第1章常用半导体器件(基础知识、二极管、三极管)课件.ppt

1、电子技术基础电子技术基础Fundamentals of Electronic Technique 信息工程学院自动化系信息工程学院自动化系 田建艳田建艳2022-10-19 “电子技术基础电子技术基础”是电类各专业的一门是电类各专业的一门技术技术基础课基础课。它是研究各种半导体器件的性能、电。它是研究各种半导体器件的性能、电路及其应用的学科。根据学科内容大的方面来路及其应用的学科。根据学科内容大的方面来划分，分为：划分，分为：模拟电子技术模拟电子技术（Analog Electronics Technology)和和数字电子技术数字电子技术（Digital Electronics Technol

2、ogy）。）。根据自动化系的课程安排，将电子技术分根据自动化系的课程安排，将电子技术分为：基础、模电和数电三门课。为：基础、模电和数电三门课。2022-10-19 电子技术是一门实践性和应用性都很强电子技术是一门实践性和应用性都很强的技术基础课。要求学生在学习时要很好地的技术基础课。要求学生在学习时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。总的要求是：熟练掌握基本概念，在总的要求是：熟练掌握基本概念，在定定性性分析的基础上作分析的基础上作定量估算。定量估算。2022-10-19电子技术基础包括：电子技术基础包括：第一章：常用半导体器件第一章：

3、常用半导体器件 第二章：基本放大电路第二章：基本放大电路 第三章：多级放大电路第三章：多级放大电路 第四章：数制转换与编码第四章：数制转换与编码 第五章：逻辑门与逻辑代数基础第五章：逻辑门与逻辑代数基础 第六章：门电路第六章：门电路第一章第一章第三章第三章20学时，第四章学时，第四章第六章第六章20学时学时 共共40学时学时 18周周 周周5学时学时 第第8周周日考试周周日考试2022-10-192022-10-19 半导体器件是构成电子电路的基本元件。半导体器件是构成电子电路的基本元件。具有体积小、重量轻、使用寿命长、功耗小等具有体积小、重量轻、使用寿命长、功耗小等优点。优点。半导体具有半导

4、体具有导电性导电性、热敏性热敏性、光敏性光敏性、掺杂掺杂性性。本章要求掌握常用半导体器件的本章要求掌握常用半导体器件的结构结构、工作工作原理原理、特性曲线特性曲线和和主要参数主要参数。2022-10-19导体导体(conductor)：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。一般都是导体。绝缘体绝缘体(insulator)：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。皮、陶瓷、塑料和石英。半导体半导体(semiconductor)：另有一类物质的导电特性处于导体另有一类物质的导电特性处于导体和绝

5、缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、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 that of an insulator.2022-10-191、半导体半导体（semiconductor）硅硅silicon、锗、锗germanium；导电能力介于导体和绝缘体；导电能力介于导体和绝缘体之间、光敏性、热敏性、掺杂性之间、光敏性、热敏性、掺杂性

6、2、本征半导体本征半导体（intrinsic semiconductor）纯净的、结构完整的单晶体，如图所示。纯净的、结构完整的单晶体，如图所示。2022-10-191.1.2 本征半导体本征半导体GeSi通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。硅和锗的最外层电子（价电子）都是四个。硅和锗的最外层电子（价电子）都是四个。2022-10-19共价键共价键covalent bond束缚电子束缚电子bonded electron2022-10-19本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理在绝对在绝对温度温度T=0K和没有外界激发时和没有外界激发时,价电子完

7、全被价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即（即载流子载流子carrier），它的导电能力为），它的导电能力为 0，相当于绝缘，相当于绝缘体。体。在常温下在常温下T=300K，由于热激发，使一些价电子获，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为时共价键上留下一个空位，称为空穴空穴。载流子载流子:自由电子和空穴自由电子和空穴2022-10-19本征半导体：本征半导体：*本征激发本征激发:T=0K 300K，热激发，热

8、激发 free electronhole2022-10-19+4+4+4+4在其它力的作用下，空在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来穴吸引附近的电子来填填补补，这样的结果相当于，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴动，因此可以认为空穴是载流子。是载流子。本征半导体中存在数量相等的本征半导体中存在数量相等的两种载流子两种载流子，即自由电子，即自由电子和空穴。和空穴。本征半导体中电流：本征半导体中电流：自由电子移动产生的电流和空穴移自由电子移动产生的电流和空穴移 动产生的电流。动产生的电流。2022-10-19小结本

9、征半导体小结本征半导体：（1）两种）两种载流子载流子（carrier:自由运动的带电粒子自由运动的带电粒子）：自由电子自由电子free electrons（负电（负电Negative）、）、空穴空穴holes（正电（正电Positive）、）、数目相等；数目相等；（2）载流子的运动：载流子的运动：扩散（扩散（diffusion）运动、）运动、漂移（漂移（drift）运动）运动（3）自由电子和空穴均参与导电）自由电子和空穴均参与导电导电特殊性导电特殊性 本征半导体本征半导体的导电能力差的导电能力差（4）载流子的浓度载流子的浓度指数规律于温度，故其温度稳指数规律于温度，故其温度稳 定性差，定性差，

10、但可制作热敏器件。但可制作热敏器件。2022-10-193、杂质杂质（extrinsic）半导体）半导体 A semiconductor material that has been subjected to the doping process is called an extrinsic semiconductor.*根据掺入根据掺入(doping)杂质元素不同，分为：杂质元素不同，分为：N 型型(N type)半导体、半导体、P 型型(P type)半导体半导体 2022-10-19多子：电子少子：空穴少子：空穴多子：电子多子：电子majority少子：空穴少子：空穴minorityDo

11、nor impurities杂质杂质2022-10-19多子：空穴少子：电子少子：电子Acceptorimpurities杂质杂质2022-10-19P 型半导体型半导体+N 型半导体型半导体2022-10-19 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).占优势、多余的简单地说又称或者

12、可移动的总结：总结：（1）多子、少子：）多子、少子：（2）电中性：）电中性：（3）多子和少子的浓度：）多子和少子的浓度：2022-10-194、PN结（结（junction）（1）形成）形成 采用不同的掺杂工艺，将采用不同的掺杂工艺，将P型半导体与型半导体与N型半导体制型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交界面就形成作在同一块硅片上，在它们的交界面就形成PN结结。2022-10-19名称：名称：*PN结结*空间电荷区空间电荷区*耗尽层耗尽层*阻挡层阻挡层*势垒区势垒区2022-10-19PN结的单向导电性结的单向导电性 （1）外加正向电压（）外加正向电压（正向偏置、正向偏置、正偏）正偏）导通导

13、通 （2）外加反向电压（）外加反向电压（反向偏置、反向偏置、反偏）反偏）截止截止P 区加正、区加正、N 区加负电压。区加负电压。P区加负、区加负、N 区加正电压。区加正电压。2022-10-192022-10-192022-10-19PN结的伏安特性结的伏安特性 PN结的电流方程：结的电流方程：(1)正向特性、正向特性、(2)反向特性、反向特性、(3)反向击穿反向击穿)1e(TSUuIiT=300K时，时，UT约为约为26mV 2022-10-19(1)正向特性正向特性(2)反向特性反向特性(3)反向击穿反向击穿齐纳击穿（高掺杂）齐纳击穿（高掺杂）雪崩击穿（高反压）雪崩击穿（高反压）2022-

14、10-19PN结的电容效应：结的电容效应：P16 （1）势垒电容）势垒电容Cb：等效电容随反向电压变等效电容随反向电压变化化变容二极管变容二极管（2）扩散电容）扩散电容Cd：扩散区内，电荷的积累和扩散区内，电荷的积累和释放过程与电容器充放电过程相同。释放过程与电容器充放电过程相同。PN结的结电容结的结电容Cj 高频考虑高频考虑PN结高频小信号时的等效电路：结高频小信号时的等效电路：势垒电容和扩散电容势垒电容和扩散电容的综合效应的综合效应rd2022-10-19*PN结（结（PN junction）的形成）的形成（多子扩散与少子漂移达到动态平衡；（多子扩散与少子漂移达到动态平衡；名称：名称：PN

15、结、空间电荷区、耗尽层、阻结、空间电荷区、耗尽层、阻 挡层、势垒区）挡层、势垒区）*PN结的单向导电性结的单向导电性（正偏低阻导通、反偏高阻截止）（正偏低阻导通、反偏高阻截止）2022-10-192022-10-192022-10-19(1)正向导通、正向导通、(2)反向截止、反向截止、(3)反向击穿反向击穿开启电压开启电压Uon:死区电压死区电压 硅管硅管0.5V,锗管锗管0.1V导通电压导通电压U:硅管硅管0.60.8V,锗锗管管0.10.3VP19表表1.2.1温度对二极管伏安特性的影响温度对二极管伏安特性的影响:温度每升高温度每升高1，正向压降减小，正向压降减小22.5mV 温度每升高

16、温度每升高10，反向电流约增大一倍，反向电流约增大一倍2022-10-19*主要参数：主要参数：IF、UR、IR、fM (P20)2022-10-19*应用应用：限幅、整流、门电路限幅、整流、门电路例例1:P68例例2:补充（见下页）补充（见下页）例例3:P69RUo2VDUD=0.7V2022-10-19RUo6VD112VD22022-10-19RuiuoVRD正弦波的峰值正弦波的峰值Vim大于大于VRuitVRuo2022-10-19(1)输出电压波形：输出电压波形：u1u2aTbDRLuoiL2022-10-19桥式整流电路桥式整流电路u2正半周时电正半周时电流通路流通路u1u2TD4

17、D2D1D3RLuo2022-10-19桥式整流电路桥式整流电路u0u1u2TD4D2D1D3RLu2负半周时电负半周时电流通路流通路2022-10-19u20 时时D1,D3导通导通D2,D4截止截止电流通路电流通路:A D1RLD3Bu2UbUelPNP:UcUbUe放大时各电极的电位关系：放大时各电极的电位关系：2022-10-19（1）发射区向基区注入电子）发射区向基区注入电子 （2）电子在基区中边扩散边复合）电子在基区中边扩散边复合（3）扩散到集电结的电子被集电区收集）扩散到集电结的电子被集电区收集 2022-10-19基区空穴向发基区空穴向发射区的扩散可射区的扩散可忽略忽略IEP。

18、发射结正偏，发发射结正偏，发射区电子不断向射区电子不断向基区扩散，形成基区扩散，形成发射极电流发射极电流IEN。进入进入P区的电子少部区的电子少部分与基区的空穴复合，分与基区的空穴复合，形成电流形成电流IBN ，多数，多数扩散到集电结。扩散到集电结。集电结反偏，有少子形成的反集电结反偏，有少子形成的反向电流向电流ICBO。从基区扩散来的从基区扩散来的电子作为集电结电子作为集电结的少子，漂移进的少子，漂移进入集电结而被收入集电结而被收集，形成集，形成ICN。2022-10-19l外部电流关系：外部电流关系：l IE=IC+IB2022-10-19l 为了反映扩散到集电区的电流为了反映扩散到集电区

19、的电流ICN与基区复合电与基区复合电流流IBN之间的比例关系，定义共发射极直流电流放大之间的比例关系，定义共发射极直流电流放大系数为系数为 CBOBCBOCBNCNIIIIII其含义是：基区每复合一个电子，则有其含义是：基区每复合一个电子，则有 电子电子扩散到集电区去。扩散到集电区去。值一般在值一般在20200之间。之间。2022-10-19确定了确定了 值之后，可得值之后，可得CEBCEOBCBOBECEOBCBOBCIIIIIIIIIIIII)1()1()1()1(式中：式中：CBOCEOII)1(称为穿透电流。因称为穿透电流。因ICBO很小，在忽略其影响时，则有很小，在忽略其影响时，则有

20、BEBCIIII)1(2022-10-19l 为了反映扩散到集电区的电流为了反映扩散到集电区的电流ICN与射极注入电流与射极注入电流IEN的的比例关系，定义共基极直流电流放大系数比例关系，定义共基极直流电流放大系数 为：为：ECBOCENCNIIIII显然，显然，IC，UCE 0.3V称为饱和区。称为饱和区。2、饱和区、饱和区2022-10-19iC(mA )1234uCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域中此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBEIC，UCE 0.3V(3)截止区：截止区：UBE 死区电压，死区电压，IB=0，IC=ICEO 0 202

21、2-10-19例：例：=50，UCC=12V，RB=70k，RC=6k 当当UBB=-2V，2V，5V时，时，晶体管的静态工作点晶体管的静态工作点Q位位于哪个区？于哪个区？当当UBB=-2V时：时：ICUCEIBUCCRBUBBCBERCUBEIB=0，IC=0Q位于截止区位于截止区 2022-10-19IC ICmax(=2mA)，Q位于放大区位于放大区。ICUCEIBUCCRBUBBCBERCUBEUBB=2V时：时：9mA01.0707.02RUUIBBEBBB0.95mA9mA01050.IIBCIC最大饱和电流：最大饱和电流：mA2612RUICCCmaxC2022-10-19UBB

22、=5V时时:Q 位于饱和区，此时位于饱和区，此时IC 和和IB 已不是已不是 倍的关系。倍的关系。mA061.0707.05RUUIBBEBBBCmaxB5mA0.3mA061.050IImA2CmaxI2022-10-19前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的公共点，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。称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。共射共射直流电流放大倍数直流电流放大倍数：BCII_工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的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交流信号。基极电流的变化量为

23、 IB，相应的集电极电相应的集电极电流变化为流变化为 IC，则则交流电流放大倍数交流电流放大倍数为：为：BIIC1.电流放大倍数电流放大倍数和和 _2022-10-19例：例：UCE=6V时时：IB=40 A,IC=1.5 mA；IB=60 A,IC=2.3 mA。5.3704.05.1_BCII4004.006.05.13.2BCII在以后的计算中，一般作近似处理：在以后的计算中，一般作近似处理：=2022-10-19l共基极直流电流放大系数共基极直流电流放大系数 和交流电流放大系数和交流电流放大系数 l由于由于ICBO、ICEO都很小，在数值上都很小，在数值上 ,。所以在以后。所以在以后的

24、计算中，不再加以区分。的计算中，不再加以区分。l 值与测量条件有关。一般来说，在值与测量条件有关。一般来说，在iC很大或很小时，很大或很小时，值较小。只有在值较小。只有在iC不大、不小的中间值范围内，不大、不小的中间值范围内，值才比较值才比较大，且基本不随大，且基本不随iC而变化。因此，在查手册时应注意而变化。因此，在查手册时应注意值的值的测试条件。尤其是大功率管更应强调这一点。测试条件。尤其是大功率管更应强调这一点。常数CBuECII2022-10-192.发射极开路时发射极开路时集电结的反向饱和电流集电结的反向饱和电流ICBO AICBOICBO是集电是集电结反偏由少结反偏由少子的漂移形子

25、的漂移形成的反向电成的反向电流，受温度流，受温度的变化影响。的变化影响。2022-10-19ICEO=(1+)ICBO 3.基极开路时基极开路时集集-射极间的穿透电流射极间的穿透电流ICEOICEO受温度影响很大，受温度影响很大，当温度上升时，当温度上升时，ICEO增加很增加很快，所以快，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。也相应增加。三极管的温度特性较差。选管子时，选管子时，ICBO、ICEO应尽量小。应尽量小。硅管的温度稳定性比锗管好。硅管的温度稳定性比锗管好。2022-10-194.集电极最大电流集电极最大电流ICM集电极电流集电极电流IC上升会导致三极管的上升会导致三极管的 值的

26、下降，使值的下降，使 值明显减小时的值明显减小时的集电极电流即为集电极电流即为ICM。5.极间反向击穿电压极间反向击穿电压U(BR)CBO指发射极开路时，集电极指发射极开路时，集电极基极间的反向击穿电压。基极间的反向击穿电压。U(BR)CEO指基极开路时，集电极指基极开路时，集电极发射极间的反向击穿电压。发射极间的反向击穿电压。U(BR)CEOU(BR)CBO。手册上给出的数值是。手册上给出的数值是25 C、基极开路时的击穿基极开路时的击穿电压电压U(BR)CEO。U(BR)EBO指集电极开路时，发射极指集电极开路时，发射极基极间的反向击穿电压。普通晶体基极间的反向击穿电压。普通晶体管该电压值

27、比较小，只有几伏管该电压值比较小，只有几伏。2022-10-196.集电极最大允许功耗集电极最大允许功耗PCM 集电极电流集电极电流IC 流过三极管，流过三极管，所发出的焦耳所发出的焦耳 热为：热为：PCM=iC uCE 必定导致结温必定导致结温 上升，所以上升，所以PC 有限制。有限制。PC PCMiCuCEiC uCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作区安全工作区2022-10-192022-10-19l温度对晶体管的参数都有影响。其中：温度对晶体管的参数都有影响。其中：l uBE：温度每升高：温度每升高1，uBE减小减小22.5mV；l ICBO温度每升高温度每升高10，ICBO增大一倍；增大一倍；l 随温度的升高而增大。随温度的升高而增大。l温度升高时，导致集电极电流增大温度升高时，导致集电极电流增大2022-10-19 温度升高，温度升高，uBE减小减小 2022-10-19P37 例例1.3.1 1.3.2l温度升高，温度升高，ICBO增大；增大；随增大。随增大。2022-10-19图图1.3.10 光电三极管的等效电路、符号和外形光电三极管的等效电路、符号和外形2022-10-19光电三极管的输出特性曲线光电三极管的输出特性曲线入射光强入射光强E代替代替IB2022-10-192022-10-19