第1章双极型半导体器件演示幻灯片

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1-3N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1-4P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Vf接触电位V决定于材料及掺杂浓度锗：Vf=0.20.3V硅：Vf=0.60.7V,1.1.3PN结及单向导电性,退出,1PN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,2PN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=0.2-0.3v4.加反向电压时，反向电流很小,即Is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，IC/IB增大，特性曲线将向右稍微移动一些。但Uce再增加时，曲线右移很不明显。通常只画一条。,非线性区,死区,线性区,正常工作区，发射极正偏NPNSi:Ube=0.60.7VPNPGe:Ube=-0.2-0.3V,Sect,IB=f(UBE)UCE=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。,IC=f(Uce)Ib=C,Sect,2.输出特性曲线,2.截止区：(1)条件：发射结反偏，集电结反偏。NPN：Ube0.5V,管子就处于截止态；PNP:Ube0V(2)Ib=0、Ic=Iceo晶体管C、E之间相当于开路,3.放大区(1)IC平行于Uce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UBE0,UBC0(3)Ic=Ib,即Ic主要受Ib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)VT1: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)VT2:基极与最下端的电位差是6V-0V=6V，导通，设此时UBE=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VT2已经饱和,设UCE=0V，于是集电极电流最大为,(3)对于VT3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,(1).集电极基极间反向饱和电流IcboIcbo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Iceo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,Iceo=（1+）Icbo,ICM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ICICM时，三极管并不一定会损坏。,PCM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，PCM=ICVCBICVCE，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