01第1章 雙極型半導體器件

1、(1-1) 第第1章章 雙極型半導體器件雙極型半導體器件 龔淑秋龔淑秋 制作制作 (1-2) 第第1 1章章 雙極型半導體器件雙極型半導體器件 1.2半導體二極管半導體二極管 1.3 半導體三極管半導體三極管 1.1 半導體的基本知識半導體的基本知識 (1-3) 1.1.1 1.1.1 半導體半導體 導體：導體：自然界中很容易導電的物質(zhì)稱為自然界中很容易導電的物質(zhì)稱為導體導體，金屬一般都是，金屬一般都是 導體，如鐵、銅、鋁等。導體，如鐵、銅、鋁等。 絕緣體：絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導電，稱為有的物質(zhì)幾乎不導電，稱為絕緣體絕緣體，如橡皮、陶瓷、，如橡皮、陶瓷、 塑料和石英。塑料和石英。 半導體：半

2、導體：另有一類物質(zhì)的導電特性處于導體和絕緣體之間，稱為另有一類物質(zhì)的導電特性處于導體和絕緣體之間，稱為 半導體半導體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等 半導體半導體的導電機理不同于其它物質(zhì)，其特點：的導電機理不同于其它物質(zhì)，其特點： 當受外界熱和光的作用時，它的導電能力明顯變化。當受外界熱和光的作用時，它的導電能力明顯變化。 往純凈半導體中摻入某些雜質(zhì)，會使其導電能力明顯改變。往純凈半導體中摻入某些雜質(zhì)，會使其導電能力明顯改變。 1.1 1.1 半導體的基本知識半導體的基本知識 (1-4) 1.1.2 1.1.2 本征半導體本征半導體 Ge Si

3、絕對零度以下，本征半導體中無活躍載流子，不導電絕對零度以下，本征半導體中無活躍載流子，不導電 常用的半導體是硅和鍺，外層電子（價電子）均常用的半導體是硅和鍺，外層電子（價電子）均4個。個。 本征半導體：本征半導體：完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導體晶體。完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導體晶體。 形成共價鍵后，最外層電子是形成共價鍵后，最外層電子是8個，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)個，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu) +4+4 +4+4 共價鍵結(jié)構(gòu)共價鍵結(jié)構(gòu) 束縛電子束縛電子 (1-5) 1.1.3 雜質(zhì)半導體雜質(zhì)半導體 在本征半導體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會使半導體在本征半導體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會使半導體 的導電性能發(fā)生顯著變化。其原

4、因是摻雜半導體的某種的導電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導體的某種 載流子濃度大大增加。載流子濃度大大增加。P 型半導體：型半導體：在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼(或或 銦銦)而形成，而形成，也稱為（空穴半導體）。也稱為（空穴半導體）。 N 型半導體：型半導體：在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷（或銻）在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷（或銻） 而形成。而形成。也稱為（電子半導體）。也稱為（電子半導體）。 +4+4 +5+4 多余多余 電子電子 磷原子磷原子 N 型半導體中的型半導體中的 載流子是什么？載流子是什么？ 自由電子自由電子為為多數(shù)載流

5、子（多子）多數(shù)載流子（多子） 空穴稱為少數(shù)載流子（少子）空穴稱為少數(shù)載流子（少子） 自由電子自由電子為為多子多子空穴是多子空穴是多子 多子和少子的移動都能形成電流。起導電作用的主要多子和少子的移動都能形成電流。起導電作用的主要 是多子。近似認為多子與雜質(zhì)濃度相等是多子。近似認為多子與雜質(zhì)濃度相等 (1-6) P型半導體型半導體 N型半導體型半導體 擴散運動擴散運動 內(nèi)電場內(nèi)電場E 漂移運動漂移運動 擴散使空間電擴散使空間電 荷區(qū)逐漸加寬荷區(qū)逐漸加寬 內(nèi)電場越強，漂移內(nèi)電場越強，漂移 運動越強，漂移使運動越強，漂移使 空間電荷區(qū)變薄?？臻g電荷區(qū)變薄。 空間電荷區(qū)，空間電荷區(qū)， 也稱耗盡層。也稱耗

6、盡層。 1.1.4 PN 結(jié)結(jié) PN 結(jié)的形成結(jié)的形成 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 擴散和漂移運動最終達到平衡，相當于兩個區(qū)之擴散和漂移運動最終達到平衡，相當于兩個區(qū)之 間沒有電荷運動，空間電荷區(qū)的厚度固定不變間沒有電荷運動，空間電荷區(qū)的厚度固定不變 (1-7) PN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦?PN 結(jié)結(jié)外加正向電壓外加正向電壓： P 區(qū)接正、區(qū)接正、N 區(qū)接負電壓區(qū)接負電壓 PN 結(jié)結(jié)加上反向電壓加上反向電壓： P區(qū)加負、區(qū)加負、N 區(qū)加正電壓區(qū)加正電壓 PNPN 內(nèi)電場內(nèi)電場 外電場外電場 變薄變薄 結(jié)論：結(jié)論：P N

7、結(jié)導通結(jié)導通 外電場外電場 變厚變厚 結(jié)論：結(jié)論：P N 結(jié)截止結(jié)截止 內(nèi)電場內(nèi)電場 (1-8) 1.2 半導體二極管半導體二極管 1 1、基本結(jié)構(gòu)、基本結(jié)構(gòu) PN 結(jié)加上管殼和引線，就成為半導體二極管。結(jié)加上管殼和引線，就成為半導體二極管。 引線引線 外殼線外殼線 觸絲線觸絲線 基片基片 點接觸型點接觸型 PN結(jié)結(jié) 面接觸型面接觸型 PN 二極管電路符號二極管電路符號 1.2 PN 2 2、伏安特性、伏安特性 U I 死區(qū)電壓死區(qū)電壓 硅管硅管 0.5V,鍺管鍺管0.1V 導通壓降導通壓降: : 硅管硅管約約0.7V 鍺管鍺管約約0.3V 反向擊穿反向擊穿 電壓電壓UR VD (1-9) 3

8、、主要參數(shù)、主要參數(shù) 1. 最大整流電流最大整流電流 IFM 二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流 2. 最大最大反向工作電壓反向工作電壓URM 指管子運行時允許承受的最大反向電壓，指管子運行時允許承受的最大反向電壓，是反向擊穿是反向擊穿 電壓電壓UBR的一半。的一半。 3. 反向電流反向電流 IR 指二極管加反向峰值工作電壓時的反向電流。其值越小越指二極管加反向峰值工作電壓時的反向電流。其值越小越 好。溫度越高反向電流越大。硅管的較小，鍺管的要比硅管大好。溫度越高反向電流越大。硅管的較小，鍺管的要比硅管大 幾十到幾百倍。幾十到幾

9、百倍。 以上均是二極管的直流參數(shù)，二極管的應(yīng)用是主要利用以上均是二極管的直流參數(shù)，二極管的應(yīng)用是主要利用 它的單向?qū)щ娦裕饕獞?yīng)用于整流、限幅、保護等等。它的單向?qū)щ娦?，主要?yīng)用于整流、限幅、保護等等。 1.2 (1-10) 4. 直流電阻直流電阻 RD iD uD ID UD Q iD uD rD 是二極管特性曲線上工作點是二極管特性曲線上工作點Q 附附 近電壓的變化與電流的變化之比：近電壓的變化與電流的變化之比： D D D i u r 顯然，顯然，rD是對是對Q附近的微小變化區(qū)域內(nèi)的電阻附近的微小變化區(qū)域內(nèi)的電阻 1.2 5. 微變電阻微變電阻 rD 二極管上電壓與電流之比二極管上電壓與

10、電流之比 正向幾十歐正向幾十歐-幾千歐幾千歐 反向幾十反向幾十-幾百千歐幾百千歐 (1-11) 實際二極管：實際二極管：正向壓降正向壓降 0.7V(硅二極管硅二極管) 理想二極管：理想二極管：正向壓降正向壓降=0 。分析時，常把二極管看成理想的。分析時，常把二極管看成理想的。 RL uiuo ui uo t t 1.2.3 二極管的應(yīng)用舉例二極管的應(yīng)用舉例 仿真二極管半波仿真二極管半波 整整.EWBWEWB32.EXE流流 二極管的應(yīng)用舉例二極管的應(yīng)用舉例1：二極管半波整流二極管半波整流 應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例 (1-12) 二極管的應(yīng)用二極管的應(yīng)用2 t t t ui uR uo RRL uiuR

11、 uo 應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例 (1-13) 習題習題1-2哪些二極管是導通的哪些二極管是導通的? VD截止截止VD導通導通 VD導通導通怎么來的？怎么來的？ 應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例 (1-14) 習題習題1-3畫出畫出u0波形波形 ab c d 應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例 (1-15) 1.2.4 硅穩(wěn)壓二極管硅穩(wěn)壓二極管 + 符號符號 穩(wěn)壓管是一種特殊的二極管，穩(wěn)壓管是一種特殊的二極管， 它專門工作在反向工作區(qū)它專門工作在反向工作區(qū) 特性曲線特性曲線 工作區(qū)工作區(qū) I UZ U IZ 曲線越陡，曲線越陡， 電壓越穩(wěn)定電壓越穩(wěn)定 VS 穩(wěn)壓二極管的參數(shù)穩(wěn)壓二極管的參數(shù): （4）穩(wěn)定電流穩(wěn)定電流IZ、 、最大、最小

12、穩(wěn)定 最大、最小穩(wěn)定 電流電流Izmax、Izmin （5）最大允許功耗）最大允許功耗 maxZZZM IUP （1）穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓 UZ （2）電壓溫度系數(shù)電壓溫度系數(shù) U（%/） 穩(wěn)壓值受溫度變化影響的的系數(shù)穩(wěn)壓值受溫度變化影響的的系數(shù) （3）動態(tài)電阻）動態(tài)電阻 Z Z I U Z r UZ 1.2 (1-16) 穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用舉例穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用舉例1.2 1、已知、已知ui=20V, UZ1=6V，求，求U0 =？ VZ1 R i ui U0 分析：分析： 電流通路電流通路 穩(wěn)壓管反向擊穿穩(wěn)壓管反向擊穿 解：解：U0 = 6V 2、已知、已知 ui=20V, UZ1=6V， UZ2

13、=9V，求，求U0 =？ VZ1 R ui VZ2 u0 答案：答案： u0 = 6+9 = 15 V (1-17) 1. 發(fā)光二極管（發(fā)光二極管（LED) 1.2.5 1.2.5 其他類型二極管其他類型二極管 LED 是是 Light Emitting Diode 的縮寫的縮寫 與普通二極管一樣與普通二極管一樣 由由PN結(jié)構(gòu)成結(jié)構(gòu)成 也具有單向?qū)щ娦?。也具有單向?qū)щ娦浴?由磷化鎵（由磷化鎵（GaP）等半導）等半導 體材料制成，能直接將體材料制成，能直接將 電能轉(zhuǎn)變成光能的發(fā)光電能轉(zhuǎn)變成光能的發(fā)光 顯示器件。顯示器件。 有正向電流流過時，發(fā)有正向電流流過時，發(fā) 出一定波長范圍的光。出一定波長范

14、圍的光。 (1-18) 2 2 光電二極管光電二極管 和普通二極管一樣，也由一個和普通二極管一樣，也由一個PN結(jié)組成，結(jié)組成， 具有單方向?qū)щ娦?。具有單方向?qū)щ娦浴?I U 照度增加照度增加 1.2 不同之處是光電二極管的外殼上有一個透不同之處是光電二極管的外殼上有一個透 明的窗口以便接收光線照射，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)明的窗口以便接收光線照射，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn) 換。是在反向電壓作用下工作的，沒有光換。是在反向電壓作用下工作的，沒有光 照時，反向電流極其微弱，叫暗電流；有照時，反向電流極其微弱，叫暗電流；有 光照時，反向電流迅速增大，稱為光電流。光照時，反向電流迅速增大，稱為光電流。 光的強度越大，反向電流也越

15、大。光的變光的強度越大，反向電流也越大。光的變 化引起光電二極管電流變化，這就可以把化引起光電二極管電流變化，這就可以把 光信號轉(zhuǎn)換成電信號，成為光電傳感器件。光信號轉(zhuǎn)換成電信號，成為光電傳感器件。 在電路中通過它把光信號轉(zhuǎn)換成電信號。在電路中通過它把光信號轉(zhuǎn)換成電信號。 反向電流隨光照強度的增加而上升。反向電流隨光照強度的增加而上升。 1.2.5 1.2.5 其他類型二極管其他類型二極管 (1-19) 1.3.1基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) B E C N N P 基極基極 發(fā)射極發(fā)射極 集電極集電極 NPN型型 P N P 集電極集電極 基極基極 發(fā)射極發(fā)射極 B C E PNP型型 1.3 1.3

16、半導體三極管半導體三極管 1.3 B E C IB IE IC B E C IB IE IC 符號符號 (1-20) B E C N N P 基極基極 發(fā)射極發(fā)射極 集電極集電極 基區(qū)：較薄基區(qū)：較薄 摻雜濃度低摻雜濃度低 集電區(qū)：集電區(qū)： 面積較大面積較大 發(fā)射區(qū)：摻發(fā)射區(qū)：摻 雜濃度較高雜濃度較高 集電結(jié)集電結(jié) 發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié) 1.3.1.基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 1.3 1.3 半導體三極管半導體三極管 1.3 (1-21) N N P RB EB 1.3.2 1.3.2 工作原理工作原理 EC 集電結(jié)反偏集電結(jié)反偏 發(fā)射結(jié)正偏發(fā)射結(jié)正偏 發(fā)射區(qū)電發(fā)射區(qū)電 子不斷向子不斷向 基區(qū)擴散，基區(qū)擴散，

17、形成發(fā)射形成發(fā)射 極電流極電流I IE E IE 電子與基電子與基 區(qū)空穴復區(qū)空穴復 合形成合形成I IB B IB 穿過集電穿過集電 結(jié)形成結(jié)形成I IC C IC ECB III 三個極電流的關(guān)系為三個極電流的關(guān)系為 IC與與IB之比稱為電流放大倍數(shù)之比稱為電流放大倍數(shù) B C I I 要使三極管能放大電流，必須使要使三極管能放大電流，必須使 發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。 (1-22) 1）輸入特性輸入特性 UCE 1V IB( A) UBE(V) 20 40 60 80 0.40.8 工作壓降：工作壓降： 硅管硅管UBE 0.7V 鍺管鍺管UBE 0.3V UCE=0

18、V UCE =0.5V 死區(qū)電壓，死區(qū)電壓， 硅管硅管0.5V， 鍺管鍺管0.1V。 IC mA A V V UCE UBE RB IB EC EB 實驗線路實驗線路 1.3.3 1.3.3 特性曲線特性曲線 1.3 (1-23) IC(mA ) 1 2 3 4 UCE(V)3 6912 IB=0 20 A 40 A 60 A 80 A 100 A （放大區(qū)）（放大區(qū)） 滿足滿足IC= IB 當當UCE大于一定的大于一定的 數(shù)值時，數(shù)值時，IC= IB 2）輸出輸出特性特性 1.3 1.3.3 1.3.3 特性曲線特性曲線 (1-24) IC(mA ) 1 2 3 4 UCE(V)3 6912

19、 IB=0 20 A 40 A 60 A 80 A 100 A飽和區(qū)飽和區(qū) 截止區(qū)截止區(qū) 放大放大 區(qū)區(qū) 有三個區(qū)有三個區(qū) 輸出特性三個區(qū)域的特點輸出特性三個區(qū)域的特點: 放大區(qū)：放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。即：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。即： IC= IB (2) 飽和區(qū)：飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏。發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏。 即：即：UCE UBE ， IBIC，UCE 0.3V (3) 截止區(qū)：截止區(qū)： UBE 死區(qū)電壓，死區(qū)電壓， IB=0 ， IC=ICEO 0 1.3 1.3.3 1.3.3 特性曲線特性曲線 (1-25) 例：例： =50， UCC =12V， RB =70k

20、， RC =6k 當當USB = -2V，2V，5V時，時， 晶體管的靜態(tài)工作點晶體管的靜態(tài)工作點Q位位 于哪個區(qū)？于哪個區(qū)？ 當當USB =-2V時：時： IC UCE IB UCC RB USB C B E RC UBE mA2 6 12 max C SC C R U I IB=0 ， IC=0 IC 最大飽和電流：最大飽和電流： Q位于截止區(qū)位于截止區(qū) 1.3 (1-26) 例：例： =50， UCC =12V， RB =70k ， RC =6k 當當USB = 2V，2V，5V時，時， 晶體管的靜態(tài)工作點晶體管的靜態(tài)工作點Q位位 于哪個區(qū)？于哪個區(qū)？ 可知可知 Q位于放大區(qū)位于放大區(qū)

21、USB =2V時時 9mA010 70 702 . . R UU I B BESB B 0.95mA9mA01050.II BC 3V6695012RIUU CCCCCE . CCCE U 2 1 3V6U . 1.3 (1-27) USB =5V時時: 例：例： =50， UCC =12V， RB =70k ， RC =6k 當當USB = 5V，2V，5V時，時， 晶體管的靜態(tài)工作點晶體管的靜態(tài)工作點Q位位 于哪個區(qū)？于哪個區(qū)？ IC UCE IB UCC RB USB C B E RC UBE Q 位于飽和區(qū)，此時位于飽和區(qū)，此時IC 和和IB 已不是已不是 倍的關(guān)系。倍的關(guān)系。 mA0

22、61.0 70 7 .05 B BESB B R UU I cmaxB I.I5m03mA061050 -6.3V605312U CE . 1.3 (1-28) 直流電流放大倍數(shù)直流電流放大倍數(shù)： B C I I _ 工作于動態(tài)的三極管，真正的信號是疊加在直流工作于動態(tài)的三極管，真正的信號是疊加在直流 上的交流信號?；鶚O電流的變化量為上的交流信號?；鶚O電流的變化量為 IB，相應(yīng)集相應(yīng)集 電極電流變化為電極電流變化為 IC，則則交流電流放大倍數(shù)交流電流放大倍數(shù)為為 B I IC 1) 電流放大倍數(shù)電流放大倍數(shù) 和和 _ 例：例：UCE=6V時時：IB = 40 A, IC =1.5 mA； IB

23、 = 60 A, IC =2.3 mA 5 .37 04. 0 5 . 1 _ B C I I 40 04. 006. 0 5 . 13 . 2 B C I I 在以后的計算中，一般作近似處理：在以后的計算中，一般作近似處理： = 1.3 1.3.4 1.3.4 主要參數(shù)主要參數(shù) (1-29) ICEO= （1+ )ICBO 集集- -射穿透電流射穿透電流ICEO ICEO受溫度影響大，受溫度影響大， T- T- ICEO，IC也也 相應(yīng)增加相應(yīng)增加 集電結(jié)反向飽和電流集電結(jié)反向飽和電流ICBO A ICBO 發(fā)射結(jié)開路發(fā)射結(jié)開路,集電結(jié)反集電結(jié)反 偏時由少子漂移形成的偏時由少子漂移形成的 反向電流反向電流,受溫度影響受溫度影響 2) ) 極間反向電流極間反向電流 基極開路基極開路,從集電極穿從集電極穿 透至發(fā)射極的電流透至發(fā)射極的電流 三極管的溫度特性較差三極管的溫度特性較差 1.3.4 1.3.4 主要參數(shù)主要參數(shù) (1-30) 集電極最大允許功耗集電極最大允許功耗PCM 集電極電流集電極電流IC 流過流過 三極管，所