第三講半導(dǎo)體二極管和三極管

第三講半導(dǎo)體二極管和三極管第1頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一1.本征半導(dǎo)體完全純凈的,具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。它具有共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。

鍺和硅的原子結(jié)構(gòu)硅單晶中的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)價(jià)電子硅原子一、半導(dǎo)體和PN結(jié)第2頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一

在半導(dǎo)體中，同時(shí)存在著電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電?？昭ê妥杂呻娮佣挤Q為載流子。它們成對出現(xiàn)，成對消失。在常溫下自由電子和空穴的形成復(fù)合自由電子本征激發(fā)空穴第3頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一2.N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體原理圖P自由電子結(jié)構(gòu)圖磷原子正離子P+

在硅或鍺中摻入少量的五價(jià)元素，如磷，則形成N型半導(dǎo)體。多余價(jià)電子少子多子正離子在N型半導(dǎo)體中，電子是多子，空穴是少子N型半導(dǎo)體第4頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一

P型半導(dǎo)體

在硅或鍺中摻入三價(jià)元素，如硼,則形成P型半導(dǎo)體。原理圖BB-

硼原子負(fù)離子空穴填補(bǔ)空位結(jié)構(gòu)圖在P型半導(dǎo)體中，空穴是多子，電子是少子。多子少子負(fù)離子

第5頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一用專門的制造工藝在同一塊半導(dǎo)體單晶上，形成P型半導(dǎo)體區(qū)域和N型半導(dǎo)體區(qū)域，在這兩個(gè)區(qū)域的交界處就形成一個(gè)PN結(jié)。P區(qū)N區(qū)P區(qū)的空穴向N區(qū)擴(kuò)散并與電子復(fù)合N區(qū)的電子向P區(qū)擴(kuò)散并與空穴復(fù)合空間電荷區(qū)內(nèi)電場方向

3.PN結(jié)第6頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一空間電荷區(qū)內(nèi)電場方向

在一定條件下，多子擴(kuò)散和少子漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。P區(qū)N區(qū)多子擴(kuò)散少子漂移第7頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮區(qū)N區(qū)內(nèi)電場外電場EI空間電荷區(qū)變窄

P區(qū)的空穴進(jìn)入空間電荷區(qū)抵消一部分負(fù)空間電荷。

N區(qū)電子進(jìn)入空間電荷區(qū)抵消一部分正空間電荷。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，形成較大的正向電流。外加正向電壓第8頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一外電場驅(qū)使空間電荷區(qū)兩側(cè)的空穴和自由電子移走空間電荷區(qū)變寬

內(nèi)電場外電場少子越過PN結(jié)形成很小的反向電流IRE

外加反向電壓第9頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一由上述分析可知：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?/p>

即在PN結(jié)上加正向電壓時(shí)，PN結(jié)電阻很低，正向電流較大。（PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)）

加反向電壓時(shí)，PN結(jié)電阻很高，反向電流很小。（PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)）切記第10頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一二、二極管1.結(jié)構(gòu)

表示符號

面接觸型點(diǎn)接觸型引線觸絲外殼N型鍺片N型硅陽極引線PN結(jié)陰極引線金銻合金底座鋁合金小球陰極陽極D第11頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一半導(dǎo)體二極管依據(jù)制作材料分類，二極管主要有鍺二極管和硅二極管兩大類。依據(jù)用途分類，較常用的二極管有四類：普通二極管:如2AP等系列，用于信號檢測、取樣、小電流整流電路等。整流二極管:如2CZ、2DZ等系列，廣泛使用在各種電源設(shè)備中做不同功率的整流。開關(guān)二極管:如2AK、2CK等系列，用于數(shù)字電路和控制電路。穩(wěn)壓二極管:如2CW、2DW等系列，用在各種穩(wěn)壓電源和晶閘管電路中。第12頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一第一部分第二部分第三部分第四部分第五部分用數(shù)字表示器件的電極數(shù)目用拼音字母表示器件的材料和極性用漢語拼音字母表示器件的類型用數(shù)字表示器件的序號用漢語拼音字母表示規(guī)格號符號意義符號意義符號意義符號意義2二極管AN型鍺材料P普通管C參量管BP型鍺材料Z整流管U光電器件CN型硅材料W穩(wěn)壓管N阻尼管DP型硅材料K開關(guān)管V半導(dǎo)體E化合物L(fēng)整流堆S特殊器件晶體二極管的型號第13頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一2.二極管的伏安特性-20-40-40-20-250.40.2-5010OO155U/VI/mA604020-50-250.40.8I/mAU/V正向反向擊穿電壓死區(qū)電壓U(BR)鍺管的伏安特性硅管的伏安特性I/μAI/μA死區(qū)電壓注意:死區(qū)電壓：硅管約為：0.5V,鍺管約為：0.1V。導(dǎo)通時(shí)的正向壓降：硅管約為:0.6V-0.8V,鍺管約為:0.2V-0.3V。常溫下，反向飽和電流很小.當(dāng)PN結(jié)溫度升高時(shí)，反向電流明顯增加。第14頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一1.正向特性（1）不導(dǎo)通區(qū)OA段當(dāng)二極管兩端的電壓為零時(shí)，電流也為零。當(dāng)電壓開始升高時(shí)，電流很小且基本不變。這一段稱作不導(dǎo)通區(qū)或死區(qū)。與它相對應(yīng)的電壓叫死區(qū)電壓（或門檻電壓），一般硅二極管約0.5V，鍺二極管約0.1V。（2）導(dǎo)通區(qū)AB段通過二極管的電流隨加在兩端的電壓微小的增大而急劇增大，這一段稱作導(dǎo)通區(qū)，一般硅二極管約為0.6~0.8V，鍺二極管約為0.2~0.3V。第15頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一2.反向特性（1）反向截止區(qū)OC段。反向電壓開始增加時(shí)，反向電流略有增加，隨后在一定范圍內(nèi)不隨反向電壓增加而增大，通常稱為反向飽和電流。（2）反向擊穿區(qū)CD段當(dāng)反向電壓增大到超過某個(gè)值時(shí)（圖中C點(diǎn)），反向電流急劇加大，這種現(xiàn)象叫反向擊穿。C點(diǎn)對應(yīng)的電壓叫反向擊穿電壓UBR，其特點(diǎn)是：反向電流變化很大，相對應(yīng)的反向電壓變化卻很小。第16頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一硅二極管和鍺二極管的伏安特性之間有一定的差異：(1)鍺二極管的死區(qū)較小，正向電阻也小，導(dǎo)通電壓低（約0.2V）。但受溫度影響大，反向電流也較大。擊穿以后，鍺管兩端電壓變化較大，無穩(wěn)壓特性。(2)硅二極管的死區(qū)較大，正向電阻也較大，導(dǎo)通電壓較高（約0.7V）。但受溫度影響小，反向電流也很小。擊穿后，硅管兩端電壓基本不變，有穩(wěn)壓作用。第17頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一1．最大整流電流IFM

常稱額定工作電流，它是指長期使用時(shí)，允許流過二極管的最大平均電流。2．反向擊穿電壓UBR

指二極管加反向電壓時(shí)，當(dāng)反向電流達(dá)到規(guī)定的數(shù)值時(shí)，二極管所加反向電壓就是反向擊穿電壓，它反映二極管反向擊穿狀態(tài)。3．最高反向工作電壓（峰值）URM

常稱額定工作電壓，它是為了保證二極管不致反向擊穿而規(guī)定的最高反向電壓。

特別注意:溫度升高使正、反向電流增加，管壓降會(huì)降低，反向擊穿電壓也會(huì)降低第18頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一半導(dǎo)體二極管的選擇選擇二極管的一般原則是：(1)若要求導(dǎo)通后正向壓降小時(shí)，選鍺管；若要求反向電流小時(shí)，選硅管。(2)要求工作電流大時(shí)選面接觸型；要求工作頻率高時(shí)選點(diǎn)接觸型。(3)要求反向擊穿電壓高時(shí)選硅管。(4)要求耐高溫時(shí)選硅管。第19頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一二極管應(yīng)用舉例鉗位

將電路中某點(diǎn)的電位值鉗制在選定的數(shù)值上，而不受負(fù)載變動(dòng)影響的電路叫鉗位電路。u0=UG+UV第20頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一限幅

圖1.2.16二極管限幅電路第21頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一特殊二極管1.穩(wěn)壓管（1）穩(wěn)壓管及其伏安特性。穩(wěn)壓管是一種用特殊工藝制造的面接觸型硅二極管，它在電路中能起穩(wěn)定電壓的作用。穩(wěn)壓管通常工作在反向擊穿區(qū)。（2）穩(wěn)壓管的主要參數(shù)穩(wěn)定電壓UZ:指穩(wěn)壓管在正常工作時(shí)管子兩端的電壓。穩(wěn)定電流IZ:指穩(wěn)壓管保持穩(wěn)定電壓UZ時(shí)的工作電流值。最大工作電流IZM:指穩(wěn)壓管允許流過的最大反向電流。(a)符號(b)伏安特性第22頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一2.發(fā)光二極管（1）結(jié)構(gòu)和工作原理。發(fā)光二極管簡寫為LED（LightEmittingDiode）。當(dāng)管子正向?qū)〞r(shí)將會(huì)發(fā)光。優(yōu)點(diǎn)：發(fā)光二極管具有體積小、工作電壓低、工作電流（10~30mA）、發(fā)光均勻穩(wěn)定、響應(yīng)速度快和壽命長等優(yōu)點(diǎn)。(a)圖形符號(b)特性曲線第23頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一3、光電二極管（1）結(jié)構(gòu)與工作原理:光電二極管又叫光敏二極管，它是一種將光信號轉(zhuǎn)化為電信號的器件。光電二極管工作在反偏狀態(tài)下，當(dāng)無光照時(shí)，與普通二極管一樣，反向電流很小，稱為暗電流。當(dāng)有光照時(shí)，其反向電流隨光照強(qiáng)度的增加而增加，稱為光電流。(a)圖形符號(b)特性曲線第24頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一半導(dǎo)體三極管BJT：(雙極型三極管，晶體三極管）BipolarJunctionTransistor三極管是具有電流放大作用的半導(dǎo)體器件，1947年在美國的貝爾實(shí)驗(yàn)室誕生，開創(chuàng)了微電子技術(shù)的新時(shí)代。半導(dǎo)體三極管第25頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一

發(fā)射區(qū)發(fā)射極，用E或e表示（Emitter）發(fā)射結(jié)(Je)基極，用B或b表示（Base）集電極，用C或c表示（Collector）集電區(qū)基區(qū)

集電結(jié)(Jc)NPN型第26頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一

兩種類型的三極管

符號：箭頭表示發(fā)射結(jié)（Je）正偏時(shí)發(fā)射極電流的實(shí)際方向，P→NNPN型和PNP型第27頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一由兩個(gè)背靠背的PN結(jié)組成的三層雜質(zhì)半導(dǎo)體。PNP型NPN型N基區(qū)P集電區(qū)P發(fā)射區(qū)

C

e

bP基區(qū)N集電區(qū)N發(fā)射區(qū)集電極C發(fā)射極e基極b集電結(jié)發(fā)射結(jié)第28頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：?發(fā)射區(qū)是重?fù)诫s，其濃度最高；?集電區(qū)面積比發(fā)射區(qū)大，兩區(qū)面積不對稱，所以不可互換。管芯結(jié)構(gòu)剖面圖?基區(qū)很薄，一般在幾個(gè)微米至幾十個(gè)微米，且摻雜濃度最低。第29頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一晶體管的電流放大原理IEIBRBEBUBEICEC輸入電路輸出電路公共端

晶體管具有電流放大作用的外部條件：發(fā)射結(jié)正向偏置集電結(jié)反向偏置NPN管：UBE>0UBC<0即：VC>VB>VEPNP管：UBE<0UBC>0即：VC<VB<VERCUCEBCE共射極放大電路第30頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一三極管的電流控制原理EBRBIBICECRCNPIEN發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴(kuò)散電子電源負(fù)極向發(fā)射區(qū)補(bǔ)充電子形成發(fā)射極電流IE電子在基區(qū)的擴(kuò)散與復(fù)合集電區(qū)收集電子電子流向電源正極形成ICEB正極拉走電子，補(bǔ)充被復(fù)合的空穴，形成IB第31頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一特性曲線和主要參數(shù)輸入特性曲線IB

=f(UBE)UCE=常數(shù)UCE≥1V第32頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一場效應(yīng)管

場效應(yīng)管是繼三極管之后發(fā)展起來的另一類具有放大作用的半導(dǎo)體器件。場效應(yīng)管也具有PN結(jié)，但工作機(jī)理與三極管完全不同，它是利用電場效應(yīng)控制電流大小。場效應(yīng)管是一種電壓控制型器件，同時(shí)它只有一種載流子參與導(dǎo)電，所以又稱其為單極型器件。其特點(diǎn)是輸入阻抗高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)、制造工藝簡單。第33頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一BG柵極D漏極SiO2BDGSP型硅襯底S源極結(jié)構(gòu)圖電路符號N+N+第34頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一N溝道結(jié)型管DGS漏極（D）柵極（G）源極（S）P+P+N溝道三個(gè)電極源極（S）柵極（G）漏極（D）導(dǎo)電溝道連通源極S和漏極D箭頭方向指向管內(nèi)——N溝道第35頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一工作原理D與S之間是兩個(gè)PN結(jié)反向串聯(lián)，無論D與S之間加什么極性的電壓，漏極電流均接近于零。(1)UGS=0結(jié)構(gòu)示意圖襯底引線BUDSID=0GDSP型硅襯底SiO2柵源電壓對導(dǎo)電溝道的控制作用N+N+第36頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一(2)0<UGS<UGS(th)由柵極指向襯底方向的電場使空穴向下移動(dòng),電子向上移動(dòng)。UDSSiO2GDSB結(jié)構(gòu)示意圖P型硅襯底N+N+ID=0UGS在P型襯底表面形成耗盡層。第37頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一(3)UGS>UGS(th)柵極下P型半導(dǎo)體表面形成N型導(dǎo)電溝道。當(dāng)D、S加上正向電壓后可產(chǎn)生漏極電流ID。N+N+SiO2GDS耗盡層BP型硅襯底UGSUDSN型導(dǎo)電溝道ID第38頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一由上述討論可知:

UGS愈大，導(dǎo)電溝道愈厚,在UDS電壓作用下,電流ID愈大。即通過改變電壓UGS的大小可以改變漏極電流ID的大小。

隨著柵極電壓UGS的增加，導(dǎo)電溝道不斷增加的場效應(yīng)管稱為增強(qiáng)型場效應(yīng)管。場效應(yīng)管只有一種載流子參與導(dǎo)電,故稱為單極性晶