第1章雙極型半導(dǎo)體器件(1-2)

第1章雙極型半導(dǎo)體器件1.2半導(dǎo)體二極管及其仿真分析1.3半導(dǎo)體晶體管1.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性1.2

PN結(jié)按照原理，我們可以把電子技術(shù)的應(yīng)用分為利用電能和利用電信號倆大類。我們分別討論一下倆類各有什么用電器。按照用途可以分為照明、加熱、通信、測量、報(bào)警等等。1、以電流來說，方向和大小始終不變的叫做直流電；方向和大小周期性變化的叫交流電。生活中有哪些屬于直流電和交流電？（示波器演示）2、一般的，利用電能工作的電路電流和電壓比較大，叫強(qiáng)電；利用電信號的電流和電壓比較小，叫弱電；在工業(yè)和遠(yuǎn)距離輸電時往往用到高壓電。3、電信號連續(xù)變化的叫模擬電路；不連續(xù)變化的叫數(shù)字電路。（用示波器演示，并出示相應(yīng)的集成電路）4、直流電、交流電、強(qiáng)電、弱電、高壓電、數(shù)字電路和模擬電路往往有不同的用途，誰能舉幾個例子？電池——直流電；市電——交流電。直流——充電、電鍍；交流——日光燈照明、高爐煉鐵；強(qiáng)電——利用電能；弱電——利用電信號；高壓電——遠(yuǎn)距離輸電。模擬——傳統(tǒng)電路；數(shù)字——現(xiàn)代通信、計(jì)算機(jī)。不同的電信號之間可以相互轉(zhuǎn)化：充電器、穩(wěn)壓電路——交變直；振蕩電路——直變交；變壓器——改變電壓（交流）；分壓電路——改變電壓（直流）；模數(shù)轉(zhuǎn)換（AD）——模變數(shù)；數(shù)模轉(zhuǎn)換（DA）——數(shù)變模；1904-電子管，在真空中對電子流控制1944-第一臺電子計(jì)算機(jī)英國-科洛薩斯1947-第一個晶體管-半導(dǎo)體時代第一臺電子計(jì)算機(jī)1944年“科洛薩斯”計(jì)算機(jī)呈長方體狀，長4．9米，寬1．8米，高2．3米，重約4噸。它的主體結(jié)構(gòu)是兩排機(jī)架，上面安裝了2500個大小形狀如同電燈泡的電子管。它利用打孔紙帶輸入信息，由自動打字機(jī)輸出運(yùn)算結(jié)果，每秒可處理5000個字符。它的耗電量為4500瓦。IBM推出的286電腦，中國計(jì)算機(jī)發(fā)展公司(長城電腦前身)于1986年推出了國內(nèi)第一臺微型計(jì)算機(jī).

自從1904年,世界上第一個電子管發(fā)明以來,人類歷史就進(jìn)入了一個以電子技術(shù)發(fā)展為標(biāo)志的歷史時代.1947年晶體管誕標(biāo)志著人類歷史開始進(jìn)入了半導(dǎo)體時代;七十年代集成電路誕生-微電子時代;八十年代微處理器誕生-進(jìn)入了數(shù)字技術(shù)時代;九十年代PC個人電腦誕生-數(shù)字化時代;二十世紀(jì)第五代微處理器互聯(lián)網(wǎng)誕生-進(jìn)入了電子智能化與信息化時代.

世界上每一次電子技術(shù)的進(jìn)步都會牽動著我國人民的心,但由于國家技術(shù)太落后,新中國成立以閉關(guān)自守,被西方進(jìn)行技術(shù)封鎖,很少與外界接觸和交流,國外電子技術(shù)開始飛速發(fā)展的七十年代,我國正在進(jìn)行文化大革命,使得電子技術(shù)發(fā)展幾乎停滯不前.

(1-8)1.1.1半導(dǎo)體導(dǎo)體：自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體，金屬一般都是導(dǎo)體，如鐵、銅、鋁等。絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半導(dǎo)體：另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱為半導(dǎo)體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理不同于其它物質(zhì)，其特點(diǎn)：

當(dāng)受外界熱和光的作用時，它的導(dǎo)電能力明顯變化。

往純凈半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會使其導(dǎo)電能力明顯改變。1.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性(1-9)1.1.2本征半導(dǎo)體GeSi絕對零度以下，本征半導(dǎo)體中無活躍載流子，不導(dǎo)電常用的半導(dǎo)體是硅和鍺，外層電子（價電子）均4個。本征半導(dǎo)體：完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。形成共價鍵后，最外層電子是8個，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)+4+4+4+4共價鍵結(jié)構(gòu)束縛電子(1-10)1.1.3

雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加。P型半導(dǎo)體：在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼(或銦)而形成，也稱為（空穴半導(dǎo)體）。N型半導(dǎo)體：在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷（或銻）而形成。也稱為（電子半導(dǎo)體）。+4+4+5+4多余電子磷原子N型半導(dǎo)體中的載流子是什么？自由電子為多數(shù)載流子（多子）空穴稱為少數(shù)載流子（少子）自由電子為多子空穴是多子

多子和少子的移動都能形成電流。起導(dǎo)電作用的主要是多子。近似認(rèn)為多子與雜質(zhì)濃度相等(1-11)P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體擴(kuò)散運(yùn)動內(nèi)電場E漂移運(yùn)動擴(kuò)散使空間電荷區(qū)逐漸加寬內(nèi)電場越強(qiáng)，漂移運(yùn)動越強(qiáng)，漂移使空間電荷區(qū)變薄。空間電荷區(qū)，也稱耗盡層。PN

結(jié)的形成－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++擴(kuò)散和漂移運(yùn)動最終達(dá)到平衡，相當(dāng)于兩個區(qū)之間沒有電荷運(yùn)動，空間電荷區(qū)的厚度固定不變1.2PN結(jié)(1-12)

PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

PN結(jié)外加正向電壓：

P區(qū)接正、N區(qū)接負(fù)電壓

PN結(jié)加上反向電壓：

P區(qū)加負(fù)、N區(qū)加正電壓PNPN內(nèi)電場外電場變薄結(jié)論：PN結(jié)導(dǎo)通外電場變厚結(jié)論：PN結(jié)截止內(nèi)電場(1-13)1.3.1基本結(jié)構(gòu)PN結(jié)加上管殼和引線，就成為半導(dǎo)體二極管。引線外殼線觸絲線基片點(diǎn)接觸型PN結(jié)面接觸型PN二極管電路符號1.3PN1.3.2伏安特性UI死區(qū)電壓硅管0.5V,鍺管0.1V導(dǎo)通壓降:硅管約0.7V鍺管約0.3V反向擊穿電壓URVD1.3半導(dǎo)體二極管及其仿真分析(1-14)1.3.3主要參數(shù)1.最大整流電流

IFM二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流2.最大反向工作電壓URM

指管子運(yùn)行時允許承受的最大反向電壓，是反向擊穿電壓UBR的一半。3.反向電流

IR

指二極管加反向峰值工作電壓時的反向電流。其值越小越好。溫度越高反向電流越大。硅管的較小，鍺管的要比硅管大幾十到幾百倍。以上均是二極管的直流參數(shù)，二極管的應(yīng)用是主要利用它的單向?qū)щ娦?，主要?yīng)用于整流、限幅、保護(hù)等等。1.3(1-15)4.直流電阻RDiDuDIDUDQ

iD

uDrD

是二極管特性曲線上工作點(diǎn)Q附近電壓的變化與電流的變化之比：顯然，rD是對Q附近的微小變化區(qū)域內(nèi)的電阻1.35.微變電阻rD二極管上電壓與電流之比正向幾十歐-幾千歐反向幾十-幾百千歐(1-16)實(shí)際二極管：正向壓降

0.7V(硅二極管)

理想二極管：正向壓降=0。分析時，常把二極管看成理想的。RLuiuouiuott1.3.4二極管的應(yīng)用舉例二極管的應(yīng)用舉例1：二極管半波整流應(yīng)用舉例(1-17)二極管的應(yīng)用2tttuiuRuoRRLuiuRuo應(yīng)用舉例(1-18)習(xí)題1-2哪些二極管是導(dǎo)通的?VD截止VD導(dǎo)通VD導(dǎo)通怎么來的？應(yīng)用舉例(1-19)習(xí)題1-3畫出u0波形abcd應(yīng)用舉例(1-20)1.3.5硅穩(wěn)壓二極管+符號穩(wěn)壓管是一種特殊的二極管，它專門工作在反向工作區(qū)特性曲線工作區(qū)IUZUIZ曲線越陡，電壓越穩(wěn)定VS穩(wěn)壓二極管的參數(shù):（4）穩(wěn)定電流IZ、最大、最小穩(wěn)定電流Izmax、Izmin（5）最大允許功耗（1）穩(wěn)定電壓

UZ（2）電壓溫度系數(shù)

U（%/℃）

穩(wěn)壓值受溫度變化影響的的系數(shù)（3）動態(tài)電阻UZ1.3(1-21)穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用舉例1.21、已知ui=20V,UZ1=6V，求U0=？VZ1RiuiU0分析：電流通路穩(wěn)壓管反向擊穿解：U0=6V2、已知ui=20V,UZ1=6V，UZ2=9V，求U0=？VZ1RuiVZ2u0答案：u0=6+9=15V(1-22)1.發(fā)光二極管（LED)1.3.6其他類型二極管LED是LightEmittingDiode的縮寫與普通二極管一樣由PN結(jié)構(gòu)成也具有單向?qū)щ娦?。由磷化鎵（GaP）等半導(dǎo)體材料制成，能直接將電能轉(zhuǎn)變成光能的發(fā)光顯示器件。有正向電流流過時，發(fā)出一定波長范圍的光。(1-23)2光電二極管和普通二極管一樣，也由一個PN結(jié)組成，具有單方向?qū)щ娦浴U照度增加1.2不同之處是光電二極管的外殼上有一個透明的窗口以便接收光線照射，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。是在反向電壓作用下工作的，沒有光照時，反向電流極其微弱，叫暗電流；有光照時，反向電流迅速增大，稱為光電流。光的強(qiáng)度越大，反向電流也越大。光的變化引起光電二極管電流變化，這就可以把光信號轉(zhuǎn)換成電信號，成為光電傳感器件。在電路中通過它把光信號轉(zhuǎn)換成電信號。反向電流隨光照強(qiáng)度的增加而上升。1.3.6其他類型二極管(1-24)1.4.1基本結(jié)構(gòu)BECNNP基極發(fā)射極集電極NPN型PNP集電極基極發(fā)射極BCEPNP型§1.4半導(dǎo)體晶體管1.4BECIBIEICBECIBIEIC符號(1-25)BECNNP基極發(fā)射極集電極基區(qū)：較薄摻雜濃度低集電區(qū)：面積較大發(fā)射區(qū)：摻雜濃度較高集電結(jié)發(fā)射結(jié)1.4.1.基本結(jié)構(gòu)§1.4半導(dǎo)體三極管1.4(1-26)NNPRBEB1.4.2工作原理EC集電結(jié)反偏發(fā)射結(jié)正偏發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴(kuò)散，形成發(fā)射極電流IEIE電子與基區(qū)空穴復(fù)合形成IBIB穿過集電結(jié)形成ICIC三個極電流的關(guān)系為IC與IB之比稱為電流放大倍數(shù)要使三極管能放大電流，必須使發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。(1-27)1）輸入特性UCE1VIB(

A)UBE(V)204060800.40.8工作壓降：

硅管UBE0.7V鍺管UBE0.3VUCE=0VUCE=0.5V

死區(qū)電壓，硅管0.5V，鍺管0.1V。ICmA

AVVUCEUBERBIBECEB

實(shí)驗(yàn)線路1.4.3特性曲線1.4(1-28)IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A（放大區(qū)）滿足IC=

IB當(dāng)UCE大于一定的數(shù)值時，IC=

IB2）輸出特性1.41.4.3特性曲線(1-29)IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A飽和區(qū)截止區(qū)放大區(qū)有三個區(qū)輸出特性三個區(qū)域的特點(diǎn):放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。即：IC=IB

(2)飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏。即：UCE

UBE

，

IB>IC，UCE0.3V

(3)截止區(qū)：

UBE<死區(qū)電壓，IB=0，IC=ICEO

0

1.41.4.3特性曲線(1-30)例：

=50，UCC

=12V，

RB

=70k，RC

=6k

當(dāng)USB

=-2V，2V，5V時，晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)Q位于哪個區(qū)？當(dāng)USB

=-2V時：ICUCEIBUCCRBUSBCBERCUBEIB=0，IC=0IC最大飽和電流：Q位于截止區(qū)

1.4(1-31)例：

=50，UCC

=12V，

RB

=70k，RC

=6k

當(dāng)USB

=2V，2V，5V時，晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)Q位于哪個區(qū)？可知

Q位于放大區(qū)USB

=2V時1.4(1-32)USB

=5V時:例：

=50，UCC

=12V，

RB

=70k，RC

=6k

當(dāng)USB

=5V，2V，5V時，晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)Q位于哪個區(qū)？ICUCEIBUCCRBUSBCBERCUBEQ位于飽和區(qū)，此時IC和IB

已不是倍的關(guān)系。1.4(1-33)直流電流放大倍數(shù)：工作于動態(tài)的三極管，真正的信號是疊加在直流上的交流信號?；鶚O電流的變化量為

IB，相應(yīng)集電極電流變化為

IC，則交流電流放大倍數(shù)為1)電流放大倍數(shù)和

例：UCE=6V時：IB=40A,IC=1.5mA；IB=60A,IC=2.3mA在以后的計(jì)算中，一般作近似處理：

=1.41.4.4主要參數(shù)(1-34)ICEO=

（1+

)ICBO

集-射穿透電流ICEOICEO受溫度影響大，T↑-ICEO↑↑，IC也相應(yīng)增加

集電結(jié)反向飽和電流ICBO

AICBO發(fā)射結(jié)開路,集電結(jié)反偏時由少子漂移形成的反向電流,受溫度影響2)極間反向電流基極開路,從集電極穿透至發(fā)射極的電流三極管的溫度特性較差1.4.4主要參數(shù)(1-35)

集電極最大允許功耗PCM

集電極電流IC流過三極管，所發(fā)出的焦耳熱為：PC=iC

uCE

必定導(dǎo)致結(jié)溫上升所以PC有限制PC

PCM