模拟电子技术基础 信息科学与工程学院·基础电子教研室

第一章 常用半导体器件 1.1 半导体基础知识 1.2 半导体二极管 1.3 双极型晶体管

第一章 常用半导体器件 内容提要 本章介绍了半导体的基本知识，然后阐述了三种常用半导体器件：半导体二极管、晶体管和场效应管的工作原理和基本特性。本着“管为路用”的原则，在了解其基本原理的基础上，重点掌握他们的外特性—基本应用。

1.1 半导体基础知识

1.1 半导体基础知识 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。

一、半导体 1.1.1 本征半导体 纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。 导电特性处于导体（低价元素构成）和绝缘体（高价元素构成）之间，称为半导体，如锗、硅等，均为四价元素。

共价键 价电子共有化，形成共价键的晶格结构

一、半导体 二、本征半导体的导电情况 1.1.1 本征半导体 纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。 金属导电是由于其内部有自由电子存在(载流子), 在外电场的作用下,自由电子定向移动,形成电流.

自由电子 空穴 半导体中有两种载流子:自由电子和空穴

+ - 在外电场作用下，电子的定向移动形成电流

+ - 在外电场作用下，空穴的定向移动形成电流

总结 1.本征半导体中载流子为电子和空穴; 2.电子和空穴成对出现,浓度相等; 3.由于热激发可产生电子和空穴,因此半导 体的导电性和温度有关,对温度很敏感。

1.1.2 杂质半导体 一、N型半导体 在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体。 1.1.2 杂质半导体 一、N型半导体 在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体。 电子----多子; 空穴----少子.

杂质半导体中，多子的浓度决定于掺杂原子的浓度； 1.1.2 杂质半导体 二、P型半导体 在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了P型半导体。 注意 杂质半导体中，多子的浓度决定于掺杂原子的浓度； 少子的浓度决定于温度。 空穴----多子; 电子----少子.

1.1.3 PN结 采用不同的掺杂工艺，将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交界面就形成PN结。PN结具有单向导电性。 一、PN结的形成 P区 N区

一、PN结的形成 在交界面，由于两种载流子的浓度差，出 现扩散运动。

一、PN结的形成 空间电荷区 耗尽层 在交界面，由于扩散运动,经过复合,出现空 间电荷区

一、PN结的形成 PN结 当扩散电流等于漂移电流时，达到动态 平衡，形成PN结。

总结 1.由于扩散运动形成空间电荷区和内电场; 2.内电场阻碍多子扩散，有利于少子漂移; 3.当扩散电流等于漂移电流时，达到动态 平衡，形成PN结。

二、PN结的单向导电性 1. PN结外加正向电压时处于导通状态 加正向电压是指P端加正电压，N端加负电压，也称正向接法或正向偏置。

内电场 外电场 外电场抵消内电场的作用，使耗尽层变 窄，形成较大的扩散电流。

2. PN结外加反向电压时处于截止状态 外电场和内电场的共同作用，使耗尽层变 宽，形成很小的漂移电流。

三、PN结的伏安特性 正向特性 反向特性 反向击穿 PN结的电流方程为 其中， IS 为反向饱和电流， UT≈26mV，

1.2 半导体二极管

1.2 半导体二极管 将PN结用外壳封装起来，并加上电极引线就构成了半导体二极管。由P区引出的电极为阳极（A） ，由N区引出的电极为阴极（ K ）。 P N 阳极 阴极 二极管的符号：

一、伏安特性 U I 死区电压 硅管0.6V,锗管0.2V。 导通压降: 硅管0.6~0.7V,锗管0.2~0.3V。 反向击穿电压UBR

环境温度升高时，二极管的正向特性曲线将左移，反向特性曲线下移。在室温附近,温度每升高1°C,正向压降减小2~2 环境温度升高时，二极管的正向特性曲线将左移，反向特性曲线下移。在室温附近,温度每升高1°C,正向压降减小2~2.5mV;温度每升高10°C，反向电流约增大1倍。二极管的特性对温度很敏感。

二、 二极管的主要参数 半导体的参数是对其特性和极限应用的定量描述， 是设计电路时选择器件的主要依据。 1.最大整流电流IF 二极管长期运行时允许通过的最大平均电流。 2.最高反向工作电压UR 二极管工作时允许加的最大反向电压，通常为击穿电压的一半。

三、二极管的等效电路 由于二极管的特性是非线性的，为了分析问题的简单、方便，可在特定情况下对其进行线性化处理，即用线性化的等效模型来代替二极管。 当二极管两端电压远小于与 之串联的元器件电压，流过 二极管的电流远小于与之并 联分支电流时，可将二极管 理想化。 认为：二极管正向导通，导 通电压为0，反向截止，截止 电流为0。

三、二极管的等效电路 当二极管两端电压超过导通电压时，认为二极管导通，导通电压为Uon,当二极管两端电压小与导通电压或者为负电压时，认为二极管截止,截止电流为0。

三、二极管的等效电路 △iD Q △uD

四、二极管的应用 【例1】画出二极管电路的输出波形（设UD=0）。 二极管整流 t u o i D u i ＋ － o R L EWB 仿真

【例2】画出二极管电路的输出波形（设UD=0.7V） 。 二极管限幅 0.7V EWB 仿真 0.7V -3V

分 析 【例3】电路如图所示，二极管的导通电压UD约为0.7V。试分别计算开关断开和闭合时输出电压的数值。 当开关断开时，二极管因加正向电压而处于( )状态，故输出电压为 导通

分 析 【例3】电路如图所示，二极管的导通电压UD约为0.7V。试分别计算开关断开和闭合时输出电压的数值。 当开关闭合时，二极管外加反向电压，因而（ ），故输出电压为 截止

【例4】写出图T1.3所示各电路的输出电压值，设二极管导通电压UD ＝0.7V。 UO1≈( )，UO2＝( )，UO3≈( )， UO4≈( )，UO5≈( )，UO6≈( ) 1.3V －1.3V 2V 1.3V －2V

五、 稳压二极管及应用 1. 稳压管的工作原理 稳压管的符号

2. 稳压管的主要参数 ①稳定电压UZ UZ是指击穿后在电流为规定值时，管子两端的电压值。 ②稳压电流IZ 于此值时，稳压二极管将失去稳压作用。 ③额定功耗PZM PZM 等于稳定电压UZ与最大稳定电流IZM （或 IZmax ） 的乘积。

3. 稳压管的稳压条件 必须工作在反向击穿状态； 流过稳压管的电流在IZ和IZM之间 。 注意！ 稳压管正向工作时和二极管的特性完全相同。

4. 稳压管的应用 【例1】典型应用电路： RL为负载电阻，R限流电阻 当UI变化时，由于稳压管的作用，输出UO不变。

【例2】已知稳压管的UZ=6V, 最小电流IZmin=5mA, 最大电流IZmax=25mA。 （1）分别计算UI为10V、15V、35V时输出UO的值。 （2）若UI为35V时负载开路，则会出现什么现象？ 解题思路 首先假设稳压管不工作（开路），求出其两端电压， 是否满足稳压条件①；然后假设稳压管工作（文雅）， 看其是否满足稳压条件②。

【例2】已知稳压管的UZ=6V, 最小电流IZmin=5mA, 最大电流IZmax=25mA。 （1）分别计算UI为10V、20V、35V时输出UO的值。 （2）若UI为35V时负载开路，则会出现什么现象？ 解：假设稳压管不工作 Uo’ UI为10V时 UO ’=RL/(RL+R)=3.33V ∵ UO ’ <UZ ∴稳压管不工作，UO=3.33V

【例2】已知稳压管的UZ=6V, 最小电流IZmin=5mA, 最大电流IZmax=25mA。 （1）分别计算UI为10V、20V、35V时输出UO的值。 （2）若UI为35V时负载开路，则会出现什么现象？ 解：假设稳压管不工作 UI为20V时 UO ’=RL/(RL+R)=6.7V UO ’ >UZ 假设稳压管工作 IR=(UI-UZ)/R=18mA IL=UZ/RL=12mA IDZ = IR- IL =6mA ∵ IZmin < IDZ < IZmax ∴ UO=6V

【例2】已知稳压管的UZ=6V, 最小电流IZmin=5mA, 最大电流IZmax=25mA。 （1）分别计算UI为10V、20V、35V时输出UO的值。 （2）若UI为35V时负载开路，则会出现什么现象？ UI为35V时,同理可求出 UO =6 V UI为35V时负载开路 UO ’ >UZ 假设稳压管工作 IR=(UI-UZ)/R=29mA IDZ = IR- IL =29mA ∵ IDZ > IZmax ∴稳压管将因功耗过大而损坏

【例3】两只稳压管的稳压值分别为5V和10V，正向 电压值？ 5V 15V 5.7V 10.7V 1.4V 0.7V

六、 特殊二极管 1. 光电二极管是一种将光能转换为电能的半导体器件，其结构与普通二极管相似，只是管壳上留有一个能入射光线的窗口。

2. 发光二极管是一种将电能转换为光能的半导体器件。它由一个PN结构成,当发光二极管正偏时，注入到N区和P区的载流子被复合时，会发出可见光和不可见光。

§1.3 双极型晶体管

§1.3 双极型晶体管 一、晶体管的结构和类型 NPN型 c 发射区 基区 集电区 e 集电极 发射极 发射极箭头的方向 为电流的方向 §1.3 双极型晶体管 一、晶体管的结构和类型 NPN型 发射区 基区 集电区 e c 集电极 发射极 发射极箭头的方向 为电流的方向 集电结 发射结 b 基极

b P N 集电极 基极 发射极 c e PNP型

二、 晶体管的电流放大作用 放大是对模拟信号最基本的处理。晶体管是放大电路的核心元件，它能够控制能量的转换，将输入的任何微小变化不失真的放大输出，放大的对象是变化量。 晶体管工作在放大状态的外部条件是发射结正向偏置且集电结反向偏置。晶体管的放大作用表现为小的基极电流可以控制大的集电极电流。 共射放大电路

晶体管内部载流子的运动 IC 1. 发射结加正向电压，扩散运动形成发射极电流IE 2. 扩散到基区的自由电子与空穴的复合运动形成基极电流IB

晶体管的电流分配关系 IB IC IE 共射直流电流放大系数

晶体管的电流分配关系 共射直流电流放大系数 共射交流电流放大系数 通常认为：

晶体管的电流分配关系 IB IC IE IB IC IE

三、晶体管的共射特性曲线 UCE IC + - 实验线路 mA A V RB EC EB RC UBE IB + -

1. 输入特性 IB(A) UBE(V) 20 40 60 80 0.4 0.8 死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。 工作压降： 硅管UBE0.6~0.7V,锗管UBE0.2~0.3V。 死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。

2. 输出特性 IC(mA ) 1 2 3 4 UCE(V) 6 9 12 IB=0 20A 40A 60A 80A 100A IC只与IB有关，IC=IB。 此区域满足IC=IB称为线性区（放大区）。

2. 输出特性 IC(mA ) 1 2 3 4 UCE(V) 6 9 12 IB=0 20A 40A 60A 80A 100A 此区域中UCEUBE,集电结正偏，IB>IC，UCE0.3V称为饱和区。

2. 输出特性 IC(mA ) 1 2 3 4 UCE(V) 6 9 12 IB=0 20A 40A 60A 80A 100A 此区域中 : IB=0,IC=ICEO,UBE< 死区电压，称为截止区。

输出特性三个区域的特点: 放大区：发射结正偏，集电结反偏。 即： IC=IB , 且 IC =   IB (2) 饱和区：发射结正偏，集电结正偏。 即：UCEUBE ， IB>IC，UCE0.3V (3) 截止区： UBE< 死区电压， IB=0 ， IC=ICEO 0

iC iB RB RC VCC vO vi + - 三极管工作状态 判断方法： ①当vBE ＜0.7V时，截止 ≥0.7V时，放大或饱和

iC iB RB RC VCC vO vi + - 三极管工作状态 判断方法： ②当vBC ＜0时，放大 ≥0时，饱和

四、例题分析 【例1】判断以下三极管的工作状态。 0.7V 4V 0.3V 放大 饱和 截止

【例2】现已测得某电路中几只晶体管三个极的直流电位如下，各晶体管开启电压均为0.5V。试判断各管的工作状态。 放大 饱和 放大 截止

【例3】测得放大电路中六只晶体管的直流电位如图所示。在圆圈中画出管子，并分别说明它们是硅管还是锗管。 解题思路 (1)三极管处于放大状态 (2)确定三个电极 (3)确定三极管为硅管还是锗管 (4)确定为何种类型

【例3】测得放大电路中六只晶体管的直流电位如图所示。在圆圈中画出管子，并分别说明它们是硅管还是锗管。 c e e b b b PNP c NPN e NPN c b c b e e e PNP c PNP b NPN c

下集预告 第二章 基本放大电路

小结 P66 1.3 、 1.4、1.7题 1.14 1.16（只判断工作状态） 基本要求： 1.掌握二极管的特性曲线及其等效电路； 2.掌握稳压管的稳压条件。 3.掌握三极管的结构； 4.掌握三极管的输入输出特性，会进行 状态判断。 作业： P66 1.3 、 1.4、1.7题 1.14 1.16（只判断工作状态）