常用半導體器件(基礎知識二極管三極管課件

1、2021-8-24 常用半導體器件(基礎知識二極管三極管課件 1 2021-8-24 常用半導體器件(基礎知識二極管三極管課件 2 “電子技術基礎電子技術基礎”是電類各專業(yè)的一門是電類各專業(yè)的一門技術技術 基礎課基礎課。它是研究各種半導體器件的性能、電。它是研究各種半導體器件的性能、電 路及其應用的學科。根據(jù)學科內(nèi)容大的方面來路及其應用的學科。根據(jù)學科內(nèi)容大的方面來 劃分，分為：劃分，分為：模擬電子技術模擬電子技術（Analog Electronics Technology)和和數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術 （Digital Electronics Technology）。）。 根據(jù)自動化系的課程

2、安排，將電子技術分根據(jù)自動化系的課程安排，將電子技術分 為：基礎、模電和數(shù)電三門課。為：基礎、模電和數(shù)電三門課。 2021-8-24 常用半導體器件(基礎知識二極管三極管課件 3 電子技術是一門實踐性和應用性都很強電子技術是一門實踐性和應用性都很強 的技術基礎課。要求學生在學習時要很好地的技術基礎課。要求學生在學習時要很好地 掌握基本掌握基本概念概念、基本工作、基本工作原理原理以及基本分析以及基本分析 方法方法。 總的要求是：熟練掌握基本概念，在總的要求是：熟練掌握基本概念，在定定 性性分析的基礎上作分析的基礎上作定量估算。定量估算。 2021-8-24 常用半導體器件(基礎知識二極管三極管課

3、件 4 電子技術基礎包括：電子技術基礎包括： 第一章：常用半導體器件第一章：常用半導體器件 第二章：基本放大電路第二章：基本放大電路 第三章：多級放大電路第三章：多級放大電路 第四章：數(shù)制轉換與編碼第四章：數(shù)制轉換與編碼 第五章：邏輯門與邏輯代數(shù)基礎第五章：邏輯門與邏輯代數(shù)基礎 第六章：門電路第六章：門電路 第一章第一章第三章第三章20學時，第四章學時，第四章第六章第六章20學時學時 共共40學時學時 18周周 周周5學時學時 第第8周周日考試周周日考試 2021-8-24 常用半導體器件(基礎知識二極管三極管課件 5 2021-8-24 常用半導體器件(基礎知識二極管三極管課件 6 半導體器

4、件是構成電子電路的基本元件。半導體器件是構成電子電路的基本元件。 具有體積小、重量輕、使用壽命長、功耗小等具有體積小、重量輕、使用壽命長、功耗小等 優(yōu)點。優(yōu)點。 半導體具有半導體具有導電性導電性、熱敏性熱敏性、光敏性光敏性、摻雜摻雜 性性。 本章要求掌握常用半導體器件的本章要求掌握常用半導體器件的結構結構、工作工作 原理原理、特性曲線特性曲線和和主要參數(shù)主要參數(shù)。 2021-8-24 常用半導體器件(基礎知識二極管三極管課件 7 導體導體(conductor)：自然界中很容易導電的物質(zhì)稱為導體，金屬自然界中很容易導電的物質(zhì)稱為導體，金屬 一般都是導體。一般都是導體。 絕緣體絕緣體( (insu

5、lator) )：有的物質(zhì)幾乎不導電，稱為絕緣體，如橡有的物質(zhì)幾乎不導電，稱為絕緣體，如橡 皮、陶瓷、塑料和石英。皮、陶瓷、塑料和石英。 半導體半導體( (semiconductor) )：另有一類物質(zhì)的導電特性處于導體另有一類物質(zhì)的導電特性處于導體 和絕緣體之間，稱為半導體，如鍺、硅、砷化鎵和一和絕緣體之間，稱為半導體，如鍺、硅、砷化鎵和一 些硫化物、氧化物等。些硫化物、氧化物等。 Semiconductors are a special class of elements having a conductivity between that of a good conductor and

6、that of an insulator. 2021-8-24 常用半導體器件(基礎知識二極管三極管課件 8 1、半導體半導體（semiconductor） 硅硅silicon 、鍺、鍺germanium ；導電能力介于導體和絕緣體；導電能力介于導體和絕緣體 之間、光敏性、熱敏性、摻雜性之間、光敏性、熱敏性、摻雜性 2、本征半導體本征半導體（intrinsic semiconductor） 純凈的、結構完整的單晶體，如圖所示。純凈的、結構完整的單晶體，如圖所示。 2021-8-24 常用半導體器件(基礎知識二極管三極管課件 9 1.1.2 本征半導體本征半導體 Ge Si 通過一定的工藝過程，

7、可以將半導體制成晶體。通過一定的工藝過程，可以將半導體制成晶體。 硅和鍺的最外層電子（價電子）都是四個。硅和鍺的最外層電子（價電子）都是四個。 2021-8-24 常用半導體器件(基礎知識二極管三極管課件 10 共價鍵共價鍵 covalent bond 束縛電子束縛電子 bonded electron 2021-8-24 常用半導體器件(基礎知識二極管三極管課件 11 本征半導體的導電機理本征半導體的導電機理 在絕對在絕對溫度溫度T=0K和沒有外界激發(fā)時和沒有外界激發(fā)時, ,價電子完全被價電子完全被 共價鍵束縛著，本征半導體中沒有可以運動的帶電粒子共價鍵束縛著，本征半導體中沒有可以運動的帶電粒

8、子 （即（即載流子載流子carrier），它的導電能力為），它的導電能力為 0，相當于絕緣，相當于絕緣 體。體。 在常溫下在常溫下T=300K ，由于熱激發(fā)，使一些價電子獲，由于熱激發(fā)，使一些價電子獲 得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自由電子，同得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自由電子，同 時共價鍵上留下一個空位，稱為時共價鍵上留下一個空位，稱為空穴空穴。 載流子載流子: : 自由電子和空穴自由電子和空穴 2021-8-24 常用半導體器件(基礎知識二極管三極管課件 12 本征半導體：本征半導體： *本征激發(fā)本征激發(fā):T=0K 300K，熱激發(fā)，熱激發(fā) free electronhol

9、e 2021-8-24 常用半導體器件(基礎知識二極管三極管課件 13 +4+4 +4+4 在其它力的作用下，空在其它力的作用下，空 穴吸引附近的電子來穴吸引附近的電子來填填 補補，這樣的結果相當于，這樣的結果相當于 空穴的遷移，而空穴的空穴的遷移，而空穴的 遷移相當于正電荷的移遷移相當于正電荷的移 動，因此可以認為空穴動，因此可以認為空穴 是載流子。是載流子。 本征半導體中存在數(shù)量相等的本征半導體中存在數(shù)量相等的兩種載流子兩種載流子，即自由電子，即自由電子 和空穴。和空穴。 本征半導體中電流：本征半導體中電流：自由電子移動產(chǎn)生的電流和空穴移自由電子移動產(chǎn)生的電流和空穴移 動產(chǎn)生的電流。動產(chǎn)生

10、的電流。 2021-8-24 常用半導體器件(基礎知識二極管三極管課件 14 小結本征半導體小結本征半導體： （1）兩種）兩種載流子載流子（carrier: 自由運動的帶電粒子自由運動的帶電粒子） ： 自由電子自由電子free electrons（負電（負電Negative）、）、 空穴空穴holes（正電（正電Positive ）、）、 數(shù)目相等；數(shù)目相等； （2）載流子的運動：載流子的運動：擴散（擴散（diffusion）運動、）運動、 漂移（漂移（drift ）運動）運動 （3）自由電子和空穴均參與導電）自由電子和空穴均參與導電導電特殊性導電特殊性 本征半導體本征半導體的導電能力差的導電

11、能力差 （4）載流子的濃度載流子的濃度指數(shù)規(guī)律于溫度，故其溫度穩(wěn)指數(shù)規(guī)律于溫度，故其溫度穩(wěn) 定性差，定性差， 但可制作熱敏器件。但可制作熱敏器件。 2021-8-24 常用半導體器件(基礎知識二極管三極管課件 15 3、雜質(zhì)雜質(zhì)（extrinsic）半導體）半導體 A semiconductor material that has been subjected to the doping process is called an extrinsic semiconductor. *根據(jù)摻入根據(jù)摻入 (doping )雜質(zhì)元素不同，分為：雜質(zhì)元素不同，分為： N 型型(N type)半導體、半導

12、體、 P 型型(P type )半導體半導體 2021-8-24 常用半導體器件(基礎知識二極管三極管課件 16 多子：電子 少子：空穴少子：空穴 多子：電子多子：電子 majority 少子：空穴少子：空穴 minority Donor impurities 雜質(zhì)雜質(zhì) 2021-8-24 常用半導體器件(基礎知識二極管三極管課件 17 多子：空穴 少子：電子少子：電子 Acceptor impurities 雜質(zhì)雜質(zhì) 2021-8-24 常用半導體器件(基礎知識二極管三極管課件 18 P 型半導體型半導體 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

13、 + + N 型半導體型半導體 2021-8-24 常用半導體器件(基礎知識二極管三極管課件 19 Put very simply a semiconductor material is one which can be doped to produce a predominance of electrons or mobile negative charges (N-type)；or holes or positive charges (P-type). 占優(yōu)勢、多余的 簡單地說又稱 或者 可移動的 總結：總結： （1）多子、少子：）多子、少子： （2）電中性：）電中性： （3）多子和少子的

14、濃度：）多子和少子的濃度： 2021-8-24 常用半導體器件(基礎知識二極管三極管課件 20 4、PN結（結（junction） （1）形成）形成 采用不同的摻雜工藝，將采用不同的摻雜工藝，將P型半導體與型半導體與N型半導體制型半導體制 作在同一塊硅片上，在它們的交界面就形成作在同一塊硅片上，在它們的交界面就形成PN結結。 2021-8-24 常用半導體器件(基礎知識二極管三極管課件 21 名稱：名稱： *PN結結 *空間電荷區(qū)空間電荷區(qū) *耗盡層耗盡層 *阻擋層阻擋層 *勢壘區(qū)勢壘區(qū) 2021-8-24 常用半導體器件(基礎知識二極管三極管課件 22 PN結的單向導電性結的單向導電性 （1

15、）外加正向電壓（）外加正向電壓（正向偏置、正向偏置、正偏）正偏）導通導通 （2）外加反向電壓（）外加反向電壓（反向偏置、反向偏置、反偏）反偏）截止截止 P 區(qū)加正、區(qū)加正、N 區(qū)加負電壓。區(qū)加負電壓。 P區(qū)加負、區(qū)加負、N 區(qū)加正電壓。區(qū)加正電壓。 2021-8-24 常用半導體器件(基礎知識二極管三極管課件 23 2021-8-24 常用半導體器件(基礎知識二極管三極管課件 24 2021-8-24 常用半導體器件(基礎知識二極管三極管課件 25 PN結的伏安特性結的伏安特性 PN結的電流方程：結的電流方程： (1) 正向特性、正向特性、 (2) 反向特性、反向特性、 (3) 反向擊穿反向擊

16、穿 )1e( T S U u Ii T=300K時，時，UT約為約為26mV 2021-8-24 常用半導體器件(基礎知識二極管三極管課件 26 (1) 正向特性正向特性 (2) 反向特性反向特性 (3) 反向擊穿反向擊穿齊納擊穿（高摻雜）齊納擊穿（高摻雜） 雪崩擊穿（高反壓）雪崩擊穿（高反壓） 2021-8-24 常用半導體器件(基礎知識二極管三極管課件 27 PN結的電容效應：結的電容效應：P16 （1）勢壘電容）勢壘電容Cb：等效電容隨反向電壓變等效電容隨反向電壓變 化化變?nèi)荻O管變?nèi)荻O管 （2）擴散電容）擴散電容Cd ：擴散區(qū)內(nèi)，電荷的積累和擴散區(qū)內(nèi)，電荷的積累和 釋放過程與電容器充

17、放電過程相同。釋放過程與電容器充放電過程相同。 PN結的結電容結的結電容Cj 高頻考慮高頻考慮 PN結高頻小信號時的等效電路：結高頻小信號時的等效電路： 勢壘電容和擴散電容勢壘電容和擴散電容 的綜合效應的綜合效應 rd 2021-8-24 常用半導體器件(基礎知識二極管三極管課件 28 * PN結（結（PN junction）的形成）的形成 （多子擴散與少子漂移達到動態(tài)平衡；（多子擴散與少子漂移達到動態(tài)平衡； 名稱：名稱：PN結、空間電荷區(qū)、耗盡層、阻結、空間電荷區(qū)、耗盡層、阻 擋層、勢壘區(qū)）擋層、勢壘區(qū)） * PN結的單向導電性結的單向導電性 （正偏低阻導通、反偏高阻截止）（正偏低阻導通、反

18、偏高阻截止） 2021-8-24 常用半導體器件(基礎知識二極管三極管課件 29 2021-8-24 常用半導體器件(基礎知識二極管三極管課件 30 2021-8-24 常用半導體器件(基礎知識二極管三極管課件 31 (1) 正向導通、正向導通、 (2) 反向截止、反向截止、 (3) 反向擊穿反向擊穿 開啟電壓開啟電壓Uon :死區(qū)電壓死區(qū)電壓 硅管硅管 0.5V,鍺管鍺管0.1V 導通電壓導通電壓U : 硅管硅管0.60.8V,鍺管鍺管 0.10.3V P19表表1.2.1 溫度對二極管伏安特性的影響溫度對二極管伏安特性的影響: 溫度每升高溫度每升高1，正向壓降減小，正向壓降減小22.5mV

19、 溫度每升高溫度每升高10，反向電流約增大一倍，反向電流約增大一倍 2021-8-24 常用半導體器件(基礎知識二極管三極管課件 32 * 主要參數(shù)：主要參數(shù)：IF、UR、IR、fM (P20) 2021-8-24 常用半導體器件(基礎知識二極管三極管課件 33 * 應用應用：限幅、整流、門電路限幅、整流、門電路 例例1: P68 例例2: 補充（見下頁）補充（見下頁） 例例3: P69 R Uo 2V DUD=0.7V 2021-8-24 常用半導體器件(基礎知識二極管三極管課件 34 R Uo 6V D1 12V D2 2021-8-24 常用半導體器件(基礎知識二極管三極管課件 35 R

20、 uiuo VR D 正弦波的峰值正弦波的峰值Vim大于大于VR ui t VR uo 2021-8-24 常用半導體器件(基礎知識二極管三極管課件 36 (1) 輸出電壓波形：輸出電壓波形：u1 u2 a T b D RLuo iL 2021-8-24 常用半導體器件(基礎知識二極管三極管課件 37 橋式整流電路橋式整流電路 + - u2正半周時電正半周時電 流通路流通路 u1 u2 T D4 D2 D1 D3 RL uo 2021-8-24 常用半導體器件(基礎知識二極管三極管課件 38 橋式整流電路橋式整流電路 - + u0 u1 u2 T D4 D2 D1 D3 RL u2負半周時電負

21、半周時電 流通路流通路 2021-8-24 常用半導體器件(基礎知識二極管三極管課件 39 u20 時時 D1,D3導通導通 D2,D4截止截止 電流通路電流通路: A D1 RLD3B u2UbUe lPNP: UcUbUe 放大時各電極的電位關系：放大時各電極的電位關系： 2021-8-24 常用半導體器件(基礎知識二極管三極管課件 57 （1）發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子）發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子 （2）電子在基區(qū)中邊擴散邊復合）電子在基區(qū)中邊擴散邊復合 （3）擴散到集電結的電子被集電區(qū)收集）擴散到集電結的電子被集電區(qū)收集 2021-8-24 常用半導體器件(基礎知識二極管三極管課件 58 基區(qū)空穴

22、向發(fā)基區(qū)空穴向發(fā) 射區(qū)的擴散可射區(qū)的擴散可 忽略忽略IEP 。 發(fā)射結正偏，發(fā)發(fā)射結正偏，發(fā) 射區(qū)電子不斷向射區(qū)電子不斷向 基區(qū)擴散，形成基區(qū)擴散，形成 發(fā)射極電流發(fā)射極電流IEN。 進入進入P區(qū)的電子少部區(qū)的電子少部 分與基區(qū)的空穴復合，分與基區(qū)的空穴復合， 形成電流形成電流IBN ，多數(shù)，多數(shù) 擴散到集電結。擴散到集電結。 集電結反偏，有少子形成的反集電結反偏，有少子形成的反 向電流向電流ICBO。 從基區(qū)擴散來的從基區(qū)擴散來的 電子作為集電結電子作為集電結 的少子，漂移進的少子，漂移進 入集電結而被收入集電結而被收 集，形成集，形成ICN。 2021-8-24 常用半導體器件(基礎知識二

23、極管三極管課件 59 l外部電流關系：外部電流關系： l IE= IC +IB 2021-8-24 常用半導體器件(基礎知識二極管三極管課件 60 l 為了反映擴散到集電區(qū)的電流為了反映擴散到集電區(qū)的電流ICN與基區(qū)復合與基區(qū)復合 電流電流IBN之間的比例關系，定義共發(fā)射極直流電流放之間的比例關系，定義共發(fā)射極直流電流放 大系數(shù)為大系數(shù)為 CBOB CBOC BN CN II II I I 其含義是：基區(qū)每復合一個電子，則有其含義是：基區(qū)每復合一個電子，則有 電子電子 擴散到集電區(qū)去。擴散到集電區(qū)去。 值一般在值一般在20200之間。之間。 2021-8-24 常用半導體器件(基礎知識二極管三

24、極管課件 61 確定了確定了 值之后，可得值之后，可得 CEB CEOBCBOBE CEOBCBOBC III IIIII IIIII )1 ()1 ()1 ( )1 ( 式中：式中： CBOCEO II)1 ( 稱為穿透電流。因稱為穿透電流。因ICBO很小，在忽略其影響時，則有很小，在忽略其影響時，則有 BE BC II II )1 ( 2021-8-24 常用半導體器件(基礎知識二極管三極管課件 62 l 為了反映擴散到集電區(qū)的電流為了反映擴散到集電區(qū)的電流ICN與射極注入電流與射極注入電流IEN 的比例關系，定義共基極直流電流放大系數(shù)的比例關系，定義共基極直流電流放大系數(shù) 為：為： E

25、CBOC EN CN I II I I 顯然，顯然， IC， ， UCE 0.3V稱為飽和區(qū)。稱為飽和區(qū)。 2、飽和區(qū)、飽和區(qū) 2021-8-24 常用半導體器件(基礎知識二極管三極管課件 71 iC(mA ) 1 2 3 4 uCE(V)3 6912 IB=0 20 A 40 A 60 A 80 A 100 A 此區(qū)域中此區(qū)域中 : IB=0,IC=ICEO,U BEIC，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 2021-8-24 常用半導體器件(基礎知識二極管三極管課件 73 例：例： =50， UCC =12V， RB

26、=70k ， RC =6k 當當UBB = - -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UBB = - -2V時：時： IC UCE IB UCC RB UBB C B E RC UBE IB=0 ， IC=0 Q位于截止區(qū)位于截止區(qū) 2021-8-24 常用半導體器件(基礎知識二極管三極管課件 74 IC ICmax (=2mA) ， Q位于放大區(qū)位于放大區(qū)。 IC UCE IB UCC RB UBB C B E RC UBE UBB =2V時：時： 9mA01.0 70 7.02 R UU I B BEBB B 0.95mA9mA0

27、1050.II BC IC最大飽和電流：最大飽和電流： mA2 6 12 R U I C CC maxC 2021-8-24 常用半導體器件(基礎知識二極管三極管課件 75 UBB =5V時時: 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 倍的關系。倍的關系。 mA061.0 70 7.05 R UU I B BEBB B CmaxB 5mA0.3mA061.050II mA2 Cmax I 2021-8-24 常用半導體器件(基礎知識二極管三極管課件 76 前面的電路中，三極管的發(fā)射極是輸入輸出的公共點，前面的電路中，三極管的發(fā)射極是輸入輸出的公共點， 稱為共射接法，相

28、應地還有共基、共集接法。稱為共射接法，相應地還有共基、共集接法。 共射共射直流電流放大倍數(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上的工作于動態(tài)的三極管，真正的信號是疊加在直流上的 交流信號?；鶚O電流的變化量為交流信號?；鶚O電流的變化量為 IB，相應的集電極相應的集電極 電流變化為電流變化為 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 _ 2021-8-24 常用半導體器件(基礎知識二極管三極管課件 77 例：例：UCE=6V時時：IB = 40 A, IC =1.5 mA； IB = 60 A

29、, 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： = 2021-8-24 常用半導體器件(基礎知識二極管三極管課件 78 l共基極直流電流放大系數(shù)共基極直流電流放大系數(shù) 和交流電流放大系數(shù)和交流電流放大系數(shù) l由于由于ICBO、ICEO都很小，在數(shù)值上都很小，在數(shù)值上 , 。所以在以后。所以在以后 的計算中，不再加以區(qū)分。的計算中，不再加以區(qū)分。 l 值與測量條件有關。一般來說，在值與測量條件有關。一般來說，在iC很大或很小時，很大或很小

30、時， 值較小。只有在值較小。只有在iC不大、不小的中間值范圍內(nèi)，不大、不小的中間值范圍內(nèi)，值才比值才比 較大，且基本不隨較大，且基本不隨iC而變化。因此，在查手冊時應注意而變化。因此，在查手冊時應注意值值 的測試條件。尤其是大功率管更應強調(diào)這一點。的測試條件。尤其是大功率管更應強調(diào)這一點。 常數(shù) CB u E C I I 2021-8-24 常用半導體器件(基礎知識二極管三極管課件 79 2.發(fā)射極開路時發(fā)射極開路時集電結的反向飽和電流集電結的反向飽和電流ICBO A ICBO ICBO是集電是集電 結反偏由少結反偏由少 子的漂移形子的漂移形 成的反向電成的反向電 流，受溫度流，受溫度 的變化

31、影響。的變化影響。 2021-8-24 常用半導體器件(基礎知識二極管三極管課件 80 ICEO= (1+ )ICBO 3. 基極開路時基極開路時集集- -射極間的穿透電流射極間的穿透電流ICEO ICEO受溫度影響很大，受溫度影響很大，當溫度上升時，當溫度上升時，ICEO增加很增加很 快，所以快，所以IC也相應增加。三極管的溫度特性較差。也相應增加。三極管的溫度特性較差。 選管子時，選管子時，ICBO、ICEO應盡量小。應盡量小。 硅管的溫度穩(wěn)定性比鍺管好。硅管的溫度穩(wěn)定性比鍺管好。 2021-8-24 常用半導體器件(基礎知識二極管三極管課件 81 4. 集電極最大電流集電極最大電流ICM 集電極電流集電極電流IC上升會導致三極管的上升會導致三極管的 值的下降，使值的下降，使 值明顯減小時的值明顯減小時的 集電極電流即為集電極電流即為ICM