第1章 半导体二极管、三极管和场效应管,1.2 PN结,1.3 半导体二极管,1.4 稳压管,1.5 半导体三极管,1.6 绝缘栅场效应管,第1章 目录,1.1 半导体的导电特性,一、电子技术的发展 很大程度上反映在元器件的发展上 :,1947年 贝尔实验室制成第一只晶体管 1958年 集成电路 1969年 大规模集成电路 1975年 超大规模集成电路,第一片集成电路只有4个晶体管，而1997年一片集成电路中有40亿个晶体管。有科学家预测，集成度还将按10倍/6年的速度增长，到2015或2020年达到饱和。,二、模拟信号与模拟电路,1. 电子电路中信号的分类 数字信号：离散性,模拟信号：连续性。大多数物理量为模拟信号。,2. 模拟电路 模拟电路：对模拟量进行处理的电路。最基本的处理是对信号的放大。 放大的本质：能量的控制 有源元件：能够控制能量的元件。如晶体管、场效应管,四、如何学习这门课程,1. 掌握基本概念、基本电路和基本分析方法 基本概念：概念是不变的，应用是灵活的， “万变不离其宗”。 基本电路：构成的原则是不变的，具体电路是多种多样的。 基本分析方法：不同类型的电路有不同的性能指标和描述方法，因而有不同的分析方法。,2. 学会辩证、全面地分析电子电路中的问题 根据需求，最适用的电路才是最好的电路。 要研究利弊关系，通常“有一利必有一弊”。,3. 注意电路中常用定理在电子电路中的应用,五、课程的目的,1. 掌握基本概念、基本电路、基本分析方法和基本实验技能。 2. 具有能够继续深入学习和接受电子技术新发展的能力，以及将所学知识用于本专业的能力。,本课程通过对常用电子元器件、模拟电路及其系统的分析和设计的学习，使学生获得模拟电子技术方面的基础知识、基础理论和基本技能，为深入学习电子技术及其在专业中的应用打下基础。,建立起系统的观念、工程的观念、科技进步的观念和创新意识。,1.1.1 导体、半导体和绝缘体,导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。,绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。,1.1 半导体的导电特性,半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：,当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化。,往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使 它的导电能力明显改变。,在热力学温度零度 和没有外界激发时, 本征半导体不导电。,把纯净的没有结构缺陷的半导体单晶 称为本征半导体。 它是共价键结构。,本征半导体的共价键结构,第1章 1.1,1.1.2 本征半导体,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,自由电子,空穴,在常温下自由电子和空穴的形成,成对出现,成对消失,第1章 1.1,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,外电场方向,空穴导电的实质是共价键中的束缚电子依次填补空穴形成电流。故半导体中有电子和空穴两 种载流子。,在外电场作用下， 电子和空穴均能 参与导电。,价电子填补空穴,第1章 1.1,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,1.1.3 P半导体和N型半导体,1 . N 型半导体,在硅或锗的晶体 中 掺入少量的 五价元 素,如磷, 则形成N型半导 体。,多余价电子,第1章 1.1,N 型半导体结构示意图,在N型半导中,电子是多数载流子, 空穴是少数载流子。,第1章 1.1,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,空穴,2. P型半导体,在硅或锗的晶体中 掺入少量的三价元 素,如硼,则形成P 型 半导体。,+4,第1章 1.1,P 型半导体结构示意图,第1章 1.1,P 区,N 区,1.2.1 PN 结的形成,用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上,形成 P型半导体区域 和 N型半导体区域,在这两个区域的交界处就形成了一个PN 结。,1.2 PN 结,第1章 1.2,多子扩散,少子漂移,内电场方向,空间电荷区,P 区,N 区,在一定的条件下，多子扩散与少子漂移达到动态平衡， 空间电荷区的宽度基本上稳定下来。,第1章 1.2,内电场方向,R,1.2.2 PN 结的单向导电性,P 区,N 区,外电场驱使P区的空穴进入空间 电荷区抵消一部分负空间电荷,N区电子进入空间电荷区 抵消一部分正空间电荷,扩散运动增强，形 成较大的正向电流,1. 外加正向电压,第1章 1.2,P 区,N 区,内电场方向,R,2. 外加反向电压,外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走,少数载流子越过PN结形成很小的反向电流,多数载流子的扩散运动难于进行,第1章 1.2,1.2.3 PN结电容,PN结电容,势垒电容,扩散电容,1. 势垒电容,PN结中空间电荷的数量随外加电压变化所形 成的电容称为势垒电容，用 Cb 来表示。势垒电 容不是常数，与PN结的面积、空间电荷区的宽度 和外加电压的大小有关。,载流子在扩散过程中积累的电荷量随外加电压变化所形成的电容称为扩散电容，用 Cd 与来示。 PN正偏时，扩散电容较大，反偏时，扩散电容可以忽略不计。,2. 扩散电容,第1章 1.2,点接触型二极管,1.3.1 二极管的结构和符号,1.3 半导体二极管,第1章 1.3,D,600,400,200, 0.1, 0.2,0,0.4,0.8,50,100,I / mA,U / V,正向特性,反向击 穿特性,硅管的伏安特性,1.3.2 二极管的伏安特性,第1章 1.3,温度的 电压当量,1.3.3 二极管的主要参数,1. 最大整流电流IOM,2. 反向工作峰值电压URM,3. 反向峰值电流IRM,例1：下图中，已知VA=3V， VB=0V， DA 、DB为锗管， 求输出端Y的电位并说明二极管的作用。,解： DA优先导通，则,VY=30.3=2.7V,DA导通后, DB因反偏而截止, 起隔离作用, DA起钳位作用, 将Y端的电位钳制在+2.7V。,二极管的应用范围很广,它可用与整流、检波、限幅、 元件保护以及在数字电路中作为开关元件。,第1章 1.3,例2：二极管：死区电压=0 .5V，正向压降 0.7V(硅二极管) 理想二极管：死区电压=0 ，正向压降=0,二极管半波整流,D,E 3V,R,ui,uo,uR,uD,例3：下图是二极管限幅电路，D为理想二极管，ui = 6 sin t V, E= 3V,试画出 uo波形 。, t, t,ui / V,uo /V,6,0,0,2,第1章 1.3, t,6,0,2,例4：双向限幅电路, t,0,D,E 3V,R,D,E 3V,第1章 1.3,ui,uo,uR,uD,ui / V,uo /V,1.4 稳压管,IF,UF,0,伏安特性,稳压管是一种特殊的 面接触型半导体二极管。,第1章 1.4,0,稳压管的主要参数,2. 最小稳定电流 Imin,3. 最大稳定电流 IZmax,4. 动态电阻 RZ,IZ,UZ,5. 电压温度系数 VZT,6. 最大允许耗散功率PM,第1章 1.4,IF,UF,Imin,IZmax,例：稳压二极管的应用,稳压二极管技术数据为：稳压值UZW=10V，Izmax=12mA，Izmin=2mA，负载电阻RL=2k，输入电压ui=12V，限流电阻R=200 。若负载电阻变化范围为1.5 k 4 k ，是否还能稳压？,UZW=10V ui=12V R=200 Izmax=12mA Izmin=2mA RL=2k (1.5 k 4 k),iL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5（mA） i= （ui - UZ）/R=（12-10）/0.2=10 （mA） iZ = i - iL=10-5=5 （mA） RL=1.5 k , iL=10/1.5=6.7(mA), iZ =10-6.7=3.3（mA） RL=4 k , iL=10/4=2.5(mA), iZ =10-2.5=7.5（mA）,光电二极管,反向电流随光照强度的增加而上升。,发光二极管,有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。,N型硅,N+,P型硅,1.5.1 半导体三极管的结构,（a） 平面型,1. 5 半导体三极管,第1章 1.5,1. NPN 型三极管,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,N,N,集电极C,基极B,发射极E,三极管的结构 分类和符号,P,第1章 1.5,T,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,C,B,E,N,集电极C,发射极E,基极B,N,P,P,N,2. PNP型三极管,第1章 1.5,T,EC,RC,IC,UCE,C,E,B,UBE,共发射极接法放大电路,1.5.2 三极管的电流控制作用,三极管具有电流控 制作用的外部条件 :,（1）发射结正向偏置；,（2）集电结反向偏置。,对于NPN型三极管应满足: UBE 0 UBC VB VE,对于PNP型三极管应满足: UEB 0 UCB 0 即 VC VB VE,公 共 端,第1章 1.5,EB,RB,IB,IC,