單極型器件，同時它是一種電壓控制型器件，場效應(yīng)管具有輸入電阻大、功耗低、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強等特點。目前場效應(yīng)管已成為制造超大規(guī)模集成電路的主要器件。按結(jié)構(gòu)不同，場效應(yīng)管可分為結(jié)型場效應(yīng)管（JFET-JunctionFET）、絕緣柵型場效應(yīng)管（IGFET-InsulatedGateFET）兩大類。2.5.1結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)及工作原理1、結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)及符號結(jié)型場效應(yīng)管又分為N溝道和P溝道兩種類型，下圖為N溝道和P溝道結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖及符號。結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)示意及符號2、結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理（1）uGS對溝道的控制作用uGS對溝道的寬度及其電阻具有控制作用。uDS=0時uGS對導(dǎo)電溝道的控制作用（2）uDS對iD的影響（3）uGS對iD的控制作用當(dāng)uDS為一常量時，對應(yīng)于不同的uGS，就有不同的iD，此時，可以通過改變uGS來控制iD的大小?？梢?，結(jié)型場效應(yīng)管是一個電壓控制器件。UGS(off)<uGS<0時uDS對iD的影響2.5.2結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線1、輸出特性曲線輸出特性曲線用來描述uGS取一定值時，電流iD和電壓uDS間的關(guān)系，即，它反映了漏源電壓uDS對iD的影響。結(jié)型場效應(yīng)管的工作狀態(tài)可劃分為以下幾個區(qū)域：（1）可變電阻區(qū)（2）恒流區(qū)（3）夾斷區(qū)（4）擊穿區(qū)。結(jié)型場效應(yīng)管的輸出特性2、轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線用來描述uDS取一定值時，iD與uGS間的關(guān)系的曲線，它反映了柵源電壓uGS對iD的控制作用，可表示為：結(jié)型場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線在恒流區(qū)內(nèi)轉(zhuǎn)移特性可近似地表示為：（UGS(off)<uGS≤0）2.5.3增強型MOS管 結(jié)型場效應(yīng)管的輸入電阻雖然可達106～109，但在要求輸入電阻更高的場合，還是不能滿足要求。另外，由于它的輸入端完全由PN結(jié)擔(dān)當(dāng)，因此受溫度影響會比較大。與結(jié)型場效應(yīng)管不同，絕緣柵場效應(yīng)管的柵極與半導(dǎo)體之間隔有二氧化硅（SiO2）絕緣介質(zhì)，使柵極處于絕緣狀態(tài)，因而它的輸入電阻可高達1010以上。此外，絕緣柵場效應(yīng)管制造工藝簡單，適合于大規(guī)模及超大規(guī)模集成。絕緣柵場效應(yīng)管因制造工業(yè)特點更多地被稱為MOS管，MOS管又分為增強型和耗盡型兩種。增強型MOS管分為N溝道和P溝道兩種。代表符號中的箭頭方向表示由襯底指向溝道。1、增強型MOS管的結(jié)構(gòu)及符號增強型MOS管結(jié)構(gòu)示意圖及符號（a）(b)2、增強型MOS管的工作原理（1）uGS對溝道的控制作用 uGS對導(dǎo)電溝道的影響uGS為大于UGS(th)的某一值時uDS對iD的影響（2）uDS對iD的影響(b)uDS=uGS-UGS(th)(a)uDS<uGS-UGS(th)(c)uDS>uGS-UGS(th)3、增強型MOS管的特性曲線輸出特性曲線也可分為可變電阻區(qū)、恒流區(qū)和截止區(qū)三部分。在恒流區(qū)內(nèi)，iD與uGS的近似關(guān)系式為：(uGS>UGS(th))

N溝道增強型MOS管的特性曲線(a)輸出特性(b)轉(zhuǎn)移特性2.5.4耗盡型MOS管耗盡型MOS管是在增強型MOS管技術(shù)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，下圖（a）、（b）分別為N溝道耗盡型和P溝道耗盡型MOS管的符號，圖（c）為N溝道耗盡型MOS管的結(jié)構(gòu)示意圖。耗盡型MOS管結(jié)構(gòu)示意圖及符號(a)(b)(c)N溝道結(jié)構(gòu)示意圖N溝道耗盡型MOS管的特性曲線2.5.5場效應(yīng)管的中低頻小信號等效模型(b)場效應(yīng)管的微變等效電路

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