1、第1章 半导体二极管和三极管,1.1 半导体基础知识,1.2 半导体二极管,1.3 晶体三极管,1.1 半导体基础知识,1.1.1 本征半导体,1.1.2 杂质半导体,1.1.3 PN结的形成及其单向导电性,1.1.4 PN结的电容效应,半导体的导电特性,(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。,掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显改变(可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、晶体管和晶闸管等）。,光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化 (可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管等)。,热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强,晶体中原子的排列方式,硅单晶中的共价健
2、结构,价电子:共价键中的两个电子。,本征半导体是完全纯净的、具有晶体结构的半导体。,共价健,1. 本征半导体的结构,1.1.1 本征半导体,2. 本征半导体的导电机理,1.1.1 本征半导体,2. 本征半导体的导电机理,1.1.1 本征半导体,这一现象称为本征激发。,2. 本征半导体的导电机理,价电子在温度升高或受光照时获得一定能量后，可挣脱共价键的束缚 ，成为自由电子(带负电)。,自由电子的产生使共价键中留有一个空位 , 称为空穴(带正电)。,自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。,一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大
3、。,1.1.1 本征半导体,价电子,Si,Si,Si,Si,价电子,在外电场的作用下,空穴吸引相邻原子的价电子来填补,而在该原子中出现一个空穴,其结果相当于空穴的运动(相当于正电荷的移动),空穴,2. 本征半导体的导电机理,1.1.1 本征半导体,自由电子,当半导体两端加上外电压时，其将出现两部分电流 (1)自由电子作定向运动 电子电流(2)价电子递补空穴 空穴电流,自由电子和空穴都称为载流子。,2. 本征半导体的导电机理,运载电荷的粒子称为载流子。,1.1.1 本征半导体,注意：(1) 本征半导体中的载流子数目极少, 其导电性能很差。(2) 温度对半导体器件性能影响很大。,自由电子和空穴成对
4、地产生的同时，又不断复合。在一定温度下, 载流子的产生和复合达到动态平衡 , 半导体中载流子便维持一定的数目。,2. 本征半导体的导电机理,温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。 热力学温度0K时不导电。,1.1.1 本征半导体,掺杂五价元素后自由电子数目大量增加，成为多数载流子,空穴是少数载流子.这种半导体主要靠自由电子导电, 称N型半导体。,多余电子,磷原子,在常温下即可变为自由电子,失去一个电子变为正离子,1.1.2 杂质半导体,1. N型半导体,杂质半导体:在本征半导体中掺入某种微量的杂质元素。,掺入杂质越多, 多子浓度越高, 导电性越强, 实现导电性可控。,空穴比未加杂质
5、时的数目多了？少了？为什么？,N型半导体形成过程动画演示,掺杂三价元素后空穴数目大量增加,成为多数载流子,自由电子是少数载流子。空穴导电成为这种半导体的主要导电方式,称为P型半导体。,硼原子,接受一个电子变为负离子,空穴,杂质半导体对外不显电性,是中性的。,2. P型半导体,在杂质半导体中，温度变化时，载流子的数目变化吗？少子与多子变化的数目相同吗？少子与多子浓度的变化相同吗？,1.1.2 杂质半导体,P型半导体的形成过程动画演示,1. PN结的形成,1.1.3 PN结的形成及其单向导电性,多子的扩散运动,少子的漂移运动,浓度差,P 型半导体,N 型半导体,内电场越强,漂移运动越强,漂移使空间
6、电荷区变薄,形成空间电荷区,扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡,相当于两个区之间没有电荷运动,空间电荷区的厚度固定不变。,扩散的结果使空间电荷区变宽,1. PN结的形成,1.1.3 PN结的形成及其单向导电性,2. PN结的单向导电性,（1）PN 结加正向电压（正向偏置）,1.1.3 PN结的形成及其单向导电性,PN 结变窄,IF,PN 结加正向电压时,PN结变窄,扩散运动加剧,由于外电源的作用，形成扩散电流，PN结处于导通状态。正向电流较大 , 正向电阻较小。,（1）PN 结加正向电压（正向偏置）,R,2. PN结的单向导电性,1.1.3 PN结的形成及其单向导电性,（2）PN 结加反向
7、电压（反向偏置）,2. PN结的单向导电性,1.1.3 PN结的形成及其单向导电性,PN 结变宽,IR,反向电流将随温度增加。,（2）PN 结加反向电压（反向偏置）,R,PN 结加反向电压时,PN结变宽,阻止扩散运动,有利于漂移运动,形成漂移电流。反向电流较小,反向电阻较大, 处于截止状态。,2. PN结的单向导电性,1.1.3 PN结的形成及其单向导电性,1.1.4 PN 结的电容效应,1. 势垒电容,PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容Cb。,势垒电容示意图,2. 扩散电容,PN结外加的正向电压变化时,在扩散
8、路程中载流子的浓度及其梯度均有变化,也有电荷的积累和释放的过程,其等效电容称为扩散电容Cd。,结电容：,结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！,PN结结电容一般都很小（一般为几个pF几十pF）,扩散电容示意图,1.1.4 PN 结的电容效应,问题,为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成本征半导体，导电性能极差，又将其掺杂，改善导电性能？ 为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还是少子是影响温度稳定性的主要因素？ 为什么半导体器件有最高工作频率？,2.2 半导体二极管,2.2.1 半导体二极管的几种常见结构,2.2.2 二极管的伏安特性及电流方程,2.2.4 二
9、极管基本电路及其分析方法,2.2.3 二极管的主要参数,2.2.5 稳压二极管,2.2.1 半导体二极管的几种常见结构,将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。,阴极,阳极,电路符号,D,小功率二极管,稳压二极管,大功率二极管,发光二极管,点接触型：结面积小，结电容小，允许的正向电流小，最高工作频率高。用于检波和变频等高频电路。,2.2.1 半导体二极管的几种常见结构,二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类,(1) 点接触型二极管,面接触型：结面积大，结电容大，允许的正向电流大，最高工作频率低。用于工频大电流整流电路。,平面型：结面积可小、可大，小的工作频率高，大的结允许的正向电
10、流大。往往用于集成电路制造工艺中，或用于高频整流和开关电路中。,2.2.1 半导体二极管的几种常见结构,(3) 平面型二极管,(2) 面接触型二极管,2.2.2 二极管的伏安特性及电流方程,二极管的电流与其端电压的关系 称为伏安特性。,导通 压降,外加电压大于死区电压二极管才能导通。,死区电压UON,正 向 特 性,反向特性,(2) 近似呈现为指数曲线,(1) 有死区(i0的区域),1. 正向特性,(3) 导通后（u大于死区电压后）,u略有升高， i急剧增大。,UT=kT/q,2.2.2 二极管的伏安特性及电流方程,反向击穿 电压U(BR),反向电流IR 在一定电压范 围内保持常数,2. 反向
11、特性,反向电流急剧增大，,二极管发生反向击穿。,反向电压大于U(BR), 管子被击穿,失去单 向导电性。,电击穿二极管仍能正常工作，,热击穿二极管永久性的损坏。,3. 伏安特性受温度影响,T（）在电流不变情况下管压降u 反向饱和电流IS，U(BR) T（）正向特性左移，反向特性下移,增大1倍/10,2.2.2 二极管的伏安特性及电流方程,2.2.3 二极管的主要参数,最大整流电流IF：最大平均值 最大反向工作电压UR：最大瞬时值 反向电流 IR：即IS 最高工作频率fM：因PN结有电容效应,2.2.4 二极管基本电路及其分析方法,理想 二极管,近似分析中最常用,1. 二极管电路的简化模型分析方
12、法,(1) 二极管u-i特性的建模,理想模型,恒压降模型,折线模型,当正向工作的二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极管等效为一个动态电阻，也就是微变等效电路。,ui=0时直流电源作用,小信号作用,常温下（T=300K）,2.2.4 二极管基本电路及其分析方法,1. 二极管电路的简化模型分析方法,(1) 二极管u-i特性的建模,小信号模型,思考2,如何判断二极管的导通与截止？,2.2.4 二极管基本电路及其分析方法,思考1,分析方法: 将二极管断开, 分析二极管两端电位 的高低或所加电压uD的正负。,若 v阳 v阴或 uD为正( 正向偏置 ), 二极管导通。 若 v阳 v阴或 uD为
13、负( 反向偏置 ), 二极管截止。,二极管导通时应选用哪种等效电路？,若仅有直流信号或交流大信号作用，或二者同时作用时信号远大于(硅管0.60.8V，锗管0.20.3V)，选用理想模型；信号明显大于但不是远大于(0.60.8V，0.20.3V)，选用恒压降模型；信号和(硅管0.60.8V，锗管0.20.3V)可比拟，选用折线模型。,若交流小信号、直流信号共同作用时采用叠加定理分析；直流信号单独作用时，同上；交流小信号单独作用时，采用小信号模型。,理想模型,恒压模型,（硅管典型值）,(2) 模型分析法应用举例,2.2.4 二极管基本电路及其分析方法,1. 二极管电路的简化模型分析方法,折线模型,
14、（硅管典型值）,设,二极管静态工作情况分析,（1）UCC=10V情况,例2：电路如图, 二极管为硅二极管。分别用理想模型和恒压降模型求解，当uI = 6sint V时，绘出相应的输出电压uO的波形。,限幅电路,(2) 模型分析法应用举例,2.2.4 二极管基本电路及其分析方法,1. 二极管电路的简化模型分析方法,使用理想模型来分析,例2：电路如图, 二极管为硅二极管。分别用理想模型和恒压降模型求解，当uI = 6sint V时，绘出相应的输出电压uO的波形。,限幅电路,(2) 模型分析法应用举例,2.2.4 二极管基本电路及其分析方法,1. 二极管电路的简化模型分析方法,使用恒压降模型来分析,
15、解：,例3：电路如图所示，ui= 0.1sint V。（1）求输出电压uO的交流量和总量；（2）绘出uO的波形。,交直流通路、静态、动态等概念在放大电路的分析中非常重要。,(2) 模型分析法应用举例,2.2.4 二极管基本电路及其分析方法,1. 二极管电路的简化模型分析方法,直流通路（静态）,交流通路（动态）,uO= UO+ uo=4.3+0.0994sint（V),小信号工作情况分析,例4：电路如图所示，求：UAB,V阳 =-6 V,V阴 =-12 V,V阳V阴 ,二极管导通。,解:取 B 点作参考点,断开二极管, 分析二极管阳极和阴极的电位。,钳位电路,若采用二极管的理想模型, 管子视为短
16、路, UAB=-6V。,若采用二极管恒压降模型，则UAB=-6.3或-6.7V,(2) 模型分析法应用举例,2.2.4 二极管基本电路及其分析方法,1. 二极管电路的简化模型分析方法,解:取 B 点作参考点，断开二极管，分析管子阳极和阴极的电位。,V1阳 =-6 V,V2阳=0 V，V1阴 = V2阴= -12 V,钳位隔离电路,D2 起钳位作用, D1起隔离作用。,(2) 模型分析法应用举例,2.2.4 二极管基本电路及其分析方法,1. 二极管电路的简化模型分析方法,例5：电路如图所示，求：UAB,D2 优先导通， D1截止。,若采用二极管的理想模型, D2管子视为短路, UAB=0V。,若
17、采用二极管恒压降模型，则UAB=-0.3或-0.7V,对于二极管电路, 可采用相对较复杂的非线性电路的分析方法。图解分析法则较简单, 但必须已知管子 u-I 特性曲线。,例如：电路如图所示，已知二极管的u-i特性曲线、电源UCC和电阻R，求二极管两端电压UD和流过二极管的电流ID 。,解:由电路可得,这条斜率为-1/R的直线称为负载线。,Q的坐标值（UD，ID）即为所求。,Q点称为电路的工作点。,2.2.4 二极管基本电路及其分析方法,2. 简单二极管电路的图解分析方法,UZ,IZ,IZM, U, IZ,1. 伏安特性,2.2.5 稳压二极管,进入稳压区的最小电流,斜率？,c. 管子反向击穿后
18、在一定的电 流范围内端电压基本不变, 为稳定电压。利用此特性,稳压管在电路中起稳压作用,使用时要加限流电阻,特点:,a. 正向特性与普通管类似,b. 反向击穿特性很陡,等效电路,(1) 稳定电压UZ 稳压管正常工作在反向击穿时管子两端的电压。,(2) 电压温度系数环境温度每变化1C引起稳压值变化的百分数。,(3) 动态电阻,(4) 最大稳定电流 IZmax、最大稳定电流 IZmin,(5) 最大允许耗散功率 PZM = UZ IZM,rZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。,2. 主要参数,2.2.5 稳压二极管,把一只为正的 管子与另一只 为负的管子串联,将两只为正 的稳压管串联,3. 具有温度补
19、偿的硅稳压管,2.2.5 稳压二极管,1.3 晶体三极管,1.3.1 晶体管的结构及类型,1.3.2 晶体管的放大原理,1.3.3 晶体管的共射特性曲线,1.3.4 晶体管的主要参数,1.3.5 温度对晶体管特性及参数的影响,1.3.1 晶体管的结构和类型,1. 晶体管的外形图,基极,发射极,集电极,符号：,NPN型,PNP型,三个极 三个区 两个PN结,1.3.1 晶体管的结构和类型,. 晶体管的结构和类型,基区：最薄， 多子浓度最低,发射区：多子 浓度最高,发射结,集电结,3. 结构特点,集电区： 面积最大,1.3.1 晶体管的结构和类型,1. 晶体管放大的外部条件,发射结正偏、集电结反偏
20、,PNP 发射结正偏 VBVE 集电结反偏 VCVB,从电位的角度看：NPN 发射结正偏 VBVE 集电结反偏 VCVB,1.3.2 晶体管的放大原理,1.3.2 晶体管的放大原理,IE = IB + IC,2. 电流分配及电流放大作用,IC IE IB,把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大变化的特性称为晶体管的电流放大作用。,1.3.2 晶体管的放大原理,IE = IB + IC,2. 电流分配及电流放大作用,IC IE IB,把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大变化的特性称为晶体管的电流放大作用。,3.晶体管内部载流子的运动规律,1.3.2 晶体管的放大原理,扩散运动形成发射极
21、电流IE 复合运动形成基极电流IB 漂移运动形成集电极电流IC,因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区。,因基区薄且多子浓度低,使极少数扩散到基区的电子与空穴复合。,少数载流子的运动,基区空穴的扩散,3.晶体管内部载流子的运动规律,1.3.2 晶体管的放大原理,因集电区面积大,在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区。,即管子各电极电压与电流的关系曲线，是管子内部载流子运动的外部表现，反映了晶体管的性能，是分析放大电路的依据。,为什么要研究特性曲线：直观地分析管子的工作状态合理地选择偏置电路的参数，设计性能良好的电路,重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线,1.3.3 晶体
22、管的共射特性曲线,uCE=0V,uCE=0.5V,uCE1V,1.3.3 晶体管的共射特性曲线,1. 输入特性,为什么UCE增大曲线右移？,为什么像PN结的伏安特性？,为什么UCE增大到一定值曲线右移就不明显了？, 线性区,NPN型硅管UBE 0.60.7V, PNP型锗管UBE -0.2 -0.3V, 存在死区，其中NPN硅管Uon约为0.5V;PNP锗管Uon约为-0.1V, 输入特性是非线性的。, 当uCE1V时,uCE对输入特性几乎无影响, 输入曲线几乎重合。,2. 输出特性,1.3.3 晶体管的共射特性曲线,是常数吗？什么是理想晶体管？什么情况下 ?,对应于一个iB就有一条iC随uC
23、E变化的曲线。,为什么uCE较小时iC随uCE变化很大？为什么进入放大状态曲线几乎是横轴的平行线？,2. 输出特性,1.3.3 晶体管的共射特性曲线,iB=0,20A,iB=0,20A,放大区,输出特性曲线通常分三个工作区：,(1) 放大区,2. 输出特性,1.3.3 晶体管的共射特性曲线,a. uCEuBE，发射结处于正偏、集电结处于反偏，晶体管工作于放大状态。,b. iC=iB ，称为线性区。,c. 具有恒流特性, iC与uCE无关。,输出回路的电流 iC几乎仅仅决定于输入回路的电流 iB,即可将输出回路等效为电流 iB 控制的电流源iC 。,（2）截止区,iB = 0 以下区域为截止区，
24、有 iC 0 。,在截止区时,发射结小于开启电压且集电结处于反向偏置,晶体管工作于截止状态。,截止区,NPN型硅管:UBE0.5V时开始截止 PNN型锗管:UBE-0.1V时开始截止,NPN型硅管:UBE0V时可靠截止 PNN型锗管:UBE 0.1V时可靠截止,输出特性曲线通常分三个工作区：,2. 输出特性,1.3.3 晶体管的共射特性曲线,饱和区,(3) 饱和区,a. UCE UBE , 发射结和集电结均处于正偏。,b. iB iC,d. 在深度饱和时，NPN硅管UCES 0.3V，PNP锗管UCES -0.1V。,输出特性曲线通常分三个工作区：,2. 输出特性,1.3.3 晶体管的共射特性
25、曲线,c. uCE增大， iC 增大。,晶体管的三个工作区域,2. 输出特性,1.3.3 晶体管的共射特性曲线,iB=0,20A,共射直流电流放大系数,共射交流电流放大系数,共发射极放大电路,晶体管的参数是设计电路、选用晶体管的依据。,1.3.4 晶体管的主要参数,直流参数： 、 、ICBO、 ICEO,交流参数： 、fT（使 1的信号频率）,极限参数：ICM、PCM、U（BR）CEO,1. 电流放大系数、 、,共基直流电流放大系数,共基交流电流放大系数,共基极放大电路,集电极基极间反向截止电流ICBO,ICBO是由少数载流子的漂移运动所形成的电流，受温度的影响大。温度ICBO,集电极发射极间
26、的反向穿透电流ICEO,ICEO受温度的影响大。 温度ICEO,所以IC也相应增加。晶体管的温度特性较差。,1.3.4 晶体管的主要参数,2.极间反向电流,（1）集电极最大允许电流 ICM,集电极电流 IC上升会导致晶体管的值的下降，当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为 ICM。,（2）集电极最大允许耗散功耗PCM,PCM取决于晶体管允许的温升，消耗功率过大，温升过高会烧坏晶体管。PC PCM =IC UCE,硅管允许结温约为150C，锗管约为7090C。,1.3.4 晶体管的主要参数,2.极限参数,1.3.4 晶体管的主要参数,2.极限参数,(3) 反向击穿电压,U(BR)CBO :
27、发射极开路时的集电结反向击穿电压。,U(BR) EBO:集电极开路时发射结的反向击穿电压。,U(BR)CEO :基极开路时集-射极间的击穿电压。,U(BR)CBOU(BR)CEOU(BR) EBO,当UCE 超过一定的数值时，晶体管就会被击穿。手册上给出的数值是25C的击穿电压U(BR) CEO。,ICUCE=PCM,安全工作区,1.3.4 晶体管的主要参数,过 流 区,过 压 区,1.3.5 温度对晶体管特性及参数的影响,1. 温度每增加10C，ICBO增大一倍。硅管优于锗管。,2. 温度每升高 1C，UBE将减小 -(22.5)mV，即晶体管具有负温度系数。,3. 温度每升高 1C， 增加 0.5%1.0%。,1.3.5 温度对晶体管特性及参数的影响,根据所使用的半导体材料不同，分为锗晶体管和硅晶体管；按工作电流大小，分为小、中、大功率管；按工作频率范围，分为低频、高频、超高频管；按封装形式，分为塑封晶体管和金属封装晶体管；按用途不同，分为放大管、开关管等。,晶体管的种类,
