电 子 技 术 第14章 二极管和晶体管 第15章 基本放大电路 第16章 集成运算放大器 第17章 电子电路中的反馈

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1 电 子 技 术 第14章 二极管和晶体管 第15章 基本放大电路 第16章 集成运算放大器 第17章 电子电路中的反馈
第14章 二极管和晶体管 第15章 基本放大电路 第16章 集成运算放大器 第17章 电子电路中的反馈 第18章 直流稳压电源 第20章 门电路组合逻辑电路 第21章 触发器和时序逻辑电路

2 二极管和晶体管 第14章 § 14.1 半导体的基本知识 § 14.2 PN结及其单向导电性 § 14.3 二极管 § 14.4 稳压二极管
§ 稳压二极管 § 半导体三极管

3 §14.1 半导体的基本知识 一、半导体 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，如铜、铝、金。
§14.1 半导体的基本知识 一、半导体 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，如铜、铝、金。 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。 10-3＜ρ电阻率＜109Ωcm

4 二、半导体的特点 半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。 1.导电能力随掺入杂质的多少而发生显著的变化（掺杂性）
2.导电能力随温度的升高而迅速增加（热敏性） 3.导电能力随光照增强而增强（光敏性） 在不同的条件下，半导体的导电能力有很大的差别

5 三、 本征半导体 Si Ge 1.本征半导体的结构特点 现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。
通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。

6 本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。
在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。 硅和锗的晶体结构：

7 硅和锗的共价键结构 +4 共价键共 用电子对 +4表示除去价电子后的原子

8 +4 共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。

9 2.本征半导体的导电机理 +4 空穴 自由电子 束缚电子

10 在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。
本征半导体的导电机理 本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。 在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。 +4

11 温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。
本征半导体中电流由两部分组成： 1. 自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。 本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。 温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。

12 四、 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。
N 型半导体：在纯净的半导体中掺入五价元素磷使自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。 P 型半导体：在纯净的半导体中掺入三价元素硼，使空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。

13 多余 电子 N 型半导体 磷原子 +4 +5 由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。 本征半导体中成对产生的电子和空穴。
掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。

14 P 型半导体 +4 +3 空穴 硼原子 P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。

15 五、杂质半导体的示意表示法 杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。
－ P 型半导体 + N 型半导体 杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。

16 §14.2 PN结及其单向导电性 在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN 结。 1. PN结的形成过程 开始：扩散》漂移 空间电荷区↑→内电场↑ 扩散↓ 漂移↑ 最终：扩散=漂移→空间电荷区宽度不变→PN结形成 动态平衡

17 空间电荷区， 也称耗尽层。 内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。 漂移运动 P型半导体 N型半导体 内电场E － － －
+ + + + + + 扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。 扩散运动

18 所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，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。
漂移运动 P型半导体 － N型半导体 + 扩散运动 内电场E 所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，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。

19 注意: 1、空间电荷区中没有载流子。 2、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、N区 中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。

20 2. PN结的单向导电性 PN 结加上正向电压、正向偏置的意思都是： P 区加正、N 区加负电压。
反偏时呈现高阻截止状态 PN结具有单向导电性

21 PN 结正向偏置时 内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。 变薄 － + R E _ + P N 内电场 外电场

22 PN 结反向偏置时 变厚 _ + P N R E 内电场被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。 +
－ + _ + P N 内电场 外电场 R E

23 半导体二极管图片

24 §14.3 半导体二极管 D 一、基本结构 PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。 1.点接触型 阳极 阴极
§14.3 半导体二极管 一、基本结构 PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。 1.点接触型 D 阳极 阴极 引线 外壳线 触丝线 基片 PN结面积小，不能通过大电流，用于高频信号检波小电流整流，也可作开关元件。

25 结面积大，可以通过大电流，用于低频电路和整流电路。
2.面接触型 阴极引线 底座 金锑合金 铝合金小球 阳极引线 PN结 N型硅 结面积大，可以通过大电流，用于低频电路和整流电路。

26 二、伏安特性（非线性） I U 二极管具有单向导电性 （一）正向特性 1.死区：有电压无电流（不导通） 2.导通区：二极管端电压恒定
硅管为0.7V；锗管为0.2 U I 导通压降: 硅管0.6~0.7V,锗管0.2~0.3V。 反向击穿电压UBR （二）反向特性 1.截止区 反向电流很小，不随电压变化 2.击穿区：反向电流急剧增加。 齐纳击穿；雪崩击穿 击穿区 截止区 死区电压 硅管0.6V,锗管0.2V。 二极管具有单向导电性

27 三、主要参数 1. 最大整流电流 IOM 2. 反向击穿电压UBR 二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。
二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压UWRM一般是UBR的一半。

28 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。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。

29 4. 动态电阻 rD iD Q ID uD UD rD 是二极管特性曲线上工作点Q 附近电压的变化与电流的变化之比： iD uD

30 ui t uo ui uo 四、二极管的应用 理想二极管：死区电压=0 ，正向压降=0 举例1：二极管半波整流 RL
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。下面介绍两个交流参数。 理想二极管：死区电压=0 ，正向压降=0 ui uo t 举例1：二极管半波整流 RL ui uo

31 举例2 ui t ui uo uo 在图示电路中，已知ui=2sinωtV；E1=E2=1V，求输出电压uo的波形。 R D1 D2 E1

32 一、稳压二极管 §14.4 稳压二极管 I 曲线越陡，电压越稳定。 + - UZ 稳压误差 U IZ IZ UZ IZmax
§14.4 稳压二极管 一、稳压二极管 I 曲线越陡，电压越稳定。 1.稳压二极管的特性 工作在方向击穿状态 + - UZ 稳压误差 U 动态电阻： rz越小，稳压性能越好。 IZ IZ UZ IZmax

33 2.稳压二极管的参数: （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 （4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。 （5）最大允许功耗

34 ui↑→uo↑→uZ↑→iZ↑↑→i↑→iR↑→uo↓→uZ↓
3.稳压电路 uo iZ DZ R iL i ui RL 当电源电压波动时 ui↑→uo↑→uZ↑→iZ↑↑→i↑→iR↑→uo↓→uZ↓ 当负载电阻变化时 RL↓→iL↑→i↑→ iR ↑→uo↓→uZ↓→iZ↓↓→i↓→iR↓→uo ↑ 当输出电压有较小变化时，将引起稳压管电流较大的变化，通过电阻的补偿作用保持输出电压基本不变。 结构简单成本低，适用于负载电流较小的场合。 但稳定性能不高，输出电压不能调节。

35 i iL ui uo iZ 应用举例 R 稳压管的技术参数: RL DZ 要求当输入电压由正常值发生20%波动时，负载电压基本不变。
负载电阻 。 求：电阻R和输入电压 ui 的正常值。 解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax 。 ——方程1

36 uo iZ DZ R iL i ui RL 令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin 。 ——方程2 联立方程1、2，可解得：

37 二、光电二极管 反向电流随光照强度的增加而上升。 I U 照度增加

38 三、发光二极管 有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。

39 §14.5 半导体三极管 一、基本结构 N型硅 二氧化硅保护膜 P型硅 平面型 B E C B E C P 合金型 N型锗 铟球

40 基本结构示意图（一） C 集电极 集电区：面积较大 集电结 N 基区：较薄，掺杂浓度低 P B 基极 发射区：掺 杂浓度较高 E 发射结
发射极 集电极 集电区：面积较大 集电结 基区：较薄，掺杂浓度低 发射区：掺 杂浓度较高 发射结

41 基本结构示意图（二） NPN型 PNP型 C 集电极 集电极 C N P B N P B 基极 基极 E E 发射极 发射极 符号 符号 C

42 B E C IB IE IC B E C IB IE IC NPN型三极管 PNP型三极管

43 二、电流放大原理 C N B EC P RB E IE EB 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。
基区空穴向发射区的扩散可忽略。 EC IBE IE 进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE ，多数扩散到集电结。 RB EB

44 IC=ICE+ICBOICE B E C N P ICE EC IE RB EB
IBE IE RB EB

45 B E C N P EB RB EC IE ICE IC=ICE+ICBO ICE IB IB+IC=IE
IBE IB=IBE-ICBOIBE IB IB+IC=IE

46 1. IB＜＜IC，IC≈IE，IE=IB+IC
3. 三极管起电流放大作用的必要条件： 发射结正偏，集电结反偏。

47 实验线路 IC mA IB A EC V RB V UCE UBE EB
三、特性曲线 实验线路 IC 集电极回路或输出回路 mA 基极回路或输入回路 IB A EC V RB V UCE UBE EB

48 IB(A) UBE(V) 20 40 60 80 0.4 0.8 1.输入特性 （非线性） 当uCE一定时iB与uBE的关系曲线
即iB=f（uBE）│uCE=常数 在不同的uCE下曲线有所不同，特点是一曲线族。 UCE =0.5V IB(A) UBE(V) 20 40 60 80 0.4 0.8 UCE=0V UCE 1V 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。

49 1 2 3 4 IB=0 20A 40A 60A 80A 100A 3 6 9 12 2.输出特性 （非线性） IC(mA )
当iB 一定时iC与uCE的关系曲线 即iC=f（uCE）│ iB =常数 IC(mA ) 1 2 3 4 IB=0 20A 40A 60A 80A 100A 当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB。 此区域满足IC=IB称为线性区（放大区）。 UCE(V) 3 6 9 12

50 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。

51 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。

52 输出特性三个区域的特点: 放大区： 发射结正偏，集电结反偏。 饱和区：发射结正偏，集电结正偏， 截止区：发射结反偏、集电结反偏。
有电流放大作用即： IC=IB , 且 IC =  IB 当UCE >1时，集电极相当于一个恒流源。 饱和区：发射结正偏，集电结正偏， 即：UCEUBE ， IB>IC， 饱和管压降很低UCE0.3或0.1 V 集电极与发射极之间相当开关元件接通状态 截止区：发射结反偏、集电结反偏。 没有电流放大作用 IB=0 ， IC=0 ，UCE=UCC 集电结与发射结相当于开关元件短开状态。

53 例： =50， USC =12V， RB =70k， RC =6k 当USB = -2V，2V，5V时， 晶体管的静态工作点Q位
IC UCE IB USC RB USB C B E RC UBE 例： =50， USC =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？ 当USB =-2V时： IB=0 ， IC=0 IC最大饱和电流： Q位于截止区

54 IC< ICmax (=2mA) ， Q位于放大区。
UCE IB USC RB USB C B E RC UBE 例： =50， USC =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？ USB =2V时： IC< ICmax (=2mA) ， Q位于放大区。

55 IC> Icmax(=2 mA)， Q位于饱和区。(实际上，此时IC和IB 已不是的关系）
UCE IB USC RB USB C B E RC UBE 例： =50， USC =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？ USB =5V时: IC> Icmax(=2 mA)， Q位于饱和区。(实际上，此时IC和IB 已不是的关系）

56 四、主要参数 1. 电流放大倍数 和  静态（直流）电流放大倍数：
1. 电流放大倍数 和  静态（直流）电流放大倍数： 工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为IB，相应的集电极电流变化为IC，则动态（交流）电流放大倍数：

57 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： =

58 2.集-基极反向截止电流ICBO ICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流，受温度的变化影响。 A ICBO

59 ICEO=  IBE+ICBO C  IBE N B P N E
ICEO受温度影响很大，当温度上升时，ICEO增加很快，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。 ICEO=  IBE+ICBO 集电结反偏有ICBO C  IBE ICBO N B P IBE N 根据放大关系，由于IBE的存在，必有电流IBE。 ICBO进入N区，形成IBE。 E

60 4.集电极最大电流ICM 5.集-射极反向击穿电压
集电极电流IC上升会导致三极管的值的下降，当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。 5.集-射极反向击穿电压 当集---射极之间的电压UCE超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿电压U(BR)CEO。

61 6. 集电极最大允许功耗PCM IC ICM ICUCE=PCM PC =ICUCE PCPCM UCE U(BR)CEO 安全工作区
流过三极管， 所发出的焦耳 热为： IC UCE ICM ICUCE=PCM PC =ICUCE 必定导致结温 上升，所以PC 有限制。 U(BR)CEO PCPCM

62 电子技术 模拟电路部分 第14章 结束