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第一章 半导体二极管和三极管,第一章 半导体二极管和三极管,1.1 半导体基础知识,1.2 半导体二极管,1.3 晶体三极管,1 半导体基础知识,一、本征半导体,二、杂质半导体,三、PN结的形成及其单向导电性,四、PN结的电容效应,2、本征半导体的结构,由于热运动,具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子,自由电子的产生使共价键中留有一个空位置,称为空穴,自由电子与空穴相碰同时消失,称为复合。,共价键,一定温度下,自由电子与空穴对的浓度一定;温度升高,热运动加剧,挣脱共价键的电子增多,自由电子与空穴对的浓度加大。,外加电场时,带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电,且运动方向相反。由于载流子数目很少,故导电性很差。,为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体?,3、本征半导体中的两种载流子,运载电荷的粒子称为载流子。,温度升高,热运动加剧,载流子浓度增大,导电性增强。 热力学温度0K时不导电。,二、杂质半导体 1. N型半导体,磷(P),杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多,多子浓度越高,导电性越强,实现导电性可控。,多数载流子,空穴比未加杂质时的数目多了?少了?为什么?,2. P型半导体,硼(B),多数载流子,P型半导体主要靠空穴导电,掺入杂质越多,空穴浓度越高,导电性越强,,在杂质半导体中,温度变化时,载流子的数目变化吗?少子与多子变化的数目相同吗?少子与多子浓度的变化相同吗?,三、PN结的形成及其单向导电性,物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。,P区空穴浓度远高于N区。,N区自由电子浓度远高于P区。,扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低,产生内电场。,PN 结的形成,因电场作用所产生的运动称为漂移运动。,参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同,达到动态平衡,就形成了PN结。,由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子,形成内电场,从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N 区运动。,PN结加正向电压导通: 耗尽层变窄,扩散运动加剧,由于外电源的作用,形成扩散电流,PN结处于导通状态。,PN结加反向电压截止: 耗尽层变宽,阻止扩散运动,有利于漂移运动,形成漂移电流。由于电流很小,故可近似认为其截止。,PN 结的单向导电性,必要吗?,清华大学 华成英 ,四、PN 结的电容效应,1. 势垒电容,PN结外加电压变化时,空间电荷区的宽度将发生变化,有电荷的积累和释放的过程,与电容的充放电相同,其等效电容称为势垒电容Cb。,2. 扩散电容,PN结外加的正向电压变化时,在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化,也有电荷的积累和释放的过程,其等效电容称为扩散电容Cd。,结电容:,结电容不是常量!若PN结外加电压频率高到一定程度,则失去单向导电性!,问题,为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成本征半导体,导电性能极差,又将其掺杂,改善导电性能? 为什么半导体器件的温度稳定性差?是多子还是少子是影响温度稳定性的主要因素? 为什么半导体器件有最高工作频率?,2 半导体二极管,一、二极管的组成,二、二极管的伏安特性及电流方程,三、二极管的等效电路,四、二极管的主要参数,五、稳压二极管,一、二极管的组成,将PN结封装,引出两个电极,就构成了二极管。,小功率二极管,大功率二极管,稳压 二极管,发光 二极管,一、二极管的组成,点接触型:结面积小,结电容小,故结允许的电流小,最高工作频率高。,面接触型:结面积大,结电容大,故结允许的电流大,最高工作频率低。,平面型:结面积可小、可大,小的工作频率高,大的结允许的电流大。,二、二极管的伏安特性及电流方程,开启电压,反向饱和电流,击穿电压,温度的 电压当量,二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。,利用Multisim测试二极管伏安特性,从二极管的伏安特性可以反映出: 1. 单向导电性,2. 伏安特性受温度影响,T()在电流不变情况下管压降u 反向饱和电流IS,U(BR) T()正向特性左移,反向特性下移,正向特性为指数曲线,反向特性为横轴的平行线,增大1倍/10,三、二极管的等效电路,理想 二极管,近似分析中最常用,导通时i与u成线性关系,应根据不同情况选择不同的等效电路!,1. 将伏安特性折线化,?,100V?5V?1V?,2. 微变等效电路,Q越高,rd越小。,当二极管在静态基础上有一动态信号作用时,则可将二极管等效为一个电阻,称为动态电阻,也就是微变等效电路。,ui=0时直流电源作用,小信号作用,静态电流,四、二极管的主要参数,最大整流电流IF:最大平均值 最大反向工作电压UR:最大瞬时值 反向电流 IR:即IS 最高工作频率fM:因PN结有电容效应,第四版P20,讨论:解决两个问题,如何判断二极管的工作状态? 什么情况下应选用二极管的什么等效电路?,uD=ViR,ID,UD,V与uD可比,则需图解:,实测特性,对V和Ui二极管的模型有什么不同?,五、稳压二极管,1. 伏安特性,进入稳压区的最小电流,不至于损坏的最大电流,由一个PN结组成,反向击穿后在一定的电流范围内端电压基本不变,为稳定电压。,2. 主要参数,稳定电压UZ、稳定电流IZ,最大功耗PZM IZM UZ,动态电阻rzUZ /IZ,若稳压管的电流太小则不稳压,若稳压管的电流太大则会因功耗过大而损坏,因而稳压管电路中必需有限制稳压管电流的限流电阻!,限流电阻,斜率?,1.3 晶体三极管,一、晶体管的结构和符号,二、晶体管的放大原理,三、晶体管的共射输入特性和输出特性,四、温度对晶体管特性的影响,五、主要参数,一、晶体管的结构和符号,多子浓度高,多子浓度很低,且很薄,面积大,晶体管有三个极、三个区、两个PN结。,中功率管,大功率管,二、晶体管的放大原理,扩散运动形成发射极电流IE,复合运动形成基极电流IB,漂移运动形成集电极电流IC。,少数载流子的运动,因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区,因基区薄且多子浓度低,使极少数扩散到基区的电子与空穴复合,因集电区面积大,在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区,基区空穴的扩散,电流分配: IEIBIC IE扩散运动形成的电流 IB复合运动形成的电流 IC漂移运动形成的电流,穿透电流,集电结反向电流,直流电流放大系数,交流电流放大系数,三、晶体管的共射输入特性和输出特性,为什么UCE增大曲线右移?,对于小功率晶体管,UCE大于1V的一条输入特性曲线可以取代UCE大于1V的所有输入特性曲线。,为什么像PN结的伏安特性?,为什么UCE增大到一定值曲线右移就不明显了?,1. 输入特性,2. 输出特性,是常数吗?什么是理想晶体管?什么情况下 ?,对应于一个IB就有一条iC随uCE变化的曲线。,为什么uCE较小时iC随uCE变化很大?为什么进入放大状态曲线几乎是横轴的平行线?,饱和区,放大区,截止区,晶体管的三个工作区域,晶体管工作在放大状态时,输出回路的电流 iC几乎仅仅决定于输入回路的电流 iB,即可将输出回路等效为电流 iB 控制的电流源iC 。,四、温度对晶体管特性的影响,五、主要参数,直流参数: 、 、ICBO、 ICEO,c-e间击穿电压,最大集电极电流,最大集电极耗散功率,PCMiCuCE,安全工作区,交流参数:、fT(使1的信号频率),极限参数:ICM、PCM、U(BR)CEO,清华大学 华成英 ,讨论一,由图示特性求出PCM、ICM、U (BR)CEO 、。,uCE=1V时的iC就是ICM,U(BR)CEO,讨论二:利用Multisim测试晶体管的输出特性,利用Multisim分析图示电路在V2小于何值时晶体管截止、大于何值时晶体管饱和。,讨论三,以V2作为输入、以节点1作为输出,采用直流扫描的方法可得!,约小于0.5V时截止,约大于1V时饱和,描述输出电压与输出电压之间函数关系的曲线,称为电压传输特性。,
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