常用半导体器件 (2)精.ppt

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1、常用半导体器件常用半导体器件第1页，本讲稿共52页1.1 半导体基本知识半导体基本知识n本征半导体：纯净的具有晶体结构的半导体。n杂质半导体：通过扩散工艺，掺入了少量合适的杂质元素的半导体。根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导导体、绝缘体和半导体。体、绝缘体和半导体。半导体：半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间。导电能力介于导体和绝缘体之间。典型的半导体有典型的半导体有硅硅Si和和锗锗Ge以及以及砷化镓砷化镓GaAs等。等。第2页，本讲稿共52页1.1.1 本征半导体本征半导体结构示意图硅晶体的空间排列硅晶体的空间排列每个原子周围有四个相邻的原子，原子之间通过共价键共价键紧密结合在一起。

2、两个相邻原子共用一对电子。第3页，本讲稿共52页本征激发本征激发由热激发或光照而产生的由热激发或光照而产生的自由电子和空穴对自由电子和空穴对。复合复合：自由电子与空穴相遇，相互消失。本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理动画演示：本征激发与复合动画演示：本征激发与复合动画演示：空穴在晶格中的移动动画演示：空穴在晶格中的移动在绝对在绝对0度和没有外界激发的情况下，本征半导体相当于绝缘体。度和没有外界激发的情况下，本征半导体相当于绝缘体。第4页，本讲稿共52页自由电子、空穴浓度（cm3），T为热力学温度K为波耳兹曼常数；EGO、K1是与半导体材料有关的常量

3、。载流子浓度公式：载流子浓度公式：本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理*本征半导体导电特点半导体导电特点1：其能力容易受温度、光照等环境因素影响：其能力容易受温度、光照等环境因素影响 温度温度载流子载流子浓度浓度导电能力导电能力本征本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。第5页，本讲稿共52页1.1.2 杂质半导体 n定义：通过扩散工艺，掺入了少量合适的杂质元素的半导体。n分类：N型半导体；P型半导体第6页，本讲稿共52页N型半导体型半导体掺入

4、五价杂质元素（如磷）掺入五价杂质元素（如磷）P型半导体型半导体掺入三价杂质元素（如硼）掺入三价杂质元素（如硼）自由电子自由电子 多子多子 空穴空穴 少子少子 空穴空穴 多子多子自由电子自由电子 少子少子它主要由杂质原子提供它主要由杂质原子提供由热激发形成由热激发形成第7页，本讲稿共52页 本征半导体、本征激发本征半导体、本征激发 小节小节1自由电子自由电子空穴空穴N型半导体、施主杂质型半导体、施主杂质(5价价)P型半导体、受主杂质型半导体、受主杂质(3价价)多数载流子、少数载流子多数载流子、少数载流子杂质半导体杂质半导体复合复合*半导体导电特点半导体导电特点1：其能力容易受温度、光照等环境因素

5、影响：其能力容易受温度、光照等环境因素影响温度温度载流子浓度载流子浓度导电能力导电能力*半导体导电特点半导体导电特点2：掺杂可以显著提高导电能力：掺杂可以显著提高导电能力第8页，本讲稿共52页1.1.3 PN结nPN结的形成 nPN结的单向导电性nPN结的电流方程nPN结的伏安特性 nPN结的电容效应第9页，本讲稿共52页PN结的形成结的形成载流子的运动：载流子的运动：扩散扩散运动运动浓度差产生的载流子移动浓度差产生的载流子移动漂移漂移运动运动在电场作用下，载流子的移动在电场作用下，载流子的移动1 1、浓度差、浓度差多子的多子的扩散扩散运动运动2 2、扩散扩散空间电荷区空间电荷区内电场内电场3

6、 3、内电场、内电场少子的少子的漂移漂移运动运动 阻止阻止多子的多子的扩散扩散4 4、扩散与漂移达到动态平衡、扩散与漂移达到动态平衡PN结结 形成过程形成过程可分成可分成4步步PN结结耗尽层耗尽层第10页，本讲稿共52页PN结的单向导电性定义：定义：加加正向电压正向电压，简称，简称正偏正偏加加反向电压反向电压，简称，简称反偏反偏 扩散扩散 漂移漂移 大的正向扩散电流（多子）大的正向扩散电流（多子）低电阻低电阻 正向导通正向导通 漂移漂移 扩散扩散 很小的反向漂移电流（少子）很小的反向漂移电流（少子）高电阻高电阻 反向截止反向截止第11页，本讲稿共52页PN结特性描述结特性描述其中其中IS 反向

7、饱和电流反向饱和电流VT 温度的电压当量温度的电压当量且在常温下（且在常温下（T=300K）1、PN结的伏安特性结的伏安特性2、PN结方程结方程特性平坦特性平坦反向截止反向截止 一一定的温度条件下，由本征激发决定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的定的少子浓度是一定的陡峭陡峭电阻小正电阻小正向导通向导通正向：正向：反向：反向：近似近似非线性非线性第12页，本讲稿共52页PN结的反向击穿 当当PN结的反向电压增结的反向电压增加到一定数值时，反向电加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象流突然快速增加，此现象称为称为PN结的结的反向击穿。反向击穿。热击穿热击穿不可逆不可逆 雪崩击穿雪

8、崩击穿 齐纳击穿齐纳击穿 电击穿电击穿可逆可逆第13页，本讲稿共52页PN结的电容效应(1)势垒电容势垒电容CB势垒电容示意图势垒电容示意图扩散电容示意图扩散电容示意图(2)扩散电容扩散电容CD结电容:第14页，本讲稿共52页1.2 半导体二极管第15页，本讲稿共52页1.2.1 半导体二极管的结构 在在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型点接触型、面接触型和平面型三大类。三大类。(1)点接触型二极管点接触型二极管 PN结面积小，结结面积小，结电容小，用于检波和电容小，用于检波和变频等高频电路

9、。变频等高频电路。(a)(a)点接触型点接触型 二极管的结构示意图二极管的结构示意图第16页，本讲稿共52页 往往用于集成往往用于集成电路制造艺中。电路制造艺中。PN 结面积可大可小，结面积可大可小，用于高频整流和开用于高频整流和开关电路中。关电路中。PN结面积大，结面积大，用于工频大电流整用于工频大电流整流电路。流电路。(2)面接触型二极管面接触型二极管(b)(b)面接触型面接触型(3)平面型二极管平面型二极管(c)(c)平面型平面型(4)二极管的代表符号二极管的代表符号第17页，本讲稿共52页1.2.2 二极管的伏安特性3 3、PNPN结方程（近似）结方程（近似）硅二极管硅二极管2CP10

10、2CP10的的V V-I I 特性特性锗二极管锗二极管2AP152AP15的的V V-I I 特性特性正向特性正向特性反向特性反向特性反向击穿特反向击穿特性性Vth=0.5V（硅）（硅）Vth=0.1V（锗）（锗）注意：注意：1、死区电压（门坎电压）、死区电压（门坎电压）2、反向饱和电流、反向饱和电流 硅：硅：0.1 A；锗：；锗：10 A第18页，本讲稿共52页温度对二极管伏安特性的影响：温度对二极管伏安特性的影响：T（）在电流不变情况下管压降在电流不变情况下管压降u 反向饱和电流反向饱和电流IS，U(BR)T（）正向特性左移，反向特性下移正向特性左移，反向特性下移第19页，本讲稿共52页1

11、.2.3 二极管的主要参数(1)最大整流电流最大整流电流IF(2)反向击穿电压反向击穿电压UBR和最大反向工作电压和最大反向工作电压UR(3)反向电流反向电流IsIs(4)最大工作频率最大工作频率第20页，本讲稿共52页1.2.4 二极管基本电路及其分析方法 5、应用电路分析举例应用电路分析举例 2、二极管状态判断二极管状态判断 1、二极管电路的分析概述二极管电路的分析概述 3、图解分析法图解分析法 4、等效电路（、等效电路（模型）分析法模型）分析法第21页，本讲稿共52页1、二极管电路的分析概述初步分析初步分析依据二极管的单向导电性依据二极管的单向导电性D导通：导通：vO=vI-vDD截止：

12、截止：vO=0D导通：导通：vO=vDD截止：截止：vO=vI左图左图中图中图vO 与与 vI 的关系由的关系由D的状态的状态决定决定D处于反向截止时最简单！处于反向截止时最简单！第22页，本讲稿共52页分析思路n任务：求任务：求vD、iD目的：（目的：（1）确定电路功能，即信号）确定电路功能，即信号vI传递到传递到vO，有何变化？，有何变化？（2）D是否安全。是否安全。n首先，判断首先，判断D的状态？的状态？若若D反向截止，则相当于开路（反向截止，则相当于开路（iD 0，ROFF ）；）；若若D正向导通，则？正向导通，则？n正向导通分析方法：正向导通分析方法：图解法图解法等效电路（模型）法等

13、效电路（模型）法 将非线性将非线性 线性线性n先静态（直流），后动态（交流）先静态（直流），后动态（交流）静态：静态：vI=0（正弦波过（正弦波过0点）点）动态：动态：vI 01、二极管电路的分析概述二极管电路的分析概述第23页，本讲稿共52页2、二极管状态判断二极管状态判断例：例：2CP1（硅），（硅），IF=16mA，VBR=40V。求。求VD、ID。(a)(b)(c)(d)正偏正偏正偏正偏反偏反偏反偏反偏iD IF？D反向反向截止截止ID=0VD=-10VD反向击穿反向击穿iD=？vD=？二极管状态判断方法二极管状态判断方法假设假设D截止（开路），求截止（开路），求D两两端开路电压端开路

14、电压普通：热击穿损坏普通：热击穿损坏齐纳：电击穿齐纳：电击穿 VD=-VBR=-40VVD 0VD正向导通？正向导通？-VBR 0 D接入时正向导通接入时正向导通第25页，本讲稿共52页3、图解分析法例例1 (a)图图例：已知伏安特性，求例：已知伏安特性，求VD、ID。线性线性线性：线性：vD=VI -iD R非线性：非线性：非线性非线性联立求解，联立求解，可得可得VD、ID图解法图解法直线与伏安特性的交点直线与伏安特性的交点图解法关键图解法关键画直线画直线又称为负载线又称为负载线vD=0iD=VI/R=1mAvD=1ViD=(VI-vD)/R=0.9mA静态工作点静态工作点QVD 0.7VI

15、D 0.95mA解解第26页，本讲稿共52页4 4、等效电路（、等效电路（模型）分析法模型）分析法（二极管二极管V-I 特性的建模特性的建模）VD=0.7V（硅）（硅）VD=0.2V（锗）（锗）Vth=0.5V（硅）（硅）Vth=0.1V（锗）（锗）(2)恒压降模型恒压降模型(3)折线模型折线模型(1)理想模型理想模型第27页，本讲稿共52页（4）小信号模型小信号模型 二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个特性可以等效成一个微变电阻微变电阻。即即根据根据得得Q点处的微变电导点处的微变电导常温下（常温下（T=300K）4、等效电

16、路（、等效电路（模型）分析法模型）分析法第28页，本讲稿共52页5、应用电路分析举例应用电路分析举例求求 vD、iD。vi=1Vsin tVI=10V，VD 0.7VID 0.93mA静态分析静态分析u ui=0=0动态分析动态分析VI=0=0叠加原理叠加原理小信号分析小信号分析第29页，本讲稿共52页1.2.5-6 其他类型二极管2.光电二极管光电二极管1.发光二极管发光二极管3.稳压二极管稳压二极管第30页，本讲稿共52页1）稳压二极管稳压二极管的符号及稳压特性的符号及稳压特性(a)符号符号(b)伏安特性伏安特性 利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳利用二极管反向击穿特性实现稳压。

17、稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。压时工作在反向电击穿状态。第31页，本讲稿共52页(1)稳定电压稳定电压VZ(2)动态动态电阻电阻rZ 在规定的稳压管反向工作电流在规定的稳压管反向工作电流IZ下，下，所对应的反向工作电压。所对应的反向工作电压。rZ=VZ/IZ(3)最大耗散功率最大耗散功率 PZM(4)(4)最大最大稳定工作电流稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流和最小稳定工作电流 IZmin(5)稳定电压温度系数稳定电压温度系数:温度每变化温度每变化1度稳压值的变化量度稳压值的变化量 VZ=VZ/T 2.稳压二极管主要参数稳压二极管主要参数第32页，本讲稿共52页3.稳压电路稳

18、压电路正常稳压时正常稳压时 VO=VZ#稳压条件是什么？稳压条件是什么？稳压条件是什么？稳压条件是什么？IZmin IZ IZmax#不加不加R可以吗？可以吗？第33页，本讲稿共52页1.3 双极型晶体管双极型晶体管（双极型晶体管（BJTBJT）又称晶体三极管、半导体三极管，简称）又称晶体三极管、半导体三极管，简称晶体管。晶体管。第34页，本讲稿共52页1、晶体管的结构及类型、晶体管的结构及类型晶体管的结构示意图晶体管的结构示意图晶体管的符号晶体管的符号构成：三个区、三个极、两个结构成：三个区、三个极、两个结构成：三个区、三个极、两个结构成：三个区、三个极、两个结第35页，本讲稿共52页2.晶

19、体管内部晶体管内部载流子的运动载流子的运动1).1).发射结加正向电压，扩散运动形成发射极电流发射结加正向电压，扩散运动形成发射极电流I IE E2 2）扩散到基区的自由电子与孔穴的复合运动形成基极电流）扩散到基区的自由电子与孔穴的复合运动形成基极电流I IB B3 3）集电结加反向电压，漂移运动形成集电极电流）集电结加反向电压，漂移运动形成集电极电流I IC C2 2、晶体管的电流分配关系、晶体管的电流分配关系IE=IEN+IEP=ICN+IBN+IEPIC=ICN+ICBOIB=IBN+IEP-ICBO =IB，-ICBO又：IE=IC+IB第36页，本讲稿共52页晶体管的共射电流放大系数

20、晶体管的共射电流放大系数1）定义：共射共射直流直流电流放大系数电流放大系数2）定义：共射共射交流交流电流放大系数电流放大系数容易证明：容易证明：是一个电流放大系数，是一个电流放大系数，它只与管子的结构尺寸它只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。和掺杂浓度有关，与外加电压无关。一般一般 1第37页，本讲稿共52页3）定义：共基共基直流直流电流放大系数电流放大系数4）定义：共基共基交流交流电流放大系数电流放大系数容易证明：容易证明：或或 为另一个电流放大系数，为另一个电流放大系数，它它也只与管子的结构尺寸和掺杂浓也只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关度有关，与外加电压无关。

21、一般。一般 =0.9 0.99第38页，本讲稿共52页三极管电路的三种组态三极管电路的三种组态共集电极接法共集电极接法，集电极作为公共电极，用，集电极作为公共电极，用CC表示表示;共基极接法共基极接法，基极作为公共电极，用基极作为公共电极，用CB表示。表示。共发射极接法共发射极接法，发射极作为公共电极，用，发射极作为公共电极，用CE表示；表示；BJT的三种组态的三种组态第39页，本讲稿共52页三极管的放大作用，主要是依靠它的发射极电流能够通三极管的放大作用，主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现的。过基区传输，然后到达集电极而实现的。实现这一传输过程的两个条件是：实现这

22、一传输过程的两个条件是：（1）内部条件：内部条件：发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，且基区很薄。且基区很薄。（2）外部条件：外部条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置。发射结正向偏置，集电结反向偏置。三极管的电流分配与放大原理三极管的电流分配与放大原理第40页，本讲稿共52页3、晶体管的共射特性曲线、晶体管的共射特性曲线1.1.输入特性曲线输入特性曲线(1)当当vCE=0V时，相当于发射结的正向伏安时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。特性曲线。(2)当当1vCE0V时，时，集电结反偏，开始收集电子，基集电结反偏，开始收集电子，基区复合减少，同样的区复合减少，同样

23、的vBE下下 IB减小，特性曲线右移。减小，特性曲线右移。(3)当当vCE1V时，集电结的反向电场已经足够时，集电结的反向电场已经足够强，强，ic不会明显增加，不会明显增加，ib也基本不变。曲线不再也基本不变。曲线不再右移。右移。+-bce共射极放大电路VBBVCCvBEiCiB+-vCEvCE=0V vCE 1V第41页，本讲稿共52页饱和区：饱和区：iC明显受明显受vCE控控制的区域，该区域内，制的区域，该区域内，一般一般vCE0.7V(硅管硅管)。此时，此时，发射结正偏，集发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很电结正偏或反偏电压很小小。iC=f(vCE)iB=const2.2.输出特性曲线输

24、出特性曲线输出特性曲线的三个区域输出特性曲线的三个区域:截止区：截止区：iC接近零的接近零的区域，相当区域，相当iB=0的曲的曲线的下方。此时，线的下方。此时，vBE小于死区电压，集小于死区电压，集电结反偏电结反偏。放大区：放大区：iC平行于平行于vCE轴的轴的区域，曲线基本平行等距。区域，曲线基本平行等距。此时，此时，发射结正偏，集电发射结正偏，集电结反偏结反偏。第42页，本讲稿共52页4 BJT的主要参数的主要参数 (1)1)共发射极直流电流放大系数共发射极直流电流放大系数 IC/IB vCE=const1.电流放大系数电流放大系数 第43页，本讲稿共52页(2)共发射极交流电流放大系数共

25、发射极交流电流放大系数 =IC/IB vCE=const1.电流放大系数电流放大系数 第44页，本讲稿共52页 (4)共基极交流电流放大系数共基极交流电流放大系数 =IC/IE VCB=const 当当ICBO和和ICEO很小时，很小时，、，可以，可以不加区分。不加区分。1.电流放大系数电流放大系数 第45页，本讲稿共52页 (2)集电极发射极间的反向饱和电流集电极发射极间的反向饱和电流ICEO ICEO=（1+）ICBO 2.极间反向电流极间反向电流ICEO(1)集电极基极间反向饱和电流集电极基极间反向饱和电流ICBO 发射极开发射极开路时，集电结的反向饱和电流。路时，集电结的反向饱和电流。

26、即输出特性曲即输出特性曲线线IB=0那条曲线所那条曲线所对应的对应的Y坐标的数值。坐标的数值。ICEO也称为集电极也称为集电极发射极间穿透电流。发射极间穿透电流。第46页，本讲稿共52页(1)集电极最大允许电流I ICM(2)(2)集电极最大允许功率损耗集电极最大允许功率损耗PCMCM PCM=ICVCE 3.极限参数极限参数第47页，本讲稿共52页(3)反向击穿电压 V(BR)CBO发射极开路时的集电结反发射极开路时的集电结反 向击穿电压。向击穿电压。V(BR)EBO集电极开路时发射结的反集电极开路时发射结的反 向击穿电压。向击穿电压。V(BR)CEO基极开路时集电极和发射基极开路时集电极和

27、发射 极间的击穿电压。极间的击穿电压。3.极限参数极限参数第48页，本讲稿共52页 由由PCM、ICM和和V(BR)CEO在输出特性曲线上可以在输出特性曲线上可以确定过损耗区、过电流区和击穿区。确定过损耗区、过电流区和击穿区。输出特性曲线上的过损耗区和击穿区输出特性曲线上的过损耗区和击穿区第49页，本讲稿共52页1.3.5 1.3.5 1.3.5 1.3.5 温度对晶体管特性及参数的影响温度对晶体管特性及参数的影响温度对晶体管特性及参数的影响温度对晶体管特性及参数的影响1.1.温度对温度对I ICBOCBO的影响：的影响：温度每升高温度每升高10100 0C,IC,ICBOCBO增加约一倍。增

28、加约一倍。2.2.温度对输入特性的影响温度对输入特性的影响 3.3.温度对输出特性的影响温度对输出特性的影响 第50页，本讲稿共52页PNP型三极管与型三极管与NPN型三极管比较型三极管比较 NPN PNP特点截止区发射结反偏或未达到UonUbUe或UbeUe或UebUonIb=0Ic=0放大区发射结正偏集电结反偏UcUbUe发射结正偏集电结反偏UcUbUeIc=Ib饱和区发射结正偏集电结正偏或集电结反偏电压较小UbUe，UcUb发射结正偏集电结正偏或集电结反偏电压较小UbUbIc随集电结反偏电压增大而增大第51页，本讲稿共52页作业：作业：n1.4,1.5 1.8 1.10 n1.15 1.16 1.19第52页，本讲稿共52页