第一章 雙極型半導體器件

第一章雙極型半導體器件第一頁，共三十七頁，2022年，8月28日1第一章雙極型半導體器件§1.1半導體的基本知識§1.2

PN結§1.3半導體二極管§1.4特殊二極管§1.5半導體三極管下一頁上一頁首頁第二頁，共三十七頁，2022年，8月28日21.1.1導體、半導體和絕緣體導體：自然界中很容易導電的物質稱為導體，金屬一般都是導體，如鐵、銅、鋁等。絕緣體：有的物質幾乎不導電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半導體：另有一類物質的導電特性處于導體和絕緣體之間，稱為半導體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。半導體的導電機理不同于其它物質，其特點為：當受外界熱和光的作用時，它的導電能力明顯變化。往純凈半導體中摻入某些雜質，會使其導電能力明顯改變?！?-1半導體的基本知識下一頁上一頁首頁第三頁，共三十七頁，2022年，8月28日31.1.2本征半導體GeSi在絕對零度以下，本征半導體中無活躍載流子，不導電用的最多的半導體是硅和鍺，最外層電子（價電子）都是四個。本征半導體：完全純凈的、結構完整的半導體晶體。形成共價鍵后，每個原子最外層電子是八個，構成穩(wěn)定結構。+4+4+4+4共價鍵結構束縛電子下一頁上一頁首頁第四頁，共三十七頁，2022年，8月28日4雜質半導體在本征半導體中摻入某些微量的雜質，就會使半導體的導電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導體的某種載流子濃度大大增加。P型半導體：在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼(或銦)而形成，也稱為（空穴半導體）。N型半導體：在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷（或銻）而形成。也稱為（電子半導體）。+4+4+5+4多余電子磷原子++++++++++++++++++++++++N型半導體N型半導體中的載流子是什么？自由電子為多數載流子（多子）空穴稱為少數載流子（少子）++++++++++++++++++++++++N型半導體自由電子為多子空穴是多子－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導體雜質型半導體多子和少子的移動都能形成電流。但由于數量的關系，起導電作用的主要是多子。近似認為多子與雜質濃度相等。下一頁上一頁首頁第五頁，共三十七頁，2022年，8月28日5P型半導體N型半導體擴散運動內電場E漂移運動擴散的結果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。內電場越強，就使漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄?？臻g電荷區(qū)，也稱耗盡層?！?.2PN結2.1.1PN結的形成－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++所以擴散和漂移這一對相反的運動最終達到平衡，相當于兩個區(qū)之間沒有電荷運動，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。第六頁，共三十七頁，2022年，8月28日61.2.2PN結的單向導電性

PN結外加正向電壓：

P區(qū)接正、N區(qū)接負電壓

PN結加上反向電壓：

P區(qū)加負、N區(qū)加正電壓PNPN內電場外電場變薄結論：PN結導通內電場外電場變厚結論：PN結截止下一頁上一頁首頁第七頁，共三十七頁，2022年，8月28日7§1.3半導體二極管一、基本結構PN結加上管殼和引線，就成為半導體二極管。引線外殼線觸絲線基片點接觸型PN結面接觸型PN二極管的電路符號：1.3PN二、伏安特性UI死區(qū)電壓硅管0.6V,鍺管0.2V。導通壓降:硅管0.6~0.7V,鍺管0.2~0.3V。反向擊穿電壓UBR下一頁上一頁首頁第八頁，共三十七頁，2022年，8月28日8三、主要參數1.最大整流電流

IOM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UWRM一般是UBR的一半。1.3下一頁上一頁首頁第九頁，共三十七頁，2022年，8月28日93.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，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。1.3下一頁上一頁首頁第十頁，共三十七頁，2022年，8月28日104.微變電阻rDiDuDIDUDQiDuDrD是二極管特性曲線上工作點Q附近電壓的變化與電流的變化之比：顯然，rD是對Q附近的微小變化區(qū)域內的電阻。1.3下一頁上一頁首頁第十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日11二極管：死區(qū)電壓=0.5V，正向壓降0.7V(硅二極管)理想二極管：死區(qū)電壓=0，正向壓降=0RLuiuouiuott二極管的應用舉例1：二極管半波整流1.3下一頁上一頁首頁第十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日12二極管的應用舉例2：tttuiuRuoRRLuiuRuo1.3下一頁上一頁首頁第十三頁，共三十七頁，2022年，8月28日13穩(wěn)壓二極管§1.4特殊二極管1.4+符號：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)I特性曲線：工作區(qū)UZUIZ曲線越陡，電壓越穩(wěn)定。+穩(wěn)定電壓UZ下一頁上一頁首頁第十四頁，共三十七頁，2022年，8月28日14（4）穩(wěn)定電流IZ、最大、最小穩(wěn)定電流Izmax、Izmin。（5）最大允許功耗穩(wěn)壓二極管的參數:（1）穩(wěn)定電壓

UZ（2）電壓溫度系數U（%/℃）穩(wěn)壓值受溫度變化影響的的系數。（3）動態(tài)電阻1.4下一頁上一頁首頁第十五頁，共三十七頁，2022年，8月28日15穩(wěn)壓二極管的應用舉例1.41、已知ui=20V,UZ1=6V，求U0=？VZ1RiuiU0分析：電流通路穩(wěn)壓管反向擊穿解：U0=6V下一頁上一頁首頁第十六頁，共三十七頁，2022年，8月28日161.42、已知ui=20V,UZ1=6V，UZ1=9V，求U0=？VZ1RuiVZ2u0答案：u0=6+9=15V下一頁上一頁首頁第十七頁，共三十七頁，2022年，8月28日171.4.2光電二極管反向電流隨光照強度的增加而上升。IU照度增加1.4下一頁上一頁首頁第十八頁，共三十七頁，2022年，8月28日181.4.3發(fā)光二極管有正向電流流過時，發(fā)出一定波長范圍的光，目前的發(fā)光管可以發(fā)出從紅外到可見波段的光，它的電特性與一般二極管類似。1.4下一頁上一頁首頁第十九頁，共三十七頁，2022年，8月28日19基本結構BECNNP基極發(fā)射極集電極NPN型PNP集電極基極發(fā)射極BCEPNP型§1.5半導體三極管1.5下一頁上一頁首頁第二十頁，共三十七頁，2022年，8月28日20BECNNP基極發(fā)射極集電極基區(qū)：較薄，摻雜濃度低集電區(qū)：面積較大發(fā)射區(qū)：摻雜濃度較高1.5集電結發(fā)射結下一頁上一頁首頁第二十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日21NNPRBEB1.5.2電流放大原理EC集電結反偏發(fā)射結正偏發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴散，形成發(fā)射極電流IE。IE電子與基區(qū)空穴復合形成IBIB穿過集電結形成ICIC三個極電流的關系為IC與IB之比稱為電流放大倍數要使三極管能放大電流，必須使發(fā)射結正偏，集電結反偏。下一頁上一頁首頁第二十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日22BECIBIEICNPN型三極管BECIBIEICPNP型三極管1.5下一頁上一頁首頁第二十三頁，共三十七頁，2022年，8月28日23特性曲線ICmAAVVUCEUBERBIBECEB

實驗線路下一頁上一頁首頁第二十四頁，共三十七頁，2022年，8月28日24一、輸入特性UCE1VIB(A)UBE(V)204060800.40.8工作壓降：硅管UBE0.6~0.7V,鍺管UBE0.2~0.3V。UCE=0VUCE=0.5V死區(qū)電壓，硅管0.5V，鍺管0.2V。1.5下一頁上一頁首頁第二十五頁，共三十七頁，2022年，8月28日25二、輸出特性IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域滿足IC=IB稱為線性區(qū)（放大區(qū)）。當UCE大于一定的數值時，IC只與IB有關，IC=IB。1.5下一頁上一頁首頁第二十六頁，共三十七頁，2022年，8月28日26IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A飽和區(qū)1.5截止區(qū)放大區(qū)有三個區(qū)：下一頁上一頁首頁第二十七頁，共三十七頁，2022年，8月28日27輸出特性三個區(qū)域的特點:放大區(qū)：發(fā)射結正偏，集電結反偏。即：IC=IB,且IC

=

IB(2)飽和區(qū)：發(fā)射結正偏，集電結正偏。即：UCEUBE

，

IB>IC，UCE0.3V

(3)截止區(qū)：

UBE<死區(qū)電壓，IB=0，IC=ICEO

0

1.5下一頁上一頁首頁第二十八頁，共三十七頁，2022年，8月28日28例：

=50，UCC

=12V，

RB

=70k，RC

=6k當USB

=-2V，2V，5V時，晶體管的靜態(tài)工作點Q位于哪個區(qū)？當USB

=-2V時：ICUCEIBUCCRBUSBCBERCUBEIB=0，IC=0IC最大飽和電流：Q位于截止區(qū)

1.5下一頁上一頁首頁第二十九頁，共三十七頁，2022年，8月28日29例：

=50，USC

=12V，

RB

=70k，RC

=6k當USB

=2V，2V，5V時，晶體管的靜態(tài)工作點Q位于哪個區(qū)？IC<

ICmax(=2mA)，

Q位于放大區(qū)。ICUCEIBUCCRBUSBCBERCUBEUSB

=2V時：1.5下一頁上一頁首頁第三十頁，共三十七頁，2022年，8月28日30USB

=5V時:例：

=50，USC

=12V，

RB

=70k，RC

=6k當USB

=5V，2V，5V時，晶體管的靜態(tài)工作點Q位于哪個區(qū)？ICUCEIBUCCRBUSBCBERCUBEQ位于飽和區(qū)，此時IC和IB

已不是倍的關系。1.5下一頁上一頁首頁第三十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日31三、主要參數前面的電路中，三極管的發(fā)射極是輸入輸出的公共點，稱為共射接法，相應地還有共基、共集接法。共射直流電流放大倍數：工作于動態(tài)的三極管，真正的信號是疊加在直流上的交流信號?；鶚O電流的變化量為IB，相應的集電極電流變化為IC，則交流電流放大倍數為：1.電流放大倍數和

1.5下一頁上一頁首頁第三十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日32例：UCE=6V時：IB=40A,IC=1.5mA；IB=60A,IC=2.3mA。在以后的計算中，一般作近似處理：=1.5下一頁上一頁首頁第三十三頁，共三十七頁，2022年，8月28日332.集-基極反向截止電流ICBOAICBOICBO是集電結反偏由少子的漂移形成的反向電流，受溫度的變化影響。1.5下一頁上一頁首頁第