第五章 常用半导体器件

PN结特性空穴自由电子扩散运动：浓度差而产生载流子运动内电场的形成：扩动散运动形成界面二端P区留下不能移动的负离子而N区留下不能移动的正离子内电场方向+-内电场的作用：阻碍多子扩动散运动，有利于少子漂移运动扩动散运动与漂移运动达到平衡形成PN结PN结︷PN结形成PN结单向导电性PN结形成------------++++++++++++PN电荷区变窄外电场EPN结正向偏置：P接正极，N接负极PN结导通且PN结电压较小（硅0.7V,锗0.3V)耗尽层变窄形成较大正向电流扩散电流加大，扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。++++++++++++------------NP电荷区变宽外电场PN结单向导电性PN结反向偏置：P接负极，N接正极耗尽层变宽形成很小反向饱和电流PN结截止总结：PN结正偏导通PN结反偏截止反向饱和电流由少数载流子形成5.2半导体二极管一．二极管的构成与特性在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。它们的结构示意图如图所示。(1)点接触型二极管—PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。(a)点接触型二极管的结构示意图二极管的结构示意图(c)平面型(3)平面型二极管—往往用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。(2)面接触型二极管—(b)面接触型PN结面积大，用于工频大电流整流电路。二极管图片及符号D二．二极管伏安特性)1e(TSUuIi端电压温度的电压当量反向饱和电流电流开启电压正向特性为指数曲线反向电流为常量Uon1．正向特性Uon：死区的开启电压，硅管的Uon约为0.5V，锗管的Uon约为0.2V。正向导通电压：硅管为0.7V，锗管为0.2V2．反向特性：内外电场方向相同，阻碍扩散运动，有利于漂移运动UBR:反向击穿电压3.温度对二极管伏安特性的影响：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UonU(BR)温度每升高10C，正向压降减小2~2.5mV；温度每升高100C，反向电流约增大一倍。三．二极管的主要参数1.最大整流电流IOM：2.最大反向工作电压URM：3.反向电流IR：反向饱和电流二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大整流电流的平均值。二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压VBR。为安全计，在实际工作时，最大反向工作电压VRM一般只按反向击穿电压VBR的一半计算。4.正向压降UF：在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。小电流硅二极管的正向压降在中等电流水平下，约0.6～0.8V；锗二极管约0.2～0.3V。ui0.7Vi四．二极管基本电路及其分析方法理想二极管：正向时UD=0导通，反向时截止恒压降：正向时UD=0.7导通，反向时截止uii分析方法：1、选择参考电位；2、假设D截止；3、进一步判断D上正负极电位例:1uitT/2TuOtT/2Tui0，ui=uoui0u0=0uiuo理想二极管理想二极管分析例:2DR+ui-+uo2-i5V+uR-ouo25Vui502iRiuuuuD截止Vui5Vu502D导通t/sui/Vo10-10理想二极管例3：求I1，I2IOUO因US1﹥US2故二极管导通UO=15VIO=15/3=5mAI2=(15-12)/1=3mAI1=I2+IO=8mA15VUS1US2RUORL3K1KI2I1IO++--12V-+故D2止D1D2R6V12V+-++--U0而D1通00UVV612例4：求UO恒压降二极管分析例1：例2：五、特殊二极管1.稳压二极管利用PN结反向击穿时电流在较大范围内变化而端电压基本不变而制成特殊二极管。(利用二极管反向特性)稳压管的伏安特性符号稳压二极管主要参数稳定电压UZ：指稳压管反向电流为规定值时稳压管两端的电压，如2CW18，稳压管稳压值为10~12V。稳定电流IZ：维持稳定电压的工作电流（IZmin～IZmax）额定功耗PZ：PZ为稳压管允许的最大平均功率，有的手册给出最大稳定电流IZM，两者之间的关系为PZ=IZMUZ。稳压管的功耗超过PZ或工作电流超过IZM，稳压管将因热击穿而损坏。稳压二极管稳压电路ZLR+=IIIOZIRIR==UUUUUIR稳压过程UI↑→UO↑→UZ↑→IZ↑→IR↑→UR↑→UO↓DZIRIZRLR+UI-+UO-+UZ-ILIL↑→IR↑→UR↑→UZ↓（UO↓）→IZ↓→IR↓→UR↓→UO↑限流电阻DZIRIZRLR+UI-+UO-+UZ-LI+-RU稳压（限流）电阻的计算（输入电压不变）(1)因为IZ不应小于IZmin，由此可计算出稳压电阻的最大值，实际选用的稳压电阻应小于最大值。即LZminZmax=IIUURImaxminRRRmaxminZLzIIIRUUminmaxZLZIIIRUU(2)因为IZ不应超过IZmax，由此可计算出稳压电阻的最小值。即LZmaxZImin=IIUURP97例5.32.变容二极管-uD/VC/pFO30906048121620C-U特性曲线符号3.光电二极管(a)(b)-50E=200lx400lxi/uAu/V图6.3.3光电二极管(a)符号(b)特性曲线4.发光二极管发光二极管是由砷化镓、磷化镓等材料制成的一种器件。当它通以电流时，将发出光来，发光亮度取决于电流的大小，电流越大，亮度越强。符号例当输入电压Ui从24V变化到28V时，求流过稳压管的电流IZ+Ui-1K12V+UO-当Ui=24V时IZ=（24-12）/1=12mA当Ui=28V时IZ=（28-12）/1=16mA因Ui﹥12V故稳压管正常工作故电流IZ变化范围（12～16）mADZIRIZRLR+UI-+UO-+UZ-LI+-RU（1）如上图所示，已知UZ=6V,IZmin=5mA,IZmax=25mA,UI=10V,RL=600Ω,求限流电阻R的取值范围（2）若已知UI=30V,PZM=250mW,UZ=6V,R=1KΩ,试判断当RL=无穷大，1KΩ，100Ω时，DZ是否稳压例5.3晶体三极管（BipolarJunctionTransistor）一、BJT的结构、类型与电流放大原理简写为BJT又称半导体三极管，双极型晶体三极管，简称晶体管或三极管。它是通过一定的工艺，将两个PN结结合在一起的半导体器件，由于两个PN结之间的相互作用，使BJT表现出不同于单个PN结的特性，而具有电流放大、电流控制的作用。发射区：发射结Je、发射极e集电区：集电结JC、集电极c基区：基极b结构:三个区，三个电极，两个PN结三极管的电流放大原理：为使三极管具有电流放大作用，在制造过程中必须满足实现放大的内部结构条件，即：（1）发射区掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度，以便于有足够的载流子供“发射”。（2）基区很薄，掺杂浓度很低，以减少载流子在基区的复合机会，这是三极管具有放大作用的关键所在。（3）集电区比发射区体积大且掺杂少，以利于收集载流子。由此可见，三极管并非两个PN结的简单组合，不能用两个二极管来代替；在放大电路中也不可将发射极和集电极对调使用。（三极管具有电流放大的内部条件）当三极管处于放大状态时，能将输入的小电流放大为输出的大电流。下面以NPN型三极管为例来分析其放大原理.1、三极管内部载流子的运动①发射区向基区注入电子：由于发射结正偏，载流子的运动以多子的扩散运动为主，发射区的多子（电子）不断通过发射结扩散到基区，基区的多子（空穴）也通过发射结扩散到发射区，这两种多子的扩散运动形成的扩散电流即发射极电流IE。②电子在基区扩散和复合：到达基区的大量电子只有很小的一部分和基区的多子——空穴复合（因基区掺杂浓度很小，空穴也很小，因此扩散到基区的电子和空穴的复合运动形成很小的基极电流IBn）。③集电区收集电子：由于集电结反偏，有利于少子——电子的漂移运动，扩散到基区而未能和空穴复合的电子数量又较大，受集电极高电势的吸引（漂移运动），很容易越过薄薄的基区和集电结到达集电区，形成集电极电流ICn。与此同时。由于集电结反向偏置，基区本身的少子（电子）与集电区的少子（空穴）将在结电场的作用下形成漂移电流，即反向饱和电流ICBO,三极管内部有两种载流子参与导电，故称为双极型晶体管则三极管三个电极电流:IB=IBn-ICBO,IC=ICn+ICBOIE=ICn+IBn=IBn-ICBO+ICn+ICBO=IB+IC2、各级电流之间的关系放大电路因此，该回路称为共射共端发射极为两个回路的公路：所在回路称为输出回路：所在回路称为输入回在上图所示电路中CIIB在近似分析中可以认为两个值相等系数共发射极直流电流放大,BCII系数共发射极交流电流放大常数,CEUBCii三极管的电流放大作用反映在用较小的基极电流iB来控制较大的并以相同的规律变化的集电极电流iC。符号意义：交流值（交流瞬时值）直流）总瞬时值（交流有效值（总有效值）直流电流值bBbBiiII反映三极管各极电压和电流之间的相互关系的曲线。ICmAAVVUCEUBERBIBECEB实验电路(共发射极接法)CBERC三、三极管的共射特性曲线1.输入特性曲线：UCE为常数时，IB与UBE的关系曲线（同二极管）IB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1V死区电压，硅管0.5V工作压降：硅管UBE0.7V左右常数CEUBEBufI2.输出特性曲线指基极电流IB一定时，集电极电流IC与UCE之间的关系曲线。常数CEUBCii三个工作区域：放大区、截止区、饱和区开关特性数字电路模拟电路常数BICECUfI从输出特性曲线可以划分为三个区下面就对它的三个工作区进行分析OUCE/VIC/mAIB=80uA40uA0uA20uA60uA截止区饱和区放大区晶体管的三个工作区域：①截止区：发射结和集电结均反偏，即：IB≈0，而IC≈0。在近似分析时认为晶体管截止。②放大区：发射结正偏，且uBE＞Uon，集电结反偏。对于共射电路，UBE＞Uon，UCE≥UBE。此时，IC几乎仅仅决定于IB而几乎与UCE无关。表现出IB对IC的控制作用。③饱和区：发射结与集电结均正偏。在饱和区内，不满足IC和IB之间的关系。一般称UCE=UBE时三极管的工作状态为临界饱和状态。饱和时的UCE称为饱和管压降，记作UCES三极管三种工作状态的特点:(2)饱和状态BE结正偏，BC结正偏，即UCEUBE，（UCE＝UBE称为临界饱和）IC与IB不成比例，UCE0.3V,C、E电极间相当于短路。(3)截止状态BE结反偏，BC结反偏，（或UBE死区电压。）IB=0，IC=ICEO0，C、E电极间相当于开路。(1)放大状态BE结正偏，BC结反偏，IC≈IB,△IC=β△IB，UCE1V。结论：对于NPN管而言：UEUB且UCUB时，处于截止状态UBUE且UCUB时，处于放大状态UBUE且UBUC时，处于饱和状态对于PNP管而言：UEUB且UCUB时，处于截止状态UBUE且UCUB时，处于放大状态UBUE且UBUC时，处于饱和状态设三极管处于放大状态，测得各脚对地的电位如下表，试判断管型（NPN或PNP）、材料（硅或锗），并确定B、E、C极。序号U1U2U3管型材料EBCA00.3-5B822.7C-25-2.3D-10-2.3-3例判断方法：(1)在三个电极电压中判断有无电压差为0.2-0.3V或0.6-0.7V，从而确定材料和C极；（2）如C极电压最高，则为NPN，最低则为PNP。（3）确定B、E极。PNP锗U2U1U3四、晶体管的主要参数直流参数：共射直流电流放大系数：BCBCEOCIIIII共基直流电流放大系数：ECECBOCIIIII极间反向电流：CBOI发射极开路时集电结的反向饱和电流基极开路