第四章 半导体二极管和晶体管

第四章半导体二极管和晶体管教学目标本章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。

1.掌握基本概念、基本电路、基本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。

教学内容1、半导体基础知识2、PN结特性3、晶体管教学重点与难点1、PN结的单向导电性、伏安特性2、二极管的伏安特性及主要参数3、三极管放大、饱和、截止三种模式的工作条件和性能特点一、电子技术的发展电子技术的发展很大程度上反映在元器件的发展上。

电子管→半导体管→集成电路半导体元器件的发展：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、模拟电路模拟电路是对模拟信号进行处理的电路。

最基本的处理是对信号的放大，有功能和性能各异的放大电路。

模拟电路多以放大电路为基础。

3、数字电路数字电路主要研究数字信号的存储、变换等内容，其主要包括门电路、组合数字电路、触发器、时序数字电路等。

数字电路的发展与模拟电路一样经历了由电子管、半导体分立器件到集成电路等几个时代。

但其发展比模拟电路发展的更快。

三、电子信息系统的组成四、模拟电子技术基础课的特点1、工程性实际工程需要证明其可行性。

强调定性分析。

实际工程在满足基本性能指标的前提下总是容许存在一定的误差范围的。

定量分析为“估算”。

近似分析要“合理”。

抓主要矛盾和矛盾的主要方面。

电子电路归根结底是电路。

不同条件下构造不同模型。

2. 实践性常用电子仪器的使用方法电子电路的测试方法故障的判断与排除方法EDA软件的应用方法4.1 半导体基础知识4.1.1 本征半导体1、本征半导体导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。

导体－－铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。

绝缘体－－惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。

半导体－－硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。

本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。

本征半导体导电性：与杂质浓度和温度有关在绝对零度(-273℃)和没有外界影响时，所有价电子都被束缚在共价键内，晶体中没有自由电子，所以半导体不能导电。

晶体中无载流子。

2、本征半导体的结构由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。

一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。

3、本征半导体中的两种载流子电子、空穴对产生、复合，维持动态平衡。

对应的电子、空穴浓度称为本征载流子浓度。

外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。

由于数目很少，故导电性很差。

温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。

热力学温度0K时不导电。

4.1.2、杂质半导体杂质半导体主要靠多数载流子导电。

掺入杂质越多，多数载流子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。

1. N型半导体在N型半导体中，自由电子为多子，空穴为少子，主要靠自由电子导电，掺入的杂质越多，多子（自由电子）的浓度就越高，导电性能就越强。

多数载流子磷（P）施主杂2、N型半导体P型半导体主要靠空穴导电，自由电子为少子，空穴为多子，主要靠空穴导电，入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强，4.1.3 PN 结的形成及其单向导电性1、漂移电流(Drift Current)在电场作用下，半导体中的载流子作定向飘移运动而形成的电流。

p n I I I +=，I n 电子电流，I p 空穴电流多数载流子硼（B ） 受主杂2 扩散电流(Diffusion Current)主要取决于该处载流子浓度差（即浓度梯度）。

浓度差越大，扩散电流越大，而与该处的浓度值无关。

PN 结的形成由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。

内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N 区运动。

参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了PN结。

即扩散过去多少多子，就有多少少子漂移过来。

PN 结的单向导电性PN结加正向电压导通：耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，PN结处于导通状态。

)1(/-⋅=T U u se I i 1554/>>≈≈e e TU u PN 结电流方程U T 是热力学温度的电压当量， U T =kT/q =26mvPN 结电流方程讨论➢ 当u=100mV 时，➢ 当u 比U T 大几倍时，成指数变化。

➢ 当u <0 时,且|u |比U T 大几倍时PN 结的击穿特性当反向电压超过 U ( BR ) 后， |u | 稍有增加时，反向电流急剧增大，这种现象称为PN 结反向击穿(Breakdown)。

PN 结的电容效应 1. 势垒电容PN 结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容C b 。

2. 扩散电容PN 结外加的正向电压变化时，PN 结两侧靠近空间电荷区的区域内，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容C d 。

结电容：TU u s s e I i /⋅≈s s I i -≈db j C C C +=4.2 二极管1、二极管的组成：将PN 结封装，引出两个电极，就构成了二极管。

二极管的伏安特性及电流方程：单向导电性、伏安特性受温度影响 二极管的反向击穿：电击穿、热击穿电击穿：二极管两端反向电压加到一定数值时，反向电流急剧增大，为反向击穿，可恢复。

有齐纳击穿和雪崩击穿。

热击穿：二极管遭破坏。

二极管的等效电路及其应用：应根据不同情况选择不同的等效电路！晶体二极管电路的应用 2、稳压管稳压电路主要参数稳定电压U Z ：击穿后流过管子的电流为规定值时，管子两端的电压值。

额定功耗P Z ：由管子升温所限定的参数，使用时不允许超过此值。

稳定电流I Z = P Z / U Z ：动态电阻r Z ：在击穿状态下，两端电压变化量与其电流变化量的比值。

温度系数α :表示单位温度变化引起稳压值的相对变化量。

mV)26( )1e(T S T=-=U I i U u 常温下4.3 晶体三级管BJT：Bipolar Junction Transistor——双极型晶体管——（晶体三极管、半导体三极管）﹡双极型器件两种载流子（多子、少子）一、晶体管的结构及其类型NPN管的原理结构示意图电路符号晶体管的结构符号中发射极上的箭头方向，表示发射结正偏时电流的流向。

PNP型三极管的原理结构电路符号集电极极集电结集电区c b cN＋衬底N型外延PN＋SiO2绝缘层集电结基区发射区发射结集电区N平面管结构剖面图结构特点1、三区两结2、基区很薄3、e区重掺杂c区轻掺杂b区掺杂最轻4、集电区的面积则比发射区做得大，这是三极管实现电流放大的内部条件。

二、晶体管的电流分配与放大作用1、放大状态下晶体管中载流子的运动BJT 处于放大状态的条件：内部条件：发射区重掺杂(故管子e、c极不能互换)；基区很薄(几个 m)；集电结面积大外部条件：发射结正偏；集电结反偏NPN型晶体管的电流关系外加偏置电压要求对NPN管U C ＞U B＞U E 对NPN管U E＞U B ＞U C2、电流分配关系I EP :基区向发射区扩散所形成的空穴电流(很小) I CBO 集电区与基区之间的漂移运动所形成的电流(很小) 晶体管的主要功能：电流控制（基极电流控制集电极电流） 电流放大（放大的比例关系一定） 3、直流电流放大系数bc e I BI C I ECI B I E I +=C BI I β=β200~20=β共射极直流电流放大系数三、晶体管的特性曲线晶体管特性曲线：描述晶体管各极电流与极间电压关系的曲线。

1、共射极输入特性曲线它是指一定集电极和发射极电压U CE下，三极管的基极电流I B 与发射结电压U BE之间的关系曲线。

U CE=0时，e与c短路，发射结与集电结并联，特性类似PN 结。

U CE增大时，曲线右移。

2、共射极输出特性曲线i B/¦ÌAu BE/60900.50.70.930U CE＝0U CE≥1共射组态晶体管的输出特性：它是指一定基极电流I B 下，三极管的输出回路集电极电流I C 与集电结电压U CE 之间的关系曲线。

放大区：★发射结正向偏置， 集电结反向偏置u CE >u BE ，u BE >U on 1、基极电流 i B 对集电极电流 i C 的控制作用很强 2、u CE 变化时, i C 影响很小（恒流特性）即： i C 仅取决于i B ，与输出环路的外电路无关。

饱和区：★发射结和集电结均正向偏置。

临界饱和：u CE =u BE ，u CB =0(集电结零偏)1、i B 一定时，i C 比放大时要小；三极管的电流放大能力下降，通常有i C <βi B2、u CE 一定时i B 增大，i C 基本不变3、三极管的集电极和发射极近似短接，三极管类似于一个开关“导通”。

截止区：★发射结和集电结均反向偏置饱和区i B =-i CBO（此时i E =0 ）以下称为截止区。

工程上认为：i B =0 以下即为截止区。

※若不计穿透电流I CEO，有i B、i C近似为0；三个电极的电流都很小，三极管类似于一个开关“断开”。

四、晶体管的主要参数一、电流放大系数1、共射直流放大倍数2、共射交流放大倍数BCII =βBCii∆∆=β第五章基本放大电路教学目标本章课程通过对晶体管特性的学习，掌握基本放大电路的工作特性曲线，熟悉对晶体管共射极输出特性曲线的三个区域。

熟悉放大电路的性能指标、基本放大电路的组长原则。

掌握对基本放大电路的分析。

教学内容1、晶体三极管基础知识2、晶体三极管的放大作用、共射特性及极限参数3、三极管的微变等效电路4、晶体管放大电路的三种接法5、多级放大电路6、差分放大电路7、功率放大电路8、集成运算放大器教学重点与难点1、三极管放大状态下的电流分配关系式2、三极管放大、饱和、截止三种模式的工作条件和性能特点3、利用估算法求晶体工作点、判断三极管工作状态4、有关非线性失真的概念及U OMAX的计算5、利用微变等效电路分析放大电路动态性能指标，三种放大电路的性能特点5.1 放大电路的组成5.1.1 放大电路概述5.1.2. 基本共射极放大电路静止状态（静态）：u i =0时，电路中各处的电压、电流都是不变的直流。