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2019/7/16,1,电子电路基础,第一讲 半导体器件基础,2019/7/16,2,参考书目,模拟电子技术基础,董诗白等,,高等教育出版社,面向21世纪课程教材,电子技术基础,康华光,高教出版社,电子线路基础,高文焕,高教出版社,2019/7/16,3,主要内容,1.1 半导体及其特性,1.2 PN结及其特性,1.3 半导体二极管,1.4 半导体三极管及其工作原理,1.5 三极管的共射特性曲线及主要参数,2019/7/16,4,本征半导体及其特性,导 体 (Conductor),电导率 105,铝、金、钨、铜等金属,镍铬等合金。,半导体 (Semiconductor),电导率 10-9 102,硅、锗、砷化镓、磷化铟、碳化镓、重掺杂多晶硅,绝缘体 (Insulator),电导率10-22 10-14,二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅等,2019/7/16,5,2、半导体性能,半导体三大特性,搀杂特性,热敏特性,光敏特性,本征半导体,晶格完整(金刚石结构),纯净(无杂质)的半导体,2019/7/16,6,1、硅、锗原子的简化模型,半导体元素:均为四价元素,2019/7/16,7,半导体结构的描述,两种理论体系 共价键 结构 能级能带 结构,2019/7/16,8,共价键结构(平面图),形成共价键后,每个原子的最外层电子是八个,构成稳定结构,共价键有很强的结合力,使原子规则排列,形成晶体,2019/7/16,9,半导体中的载流子,载流子(Carrier) 指半导体结构中获得运动能量的带电粒子。 有温度环境就有载流子。 绝对零度(-2730C)时晶体中无自由电子。,2019/7/16,10,热激发(本征激发),本征激发 和温度有关 会成对产生电子空穴对 - 自由电子(Free Electron) - 空 穴(Hole) 两种载流子(带电粒子)是半导体的重要概念。,2019/7/16,11,本征激发与复合,合二为一,一分为二,本征激发,复 合,2019/7/16,12,杂质半导体,(Impurity Semiconductor ) 杂质半导体: 在纯净半导体中掺入杂质 所形成。 杂质半导体分两大类: N型 (N type)半导体 P型 (P type)半导体,2019/7/16,13,1、N型半导体,施主杂质(Donor impurities) : 掺入五价元素,如磷(P)、砷(As)、锑(Sb)。 正离子状态: 失去多余电子后束缚在晶格内不能移动。,2019/7/16,14,图示: N型半导体结构示意图,2019/7/16,15,1、 N型半导体,自由电子数= 空 穴 数 + 施主杂质数,少子(Minority):空 穴(Hole),多子(Majority):自由电子(Free Electron),N型半导体:电子型半导体,2019/7/16,16,2、 P型半导体,受主杂质(Acceptor impurities) :,掺入三价元素,如硼(B)、铝(Al)、铟(In)。,负离子状态:,易接受其它自由电子,2019/7/16,17,图示: P型半导体结构示意图,空穴,空位,2019/7/16,18,P型半导体,空 穴 数 = 自由电子数 + 受主杂质数,少子(Minority :自由电子(Free Electron),多子(Majority) :空 穴(Hole),P型半导体:空穴型半导体,2019/7/16,19,杂质半导体的载流子浓度,杂质半导体少子浓度,主要由本征激发决定的,杂质半导体多子浓度,由搀杂浓度决定(是固定的),几乎与温度无关,对温度变化敏感,杂质半导体就整体来说还是呈电中性的,2019/7/16,20,半导体中的电流,是由电场力引起的载流子定向运动,漂移电流(Drift Current),扩散电流(Diffusion Current),由载流子浓度、迁移速度、外加电场强度等决定,是由载流子浓度不均匀(浓度梯度)造成的,扩散电流与浓度本身无关,2019/7/16,21,1.2 PN结及其特性,PN结是构成半导体器件的 核心结构。,PN结是指使用半导体工艺使N型和P型半导体,结合处所形成的 特殊结构。,PN结是半导体器件的 心脏。,2019/7/16,22,P型半导体,N型半导体,扩散运动,漂移运动,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽,空间电荷区越宽。,内电场越强,就使漂移运动越强,而漂移使空间电荷区变薄。,PN结的形成,2019/7/16,23,说明:,(1)空间电荷区(耗尽层、势垒区、高阻区)内,几乎没有载流子,其厚度约为0.5,(2)内电场的大小,硅半导体:,锗半导体:,(3)当两边的掺杂浓度相等时,PN结是对称的,当两边的掺杂浓度不等时,PN结不对称,(4)从宏观上看,自由状态下,PN结中无电流,2019/7/16,24,1、PN 结正向偏置P 区加正、N 区加负电压,内电场被削弱,多子的扩散加强,能够形成较大的扩散电流。,正 向 导 通,2019/7/16,25,2、PN 结反向偏置P 区加负、N 区加正电压,内电场被加强,多子的扩散受抑制。少子的漂移加强,但少子数量有限,只能形成较小的反向电流。,反 向 截 止,2019/7/16,26,三、半导体二极管,伏安曲线,两种击穿:,(1)齐纳击穿,(场致激发),(2)雪崩击穿,(碰撞激发),死区电压 硅管0.4V 锗管0.1V,反向击穿电压UBR,导通电压: 硅管0.7V 锗管0.3V,开启电压: 硅管0.6V 锗管0.2V,2019/7/16,27,二极管特性的解析式,伏安表达式:,常温下,则,当 时, ,反向电流基本不变,2019/7/16,28,二极管的等效电阻,直流等效电阻也称静态电阻:,交流等效电阻:,常温下,2019/7/16,29,二极管的主要参数,最大整流电流IM:IM是二极管长期运行时,允许通过的最大正向平均电流,反向击穿电压UBR:UBR是二极管反向电流,明显增大,超过某个规定值时的反向电压,反向电流IS:IS是二极管未击穿时的反向,饱和电流。 IS愈小,二极管的单向导电性,最高工作频率fM:fM是二极管工作的上限频率,愈好,IS对温度非常敏感,2019/7/16,30,例1: 二极管电路分析,理想二极管的特性,(1)反向击穿电压远大于外加信号电压,(2)反向电流为零,(3)导通压降为零,2019/7/16,31,例2: 二极管“与”门 (UD=0.3V),2019/7/16,32,U,-IZ,稳压误差,曲线越陡,电压越稳定。,UZ,五、稳压二极管,2019/7/16,33,(3)最大稳定电流IZM,(5)最大允许功耗,2、稳压二极管的参数:,(1)稳定电压 UZ,(2)稳定电流 IZ,(4)动态电阻,1、特点:反向击穿区非常陡峭。正常工作时处于反向击穿,稳压二极管,状态,工作点设在陡峭曲线的中间部分。,2019/7/16,34,# 不加R可以吗?,稳压二极管应用,当 不变时:,当 不变时:,2019/7/16,35,一、基本结构,基极,发射极,集电极,NPN型,PNP型,1.4 半导体三极管,2019/7/16,36,基区:较薄,掺杂浓度低,集电区:面积较大,发射区:掺 杂浓度较高,一、基本结构,发射结,集电结,工作条件: 发射结加正向电压 集电结加反向电压,2019/7/16,37,二、电流放大原理,EB,RB,EC,进入P区的电子少部分与基区的空穴复合,形成电流IBE ,多数扩散到集电结。,发射结正偏,发射区电子不断向基区扩散,形成发射极电流IE。,1、晶体管内部载流子的运动(以NPN型管为例),2019/7/16,38,EB,RB,EC,从基区扩散来的电子作为集电结的少子,漂移进入集电结而被收集,形成ICE。,1、晶体管内部载流子的运动(以NPN型管为例),二、电流放大原理,2019/7/16,39,二、电流放大原理,+iB,+iC,+iE,直流放大倍数,交流放大倍数,2019/7/16,40,二、电流放大原理,共基直流电流放大倍数,以发射极直流电流IE作为输入电流,以集电极,直流电流IC作为输出电流,共基交流电流放大倍数,2019/7/16,41,三极管的工作状态,放大状态 :发射结正偏,集电结反偏。,VBB 大于发射结开启电压,饱和状态:两个PN结均正偏。集电极电压降低,,漂移作用减弱,失去放大能力,截止状态:VBB 小于发射结开启电压,发射结反,偏或零偏;集电结反偏。IB、IC和IE 都非常小,倒置状态:相当于集、发对调使用,不能正常工作,2019/7/16,42,五、特性曲线,1、实验线路,输入特性曲线IB=f(UBE)|UCE=常数,输出特性曲线IC=f(UCE)|IB=常数,2019/7/16,43,工作压降: 硅管UBE0.60.7V 锗管UBE0.20.3V,死区电压 硅管0.5V 锗管0.2V,2、输入特性,2019/7/16,44,输入特性曲线的特点,(1)UCE=0,相当于两个二极管,并联运用。,(2)UCE0时,整个曲线往右移,当UCE0.5V后,曲线几乎重合,(3)有一门限电压晶体管开始导通时的基极电压,(硅管0.5V,锗管0.1V),(4)晶体管正常工作时,发射结的压降变化不大,(硅管0.7V,锗管0.3V),(5)输入特性是非线性的,2019/7/16,45,2、输出特性,2019/7/16,46,放大区:发射结正偏,集电结反偏。曲线平行等距,曲线的疏密反映了,截止区:发射结反偏,集电结反偏。ICIB,IC=ICEO,此时VBE0.5v,(4)整个曲线可分为三个区,饱和区:发射结正偏,集电结正偏。ICIB,, UCE0.3V,输出特性曲线的特点,(1)当IB=0时,IC0。这时的IC就是ICEO。,(2)UCE=0时,IC=0。发射区注入到基区的,电子不能被集电区所收集。当UCE1V,,UCEIC。,(3)UCE1V以后,随着UCE的增加,IC几乎,不变。曲线几乎平行等距。并且IB越大,,曲线越往上移。,的大小。=IC/IB,IC受IB控制。,2019/7/16,47,例:UCE=6V时: IB = 40 A, IC =1.7 mA; IB = 60 A, IC =2.5 mA。,2019/7/16,48,频率参数 f截止频率 fT特征频率,1,max,fT,f,70.7%max,2019/7/16,49,集电极最大电流ICM,集电极电流IC上升会导致三极管的值的下降,当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。,集-射极反向击穿电压,当集-射极之间的电压UCE超过一定的数值时,三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿电压U(BR)CEO。,ICUCE=PCM,安全工作区,集电极最大允许功耗PCM,集电极电流IC 流过三极管, 所发出的焦耳热为:,PC =ICUCE,必定导致结温 上升,所以PC 有限制。,PCPCM,2019/7/16,50,1、必须使晶体管工作在安全区。 2、若工作频率高,必须选用高频管。 3、若要求导通电压低时选用锗管, 若要求导通电压高时选用硅管。 4、ICBO、ICEO越小越好。 5、NPN管和PNP管对电源的极性要求不一样。,七、晶体管的选择和使用注意事项,2019/7/16,51,小结,各种新名词及特性参数的定义,本征半导体与杂质半导体(N型与P型),PN结及其单向导电性,二极管伏安特性曲线,二极管及稳压二极管的应用,三极管电流放大原理,三极管输入特性曲线与输出特性曲线,2019/7/16,52,作业,1.11,1.13 ,1.14 ,1.16 ,1.18,
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