第一章 雙極型半導(dǎo)體器件

1、第一章 雙極型半導(dǎo)體器件電子技術(shù)電子技術(shù)第一章第一章 雙極型半導(dǎo)體器件雙極型半導(dǎo)體器件 1.1 半導(dǎo)體的基本知識(shí)半導(dǎo)體的基本知識(shí) 1.2 PN 結(jié)結(jié) 1.3半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管 1.4特殊二極管特殊二極管 1.5 半導(dǎo)體三極管半導(dǎo)體三極管下一頁上一頁首 頁1.1.1 1.1.1 導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體導(dǎo)體：導(dǎo)體：自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體導(dǎo)體，金屬一般都是，金屬一般都是導(dǎo)體，如鐵、銅、鋁等。導(dǎo)體，如鐵、銅、鋁等。絕緣體絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為絕緣體絕緣體，如橡皮、陶瓷、，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。塑料和石英

2、。半導(dǎo)體：半導(dǎo)體：另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱為另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱為半導(dǎo)體半導(dǎo)體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。半導(dǎo)體半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理不同于其它物質(zhì)，其特點(diǎn)為：的導(dǎo)電機(jī)理不同于其它物質(zhì)，其特點(diǎn)為： 當(dāng)受外界熱和光的作用時(shí)，它的導(dǎo)電能力明顯變化。當(dāng)受外界熱和光的作用時(shí)，它的導(dǎo)電能力明顯變化。 往純凈半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會(huì)使其導(dǎo)電能力明顯改變。往純凈半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會(huì)使其導(dǎo)電能力明顯改變。1-1 1-1 半導(dǎo)體的基本知識(shí)半導(dǎo)體的基本知識(shí)下一頁上一頁首 頁1.1.2 1.1.2 本征半導(dǎo)體本征半

3、導(dǎo)體GeSi在絕對(duì)零度以下，本征半導(dǎo)體中無活躍載流子，不導(dǎo)電在絕對(duì)零度以下，本征半導(dǎo)體中無活躍載流子，不導(dǎo)電用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，最外層電子（價(jià)電子）都是四個(gè)。用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，最外層電子（價(jià)電子）都是四個(gè)。本征半導(dǎo)體：本征半導(dǎo)體：完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。形成共價(jià)鍵后，每個(gè)原子最外層電子是八個(gè)，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。形成共價(jià)鍵后，每個(gè)原子最外層電子是八個(gè)，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。+4+4+4+4共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)束縛電子束縛電子下一頁上一頁首 頁1.1.3 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會(huì)使半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)

4、，就會(huì)使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導(dǎo)體的某種的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加。載流子濃度大大增加。P 型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體：在硅或鍺晶體中摻入少量的三價(jià)元素，如硼在硅或鍺晶體中摻入少量的三價(jià)元素，如硼(或或 銦銦)而形成，而形成，也稱為（空穴半導(dǎo)體）。也稱為（空穴半導(dǎo)體）。N 型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體：在硅或鍺晶體中摻入少量的五價(jià)元素磷（或銻）在硅或鍺晶體中摻入少量的五價(jià)元素磷（或銻） 而形成。而形成。也稱為（電子半導(dǎo)體）。也稱為（電子半導(dǎo)體）。+4+4+5+4多余多余電子電子磷原子磷原子+N 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體N 型半導(dǎo)體中的型半導(dǎo)體中的載流子是什么

5、？載流子是什么？自由電子自由電子為為多數(shù)載流子（多子）多數(shù)載流子（多子）空穴稱為少數(shù)載流子（少子）空穴稱為少數(shù)載流子（少子）+N 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體自由電子自由電子為為多子多子空穴是多子空穴是多子P 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體雜質(zhì)雜質(zhì)型半導(dǎo)體多子和少子的移動(dòng)都能形成電流。型半導(dǎo)體多子和少子的移動(dòng)都能形成電流。但由于數(shù)量的關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是多子但由于數(shù)量的關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是多子。近似認(rèn)為多子與雜質(zhì)濃度相等。近似認(rèn)為多子與雜質(zhì)濃度相等。下一頁上一頁首 頁P(yáng)型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)E漂移運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)

6、逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。荷區(qū)越寬。內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，就使漂移內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，就使漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移使空運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。間電荷區(qū)變薄?？臻g電荷區(qū)，空間電荷區(qū)，也稱耗盡層。也稱耗盡層。1.2 PN 結(jié)結(jié)2.1.1 2.1.1 PNPN 結(jié)的形成結(jié)的形成+所以擴(kuò)散和漂移這一對(duì)相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到平衡，所以擴(kuò)散和漂移這一對(duì)相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到平衡，相當(dāng)于兩個(gè)區(qū)之間沒有電荷運(yùn)動(dòng)，空間電荷區(qū)的厚相當(dāng)于兩個(gè)區(qū)之間沒有電荷運(yùn)動(dòng)，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。度固定不變。1.2 . 2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦?PN 結(jié)結(jié)外加正向電壓外加正向電壓： P 區(qū)接正、區(qū)接正、N 區(qū)接負(fù)電壓區(qū)接負(fù)電壓 PN

7、 結(jié)結(jié)加上反向電壓加上反向電壓： P區(qū)區(qū)加負(fù)、加負(fù)、N 區(qū)加正電壓區(qū)加正電壓PNPN內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)外電場(chǎng)變薄變薄結(jié)論：結(jié)論：P N 結(jié)導(dǎo)通結(jié)導(dǎo)通內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)外電場(chǎng)變厚變厚結(jié)論：結(jié)論：P N 結(jié)截止結(jié)截止下一頁上一頁首 頁1.3 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管一、基本結(jié)構(gòu)一、基本結(jié)構(gòu)PN 結(jié)加上管殼和引線，就成為半導(dǎo)體二極管。結(jié)加上管殼和引線，就成為半導(dǎo)體二極管。引線引線外殼線外殼線觸絲線觸絲線基片基片點(diǎn)接觸型點(diǎn)接觸型PN結(jié)結(jié)面接觸型面接觸型PN二極管的電路符號(hào)：二極管的電路符號(hào)：1.3PN二、伏安特性二、伏安特性UI死區(qū)電壓死區(qū)電壓 硅管硅管0.6V,鍺管鍺管0.2V。導(dǎo)通壓降導(dǎo)通壓降:

8、: 硅硅管管0.60.7V,鍺鍺管管0.20.3V。反向擊穿反向擊穿電壓電壓UBR下一頁上一頁首 頁三、主要參數(shù)三、主要參數(shù)1. 最大整流電流最大整流電流 IOM二極管長期使用時(shí)，允許流過二極管的最大二極管長期使用時(shí)，允許流過二極管的最大正向平均電流。正向平均電流。2. 反向擊穿電壓反向擊穿電壓UBR二極管反向擊穿時(shí)的電壓值。擊穿時(shí)反向電二極管反向擊穿時(shí)的電壓值。擊穿時(shí)反向電流劇增，二極管的單向?qū)щ娦员黄茐模踔亮鲃≡?，二極管的單向?qū)щ娦员黄茐?，甚至過熱而燒壞。手冊(cè)上給出的最高反向工作電過熱而燒壞。手冊(cè)上給出的最高反向工作電壓壓UWRM一般是一般是UBR的一半。的一半。1.3下一頁上一頁首 頁

9、3. 反向電流反向電流 IR指二極管加反向峰值工作電壓時(shí)的反向電流。反向電流大，指二極管加反向峰值工作電壓時(shí)的反向電流。反向電流大，說明管子的單向?qū)щ娦圆?，因此反向電流越小越好。反向說明管子的單向?qū)щ娦圆?，因此反向電流越小越好。反向電流受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流要比硅管大幾十到幾百倍。電流較小，鍺管的反向電流要比硅管大幾十到幾百倍。以上均是二極管的直流參數(shù)，二極管的應(yīng)用是主要利用以上均是二極管的直流參數(shù)，二極管的應(yīng)用是主要利用它的單向?qū)щ娦?，主要?yīng)用于整流、限幅、保護(hù)等等。下面它的單向?qū)щ娦?，主要?yīng)用

10、于整流、限幅、保護(hù)等等。下面介紹兩個(gè)交流參數(shù)。介紹兩個(gè)交流參數(shù)。1.3下一頁上一頁首 頁4. 微變電阻微變電阻 rDiDuDIDUDQ iD uDrD 是二極管特性曲線上工是二極管特性曲線上工作點(diǎn)作點(diǎn)Q 附近電壓的變化與附近電壓的變化與電流的變化之比：電流的變化之比：DDDiur顯然，顯然，rD是對(duì)是對(duì)Q附近的微小附近的微小變化區(qū)域內(nèi)的電阻。變化區(qū)域內(nèi)的電阻。1.3下一頁上一頁首 頁二極管：二極管：死區(qū)電壓死區(qū)電壓=0 .5V，正向壓降正向壓降 0.7V(硅二極管硅二極管) 理想二極管：理想二極管：死區(qū)電壓死區(qū)電壓=0 ，正向壓降，正向壓降=0 RLuiuouiuott二極管的應(yīng)用舉例二極管的

11、應(yīng)用舉例1：二極管半波整流二極管半波整流1.3下一頁上一頁首 頁二極管的應(yīng)用舉例二極管的應(yīng)用舉例2：tttuiuRuoRRLuiuRuo1.3下一頁上一頁首 頁1.4.1 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管1.4 特殊二極管特殊二極管1.4+符號(hào)：符號(hào)：穩(wěn)壓管是一種特殊的二極管，穩(wěn)壓管是一種特殊的二極管， 它專門工作在反向工作區(qū)它專門工作在反向工作區(qū) I特性曲線：特性曲線：工作區(qū)工作區(qū)UZUIZ曲線越陡，曲線越陡，電壓越穩(wěn)電壓越穩(wěn)定。定。+穩(wěn)定穩(wěn)定電壓電壓UZ下一頁上一頁首 頁（4）穩(wěn)定電流穩(wěn)定電流IZ、最大、最小穩(wěn)定電流最大、最小穩(wěn)定電流Izmax、Izmin。（5）最大允許功耗）最大允許功耗maxZZZ

12、MIUP穩(wěn)壓二極管的參數(shù)穩(wěn)壓二極管的參數(shù):（1）穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓 UZ（2）電壓溫度系數(shù)電壓溫度系數(shù) U（%/） 穩(wěn)壓值受溫度變化影響的的系數(shù)。穩(wěn)壓值受溫度變化影響的的系數(shù)。（3）動(dòng)態(tài)電阻）動(dòng)態(tài)電阻ZZIUZr1.4下一頁上一頁首 頁穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用舉例穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用舉例1.41、已知、已知ui=20V, UZ1=6V，求，求U0 =？VZ1RiuiU0分析：分析： 電流通路電流通路穩(wěn)壓管反向擊穿穩(wěn)壓管反向擊穿解：解： U0 = 6V下一頁上一頁首 頁1.42、已知、已知ui=20V, UZ1=6V， UZ1=9V，求，求U0 =？VZ1RuiVZ2u0答案：答案： u0 = 6+9 = 1

13、5 V下一頁上一頁首 頁1.4.2 光電二極管光電二極管反向電流隨光照強(qiáng)度的增加而上升。反向電流隨光照強(qiáng)度的增加而上升。IU照度增加照度增加1.4下一頁上一頁首 頁1.4.3 發(fā)光二極管發(fā)光二極管有正向電流流過有正向電流流過時(shí)，發(fā)出一定波長時(shí)，發(fā)出一定波長范圍的光，目前的范圍的光，目前的發(fā)光管可以發(fā)出從發(fā)光管可以發(fā)出從紅外到可見波段的紅外到可見波段的光，它的電特性與光，它的電特性與一般二極管類似。一般二極管類似。1.4下一頁上一頁首 頁1.5.1 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)BECNNP基極基極發(fā)射極發(fā)射極集電極集電極NPN型型PNP集電極集電極基極基極發(fā)射極發(fā)射極BCEPNP型型1.5 半導(dǎo)體三極管半導(dǎo)

14、體三極管1.5下一頁上一頁首 頁BECNNP基極基極發(fā)射極發(fā)射極集電極集電極基區(qū)：較薄，基區(qū)：較薄，摻雜濃度低摻雜濃度低集電區(qū)：集電區(qū)：面積較大面積較大發(fā)射區(qū)：摻發(fā)射區(qū)：摻雜濃度較高雜濃度較高1.5集電結(jié)集電結(jié)發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)下一頁上一頁首 頁NNPRBEB1.5.2 電流放大原理電流放大原理EC集電結(jié)反偏集電結(jié)反偏發(fā)射結(jié)正偏發(fā)射結(jié)正偏發(fā)射區(qū)電發(fā)射區(qū)電子不斷向子不斷向基區(qū)擴(kuò)散，基區(qū)擴(kuò)散，形成發(fā)射形成發(fā)射極電流極電流I IE E。IE電子與基電子與基區(qū)空穴復(fù)區(qū)空穴復(fù)合形成合形成I IB BIB穿過集電穿過集電結(jié)形成結(jié)形成I IC CICECBIII三個(gè)極電流的關(guān)系為三個(gè)極電流的關(guān)系為IC與與IB之比

15、稱為電流放大倍數(shù)之比稱為電流放大倍數(shù)BCII要使三極管能放大電流，必須要使三極管能放大電流，必須使發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。使發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。下一頁上一頁首 頁BECIBIEICNPN型三極管型三極管BECIBIEICPNP型三極管型三極管1.5下一頁上一頁首 頁1.5.3 特性曲線特性曲線ICmA AVVUCEUBERBIBECEB 實(shí)驗(yàn)線路實(shí)驗(yàn)線路下一頁上一頁首 頁一、一、輸入特性輸入特性UCE 1VIB( A)UBE(V)204060800.40.8工作壓降：工作壓降： 硅管硅管UBE 0.60.7V,鍺鍺管管UBE 0.20.3V。UCE=0VUCE =0.5V 死區(qū)電死區(qū)電壓，

16、硅管壓，硅管0.5V，鍺鍺管管0.2V。1.5下一頁上一頁首 頁二、二、輸出特性輸出特性IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此區(qū)域滿此區(qū)域滿足足IC= IB稱為線性稱為線性區(qū)（放大區(qū)（放大區(qū)）。區(qū)）。當(dāng)當(dāng)UCE大于一大于一定的數(shù)值時(shí)，定的數(shù)值時(shí)，IC只與只與IB有關(guān)，有關(guān)，IC= IB。1.5下一頁上一頁首 頁IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A飽和區(qū)飽和區(qū)1.5截止區(qū)截止區(qū)放大放大區(qū)區(qū)有有三個(gè)區(qū)：三個(gè)區(qū)：下一頁上一頁首 頁輸出特性三個(gè)區(qū)域的特點(diǎn)輸出特性三個(gè)區(qū)域的特點(diǎn):(1)放大

17、區(qū)：放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。 即：即： IC= IB , 且且 IC = IB(2) 飽和區(qū)：飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏。發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏。 即：即：UCE UBE ， IBIC，UCE 0.3V (3) 截止區(qū)：截止區(qū)： UBE 死區(qū)電壓，死區(qū)電壓， IB=0 ， IC=ICEO 0 1.5下一頁上一頁首 頁例：例： =50， UCC =12V， RB =70k ， RC =6k 當(dāng)當(dāng)USB = -2V，2V，5V時(shí)，時(shí)，晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)Q位位于哪個(gè)區(qū)？于哪個(gè)區(qū)？當(dāng)當(dāng)USB =-2V時(shí)：時(shí)：ICUCEIBUCCRBUSBCBERC

18、UBEmA2612maxCSCCRUIIB=0 ， IC=0IC最大飽和電流：最大飽和電流：Q位于截止區(qū)位于截止區(qū) 1.5下一頁上一頁首 頁例：例： =50， USC =12V， RB =70k ， RC =6k 當(dāng)當(dāng)USB = 2V，2V，5V時(shí)，時(shí)，晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)Q位位于哪個(gè)區(qū)？于哪個(gè)區(qū)？IC ICmax (=2mA) ， Q位于放大區(qū)位于放大區(qū)。ICUCEIBUCCRBUSBCBERCUBEUSB =2V時(shí)：時(shí)：9mA01070702.RUUIBBESBB0.95mA9mA01050.IIBC1.5下一頁上一頁首 頁USB =5V時(shí)時(shí):例：例： =50， USC =

19、12V， RB =70k ， RC =6k 當(dāng)當(dāng)USB = 5V，2V，5V時(shí)，時(shí)，晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)Q位位于哪個(gè)區(qū)？于哪個(gè)區(qū)？ICUCEIBUCCRBUSBCBERCUBEQ 位于飽和區(qū)，此時(shí)位于飽和區(qū)，此時(shí)IC 和和IB 已不是已不是 倍的關(guān)系。倍的關(guān)系。mA061.0707 .05BBESBBRUUIcmaxBI.I5m03mA061050mA2cmaxcII1.5下一頁上一頁首 頁三、主要參數(shù)三、主要參數(shù)前面的電路中，三極管的發(fā)射極是輸入輸出的前面的電路中，三極管的發(fā)射極是輸入輸出的公共點(diǎn)，稱為共射接法，相應(yīng)地還有共基、共公共點(diǎn)，稱為共射接法，相應(yīng)地還有共基、共集接法

20、。集接法。共射共射直流電流放大倍數(shù)直流電流放大倍數(shù)：BCII_工作于動(dòng)態(tài)的三極管，真正的信號(hào)是疊加在工作于動(dòng)態(tài)的三極管，真正的信號(hào)是疊加在直流上的交流信號(hào)?；鶚O電流的變化量為直流上的交流信號(hào)?；鶚O電流的變化量為 IB，相應(yīng)的集電極電流變化為相應(yīng)的集電極電流變化為 IC，則則交流電流放交流電流放大倍數(shù)大倍數(shù)為：為：BIIC1. 電流放大倍數(shù)電流放大倍數(shù)和和 _1.5下一頁上一頁首 頁例：例：UCE=6V時(shí)時(shí)：IB = 40 A, IC =1.5 mA； IB = 60 A, IC =2.3 mA。5 .3704. 05 . 1_BCII4004. 006. 05 . 13 . 2BCII在以后的計(jì)算中，一般作近似處理：在以后的計(jì)算中，一般作近似處理： =1.5下一頁上一頁首 頁2.集集- -基極反向截止電流基極反向截止電流ICBO AICBOICBO是集是集電結(jié)反偏電結(jié)反偏由少子的由少子的漂移形成漂移形成的反向電的反向電