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1、第一章半导体器件,1.1半导体的特性,1.2半导体二极管,1.3双极型三极管(BJT),1.4场效应三极管,1.1半导体的特性,半导体:导电性能介于导体和半导体之间的物质。大多数半导体器件所用的主要材料是硅(Si)和锗(Ge)。,图 1.1.1硅原子结构,(a)硅的原子结构图,(b)简化模型,1.1.1本征半导体,完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体。,将硅或锗材料提纯便形成单晶体,它的原子结构为共价键结构。,价电子,共价键,图 1.1.2单晶体中的共价键结构,当温度 T = 0 K 时,半导体不导电,如同绝缘体。,图 1.1.3本征半导体中的 自由电子和空穴,自由电子
2、,空穴,若 T ,将有少数价电子克服共价键的束缚成为自由电子,在原来的共价键中留下一个空位空穴。,T ,自由电子和空穴使本征半导体具有导电能力,但很微弱。,空穴可看成带正电的载流子。,1. 半导体中两种载流子,2. 本征半导体中,自由电子和空穴总是成对出现,称为 电子 - 空穴对。,3. 本征半导体中自由电子和空穴的浓度用 ni 和 pi 表示,显然 ni = pi 。,4. 由于物质的运动,自由电子和空穴不断的产生又不断的复合。在一定的温度下,产生与复合运动会达到平衡,载流子的浓度就一定了。,5. 载流子的浓度与温度密切相关,它随着温度的升高,基本按指数规律增加。,1.1.2杂质半导体,N
3、型半导体,P 型半导体,一、 N 型半导体,掺入少量的 5 价杂质元素,如磷、锑、砷等,电子浓度多于空穴浓度,即 n p 。电子为多数载流子,空穴为少数载流子。,多余电子,磷原子,硅原子,二、 P 型半导体,掺入少量的 3 价杂质元素,如硼、镓、铟等,空穴浓度多于电子浓度,即 p n。空穴为多数载流子,电子为少数载流子。,受主原子,空穴,图 1.1.5P 型半导体的晶体结构,1.2半导体二极管,1.2.1PN 结及其单向导电性,在一块半导体单晶上一侧掺杂成为 P 型半导体,另一侧掺杂成为 N 型半导体,两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层,称为 PN 结。,图 1.2.1PN 结的形成,一、
4、 PN 结中载流子的运动,耗尽层,1. 扩散运动,2. 扩散运动形成空间电荷区,电子和空穴浓度差形成多数载流子的扩散运动。, PN 结,耗尽层。,图 1.2.1,3. 空间电荷区产生内电场,空间电荷区正负离子之间电位差 UD 电位壁垒; 内电场;内电场阻止多子的扩散 阻挡层。,4. 漂移运动,内电场有利于少子运动漂移。,少子的运动与多子运动方向相反,图 1.2.1(b),5. 扩散与漂移的动态平衡,扩散运动使空间电荷区增大,扩散电流逐渐减小; 随着内电场的增强,漂移运动逐渐增加; 当扩散电流与漂移电流相等时,PN 结总的电流,空间电荷区的宽度约为几微米 几十微米;,等于零,空间电荷区的宽度达到
5、稳定。即扩散运动与,漂移运动达到动态平衡。,电压壁垒 UD,硅材料约为(0.6 0.8) V,锗材料约为(0.2 0.3) V。,二、 PN 结的单向导电性,1. PN 外加正向电压,又称正向偏置,简称正偏。,图 1.2.2,2. PN 结外加反向电压(反偏),不利于扩散运动,有利于漂移运动,漂移电流大于扩散电流,电路中产生非常小的反向电流 IS ;,反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感,随着温度升高, IS 将急剧增大。,综上所述: 当 PN 结正向偏置时,回路中将产生一个较大的正向电流, PN 结处于 导通状态;当 PN 结反向偏置时,回路中反向电流非常小,几乎等于零, PN 结处于截
6、止状态。 可见, PN 结具有单向导电性。,1.2.2二极管的伏安特性,将 PN 结封装在塑料、玻璃或金属外壳里,再从 P 区和 N 区分别焊出两根引线作正、负极。,二极管的结构:,(a)外形图,半导体二极管又称晶体二极管。,(b)符号,图 1.2.4二极管的外形和符号,半导体二极管的类型:,按 PN 结结构分:有点接触型和面接触型二极管。,按用途划分:有整流二极管、检波二极管、稳压二极管、开关二极管、发光二极管、变容二极管等。,按半导体材料分:有硅二极管、锗二极管等。,半导体二极管的型号,国家标准对半导体器件型号的命名举例如下:,2AP9,二极管的伏安特性,在二极管的两端加上电压,测量流过管
7、子的电流,I = f (U )之间的关系曲线。,正向特性,硅管的伏安特性,反向特性,图 1.2.5二极管的伏安特性,1. 正向特性,当正向电压比较小时,正向电流很小,几乎为零。,相应的电压叫死区电压。范围称死区。死区电压与材料和温度有关,硅管约 0.5 V 左右,锗管约 0.1 V 左右。,正向特性,死区电压,当正向电压超过死区电压后,随着电压的升高,正向电流迅速增大。,2. 反向特性,当电压超过零点几伏后,反向电流不随电压增加而增大,即饱和;,二极管加反向电压,反向电流很小;,如果反向电压继续升高,大到一定数值时,反向电流会突然增大;,这种现象称击穿,对应电压叫反向击穿电压。,击穿并不意味管
8、子损坏,若控制击穿电流,电压降低后,还可恢复正常。,结论:,二极管具有单向导电性。加正向电压时导通,呈现很小的正向电阻,如同开关闭合;加反向电压时截止,呈现很大的反向电阻,如同开关断开。,从二极管伏安特性曲线可以看出,二极管的电压与电流变化不呈线性关系,其内阻不是常数,所以二极管属于非线性器件。,1.2.3二极管的主要参数,1. 最大整流电流 IF,二极管长期运行时,允许通过的最大正向平均电流。,2. 最高反向工作电压 UR,工作时允许加在二极管两端的反向电压值。通常将击穿电压 UBR 的一半定义为 UR 。,3. 反向电流 IR,通常希望 IR 值愈小愈好。,4. 最高工作频率 fM,fM
9、值主要 决定于 PN 结结电容的大小。结电容愈大,二极管允许的最高工作频率愈低。,1.2.4稳压管,一种特殊的面接触型半导体硅二极管。,稳压管用于稳压时工作于反向击穿区。,(b)稳压管符号,(a)稳压管伏安特性,图 1.2.6稳压管的伏安特性和符号,稳压管的参数主要有以下几项:,1. 稳定电压 UZ,3. 动态内阻 rZ,2. 稳定电流 IZ,稳压管工作在反向击穿区时的稳定工作电压。,正常工作的参考电流。I IZ ,只要不超过额定功耗即可。,rZ 愈小愈好。对于同一个稳压管,工作电流愈大, rZ 值愈小。,IZ = 5 mA rZ 16 IZ = 20 mA rZ 3 ,IZ/mA,4. 电压
10、温度系数 U,稳压管电流不变时,环境温度每变化 1 引起稳定电压变化的百分比。,5. 额定功耗 PZ,额定功率决定于稳压管允许的温升。,PZ = UZIZ,PZ 会转化为热能,使稳压管发热。,电工手册中给出 IZM,IZM = PZ/UZ,稳压管电路,稳压管可串联使用(较常见),几个稳压管串联后,可获得多个不同的稳压值, 一般不并联使用。几个稳压管并联后,稳压值将由最低(包括正向导通后的电压值)的一个来决定。,讨 论 课 题(一),如图所示硅稳压管稳压电路,要求输出直流电压6V。 1)试找出电路存在的直观错误。 2)在电路修改正确后,若已知稳压管的IZmax=40mA, 限流电阻选的是否合适?
11、,1.3双极结型三极管(BJT),又称半导体三极管、晶体管,或简称为三极管。,(Bipolar Junction Transistor),三极管的外形如下图所示。,三极管有两种类型:NPN 和 PNP 型。主要以 NPN 型为例进行讨论。,图 1.3.1三极管的外形,1.3.1三极管的结构,常用的三极管的结构有硅平面管和锗合金管两种类型。,图1.3.2三极管的结构,(a)平面型(NPN),e 发射极,b基极, c 集电极。,图 1.3.3三极管结构示意图和符号(a)NPN 型,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,集电极 c,基极 b,发射极 e,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,集电极
12、c,发射极 e,基极 b,半导体三极管的型号,第二位:A锗PNP管、B锗NPN管、 C硅PNP管、D硅NPN管,第三位:X低频小功率管、D低频大功率管、 G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管,国家标准对半导体器件型号的命名举例如下:,3DG110B,1.3.2三极管载流子的运动和电流分配关系,以 NPN 型三极管为例讨论,三极管若实现放大,必须从三极管内部结构和外部所加电源的极性来保证。,不具备放大作用,三极管内部结构要求:,1. 发射区高掺杂。,2. 基区做得很薄。通常只有几微米到几十微米,而且掺杂较少。,三极管放大的外部条件:外加电源的极性应使发射结处于正向偏置状态,而集电结处于反向偏
13、置状态。,3. 集电结面积大。,三极管中载流子运动过程, 发射区向基区注入电子,形成电子电流IEn,同时基区向发射区注入空穴,形成空穴电流IEp,因为IEnIEp,所以发射极电流IEIEn。, 注入电子在基区边扩散边复合,形成复合电流IBn。, 集电区收集扩散来的电子,形成集电极电流IC。, 集电结两边少子的漂移,形成集电结漂移电流, 通常称为反向饱和电流ICBO。,电子注入,复合,少子漂移,三极管的电流分配关系,IEp,ICBO,IE,IC,IB,IEn,IBn,ICn,IC = ICn + ICBO,IE = ICn + IBn + IEp = IEn+ IEp,一般要求 ICn 在 IE
14、 中占的比例尽量大。而二者之比称共基直流电流放大系数,即,一般可达 0.95 0.99,IB + ICBO = IBn + IEp,IE = IC + IB,三个极的电流之间满足节点电流定律,即,IE = IC + IB,代入(1)式,得,上式后一项常用穿透电流ICEO 表示。,当 ICEO IC 时,忽略 ICEO,则由上式可得,三极管的电流分配关系,交流放大倍数 和 的定义,根据三极管中三个电流的关系,可得,故 与 两个参数之间满足以下关系:,1.3.3三极管的特性曲线,1 输入特性,2 输出特性,放 大 区,截止区,饱和管压降 UCES 0.4 V(硅管),UCES 0. 2 V(锗管)
15、,通常分别取0.3 V和0.1 V,放 大 区,截止区,发射结正偏,放大,i C= iB,集电结反偏,饱和,i C iB,两个结正偏,I CS= IBS,临界,截止,iB 0, iC 0,电流关系,状态,条 件,两个结反偏,Je正偏 Jc零偏,或Je正向电压0.5V,判断BJT工作状态电压比较法(NPN),Je正偏电压小于死区电压,Jc反偏,BJT截止,Je正偏,放大还是饱和?,先求IB,假设放大,再求IC,求UCE后与UBE比较,UCE UBE,BJT放大,UCE UBE,BJT饱和,I C = IB,UCE = UBE,BJT临界饱和,若饱和,则需利用UCES重新计算IC,P37 题114(a) :已知三极管=50,UBE 0.7V 。试估算电路中的IC 、UCE,判断工作状态。,解: (1)Je正偏导通.,求IB,(2),(3) 求UCE,I C IB3.25mA,假设放大,求IC,UCE UBE,BJT放大,1.3.4三极管的主要参数,一、电流放大系数,是表征管子放大作用的参数。有以下几个:,1. 共射电流放大系数 ,2. 共射直流电流放大系数,3. 共基电流放大系数 ,4. 共基直流电流放大系数,二、反向饱和电流,1. 集电极和基极之间的反向饱和电流 ICBO,2.集电极和发射极之间的反向饱和电流 ICEO,小功率锗管 I