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1、第一章 双极型半导体器件1第1页，本讲稿共37页第一章 双极型半导体器件 1.1 半导体的基本知识半导体的基本知识 1.2 PN 结结 1.3半导体二极管半导体二极管 1.4特殊二极管特殊二极管 1.5 半导体三极管半导体三极管下一页上一页首 页2第2页，本讲稿共37页1.1.1 1.1.1 导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体导体：导体：自然界中很容易导电的物质称为自然界中很容易导电的物质称为导体导体，金属一般都是导体，金属一般都是导体，如铁、铜、铝等。如铁、铜、铝等。绝缘体：绝缘体：有的物质几乎不导电，称为有的物质几乎不导电，称为绝缘体绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料，如橡皮、陶瓷、塑料和石
2、英。和石英。半导体：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，称为半导体半导体，如，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。半导体半导体的导电机理不同于其它物质，其特点为：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。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。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，本讲稿共37页1.1.2 本征半导体GeSi在绝
3、对零度以下，本征半导体中无活跃载流子，不导电在绝对零度以下，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。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：本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。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。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共价键结构共价键结构束缚电子下一页上一页首 页4第4页，本讲稿共37页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在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就
4、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。增加。P 型半导体：型半导体：在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼(或或 铟铟)而形成，而形成，也称为（空穴半导体）。也称为（空穴半导体）。N 型半导体：型半导体：在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑）在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑）而形成。而形成。也称为（电子半导体）。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 型半导体中的载型半导体中的载流子是什么？流子是什么？自由电子自由电子为
5、为多数载流子（多子）多数载流子（多子）空穴称为少数载流子（少子）空穴称为少数载流子（少子）+N 型半导体自由电子自由电子为为多子多子空穴是多子空穴是多子P 型半导体杂质杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。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。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。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，本讲稿共37页P型半导体型半导体N型半导体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
6、荷区，也称耗尽层。1.2 PN 结2.1.1 2.1.1 PNPN 结的形成结的形成+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，本讲稿共37页1.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性 PN 结结外加正向电压外加正向电压：P 区接正、区接正、N 区接负电压区接负电压 PN 结结加上反向电压加上反向电压：P区加负、区加负、N 区加正电压区加正电压PNPN内电场外电场变薄变薄结论：结论：P N 结导通结导通内电场外电场变厚变厚结论：结论：P N 结截止结截止下一页上一页首 页7第7页，本讲稿共37页1.3 半导体二极管半导体二极
7、管一、基本结构一、基本结构PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。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点接触型PN结面接触型面接触型PN二极管的电路符号：二极管的电路符号：1.3PN二、伏安特性二、伏安特性UI死区电压死区电压 硅管硅管0.6V,锗管锗管0.2V。导通压降导通压降:硅硅管管0.60.7V,锗锗管管0.20.3V。反向击穿电反向击穿电压压UBR下一页上一页首 页8第8页，本讲稿共37页三、主要参数1.最大整流电流最大整流电流 IOM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。正向平均电流。2.反向击穿
8、电压反向击穿电压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过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压压UWRM一般是一般是UBR的一半。的一半。1.3下一页上一页首 页9第9页，本讲稿共37页3.反向电流反向电流 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
9、度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，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。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。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，本讲稿共37页4.微变电阻微变电阻 rDiDuDIDUDQiD uDrD 是二极管特性曲线上工是二极管特性曲线上工作点作点Q 附近电压的变化与附近电压的变化
10、与电流的变化之比：电流的变化之比：显然，显然，rD是对是对Q附近的微小附近的微小变化区域内的电阻。变化区域内的电阻。1.3下一页上一页首 页11第11页，本讲稿共37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=0 RLuiuouiuott二极管的应用举例二极管的应用举例1：二极管半波整流二极管半波整流1.3下一页上一页首 页12第12页，本讲稿共37页二极管的应用举例2：tttuiuRuoRRLuiuRuo1.3下一页上一页首 页13第13页，本讲稿共37页1.4.1 稳压二极管稳压二极管1.4 特殊二极管特殊二极管1.4+符号：符号：稳压管是
11、一种特殊的二极管，稳压管是一种特殊的二极管，它专门工作在反向工作区它专门工作在反向工作区 I特性曲线：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，本讲稿共37页（4）稳定电流稳定电流IZ、最大、最小稳定电流最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。（5）最大允许功耗）最大允许功耗稳压二极管的参数:（1）稳定电压稳定电压 UZ（2）电压温度系数电压温度系数 U（%/）稳压值受温度变化影响的的系数。（3）动态电阻）动态电阻1.4下一页上一页首 页15第15页，本讲稿共37页稳压二极管的应用举例1.41、已知ui=20V,UZ1=6V，求U0=？VZ
12、1RiuiU0分析：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，本讲稿共37页1.42、已知ui=20V,UZ1=6V，UZ1=9V，求U0=？VZ1RuiVZ2u0答案：答案：u0=6+9=15 V下一页上一页首 页17第17页，本讲稿共37页1.4.2 光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。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，本讲稿共37页1.4.3 发光二极管有正向电流流过有正向电流流过时，发出一定波长范时，发出一定波长范围的光，目前的发光围的光，目前的发光管可以发出从红外到管可以发出从红外到可见波段的光，
13、它的可见波段的光，它的电特性与一般二极管电特性与一般二极管类似。类似。1.4下一页上一页首 页19第19页，本讲稿共37页1.5.1 基本结构BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极NPN型PNP集电极基极发射极BCEPNP型1.5 半导体三极管半导体三极管1.5下一页上一页首 页20第20页，本讲稿共37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21第21页，本讲稿共37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I
14、BIB穿过集电结形成ICIC三个极电流的关系为三个极电流的关系为IC与与IB之比称为电流放大倍数之比称为电流放大倍数要使三极管能放大电流，必须要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。使发射结正偏，集电结反偏。下一页上一页首 页22第22页，本讲稿共37页BECIBIEICNPN型三极管BECIBIEICPNP型三极管1.5下一页上一页首 页23第23页，本讲稿共37页1.5.3 特性曲线ICmAAVVUCEUBERBIBECEB 实验线路下一页上一页首 页24第24页，本讲稿共37页一、输入特性UCE 1VIB(A)UBE(V)204060800.40.8工作压降：硅管UBE0.6
15、0.7V,锗管UBE0.20.3V。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，本讲稿共37页二、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，本讲稿共37页IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A饱和区1.5截止区放放大大区区有三个区：下一页上一页首 页27第27页，本讲稿共37页输出特性三个区域的特点:(1
16、)放大区：放大区：发射结正偏，集电结反偏。发射结正偏，集电结反偏。即：即：IC=IB,且且 IC=IB(2)饱和区：饱和区：发射结正偏，集电结正偏。发射结正偏，集电结正偏。即：即：UCE UBE，IBIC，UCE 0.3V(3)截止区：截止区：UBE 死区电压，死区电压，IB=0，IC=ICEO 0 1.5下一页上一页首 页28第28页，本讲稿共37页例：=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？当当USB=-2V时：时：ICUCEIBUCCRBUSBCBERCUBEIB=0，IC=0IC最大饱和电流：最大饱和电流：Q位于
17、截止区位于截止区 1.5下一页上一页首 页29第29页，本讲稿共37页例：=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位于放大区位于放大区。ICUCEIBUCCRBUSBCBERCUBEUSB=2V时：1.5下一页上一页首 页30第30页，本讲稿共37页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，此时位于饱和区，此时IC 和和IB 已不是已不是 倍
18、的关系。倍的关系。1.5下一页上一页首 页31第31页，本讲稿共37页三、主要参数前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的前面的电路中，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、共公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。集接法。共射共射直流电流放大倍数直流电流放大倍数：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相应的集电极电流变化为 IC，则则交流电流交流电流放大倍数放大倍数为：为：1.电流放大倍数和 1.5下一页上一页首 页32
19、第32页，本讲稿共37页例：UCE=6V时：IB=40 A,IC=1.5 mA；IB=60 A,IC=2.3 mA。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，本讲稿共37页2.集-基极反向截止电流ICBOAICBOICBO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下一页上一页首 页34第34页，本讲稿共37页BECNNPICBOICEO=IBE+ICBO IBE IBEICBO进入N区，形成IBE。根据放大关系，由于IBE的存在，必有电流IBE。集电结反偏有ICBO3.集-射极反向截止电流ICEOICEO受温度影响受温度影响很大，当温度上很大
20、，当温度上升时，升时，ICEO增加增加很快，所以很快，所以IC也也相应增加。相应增加。三极三极管的温度特性较管的温度特性较差差。下一页上一页首 页35第35页，本讲稿共37页4.集电极最大电流ICM集电极电流集电极电流IC上升会导致三极管的上升会导致三极管的 值的下降，值的下降，当当 值下降到正常值的三分之二时的集电极电值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为流即为ICM。5.集集-射极反向击穿电压射极反向击穿电压当集当集-射极之间的电压射极之间的电压UCE超过一定的数值时，超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25 C、基极开路时的击穿电压基极开路时的击穿电压U(BR)CEO。下一页上一页首 页36第36页，本讲稿共37页6.集电极最大允许功耗PCM 集电极电流集电极电流IC 流过三极管，流过三极管，所发出的焦耳所发出的焦耳 热为：热为：PC=ICUCE 必定导致结温必定导致结温 上升，所以上升，所以PC 有限制。有限制。PC PCMICUCEICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作区上一页首 页37第37页，本讲稿共37页