半導體器件基礎(chǔ)第2講.ppt

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小結(jié)本講主要介紹了以下基本內(nèi)容 PN結(jié)形成 擴散 復合 空間電荷區(qū) 耗盡層 勢壘區(qū) 阻擋層 內(nèi)建電場 動態(tài)平衡PN結(jié)的單向?qū)щ娦?正偏導通 反偏截止PN結(jié)的特性曲線 正向特性 死區(qū)電壓 導通電壓反向特性 反向飽和電流 溫度影響大擊穿特性 電擊穿 雪崩擊穿 齊納擊穿 熱擊穿PN結(jié)的電容效應 勢壘電容 擴散電容 1 2 4半導體二極管及其參數(shù) 二極管 Diode PN結(jié) 管殼 引線 結(jié)構(gòu) 分類 1 半導體二極管的結(jié)構(gòu)及分類 按材料分 硅二極管 鍺二極管 按結(jié)構(gòu)分 點接觸型 面接觸型和平面型 1 點接觸型二極管 PN結(jié)面積小 結(jié)電容小 用于檢波和變頻等高頻電路 2 面接觸型二極管 PN結(jié)面積大 用于工頻大電流整流電路 3 平面型二極管 用于集成電路制造工藝中 PN結(jié)面積可大可小 用于高頻整流和開關(guān)電路中 半導體二極管的符號 由P區(qū)引出的電極稱為陽極 正極 由N區(qū)引出的電極稱為陰極 負極 U 二 半導體二極管的伏安特性 反向飽和電流 電子電量 玻爾茲曼常數(shù) 當T 300K UT 26mv 溫度的電壓當量 PN結(jié)兩端的電壓降 流過PN結(jié)的電流 當u 0u UT時 當u UT 時 1 正向特性 2 反向特性 伏安特性曲線 硅 0 5V 硅 0 6 0 8V典型值為0 7V 鍺 硅 mA A 鍺 0 1 0 3V 鍺 0 1V 2 半導體二極管的伏安特性 PN結(jié)的伏安特性曲線 在反向區(qū) 硅二極管和鍺二極管的特性有所不同 硅二極管的反向擊穿特性比較硬 比較陡 反向飽和電流也很小 鍺二極管的反向擊穿特性比較軟 過渡比較圓滑 反向飽和電流較大 3 半導體二極管的主要參數(shù) 1 直流電阻RD 指二極管兩端所加直流電壓與流過它的直流電流之比 RD不是恒定值 在正向工作區(qū)域 RD隨UD增大而減小 在反向工作區(qū)域 RD隨UD增大而增大 2 交流電阻rd 指二極管在其工作點Q UDQ IDQ 處的電壓微變量與電流微變量之比 rd幾何意義 指二極管伏安特性曲線上Q點處切線斜率的倒數(shù) 據(jù)伏安特性方程 可得 3 最大整流電流IFM 二極管長期連續(xù)工作時 允許通過二極管的最大整流電流的平均值 4 反向擊穿電壓UBR 二極管反向電流急劇增加時對應的反向電壓值稱為反向擊穿電壓UBR 最大反向工作電壓URM 為安全計 在實際工作時 最大反向工作電壓URM一般只按反向擊穿電壓UBR的一半計算 5 反向電流IS 在室溫下 在規(guī)定的反向電壓下的反向電流值 硅二極管的反向電流一般在納安 nA 級 鍺二極管在微安 A 級 6 最高工作頻率fM 由PN結(jié)的結(jié)電容大小決定 二極管的工作頻率超過fM時 單向?qū)щ娦宰儾?1 2 5二極管的電路模型 1 理想模型 理想模型是指在正向偏置時 其管壓降為零 相當于開關(guān)的閉合 當反向偏置時 其電流為零 阻抗為無窮 相當于開關(guān)的斷開 具有這種理想特性的二極管也叫做理想二極管 在實際電路中當電源電壓遠遠大于二極管的管壓降時 利用此模型分析是可行的 2 定壓降模型 定壓降模型是指二極管在正向?qū)〞r 其管壓降為恒定值 截止時反向電流為零 硅管的管壓降0 7V 鍺管的管壓降為0 3V 3 分段線性模型 二極管正向電壓大于UD ON 后其電流I與U成線性關(guān)系 直線斜率為1 RD 二極管截止時反向電流為零 二極管的應用舉例 例1鉗位電路電路如圖所示 若UA UB兩點電位分別為0V 3V不同組合時 計算輸出電壓UO值 并分析二極管的工作狀態(tài) 設(shè)二極管為硅二極管 導通壓降為0 7V 1 UA 0VUB 0V VD1 VD2均正向?qū)?UO 0 7V 2 UA 3VUB 3V VD1 VD2均正向?qū)?UO 3 7V 3 UA 0VUB 3V VD1正向?qū)╒D2截止 UO 0 7V 二極管VD1兩端電位差大而優(yōu)先導通 4 UA 3VUB 0V VD2正向?qū)╒D1截止 UO 0 7V 二極管VD2優(yōu)先導通 如何判斷二極管是否導通 判斷二極管工作狀態(tài)時 可先將二極管斷開 然后比較兩極電位 如果處于正偏 則二極管導通 否則截止 電位差大的優(yōu)先導通 例2 寫出圖示各電路的輸出電壓值 設(shè)二極管導通電壓UD 0 7V UO1 1 3V UO2 0V UO3 1 3V 例3ui 2sin t V 畫出輸出電壓uo的波形 ui較小 宜采用恒壓降模型 0 7v ui 0 7v u1 u2均截止 uO ui uO 0 7v ui 0 7v u2導通u1截止 ui 0 7v u1導通u2截止 uO 0 7v 思考題 v1 v2支路各串聯(lián)恒壓源 輸出波形如何 ui 5sin t V 畫出輸出電壓uo的波形 二極管是理想的 練習 估算圖示電路中流過二極管的電流ID和U 二極管是理想的 練習 1 3特殊二極管 穩(wěn)壓二極管是應用在反向擊穿區(qū)的特殊二極管 反偏電壓 UZ反向擊穿 電路符號 U I IZmin 穩(wěn)壓誤差 曲線越陡 電壓越穩(wěn)定 UZ 1 3 1穩(wěn)壓二極管 穩(wěn)壓原理 根據(jù)電路圖可知 UI UO UZ IZ IR UR UO IR 使用穩(wěn)壓管注意事項 在工作時反接 并串入一只電阻 電阻的作用一是起限流作用 保護穩(wěn)壓管 其次是當輸入電壓或負載電流變化時 通過該電阻上電壓降的變化 取出誤差信號以調(diào)節(jié)穩(wěn)壓管的工作電流 從而起到穩(wěn)壓作用 限流電阻R的選擇 2 在Ui最低和IL最大時 流過穩(wěn)壓管的電流最小 這時應保證IZ不小于穩(wěn)壓管最小電流值 1 在Ui最高和IL最小時 流過穩(wěn)壓管的電流最大 此時電流不能高于穩(wěn)壓管最大穩(wěn)定電流 限流電阻R的選擇范圍為 Rmin R Rmax 1 穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓區(qū)是其工作在 A 正向?qū)▍^(qū)B 反向截止區(qū)C 反向擊穿區(qū) 練習 現(xiàn)有兩只穩(wěn)壓管 它們的穩(wěn)定電壓分別是6V和8V 正向?qū)妷菏? 7V 試問 1 若將它們串聯(lián)連接 可得到幾種穩(wěn)壓值 各為多少 2 若將它們并聯(lián)連接 又可得到幾種穩(wěn)壓值 各為多少 例1 如圖 已知UZ 10V 負載電壓UL 5 10 15 20 A UL 穩(wěn)壓管的工作條件 必須工作在反向擊穿狀態(tài) 電路中應有限流電阻 以保證反向電流不超過允許范圍 例2 已知ui 6sin t UZ 3V 畫輸出波形 3 3 O O 1 3 2變?nèi)荻O管 1 3 3發(fā)光二極管 有正向電流流過時 發(fā)出一定波長范圍的光 目前的發(fā)光管可以從紅外到可見波段的光 它的電特性與一般二極管類似 1 3 4光電二極管 反向電流隨光照度的增加而增大 半導體二極管 小結(jié)本講主要介紹了以下基本內(nèi)容 半導體二極管的構(gòu)成和類型 點接觸型 面接觸型 平面型 硅管 鍺管等 半導體二極管的特性 與PN結(jié)基本相同 半導體二極管的參數(shù)半導體二極管的等效模型 理想模型 恒壓降模型 折線模型應用二極管等效模型分析和計算半導體二極管電路的基本方法簡要介紹了其它類型的二極管 2020 3 28 1 4半導體三極管 半導體三極管 也叫晶體三極管 由于工作時 多數(shù)載流子和少數(shù)載流子都參與運行 因此 還被稱為雙極型三極管 BipolarJunctionTransistor 簡稱BJT 三極管的分類 按照頻率 高頻管和低頻管 按結(jié)構(gòu) NPN型和PNP型 按功率大小 大功率管1mW 按所用半導體材料 硅管和鍺管 1 4 1三極管的結(jié)構(gòu) NPN型 符號 三極管是由兩個PN結(jié)和三塊摻雜半導體組成 e emitter b base c collector 雙極型三極管的符號中 發(fā)射極的箭頭代表發(fā)射極電流的實際方向 兩個結(jié) 發(fā)射結(jié)和集電結(jié)三個區(qū) 基區(qū) 集電區(qū) 發(fā)射區(qū)三個極 基極 集電極 發(fā)射極 PNP型 符號 常見三極管的外形結(jié)構(gòu) 基區(qū) 最薄 摻雜濃度最低 發(fā)射區(qū) 摻雜濃度最高 發(fā)射結(jié) 集電結(jié) 結(jié)構(gòu)特點 集電區(qū) 面積最大 1 三極管放大的外部條件 發(fā)射結(jié)正偏 集電結(jié)反偏 PNP發(fā)射結(jié)正偏VB VE集電結(jié)反偏VC VB 從電位的角度看 NPN發(fā)射結(jié)正偏VB VE集電結(jié)反偏VC VB 1 4 2三極管的工作原理 1 4 2三極管的工作原理 1 三極管放大的條件 內(nèi)部條件 發(fā)射區(qū)摻雜濃度高 基區(qū)薄且摻雜濃度低 集電結(jié)面積大 外部條件 發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏 2 滿足放大條件的三種電路 共發(fā)射極 共集電極 共基極 3 各電極電流關(guān)系及電流放大作用 結(jié)論 1 三電極電流關(guān)系IE IB IC2 IC IB IC IE3 IC IB 把基極電流的微小變化能夠引起集電極電流較大變化的特性稱為晶體管的電流放大作用 實質(zhì) 用一個微小電流的變化去控制一個較大電流的變化 是CCCS器件 1 發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入多子電子 形成發(fā)射極電流IE ICN 多數(shù)向BC結(jié)方向擴散形成ICN IE 少數(shù)與空穴復合 形成IBN IBN 基區(qū)空穴來源 基極電源提供 IB 集電區(qū)少子漂移 ICBO ICBO IB IBN IEP IB ICBO 即 IB IBN ICBO 2 電子到達基區(qū)后 基區(qū)空穴運動因濃度低而忽略 3 三極管內(nèi)部載流子的傳輸過程 以共射電路為例 ICN IE IBN ICBO IB 3 集電區(qū)收集擴散過來的載流子形成集電極電流IC IC IC ICN ICBO 4 電流分配關(guān)系 從外部看 定義 直流放大系數(shù) 因為 交流放大系數(shù) IB的改變控制了IC的變化 體現(xiàn)了三極管的電流控制功能 共基直流電流傳輸方程 為共基電流傳輸系數(shù) 它只與管子的結(jié)構(gòu)尺寸和摻雜濃度有關(guān) 與外加電壓無關(guān) 一般 0 9 0 995 三極管是一種電流控制器件 1 4 3三極管的特性曲線 共發(fā)射極接法 三極管的特性曲線是指三極管各電極電壓與電流之間的關(guān)系曲線 它是三極管內(nèi)部載流子運動的外部表現(xiàn) 由于三極管和二極管一樣也是非線性元件 不能用一個固定的數(shù)值或一個簡單的方程式來表示各電極電壓與電流之間的關(guān)系 所以要用伏安特性曲線對它進行描述 發(fā)射極是輸入回路 輸出回路的公共端 共發(fā)射極電路 輸入回路 輸出回路 測量晶體管特性的實驗線路 1 輸入特性曲線iB f uBE uCE 常數(shù) 1 uCE 0V時 相當于兩個PN結(jié)并聯(lián) 3 uCE 1V再增加時 曲線右移很不明顯 2 當uCE 1V時 集電結(jié)已進入反偏狀態(tài) 開始收集電子 所以基區(qū)復合減少 在同一uBE電壓下 iB減小 特性曲線將向右稍微移動一些 輸入電流 輸入電壓 2 輸出特性曲線iC f uCE iB 常數(shù) 現(xiàn)以iB 60uA一條加以說明 1 當uCE 0V時 因集電極無收集作用 iC 0 2 uCE IC 3 當uCE 1V后 收集電子的能力足夠強 這時 發(fā)射到基區(qū)的電子都被集電極收集 形成iC 所以uCE再增加 iC基本保持不變 同理 可作出iB 其他值的曲線 輸出特性曲線可以分為三個區(qū)域 飽和區(qū) iC受uCE顯著控制的區(qū)域 該區(qū)域內(nèi)uCE 0 7V 此時發(fā)射結(jié)正偏 集電結(jié)也正偏 截止區(qū) iC接近零的區(qū)域 相當iB 0的曲線的下方 此時 發(fā)射結(jié)反偏 集電結(jié)反偏 放大區(qū) 曲線基本平行等距 此時 發(fā)射結(jié)正偏 集電結(jié)反偏 該區(qū)中有 飽和區(qū) 截止區(qū) 溫度對晶體管特性及參數(shù)的影響 一 溫度對ICBO的影響 溫度每升高10 ICBO增加約一倍 反之 當溫度降低時ICBO減少 硅管的ICBO比鍺管的小得多 二 溫度對輸入特性的影響 溫度升高時正向特性左移 反之右移 三 溫度對輸出特性的影響 溫度升高將導致IC增大 溫度對輸出特性的影響 1 4 4三極管的主要參數(shù) 1 電流放大系數(shù) 一般取20 200之間 1 共發(fā)射極電流放大系數(shù) 共基和共射直流電流放大系數(shù)定義分別為 共基和共射交流電流放大系數(shù)分別定義為 2 極間反向電流 2 集電極發(fā)射極間的穿透電流ICEO基極開路時 集電極到發(fā)射極間的電流 穿透電流 其大小與溫度有關(guān) 1 集電極基極間反向飽和電流ICBO發(fā)射極開路時 在其集電結(jié)上加反向電壓 得到反向電流 它實際上就是一個PN結(jié)的反向電流 其大小與溫度有關(guān) 鍺管 ICBO為微安數(shù)量級 硅管 ICBO為納安數(shù)量級 3 極限參數(shù) Ic增加時 要下降 當 值下降到線性放大區(qū) 值的70 時 所對應的集電極電流稱為集電極最大允許電流ICM 1 集電極最大允許電流ICM 2 集電極最大允許功耗PCM集電極電流通過集電結(jié)時所產(chǎn)生的功耗 PC ICUCE PCM PCM 3 反向擊穿電壓 U BR CEO 基極開路時 集電極與發(fā)射極之間允許的最大反向電壓 已知 ICM 20mA PCM 100mW U BR CEO 20v 問 當UCE 10v時 IC mA當UCE 1v 則IC mA當IC 2mA 則UCE v 4 有兩只晶體管 一只的 200 ICEO 200 A 另一只的 100 ICEO 100 A 其他參數(shù)大致相同 你認為應選用哪種管子 為什么 5 為使NPN型管和PNP型管工作在放大狀態(tài) 應分別在外部加什么樣的電壓 思考題 1 既然BJT具有兩個PN結(jié) 可否用兩個二極管相聯(lián)以構(gòu)成一只BJT 試說明其理由 2 能否將BJT的e c兩個電極交換使用 為什么 3 為什么說BJT是電流控制型器件 例2 有三只晶體管 分別為 鍺管 150 ICBO 2 A 硅管 100 ICBO 1 A 硅管 40 ICEO 41 A 試從 和溫度穩(wěn)定性選擇一只最佳的管子 解 值大 但ICBO也大 溫度穩(wěn)定性較差 值較大 ICBO 1 A ICEO 101 A 值較小 ICEO 41 A ICBO 1 A ICBO相等 但 的 較大 故 較好 例1 由晶體管各管腳電位判定晶體管屬性 1 A 1VB 0 3VC 3V 2 A 0 2VB 0VC 3V 如何區(qū)分硅管和鍺管如何區(qū)分NPN PNP管如何區(qū)分三個極 A UBE 0 2V 鍺管 UBE 0 7V 硅管 B 步驟 1 區(qū)分硅管 鍺管 并確定C極 以相近兩個電極的電壓差為依據(jù) UBE硅 0 7V UBE鍺 0 2V 0 3V 2 區(qū)分NPN PNP管 NPN VC最高 PNP VC最低 3 區(qū)分三極 NPN VC VB VEPNP VC UB VE 解 1 硅管 NPN管A 基極 B 發(fā)射極 C 集電極 2 鍺管 PNP管A 基極 B 發(fā)射極 C 集電極 例3 一個NPN管子在電路中正常工作 現(xiàn)測得 則此時該管子工作區(qū)為 a 飽和區(qū)b 截止區(qū)c 放大區(qū) C 判斷晶體管的工作狀態(tài) 根據(jù)發(fā)射結(jié)和集電結(jié)的偏置情況判斷 截止狀態(tài) 發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都反偏 放大狀態(tài) 發(fā)射結(jié)正偏 集電結(jié)反偏 飽和狀態(tài) 發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都正偏 三極管工作狀態(tài)的判斷 例1 測量某NPN型BJT各電極對地的電壓值如下 試判別管子工作在什么區(qū)域 1 VC 6VVB 0 7VVE 0V 2 VC 6VVB 4VVE 3 6V 3 VC 3 6VVB 4VVE 3 3V 解 對NPN管而言 放大時VC VB VE對PNP管而言 放大時VC VB VE 1 放大區(qū) 2 截止區(qū) 3 飽和區(qū) 例2下圖所示各晶體管處于放大工作狀態(tài) 已知各電極直流電位 試確定晶體管的類型 NPN PNP 硅 鍺 并說明x y z代表的電極 圖 提示 1 晶體管工作于放大狀態(tài)的條件 NPN管 UC UB UE PNP管 UE UB UC 2 導通電壓 硅管 UBE 0 6 0 7v 硅管 UBE 0 2 0 3v 例3圖所示電路中 晶體管為硅管 UCE sat 0 3v 求 當UI 0v UI 1v和UI 2v時UO 解 1 UI 0v時 UBE Uon 晶體管截止 IC IB 0 UO uCC 12v 3 UI 2v時 2 UI 1v時 例4 某放大電路中BJT三個電極的電流如圖所示 IA 2mA IB 0 04mA IC 2 04mA 試判斷管腳 管型 解 電流判斷法 電流的正方向和KCL IE IB IC A B C IA IB IC C為發(fā)射極B為基極A為集電極 管型為NPN管 測得放大電路的四只晶體管的直流電位如圖所示 在圓圈中畫出管子 并分別說明是NPN還是PNP 是硅管還是鍺管 練習 判斷圖示電路能否工作在放大狀態(tài) 練習