第10章半導體器件.

1、下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁退出退出章目錄章目錄電電 子子 技技 術(shù)術(shù) 基基 礎(chǔ)礎(chǔ)模擬部分模擬部分1014章章數(shù)字部分數(shù)字部分1516章章模數(shù)轉(zhuǎn)換第模數(shù)轉(zhuǎn)換第17章章電路仿真第電路仿真第18章章下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁退出退出章目錄章目錄下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁退出退出章目錄章目錄下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁退出退出章目錄章目錄10.1 半導體的基礎(chǔ)知識半導體的基礎(chǔ)知識10.1.1 本征半導體 導電性介于導體與絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導體。導電性介于導體與絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導體。本征半導體是純凈的晶體結(jié)構(gòu)的半導體。本征半導體是純凈的晶體結(jié)構(gòu)的半導體。1 1、什么是半導

2、體？什么是本征半導體？、什么是半導體？什么是本征半導體？ 導體鐵、鋁、銅等金屬元素等低價元素，其最外層電導體鐵、鋁、銅等金屬元素等低價元素，其最外層電子在外電場作用下很容易產(chǎn)生定向移動，形成電流。子在外電場作用下很容易產(chǎn)生定向移動，形成電流。 絕緣體惰性氣體、橡膠等，其原子的最外層電子受原絕緣體惰性氣體、橡膠等，其原子的最外層電子受原子核的束縛力很強，只有在外電場強到一定程度時才可能導子核的束縛力很強，只有在外電場強到一定程度時才可能導電。電。 半導體硅（半導體硅（Si）、鍺（）、鍺（Ge），均為四價元素，它們原），均為四價元素，它們原子的最外層電子受原子核的束縛力介于導體與絕緣體之間。子的最

3、外層電子受原子核的束縛力介于導體與絕緣體之間。無雜質(zhì)無雜質(zhì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁退出退出章目錄章目錄由于熱運動，具有足夠能量由于熱運動，具有足夠能量的價電子掙脫共價鍵的束縛的價電子掙脫共價鍵的束縛而成為自由電子而成為自由電子自由電子的產(chǎn)生使共價鍵中自由電子的產(chǎn)生使共價鍵中留有一個空位置，稱為空穴留有一個空位置，稱為空穴 自由電子與空穴相碰同時消失，稱為復合。自由電子與空穴相碰同時消失，稱為復合。共價鍵共價鍵 一定溫度下，自由電子與空穴對的濃度一定；溫度升高，一定溫度下，自由電子與空穴對的濃度一定；溫度升高，熱運動加劇，掙脫共價鍵的電子增多，自由電子與空穴對熱運動加

4、劇，掙脫共價鍵的電子增多，自由電子與空穴對的濃度加大。的濃度加大。動態(tài)平衡動態(tài)平衡下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁退出退出章目錄章目錄兩種載流子兩種載流子 外加電場時，帶負電的自由電外加電場時，帶負電的自由電子和帶正電的空穴均參與導電，子和帶正電的空穴均參與導電，且運動方向相反。由于載流子數(shù)且運動方向相反。由于載流子數(shù)目很少，故導電性很差。目很少，故導電性很差。為什么要將半導體變成導電性很差的本征半導體？3、本征半導體中的兩種載流子運載電荷的粒子稱為載流子。運載電荷的粒子稱為載流子。 溫度升高，熱運動加劇，載溫度升高，熱運動加劇，載流子濃度增大，導電性增強。流子濃度增大，導電性增強。 熱力學溫

5、度熱力學溫度0K時不導電。時不導電。下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁退出退出章目錄章目錄5磷（磷（P） 雜質(zhì)半導體主要靠多數(shù)載流雜質(zhì)半導體主要靠多數(shù)載流子導電。摻入雜質(zhì)越多，多子子導電。摻入雜質(zhì)越多，多子濃度越高，導電性越強，實現(xiàn)濃度越高，導電性越強，實現(xiàn)導電性可控。導電性可控。多數(shù)載流子多數(shù)載流子 空穴比未加雜質(zhì)時的數(shù)目多空穴比未加雜質(zhì)時的數(shù)目多了？少了？為什么？了？少了？為什么？ 1. N N型半導體：摻入+5價元素，如磷P下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁退出退出章目錄章目錄3硼（硼（B）多數(shù)載流子多數(shù)載流子 P型半導體主要靠空穴導電，型半導體主要靠空穴導電，摻入雜質(zhì)越多，空穴濃度越高，摻

6、入雜質(zhì)越多，空穴濃度越高，導電性越強，導電性越強， 在雜質(zhì)半導體中，溫度變化時，在雜質(zhì)半導體中，溫度變化時，載流子的數(shù)目變化嗎？少子與多載流子的數(shù)目變化嗎？少子與多子變化的數(shù)目相同嗎？少子與多子變化的數(shù)目相同嗎？少子與多子濃度的變化相同嗎？子濃度的變化相同嗎？下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁退出退出章目錄章目錄下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁退出退出章目錄章目錄PN結(jié)的形成結(jié)的形成多子的擴散運動多子的擴散運動內(nèi)電場內(nèi)電場少子的漂移運動少子的漂移運動濃度差濃度差 擴散的結(jié)果使擴散的結(jié)果使空間電荷區(qū)變寬。空間電荷區(qū)變寬?？臻g電荷區(qū)也稱空間電荷區(qū)也稱 PN 結(jié)結(jié) +形成空間電荷區(qū)形成空間電荷區(qū)下一頁

7、下一頁返回返回上一頁上一頁退出退出章目錄章目錄PN 結(jié)變窄結(jié)變窄 P接正、接正、N接負接負 外電場外電場IF內(nèi)電場內(nèi)電場PN+下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁退出退出章目錄章目錄 內(nèi)電場被加內(nèi)電場被加強，少子的漂強，少子的漂移加強，由于移加強，由于少子數(shù)量很少，少子數(shù)量很少，形成很小的反形成很小的反向電流。向電流。IR+下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁退出退出章目錄章目錄將將PN結(jié)封裝，引出兩個電極，就構(gòu)成了二極管。結(jié)封裝，引出兩個電極，就構(gòu)成了二極管。小功率小功率二極管二極管大功率大功率二極管二極管穩(wěn)壓穩(wěn)壓二極管二極管發(fā)光發(fā)光二極管二極管下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁退出退出章目錄章目錄點

8、接觸型：結(jié)面積小，點接觸型：結(jié)面積小，結(jié)電容小，故結(jié)允許結(jié)電容小，故結(jié)允許的電流小，最高工作的電流小，最高工作頻率高。頻率高。面接觸型：結(jié)面積大，面接觸型：結(jié)面積大，結(jié)電容大，故結(jié)允許結(jié)電容大，故結(jié)允許的電流大，最高工作的電流大，最高工作頻率低。頻率低。平面型：結(jié)面積可小、平面型：結(jié)面積可小、可大，小的工作頻率可大，小的工作頻率高，大的結(jié)允許的電高，大的結(jié)允許的電流大。流大。下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁退出退出章目錄章目錄反向擊穿反向擊穿電壓電壓U(BR)反向特性反向特性UIPN+PN+下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁退出退出章目錄章目錄下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁退出退出章目錄章目錄

9、下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁退出退出章目錄章目錄定性分析：定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)判斷二極管的工作狀態(tài)導通導通截止截止 若二極管是理想的，若二極管是理想的，下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁退出退出章目錄章目錄二極管的應(yīng)用舉例二極管的應(yīng)用舉例1：tttuiuRuoRRLuiuRuo下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁退出退出章目錄章目錄例例2：D6V12V3k BAUAB+下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁退出退出章目錄章目錄例例3:mA43122D IBD16V12V3k AD2UAB+下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁退出退出章目錄章目錄V sin18itu t 下一頁下一頁返回返回上一頁

10、上一頁退出退出章目錄章目錄UZIZIZM UZ IZ_+UIO下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁退出退出章目錄章目錄ZZ ZIUr下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁退出退出章目錄章目錄下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁退出退出章目錄章目錄E=0E1E2E2 E1下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁退出退出章目錄章目錄10.5.1、晶體管的結(jié)構(gòu)和符號多子濃度高多子濃度高多子濃度很多子濃度很低，且很薄低，且很薄面積大面積大晶體管有三個極、三個區(qū)、兩個晶體管有三個極、三個區(qū)、兩個PN結(jié)。結(jié)。小功率管小功率管中功率管中功率管大功率管大功率管為什么有孔？為什么有孔？下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁退出退出章目錄章

11、目錄(a)NNCEBPCETBIBIEIC(b)BECPPNETCBIBIEICCENNPBCEPPNB下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁退出退出章目錄章目錄下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁退出退出章目錄章目錄 1947年年12月月23日日 第一個晶體管第一個晶體管 NPN Ge晶體管晶體管 下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁退出退出章目錄章目錄EEBRBRC下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁退出退出章目錄章目錄becNNPRb集電結(jié)反偏，集電結(jié)反偏，少子漂移形成少子漂移形成集電結(jié)反向飽集電結(jié)反向飽和電流和電流ICBOICBOEBRcEC發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)電子向基區(qū)擴散，形電子向基

12、區(qū)擴散，形成發(fā)射結(jié)電子擴散電成發(fā)射結(jié)電子擴散電流流IEN部分電子與基部分電子與基區(qū)的空穴復合區(qū)的空穴復合形成基區(qū)復合形成基區(qū)復合電流電流IBE,大多大多數(shù)電子擴散到數(shù)電子擴散到集電結(jié)邊界集電結(jié)邊界集電結(jié)反偏，集電結(jié)反偏，從基區(qū)擴散到從基區(qū)擴散到集電結(jié)邊緣的集電結(jié)邊緣的電子漂移過集電子漂移過集電結(jié)被集電區(qū)電結(jié)被集電區(qū)收集形成電流收集形成電流ICEICEIEN基區(qū)空穴擴散基區(qū)空穴擴散到發(fā)射區(qū)，形到發(fā)射區(qū)，形成空穴擴散電成空穴擴散電流流IEP（值很小，（值很小，可忽略）可忽略）IEPIBEIEIEN下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁退出退出章目錄章目錄3. 三極管內(nèi)部載流子的運動規(guī)律三極管內(nèi)部載流子的

13、運動規(guī)律ICEICIBBECNNPEBRBECIBEICEICBOBCCBOBCBOCBECEIIIIIIII CEOBCBOBC)(1 IIIII BC CEO III ，有有忽忽略略IE下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁退出退出章目錄章目錄晶體管電流放大的實驗電路晶體管電流放大的實驗電路mA AVVmAICECIBIERB+UBE +UCE EBCEB3DG100下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁退出退出章目錄章目錄IB(mA)mAmA0608705010723618符合基爾霍夫定律符合基爾霍夫定律 把基極電流的微小變化能夠引起集電極電流較大把基極電流的微小變化能夠引起集電極電流較大變化的特性

14、稱為晶體管的電流放大作用。變化的特性稱為晶體管的電流放大作用。 實質(zhì)實質(zhì): 用一個微小電流的變化去控制一個較大電流用一個微小電流的變化去控制一個較大電流的變化，是的變化，是CCCS器件器件。下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁退出退出章目錄章目錄+ UBE ICIEIB CT E B +UCE (a) NPN 型晶體管；型晶體管；+ UBE IBIEIC CT EB +UCE 電流方向和發(fā)射結(jié)與集電結(jié)的極性電流方向和發(fā)射結(jié)與集電結(jié)的極性(4) 要使晶體管起放大作用，發(fā)射結(jié)必須正向要使晶體管起放大作用，發(fā)射結(jié)必須正向 偏置，集電結(jié)必須反向偏置。偏置，集電結(jié)必須反向偏置。(b) PNP 型晶體管型晶體

15、管下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁退出退出章目錄章目錄 即管子各電極電壓與電流的關(guān)系曲線，是管子即管子各電極電壓與電流的關(guān)系曲線，是管子內(nèi)部載流子運動的外部表現(xiàn)，反映了晶體管的性能，內(nèi)部載流子運動的外部表現(xiàn)，反映了晶體管的性能，是分析放大電路的依據(jù)。是分析放大電路的依據(jù)。 重點討論應(yīng)用最廣泛的共發(fā)射極接法的特性曲線重點討論應(yīng)用最廣泛的共發(fā)射極接法的特性曲線下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁退出退出章目錄章目錄共發(fā)射極電路共發(fā)射極電路輸入回路輸入回路輸出回路輸出回路實驗實驗mA AVVICECIBRB+UBE +UCE EBCEB3DG100下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁退出退出章目錄章目錄常常

16、數(shù)數(shù) CE)(BEBUUfI3DG100晶體管的晶體管的輸入特性曲線輸入特性曲線O0.40.8IB/ AUBE/VUCE1V60402080下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁退出退出章目錄章目錄常常數(shù)數(shù) B)(CECIUfI 共發(fā)射極電路共發(fā)射極電路ICEC=UCCIBRB+ UBE +UCE EBCEBIC/mAUCE/V100 A80A 60 A 40 A 20 A O 3 6 9 1242.31.5321IB =03DG100晶體管的輸出特性曲線晶體管的輸出特性曲線 在不同的在不同的 IB下，可得出不同的曲線，所以晶體管下，可得出不同的曲線，所以晶體管的的輸出特性曲線輸出特性曲線是一組曲線

17、。是一組曲線。下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁退出退出章目錄章目錄常常數(shù)數(shù) B)(CECIUfI 晶體管有三種工作狀態(tài)，因而晶體管有三種工作狀態(tài)，因而輸出特性曲線輸出特性曲線分為分為三個工作區(qū)三個工作區(qū)3DG100晶體管的輸出特性曲線晶體管的輸出特性曲線IC/mAUCE/V100 A80A 60 A 40 A 20 A O 3 6 9 1242.31.5321IB =0對對 NPN 型管型管而言而言, 應(yīng)使應(yīng)使 UBE 0, UBC UBE。下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁退出退出章目錄章目錄IC/mAUCE/V100 A 80A 60 A 40 A 20 A O 3 6 9 1242.31.

18、5321IB =0對對NPN型硅管，當型硅管，當UBE0.5V時時, 即已即已開始截止開始截止, 為使晶體為使晶體管可靠截止管可靠截止 , 常使常使 UBE 0。截止時截止時, 集集電結(jié)也處于反向偏電結(jié)也處于反向偏置置( (UBC 0),),此時此時, IC 0, UCE UCC 。IB = 0 的曲線以下的區(qū)域稱為截止區(qū)。的曲線以下的區(qū)域稱為截止區(qū)。IB = 0 時時, IC = ICEO( (很小很小) )。(ICEO下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁退出退出章目錄章目錄IC/mAUCE/V100 A 80A 60 A 40 A 20 A O 3 6 9 1242.31.5321IB =0

19、IC UCC/RC 。 當當 UCE 0) )，晶體管工作于飽和狀態(tài)。晶體管工作于飽和狀態(tài)。下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁退出退出章目錄章目錄晶體管三種工作狀態(tài)的電壓和電流晶體管三種工作狀態(tài)的電壓和電流(a)放大放大+ UBE 0 ICIB+UCE UBC 0+(b)截止截止IC 0 IB = 0+ UCE UCC UBC 0 IB+ UCE 0 UBC 0+CCCCRUI 當晶體管飽和時，當晶體管飽和時， UCE 0，發(fā)射極與集電極之，發(fā)射極與集電極之間如同一個開關(guān)的接通，其間電阻很??；當晶體管間如同一個開關(guān)的接通，其間電阻很?。划斁w管截止時，截止時，IC 0 ，發(fā)射極與集電極之間如同一

20、個開關(guān)，發(fā)射極與集電極之間如同一個開關(guān)的斷開，其間電阻很大，可見，的斷開，其間電阻很大，可見，晶體管除了有放大晶體管除了有放大作用外，還有開關(guān)作用。作用外，還有開關(guān)作用。下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁退出退出章目錄章目錄 0 0.1 0.5 0.1 0.6 0.7 0.2 0.3 0.3 0.1 0.7 0.3硅管硅管( (NPN) )鍺管鍺管( (PNP) ) 可靠截止可靠截止開始截止開始截止 UBE/V UBE/VUCE/V UBE/V 截截 止止 放大放大 飽和飽和 工工 作作 狀狀 態(tài)態(tài) 管管 型型晶體管結(jié)電壓的典型值晶體管結(jié)電壓的典型值下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁退出退出章目錄

21、章目錄例：例： =50， USC =12V， RB =70k ， RC =6k 當當USB = -2V，2V，5V時，時，晶體管的靜態(tài)工作點晶體管的靜態(tài)工作點Q位位于哪個區(qū)？于哪個區(qū)？當當USB =-2V時：時：ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEmA2612maxCSCCRUIIB=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) 下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁退出退出章目錄章目錄例：例： =50， USC =12V， RB =70k ， RC =6k 當當USB = -2V，2V，5V時，時，晶體管的靜態(tài)工作點晶體管的靜態(tài)工作點Q位位于哪個區(qū)？于哪個區(qū)？I

22、C ICmax (=2mA) ， Q位于放大區(qū)位于放大區(qū)。ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEUSB =2V時：時：9mA01070702.RUUIBBESBB0.95mA9mA01050.IIBC下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁退出退出章目錄章目錄USB =5V時時:例：例： =50， USC =12V， RB =70k ， RC =6k 當當USB = -2V，2V，5V時，時，晶體管的靜態(tài)工作點晶體管的靜態(tài)工作點Q位位于哪個區(qū)？于哪個區(qū)？ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEQ 位于飽和區(qū)，此時位于飽和區(qū)，此時IC 和和IB 已不是已不是 倍的關(guān)系。倍的關(guān)系。mA061

23、070705.RUUIBBESBBcmaxBII5mA0 .3mA061.050mA2cmaxcII下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁退出退出章目錄章目錄 BCII_ BCII 下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁退出退出章目錄章目錄例：在例：在UCE= 6 V時，時， 在在 Q1 點點IB=40 A, IC=1.5mA； 在在 Q2 點點IB=60 A, IC=2.3mA, ， 關(guān)系關(guān)系53704051.IIBC 400400605132BC .II 下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁退出退出章目錄章目錄ICBO A+EC AICEOIB=0+ 一般希望一般希望 ICEO盡量小，小功率硅管的盡量小，

24、小功率硅管的ICEO在幾在幾微安以下，小功率鍺管的微安以下，小功率鍺管的ICEO約幾十微安約幾十微安下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁退出退出章目錄章目錄下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁退出退出章目錄章目錄ICMU(BR)CEOICUCEO安全工作區(qū)安全工作區(qū)下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁退出退出章目錄章目錄下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁退出退出章目錄章目錄3DG201的含義？的含義？NPN型硅材料型硅材料高頻小功率管高頻小功率管三 極 管 的 型 號半導體器件的型號命名法：半導體器件的型號命名法：下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁退出退出章目錄章目錄3DD15D的含義？的含義？NPN型硅材料型硅材料低頻大功率管低頻大功率管三 極 管 的 型 號半導體器件的型號命名法：半導體器件的型號命名法：下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁退出退出章目錄章目錄三 極 管 的 型 號2 S C 945 A 的含義？的含義？2：三極管：三極管1：二極管：二極管注冊登注冊登記號記號A： PNP高頻管高頻管B： PNP低頻管低頻管C： NPN高頻管高頻管D： NPN低頻管低頻管 S：已注冊：已注冊改進型改進型日本日本下一頁下一頁返回返回上一頁