1、电子线路基础主讲：郭建才华南师范大学教育信息技术学院 本章应重点掌握以下内容：本章应重点掌握以下内容：n半导体二极管的单向导电特性、伏安特半导体二极管的单向导电特性、伏安特性以及主要电参数。性以及主要电参数。n硅稳压二极管的伏安特性、稳压原理及硅稳压二极管的伏安特性、稳压原理及主要电参数。主要电参数。n晶体管的放大作用、输入特性曲线和输晶体管的放大作用、输入特性曲线和输出特性曲线、主要参数、温度对参数的出特性曲线、主要参数、温度对参数的影响。影响。1 . 1 半导体基础知识半导体基础知识1 . 2 PN结结 1 . 3 半导体三极管半导体三极管l 1 . 1 . 1 本征半导体本征半导体l 1
2、 . 1 . 2 杂质半导体杂质半导体l根据物体导电能力根据物体导电能力( (电阻率电阻率) )的不同，来的不同，来划分划分导体导体、绝缘体绝缘体和和半导体半导体。l典型的半导体有典型的半导体有硅硅SiSi和和锗锗GeGe以及以及砷化镓砷化镓GaAsGaAs等等。半导体硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。半导体硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。原子序号分别为原子序号分别为1414（2 2、8 8、4 4）和）和3232（2 2、8 8、1818、4 4）。）。Si硅原子硅原子Ge锗原子锗原子l通过一定的工艺过程，可以将半导体制通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。成晶体。
3、l完全纯净的、结构完整的半导体晶体，完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。称为本征半导体。在硅和锗晶体中，每个原子与其相邻的原子之间在硅和锗晶体中，每个原子与其相邻的原子之间形成共价键，共用一对价电子。形成共价键，共用一对价电子。共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4表示除表示除去价电子去价电子后的原子后的原子+4+4+4+4l形成共价键后，每形成共价键后，每个原子的最外层电个原子的最外层电子是八个，构成稳子是八个，构成稳定结构。定结构。+4+4+4+4l共价键有很强的结共价键有很强的结合力，使原子规则合力，使原子规则排列，形成晶体。排列，形成晶体。在绝对温度在绝对温度0 0K(
4、-K(-273)273)时，时，本征半导体中的电子受原子本征半导体中的电子受原子核的束缚，故该半导体不存核的束缚，故该半导体不存在能导电的粒子，从而呈现在能导电的粒子，从而呈现绝缘体的性能。绝缘体的性能。 绝对温度绝对温度= = 273 273 + + 摄氏温度摄氏温度+4+4+4+4共价键中的价电共价键中的价电子受激发获得能子受激发获得能量并摆脱共价键量并摆脱共价键的束缚成为的束缚成为“自自由电子由电子”，并在，并在原共价键的位置原共价键的位置上形成一个上形成一个“空空穴穴”，这一过程，这一过程称为称为本征激发本征激发。+4+4+4+4+4+4+4+4+4图13 本征半导体中的自由电子和空穴
5、空穴自由电子电子和空穴均是能够自由电子和空穴均是能够自由移动的带电粒子，称为移动的带电粒子，称为载载流子流子。电子带负电荷，空。电子带负电荷，空穴带正电荷。穴带正电荷。+4+4+4+4载流子在电场作用下的定载流子在电场作用下的定向运动称为向运动称为漂移漂移 . .本征半本征半导体中自由电子数导体中自由电子数n ni i等于等于空穴数空穴数p pi i，即即n ni ip pi i. .+4+4+4+4产生自由电子和空穴对的产生自由电子和空穴对的同时，部分电子也失去能同时，部分电子也失去能量量返回到共价键返回到共价键处，使自处，使自由电子和空穴对消失，此由电子和空穴对消失，此过程称为载流子的过程
6、称为载流子的复合复合。 +4+4+4+4空穴在电场作用下定向移空穴在电场作用下定向移动形成电流，实际上是共动形成电流，实际上是共价键中的价电子在作填补价键中的价电子在作填补空穴的移动，方向与空穴空穴的移动，方向与空穴移动的方向相反。移动的方向相反。+4+4+4+4本征半导体的载流子浓度，本征半导体的载流子浓度，除与半导体材料本身的性质除与半导体材料本身的性质有关以外，还与温度密切相有关以外，还与温度密切相关，而且随着温度的升高，关，而且随着温度的升高，基本上按指数规律增加。因基本上按指数规律增加。因此，此，本征载流子的浓度对温本征载流子的浓度对温度十分敏感。度十分敏感。+4+4+4+4n 本征
7、激发产生成对电子和空穴。本征激发产生成对电子和空穴。n 温度越高，电子空穴对的浓度越大。外温度越高，电子空穴对的浓度越大。外部条件一定时，不断有本征激发产生新的部条件一定时，不断有本征激发产生新的电子和空穴，也不断有电子与空穴复合而电子和空穴，也不断有电子与空穴复合而消失，达到动态平衡。室温下，电子、空消失，达到动态平衡。室温下，电子、空穴对浓度较低，故电阻率大，导电性能差。穴对浓度较低，故电阻率大，导电性能差。 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。质，可使半导体的导电性发生显著变化。T T=300 K=300 K室温下室
8、温下, ,本征硅的电子和空穴浓度本征硅的电子和空穴浓度: : n n = = p p =1.4=1.410101010/cm/cm3 3某种掺杂半导体中的自由电子浓度某种掺杂半导体中的自由电子浓度: : n= n= 5 510101616/cm/cm3 3掺入杂质的本征半导体称为掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体杂质半导体。为了尽量保持半导体的原有晶体结构，掺为了尽量保持半导体的原有晶体结构，掺入的杂质主要是微量的价电子数较为接近入的杂质主要是微量的价电子数较为接近的的三价三价或或五价五价元素。元素。N N型半导体型半导体掺入五价杂质元素（如磷）掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。的半导体。P
9、P型半导体型半导体掺入三价杂质元素（如硼）掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。的半导体。因五价杂质原子中只有因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自键束缚而很容易形成自由电子。由电子。+4+4+4+4+5+4+4+4+4键外电子施主原子图14 N型半导体共价键结构在在N N型半导体中型半导体中自由电子是自由电子是多数载流子，多数载流子，它主要由杂它主要由杂质原子提供；质原子提供；空穴是少数空穴是少数载流子载流子, , 由热激发形成。由热激
10、发形成。+4+4+4+4+5+4+4+4+4键外电子施主原子图14 N型半导体共价键结构提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子正离子，因此五价杂质原子也称为，因此五价杂质原子也称为施主杂质施主杂质。因三价杂质原子在与硅因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。键中留下一个空穴。+4+4+4+4+3+4+4+4+4图15 P型半导体的共价键结构受主原子空位在在P P型半导体中型半导体中空穴是多空穴是多数载流子，数载流子，它主要由掺它主要由掺杂形成；杂形成；自由电子是少自
11、由电子是少数载流子，数载流子， 由热激发形由热激发形成。成。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子负离子。三价杂质因而也称为三价杂质因而也称为受主杂质受主杂质。+4+4+4+4+3+4+4+4+4图15 P型半导体的共价键结构受主原子空位l本征半导体、杂质半导体本征半导体、杂质半导体l自由电子、空穴自由电子、空穴lN N型半导体、型半导体、P P型半导体型半导体l多数载流子、少数载流子多数载流子、少数载流子l1.2.1 1.2.1 异型半导体接触现象异型半导体接触现象 l1.2.2 1.2.2 PNPN结的单向导电特性结的单向导电特性 l1.2.3 1.2.
12、3 PNPN结的击穿特性结的击穿特性 l1.2.4 1.2.4 PNPN结的电容效应结的电容效应l1.2.5 1.2.5 半导体二极管半导体二极管l1.2.6 1.2.6 稳压二极管稳压二极管l1.2.7 1.2.7 二极管的应用二极管的应用l1.2.8 1.2.8 其它二极管其它二极管 P P型和型和N N型半导体相接触，其交界面两侧由于载型半导体相接触，其交界面两侧由于载流子的浓度差，产生流子的浓度差，产生扩散运动扩散运动，形成扩散电流，形成扩散电流 -+-+ 耗尽层空间电荷区自键场PNPN(a) 多数载流子的扩散运动(b) 平衡时阻挡层形成图16 PN结的形成l扩散时将分别留下带正、负电
13、荷的杂质离子，扩散时将分别留下带正、负电荷的杂质离子，形成空间电荷和自建场在该电场作用下，载形成空间电荷和自建场在该电场作用下，载流子作流子作漂移运动漂移运动，其方向与扩散方向相反，阻，其方向与扩散方向相反，阻止扩散，平衡时扩散运动与漂移运动相等止扩散，平衡时扩散运动与漂移运动相等。 -+-+ 耗尽层空间电荷区自键场PNPN(a) 多数载流子的扩散运动(b) 平衡时阻挡层形成图16 PN结的形成-+-PNPNID自建场外电场自建场外电场-+UURR(a) 外加正向电压(b) 外加反向电压图17 PN结单向导电特性当外加电压使当外加电压使PNPN结中结中P P区区的电位高于的电位高于N N区的电
14、位，区的电位，称为加称为加正向电压正向电压，简称，简称正正偏偏；反之称为加；反之称为加反向电压反向电压，简称简称反偏反偏。 加正向电压时，加正向电压时，PNPN结处结处于导通状态，其正向电流于导通状态，其正向电流随正向电压增大而增大。随正向电压增大而增大。PNPN结正向偏置结正向偏置+内电场减弱，使扩散加强，内电场减弱，使扩散加强，扩散扩散 飘移，正向电流大飘移，正向电流大空间电荷区变薄空间电荷区变薄PN+_正向电流正向电流PNPN结反向偏置结反向偏置+空间电荷区变厚空间电荷区变厚NP+_+内电场加强，使扩散停止，内电场加强，使扩散停止，有少量飘移，反向电流很小有少量飘移，反向电流很小反向饱和
15、电流反向饱和电流很小，很小， A级级UB0IU图18 PN结伏安特性其中其中) 1(/SDTUUeIII IS S 反向饱和电流反向饱和电流U UT T 温度的电压当量温度的电压当量且在常温下（且在常温下（T=300KT=300K）26mVV026. 0qkTUTUB0IU图18 PN结伏安特性当当PNPN结的反向电压增加到结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为然快速增加，此现象称为PNPN结的结的反向击穿。反向击穿。热击穿热击穿不可逆不可逆 雪崩击穿雪崩击穿 齐纳击穿齐纳击穿 电击穿电击穿可逆可逆PNPN结电压变化，阻挡层结电压变化，阻挡层厚度也
16、发生变化，从而厚度也发生变化，从而引起阻挡层内电荷变化引起阻挡层内电荷变化。此种电容称为。此种电容称为势垒电势垒电容容C CT T。 1. 1.势垒电容势垒电容C CT T势垒电容示意图势垒电容示意图PNPN结正向运用时，多数结正向运用时，多数载流子在扩散过程中引载流子在扩散过程中引起电荷积累，正向电压起电荷积累，正向电压变化，其积累的电荷也变化，其积累的电荷也变化，此种电容称为变化，此种电容称为扩扩散电容散电容C CD D。 2. 2.扩散电容扩散电容C CD D扩散电容示意图扩散电容示意图一般情况下，一般情况下，PNPN结加正结加正向电压时，向电压时，扩散电容扩散电容C CD D 起主要作
17、用。起主要作用。 加反向电压时，加反向电压时，势垒电势垒电容容C CT T起主要作用。起主要作用。PNPN结电容均随外加电压结电容均随外加电压变化而变化。变化而变化。 0CjU图110 势垒电容和外加电压的关系1. 基本结构基本结构PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。PN符号符号阳极阳极阴极阴极PN2. 分类分类二极管按结构分二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型有点接触型、面接触型和平面型三大类。三大类。(1) (1) 点接触型二极管点接触型二极管点接触型点接触型 PN结面积小，结电结面积小，结电容小，用于检波和变频等容小，用于检波和变频等高频
18、电路。高频电路。(3) (3) 平面型二极管平面型二极管 往往用于集成电路制造艺中。往往用于集成电路制造艺中。PN PN 结面积可大可小，用于高结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。频整流和开关电路中。(2) (2) 面接触型二极管面接触型二极管 PNPN结面积大，用于低频结面积大，用于低频大电流整流电路。大电流整流电路。面接触型面接触型平面型平面型阴极阴极引线引线阳极阳极引线引线PNP 型支持衬底型支持衬底二极管伏安特性二极管伏安特性UI导通压降导通压降: : 硅管硅管0.7V,锗管锗管0.2V。反向击穿电反向击穿电压压U(BR)反向漏电流反向漏电流（很小，（很小， A A级）级）死区电
19、压死区电压 硅管硅管0.60.8V,锗管锗管0.10.3V。二极管伏安特性二极管伏安特性锗二极管锗二极管2 2AP15AP15的的V V- -I I 特性特性0 D/V0.2 0.4 0.6 20 40 605101520 10 20 30 40iD/ AiD/mAVthVBR正向特性正向特性反向特性反向特性反向击穿特性反向击穿特性二极管的主要参数有：二极管的主要参数有：n最大整流电流最大整流电流I IF Fn最大反向工作电压最大反向工作电压U UR Rn反向电流反向电流I IR Rn直流电阻直流电阻R RD Dn交流电阻交流电阻r rd dn最高工作频率最高工作频率f fM M 1. 1.
20、稳压特性稳压特性(a)符号符号(b) 伏安特性伏安特性 利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。二极管稳压时工作在反向电击穿状态。 I IZ Z很大，很大， V VZ Z很小。很小。(1) (1) 稳定电压稳定电压V VZ Z(2) (2) 动态电阻动态电阻r rZ Z 在规定的稳压管反向工作在规定的稳压管反向工作电流电流IZIZ下，所对应的反向下，所对应的反向工作电压。工作电压。r rZ Z = = V VZ Z / / I IZ Z(3) (3) 最大耗散功率最大耗散功率 P PZMZM V VZ ZI IZ Z(4) (4
21、) 最大稳定工作电流最大稳定工作电流 I IZmax Zmax 和最小稳定工作电流和最小稳定工作电流 I IZminZmin(5) (5) 稳定电压温度系数稳定电压温度系数 V VZ Z2. 2. 稳压二极管主要参数稳压二极管主要参数RLuiuOuiuott二极管半波整流二极管半波整流RUCCUOUAUBUCVD1VD2VD3图123 二极管“与”门电路图124 发光二极管符号图125 光电二极管符号图126 光电耦合器件输入输出图127 变容二极管符号l 1.3.1 三极管的结构及类型三极管的结构及类型l 1.3.2 三极管的三种连接方式三极管的三种连接方式l 1.3.3 三极管的放大作用三
22、极管的放大作用l 1.3.4 三极管的特性曲线三极管的特性曲线l 1.3.5 三极管的主要参数三极管的主要参数l 1.3.6 温度对三极管参数的影响温度对三极管参数的影响l三极管是组成各种电子线路的核心器件三极管是组成各种电子线路的核心器件 (a)(b)(c)(d)图1-28 几种半导体三极管的外形 两个两个PNPN结：发射结和集电结结：发射结和集电结l三个区域：发射区、基区、集电区三个区域：发射区、基区、集电区l三个极：发射极、基极、集电极三个极：发射极、基极、集电极NPNcbePNPcbecbe集电极c集电结集电区基极b基区发射区发射极e发射结（a) NPN(b) PNP图129 三极管的
23、结构示意图和符号IEIEIEICICICIBIBIBebcbcebec(a) 共基极（b) 共发射极(c) 共集电极图130 三极管的三种连接方式l为实现放大，三极管应满足下列条件为实现放大，三极管应满足下列条件l(1) (1) 发射区重掺杂，发射区重掺杂，l(2) (2) 基区很薄；基区很薄；l(3) (3) 集电结面积大，集电结面积大，l(4) (4) 发射结正向偏置，集电结反向偏置发射结正向偏置，集电结反向偏置 BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极基区：较薄，基区：较薄，掺杂浓度低掺杂浓度低集电区：集电区：面积较大面积较大发射区：掺发射区：掺杂浓度较高杂浓度较高BECNNPEBR
24、BEcIE1IB进入进入P P区的电子少部区的电子少部分与基区的空穴复合，分与基区的空穴复合，形成电流形成电流I IB B , ,多数扩多数扩散到集电结。散到集电结。发射结正偏，发射结正偏，发射区电子发射区电子不断向基区不断向基区扩散，形成扩散，形成发射极电流发射极电流I IE E。BECNNPEBRBEcIE从基区扩散来的从基区扩散来的电子漂移进入集电子漂移进入集电结而被收集，电结而被收集，形成形成I IC C。ICICIB实现这一传输过程的两个条件是：实现这一传输过程的两个条件是：（1 1）内部条件：内部条件：发射区杂质浓度远大于基区发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，且基区很薄。杂质浓度，
25、且基区很薄。（2 2）外部条件：外部条件：发射结正向偏置，集电结反发射结正向偏置，集电结反向偏置。向偏置。综上所述，三极管的放大作用，主要是依靠它的综上所述，三极管的放大作用，主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现的。的。静态电流放大倍数静态电流放大倍数静态电流放大倍数，动态电流放大倍数静态电流放大倍数，动态电流放大倍数 = IC / IBIC = IB动态电流放大倍数动态电流放大倍数IB ： IB + IBIC ： IC + IC = IC / IB一般认为：一般认为： = = ，近似为一常数，近似为一常数， 值范围：值
26、范围：20100 IC = IB电流分配关系：电流分配关系：I IE E= =I IB B+ + I IC CI IC C=I IB BICRcUccNPNIBRbUBBIEecb图131 三极管中载流子的传输过程I ICBOCBO为为c c结少数载流子形成的反向饱和电流；结少数载流子形成的反向饱和电流；I ICEOCEO为为I IB Bo o时，时，c c、e e橙之间的穿透电流；橙之间的穿透电流；为共基极电流放大系数；为共基极电流放大系数；为共发射极电流放大系数。为共发射极电流放大系数。RbIBRcUccUCEuBEUBBIcVVAmA+-+-+-图133 三极管共发射极特性曲线测试电路输
27、入特性曲线的三个部分输入特性曲线的三个部分 死区死区 非线性区非线性区 线性区线性区1. 1. 输入特性曲线输入特性曲线2、输出特性、输出特性IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A放大区：放大区：当当U UCECE大于一定的数大于一定的数值时，值时，I IC C只与只与I IB B有关有关I IC C= = I IB B , , 且且 I IC C = = I IB B 。发发射结正向偏置，集电结反向射结正向偏置，集电结反向偏置偏置 。截止区截止区: : I IB B=0 , =0 , I IC C=I=ICEOCEO , U , UBE
28、BE IIC C，U UCECE 0.3V0.3V。两个结均两个结均处于正向偏置。处于正向偏置。 (1) (1) 电流放大系数电流放大系数或或，主要表征管主要表征管于的放大能力。一般二者关系为：于的放大能力。一般二者关系为： =/=/（1+1+） =/ =/（1-1-） (2) (2) 极间反向电流：极间反向电流：I ICBO CBO 集电极一基极反向饱和电流。集电极一基极反向饱和电流。I ICEOCEO 穿透电流，与穿透电流，与I ICBOCBO的关系为的关系为 I ICEOCEO = =（1+1+）I ICBOCBO它们是由少数载流子形成的，与温度有关。它们是由少数载流子形成的，与温度有关。 (3) (3) 极限参数：极限参数：I ICM CM 集电极最大允许电流。集电极最大允许电流。P PCM CM 集电极最大允许功率损耗。集电极最大允许功率损耗。BUBUCBOCBO 、BUBUCEOCEO 、BUBUEBO EBO 三极管的击穿电压。三极管的击穿电压。I ICMCM 、P PCMCM 、BUBUCEOCEO共同确定三极管的安全工作区。共同确定三极管的安全工作区。 T(T(温度温度)、 I ICBOCBO、 I ICEOCEO、 | |U UBEBE| | IIC C 72谢谢！谢谢！
