半導體二極管三極管和場效應管

1、半導體二極管三極管和場效應管一 半導體（一）半導體基本知識1.導體、絕緣體、半導體：物質(zhì)導電能力的強弱可用電阻率（）表示導體：導電能力強的物質(zhì)（ 106*cm）半導體：常溫下(27)導電能力居于導體及絕緣體之間的物質(zhì)如，純硅（Si）、純鍺(Ge) 。（二）半導體的晶體結構 Si）、鍺（Ge）晶體：原子按一定規(guī)律整齊排列的物質(zhì)單晶體：原子與原子之間通過共價鍵連接起來 第一節(jié)PN結GeSi通過一定的工藝過程，可以將半導體制成晶體?，F(xiàn)代電子學中，用的最多的半導體是硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個。硅(鍺)的原子結構簡化模型慣性核硅(鍺)的共價鍵結構價電子自由電子(束縛電子)空穴空穴空穴可在

2、共價鍵內(nèi)移動（一）本征半導體：純凈的單晶結構的半導體受慣性核束縛的價電子在絕對溫度零度(0K)即-273之下本征半導體硅（鍺）的全部價電子都為束縛電子與理想絕緣體一樣不能導電。自由電子：價電子獲得足夠的能量掙脫慣性核的束縛(溫度0 K時)帶負電荷的物質(zhì)又稱電子載流，這是由熱激發(fā)而來的空穴：價電子成為自由電子時,原共價鍵留下了一個空位帶正電荷的物質(zhì)，即空穴載流子。二半導體的導電原理本征激發(fā)：共價鍵分裂產(chǎn)生電子空穴對的過程復 合：自由電子和空穴在運動中相遇重新結合成對消失的過程。平 衡：在一定條件下，激發(fā)與復合的過程達到動態(tài)平衡本征半導體的自由電子和空穴的數(shù)目保持平衡。在室溫或光照下價電子獲得足夠

3、能量擺脫共價鍵的束縛成為自由電子，并在共價鍵中留下一個空位(空穴)的過程。載流子濃度：單位體積半導體中載流子的數(shù)目（個/m3 ） 本征半導體內(nèi)電子載流子濃度（Ni）=空穴載流子濃度（Pi） 本征載流子濃度=Ni+Pi（其值甚微）即載流子濃度甚低 本征半導體內(nèi)的載流子濃度很低導電能力很弱， 故不能用來直接制作半導體器件兩種載流子電子(自由電子)空穴兩種載流子的運動自由電子(在共價鍵以外)的運動空穴(在共價鍵以內(nèi))的運動 結論：1. 本征半導體中電子空穴成對出現(xiàn)，且數(shù)量少； 2. 半導體中有電子和空穴兩種載流子參與導電； 3. 本征半導體導電能力弱，并與溫度有關。（二） 雜質(zhì)半導體1、N 型半導體

4、：在本征半導體中摻入五價元素（磷）增大自由電子濃度N 型+5+4+4+4+4+4磷原子自由電子電子為多數(shù)載流子空穴為少數(shù)載流子載流子數(shù) 電子數(shù)2、 P 型半導體：在本征半導體中摻入三價元素（硼）增大空穴濃度P 型+3+4+4+4+4+4硼原子空穴空穴 多子電子 少子載流子數(shù) 空穴數(shù)漂移運動：漂移電流載流子在電場作用下定向運動所形成的電流。自由電子：從低高電位漂移形成電流(方向與電場方向相反)空穴：從高低電位漂移形成電流（方向與電場方向相同）電場強 、漂移速度高、載流子濃度大= 總漂移電流大。擴散電流：物質(zhì)由高濃度的地方向低濃度的地方運動所形成的電流。濃度差越大擴散能力越強擴散電流越大擴散電流大

5、小同載流子濃度差或擴散運動快慢成正比（三）載流子的漂移運動和擴散運動3. 擴散和漂移達到動態(tài)平衡擴散電流 等于漂移電流， 總電流 I = 0。三、PN 結(PN Junction)的形成P 型、N 型半導體的簡化圖示負離子多數(shù)載流子少數(shù)載流子（電子）正離子多數(shù)載流子少數(shù)載流子P 型N 型1. 載流子的濃度差引起多子的擴散2. 復合使交界面形成空間電荷區(qū)(耗盡層) 空間電荷區(qū)特點:無載流子，阻止擴散進行，利于少子的漂移。內(nèi)建電場PNP 區(qū)N 區(qū)內(nèi)電場外電場外電場使多子向 PN 結移動,中和部分離子使空間電荷區(qū)變窄。 IF限流電阻擴散運動加強形成正向電流 IF 。IF = I多子 I少子 I多子2

6、. 外加反向電壓(反向偏置) reverse bias P 區(qū)N 區(qū)內(nèi)電場外電場外電場使少子背離 PN 結移動， 空間電荷區(qū)變寬。IRPN 結的單向導電性：正偏導通，呈小電阻，電流較大; 反偏截止，電阻很大，電流近似為零。漂移運動加強形成反向電流 IRIR = I少子 0四、PN結的特性（一）PN 結的單向導電性 1. 外加正向電壓(正向偏置) 1、PN結加正向電壓 當P區(qū)接“+”，N區(qū)接“-”，稱為PN結正向偏置（正偏）。 PN結呈導通狀態(tài)，電阻很小。2、PN結加反向電壓 當N區(qū)接“+”，P區(qū)接“-”，稱為PN 結反向偏置（反偏）。 PN結呈截止狀態(tài)，只有反向飽和電流流過，電阻很大。結論：（

7、二） PN 結的伏安特性反向飽和電流溫度的電壓當量電子電量玻爾茲曼常數(shù)當 T = 300(27C)：UT = 26 mVOu /VI /mA正向特性反向擊穿加正向電壓時加反向電壓時iIS(四）PN結的極間電容電容由兩部分組成：勢壘電容CB和擴散電容CD。勢壘電容：是由空間電荷區(qū)的離子薄層形成的。當外加電壓使PN結上壓降發(fā)生變化時，離子薄層的厚度也相應地隨之改變，這相當PN結中存儲的電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電。擴散電容：是由多子擴散后，在PN結的另一側面積累而形成的。因PN結正偏時，由N區(qū)擴散到P區(qū)的電子，與外電源提供的空穴相復合，形成正向電流。剛擴散過來的電子就堆積在 P 區(qū)內(nèi)緊靠PN

8、結的附近，形成一定的多子濃度梯度分布曲線。P+-N第二節(jié)半導體二極管2.1 半導體二極管的結構和類型2.2 二極管的伏安特性2.3 二極管的主要參數(shù)2.4 二極管的等效電路及應用2.5 穩(wěn)壓二極管 一、半導體二極管的結構和類型構成：PN 結 + 引線 + 管殼 = 二極管(Diode)符號：D陽極陰極分類：按材料分硅二極管鍺二極管按結構分點接觸型面接觸型平面型點接觸型正極引線觸絲N 型鍺片外殼負極引線負極引線 面接觸型N型鍺PN 結 正極引線鋁合金小球底座金銻合金正極引線負極引線集成電路中平面型PNP 型支持襯底二、二極管的伏安特性OuD /ViD /mA正向特性Uth死區(qū)電壓iD = 0Ut

9、h = 0.5 V 0.1 V(硅管)(鍺管)U UthiD 急劇上升0 U Uth UD(on) = (0.6 1) V硅管 0.7 V(0.2 0.5) V鍺管 0.2 V反向特性ISU (BR)反向擊穿U(BR) U 0 iD = IS 0.1 A(硅) 幾十 A (鍺)U U(BR)反向電流急劇增大(反向擊穿)反向擊穿類型：電擊穿熱擊穿反向擊穿原因： 齊納擊穿：(Zener)反向電場太強，將電子強行拉出共價鍵。 (擊穿電壓 6 V，正溫度系數(shù))特點：隨著反向電流急劇增加，PN結的反向電壓值增加很少。電擊穿硅管的伏安特性鍺管的伏安特性604020 0.02 0.0400.40.82550

10、iD / mAuD / ViD / mAuD / V0.20.4 25 50510150.010.020溫度對二極管特性的影響604020 0.0200.42550iD / mAuD / V20C90CT 升高時，UD(on)以 (2 2.5) mV/ C 下降三、 二極管的主要參數(shù)1. IF 最大整流電流(最大正向平均電流)2. URM 最高反向工作電壓，為 U(BR) / 2 3. IR 反向電流(越小單向導電性越好)4. fM 最高工作頻率(超過時單向導電性變差)iDuDU (BR)I FURMO1. 最大整流電流 IF二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。2. 反向擊穿電

11、壓UBR二極管反向擊穿時的電壓值。擊穿時反向電流劇增，二極管的單向導電性被破壞，甚至過熱而燒壞。手冊上給出的最高反向工作電壓UR一般是UBR的一半。3.反向電流 IR指二極管加反向峰值工作電壓時的反向電流。反向電流大，說明管子的單向導電性差，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)，二極管的應用是主要利用它的單向導電性，主要應用于整流、限幅、保護等等。下面介紹兩個交流參數(shù)。 四、二極管的等效電路及應用（一）、理想二極管特性uDiD符號及等效模型SS正偏導通，uD = 0；反偏截止， iD

12、 = 0 U(BR) = （二）、二極管正向壓降等效電路uDiDUD(on)uD = UD(on)0.7 V (Si)0.2 V (Ge)（三）二極管電路的分析方法構成的橋式整流電路在ui = 15sint (V) 作用下輸出 uO 的波形。(按理想模型)Otui / V15RLD1D4D2D3uiBAuOOtuO/ V153. 參數(shù)估算1) 整流輸出電壓平均值2) 二極管平均電流3) 二極管最大反向壓totototo2323Im2233uOu2uDiD = iO負載電阻RL中流過的電流iO的平均值IO為二極管組成的限幅電路：當U0且UUR+UD時，二極管D導通，開關閉合，輸出電壓U0=UD+

13、UR。當UUR+UC時，二極管D截止，開關斷開，輸出電壓 U0=U。波形圖如下：五、穩(wěn)壓二極管UIIZIZmaxUZIZ穩(wěn)壓誤差曲線越陡，電壓越穩(wěn)定。+-UZ動態(tài)電阻：rz越小，穩(wěn)壓性能越好。一、結構二、特性利用PN結的反向擊穿特性實現(xiàn)穩(wěn)壓作用穩(wěn)壓管反向擊穿后：反向電流變化很大、反向擊穿電壓變化很小主要參數(shù)1. 穩(wěn)定電壓 UZ 流過規(guī)定電流時穩(wěn)壓管 兩端的反向電壓值。2. 穩(wěn)定電流 IZ 越大穩(wěn)壓效果越好， 小于 Imin 時不穩(wěn)壓。3. 最大工作電流 IZM 最大耗散功率 PZMP ZM = UZ IZM4. 動態(tài)電阻 rZrZ = UZ / IZ 越小穩(wěn)壓效果越好。幾 幾十 5. 穩(wěn)定電壓

14、溫度系數(shù) CT一般，UZ 4 V，CTV 7 V，CTV 0 (為雪崩擊穿)具有正溫度系數(shù)；4 V UZ UZ時，穩(wěn)壓管DZ擊穿穩(wěn)壓。流過穩(wěn)壓管的電流為： 。適當選擇參數(shù)RZ的阻值，使流過穩(wěn)壓管的電流在穩(wěn)壓管參數(shù)穩(wěn)定電流IZ和最大電流IZM之間U電阻的作用一是起限流作用，以保護穩(wěn)壓管；其次是當輸入電壓或負載電流變化時，通過該電阻上電壓降的變化，取出誤差信號以調(diào)節(jié)穩(wěn)壓管的工作電流，從而起到穩(wěn)壓作用。第三節(jié)雙極型晶體管3.1 晶體管的結構和類型3.3 晶體管的特性曲線3.4 晶體三極管的主要參數(shù)3.2 晶體管的電流分配關系和放大作用3.5 溫度對晶體管參數(shù)的影響 晶體三極管一、結構、符號和分類NN

15、P發(fā)射極 E基極 B集電極 C發(fā)射結集電結 基區(qū) 發(fā)射區(qū) 集電區(qū)emitterbasecollectorNPN 型PPNEBCPNP 型ECBECB分類：按材料分： 硅管、鍺管按功率分： 小功率管 1 W中功率管 0.5 1 W二、晶體管電流分配關系和放大作用三極管放大的條件內(nèi)部條件發(fā)射區(qū)摻雜濃度高于集電區(qū)，集電區(qū)摻雜濃度高于基區(qū)基區(qū)薄且摻雜濃度低集電結面積大外部條件發(fā)射結正偏集電結反偏（一）晶體管內(nèi)部載流子的運動1) 發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入多子電子， 形成發(fā)射極電流 IE。I CN多數(shù)向 BC 結方向擴散形成 ICN。IE少數(shù)與空穴復合，形成 IBN 。I BN基區(qū)空穴來源基極電源提供(IB)集電

16、區(qū)少子漂移(ICBO)I CBOIBIBN IB + ICBO即：IB = IBN ICBO 2)電子到達基區(qū)后(基區(qū)空穴運動因濃度低而忽略)I CNIEI BNI CBOIB 3) 集電區(qū)收集擴散過 來的載流子形成集 電極電流 ICICI C = ICN + ICBO （二）晶體管的電流分配關系當管子制成后，發(fā)射區(qū)載流子濃度、基區(qū)寬度、集電結面積等確定，故電流的比例關系確定，即：IB = I BN ICBO IC = ICN + ICBO穿透電流IE = IC + IB1. 滿足放大條件的三種電路uiuoCEBECBuiuoECBuiuo共發(fā)射極共集電極共基極（三） 晶體管的放大作用（四）關

17、于PNP 型晶體管要保證發(fā)射結正偏，集電結反偏，外加電 源極性應與NPN管相反。VCCVCC+-PPNVBBVBB+-PNN圖 三極管外加電源的極性 若規(guī)定PNP中各極電流IB、IC、IE的方向與實際方向一致，而電壓UBE仍為b e,UCE仍為c e,則UBE與UCE與實際方向相反。此時有IB、IC、IE為正值，UBE和UCE將為負值。（）（）（+）（+）UCEUBEIBICIEUCEUBEIBICIE+（實際方向）（規(guī)定正方向）NPN管 PNP管截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)結的偏置 發(fā)射結反偏集電結反偏發(fā)射結正偏集電結正偏集電結反偏發(fā)射結正偏電流關系IB 、IC、IEIE= IB + IC =IB0

18、=IC0電位關系UB 、UC、UEUB UEUB UCUB UEUB UCUB UB UEUCUB IBSIBS=ICSNPN與PNP管的情況如下：(一)、輸入特性輸入回路輸出回路與二極管特性相似三、晶體管的特性曲線電流：I c+I B=I E電壓：U CE=UBE -UBCO特性基本重合(電流分配關系確定)特性右移(因集電結開始吸引電子)導通電壓 UBE(on)硅管： (0.6 0.8) V鍺管： (0.2 0.3) V取 0.7 V取 0.2 V特點：增加UCE ，曲線右移、ib減小、繼續(xù)增大UCE ，曲線和ib不變（二）、輸出特性iC / mAuCE /V50 A40 A30 A20 A

19、10 AIB = 0O 2 4 6 8 4321截止區(qū)： IB 0 IC = ICEO 0條件：兩個結反偏截止區(qū)ICEO2. 飽和區(qū)：uCE （飽和壓降） u BEuBE 0、u BC 0 條件：兩個結正偏特點：IC IB臨界飽和時： uCE = uBE深度飽和時：0.3 V (硅管)UCE(SAT)=0.1 V (鍺管)放大區(qū)截止區(qū)飽和區(qū)ICEO固定iB不變時，iC隨uCE的增大而迅速增加iC / mAuCE /V50 A40 A30 A20 A10 AIB = 0O 2 4 6 8 43213. 放大區(qū)：放大區(qū)截止區(qū)條件： 發(fā)射結正偏 集電結反偏特點： ICEOI B 0, UCE UBE

20、uBE 0、u BC 0 固定iB不變情況下：iC基本不隨uCE的變化，而隨iB的變化而變化iC / mAuCE /V50 A40 A30 A20 A10 AIB = 0O 2 4 6 8 4321四、晶體管的主要參數(shù)（一）、電流放大系數(shù)1. 共發(fā)射極電流放大系數(shù) 直流電流放大系數(shù) 交流電流放大系數(shù)一般為幾十 幾百Q(mào)iC / mAuCE /V50 A40 A30 A20 A10 AIB = 0O 2 4 6 8 43212. 共基極電流放大系數(shù) 1 一般在 0.98 以上。 （二）、極間反向電流CB 極間反向飽和電流 ICBO，CE 極間反向飽和電流 穿透電流：ICEO。cAICBObeceAICEObICBO1、集電極和基極之間的反向飽和電流ICEO2、集電極和發(fā)射極之間的穿透電流發(fā)射極開路基極開路（三）、極限參數(shù)1. ICM 集電極最大允許電流，超過時 值明顯降低。2. PCM 集