电子技术基础电工学Ⅱ 教学课件 ppt 作者 李春茂 第1章 双极型半导体器件

电子技术基础,(电工学) 机械工业出版社,第1章 双极型半导体器件,1.1.1 本征半导体及其导电性 1. 本征半导体共价键结构 物质按其导电能力的强弱分类： 导体容易传导电流的材料称为导体。 绝缘体几乎不传导电流的材料称为绝缘体。 半导体导电能力介于导体和绝缘体之间的称为半导体。 本征半导体化学成分纯净的半导体。 由于绝大多数半导体的原子排列呈晶体结构，所以由半导体构成的管件也称晶体管。,1.1 半导体的基本知识,退出,2. 电子空穴对,自由电子: 当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自由电子。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原的束缚，而参与导电，成为自由电子。这一现象称为本征激发，也称热激发。,图1-1 本征激发和复合的过程,空穴: 自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。 电子空穴对: 因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合。 本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡.,3. 空穴的移动,图1-2 半导体中电子和空穴在外电 场作用下的移动方向和形成的电流,电子移动时是负电荷的移动，空穴移动时是正电荷的移动，电子和空穴都能运载电荷，所以他们都称为载流子。,1.1.2 杂质半导体,在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成 N型半导体,也称电子型半导体。,图1-3 N型半导体的结构示意图,掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。,1. N型半导体,2. P型半导体,在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成了P型半导体，也称为空穴型半导体。,N型半导体的特点： 自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子， 以自由电子导电为主。 P型半导体的特点： 空穴为多数载流子，自由电子是少数载流子，以空穴导电为主。,图1-4 P型半导体的结构示意图,半导体的特性： 光敏性和热敏性。 即半导体受到光照或热的辐射时，其电阻率会发生很大的变化，导电能力将有明显的改善，利用这一特性可制造光敏元件和热敏元件。 掺杂特性。 即在纯净的半导体中掺入微量的其他元素，半导体的导电能力将有明显的增加。,扩散运动,多子从浓度大向浓度小的区域运动。,漂移运动,少子向对方运动，漂移运动产生漂移电流。,动态平衡,扩散电流=漂移电流，PN结内总电流为0。,PN 结,稳定的空间电荷区，又称为高阻区、耗尽层，,PN结的接触电位,内电场的建立，使PN结中产生电位差。从而形成接触电位V 接触电位V决定于材料及掺杂浓度 锗： V=0.20.3V 硅： V=0.60.7V,1.1.3 PN结及单向导电性,退出,1 PN结,1.PN结加正向电压 P 区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏； 外电场方向与PN结内电场方向相反，削 弱了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍 减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移 电流，可忽略漂移电流的影响。 PN结呈现低电阻。 2. PN结加反向电压 P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏； 外电场与PN结内电场方向相同，增强内 电场。内电场对多子扩散运动阻碍增强， 扩散电流大大减小。少子在内电场的作用 下形成的漂移电流加大。 PN结呈现高电阻。,内,外,Sect,2 PN结的单向导电性,内,外,式中 Is 饱和电流; VT = kT/q 等效电压 k 波尔兹曼常数； T=300K（室温）时 VT= 26mV,3. PN结电流方程,由半导体物理可推出：, 当加反向电压时：, 当加正向电压时：,(vVT),Sect,4. PN结的反向击穿,反向击穿,PN结上反向电压达到某一数值，反向电流激增。, 雪崩击穿,当反向电压增高时，少子获得能量高速运动，在空间电荷区与原子发生碰撞，产生碰撞电离。形成连锁反应，象雪崩一样。使反向电流激增。, 齐纳击穿,当反向电压较大时，强电场直接从共价键中将电子拉出来，形成大量载流子,使反向电流激增。,击穿可逆。 掺杂浓度小的 二极管容易发生,击穿可逆。 掺杂浓度大的 二极管容易发生,不可逆击穿, 热击穿,PN结的电流或电压较大，使PN结耗散功率超过极限值，使结温升高，导致PN结过热而烧毁。,Sect,1.2.1 晶体二极管的结构类型,在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管,二极管按结构分,点接触型,面接触型,平面型,PN结面积小，结电容小， 用于检波和变频等高频电路,PN结面积大，用 于工频大电流整流电路,往往用于集成电路制造工艺中。 PN 结面积可大可小， 用于高频整流和开关电路中。,1.2 半导体二极管,退出,国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：,半导体二极管的型号图片,1.2.2 二极管的伏安特性,伏安特性: 是指二极管两端电压和流过二极管电流之间的关系。 由PN结电流方程求出理想的伏安特性曲线,1.当加正向电压时,PN结电流方程为：,2.当加反向电压时,I 随U，呈指数规率,I = - Is,基本不变,3.门限电压:正向起始部分存在一个死区或门坎。 硅：Ur=0.6-0.7v; 锗：Ur=0.2-0.3v 4.加反向电压时，反向电流很小,即 Is硅(nA)Is锗(A) 硅管比锗管稳定 5.反向击穿电压UB:当反压增大UB时再增加，反向激增，发生反向击穿，,1.2.3 半导体二极管的参数和模型,1.半导体二极管的参数: 最大整流电流IF、 反向击穿电压UBR、 最大反向工作电压URM、 反向电流IR、 最高工作频率fmax和结电容Cj。,2. 半导体二极管的温度特性,温度升高时，二极管的正向压降将减小，每增加1，正向压降VF(VD)大约小2mV，即具有负的温度系数。这些可以从图所示二极管的伏安特性曲线上看出。,温度对二极管的性能有较大的影响，温度升高时，反向电流将呈指数规律增加。,3. 二极管特性的折线近似及模型,(a) 开关模型 (b) 固定正向压降模型 (c) 折线化模型,二极管的低频模型: 开关模型主要用于低频大信号电路之中， 固定正向电压降模型，主要用于低频小信号电路， 折线化模型，既考虑正向压降，又考虑动态电阻rd。 二极管的高频模型: 将结电容与rd并联。, 晶体二极管的电阻,非线性电阻,直流电阻R,(也称静态电阻）,交流电阻r,（又称动态电阻或微变电阻）,一、直流电阻及求解方法,定义,二极管两端的直流电压UD与电流ID之比,ED/RL,ED,Q,1. 首先确定电路的静态工作点Q：,借助于图解法来求,由电路可列出方程：,UD=ED-IDRL,直流负载线,UD=0 ID=ED,2.,由Q得ID和UD，从而求出直流电阻R,ID=0 UD=ED/RL,直流负载线与伏安 特性曲线的交点,1.2.4 晶体二极管的电阻,二、交流电阻r,或,实质是特性曲线静态工作点处的斜率,交流电导： g=dI/dU=I/nUT 交流电阻：r=1/g= nUT/I 若n=1,室温下：UT=26mv 交流电阻：r=26mv/ ID(mA),晶体二极管的正向交流电阻可由PN结电流方程求出：,由此可得：,应用举例,例1.2.1:图(c), E=5V, Ui=10sinwt Ui5V，二极管D截止Uo=E Ui5V，二极管D导通Uo=Ui 例1.2.2:图(d) ,E1=E2= 5V, Ui=10s inwt Ui5V D1 D2止 Uo= Ui Ui5V D1通D2止 Uo= 5V -5VUi 5V D1D2止 Uo= Ui Ui -5V D1止D2通 Uo= -5V,a) 整流器b） 检波器 c) 整形器 d) 限幅器,1.3.1 稳压二极管,1. 稳压特性：,在反向击穿时，电流急剧增加而PN结两端的电压基本保持不变, 正向部分与普通二极管相同, 工作区在反向击穿区,特性参数：,1.3 各类二极管及其应用,退出,(1) 稳定电压 UZ (2) 动态电阻rZ (3) 最大耗散功率 PZM (4) 最大稳定工作电流IZmax 和最小稳定工作电流IZmin (5) 稳定电压温度系数,3. 在工作时应反接，并串入一只电阻。 电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管。 其次是当输入电压或负载电流变化时，通过 该电阻上电压降的变化， 取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。,2. 稳压二极管稳压电路的工作原理,1. 若输入电压UI 发生变化，负载电流不变， UI UO=UZ IZ IR IR R UO=UZ,2. 若负载电阻发生变化，即输出电流 IO 发生，输入电压不变， IO IR IR R UO=UZ IZ IR UO IR R ,1.3.2 半导体光电器件,1. 光电二极管, 定义：,有光照射时，将有电流产生的二极管, 类型：,PIN型、,PN型、,雪崩型, 结构：,和普通的二极管基本相同, 工作原理：,利用光电导效应工作，PN结工作在反偏态，当光照射在PN结上时，束缚电子获得光能变成自由电子，形成光生电子空穴对，在外电场的作用下形成光生电流,IP,注意：应在反压状态工作 UD= -IPRL,2. 发光二极管, 定义：,将电能转换成光能的特殊半导体器件，当管子加正向电压时，在正向电流激发下，管子发光，属电致发光, 常用驱动电路：,直流驱动电路,交流驱动电路,注：在交流驱动电路中，为了避免发光二极管发生反向击穿，通常要加入串联或并联的保护二极管,发光二极管只有在加正向电压时才发光, LED显示器,a,b,c,d,f,g,+5V,共阳极电路,共阴极电路,控制端为高电平 对应二极管发光,控制端为低电平 对应二极管发光,e,半导体三极管在英文中称为晶体管(Transister)，半导体三极管有两大类型: 双极型半导体三极管: 是有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，是一种电流控制型（CCCS）器件。 场效应半导体三极管: 仅有一种载流子参与导电，是一种电压控制型（VCCS） 器件。 晶体管BJT分类： 按频率分：高频管；低频管 按功率分：大功率管；中功率管；小功率管 按材料分：硅管；锗管 按结构分：NPN型; PNP型。,1.4 三极管(晶体管),Sect,由三层半导体组成，有三个区、三个极、两个结 2. 发射区掺杂浓度高、基区薄、集电结面积大,1.4.1 三极管BJT的结构,Sect,半导体二极管和三极管的封装种类繁多，半导体封装主要有玻璃或陶瓷封装、塑料封装、金属外壳封装等。玻璃或陶瓷封装主要用于小功率半导体二极管；塑料封装用于小功率和中大功率的二极管和三极管；金属封装用于各种功率等级的二极管和三极管。它们的外形见图1.4.14。目前中小功率二极管和三极管主要采用表面贴装元器件, 参见5.2.4节。,半导体二极管和三极管的封装,Sect,1. 三极管的三种组态,三极管有三个电极，其中两个可以作为输入, 两个可以作为输出，这必然有一个电极是公共电极。三种接法也称三种组态：,共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示;,共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。,共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；,=IC/IBVCE=C,=IC/IE VCB=C,1.4.2 三极管电流放大原理,2 三极管电流放大原理,1、基极电流小 IE = Ic + IB Ic,2、电流放大作用 交流放大系数 直流放大系数,晶体管特性的试验电路,NPN型晶体管共发射极电路,Sect,发射区向基区扩散空穴， 形成发射极电流 2. 空穴在基区扩散