常用半导体器件基础知识、二极管、三极管

2021-5-241信息工程学院自动化系田建艳 2021-5-242 “电 子 技 术 基 础 ” 是 电 类 各 专 业 的 一 门 技 术基 础 课 。 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 来划 分 ， 分 为 ： 模 拟 电 子 技 术 （ Analog Electronics Technology)和 数 字 电 子 技 术（ Digital Electronics Technology） 。 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 。 2021-5-243 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 地掌 握 基 本 概 念 、 基 本 工 作 原 理 以 及 基 本 分 析方 法 。 总 的 要 求 是 ： 熟 练 掌 握 基 本 概 念 ， 在 定性 分 析 的 基 础 上 作 定 量 估 算 。 2021-5-244 电 子 技 术 基 础 包 括 ： 第 一 章 ： 常 用 半 导 体 器 件 第 二 章 ： 基 本 放 大 电 路 第 三 章 ： 多 级 放 大 电 路 第 四 章 ： 数 制 转 换 与 编 码 第 五 章 ： 逻 辑 门 与 逻 辑 代 数 基 础 第 六 章 ： 门 电 路第 一 章 第 三 章 20学 时 ， 第 四 章 第 六 章 20学 时 共 40学 时 18周 周 5学 时 第 8周 周 日 考 试 2021-5-245 2021-5-246 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 等优 点 。 半 导 体 具 有 导 电 性 、 热 敏 性 、 光 敏 性 、 掺 杂性 。 本 章 要 求 掌 握 常 用 半 导 体 器 件 的 结 构 、 工 作原 理 、 特 性 曲 线 和 主 要 参 数 。 2021-5-247 导 体 (conductor)： 自 然 界 中 很 容 易 导 电 的 物 质 称 为 导 体 ， 金 属一 般 都 是 导 体 。绝 缘 体 (insulator)： 有 的 物 质 几 乎 不 导 电 ， 称 为 绝 缘 体 ， 如 橡皮 、 陶 瓷 、 塑 料 和 石 英 。半 导 体 (semiconductor)： 另 有 一 类 物 质 的 导 电 特 性 处 于 导 体和 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 。Semiconductors are a special class of elements having a conductivity between that of a good conductor and that of an insulator. 2021-5-248 1、 半 导 体 （ semiconductor） 硅 silicon 、 锗 germanium ； 导 电 能 力 介 于 导 体 和 绝 缘 体之 间 、 光 敏 性 、 热 敏 性 、 掺 杂 性2、 本 征 半 导 体 （ intrinsic semiconductor） 纯 净 的 、 结 构 完 整 的 单 晶 体 ， 如 图 所 示 。 2021-5-249 1.1.2 本 征 半 导 体Ge Si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 。 2021-5-2410 共 价 键covalent bond束 缚 电 子bonded electron 2021-5-2411 本 征 半 导 体 的 导 电 机 理在 绝 对 温 度 T=0K和 没 有 外 界 激 发 时 ,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（ 即 载 流 子 carrier） ， 它 的 导 电 能 力 为 0， 相 当 于 绝 缘体 。 在 常 温 下 T=300K ， 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 ， 同时 共 价 键 上 留 下 一 个 空 位 ， 称 为 空 穴 。载 流 子 : 自 由 电 子 和 空 穴 2021-5-2412 本 征 半 导 体 ： *本 征 激 发 :T=0K 300K， 热 激 发 free electronhole 2021-5-2413+4 +4+4 +4 在 其 它 力 的 作 用 下 ， 空穴 吸 引 附 近 的 电 子 来 填补 ， 这 样 的 结 果 相 当 于空 穴 的 迁 移 ， 而 空 穴 的迁 移 相 当 于 正 电 荷 的 移动 ， 因 此 可 以 认 为 空 穴是 载 流 子 。本 征 半 导 体 中 存 在 数 量 相 等 的 两 种 载 流 子 ， 即 自 由 电 子和 空 穴 。本 征 半 导 体 中 电 流 ： 自 由 电 子 移 动 产 生 的 电 流 和 空 穴 移 动 产 生 的 电 流 。 2021-5-2414 小 结 本 征 半 导 体 ： （ 1） 两 种 载 流 子 （ carrier: 自 由 运 动 的 带 电 粒 子 ） ： 自 由 电 子 free electrons（ 负 电 Negative） 、 空 穴 holes（ 正 电 Positive ） 、 数 目 相 等 ； （ 2） 载 流 子 的 运 动 ： 扩 散 （ diffusion） 运 动 、 漂 移 （ drift ） 运 动 （ 3） 自 由 电 子 和 空 穴 均 参 与 导 电 导 电 特 殊 性 本 征 半 导 体 的 导 电 能 力 差（ 4） 载 流 子 的 浓 度 指 数 规 律 于 温 度 ， 故 其 温 度 稳 定 性 差 ，但 可 制 作 热 敏 器 件 。 2021-5-2415 3、 杂 质 （ extrinsic） 半 导 体 A semiconductor material that has been subjected to the doping process is called an extrinsic semiconductor. *根 据 掺 入 (doping )杂 质 元 素 不 同 ， 分 为 ： N 型 (N type)半 导 体 、 P 型 (P type )半 导 体 2021-5-2416 多 子 ： 电 子少 子 ： 空 穴多 子 ： 电 子majority少 子 ： 空 穴minorityDonor impurities杂 质 2021-5-2417 多 子 ： 空 穴少 子 ： 电 子Acceptorimpurities杂 质 2021-5-2418 P 型 半 导 体 + + + + + +N 型 半 导 体 2021-5-2419 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 可 移 动 的总 结 ： （ 1） 多 子 、 少 子 ： （ 2） 电 中 性 ： （ 3） 多 子 和 少 子 的 浓 度 ： 2021-5-2420 4、 PN结 （ junction） （ 1） 形 成 采 用 不 同 的 掺 杂 工 艺 ， 将 P型 半 导 体 与 N型 半 导 体 制作 在 同 一 块 硅 片 上 ， 在 它 们 的 交 界 面 就 形 成 PN结 。 2021-5-2421 名 称 ：*PN结*空 间 电 荷 区*耗 尽 层*阻 挡 层*势 垒 区 2021-5-2422 PN结 的 单 向 导 电 性 （ 1） 外 加 正 向 电 压 （ 正 向 偏 置 、 正 偏 ） 导 通 （ 2） 外 加 反 向 电 压 （ 反 向 偏 置 、 反 偏 ） 截 止P 区 加 正 、 N 区 加 负 电 压 。P区 加 负 、 N 区 加 正 电 压 。 2021-5-2423 2021-5-2424 2021-5-2425 PN结 的 伏 安 特 性 PN结 的 电 流 方 程 ： (1) 正 向 特 性 、(2) 反 向 特 性 、(3) 反 向 击 穿 )1e( TS UuIiT=300K时 ， UT约 为 26mV 2021-5-2426 (1) 正 向 特 性(2) 反 向 特 性(3) 反 向 击 穿 齐 纳 击 穿 （ 高 掺 杂 ）雪 崩 击 穿 （ 高 反 压 ） 2021-5-2427 PN结 的 电 容 效 应 ： P16 （ 1） 势 垒 电 容 Cb： 等 效 电 容 随 反 向 电 压 变化 变 容 二 极 管（ 2） 扩 散 电 容 Cd ： 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 。 PN结 的 结 电 容 Cj 高 频 考 虑PN结高频小信号时的等效电路：势垒电容和扩散电容的综合效应rd 2021-5-2428 * PN结 （ PN junction） 的 形 成（ 多 子 扩 散 与 少 子 漂 移 达 到 动 态 平 衡 ； 名 称 ： PN结 、 空 间 电 荷 区 、 耗 尽 层 、 阻 挡 层 、 势 垒 区 ）* PN结 的 单 向 导 电 性（ 正 偏 低 阻 导 通 、 反 偏 高 阻 截 止 ） 2021-5-2429 2021-5-2430 2021-5-2431 (1) 正 向 导 通 、(2) 反 向 截 止 、(3) 反 向 击 穿开 启 电 压 Uon :死 区 电 压 硅 管0.5V,锗 管 0.1V导 通 电 压 U : 硅 管 0.60.8V,锗 管0.10.3VP19表 1.2.1温 度 对 二 极 管 伏 安 特 性 的 影 响 : 温 度 每 升 高 1 ， 正 向 压 降 减 小 22.5mV 温 度 每 升 高 10 ， 反 向 电 流 约 增 大 一 倍 2021-5-2432 * 主 要 参 数 ： IF、 UR、 IR、 fM (P20) 2021-5-2433 * 应 用 ： 限 幅 、 整 流 、 门 电 路例 1: P68例 2: 补 充 （ 见 下 页 ）例 3: P69 R Uo2V D UD=0.7V 2021-5-2434R Uo6V D112VD2 2021-5-2435 Rui uoVRD正 弦 波 的 峰 值 Vim大 于 VRui tVR uo 2021-5-2436 (1) 输 出 电 压 波 形 ：u1 u2aT b D RL uoiL 2021-5-2437桥式整流电路 +- u2正半周时电流通路u1 u2T D4 D2D1D3 RLuo 2021-5-2438桥式整流电路 -+ u0u1 u2T D4 D2D1D3 RLu2负半周时电流通路 2021-5-2439 u20 时D1,D3导 通D2,D4截 止电 流 通 路 :A D1RLD3B u2UbUelPNP: UcUbUe放 大 时 各 电 极 的 电 位 关 系 ： 2021-5-2457 （ 1） 发 射 区 向 基 区 注 入 电 子 （ 2） 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 2021-5-2458基区空穴向发射区的扩散可忽略IEP 。发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IEN。 进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBN ，多数扩散到集电结。集 电 结 反 偏 ， 有 少 子 形 成 的 反向 电 流 ICBO。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 ICN。 2021-5-2459 l外 部 电 流 关 系 ：l IE= IC +IB 2021-5-2460 l 为 了 反 映 扩 散 到 集 电 区 的 电 流 ICN与 基 区 复 合电 流 IBN之 间 的 比 例 关 系 ， 定 义 共 发 射 极 直 流 电 流 放大 系 数 为 CBOB CBOCBNCN II IIII 其 含 义 是 ： 基 区 每 复 合 一 个 电 子 ， 则 有 电 子扩 散 到 集 电 区 去 。 值 一 般 在 20200之 间 。 2021-5-2461 确 定 了 值 之 后 ， 可 得 CEB CEOBCBOBE CEOBCBOBC III IIIII IIIII )1()1()1( )1( 式 中 ： CBOCEO II )1( 称 为 穿 透 电 流 。 因 ICBO很 小 ， 在 忽 略 其 影 响 时 ， 则 有BE BC II II )1( 2021-5-2462 l 为 了 反 映 扩 散 到 集 电 区 的 电 流 ICN与 射 极 注 入 电 流 IEN的 比 例 关 系 ， 定 义 共 基 极 直 流 电 流 放 大 系 数 为 ： E CBOCENCN I IIII 显 然 ， IC，UCE0.3V称为饱和区。2、 饱 和 区 2021-5-2471 iC(mA )1234 uCE(V)3 6 9 12 IB=020A40A60A80A100A此区域中 : IB=0,IC=ICEO,UBEIC， UCE0.3V (3) 截 止 区 ： UBE 死 区 电 压 ， IB=0 ， IC=ICEO 0 2021-5-2473 例 ： =50， UCC =12V， RB =70k， RC =6k 当 UBB = -2V， 2V， 5V时 ，晶 体 管 的 静 态 工 作 点 Q位于 哪 个 区 ？当 UBB = -2V时 ： ICUCEIB UCCRBUBB CB E RCUBEIB=0 ， IC=0Q位 于 截 止 区 2021-5-2474IC ICmax (=2mA) ， Q位 于 放 大 区 。 IC UCEIB UCCRBUBB CB E RCUBEUBB =2V时 ： 9mA01.070 7.02R UUI B BEBBB 0.95mA9mA01050 .II BC IC最 大 饱 和 电 流 ： mA2612RUI CCCmaxC 2021-5-2475 UBB =5V时 :Q 位 于 饱 和 区 ， 此 时 IC 和 IB 已 不 是 倍 的 关 系 。mA061.070 7.05R UUI B BEBBB CmaxB 5mA0.3mA061.050 II mA2 Cmax I 2021-5-2476 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 ：BCII_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 ： BIIC 1. 电 流 放 大 倍 数 和 _ 2021-5-2477 例 ： UCE=6V时：IB = 40 A, IC =1.5 mA； IB = 60 A, IC =2.3 mA。5.3704.0 5.1_ BCII 4004.006.0 5.13.2 BCII在 以 后 的 计 算 中 ， 一 般 作 近 似 处 理 ： = 2021-5-2478 l共 基 极 直 流 电 流 放 大 系 数 和 交 流 电 流 放 大 系 数 l由 于 ICBO、 ICEO都 很 小 ， 在 数 值 上 , 。 所 以 在 以 后的 计 算 中 ， 不 再 加 以 区 分 。 l 值 与 测 量 条 件 有 关 。 一 般 来 说 ， 在 iC很 大 或 很 小 时 ，值 较 小 。 只 有 在 iC不 大 、 不 小 的 中 间 值 范 围 内 ， 值 才 比较 大 ， 且 基 本 不 随 iC而 变 化 。 因 此 ， 在 查 手 册 时 应 注 意 值的 测 试 条 件 。 尤 其 是 大 功 率 管 更 应 强 调 这 一 点 。 常 数 CBuECII 2021-5-2479 2.发 射 极 开 路 时 集 电 结 的 反 向 饱 和 电 流 ICBOAICBO ICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流，受温度的变化影响。 2021-5-2480 ICEO= (1+ )ICBO 3. 基 极 开 路 时 集 -射 极 间 的 穿 透 电 流 ICEOICEO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 。选 管 子 时 ， ICBO、 ICEO应 尽 量 小 。 硅 管 的 温 度 稳 定 性 比 锗 管 好 。 2021-5-2481 4. 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 ， 使 值 明 显 减 小 时 的集 电 极 电 流 即 为 ICM。5. 极 间 反 向 击 穿 电 压U(BR)CBO指 发 射 极 开 路 时 ， 集 电 极 基 极 间 的 反 向 击 穿 电 压 。 U (BR)CEO指 基 极 开 路 时 ， 集 电 极 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 25C、 基 极 开 路 时 的 击 穿电 压 U(BR)CEO。 U(BR)EBO指 集 电 极 开 路 时 ， 发 射 极 基 极 间 的 反 向 击 穿 电 压 。 普 通 晶 体管 该 电 压 值 比 较 小 ， 只 有 几 伏 。 2021-5-2482 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 ：PCM =iC uCE 必 定 导 致 结 温 上 升 ， 所 以 PC 有 限 制 。PCPCM iC uCEiC uCE=PCMICM U(BR)CEO安 全 工 作 区 2021-5-2483 2021-5-2484 l 温 度 对 晶 体 管 的 参 数 都 有 影 响 。 其 中 ：l uBE ： 温 度 每 升 高 1 ， uBE减 小 22.5mV； l ICBO温 度 每 升 高 10 ， ICBO增 大 一 倍 ；l 随 温 度 的 升 高 而 增 大 。l温 度 升 高 时 ， 导 致 集 电 极 电 流 增 大 2021-5-2485 温 度 升 高 ， uBE减 小 2021-5-2486P37 例 1.3.1 1.3.2l温 度 升 高 ， ICBO增 大 ； 随 增 大 。 2021-5-2487图 1.3.10 光 电 三 极 管 的 等 效 电 路 、 符 号 和 外 形 2021-5-2488光 电 三 极 管 的 输 出 特 性 曲 线 入 射 光 强 E代 替 IB 2021-5-2489