電子技術基礎第1章-雙極型半導體器件課件

1、第1章 雙極型半導體器件 1.1.1 本征半導體及其導電性 1. 本征半導體共價鍵結(jié)構(gòu) 物質(zhì)按其導電能力的強弱分類： 導體容易傳導電流的材料稱為導體。絕緣體幾乎不傳導電流的材料稱為絕緣體。半導體導電能力介于導體和絕緣體之間的稱為半導體。本征半導體化學成分純凈的半導體。 由于絕大多數(shù)半導體的原子排列呈晶體結(jié)構(gòu)，所以由半導體構(gòu)成的管件也稱晶體管。1.1 半導體的基本知識退出2. 電子空穴對自由電子: 當導體處于熱力學溫度0K時，導體中沒有自由電子。當溫度升高或受到光的照射時，價電子能量增高，有的價電子可以掙脫原的束縛，而參與導電，成為自由電子。這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。圖1-1 本征激發(fā)和

2、復合的過程空穴: 自由電子產(chǎn)生的同時，在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位，原子的電中性被破壞，呈現(xiàn)出正電性，其正電量與電子的負電量相等，人們常稱呈現(xiàn)正電性的這個空位為空穴。電子空穴對: 因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時成對出現(xiàn)的，稱為電子空穴對。游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱為復合。 本征激發(fā)和復合在一定溫度下會達到動態(tài)平衡. 3. 空穴的移動I由空穴移動形成的電流由電子移動形成的電流自由電子移動方向空穴移動方向E圖1-2 半導體中電子和空穴在外電場作用下的移動方向和形成的電流電子移動時是負電荷的移動，空穴移動時是正電荷的移動，電子和空穴都能運載電荷，所以他們都稱為載流子。 1.

3、1.2 雜質(zhì)半導體在本征半導體中摻入五價雜質(zhì)元素，例如磷，可形成 N型半導體,也稱電子型半導體。 圖1-3 N型半導體的結(jié)構(gòu)示意圖 摻入雜質(zhì)的本征半導體稱為雜質(zhì)半導體。 1. N型半導體2. P型半導體 在本征半導體中摻入三價雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等形成了P型半導體，也稱為空穴型半導體。 N型半導體的特點： 自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子， 以自由電子導電為主。P型半導體的特點： 空穴為多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子，以空穴導電為主。圖1-4 P型半導體的結(jié)構(gòu)示意圖半導體的特性： 光敏性和熱敏性。 即半導體受到光照或熱的輻射時，其電阻率會發(fā)生很大的變化，導電能力將有明顯的改善，利用這

4、一特性可制造光敏元件和熱敏元件。 摻雜特性。 即在純凈的半導體中摻入微量的其他元素，半導體的導電能力將有明顯的增加。擴散運動多子從濃度大向濃度小的區(qū)域運動。漂移運動少子向?qū)Ψ竭\動，漂移運動產(chǎn)生漂移電流。動態(tài)平衡擴散電流=漂移電流，PN結(jié)內(nèi)總電流為0。PN 結(jié)穩(wěn)定的空間電荷區(qū)，又稱為高阻區(qū)、耗盡層，PN結(jié)的接觸電位 內(nèi)電場的建立，使PN結(jié)中產(chǎn)生電位差。從而形成接觸電位V 接觸電位V決定于材料及摻雜濃度 鍺： V=0.20.3V 硅： V=0.60.7V1.1.3 PN結(jié)及單向?qū)щ娦?P型半導體 空間電荷區(qū) N型半導體內(nèi)電場方向PN結(jié)退出1 PN結(jié)1.PN結(jié)加正向電壓 P 區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，

5、稱為加正向電壓，簡稱正偏； 外電場方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相反，削弱了內(nèi)電場。內(nèi)電場對多子擴散運動的阻礙減弱，擴散電流加大。擴散電流遠大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響。PN結(jié)呈現(xiàn)低電阻。2. PN結(jié)加反向電壓P區(qū)的電位低于N區(qū)的電位，稱為加反向電壓，簡稱反偏； 外電場與PN結(jié)內(nèi)電場方向相同，增強內(nèi)電場。內(nèi)電場對多子擴散運動阻礙增強，擴散電流大大減小。少子在內(nèi)電場的作用下形成的漂移電流加大。PN結(jié)呈現(xiàn)高電阻。內(nèi)外Sect2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦詢?nèi)外式中 Is 飽和電流; VT = kT/q 等效電壓 k 波爾茲曼常數(shù)； T=300K（室溫）時 VT= 26mV3. PN結(jié)電流方程由半導體物理可推出

6、： 當加反向電壓時： 當加正向電壓時：(vVT)Sect4. PN結(jié)的反向擊穿反向擊穿PN結(jié)上反向電壓達到某一數(shù)值，反向電流激增。 雪崩擊穿當反向電壓增高時，少子獲得能量高速運動，在空間電荷區(qū)與原子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生碰撞電離。形成連鎖反應，象雪崩一樣。使反向電流激增。 齊納擊穿當反向電壓較大時，強電場直接從共價鍵中將電子拉出來，形成大量載流子,使反向電流激增。擊穿可逆。摻雜濃度小的二極管容易發(fā)生擊穿可逆。摻雜濃度大的二極管容易發(fā)生不可逆擊穿 熱擊穿PN結(jié)的電流或電壓較大，使PN結(jié)耗散功率超過極限值，使結(jié)溫升高，導致PN結(jié)過熱而燒毀。Sect1.2.1 晶體二極管的結(jié)構(gòu)類型在PN結(jié)上加上引線和封裝，

7、就成為一個二極管二極管按結(jié)構(gòu)分點接觸型面接觸型平面型PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路往往用于集成電路制造工藝中。PN 結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關電路中。1.2 半導體二極管退出國家標準對半導體器件型號的命名舉例如下：半導體二極管的型號圖片1.2.2 二極管的伏安特性伏安特性: 是指二極管兩端電壓和流過二極管電流之間的關系。 由PN結(jié)電流方程求出理想的伏安特性曲線1.當加正向電壓時PN結(jié)電流方程為：2.當加反向電壓時I 隨U，呈指數(shù)規(guī)率I = - Is 基本不變3.門限電壓:正向起始部分存在一個死區(qū)或門坎。 硅：Ur=0.6-0.7v;

8、 鍺：Ur=0.2-0.3v4.加反向電壓時，反向電流很小,即 Is硅(nA)EB輸入電流輸出電流 當IB=0時穿透電流由IBICBO共射直流放大系數(shù)共基極直流電流放大系數(shù) 1. Uce=0V時， 發(fā)射極與集電極短路，發(fā)射結(jié)與集電結(jié)均正偏，實際上是兩個二極管并聯(lián)。2. 當Uce 1V時， Ucb= Uce - Ube 0， 集電結(jié)已進入反偏狀態(tài)，開始收集電子，且基區(qū)復合減少， IC / IB 增 大，特性曲線將向右稍微移動一些。但Uce再增加時，曲線右移很不明顯。通常只畫一條。輸入特性曲線分三個區(qū) 非線性區(qū) 死區(qū) 線性區(qū)正常工作區(qū)，發(fā)射極正偏 NPN Si: Ube= 0.60.7VPNP G

9、e: Ube= -0.2-0.3VSectiB=f(UBE)UCE=C1. 輸入特性曲線1.4.3、特性曲線晶體管特性曲線是指晶體管各電極之間電壓和電流的關系曲線。CEBIC=f(Uce) Ib=CSect3. 放大區(qū) (1) IC平行于Uce軸的區(qū)域，曲線基本平行等距(2) 條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏， NPN管 UBE 0 , UBC0 (3) Ic=Ib, 即Ic主要受Ib的控制。有電流放大作用(4) 2. 輸出特性曲線2. 截止區(qū)： (1)條件：發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。 NPN：Ube0.5V,管子就處于截止態(tài)(2) Ib=0 Ic=Iceo 晶體管C、E之間相當于開路1. 飽和區(qū):

10、(1) IC受Uce顯著控制的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)Uce的數(shù)值較小，一般Uce0.7V(硅管)。(2) 條件： IB IBs 臨界飽和點： IBs= ICs / Uces=0.3V左右, 晶體管C、E之間相當于短路發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏CEBSect例1.4.1. 所有的二、三極管均為硅管，用試分析圖電路中各三極管的工作狀態(tài)。 解: (1) VT1: 基極與最下端的電位差是1V-0.3V=0.7V，0.7V打不開二個硅PN結(jié)。所以三極管截止。 (2) VT2: 基極與最下端的電位差是6V-0V=6V，導通， 設此時UBE=0.7V，發(fā)射極電流所以，集電極電位集電極電位不可能為負值，三極管VT2已經(jīng)飽

11、和,設UCE=0V，于是集電極電流最大為(3) 對于VT3基極與最下端的電位差是5V-3.6V=1.4V， 基極電流所以發(fā)射結(jié)導通。但是該三極管的集電極接+1.4V，而發(fā)射極接+3.6V，發(fā)射極和集電極互相接反了，屬于倒置工作狀態(tài)。一般而言雙極型三極管的發(fā)射極和集電極是不能互換使用的。Sect1.4.4 三極管BJT的參數(shù)1. 電流放大系數(shù)共射直/交流電流放大系數(shù) =ic/ib共基直/交流電流放大系數(shù)=ic/ie(1).集電極基極間反向飽和電流Icbo Icbo的下標cb代表集電極和基極， O是Open的字頭，代表第三個電極E開路。 (2).集電極發(fā)射極間的穿透電流Iceo相當基極開路時，集電

12、極和發(fā)射極間的反向飽和電流2. 直流參數(shù)Iceo=（1+ ）IcboICEOCBEAAICBOCEB ICM 集電極最大允許電流當集電極電流增加時， 就要下降，當值下降到線性放大區(qū)值的2/3時所對應的最大集電極電流,當ICICM時，三極管并不一定會損壞。 PCM 集電極最大允許功耗集電極電流通過集電結(jié)時所產(chǎn)生的功耗， PCM= ICVCBIC VCE ， 因發(fā)射結(jié)正偏，呈低阻，所以功耗主要集中在集電結(jié)上。Sect反向擊穿電壓 表示三極管電極間承受反向電壓的能力 V (BR) CBO V (BR) CES V (BR) CER V (BR) CEO過壓區(qū)過流區(qū)安全工作區(qū)過損區(qū)PCM=ICUCEU(BR)CEOIC/ mAICMO3. 極限參數(shù)雙極型三極管的參數(shù)參 數(shù)型 號 PCM mW ICM mAVR CBO VVR CEO VVR EBO V