第1章双极型半导体器件精.ppt

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1、第1章双极型半导体器件第1页，本讲稿共33页(1-2)第第1 1章章 双极型半导体器件双极型半导体器件 1.2半导体二极管半导体二极管 1.3 半导体三极管半导体三极管 1.1 半导体的基本知识半导体的基本知识第2页，本讲稿共33页(1-3)1.1.1 1.1.1 半导体半导体导体：导体：自然界中很容易导电的物质称为自然界中很容易导电的物质称为导体导体，金属一般都是导体，如铁、，金属一般都是导体，如铁、铜、铝等。铜、铝等。绝缘体：绝缘体：有的物质几乎不导电，称为有的物质几乎不导电，称为绝缘体绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。石英。半导体：半导体：另有一类物质的导电特性处于

2、导体和绝缘体之间，称为另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导半导体体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等半导体半导体的导电机理不同于其它物质，其特点：的导电机理不同于其它物质，其特点：当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。往纯净半导体中掺入某些杂质，会使其导电能力明显改变。往纯净半导体中掺入某些杂质，会使其导电能力明显改变。1.1 半导体的基本知识第3页，本讲稿共33页(1-4)1.1.2 本征半导体GeSi绝对零度以下，本征半导体中无活跃载流子，不导电绝对零度以下，本征半导体中无活

3、跃载流子，不导电常用的半导体是硅和锗，外层电子（价电子）均常用的半导体是硅和锗，外层电子（价电子）均4个。个。本征半导体：本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。完全纯净的、结构完整的半导体晶体。形成共价键后，最外层电子是形成共价键后，最外层电子是8个，构成稳定结构个，构成稳定结构+4+4+4+4共价键结构共价键结构束缚电子第4页，本讲稿共33页(1-5)1.1.3 杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大

4、大增加。增加。P 型半导体：型半导体：在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼(或或 铟铟)而形成，而形成，也称为（空穴半导体）。也称为（空穴半导体）。N 型半导体：型半导体：在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑）在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑）而形成。而形成。也称为（电子半导体）。也称为（电子半导体）。+4+4+5+4多余电子磷原子N 型半导体中的型半导体中的载流子是什么？载流子是什么？自由电子自由电子为为多数载流子（多子）多数载流子（多子）空穴称为少数载流子（少子）空穴称为少数载流子（少子）自由电子自由电子为为多子多子空穴是多子空穴是多子

5、多子和少子的移动都能形成电流。起导电作用的主要是多多子和少子的移动都能形成电流。起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等子。近似认为多子与杂质浓度相等第5页，本讲稿共33页(1-6)P型半导体型半导体N型半导体型半导体扩散运动内电场E漂移运动扩散使空间电荷区逐渐加宽内电场越强，漂移运动越强，漂移使空间电荷区变薄。空间电荷区，也称耗尽层。1.1.4 PN 结PN 结的形成结的形成+扩散和漂移运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变第6页，本讲稿共33页(1-7)PN结的单向导电性结的单向导电性 PN 结结外加正向电压外加正向电压：P 区接正、区接正、N

6、区接负电压区接负电压 PN 结结加上反向电压加上反向电压：P区加负、区加负、N 区加正电压区加正电压PNPN内电场外电场变薄变薄结论：结论：P N 结导通结导通外电场变厚变厚结论：结论：P N 结截止结截止内电场第7页，本讲稿共33页(1-8)1.2 半导体二极管半导体二极管1 1、基本结构、基本结构PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。引线外壳线触丝线基片点接触型点接触型PN结面接触型面接触型PN二极管电路符号二极管电路符号1.2PN2 2、伏安特性、伏安特性UI死区电压死区电压 硅管硅管0.5V,锗管锗管0.1V导通压降导通压降:硅硅管管约约0.

7、7V锗管锗管约约0.3V反向击穿反向击穿电压电压URVD第8页，本讲稿共33页(1-9)3、主要参数、主要参数1.最大整流电流最大整流电流 IFM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流2.最大最大反向工作电压反向工作电压URM 指管子运行时允许承受的最大反向电压，指管子运行时允许承受的最大反向电压，是反向击穿电压是反向击穿电压UBR的一半。的一半。3.反向电流反向电流 IR 指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。其值越小越好。温指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。其值越小越好。温度越高反向电流越大。硅管的较小，锗管的要比硅管大

8、几十到几百倍。度越高反向电流越大。硅管的较小，锗管的要比硅管大几十到几百倍。以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。1.2第9页，本讲稿共33页(1-10)4.直流电阻直流电阻 RDiDuDIDUDQiD uDrD 是二极管特性曲线上工作点是二极管特性曲线上工作点Q 附近电附近电压的变化与电流的变化之比：压的变化与电流的变化之比：显然，显然，rD是对是对Q附近的微小变化区域内的电阻附近的微小变化区域内的电阻1.25.微变电阻微变电阻 rD二极管

9、上电压与电流之比二极管上电压与电流之比正向几十欧正向几十欧-几千欧几千欧反向几十反向几十-几百千欧几百千欧第10页，本讲稿共33页(1-11)实际二极管：实际二极管：正向压降正向压降 0.7V(硅二极管硅二极管)理想二极管：理想二极管：正向压降正向压降=0 。分析时，常把二极管看成理想的。分析时，常把二极管看成理想的。RLuiuouiuott1.2.3 二极管的应用举例二极管的应用举例仿真二极管半波整仿真二极管半波整.EWBWEWB32.EXE流流二极管的应用举例二极管的应用举例1：二极管半波整流二极管半波整流应用举例第11页，本讲稿共33页(1-12)二极管的应用2tttuiuRuoRRLu

10、iuRuo应用举例第12页，本讲稿共33页(1-13)习题1-2哪些二极管是导通的?VD截止截止VD导通导通VD导通导通怎么来的？怎么来的？应用举例第13页，本讲稿共33页(1-14)习题1-3画出u0波形abcd应用举例第14页，本讲稿共33页(1-15)1.2.4 硅稳压二极管硅稳压二极管+符号符号稳压管是一种特殊的二极管，稳压管是一种特殊的二极管，它专门工作在反向工作区它专门工作在反向工作区 特性曲线特性曲线工作区工作区IUZUIZ曲线越陡，电压越稳定VS稳压二极管的参数稳压二极管的参数:（4）稳定电流稳定电流IZ、最大、最小稳定最大、最小稳定 电流电流Izmax、Izmin（5）最大允

11、许功耗）最大允许功耗（1）稳定电压稳定电压 UZ（2）电压温度系数电压温度系数 U（%/）稳压值受温度变化影响的的系数稳压值受温度变化影响的的系数（3）动态电阻）动态电阻UZ1.2第15页，本讲稿共33页(1-16)稳压二极管的应用举例1.21、已知ui=20V,UZ1=6V，求U0=？VZ1RiuiU0分析：分析：电流通路稳压管反向击穿稳压管反向击穿解：解：U0 =6V2、已知、已知 ui=20V,UZ1=6V，UZ2=9V，求，求U0=？VZ1RuiVZ2u0答案：答案：u0=6+9=15 V第16页，本讲稿共33页(1-17)1.发光二极管（发光二极管（LED)1.2.5 1.2.5 其

12、他类型二极管其他类型二极管LED 是是 Light Emitting Diode 的缩写的缩写与普通二极管一样与普通二极管一样 由由PN结构成结构成 也具有单向也具有单向导电性。导电性。由磷化镓（由磷化镓（GaP）等半导体材料制成，能直）等半导体材料制成，能直接将电能转变成光能的发光接将电能转变成光能的发光显示器件。显示器件。有正向电流流过时，发出一定有正向电流流过时，发出一定波长范围的光。波长范围的光。第17页，本讲稿共33页(1-18)2 2 光电二极管光电二极管和普通二极管一样，也由一个和普通二极管一样，也由一个PN结组成，具结组成，具有单方向导电性。有单方向导电性。IU照度增加1.2不

13、同之处是光电二极管的外壳上有一个透明的不同之处是光电二极管的外壳上有一个透明的窗口以便接收光线照射，实现光电转换。是在窗口以便接收光线照射，实现光电转换。是在反向电压作用下工作的，没有光照时，反向电反向电压作用下工作的，没有光照时，反向电流极其微弱，叫暗电流；有光照时，反向电流流极其微弱，叫暗电流；有光照时，反向电流迅速增大，称为光电流。光的强度越大，反向迅速增大，称为光电流。光的强度越大，反向电流也越大。光的变化引起光电二极管电流变电流也越大。光的变化引起光电二极管电流变化，这就可以把光信号转换成电信号，成为光化，这就可以把光信号转换成电信号，成为光电传感器件。在电路中通过它把光信号转换成电

14、传感器件。在电路中通过它把光信号转换成电信号。反向电流随光照强度的增加而上升。电信号。反向电流随光照强度的增加而上升。1.2.5 1.2.5 其他类型二极管其他类型二极管第18页，本讲稿共33页(1-19)1.3.1基本结构基本结构BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极NPN型PNP集电极集电极基极基极发射极发射极BCEPNP型1.3 1.3 半导体三极管半导体三极管1.3BECIBIEICBECIBIEIC符号符号第19页，本讲稿共33页(1-20)BECNNP基极发射极集电极基区：较薄掺杂浓度低集电区：面积较大发射区：掺杂浓度较高集电结发射结1.3.1.基本结构基本结构1.3 1.3

15、 半导体三极管半导体三极管1.3第20页，本讲稿共33页(1-21)NNPRBEB1.3.2 1.3.2 工作原理工作原理EC集电结反偏发射结正偏发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IEIE电子与基区空穴复合形成IBIB穿过集电结形成ICIC三个极电流的关系为三个极电流的关系为IC与与IB之比称为电流放大倍数之比称为电流放大倍数要使三极管能放大电流，必须使要使三极管能放大电流，必须使 发射结正偏，集电结反偏。发射结正偏，集电结反偏。第21页，本讲稿共33页(1-22)1）输入特性输入特性UCE 1VIB(A)UBE(V)204060800.40.8工作压降：硅管UBE0.7V 锗管UBE0

16、.3VUCE=0VUCE=0.5V 死区电压，硅管0.5V，锗管0.1V。ICmAAVVUCEUBERBIBECEB 实验线路1.3.3 1.3.3 特性曲线特性曲线1.3第22页，本讲稿共33页(1-23)IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A（放大区）满足IC=IB当UCE大于一定的数值时，IC=IB2）输出输出特性特性1.31.3.3 1.3.3 特性曲线特性曲线第23页，本讲稿共33页(1-24)IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A饱和区截止区放放大大区区有三个区输出特性三个区域的特点:(1)

17、放大区：发射结正偏，集电结反偏。即：IC=IB (2)饱和区：发射结正偏，集电结正偏。即：UCEUBE，IBIC，UCE0.3V(3)截止区：UBE 死区电压，IB=0，IC=ICEO 0 1.31.3.3 1.3.3 特性曲线特性曲线第24页，本讲稿共33页(1-25)例：=50，UCC=12V，RB=70k，RC=6k 当USB=-2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？当当USB=-2V时：时：ICUCEIBUCCRBUSBCBERCUBEIB=0，IC=0IC 最大饱和电流：最大饱和电流：Q位于截止区位于截止区 1.3第25页，本讲稿共33页(1-26)例：=50，UCC=

18、12V，RB=70k，RC=6k 当USB=2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？可知 Q位于放大区USB=2V时1.3第26页，本讲稿共33页(1-27)USB=5V时:例：=50，UCC=12V，RB=70k，RC=6k 当USB=5V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？ICUCEIBUCCRBUSBCBERCUBEQ 位于饱和区，此时位于饱和区，此时IC 和和IB 已不是已不是 倍的关系。倍的关系。1.3第27页，本讲稿共33页(1-28)直流电流放大倍数直流电流放大倍数：工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上

19、的交流信号。基极电流的变化量为交流信号。基极电流的变化量为 IB，相应集电极电流相应集电极电流变化为变化为 IC，则则交流电流放大倍数交流电流放大倍数为为1)电流放大倍数 和 例：例：UCE=6V时时：IB=40 A,IC=1.5 mA；IB=60 A,IC=2.3 mA在以后的计算中，一般作近似处理：=1.31.3.4 1.3.4 主要参数主要参数第28页，本讲稿共33页(1-29)ICEO=（1+)ICBO 集集-射穿透电流射穿透电流ICEOICEO受温度影响大，受温度影响大，T-T-ICEO，IC也相也相应增加应增加 集电结反向饱和电流ICBOAICBO发射结开路,集电结反偏时由少子漂移

20、形成的反向电流,受温度影响2)极间反向电流基极开路,从集电极穿透至发射极的电流三极管的温度特性较差三极管的温度特性较差1.3.4 1.3.4 主要参数主要参数第29页，本讲稿共33页(1-30)集电极最大允许功耗集电极最大允许功耗PCM 集电极电流集电极电流IC 流过三流过三极管，所发出的焦耳热极管，所发出的焦耳热为：为：PC=iC uCE 必定导致结温上升所必定导致结温上升所以以PC有限制有限制PC PCMICUCEICUCE=PCM安全工作区 集电极最大电流ICMIC过大，过大，会导致会导致 值下降，当降到正常值值下降，当降到正常值2/32/3时的时的IC即为即为ICM 反向击穿电压反向击

21、穿电压3)极限参数当当C C开路，开路，B-EB-E间反向击穿电压间反向击穿电压BUEBO，一般约一般约5V当当E E开路，开路，C-BC-B间反向击穿电压间反向击穿电压BUCBO，一般约几十伏以上一般约几十伏以上当当B B开路，开路，C-EC-E间反向击穿电压间反向击穿电压BUCEO，比比BUCBO小些小些1.3.4 1.3.4 主要参数主要参数第30页，本讲稿共33页(1-31)测得工作在放大电路中几个三极管的三个电位如下图，判断测得工作在放大电路中几个三极管的三个电位如下图，判断他们是他们是PNP型还是型还是NPN型？是硅管还是锗管？同时确定三个电极型？是硅管还是锗管？同时确定三个电极 becNPN 硅管硅管cbePNP锗管锗管cebPNP硅管硅管NPN锗管锗管bec第31页，本讲稿共33页(1-32)1-8 二极管为理想二极管，判断图中二极管的工作状态并求u0共阴极接法的多个二极管，阳极电位高的导通，其它的截止共阴极接法的多个二极管，阳极电位高的导通，其它的截止共阳极接法的多个二极管，阴极电位低的导通，其它的截止共阳极接法的多个二极管，阴极电位低的导通，其它的截止VD1导通，导通，VD2截止截止VD2导通，导通，VD1截止截止0V-12V -3V0Vu0=0Vu0=-3V第32页，本讲稿共33页(1-33)第33页，本讲稿共33页