常用半导体器件基础知识二极管三极管.pptx

,单击此处编辑母版样式,单击此处编辑幻灯片母版样式,第二层,第三层,第四层,第五层,2019/10/26,#,2025/4/13 周日,1,电子技术基础,Fundamentals of Electronic Technique,信息工程学院自动化系,田建艳,2025/4/13 周日,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。,2025/4/13 周日,3,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。,2025/4/13 周日,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,2025/4/13 周日,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：常用半导体器件,2025/4/13 周日,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,。,2025/4/13 周日,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 are a special class of elements having a conductivity between that of a good conductor and that of an insulator.,2025/4/13 周日,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。,2025/4/13 周日,9,1.1.2,本征半导体,Ge,Si,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。,2025/4/13 周日,10,本征半导体结构示意图,共价键,covalent bond,束缚电子,bonded electron,2025/4/13 周日,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,2025/4/13 周日,12,本征半导体：,*本征激发,:T=0K 300K,，热激发,free electron,hole,2025/4/13 周日,13,+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。,2025/4/13 周日,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（,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。,2025/4/13 周日,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,2025/4/13 周日,16,N,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,minority,Donor impurities,杂质,2025/4/13 周日,17,P,型半导体：掺,三价元素（如硼）,多子：空穴,少子：电子,Acceptor,impurities,杂质,2025/4/13 周日,18,P,型半导体,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,N,型半导体,2025/4/13 周日,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 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：,2025/4/13 周日,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,。,2025/4/13 周日,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,2025/4/13 周日,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。,2025/4/13 周日,23,PN,结加正向电压时导通,2025/4/13 周日,24,PN,结加反向电压时截止,2025/4/13 周日,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，,U,T,约为,26mV,2025/4/13 周日,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）,2025/4/13 周日,27,PN,结的电容效应：,P16,（,1,）势垒电容,C,b,：,等效电容随反向电压变化,变容二极管,（,2,）扩散电容,C,d,：,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,C,j,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,r,d,2025/4/13 周日,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）,2025/4/13 周日,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,-P18,2025/4/13 周日,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,2025/4/13 周日,31,2,、半导体二极管伏安特性,(1),正向导通、,(2),反向截止、,(3),反向击穿,开启电压,U,on,:,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.,1,0.3V,P19,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,2025/4/13 周日,32,3,、二极管的主要参数,*,主要参数：,I,F,、,U,R,、,I,R,、,f,M,(P20),4,、二极管的等效电路,2025/4/13 周日,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,R,U,o,2V,D,U,D,=0.7V,2025/4/13 周日,34,补充：,R,U,o,6V,D1,12V,D2,2025/4/13 周日,35,R,u,i,u,o,V,R,D,正弦波的峰值,V,im,大于,V,R,u,i,V,R,u,o,2025/4/13 周日,36,(1),输出电压波形：,u,1,u,2,a,T,b,D,R,L,u,o,i,L,2025/4/13 周日,37,桥式整流电路,+,-,u,2,正半周时电流通路,u,1,u,2,T,D,4,D,2,D,1,D,3,R,L,u,o,2025/4/13 周日,38,桥式整流电路,-,+,u,0,u,1,u,2,T,D,4,D,2,D,1,D,3,R,L,u,2,负半周时电流通路,2025/4/13 周日,39,u,2,0,时,D,1,D,3,导通,D,2,D,4,截止,电流通路,:,A,D,1,R,L,D,3,B,u,2,U,b,U,e,PNP:,U,c,U,b,U,e,放大时各电极的电位关系：,2025/4/13 周日,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,2025/4/13 周日,58,基区空穴向发射区的扩散可忽略,I,EP,。,发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流,I,EN,。,进入,P,区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流,I,BN,，多数扩散到集电结。,集电结反偏，有少子形成的反向电流,I,CBO,。,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,I,CN,。,2025/4/13 周日,59,二、晶体管的电流分配关系,外部电流关系：,I,E,=,I,C,+,I,B,2025/4/13 周日,60,为了反映扩散到集电区的电流,I,CN,与基区复合电流,I,BN,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。,2025/4/13 周日,61,确定了 值之后，可得,式中：,称为穿透电流。因,I,CBO,很小，在忽略其影响时，则有,2025/4/13 周日,62,为了反映扩散到集电区的电流,I,CN,与射极注入电流,I,EN,的比例关系，定义共基极直流电流放大系数 为：,显然，,I,C,，,U,CE,0.3V,称为饱和区。,2,、饱和区,2025/4/13 周日,71,i,C,(,m,A ),1,2,3,4,u,CE,(V),3,6,9,12,I,B,=0,20,A,40,A,60,A,80,A,100,A,此区域中,:,I,B,=0,I,C,=,I,CEO,U,BE,I,C,，,U,CE,0.3V,(3),截止区：,U,BE,死区电压，,I,B,=0,，,I,C,=,I,CEO,0,输出特性三个区域的特点,:,2025/4/13 周日,73,例：,=50,，,U,CC,=12V,，,R,B,=70k,，,R,C,=6k,当,U,BB,=,-,2V,，,2V,，,5V,时，,晶体管的静态工作点,Q,位,于哪个区？,当,U,BB,=,-,2V,时：,I,C,U,CE,I,B,U,CC,R,B,U,BB,C,B,E,R,C,U,BE,I,B,=0,，,I,C,=,0,Q,位于截止区,2025/4/13 周日,74,I,C,I,C,max,(=2mA),，,Q,位于放大区,。,I,C,U,CE,I,B,U,CC,R,B,U,BB,C,B,E,R,C,U,BE,U,BB,=2V,时：,I,C,最大饱和电流：,2025/4/13 周日,75,U,BB,=5V,时,:,Q,位于饱和区，此时,I,C,和,I,B,已不是 倍的关系。,2025/4/13 周日,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,I,B,，,相应的集电极电流变化为,I,C,，,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,P34,2025/4/13 周日,77,例：,U,CE,=6V,时,：,I,B,=40,A,I,C,=1.5 mA,；,I,B,=60 A,I,C,=2.3 mA,。,在以后的计算中，一般作近似处理：,=,2025/4/13 周日,78,共基极直流电流放大系数 和交流电流放大系数,由于,I,CBO,、,I,CEO,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,i,C,很大或很小时，,值较小。只有在,i,C,不大、不小的中间值范围内，,值才比较大，且基本不随,i,C,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。,2025/4/13 周日,79,2.,发射极开路时,集电结的反向饱和电流,I,CBO,A,I,CBO,I,CBO,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。,2025/4/13 周日,80,I,CEO,=,(1+,),I,CBO,3,.,基极开路时,集,-,射极间的穿透电流,I,CEO,I,CEO,受温度影响很大，,当温度上升时，,I,CEO,增加很快，所以,I,C,也相应增加。三极管的温度特性较差。,选管子时，,I,CBO,、,I,CEO,应尽量小。,硅管的温度稳定性比锗管好。,2025/4/13 周日,81,4.,集电极最大电流,I,CM,集电极电流,I,C,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,I,CM,。,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)CEO,U,(BR)CBO,。手册上给出的数值是,25,C,、,基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,。,2025/4/13 周日,82,6.,集电极最大允许功耗,P,CM,集电极电流,I,C,流过三极管，,所发出的焦耳,热为：,P,CM,=,i,C,u,CE,必定导致结温,上升，所以,P,C,有限制。,P,C,P,CM,i,C,u,CE,i,C,u,CE,=,P,CM,I,CM,U,(BR)CEO,安全工作区,2025/4/13 周日,83,晶体管的极限参数,2025/4/13 周日,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：,u,BE,：温度每升高,1,，,u,BE,减小,22.5mV,；,I,CBO,温度每升高,10,，,I,CBO,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,2025/4/13 周日,85,温度对晶体管输入特性的影响,温度升高，,u,BE,减小,2025/4/13 周日,86,温度对晶体管输出特性的影响,P37,例,1.3.1 1.3.2,温度升高，,I,CBO,增大；,随增大。,2025/4/13 周日,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,2025/4/13 周日,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,I,B,2025/4/13 周日,89,