第一章 双极型半导体器件

第一章双极型半导体器件1第1页，课件共37页，创作于2023年2月第一章双极型半导体器件§1.1半导体的基本知识§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第2页，课件共37页，创作于2023年2月1.1.1导体、半导体和绝缘体导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体，如铁、铜、铝等。绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：另有一类物质的导电特性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。半导体的导电机理不同于其它物质，其特点为：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。§1-1半导体的基本知识下一页上一页首页3第3页，课件共37页，创作于2023年2月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，不导电用的最多的半导体是硅和锗，最外层电子（价电子）都是四个。本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。形成共价键后，每个原子最外层电子是八个，构成稳定结构。+4+4+4+4共价键结构束缚电子下一页上一页首页4第4页，课件共37页，创作于2023年2月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增加。P型半导体：在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，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量的五价元素磷（或锑）而形成。也称为（电子半导体）。+4+4+5+4多余电子磷原子++++++++++++++++++++++++N型半导体N型半导体中的载流子是什么？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的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。下一页上一页首页5第5页，课件共37页，创作于2023年2月P型半导体N型半导体扩散运动内电场E漂移运动扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，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结的形成－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，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。6第6页，课件共37页，创作于2023年2月1.2.2PN结的单向导电性

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第7页，课件共37页，创作于2023年2月§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二极管的电路符号：1.3PN二、伏安特性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第8页，课件共37页，创作于2023年2月三、主要参数1.最大整流电流

IOM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.反向击穿电压UBR二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压UWRM一般是UBR的一半。1.3下一页上一页首页9第9页，课件共37页，创作于2023年2月3.反向电流

IR指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流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电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。下面介绍两个交流参数。1.3下一页上一页首页10第10页，课件共37页，创作于2023年2月4.微变电阻rDiDuDIDUDQ

iD

uDrD是二极管特性曲线上工作点Q附近电压的变化与电流的变化之比：显然，rD是对Q附近的微小变化区域内的电阻。1.3下一页上一页首页11第11页，课件共37页，创作于2023年2月二极管：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二极管的应用举例1：二极管半波整流1.3下一页上一页首页12第12页，课件共37页，创作于2023年2月二极管的应用举例2：tttuiuRuoRRLuiuRuo1.3下一页上一页首页13第13页，课件共37页，创作于2023年2月1.4.1稳压二极管§1.4特殊二极管1.4+符号：稳压管是一种特殊的二极管，它专门工作在反向工作区I特性曲线：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14第14页，课件共37页，创作于2023年2月（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的参数:（1）稳定电压

UZ（2）电压温度系数

U（%/℃）稳压值受温度变化影响的的系数。（3）动态电阻1.4下一页上一页首页15第15页，课件共37页，创作于2023年2月稳压二极管的应用举例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16第16页，课件共37页，创作于2023年2月1.42、已知ui=20V,UZ1=6V，UZ1=9V，求U0=？VZ1RuiVZ2u0答案：u0=6+9=15V下一页上一页首页17第17页，课件共37页，创作于2023年2月1.4.2光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。IU照度增加1.4下一页上一页首页18第18页，课件共37页，创作于2023年2月1.4.3发光二极管有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。1.4下一页上一页首页19第19页，课件共37页，创作于2023年2月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20第20页，课件共37页，创作于2023年2月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21第21页，课件共37页，创作于2023年2月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断向基区扩散，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三个极电流的关系为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22第22页，课件共37页，创作于2023年2月BECIBIEICNPN型三极管BECIBIEICPNP型三极管1.5下一页上一页首页23第23页，课件共37页，创作于2023年2月1.5.3特性曲线ICmA

AVVUCEUBERBIBECEB

实验线路下一页上一页首页24第24页，课件共37页，创作于2023年2月一、输入特性UCE1VIB(

A)UBE(V)204060800.40.8工作压降：硅管UBE0.6~0.7V,锗管UBE0.2~0.3V。UCE=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25第25页，课件共37页，创作于2023年2月二、输出特性IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域满足IC=

IB称为线性区（放大区）。当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=

IB。1.5下一页上一页首页26第26页，课件共37页，创作于2023年2月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27第27页，课件共37页，创作于2023年2月输出特性三个区域的特点:放大区：发射结正偏，集电结反偏。即：IC=IB,且

IC

=

IB(2)饱和区：发射结正偏，集电结正偏。即：UCE

UBE

，

IB>IC，UCE0.3V

(3)截止区：

UBE<死区电压，IB=0，IC=ICEO

0

1.5下一页上一页首页28第28页，课件共37页，创作于2023年2月例：

=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29第29页，课件共37页，创作于2023年2月例：

=50，USC

=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？IC<

ICmax(=2mA)，

Q位于放大区。ICUCEIBUCCRBUSBCBERCUBEUSB

=2V时：1.5下一页上一页首页30第30页，课件共37页，创作于2023年2月USB

=5V时:例：

=50，USC

=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IC和IB

已不是倍的关系。1.5下一页上一页首页31第31页，课件共37页，创作于2023年2月三、主要参数前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。共射直流电流放大倍数：工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为

IB，相应的集电极电流变化为

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32第32页，课件共37页，创作于2023年2月例：UCE=6V时：IB=40A,IC=1.5mA；IB=60A,IC=2.3mA。在以后的计算中，一般作近似处理：

=1.5下一页上一页首页33第33页，课件共37页，创作于2023年2月2.集-基极反向截止电流ICBO

AICBOICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流，受温度的变化影响。1.5下一页上一页