半导体器件市公开课一等奖省赛课获奖课件

第一章双极型半导体器件龚淑秋李忠波制作1半导体器件第1页第一章双极型半导体器件§1.1半导体基本知识§1.2

PN结§1.3半导体二极管§1.4特殊二极管§1.5半导体三极管下一页上一页首页2半导体器件第2页1.1.1导体、半导体和绝缘体导体：自然界中很轻易导电物质称为导体，金属普通都是导体，如铁、铜、铝等。绝缘体：有物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：另有一类物质导电特征处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。半导体导电机理不一样于其它物质，其特点为：当受外界热和光作用时，它导电能力显著改变。往纯净半导体中掺入一些杂质，会使其导电能力显著改变。§1-1半导体基本知识下一页上一页首页3半导体器件第3页1.1.2本征半导体GeSi在绝对零度以下，本征半导体中无活跃载流子，不导电用最多半导体是硅和锗，最外层电子（价电子）都是四个。本征半导体：完全纯净、结构完整半导体晶体。形成共价键后，每个原子最外层电子是八个，组成稳定结构。+4+4+4+4共价键结构束缚电子下一页上一页首页4半导体器件第4页1.1.3杂质半导体在本征半导体中掺入一些微量杂质，就会使半导体导电性能发生显著改变。其原因是掺杂半导体某种载流子浓度大大增加。P型半导体：在硅或锗晶体中掺入少许三价元素，如硼(或铟)而形成，也称为（空穴半导体）。N型半导体：在硅或锗晶体中掺入少许五价元素磷（或锑）而形成。也称为（电子半导体）。+4+4+5+4多出电子磷原子++++++++++++++++++++++++N型半导体N型半导体中载流子是什么？自由电子为多数载流子（多子）空穴称为少数载流子（少子）++++++++++++++++++++++++N型半导体自由电子为多子空穴是多子－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体杂质型半导体多子和少子移动都能形成电流。但因为数量关系，起导电作用主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。下一页上一页首页5半导体器件第5页P型半导体N型半导体扩散运动内电场E漂移运动扩散结果是使空间电荷区逐步加宽，空间电荷区越宽。内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。空间电荷区，也称耗尽层。§1.2PN结2.1.1PN结形成－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++所以扩散和漂移这一对相反运动最终到达平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区厚度固定不变。6半导体器件第6页1.2.2PN结单向导电性

PN结外加正向电压：

P区接正、N区接负电压PN结加上反向电压：

P区加负、N区加正电压PNPN内电场外电场变薄结论：PN结导通内电场外电场变厚结论：PN结截止下一页上一页首页7半导体器件第7页§1.3半导体二极管一、基本结构PN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PN结面接触型PN二极管电路符号：1.3PN二、伏安特征UI死区电压硅管0.6V,锗管0.2V。导通压降:硅管0.6~0.7V,锗管0.2~0.3V。反向击穿电压UBR下一页上一页首页8半导体器件第8页三、主要参数1.最大整流电流

IOM二极管长久使用时，允许流过二极管最大正向平均电流。2.反向击穿电压UBR二极管反向击穿时电压值。击穿时反向电流剧增，二极管单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出最高反向工作电压UWRM普通是UBR二分之一。1.3下一页上一页首页3.反向电流

IR指二极管加反向峰值工作电压时反向电流。其值大，说明管子单向导电性差，所以反向电流越小越好。温度越高反向电流越大。硅管较小，锗管要比硅管大几十到几百倍。以上均是二极管直流参数，二极管应用是主要利用它单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。9半导体器件第9页4.微变电阻rDiDuDIDUDQiDuDrD是二极管特征曲线上工作点Q附近电压改变与电流改变之比：显然，rD是对Q附近微小改变区域内电阻。1.3下一页上一页首页10半导体器件第10页二极管：死区电压=0.5V，正向压降0.7V(硅二极管)

理想二极管：死区电压=0，正向压降=0RLuiuouiuott二极管应用举例1：二极管半波整流1.3下一页上一页首页11半导体器件第11页二极管应用举例2：tttuiuRuoRRLuiuRuo1.3下一页上一页首页12半导体器件第12页1.4.1稳压二极管§1.4特殊二极管1.4+符号：稳压管是一个特殊二极管，它专门工作在反向工作区I特征曲线：工作区UZUIZ曲线越陡，电压越稳定。+稳定电压UZ下一页上一页首页13半导体器件第13页（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。（5）最大允许功耗稳压二极管参数:（1）稳定电压

UZ（2）电压温度系数U（%/℃）稳压值受温度改变影响系数。（3）动态电阻1.4下一页上一页首页14半导体器件第14页稳压二极管应用举例1.41、已知ui=20V,UZ1=6V，求U0=？VZ1RiuiU0分析：电流通路稳压管反向击穿解：U0=6V下一页上一页首页2、已知ui=20V,UZ1=6V，UZ1=9V，求U0=？VZ1RuiVZ2u0答案：u0=6+9=15V15半导体器件第15页1.4.2光电二极管反向电流随光照强度增加而上升。IU照度增加1.4下一页上一页首页1.4.3发光二极管有正向电流流过时，发出一定波长范围光，当前发光管能够发出从红外到可见波段光，它电特征与普通二极管类似。16半导体器件第16页1.5.1基本结构BECNNP基极发射极集电极NPN型PNP集电极基极发射极BCEPNP型§1.5半导体三极管1.5下一页上一页首页BECIBIEICBECIBIEIC符号17半导体器件第17页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1.5集电结发射结下一页上一页首页§1.5半导体三极管18半导体器件第18页NNPRBEB1.5.2电流放大原理EC集电结反偏发射结正偏发射区电子不停向基区扩散，形成发射极电流IE。IE电子与基区空穴复合形成IBIB穿过集电结形成ICIC三个极电流关系为IC与IB之比称为电流放大倍数要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。下一页上一页首页19半导体器件第19页一、输入特征UCE1VIB(A)UBE(V)204060800.40.8工作压降：硅管UBE0.6~0.7V,锗管UBE0.2~0.3VUCE=0VUCE=0.5V死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。1.5下一页上一页首页ICmAAVVUCEUBERBIBECEB

试验线路1.5.3特征曲线20半导体器件第20页二、输出特征IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域满足IC=IB称为线性区（放大区）。当UCE大于一定数值时，IC只与IB相关，IC=IB。1.5下一页上一页首页21半导体器件第21页IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A饱和区1.5截止区放大区有三个区：下一页上一页首页输出特征三个区域特点: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

，

IB>IC，UCE0.3V

(3)截止区：

UBE<死区电压，IB=0，IC=ICEO

0

22半导体器件第22页例：

=50，UCC

=12V，

RB

=70k，RC

=6k

当USB

=-2V，2V，5V时，晶体管静态工作点Q位于哪个区？当USB

=-2V时：ICUCEIBUCCRBUSBCBERCUBEIB=0，IC=0IC最大饱和电流：Q位于截止区

1.5下一页上一页首页23半导体器件第23页例：

=50，USC

=12V，

RB

=70k，RC

=6k

当USB

=2V，2V，5V时，晶体管静态工作点Q位于哪个区？IC<

ICmax(=2mA)，

Q位于放大区。ICUCEIBUCCRBUSBCBERCUBEUSB

=2V时：1.5下一页上一页首页24半导体器件第24页USB

=5V时:例：

=50，USC

=12V，

RB

=70k，RC

=6k

当USB

=5V，2V，5V时，晶体管静态工作点Q位于哪个区？ICUCEIBUCCRBUSBCBERCUBEQ位于饱和区，此时IC和IB

已不是倍关系。1.5下一页上一页首页25半导体器件第25页三、主要参数前面电路中，三极管发射极是输入输出公共点，称为共射接法，对应地还有共基、共集接法。共射直流电流放大倍数：工作于动态三极管，真正信号是叠加在直流上交流信号。基极电流改变量为IB，对应集电极电流改变为IC，则交流电流放大倍数为：1.电流放大倍数和

1.5下一页上一页首页例：UCE=6V时：IB=40A,IC=1.5mA；IB=60A,IC=2.3mA。在以后计算中，普通作近似处理：=26半导体器件第26页BECNNPICBOICEO=

IBE+ICBO

IBEIBEICBO进入N区，形成IBE依据放大关系，因为IBE存在，必有电流IBE。集电结反偏有ICBO3.集-射极反向截止电流ICEOICEO受温度影响很大，当温度上升时，ICEO增加很快，所以IC也对应增加。三极管温度特征较差。下一页上一页2.集-基极反向截止电流ICBOAICBOICBO是集电结反偏由少子漂移形成反向电流，受温度改变影响。27半导体器件第27页6.集电极最大允许功耗PCM集电极电流IC流过三极管，所发出焦耳热为：PC=ICUCE必定造成结温上升所以PC有限制。PCPCM