半导体器件-二极管-三极管

（2）三极管具有电流放大作用时在三极管内部载流 子的传输过程（以NPN管为例介绍）
①发射结正偏，发射区向基区注入自由电子（对NPN管子为自 由电子，对PNP管子为空穴）
②自由电子在基区扩散与复合（对NPN管子为自由电子，对 PNP管子为空穴）
• 一部分与基区空穴复合，形成 基极复合电流 IB'
在基区内自由电子 继续向集电结方向 扩散
1个PN结 : 二极管,单向导电性,开关作用 2个PN结 : 三极管,电流控制作用,开关作用 3个PN结 : 晶闸管,可控整流
四、双极型三极管
两个PN结,每个有正偏和反偏两种状态,组合起来,共有4种状态:
发射结正偏,集电结反偏:放大区，在模拟放大电路中使用
发射结正偏,集电结正偏:饱和区 发射结反偏,集电结反偏:截止区 在数字电路中使用
为开关元件的一个状态。
放大区：曲线近似水平的区域，曲线随vCE增加略有上翘，基区宽度调 制效应，发射结 正偏,集电结反偏。集电极电流主要决定于基极电流。
有关三个区的几个简单结论
• 截止区: 三极管的三个电极所在的支路中的电流为0,任意两个极 之间的电压是多少，决定于外电路，满足电路方程。
v 0.3V • 饱和区： CE NPN的vBE =0.7V, PNP的vBE =-0.2V，没有ß ，三 极管的三个电极所在的支路中的电流决定于外电路，满足电路方 程。
1、 半导体二极管的结构
在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极 管按结构分为点接触型、面接触型和平面型三大类。
(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。
二极管的结构示意图
(a)点接触型
(2)
面接触型二极管
PN结面积大，用于 工频大电流整流电路。
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、 NPN共射输出特性曲线 iC=f(vCE) iB=const
饱和区：iC明显受vCE控制的区域， 该区域内，一般vCE＜0.3V(硅 管)。此时，发射结正偏，集电 结正偏或反偏电压很小。
放大区：iC平行于vCE轴的区 域，曲线基本平行等距。此 时，发射结正偏，集电结反 偏。 截止区：iC接近零的区域，相 当iB=0的曲线的下方。此时， vBE小于死区电压。
+4
+5 +4
+4
+4
+4
+4
+4
+4 +5
+4
自由电子是多子（杂质、热激发） 空穴是少子 （热激发）
二、P型半导体
在本征半导体中掺入三价元素如B 因留下的空穴很容易俘获 电子，使杂质原子成为负 离子。三价杂质 因而也 称为受主杂质。
+4
+3 +4
+4
+4
+4
+4
+4
+4 +3
+4
空穴是多子 （杂质、热激发） 自由电子是少子（热激发）
VCC
iC=f(vCE) iB=const
共射极放大电路
注意电压变量、电流变量的写法：小写的字母，大写的下 标
1、 NPN共射输入特性曲线
iB=f(vBE) vCE=const
(1) 当vCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。（饱和区） (2) 当vCE≥1V时， vCB= vCE - vBE>0，集电结已进入反偏状态， 开始收集电子，基区复合减少，同样的vBE下IB减小，特性曲线右 移。
外
内
PN结呈现低阻性
2. PN结加反向电压时的导电情况
电压的真实方向
P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏； 外电场与PN结内电场方 向相同，增强内电场。 内电场对多子扩散运动阻 碍增强，扩散电流大大减 小。少子在内电场的作用 下形成的漂移电流加大。 此时PN结区少子漂移电流 大于扩散电流，可忽略扩 散电流。但是漂移电流本 身就很小，因为是少子形 成的ＰＮ结变宽 外
三极管符号
结构特点(对NPN PNP型均适用)
• 发射区的掺杂浓度最高； • 集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大；
• 基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且 掺杂浓度最低。
管芯结构剖面图
2、 BJT的电流分配与放大原理
（1）要使三极管具有电流放大作用所必须提供的条件：
外部条件：外加直流电压源保证发射结正偏，集电结反偏。 内部条件: 发射区的掺杂浓度最高； 集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大； 基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺 杂浓度最低。
输入特性曲线 输出特性曲线
共射接法特性曲线
特性曲线 的分类 共基接法特性曲线 共集接法特性曲线 NPN管特性曲线 PNP管特性曲线
我们只研究NPN共射 特性曲线（输入、输出）
规定电压和电流的参考方向如图所示：
iB=f(vBE) vCE=const
iB
vBE - e VBB
b +
c + iC
vCE
用字母表示器件的种类 用字母表示材料 三极管 第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、 C硅PNP管、D硅NPN管 第三位：X低频小功率管、D低频大功率管、 G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管
BJT的特性曲线
BJT非线性器件，所以电压、电流之间的关系只能用曲线 才能描述清楚 从使用三极管的角度看，了解特性曲线比了解内部载流子的 运动更重要，所以我们现在作为使用者，而不是制造者，我 们要对特性曲线进行更深入的分析，而内部载流子的运动规 律可以帮助我们解释为什么特性曲线是这样。
发射结反偏,集电结正偏: 倒置状态,基本上没有什么用处
1、 BJT的结构简介
半导体三极管的结构示意图如下图所示。它有两种 集电极，用C或c 发射极， 用 E或e 类型 :NPN 型和PNP型。 表示（Collector）。 集电区 发射区 表示（Emitter ）； 两种类型的三极管
基区 发射结(Je) 集电结 基极，用B或b表示（ Base(Jc) ）
2、
半导体材料硅（Si ）锗（ Ge）的原子结构与共价键
外层电子（价电子）数4个，价电子受原 子核的束缚力最小，决定其化学性质
3、
本征半导体、空穴、及其导电作用
本征半导体：完全纯净、结构完整的半导体晶体。 纯度：99.9999999%，“九个9” 它在物理结构上呈单晶体形态。 T=0K 且无外界激发，只有束缚电子，没有自由电子，本征半 导体相当于绝缘体 T=300K，本征激发，少量束缚电子摆脱共价键成为自由电子
vCE = 0V vCE 1V
NPN共射输入特性曲线的特点描述
• • （1）当vCE=0V时，相当于正向偏置的两个二极管并联，所以与PN结的正 向特性相似 （2） vCE≥1V的特性曲线比vCE=0V的右移。原因： vCE≥1V时集电结反 偏，集电结吸引自由电子的能力增强，从发射区注入的自由电子更多地 流向集电区，对应于相同的vBE （即发射区发射的自由电子数一定） ， 流向基极的电流减小，曲线右移 （3） vCE>1V与vCE=1V的曲线非常接近，可以近似认为重合 （4）有一段死区 （5）非线性特性 （6）温度上升，曲线左移 （7）陡峭上升部分可以近似认为是直线，即iB与vBE成正比，线性区 （8）放大状态时，NPN的vBE =0.7V, PNP的vBE =-0.2V
• 放大区：NPN的vBE =0.7V, PNP的vBE =-0.2V， 有ß ，三极管的三 个电极所在的支路中的电流决定于外电路，满足电路方程。
判断三极管工作状态的依据： 饱和区: 发射结正偏，集电结正偏 截止区：
(b)面接触型
(3)
平面型二极管
阳极 阴极 引线 引线
(4) 二极管的代表符号
阳极 a k 阴极
P N P 型支持衬底
(d) 代表符号
(c)平面型
2、 二极管的伏安特性
二极管的伏安特性可用下式表示
注意参考方向问题
iD I S (e v D / VT 1)
②
①
③
当温度升高时特性曲线左移
1.正向起始部分存在一个 死区或门坎，称为门限 电压。 硅：Vr=0.5-0.6v; 锗：Vr=0.1-0.2v 2.加反向电压时，反向电 流很小 即Is硅(nA)<Is锗(A) 硅管比锗管稳定 3.当反压增大VBR时再增加， 反向电流激增，发生反 向击穿， VBR称为反向 击穿电压。
用我们假想的（自然界不存在的）、带正电 的、与束缚电子反方向运动的那么一种粒子 来描述束缚电子的运动比较方便，这种粒子 起名叫做“空穴”
半导体中的载流子
• 自由电子 • 空穴
本征半导体中的自由电子和空穴成对出现
本征半导体的特性：
（1）热敏特性 （2）光敏特性 （3）搀杂特性
三种方式都可使本征半导体中的载流子数目增加，导电 能力增强，但是并不是当做导体来使用，因为与导体相 比，导电能力还差得远。
扩散运动=漂移运动时 达到动wenku.baidu.com平衡
内电场—漂移运动 （少子）
2、 PN结的单向导电性
1. PN结加正向电压时的导电情况 电压的真实方向 P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；
外电场方向与PN结内电
场方向相反，削弱了内电 场。动态平衡被打破。于 是内电场对多子扩散运动 的阻碍减弱，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。空间电荷区变窄，
4、 杂质半导体
掺入三价元素，如B
形成P型半导体，也称空穴型半导体
杂质半导体
掺入五价元素，如P 形成N型半导体，也称电子型半导体
掺入杂质的本征半导体。 掺杂后半导体的导电率大为提高
一、 N型半导体
在本征半导体中掺入五价元素如P 由于五价元素很容易贡献电 子，因此将其称为施主杂质。 施主杂质因提供自由电子而 带正电荷成为正离子
本征半导体
共价键内的电子 称为束缚电子
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
挣脱原子核束缚的电子 称为自由电子
半导体导电的两个方面
• 自由电子的运动 • 束缚电子的运动
与金属导电相比，金属导电只有自由电子的运动，因为金属 没有共价键，而半导体有共价键,所以有两个方面
空穴
直接描述束缚电子的运动不太方便
内
PN结呈现高阻性
PN结加正向电压时，呈现低 电阻，具有较大的正向扩散 电流； PN结加反向电压时，呈现高 电阻，具有很小的反向漂移 电流。 由此可以得出结论：PN结
具有单向导电性。 线性电阻具有双向导电性
iD
VBR O
D
三、
半导体二极管
1、 半导体二极管的结构 2、 二极管的伏安特性
3、 二极管的参数
iB
vBE - e VBB
b +
c + iC
vCE
VCC
共射极放大电路
NPN共射输出特性曲线的特点描述
• 截止区: iB 0 的区域:三个电极上的电流为0,发射结和集电结均反 偏,相当于开关打开,在数字电路中作为开关元件的一个状态。
vCE 0.3V 发射结电压0.7V(硅管)或 饱和区：直线上升和弯曲的部分， 0.2V(锗管)；发射结和集电结均正偏,相当于开关闭合,在数字电路中作
直流理想模型
正偏时导通，管压降为0V，电流决定于外电路
反偏时截止，电流为0，两端电压决定于外电路
3、 二极管的参数
(1) 最大整流电流IF：管子长期运行时，允许通 过的最大正向平均电流 (2) 反向击穿电压VBR和最大反向工作电压VRM
(3) 反向电流IR
(4) 正向压降VF
(5) 极间电容CB
3、 电流分配关系
根据传输过程可知 IE=IB+ IC
(1)共基极直流电流放大系数

传输到集电极的电子电流 发射极注入电流
IC 则有 IE
(2)共射极直流电流放大系数

IC IB
1
半导体三极管的型号
国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：
3DG110B
用字母表示同一型号中的不同规格 用数字表示同种器件型号的序号
• 绝大部分扩散到集电结边缘
三极管制 成后二者 分配比例 就已经确 定
③集电结反偏，集电区收集从发射区扩散过来的载流子（对 NPN管子为自由电子，对PNP管子为空穴）
以上看出，三极管内有两种载流子(自由 电子和空穴)参与导电，故称为双极型三极管 或BJT (Bipolar Junction Transistor)。
杂质半导体虽然比本征半导体中的载流子数目要多得 多，导电能力增强，但是也并不能象导体那样被用来 传导电能，而是用来形成PN结
二、
PN结
1、 PN结的形成
2、 PN结的单向导电性
1、 PN结的形成
载流子从浓度大向浓度小 的区域扩散,称扩散运动 形成的电流称为扩散电流
内电场阻碍多子向对方的扩散 即阻碍扩散运动 同时促进少子向对方漂移 即促进了漂移运动 P区 N区 浓度差－－扩散运动 （多子）