常用半導(dǎo)體器件概要介紹
?非純理論性課程?實(shí)踐性很強(qiáng),定量計(jì)算多?以工程的觀點(diǎn)來處理電路中的一些問題,抓主要矛盾，忽略次要矛盾，采用工程近似的方法簡化實(shí)際問題，允許有一定的誤差（±10％工程誤差）是一門電氣類專業(yè)基礎(chǔ)課，為后續(xù)課程打基礎(chǔ)。特點(diǎn)：性質(zhì)：
基本放大電路差分放大電路集成運(yùn)算放大電路負(fù)反饋放大電路功率放大電路器件：放大電路：二極管三極管本課程的主要內(nèi)容：
本課程的任務(wù)1、掌握各種功能電路的組成原理及其性能特點(diǎn)，能夠?qū)σ话阈缘?、常用的電子電路進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)簡單的單元電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。2、掌握電子技術(shù)的基本理論、基本知識(shí)、基本技能，為后續(xù)課程打好基礎(chǔ)。
建立新概念。確立新的分析方法。重點(diǎn)在于課堂聽講。注重實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，先理論分析，后實(shí)踐，然后再對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行探討。認(rèn)真復(fù)習(xí)、練習(xí)。本課程的學(xué)習(xí)方法
4集成運(yùn)算放大電路2基本放大電路1常用半導(dǎo)體器件3多級(jí)放大電路5放大電路的頻率響應(yīng)6放大電路中的反饋7信號(hào)的運(yùn)算與處理電路8波形的發(fā)生和信號(hào)的轉(zhuǎn)換9功率放大電路10直流穩(wěn)壓電源
第一章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)1.1半導(dǎo)體基本知識(shí)1.2半導(dǎo)體二極管1.3半導(dǎo)體三極管1.4場效應(yīng)管1.5單結(jié)晶體管和晶閘管
1.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)在物理學(xué)中。根據(jù)材料的導(dǎo)電能力，可以將他們劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。典型的半導(dǎo)體是硅Si和鍺Ge，它們都是4價(jià)元素。硅原子鍺原子硅和鍺最外層軌道上的四個(gè)電子稱為價(jià)電子。
硅原子空間排列及共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖(a)硅晶體的空間排列(b)共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖(c)
本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)束縛電子在絕對(duì)溫度T=0K時(shí)，所有的價(jià)電子都緊緊束縛在共價(jià)鍵中，不會(huì)成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力接近絕緣體。一.本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體——化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體晶體。制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達(dá)到99.9999999%，常稱為“九個(gè)9”。物理結(jié)構(gòu)呈單晶體形態(tài)。
這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。當(dāng)溫度升高或受到光的照射時(shí)，束縛電子能量增高，有的電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導(dǎo)電，成為自由電子。自由電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子產(chǎn)生的同時(shí)，在其原來的共價(jià)鍵中就出現(xiàn)了一個(gè)空位，稱為空穴?？昭▌?dòng)畫演示1
電子空穴對(duì)的特點(diǎn)：（1）由本征激發(fā)成對(duì)產(chǎn)生由復(fù)合運(yùn)動(dòng)成對(duì)消失。（2）數(shù)量受溫度影響。（3）動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，濃度一定與本征激發(fā)相反的現(xiàn)象——復(fù)合常溫300K時(shí)：電子空穴對(duì)的濃度硅：鍺：自由電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴電子空穴對(duì)
自由電子：帶負(fù)電荷-逆電場運(yùn)動(dòng)-電子流+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子E＋－＋總電流載流子空穴：帶正電荷-順電場運(yùn)動(dòng)-空穴流本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性取決于外加能量：溫度變化，導(dǎo)電性變化；光照變化，導(dǎo)電性變化。導(dǎo)電機(jī)制：動(dòng)畫演示2
多余電子磷原子硅原子多數(shù)載流子——自由電子少數(shù)載流子——空穴++++++++++++N型半導(dǎo)體施主離子自由電子電子空穴對(duì)二.雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入微量特定元素的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。1.N型半導(dǎo)體（摻入五價(jià)雜質(zhì)元素，例如磷，砷等）
在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、鎵等?？昭ㄅ鹪庸柙佣鄶?shù)載流子——空穴少數(shù)載流子——自由電子－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體受主離子空穴電子空穴對(duì)2.P型半導(dǎo)體
雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意圖++++++++++++N型半導(dǎo)體多子—電子少子—空穴－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體多子—空穴少子—電子少子濃度——本征激發(fā)產(chǎn)生，與溫度有關(guān)多子濃度——摻雜產(chǎn)生，與溫度無關(guān)
摻入雜質(zhì)對(duì)本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下:T=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:n=p=1.4×1010/cm31本征硅的原子濃度:4.96×1022/cm332摻雜后N型半導(dǎo)體中的自由電子濃度:n=5×1016/cm3
內(nèi)電場E?因多子濃度差?形成內(nèi)電場?多子的擴(kuò)散?空間電荷區(qū)?阻止多子擴(kuò)散，促使少子漂移。PN結(jié)合空間電荷區(qū)多子擴(kuò)散電流少子漂移電流耗盡層三.PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?.PN結(jié)的形成
動(dòng)畫演示3少子漂移補(bǔ)充耗盡層失去的多子，耗盡層窄，E多子擴(kuò)散又失去多子，耗盡層寬，E內(nèi)電場E多子擴(kuò)散電流少子漂移電流耗盡層動(dòng)態(tài)平衡：擴(kuò)散電流＝漂移電流總電流＝0勢壘UO硅0.5V鍺0.1V
2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?1)加正向電壓（正偏）——電源正極接P區(qū)，負(fù)極接N區(qū)外電場的方向與內(nèi)電場方向相反。外電場削弱內(nèi)電場→耗盡層變窄→擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)＞漂移運(yùn)動(dòng)→多子擴(kuò)散形成正向電流IF正向電流動(dòng)畫演示4
(2)加反向電壓——電源正極接N區(qū)，負(fù)極接P區(qū)外電場的方向與內(nèi)電場方向相同。外電場加強(qiáng)內(nèi)電場→耗盡層變寬→漂移運(yùn)動(dòng)＞擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)→少子漂移形成反向電流IRPN在一定的溫度下，由本征激發(fā)產(chǎn)生的少子濃度是一定的，故IR基本上與外加反壓的大小無關(guān)，所以稱為反向飽和電流。但I(xiàn)R與溫度有關(guān)。動(dòng)畫演示5
PN結(jié)加正向電壓時(shí)，具有較大的正向擴(kuò)散電流，呈現(xiàn)低電阻，PN結(jié)導(dǎo)通；PN結(jié)加反向電壓時(shí)，具有很小的反向漂移電流，呈現(xiàn)高電阻，PN結(jié)截止。由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?3.PN結(jié)的伏安特性曲線及表達(dá)式根據(jù)理論推導(dǎo)，PN結(jié)的伏安特性曲線如圖正偏I(xiàn)F（多子擴(kuò)散）IR（少子漂移）反偏反向飽和電流反向擊穿電壓反向擊穿
※PN結(jié)的反向擊穿分類：電擊穿——可逆熱擊穿——燒壞PN結(jié)擊穿機(jī)理：擊穿效果：
根據(jù)理論分析：u為PN結(jié)兩端的電壓降i為流過PN結(jié)的電流IS為反向飽和電流UT=kT/q稱為溫度的電壓當(dāng)量其中k為玻耳茲曼常數(shù)1.38×10－23q為電子電荷量1.6×10－9T為熱力學(xué)溫度對(duì)于室溫（相當(dāng)T=300K）則有UT=26mV。當(dāng)u>0u>>UT時(shí)當(dāng)u<0|u|>>|UT|時(shí)
4.PN結(jié)的電容效應(yīng)當(dāng)外加電壓發(fā)生變化時(shí)，耗盡層的寬度要相應(yīng)地隨之改變，即PN結(jié)中存儲(chǔ)的電荷量要隨之變化，就像電容充放電一樣。(1)勢壘電容CB
(2)擴(kuò)散電容CD當(dāng)外加正向電壓不同時(shí)，PN結(jié)兩側(cè)堆積的少子的數(shù)量及濃度梯度也不同，這就相當(dāng)電容的充放電過程。電容效應(yīng)在交流信號(hào)作用下才會(huì)明顯表現(xiàn)出來極間電容（結(jié)電容）
1.2半導(dǎo)體二極管二極管=PN結(jié)+管殼+引線NP結(jié)構(gòu)：符號(hào)：陽極+陰極-
分類：(1)點(diǎn)接觸型二極管PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。
(3)平面型二極管用于集成電路制造工藝中。PN結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。(2)面接觸型二極管PN結(jié)面積大，用于低頻大電流整流電路。
半導(dǎo)體二極管的型號(hào)國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)半導(dǎo)體器件型號(hào)的命名舉例如下：2AP9用數(shù)字代表同類器件的不同規(guī)格。代表器件的類型，P為普通管，Z為整流管，K為開關(guān)管。代表器件的材料，A為N型Ge，B為P型Ge，C為N型Si，D為P型Si。2代表二極管，3代表三極管。
一、半導(dǎo)體二極管的V—A特性曲線硅：0.5V鍺：0.1V(1)正向特性導(dǎo)通壓降反向飽和電流(2)反向特性死區(qū)電壓擊穿電壓UBR實(shí)驗(yàn)曲線：uEiVmAuEiVuA鍺硅：0.7V鍺：0.3V
二、二極管的模型及近似分析計(jì)算例：IR10VE1kΩD—非線性器件iuRLC—線性器件
二極管的模型DU串聯(lián)電壓源模型UD二極管的導(dǎo)通壓降。硅管0.7V；鍺管0.3V。理想二極管模型正偏反偏導(dǎo)通壓降二極管的V—A特性
二極管的近似分析計(jì)算：IR10VE1kΩIR10VE1kΩ例：串聯(lián)電壓源模型測量值9.32mA相對(duì)誤差理想二極管模型RI10VE1kΩ相對(duì)誤差0.7V
例：二極管構(gòu)成的限幅電路如圖所示，R＝1kΩ，UREF=2V，輸入信號(hào)為ui。(1)若ui為4V的直流信號(hào)，分別采用理想二極管模型、理想二極管串聯(lián)電壓源模型計(jì)算電流I和輸出電壓uo解：（1）采用理想模型分析。采用理想二極管串聯(lián)電壓源模型分析。
（2）如果ui為幅度±4V的交流三角波，波形如圖（b）所示，分別采用理想二極管模型和理想二極管串聯(lián)電壓源模型分析電路并畫出相應(yīng)的輸出電壓波形。解：①采用理想二極管模型分析。波形如圖所示。0-4V4Vuit2V2Vuot
02.7Vuot0-4V4Vuit2.7V②采用理想二極管串聯(lián)電壓源模型分析，波形如圖所示。
三、二極管的主要參數(shù)(1)最大整流電流IF——二極管長期連續(xù)工作時(shí)，允許通過二極管的最大整流電流的平均值。(2)反向擊穿電壓UBR———二極管反向電流急劇增加時(shí)對(duì)應(yīng)的反向電壓值稱為反向擊穿電壓UBR。(3)反向電流IR——在室溫下，在規(guī)定的反向電壓下的反向電流值。硅二極管的反向電流一般在納安(nA)級(jí)；鍺二極管在微安(?A)級(jí)。
當(dāng)穩(wěn)壓二極管工作在反向擊穿狀態(tài)下,工作電流IZ在Izmax和Izmin之間變化時(shí),其兩端電壓近似為常數(shù)穩(wěn)定電壓四、穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓管是工作在反向擊穿區(qū)的特殊二極管（面結(jié)型、硅、高摻雜）正向同二極管反偏電壓≥UZ反向擊穿＋UZ－限流電阻
穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)(1)穩(wěn)定電壓UZ——(2)動(dòng)態(tài)電阻rZ——在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對(duì)應(yīng)的反向工作電壓。rZ=?U/?IrZ愈小，反映穩(wěn)壓管的擊穿特性愈陡。(3)最小穩(wěn)定工作電流IZmin——保證穩(wěn)壓管擊穿所對(duì)應(yīng)的電流，若IZ＜IZmin則不能穩(wěn)壓。(4)最大穩(wěn)定工作電流IZmax——超過Izmax穩(wěn)壓管會(huì)因功耗過大而燒壞。
特殊二極管：1、變?nèi)荻O管：利用其結(jié)電容效應(yīng)，其電容量與本身結(jié)構(gòu)、工藝、外加反向電壓有關(guān)，隨外加反向電壓增大而減少。C：5－300pF，Cmax：Cmin=5：1高頻技術(shù)（調(diào)諧、調(diào)制等）應(yīng)用較多2、光電二極管：需光照、反偏壓、其反向電流與光照度成正比。用于光測量，將光信號(hào)－－電信號(hào)，光電傳感器、遙控、報(bào)警電路中。3、發(fā)光二極管：正偏壓（1－2.5V），發(fā)光顏色與所用材料有關(guān)。常作為顯示器件、電光轉(zhuǎn)換器件與光電二極管合用于光電傳輸系統(tǒng)。4、激光二極管：產(chǎn)生相干的單色光信號(hào)（紅外線），利于光纜有效傳輸。用于小功率的光電設(shè)備，如光驅(qū)、激光打印頭。
1.3雙極型三極管半導(dǎo)體雙極型三極管，俗稱晶體三極管。由于工作時(shí)，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子都參與運(yùn)行，因此，被稱為雙極型晶體管（BipolarJunctionTransistor,簡稱BJT）。BJT是由兩個(gè)PN結(jié)組成的。
一.BJT的結(jié)構(gòu)NPN型PNP型符號(hào):三極管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn):（1）發(fā)射區(qū)的摻雜濃度＞＞集電區(qū)摻雜濃度。（2）基區(qū)要制造得很薄且濃度很低。--NNP發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié)集電結(jié)ecb發(fā)射極集電極基極--PPN發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié)集電結(jié)ecb發(fā)射極集電極基極---ecb---ecb
二．BJT的內(nèi)部工作原理（NPN管）若在放大工作態(tài)：發(fā)射結(jié)正偏：+UCE－＋UBE－＋UCB－集電結(jié)反偏：由VBB保證由VCC、VBB保證UCB=UCE-UBE>0共發(fā)射極接法c區(qū)b區(qū)e區(qū)三極管在工作時(shí)要加上適當(dāng)?shù)闹绷髌秒妷骸?1．BJT內(nèi)部的載流子傳輸過程（1）因?yàn)榘l(fā)射結(jié)正偏，所以發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子，形成了擴(kuò)散電流IEN。同時(shí)從基區(qū)向發(fā)射區(qū)也有空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形成的電流為IEP。但其數(shù)量小，可忽略。所以發(fā)射極電流IE≈IEN。（2）發(fā)射區(qū)的電子注入基區(qū)后，變成了少數(shù)載流子。少部分遇到的空穴復(fù)合掉，形成IBN。所以基極電流IB≈IBN。大部分到達(dá)了集電區(qū)的邊緣。
另外，集電結(jié)區(qū)的少子形成漂移電流ICBO。（3）因?yàn)榧娊Y(jié)反偏，收集擴(kuò)散到集電區(qū)邊緣的電子，形成電流ICN。
2．電流分配關(guān)系IE=IC+IB定義：(1)IC與IE之間的關(guān)系:所以:其值的大小約為0.9～0.99。三個(gè)電極上的電流關(guān)系:
(2)IC與IB之間的關(guān)系：聯(lián)立以下兩式：得：所以：得：令：
（1）uCE=0V時(shí)，相當(dāng)于兩個(gè)PN結(jié)并聯(lián)。三.BJT的特性曲線（共發(fā)射極接法）(1)輸入特性曲線iB=f(uBE)?uCE=const（3）uCE≥1V再增加時(shí)，曲線右移很不明顯。（2）當(dāng)uCE=1V時(shí)，集電結(jié)已進(jìn)入反偏狀態(tài)，開始收集電子，所以基區(qū)復(fù)合減少，在同一uBE電壓下，iB減小。特性曲線將向右稍微移動(dòng)一些。死區(qū)電壓硅0.5V鍺0.1V導(dǎo)通壓降硅0.7V鍺0.2V
(2)輸出特性曲線iC=f(uCE)?iB=const（1）當(dāng)uCE=0V時(shí)，因集電極無收集作用，iC=0。（2）uCE↑→Ic↑。（3）當(dāng)uCE＞1V后，收集電子的能力足夠強(qiáng)。這時(shí)，發(fā)射到基區(qū)的電子都被集電極收集，形成iC。所以u(píng)CE再增加，iC基本保持不變。同理，可作出iB=其他值的曲線?，F(xiàn)以iB=60uA一條加以說明。
飽和區(qū)——iC受uCE顯著控制的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)uCE＜0.7V。此時(shí)發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)也正偏。截止區(qū)——iC接近零的區(qū)域，相當(dāng)iB=0的曲線的下方。此時(shí)，發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。放大區(qū)——曲線基本平行等距。此時(shí)，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。該區(qū)中有：飽和區(qū)放大區(qū)截止區(qū)輸出特性曲線可以分為三個(gè)區(qū)域:
四.BJT的主要參數(shù)（2）共基極電流放大系數(shù)：iCE△=20uA(mA)B=40uAICu=0(V)=80uAI△BBBIBiIBI=100uACBI=60uAi一般取20~200之間2.31.5（1）共發(fā)射極電流放大系數(shù)：1.電流放大系數(shù)
（2）集電極發(fā)射極間的穿透電流ICEO基極開路時(shí)，集電極到發(fā)射極間的電流——穿透電流。其大小與溫度有關(guān)。（1）集電極基極間反向飽和電流ICBO發(fā)射極開路時(shí)，在其集電結(jié)上加反向電壓，得到反向電流。它實(shí)際上就是一個(gè)PN結(jié)的反向電流。其大小與溫度有關(guān)。鍺管：ICBO為微安數(shù)量級(jí)，硅管：ICBO為納安數(shù)量級(jí)。++ICBOecbICEO2.極間反向電流
3.極限參數(shù)（1）集電極最大允許電流ICM（2）集電極最大允許功率損耗PCM集電極電流通過集電結(jié)時(shí)所產(chǎn)生的功耗，PC=ICUCEPCM
