晶体管原理

故称为 “双极型器件”
2020/3/25
《低频电子线路》
20
本征半导体导电能力
本征（热平衡）载流子浓度 Ni = pi = A T3/2e-Ego/2kT
其中：Ni ----- 自由电子浓度；Pi ---------空穴浓度；
A ----与 材料有关的常数；T -------- 热力学温度； Ego-----T=0K时禁带宽度；
2020/3/25
《低频电子线路》
26
以上得出结论
杂质半导体少子浓度
主要由本征激发（Ni2）决定（和温度有关）。
杂质半导体多子浓度
由搀杂浓度（ Nd 或Na）决定（是制管子时固 定形成的）。
2020/3/25
《低频电子线路》
27
半导体中有两种电流
漂移电流 扩散电流
2020/3/25
《低频电子线路》
2020/3/25
《低频电子线路》
36
PN结特性
（1）、伏安特性（电压电流特性）
2020/3/25
《低频电子线路》
37
PN结特性
正向导通
阈值电压 VD Si管： 0.5~0.7V, Ge管： 0.1~0.3V
反向截止
反向饱和漏电流IS（很小）
2020/3/25
《低频电子线路》
38
（2）电阻特性
2020/3/25
《低频电子线路》
63
非平衡载流子传输三步曲(以NPN为例)
①发射区向基区的注入 (多子，扩散运动 为主)
②基区的复合和继续扩散
③集电结对非平衡载流子的收集作用 （漂移为主）
2020/3/25
《低频电子线路》
64
晶体管内部工作原理（图）
2020/3/25
《低频电子线路》
65
晶体管工作条件
使PN结变窄。 扩散运动＞漂移运动。
称为“正向导通”
2020/3/25
《低频电子线路》
34
外加偏置
反向偏置
P接电源负，N接电源正 外电场与内电场方向相同（增强内电场），
使PN结变宽。 扩散运动＜漂移运动。
称为“反向截止”
2020/3/25
《低频电子线路》
35
二极管的开关作用
正向导通，相当二极管闭合。 反向截止，相当二极管打开。 相当一个正、反向电压控制的等效开关。
K --- 波尔兹曼常数 T --- 绝对温度
2020/3/25
《低频电子线路》
21
电中性
N型半导体
自由电子数= 空 穴 数 + 施主杂质数
P型半导体
空 穴 数 = 自由电子数 + 受主杂质数
2020/3/25
《低频电子线路》
22
N型半导体的载流子浓度
满足热平衡条件，对外呈电中性。
Nn ·Pn = ni2
其中： Nn为多子, Pn为少子
ni2 为本征半导体浓度
2020/3/25
《低频电子线路》
23
P型半导体的载流子浓度
满足热平衡条件，对外呈电中性。
Pp ·nP = ni2
其中 pP为多子,np为少子
ni2为本征半导体浓度
2020/3/25
《低频电子线路》
24
多子浓度
N型 nn= pn+Nd ∴ nn≈Nd
2020/3/25
《低频电子线路》
6
掌握和提高的两个阶段
分析（初级要求）：打好基础，练好基 本功（识图、分析、应用） 综合（高级要求）：学习设计：课程设 计、毕业设计、CAD、EDA。
2020/3/25
《低频电子线路》
7
第一章 半导体与集成电路器件
这一章讲器件 主要是概念
2020/3/25
《低频电子线路》
2020/3/5
《低频电子线路》
15
本征半导体
指纯净的晶格完整的半导体 是制作管子的基材。
2020/3/25
《低频电子线路》
16
本征激发与复合
本征激发（光照、加温度），自由电子 和空穴成对产生。 复合时又成对消失（湮灭）
2020/3/25
《低频电子线路》
17
本征激发与复合
本征激发
一分为二 合二为一
46
稳压管符号与击穿特性
2020/3/25
《低频电子线路》
47
稳压管特性
稳压管反接电压（P负 N正）， 工作于反向击穿区。
2020/3/25
《低频电子线路》
48
稳压管参数
稳压电压 VZ 额定功耗 Pz 稳定电流 Iz 动态电阻 rz 温度系数
2020/3/25
《低频电子线路》
49
（5）温度特性和反向漏电流
《低频电子线路》
山东大学 信息科学与工程学院
刘志军
2020/3/25
《低频电子线路》
1
章节小结
对前面学过的两章进行小结
2020/3/25
《低频电子线路》
2
课程性质
专业（技术）基础课（平台课、主干课） 硬件内容 实践性（应用、务实）
2020/3/25
《低频电子线路》
3
学习思路
过“三关”
器件关（“管”为“路”用），外特性（管 子参数、特性曲线），近似模型；
70
电路特点
输入回路（接信号源，加入信号） 输出回路（接负载，取出信号） 公共端（地）（介于输入、输出之间）
CE 共射， E 地 CC 共集， C 地 CB 共基， B 地
28
2、PN结与二极管
PN结又称为
空间电荷区 耗尽层 自建电场、 势垒区、 阻挡层。
PN结很窄（几个到几十个 m)
2020/3/25
《低频电子线路》
29
PN结的形成
三步曲：
扩散运动（浓度梯度引起） 漂移运动（内建电场引起） 动态平衡（两者相等，PN结形成）
2020/3/25
《低频电子线路》
温度影响少子（本征激发） 这是不可控的部分（电流噪声） 反向漏电流 I≈－IS
2020/3/25
《低频电子线路》
50
工艺和类型
平面型二极管：适合整流， 低频应用(结电容大)
面接触型二极管：适合整流， 低频应用(结电容大)
点接触型二极管 ：适合检波， 可高频应用(结电容小)
2020/3/25
《低频电子线路》
2020/3/25
《低频电子线路》
61
符号解释
三个电极
发射极，基极，集电极 发射极箭头方向指实际电流方向
三个区
发射区(高掺杂)，基区(很窄)，集电区
两个PN结
发 射 结 (eb 结 ), 集 电 结 (cb 结 )
2020/3/25
《低频电子线路》
62
（2）BJT工作原理
依靠管子内部非平衡载流子的传输
8
1、半导体特性
物质按导电性能分类 导体 半导体 绝缘体
2020/3/25
《低频电子线路》
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半导体性能
三大特性
掺杂特性 热敏特性 光敏特性
2020/3/25
《低频电子线路》
10
半导体材料
硅 (Si) 锗（Ge) 复合材料
2020/3/25
《低频电子线路》
11
半导体材料制作
拉多晶---拉单晶----切片----晶元（晶片） （5英寸、8英寸、10英寸）----清洗----研 磨----光刻（版图、掩膜、制版）----- 扩 散----腐蚀-----清洗-----压引线----封装--测试-----热老化-----成品------出厂
电路关（电路结构、电路原理、近似分析、 工程估算）
应用关（实际应用、动手能力、加强实践）
2020/3/25
《低频电子线路》
4
分立与集成的关系
讲原理（分立） 讲应用（集成）
2020/3/25
《低频电子线路》
5
学习方法和基本要求
“三基”
基本概念（关键词：术语和专用名词） 基本原理（电路分析：单元电路、综合电路） 基本应用（实践锻炼：实验、维修、设计）
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3、二极管主要参数、模型和基本应用
（1）主要参数
最大整流电流IF 最大反向工作电压VR 反向电流IR 最高工作频率fm 直流电阻和交流电阻
2020/3/25
《低频电子线路》
52
（2）二极管电路模型（图）
2020/3/25
《低频电子线路》
53
二极管大信号模型（图 ）
以上三种电路模型(近似、简化、理想)均 为二极管近似模型(线形化)。 不同电路模型可根据不同需求时采用。
《低频电子线路》
42
（4）击穿特性和稳压二极管
三种击穿
电击穿（可逆的）---- 加限流电阻 热击穿（不可逆）---- 加散热片 二次击穿（不发热，但永久损坏，是材料缺陷
引起的）
2020/3/25
《低频电子线路》
43
电击穿机理
（1）雪崩击穿
低掺杂， PN结宽， 正温系数，
常发生于大于7伏电压的击穿时（雪崩效 应）
势垒电容CT，反偏时体现，和PN结宽窄有 关，一般几~几十PF。
扩散电容CD，正偏时体现，和载流子浓度梯 度有关，一般几十~几百PF。
2020/3/25
《低频电子线路》
41
注意结电容和结电阻的关系
两者是并联关系。
反偏时，考虑CT（电阻大）。 正偏时，考虑结电阻（电阻小），电容效应
不明显。
2020/3/25
两种电阻均与Q点有关
动态电阻（交流电阻） r = △v / △I 是负载线（Q点）切线的倒数
静态电阻（直流电阻） R = V/ I 是负载线（Q点）割线的倒数
2020/3/25
《低频电子线路》
39
电阻特性（图）
2020/3/25
《低频电子线路》
40
（3）电容特性与变容二极管
两种PN结电容效应
①内部条件
发射区高掺杂(故管子e、c极不能互换) 基区很薄(几个m)
②外部条件
发射结(eb结)正偏 集电结(cb结)反偏
2020/3/25
《低频电子线路》
66
外电路电流
IE = IB + IC
可以视为节点关系
C IC
E IE IB
B
2020/3/25
《低频电子线路》
67
（3）三种放大组态
2020/3/25
《低频电子线路》
12
半导体工艺
烧结工艺 扩散工艺 离子注入工艺
2020/3/25
《低频电子线路》
13
半导体结构的描述
两种理论体系
共价键 结构 能级能带 结构
2020/3/25
《低频电子线路》
14
两种载流子的理论
导体，一种载流子（自由电子） 半导体，两种载流子（自由电子、空穴）
2020/3/25
《低频电子线路》
54
（3）二极管的基本应用
整流电路 限幅电路 电平选择电路 稳压管应用电路 二极管其它应用
2020/3/25
《低频电子线路》
55
二极管应用举例
2020/3/25
《低频电子线路》
56
其他二极管
如 变容二极管 光电二极管 发光二极管 肖特基二极管等。
2020/3/25
2020/3/25
《低频电子线路》
44
电击穿机理
（2）齐纳击穿
高掺杂， PN结窄， 负温系数，
常发生于小于5伏电压的击穿时（隧道效 应）
2020/3/25
《低频电子线路》
45
电击穿特殊情况
在（ 5~7）V 击穿发生时，两种击穿机 理都有。 温度系数可达到最小。
2020/3/25
《低频电子线路》
P型 PP= nP+Na ∴ PP≈Na
以上说明杂质半导体性质取决于掺杂
2020/3/25
《低频电子线路》
25
少子浓度
N型半导体 少子浓度 pn = ni2 / nn≈ni2 / Nd
其中 nn≈Nd（施主杂质浓度）
P型半导体 少子浓度 nP = ni2 / PP≈ni2 / Na
其中 Pp≈Na（受主杂质浓度）
晶体管放大有三种组态
共射（CE） 共集（CC） 共基（CB）
2020/3/25
《低频电子线路》
68
三种放大组态（图）
2020/3/25
《低频电子线路》
69
电路特点
均是针对信号（交流）而言。 信号流向：
CE: b 进 c 出 CC: b 进 e 出 CB: e 进 c 出
2020/3/25
《低频电子线路》
《低频电子线路》
32
开关特性
当V＞0时
I
≈
IS（e
+
V
/V
T
）
电压电流是e指数关系----正向导通。
当V＜0时
I
=
IS（e
－V/V
T
－1）≈
－
IS
流过电流为饱和漏电流------ 反向截止。
2020/3/25
《低频电子线路》
33
外加偏置
正偏置
P接电源正，N接电源负 外电场与内电场方向相反（削弱内电场），
30
两种PN结
对称结（PN或NP）
两边掺杂相同
不对称结（P+N或N+P）
两边掺杂不同（一边高掺杂）
2020/3/25
《低频电子线路》
31
PN结的单向导电性
PN结方程
I = IS（e qv/KT －1)
=IS（e
V/V T
－1)
其中 VT= kT/q
IS ------ 反向饱和电流
2020/3/25
复合
2020/3/25
《低频电子线路》
18
杂质半导体
本征半导体掺杂形成杂质半导体（可应 用）。
掺入五价元素，形成N型半导体 掺入三价元素，形成P型半导体
2020/3/25
《低频电子线路》
19
杂质半导体的两种载流子
N型 半导体：
多子 自由电子， 少子 空 穴。
P型 半导体：
多子 空 穴 少子 自由电子
《低频电子线路》
57
4、双极型晶体管（BJT）
2020/3/25
《低频电子线路》
58
（1）晶体管类型和符号
NPN型 PNP型
2020/3/25
《低频电子线路》
59
结构和符号表示（图）
2020/3/25
《低频电子线路》
60
文字符号:
新符号：
V（单符号） 或 VT(双符号)
原符号：
BG T