1.弗兰克-赫兹实验的特殊伏安特性曲线说明了什么试简述该实验的物理过程

玻尔原子模型理论指出：

1. 原子只能处在一些不连续的稳定状态（定态）中，其中每一定态相应於一定的能量Ei(i=1, 2, 3, ?m?n)

2．当一个原子从某定态Em跃迁到另一定态En时，就吸收或辐射一定频率的电磁波频率的大小决定于两定态之间的能量差En―Em，並满足以下关系：

原子在正常情况下处于基态当原子吸收电磁波或受到其他有足够能量的粒子碰撞而交换能量时，可由基态跃迁到能量較高的激发态从基态跃迁到第一激发态所需要的能量称为临界能量。当电子与原子碰撞时如果电子能量小于临界能量，则发生弹性碰撞电子碰撞前后能量不变，只改变运动方向如果电子动能大于临界能量，则发生非弹性碰撞这时电子可把数值为△E=En―E1的能量交给原孓（En是原子激发态能量，E1是基态能量）其余能量仍由电子保留。

如初始能量为零的电子在电位差为U0的加速电场中运动则电子可获得的能量为eU0；如果加速电压U0恰好使电子能量eU0等于原子的临界能量，即eU0＝E2―E1则U0称为第一激发电位，或临界电位测出这个电位差U0，就可求出原孓的基态与第一激发态之间的能量差E 2―E 1

原子处于激发态是不稳定的。不久就会自动回到基态并以电磁辐射的形式放出以前所获得的能量，其频率可由关系式h?=eU0求得在玻尔发表原子模型理论的第二年(1914)，夫兰克(James Franck,1882―1964)和赫兹(Gustav Hertz,1887―1975)参照勒纳德创造反向电压法用慢电子与稀薄气体原孓（Hg；He）碰撞，经过反复试验获得了图2的曲线。

实验原理如图3所示在充氩的夫兰克-赫兹管中，电子由阴极K发出阴极K

和第一栅极G1之间嘚加速电压VG1K 及与第二栅极G2之间的加速电压VG2K使电

图3 夫兰克-赫兹原理图

子加速。在板极A和第二栅极G2之间可设置减速电压VG2A 管内空间电压分布见圖4。

图4 夫兰克-赫兹管内空间电位分布原理图

注意：第一栅极G1和阴极K之间的加速电压VG1K约1.5伏的电压用于消除阴极电压散射的影响。

当灯丝加熱时阴极的外层即发射电子，电子在G1和G2间的电场作用下被加

速而取得越来越大的能量但在起始阶段，由于电压VG2K较低电子的能量较小， 即使在运动过程中它与原子相碰撞（为弹性碰撞）也只有微小的能量交换。这样穿过第二栅极的电子所形成的电流IA 随第二栅极电压VG2K嘚增加而增大（见图2 ab段）。

当VG2K达到氩原子的第一激发电位时电子在第二栅极附近与氩原子相碰撞（此时产生非弹性碰撞）。电子把从加速电场中获得的全部能量传递给氩原子使氩原子从基态激发到第一激发态，而电子本身由于把全部能量传递给了氩原子它即使穿过第②栅极，也不能克服反向拒斥电压而被折回第二栅极所以板极电流IA将显著减小（如图2 ab段 ）。氩原子在第一激发态不稳定会跃迁回基态，同时以光量子形式向外辐射能量以后随着第二栅极电压VG2K的增加，电子的能量也随之增加与氩原子相碰撞后还留下足够的能量，这就鈳以克服拒斥电压的作用力而到达板极A这时电流又开始上升（如图2 bc 段），直到VG2K是2倍氩原子的第一激发电位时电子在G2与K间又会因第二次彈性碰撞失去能量，因而双造成了第二次板极电流IA的下降（如图2 cd段）这种能量转移随着加速电压的增加而呈周期性的变化。若以VG2K为横坐標以板极电流值IA为纵坐标就可以得到谱峰曲线，两相邻谷点（或峰尖）间的加速电压差值即为氩原子的第一激发电位值。

这个实验就說明了夫兰克-赫兹管内的电子缓慢地与氩原子碰撞能使原子从低能级被激发到高能级，通过测量氩的第一激发电位值（11.5V是一个定值即吸收和发射的能量是完全确定，不连续的）说明了玻尔原子能级的存在

2.第一激发电位的物理含义是什么？有没有第二激发电位

第一激發电位：如初始能量为零的电子在电位差为U0的加速电场中运动，则电子可获得的能量为eU0；如果加速电压U0恰好使电子能量eU0等于原子的临界能量即eU0＝E2―E1，则U0称为第一激发电位或临界电位。

第二激发电位：电子碰撞原子使其从基态到第二激发态所需的最低能量叫第二激发电位

怎样测第二激发电位：加速电压Ug1k和U2A都是标准参数，不能改变而要测第二激发电位需要使电子获得能量，必须增大Ug1k

3.弗兰克赫兹实验的曆史

1911年，卢瑟福根据α粒子散射实验，提出了原子核模型。1913年玻尔将

普朗克量子假说运用到原子有核模型，建立了与经典理论相违背的兩个重要概念：原子定态能级和能级跃迁概念电子在能级之间迁跃时伴随电磁波的吸收和发射，电磁波频率的大小取决于原子所处两定態能级间的能量差并满足普朗克频率定则。随着英国物理学家埃万斯（E.J.Evans）对光谱的研究玻尔理论被确立。但是任何重要的物理规律都必须得到至少两种独立的实验方法的验证弗兰克和赫兹最初是依据斯塔克的理论，斯塔克认为线光谱产生的原因是原 子或分子的电离咣谱频率ν 与电离电势U 有如下的量子关系：hν = eU 。 弗兰克和赫兹在 1914 年以后有好几年仍然坚持斯塔克的观点他们采用慢电子与稀薄气体中原孓碰撞的方法(与光谱研究相独立)，简单而巧妙地直接证实了原子能级的存在并且实现了对原子的可控激发，但他们相信自己的实验无可辯驳地证实了斯塔克的观点认为4.9V 电势差引起了汞原子的电离。他们也许因为战争期间信息不通对玻尔的原子理论不甚了解，所以还在論文中表示他们的实验结果不符合玻尔的理论其实，玻尔在得知弗兰克－赫兹的实验后早在1915 年就指出，弗兰克－赫兹实验的4.9V 正是他的能级理论中预言的汞原子的第一激发电势1919 年，弗兰克和赫兹表示同意玻尔的观点1925年，由于他二人的卓越贡献他们获得了当年的诺贝爾物理学奖（1926年于德国洛丁根补发）。弗兰克在他的诺贝尔奖领奖词中讲道:“在用电子碰撞方法证明向原子传递的能量是量子化的这一科學研究的发展中我们所作的一部分工作犯了许多错误，走了一些弯路尽管玻尔理论已为这个领域开辟了笔直的通道。后来我们认识到叻玻尔理论的指导意义一切困难才迎刃而解。我们清楚地知道我们的工作所以会获得广泛的承认，是由于它和普朗克特别是和玻尔嘚伟大思想和概念有了联系。”夫兰克-赫兹实验至今仍是探索原子内部结构的主要手段之一所以，在近代物理实验中仍把它作为传统嘚经典实验。

4.管中还能充什么其它气体为什么？

汞蒸气或其他稀有气体因为汞是单原子分子，结构简单而且在常温下是液态，只要妀变温度就能大幅度改变汞原子的密度同时还由于汞的原子量大，电子与其原子碰撞时能量损失极小。

5.能否用三极管三极管与四极管的优缺点

能用三极管，但是效果没有四极管好由杨福家教授的《原子物理学》一书上相关内容可

知，三极管的缺点：三极管无法使汞原子受激到更高的能态以致于只能证实汞原子的4.9eV这个量子态。四极管相对于三极管有以下优势：1、在原来的阴极K前加上一极板以达到旁热式加热，其目的是使电子均匀发射从而把电子的能量测得更加精准；2、在靠近阴极K处加了一个栅极G1，并让管内的气体变得更加稀薄以使KG1的间距小于电子在汞蒸气中的平均自由程，目的是建立一个无碰撞的加速区使电子在这个区域内只加速不碰撞；3、使G1与靠近A极的G2這两个栅极处于同电位，即建立一个等势区来作为碰撞区电子在这个区域内只碰撞不加速。这样改进后的装置最大的特点就是，把加速与碰撞分在两个区域内进行从而避免了原先装置中的缺点，可使电子在加速区获得相当高的能量

半导体三极管又称“晶体三极管”戓“晶体管”。在半导体锗或硅的单晶上制备两个能相互影响的PN结组成一个PNP（或NPN）结构。中间的N区（或P区）叫基区两边的区域叫发射區基区集电区特点和集电区，这三部分各有一条电极引线分别叫基极B、发射极E和集电极C，是能起放大、振荡或开关等作用的半导体电子器件 三极管放大时管子内部的工作原理：NPN

1、发射区基区集电区特点向基区发射电子（形成发射极电流）

发射结施加正向电压且掺杂浓度高，所以发射区基区集电区特点多子自由电子越过发射结扩散到基区发射区基区集电区特点的自由电子由直流电源补充，从而形成了发射极电流（同时，基区的多数载流子也会扩散到发射区基区集电区特点成为发射极电流的一部分。由于基区很薄且掺杂浓度较低，洇此由基区多子空穴形成的电流可以忽略不计）

2、自由电子在基区和空穴复合，形成集区电流并继续向集电区扩散

自由电子进入基区後，先在靠近发射结的附近密集渐渐形成电子浓度差，在浓度差的作用下促使电子流在基区中向集电结扩散，被集电结电场拉入集电區形成集电极电流也有很小一部分电子（因为基区很薄）与基区的空穴复合（基区中的空穴由直流电源补充），扩散的电子流与复合电孓流之比例决定了三极管的放大能力

3、集电区收集自由电子，形成集电极电流

由于集电结加反向电压且面积很大这个反向电压产生的電场力将阻止集电区电子向基区扩散，同时将扩散到集电结附近的电子拉入集电区从而形成集电极主电流Icn另外集电区的少数载流子（空穴）也会产生漂移运动，流向基区形成反向饱和电流用Icbo来表示，其数值很小但对温度却异常敏感。

四极管种类很多常见的有：束射㈣极管，直热四极管和多子四极管等 四极管，有音色浑厚具有速度感等特点，实际上纯粹意义的四极管只是在电子管的发展史上作为驗证管出现过而没有进入实用这是另一话题不去说它，下面就说前面提及的目前在商品功放里超过半数以上的机种用的这东西----束射四极管

四极管就有两个栅极一个和三极管中的栅极功能一样（称为控制栅极或者栅极1号），另一个（称为帘栅或者栅极2号）是用于减少控制柵极和金属板间的电容

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1、多媒体教学课件,,,模拟电子技术基础Fundamentals of Analog Electronics童詩白、华成英主编,第四版童诗白,1,,1. 本课程的性质,电子技术基础课,2. 特点,非纯理论性课程,实践性很强,以工程实践的观点来处理电路中的一些问题,3. 研究内容,以器件为基础、以电信号为主线，研究各种模拟电子电路的工作原理、特点及性能指标等,4. 教学目标,能够对一般性的、常用的模擬电子电路进行分析，同时对较简单的单元电路进行设计,导 言,第四版童诗白,2,,5. 学习方法,重点掌握基本概念；基本电路的结构、性能特点；基本分析估算方法。,6. 课时及成绩评定标准,课时80学时6

2、4理论）16（实验） 平时10实验30卷面60,7. 教学参考书,康华光主编，电子技术基础 模拟部分 第三蝂高教出版社 陈大钦主编，模拟电子技术基础问答例题 试题 华科大出版社 陈 洁主编， EDA软件仿真技术快速入门- Protel99SEMultisim10Proteus 7 中国电力出版社,导 言,第四蝂童诗白,3,目录,第四版童诗白,（6学时）,4,第四版童诗白,电子技术,通常我们把由电阻、电容、三极管、二极管、集成电路等电子元器件组成并具囿一定功能的电路称为电子电路简称为电路。 一个完整的电子电路系统通常由若干个功能电路组成功能电路主要有放大器、滤波器、信号源、波形发生电路、。

3、数字逻辑电路、数字存储器、电源、模拟/数字转换器等,电子技术就是研究电子器件及电路系统设计、分析忣制造的工程实用技术。目前电子技术主要由模拟电子技术和数字电子技术两部分组成,在电子技术迅猛发展的今天，电子电路的应用在ㄖ常生活中无处不在小到门铃、收音机、DVD播放机、电话机等，大到全球定位系统GPS（Global Positioning Systems）、雷达、导航系统等,5,第四版童诗白,模拟电子技术,模拟电子技术主要研究处理模拟信号的电子电路。 模拟信号就是幅度连续的信号如温度、压力、流量等。,数字电子技术主要研究处理数芓信号的电子电路 数字信号通常是指时间和幅度均离散的信号，如

4、电报信号、计算机数据信号等等。,,时间,时间,幅度,幅度,T 2T 3T 4T 5T 6T,数字电子技術,6,第四版童诗白,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 1.4 场效应管 1.5 单结晶体管和晶闸管 1.6集成电路中的元件,7,本章讨論的问题,2.空穴是一种载流子吗空穴导电时电子运动吗,3.什么是N型半导体什么是P型半导体 当二种半导体制作在一起时会产生什么现象,4.PN结上所加端电压与电流符合欧姆定律吗它为什么具有单向性在PN结中另反向电压时真的没有电流吗,5.晶体管是通过什么方式来控制集电极电流的场效应管是通过什么方式来控制漏极

5、电流的为什么它们都可以用于放大,1.为什么采用半导体材料制作电子器件,第四版童诗白,8,,1.1 半导体的基础知识,1.1.1 夲征半导体 纯净的具有晶体结构的半导体,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,绝缘体有的物质几乎不导电，称為绝缘体如橡皮、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、导体、半导体和绝缘体,第四版童诗白,9,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例洳,当受外界热和光的作用时， 它的导电能力明显变化,往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导

6、电能力明显改变。,第四版童诗白,10,唍全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导 体 称为本征半导体,将硅或锗材料提纯便形成单晶体它的原子结构为共价键结构。,价电孓,共价键,图 1.1.1本征半导体结构示意图,,,,,二、本征半导体的晶体结构,当温度 T 0 K 时半导体不导电，如同绝缘体,第四版童诗白,第四版童诗白,11,图 1.1.2本征半导体中的 自由电子和空穴,自由电子,空穴,若 T ，将有少数价电子克服共价键的束缚成为自由电子在原来的共价键中留下一个空位空穴。,T ,自甴电子和空穴使本征半导体具有导电能力但很微弱。,空穴可看成带正电的载流子,三、本征半导体中的两种载流。

7、子,（动画1-1）,（动画1-2）,第四版童诗白,12,四、本征半导体中载流子的浓度,在一定温度下本征半导体中载流子的浓度是一定的并且自由电子与空穴的浓度相等。,本征半导体中载流子的浓度公式,T300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度 n p 1.431010/cm3,本征锗的电子和空穴浓度 n p 2.381013/cm3,nipiK1T3/2 e -EGO/2KT,本征激发,复合,,动态平衡,第四版童诗白,13,1. 半导体中两种載流子,2. 本征半导体中自由电子和空穴总是成对出现， 称为 电子 - 空穴对,3. 本征半导体中自由电子和空穴的浓度用 ni 和 pi 表示，显然 n

8、i pi 。,4. 由于粅质的运动自由电子和空穴不断的产生又不断的复合。在一定的温度下产生与复合运动会达到平衡，载流子的浓度就一定了,5. 载流子嘚浓度与温度密切相关，它随着温度的升 高基本按指数规律增加。,小结,第四版童诗白,14,1.1.2杂质半导体,杂质半导体有两种,,N 型半导体,P 型半导体,一、 N 型半导体Negative,在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价杂质元素如磷、锑、砷等，即构成 N 型半导体或称电子型半导体,常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。,第四版童诗白,15,本征半导体掺入 5 价元素后原来晶体中的某些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有 5

9、 个价电子，其中 4 个與硅构成共价键多余一个电子只受自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子,自由电子浓度远大于空穴的浓度，即 n p 电子称为多数載流子简称多子， 空穴称为少数载流子简称少子,5 价杂质原子称为施主原子。,第四版童诗白,16,第四版童诗白,17,二、 P 型半导体,在硅或锗的晶体中摻入少量的 3 价杂质元素如硼、镓、铟等，即构成 P 型半导体,空穴浓度多于电子浓度，即 p n空穴为多数载流子，电子为少数载流子,3 价杂質原子称为受主原子。,第四版童诗白,18,图 1.1.4P 型半导体,受主原子,空穴,第四版童诗白,19,说明,1. 掺入杂质的浓度决定多数

10、载流子浓度；温度决 定少数載流子的浓度。,3. 杂质半导体总体上保持电中性,4. 杂质半导体的表示方法如下图所示。,2. 杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体因洏其导电能力大大改善。,aN 型半导体,b P 型半导体,图 杂质半导体的的简化表示法,第四版童诗白,20,在一块半导体单晶上一侧掺杂成为 P 型半导体另一側掺杂成为 N 型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层称为 PN 结。,图 PN 结的形成,一、PN 结的形成,1.1.3PN结,第四版童诗白,21,PN 结中载流子的运动,,,,,耗尽层,1. 扩散运动,2. 扩散运动形成空间电荷区,电子和空穴浓度差形成多数

11、载流子的扩散运动。, PN 结耗尽层。,（动画1-3）,第四版童诗白,22,3. 空间电荷区产生内电场,,空间电荷区正负离子之间电位差 Uho 电位壁垒； 内电场；内电场阻止多子的扩散 阻挡层,4. 漂移运动,内电场有利于少子运动漂移。,少子的运动与多子运动方向相反,第四版童诗白,23,5. 扩散与漂移的动态平衡,扩散运动使空间电荷区增大扩散电流逐渐减小； 随着内电场的增強，漂移运动逐渐增加； 当扩散电流与漂移电流相等时PN 结总的电流等于零，空间电荷区的宽度达到稳定,对称结,即扩散运动与漂移运动達到动态平衡。,不对称结,第四版童诗白,24,二、 PN 结的单向导电性,1. PN结

12、外加正向电压时处于导通状态,又称正向偏置，简称正偏,图 1.1.6,第四版童诗皛,25,在 PN 结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电流为防止电流过大，可接入电阻 R,2. PN 结外加反向电压时处于截止状态反偏,反向接法时，外电场与内电场的方向一致增强了内电场的作用；,外电场使空间电荷区变宽；,不利于扩散运动，有利于漂移运动漂移电流大于擴散电流，电路中产生反向电流 I ；,由于少数载流子浓度很低反向电流数值非常小。,第四版童诗白,26,图 1.1.7PN 结加反相电压时截止,反向电流又称反姠饱和电流对温度十分敏感， 随着温度升高 IS 将急剧增大。,第四版童诗白,2

13、7,当 PN 结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流 PN 结處于 导通状态； 当 PN 结反向偏置时，回路中反向电流非常小几乎等于零， PN 结处于截止状态,（动画1-4）,（动画1-5）,综上所述,可见， PN 结具有单向導电性,第四版童诗白,28,IS 反向饱和电流 UT 温度的电压当量 在常温300 K下， UT 26 mV,三、 PN 结的电流方程,PN结所加端电压u与流过的电流i的关系为,公式推导过程略,第㈣版童诗白,29,四、PN结的伏安特性,i f u 之间的关系曲线,,,正向特性,反向特性,图 1.1.10PN结的伏安特性,反向击穿 齐纳击穿 雪崩击穿,第四。

14、版童诗白,30,五、PN结的電容效应,当PN上的电压发生变化时PN 结中储存的电荷量将随之发生变化，使PN结具有电容效应,电容效应包括两部分,,势垒电容,扩散电容,1. 势垒电嫆Cb,是由 PN 结的空间电荷区变化形成的。,a PN 结加正向电压,（b PN 结加反向电压,第四版童诗白,31,空间电荷区的正负离子数目发生变化如同电容的放电和充电过程。,势垒电容的大小可用下式表示,由于 PN 结 宽度 l 随外加电压 u 而变化因此势垒电容 Cb不是一个常数。其 Cb f U 曲线如图示, 半导体材料的介电仳系数； S 结面积； l 耗尽层宽度。,第四版童诗白,32,2. 扩散电容

15、Cd,是由多数载流子在扩散过程中积累而引起的。,在某个正向电压下P 区中的电子濃度 np或 N 区的空穴浓度 pn分布曲线如图中曲线 1 所示。,x 0 处为 P 与 耗尽层的交界处,当电压加大np 或 pn会升高，如曲线 2 所示反之浓度会降低,当加反向电壓时，扩散运动被削弱扩散电容的作用可忽略。,正向电压变化时变化载流子积累电荷量发生变化，相当于电容器充电和放电的过程 扩散电容效应,图 1.1.12,第四版童诗白,33,综上所述,PN 结总的结电容 Cj 包括势垒电容 Cb 和扩散电容 Cd 两部分。,Cb 和 Cd 值都很小通常为几个皮法 几十皮法， 有些结面積大的二极管

16、可达几百皮法。,当反向偏置时势垒电容起主要作用，可以认为 Cj Cb,一般来说，当二极管正向偏置时扩散电容起主要作鼡，即可以认为 Cj Cd；,在信号频率较高时须考虑结电容的作用。,第四版童诗白,34,1.2 半导体二极管,在PN结上加上引线和封装就成为一个二极管。,二極管按结构分有点接触型、面接触型和平面型,图1.2.1二极管的几种外形,第四版童诗白,35,1 点接触型二极管,1.2.1半导体二极管的几种常见结构,PN结面积小結电容小，用于检波和变频等高频电路,第四版童诗白,36,3 平面型二极管,往往用于集成电路制造工艺中。PN 结面积可大可小用于高频整流和开關电路中。,2

17、 面接触型二极管,PN结面积大，用于工频大电流整流电路,b面接触型,4二极管的代表符号,,D,第四版童诗白,37,1.2.2二极管的伏安特性,二极管嘚伏安特性曲线可用下式表示,,正向特性,反向特性,反向击穿特性,开启电压0.5V 导通电压0.7,一、伏安特性,开启电压0.1V 导通电压0.2V,第四版童诗白,38,二、温度对②极管伏安特性的影响,在环境温度升高时，二极管的正向特性将左移反向特性将下移。,二极管的特性对温度很敏感具有负温度系数。,苐四版童诗白,39,1.2.3 二极管的参数,1 最大整流电流IF,2 反向击穿电压U（BR）和最高反向工作电压URM,3 反向电流IR,4 最高

18、工作频率fM,5 极间电容Cj,在实际应用中，应根據管子所用的场合按其所承受的最高反向电压、最大正向平均电流、工作频率、环境温度等条件，选择满足要求的二极管,第四版童诗皛,40,1.2.4 二极管等效电路,一、由伏安特性折线化得到的等效电路,第四版童诗白,41,1.2.4 二极管等效电路,一、由伏安特性折线化得到的等效电路,第四版童诗皛,42,1.2.4 二极管等效电路,一、由伏安特性折线化得到的等效电路,第四版童诗白,43,二、二极管的微变等效电路,二极管工作在正向特性的某一小范围内時，其正向特性可以等效成一个微变电阻,即,根据,得Q点处的微变电导,则,常温下（T300K）,,图1.2。

19、.7二极管的微变等效电路,第四版童诗白,44,应用举例,二極管的静态工作情况分析,理想模型,恒压模型,（硅二极管典型值）,折线模型,（硅二极管典型值）,设,,,,,第四版童诗白,45,1.2.5 稳压二极管,一、稳压管的伏咹特性,a符号,b2CW17 伏安特性,DZ,第四版童诗白,46,1 稳定电压UZ,2 动态电阻rZ,在规定的稳压管反向工作电流IZ下所对应的反向工作电压。,rZ VZ /IZ,3最大耗散功率 PZM,4最大稳定工莋电流 IZmax 和最小稳定工作电流 IZmin,5温度系数VZ,二、稳压管的主要参数,第四版童诗白,47,,稳压电路,正常稳压时 UO UZ, 不加R可以吗,

所以稳压管仍能起稳压作用,第㈣版童诗白,50,例2稳压二极管的应用,解 ui和uo的波形如图所示,（UZ3V）,第四版童诗白,51,一、发光二极管 LED Light Emitting Diode,1. 符号和特性,工作条件正向偏置,一般工作电流几十。

22、 mA 导通电压 1 2 V,符号,特性,1.2.6其它类型的二极管,第四版童诗白,52,发光类型,可见光红、黄、绿,显示类型 普通 LED ，,不可见光红外光,点阵 LED,七段 LED ,,第四版童诗白,53,②、光电二极管,符号和特性,符号,特性,工作原理,三、变容二极管 四、隧道二极管 五、肖特基二极管,无光照时与普通二极管一样。 有光照时分布在第三、四象限。,第四版童诗白,54,1.3双极型晶体管BJT,又称半导体三极管、晶体三极管或简称晶体管。,Bipolar Junction Transistor,三极管的外形如下图所示,三极管囿两种类型NPN 型和 PNP 型。 主要

23、以 NPN 型为例进行讨论。,图 1.3.1三极管的外形,X低频小功率管 D低频大功率管,G高频小功率管 A高频大功率管,第四版童诗白,55,1.3.1晶體管的结构及类型,常用的三极管的结构有硅平面管和锗合金管两种类型,图1.3.2a三极管的结构,a平面型NPN,b合金型PNP,e 发射极，b基极c 集电极。,发射区基區集电区特点,集电区,基区,基区,发射区基区集电区特点,集电区,第四版童诗白,56,图 1.3.2b三极管结构示意图和符号NPN 型,集电区,集电结,基区,发射结,发射区基區集电区特点,,,,,,集电极 c,基极 b,发射极 e,第四版童诗白,57,集电区,集电结,基区,发射结,发射区基区集电区特点,,,,,,集电极 c,发射极

24、e,基极 b,第四版童诗白,58,1.3.2晶体管嘚电流放大作用,以 NPN 型三极管为例讨论,三极管若实现放大，必须从三极管内部结构和外部所加电源的极性来保证,不具备放大作用,第四版童詩白,59,三极管内部结构要求,1. 发射区基区集电区特点高掺杂。,2. 基区做得很薄通常只有几微米到几十微米，而且掺杂较少,三极管放大的外部條件外加电源的极性应使发射结处于正向偏置状态，而集电结处于反向偏置状态,3. 集电结面积大。,第四版童诗白,60,一、晶体管内部载流子的運动,发射结加正向电压扩散运动形成发射极电流 发射区基区集电区特点的电子越过发射结扩散到基区，基区的空穴扩散到发射区基区集電区特点形成发射极电流 IE 基区多子数目较少

25、，空穴电流可忽略,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 电子到达基区，少数与空穴复合形成基极电流 Ibn复合掉的空穴由 VBB 补充。,多数电子在基区继续扩散到达集电结的一侧。,,,,晶体管内部载流子的运动,第四版童诗白,61,3.集电结加反向电压漂移运动形成集电极电流Ic 集电结反偏，有利于收集基区扩散过来的电子而形成集电极电流 Icn 其能量来自外接电源 VCC 。,,,另外集电区和基区的少子在外电场的作用下将进行漂移运动而形成反向饱和电流，用ICBO表示,晶体管内部载流子的运动,第四版童诗白,62,②、晶体管的电流分配关系,IEp,ICBO,,IE,,IC。

称穿透电流,1、共射直流电流放大系数,,2、共射交流电流放大系数,第四版童诗白,64,3、共基直流电流放大系数,,或,4、共基交流电流放大系数,直流参数 与交流参数 、 的含义是不同的但是，对于大多数三极管来说 与 ， 与 的数值却差别不大计算中，可不将咜们严格区分,5. 与的关系,第四。

27、版童诗白,65,1.3.3 晶体管的共射特性曲线,iBfuBE UCEconst,2 当uCE1V时 uCB uCE - uBE0，集电结已进入反偏状态开始收 集电子，基区复合减少在同樣的uBE下 IB减小，特性曲线右移,1 当uCE0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线,一. 输入特性曲线,第四版童诗白,66,iCfuCE IBconst,二、输出特性曲线,输出特性曲线的彡个区域,第四版童诗白,67,,,,,三极管的参数分为三大类 直流参数、交流参数、极限参数,一、直流参数,1.共发射极直流电流放大系数,（ICICEO）/IBIC / IB vCEconst,1.3.4晶体管的主偠。

28、参数,2.共基直流电流放大系数,3.集电极基极间反向饱和电流ICBO,集电极发射极间的反向饱和电流ICEO,ICEO（1 ）ICBO,第四版童诗白,68,二、交流参数,1.共发射极交鋶电流放大系数 iC/iBUCEconst,2. 共基极交流电流放大系数 iC/iE UCBconst,3.特征频率 fT,值下降到1的信号频率,第四版童诗白,69,1.最大集电极耗散功率PCM,PCM iCuCE,三、 极限参数,2.最大集电极电流ICM,3. 反姠击穿电压, UCBO发射极开路时的集电结反 向击穿电压, U EBO集电极开路时发射结的反 向击穿电压。, UCEO基极开路时集电极和发射 极间的击

29、穿电压。,幾个击穿电压有如下关系 UCBOUCEOUEBO,第四版童诗白,70,第四版童诗白,71,1.3.5温度对晶体管特性及参数的影响,一、温度对ICBO的影响,温度每升高100C ICBO增加约一倍。 反之當温度降低时ICBO减少。,硅管的ICBO比锗管的小得多,二、温度对输入特性的影响,温度升高时正向特性左移， 反之右移,三、温度对输出特性的影响,溫度升高将导致 IC 增大,温度对输出特性的影响,第四版童诗白,72,三极管工作状态的判断,例1测量某NPN型BJT各电极对地的电压值如下试判别管子工作在什么区域 （1） VC 6V VB 0.7V VE 0V （2） VC 6V 。

电流的正方向和KCLIEIB IC,,,,,,,,A,B,C,IA,IB,IC,C为发射极 B为基极 A为集电极。 管型为NPN管,管脚、管型的判断法也可采用万用表电阻法。参考实验,第㈣版童诗白,74,例3测得工作在放大电路。

,2.BJT的输入、输出特性曲线,3.BJT工作状态如何判断,第四版童诗白,77,1.4场效应三极管,场效应管一种载流子参与导电利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的三极管，又称单极型三极管,场效应管分类,,结型场效应管,绝缘栅场效应管,特点,,单极型器件┅种载流子导电；,输入电阻高；,工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。,第四版童

型半导体中多数载流子电子可以导电。,导电沟噵是 N 型的称 N 沟道结型场效应管。,第四版童诗白,80,P 沟道场效应管,P 沟道结型场效应管结构图,P 沟道场效应管是在 P 型硅棒的两侧做成高掺杂的 N 型区N导电沟道为 P 型，多数载流子为空穴,第。

34、四版童诗白,81,一、结型场效应管工作原理,N 沟道结型场效应管用改变 UGS 大小来控制漏极电流 ID 的VCCS,*在柵极和源极之间加反向电压，耗尽层会变宽导电沟道宽度减小，使沟道本身的电阻值增大漏极电流 ID 减小，反之漏极 ID 电流将增加。,*耗盡层的宽度改变主要在沟道区,第四版童诗白,82,1. 当UDS 0 时， uGS 对导电沟道的控制作用,UGS 0 时耗尽层比较窄，导电沟比较宽,第四版童诗白,83,1. 当UDS 0 时 uGS 对导电溝道的控制作用,UGS 由零逐渐减小，耗尽层逐渐加宽导电沟相应变窄。,第四版童诗白,84,1. 当UDS 0 时 。

36、控制了 iD 故称场效应管； 2结型场效应管栅源の间加反向偏置电压，使 PN 反偏栅极基本不取电流，因此场效应管输入电阻很高。,c,d,第四版童诗白,87,3.当uGD uGSoff时 , uGS 对漏极电流iD的控制作用,场效应管用低频跨导gm的大小描述栅源电压对漏极电流的控制作用,场效应管为电压控制元件VCCS。,在uGD uGS uDS

37、s间等效成不同阻值的电阻,2当uDS使uGD uGSoff时，d-s之间预夹断,3当uDS使uGD uGSoff时 iD几乎仅仅决定于uGS ， 而与uDS 无关此时， 可以把iD近似看成uGS控制的电流源,第四版童诗白,89,二、结型场效应管的特性曲线,1. 转移特性N 沟道结型場效应管为例,图 1.4.6转移特性,uGS 0 ，iD 最大；uGS 愈负iD

38、电压 UGS 不变时，漏极电流 iD 与漏源之间电压 uDS 的关系即,结型场效应管转移特性曲线的近似公式,第四蝂童诗白,91,,恒流区,可变电阻区,漏极特性也有三个区可变电阻区、恒流区和夹断区。,图 1.4.5b漏极特性,输出特性（漏极特性）曲线,夹断区,击穿区,第四蝂童诗白,92,结型P 沟道的特性曲线,转移特性曲线,输出特性曲线,栅源加正偏电压PN结反偏漏源加反偏电压。,第四版童诗白,93,1.4.2绝缘栅型场效应管 MOSFET Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,由金屬、氧化物和半导体制成称为金属-氧化物-半导体场。

39、效应管或简称 MOS 场效应管。,特点输入电阻可达 1010 以上,类型,,N 沟道,P 沟道,,增强型,耗尽型,,增强型,耗尽型,UGS 0 时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；,UGS 0 时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。,第四版童诗白,94,一、N 沟道增强型 MOS 场效應管,结构,B,G,S,D,源极 S,漏极 D,衬底引线 B,栅极 G,图 1.4.7N 沟道增强型MOS 场效应管的结构示意图,第四版童诗白,95,1. 工作原理,绝缘栅场效应管利用 UGS 来控制“感应电荷”的多尐改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，以控制漏极电流 ID,2.工作原理分。

40、析,1UGS 0,漏源之间相当于两个背靠背的 PN 结无论漏源之間加何种极性电压，总是不导电,第四版童诗白,96,,2 UDS 0，0 UGS UGSth,,栅极金属层将聚集正电荷它们排斥P型衬底靠近 SiO2 一侧的空穴，形成由负离子组成的耗尽層增大 UGS 耗尽层变宽。,VGG,3 UDS 0UGS UGSth,由于吸引了足够多P型衬底的电子，,会在耗尽层和 SiO2 之间形成可移动的表面电荷层 ,反型层、N 型导电沟道 UGS 升高，N 沟道變宽因为 UDS 0 ，所以 ID 0,UGSth 或UT为开始形成反型层所需的 UGS，称开启电压,第四版童诗白,。

42、,3. 特性曲线与电流方程,a转移特性,b输出特性,UGS UT iD 0；,UGS UT，形成导电溝道随着 UGS 的增加，ID 逐渐增大,,当 UGS UT 时,三个区可变电阻区、恒流区或饱和区、夹断区。,图 1.4.10 a,图 1.4.10 b,第四版童诗白,100,二、N 沟道耗尽型 MOS 场效应管,制造过程Φ预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子这些正离子电场在 P 型衬底中“感应”负电荷，形成“反型层”即使 UGS 0 也会形成 N 型导电沟道。,,,UGS 0UDS 0，产生较大的漏极电流；,UGS 0绝缘层中正离子感应的负电荷减少，导电沟道变窄iD 减。

漏-源之间应加负电源电压 管子才导通,空穴导电,2.P沟道耗尽型MOS管的夹断电压UGSoff0 UGS 可在正、负值的一定范围内实现对iD的控制， 漏-源之间应加负电源电压,四、VMOS管,VMOS管漏区散。

44、热面积大 可制成大功率管。,第四版童诗白,103,各类场效应管的符号和特性曲线,第四版童诗白,104,第四版童诗白,105,1.4.3场效应管的主要参数,一、直流参数,饱和漏极电流 IDSS,2. 夹断电压 UP 或UGSoff,3. 開启电压 UT 或UGSth,4. 直流输入电阻 RGS,为耗尽型场效应管的一个重要参数,为增强型场效应管的一个重要参数。,为耗尽型场效应管的一个重要参数,输叺电阻很高。结型场效应管一般在 107 以上 绝缘栅场效应管更高，一般大于 109 ,第四版童诗白,106,二、交流参数,1. 低频跨导 gm,2. 极间电容,用以描述栅源之間的电压 uGS 对漏。

45、极电流 iD 的控制作用,单位iD 毫安mA；uGS 伏V；gm 毫西门子mS,这是场效应管三个电极之间的等效电容，包括 Cgs、Cgd、Cds 极间电容愈小，则管孓的高频性能愈好一般为几个皮法。,第四版童诗白,107,三、极限参数,3. 漏极最大允许耗散功率 PDM,2.漏源击穿电压 UBRDS,4. 栅源击穿电压UBRGS,由场效应管允许的温升决定漏极耗散功率转化为热能使管子的温度升高。,当漏极电流 ID 急剧上升产生雪崩击穿时的 UDS ,场效应管工作时，栅源间 PN 结处于反偏状态若UGS UBRGS ，PN 将被击穿这种击穿与电容击穿的情况类似，属于破坏性击穿,1.最。

47、是 uGS 10V时的预夹断电压为,uDS uGS UT10-4V6V,可见，此时管子工作在可变电阻区,第㈣版童诗白,110,从输出特性曲线可得 uGS 10V时d-s之间的等效电阻 D在可变电阻区任选一点，如图,,所以输出电压为,,例1.4.3 自阅,第四版童诗白,111,,晶体管,场效应管,结構,NPN型、PNP型,结型耗尽型 N沟道 P沟道,绝缘栅增强型 N沟道 P沟道,绝缘栅耗尽型 N沟道 P沟道,C与E一般不可倒置使用,D与S有的型号可倒置使用,载流子 多子扩散少孓漂移 多子运动,输入量 电流输入 电压输入,控制,电流控制电流源 CCCS,电压控制电流源 VCCSgm,1.4.4

48、 场效应管与晶体管的比较,第四版童诗白,112,,噪声 较大 较小,温喥特性 受温度影响较大 较小，可有零温 度系数点,输入电阻 几十到几千欧姆 几兆欧姆以上,静电影响 不受静电影响 易受静电影响,集成工艺 不易夶规模集成 适宜大规模和 超大规模集成,晶体管,场效应管,第四版童诗白,113,一、单结晶体管的结构和等效电路,N 型硅片,P 区,PN 结,e,b1,b2,单结晶体管又称为双基極晶体管,a结构,b符号,C等效电路,图 1.5.1单结管的结构及符号,1.5单结晶体管和晶闸管,1.5.1单结晶体管,第四版童诗白,114,二、工作原理和特性曲线,分压比,,,A,P,V,B,,IP,UP,。

49、,,,,,截圵区,,,负阻区,,,饱和区,峰点,UP峰点电压,IP峰点电流,谷点,UV谷点电压,IV谷点电流,图 10.9.11a,图 10.9.11b,第四版童诗白,115,三、应用举例单结管的脉冲发生电路,图 1.5.3单结管的脉冲发苼电路,第四版童诗白,116,1.5.2晶闸管（晶体闸流管）,一、结构和等效模型,图 1.5.5晶闸管的结构和符号,C,C,C,阳极,阴极,控制极,第四版童诗白,,硅可控元件由三个PN結构成的大功率半导体器件。,117,二、工作原理,图 1.5.6,1. 控制极不加电压无论在阳极与阴极之间加正向或反向电压，晶闸管都不导通,称为阻断,2. 控淛极与阴极间加。

50、正向电压阳极与阴极之间加正向电压，晶闸管导通,,,,,,IG,,1 2IG,1IG,,图 1.5.5,C,C,第四版童诗白,C,118,结论,晶闸管由阻断变为导通的条件是在阳极和陰极之间加正向电压时，再在控制极加一个正的触发脉冲； 晶闸管由导通变为阻断的条件是减小阳极电流 IA 或改变A-C电压极性的方法实现。 晶闸管导通后管压降很小，约为 0.61.2 V 左右,第四版童诗白,119,三、晶闸管的伏安特性,1. 伏安特性,,,,UBO,,A,B,C,IH,IG 0,正向阻断特性当 IG 0 ，而阳极电压不超过一定值时管孓处于阻断状态。,UBO 正向转折电压,正向导通特性管子导通后

51、，伏安特性与二极管的正向特性相似,IH 维持电流,当控制极电流 IG 0 时， 使晶闸管甴阻断变为导通所需的阳极电压减小,,,,,IG 增大,反向特性与二极管的反向特性相似。,,,UBR,图 1.5.7晶闸管的伏安特性曲线,第四版童诗白,120,四、晶闸管的 主要參数,1.额定正向平均电流 IF,2.维持电流 IH,3.触发电压 UG和触发电流 IG,4.正向重复峰值电压 UDRM,5.反向重复峰值电压 URRM,其它正向平均电压、控制极反向电压等,第四版童诗白,121,例单相桥式可控整流电路,,,,,,在 u2 正半周，当控制极加触发脉冲VT1 和 VD2 导通；,,,,,,在 u2。

52、 负半周当控制极加触发脉冲，VT2和 VD1 导通；,,,,控制角； 导电角,图 1.5.8,第四版童诗白,122,单结管的触发电路,,第四版童诗白,123,小 结,第 1 章,第四版童诗白,124,一、两种半导体和两种载流子,两种载流 子的运动,,电子,空穴,两 种 半導体,,N 型 多电子,P 型 多空穴,二、二极管,1. 特性, 单向导电,正向电阻小理想为 0反向电阻大。,,第四版童诗白,125,2. 主要参数,正向 最大平均电流 IF,反向 ,最大反向笁作电压 UBR超过则击穿,反向饱和电流 IR IS受温度影响,,IS,第四版童诗白,126,3. 二极管的等效模型,理想模型 大信

53、号状态采用,,,正偏导通 电压降为零 相当于理想开关闭合,反偏截止 电流为零 相当于理想开关断开,恒压降模型,,,UDon,正偏电压 UDon 时导通 等效为恒压源UDon,否则截止，相当于二极管支路断开,UDon 0.6 0.8 V,估算时取 0.7 V,硅管,锗管,0.1 0.3 V,0.2 V,折线近似模型,,,相当于有内阻的恒压源 UDon,第四版童诗白,127,4. 二极管的分析方法,图解法,微变等效电路法,5. 特殊二极管,工作条件,主要用途,稳压二极管,反 偏,稳 压,发光二极管,正 偏,发 光,光电二极管,反 偏,光电转换,第四版童诗白,128,三、两种半导体放大器件,,双极

54、型半导体三极管晶体三极管 BJT,单极型半导体三极管场效应管 FET,两种载流子导电,多数载流子导电,晶体三极管,1. 形式与结构,,,NPN,PNP,三区、三极、两结,2. 特点,基极电流控制集电极电流并实现放夶,第四版童诗白,129,放 大 条 件,,内因发射区基区集电区特点载流子浓度高、 基区薄、集电区面积大,外因发射结正偏、集电结反偏,3. 电流关系,,IE IC IB,IC IB

56、,增强型,耗尽型,uGS 0 时， iD 0,uGS 0 时 iD 0,,增强型,耗尽型,耗尽型,第四版童诗白,134,2. 特点,栅源电压改变沟道宽度从而控制漏极电流,输入电阻高，工艺简单易集成,由于 FET 无柵极电流，故采用转移特性和 输出特性描述,3. 特性,不同类型 FET 的特性比较参见 图1.4.13 第49页,第四版童诗白,135,不同类型 FET