1、电子电路中常用的元件电子电路中常用的元件10.1 半导体的半导体的基本知识基本知识导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。纯净的半导体。如硅、锗单晶体。纯净的半导体。如硅、锗单晶体。自由运动的带电粒子。自由运动的带电粒子。+4+4+4+4硅硅(锗锗)的原子结构的原子结构Si2 8 4Ge2 8 18 4简化简化模型模型+4原子核原子核硅硅(锗锗)的共价键结构的共价键结构价电子价电子自自由由电电子子(束缚电子束缚电子)空空穴穴空穴空穴空穴可在共空穴可在共价键内移动价键内移动 自由电子和空穴在运动中相遇重新结合自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程。成对消
2、失的过程。自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。在室温或光照下价电子获得足够能量摆在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位中留下一个空位(空穴空穴)的过程。的过程。两种载流子两种载流子电子电子(自由电子自由电子)空穴空穴两种载流子的运动两种载流子的运动自由电子自由电子(在共价键以外在共价键以外)的运动的运动空穴空穴(在共价键以内在共价键以内)的运动的运动IIPINI=IP+IN+电子和空穴两种电子和空穴两种载流子参与导电载流子参与导电 在外电场的在外电场的作用下，自由电作用
3、下，自由电子逆着电场方向子逆着电场方向定向运动形成定向运动形成电电子电流子电流IN。空穴。空穴顺着电场方向移顺着电场方向移动，形成动，形成空穴电空穴电流流IP。结论结论:1.本征半导体中电子空穴成对出现本征半导体中电子空穴成对出现,且数量少；且数量少；2.半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；3.本征半导体导电能力弱，并与温度、光照等外本征半导体导电能力弱，并与温度、光照等外 界条件有关界条件有关。本征半导体中由于载流子数量极少，导电能力本征半导体中由于载流子数量极少，导电能力很弱。如果有控制、有选择地掺入很弱。如果有控制、有选择地掺入的有用的有用（某
4、种元素），将使其导电能力大大增强，成为具（某种元素），将使其导电能力大大增强，成为具有特定导电性能的有特定导电性能的。一、一、N 型半导体型半导体在硅或锗的晶体中掺入五价元在硅或锗的晶体中掺入五价元 素素。N 型型磷原子磷原子自由电子自由电子电子为电子为多多数载流数载流子子空穴为空穴为少少数载流数载流子子载流子数载流子数 电子数电子数+5+4+4+4+4+4正的磷离子正的磷离子多数载多数载流子流子少数载少数载流子流子N 型半导体的简化图示型半导体的简化图示P 型型硼原子硼原子空穴空穴空穴空穴 多子多子电子电子 少子少子载流子数载流子数 空穴数空穴数二、二、P 型半导体型半导体在硅或锗的晶体中掺
5、入三价元在硅或锗的晶体中掺入三价元 素素。+4+4+4+4+4+3P型半导体的简化图示型半导体的简化图示多数载多数载流子流子少数载少数载流子流子负的硼离子负的硼离子10.2 PN PN结结一、载流子的浓度差引起多子的扩散一、载流子的浓度差引起多子的扩散二、二、复合使交界面形成空间电荷区复合使交界面形成空间电荷区(耗尽层耗尽层)无载流子、无载流子、阻止扩散进行、阻止扩散进行、利于少子的漂移。利于少子的漂移。三、三、扩散和漂移达到动态平衡扩散和漂移达到动态平衡扩散电流扩散电流 等于漂移电流等于漂移电流内电场内电场由浓度差引起的载流子运动。由浓度差引起的载流子运动。载流子在电场力作用下引起的运动。载
6、流子在电场力作用下引起的运动。一、加正向电压一、加正向电压(正向偏置正向偏置)导通导通P 区区N 区区内电场内电场+UR外电场外电场外电场使多子向外电场使多子向 PN 结移动结移动,中和部分离子中和部分离子使空间电荷区变窄。使空间电荷区变窄。I限流电阻限流电阻多子的扩散运动加强形成正向电流多子的扩散运动加强形成正向电流 I。I=I多子多子 I少子少子 I多子多子二、加反向电压二、加反向电压(反向偏置反向偏置)截止截止P 区区N 区区 +UR内电场内电场外电场外电场外电场使少子背离外电场使少子背离 PN 结移动，结移动，空间电荷区变宽。空间电荷区变宽。IPN 结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，
7、电流较大结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大;反偏截止，电阻很大，电流近似为零。反偏截止，电阻很大，电流近似为零。少子的漂移运动加强形成反向电流少子的漂移运动加强形成反向电流 II=I少子少子 010.3 二极管二极管构成：构成：PN结结+引线引线+管壳管壳=二极管二极管(Diode)符号：符号：分类：分类：按材料分按材料分硅二极管硅二极管锗二极管锗二极管按结构分按结构分点接触型点接触型面接触型面接触型点接触型点接触型正极正极引线引线触丝触丝N型锗片型锗片外壳外壳负极负极引线引线负极引线负极引线 面接触型面接触型N型锗型锗PN结结 正极引线正极引线铝合金铝合金小球小球底座底座金锑金锑合
8、金合金平面型平面型正极正极引线引线负极负极引线引线集成电路中平面型集成电路中平面型pNP型支持衬底型支持衬底OuD/ViD/mA正向特性正向特性Uth死区死区电压电压iD=0Uth=0.5 V 0.1 V(硅管硅管)(锗管锗管)U UthiD 急剧上升急剧上升0 U Uth UD(on)=(0.6 0.8)V 硅管硅管 0.7 V(0.1 0.3)V锗管锗管 0.2 V反向特性反向特性ISU(BR)反向击穿反向击穿U(BR)U 0 iD=IS 0.1 A(硅硅)几十几十 A(锗锗)U U(BR)反向电流急剧增大反向电流急剧增大(反向击穿反向击穿)第第 1 章半导体二极管章半导体二极管反向击穿类
9、型：反向击穿类型：电击穿电击穿热击穿热击穿反向击穿原因反向击穿原因：齐纳击穿齐纳击穿：反向电场太强，将电子强行拉出共价键。反向电场太强，将电子强行拉出共价键。雪崩击穿：雪崩击穿：反向电场使电子加速，动能增大，撞击反向电场使电子加速，动能增大，撞击使自由电子数突增。使自由电子数突增。PN结未损坏，断电即恢复。结未损坏，断电即恢复。PN结烧毁。结烧毁。第第 1 章半导体二极管章半导体二极管硅管的伏安特性硅管的伏安特性锗管的伏安特性锗管的伏安特性604020 0.02 0.040 0.4 0.82550iD/mAuD/ViD/mAuD/V0.20.4 25 50510150.010.020温度对二极
10、管特性的影响温度对二极管特性的影响T 升高时升高时，UD(on)以以(2 2.5)mV/C 下降下降第第 1 章半导体二极管章半导体二极管604020 0.0200.42550iD/mAuD/V20 C90 C1.IOM 最大整流电流最大整流电流（最大正向平均电流）（最大正向平均电流）2.URM 最高反向工作电压最高反向工作电压，为为U(BR)/2 3.IRM 最大反向电流最大反向电流（二极管加最大反向电压时的（二极管加最大反向电压时的 电流，电流，越小单向导电性越好越小单向导电性越好）一、理想二极管一、理想二极管特性特性uDiD符号及符号及等效模型等效模型SS正偏导通，正偏导通，uD=0;反
11、偏截止，反偏截止，iD=0二、实际二极管二、实际二极管uDiD例例 10.1 硅二极管，硅二极管，R=2 k，求出，求出 VDD=2 V 时时 IO 和和 UO 的值。（忽略二极管正向工作电压）的值。（忽略二极管正向工作电压）UOVDDIOR解：解：VDD=2 V IO=VDD/R=2/2 =1(mA)UO=VDD=2 VUOVDDIOR硅管硅管 0.7 V锗管锗管 0.2 V二极管正向二极管正向工作电压工作电压例例 10.2 ui=2 sin t(V),分析二极管的限幅作用分析二极管的限幅作用（二极管的正向工作电压（二极管的正向工作电压0.7V）。）。D1D2uiuOR 0.7 V ui 0
12、.7 VD1、D2 均截止均截止uO=uiuO=0.7 Vui 0.7 VD2 导通导通 D截止截止ui 0.7 VD1 导通导通 D2 截止截止 uO=0.7 VOtuO/V0.7Otui/V2 0.7解：解：例例10.3 二极管构成二极管构成“门门”电路，设电路，设 D1、D2 均为理均为理想二极管，当输入电压想二极管，当输入电压 UA、UB 为低电压为低电压 0 V 和高和高电压电压 5 V 的不同组合时，求输出电压的不同组合时，求输出电压 UF 的值。的值。0 V正偏正偏导通导通正偏正偏导通导通0 V0 V 5 V正偏正偏导通导通反偏反偏截止截止0 V5 V 0 V反偏反偏截止截止正偏
13、正偏导通导通0 V5 V 5 V正偏正偏导通导通正偏正偏导通导通5 VFR3 k 12 VD1D2BAUAUBUFR3 k 12 VVDDD1D2BAF输入电压输入电压理想二极管理想二极管输出输出电压电压UAUBD1D20 V 0 V正偏正偏导通导通正偏正偏导通导通0 V0 V 5 V正偏正偏导通导通反偏反偏截止截止0 V5 V 0 V反偏反偏截止截止正偏正偏导通导通0 V5 V 5 V正偏正偏导通导通正偏正偏导通导通5 V10.4 稳压二极管稳压二极管 稳压管是一种特殊的面接触稳压管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。型半导体硅二极管。I/mAUZ/VOUZIZIZM+正向正向 +反向反向
14、UZ IZ符号符号工作条件：工作条件：反向击穿反向击穿1.稳定电压稳定电压 UZ 流过规定电流时稳压管两端的反向电压值。流过规定电流时稳压管两端的反向电压值。2.稳定电流稳定电流 IZ 稳压二极管在正常工作情况下的电流。越大稳稳压二极管在正常工作情况下的电流。越大稳压效果越好，小于压效果越好，小于 Imin 时不稳压。时不稳压。3.最大工作电流最大工作电流 IZMP ZM=UZ IZM5.动态电阻动态电阻 rZrZ=UZ/IZ 越小稳压效果越好。越小稳压效果越好。4.最大耗散功率最大耗散功率 PZM10.4 发光二极管发光二极管一、发光二极管一、发光二极管 LED(Light Emitting
15、 Diode)工作条件：工作条件：正向偏置正向偏置一般工作电流几一般工作电流几 mA到几十到几十mA 工作电压工作电压(1.5 3)V发光类型：发光类型：可见光：可见光：红、黄、绿红、黄、绿显示类型：显示类型：普通普通 LED，不可见光：不可见光：红外光红外光点阵点阵 LED符号符号七段七段 LED每字段是一只每字段是一只发光二极管发光二极管 低电平驱动低电平驱动二、七段数码管二、七段数码管1.共阳极共阳极abcdefg 高电平驱动高电平驱动2.共阴极共阴极abcdefgaebcfgdcomcom10.6 晶体管晶体管晶体管（晶体管（三极管三极管）是最重要的一种半导体器件。）是最重要的一种半导
16、体器件。部分三极管的外型部分三极管的外型一、结构一、结构NNP发射极发射极 E基极基极 B集电极集电极 C发射结发射结集电结集电结 基区基区 发射区发射区 集电区集电区emitterbasecollectorNPN 型型ECB三层半导体材料构成三层半导体材料构成NPN型、型、PNP型型PPNEBCECBPNP 型型各区主要作用及结构特点：各区主要作用及结构特点：发射区：发射区：作用：作用：发射载流子发射载流子 特点：特点：掺杂浓度高掺杂浓度高基区：基区：作用：作用：传输载流子传输载流子 特点：特点：薄、掺杂浓度低薄、掺杂浓度低集电区：集电区：作用：作用：接收载流子接收载流子 特点：特点：面积大
17、面积大按材料分：按材料分：硅管、锗管硅管、锗管按结构分：按结构分：NPN、PNP按使用频率分：按使用频率分：低频管、高频管低频管、高频管按功率分：按功率分：小功率管小功率管 1 W二、分类二、分类一、晶体管放大的条件一、晶体管放大的条件发射结正偏发射结正偏集电结反偏集电结反偏mAmAICECIBIERBEBCEB3DG6 A NPN:PNP:ECBECBmAmAICECIBIERBEBCEB3DG6 A1.测量结果测量结果IB/mA00.010.020.030.040.05IC/mA 0.0010.501.001.602.202.90IE/mA 0.0010.511.021.632.242.9
18、5IC/IB5050535558IC/IB50606070(1)BCEIII 符合符合KCL定律定律(2)IC和和IE比比IB大得多大得多(3)IB 很小的变化可以引起很小的变化可以引起 IC很大的变化。很大的变化。即：即：BC II 2.晶体管的电流分配关系晶体管的电流分配关系 BCEIII BC II BE)1(II (直流电流放大倍数）直流电流放大倍数）1.晶体管在发射结正向偏置、晶体管在发射结正向偏置、集电结反向偏置的条件下具有电流集电结反向偏置的条件下具有电流放大作用。放大作用。2.晶体管的电流放大作用，实晶体管的电流放大作用，实质上是基极电流对集电极电流的控质上是基极电流对集电极电
19、流的控制作用。制作用。ECB一、输入特性一、输入特性输入输入回路回路输出输出回路回路常数常数 CE)(BEBuufiRCECiBiERB+uBE+uCE EBCEBiC+BEuBiO0CE uV 1CE u导通电压导通电压 UBESi 管管:(0.6 0.8)VGe管管:(0.2 0.3)V取取 0.7 V取取 0.2 VECB二、输出特性二、输出特性常数常数 B)(CECiufi输出特性曲线输出特性曲线50 A40 A30 A10 AIB=020 AuCE/VO 2 4 6 8 4321iC/mAmAICECIBRBEBCEB3DG6 ARCV+uCE ECBiC/mAuCE/V50 A40
20、 A30 A20 A10 AIB=0O 2 4 6 8 43211.截止区：截止区：IB 0 IC 0条件：条件：两个结反偏两个结反偏2.放大区：放大区：BCII 3.饱和区：饱和区：uCE u BEVC VB条件：条件：两个结正偏两个结正偏特点：特点：I C IB=ICS临界饱和时：临界饱和时：深度饱和时：深度饱和时：0.3 V(硅管硅管)U CES为：为：0.1 V(锗管锗管)放大区放大区截止区截止区饱饱和和区区条件：条件：发射结正偏发射结正偏 集电结反偏集电结反偏特点：特点：水平、等间隔水平、等间隔ICEO输出特性曲线输出特性曲线VC=VB+RCECiBIERB+uBE+uCE uiCE
21、BiC+iB=0，iC=0，uCE=EC（大）（大）2.ui增加增加0.7V，三极，三极管工作于放大区管工作于放大区3.Ui继续继续 增加到一定值，增加到一定值，三极管工作于饱和区三极管工作于饱和区输入信号的变化，对三极管工作区域的影响输入信号的变化，对三极管工作区域的影响 1.ui 0.7V，三极，三极管工作于截止区管工作于截止区 iB,iC=iB ，uCE=EC-iCRCiB，iC=ICS，uCE=uCES=0.3V一、一、共发射极共发射极电流放大系数电流放大系数iC/mAuCE /V50 A40 A30 A20 A10 AIB=00 2 4 6 8 4321 BC一般为几十一般为几十 几
22、百几百Q82A1030A1045.263 80108.0A1010A10)65.145.2(63 二、极间反向饱和电流二、极间反向饱和电流CB极极间反向饱和电流间反向饱和电流 ICBO，CE极极间反向饱和电流间反向饱和电流 ICEO。1.直流电流放大系数直流电流放大系数2.交流电流放大系数交流电流放大系数 BCII 三、极限参数三、极限参数1.ICM 集电极最大允许电流，超过时集电极最大允许电流，超过时 值明显降低。值明显降低。U(BR)CBO 发射极开路时发射极开路时 C、B极极间反向击穿电压。间反向击穿电压。一般几十一般几十V以上以上2.PCM 集电极最大允许功率损耗集电极最大允许功率损耗
23、PC=iC uCE。3.U(BR)CEO 基极开路时基极开路时 C、E极极间反向击穿电压。间反向击穿电压。U(BR)EBO 集电极极开路时集电极极开路时 E、B极极间反向击穿电压。一般间反向击穿电压。一般5V左右左右U(BR)CBO U(BR)CEO U(BR)EBOiCICMU(BR)CEOuCEPCMOICEO安安全全 工工 作作 区区 小小 结结自由电子自由电子空穴空穴N 型型 (多电子多电子)P 型型 (多空穴多空穴)正偏导通，反偏截止。正偏导通，反偏截止。单向导电单向导电正向电阻小正向电阻小(理想为理想为 0)，反向电阻大反向电阻大()。正向正向 最大整流电流最大整流电流 IOM反向
24、反向 最大反向工作电压最大反向工作电压 URM(超过则击穿超过则击穿)最大反向电流最大反向电流 IRM(受温度影响受温度影响)放大：放大：BCII 条件：条件：两个结均正偏两个结均正偏条件：条件：发射结正偏，集电结反偏发射结正偏，集电结反偏饱和：饱和：I C IB截止：截止：IB=0 IC 0条件：条件：两个结均反偏两个结均反偏 使用时要注意选择使用时要注意选择 PCM、ICM、U(BR)CEO，PC PC C VCC附录：半导体器件的命名方式（附录：半导体器件的命名方式（P299）第一部分第一部分数字数字电极数电极数2 二极管二极管3 三极管三极管第二部分第二部分第三部分第三部分字母字母(汉
25、拼汉拼)材料和极性材料和极性A 锗材料锗材料 N 型型B 锗材料锗材料 P 型型C 硅材料硅材料 N 型型D 硅材料硅材料 P 型型A 锗材料锗材料 PNPB 锗材料锗材料 NPNC 硅材料硅材料 PNPD 硅材料硅材料 NPN字母字母(汉拼汉拼)器件类型器件类型P 普通管普通管W 稳压管稳压管Z 整流管整流管K 开关管开关管U 光电管光电管X 低频小功率管低频小功率管G 高频小功率管高频小功率管D 低频大功率管低频大功率管A 高频大功率管高频大功率管第四部分第四部分第五部分第五部分数字数字序号序号字母字母(汉拼汉拼)规格号规格号例如例如:2CP 2AP 2CZ 2CW3AX31 3DG12B 3DD6 3CG 3DA 3AD 3DK常用小功率进口三极管常用小功率进口三极管9011 9018
