第10章半导体器件.

1、下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录电电 子子 技技 术术 基基 础础模拟部分模拟部分1014章章数字部分数字部分1516章章模数转换第模数转换第17章章电路仿真第电路仿真第18章章下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录10.1 半导体的基础知识半导体的基础知识10.1.1 本征半导体 导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。1 1、什么是半导

2、体？什么是本征半导体？、什么是半导体？什么是本征半导体？ 导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。 绝缘体惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原绝缘体惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。电。 半导体硅（半导体硅（Si）、锗（）、锗（Ge），均为四价元素，它们原），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。子的最

3、外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。无杂质无杂质稳定的结构稳定的结构下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录由于热运动，具有足够能量由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子而成为自由电子自由电子的产生使共价键中自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴留有一个空位置，称为空穴 自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。共价键共价键 一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对热运动加

4、剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。的浓度加大。动态平衡动态平衡下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录两种载流子两种载流子 外加电场时，带负电的自由电外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于载流子数且运动方向相反。由于载流子数目很少，故导电性很差。目很少，故导电性很差。为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？3、本征半导体中的两种载流子运载电荷的粒子称为载流子。运载电荷的粒子称为载流子。 温度升高，热运动加剧，载温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。流子浓度增大，导电性增强。 热力学温

5、度热力学温度0K时不导电。时不导电。下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录5磷（磷（P） 杂质半导体主要靠多数载流杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。导电性可控。多数载流子多数载流子 空穴比未加杂质时的数目多空穴比未加杂质时的数目多了？少了？为什么？了？少了？为什么？ 1. N N型半导体：掺入+5价元素，如磷P下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录3硼（硼（B）多数载流子多数载流子 P型半导体主要靠空穴导电，型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，掺

6、入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强，导电性越强， 在杂质半导体中，温度变化时，在杂质半导体中，温度变化时，载流子的数目变化吗？少子与多载流子的数目变化吗？少子与多子变化的数目相同吗？少子与多子变化的数目相同吗？少子与多子浓度的变化相同吗？子浓度的变化相同吗？下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录PN结的形成结的形成多子的扩散运动多子的扩散运动内电场内电场少子的漂移运动少子的漂移运动浓度差浓度差 扩散的结果使扩散的结果使空间电荷区变宽。空间电荷区变宽。空间电荷区也称空间电荷区也称 PN 结结 +形成空间电荷区形成空间电荷区下一页

7、下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录PN 结变窄结变窄 P接正、接正、N接负接负 外电场外电场IF内电场内电场PN+下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录 内电场被加内电场被加强，少子的漂强，少子的漂移加强，由于移加强，由于少子数量很少，少子数量很少，形成很小的反形成很小的反向电流。向电流。IR+下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录将将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。结封装，引出两个电极，就构成了二极管。小功率小功率二极管二极管大功率大功率二极管二极管稳压稳压二极管二极管发光发光二极管二极管下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录点

8、接触型：结面积小，点接触型：结面积小，结电容小，故结允许结电容小，故结允许的电流小，最高工作的电流小，最高工作频率高。频率高。面接触型：结面积大，面接触型：结面积大，结电容大，故结允许结电容大，故结允许的电流大，最高工作的电流大，最高工作频率低。频率低。平面型：结面积可小、平面型：结面积可小、可大，小的工作频率可大，小的工作频率高，大的结允许的电高，大的结允许的电流大。流大。下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录反向击穿反向击穿电压电压U(BR)反向特性反向特性UIPN+PN+下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录

9、下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录定性分析：定性分析：判断二极管的工作状态判断二极管的工作状态导通导通截止截止 若二极管是理想的，若二极管是理想的，下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录二极管的应用举例二极管的应用举例1：tttuiuRuoRRLuiuRuo下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录例例2：D6V12V3k BAUAB+下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录例例3:mA43122D IBD16V12V3k AD2UAB+下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录V sin18itu t 下一页下一页返回返回上一页

10、上一页退出退出章目录章目录UZIZIZM UZ IZ_+UIO下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录ZZ ZIUr下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录E=0E1E2E2 E1下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录10.5.1、晶体管的结构和符号多子浓度高多子浓度高多子浓度很多子浓度很低，且很薄低，且很薄面积大面积大晶体管有三个极、三个区、两个晶体管有三个极、三个区、两个PN结。结。小功率管小功率管中功率管中功率管大功率管大功率管为什么有孔？为什么有孔？下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章

11、目录(a)NNCEBPCETBIBIEIC(b)BECPPNETCBIBIEICCENNPBCEPPNB下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录 1947年年12月月23日日 第一个晶体管第一个晶体管 NPN Ge晶体管晶体管 下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录EEBRBRC下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录becNNPRb集电结反偏，集电结反偏，少子漂移形成少子漂移形成集电结反向饱集电结反向饱和电流和电流ICBOICBOEBRcEC发射结正偏，发射区发射结正偏，发射区电子向基区扩散，形电子向基

12、区扩散，形成发射结电子扩散电成发射结电子扩散电流流IEN部分电子与基部分电子与基区的空穴复合区的空穴复合形成基区复合形成基区复合电流电流IBE,大多大多数电子扩散到数电子扩散到集电结边界集电结边界集电结反偏，集电结反偏，从基区扩散到从基区扩散到集电结边缘的集电结边缘的电子漂移过集电子漂移过集电结被集电区电结被集电区收集形成电流收集形成电流ICEICEIEN基区空穴扩散基区空穴扩散到发射区，形到发射区，形成空穴扩散电成空穴扩散电流流IEP（值很小，（值很小，可忽略）可忽略）IEPIBEIEIEN下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录3. 三极管内部载流子的运动规律三极管内部载流子的

13、运动规律ICEICIBBECNNPEBRBECIBEICEICBOBCCBOBCBOCBECEIIIIIIII CEOBCBOBC)(1 IIIII BC CEO III ，有有忽忽略略IE下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录晶体管电流放大的实验电路晶体管电流放大的实验电路mA AVVmAICECIBIERB+UBE +UCE EBCEB3DG100下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录IB(mA)mAmA0608705010723618符合基尔霍夫定律符合基尔霍夫定律 把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大变化的特性

14、称为晶体管的电流放大作用。变化的特性称为晶体管的电流放大作用。 实质实质: 用一个微小电流的变化去控制一个较大电流用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的变化，是的变化，是CCCS器件器件。下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录+ UBE ICIEIB CT E B +UCE (a) NPN 型晶体管；型晶体管；+ UBE IBIEIC CT EB +UCE 电流方向和发射结与集电结的极性电流方向和发射结与集电结的极性(4) 要使晶体管起放大作用，发射结必须正向要使晶体管起放大作用，发射结必须正向 偏置，集电结必须反向偏置。偏置，集电结必须反向偏置。(b) PNP 型晶体管型晶体

15、管下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录 即管子各电极电压与电流的关系曲线，是管子即管子各电极电压与电流的关系曲线，是管子内部载流子运动的外部表现，反映了晶体管的性能，内部载流子运动的外部表现，反映了晶体管的性能，是分析放大电路的依据。是分析放大电路的依据。 重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录共发射极电路共发射极电路输入回路输入回路输出回路输出回路实验实验mA AVVICECIBRB+UBE +UCE EBCEB3DG100下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录常常

16、数数 CE)(BEBUUfI3DG100晶体管的晶体管的输入特性曲线输入特性曲线O0.40.8IB/ AUBE/VUCE1V60402080下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录常常数数 B)(CECIUfI 共发射极电路共发射极电路ICEC=UCCIBRB+ UBE +UCE EBCEBIC/mAUCE/V100 A80A 60 A 40 A 20 A O 3 6 9 1242.31.5321IB =03DG100晶体管的输出特性曲线晶体管的输出特性曲线 在不同的在不同的 IB下，可得出不同的曲线，所以晶体管下，可得出不同的曲线，所以晶体管的的输出特性曲线输出特性曲线是一组曲线

17、。是一组曲线。下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录常常数数 B)(CECIUfI 晶体管有三种工作状态，因而晶体管有三种工作状态，因而输出特性曲线输出特性曲线分为分为三个工作区三个工作区3DG100晶体管的输出特性曲线晶体管的输出特性曲线IC/mAUCE/V100 A80A 60 A 40 A 20 A O 3 6 9 1242.31.5321IB =0对对 NPN 型管型管而言而言, 应使应使 UBE 0, UBC UBE。下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录IC/mAUCE/V100 A 80A 60 A 40 A 20 A O 3 6 9 1242.31.

18、5321IB =0对对NPN型硅管，当型硅管，当UBE0.5V时时, 即已即已开始截止开始截止, 为使晶体为使晶体管可靠截止管可靠截止 , 常使常使 UBE 0。截止时截止时, 集集电结也处于反向偏电结也处于反向偏置置( (UBC 0),),此时此时, IC 0, UCE UCC 。IB = 0 的曲线以下的区域称为截止区。的曲线以下的区域称为截止区。IB = 0 时时, IC = ICEO( (很小很小) )。(ICEO下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录IC/mAUCE/V100 A 80A 60 A 40 A 20 A O 3 6 9 1242.31.5321IB =0

19、IC UCC/RC 。 当当 UCE 0) )，晶体管工作于饱和状态。晶体管工作于饱和状态。下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录晶体管三种工作状态的电压和电流晶体管三种工作状态的电压和电流(a)放大放大+ UBE 0 ICIB+UCE UBC 0+(b)截止截止IC 0 IB = 0+ UCE UCC UBC 0 IB+ UCE 0 UBC 0+CCCCRUI 当晶体管饱和时，当晶体管饱和时， UCE 0，发射极与集电极之，发射极与集电极之间如同一个开关的接通，其间电阻很小；当晶体管间如同一个开关的接通，其间电阻很小；当晶体管截止时，截止时，IC 0 ，发射极与集电极之间如同一

20、个开关，发射极与集电极之间如同一个开关的断开，其间电阻很大，可见，的断开，其间电阻很大，可见，晶体管除了有放大晶体管除了有放大作用外，还有开关作用。作用外，还有开关作用。下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录 0 0.1 0.5 0.1 0.6 0.7 0.2 0.3 0.3 0.1 0.7 0.3硅管硅管( (NPN) )锗管锗管( (PNP) ) 可靠截止可靠截止开始截止开始截止 UBE/V UBE/VUCE/V UBE/V 截截 止止 放大放大 饱和饱和 工工 作作 状状 态态 管管 型型晶体管结电压的典型值晶体管结电压的典型值下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录

21、章目录例：例： =50， USC =12V， RB =70k ， RC =6k 当当USB = -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USB =-2V时：时：ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEmA2612maxCSCCRUIIB=0 ， IC=0IC最大饱和电流：最大饱和电流：Q位于截止区位于截止区 下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录例：例： =50， USC =12V， RB =70k ， RC =6k 当当USB = -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？I

22、C ICmax (=2mA) ， Q位于放大区位于放大区。ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEUSB =2V时：时：9mA01070702.RUUIBBESBB0.95mA9mA01050.IIBC下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录USB =5V时时:例：例： =50， USC =12V， RB =70k ， RC =6k 当当USB = -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？ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEQ 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

23、070705.RUUIBBESBBcmaxBII5mA0 .3mA061.050mA2cmaxcII下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录 BCII_ BCII 下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录例：在例：在UCE= 6 V时，时， 在在 Q1 点点IB=40 A, IC=1.5mA； 在在 Q2 点点IB=60 A, IC=2.3mA, ， 关系关系53704051.IIBC 400400605132BC .II 下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录ICBO A+EC AICEOIB=0+ 一般希望一般希望 ICEO尽量小，小功率硅管的尽量小，

24、小功率硅管的ICEO在几在几微安以下，小功率锗管的微安以下，小功率锗管的ICEO约几十微安约几十微安下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录ICMU(BR)CEOICUCEO安全工作区安全工作区下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录3DG201的含义？的含义？NPN型硅材料型硅材料高频小功率管高频小功率管三 极 管 的 型 号半导体器件的型号命名法：半导体器件的型号命名法：下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录3DD15D的含义？的含义？NPN型硅材料型硅材料低频大功率管低频大功率管三 极 管 的 型 号半导体器件的型号命名法：半导体器件的型号命名法：下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录三 极 管 的 型 号2 S C 945 A 的含义？的含义？2：三极管：三极管1：二极管：二极管注册登注册登记号记号A： PNP高频管高频管B： PNP低频管低频管C： NPN高频管高频管D： NPN低频管低频管 S：已注册：已注册改进型改进型日本日本下一页下一页返回返回上一页