第二部分第二部分 电子技术基础知识电子技术基础知识模块一 半导体二极管和三极管模块二 基本放大电路 模块三 集成运算放大器 模块四 直流稳压电路 模块五 数字逻辑电路 模块六 时序逻辑电路 模块七 555定时器及其应用 模块八 数模与模数转换电路 模块一 半导体二极管和三极管项目一 半导体基本知识 自然界中容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。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。 半导体具有独特的导电性能。它对温度和光的反应特别灵敏，当温度升高或光照时，它的导电能力会显著增加。特别是，如果在纯净的半导体中加入适量的微量杂质后，其导电能力可增加数十万倍以上。这些特性表明，半导体的导电能力在不同条件下有很大的差别，可以人为地加以控制，这就使半导体能够得以广泛地应用。 1.本征半导体本征半导体 半导体中存在两种载流子：一种是带负电的自由电子,另一种是带正电的空穴。它们在外电场的作用下都有定向移动的效应，都能运载电荷形成电流通常称为载流子。金属导体内的载流子只有一种，就是自由电子，但数目很多，远远超过半导体中载流子的数量，所以金属导体的导电性能比半导体好。 本征半导体又称为纯净半导体，其内部空穴的数量和自由电子的数量相等。例如，硅单晶体、锗单晶体，就是纯净半导体。2.杂质半导体杂质半导体 本征半导体导电能力很差，但如果在本征半导体掺入微量的其他元素的原子，就会使其导电能力大大提高。这些微量元素的原子称为杂质。常用的杂质为三价和五价元素，如硼、磷等。掺入杂质后形成的半导体称为杂质半导体。根据掺入杂质的不同，杂质半导体有N型和P型两种。 （1）N型半导体 在纯净的硅（或锗）晶体中，掺入少量五价元素，如磷、砷等。由于空穴数量远少于自由电子数量，故自由电子被称为多数载流子（简称多子），空穴被称为少数载流子（简称少子）。这种杂质半导体主要以电子导电为主，称为电子半导体，简称N型半导体。 （2）P型半导体 在纯净的硅（或锗）晶体中，掺入少量三价元素，如硼、铝等，硼原子等。使半导体中出现大量空穴。由于空穴数量远多于自由电子的数量，故空穴被称为多数载流子，自由电子被称为少数载流子。这种杂质半导体主要靠空穴导电，称为空穴半导体，简称P型半导体。项目二 PN结1.PN结的形成结的形成 P型半导体和N型半导体结合在一起时，如图1-1所示。半导体内的载流子发生扩散：结果是在N区留下带正电的离子（图中用表示），而P区留下带负电的离子（图中用表示），它们集中在交界面两侧形成一个很薄的空间电荷区，在就是PN结。2.PN结的单向导电性结的单向导电性（1）PN结外加正向电压 如图1-2所示，电源的正极接P区，负极接N区。这种接法叫做给PN结外加正向电压，又叫正向偏置，简称正偏。这时外加电压在耗尽层中建立的外电场与内电场方向相反，削弱了内电场，使空间电荷区变窄，使多数载流子的扩散运动大于少数载流子漂移的运动。在电源的作用下，多数载流子就能越过空间电荷区形成较大的扩散电流。这个电流从电源的正极流入P区，经过PN结由N区流回电源的负极，称为正向电流。PN结处于导通（导电）状态，此时PN结呈现的电阻称为正向电阻。由于多数载流子浓度较大，当外加电压不太高时就可以形成很大的正向电流，所以PN结的正向电阻较小。 （2）PN结外加反向电压 如图1-3所示，电源的正极接N区，负极接P区。这种接法叫做给PN结外加反向电压，又叫反向偏置，简称反偏。这时外加电压在耗尽层中建立的外电场与内电场方向一致，增强了内电场，使空间电荷区加宽，多数载流子的扩散运动难于进行，但有利于少数载流子漂移的运动。在外电场的作用下，N区的少数载流子空穴越过PN结进入P区，P区的少数载流子自由电子越过PN结进入N区，形成了漂移电流，这个电流由N区流向P区，故称为反向电流。由于少数载流子浓度很小，即使它们全部漂移，其反向电流还是很小的，PN结基本上可认为不导电，处于截止状态。此时的电阻称为反向电阻，它的数值很大。 由上述分析可知，PN结加正向电压时处于导通状态，PN结加反向电压时处于截止状态，在就是PN结的单向导电性。 项目三项目三 半导体二极管半导体二极管 半导体二极管（简称二极管）是由一个PN结加上电极引线和管壳构成的。表示符号如图1-4所示。 半导体二极管按结构可分为点接触型和面接触型两类。 （1）点接触型：其特点是PN结面积很小，因而结电容很小，其高频性能好，但不能通过大电流，主要用于高频检波和小电流的整流等。 （2）面接触型：其特点是PN结面积大，因而结电容大，不适应工作在高频，只能在低频工作，但允许通过较大电流，主要用于整流电路。 半导体二极管按所用材料的不同又可分为硅二极管（如2CP型）和锗二极管（如2AP型）两种。 2.伏安特性伏安特性 二极管的伏安特性是指加到二极管两端的电压和通过二极管的电流之间的关系曲线。可通过实验测出，如图1-5所示。可以看出，二极管的伏安特性是非线性的，正反向导电性能差异很大。 （1）正向特性 正向特性起始部分的电流几乎为零。这是因为外加正向电压较小，外电场还不足以克服内电场对多数载流子扩散运动的阻力，二极管呈现较大的电阻所造成的。当正向电压超过某一值后，正向电流增长得很快，称为正向导通，该电压值称为死区电压。其大小与材料和温度有关，通常，硅管的死区电压约为0.5伏，锗管约为0.1伏。正向导通时，硅管的压降约为0.6-0.8伏，锗管的压降约为0.2-0.3伏。理想二极管可近似认为正向电阻为零。 （2）反向特性 当外加反向电压时，由于少数载流子的漂移运动，形成很小的反向电流。它有两个特点：一是随温度的上升增加很快；二是反向电压在一定的范围内变化，反向电流基本不变。 当外加反向电压过高时，由于受到外加强电场的作用，载流子的数目会因为共价键中的部分价电子被自由电子碰击或被外加强电场拉出而急剧增加，造成反向电流急剧增加，二极管失去单向导电性，这种现象称为反向击穿。相应的反向电压称为反向击穿电压。二极管反向击穿一般是可逆的，但反向电流超过允许值，发生热击穿时会损坏。 3.主要参数主要参数 描述二极管特性的物理量，称为二极管的参数。它是表示二极管的性能及适用范围的数据，是正确选择和使用二极管的重要依据。二极管的主要参数有： （1）最大整流电流IFM IFM是指二极管长期运行时允许通过的最大正向平均电流。它是由PN结的结面积和外界散热条件决定的。当电流超过允许值时，容易造成PN结过热而烧坏管子。 （2）最大反向工作电压URM URM是指二极管在使用所允许加的最大反向电压。超过此值时二极管就有可能发生反向击穿。通常取反向击穿电压的一半值作为URM。 （3）最大反向电流IRM IRM是指在给二极管加最大反向工作电压时的反向电流值。IRM越小,说明二极管的单向导电性越好，此值受温度的影响较大。 4 4特殊二极管特殊二极管 （1）稳压管 稳压管是一种特殊的面接触型硅二极管。由于它在电路中与适当的电阻串联后，在一定的电流变化范围内，其两端的电压相对稳定，故称为稳压管。其表示符号和伏安特性如图1-8所示。 图1-8 稳压管 稳压管的伏安特性普通二极管的相似，不同的是反向特性曲线比较陡。稳压管正是工作在特性曲线的反向击穿区域。从特性曲线可以看出，在击穿状态下，流过管子的电流在一定的范围内变化，而管子两端的电压变化很小，利用这一点可以实现稳压。稳压管与一般二极管不一样，它的反向击穿是可逆的。但是当反向电流超过允许值时，稳压管将会发生热击穿而损坏。 稳压管的主要参数： 稳定电压UZ UZ指稳压管反向电流为规定值时，稳压管两端的反向电压。由于半导体器件参数的分散性，同一型号的稳压管，UZ的值也不完全相同，它一般是给出一个范围。但就某一管子而言，UZ应为确定值。 稳定电流IZ IZ是指稳压管在正常工作时的电流值，其中：IZmin为最小稳定电流，低于此值时稳压效果差，甚至失去稳压作用。IZmax为最大稳定电流，高于此值时稳压管易击穿而损坏。当稳压管的电流在IZmin与IZmax之间时稳压性能最好。 动态电阻RZ RZ定义为 RZ=UZ/IZ。对同一管子而言，RZ值越小，特性曲线就越陡，稳压性能就越好。只有当限流电阻R取值合适时，稳压管才能安全地工作在稳压状态。 （2 2）发光二极管）发光二极管 发光二极管是一种应用广泛的特殊二极管。发光的材料不是硅晶体或锗晶体，而是利用化合物如砷化镓、磷化镓等。在电路中，当有正向电流流过时，能发出一定波长范围的光。目前发光管可以发出从红外到可见波段的光。其电特性与普通二极管类似。使用时，通常需串接合适的限流电阻。（a）发光二极管 （b）光电二极管图1-10发光二极管和光电二极管 目前市场上有发红、黄、绿、蓝等单色光的发光二极管和变色二极管。其表示符号见图1-10（a）所示。 （3）光电二极管）光电二极管 光电二极管又称光敏二极管，是一种具有随光照强度的增加，其反向电流上升的电特性。其表示符号和伏安特性如图1-10（b）所示。 项目四 半导体三极管1. 基本结构基本结构 半导体三极管（简称三极管）又称为晶体管。其基本结构是由两个PN结组成。三极管有NPN和PNP型两种。其结构和表示符号如图1-11所示。 从图中可以看出，三极管有发射区、基区和集电区三个区，分别引出发射极e、基极b和集电极c。发射区和基区之间的PN结称为发射结，集电区和基区之间的PN结称为集电结。 为了保证三极管具有电流放大作用，三极管制造工艺的特点是：发射区是高浓度掺杂区，基区很薄且杂质浓度很低，集电结结面积大。2. 放大原理放大原理 图1-12所示是NPN型三极管的电路接线图。从基极经过发射极组成的回路称为输入电路，从集电极经过发射极组成的回路称为输出电路。由于发射极为两个电路的公共端，所以称为共发射极电路。正常工作在放大区时发射结加的是正向电压，称为正向偏置（正偏）；而集电结加的是反向电压，称为反向偏置（反偏）。 下面从分析载流子的运动状况来了解三极管的电流放大作用。 （1）发射区向基区发射电子（2）电子在基区扩散和复合（3）集电区收集电子 由图1-12可知，ICN代表从发射区注入到基区而扩散到集电区的电子流，IBN代表从发射区注入到基区被复合而形成的电子流。三极管制成后，ICN 与IBN的比例关系是确定的。由于基区很薄掺浓度很低，所以ICN IBN。故ICN 与IBN的比值是一个远大于1的常数，这个常数称之为共发射极直流电流放大系数，用 表示。 反映了基极电流与集电极电流的分配关系，也就是基极电流对集电极电流的控制关系。所以三极管是一个电流控制器件，当IB有较小的变化时，将会引起IC很大的变化。 综合上述，要使三极管能起正常的放大作用，发射结必须加正向偏置，集电结必须加反向偏置。对于PNP型三极管所接电源极性正好与NPN相反。3.特性曲线特性曲线 三极管的特性曲线是各电极电压与电流之间的关系曲线。它反映了三极管的外部性能，是分析放大电路的重要依据。特性曲线主要有输入特性曲线和输出特性曲线。这些特性曲线可用晶体管特性图示仪进行显示或通过实验测绘出来。图1-13是共发射极接法时的输入特性曲线和输出特性曲线的实验电路图。 （1）输入特性曲线 输入特性曲线是指当集射极电压UCE为一定值时，基极电流IB与基射极电压UBE之间的关系曲线。即 IB=f（UBE）UCE=常数 如图1-14所示。其特点是： 当UCE=0V时，集电极与发射极短接，相当于两个二极管并联，输入特性类似于二极管的正向伏安特性。 当0UCE1V时，集电结处于反向偏置，其吸引电子的能力加强，使得从发射区进入基区的电子更多地流向集电区，因此对应于相同的UBE流向集极的电流IB比原来UCE=0时减小了，特性曲线右移，如图1-14所示 实际上，对一般的NPN型硅管，当UCE1伏时，只要UBE保持不变，则从发射区发射到基区的电子数目一定，而集电结所加的反向电压大到1伏后，已能把这些电子中的绝大部分吸引到集电极，所以即使UCE再增加，IB也不会有明显的变化，因此UCE1伏以后的特性曲线基本上重合。 从图1-14可见，三极管的输入特性曲线和二极管的伏安特性曲线一样，也有一段死区。只有当发射结的外加电压大于死区电压时，三极管才会有基极电流IB。硅管的死区电压约为0.5伏,锗管约为0.10.2伏。在正常工作情况下，硅管的发射结电压UBE=0.60.7伏，锗管的发射结电压UBE=-0.2-0.3伏。 （2）输出特性曲线 输出特性曲线是指基极电流IB为一定值时，集电极电流IC与集射极电压UCE之间的关系曲线。即 IC =f（UCE）IB=常数 当IB为不同值时，可得到不同的特性曲线，所以三极管输出特性曲线是一族曲线，如图1-15所示。 图1-15 输出特性曲线 根据三极管的工作状态不同，输出的特性曲线可分为三个区域： 截止区 IB =0的曲线以下的区域称为截止区。这时集电结为反向偏置，发射结也为反向偏置，故IB0，IC0，此时集电极与发射极之间相当于一个开关的断开状态。 饱和区输出特性曲线的近似垂直上升部分与IC轴之间的区域称为饱和区。这时UCE PCM，这个范围称为过损耗区，在曲线的左下方ICUCE PCM，这个范围称为安全工作区。三极管应选在此区域内工作。 PCM值与环境温度和管子的散热条件有关，因此为了提高PCM值，常采用散热装置。