常用半导体器件基础知识、二极管、三极管.ppt

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1、2023/10/26,1,电子技术基础Fundamentals of Electronic Technique,信息工程学院自动化系田建艳,2023/10/26,2,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。,2023/10/26,3,电子技术难学吗？,电子技术是一门实践性和应

2、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。,2023/10/26,4,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,2023/10/26,5,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

3、器件,2023/10/26,6,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。,2023/10/26,7,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

4、are a special class of elements having a conductivity between that of a good conductor and that of an insulator.,2023/10/26,8,第一节：半导体基础知识,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。,2023/10/26,9,本征半导体,通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。,硅和锗的

5、最外层电子（价电子）都是四个。,2023/10/26,10,本征半导体结构示意图,共价键covalent bond,束缚电子bonded electron,2023/10/26,11,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,2023/10/26,12,本征半导体：*本征激发:T=0K 300K，热激发

6、,free electron,hole,2023/10/26,13,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。,2023/10/26,14,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（dri

7、ft）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。,2023/10/26,15,3、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,2023/10/26,16,N型半导体：掺五价元素（如磷）,多子

8、：电子,少子：空穴,多子：电子majority,少子：空穴minority,Donor impurities,2023/10/26,17,P型半导体：掺三价元素（如硼）,多子：空穴,少子：电子,Acceptorimpurities,2023/10/26,18,2023/10/26,19,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 pos

9、itive charges(P-type).,总结：（1）多子、少子：（2）电中性：（3）多子和少子的浓度：,2023/10/26,20,4、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。,2023/10/26,21,PN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,2023/10/26,22,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。,2023/10/26,

10、23,PN结加正向电压时导通,2023/10/26,24,PN结加反向电压时截止,2023/10/26,25,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,T=300K时，UT约为26mV,2023/10/26,26,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）,2023/10/26,27,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

11、：,势垒电容和扩散电容的综合效应,2023/10/26,28,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）,2023/10/26,29,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-P18,2023/10/26,30,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,2023/10/26,31,2、半导体二极管伏安特性,(1)正向导通、(2)反向截止、(3)反向

12、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,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,2023/10/26,32,3、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,2023/10/26,33,5、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:P69,UD=0.7V,2023/10/26,34,补充：,2023/10/26,35,正弦波的峰值Vim大于VR,ui,VR,2023/10/26,3

13、6,(1)输出电压波形：,2023/10/26,37,桥式整流电路,u2正半周时电流通路,2023/10/26,38,桥式整流电路,u0,u2负半周时电流通路,2023/10/26,39,u20 时,D1,D3导通D2,D4截止电流通路:A D1RLD3B,u20 时,D2,D4导通D1,D3截止电流通路:B D2RLD4A,输出是脉动的直流电压！,桥式整流电路输出波形,2023/10/26,40,6、稳压二极管:Zener diode,2023/10/26,41,图1.2.11 稳压管稳压电路稳压管：工作在反向击穿状态稳压管稳压电路：串、反、并 KCL、KVL P24参数,返回,UZ,202

14、3/10/26,42,7、发光二极管(用于显示)LED:light-emitting diodes,发光二极管包括:可见光,不可见光,激光可见光发光二极管:红,绿,黄,橙等 开启电压大:红1.61.8V 绿2V,2023/10/26,43,P27 例1.2.3 电路图,2023/10/26,44,ATmega16单片机的封装与引脚ATmega16单片机的封装有两种：40引脚的PDIP和44引脚的TQFP。,2023/10/26,45,发光二极管：导通电压1.6V、正向电流520mA 才能发光。单片机输出低电平0.7V，输出电流20mA。,135540,5102,2023/10/26,46,20

15、23/10/26,47,8、光电二极管（光能与电能转换）,作业：P67,2023/10/26,48,例 If a mouse is installed in a computer,then the available memory space for user will reduce.,2023/10/26,49,1.3 晶体三极管(Transistor),晶体管的结构及类型晶体管的电流放大作用晶体管的共射特性曲线晶体管的主要参数-P34温度对晶体管特性及其参数的影响,2023/10/26,50,晶体管的几种常见外形,2023/10/26,51,双极型晶体管是由三层杂质半导体构成的器件。它有三

16、个电极，所以又称为半导体三极管、晶体三极管。因两种极性电荷的载流子同时参与导电，故称双极型晶体管BJT(Bipolar Junction Transistor)。,2023/10/26,52,基极 base,发射极 emitter,集电极 collector,NPN型,PNP型,1.3.1 晶体管的结构和类型,2023/10/26,53,NPN型三极管,PNP型三极管,2023/10/26,54,基区：较薄，掺杂浓度低,集电区：面积较大,发射区：掺杂浓度较高,2023/10/26,55,发射结Je,集电结Jc,2023/10/26,56,1.3.2 晶体管的电流放大作用,电流放大条件：内部条件

17、：发射区掺杂浓度高；基区薄；集电区面积大。外部条件：发射结正偏；集电结反偏。,NPN:UcUbUePNP:UcUbUe,放大时各电极的电位关系：,2023/10/26,57,一、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,2023/10/26,58,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

18、，形成ICN。,2023/10/26,59,二、晶体管的电流分配关系,外部电流关系：IE=IC+IB,2023/10/26,60,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。,2023/10/26,61,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,2023/10/26,62,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：,显然，1，一般约为0.970.99。,不难求得,20

19、23/10/26,63,由于,都是反映晶体管基区扩散与复合的比例关系，只是选取的参考量不同，所以两者之间必有内在联系。由,的定义可得:,2023/10/26,64,BJT的三种组态,1.3.3 晶体管的共射特性曲线,特性曲线是描述晶体管各极电流与极间电压关系的曲线。三种基本接法(组态)，分别称为共发射极、共基极接法和共集电极。其中，共发射极接法更具代表性，所以我们主要讨论共发射极伏安特性曲线。,2023/10/26,65,IC,V,UCE,UBE,RB,IB,VCC,VBB,实验线路,2023/10/26,66,一、共发射极输入特性,共射输入特性曲线是以uCE为参变量时，iB与uBE间的关系曲

20、线，即 典型的共发射极输入特性曲线如图所示。,2023/10/26,67,工作压降：硅管UBE0.60.8V,锗管UBE0.10.3V。,死区电压，硅管0.5V，锗管0.1V。,一、共发射极输入特性,2023/10/26,68,二、共发射极输出特性曲线,共射输出特性曲线是以iB为参变量时，iC与uCE间的关系曲线，即输出特性可以划分为三个区域，对应于三种工作状态。,2023/10/26,69,iC(mA),此区域满足IC=IB称为线性区（放大区）。,当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB。,1、放大区,2023/10/26,70,此区域中UCEUBE,集电结正偏，IBIC，UC

21、E0.3V称为饱和区。,2、饱和区,2023/10/26,71,此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBE 死区电压，称为截止区。,3、截止区,2023/10/26,72,放大区：发射结正偏，集电结反偏。即：IC=IB,且 IC=IB,(2)饱和区：发射结正偏，集电结正偏。即：UCEUBE，IBIC，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:,2023/10/26,73,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：,IB=0，IC=0,Q位

22、于截止区,2023/10/26,74,IC ICmax(=2mA)，Q位于放大区。,UBB=2V时：,IC最大饱和电流：,2023/10/26,75,UBB=5V时:,Q 位于饱和区，此时IC 和IB 已不是 倍的关系。,2023/10/26,76,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P34,2023/10/26,77,例：UCE=6V时：

23、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：=,2023/10/26,78,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。,2023/10/26,79,2.发射极开路时集电结的反向饱和电流ICBO,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。,202

24、3/10/26,80,ICEO=(1+)ICBO,3.基极开路时集-射极间的穿透电流ICEO,ICEO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。,2023/10/26,81,4.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

25、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。,2023/10/26,82,6.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 uCE=PCM,安全工作区,2023/10/26,83,晶体管的极限参数,2023/10/26,84,1.3.5 温度对晶体管特性及参数的影响,温度对晶体管的参数都有影响。其中：uBE：温度每升高1，uBE减小22.5mV；ICBO温度每升高10，ICBO增大一倍；随温度的升高而增大。温度升高时，导致集电极电流增大,2023/10/26,85,温度对晶体管输入特性的影响,温度升高，uBE减小,2023/10/26,86,温度对晶体管输出特性的影响,P37 例,温度升高，ICBO增大；随增大。,2023/10/26,87,1.3.6 光电三极管 依据光照的强度来控制集电极电流的大小,图1.3.10 光电三极管的等效电路、符号和外形,2023/10/26,88,1.3.6 光电三极管,光电三极管的输出特性曲线,入射光强E代替IB,2023/10/26,89,