第一章.電子線路

第一章

基本半導體器件§1-1ＰＮ結半導體：其導電能力介于導體和絕緣體之間的物質。特殊性質即電導率可控：溫度光照磁場摻雜質

1.1.1本征半導體GeSi現(xiàn)代電子學中，用的最多的半導體是硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個而且都具有特定的晶體結構。在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點陣，每個原子都處在正四面體的中心，而四個其它原子位于四面體的頂點，每個原子與其相臨的原子之間形成共價鍵，共用一對價電子。硅和鍺的晶體結構：硅和鍺的共價鍵結構共價鍵共用電子對+4+4+4+4+4表示除去價電子后的原子共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自由電子，因此本征半導體中的自由電子很少，所以本征半導體的導電能力很弱。形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構成穩(wěn)定結構。+4+4+4+4完全純凈的、結構完整的半導體晶體－－本征半導體1.本征半導體的特點在絕對0度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時,價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導體中沒有可以運動的帶電粒子（即載流子），它的導電能力為0，相當于絕緣體。在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自由電子，同時共價鍵上留下一個空位，稱為空穴。此時在外電場作用下具有一定的導電能力+4+4+4+4自由電子空穴束縛電子本征激發(fā)載流子2.本征半導體的導電機理+4+4+4+4在其它外力的作用下，空穴吸引附近的電子來填補，這樣的結果相當于空穴的遷移，而空穴的遷移相當于正電荷的移動，因此可以認為空穴是載流子。本征半導體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導體的導電能力越強，溫度是影響半導體性能的一個重要的外部因素，這是半導體的一大特點。本征半導體的導電能力取決于載流子的濃度。本征半導體中電流由兩部分組成：

1.自由電子移動產生的電流。2.空穴移動產生的電流。1.1.2雜質半導體的導電特性

雜質半導體：在本征半導體中人為摻入某種“雜質”元素形成的半導體。分為N型半導體和P型半導體。一N型半導體：在純凈Si中摻入五價元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半導體。所摻入五價元素稱為施主雜質，簡稱施主（能供給自由電子）。右圖（2-1）N型半導體中，自由電子為多子，空穴為少子。

二.P型半導體：在純凈Si中摻入三價元素（硼），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了P型半導體。所摻入三價元素稱為受主雜質，簡稱受主P型半導體中，空穴為多子，自由電子為少子?！?.1.3PN結的形成★PN結：采用不同的摻雜工藝，將P型半導體和N型半導體制作在同一塊硅片上，在它們的交界面就形成PN結。PN結形成過程分解：1.1.4PN結的單向導電特性

當外加電壓使PN結中P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；反之稱為加反向電壓，簡稱反偏。－－－－++++REPN結正向偏置內電場外電場變薄PN+_內電場被削弱，多子的擴散加強能夠形成較大的擴散電流。反向偏置（簡稱反偏）PN結反偏：P區(qū)接低電位（負電位），N區(qū)接高電位（正電位）。

PN結反向偏置－－－－++++內電場外電場變厚NP+_內電場被被加強，多子的擴散受抑制。少子漂移加強，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。RE

PN結加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴散電流；PN結加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。

由此可以得出結論：PN結具有單向導電性。

1.3.1半導體二極管的結構及符號

在PN結上加上引線和封裝，就成為一個二極管。二極管按結構分有點接觸型、面接觸型和平面型三大類。(1)點接觸型二極管PN結面積小，結電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。(a)點接觸型

二極管的結構示意圖§1-2二極管(3)平面型二極管往往用于集成電路制造藝中。PN結面積可大可小，用于高頻整流和開關電路中。(2)面接觸型二極管PN結面積大，用于工頻大電流整流電路。(b)面接觸型(c)平面型(4)二極管的代表符號半導體二極管圖片一.PN結的伏安特性PN結所加端電壓U與流過它的電流I的關系為：其中

為反向飽和電流，VT為kT/q稱溫度的電壓當量，k為玻耳茲曼常數(shù)，T為熱力學溫度，q為電子的電量，常溫下，T＝300K時，VT可取26mv

1.3.2二極管的伏安特性UI死區(qū)電壓硅管0.6V,鍺管0.2V。導通壓降:硅管0.6~0.7V,鍺管0.2~0.3V。反向擊穿電壓UBRPN結的伏安特性曲線當PN結的反向電壓增加到一定數(shù)值時，反向電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱為PN結的反向擊穿。熱擊穿——不可逆雪崩擊穿齊納擊穿電擊穿——可逆*擊穿并不意味著PN結燒壞。二極管的伏安特性曲線可用下式表示硅二極管2CP10的V-I特性鍺二極管2AP15的V-I特性正向特性反向特性反向擊穿特性二.實際二極管的伏安特性

三.理想二極管的特性

1.二極管的正向壓降遠小于和它串聯(lián)的電壓2.反向電流遠小于和它并聯(lián)的電流

三.理想二極管的特性

1.二極管的正向壓降遠小于和它串聯(lián)的電壓2.反向電流遠小于和它并聯(lián)的電流0

1.3.3二極管的參數(shù)(1)最大正向電流IF+iDvD-R

1.3.3二極管的參數(shù)(2)反向擊穿電壓VBR和最大反向工作電壓VRMVRM=0.5VBR為了保證二極管安全工作：(3)反向電流IR

1.3.3二極管的參數(shù)(4)正向壓降VF（硅二極管典型值）（鍺二極管典型值）導通壓降：+iDvD-R(5)最高工作頻率fM1.3.4穩(wěn)壓二極管1.穩(wěn)壓特性(a)符號(b)伏安特性利用二極管反向擊穿特性實現(xiàn)穩(wěn)壓。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓時工作在反向電擊穿狀態(tài)。IZ很大，VZ很小。(1)穩(wěn)定電壓VZ(3)動態(tài)電阻rZ

在反向擊穿后兩端的實際工作電壓。rZ=VZ/IZ(4)最大穩(wěn)定工作電流IZmax和最小穩(wěn)定工作電流IZmin2.穩(wěn)壓二極管主要參數(shù)1.3.4穩(wěn)壓二極管(2)穩(wěn)定電流IZ3.如何穩(wěn)壓正常穩(wěn)壓時VO=VZ限流電阻R的選擇：IZmin

≤IZ≤IZmax一.限幅電路：單向限幅電路：如17頁圖二.穩(wěn)壓電路§1.3.5二極管電路

1.4半導體三極管（雙極型晶體管）

1.4.1晶體管的結構及符號半導體三極管的結構示意圖如圖所示。它有兩種類型:NPN型和PNP型。兩種類型的三極管發(fā)射結(Je)

集電結(Jc)

基極，用B或b表示（Base）

發(fā)射極，用E或e表示（Emitter）；集電極，用C或c表示（Collector）。

發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)三極管符號

結構特點：?發(fā)射區(qū)的摻雜濃度最高；?集電區(qū)摻雜濃度低于發(fā)射區(qū)，且面積大；?基區(qū)很薄，一般在幾個微米至幾十個微米，且摻雜濃度最低。平面型結構1.內部載流子的傳輸過程

三極管的放大作用是在一定的外部條件控制下，通過載流子傳輸體現(xiàn)出來的。外部條件：發(fā)射結正偏，集電結反偏。發(fā)射區(qū)：發(fā)射載流子集電區(qū)：收集載流子基區(qū)：傳送和控制載流子

（以NPN為例）

載流子的傳輸過程1.4.2晶體管內載流子的傳輸過程以上看出，三極管內有兩種載流子(自由電子和空穴)參與導電，故稱為雙極型三極管?；駼JT(BipolarJunctionTransistor)。

1.4.2晶體管內載流子的傳輸過程2.電流分配關系根據(jù)傳輸過程可知IC=InC+ICBOIB=IB’-ICBO通常IC>>ICBO

為電流放大系數(shù)，與管子的結構尺寸和摻雜濃度有關一般

=0.90.99IE=IB+IC載流子的傳輸過程根據(jù)

是另一個電流放大系數(shù)，同樣，它也與管子的結構尺寸和摻雜濃度有關。一般

>>1IE=IB+IC可得2.電流分配關系或寫成3.三極管的三種組態(tài)信號源負載模擬信號的放大共發(fā)射極接法，發(fā)射極作為公共電極，用CE表示；

是共射電流放大系數(shù)，一般

>>13.三極管的三種組態(tài)信號源負載共基極接法，基極作為公共電極，用CB表示。

為共基電流放大系數(shù)，一般

=0.90.993.三極管的三種組態(tài)信號源負載共集電極接法，集電極作為公共電極，用CC表示;IE=IB（1＋hFE）=IB/(1-hFB)3.三極管的三種組態(tài)共集電極接法，集電極作為公共電極，共基極接法，基極作為公共電極，共發(fā)射極接法，發(fā)射極作為公共電極，BJT的三種組態(tài)實現(xiàn)這一傳輸過程的兩個條件是：（1）內部條件：發(fā)射區(qū)雜質濃度遠大于基區(qū)雜質濃度，且基區(qū)很薄。（2）外部條件：發(fā)射結正向偏置，集電結反向偏置。IE=IB+ICIC=hFEIBIC=hFBIE 綜上所述，三極管的放大作用，主要是依靠它的發(fā)射極電流能夠通過基區(qū)傳輸，然后到達集電極而實現(xiàn)的。vCE=0V+-bce共射極放大電路VBBVCCvBEiCiB+-vCE

iB=f(vBE)

vCE=const(2)當vCE≥1V時，vCB=vCE

-vBE>0，集電結已進入反偏狀態(tài)，開始收集電子，基區(qū)復合減少，同樣的vBE下IB減小，特性曲線右移。vCE=0VvCE

1V(1)當vCE=0V時，相當于發(fā)射結的正向伏安特性曲線。1.輸入特性曲線1.4.4晶體管的特性曲線（以共射極放大電路為例）(3)輸入特性曲線的三個部分①死區(qū)

②非線性區(qū)③線性區(qū)

1.輸入特性曲線1.4.4晶體管的特性曲線飽和區(qū)：iC明顯受vCE控制的區(qū)域，該區(qū)域內，一般vCE＜0.7V(硅管)。此時，發(fā)射結正偏，集電結正偏或反偏電壓很小。iC=f(vCE)

iB=const2.輸出特性曲線輸出特性曲線的三個區(qū)域:1.4.4BJT的特性曲線截止區(qū)：iC接近零的區(qū)域，相當iB=0的曲線的下方。此時，vBE小于死區(qū)電壓，集電結反偏。放大區(qū)：iC平行于vCE軸的區(qū)域，曲線基本平行等距。此時，發(fā)射結正偏，集電結反偏。end1.4.5BJT的主要參數(shù)(1)共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)

1.電流放大系數(shù)

(2)共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)hfe

hfe

=IC/IBvCE=const1.4.5BJT的主要參數(shù)1.電流放大系數(shù)

(3)共基極直流電流放大系數(shù) =IC/IE

(4)共基極交流電流放大系數(shù)hFE

hFE=IC/IE

VCB=const當BJT工作于放大區(qū)時，≈hfe、≈hfb，可以不加區(qū)分。1.4.5BJT的主要參數(shù)1.電流放大系數(shù)

(2)集電極發(fā)射極間的反向飽和電流ICEO

ICEO=（1+）ICBO

2.極間反向電流ICEO (1)集電極基極間反向飽和電流ICBO