南京邮电大学模电ppt第二章 半导体器件

一、晶体管的结构和类型
3、三极管的三种连接方式
IE
IC
e
c
IB b
c
b
IC
IB IE e
e
b
IE
IB
c
IC
(a) 共基极
(b) 共发射极
(c) 共集电极
二、晶体管的电流放大作用
1、晶体管电流放大作用的外部条件 发射结正向偏置，集电结反向偏置
IB RB
UBB
Ic
T Rc
IE
Ucc
IB RB
UBB
Ic T
二、晶体管的电流放大作用
• 结论： 晶体管在发射结正偏，集电结反偏的条件 下具有电流放大作用； 晶体管电流放大作用的实质是电流对电流 的控制作用。
三、晶体管的特性曲线--晶体管共射输 入特性和输出特性
1、晶体管特性曲线测试电路
Rc IC ＋
mA
－
Rb
IB
A
＋
＋
UCC
UBB
uBE
V －
V UCE －
结电容： C j Cb Cd
结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程 度，则失去单向导电性！
问题
• 为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制 成本征半导体，导电性能极差，又将其掺杂， 改善导电性能？
• 为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还 是少子是影响温度稳定性的主要因素？
2.2半导体二极管
从二极管的伏安特性可以反映出：
• 单向导电性 • 伏安特性受温度影响
三、二极管的主要参数
• 导通电压Uon • 反向击穿电压UBR • 反向饱和电流Is • 最大整流电流IF：最大平均值 • 最大反向工作电压UR：最大瞬时值 • 反向电流 IR：即IS IR越小，单向导电性
能越好。 • 最高工作频率fM：因PN结有电容效应
• 一、二极管的组成 • 二、二极管的伏安特性及电流方程 • 三、二极管的主要参数 • 四、二极管基本应用电路 • 五、特殊二极管
一、二极管的组成 正极 负极
• 将PN结封装，引出两个电极，就构成了二 极管。
一、二极管的组成
一、二极管的组成
• 点接触型：结面积小，结电容小，故结允 许的电流小，最高工作频率高。
IE
Rc Ucc
链接内部载流子传输动态演示
二、晶体管的电流放大作用
2、晶体管的电流分配关系
IE IC IB
IC IB
IC I B
晶体管的电流放大系数，数值一般为几十到几 百。式（2.2）说明基极电流对集电极电流具有 小量控制大量的作用，晶体管的电流放大作用 由此实现。需要指出的是，晶体管的电流分配 关系不仅在直流状态（静态）下成立，在交流 状态（动态）下同样成立。
60 A
大 40 A
区 20 A
0 A
5
10
15
截止区
UCE / V
晶体三极管的输出特性
输出特性曲线— iC=f(vCE) iB= 常数 iC是输出电流，vCE是输出电压。 •放大区： 发射结正偏、集电结反偏
•截止区：
发射结和集电结均为反偏。 IB=0以下的区域。 •饱和区：
发射结和集电结均为正偏。 IC随着VCE的变化而迅速变化。 工程上以VCE=0.3伏作为放大区和饱和区的分界线。
2. P型半导体
P型半导体主要靠空穴导电，
• 掺入杂质越多，空穴浓度 越高，导电性越强，
• 在杂质半导体中，温度变 化时，载流子的数目变化
+4
+4
+4 杂质原子获得
电子而形成负
离子
+4
+3
+4
吗？少子与多子变化的数 目相同吗？少子与多子浓 度的变化相同吗？
空穴
+4
+4
+4
三、PN结的形成及其单向导电性
（1）分别计算UI为10V、15V、35V 三种情况下输出电压 UO的值；
(2) 若 U I ＝35V 时负载开路，则会出现什么现象? 为什么？
稳压二极管应用举例
解：(1)只有当加在稳压管两端的电压大于其稳压值时， 输出电压才为6V。
U I 10V
UO

RL R RL
UI
3.3V
U I 15V
漂移运动
因电场作用所产 生的运动称为漂移 运动。
参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态 平衡，就形成了PN结。
2.PN 结的单向导电性
PN结加正向电压导通： 耗尽层变窄，扩散运动加
剧，由于外电源的作用，形
成扩散电流，PN结处于导通 状态。
P必N要结吗加？反向电压截止： 耗尽层变宽，阻止扩散运
2、本征半导体
• 本征半导体——完全纯净的、结构完整的 半导体晶体
•
＋ 14
＋4
＋ 32 ＋4
(a)
(b)
半导体原子结构示意图 (a)硅 (b)锗
（1）.本征半导体的晶体结构
+4
+4
+4
共价键
+4
+4
+4
价电子
+4
+4
+4
图 2.1.1 本征半导体结构示意图
（ 2 ）.本征半导体的两种载流子— 自由电子和空穴
讨论：解决两个问题
• 如何判断二极管的工作状态？ • 含有二极管的电路如何进行电路分析？
二极管是电子电路中常用的器件,利用其单向导电 性可以构成多种实用电路，由于二极管的伏安特 性具有非线性，这给二极管应用电路的分析带来 一定的困难。在近似分析时，可将二极管用简化 电路模型代替。二极管的简化模型主要有两种： 理想模型和恒压降模型。理想模型把二极管视为 理想二极管，即二极管正向导通时作短路处理； 反向截止时作开路处理。恒压降模型把二极管视 为恒压降二极管，即二极管正向导通时压降为一 个常数；反向截止时作开路处理。
+4
+4
+4
+4
+4
+4
自由电子
空穴
+4
+4
+4
图2.1.2 本征激发产生电子空穴对
本征激发:本征半导体受外界能量(热能、电能和光 能等)激发，产生电子、空穴对的过程.
• 载流子——可以自由移动的带电粒子。 • 由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键
的束缚而成为自由电子
• 自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称 为空穴
• 杂敏性
在纯净的半导体材料中掺入某种微量的元素(如硼 和磷等)后，其导电能力将猛增几万倍甚至百万倍。
• 光敏性
有的半导体材料在无光照时电阻率很高，而一旦受 到光线照射后电阻率即显著下降。
• 热敏性
所谓热敏性是指半导体的电导率随温度升高(例如 受热辐射)而显著增大的特性，即温度升高其导电 能力大大加强。温度对半导体材料的导电性能影 响很大。
• 面接触型：结面积大，结电容大，故结允 许的电流大，最高工作频率低。
• 平面型：结面积可小、可大，小的工作频 率高，大的结允许的电流大。
二、二极管的伏安特性及电流方程
•二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。
i I S (eu /UT 1)
•在常温下，UT=26mV。IS—反向饱和电流，大小与PN结的材料、 制作工艺、温度等有关。
R
+
+
+
vO
vI
vO来自百度文库

VB

vI/V
VB
0

2 3
t
vO/V
VB
0

2 3
t
四、二极管基本应用电路--开关电路
例2.2.2 电路如图（a）所示 ，其输入电压 和的波 形如图（b）所示，二极管导通电压为0.7V，试画 出输出电压的波形，并标出幅值。
五、特殊二极管--稳压二极管
•伏安特性 由一个PN结组成，反向击穿后 在一定的电流范围内端电压基 本不变，为稳定电压。 • 主要参数
I B f (UBE ) UCE 常数 0 0.2 0.4 0.6
UBE / V
晶体三极管的输入特性
（2）.输出特性
IC / mA
当ＩＢ不变时, 输出 回路中的电流ＩＣ与电压 ＵＣＥ之间的关系曲线称
为输出特性, 即
4
饱 和
3
区
2
1
0
IC f (UCE ) IB 常数
IB＝80 A 放
第二章 半导体器件
•半导体的基本知识 •半导体二极管 •晶体三极管 •场效应管
2.1半导体基础知识
一、本征半导体 二、杂质半导体 三、PN结的形成及其单向导电性 四、PN结的电容效应
一、本征半导体 1、半导体的概念和特性
导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。
• 导体－－铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电 子在外电场 作用下很容易产生定向移动，形成电流。
发光二极管也具有单向导电性。只有当外 加的正向电压使得正向电流足够大时才发光 ，正向电流越大发光越强。使用时应注意不 要超过最大功耗、最大正向电流和反向击穿 电压等极限参数。
2.3 晶体三极管
一、晶体管的结构和类型 二、晶体管的电流放大作用 三、晶体管的共射输入特性和输出特性 四、主要参数 五、晶体三极管在电子技术中的应用
• 自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。 • 当没有外界其他影响时，在一定温度下本征激发
和复合会达到动态平衡，电子空穴对的数目相对 保持不变。
二、杂质半导体
• 1. N型半导体
+4
+4
+4
杂质原子失去
多余电子而形
成正离子
+4
+5
+4
电子
+4
+4
+4
•空穴比未加杂质时的数目多了？少了？为什么？ •杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越 多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可 控。
四、二极管基本应用电路—整流电路
例2.2.1二极管基本电路如图（a）所示，已知ui为正 弦波，如图（b）所示。试利用二极管理想模型，画 出uO的波形。
单向半波整流电路 （a）电路图 （b）输入电压和输出电压的波形
四、二极管基本应用电路—限幅电路
R +
D vI
VB
++ vO vI
R VB
UO

RL R RL
UI
5V
U I 35V
UO

RL R RL
UI
11.7V
UZ
UO UZ 6V
(2)当负载开路时， I Z
UI
U Z R
29mA I Z max 25mA
故稳压管将被烧毁。
五、特殊二极管--发光二极管
发光二极管是一种将电能转变成光能的半 导体器件。发光二极管包括可见光、不可见 光和激光等不同类型，常用作显示器件。发 光二极管的颜色取决于所用材料，可以制成 各种形状如圆形、长方形等，电路符号如图 所示。
动，有利于漂移运动，形成漂 移电流。由于电流很小，故可 近似认为其截止。
四、PN 结的电容效应
1. 势垒电容
PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变 化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相 同，其等效电容称为势垒电容Cb。
2. 扩散电容
PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子 的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的 过程，其等效电容称为扩散电容Cd。
晶体管特性曲线测试电路
三、晶体管的特性曲线--晶体管共射输 入特性和输出特性
2、晶体管共射输入特性和输出特性
晶体管的输入特性曲线
晶体管的输出特性曲线
（1）. 输入特性
当ＵＣＥ不变时, 输 入回路中的电流ＩＢ与 电压ＵＢＥ之间的关系曲
线称为输入特性, 即
IB / mA
UCE＝0 V UCE＝2 V
• 绝缘体－－惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原 子核的束缚 力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导 电。
• 半导体－－硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原 子的最外 层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。
• 本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。
无杂质 稳定的结构
半导体材料具有以下一些独特的导 电特性：
物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气
体、液体、固体均有之。
P区空穴 浓度远高 于N区。
N区自由电 子浓度远高
于P区。
扩散运动
扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面 N区的自由电子浓度降低，产生内电场。
1.PN 结的形成
由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内 电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、 自由电子从P区向N 区运动。
•截止区。
一般将ＩＢ≤０的区域称为截止区, 在图中为ＩＢ＝０的一 条曲线的以下部分。此时ＩＣ也近似为零。由于各极电流都
稳定电压UZ、稳定电流IZ
•若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流太 大则会因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必需 有限制稳压管电流的限流电阻！
稳压二极管应用举例
例2.2.3 已知电路如图所示，电路中稳压管的稳定电压 UZ=6V，最小稳定电流Izmin = 5mA ，最大稳定电流 Izmax＝25m A 。
一、晶体管的结构和类型
1、晶体管的外形
3AX81
(a)
3AX1
(b)
3DG4
(c)
3AD10 (d)
一、晶体管的结构和类型
2、晶体管的结构和符号
结构特点：在制作工艺上，三个掺杂区域的几何尺寸和掺杂程 度都有很大的差异，主要表现在以下几个方面：基区很薄（一 般约1-几个微米），且掺杂浓度最低；发射区的掺杂浓度最高； 集电区的掺杂浓度低于发射区，且结面积很大。 注意：由以上特点可知，晶体管的发射区和集电区虽然均为同 一类型的半导体，但由于结构特点的不同不能互换使用，晶体 管也不能用两个二极管代替。