第4章半导体二极管三极管和场效应管.ppt

第第 4 4 章章 半导体二极管、三极管和 场效应管 4.1 PN结 4.2 半导体二极管 4.3 双极型晶体管 一 半导体 （一）半导体基本知识 1.导体、绝缘体、半导体： 物质导电能力的强弱可用电阻率（）表示 导体：导电能力强的物质（ 106*cm） 半导体：常温下(27)导电能力居于导体及绝缘体之间的物质 如，纯硅（Si）、纯锗(Ge) 。 （二）半导体的晶体结构 制作半导体件最常用的材料：硅（Si）、锗（Ge） 晶体：原子按一定规律整齐排列的物质 单晶体：原子与原子之间通过共价键连接起来 第一节 第一节 PNPN结结 Ge Si 通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。 现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们 的最外层电子（价电子）都是四个。 硅(锗)的原子结构 简化 模型 惯性核 硅(锗)的共价键结构 价电子 自 由 电 子 (束缚电子) 空 穴 空穴 空穴可在共 价键内移动 （一）本征半导体：纯净的单晶结构的半导体 受惯性核束缚的价电子在绝对温度零度(0°K)即-273之下 本征半导体硅（锗）的全部价电子都为束缚电子 与理想绝缘体一样不能导电。 自由电子： 价电子获得足够的能量挣脱惯性核的束缚(温度0 ° K时) 带负电荷的物质又称电子载流，这是由热激发而来的 空穴： 价电子成为自由电子时,原共价键留下了一个空位 带正电荷的物质，即空穴载流子。 二半导体的导电原理 本征激发：共价键分裂产生电子空穴对的过程 复复 合：合： 自由电子和空穴在运动中相遇重新结合 成对消失的过程。 平平 衡：衡： 在一定条件下，激发与复合的过程达到动态 平衡本征半导体的自由电子和空穴的数 目保持平衡。 在室温或光照下价电子获得足够能量摆 脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键 中留下一个空位(空穴)的过程。 载流子浓度：单位体积半导体中载流子的数目（个/m3 ） 本征半导体内电子载流子浓度（Ni）=空穴载流子浓度（Pi ） 本征载流子浓度=Ni+Pi（其值甚微）即载流子浓度甚 低 本征半导体内的载流子浓度很低导电能力很弱， 故不能用来直接制作半导体器件 两种载流子 电子(自由电子) 空穴 两种载流子的运动 自由电子(在共价键以外)的运动 空穴(在共价键以内)的运动 结论： 1. 本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少； 2. 半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电； 3. 本征半导体导电能力弱，并与温度有关。 （二） 杂质半导体 1、N 型半导体： 在本征半导体中掺入五价元素（磷）增大自由电子浓度 N 型 +5 +4+4+4 +4+4 磷原子 自由电子 电子为多数载流子 空穴为少数载流子 载流子数 电子数 2、 P 型半导体： 在本征半导体中掺入三价元素（硼）增大空穴浓度 P 型 +3 +4+4+4 +4+4 硼原子空穴 空穴 多子 电子 少子 载流子数 空穴数 漂移运动：漂移电流 载流子在电场作用下定向运动所形成的电流。 自由电子：从低高电位漂移形成电流(方向与电场方向相反) 空穴：从高低电位漂移形成电流（方向与电场方向相同） 电场强 、漂移速度高、载流子浓度大= 总漂移电流大。 扩散电流：物质由高浓度的地方向低浓度的地方运动所形 成的电流。 浓度差越大扩散能力越强扩散电流越大 扩散电流大小同载流子浓度差或扩散运动快慢成正比 （三）载流子的漂移运动和扩散运动 3. 扩散和漂移达到动态平衡 扩散电流 等于漂移电流， 总电流 I = 0。 三、PN 结(PN Junction)的形成 P 型、N 型半导体的简化图示 负离子 多数载流子 少数载流子（电子） 正离子 多数载流子 少数载流子 P 型 N 型 1. 载流子的浓度差引起多子的扩散 2. 复合使交界面形成空间电荷区(耗尽层) 空间电荷区特点: 无载流子， 阻止扩散进行， 利于少子的漂移。 内建电场 PN P 区N 区 内电场 外电场 外电场使多子向 PN 结移动, 中和部分离子使空间电荷区变窄 。 IF 限流电阻 扩散运动加强形成正向电流 IF 。 IF = I多子 I少子 I多子 2. 外加反向电压(反向偏置) reverse bias P 区N 区 内电场 外电场 外电场使少子背离 PN 结移动， 空间电荷区变宽。 IR PN 结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大; 反偏截止，电阻很大，电流近似为零。 漂移运动加强形成反向电流 IR IR = I少子 0 四、PN结的特性 （一）PN 结的单向导电性 1. 外加正向电压(正向偏置) 1、PN结加正向电压 当P区接“+”，N 区接“-”，称为PN结正 向偏置（正偏）。 PN结呈导通状态， 电阻很小。 2、PN结加反向电压 当N区接“+”，P 区接“-”，称为PN 结 反向偏置（反偏）。 PN结呈截止状态，只 有反向饱和电流流过 ，电阻很大。 结论： （二） PN 结的伏安特性 反向饱 和电流 温度的 电压当量 电子电量 玻尔兹曼 常数 当 T = 300(27C)： UT = 26 mV O u /V I /mA 正向特性 反向击穿 加正向电压时 加反向电压时iIS (四）PN结的极间电容 电容由两部分组成：势垒电容CB和扩散电容CD。 势垒电容：是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电 压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地 随之改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹 如电容的充放电。 扩散电容：是由多子扩散后，在 PN结的另一侧面积累而形成的。 因PN结正偏时，由N区扩散到P区 的电子，与外电源提供的空穴相 复合，形成正向电流。刚扩散过 来的电子就堆积在 P 区内紧靠PN 结的附近，形成一定的多子浓度 梯度分布曲线。 P +- N 第二节 第二节 半导体二极管半导体二极管 2.1 半导体二极管的结构和类型 2.2 二极管的伏安特性 2.3 二极管的主要参数 2.4 二极管的等效电路及应用 2.5 稳压二极管 一、半导体二极管的结构和类型 构成： PN 结 + 引线 + 管壳 = 二极管(Diode) 符号：D 阳极阴极 分类： 按材料分 硅二极管 锗二极管 按结构分 点接触型 面接触型 平面型 点接触型 正极 引线 触丝 N 型锗片 外壳 负极 引线 负极引线 面接触型 N型锗 PN 结 正极引线铝合金 小球 底座 金锑 合金 正极 引线 负极 引线 集成电路中平面型 P N P 型支持衬底 二、二极管的伏安特性 O uD /V iD /mA 正向特性 Uth 死区 电压 iD = 0 Uth = 0.5 V 0.1 V (硅管) (锗管) U UthiD 急剧上升 0 U Uth UD(on) = (0.6 1) V 硅管 0.7 V (0.2 0.5) V 锗管 0.2 V 反向特性 ISU (BR) 反向击穿 U(BR) U 0 iD = IS 6 V，正温度系数) 特点：随着反向电流急剧增加，PN结的反向电压值增加很少。 电击穿 硅管的伏安特性锗管的伏安特性 60 40 20 0.02 0.04 0 0.4 0.8 2550 iD / mA uD / V iD / mA uD / V 0.20.4 25 50 5 10 15 0.01 0.02 0 温度对二极管特性的影响 60 40 20 0.02 00.4 2550 iD / mA uD / V 20C 90C T 升高时， UD(on)以 (2 2.5) mV/ C 下降 三、 二极管的主要参数 1. IF 最大整流电流(最大正向平均电流) 2. URM 最高反向工作电压，为 U(BR) / 2 3. IR 反向电流(越小单向导电性越好) 4. fM 最高工作频率(超过时单向导电性变差) iD uD U (BR) I F URM O 1. 最大整流电流 IF 二极管长期使用时，允许流过二极管的最大 正向平均电流。 2. 反向击穿电压UBR 二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电 流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至 过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电 压UR一般是UBR的一半。 3.反向电流 IR 指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流 。反向电流大，说明管子的单向导电性差， 因此反向电流越小越好。反向电流受温度的 影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向 电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十 到几百倍。 以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是 主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅 、保护等等。下面介绍两个交流参数。 四、二极管的等效电路及应用 （一）、理想二极管 特性 uD iD 符号及 等效模型 SS 正偏导通，uD = 0；反偏截止， iD = 0 U(BR) = （二）、二极管正向压降等效电路 uD iD UD(on) uD = UD(on) 0.7 V (Si) 0.2 V (Ge) （三）二极管电路的分析方法 构成的桥式整流电路在ui = 15sint (V) 作用下输出 uO 的波形 。 (按理想模型) Ot ui / V 15 RL D1 D4 D2 D3 ui B A uO Ot uO/ V 15 3. 参数估算 1) 整流输出电压平均值 2) 二极管平均电流 3) 二极管最大反向压 to to to to 23 23 Im 2 2 3 3 uO u2 uD iD = iO n负载电阻RL中流 过的电流iO的平均 值IO为 二极管组成的限幅电路：当U0且UUR+UD时，二极管D导通，开关 闭合，输出电压U0=UD+UR。当UUR+UC时，二极管D截止，开关 断开，输出电压 U0=U。波形图如下： 五、稳压二极管 U I IZ IZmaxUZ IZ 稳压 误差 曲线越陡 ，电压越 稳定。 + - UZ 动态电阻： rz越小，稳压性 能越好。 一、结构 二、特性 利用PN结的反向击穿特性实现稳压作用 稳压管反向击穿后： 反向电流变化很大 、反向击穿电压变 化很小 主要参数 1. 稳定电压 UZ 流过规定电流时稳压管 两端的反向电压值。 2. 稳定电流 IZ 越大稳压效果越好， 小于 Imin 时不稳压。 3. 最大工作电流 IZM 最大耗散功率 PZM P ZM = UZ IZM 4. 动态电阻 rZ rZ = UZ / IZ 越小稳压效果越好。 几 几十 5. 稳定电压温度系数 CT 一般， UZ 7 V，CTV 0 (为雪崩击穿)具有正温度系数； 4 V UZ时，稳压 管DZ击穿稳压 。流过 稳压 管的电流为： 。适当选择 参数RZ的阻值，使流过稳 压管的电流在稳压 管参数稳定电 流IZ和最大电流IZM之间 U 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。 第三节 双极型晶体第三节 双极型晶体管管 3.1 晶体管的结构和类型 3.3 晶体管的特性曲线 3.4 晶体三极管的主要参数 3.2 晶体管的电流分配关系和放大作用 3.5 温度对晶体管参数的影响 晶体三极管 一、结构、符号和分类 N N P 发射极 E 基极 B 集电极 C 发射结 集电结 基区 发射区 集电区 emitter base collector NPN 型 P P N E B C PNP 型 E C B E C B 分类： 按材料分： 硅管、锗管 按功率分： 小功率管 1 W 中功率管 0.5 1 W 二、晶体管电流分配关系和放大作用 三极管放大的条件 内部 条件 发射区掺杂浓度高于集电区，集电区掺杂浓度高于基区 基区薄且掺杂浓度低 集电结面积大 外部 条件 发射结正偏 集电结反偏 （一）晶体管内部载流子的运动 1) 发射区向基区注入多子电子， 形成发射极电流 IE。 I CN 多数向 BC 结方向扩散形成 ICN。 IE 少数与空穴复合，形成 IBN 。 I BN 基区空 穴来源 基极电源提供(IB) 集电区少子漂移 (ICBO) I CBO IB IBN IB + ICBO即： IB = IBN ICBO 2)电子到达基区后 (基区空穴运动因浓度低而忽略 ) I CN IE I BN I CBO IB 3) 集电区收集扩散过 来的载流子形成集 电极电流 IC IC I C = ICN + ICBO （二）晶体管的电流分配关系 当管子制成后，发射区载流子浓度、基区宽度、集 电结面积等确定，故电流的比例关系确定，即： IB = I BN ICBO IC = ICN + ICBO 穿透电流 IE = IC + IB 1. 满足放大条件的三种电路 ui uo CE B E C B ui uo E C B ui uo 共发射极 共集电极 共基极 （三） 晶体管的放大作用 （四）关于PNP 型晶体管 要保证发射结正偏，集电结反偏，外加电 源 极性应与NPN管相反。 VCC VCC + - P P N VBB VBB + - PN N 图 三极管外加电源的极性 若规定PNP中各极电流IB、IC、IE的方向与 实际方向一致，而电压UBE仍为b e,UCE仍 为c e,则UBE与UCE与实际方向相反。此 时有IB、IC、IE为正值，UBE和UCE将为负值 。（） （） （+） （+） UCE UBE IB IC IE UCE UBE IB IC IE + + （实际方向）（规定正方向） NPN管 PNP管截止区放大区饱和区 结的偏置 发射结反偏 集电结反偏 发射结正偏 集电结正偏 集电结反偏 发射结正偏 电流关系 IB 、IC、IE IE= IB + IC = IB 0 = IC 0 电位关系 UB 、UC、UE UB UE UB UC UB UE UB UC UB UB UE UC IBS IBS= ICS NPN与PNP管的情况如下： (一)、输入特性 输入 回路 输出 回路 与二极管特性相似 三、晶体管的特性曲线 电流：I c+I B=I E 电压：U CE=UBE -UBC O 特性基本重合(电流分配关系确定) 特性右移(因集电结开始吸引电子) 导通电压 UBE(on) 硅管： (0.6 0.8) V 锗管： (0.2 0.3) V 取 0.7 V 取 0.2 V 特点：增加UCE ，曲线右移、ib减小、继续增大UCE ，曲线和ib不变 （二）、输出特性 iC / mA uCE /V 50 µA 40 µA 30 µA 20 µA 10 µA IB = 0 O 2 4 6 8 4 3 2 1 1. 截止区： 2. IB 0 3. IC = ICEO 0 4. 条件：两个结反 偏 截止区ICEO 2. 饱和区： uCE （饱和压降） u BE uBE 0、u BC 0 条件：两个结正偏 特点：IC IB 临界饱和时： uCE = uBE 深度饱和时： 0.3 V (硅管) UCE(SAT)= 0.1 V (锗管) 放大区 截止区 饱 和 区 ICEO 固定iB不变时，iC随uCE的增 大而迅速增加 iC / mA uCE /V 50 µA 40 µA 30 µA 20 µA 10 µA IB = 0 O 2 4 6 8 4 3 2 1 3. 放大区： 放大区 截止区 条件： 发射结正偏 集电结反偏 特点： ICEO I B 0, UCE UBE uBE 0、u BC 0 固定iB不变情况下：iC基本不随 uCE的变化，而随iB的变化而变 化 iC / mA uCE /V 50 µA 40 µA 30 µA 20 µA 10 µA IB = 0 O 2 4 6 8 4 3 2 1 四、晶体管的主要参数 （一）、电流放大系数 1. 共发射极电流放大系数 直流电流放大系数 交流电流放大系数 一般为几十 几百 Q iC / mA uCE /V 50 µA 40 µA 30 µA 20 µA 10 µA IB = 0 O 2 4 6 8 4 3 2 1 2. 共基极电流放大系数 1 一般在 0.98 以上。 （二）、极间反向电流 CB 极间反向饱和电流 ICBO，CE 极间反向饱和电流 穿透电流：ICEO。 c A ICBO b e c e A ICEO b ICBO 1、集电极和基极之间 的反向饱和电流 ICEO 2、集电极和发射极之 间的穿透电流 发射极开路 基极开路 （三）、极限参数 1. ICM 集电极最大允许电流，超过时 值明显降低。 2. PCM 集电极最大允许功率损耗PC = iC uCE。 iC ICM U(BR)CEO uCE PCM O ICEO 安 全 工 作 区 U(BR)CBO 发射极开路时 C、B 极间反向击穿电压。 3. U(BR)CEO 基极开路时 C、E 极间反向击穿电压。 U(BR)EBO 集电极极开路时 E、B 极间反向击穿电压。 U(BR)CBO U(BR)CEO U(BR)EBO 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 ，当值下降到正常值的三分之二时的集电极 电流即为ICM。 集-射极反向击穿电压 当集-射极之间的电压UCE超过一定的数值时 ，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是 25C、基极开路时的击穿电压U(BR)CEO。 注意： 五、温度对特性曲线的影响 1. 温度对ICBO的影响 温度升高，输入特性曲线向左移。 温度每升高 1C，UBE (2 2.5) mV。 温度每升高 10C，ICBO 约增大 1 倍。 O T2 T1 2. 温度对 的影响 温度升高，输出特性曲线向上移。 iC uCE T1 iB = 0 T2 iB = 0 iB = 0 温度每升高 1C， (0.5 1)%。 输出特性曲线间距增大。 O 3.温度对基极、射极间正向电压UBE的影响 温度升高、NPN管子的uBE减小，输入曲线左移 国家标准对半导体三极管的命名如下: 3 D G 110 B 第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、 C硅PNP管、D硅NPN管 第三位：X低频小功率管、D低频大功率管、 G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管 用字母表示材料 用字母表示器件的种类 用数字表示同种器件型号的序号 用字母表示同一型号中的不同规格 三极管 半导体三极管的型号 例如： 3AX31D、 3DG123C、3DK100B - 第四章 完