第5章半导体器件三极管

1、第第5章章 目录目录在热力学温度零度在热力学温度零度和没有外界激发时和没有外界激发时,本征半导体不导电。本征半导体不导电。 把纯净的没有结把纯净的没有结构缺陷的半导体单晶构缺陷的半导体单晶称为本征半导体。称为本征半导体。 它是共价键结构。它是共价键结构。 本征半导体的共价键结构本征半导体的共价键结构硅原子硅原子价电子价电子第第5章章 5.1+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子自由电子空空穴穴本征激发本征激发复合复合在常温下自由电子和空穴的形成在常温下自由电子和空穴的形成成对出现成对出现成对消失成对消失第第5章章 5.1+4+4+4+4+4+4+4+4

2、+4空穴导电的空穴导电的实质是共价实质是共价键中的束缚键中的束缚电子依次填电子依次填补空穴形成补空穴形成电流。故半电流。故半导体中有电导体中有电子和空穴两子和空穴两种载流子。种载流子。 空穴移动方向空穴移动方向 电子移动方向电子移动方向 在外电场作用下，在外电场作用下，电子和空穴均能电子和空穴均能参与导电。参与导电。 价电子填补空穴价电子填补空穴第第5章章 5.1+4+4+4+4+4+4+4+41.N型半导体型半导体在硅或锗的晶体在硅或锗的晶体中中 掺入少量的掺入少量的五价元五价元 素素,如磷如磷,则形成则形成N型半导型半导体。体。 磷原子磷原子+4+5多余价电子多余价电子自由电子自由电子正离

3、子正离子第第5章章 5.1 N 型半导体结构示意图型半导体结构示意图少数载流子少数载流子多数载流子多数载流子正离子正离子在在N型半导中型半导中,电子是多数载流子电子是多数载流子, 空穴是少数载流子。空穴是少数载流子。第第5章章 5.1+4+4+4+4+4+4+4空穴空穴2. P型半导体型半导体在硅或锗的晶体中在硅或锗的晶体中 掺入少量的三价元掺入少量的三价元 素素,如硼如硼,则形成则形成P 型型半导体。半导体。 +4+4硼原子硼原子填补空位填补空位+3负离子负离子第第5章章 5.1 P 型半导体结构示意图型半导体结构示意图电子是少数载流子电子是少数载流子负离子负离子空穴是多数载流子空穴是多数载

4、流子第第5章章 5.1P 区区N 区区 用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上, ,形成形成 P型半导体区域型半导体区域 和和 N型半导体区域型半导体区域, ,在这两个区域的交界处就形成了一个在这两个区域的交界处就形成了一个PN 结。结。N区的电子向区的电子向P区扩散并与空穴复合区扩散并与空穴复合P区的空穴向区的空穴向N区扩散并与电子复合区扩散并与电子复合空间电荷区空间电荷区内电场方向内电场方向第第5章章 5.1多子扩散多子扩散少子漂移少子漂移内电场方向内电场方向空间电荷区空间电荷区P 区区N 区区在一定的条件下，多子扩散与少子漂移达到动态平衡，在一定的条件下

5、，多子扩散与少子漂移达到动态平衡， 空间电荷区的宽度基本上稳定下来。空间电荷区的宽度基本上稳定下来。 第第5章章 5.1内电场方向内电场方向E外电场方向外电场方向RIP 区区N 区区外电场驱使外电场驱使P区的空穴进入空间区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷电荷区抵消一部分负空间电荷N区电子进入空间电荷区区电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷抵消一部分正空间电荷空间电荷区变窄空间电荷区变窄 扩散运动增强，形扩散运动增强，形成较大的正向电流成较大的正向电流1. 外加正向电压外加正向电压第第5章章 5.1P 区区N 区区内电场方向内电场方向ER空间电荷区变宽空间电荷区变宽 外电场方向外电场方

6、向IR2. 2. 外加反向电压外加反向电压外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走少数载流子越过少数载流子越过PN结结形成很小的反向电流形成很小的反向电流 多数载流子的扩散运动难于进行多数载流子的扩散运动难于进行第第5章章 5.1 正极引线正极引线触丝触丝N型锗型锗支架支架外壳外壳负极引线负极引线点接触型二极管点接触型二极管二极管的符号二极管的符号正极正极负极负极 正极引线正极引线二氧化硅保护层二氧化硅保护层P型区型区负极引线负极引线 面接触型二极管面接触型二极管N型硅型硅PN结结PN结结第第5章章 5.2600400200 0.1 0.200.

7、4 0.850100I / mAU / V正向特性正向特性反向击反向击穿特性穿特性硅管的伏安特性硅管的伏安特性反向特性反向特性阀值电压阀值电压UDI / mAU / V0.40.8 40 802460.10.2锗管的伏安特性锗管的伏安特性正向特性正向特性反向特性反向特性0第第5章章 5.2UD=0.5vUD=0.2v1. 额定正向平均电流额定正向平均电流IF2. 正向电压降正向电压降UF3. 最高反向工作电压最高反向工作电压UR 例例1：下图中，已知：下图中，已知UA=3V， UB=0V， DA 、DB为锗管，为锗管，求输出端求输出端Y的电位并说明的电位并说明二极管的二极管的作用。作用。 解：

8、解： DA优先导通，则优先导通，则UY=30.3=2.7VDA导通后导通后, DB因反偏而截止因反偏而截止,起隔离作用起隔离作用, DA起钳位作用起钳位作用,将将Y端的电位钳制在端的电位钳制在+2.7V。 DA 12VYABDBR 二极管的二极管的应用范围很广应用范围很广,它可用于整流、检波、限幅、它可用于整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。元件保护以及在数字电路中作为开关元件。 第第5章章 5.24. 最大反向电流最大反向电流IRmDE3VRuiuouRuD 例例2：下图是：下图是二极管二极管限幅电路，限幅电路，D为理想二极管，为理想二极管，ui = 6 sin t V,

9、 E= 3V,试画出试画出 uo波形波形 。 t t ui / V Vuo /V63300 2 2 6第第5章章 5.2 t 630 2 例例3：双向限幅电路双向限幅电路 t 033DE3VRDE3V第第5章章 5.2uiuouRuD ui / Vuo /VIFUF0正向特性正向特性反向激穿区反向激穿区UZIminIZmaxDZ负极负极伏安特性伏安特性 稳压管是一种特殊的稳压管是一种特殊的面接触型半导体二极管。面接触型半导体二极管。 第第5章章 5.30 稳压管的主要参数稳压管的主要参数1. 稳定电压稳定电压UZ 2. 最小稳定电流最小稳定电流 IZmin 3. 最大稳定电流最大稳定电流 IZ

10、max4. 动态电阻动态电阻 RZ IZ UZRZ = IZ UZ第第5章章 5.3IFUFIminIZmax(4) 稳压二极管稳压二极管IZmax稳压二极管符号稳压二极管符号UIUZIZ稳压二极管特性曲线稳压二极管特性曲线IZmin当稳压二极管工作当稳压二极管工作在反向击穿状态下在反向击穿状态下,当工作电流当工作电流IZ在在Izmax和和 Izmin之间时之间时,其两端电压其两端电压近似为近似为常数常数正向同正向同二极管二极管稳定稳定电流电流稳定稳定电压电压RLuiuORDZiiziLUZ例：稳压二极管的应用例：稳压二极管的应用稳压二极管技术数据为：稳压值稳压二极管技术数据为：稳压值UZW=

11、10V，Izmax=12mA，Izmin=2mA，负载电阻，负载电阻RL=2k ，输入电，输入电压压ui=12V，限流电阻，限流电阻R=200 。若。若负载电阻负载电阻变化范围变化范围为为1.5 k 4 k ，是否还能稳压？，是否还能稳压？UZW=10V ui=12VR=200 Izmax=12mAIzmin=2mARL=2k (1.5 k 4 k ) iL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5（mA）i= （ui - UZ）/R=（12-10）/0.2=10 （mA） iZ = i - iL=10-5=5 （mA）RL=1.5 k , iL=10/1.5=6.7（mA）, iZ =10-6.

12、7=3.3（mA）RL=4 k , iL=10/4=2.5（mA）, iZ =10-2.5=7.5（mA）RLuiuORDZiiziLUZ第第5章章 5.41. NPN 型三极管型三极管集电区集电区集电结集电结基区基区发射结发射结发射区发射区NN集电极集电极C基极基极B发射极发射极E 5.4.1 三极管的结构三极管的结构 分类和符号分类和符号PECB符号符号集电区集电区集电结集电结基区基区发射结发射结发射区发射区CBEN集电极集电极C发射极发射极E基极基极BNPPN2. PNP型三极管型三极管第第5章章 5.4发射区向基区发射区向基区扩散电子扩散电子IEIB电子在基区电子在基区扩散与复合扩散与

13、复合集电区收集电子集电区收集电子 电子流向电源正极形成电子流向电源正极形成 ICICNPN电源负极向发射电源负极向发射区补充电子形成区补充电子形成 发射极电流发射极电流IE 三极管的电流控制原理三极管的电流控制原理E EB B正极拉走电正极拉走电子，补充被复子，补充被复合的空穴，形合的空穴，形成成 I IB B第第5章章 5.4UCCRCVBBRBUCCRCIC UCECEBUBE共发射极接法放大电路共发射极接法放大电路输出输出回路回路输入输入回路回路公公共共端端EBRBIBIERCUccECICEOB = IC IB = IC IB IB的微小变化引起的微小变化引起IC的较大变化的较大变化I

14、c= IB，Ic是是 和和IB决定的决定的 0UCEUcc, UCE=Ucc-RCIC 晶体管相当于通路晶体管相当于通路发射结正向偏置发射结正向偏置集电结反向偏置集电结反向偏置UCCRCIC UCECEBUBE共发射极接法放大电路共发射极接法放大电路EBRBIBIEIBRBUBEICUCE=Ucc-RCIC0 IB增加时，增加时，IC 基本不基本不变化变化 ， Ic是是UCC和和RC决定的决定的 UCE 0 晶体管相当于短路晶体管相当于短路UCCRCIc 发射结正向偏置发射结正向偏置集电结正向偏置集电结正向偏置发射结反向偏置发射结反向偏置集电结反向偏置集电结反向偏置UCCRCIC UCECEB

15、UBE共发射极接法放大电路共发射极接法放大电路EBRBIBIE IB=0Ic= 0 UCE=Ucc晶体管相当于开路晶体管相当于开路模拟电路中晶体管主要工作在放大状态模拟电路中晶体管主要工作在放大状态IBUBE0UCE 1V1. 三极管的输入特性三极管的输入特性IB = f (UBE )UC E = 常数常数第第5章章 5.4死区电压死区电压25 C75 CIB =40AIB =60AUCE 0IC IB增加增加IB 减小减小IB = 20AIB = 常数常数IC = f (UCE )2. 三极管的输出特性三极管的输出特性第第5章章 5.4IC / mAUCE /V0放放大大区区三极管输出特性上

16、的三个工作区三极管输出特性上的三个工作区 IB= 0 A20A40 A截止区截止区饱和区饱和区60 A80 A第第5章章 5.41. 电流放大系数电流放大系数 = IC IB 2. 穿透电流穿透电流 ICEO 3. 集电极最大允许电流集电极最大允许电流 ICM 4. 集集-射反相击穿电压射反相击穿电压 U(BR)CEO 5. 集电极最大允许耗散功率集电极最大允许耗散功率 PCM极限参数极限参数使用时使用时不允许超过不允许超过!第第5章章 5.4 = IC IB60A0 20A1.52.3在输出特性上求在输出特性上求 , = IC IB =1.5mA40A= 37.5 =IC IB =2.31.

17、5(mA)60 40(A)= 40设设UCE=6V, IB由由40A加为加为60A 。第第5章章 5.4IC / mAUCE /VIB =40A60IB= 0 A20A40 A60 A80 A由三极管的极限参数确定安全工作区由三极管的极限参数确定安全工作区安安全全工工作作区区过过损损耗耗区区PCM曲线曲线第第5章章 5.4IC / mAUCE /VICEOICMU(BR)CEOSiO2结构示意图结构示意图P型硅衬底型硅衬底源极源极S栅极栅极G漏极漏极D 衬底引线衬底引线BN+N+DBSG符号符号1. 结构和符号结构和符号第第5章章 5.5SiO2结构示意图结构示意图P型硅衬底型硅衬底耗尽层耗尽

18、层衬底引线衬底引线BN+N+SGDUDSID = 0D与与S之间是两个之间是两个PN结反向串联，结反向串联，无论无论D与与S之间加之间加什么极性的电压，什么极性的电压，漏极电流均接近漏极电流均接近于零。于零。2. 工作原理工作原理第第5章章 5.5P型硅衬底型硅衬底N+BSGD。耗尽层耗尽层ID = 0由柵极指向衬底方由柵极指向衬底方向的电场使空穴向向的电场使空穴向下移动下移动,电子向上移电子向上移 动动,在在P 型硅衬底的型硅衬底的 上表面形成耗尽层。上表面形成耗尽层。 仍然没有漏极电流。仍然没有漏极电流。 UGSN+N+第第5章章 5.5UDSP型硅衬底型硅衬底N+BSGD。UDS耗尽层耗

19、尽层ID 栅极下栅极下P型半导型半导体表面形成体表面形成N型导电型导电沟道，当沟道，当D、S加上加上正向电压后可产生正向电压后可产生漏极电流漏极电流ID 。 N型导电沟道N+N+第第5章章 5.5UGS结构示意图结构示意图P型硅衬底型硅衬底源极源极S漏极漏极D 栅极栅极G衬底引线衬底引线B耗尽层耗尽层1. 结构特点和工作原理结构特点和工作原理N+N+正离子正离子N N型沟道型沟道SiO2DBSG符号符号制造时制造时,在二氧化硅绝缘层中掺入大量的正离子。在二氧化硅绝缘层中掺入大量的正离子。第第5章章 5.5N型硅衬底型硅衬底N+BSGD。耗尽层耗尽层PMOS管结构示意图管结构示意图P沟道沟道PMOS管与管与NMOS管管互为对偶关系，使用互为对偶关系，使用时时UGS 、UDS的极性的极性也与也与NMOS管相反。管相反。 P+P+第第5章章 5.5UGSUDSID1. 1. P沟道增强型绝缘栅场效应管沟道增强型绝缘栅场效应管开启电压开启电压UGS(th)为为负值，负值，UGS UGS(th) 时导通。时导通。 SGDB符号符号 ID /mAUGS / V0UGS(th) 转移特性转移特性2. 2. P沟道耗尽型绝缘栅场效应管沟道耗尽型绝缘栅场效应管DBSG符号符号 ID /mAUGS /V0UGS(off) 转移特性转移特性夹断电压夹断电压UGS(off)为为正