电子技术第1章笔记 常用半导体器件

1.半导体材料的导电特性

1-1 半导体的特性

半导体： 常温下导电能力介于导体和绝缘体之间的物质

半导体特性： 热敏特性、光敏特性、掺杂特性

1-2 本征半导体

本征半导体： 完全纯净的、具有晶体结构的半导体

本征激发： 产生导电粒子，自由电子与空穴成对出现

半导体导电的最大特点： 两种载流子同时参与导电

1-3 杂质半导体

杂质半导体： 在本征半导体中掺杂微量的其他元素

N型半导体：掺入五价元素，自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子
P型半导体：掺入三价元素，空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子

关于杂质半导体的几点说明？

1. 多子浓度取决于掺杂浓度，少子浓度取决于本征激发
2. 半导体整体为电中性
3. 由于本征激发的作用，温度变化会使载流子数目发生变化

2.PN结及其单向导电性

2-1 PN结的形成

2-2 PN结的单向导电性

PN结加正向电压

PN结加正向电压时，外电场削弱内电场的作用，促进多子的扩散运动，阻碍少子的漂移运动，PN结变窄，正向电阻较小，PN结导通

PN结加反向电压

PN结加反向电压时,外电场与内电场作用叠加，阻碍多子的扩散运动，促进少子的漂移运动，PN结变宽，PN结截止

3.二极管的伏安特性

3-1 半导体二极管的基本结构

二极管内部的基本结构就是一个PN结

点接触型：结面积小，允许电流小，适用于高频电路
面接触型：结面积大，允许电流大，适用于低频电路
平面型：结面积可大可小

3-2 半导体二极管的伏安特性

死区(OA段): 外加正向电压较低时，正向电流近似为零

开启电压： 正向电流开始增加是对应的电压(硅管0.5V,锗管0.2V)

正向导通压降: 二极管工作在正差能够导通状态时的正向电压变化(硅管0.6-0.7V,锗管0.2-0.3V)

反向饱和电流： 反向电压不超过某一范围时，反向电流的大小基本恒定，且随温度升高而增大(硅管几微安一下，锗管几百微安)

反向击穿(电击穿)： 反向电压过高时，反向电流忽然增大(可以恢复)

热击穿： 电击穿后，二极管因过热而烧毁(不可恢复)

3-3 半导体二极管的主要参数

最大整流电流$I_F$ : 二极管长期使用时允许通过的最大正向平均电流

最高反向工作电压$U_{RM}$: 保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压

反向峰值电流I_{RM}： 二极管加最高反向工作电压时的反向电流，其值越小说明二极管的单向导电性越好

4.二极管的应用及电路分析

4-1 半导体二极管的常见应用

整流：将交流电变为脉动直流电，例如半波整流、桥式整流。 检波：从调制信号中取出有用信号。 钳位：限制某一点电位，使其不超过或不低于某一固定值。 限幅：限制输出电压的最大值或最小值。 隔离：防止不同支路互相影响。 保护：防止反向电压或过电压损坏元件。

4-2 二极管应用电路分析

将二极管断开，正向电压大的优先导通

5.稳压二极管及其应用分析

5-1 稳压二极管的伏安特性

稳压二极管反向击穿后，电流变化很大时，其两端电压变化很小，工作在反向击穿区

5-2 稳压二极管的主要参数

稳定电压$U_Z$:稳压管正常工作时两端的电压

稳定电流$I_Z$和最大稳定电流$I_{Zmax}$:稳定电流是工作电压等于稳定电压使得反向电流，最大稳定电流是稳压管允许通过的最大反向电流

最大耗散电流$P_{ZM}$:稳压管不发生热击穿的最大功率损耗

动态电阻$r_Z$:稳压管稳定工作时的电压变化量与电流变化量的比值，$r_Z$越小，稳压性能越好

电压温度系数$\alpha_U$: 温度变化$1^\circ\mathrm{C}$时，$U_Z$变化的百分比数

为保证稳压二极管始终工作在正常工作区，使用时需要串联限流电阻

6.双极型晶体管及其电流放大作用

6.1 双极型晶体管结构

放大所需的内部结构特点

放大电路的偏置条件

发射结正向偏置，集电结反向偏置

\[V_C>V_B>V_E\]

6.2 双极型晶体管的电流放大原理

发射极发射的电子很多 基区复合的电子很少 集电极收集的电子很多

\[I_C = I_{CE} + I_{CBO}\] \[I_B = I_{BE} - I_{CBO}\] \[\overline{\beta} = \frac{I_{CE}}{I_{BE}} = \frac{I_C - I_{CBO}}{I_B + I_{CBO}} \approx \frac{I_C}{I_B}\] \[I_C = \overline{\beta} I_B + \left(1+\overline{\beta}\right) I_{CBO} = \overline{\beta} I_B + I_{CEO}\]

7.双极型晶体管的伏安特性及其小信号模型

7-1 双极型晶体管的特性曲线

输入特性曲线

输入特性：在集电极—发射极电压$U_{CE}$一定时，基极电流$I_B$和基极—发射极电压$U_{BE}$之间的关系。

开启电压： BJT输入特性死区结束的电压，硅管0.5V,锗管0.2V

发射结压降$U_{BE}$: NPN型硅管0.6-0.7V,PNP型锗管0.2-0.3V

输出特性曲线

输出特性： 在基极电流$I_B$一定时，集电极电流$I_C$和集电极—发射极电压$U_{CE}$之间的关系

放大区： 输出特性曲线接近于水平的部分

截止区： $I_B=0$曲线一下的部分，此时$I_C+I_{CEO}$，集电极与发射极之间相当于开路

饱和区： $u_{CE}<u_{BE}$时，集电结和发射结都正偏，集电极与发射极之间相当于短路

7-2 温度对晶体管特性的影响

1. 温度升高，反向漏电流增大，大约每升高 10℃ 增加一倍
2. 温度升高，发射结电压$U_{BE}$减小,大约每升高 1℃ 减小 2 mV 到 2.5 mV
3. 温度升高，电流放大系数 $\beta$ 增大,大约每升高 1℃ 增大 0.5% 到 1.0%

7-3 晶体管的简化小信号模型

\[r_{be} = \frac{\Delta U_{BE}}{\Delta I_B}\] \[r_{be} \approx r_b + (\beta + 1)\frac{26\mathrm{mV}}{I_E}\]

为什么要有小信号模型？ 但在放大电路中，通常会先设置一个静态工作点$Q$,然后在这个点附近叠加一个很小的交流信号,小信号模型只研究这些量之间的关系

8.双极型晶体管的主要参数

8-1 电流放大倍数

共射直流电流放大系数

\[\overline{\beta} = \frac{I_{CE}}{I_{BE}} = \frac{I_C - I_{CBO}}{I_B + I_{CBO}} \approx \frac{I_C}{I_B}\]

共射交流电流放大系数

\[\beta = \frac{\Delta I_C}{\Delta I_B}\]

8-2 极间饱和电流

集基级反向饱和电流$I_{CBO}$

集射级穿透电流$I_{CEO}$

8-3 极限参数

集电极最大允许电流$I_{CM}$

极间反向击穿电压

• 集-射级反向击穿电压$U_{(BR)CEO}$
• 集-基级反向击穿电压$U_{(BR)CBO}$

集电极最大允许耗散功率$P_{CM}$

双极型晶体管的安全工作区