1、模擬電子線路第1頁，共56頁，2022年，5月20日，6點39分，星期四 半導體器件是組成各種電子電路包括模擬電路和數字電路，分立元件電路和集成電路的基礎。 本章討論半導體的特性，PN結的單向導電性，二極管、三極管、場效應管的結構，工作原理，特性曲線和主要參數 第1章半導體器件第2頁，共56頁，2022年，5月20日，6點39分，星期四 物質可分為： 導體：=10-4.cm 如：銅，銀，鋁 絕緣體：=109.cm 如：橡膠，塑料 半導體其導電能力介于上面兩者之間，一般為四價元素的物質，即原子最外層的軌道上均有四個價電子,所以稱它們為4 價元素。 半導體有：元素半導體：硅（Si）、鍺（Ge）等；

2、 化合物半導體：砷化鎵（GaAs）等第一節半導體的特性第3頁，共56頁，2022年，5月20日，6點39分，星期四原子結構的簡化模型圖1.1.1 硅或鍺的簡化原子結構模型圖1.1.2 硅或鍺晶體的共價健結構示意圖 第4頁，共56頁，2022年，5月20日，6點39分，星期四本征半導體 通常把非常純凈的、幾乎不含雜質的且結構完整的半導體晶體稱為本征半導體。 在T=0K（相當于273oC）時半導體不導電，如同絕緣體一樣。 如溫度升高，如在室溫條件下，將有少數價電子獲得足夠的能量，以克服共價鍵的束縛而成為自由電子，其載流子的數量很少（自由電子的數量）導電能力很弱。1.1.1 本征半導體第5頁，共56

3、頁，2022年，5月20日，6點39分，星期四束縛電子本征激發空穴、電子對兩種載流子：電子與空穴載流子產生與復合動態平衡載流子濃度與T有關圖1.1.3 本征激發現象第6頁，共56頁，2022年，5月20日，6點39分，星期四 在本征半導體中摻入少量的雜質，就會使半導體的導電性能發生顯著的改變。 根據摻入雜質的化合價的不同，雜質半導體分為: N型半導體和P型半導體兩大類。一N型半導體： 在4價硅或鍺的晶體中摻入少量的5價雜質元素，如磷，銻，砷等。1.1.2 雜質半導體第7頁，共56頁，2022年，5月20日，6點39分，星期四施主雜質、多數載流子（多子）、少數載流子（少子）、 電子型半導體 （a

4、） （b）圖1.1.4 N型半導體（a）結構示意圖 （b）離子和載流子（不計本征激發）第8頁，共56頁，2022年，5月20日，6點39分，星期四受主雜質、多子、少子、空穴型半導體 （a） （b）圖1.1.5 P型半導體（a）結構示意圖 （b）離子和載流子（不計本征激發）二P型半導體：在4 價硅或鍺的晶體中摻入少量 的3 價雜質元素，如硼，錫，銦等。第9頁，共56頁，2022年，5月20日，6點39分，星期四 N半導體、P半導體電中性 半導體的特性： 1、熱敏性 2、摻雜性 3、光敏性第10頁，共56頁，2022年，5月20日，6點39分，星期四1.2.1PN結及其單向導電性 單純的P型或N型

5、半導體，僅僅是導電能力增強了，因此它還不是電子線路中所需要的半導體器件。若在一塊本征半導體上，兩邊摻入不同的雜質，使一邊成為P型半導體，另一邊成為N型半導體，則在兩種半導體的交界面附近形成一層很薄的特殊導電層PN結。PN結是構成各種半導體器件的基礎。第二節半導體二極管第11頁，共56頁，2022年，5月20日，6點39分，星期四1.PN結的形成擴散運動、空間電荷區、耗盡層、漂移運動、動態平衡、內建電位差、勢壘區或阻擋層 （a） （b）圖1.2.1 PN結的形成（a）載流子的擴散運動 （b）平衡狀態下的PN結第12頁，共56頁，2022年，5月20日，6點39分，星期四2.PN結的單向導電性原理

6、偏置、正向偏置（正偏）、反向偏置（反偏）正向導通、反向截止 （a） （b）圖1.2.2 外加電壓時的PN結（a）正偏 （b）反偏第13頁，共56頁，2022年，5月20日，6點39分，星期四 PN結正偏時產生較大的正向電流PN結處于導通狀態。 PN結反偏時產生較小的反向電流，PN結處于截止狀態。 故PN結具有單向導電性。 第14頁，共56頁，2022年，5月20日，6點39分，星期四1.2.2 半導體二極管及其基本特性（a） （b）圖1.2.3 二極管的結構和符號（a）結構示意圖 （b）符號 一、 二極管的結構與符號第15頁，共56頁，2022年，5月20日，6點39分，星期四 圖1.2.4

7、二極管的伏安特性曲線二、二極管（PN結）伏安特性1、正向特性、 “死區”、導通電壓或開啟電壓；室溫下，硅管的Uon0.5V，鍺管的Uon0.1V。管壓降：硅管UD=0.60.8V，鍺管UD=0.10.3V 第16頁，共56頁，2022年，5月20日，6點39分，星期四2反向擊穿特性反向特性、反向飽和電流、反向擊穿電壓。電擊穿：雪崩擊穿、齊納擊穿。熱擊穿 需要特別指出的是，普通二極管的反向擊穿電壓較高，一般在幾十伏到幾百伏以上（高反壓管可達幾千伏）。普通二極管在實際應用中不允許工作在反向擊穿區。第17頁，共56頁，2022年，5月20日，6點39分，星期四二極管的伏安特性方程：可近似用PN結的伏

8、安特性方程來表示。理論研究表明，PN結兩端電壓U與流過PN結的電流I之間的關系為 （1.2.1）Isat-反向飽和電流UT =kT/q-溫度電壓當量，其中k為玻耳茲曼常數，T為絕對溫度，q為電子電量。在室溫（27或300K）時UT26mV。第18頁，共56頁，2022年，5月20日，6點39分，星期四三、二極管的主要參數 1、最大整流電流IF：指二極管長期工作時，允許通 過管子的最大正向平均電流。 2、最高反向工作電壓UR： 3、 反向電流IR：指在室溫下，在二極管兩端加上規定的反向電壓時，流過管子的反向電流。 IR愈小單向導電性愈好。IR與溫度有關（少子運動） 4、 最高工作頻率：fM值主要

9、決定于PN結結電容的大小。結電容愈大，則fM愈低。第19頁，共56頁，2022年，5月20日，6點39分，星期四圖1.2.5 穩壓二極管的電路符號四穩壓二極管 利用二極管的反向擊穿特性，可將二極管做成一種特殊二極管穩壓二極管。穩壓二極管簡稱穩壓管穩壓二極管的電路符號如圖所示穩壓二極管參數：穩定電壓、穩定電流、動態電阻、額定功耗、穩定電壓的溫度系數。第20頁，共56頁，2022年，5月20日，6點39分，星期四五、 二極管的分類及其選擇1二極管的分類按材料的可分為鍺管和硅管；按功能可分為開關管、整流管、穩壓管、變容管、發光管和光電（敏）管等，普通二極管、特殊二極管；按工作電流可分為小電流管和大電

10、流管；按耐壓高低可分為低壓管和高壓管；按工作頻率高低可分為低頻管和高頻管等。第21頁，共56頁，2022年，5月20日，6點39分，星期四2二極管的選擇 （1） 要求導通電壓低時選鍺管；要求反向電流小時選硅管；要求擊穿電壓高時選硅管；要求工作頻率高時選點接觸型高頻管；要求工作環境溫度高時選硅管。 （2） 在修理電子設備時，如果發現二極管損壞，則用同型號的管子來替換。如果找不到同型號的管子則可改用其他型號二極管來代替，替代管子的極限參數IF 、UR和 fM應不低于原管，且替代管子的材料類型（硅管或鍺管）一般應和原管相同。第22頁，共56頁，2022年，5月20日，6點39分，星期四1電容效應二極

11、管除了單向導電性外，還具有電容效應（PN結電容效應），即當其兩端電壓變化時，其存儲的電荷也發生變化，因此就出現充、放電現象。按產生的原因不同分為勢壘電容和擴散電容兩種。（1）勢壘電容Cb（2）擴散電容Cd結電容Cj為兩者之和，即Cj= Cb + Cd 正偏時，Cb Cd ，Cj主要由勢壘電容決定。1.2.3 二極管的電容效應第23頁，共56頁，2022年，5月20日，6點39分，星期四2變容二極管利用二極管的電容效應，可將二極管做成一種特殊二極管變容二極管，其電路符號如圖1.2.9所示。主要用作可變電容（受電壓控制）必須工作在反偏狀態常用于高頻電路中的電調諧電路。圖1.2.6 變容二極管的電路

12、符號第24頁，共56頁，2022年，5月20日，6點39分，星期四1光敏特性與光敏二極管半導體具有光敏特性，光照越強，受激產生的電子空穴對的數量越多。普通二極管的外殼都是不透光的利用二極管的光敏特性，可制成一種特殊二極管光敏二極管。光敏二極管又稱光電二極管，屬于光電子器件。為了便于接受光照，光電二極管的管殼上有一個玻璃窗口，讓光線透過窗口照射到PN結的光敏區。光電二極管的符號如圖1.2.7（a）所示。 1.2.4 二極管的光電效應第25頁，共56頁，2022年，5月20日，6點39分，星期四 （a） （b）圖1.2.7 光電二極管的符號與光電特性的測量電路（a）符號 （b）光電特性的測量電路

13、第26頁，共56頁，2022年，5月20日，6點39分，星期四2發光二極管發光二極管的符號與基本應用電路如圖1.2.8所示。顯然，發光二極管應工作在正偏狀態，且當正向電流達到一定值時才能發出光。（a） （b）圖1.2.8 光電二極管的符號與發光特性的測量電路（a）符號 （b）發光特性的測量電路第27頁，共56頁，2022年，5月20日，6點39分，星期四1.2.5 二極管的溫度特性半導體還具有熱敏特性溫度每升高1，正向壓降減小22.5mV；溫度每升高10，反向電流約增大一倍。二極管的反向特性受溫度的影響較大溫度對二極管的影響是不可避免的，因為溫度總是存在于器件中存在且經常變化的。第28頁，共5

14、6頁，2022年，5月20日，6點39分，星期四 它有空穴和電子兩種載流子參與導電，故稱雙極型。 分為硅管和鍺管；大、中、小功率管；高頻管和低頻管。 半導體三極管（簡稱三極管）就是一種能將直流能量轉化為交流能量的器件，這樣的器件也稱為有源器件。第三節、晶體三極管第29頁，共56頁，2022年，5月20日，6點39分，星期四 半導體三極管又稱為雙極型三極管（Bipolar Junction Transistor，BJT）、晶體三極管，簡稱三極管，是最為常用的一種半導體器件。它是通過一定的工藝，將兩個PN結結合在一起的器件。由于PN結之間的相互影響，使三極管表現出不同于二極管單個PN結的特性而具有

15、電流放大作用，從而使PN結的應用發生了質的飛躍。本節將圍繞三極管為什么具有電流放大作用這個核心問題，討論三極管的結構、內部載流子的運動過程以及它的各極電流分配關系。第30頁，共56頁，2022年，5月20日，6點39分，星期四 1.3.1 三極管的結構與符號實物演示 各類三極管及其外形三極管按結構可分為NPN和PNP兩類。 三極管的結構：（硅平面型、鍺合金型） 三個區：基區、發射區、集電區 三個極：基極、發射極、集電極 三個結：發射結、集電結第31頁，共56頁，2022年，5月20日，6點39分，星期四集電極集電結Jc發射結Je N 基區 P 發射區 P 發射區cc發射極e基極b（a）結構示意

16、圖 （b）符號1.3.2 PNP型三極管（a）結構示意圖 （b）符號圖1.3.1 NPN型三極管集電結Jc發射結Je P 基區 N 發射區 N 發射區集電極cc發射極e基極b第32頁，共56頁，2022年，5月20日，6點39分，星期四 1.3.2 三極管放大原理1三極管的偏置 放大電路中的三極管都需要提供直流電源， 并得到一個合適的偏置。 第33頁，共56頁，2022年，5月20日，6點39分，星期四 由于三極管有兩個PN結，所以偏置的方式有四種：發射結正偏、集電極反偏；發射極反偏、集電結正偏；二結均正偏；二結均反偏。放大電路中的三極管的偏置應為發射結正偏、集電結反偏。NPN型三極管，UCU

17、BUE ；PNP型三極管， UCUBUE。第34頁，共56頁，2022年，5月20日，6點39分，星期四（a） （b）圖1.3.3 三極管的直流供電電路之一（a）NPN型三極管的直流供電電路 （b）PNP型三極管的直流供電電路第35頁，共56頁，2022年，5月20日，6點39分，星期四（a） （b）圖1.3.4 三極管的直流供電電路之二（a）NPN型三極管的直流供電電路 （b）PNP型三極管的直流供電電路第36頁，共56頁，2022年，5月20日，6點39分，星期四圖1.3.5 NPN三極管內部載流子的運動 2三極管的電流分配關系第37頁，共56頁，2022年，5月20日，6點39分，星期四

18、半導體三極管內有兩種載流子參于導電，故稱為雙極型三極管（BJT）。圖1.3.6 三極管的電流分配關系第38頁，共56頁，2022年，5月20日，6點39分，星期四由節點電流定律，有IE = ICN IBN （1.3.1a）IB = IBN ICBO （1.3.1b）IC = ICN ICBO （1.3.1c）由上述三式可得IE = IB IC （1.3.2）第39頁，共56頁，2022年，5月20日，6點39分，星期四定義 （ 1.3.3a） 稱為共基極直流電流放大系數，其值一般在0.95至0.995之間；定義 （1.3.3b） 稱為共發射極直流電流放大系數, 其值一般在幾十至幾百之間。第40

19、頁，共56頁，2022年，5月20日，6點39分，星期四由于ICBO一般很小，若忽略ICBO ，則有IB IBN （13.4a）IC ICN （1.3.4b）IE = ICN IBN = IB IC （1.3.4c） （1.3.5a）（1.3.5b）第41頁，共56頁，2022年，5月20日，6點39分，星期四 因此， （1.3.6） （1.3.7）且有 (1.3.8a) (1.3.8b)第42頁，共56頁，2022年，5月20日，6點39分，星期四 若考慮ICBO，則由式（1.3.1）、（1.3.2）和（1.3.3）得 (1.3.9)上式第二項用ICEO表示，即于是通常稱ICEO為穿透電流，

20、或集電極.發射極間反向飽和電流。第43頁，共56頁，2022年，5月20日，6點39分，星期四管子各極的電流及方向如圖2.1.7所示。PNP型管的各極電流方向與NPN型管相反，但電流分配關系完全相同。三極管三個電極的電流中，IB 最小，IE最大，IC IE ,即 IEICIB 。 （a） （b）圖1.3.7 三極管各極的電流及方向（a）NPN型 （b）PNP型第44頁，共56頁，2022年，5月20日，6點39分，星期四1.3.3 三極管的共射特性曲線采用共射接法的三極管的特性曲線稱為共射特性曲線。三極管有三個電極，而且還有放大作用，所以它的特性曲線要比二極管復雜的多。常用的是輸入特性曲線和輸

21、出特性曲線。圖1.3.8 測量三極管共射特性曲線的電路第45頁，共56頁，2022年，5月20日，6點39分，星期四 輸入特性曲線反映了三極管輸入端的電流iB和電壓uBE關系，輸出特性曲線則反映了三極管輸出端的電流iC和電壓uCE的關系。 1.共射輸入特性曲線 三極管的共射輸入特性曲線表示當管子的輸出電壓uCE為常數時，輸入電流iB與輸入電壓uBE之間的關系曲線，即 在一般情況下，當uCE較大（大于1V）時，三極管工作在正常放大狀態，則uCE對iB的影響很小。因此，為使問題簡單化，將只考慮保證uCE始終大于 1V，但并不固定uCE為某一數值，其誤差很小。 第46頁，共56頁，2022年，5月2

22、0日，6點39分，星期四0.6 圖1.3.9 共射輸入特性曲線1V0.5VuCE=0V0.20.40.8020406080iB (mA)20uCE(V)圖1.3.9為某硅NPN管的共射輸入特性曲線第47頁，共56頁，2022年，5月20日，6點39分，星期四 （1）uCE =0V時，相當于c、e極短路，這時三極管可以看為兩個二極管的正向并聯，因此uCE =0V的輸入特性與二極管的正向特性相似，但更陡一些。 （2）隨著uCE的增大，曲線逐漸右移。這是因為隨著uCE的增大，基區調寬效應使電子在基區與空穴的復合減少，在相同的uBE下iB減小，曲線右移。 （3）uCE1V以后各條輸入特性曲線密集在一起

23、，幾乎重合。 由于在實際使用時，uCE一般總是大于1V的，因此通常只畫出有用的uCE =1V的那條輸入特性曲線。第48頁，共56頁，2022年，5月20日，6點39分，星期四 (4) 一般硅管的UBE0.7V， 鍺管的UBE0.2V。 (5) 輸入特性是非線性的。 總之，三極管的輸入特性曲線與二極管的正向特性相似，因為b、e極間是正向偏置的PN結。第49頁，共56頁，2022年，5月20日，6點39分，星期四2共射輸出特性曲線 共射組態時，三極管的輸出電流iC不但取決于輸出電壓uCE ，而且與輸入電流iB有關。三極管的共射輸出特性曲線表示當管子的輸入電流iB為某一常數時，輸出電流iC與輸出電壓

24、uCE之間的關系曲線，即第50頁，共56頁，2022年，5月20日，6點39分，星期四圖1.3.10 共射輸出特性曲線i放大區uCE=uBEiBICEO iC(mA)u CE (V)02468101024680iB=140A120A100A80A60A40A20A截止區飽和區20圖1.3.10為某硅NPN三極管的共射輸出特性曲線第51頁，共56頁，2022年，5月20日，6點39分，星期四 （1） 曲線起始部分較陡，且不同iB曲線的上升部分幾乎重合。這表明uCE很小時，uCE略有增大，iC就很快增加，但iC幾乎不受iB的影響。 （2）當uCE較大（如大于1V）后，曲線比較平坦，但略有上翹。 （3）輸出特性是非線性的。 由共射輸出特性曲線，可以把三極管的工作狀態分為三個區域 ： 截止區、放大區、飽和區第52頁，共56頁，2022年，5月20日，6點39分，星期四（1）截止區 通常把iB=0（此時iC=iE=ICEO ）的輸出特性曲線以下的區域稱為截止區。截止區的特點是各極電流均很小（接近或等于零），此時發射結和集電結均反