第1章双极型半导体器件

,Chap,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,I,由空穴移动形成的电流,由电子移动形成的电流,自由电子移动方向,空穴移动方向,E,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,f,接触电位,V,决定于材料及掺杂浓度,锗：,V,f,=0.2,0.3V,硅：,V,f,=0.6,0.7V,1,.1.3,PN,结,及单向导电性,P,型半导体 空间电荷区,N,型半导体,内电场方向,PN,结,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,I,s,饱和电流,;,V,T,=,kT/q,等效电压,k,波尔兹曼常数；,T,=300K,（室温）时,V,T,=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：,(,v,V,T,),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=-I,s,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,I,s,硅,(nA)0,，,集电结已进入反偏状态，开始收集电子，且基区复合减少，,I,C,/,I,B,增 大，特性曲线将向右稍微移动一些。但,U,ce,再增加时，曲线右移很不明显。通常只画一条。,输入特性曲线分三个区,非线性区,死区,线性区,正常工作区，发射极正偏,NPN Si:U,be,=0.60.7V,PNP Ge:U,be,=-0.2-0.3V,Sect,I,B,=f(U,BE,),U,CE,=C,1.,输入特性曲线,1.4.3,、特性曲线,晶体管特性曲线是指晶体管各电极之间电压和电流的关系曲线。,C,E,B,I,C,=,f,(,U,ce,),I,b,=C,Sect,2.,输出特性曲线,1.,饱和区,:,(1),I,C,受,Uce,显著控制的区域，该区域内,Uce,的数值较小，一般,Uce,0.7V(,硅管,),。,(2),条件：,I,B,I,B,s,临界饱和点：,I,B,s=I,C,s/,Uces=0.3V,左右,晶体管,C,、,E,之间相当于,短路,发射结正偏，,集电结,正,偏,C,E,B,2.,截止区：,(1),条件：,发射结反偏，,集电结反偏。,NPN,：,U,be,0.5V,管子就处于截止态；,PNP:,U,be,0,V,(2),I,b,=0,、,I,c,=I,ceo,晶体管,C,、,E,之间相当于,开路,C,E,B,C,E,B,3.,放大区,(1),I,C,平行于,U,ce,轴的区域，曲线基本平行等距,(2),条件：,发射结正偏，,集电结反偏，,NPN,管,U,BE,0,U,BC,0,(3)I,c,=,I,b,即,I,c,主要受,I,b,的控制。,有电流放大作用,(4),Sect,例,1.4.1.,所有的二、三极管均为硅管，,用试分析图电路中各三极管的工作状态。,解,:,(1)VT,1:,基极与最下端的电位差是,1V-0.3V=0.7V,，,0.7V,打不开二个硅,PN,结。所以三极管截止。,(2)VT,2:,基极与最下端的电位差是,6V-0V=6V,，导通，设此时,U,BE,=0.7V,，发射极电流,所以，集电极电位,集电极电位不可能为负值，三极管,VT,2,已经饱和,设,U,CE,=0V,，于是集电极电流最大为,(3),对于,VT,3,基极与最下端的电位差是,5V-3.6V=1.4V,，,基极电流,所以发射结导通。但是该三极管的集电极接,+1.4V,，而发射极接,+3.6V,，发射极和集电极互相接反了，属于倒置工作状态。一般而言双极型三极管的发射极和集电极是不能互换使用的。,Sect,1.4.4,三极管,BJT,的参数,1.,电流放大系数,共射直,/,交流电流放大系数,=,i,c,/,i,b,共基直,/,交流电流放大系数,=,i,c,/,i,e,(1).,集电极基极间反向饱和电流,I,cbo,I,cbo,的下标,cb,代表集电极和基极，,O,是,Open,的字头，代表第三个电极,E,开,路。,(2).,集电极发射极间的穿透电流,I,ceo,相当基极开路时，集电极和发射极间的反向饱和电流,2.,直流参数,I,ceo,=,（,1+,）,I,cbo,I,CEO,C,B,E,A,A,I,CBO,C,E,B,I,CM,集电极最大允许电流,当集电极电流增加时，,就要下降，当,值,下降到线性放大区,值的,2/3,时所对应,的最大集电极电流,当,I,C,I,CM,时，三极管并不一定,会损坏。,P,CM,集电极最大允许功耗,集电极电流通过集电结时所产生的功耗，,P,CM,=I,C,V,CB,I,C,V,CE,，,因发射结正偏，呈低阻，所以功耗主要集中在集电结上。,Sect,反向击穿电压,表示三极管电极间承受反向电压的能力,V,(BR)CBO,V,(BR)CES,V,(BR)CER,V,(BR)CEO,过压区,过流区,安全工作区,过损区,P,CM,=,I,C,U,CE,U,(BR)CEO,I,C,/,mA,I,CM,O,3.,极限参数,双极型三极管的参数,参,数,型,号,P,C,M,mW,I,C,M,mA,VR,CBO,V,VR,CEO,V,VR,EBO,V,I,C,BO,A,f,T,MHz,3AX31D,125,125,20,12,6,*,8,3BX31C,125,125,40,24,6,*,8,3CG101C,100,30,45,0.1,100,3DG123C,500,50,40,30,0.35,3DD101D,5A,5A,300,250,4,2,mA,3DK100B,100,30,25,15,0.1,300,3DKG23,250,W,30A,400,325,8,注：*为,f,1.4.5.,复合晶体管,复合管就是把两只或多只三极管的电极通过适当连接，作为一个管子来使用。,复合管联接方法如下：,复合管的等效管型由第一只管的管型确定。,在组合成复合管时，管子的各极电流必须畅通,