1、第一章 半導體二極管和三極管1.1 1.1 半導體基礎知識半導體基礎知識1.2 1.2 半導體二極管半導體二極管1.3 1.3 晶體晶體(jngt)(jngt)三極管三極管第1頁/共37頁第一頁，共38頁。1 1 半導體基礎知識半導體基礎知識一、本征半導體一、本征半導體二、雜質二、雜質(zzh)(zzh)半導體半導體三、三、PNPN結的形成結的形成(xngchng)(xngchng)及其單及其單向導電性向導電性四、四、PNPN結的電容結的電容(dinrng)(dinrng)效應效應第2頁/共37頁第二頁，共38頁。一、一、本征半導體本征半導體 導電性介于導體與絕緣體之間的物質(wzh)稱為半導

2、體。本征半導體是純凈(chnjng)的晶體結構的半導體。1 1、什么、什么(shn me)(shn me)是半導體？什么是半導體？什么(shn me)(shn me)是是本征半導體？本征半導體？ 導體鐵、鋁、銅等金屬元素等低價元素，其最外層電子在外電場作用下很容易產生定向移動，形成電流。 絕緣體惰性氣體、橡膠等，其原子的最外層電子受原子核的束縛力很強，只有在外電場強到一定程度時才可能導電。 半導體硅（Si）、鍺（Ge），均為四價元素，它們原子的最外層電子受原子核的束縛力介于導體與絕緣體之間。無雜質穩定的結構第3頁/共37頁第三頁，共38頁。2 2、本征半導體的結構、本征半導體的結構(jigu)

3、(jigu)由于熱運動，具有足夠能量(nngling)的價電子掙脫共價鍵的束縛而成為自由電子自由電子(z yu din z)的產生使共價鍵中留有一個空位置，稱為空穴 自由電子與空穴相碰同時消失，稱為復合。共價鍵 一定溫度下，自由電子與空穴對的濃度一定；溫度升高，熱運動加劇，掙脫共價鍵的電子增多，自由電子與空穴對的濃度加大。動態平衡第4頁/共37頁第四頁，共38頁。兩種載流子 外加電場時，帶負電的自由電子和帶正電的空穴均參與導電，且運動方向相反。由于(yuy)載流子數目很少，故導電性很差。為什么要將半導體變成導電性很差的本征半導體？3 3、本征半導體中的兩種載流子、本征半導體中的兩種載流子運載(

4、ynzi)電荷的粒子稱為載流子。 溫度升高，熱運動加劇，載流子濃度增大，導電性增強(zngqing)。 熱力學溫度0K時不導電。第5頁/共37頁第五頁，共38頁。二、雜質二、雜質(zzh)(zzh)半導體半導體 1. N 1. N型半導體型半導體5磷（P） 雜質(zzh)半導體主要靠多數載流子導電。摻入雜質(zzh)越多，多子濃度越高，導電性越強，實現導電性可控。多數(dush)載流子 空穴比未加雜質時的數目多了？少了？為什么？第6頁/共37頁第六頁，共38頁。2.2. P型半導體型半導體3硼（B）多數(dush)載流子 P型半導體主要(zhyo)靠空穴導電，摻入雜質越多，空穴濃度越高，導電性

5、越強， 在雜質半導體中，溫度變化時，載流子的數目變化嗎？少子與多子變化的數目相同(xin tn)嗎？少子與多子濃度的變化相同(xin tn)嗎？第7頁/共37頁第七頁，共38頁。三、三、PNPN結的形成結的形成(xngchng)(xngchng)及其單及其單向導電性向導電性 物質因濃度差而產生(chnshng)的運動稱為擴散運動。氣體、液體、固體均有之。擴散運動P區空穴(kn xu)濃度遠高于N區。N區自由電子濃度遠高于P區。 擴散運動使靠近接觸面P區的空穴濃度降低、靠近接觸面N區的自由電子濃度降低，產生內電場。第8頁/共37頁第八頁，共38頁。PN 結的形成結的形成(xngchng) 因電場

6、作用(zuyng)所產生的運動稱為漂移運動。 參與(cny)擴散運動和漂移運動的載流子數目相同，達到動態平衡，就形成了PN結。漂移運動 由于擴散運動使P區與N區的交界面缺少多數載流子，形成內電場，從而阻止擴散運動的進行。內電場使空穴從N區向P區、自由電子從P區向N 區運動。第9頁/共37頁第九頁，共38頁。PN結加正向電壓導通： 耗盡層變窄，擴散運動加劇，由于外電源的作用，形成(xngchng)擴散電流，PN結處于導通狀態。PN結加反向(fn xin)電壓截止： 耗盡層變寬，阻止擴散運動，有利于漂移運動，形成漂移電流。由于電流很小，故可近似認為其截止。PN 結的單向結的單向(dn xin)導電

7、性導電性必要嗎？第10頁/共37頁第十頁，共38頁。四、四、PN PN 結的電容結的電容(dinrng)(dinrng)效效應應1. 勢壘電容(dinrng) PN結外加電壓變化時，空間電荷(dinh)區的寬度將發生變化，有電荷(dinh)的積累和釋放的過程，與電容的充放電相同，其等效電容稱為勢壘電容Cb。2. 擴散電容 PN結外加的正向電壓變化時，在擴散路程中載流子的濃度及其梯度均有變化，也有電荷的積累和釋放的過程，其等效電容稱為擴散電容Cd。dbjCCC結電容： 結電容不是常量！若PN結外加電壓頻率高到一定程度，則失去單向導電性！第11頁/共37頁第十一頁，共38頁。問題問題(wnt)(w

8、nt) 為什么將自然界導電性能中等的半導體材料制成本征半導體，導電性能極差，又將其摻雜，改善導電性能？ 為什么半導體器件的溫度穩定性差？是多子還是少子是影響(yngxing)溫度穩定性的主要因素？ 為什么半導體器件有最高工作頻率？第12頁/共37頁第十二頁，共38頁。2 半導體二極管一、二極管的組成一、二極管的組成(z chn)二、二極管的伏安特性二、二極管的伏安特性(txng)及電流及電流方程方程三、二極管的等效電路三、二極管的等效電路四、二極管的主要參數四、二極管的主要參數五、穩壓五、穩壓(wn y)二極管二極管第13頁/共37頁第十三頁，共38頁。 一、二極管的組成(z chn)將PN結

9、封裝，引出(yn ch)兩個電極，就構成了二極管。小功率(gngl)二極管大功率二極管穩壓二極管發光二極管第14頁/共37頁第十四頁，共38頁。 一、二極管的組成(z chn)點接觸型：結面積(min j)小，結電容小，故結允許的電流小，最高工作頻率高。面接觸型：結面積大，結電容大，故結允許(ynx)的電流大，最高工作頻率低。平面型：結面積可小、可大，小的工作頻率高，大的結允許的電流大。第15頁/共37頁第十五頁，共38頁。 二、二極管的伏安特性及電流(dinli)方程材料材料開啟電壓開啟電壓導通電壓導通電壓反向飽和電流反向飽和電流硅硅Si0.5V0.50.8V1A以下鍺鍺Ge0.1V0.10

10、.3V幾十A)(ufi 開啟(kiq)電壓反向(fn xin)飽和電流擊穿電壓mV)26( ) 1e (TSTUIiUu常溫下溫度的電壓當量二極管的電流與其端電壓的關系稱為伏安特性。第16頁/共37頁第十六頁，共38頁。第17頁/共37頁第十七頁，共38頁。利用利用Multisim測試二極管伏安測試二極管伏安(f n)特性特性第18頁/共37頁第十八頁，共38頁。從二極管的伏安特性可以(ky)反映出： 1. 單向導電性TeSTUuIiUu，則若正向電壓) 1e (TSUuIi2. 伏安特性(txng)受溫度影響T（）在電流不變情況下管壓降u 反向飽和電流IS，U(BR) T（）正向(zhn x

11、in)特性左移，反向特性下移正向特性為指數曲線反向特性為橫軸的平行線增大1倍/10STIiUu，則若反向電壓第19頁/共37頁第十九頁，共38頁。三、二極管的等效電路三、二極管的等效電路理想(lxing)二極管近似分析(fnx)中最常用理想開關導通時 UD0截止時IS0導通時UDUon截止時IS0導通時i與u成線性關系應根據不同(b tn)情況選擇不同(b tn)的等效電路！1. 將伏安特性折線化？100V？5V？1V？第20頁/共37頁第二十頁，共38頁。2. 2. 微變等效電路微變等效電路DTDDdIUiur根據電流方程，Q越高，rd越小。 當二極管在靜態基礎(jch)上有一動態信號作用時

12、，則可將二極管等效為一個電阻，稱為動態電阻，也就是微變等效電路。ui=0時直流電源作用(zuyng)小信號(xnho)作用靜態電流第21頁/共37頁第二十一頁，共38頁。四、二極管的主要參數四、二極管的主要參數 最大整流(zhngli)電流IF：最大平均值 最大反向工作電壓UR：最大瞬時值 反向電流 IR：即IS 最高工作頻率fM：因PN結有電容效應第四版P20第22頁/共37頁第二十二頁，共38頁。討論討論(toln)：解決兩個問題：解決兩個問題如何判斷二極管的工作狀態？如何判斷二極管的工作狀態？什么什么(shn me)情況下應選用二極管的什么情況下應選用二極管的什么(shn me)等效電路

13、？等效電路？uD=ViRQIDUDRuViDDV與uD可比，則需圖解(tji)：實測特性 對V和Ui二極管的模型有什么不同？第23頁/共37頁第二十三頁，共38頁。五、穩壓五、穩壓(wn y)二極管二極管1. 伏安(f n)特性進入穩壓(wn y)區的最小電流不至于損壞的最大電流 由一個PN結組成，反向擊穿后在一定的電流范圍內端電壓基本不變，為穩定電壓。2. 主要參數穩定電壓UZ、穩定電流IZ最大功耗PZM IZM UZ動態電阻rzUZ /IZ 若穩壓管的電流太小則不穩壓，若穩壓管的電流太大則會因功耗過大而損壞，因而穩壓管電路中必需有限制穩壓管電流的限流電阻！限流電阻斜率？第24頁/共37頁第

14、二十四頁，共38頁。1.3 1.3 晶體晶體(jngt)(jngt)三極管三極管一、晶體管的結構一、晶體管的結構(jigu)和符和符號號二、晶體管的放大二、晶體管的放大(fngd)原原理理三、晶體管的共射輸入特性和輸出特性三、晶體管的共射輸入特性和輸出特性四、溫度對晶體管特性的影響四、溫度對晶體管特性的影響五、主要參數五、主要參數第25頁/共37頁第二十五頁，共38頁。多子(du z)濃度高多子(du z)濃度很低，且很薄面積大晶體管有三個極、三個區、兩個PN結。小功率管中功率管大功率管為什么有孔？第26頁/共37頁第二十六頁，共38頁。二、晶體管的放大二、晶體管的放大(fngd)原理原理（集

15、電結反偏），即（發射結正偏）放大的條件BECECBonBE0uuuUu 擴散運動形成(xngchng)發射極電流IE，復合運動形成(xngchng)基極電流IB，漂移運動形成(xngchng)集電極電流IC。少數(shosh)載流子的運動因發射區多子濃度高使大量電子從發射區擴散到基區因基區薄且多子濃度低，使極少數擴散到基區的電子與空穴復合因集電區面積大，在外電場作用下大部分擴散到基區的電子漂移到集電區基區空穴的擴散第27頁/共37頁第二十七頁，共38頁。 電流分配：電流分配： IE IEIBIBICIC IE IE擴散運動形成擴散運動形成(xngchng)(xngchng)的電流的電流 IB

16、IB復合運動形成復合運動形成(xngchng)(xngchng)的電流的電流 IC IC漂移運動形成漂移運動形成(xngchng)(xngchng)的電流的電流CBOCEOBCBC)(1 IIiiII穿透電流集電結反向(fn xin)電流直流電流放大系數交流(jioli)電流放大系數為什么基極開路集電極回路會有穿透電流？第28頁/共37頁第二十八頁，共38頁。三、晶體管的共射輸入三、晶體管的共射輸入(shr)特性特性和輸出特性和輸出特性CE)(BEBUufi 為什么UCE增大(zn d)曲線右移？ 對于小功率晶體管，UCE大于1V的一條輸入特性曲線可以取代(qdi)UCE大于1V的所有輸入特性

17、曲線。為什么像PN結的伏安特性？為什么UCE增大到一定值曲線右移就不明顯了？1. 輸入特性第29頁/共37頁第二十九頁，共38頁。2. 2. 輸出特性輸出特性B)(CECIufi 是常數嗎？什么是理想晶體管？什么情況下 ?對應(duyng)于一個IB就有一條iC隨uCE變化的曲線。 為什么uCE較小時(xiosh)iC隨uCE變化很大？為什么進入放大狀態曲線幾乎是橫軸的平行線？飽和(boh)區放大區截止區BiCi常量CEBCUii第30頁/共37頁第三十頁，共38頁。晶體管的三個工作晶體管的三個工作(gngzu)區域區域 晶體管工作在放大狀態時，輸出回路的電流 iC幾乎僅僅(jnjn)決定于輸

18、入回路的電流 iB，即可將輸出回路等效為電流 iB 控制的電流源iC 。狀態狀態uBEiCuCE截止截止UonICEOVCC放大放大 UoniB uBE飽和飽和 UoniB uBE第31頁/共37頁第三十一頁，共38頁。四、溫度對晶體管特性四、溫度對晶體管特性(txng)的影響的影響BEBBBECEO )(uiiuIT不變時，即不變時第32頁/共37頁第三十二頁，共38頁。五、主要參數五、主要參數 直流參數： 、 、ICBO、 ICEOc-e間擊穿(j chun)電壓最大集電極電流(dinli)最大集電極耗散(ho sn)功率，PCMiCuCE安全工作區 交流參數：、fT（使1的信號頻率） 極限參數：ICM、PCM、U（BR）CEOECII1ECii第33頁/共37頁第三十三頁，共38頁。討論討