1、第三章 电子器件序 导体、绝缘体、半导体 半导体器件第一节 半导体二极管 半导体二极管的工作特性 半导体二极管的电压和电流关系 半导体二极管的种类及其主要特性参数与常用电路 半导体二极管的种类与选用第二节 半导体三极管 半导体三极管的工作特性 半导体三极管常用电路 半导体三极管的种类与选用序 一. 导体、绝缘体、半导体 物质按照导电能力的大小分为导体、绝缘体和半导体。 导体 具有良好导电能力的物质。 其电阻率在10-610-1欧姆厘米( cm)。 例如,金属。银铜铝的电阻率为10-610-5 cm 绝缘体 导电能力能力很差或不能导电的物质。 其电阻率一般大于1061018欧姆厘米( cm)。
2、例如,玻璃、塑料、陶瓷,其电阻率大于109 cm 半导体 导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。 其电阻率在10-3109欧姆厘米( cm)。 例如, 硅, 其电阻率为2.14105cm 二. 半导体的特点 半导体不仅在于其电阻率与导体和绝缘体的在数值上差别,而且在于其导电性具有两个显著的特点: 电阻率受杂质的影响极大 在半导体中掺入杂质，其电阻率会显著下降。 例如, 硅(Si)中含有亿分之一的硼(B), 其电阻率会下降 到2.14103cm, 比无杂质的纯硅降低100倍。 如果半导体所含杂质的类型不同,其导电类型也不同。 电阻率受外界条件(如热、光等)的影响很大 温度升高或受光照射时,半导体的
3、电阻率会迅速下降。 三. 半导体的类型 按化学成分按化学成分 可分为元素半导体元素半导体和化合物半导体化合物半导体; 元素半导体元素半导体 由单一元素组成的半导体材料 例如：Si，Ge 均为常用的元素半导体元素半导体 化合物半导体化合物半导体 由化合物组成的半导体材料 例如： GaAs，GaP 均为常用的化合物半导体化合物半导体 无论是无论是元素半导体元素半导体还是化合物半导体化合物半导体 按含否杂质按含否杂质 可分为本征半导体本征半导体和非本征半导体非本征半导体; 本征半导体本征半导体 不含杂质、无缺陷的半导体材料。 非本征半导体非本征半导体 掺杂质、有缺陷的半导体材料， 这种半导体材料按导
4、电类型按导电类型分为N N型型和P P型型半导体半导体 N N型型半导体半导体 以电子为多数载流子电子为多数载流子的半导体材料 P P型型半导体半导体 以空穴为多数载流子空穴为多数载流子的半导体材料四. 本征半导体的原子结构 原子由带正电的原子核和带等量负电的核外电子组成。原子原子由带正电的原子核和带等量负电的核外电子组成。原子呈电中性。电子分列在不同的壳层上绕原子核运动。每壳层轨道呈电中性。电子分列在不同的壳层上绕原子核运动。每壳层轨道上分列的最大电子数为上分列的最大电子数为2 2n n2 2(n(n是壳层数是壳层数) )。内层电子受内层电子受原子核的吸引力大于外原子核的吸引力大于外层电子。
5、层电子。最外最外层电子为价电子层电子为价电子, ,容易脱离原子核的束容易脱离原子核的束缚，成为自由电子。根据泡利不相容原理缚，成为自由电子。根据泡利不相容原理, ,1 1s s层层最多容纳的电子数最多容纳的电子数:2:22 2s s层最多容纳的电子数层最多容纳的电子数:2:22 2p p层最多容纳的电子数层最多容纳的电子数:6:63 3s s层最多容纳的电子数层最多容纳的电子数:2:23 3p p层最多容纳的电子数层最多容纳的电子数:6:63 3d d层最多容纳的电子数层最多容纳的电子数:10:10硅原子有硅原子有1414个电子个电子, ,分列在分列在1 1s,2s,2p,3s,3ps,2s,
6、2p,3s,3p层上层上, ,3 3层没层没满满只有只有4 4个电子个电子, ,所以硅有所以硅有4 4个个价电子价电子, ,为四价元素。为四价元素。五.N型半导体与P型半导体本征半导体本征半导体由于其原子外层电子的热运动由于其原子外层电子的热运动, , 存在成对产生的自存在成对产生的自由由电子和空穴电子和空穴, , 在温度在温度t t下下, , 自由电子和空穴对的产生与复合会达到自由电子和空穴对的产生与复合会达到动动态平衡态平衡, , 数量有限而且是数量有限而且是t t的函数的函数。因此。因此, , 本征半导体导电性能低本征半导体导电性能低。根据根据半导体的一个显著特点半导体的一个显著特点：在
7、半导体中掺入杂质，其在半导体中掺入杂质，其电阻率会电阻率会显著下降显著下降。因此，通过。因此，通过在半导体中掺入一定量的杂质，在半导体中掺入一定量的杂质，可以获得可以获得满足导电性要求满足导电性要求( (电阻率电阻率, ,导电载流子类型导电载流子类型) )的半导体材料。的半导体材料。1. 1. N N型型半导体半导体例如，例如，在在SiSi本征半导体材料中掺入本征半导体材料中掺入五价元素五价元素磷磷( (P)P), P, P原子贡献出原子贡献出1 1个自个自由电子。因此由电子。因此, , P P原子被原子被称称作作施主施主。SiSi半导体材料中自由电子数量取决半导体材料中自由电子数量取决于掺入
8、于掺入的的P P原子数量原子数量( (掺杂浓度掺杂浓度), ), 其其多数载流子是多数载流子是P P原子贡献的自由电原子贡献的自由电子。子。掺掺入入P P的的SiSi半导体为半导体为N N型半导体。型半导体。2.P型半导体例如，例如，在在SiSi本征半导体材料中掺入本征半导体材料中掺入三价硼三价硼( (B), BB), B原子空出原子空出1 1个空个空穴。穴。因此因此, , B B原子被原子被称称作作受主受主。SiSi半导体材料中空穴数量取决于掺半导体材料中空穴数量取决于掺入的入的B B原子数量原子数量( (掺杂浓度掺杂浓度) )。SiSi半导体多数载流子半导体多数载流子是是B B原子空原子空
9、出出的空穴。的空穴。掺入掺入B B的的SiSi半导体为半导体为P P型半导型半导体。体。六. 半导体器件 采用半导体材料制造的器件采用半导体材料制造的器件, , 统称为统称为半导体半导体器件器件。其种类繁多其种类繁多, ,通常分为通常分为半导体分立器件半导体分立器件和和半导体集成电路半导体集成电路。半导体分立器件半导体分立器件 分为分为半导体二极管半导体二极管和和半导体三极管半导体三极管。半导体二极管半导体二极管 通常是指具有通常是指具有一个一个PNPN结的半导体分立器件结的半导体分立器件。根据特性和用途又分为整流、检波二极管根据特性和用途又分为整流、检波二极管, , 稳压二极管稳压二极管,
10、,开关二极管开关二极管, ,变容二极管变容二极管, , 半导体三极管半导体三极管 通常是指具有通常是指具有两个两个PNPN结的半导体分立器件结的半导体分立器件。根据其特性和用途又分为：根据其特性和用途又分为：高频三极管高频三极管, , 低频三极管低频三极管, ,开关三极管开关三极管, , 半导体集成电路半导体集成电路 是在一片半导体材料上制造的由二极管、三极管、是在一片半导体材料上制造的由二极管、三极管、电阻、电容组成的电路。电阻、电容组成的电路。第一节 半导体二极管 一、半导体二极管工作特性 二极管在电路中具有单向导电性。 按国际制(SI), 在电路中二极管的符号: D 工作原理： 无外电场
11、时无外电场时 外加电场时外加电场时二、半导体二极管的电压和电流关系 在温度T下, 二极管伏安特性曲线： 二极管具有单向导电特性。二极管具有单向导电特性。温度升高时温度升高时, ,半导体的电阻率半导体的电阻率 会迅速下降会迅速下降, ,V-IV-I曲线会漂移。曲线会漂移。 VF:正向电压 IF:正向电流 IFM:最大正向电流 VR:反向电压 VRWM:反向工作峰值电压 IR ( IRM ) :反向电流三、半导体二极管的种类及其主要特性参数与常用电路 1. 1.整流、检波二极管整流、检波二极管 整流、检波二极管整流、检波二极管工作原理都是单向导电性。工作原理都是单向导电性。 整流管的作用整流管的作
12、用: : 将交流电变成直流电。将交流电变成直流电。 检波管的作用检波管的作用: : 取出调制高频取出调制高频 无线电波中的低频信号。无线电波中的低频信号。 主要参数主要参数 V VF F , I IF F , V VR R , I IR R 常用电路常用电路 半波整流电路 o = 0t 0 t2 常用电路常用电路( (续续) ) 全波整流电路 E:交流电压有效值 Vo:输出电压有效值 VR:二极管最大反向电压 o= 0t2 桥式整流电路 检波电路 2.2.开关二极管开关二极管 开关二极管开关二极管工作原理是单向导电性。工作原理是单向导电性。 开关管的作用开关管的作用: : 整流和开关。整流和开
13、关。 主要参数主要参数: : V VF F , I IF F , V VR R , I IR R , trr 开关时间,通常用trr(反向恢复时间)表 示,是二极管由导通到关断的过渡时间 正向导通电阻很小,反向关断电阻很大 影响开关时间的主要因素: 电子和空穴的存储效应 PN结的电容效应 常用电路常用电路 削波电路 常用电路常用电路( (续续) ) 双向限幅电路 逻辑电路 3.3.稳压二极管稳压二极管 稳压二极管稳压二极管工作原理是齐纳工作原理是齐纳( (ZenerZener) )击穿特性。击穿特性。 ZenerZener提出提出: :当当PNPN结的电场强度足够大时结的电场强度足够大时(10
14、(106 6V/cm),V/cm),可可 直接把晶格原子中的价电子从束缚状态解放出来直接把晶格原子中的价电子从束缚状态解放出来, , 成成 为载流子为载流子, ,从而使反向电流剧增。从而使反向电流剧增。稳压管也称齐纳稳压管也称齐纳管管。 齐纳击穿是非破坏性击穿。齐纳击穿是非破坏性击穿。 稳压管的作用稳压管的作用: : 稳定电压。稳定电压。 主要参数主要参数: : V VZ Z 工作电压 I IZ Z 在工作电压范围内的工作电流 I IZMZM 在工作电压范围内的最大工作电流 r rZ Z 微分电阻 I IR R 反向电流 VZ VZ 工作电压温度系数 P Ptot tot 总耗散功率 常用电路
15、常用电路: : 稳压电路 稳压管D与负载RL并联，此电路也称作并联稳压电路并联稳压电路。 稳压管稳压管D D的作用的作用: 保护负载RL不受电源浪涌的影响,使Vo=VZ 。 该电路对负载的要求该电路对负载的要求: ILRL=VZminVZmax ， 所以，IZminILIZmax ，否则无法VZ保持。 常用电路常用电路( (续续) ) 稳压管保护表头电路 稳压管稳压管D D的作用的作用: 一般选VZ稍高于表头满刻度电压Vo ,当表头电压VAVZ时, 稳压管D导通, 从而避免表头过流受损。 稳压管限幅电路 稳压管稳压管D D的作用的作用: 当i高于稳压管VZ时, 输出信号Vo被切成方 波。 4.
16、4.变容二极管变容二极管变容二极管变容二极管 是利用半导体是利用半导体PNPN结电容结电容( (或金属或金属- -半导体接触势垒半导体接触势垒) ) 随外加电压的非线性变化。随外加电压的非线性变化。 变容二极管通常在反向偏压下工作变容二极管通常在反向偏压下工作。变容管的作用变容管的作用: : 作为变电抗作为变电抗( (替代可变电容替代可变电容) )用于调谐电路。用于调谐电路。 变容管的等效电路变容管的等效电路: : 主要参数主要参数: : V VR R 工作电压(反向偏压) V VB B (V VR Rmm)最大工作电压 C Ct t 在工作电压V VR R下的结电容 突变结: n=2, 缓变
17、结: n=3, 超突变结: n2 r rs s 串联电阻 Q Q 结电容品质因数,是表示结电容品质的参数， Q=1/2f rsCt rs越小，Q值越高。 f fC C 截止频率, 是Q=1时f值, f fC C=1/2 rsCt , rs越小, f fC C越高。 常用电路常用电路 压控振荡电路 VCOVCO 常用电路常用电路( (续续) ) 倍频电路 变容管的作用变容管的作用: 基波经fi滤波器 至变容管时, 由 于变容管C-V为 非线性关系, 在 A点除基波外, 还有二次谐波2fi , 三次谐波3fi , 用谐波nfi滤波器 可取得所需的第 n次谐波。四、半导体二极管的种类与选用 1. 1
18、.国产二极管的型号国产二极管的型号 例如：例如： 2 2CB22CB22 2CK502CK50 2CZ105 2CZ105 2CW70 2CW70 2. 2.进口二极管的型号进口二极管的型号 例如：例如： 1 1N4007N4007 1N8211N821第二节 半导体三极管 一、半导体三极管工作特性 按国际制(SI), 在电路中三极管的符号: T 1. 1. 双极型晶体管双极型晶体管 工作原理工作原理(NPN管示例) 双极型晶体管双极型晶体管V-IV-I特性曲线特性曲线 NPN管示例 双极型晶体管的主要特性参数双极型晶体管的主要特性参数 Ptot 总总耗散功率耗散功率 PCM 集电极耗散功率集
19、电极耗散功率 IC 集电极电流集电极电流 ICM 集电极峰值电流集电极峰值电流 IB 基极电流基极电流 IE 发射极电流发射极电流 VCE(sat) 集电极集电极- -发射极饱和电压发射极饱和电压 VBE(sat) 基极基极- -发射极饱和电压发射极饱和电压 V(BR)CEO IB =0时集电极集电极- -发射极击穿电压发射极击穿电压 V(BR)CBO IE =0时集电极集电极- -基极击穿电压基极击穿电压 V(BR)EBO IC =0时发射极发射极- -基极击穿电压基极击穿电压 ICEO IB =0时集电极集电极- -发射极截止电流发射极截止电流 ICBO IE =0时集电极集电极- -基极
20、截止电流基极截止电流 IEBO IC =0时发射极发射极- -基极截止电流基极截止电流 双极型晶体管的主要特性参数双极型晶体管的主要特性参数( (续续) ) hFE 共发射极正向电流传输比共发射极正向电流传输比 共发射极动态电流放大系数共发射极动态电流放大系数 共基极动态电流放大系数共基极动态电流放大系数 共集电极动态电流放大系数共集电极动态电流放大系数 fT 特征频率特征频率 f 共发射极截止频率共发射极截止频率 f 共基极截止频率共基极截止频率二、二、半导体三极管常用电路常用电路 1. 双极型晶体管基本电路 1. 双极型晶体管基本电路( (续续) ) 双极型晶体管基本电路中电压和电流的相位
21、关系 共发射极电路 电压反相 电流同相 共基极电路 电压反相 电流反相 共集电极电路 电压同相 电流反相2.双极型晶体管基本电压放大电路 直流偏置状态直流偏置状态-静态静态: (i=0) 静态工作静态工作点点静态工作点的确定静态工作点的确定 方法一方法一: :计算法计算法 静态基极电流静态基极电流V VBEBE和和I IB B的的计算计算 V VBEBE=E=E- -I IB BR RB B, , I IB B=(E=(E- -V VBEBE) )/ /R RB B 由于由于EBEB结为正向偏结为正向偏置，置，V VBEBE比较小比较小( (硅管硅管: 0.60.7: 0.60.7V; V;
22、锗管锗管: 0.30.4: 0.30.4V;),V;), 因此因此, , I IB BEE/ /R RB B, , 当当E E和和R RB B确定后确定后, , I IB B即可确定。即可确定。 静态集电极电流静态集电极电流I IC C的计算的计算 I IC C= =h hFEFEI IB B (I (IC C=I=IB B ) ) 晶体管晶体管其其h hFEFE( ( ) )是是确定确定的的, , I IC C即可确即可确定定 静态集电极静态集电极- -发射极电压发射极电压V VCECE的计算的计算 V VCECE=E=E- -I IC CR RC C, , 当当E E和和R RC C确定后
23、确定后, , V VCECE即可确定。即可确定。静态工作点的确定静态工作点的确定( (续续) ) 方法二方法二: :图解法图解法例例: : 已知硅晶体管的输出特性曲线已知硅晶体管的输出特性曲线( (如右图如右图),), E=12V, E=12V, R RB B=370, =370, R RC C=2k=2k。 用图解法确定静态工作点。用图解法确定静态工作点。 解：解： I IC C=0, =0, V VCECE=E= 12V, =E= 12V, 在图在图上标上标M M点点; ; V VCECE=0, =0, I IC C=E/=E/R RC C=6mA, =6mA, 图上标图上标N N点点;
24、; 确定确定Q Q点点, , I IB B=(E=(E- -V VBEBE)/)/R RB B=6mA=6mA 硅管硅管V VBEBE=0.7V, =0.7V, I IB B=(E=(E- -V VBEBE)/)/R RB B30A30A设置静态工作点的意义设置静态工作点的意义 保证输出信号完整保证输出信号完整 不失真不失真如果工作点不当如果工作点不当, ,会造成会造成: :丢失输入信号负半周丢失输入信号负半周设置静态工作点的意义设置静态工作点的意义( (续续) ) 输出信号非线性失真输出信号非线性失真 当当E E和和晶体管晶体管T T确定时确定时, , 调整调整R RC C ,避免避免饱和失
25、真饱和失真; ; 调整调整R RB B , 避免避免截止失真截止失真2. 双极型晶体管基本电压放大电路(续) 直流偏置状态直流偏置状态-静态静态: (i=0) 放大状态放大状态-动态动态: BE=VBE+i iB=IB+ib iC=IC+ic CE=E-iCRC=E-ICRC icRC 三、半导体三极管的种类与选用 1. 1.国产三极管的型号国产三极管的型号 例如：例如： 3 3CG120CG120 3DG1823DG182 3DD169 3DD169 3CD4 3CD4 3DK104 3DK104 2. 2.进口三极管的型号进口三极管的型号 例如：例如： 2 2N2222N2222 2N68
26、002N6800第三章的重点与基本要求要求：1.理解PN结电场的形成过程和二极管工作原理。2.理解二极管的伏安特性和单向导电特性。3.了解整流、检波、开关二极管和稳压二极管的主要参数。4.了解整流、检波、开关和稳压电路。5.理解三极管的工作原理和特性曲线，了解三极管的主要参数。6.掌握共发射极放大电路的静态工作点的确定方法。第二章习题习题1:某音频信号源输出衰减电路如图所示, R1=R3=R5=45 , R2=R4=5.5 , R6=5 , Vi为输入信号,计算输出电压衰减比例。习题2:已知一电容电路,电容C=10F, 电流i = (A) 试求该电路的容抗XC、电压C和无功功率。第三章习题： 1.已知硅晶体管的输出特性曲线已知硅晶体管的输出特性曲线 ( (如右图所示如右图所示),), E=12V,RE=12V,RB B=370,R=370,RC C=2k=2k。 用图解法确定静态工作点。用图解法确定静态工作点。 若若R RB B=280=280，试给出试给出新的新的 静态工作点。静态工作点。2.已知已知双向限幅电路( (如下图如下图) )和输入波形和输入波形 , 试画出输出波形。试画出输出波形。
