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1.1 半导体基础知识
根据导电能力不同，分为导体、绝缘体和半导体。
常用的半导体材料有硅（Si）和锗（Ge）。
半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间，并且会随温度、光照或掺杂某些杂质而发生显著变化。
*物质的导电能力取决于原子结构。
1.1.1 本征半导体
将纯净半导体经过一定工艺过程制成的单晶体为本征半导体。
T=0K（T=-273℃）时，半导体不能导电，如同绝缘体。
热激发：温度升高，将会产生少量自由电子，导电能力微弱，同时在云共价键中留下一个空穴位（空穴即电子离开原有位置时留下的空位，由于原有结构失去了电子，则使得空穴可看作呈正电，具有吸引自由电子的能力）。
*电子的填补运动相当于带正电荷的空穴在运动，称为空穴运动。
结论：
1.半导体区别于金属导体的一个重要特点：在半导体中存在两种运载电荷的粒子，即载流子（热激发）：带负电的自由电子和带正电的空穴。
2.本征半导体中自由电子和空穴总是成对产生，成为电子-空穴对，两种载流子浓度相同。
3.本征半导体载流子浓度太低，导电能力很差。
4.当自由电子填补空穴时，叫做复合。
5.在一定温度下，电子-空穴对的产生和复合运动达到了平衡，使电子-空穴的浓度一定。
6.随温度的升高，载流子的浓度基本上呈指数规律增加，本征半导体的导电能力与温度环境密切相关。
1.1.2 杂质半导体
掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。（在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电特性发生显著变化）。
对于杂质半导体，从总体上看，仍然保持电中性。
N型半导体（Negative）：掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。
P型半导体（Positive）：掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。
（一）N型半导体：作为正极，提供自由电子。
其中自由电子是多数载流子（多子），主要由杂质原子提供；
空穴是少数载流子（少子），由本征激发（热激发）形成。
在N型区中，多子电子的浓度等于正离子的浓度与少子空穴的浓度之和。
（二）P型半导体：作为负极，提供空穴。
其中空穴是多数载流子（多子），主要由杂质原子提供；
自由电子是少数载流子（少子），由本征激发（热激发）形成。
在P型区中，多子空穴的浓度等于负离子的浓度与少子电子的浓度之和。
总结：
1.杂质半导体中，多子的浓度主要取决于掺入杂质的浓度，而少子的浓度主要取决于温度的变化。
2.N型半导体主要靠自由电子导电，掺入的杂质元素越多，自由电子的浓度越高，导电性能越强。
3.P型半导体主要靠空穴导电，掺入的杂质元素越多，空穴的浓度越高，导电性能越强。
1.2 PN结及其单向导电性
1.2.1 PN结的形成
采用不同的掺杂工艺，将P型半导体和N型半导体制作在同一块硅片上，在其交界面附近则会形成PN结。
交界面两侧的电子和空穴浓度相差悬殊，P型区的多子空穴将向N型区扩散，同时N型区的多子自由电子将向P型区扩散。
电子与空穴相遇会复合消失，于是在交界面处会形成一个由不能移动的正负离子组成的空间电荷区，即PN结。因为空间电荷区缺少可自由运动的载流子，所以又称为耗尽层。
P区带负电，N区带正电。
多子的扩散破坏了电中性，形成了内电场，内电场将阻止多子的扩散但利于少子的运动，将少子在内电场作用下的定向移动成为漂移运动。
总结：
在PN结中进行着两种载流子的运动：多子的扩散运动与少子的漂移运动。在无外电场和其他激发作用下，这两种运动将达到动态平衡。
1.2.2 PN结的单向导电性
（一）PN结外加正向电压时处于导通状态
当外加电压使PN结中P区电位高于N区电位，称为加正向电压，此时PN结状态称为正向偏置，简称正偏。
（二）PN结外加反向电压时处于截止状态
当外加电压使PN结中N区电位高于P区电位，称为加反向电压，此时PN结状态称为反向偏置，简称反偏。
总结：
PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流；
PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流；
即PN结具有单向导电性。
1.3 二极管
1.3.1 二极管的结构
将PN结用外壳进行封装，并加上电极引线就构成了二极管。
由P型区引出的电极为阳极；由N型区引出的电极为阴极。
按制造二极管的材料分，有硅二极管和锗二极管。
按结构分，有点接触型二极管、面接触型二极管和平面型二极管等
1.3.2 二极管的伏安特性
1.正向特性：正向电压低于某一数值时，正向电流很小，几乎为0，只有当正向电压高于某一数值后，才会有明显的正向电流。
*该电压称为导通电压，又称为门限电压或死区电压，用Uon表示。
通常认为当正向电压U<Uon时，二极管截止；
U>Uon时，二极管导通。
2.反向特性：二极管加反向电压，反向电流数值很小。
当反向电压超过零点几伏以后，反向电流不再随着反向电压而增大，基本不变，达到饱和称为反向饱和电流Is。
当反向电压加到一定数值UBR时，反向电流急剧增加，产生击穿，UBR为反向击穿电压。击穿后，二极管不再具有单向导电性。
*二极管被击穿不意味着二极管被损坏。反向击穿时，反向电流过大可能会导致二极管过热烧毁；当反向电压降低后，二极管的性能仍可恢复正常。
二极管方程（PN结伏安特性表达式）：
*Is为反向饱和电流，UT为温度的电压当量，常温下UT=26mv。
当U<0且|U|>>UT时：
当U>0且U>>UT时：
1.3.3 二极管的主要参数
（1）最大整流电流IF
为二极管允许通过的最大正向平均电流。
工作时应使平均工作电流小于IF，否则二极管将过热而烧毁。
（2）最大反向工作电压UR
为二极管允许的最大工作电压。
当反向电压超过此值时，二极管可能被击穿，为了留有余地，通常取击穿电压的一半作为UR。
（3）反向电流IR
为二极管未击穿时的反向电流值。
此值越小，二极管的单向导电性越好。
由于反向电流是由少数载流子形成，所以IR受温度影响很大。
（4）最高工作频率fM。
fM的值主要取决于PN结电容的大小，结电容越大，则二极管允许的最高工作频率越低。
1.3.4 二极管的应用
二极管的应用基础是二极管的单向导电性。
在应用电路中，关键是判断二极管的导通和截止。
理想二极管导通时正向压降为0，截止时反向电流为0。
1.4 稳压管
采用特殊工艺制成在反向状态下工作而不损坏的二极管就为稳压管（即单向击穿二极管，又称齐纳二极管）。
*利用了二极管反向击穿时，流过二极管的电流急剧增大但其两端电压几乎不变的特性。
稳定电压Uz为击穿电压UBR。
稳压管的正向特性与普通二极管相同。
稳压条件：电击穿，且稳压管的伏安特性：
稳压管的主要参数：
（1）稳定电压Uz：稳压管正常工作时两端的电压值。
（2）稳定电流Iz：稳压管工作在稳压状态时的参考电流。
（3）最小工作电流Izmin：稳压管能够正常稳压所必须的最小工作电流。（电流低于此值时稳压效果变差，甚至不稳压）
（4）最大工作电流Izmax：稳压管能够正常稳压最大工作电流。（电流高于此值时会因PN结温度过高而损坏）
（5）最大耗散功率Pzm：
（稳压管的功耗超过Pzm时会因PN结温度过高而损坏）
限流电阻：
稳压管电路中必须串联一个电阻来限制电流，使稳压管的工作电流在最小工作电流和最大工作电流之间，防止超过最大耗散功率而损坏。
1.5 双极型晶体管（半导体三极管，晶体管）
1.5.1 晶体管的常见外形
（a）、（b）为小功率管，（c）为中功率管、（d）为大功率管
1.5.2 晶体管结构及类型
两种类型：PNP型（即P型半导体）、NPN型（即N型半导体）
包含有两个PN结（集电结、发射结）、三个区（集电区、基区、发射区）、三个电极（发射极e、基极b、集电极c）。
*此为NPN型
PNP型与NPN型晶体管结构不同，但工作原理相同。
晶体管电路符号中的箭头表示晶体管工作时发射极电流的实际方向。
注意使用时，两种晶体管的电源极性相反。
晶体管的工艺特点：
（1）中间基区很薄，且掺入杂质浓度最低。
（2）发射区和集电区半导体类型相同，但发射区中杂质浓度远大于集电区的杂质浓度。
*其工艺特点使晶体管产生了电流控制和放大作用。
1.5.3 晶体管的连接方式
*“共”的意思为输入和输出的公共端
1.5.4 晶体管的电流控制作用
1.基本共射放大电路
发射极为输入输出的公共端的放大电路，称为基本共射放大电路。
ui是要放大的输入信号；
uo是要放大以后的输出信号；
VBB是基极电源，使晶体管的发射结处在正向偏置状态；
VCC是集电极电源，使晶体管的集电结处在反向偏置状态；
Rc是集电极电阻
2.基本共射放大电路晶体管内部载流子运动
三个过程：
（1）发射区向基区发射电子
（2）电子在基区中的扩散与复合
（3）集电结收集电子
3.晶体管的电流分配和的电流放大系数
晶体管的三个电极的电流满足节点电流定律，即
晶体管的电流分配关系：晶体管发射极发射的电子绝大多数通过基区达到集电区，只有少数电子在基区与空穴复合
晶体管的电流放大作用：当晶体管的基极电流有一个小的变化量△IB，会引起集电极电流有一个较大的变化量△Ic。
1.5.5 晶体管的共射特性曲线
1.输入特性曲线
当晶体管电压降（管压降）UCE不变时，输入回路中的基极电流IB与发射结电压降UBE之间的关系曲线称为输入特性，即：
特点：输入特性曲线上也有一个开启电压。在开启电压内，IB几乎为0；当UBE的值大于开启电压后，IB的值随UBE的增加按指数规律增大。
2.输出特性曲线
当IB不变时，输出回路中的集电极电流Ic与管压降UCE之间的关系曲线称为输出特性，即：
*当IB改变时，Ic和UCE是一组平行的曲线。
（1）截止区
IB=0特性曲线一下的区域称为截止区。
此时Ic近似为0，三极管无电流放大作用。
在截止区，三极管的发射结合集电结均处于反向偏置状态。
（2）放大区
在曲线上比较平坦的部分是放大区，表示当IB一定时，Ic的值基本上不随UCE而变化。
发射结正向偏置uBE>UON，集电结反向偏置。
在该区域内，当基极电流发生微小的变化量△IB时，相应的集电极电流将产生较大的变化量△Ic，此时：
工作在放大区的晶体管才有电流放大作用，此时晶体管相当于一个输出电流ic收ib控制的受控电流源。
（3）饱和区
曲线靠近纵轴，各条输出特性曲线的上升部分属于饱和区。
此时三极管失去放大作用。
在该区域，不同的IB值的各条特性曲线几乎重叠在一起。
当UCE较小时时，管子的集电极电流Ic基本上不随基极电流IB而变化，这种现象称为饱和。
三极管工作在饱和区时，发射结和集电结都处于正向偏置。
一般认为UCE=UBE时，三极管处于临界饱和状态，当UCE<UBE时称为过饱和。
*数字电路中的各种开关电路就是利用晶体管的截止和饱和状态，实现开关的断/通特性。
1.5.6 晶体管的主要参数
1.共射电流放大系数
当交流输出信号ui为0时，晶体管各极间的电压和电流都是直流分量，此时集电极电流Ic与基极电流IB之比为共射直流放大系数，即：
当有交流信号输入时，交流信号必然会引起Ic和IB的变化，两电流变化量的比为共射交流放大系数，即：
2.极间反向饱和电流
3.极限参数
（1）集电极最大允许电流ICM
晶体管的集电极电流在相当大的范围内，β基本不变，使β明显减少的ic即为ICM。
（2）集电极允许最大功耗PCM。当晶体管工作时，管子两端电压为UCE，集电极电流为Ic，因此集电极损耗的功率为
4.温度对晶体管参数的影响
（1）温度对β的影响
β随温度升高而增大，温度每升高1℃，β值增大0.5%~1%。
（2）温度对ICEO的影响
ICEO是由少子漂移运动形成，温度每上升10℃，ICEO约上升1倍。
（3）温度对发射结电压UCE的影响
温度上升1℃，UCE将下降2~2.5V。
总结：
随温度上升，β值将增大，Ic也将增大，UCE将下降，对晶体管的放大作用不利，使用中应采取相应措施克服温度的影响。
思考题
1.能否将1.5V的干电池以正向法接到二极管两端？
答：不能。因二极管的正向电流与其端电压成指数关系，当端电压为1.5V时，管子会因电流过大而烧坏。
2.某一只晶体管的PCM=100mW，UCEO=20V，ICM=20mA。
（1）若UCE=2V，Ic=4mA，该管子能否正常工作？
（2）若UCE=2V，Ic=4mA，该管子能否正常工作？
答：
（1）不能，因Ic>ICM
（2）能，因Pc=75mW<PCM，Ic<ICM
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