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1、(1-1),第1章 双极型半导体器件,龚淑秋 制作,(1-2),第1章 双极型半导体器件,1.2半导体二极管,1.3 半导体三极管,1.1 半导体的基本知识,(1-3),按照原理，我们可以把电子技术的应用分为利用电能和利用电信号俩大类。我们分别讨论一下俩类各有什么用电器。按照用途可以分为照明、加热、通信、测量、报警等等。,1、以电流来说，方向和大小始终不变的叫做直流电；方向和大小周期性变化的叫交流电。生活中有哪些属于直流电和交流电？（示波器演示）2、一般的，利用电能工作的电路电流和电压比较大，叫强电；利用电信号的电流和电压比较小，叫弱电；在工业和远距离输电时往往用到高压电。3、电信号连续变化的
2、叫模拟电路；不连续变化的叫数字电路。（用示波器演示，并出示相应的集成电路）4、直流电、交流电、强电、弱电、高压电、数字电路和模拟电路往往有不同的用途，谁能举几个例子？,电池直流电；市电交流电。直流充电、电镀；交流日光灯照明、高炉炼铁；强电利用电能；弱电利用电信号；高压电远距离输电。模拟传统电路；数字现代通信、计算机。,(1-4),不同的电信号之间可以相互转化：充电器、稳压电路交变直；振荡电路直变交；变压器改变电压（交流）；分压电路改变电压（直流）；模数转换（AD）模变数；数模转换（DA）数变模；,1904-电子管，在真空中对电子流控制1944-第一台电子计算机 英国-科洛萨斯1947-第一个晶
3、体管-半导体时代,(1-5),第一台电子计算机 1944年,“科洛萨斯”计算机呈长方体状，长49米，宽18米，高 23米，重约4吨。它的主体结构是两排机架，上面安装了2500个大小形状如同电灯泡的电子管。它利用打孔纸带输入信息，由自动打字机输出运算结果，每秒可处理5000个字符。它的耗电量为4500瓦。,(1-6),老IBM推出的286电脑，中国计算机发展公司(长城电脑前身)于1986年推出了国内第一台微型计算机,(1-7),自从1904年,世界上第一个电子管发明以来,人类历史就进入了一个以电子技术发展为标志的历史时代.1947年晶体管诞 标志着人类历史开始进入了半导体时代;七十年代集成电路诞
4、生-微电子时代;八十年代微处理器诞生-进入了数字技术时代;九十年代PC个人电脑诞生-数字化时代;二十世纪第五代微处理器互联网诞生-进入了电子智能化与信息化时代.世界上每一次电子技术的进步都会牵动着我国人民的心,但由于国家技术太落后,新中国成立以闭关自守,被西方进行技术封锁,很少与外界接触和交流,国外电子技术开始飞速发展的七十年代,我国正在进行文化大革命,使得电子技术发展几乎停滞不前.上个世纪六,七十年代,无人不知道熊猫牌和上海牌,飞乐牌,红灯牌,美多牌收音机,这是中国人当时最值得骄傲的东西,这是南京无线电厂和上海无线电厂为我国人民的自力更生精神生产出最争气的产品.南京无线电厂的前身是民国时代留
5、下来的一个无线电通信器材修理厂,而上海无线电厂的前身是美国人留下来的亚美电子仪器厂,我国的电子工业一开始的时候就是从这两个电子企业不断地拷贝分离壮大起来的,他们不但为我国的电子工业开创了一个新的历史时代,还为我国的电子工业培养了一大批技术人才和管理干部,电子工业部成立之初大部分管理干部都与这两个企业有过千丝万缕的关系,这是最值得中国人自豪的事情.到了八十年代末,文化大革命结束,国人一觉醒来,开始发现与国外差距,差距不断拉大.开始提出改革开放，引进国外先进技术,我国二十几年来电子技术领域所取得的巨大成就,就是从改革开放开始的.,(1-8),1.1.1 半导体,导体：自然界中很容易导电的物质称为导
6、体，金属一般都是导体，如铁、铜、铝等。,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,半导体的导电机理不同于其它物质，其特点：,当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。,往纯净半导体中掺入某些杂质，会使其导电能力明显改变。,1.1 半导体的基本知识,(1-9),1.1.2 本征半导体,绝对零度以下，本征半导体中无活跃载流子，不导电,常用的半导体是硅和锗，外层电子（价电子）均4个。,本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。,形成共价键后，最外层电子是8个，构成
7、稳定结构,共价键结构,束缚电子,(1-10),杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。,P 型半导体：在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼(或 铟)而形成，也称为（空穴半导体）。,N 型半导体：在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑）而形成。也称为（电子半导体）。,多余电子,磷原子,N 型半导体中的载流子是什么？,自由电子为多数载流子（多子）空穴称为少数载流子（少子）,自由电子为多子,空穴是多子,多子和少子的移动都能形成电流。起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等,(1-11),P型半导体,N
8、型半导体,扩散使空间电荷区逐渐加宽,内电场越强，漂移运动越强，漂移使空间电荷区变薄。,空间电荷区，也称耗尽层。,1.1.4 PN 结,PN 结的形成,扩散和漂移运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变,(1-12),PN结的单向导电性,PN 结外加正向电压：P 区接正、N 区接负电压,PN 结加上反向电压：P区加负、N 区加正电压,变薄,结论：P N 结导通,变厚,结论：P N 结截止,(1-13),1.2 半导体二极管,1、基本结构,PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。,点接触型,面接触型,二极管电路符号,1.2,2、伏安特性,U,I,死区电压 硅管0
9、.5V,锗管0.1V,导通压降:硅管约0.7V锗管约0.3V,反向击穿电压UR,VD,(1-14),3、主要参数,1.最大整流电流 IFM,二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流,2.最大反向工作电压URM,指管子运行时允许承受的最大反向电压，是反向击穿电压UBR的一半。,3.反向电流 IR,指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。其值越小越好。温度越高反向电流越大。硅管的较小，锗管的要比硅管大几十到几百倍。,以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。,1.2,(1-15),4.直流电阻 RD,uD,rD 是二极管特性曲线上工作
10、点Q 附近电压的变化与电流的变化之比：,显然，rD是对Q附近的微小变化区域内的电阻,1.2,5.微变电阻 rD,二极管上电压与电流之比,正向几十欧-几千欧反向几十-几百千欧,(1-16),实际二极管：正向压降0.7V(硅二极管)理想二极管：正向压降=0。分析时，常把二极管看成理想的。,1.2.3 二极管的应用举例,仿真二极管半波整.EWBWEWB32.EXE流,二极管的应用举例1：二极管半波整流,应用举例,(1-17),二极管的应用2,应用举例,(1-18),习题1-2,哪些二极管是导通的?,VD截止,VD导通,VD导通,怎么来的？,应用举例,(1-19),习题1-3,画出u0波形,a,b,c
11、,d,应用举例,(1-20),1.2.4 硅稳压二极管,符号,稳压管是一种特殊的二极管，它专门工作在反向工作区,特性曲线,工作区,曲线越陡，电压越稳定,VS,稳压二极管的参数:,（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定 电流Izmax、Izmin,（5）最大允许功耗,（1）稳定电压 UZ,（2）电压温度系数U（%/）,稳压值受温度变化影响的的系数,（3）动态电阻,UZ,1.2,(1-21),稳压二极管的应用举例,1.2,1、已知ui=20V,UZ1=6V，求U0=？,分析：,稳压管反向击穿,解：,U0=6V,2、已知 ui=20V,UZ1=6V，UZ2=9V，求U0=？,答案：u0=6+9=15 V
12、,(1-22),1.发光二极管（LED),1.2.5 其他类型二极管,LED 是 Light Emitting Diode 的缩写,与普通二极管一样 由PN结构成 也具有单向导电性。由磷化镓（GaP）等半导体材料制成，能直接将电能转变成光能的发光显示器件。有正向电流流过时，发出一定波长范围的光。,(1-23),2 光电二极管,和普通二极管一样，也由一个PN结组成，具有单方向导电性。,1.2,不同之处是光电二极管的外壳上有一个透明的窗口以便接收光线照射，实现光电转换。是在反向电压作用下工作的，没有光照时，反向电流极其微弱，叫暗电流；有光照时，反向电流迅速增大，称为光电流。光的强度越大，反向电流也
13、越大。光的变化引起光电二极管电流变化，这就可以把光信号转换成电信号，成为光电传感器件。在电路中通过它把光信号转换成电信号。反向电流随光照强度的增加而上升。,1.2.5 其他类型二极管,(1-24),基本结构,基极,发射极,集电极,NPN型,集电极,基极,发射极,B,C,E,PNP型,1.3 半导体三极管,1.3,符号,(1-25),基区：较薄掺杂浓度低,集电区：面积较大,发射区：掺杂浓度较高,集电结,发射结,1.3.1.基本结构,1.3 半导体三极管,1.3,(1-26),RB,EB,1.3.2 工作原理,EC,集电结反偏,发射结正偏,发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE,IE,电子与
14、基区空穴复合形成IB,IB,穿过集电结形成IC,IC,三个极电流的关系为,IC与IB之比称为电流放大倍数,要使三极管能放大电流，必须使 发射结正偏，集电结反偏。,(1-27),1）输入特性,工作压降：硅管UBE0.7V 锗管UBE0.3V,死区电压，硅管0.5V，锗管0.1V。,1.3.3 特性曲线,1.3,(1-28),IC(mA),（放大区）满足IC=IB,当UCE大于一定的数值时，IC=IB,2）输出特性,1.3,1.3.3 特性曲线,(1-29),饱和区,截止区,放大区,有三个区,1.3,1.3.3 特性曲线,(1-30),例：=50，UCC=12V，RB=70k，RC=6k 当USB
15、=-2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？,当USB=-2V时：,IB=0，IC=0,IC 最大饱和电流：,Q位于截止区,1.3,(1-31),例：=50，UCC=12V，RB=70k，RC=6k 当USB=2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？,可知 Q位于放大区,USB=2V时,1.3,(1-32),USB=5V时:,例：=50，UCC=12V，RB=70k，RC=6k 当USB=5V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？,Q 位于饱和区，此时IC 和IB 已不是 倍的关系。,1.3,(1-33),直流电流放大倍数：,工作于动态的三极管，真正的信号是叠
16、加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为IB，相应集电极电流变化为IC，则交流电流放大倍数为,1)电流放大倍数 和,例：UCE=6V时：IB=40 A,IC=1.5 mA；IB=60 A,IC=2.3 mA,在以后的计算中，一般作近似处理：=,1.3,1.3.4 主要参数,(1-34),ICEO=（1+)ICBO,集-射穿透电流ICEO,ICEO受温度影响大，T-ICEO，IC也相应增加,集电结反向饱和电流ICBO,发射结开路,集电结反偏时由少子漂移形成的反向电流,受温度影响,2)极间反向电流,基极开路,从集电极穿透至发射极的电流,三极管的温度特性较差,1.3.4 主要参数,(1-35),集电
17、极最大允许功耗PCM,集电极电流IC 流过三极管，所发出的焦耳热为：,PC=iC uCE,必定导致结温上升所以PC有限制,PCPCM,ICUCE=PCM,安全工作区,集电极最大电流ICM,IC过大，会导致值下降，当降到正常值2/3时的IC即为ICM,反向击穿电压,3)极限参数,当C开路，B-E间反向击穿电压BUEBO，一般约5V,当E开路，C-B间反向击穿电压BUCBO，一般约几十伏以上,当B开路，C-E间反向击穿电压BUCEO，比BUCBO小些,1.3.4 主要参数,(1-36),测得工作在放大电路中几个三极管的三个电位如下图，判断他们是PNP型还是NPN型？是硅管还是锗管？同时确定三个电极,b,e,c,NPN 硅管,c,b,e,PNP锗管,c,e,b,PNP硅管,NPN锗管,b,e,c,(1-37),1-8 二极管为理想二极管，判断图中二极管的工作状态并求u0,共阴极接法的多个二极管，阳极电位高的导通，其它的截止,共阳极接法的多个二极管，阴极电位低的导通，其它的截止,VD1导通，VD2截止,VD2导通，VD1截止,0V,-12V,-3V,0V,u0=0V,u0=-3V,(1-38),
