半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)課件

課題二半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)2/6/2023本章重點：半導(dǎo)體二極管的單向?qū)щ娦约捌鋺?yīng)用，晶體三極管的放大原理，三極管的輸入特性曲線和輸出特性曲線。

半導(dǎo)體二極管外形

半半導(dǎo)體三極管外形

2/6/2023廣西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院李廣興

1.1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識

1．半導(dǎo)體：導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。常用的半導(dǎo)體材料有硅（Si）、鍺（Ge）、硒（Se）和砷化鎵（GaAs）等。2．本征半導(dǎo)體：純凈的不含任何雜質(zhì)、晶體結(jié)構(gòu)排列整齊的半導(dǎo)體。3．共價鍵：相鄰原子共有價電子所形成的束縛。4．半導(dǎo)體中有自由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電。5．半導(dǎo)體的特性熱敏特性和光敏特性:即溫度升高或受到光照，半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電能力增強。摻雜特性即在本征半導(dǎo)體中摻入某種微量元素(雜質(zhì))后，它的導(dǎo)電能力增強，利用該特性可形成雜質(zhì)半導(dǎo)體。

2/6/2023廣西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院李廣興1.1.2二極管的結(jié)構(gòu)、類型、電路符號1．通過一定的生產(chǎn)工藝把半導(dǎo)體的P區(qū)和N區(qū)部分結(jié)合在一起，則它們的交界處就會形成一個具有單向?qū)щ娦缘谋?，稱為PN結(jié)（PNJuntion）。2．以PN結(jié)為管芯，在結(jié)的兩側(cè)，即P區(qū)和N區(qū)均接上電極引線，并以外殼封裝，就制成了半導(dǎo)體二極管，簡稱二極管（Diode）。3．半導(dǎo)體二極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖和電路符號見圖1.1.3，電路符號箭頭方向表示二極管導(dǎo)通時的電流方向。2/6/2023廣西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院李廣興圖1.1.3二極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖和電路符號a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)b)電路符號2/6/2023廣西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院李廣興4．二極管的分類(1)按所用材料不同劃分：硅管和鍺管；(2)按制造工藝不同劃分：點接觸型(如圖1.1.4(a)所示)和面接觸型(如圖1.1.4(b)所示)；其中，點接觸型PN結(jié)的結(jié)電容（Junctioncapacitance）很小，允許通過的電流也很?。◣资涟惨韵拢?，故適用于高頻檢波、變頻、高頻振蕩等場合。如國產(chǎn)檢波二極管2AP系列和開關(guān)二極管2AK系列。面接觸型二極管PN結(jié)面積大，允許通過的電流較大，結(jié)電容也大，適用于工作頻率較低的場合，一般用作整流器件。如國產(chǎn)硅二極管2CP和2CZ系列。2/6/2023廣西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院李廣興1.1.3二極管的伏安特性(Volt-amperecharacteristics)1．二極管的伏安特性方程為：I=Is(－1)(1.1.1)式中，Is為反向飽和電流，室溫下為常數(shù)；u為加在二極管兩端電壓；UT為溫度的電壓當量，當溫度為室溫27℃時，UT≈26mV。當PN結(jié)正向偏置時，若u≥UT，則式（1.1.1）可簡化為：IF≈ISeu/UT。當PN結(jié)反向偏置時，若︱u︱≥UT，則式（1.1.1）可簡化為：IR≈－IS。可知-IS與反向電壓大小基本無關(guān)，且IR越小表明二極管的反向性能越好。2/6/2023廣西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院李廣興2．二極管的伏安特性曲線如圖1.1.6所示，二極管的伏安特性曲線分為三部分：(1)正向特性：如圖OABC段所示，其中OA段為死區(qū)，AB段為緩沖區(qū)，BC段為正向?qū)▍^(qū)。緩沖區(qū)對應(yīng)有二極管導(dǎo)通壓降UF，只有當u≥UF時，二極管才處于完全導(dǎo)通狀態(tài)。硅二極管UF為0.7~0.8V,一般取0.7V，鍺管UF為0.2~0.3V，通常取0.2V。當二極管為理想二極管時，UF=0。(2)反向特性：如圖OD段所示，二極管處于截止狀態(tài)，在電路中相當于開關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)。(3)反向擊穿特性：如圖所示，反向電流在E處急劇上升，這種現(xiàn)象稱之為反向擊穿（Reversebreakdown），此時所對應(yīng)的電壓為反向擊穿電壓UBR。對于非特殊要求的二極管，反向擊穿時會使二極管PN結(jié)過熱而損壞。2/6/2023廣西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院李廣興3.溫度對二極管特性的影響半導(dǎo)體二極管的導(dǎo)電特性與溫度有關(guān)，伏安特性隨溫度變化而變化。通常溫度升高1℃，硅和鍺二極管導(dǎo)通時的正向壓降UF將減小2.5mv左右。從反向特性看，半導(dǎo)體二極管溫度每升高10℃，反向電流增加約一倍。當溫度升高時，二極管反向擊穿電壓UBR會有所下降。2/6/2023廣西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院李廣興1.1.4二極管的應(yīng)用一、二極管的主要參數(shù)（Parameter）：1．最大整流電流IF最大整流電流IF是指二極管長期運行時允許通過的最大正向直流電流。IF與PN結(jié)的材料、面積及散熱條件有關(guān)。大功率二極管使用時，一般要加散熱片。在實際使用時，流過二極管最大平均電流不能超過IF，否則二極管會因過熱而損壞。2．最高反向工作電壓URM（反向峰值電壓）URM是指二極管在使用時允許外加的最大反向電壓，其值通常取二極管反向擊穿電壓的一半左右。在實際使用時，二極管所承受的最大反向電壓值不應(yīng)超過URM，以免二極管發(fā)生反向擊穿。2/6/2023廣西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院李廣興3．反向電流IRIR是指在室溫下，二極管未擊穿時的反向電流值。4．最高工作頻率二極管的工作頻率若超過一定值，就可能失去單向?qū)щ娦?，這一頻率稱為最高工作頻率。主要由PN結(jié)的結(jié)電容的大小來決定。點接觸型二極管結(jié)電容較小，可達幾百兆赫茲。面接觸型二極管結(jié)電容較大，只能達到幾十兆赫茲。注意!手冊上給出的參數(shù)是在一定測試條件下測得的數(shù)值。如果條件發(fā)生變化，相應(yīng)參數(shù)也會發(fā)生變化。因此，在選擇使用二極管時注意留有余量。二極管陽極、陰極一般在二極管管殼上都注有識別標記，有的印有二極管電路符號。對于玻璃或塑料封裝外殼的二極管，有色點或黑環(huán)一端為陰極。對于極性不明的二極管，可用萬用表電阻檔測二極管正、反向電阻，加以判斷。半導(dǎo)體二極管在低頻電路中主要用于組成整流電路、限幅和小電壓穩(wěn)壓電路等。2/6/2023廣西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院李廣興二、二極管限幅電路限幅電路（LimitingCircuit）:又稱削波電路，是用來限制輸入信號電壓范圍的電路。單向限幅電路（SingleLimiter）:上限幅電路:就是使輸入信號上半周電壓幅度被限制在一定值的電路。下限幅電路:就是使輸入信號下半周電壓幅度被限制在一定值的電路。雙向限幅電路（DoubleLimiter）:就是使輸入信號的上、下半周電壓幅度均被限制在各自一定值的電路。2/6/2023廣西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院李廣興1.2特種二極管1.2.1穩(wěn)壓二極管（Voltageregulatordiode）穩(wěn)壓二極管就是通過半導(dǎo)體特殊工藝處理后，使它具有很陡峭的反向擊穿特性的二極管。又稱齊納二極管（Zenerdiode），簡稱穩(wěn)壓管。穩(wěn)壓二極管的電路符號與其伏安特性如圖1.2.1所示。常用穩(wěn)壓二極管有2CW和2DW系列。2/6/2023廣西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院李廣興2．穩(wěn)壓管主要參數(shù)(1)穩(wěn)定電壓UZ它是指穩(wěn)壓管中電流為規(guī)定值IZ時的反向擊穿電壓。(2)穩(wěn)定電流IZ它是指保持穩(wěn)定電壓UZ時的電流。也就是管子的最小穩(wěn)定電流IZmin＝IZ。當反向擊穿電流小于IZmin時，管子不能穩(wěn)壓或效果不好。(3)最大耗散功率PM和最大工作電流IZMPM為穩(wěn)壓管所允許的最大功率，IZM為穩(wěn)壓管允許流過的最大工作電流，超過PM或IZM時，管子因溫度過高而損壞。PM＝UZIZM(4)動態(tài)內(nèi)阻rZ它是指穩(wěn)壓管兩端電壓變化量ΔUZ與相應(yīng)電流變化量ΔIZ之比值。它反映管子的穩(wěn)壓性能，rZ越小，穩(wěn)壓性能越好。2/6/2023廣西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院李廣興(5)穩(wěn)定電壓的溫度系數(shù)CTV穩(wěn)壓管中流過的電流為IZ時，環(huán)境溫度每變化10C，穩(wěn)定電壓相對變化量（用百分數(shù)表示）稱為穩(wěn)定電壓的溫度系數(shù)。它表示溫度變化對穩(wěn)定電壓UZ的影響程度。通常UZ＜5V的穩(wěn)壓管具有負溫度系數(shù)，UZ＞8V的穩(wěn)壓管具有正溫度系數(shù)，而UZ在6V左右時穩(wěn)壓管（如2DW7型）的溫度系數(shù)最小。2/6/2023廣西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院李廣興1.2.3肖特基二極管(又稱為金屬半導(dǎo)體二極管)1．肖特基二極管是利用金屬和N型或P型半導(dǎo)體接觸形成具有單向?qū)щ娦缘亩O管，其電路符號如圖1.2.3所示。2．肖特基二極管的工作速度快，故在數(shù)字集成電路中與晶體三極管做在一起，形成肖特基晶體管，以提高開關(guān)速度。還可用作高頻檢波和續(xù)流二極管等。2/6/2023廣西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院李廣興1.2.4快速恢復(fù)二極管快速恢復(fù)二極管電路符號如圖1.2.4所示。它主要用于高速整流之中，在開關(guān)電源和逆變電源中作整流二極管，以降低關(guān)斷損耗，提高效率和減小噪聲。2/6/2023廣西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院李廣興1.2.5SMT與微型二極管簡介目前，電子元器件正朝著短、小、輕、薄的方向發(fā)展。各種微型元器件相繼問世，應(yīng)用于計算機、電子儀器設(shè)備、家用電器中，如照相機、電子表、VCD、DVD等。隨著微型元器件的問世，表面裝配技術(shù)（SurfaceMountingTechnology,縮寫為SMT）迅速推廣應(yīng)用，逐步取代傳統(tǒng)的印制電路板打孔安裝技術(shù)，表面裝配技術(shù)也稱為表面貼裝技術(shù)。2/6/2023廣西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院李廣興常見微型二極管有以下三種。1．圓柱形無引線二極管圓柱形微型二極管外形圖如圖1.2.5所示，圖中標注尺寸單位為mm。它無引線，兩個端面作陽極、陰極。外形尺寸有φ1.5mm×3.5mm和φ2.7mm×5.2mm。這種管子采用卷帶式和盤式包裝。2．塑封矩形薄片二極管這種微型二極管外形尺寸為3.8mm×1.5mm×1.1mm。包裝采用卷帶式和盤式。3．SOT-23封裝片狀二極管SOT-23封裝形式有三條翼形短引線，外形如圖1.2.6所示，圖中標注尺寸單位為mm。2/6/2023廣西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院李廣興1.3.1三極管的結(jié)構(gòu)、電路符號及分類

半導(dǎo)體三極管分為雙極型三極管(Bipolarjunctiontransistor，BJT)和單極型三極管。雙極型三極管又稱為晶體三極管，簡稱三極管(或晶體管)，它是多數(shù)載流子與少數(shù)載流子均參與導(dǎo)電的三極管。)單極型三極管又稱為場效應(yīng)管(Fieldeffecttransistor，F(xiàn)ET)，它工作時只有多數(shù)載流子參與導(dǎo)電。2/6/2023廣西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院李廣興1．三極管的分類(1)按結(jié)構(gòu)劃分：NPN和PNP。

(2)按所用半導(dǎo)體材料劃分：硅管和鍺管。(3)按用途劃分：放大管和開關(guān)管。(4)按工作頻率劃分：低頻管和高頻管。(5)按功率大小劃分：小功率管、中功率管、大功率管。2/6/2023廣西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院李廣興

2．三極管的結(jié)構(gòu)、電路符號三極管結(jié)構(gòu)與符號如圖所示。

它們有三區(qū)：集電區(qū)、基區(qū)、發(fā)射區(qū)；三極：各對應(yīng)引出的電極分別稱為集電極c（Collector）、基極b（Base）和發(fā)射極e（Emitter）；兩結(jié)：發(fā)射區(qū)與基區(qū)之間的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)Je，基區(qū)與集電區(qū)之間的PN結(jié)稱為集電結(jié)Jc。2/6/2023廣西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院李廣興晶體三極管是由兩個PN結(jié)組成的發(fā)射結(jié)

集電結(jié)發(fā)射極

集電極發(fā)射區(qū)基區(qū)

集電區(qū)基極2/6/2023廣西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院李廣興注意：(1)兩種管子的電路符號用發(fā)射極箭頭方向的不同以示區(qū)別，箭頭方向表示發(fā)射結(jié)正偏時發(fā)射極電流的實際方向。(2)三極管具有信號放大作用。(3)三極管具有電流放大作用的制造工藝條件：基區(qū)很薄且摻雜濃度低，發(fā)射區(qū)摻雜濃度高，集電結(jié)的面積比發(fā)射結(jié)的面積大等。(4)在使用時三極管的發(fā)射極和集電極不能互換。。2/6/2023廣西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院李廣興3．三極管命名方法參閱附錄表查表練習(xí)：

3AX85C、3DX200B、3AK10、3AG53E、3AD50A、3DD101C。2/6/2023廣西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院李廣興1.3.2三極管的電流放大作用及其放大基本條件一、三極管各極的電流分配NPNRCRbVCCVBB+_IBICIEVo

現(xiàn)以NPN型三極管的放大狀態(tài)為例，來說明三極管內(nèi)部的電流關(guān)系。2/6/2023廣西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院李廣興在發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏條件下，三極管中載流子的運動：

（1）發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子：在VBB作用下，發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子形成IEN，基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)擴散形成IEP。IEN>>IEP方向相同VBBVCC2/6/2023廣西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院李廣興（2）電子在基區(qū)復(fù)合和擴散：由發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的電子繼續(xù)向集電結(jié)擴散，擴散過程中少部分電子與基區(qū)空穴復(fù)合形成電流IBN。由于基區(qū)薄且濃度低，所以IBN較小。（3）集電結(jié)收集電子：由于集電結(jié)反偏，所以基區(qū)中擴散到集電結(jié)邊緣的電子在電場作用下漂移過集電結(jié)，到達集電區(qū)，形成電流ICN。VBBVCC2/6/2023廣西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院李廣興二、三極管的電流放大作用1．三極管的電流放大作用就是基極電流IB的微小變化控制了集電極電流IC較大的變化。2．三極管放大電流時，被放大的IC是由電源VCC提供的，并不是三極管自身生成的，放大的實質(zhì)是小信號對大信號的控制作用。3．三極管是一種電流控制器件。2/6/2023廣西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院李廣興三、三極管放大的基本條件1．三極管具有放大作用的偏置條件：發(fā)射結(jié)正向偏置（Forwardbias），集電結(jié)反向偏置（Reversebais）。2．要使NPN型三極管具有放大作用則其三個極的電位關(guān)系必須滿足：UC＞UB＞UE；對PNP型三極管則與之相反，即必須滿足：UC＜UB＜UE。2/6/2023廣西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院李廣興1.3.3三極管的輸入、輸出特性曲線

三極管的各個電極上電壓和電流之間的關(guān)系曲線稱為三極管的伏安特性曲線或特性曲線。常用的是輸入特性曲線和輸出特性曲線。三極管在電路中的連接方式（組態(tài)）不同，其特性曲線也不同。用NPN型管組成的共射特性曲線測試電路如圖1.3.3所示。2/6/2023廣西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院李廣興1.3.3.1輸入特性曲線（Inputcharacteristiccurves）三極管的共射輸入特性曲線方程式為：iB=f(uBE)∣uCE=常數(shù)。測試時，先固定uCE

為某一值，調(diào)節(jié)Rp1

，得到與之對應(yīng)的iB和uBE值，可通過描點在直角坐標系中得到一條iB與uBE的關(guān)系曲線；再改變uCE為另一固定值，可得到另一條iB與uBE的關(guān)系曲線。2/6/2023廣西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院李廣興1.3.3.2輸出特性曲線（Outputcharacteristiccurves）1．方程三極管的輸出特性曲線方程式為：iC=f(uBE)∣iB=常數(shù)。2．輸出特性曲線測試測試時，先調(diào)節(jié)RP1使iB為某一值固定不變，再調(diào)節(jié)RP2，得到與之對應(yīng)的uCE和iC值，根據(jù)所對應(yīng)的值可在直角坐標系中畫出一條曲線。重復(fù)上述步驟，可得不同IB值的曲線族，2/6/2023廣西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院李廣興3．三極管輸出特性曲線的四個區(qū)

(1)放大區(qū)（Activeregion）是指iB＞0和uCE＞0.3V的區(qū)域，即曲線的平坦部分。放大區(qū)的特點：①

發(fā)射結(jié)正偏導(dǎo)通，集電結(jié)反偏，且為0.7V(硅管)或0.2V(鍺管)；＞1V；②

iC與iB有固定關(guān)系，即iC＝βiB，體現(xiàn)了三極管的放大作用。曲線間隔的大小反映出三極管電流放大能力的大小，即β值的大??；③iC大小與uCE基本無關(guān)。2/6/2023廣西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院李廣興(2)飽和區(qū)（Saturationregion）是指iB＞0，uCE

≤0.3V的區(qū)域。飽和區(qū)的特點：①發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為正偏，且為0.7V(硅管)或0.2V(鍺管)；＝0.3V(硅管)或0.1V(鍺管)。②iC不受iB控制，即失去放大作用。③當uBE=uCE時，集電結(jié)零偏，為臨界飽和狀態(tài)。此時UCE稱為飽和壓降，用uCE(sat)表示；大小為0.3V(硅管)或0.1V(鍺管)。2/6/2023廣西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院李廣興(3)截止區(qū)(Cutoffregion)是指iB=0曲線以下的區(qū)域。特點：發(fā)射結(jié)反偏或零偏，集電結(jié)反偏，管子失去放大作用，處于截止狀態(tài)，iC很小。此時的iC稱為三極管的穿透電流ICEO。(4)擊穿區(qū)(Breakdownregion)當三極管uCE增大到某一值時，iC將急劇增加，特性曲線迅速上翹，這時三極管發(fā)生擊穿。工作時應(yīng)避免管子擊穿。4．PNP管特性曲線由于電源電壓極性和電流方向不同，PNP管與NPN管的特性曲線是相反、“倒置”的。2/6/2023廣西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院李廣興1.3.4三極管的主要參數(shù)及溫度對特性的影響三極管的參數(shù)用來表征管子性能優(yōu)劣和適用范圍，它是合理選用三極管的依據(jù)。一、電流放大系數(shù)（Currentamplificationfactor）電流放大系數(shù)是表征三極管放大能力的參數(shù)。電路工作狀態(tài)有兩種：電路無交流信號輸入而工作在直流狀態(tài)時，稱為靜態(tài)；電路有交流信號輸入而工作在交流狀態(tài)時，稱為動態(tài)。1．共射電流放大系數(shù)，常數(shù)，前者反映靜態(tài)時集電極電流與基極電流之比值；而后者反映動態(tài)時的電流放大作用。一般與β數(shù)值相近，在實際應(yīng)用中=β，本課程統(tǒng)一用β表示。2/6/2023廣西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院李廣興．β與溫度的關(guān)系溫度升高，β值增大。每升高1℃，β值增加0.5%～1%，反映在輸出特性曲線上就是各條曲線的間距增大。3．共基電流放大系數(shù)，常數(shù)，前者反映靜態(tài)時集電極電流與發(fā)射極電流之比值，而后者反映動態(tài)時的電流放大作用。4．α與β的關(guān)系

。2/6/2023廣西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院李廣興二、極間反向電流極間反向電流是由少數(shù)載流子形成的，其大小表征了管子的溫度特性。1．ICBO指發(fā)射極開路時，集電極和基極之間的反向飽和電流。ICBO很小，但受溫度影響較大，溫度升高，ICBO增加。一般硅管熱穩(wěn)定性比鍺管好。圖1.3.6a為該參數(shù)的測試電路。2．ICEO是指基極開路時，集電極和發(fā)射極之間的反向飽和電流，又稱為穿透電流。ICEO=(1+β)ICBO，且ICEO越小越好。其測試電路如圖1.3.6b所示。2/6/2023廣西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院李廣興三、極限參數(shù)它是表征三極管能安全工作的參數(shù)。1．集電極最大允許電流ICM(Maximumallowablecollectorcurrent)是指當β下降到正常β值的2/3時所對應(yīng)的IC值。當IC超過這個值時，放大性能下降或損壞管子。2．反向擊穿電壓（Reversebreakdownvoltage）(1)U(BR)CBO發(fā)射極開路時，集電極－基極之間允許施加的最高反向電壓，其值通常為幾十伏，有的管子高達幾百伏。超過此值，集電結(jié)發(fā)生反向擊穿。2/6/2023廣西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院李廣興(2)U(BR)EBO集電極開路時，發(fā)射極－基極之間允許施加的最高反向