城市軌道交通電子技術及應用人民交通出版社單永欣主編陜西電子科技職業學院主講：王玉寶6.常用半導體器件(10學時)7.交流放大電路(12學時)8.集成運算放大器及其應用(10學時)9.直流電源(6學時)10.數字電路(20學時)11.城市軌道交通遠動系統(6學時)目錄第六章主要講述半導體器件的工作原理，為學習以后各章創造必要的條件；

第七章主要討論了根本放大電路的組成原理、工作狀態的分析以及放大電路的指標計算，為本課程的重要根底；第八章討論運算放大器的組成、性能指標、分析方法以及線性/非線性應用；第九章為直流電源；第十章為數字電子技術，主要講述了邏輯代數的化簡、組合邏輯電路的分析與設計、同步時序電路的分析與設計及應用；第十一章扼要介紹了城市軌道交通運動系統的知識。教材內容簡解《城市軌道交通電子技術及應用》模擬電子技術數字電子技術城市軌道交通運動系統具體安排和要求1.學習方法注重根本概念、根本原理、根本分析方法的訓練與培養，掌握分析問題、解決問題的思路和方法。3.教學參考書2.課時及成績評定標準課時：72學時=64(理論)+8(實驗)作業：課后復習與思考習題選作成績：平時20%+期中30%+期末50%江曉安主編，《模擬電子技術》第四版，西安電子科技大學出版社江曉安主編，《數字電子技術》第四版，西安電子科技大學出版社康華光主編，《電子技術根底》第三版，高等教育出版社陳國聯主編，《電子技術》第一版，西安交通大學出版社閻石主編，《數字電子技術根底習題解答》第五版，高等教育出版社第六章常用半導體器件§6.1半導體的基礎知識§

6.2半導體二極管§

6.3特殊二極管§

6.4半導體三極管本章主要學習要點：(1)半導體的導電特性；(2)PN結的工作原理和主要特性；(3)三極管的工作原理和主要特性。§6.1半導體的根底知識物質

導體半導體絕緣體導電性能原子結構最外層軌道電子≤3最外層軌道電子=4最外層軌道電子≥5半導體——導電能力介于導體與絕緣體之間的物質。其組成原子按照一定的規律排列，具有晶體結構。一、半導體半導體材料

元素半導體化合物半導體摻雜或其他化合物半導體本征半導體N型半導體雜質半導體P型半導體1.本征半導體完全純潔的、不含其他雜質且具有晶體結構的半導體，稱為本征半導體。本征半導體又稱純潔半導體。+4圖6-1硅和鍺簡化原子結構模型圖6-2本征半導體共價鍵晶體結構示意圖硅或鍺材料拉制成單晶體時,相鄰兩個原子的一對最外層電子(價電子)成為共有電子,它們一方面圍繞自身的原子核運動,另一方面又出現在相鄰原子所屬的軌道上。即價電子不僅受到自身原子核的作用,同時還受到相鄰原子核的吸引。于是,兩個相鄰的原子共有一對價電子,組成共價鍵結構。故晶體中,每個原子都和周圍的４個原子以共價鍵的形式互相緊密地聯系起來,如圖6-2所示。由于本征半導體每個原子都和周圍的４個原子以共價鍵形式結合，原子之間的共價鍵結構非常穩定，價電子不易脫離束縛而成為自由電子。當共價鍵中的價電子由于熱運動而獲得一定的能量,其中少數能夠擺脫共價鍵的束縛而成為自由電子,同時必然在共價鍵中留下一個“空位〞,稱為空穴。空穴帶正電,如圖6-3所示。空穴的出現是半導體區別于導體的一個重要特點。圖6-3本征半導體中的自由電子和空穴由此可見,半導體中存在著兩種載流子：帶負電的自由電子和帶正電的空穴。本征半導體中,自由電子與空穴是同時成對產生的。因此，它們的濃度是相等的。我們用n和p分別表示電子和空穴的濃度,即ni=pi,下標i表示為本征半導體。++μA+--自由電子空穴-價電子在熱運動中獲得能量產生了電子--空穴對。同時自由電子在運動過程中失去能量,與空穴相遇,使電子--空穴對消失，這種現象稱為復合。在一定溫度下，載流子的產生過程和復合過程是相對平衡的，載流子的濃度是一定的。圖6-4半導體的兩種載流子在本征半導體中,摻入微量５價元素,如磷、銻、砷等,那么原來晶格中的某些硅(鍺)原子被雜質原子代替。由于雜質原子的最外層有５個價電子,因此它與周圍４個硅(鍺)原子組成共價鍵時,還多余1個價電子。它不受共價鍵的束縛，而只受自身原子核的束縛，因此，它只要得到較少的能量就能成為自由電子，并留下帶正電的雜質離子，它不能參與導電，如圖6-5所示。2.雜質半導體在本征半導體中雖然存在兩種載流子，但因本征載流子的濃度很低，所以，他們的導電能力很差。當我們人為地、有控制地摻入少量的特定雜質時，其導電特性將產生質的變化。摻入雜質的半導體稱為雜質半導體。(1)N型半導體圖6-5Ｎ型半導體共價鍵結構顯然，這種雜質半導體中電子濃度遠遠大于空穴的濃度，即nn>>pn(下標ｎ表示是Ｎ型半導體)，主要靠電子導電，所以稱為Ｎ型半導體，也稱為電子型半導體。Ｎ型半導體中,自由電子稱為多數載流子；空穴稱為少數載流子。(2)P型半導體在本征半導體中,摻入少量3價元素,如硼、鎵、銦等，那么原來晶格中的某些硅(鍺)原子被雜質原子代替。由于雜質原子的最外層有3個價電子，在與周圍硅(鍺)原子組成共價鍵時因缺少1個電子而形成一個空位。其他共價鍵的電子只需擺脫一個原子核的束縛就可轉移到空位上形成空穴。因此，在較少的能量就可形成空穴，并留下帶負電的雜質離子，它不能參與導電，如圖6-6所示。在P型半導體中，pp>>np(下標p表示是P型半導體)。圖6-6P型半導體共價鍵結構二、PN結在一塊本征半導體上，用工藝的方法使其一邊形成Ｎ型半導體，另一邊形成P型半導體，N區中的自由電子會擴散到P區，并與P型半導體中的空穴復合；同時P區中濃度高的空穴會擴散到N區，并與N型半導體中的自由電子復合。那么在兩種半導體的交界處，可自由移動的空穴和自由電子相互中和形成了一個具有特殊電性能的薄層，稱為空間電荷區，即PN結。PN結是構成其他半導體器件的根底(1個PN結：二極管2個PN結：三極管)。圖6-7PN結的形成(a)多數載流子的擴散運動(b)平衡時阻擋層形成1.PN結的單向導電特性(a)外加正向電壓(b)外加反向電壓圖6-8PN結的單向導電性將電源的正極接Ｐ區,負極接Ｎ區。此時外加電壓在阻擋層內形成的電場與自建場方向相反,削弱了自建場,使阻擋層變窄,如圖6-8(a)所示。PN結處于導通狀態，呈現的電阻稱為正向電阻，其阻值很小。將電源的正極接Ｎ區,負極接Ｐ區。此時外加電壓在阻擋層內形成的電場與自建場方向相同,增強了自建場,使阻擋層變寬，如圖6-8(b)所示。此時，PN結處于截止狀態，呈現的電阻稱為反向電阻，其阻值很大，高達105歐姆以上。(1)ＰＮ結外加正向電壓(2)ＰＮ結外加反向電壓圖6-9PN結伏安特性曲線PN結伏安特性方程2.PN結的擊穿PN結處于反向偏置時,在一定電壓范圍內,流過ＰＮ結的電流是很小的反向飽和電流。但是當反向電壓超過某一數值(ＵＢ)后,反向電流急劇增加,這種現象稱為反向擊穿。ＵＢ稱為擊穿電壓。發生擊穿并不一定意味著ＰＮ結被損壞。當PN結反向擊穿時,只要注意控制反向電流的數值(一般通過串接電阻Ｒ實現),不使其過大,以免因過熱而燒壞ＰＮ結,當反向電壓(絕對值)降低時,ＰＮ結的性能就可以恢復正常。穩壓二極管正是利用了ＰＮ結的反向擊穿特性來實現穩壓的,當流過ＰＮ結的電流變化時,結電壓保持ＵＢ根本不變。§6.2半導體二極管半導體二極管——由PN結加上引線和管殼組成

Ｐ區引線為陽極，Ｎ區引線為陰極

導通時電流方向由陽極通過管子內部流向陰極一、半導體二極管的結構二極管分類按材料來分按結構來分按用途來分硅二極管點接觸型鍺二極管面接觸型硅平面型普通二極管整流二極管穩壓二極管點接觸型二極管特點是：結面積小，因而結電容小，適用于高頻下工作，但不能通過很大的電流。主要應用于小電流的整流和檢波、混頻等。面接觸型二極管特點是：結面積大，因而能通過較大的電流，但其結電容也大，適用于較低的頻率下工作。主要應用整流電路。硅平面型二極管特點是：結面積大的，可通過較大的電流，適用于大功率整流;結面積小的，結電容小，適合在脈沖數字電路中作開關管。半導體二極管的結構特點和符號二極管符號穩壓二極管變容二極管發光二極管光電二極管第一部分（數字）第二部分（拼音）第三部分（拼音）第四部分（數字）第五部分（拼音）電極數材料和極性類型序號規格號（表示反向峰值電壓的檔次）符號意義符號意義符號意義2二極管AN型鍺材料P普通管BP型鍺材料Z整流管CN型硅材料W穩壓管DP型硅材料U光電管K開關管C參量管L整流堆S隧道管二極管的型號組成及其意義國家標準《半導體分立器件型號命名方法》(GB/T249—1989)二、半導體二極管的伏安特性及其檢測二極管的電流與電壓的關系曲線，稱為二極管的伏安特性。導致二極管特性與PN結理論特性略有差異的因素有：引線電阻、半導體的體電阻以及外表漏電流等。二極管的伏安特性曲線是非線性的，分為三局部：正向特性、反向特性和反向擊穿特性。(a)2AP22(鍺管)特性(b)2CP10~20(鍺管)特性(c)硅二極管的特性圖6-10二極管的伏安特性曲線1、正向特性2、反向特性位于圖中第一象限。正向電壓低于某一數值時，正向電流很小，只有當正向電壓高于某一值后，才有明顯的正向電流。該電壓稱為導通電壓，又稱為門限電壓或死區電壓，用Uon表示。在室溫下，硅管的Uon約為0.6~0.8V,鍺管的Uon約為0.1~0.3V。通常認為,當正向電壓Ｕ＜Uon時，二極管截止；Ｕ＞Uon時，二極管導通。位于圖中第三象限。二極管加上反向電壓時，形成很小的反向電流，且在一定溫度下它的數量根本維持不變，因此，當反向電壓在一定范圍內增大時，反向電流的大小根本恒定，而與反向電壓大小無關，故稱為反向飽和電流，一般小功率鍺管的反向電流可達幾十μA，而小功率硅管的反向電流要小得多，一般在0.1μA以下。3、溫度特性二極管的特性對溫度很敏感,溫度升高,正向特性曲線向左移,反向特性曲線向下移。其規律是：在室溫附近,在同一電流下,溫度每升高1℃,正向壓降減小2~2.5ｍV；溫度每升高10℃,反向電流約增大1倍。4、管腳識別和檢測(自學)三、半導體二極管的主要參數1、最大整流電流IDM二極管長期工作時，允許通過的最大的正向平均電流。(取決于PN結的面積、材料和散熱情況)2、反向工作峰值電壓VRM管子不被擊穿所允許的最大反向電壓。(取反向擊穿電壓的一半)3、反向峰值電流IRM二極管加反向電壓VRM時的反向電流值。(值越小，二極管單向導電性越好)4、最高工作頻率?M二極管單向導電作用開始明顯退化的交流信號的頻率。(取決于PN結結電容的大小)5、二極管的直流電阻RD加到二極管兩端的直流電壓與流過二極管的電流之比。6、二極管的交流電阻rd在二極管工作點附近,電壓的微變值ΔU與相應的微變電流值ΔI之比。(工作點Q處的切線斜率的倒數)表6-1半導體二極管的典型參數四、半導體二極管的應用電路1.開關電路圖1-11電子開關電路電路工作原理電路工作原理：在負半周時,二極管截止,那么2.單相半波整流電路圖1-12整流電路與波形在正半周時,二極管導通,那么3.鉗位電路假設A點UA=0，二極管VD可正向導通，其壓降很小，故F點的電位也被鉗制在0V左右，即UF≈0利用二極管正向導通時壓降很小的特性，可組成鉗位電路。圖1-13二極管鉗位電路圖1-14二極管“與〞門電路圖6-15例6-1圖例6-1在圖6-15所示電路中，當開關S閉合后，H1、H2兩個指示燈哪一個可能發光？例6-2由理想二極管組成的電路如圖6-16所示，試確定各電路的輸出電壓Uo。圖6-16例6-2圖§6.3特殊二極管一、穩壓二極管圖6-17穩壓二極管的電路圖、伏安特性和電路符號穩壓二極管的工作機理是利用PN結的反向擊穿特性，其穩定電壓值是穩壓管工作在反向擊穿區時的穩定工作電壓。穩壓管正向偏壓時，其特性和普通二極管一樣；反向偏壓時，開始一段和二極管一樣，當反向電壓到達一定數值以后，反向電流突然上升，而且電流在一定范圍內增長時，管兩端電壓只有少許增加，變化很小，說明它具有很好的穩壓性能。1、使用穩壓管組成電路時需注意的問題：2、穩壓管的主要參數：(1)穩壓管正常工作是在反向擊穿狀態；(2)穩壓管應與負載并聯；(3)必須限制流過穩壓管的電流Iz。(1)穩定電壓Uz穩定電壓隨著工作電流的不同而略有變化,因而測試Uz時應使穩壓管的電流為規定值。(2)穩定電流Iz穩定電流是使穩壓管正常工作時的最小電流,低于此值時穩壓效果較差。工作時應使流過穩壓管的電流大于此值。一般情況是,工作電流較大時,穩壓性能較好。但電流要受管子功耗的限制,即Izmax=Pz/Uz。(3)電壓溫度系數αα指穩壓管溫度變化1℃時,所引起的穩定電壓變化的百分比。(4)動態電阻rzrz是穩壓管工作在穩壓區時,兩端電壓變化量與電流變化量之比,即rz=ΔU/ΔI。rz值越小,那么穩壓性能越好。(5)額定功耗PzPz取決于穩壓管允許的溫升。發光二極管簡稱LED(LightEmittingDiode)是一種將電能直接轉換成光能的半導體固體顯示器件，主要是由Ⅲ~Ⅴ族化合物半導體如GaAs、GaP制成，符號如圖6-18所示。二、發光二極管圖6-18發光二極管符號當加正向電壓時，P區和N區的多數載流子擴散至對方并與多數載流子發生復合，復合過程中，有一局部能量以光子的形式放出，使二極管發光。發出的光波可以是紅外光或可見光。發光二極管導通時管壓降為1.5~2.5V。三、光電二極管圖6-19光電二極管符號光電二極管又稱光敏二極管，是一種將光能轉換成電能的半導體器件，符號如圖6-19所示。其結構與普通二極管相似，只是在管殼上留有一個能使光線照入的窗口。光電二極管被光照射時，產生大量的電子和空穴，從而提高了少子的濃度，在反向偏置下，產生漂移電流，從而使反向電流增加，等效于一個恒流源。反向電流大小與光照強弱以及入射光波長有光。將光電二極管和發光二極管組合起來可組成二極管型的光電耦合器，如圖6-20所示。它以光為媒介可實現電信號的傳遞。在輸入端參加電信號，那么發光二極管的發射光隨信號而變，它照在光電二極管上那么會在輸出端產生與輸入信號變化一致的電信號。通常用在計算機控制系統的接口電路中。想一想???圖6-20光電耦合器件利用特殊二極管的特性分析光電耦合器。§6.4半導體三極管圖6-21幾種半導體三極管的外形半導體三極管又稱為晶體管、雙極型三極管。由三個電極，分別為集電極、發射極和基極。如圖6-21所示。一、半導體三極管的結構圖6-22三極管的結構示意圖和符號無論是NPN型或是PNP型的三極管，它們均包含三個區:發射區、基區和集電區，并相應地引出三個電極：發射極(e)、基極(b)和集電極(c)。同時，在三個區的兩兩交界處，形成兩個PN結，分別稱為發射結和集電結。(a)NPN(b)PNPPPN圖6-23三極管的三種連接方式放大器一般為4端網絡，在組成放大電路時三極管中有一個電極必須作為輸入與輸出信號的公共端。根據所選擇的公共端電極的不同，三極管有共發射極、共基集、共集電極三種不同的連接方式(對交流信號)。(a)共基集(b)共發射極(c)共集電極二、三極管的電流分配與放大作用1.三極管的結構特點為了使三極管實現放大，必須由三極管的內部結構和外部條件來保證。(1)內部結構特點①發射區進行重摻雜。多數載流子電子濃度遠大于基區多數載流子空穴濃度。②基區做的很薄。處于微米數量級，且是低摻雜。③集電極面積大。以保證盡可能收集到發射區發射的電子。(2)外部條件①外加電源的極性應保證發射結處于正向偏置狀態。②集電結應處于反向偏置狀態。2.三極管的電流分配關系和電流放大系數(1)載流子的傳輸過程圖6-24三極管中載流子的傳輸過程①發射。由于發射結正向偏置，那么發射區的大量電子擴散注入到基區。發射區重摻雜。②擴散和復合。電子的注入，是基區靠近集電結處的電子濃度很低。因此在基區形成電子濃度差，電子靠擴散作用向集電區運動。③收集。集電結反向運用，在結電場的作用下，通過擴散到達集電結的電子作漂移運動，到達集電區被集電區收集。(2)電流分配關系圖6-25三極管電流分配實驗電路實驗得出如下結論：三極管的三個極的電流滿足節點電流定律。IB雖然很小，但對IC有控制作用，IC隨IB改變而改變。β稱為共發射極直流電流放大系數。反映三極管的電流放大能力，也可以說電流IB對IC的控制能力。IB/mA-0.00100.010.020.030.040.05IC/mA0.0010.010.561.141.742.332.91IE/mA00.010.571.161.772.372.96表6-2三極管電流關系的一組典型數據三、三極管的伏安特性圖6-26(NPN)三極管共發射極特性曲線測試電路保持UCE不變的前提下,輸入回路中的電流IB與發射結壓降UBE之間的關系曲線稱為輸入特性,即1.輸入特性曲線圖6-27三極管輸入特性曲線輸入特性曲線特點：①輸入特性曲線上也有一個開啟電壓。②當UCE=0時，相當于集電極和發射極間短路，三極管等效成兩個二極管并聯，其特性類似于二極管的正向特性。③當UCE≥1V時，輸入特性曲線右移(相對于UCE=0時的曲線)，說明對應同一個UBE值，IB減小了。2.三極管的輸出特性曲線圖6-28三極管輸出特性曲線輸出特性曲線是指當三極管基極電流IB為常數時，集電極電流IC與集電極、發射極間電壓UCE之間的關系。一般將IB≤0的區域稱為截止區,在圖中為IB=0曲線以下的局部。此時三極管集電結處于反偏，發射結電壓UBE<0，也處于反偏狀態，在電路中相當于一個斷開的開關。IC也近似為零。由于各極電流都根本上等于零,因而此時三極管沒有放大作用。實際上，處于截止狀態的三極管集電極有很小的電流，稱為三極管的穿透電流。即：IB=0時,IC并不等于零,而是等于穿透電流ICEO。一般硅三極管的穿透電流小于1μA,在特性曲線上無法表示出來。鍺三極管的穿透電流約幾十至幾百微安。當發射結反向偏置時,發射區不再向基區注入電子,那么三極管處于截止狀態。所以,在截止區,三極管的兩個結均處于反向偏置狀態。對NPN三極管,UBE<0,UBC<0。(1)截止區曲線靠近縱軸附近,各條輸出特性曲線的上升局部屬于飽和區。在這個區域,不同IB值的各條特性曲線幾乎重疊在一起,即當UCE較小時，管子的集電極電流IC根本上不隨基極電流IB而變化，這種現象稱為飽和。此時三極管失去了放大作用。

規定UCE=UBE，即UCB=0時，三極管處于臨界飽和狀態。當UCE<UBE時稱為過飽和。三極管飽和時的管壓降用UCES表示。在深度飽和時，小功率管管壓降通常小于0.3V。三極管工作在飽和區時，發射結和集電結都處于正向偏置狀態。對NPN三極管，UBE>0，UBC>0。(2)飽和區三極管輸出特性曲線飽和區和截止區之間的局部即為放大區，在曲線上是比較平坦的局部，表示當IB一定時IC的值根本上不隨UCE而變化。此時發射結正向運用，集電結反向運用。在這個區域內，當基極電流發生微小的變化量ΔIB時,相應的集電極電流將產生較大的變化量ΔIC，此時二者的關系為：ΔIC=βΔIB。對于NN硅三極管,工作在放大區時UBE≥0.7V,而UBC<0。(3)放大區三極管的應用模電中：作為放大管數電中：作為開關四、三極管的主要參數1.電流放大系數β和β交流(動態)電流放大系數β：當集電極電壓UCE為定值時，集電極電流變化量ΔIC與基極電流變化量ΔIB之比，當IC>>ICEO時,β≈IC/IB。直流(靜態)電流放大系數β：當集電極電壓UCE為定值時，集電極電流變化量IC與基極電流IB之比，電流放大系數β和β的含義雖然不同，但工作在輸出特性曲線放大區平坦部分的三極管，二者差異極小，可直接互相替代使用。圖6-29三極管極間反向電流的測量ICBSICES(a)ICBS(b)ICES2.極間反向飽和電流ICBS和ICES集電結反向飽和電流ICBS：發射極開路，集電結加反向電壓時測得的集電極電流。集電極-發射極反向飽和電流ICES：基集開路時，集電極與發射極之間的反向電流，即穿透電流。(作為晶體管熱穩定性評價指標)實際工作中使用三極管時，要求所選用管子的ICBS和ICES盡可能的小。它們越小，說明管子的質量越高。3.極限參數(1)集電極最大允許電流ICM。圖6-30β與IC關系曲線圖6-31三極管的平安工作區(2)集電極最大允許功率損耗PCM。當三極管工作時,管子兩端電壓為UCE,集電極電流為IC,因此集電極損耗的功率為

ＢＵCBO——發射極開路時,集電極-基極間的反向擊穿電壓。ＢＵCEO——基極開路時,集電極-發射極間的反向擊穿電壓。ＢＵCER——基射極間接有電阻Ｒ時,集電極-發射極間的反向擊穿電壓。ＢＵCES——基射極間短路時,集電極-發射極間的反向擊穿電壓。ＢＵEBO——集電極開路時,發射極-基極間的反向擊穿電壓,此電壓一般較小,僅有幾伏左右。上述電壓一般存在如下關系：(3)反向擊穿電壓(1)溫度對UBE的影響

(2)溫度對ICBS的影響ＩＣＢS是由少數載流子形成的。當溫度上升時,少數載流子增加,故ＩCBS也上升。其變化規律是,溫度每上升10℃,ＩCBS約上升1倍。ＩCES隨溫度變化規律大致與ＩCBS相同。在輸出特性曲線上,溫度上升,曲線上移。4.溫度對三極管參數的影響(3)溫度對β的影響

β隨溫度升高而增大,變化規律是：溫度每升高１℃,β值增大０.５%～１％。在輸出特性曲線圖上,曲線間的距離隨溫度升高而增大。