第1章双极型半导体器件

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Chap
1.4.1 三极管BJT的结构
1. 2. 由三层半导体组成,有三个区、三个极、两个结 发射区掺杂浓度高、基区薄、集电结面积大
两种结构类型: NPN型
发射区 发射极 集电极 集电结
C
B E
PNP型
集电区
基区
发射结 基极
C
B E
Chap Sect
半导体二极管和三极管的封装 半导体二极管和三极管的封装种类繁多,半导体封装主要有玻璃 或陶瓷封装、塑料封装、金属外壳封装等。玻璃或陶瓷封装主要用 于小功率半导体二极管;塑料封装用于小功率和中大功率的二极管 和三极管;金属封装用于各种功率等级的二极管和三极管。它们的 外形见图1.35。目前中小功率二极管和三极管主要采用表面贴装元 器件。
1.1.2 杂质半导体
掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。
1. N型半导体
在本征半导体中掺入五价杂质元素,例如磷,可 形成 N型半导体,也称电子型半导体。
2. P型半导体
在本征半导体中掺入三价杂质元素,如硼、镓、铟 等形成了P型半导体,也称为空穴型半导体。
N型半导体的特点: 自由电子是多数载流子,空穴是少数载流子, 以自由电子导电为主。 P型半导体的特点: 空穴为多数载流子,自由电子是少数载流子, 以空穴导电为主。
PN结的接触电位
内电场的建立,使PN结中产生电位差。从而形成接触电位Vf 接触电位V决定于材料及掺杂浓度
锗: Vf =0.2~0.3V 硅: Vf =0.6~0.7V
Chap
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2 PN结的单向导电性
1.PN结加正向电压
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。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
Chap
1.1.3 PN结及单向导电性
1 PN结
多子从浓度大向浓度小的区域运动。 少子向对方运动,漂移运动产生漂移电流。 扩散电流=漂移电流,PN结内总电流为0。 稳定的空间电荷区,又称为高阻区、耗尽层,
内电场方向 PN结
扩散运动 漂移运动 动态平衡 PN 结
P型半导体
空间电荷区 N型半导体
浓度差 多子扩散 杂质离子形成空间电荷区 内电场促使少子漂移 空间电荷区形成内电场 达到动态平衡 内电场阻止多子扩散
例1.2.1:图(c), E=5V, Ui=10sinwt Ui5V,二极管D截止Uo=E Ui5V,二极管D导通Uo=Ui 例1.2.2:图(d) ,E1=E2= 5V, • Ui=10s inwt Ui5V D1 D2止 Uo= Ui Ui5V D1通D2止 Uo= 5V -5VUi 5V D1D2止 Uo= Ui Ui -5V D1止D2通 Uo= -5V
Chap
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2. 稳压二极管稳压电路的工作原理
1. 若输入电压UI 发生变化,负载电流不变, UI ↑ → UO=UZ↑ →IZ↑ → IR ↑ →IR R↑ UO=UZ↓————————┘ 2. 若负载电阻发生变化,即输出电流 IO 发生,输入电压不变, IO↑ → IR ↑→ IR R ↑→UO=UZ ↓→IZ ↓ → IR ↓ UO ↑——IR R↓—— ┘
由半导体物理可推出: I 式中
IS (e
v VT
1)
Is 饱和电流; VT = kT/q 等效电压 k 波尔兹曼常数;
T=300K(室温)时 VT= 26mV

当加正向电压时: 当加反向电压时:
I ISe
v VT
(v>>VT)

I IS
Chap Sect
4. PN结的反向击穿
Chap
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
g 共阴极电路
1.4
三极管(晶体管)
半导体三极管在英文中称为晶体管 (Transister) ,半导体三极 管有两大类型: 双极型半导体三极管: 是有两种载流子参与导电的半导体器 件,它由两个 PN 结组合而成,是一种电流控制型(CCCS) 器件。 场效应半导体三极管: 仅有一种载流子参与导电,是一种电 压控制型(VCCS)器件。 晶体管BJT分类: 按频率分:高频管;低频管 按功率分:大功率管;中功率管;小功率管 按材料分:硅管;锗管 按结构分:NPN型; PNP型。
实质是特性曲线静态工作点处的斜率 晶体二极管的正向交流电阻可由PN 结电流方程求出: U UT
ED
I
I I Se
由此可得:
交流电导: g=dI/dU=I/nUT
Q
I
交流电阻:r=1/g= nUT/I 若n=1,室温下:UT=26mv
U
U
交流电阻:r=26mv/ ID(mA)
Chap
应用举例
电子技术基础
(电工学Ⅱ) 机械工业出版社
第1章 双极型半导体器件
1.1 半导体的基本知识
1.1.1 本征半导体及其导电性 1. 本征半导体共价键结构
物质按其导电能力的强弱分类: 导体——容易传导电流的材料称为导体。 绝缘体——几乎不传导电流的材料称为绝缘体。 半导体——导电能力介于导体和绝缘体之间的称为半导体。 本征半导体——化学成分纯净的半导体。
3. 二极管特性的折线近似及模型
ID ID ID
1 rd
Q
O
UD
O
UD UD
UD
O
UD
UD
UD
(a) 开关模型 (b) 固定正向压降模型 (c) 折线化模型
rd
二极管的低频模型: • 开关模型主要用于低频大信号电路之中,
• 固定正向电压降模型,主要用于低频小信号电路, • 折线化模型,既考虑正向压降,又考虑动态电阻rd。
由于绝大多数半导体的原子排列呈晶体结构,所以由半导体构成 的管件也称晶体管。 Chap
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2. 电子空穴对
自由电子: 当导体处于热力学温度0K时,导体中没有自由电子。当温度升高或受到光的照射时, 价电子能量增高,有的价电子可以挣脱原的束缚,而参与导电,成为自由电子。这一现象称为 本征激发,也称热激发。 空穴: 自由电子产生的同时,在其原来的共价键中就出 现了一个空位,原子的电中性被破坏,呈现出正电性, 其正电量与电子的负电量相等,人们常称呈现正电性的 这个空位为空穴。 电子空穴对: 因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成 对出现的,称为电子空穴对。游离的部分自由电子也可 能回到空穴中去,称为复合。 本征激发和复合在一定温 度下会达到动态平衡.
交流驱动电路 注:在交流驱动电路中,为了避免发光二极管发生反 向击穿,通常要加入串联或并联的保护二极管 发光二极管只有在加正向电压时才发光
Chap
LED显示器
a f e g d b c
a b c d e f
+5V a b c
d
e
控制端为高电平 对应二极管发光
f
控制端为低电平 g 对应二极管发光 共阳极电路
a) 整流器b) 检波器 c) 整形器 d) 限幅器
Chap
1.3 各类二极管及其应用
1.3.1
1. 稳压特性:
在反向击穿时,电流急剧增加而PN结两端的电 压基本保持不变, 正向部分与普通二极管相同, 工作区在反向击穿区
稳压二极管
RZ
UZ
特性参数: (1) (2) (3) (4) 稳定电压 UZ 动态电阻rZ 最大耗散功率 PZM 最大稳定工作电流IZmax 和最小稳定工作电流IZmin (5) 稳定电压温度系数
击穿可逆。 掺杂浓度小的 反向击穿 PN结上反向电压达到某一数值,反向电流激增。 二极管容易发生 当反向电压增高时,少子获得能量高速运动, 雪崩击穿 击穿可逆。 在空间电荷区与原子发生碰撞,产生碰撞电离。 掺杂浓度大的 二极管容易发生 形成连锁反应,象雪崩一样。使反向电流激增。 齐纳击穿 当反向电压较大时,强电场直接从共价键中将电 子拉出来,形成大量载流子,使反向电流激增。 不可逆击穿 — 热击穿 PN结的电流或电压较大,使PN 结耗散功率超过极限值,使结温 升高,导致PN结过热而烧毁。
ID
ED/RL
由电路可列出方程:
I
Q U UD ED
UD=ED-IDRL
直流负载线 UD=0 ID=ED ID=0 UD=ED/RL 2. 由Q得ID和UD,从而求出直流电阻R
R UD ID
RL ED
UD
D
ID
Chap
二、交流电阻r
静态电阻:RD = UQ IQ
u
dU r dI

RL
D
U r I
Chap Sect
1.2
半导体二极管
1.2.1 晶体二极管的结构类型
PN结面积小,结电容小, 在PN结上加上引线和封装,就成为一个二极管 点接触型 用于检波和变频等高频电路 PN结面积大,用 二极管按结构分 于工频大电流整流电路 面接触型 往往用于集成电路制造工艺中。 平面型
PN 结面积可大可小, 用于高频整流和开关电路中。
UT
1.当加正向电压时
I 随U↑,呈指数规率↑
2.当加反向电压时
基本不变
3.门限电压:正向起始部分存在一个死区或门坎。 硅:Ur=0.6-0.7v; 锗:Ur=0.2-0.3v 4.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
5.反向击穿电压UB:当反压增大UB时再增加,反向
二极管的高频模型:
• 将结电容与rd并联。
Chap
1.2.4 晶体二极管的电阻
晶体二极管的电阻
直流电阻R (也称静态电阻)
非线性电阻 交流电阻r (又称动态电阻或微变电阻)
一、直流电阻及求解方法 直流负载线与伏安 二极管两端的直流电压 UD与电流ID之比 特性曲线的交点
R
UD ID
1. 首先确定电路的静态工作点Q: 借助于图解法来求 定义
内 外
电流,可忽略漂移电流的影响。
PN结呈现低电阻。
2. PN结加反向电压
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。
PN结呈现高电阻。
Chap Sect
3. PN结电流方程
Chap
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半导体二极管的型号图片
国家标准对半导体器件型号的命名举例如下:
Chap
1.2.2 二极管的伏安特性
伏安特性: 是指二极管两端电压和流过二极管电流之间的关系。 由PN结电流方程求出理想的伏安特性曲线 PN结电流方程为:
I IS (e U
UT
1)
I I Se U
I = - Is
半导体的特性:
⑴光敏性和热敏性。 即半导体受到光照或热的辐射时, 其电阻率会发生很大的变化,导电能力将有明显的改善,利 用这一特性可制造光敏元件和热敏元件。 ⑵掺杂特性。 即在纯净的半导体中掺入微量的其他 元素,半导体的导电能力将有明显的增加。
图1-3 N型半导体的结构示意图
图1-4 P型半导体的结构示意图
3. 空穴的移动
电子移动时是负电荷的移动,空穴移动时是正电荷的移动, 电子和空穴都能运载电荷,所以他们都称为载流子。
图1-1 本征激发和复合的过程 I E 由电子移动形成的电流 自由电子移动方向 空穴移动方向 由空穴移动形成的电流 图1-2 半导体中电子和空穴在外电 场作用下的移动方向和形成的电流
Chap
在PN结上时,束缚电子获得光能变成自由电子,形成 光生电子—空穴对,在外电场的作用下形成光生电流
D U D
D
RL ED
IP 注意:应在反压状态工作 UD= -IPRL
Chap
2. 发光二极管
定义: 将电能转换成光能的特殊半导体器件,
当管子加正向电压时,在正向电流激发 下,管子发光,属电致发光
常用驱动电路: 直流驱动电路
激增,发生反向击穿,
Chap
1.2.3 半导体二极管的参数和模型
1.半导体二极管的参数: 最大整流电流IF、 反向击穿电压UBR、 最大反向工作电压URM、 反向电流IR、 最高工作频率fmax和结电容Cj。
2. 半导体二极管的温度特性
温度对二极管的性能有较大的 影响,温度升高时,反向电流将呈 指数规律增加。 温度升高时,二极管的正向压降将减小,每增加1℃,正向压降 VF(VD)大约小2mV,即具有负的温度系数。这些可以从图所示二极管 的伏安特性曲线上看出。 Chap
3. 在工作时应反接,并串入一只电阻。 电阻的作用一是起限流作用,以保护稳压管。 其次是当输入电压或负载电流变化时,通过 该电阻上电压降的 变化,取出误差信号以调节稳压管的工作电流,从而起到稳压 作用。
Chap
1.3.2 半导体光电器件
Chap
1. 光电二极管
定义:有光照射时,将有电流产生的二极管 类型:PN型、PIN型、雪崩型 结构: 和普通的二极管基本相同 利用光电导效应工作,PN结工作在反偏态,当光照射 工作原理:
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