模电课件-第一章-常用半导体器件

本章主要介绍现代电子器件集成电路的基础器件即半导体二极管和三极管的基本知识，工作原理，特性曲线和参数。 半导体器件的基础是PN结，为此对PN结的形成 和电特性也给予了必要的介绍。 § 1.1 半导体基础知识（录像片）,第一章 常用半导体器件,模拟电子技术课程讨论的重点从信号的放大开始，放大功能需要半导体器件来完成。,1 PN结是如何形成的？ 2 什么是扩散电流和漂移电流？ 3 PN结正偏和反偏的条件是什么？ 4 PN结在正偏和反偏条件下，说明它的导电特点。 5 当温度升高以后，PN结的导电情况会有什么变化？ 6 说明为什么PN结的反向饱和电流在一定条件下是一个常数？,观看录像时需要重点考虑的问题(学会带着问题有侧重点地去了解和认识事物)：,可以用下列箭头来描述PN结的形成过程（学会概括总结，抓住关键词）,因浓度差 形成多子的扩散运动 杂质离子形成空间电荷区,我们称从N区指向P区的内电场为PN结。因为离子薄层中的多数载流子已经扩散尽了，缺少多子，所以这个离子薄层也称为耗尽层。所以PN结有许多别名，离子薄层、空间电荷区、耗尽层、内电场等等。,空间电荷区形成内电场内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散 达到动态平衡,PN结可以外加电压，如果外加电压使：,PN结P区的电位高于N区的电位称为加正向电压，简称正偏；,PN结P区的电位低于N区的电位称为加反向电压，简称反偏。,下面来看PN结的单向导电性的具体表现。,1、加正向电压时，PN结处于导通状态，扩散运动 漂移运动，正向电流较大。 2、加反向电压时，PN结处于截止状态，漂移运动 扩散运动，反向电流很小。,PN结的单向导电性（重点）,PN结最重要的特性是单向导电特性，先看如下实验。,实验：PN结的导电性。按如下方式进行PN结导电性的实验，因为PN结加上封装外壳和电极引线就是二极管，所以拿一个二极管来当成PN结。P区为正极；N区为负极。对于图示的实验电路，（表示二极管负极的黑色圆环在右侧。此时发光二极管.,电源正极,二极管负极黑色圆环标记在右侧,发光二极管发光,此时发光二极管不发光，说明PN结不导电。这个实验说明PN结（二极管）具有单向导电性。,将PN结左右翻转180，二极管负极接电源正极，黑色标记在左侧。,发光二极管熄灭,一、基本结构（P18）,PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。,点接触型（高频、小功率）,面接触型（低 频、整流）,§1.2 半导体二极管,二、伏安特性（重点）,死区电压 硅管0.6V,锗管0.2V。,导通压降: 硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。,反向击穿电压UBR,电流方程：,理解半导体二极管的伏安特性曲线的分区和特点。,温度变化以后二极管的伏安特性会怎样变化？,T（）正向特性左移，反向特性下移 T（）在电流不变情况下管压降 u 反向饱和电流IS，U(BR) 常温附近：u22.5mV/ ， IS一倍/10 ,温度对伏安特性的影响,三、主要参数,1. 最大整流电流 IF,二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,2.最高反向工作电压UR,二极管工作时允许外加的最大反向电压值。超过此值时，二极管有可能因反向击穿而损坏。手册上给出的最高反向工作电压UR一般是击穿电压U（BR）的一半。,3. 反向电流 IR,指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。 反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。 反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。,以上均是二极管的直流参数，下面介绍两个交流参数（一般了解）。,4. 微变（动态）电阻 rD,uD,rD 是二极管特性曲线上工作点Q 附近电压的变化与电流的变化之比：,显然，rD是伏安特性在Q点处切线斜率的倒数。,5. 最高工作频率fM和二极管的极间电容,最高工作频率：是二极管工作的上限频率，超过此值时，由于二极管的结电容作用，二极管不具有单向导电性。 二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：势垒电容CB和扩散电容CD。,1、势垒电容Cb：因耗尽层宽窄变化所等效的电容,Cb的大小与结面积、耗尽层宽、介电常数、外加电压有关。PN结加反向电压时，Cb变化明显，利用此特性可制成变容二极管。,2、扩散电容Cd：因非平衡少子数量变化所等效的 电容,平衡少子： PN结处于平衡状态时的少子。 非平衡少子： PN结正偏时，多子扩散至对方区域成为非平衡少子。 Cd的大小与PN结的正向电流、UT、非平衡少子的寿命有关。,通常，PN结面积小的在 1pF 左右， PN结面积大的在 几十 几百pF 。 对低频信号， PN结的结电容可忽略不计，但对高频信号而言，则必须考虑之。,PN结的结电容： Ci = Cb + Cd,四、二极管的应用举例,二极管的应用主要是利用它的单向导电性，它可应用于整流、限幅、保护等等（等效模型 P21图1.2.4）。,二极管的等效电路,由伏安特性折线化得到的等效电路,因二极管伏安特性具有非线性，故为便于分析，常在一定条件下，用线性元件所构成的电路来近似。,理想开关模型,恒压源模型,折线近似模型,例1：已知：Ui = 10 sinwt V，二极管为理想元件。 试求：输出Uo的波形。,Ui 5V ：Uo = 5V,Ui 5V：Uo = Ui,解：,方法：判断二极管何时 导通、截止。,例2：已知：Va = 3V，Vb = 0V。求：Vy = ?,方法：先判二极管谁优先导通， 导通后二极管起嵌位作用 两端压降为定值。,解：,作业：P67 三 P69 1.3,1.2.5 稳压二极管,U,IZ,稳压误差,曲线越陡，电压越稳定。,-,UZ,稳压 的条件？,（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。,（5）额定功耗,稳压二极管的参数（以2CW59型号为例）,（1）稳定电压 UZ（1011.8V，具有分散性）,（3）动态电阻,例：已知：Uz = 10V，Izmax = 20mA， Izmin = 5mA， RL = 2K。现要求输入电压由正常值 发生20%波动时，负载电压基本不变。 试求：限流电阻 R 和输入电压 ui 的正常值。,由于稳压管的电流在Izmax Izmin时，才可正常工作，故其电路串接一电阻以限流，此电阻称为限流电阻。,稳压二极管的应用举例,输入电压最大时：,方程1,输入电压最小时：,方程2,联立方程解得：,解：,作业：P67 四 P69 1.6,1.2.6 其他类型二极管,工作在反向状态，反向电流随光照强度的增加而上升。,一、光电二极管（实现光能与电能的转换）,常用于遥控、报警、光电传感器中,二、发光二极管,有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。,常用于显示电路中,左图是两级放大电路，第一级的三极管T1使电流和电压放大；,第二级的T2 完成电流放大任务，同时具有阻抗变换功能，以提高驱动负载的能力。,为什么要学习半导体三极管？,1.3 双极性晶体管,三极管的作用,三极管对信号进行不失真或低失真的放大。 “放大信号”是它的基本功能。,三极管在模拟电子系统中居于核心地位，是系统的“心脏”。,由此可见：,半导体三极管在英文中称为晶体管(Transistor)，半导体三极管有两大类型，一是双极型半导体三极管，二是场效应型半导体三极管。 双极型半导体三极管是由两种载流子参与导电的半导体器件，它由两个 PN 结组合而成，是一种电流控制电流源器件（CCCS）。 场效应型半导体三极管仅由一种载流子参与导电，是一种电压控制电流源器件（VCCS）。,1.3.1 基本结构（录像） 1.3.2 放大原理（录像）,观看录像需要思考的问题：,1.要保证三极管具有电流放大作用，在工艺上应满足哪些条件？（内部结构条件） 2.不论是NPN型还是PNP型三极管，三个电极的电流满足什么关系？ 3.半导体三极管的电流放大机理是怎样的？ 它需要满足的外部条件是什么？,基本结构及类型,常见：硅管主要是平面型，锗管都是合金型,晶体管的电流放大作用,晶体管是放大电路的核心元件，它可控制能量的转换，把输入的任何微小变化不失真地放大输出，而放大的对象是变化量！,发射结正偏,集电结反偏,基本共射放大电路,共射接法,共集接法,共基接法,放大电路的三种接法,1.3.3 晶体管的共射特性曲线,一、输入特性,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。,二、输出特性,IC(mA ),此区域满足IC=IB称为线性区（放大区）。,当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB。,此区域中UCEUBE,集电结正偏，IBIC，UCE0.3V称为饱和区。,此区域中 : IB=0,IC=ICEO,UBE 死区电压，称为截止区。,输出特性三个区域的特点:,放大区：发射结正偏，集电结反偏。 即： IC= IB , 且 IC = IB,(2) 饱和区：发射结正偏，集电结正偏。 即：UCE UBE ， IB IC,(3) 截止区： UBE 开启电压， IB=0 ， IC=ICEO 0,例1： =50， USC =12V， RB =70k， RC =6k 当USB = -2V，2V，5V时， 晶体管的工作状态如何？,解：当USB =-2V时：,IB=0 ， IC=0,IC最大饱和电流：,Q位于截止区,IC ICmax (=2mA) ， Q位于放大区。,解：USB =2V时：,例1： =50， USC =12V， RB =70k， RC =6k 当USB = -2V，2V，5V时， 晶体管的静态工作点Q位于 哪个区？,解：USB =5V时:,Q 位于饱和区。因IC 和IB 已不是 倍的关系。,例1： =50， USC =12V， RB =70k， RC =6k 当USB = -2V，2V，5V时， 晶体管的静态工作点Q位于 哪个区？,1.3.4主要参数（设计电路和选用器件的依据）,前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。,共射直流电流放大倍数：,工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为IB，相应的集电极电流变化为IC，则交流电流放大倍数为：,1. 电流放大倍数和 ,例：UCE=6V时：IB = 40 A, IC =1.5 mA； IB = 60 A, IC =2.3 mA。,在以后的计算中，一般作近似处理： =,2.集-基极反向截止电流ICBO,ICBO是集电极和基极之间的反向饱和电流，受温度的变化影响。,发射极开路,B,E,C,N,N,P,ICBO进入N区，形成IBE。,根据放大关系，由于IBE的存在，必有电流IBE。,集电结反偏有ICBO,3. 集-射极反向截止电流ICEO,ICEO受温度影响很大，当温度上升时，ICEO增加很快，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。,4.集电极最大允许电流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。,5.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。,6. 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,ICUCE=PCM,安全工作区,温度对UBE的影响,1.3.5 温度对晶体管特性及参数的影响,温度对值及ICEO的影响,总的效果是：,补充：半导体三极管的型号,国家标准对