双极型半导体器件详解

双极型半导体器件详解演示文稿现在是1页\一共有33页\编辑于星期六优选双极型半导体器件现在是2页\一共有33页\编辑于星期六2.电子空穴对自由电子:当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自由电子。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原的束缚，而参与导电，成为自由电子。这一现象称为本征激发，也称热激发。图1-1本征激发和复合的过程空穴:

自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。电子空穴对:因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合。本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡.

3.空穴的移动I由空穴移动形成的电流由电子移动形成的电流自由电子移动方向空穴移动方向E图1-2半导体中电子和空穴在外电场作用下的移动方向和形成的电流电子移动时是负电荷的移动，空穴移动时是正电荷的移动，电子和空穴都能运载电荷，所以他们都称为载流子。

现在是3页\一共有33页\编辑于星期六1.1.2杂质半导体在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成N型半导体,也称电子型半导体。图1-3N型半导体的结构示意图

掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。1.N型半导体2.P型半导体

在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成了P型半导体，也称为空穴型半导体。

N型半导体的特点：自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子，以自由电子导电为主。P型半导体的特点：空穴为多数载流子，自由电子是少数载流子，以空穴导电为主。图1-4P型半导体的结构示意图半导体的特性：

⑴光敏性和热敏性。即半导体受到光照或热的辐射时，其电阻率会发生很大的变化，导电能力将有明显的改善，利用这一特性可制造光敏元件和热敏元件。

⑵掺杂特性。即在纯净的半导体中掺入微量的其他元素，半导体的导电能力将有明显的增加。现在是4页\一共有33页\编辑于星期六扩散运动多子从浓度大向浓度小的区域运动。漂移运动少子向对方运动，漂移运动产生漂移电流。动态平衡扩散电流=漂移电流，PN结内总电流为0。PN结稳定的空间电荷区，又称为高阻区、耗尽层，PN结的接触电位

内电场的建立，使PN结中产生电位差。从而形成接触电位Vf

接触电位V决定于材料及掺杂浓度锗：Vf=0.2～0.3V

硅：Vf=0.6～0.7V1.1.3PN结及单向导电性P型半导体空间电荷区N型半导体内电场方向PN结退出1PN结现在是5页\一共有33页\编辑于星期六1.PN结加正向电压

P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；

外电场方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响。PN结呈现低电阻。2.PN结加反向电压P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏；

外电场与PN结内电场方向相同，增强内电场。内电场对多子扩散运动阻碍增强，扩散电流大大减小。少子在内电场的作用下形成的漂移电流加大。PN结呈现高电阻。内外Sect2PN结的单向导电性内外现在是6页\一共有33页\编辑于星期六式中Is饱和电流;

VT=kT/q等效电压

k波尔兹曼常数；

T=300K（室温）时VT=26mV3.PN结电流方程由半导体物理可推出：当加反向电压时：当加正向电压时：(v>>VT)Sect现在是7页\一共有33页\编辑于星期六4.PN结的反向击穿反向击穿PN结上反向电压达到某一数值，反向电流激增。雪崩击穿当反向电压增高时，少子获得能量高速运动，在空间电荷区与原子发生碰撞，产生碰撞电离。形成连锁反应，象雪崩一样。使反向电流激增。齐纳击穿当反向电压较大时，强电场直接从共价键中将电子拉出来，形成大量载流子,使反向电流激增。击穿可逆。掺杂浓度小的二极管容易发生击穿可逆。掺杂浓度大的二极管容易发生不可逆击穿—热击穿PN结的电流或电压较大，使PN结耗散功率超过极限值，使结温升高，导致PN结过热而烧毁。Sect现在是8页\一共有33页\编辑于星期六1.2.1晶体二极管的结构类型在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管二极管按结构分点接触型面接触型平面型PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路PN结面积大，用于工频大电流整流电路往往用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。1.2半导体二极管退出现在是9页\一共有33页\编辑于星期六国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：

半导体二极管的型号图片

现在是10页\一共有33页\编辑于星期六1.2.2二极管的伏安特性伏安特性:是指二极管两端电压和流过二极管电流之间的关系。由PN结电流方程求出理想的伏安特性曲线1.当加正向电压时PN结电流方程为：2.当加反向电压时I随U↑，呈指数规率↑I=-Is

基本不变3.门限电压:正向起始部分存在一个死区或门坎。

硅：Ur=0.6-0.7v;锗：Ur=0.2-0.3v4.加反向电压时，反向电流很小,即

Is硅(nA)<Is锗(A)

硅管比锗管稳定5.反向击穿电压UB:当反压增大UB时再增加，反向激增，发生反向击穿，现在是11页\一共有33页\编辑于星期六1.2.3半导体二极管的参数和模型1.半导体二极管的参数:

最大整流电流IF、反向击穿电压UBR、最大反向工作电压URM、反向电流IR、最高工作频率fmax和结电容Cj。2.半导体二极管的温度特性

温度升高时，二极管的正向压降将减小，每增加1℃，正向压降VF(VD)大约小2mV，即具有负的温度系数。这些可以从图所示二极管的伏安特性曲线上看出。

温度对二极管的性能有较大的影响，温度升高时，反向电流将呈指数规律增加。现在是12页\一共有33页\编辑于星期六3.二极管特性的折线近似及模型(a)开关模型(b)固定正向压降模型(c)折线化模型二极管的低频模型:

开关模型主要用于低频大信号电路之中，固定正向电压降模型，主要用于低频小信号电路，折线化模型，既考虑正向压降，又考虑动态电阻rd。二极管的高频模型:

将结电容与rd并联。

现在是13页\一共有33页\编辑于星期六晶体二极管的电阻非线性电阻直流电阻R(也称静态电阻）交流电阻r（又称动态电阻或微变电阻）一、直流电阻及求解方法定义二极管两端的直流电压UD与电流ID之比IDEDDRLUDIUED/RLEDQIDUD1.首先确定电路的静态工作点Q：借助于图解法来求由电路可列出方程：UD=ED-IDRL直流负载线UD=0ID=ED2.

由Q得ID和UD，从而求出直流电阻RID=0UD=ED/RL直流负载线与伏安特性曲线的交点1.2.4晶体二极管的电阻现在是14页\一共有33页\编辑于星期六二、交流电阻rRLEDDuIQUUI或实质是特性曲线静态工作点处的斜率交流电导：g=dI/dU=I/nUT交流电阻：r=1/g=nUT/I若n=1,室温下：UT=26mv交流电阻：r=26mv/ID(mA)晶体二极管的正向交流电阻可由PN结电流方程求出：由此可得：静态电阻：UQIQRD=现在是15页\一共有33页\编辑于星期六应用举例例1.2.1:图(c),E=5V,Ui=10sinwtUi5V，二极管D截止Uo=EUi5V，二极管D导通Uo=Ui例1.2.2:图(d),E1=E2=5V,Ui=10sinwtUi5VD1D2止Uo=UiUi5VD1通D2止Uo=5V-5VUi5VD1D2止Uo=UiUi-5VD1止D2通Uo=-5Va)整流器b）检波器c)整形器d)限幅器现在是16页\一共有33页\编辑于星期六1.3.1稳压二极管1.稳压特性：在反向击穿时，电流急剧增加而PN结两端的电压基本保持不变,正向部分与普通二极管相同,工作区在反向击穿区特性参数：1.3各类二极管及其应用RZUZ退出(1)

稳定电压

UZ(2)

动态电阻rZ

(3)最大耗散功率

PZM

(4)

最大稳定工作电流IZmax

和最小稳定工作电流IZmin

(5)稳定电压温度系数

现在是17页\一共有33页\编辑于星期六3.在工作时应反接，并串入一只电阻。

电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管。其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的

变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压

作用。2.稳压二极管稳压电路的工作原理1.若输入电压UI发生变化，负载电流不变，

UI↑→UO=UZ↑→IZ↑→IR↑→IRR↑UO=UZ↓————————┘2.若负载电阻发生变化，即输出电流

IO发生，输入电压不变，

IO↑→IR↑→IRR↑→UO=UZ↓→IZ↓→IR↓UO

↑——IRR↓——┘现在是18页\一共有33页\编辑于星期六1.3.2半导体光电器件现在是19页\一共有33页\编辑于星期六1.光电二极管定义：有光照射时，将有电流产生的二极管类型：PIN型、PN型、雪崩型结构：和普通的二极管基本相同工作原理：利用光电导效应工作，PN结工作在反偏态，当光照射在PN结上时，束缚电子获得光能变成自由电子，形成光生电子—空穴对，在外电场的作用下形成光生电流DEDDRLUDIP注意：应在反压状态工作UD=-IPRL现在是20页\一共有33页\编辑于星期六2.发光二极管定义：将电能转换成光能的特殊半导体器件，当管子加正向电压时，在正向电流激发下，管子发光，属电致发光常用驱动电路：直流驱动电路交流驱动电路注：在交流驱动电路中，为了避免发光二极管发生反向击穿，通常要加入串联或并联的保护二极管发光二极管只有在加正向电压时才发光现在是21页\一共有33页\编辑于星期六LED显示器abcdfgabcdefgabcdefg+5V共阳极电路共阴极电路控制端为高电平对应二极管发光控制端为低电平对应二极管发光e现在是22页\一共有33页\编辑于星期六半导体三极管在英文中称为晶体管(Transister)，半导体三极管有两大类型:双极型半导体三极管:是有两种载流子参与导电的半导体器件，它由两个PN结组合而成，是一种电流控制型（CCCS）器件。场效应半导体三极管:仅有一种载流子参与导电，是一种电压控制型（VCCS）器件。晶体管BJT分类：按频率分：高频管；低频管按功率分：大功率管；中功率管；小功率管按材料分：硅管；锗管按结构分：NPN型;PNP型。1.4三极管(晶体管)现在是23页\一共有33页\编辑于星期六Sect由三层半导体组成，有三个区、三个极、两个结2.发射区掺杂浓度高、基区薄、集电结面积大发射结集电结两种结构类型：NPN型PNP型发射区集电区基区发射极基极集电极BECBEC1.4.1三极管BJT的结构现在是24页\一共有33页\编辑于星期六Sect

半导体二极管和三极管的封装种类繁多，半导体封装主要有玻璃或陶瓷封装、塑料封装、金属外壳封装等。玻璃或陶瓷封装主要用于小功率半导体二极管；塑料封装用于小功率和中大功率的二极管和三极管；金属封装用于各种功率等级的二极管和三极管。它们的外形见图1.35。目前中小功率二极管和三极管主要采用表面贴装元器件。

半导体二极管和三极管的封装(a)金属圆壳封装三极管

(b)塑料封装三极管

(c)大功率三极管

现在是25页\一共有33页\编辑于星期六Sect1.三极管的三种组态

三极管有三个电极，其中两个可以作为输入,两个可以作为输出，这必然有一个电极是公共电极。三种接法也称三种组态：

共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示;共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；=IC/IBVCE=Cα=IC/IE

VCB=C1.4.2三极管电流放大原理现在是26页\一共有33页\编辑于星期六2三极管电流放大原理ECBEBW1RBAIBV1ECW2mAICV2UCE1、基极电流小

IE=Ic+IB

Ic2、电流放大作用交流放大系数

直流放大系数

晶体管特性的试验电路

NPN型晶体管共发射极电路

外部工作条件：发射结加正向电压即发射结正偏集电结加反向电压即集电结反偏现在是27页\一共有33页\编辑于星期六1.Uce=0V时，

发射极与集电极短路，发射结与集电结均正偏，实际上是两个二极管并联。2.当Uce

≥1V时，Ucb=Uce

-Ube

>0，

集电结已进入反偏状态，开始收集电子，且基区复合减少，IC/IB

增大，特性曲线将向右稍微移动一些。但Uce再增加时，曲线右移很不明显。通常只画一条。输入特性曲线分三个区②非线性区①死区③线性区①②③正常工作区，发射极正偏NPNSi:Ube=0.6~0.7VPNPGe:Ube=-0.2~-0.3VSectIB=f(UBE)UCE=C1.输入特性曲线1.4.3、特性曲线晶体管特性曲线是指晶体管各电极之间电压和电流的关系曲线。CEB现在是28页\一共有33页\编辑于星期六IC=f(Uce)

Ib=CSect2.输出特性曲线1.饱和区:(1)IC受Uce显著控制的区