第1章常用半导体器件(基础知识、二极管、三极管)课件

1、电子技术基础Fundamentals of Electronic Technique信息工程学院自动化系田建艳10/2/20221电子技术基础Fundamentals of Electro电子技术基础？ “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。10/2/20222电子技术基础？ “电子技术

2、基础”是电类各专电子技术难学吗？ 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。10/2/20223电子技术难学吗？ 电子技术是一门实践性和课程主要内容、怎样安排？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10/2/20224课程主要内容、怎样安排？电子技术基础包括

3、：9/24/2022第一节：半导体基础知识第二节：半导体二极管第三节：晶体三极管 第四节：场效应管 第五节：集成电路中的元件 第一章：常用半导体器件10/2/20225第一章：常用半导体器件9/24/20225本章要求: 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。 10/2/20226本章要求: 半导体器件是构成电子电路的基导体(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

4、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.10/2/20227导体(conductor)：自然界中很容易导电的物质称为导体第一节：半导体基础知识1、半导体（semiconductor） 硅silicon 、锗g

5、ermanium ；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。 10/2/20228第一节：半导体基础知识1、半导体（semiconductor1.1.2 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。硅和锗的最外层电子（价电子）都是四个。10/2/202291.1.2 本征半导体GeSi通过一定的工艺过程，可以将半导本征半导体结构示意图共价键covalent bond束缚电子bonded electron10/2/202210本征半导体结构示意图共价键束缚电子9/24

6、/202210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10/2/202211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,价电本征半导体： *本征激发:T=0K 300K，热激发 free electronhole10/2/202212本征半导体：free electronhole9/24/20

7、+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。10/2/202213+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，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、

8、 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。10/2/202214小结本征半导体： 9/24/2022143、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 1

9、0/2/2022153、杂质（extrinsic）半导体9/24/202215N型半导体：掺五价元素（如磷）多子：电子少子：空穴多子：电子majority少子：空穴minorityDonor impurities杂质10/2/202216N型半导体：掺五价元素（如磷）多子：电子少子：空穴多子：电子P型半导体：掺三价元素（如硼）多子：空穴少子：电子Acceptorimpurities杂质10/2/202217P型半导体：掺三价元素（如硼）多子：空穴少子：电子AccepP 型半导体+N 型半导体10/2/202218P 型半导体 Put very simply a semiconductor ma

10、terial 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：10/2/202219 Put very simply a semiconduc4、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

11、就形成PN结。 10/2/2022204、PN结（junction）9/24/202220PN结的形成: 多子的扩散、少子的漂移名称：*PN结*空间电荷区*耗尽层*阻挡层*势垒区10/2/202221PN结的形成: 多子的扩散、少子的漂移名称：9/24/202PN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。10/2/202222PN结的单向导电性P 区加正、N 区加负电压。P区加负、N PN结加正向电压时导通10/2/202223PN结加正向电压时导通9/24/202223PN结加反向电

12、压时截止10/2/202224PN结加反向电压时截止9/24/202224PN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T=300K时，UT约为26mV 10/2/202225PN结的伏安特性 (1) 正向特性、T=300K时，UT约为PN结的伏安特性(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）10/2/202226PN结的伏安特性(1) 正向特性(2) 反向特性(3) 反向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

13、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rd10/2/202227PN结的电容效应：P16 （1）势垒电容Cb：等效第二节：半导体二极管* 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）10/2/202228第二节：半导体二极管* PN结（PN junction）的形图1.2.1 二极管的几种外形1、半导体二极管（Diode）的外形与结构 -P18 10/2/202229图1.2.1 二极管的几种外形

14、1、半导体二极管（Diode）图1.2.2 二极管的几种常见结构(a)点接触型; (b)面接触型; (c)平面型; (d)二极管的符号10/2/202230图1.2.2 二极管的几种常见结构(a)点接触型; (b)面2、半导体二极管伏安特性(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10/2/2022312、半导体二极管伏安特性(1) 正向导通、温度对二极管伏

15、安3、二极管的主要参数* 主要参数：IF、UR、IR、fM (P20)4、二极管的等效电路10/2/2022323、二极管的主要参数* 主要参数：IF、UR、IR、fM 5、二极管的应用* 应用：限幅、整流、门电路例1: P68例2: 补充（见下页）例3: P69RUo2VDUD=0.7V10/2/2022335、二极管的应用* 应用：限幅、整流、门电路RUo2VDUD补充：RUo6VD112VD210/2/202234补充：RUo6VD112VD29/24/202234RuiuoVRD正弦波的峰值Vim大于VR uiVRuo10/2/202235RuiuoVRD正弦波的峰值Vim大于VR u

16、iVRuo9/(1) 输出电压波形：u1u2aTbDRLuoiL10/2/202236(1) 输出电压波形：u1u2aTbDRLuoiL9/24桥式整流电路+-u2正半周时电流通路u1u2TD4D2D1D3RLuo10/2/202237桥式整流电路+-u2正半周时电流通路u1u2TD4D2D1D桥式整流电路-+u0u1u2TD4D2D1D3RLu2负半周时电流通路10/2/202238桥式整流电路-+u0u1u2TD4D2D1D3RLu2负半周u20 时D1,D3导通D2,D4截止电流通路:A D1RLD3Bu20 时D1,D3导通u2UbUePNP: UcUbUe放大时各电极的电位关系：10

17、/2/2022561.3.2 晶体管的电流放大作用电流放大条件：NPN: 一、晶体管内部载流子的运动（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 10/2/202257一、晶体管内部载流子的运动（1）发射区向基区注入电子 9/2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。10/2/202258基区空穴向发射

18、区的扩散可忽略IEP 。发射结正偏，发射区电子二、晶体管的电流分配关系外部电流关系： IE= IC +IB10/2/202259二、晶体管的电流分配关系外部电流关系：9/24/202259 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 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。 10/2/202260 为了反映扩散到集电区的电流ICN与基区复合电流I确定了 值之后，可得 式中： 称为穿透电流。因ICBO很小，在忽略其影响时，则有10/2/202261确定了 值之后，可得 式中： 称为穿透电流 为了反映

19、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：显然， IC，UCE0.3V称为饱和区。2、饱和区10/2/202270iC(mA )1234uCE(V)36912IB=020iC(mA )1234uCE(V)36912IB=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 输出特性三个区域的特点:10/2/202272放大区：发射结正偏，集电结反偏。(2) 饱和区：发射结正偏，例： =50， UCC =12V， RB =70k，

20、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：ICUCEIBUCCRBUBBCBERCUBEIB=0 ， IC=0Q位于截止区 10/2/202273例： =50， UCC =12V，当UBB = -2V时：IC ICmax (=2mA) ， Q位于放大区。ICUCEIBUCCRBUBBCBERCUBEUBB =2V时：IC最大饱和电流：10/2/202274IC ICmax (=2mA) ， Q位于放大区。ICUCUBB =5V时:Q 位于饱和区，此时IC 和IB 已不是 倍的关系。10/2/202275UBB =5V时:Q 位于饱

21、和区，此时IC 和IB 已不是 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：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：1. 电流放大倍数和 1.3.4 晶体管的主要参数P3410/2/202276前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的公共点，称为共射接法例：UCE=6V时：IB = 40 A, IC =1.5 mA； IB = 60 A, IC =2.3 mA。在以后的计算中，一般作近似处理： =10/2/202277例：UCE=6V时：I

22、B = 40 A, IC =1.5共基极直流电流放大系数 和交流电流放大系数 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。 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。10/2/202278共基极直流电流放大系数 和交流电流放大系数 9/22.发射极开路时集电结的反向饱和电流ICBOAICBOICBO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。10/2/2022792.发射极开路时集电结的反向饱和电

23、流ICBOAICBOICICEO= (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。10/2/202280ICEO= (1+ )ICBO 3. 基极开路时集-射极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