1Chapter4半導體分立器件及其基本電路2/22第1講半導體的基本知識PN結及其單向導電特性3/224.1半導體的基本知識與PN結4.1.1

半導體的基本知識1.本征半導體導體：自然界中很容易導電的物質。金屬一般都是導體。絕緣體：幾乎不導電的物質。如橡膠、陶瓷、塑料和石英。半導體：導電特性處于導體和絕緣體之間的物質。如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。物質按導電性可分為4/22完全純凈的、結構完整的半導體晶體，稱為本征半導體。

+4+4+4+4+4+4+4+4共價鍵通過一定的工藝過程，可以將半導體制成晶體。有時把半導體叫做晶體。在硅和鍺晶體中，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。5/22本征半導體的導電機理6/22本征半導體的導電機理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，因此本征半導體的導電能力很弱。7/22本征半導體的導電機理在絕對零度（T=0K）和沒有外界激發時，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。8/22本征半導體的導電機理在常溫下，由于熱激發，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。這種現象稱為本征激發。自由電子和空穴的數量是一樣多的。9/22本征半導體的導電機理在其它力的作用下，空穴吸引鄰近的電子來填補，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。10/22本征半導體中存在數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，本征半導體的導電能力越強。因此，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。本征半導體的導電機理11/22半導體的導電機理不同于導體，所以它具有不同于導體的特點。比如：當受外界熱和光的作用時，它的導電能力明顯變化。往純凈的半導體中摻入某些雜質，會使它的導電能力明顯改變。本征半導體的導電機理12/222.雜質半導體半導體的基本知識與PN結在本征半導體中摻入某些微量的雜質，就會使半導體的導電性能發生顯著變化。其原因是摻雜使半導體的某種載流子濃度大大增加。使自由電子濃度大大增加的雜質半導體稱為N型半導體（電子半導體），使空穴濃度大大增加的雜質半導體稱為P型半導體（空穴半導體）。13/22N型半導體在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷（或銻），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質取代，磷原子的最外層有五個價電子，其中四個與相臨的半導體原子形成共價鍵，必定多出一個電子，這個電子很容易被激發而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動的帶正電的離子。每個磷原子因給出一個電子，被稱為施主原子。+4+4+4+4+4+4+4+5+5自由電子正離子14/22N型半導體中的載流子是什么？1、由施主原子提供的自由電子，濃度與施主原子相同。2、本征半導體中成對產生的自由電子和空穴。3、摻雜濃度遠大于本征半導體中載流子濃度。所以，自由電子的濃度遠大于空穴的濃度。自由電子稱為多數載流子（多子），空穴稱為少數載流子（少子）。15/22P型半導體在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼。晶體點陣中的某些半導體原子被雜質取代，硼原子的最外層有三個價電子，與相臨的半導體原子形成共價鍵時，產生一個空穴。這個空穴可能吸引束縛電子來填補，使得硼原子成為不能移動的帶負電的離子。硼原子因接受電子，被稱為受主原子。+4+4+4+4+4+4+4+3+3空穴負離子16/22P型半導體中的載流子是什么？1、由受主原子提供的空穴，濃度與受主原子相同。2、本征半導體中成對產生的自由電子和空穴。3、摻雜濃度遠大于本征半導體中載流子濃度。所以，空穴的濃度遠大于自由電子的濃度。空穴稱為多數載流子（多子），自由電子稱為少數載流子（少子）。17/22雜質半導體的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導體++++++++++++++++++++++++N型半導體18/224.1.2PN結半導體的基本知識與PN結1.PN結的形成

在一塊完整的硅片上，用不同的摻雜工藝使其一邊形成N型半導體，另一邊形成P型半導體。在兩種半導體交界面，離子薄層形成的空間電荷區稱為PN結。19/22P型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導體++++++++++++++++++++++++擴散運動內電場E漂移運動空間電荷區PN結處載流子的運動20/22漂移運動P型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導體++++++++++++++++++++++++擴散運動內電場E內電場越強，就使漂移運動越強，而漂移使空間電荷區變薄。擴散的結果是使空間電荷區逐漸加寬，空間電荷區越寬。21/22漂移運動P型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導體++++++++++++++++++++++++擴散運動內電場E所以擴散和漂移這一對相反的運動最終達到平衡，相當于兩個區之間沒有電荷運動，空間電荷區的厚度固定不變。22/221、空間電荷區中沒有載流子。2、空間電荷區中內電場阻礙P區中的空穴、N區中的自由電子（都是多子）向對方運動（擴散運動）。3、P區中的自由電子和N區中的空穴（都是少子），數量有限，因此由它們形成的電流很小。注意23/222.PN結的單向導電性半導體的基本知識與PN結

PN結加上正向電壓、正向偏置的意思都是：當PN結加外電壓時，外電壓的正極接P區、負極接N區。

PN結加上反向電壓、反向偏置的意思都是：當PN結加外電壓時，外電壓的負極接P區、正極接N區。常用術語：24/22PN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25/22－－－－++++內電場外電場變厚NP_內電場被加強,多子的擴散受抑制。少子漂移加強,但少子數量有限,只能形成較小的反向電流。PN結反向偏置26/22PN結的特性當PN結外加正向電壓時，有較大的正向電流，PN結導通，呈現一低電阻。當PN結外加反向電壓時，電流很小，PN結截止，呈現一高電阻。單向導電性PN結是組成各種半導體器件的基礎單元27/17第2講半導體二極管及其應用電路28/174.2半導體二極管及其應用電路4.2.1半導體二極管

將PN結加上相應的電極引線和管殼，就成為半導體二極管。+?iDuD電路符號1、二極管的符號29/17(2)面接觸型二極管(1)點接觸型二極管PN結面積大，用于工頻大電流整流電路。PN結面積小，結電容小，用于檢波和變頻等高頻路。二極管按結構可分為：30/222、二極管伏安特性(1)正向特性當V>0即處于正向特性區域，正向區又分為兩段當0<V<Vth時，正向電流為零，Vth稱為死區電壓或開啟電壓。當V>Vth時，開始出現正向電流，并按指數規律增長。604020–0.02–0.0400.40.8–25–50I/mAU/V正向特性死區電壓31/17604020–0.02–0.0400.40.8–25–50I/mAU/V死區電壓硅管：0.5V，鍺管：0.1V。導通時的正向壓降硅管：0.6~0.7V，鍺管：0.2~0.3V。(1)正向特性2、二極管伏安特性正向特性死區電壓第一象限是毫安級的，第三象限是微安級。正向導通壓降是在管子正向導通的時候，二極管兩端的電壓，也就是它引起的壓降；32/222、二極管伏安特性(2)反向特性當V<0時，即處于反向特性區域，反向區也分為兩個區域當VBR<V<0時，反向電流很小，且基本不隨反向電壓的變化而變化，此時的反向電流也稱為反向飽和電流IS

。希望這個電流越小越好。當V>VBR時，反向電流急劇增加，VBR稱為反向擊穿電壓。33/17

當反向電壓增大至U(BR)時，反向電流將突然增大。二極管失去單向導電性。(3)反向擊穿特性604020–0.02–0.0400.40.8–25–50I/mAU/V(2)反向特性小功率硅管：＜1A小功率鍺管：10~100A當u＜0時，i=?Is（反向飽和電流）擊穿電壓U(BR)反向特性反向擊穿34/173、主要參數

(2)最高反向工作電壓UDRM

保證二極管不被擊穿而給出的最高反向電壓，一般是擊穿電壓的一半。(1)最大整流電流IFM

二極管長時間使用時允許流過的最大正向平均電流。(3)最大反向電流IRM指二極管在常溫下承受最高反向工作電壓時的反向飽和電流。反向電流大，說明管子的單向導電性差，因此反向電流越小越好。反向電流受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。所以在使用二極管時要注意溫度的影響。硅二極管在nA級，鍺二極管在uA級。35/174、二極管的電路模型

二極管是一種非線性器件，一般采用非線性電路的模型分析法。+?iDuD在正向偏置時，其管壓降為零，相當于開關的閉合。當反向偏置時，其電流為零，阻抗為無窮，相當于開關的斷開。具有這種理想特性的二極管也稱為理想二極管(1)理想模型+?iDuD在實際電路中，當電源電壓遠大于二極管管壓降時，利用此模型分析是可行的。36/174、二極管的電路模型

二極管是一種非線性器件，一般采用非線性電路的模型分析法。oiDuD二極管導通后，硅管：uD＝0.7V，鍺管：uD＝0.3V。(2)恒壓降模型是指二極管正向導通時，其管壓降為恒定值，且不隨電流而變化。只有當二極管的電流ID大于等于1mA時才是正確的。反偏時與理想模型是一樣的。37/174.2.2二極管應用電路

利用二極管的單向導電性，可組成整流、檢波、限幅、保護等電路。例圖示電路是一限幅電路。當tui/V畫出輸出電壓波形(用理想模型)。uiuO＋－UREFRD＋－＋－R=1k，UREF=3V時，38/17常用的判斷方法是：

首先假設二極管斷開，然后求得二極管陽極與陰極之間將承受的電壓UU>導通電壓，二極管正向偏置，導通；U<導通電壓，二極管反向偏置，截止；理想二極管的導通電壓＝0分析：

判斷二極管在電路中的狀態：導通還是截止。陽極電位和陰極電位做比較。uiuO＋－UREFRD＋－＋－39/17uAB＝ui－3二極管導通當ui>3時，uAB>0ui＋－R＋－3V＋－uo當ui<3時，uAB<0二極管截止uiR＋－＋－uo＋－3Vui＋－R＋－3VABuo＝3Vuo＝ui斷開二極管40/17tui/V33uo/Vt2）畫輸出波形圖當ui>3時，uo＝3V當ui<3時，uo＝uiuiuO＋－UREFRD＋－＋－R=1k，UREF=3V41/174.2.3特殊二極管

是應用在反向擊穿區的特殊硅二極管。穩壓二極管的伏安特性曲線與硅二極管的伏安特性曲線完全一樣。I/mAOUZIZIZM+正向+反向UZIZU/V1.穩壓管

穩壓管反向擊穿后，電流雖在很大范圍內變化，但其兩端的電壓變化很小。——穩壓特性42/17

電阻R的作用:起限流作用，以保護穩壓管；

當輸入電壓或負載電流變化時，通過該電阻上電壓降的變化，取出誤差信號以調節穩壓管的工作電流，從而起到穩壓作用。穩壓二極管在工作時應反接，并串入一個調節電阻R。穩壓二極管穩壓電路43/17穩壓原理分析：例：假設RL不變，UI增大UIUO

IZIUR

UO基本不變電阻R上電壓的增加量與輸入電壓UI的增加量差不多44/172.發光二極管

當電流流過時，發光二極管發光。光的顏色由二極管材料（如砷化鎵、磷化鎵）決定。發光二極管通常用作顯示器件，工作電流一般在幾mA至幾十mA之間。另一重要作用：將電信號變為光信號，通過光纜傳輸，然后用光電二極管接收，再現電信號。發光二極管的符號45/173.光電二極管

光電二極管工作于反向運用狀態，可將光信號轉變為電信號。其特點是它的反向電流與照度成正比。IV照度增加I光電二極管的符號46/20第3講半導體三極管47/204.4.1半導體三極管1、三極管的結構和符號NNPBEC基極發射極集電極NPNPPNBEC基極發射極集電極PNP按結構可分為：NPN型和PNP型。48/20BECNNP基極發射極集電極基區：較薄，摻雜濃度低集電區：面積較大發射區：摻雜濃度較高49/20BECNNP基極發射極集電極發射結集電結50/20BECNPN型三極管BECPNP型三極管三極管的符號

發射極的箭頭代表發射結正向偏置時發射極電流的實際方向。51/202、三極管的電流分配與放大作用

用實驗說明三極管的電流分配與放大作用。

為了使三極管具有放大作用，電源UB和UC

必須使發射結加正向電壓，集電結加反向電壓。

改變可變電阻RB，則基極電流IB、集電極電流IC和發射極電流IE

都發生變化，52/20IB/mA00.020.040.060.080.10IC/mA<0.0010.701.502.303.103.95IE/mA<0.0010.721.542.363.184.05三極管電流測量數據結論：(1)符合KCL，且

IC≈IE(2)

有電流放大作用。電流放大系數：前者表示直流，后者表示交流。53/20BECIBIEICNPN型三極管BECIBIEICPNP型三極管NPN型與PNP型三極管的工作原理相同，只是使用時所加電源的極性不同。54/203、特性曲線

實驗電路三極管各電極電壓與電流之間的關系曲線55/20（1）輸入特性iB(A)uBE(V)204060800.40.8UCE1V

死區電壓，硅管0.5V，鍺管0.2V。工作壓降：硅管UBE0.6~0.7V鍺管UBE0.2~0.3V56/20（2）輸出特性iC(mA)1234uCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區域滿足IC=IB稱為放大區。當UCE大于一定的數值，使集電結反偏時，IC只與IB有關，IC=IB。發射結正偏，集電結反偏57/20iC(mA)1234uCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區域中UCEUBE,集電結正偏，IB>IC，UCE0.3V稱為飽和區。發射結、集電結均正偏58/20iC(mA)1234uCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區域中:IB=0,IC=ICEOUBE<死區電壓，稱為截止區。發射結、集電結均反偏59/20iC(mA)1234uCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A截止區放大區飽和區發射結正偏集電結反偏發射結正偏集電結正偏發射結反偏，集電結反偏小結60/20（a）3V3.7V8V-3V2V2.3V（b）例判斷工作在放大狀態的三極管的型號、材料、管腳。61/20分析：1）工作于放大狀態的三極管，發射結應正偏，集電結應反偏，因而NPN型有VC>VB>VE，PNP型有VC<VB<VE。可見基極電位總是居中，據此可確定基極。2）硅管|UBE|=0.6~0.8V，鍺管|UBE|=0.2~0.4V，則與基極電位相差此值的電極為發射極，并可判斷是硅管還是鍺管。3）余下一電極為集電極。4）集電極電位為最高的是NPN型管，集電極電位為最低的是PNP型管。62/20（a）NPN型硅管，-發射極，-基極，-集電極（b）PNP型鍺管，-集電極，-基極，-發射極（a）3V3.7V8V-3V2V2.3V（b）63/20例

測得電路中三極管3個電極的電位如圖所示。問哪些管子工作于放大狀態，哪些處于截止、飽和狀態，哪些已損壞？硅管-3V0V-2.7V發射結、集電結均反偏，管子工作于截止狀態。硅管?2.8V?1.4V?3.5V發射結正偏、集電結反偏，管子工作于放大狀態。64/20鍺管1.2V1.3V1.5V發射結、集電結均正偏，管子工作于飽和狀態。鍺管?0.3V?3V0V發射結正偏、集電結反偏，管子工作于放大狀態。硅管2V12V?0.7VUBE=2.7V，遠大于發射結正偏時的電壓，故管子已損壞。65/23第4講放大電路的基本概念共發射極放大電路66/234.3放大電路的基本概念及其性能指標4.3.1放大電路的基本概念電子學中放大的目的是將微弱的變化信號放大成較大的信號。放大電路RL++Rs+信號源負載放大的對象：輸入信號（電壓或電流）放大的本質：能量的控制放大的特征：功率放大放大的基本要求：不失真放大67/234.3.2放大電路的性能指標1.放大倍數

電壓增益（電壓放大倍數）電流增益

表征放大電路對微弱信號的放大能力，又稱增益。放大電路RL++Rs+68/232.輸入電阻ri放大電路一定要有前級（信號源）為其提供信號，那么就要從信號源取電流。輸入電阻是衡量放大電路從其前級取電流大小的參數。輸入電阻越大，從其前級取得的電流越小，對前級的影響越小。放大電路RL++Rs+69/23放大電路輸入電阻：RSIi.Ui.70/233.輸出電阻ro放大電路對其負載而言，相當于信號源，我們可以將它等效為戴維寧等效電路，這個戴維寧等效電路的內阻就是輸出電阻。ro是衡量放大電路帶負載能力的指標。ARSUS.ro71/23?如何確定電路的輸出電阻？1、所有的電源置零。2、加壓求流法。將獨立源置零，保留受控源。ARS+-U.I.72/234.4.2共發射極放大電路以共發射極放大電路為例講解放大電路的分析方法

利用三極管組成的放大電路，其中一個電極作為信號輸入端，另一個電極作為信號輸出端，第三個電極作為輸入、輸出回路的公共端。根據公共端的不同，三極管放大電路有三種形式BEC共發射極放大電路共基極放大電路共集電極放大電路73/23RB+ECEBRCC1C2T共發射放大電路的組成放大元件iC=iB，工作在放大區，條件發射結正偏，集電結反偏。uiuo輸入輸出？參考點74/23集電極電源，為電路提供能量。并保證集電結反偏。RB+ECEBRCC1C2T75/23集電極電阻，將變化的電流轉變為變化的電壓。RB+ECEBRCC1C2T76/23使發射結正偏，并提供合適的基極電流。RB+ECEBRCC1C2T基極電源與基極電阻77/23耦合電容RB+ECEBRCC1C2T隔離輸入輸出與電路直流的聯系,同時能使信號順利輸入輸出。78/23單電源供電可以省去RB+ECEBRCC1C2T79/23RB+ECRCC1C2T80/23uiuoRB+ECRCC1C2T放大電路工作時交、直流共存共發射放大電路的工作原理iBuCEiC81/23符號規定：直流量：字母大寫，下標大寫。IB，IC，UCE。交流量：字母小寫，下標小寫。ib，ic，uce。瞬時量：字母小寫，下標大寫。iB，iC，uCE。82/232.靜態分析

當輸入信號ui=0時，電路中各電壓、電流均為直流，故稱靜態。靜態分析：確定電路靜態時的IB、IC、UCE即靜態工作點Q。（1）用估算法確定靜態工作點QC開路83/23輸入回路輸出回路由直流通路85/23電路如圖所示。已知三極管的UBE=0.7V，β=50，Rb=377kΩ，Rc=6kΩ，RL=3kΩ，Rs=100Ω，VCC=12V。試計算：電路的靜態工作點Q。例86/23根據直流通路，有則ICQ=βIBQ

=500.03=1.5（mA）

UCEQ=VCC－ICQRc

=12－1.56=3V解：IBQICQ87/18第5講共發射極放大電路的分析88/183.動態分析動態

當放大電路輸入信號ui后，電路中各電壓、電流在其靜態值附近隨信號變化的工作狀態。動態分析

分析信號的傳輸情況，即計算放大電路的性能指標如Au、ri、ro等。89/18（1）三極管的小信號模型首先考察輸入回路iBuBE

當信號很小時，將輸入特性在小范圍內近似線性。uBEiB對輸入的小交流信號而言，三極管相當于電阻rbe。90/18對于小功率三極管：rbe的數量級從幾百歐到幾千歐。91/18考察輸出回路iCuCE所以：輸出端相當于一個受ib控制的電流源。近似平行輸出端還要并聯一個大電阻rce。92/18iCuCEiCuCErce的含義數百kΩ93/18ubeibuceicuberbeibib

rceuceicrce很大，一般忽略94/18弄清楚等效的概念：1、對誰等效。2、怎么等效。++??ibicubeucebeecib+?uceiccerbeubeib+?be95/18（2）放大電路的小信號等效電路將交流通道中的三極管用小信號模型代替a.畫交流通路規則：C短路VCC對地短路整理得交流通路96/18b.畫出小信號等效電路三極管用小信號模型代替放大電路的小信號等效電路97/18（3）計算放大電路的性能指標電壓放大倍數Au由輸入回路：由輸出回路：負號表示uo與ui反相98/18輸入電阻ri電路的輸入電阻越大，從信號源取得的電流越小，因此一般總是希望得到較大的的輸入電阻。共發射極放大電路的輸入電阻低。99/18輸出電阻ro受控電流源相當于開路，ro100/18(4)riC1C2RB+VCCRCT-+uiRL+-uO(1)靜態值IB、IC、UCE例已知：VCC=12V，RC=3k，RB=300k，=50。試求：(2)輸出端開路時的電壓放大倍數；(3)輸出端接上RL時的電壓放大倍數；(5)ro101/18(1)解：直流通路RB+VCCRCTIBIC102/18rbe＋－ibicibRBuiRC＋－uO（2）畫出小信號等效電路103/18rbe＋－ibicibRBuiRCRL＋－uO（3）畫出小信號等效電路(4)(5)104/17第6講放大電路的失真分析射極偏置電路射極輸出器105/174.放大電路失真分析為了得到盡