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1、第1章双极性半导体器件,成都理工大学工程技术学院自动化工程系 雷永锋2013,第1章 双极型半导体器件,1.1.1 本征半导体及其导电性 1.本征半导体共价键结构 物质按其导电能力的强弱分类：导体容易传导电流的材料称为导体。绝缘体几乎不传导电流的材料称为绝缘体。半导体导电能力介于导体和绝缘体之间的称为半导体。本征半导体化学成分纯净的半导体。由于绝大多数半导体的原子排列呈晶体结构，所以由半导体构成的管件也称晶体管。,1.1 半导体的基本知识,退出,2.电子空穴对,自由电子:当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自由电子。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原的束缚，而参
2、与导电，成为自由电子。这一现象称为本征激发，也称热激发。,图1-1 本征激发和复合的过程,空穴:自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。电子空穴对:因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合。本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡.,3.空穴的移动,图1-2 半导体中电子和空穴在外电场作用下的移动方向和形成的电流,电子移动时是负电荷的移动，空穴移动时是正电荷的移动，电子和空穴都能运载电荷，所以他们都称为载流子。,
3、1.1.2 杂质半导体,在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成 N型半导体,也称电子型半导体。,图1-3 N型半导体的结构示意图,掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。,1.N型半导体,2.P型半导体,在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成了P型半导体，也称为空穴型半导体。,N型半导体的特点：自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子，以自由电子导电为主。P型半导体的特点：空穴为多数载流子，自由电子是少数载流子，以空穴导电为主。,图1-4 P型半导体的结构示意图,半导体的特性：光敏性和热敏性。即半导体受到光照或热的辐射时，其电阻率会发生很大的变化，导电能力将有明显的改善，利用这一
4、特性可制造光敏元件和热敏元件。掺杂特性。即在纯净的半导体中掺入微量的其他元素，半导体的导电能力将有明显的增加。,扩散运动,多子从浓度大向浓度小的区域运动。,漂移运动,少子向对方运动，漂移运动产生漂移电流。,动态平衡,扩散电流=漂移电流，PN结内总电流为0。,PN 结,稳定的空间电荷区，又称为高阻区、耗尽层，,PN结的接触电位,内电场的建立，使PN结中产生电位差。从而形成接触电位V 接触电位V决定于材料及掺杂浓度 锗：V=0.20.3V 硅：V=0.60.7V,1.1.3 PN结及单向导电性,退出,1 PN结,1.PN结加正向电压 P 区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；外电场方向
5、与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响。PN结呈现低电阻。2.PN结加反向电压P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏；外电场与PN结内电场方向相同，增强内电场。内电场对多子扩散运动阻碍增强，扩散电流大大减小。少子在内电场的作用下形成的漂移电流加大。PN结呈现高电阻。,内,外,Sect,2 PN结的单向导电性,内,外,式中 Is 饱和电流;VT=kT/q 等效电压 k 波尔兹曼常数；T=300K（室温）时 VT=26mV,3.PN结电流方程,由半导体物理可推出：,当加反向电压时：,当加正向电压时
6、：,(vVT),Sect,4.PN结的反向击穿,反向击穿,PN结上反向电压达到某一数值，反向电流激增。,雪崩击穿,当反向电压增高时，少子获得能量高速运动，在空间电荷区与原子发生碰撞，产生碰撞电离。形成连锁反应，象雪崩一样。使反向电流激增。,齐纳击穿,当反向电压较大时，强电场直接从共价键中将电子拉出来，形成大量载流子,使反向电流激增。,击穿可逆。掺杂浓度小的二极管容易发生,击穿可逆。掺杂浓度大的二极管容易发生,不可逆击穿,热击穿,PN结的电流或电压较大，使PN结耗散功率超过极限值，使结温升高，导致PN结过热而烧毁。,Sect,1.2.1 晶体二极管的结构类型,在PN结上加上引线和封装，就成为一个
7、二极管,二极管按结构分,点接触型,面接触型,平面型,PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路,PN结面积大，用于工频大电流整流电路,往往用于集成电路制造工艺中。PN 结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,1.2 半导体二极管,退出,国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：,半导体二极管的型号图片,1.2.2 二极管的伏安特性,伏安特性:是指二极管两端电压和流过二极管电流之间的关系。由PN结电流方程求出理想的伏安特性曲线,1.当加正向电压时,PN结电流方程为：,2.当加反向电压时,I 随U，呈指数规率,I=-Is,基本不变,3.门限电压:正向起始部分存在一个死区或门坎。硅：Ur=0
8、.6-0.7v;锗：4.加反向电压时，反向电流很小,即 Is硅(nA)Is锗(A)硅管比锗管稳定5.反向击穿电压UB:当反压增大UB时再增加，反向激增，发生反向击穿，,1.2.3 半导体二极管的参数和模型,1.半导体二极管的参数:最大整流电流IF、反向击穿电压UBR、最大反向工作电压URM、反向电流IR、最高工作频率fmax和结电容Cj。,2.半导体二极管的温度特性,温度升高时，二极管的正向压降将减小，每增加1，正向压降VF(VD)大约小2mV，即具有负的温度系数。这些可以从图所示二极管的伏安特性曲线上看出。,温度对二极管的性能有较大的影响，温度升高时，反向电流将呈指数规律增加。,3.二极管特
9、性的折线近似及模型,(a)开关模型(b)固定正向压降模型(c)折线化模型,二极管的低频模型:开关模型主要用于低频大信号电路之中，固定正向电压降模型，主要用于低频小信号电路，折线化模型，既考虑正向压降，又考虑动态电阻rd。二极管的高频模型:将结电容与rd并联。,晶体二极管的电阻,非线性电阻,直流电阻R,(也称静态电阻）,交流电阻r,（又称动态电阻或微变电阻）,一、直流电阻及求解方法,定义,二极管两端的直流电压UD与电流ID之比,ED/RL,ED,Q,1.首先确定电路的静态工作点Q：,借助于图解法来求,由电路可列出方程：,UD=ED-IDRL,直流负载线,UD=0 ID=ED,2.,由Q得ID和U
10、D，从而求出直流电阻R,ID=0 UD=ED/RL,直流负载线与伏安特性曲线的交点,1.2.4 晶体二极管的电阻,二、交流电阻r,或,实质是特性曲线静态工作点处的斜率,交流电导：g=dI/dU=I/nUT交流电阻：r=1/g=nUT/I若n=1,室温下：UT=26mv交流电阻：r=26mv/ID(mA),晶体二极管的正向交流电阻可由PN结电流方程求出：,由此可得：,应用举例,P11，例1-1,1.3.1 稳压二极管,1.稳压特性：,在反向击穿时，电流急剧增加而PN结两端的电压基本保持不变,正向部分与普通二极管相同,工作区在反向击穿区,特性参数：,1.3 各类二极管及其应用,退出,(1)稳定电压
11、 UZ(2)动态电阻rZ(3)最大耗散功率 PZM(4)最大稳定工作电流IZmax 和最小稳定工作电流IZmin(5)稳定电压温度系数,3.在工作时应反接，并串入一只电阻。电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管。其次是当输入电压或负载电流变化时，通过 该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。,2.稳压二极管稳压电路的工作原理,1.若输入电压UI 发生变化，负载电流不变，UI UO=UZ IZ IR IR R UO=UZ,2.若负载电阻发生变化，即输出电流 IO 发生，输入电压不变，IO IR IR R UO=UZ IZ IR UO IR R,讲解P15，例1
12、-3,1.3.2 半导体光电器件,1.光电二极管,定义：,有光照射时，将有电流产生的二极管,类型：,PIN型、,PN型、,雪崩型,结构：,和普通的二极管基本相同,工作原理：,利用光电导效应工作，PN结工作在反偏态，当光照射在PN结上时，束缚电子获得光能变成自由电子，形成光生电子空穴对，在外电场的作用下形成光生电流,IP,注意：应在反压状态工作UD=-IPRL,2.发光二极管,定义：,将电能转换成光能的特殊半导体器件，当管子加正向电压时，在正向电流激发下，管子发光，属电致发光,常用驱动电路：,直流驱动电路,交流驱动电路,注：在交流驱动电路中，为了避免发光二极管发生反向击穿，通常要加入串联或并联的
13、保护二极管,发光二极管只有在加正向电压时才发光,LED显示器,a,b,c,d,f,g,+5V,共阳极电路,共阴极电路,控制端为高电平对应二极管发光,控制端为低电平对应二极管发光,e,半导体三极管在英文中称为晶体管(Transister)，半导体三极管有两大类型:双极型半导体三极管:是有两种载流子参与导电的半导体器件，它由两个 PN 结 组合而成，是一种电流控制型（CCCS）器件。场效应半导体三极管:仅有一种载流子参与导电，是一种电压控制型（VCCS）器件。晶体管BJT分类：按频率分：高频管；低频管 按功率分：大功率管；中功率管；小功率管 按材料分：硅管；锗管 按结构分：NPN型;PNP型。,1
14、.4 三极管(晶体管),Sect,由三层半导体组成，有三个区、三个极、两个结2.发射区掺杂浓度高、基区薄、集电结面积大,1.4.1 三极管BJT的结构,Sect,半导体二极管和三极管的封装种类繁多，半导体封装主要有玻璃或陶瓷封装、塑料封装、金属外壳封装等。玻璃或陶瓷封装主要用于小功率半导体二极管；塑料封装用于小功率和中大功率的二极管和三极管；金属封装用于各种功率等级的二极管和三极管。它们的外形见图。目前中小功率二极管和三极管主要采用表面贴装元器件,参见节。,半导体二极管和三极管的封装,Sect,1.三极管的三种组态,三极管有三个电极，其中两个可以作为输入,两个可以作为输出，这必然有一个电极是公
15、共电极。三种接法也称三种组态：,共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示;,共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。,共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；,=IC/IBVCE=C,=IC/IE VCB=C,1.4.2 三极管电流放大原理,2 三极管电流放大原理,1、基极电流小 IE=Ic+IB Ic,2、电流放大作用交流放大系数 直流放大系数,晶体管特性的试验电路,NPN型晶体管共发射极电路,Sect,发射区向基区扩散空穴，形成发射极电流2.空穴在基区扩散和复合，形成了基区复合电流IB3.集电极收集从发射区扩散到基区的空穴，形成了电流IC 4.同时由于集电结反偏，少子在电场的作
16、用下形成了漂移电流ICBO,电流之间的分配关系,3.三极管的电流分配,Sect,共发射极连接：,共射直流放大系数,共基极直流电流放大系数,1.Uce=0V时，发射极与集电极短路，发射结与集电结均正偏，实际上是两个二极管并联。,2.当Uce 1V时，Ucb=Uce-Ube 0，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，且基区复合减少，IC/IB 增 大，特性曲线将向右稍微移动一些。但Uce再增加时，曲线右移很不明显。通常只画一条。,非线性区,死区,线性区,正常工作区，发射极正偏 NPN Si:Ube=0.60.7VPNP Ge:Ube=-0.2-0.3V,Sect,iB=f(UBE)UCE=C,1.输
17、入特性曲线,、特性曲线,晶体管特性曲线是指晶体管各电极之间电压和电流的关系曲线。,IC=f(Uce)Ib=C,Sect,3.放大区(1)IC平行于Uce轴的区域，曲线基本平行等距(2)条件：发射结正偏，集电结反偏，NPN管 UBE 0,UBC0(3)Ic=Ib,即Ic主要受Ib的控制。有电流放大作用(4),2.输出特性曲线,2.截止区：(1)条件：发射结反偏，集电结反偏。NPN：Ube0.5V,管子就处于截止态(2)Ib=0 Ic=Iceo 晶体管C、E之间相当于开路,Sect,例.所有的二、三极管均为硅管，用试分析图电路中各三极管的工作状态。,Sect,1.4.4 三极管BJT的参数,1.电
18、流放大系数,(1).集电极基极间反向饱和电流Icbo Icbo的下标cb代表集电极和基极，O是Open的字头，代表第三个电极E开路。,(2).集电极发射极间的穿透电流Iceo相当基极开路时，集电极和发射极间的反向饱和电流,2.直流参数,Iceo=（1+）Icbo,ICM 集电极最大允许电流,当集电极电流增加时，就要下降，当值下降到线性放大区值的2/3时所对应的最大集电极电流,当ICICM时，三极管并不一定会损坏。,PCM 集电极最大允许功耗,集电极电流通过集电结时所产生的功耗，PCM=ICVCBIC VCE，因发射结正偏，呈低阻，所以功耗主要集中在集电结上。,Sect,反向击穿电压 表示三极管电极间承受反向电压的能力 V(BR)CBO V(BR)CES V(BR)CER V(BR)CEO,3.极限参数,双极型三极管的参数,注：*为 f,1.4.5.复合晶体管,复合管就是把两只或多只三极管的电极通过适当连接，作为一个管子来使用。复合管联接方法如下：复合管的等效管型由第一只管的管型确定。在组合成复合管时，管子的各极电流必须畅通,
