1、第第1 1章章 双极型半导体器件双极型半导体器件 1.1.1 本征半导体及其导电性本征半导体及其导电性 1.本征半导体共价键结构本征半导体共价键结构 物质按其导电能力的强弱分类：物质按其导电能力的强弱分类：导体导体容易传导电流的材料称为导体。容易传导电流的材料称为导体。绝缘体绝缘体几乎不传导电流的材料称为绝缘体。几乎不传导电流的材料称为绝缘体。半导体半导体导电能力介于导体和绝缘体之间的称为半导体。导电能力介于导体和绝缘体之间的称为半导体。本征半导体本征半导体化学成分纯净的半导体。化学成分纯净的半导体。由于绝大多数半导体的原子排列呈晶体结构，所以由半导体构成由于绝大多数半导体的原子排列呈晶体结构
2、，所以由半导体构成的管件也称的管件也称晶体管晶体管。1.1 半导体的基本知识半导体的基本知识退出退出2.电子空穴对电子空穴对自由电子自由电子: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，也称热激发热激发。图图1-1 本征激发和复合的过程本征激发和复合的过程空穴空穴: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。电子空穴对电子空穴对:因热激发而出现的自由电子和空穴是同
3、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，称为复合复合。本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡.3.空穴的移动空穴的移动I由空穴移动形成的电流由电子移动形成的电流自由电子移动方向空穴移动方向E图图1-2 半导体中电子和空穴在外电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场作用下的移动方向和形成的电流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载流子。1.1.2 杂质半导体杂质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。图图1-3 N型半导体的结构示意图型半导体的结
4、构示意图 掺入杂质的本征半导体称为掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体杂质半导体。1.N型半导体型半导体2.P型半导体型半导体 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型半导体的型半导体的特点：特点：自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子，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。以自由电子导电为主。P型半导体的型半导体的特点：特点：空穴为多数载流子，自由电子是少数载流子，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。以空穴导电为主。图图1-4 P型半导体的结构示意图型半导体的结构示意图半导体的特性半导体的特性：光敏性和热
5、敏性光敏性和热敏性。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。掺杂特性掺杂特性。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。扩散运动扩散运动多子从浓度大向浓度小的区域运动多子从浓度大向浓度小的区域运动。漂移运动漂移运动少子向对方运动，少子向对方运动，漂移运动产生漂移电流。漂移运动产生漂移电流。动态平衡动态平衡扩散电流扩散电流=漂移电流，漂移电流，PNPN结内总电流为结内总电流为0 0。PN PN 结结稳定的空间电荷区，又称为高阻区、耗尽层，稳定的空间电荷区，又称为高阻区、耗尽层，结的接触电位结
6、的接触电位 内电场的建立，使内电场的建立，使PNPN结中产生电位差。从而形成接触电位结中产生电位差。从而形成接触电位V V 接触电位接触电位V V 决定于材料及掺杂浓度决定于材料及掺杂浓度 锗：锗：V V=0.2=0.20.3V0.3V 硅：硅：V V=0.6=0.60.7V0.7V1.1.3 PNPN结结及单向导电性及单向导电性 P型半导体型半导体 空间电荷区空间电荷区 N型半导体型半导体内电场方向内电场方向PN结结退出退出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内电场阻止多子扩散达到动态平衡1 PN PN结结1.PN1.PN结加正向电压结加正向电压 P 区
7、的电位高于区的电位高于N区的电位，称为加区的电位，称为加正向电压正向电压，简称，简称正偏正偏；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电流，可忽略漂移电流的影响。PN结呈现低电阻结呈现低电阻。2.PN2.PN结加反向电压结加反向电压P区的电位低于区的电位低于N区的电位，称为加区的电位，称为加反向电压反向电压，简称，简称反偏反偏；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。结呈现高电阻。内内外外Sect内内外外式中式中 I
8、s 饱和电流饱和电流;VT=kT/q 等效电压等效电压 k 波尔兹曼常数；波尔兹曼常数；T=300K（室温）时（室温）时 VT=26mV由半导体物理可推出由半导体物理可推出：)1(TSVveII 当加反向电压时：当加反向电压时：当加正向电压时：当加正向电压时：(vVT)TSVveII SIISect反向击穿反向击穿PN结上反向电压达到某一数值，反向电流激增。结上反向电压达到某一数值，反向电流激增。雪崩击穿雪崩击穿 当反向电压增高时，当反向电压增高时，少子获得能量高速运动，少子获得能量高速运动，在空间电荷区与原子发生碰撞，产生碰撞电离。在空间电荷区与原子发生碰撞，产生碰撞电离。形成连锁反应，象雪
9、崩一样。使反向电流激增。形成连锁反应，象雪崩一样。使反向电流激增。齐纳击穿齐纳击穿当反向电压较大时，强电场直接从共价键中将电当反向电压较大时，强电场直接从共价键中将电子拉出来，形成大量载流子子拉出来，形成大量载流子,使反向电流激增使反向电流激增。击穿可逆。击穿可逆。掺杂浓度掺杂浓度小小的的二极管容易发生二极管容易发生击穿可逆。击穿可逆。掺杂浓度掺杂浓度大大的的二极管容易发生二极管容易发生不可逆击穿不可逆击穿 热击穿热击穿 PN结的电流或电压较大，使结的电流或电压较大，使PN结耗散功率超过极限值，使结温结耗散功率超过极限值，使结温升高，导致升高，导致PN结过热而烧毁。结过热而烧毁。Sect1.2
10、.1 晶体晶体二极管的结构类型二极管的结构类型在在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管结上加上引线和封装，就成为一个二极管二极管按结构分二极管按结构分点接触型点接触型面接触型面接触型平面型平面型PN结面积小，结电容小，结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路用于检波和变频等高频电路PN结面积大，用结面积大，用于工频大电流整流电路于工频大电流整流电路往往用于集成电路制造工艺中。往往用于集成电路制造工艺中。PN 结面积结面积可大可小可大可小，用于高频整流和开关电路中。用于高频整流和开关电路中。退出退出国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：半导体二极
11、管的型号图片半导体二极管的型号图片1.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性伏安特性伏安特性:是指二极管两是指二极管两端电压端电压和流过二极管和流过二极管电流电流之间的关系。之间的关系。由由PN结电流方程求出理想的伏安特性曲线结电流方程求出理想的伏安特性曲线1.1.当加正向电压时当加正向电压时PN结电流方程为：结电流方程为：1)(eIITUUS2.2.当加反向电压时当加反向电压时TUUSeII I I 随随U U，呈指数规率，呈指数规率I=-II=-Is s 基本不变基本不变3.3.门限电压门限电压:正向起始部分存在一个死区或门坎。正向起始部分存在一个死区或门坎。硅：硅：Ur=0.6-0.7
12、v;Ur=0.6-0.7v;锗：锗：Ur=0.2-0.3vUr=0.2-0.3v4.4.加反向电压时，反向电流很小加反向电压时，反向电流很小,即即 I Is s硅硅(nA(nA)I)EB输入电流输入电流输出电流输出电流CBOBCI)1(II 当当IB=0时时CEOCBOCII)1(I穿透电流穿透电流由由IBICBOBCII共射直流放大系数共射直流放大系数)(1)(1BBECIIII共基极直流电流放大系数共基极直流电流放大系数 1.Uce=0V时，时，发射极与集电极短路，发射结与集电结均正偏，实际上是两个二极管并联。2.当当Uce 1V时，时，Ucb=Uce-Ube 0，集电结已进入反偏状态，开
13、始收集电子，且基区复合减少，IC/IB 增 大，特性曲线将向右稍微移动一些。但Uce再增加时，曲线右移很不明显。通常只画一条。输入特性曲线分三个区输入特性曲线分三个区 非线性区非线性区 死区死区 线性区线性区正常工作区，发射极正偏正常工作区，发射极正偏 NPN Si:Ube=0.60.7VPNP Ge:Ube=-0.2-0.3VSectiB=f(UBE)UCE=C1.1.输入特性曲线输入特性曲线1.4.31.4.3、特性曲线、特性曲线晶体管特性曲线是指晶体管各电极之间电压和电流的关系曲线。C CE EB BI IC C=f f(U Ucece)I Ib b=C=CSect3.放大区放大区(1)
14、IC平行于Uce轴的区域，曲线基本平行等距(2)条件：条件：发射结正偏，发射结正偏，集电结反偏，集电结反偏，NPN管 UBE 0,UBC0(3)Ic=Ib,即Ic主要受Ib的控制。有电流放大作用(4)2.2.输出特性曲线输出特性曲线2.截止区：截止区：(1)条件：条件：发射结反偏，发射结反偏，集电结反偏。集电结反偏。NPN：Ube0.5V,管子就处于截止态(2)Ib=0 Ic=Iceo 晶体管C、E之间相当于开路开路1.饱和区饱和区:(1)IC受Uce显著控制的区域，该区域内Uce的数值较小，一般Uce0.7V(硅管)。(2)条件：条件：IB IBs 临界饱和点：临界饱和点：IBs=ICs/(
15、2)Uces=0.3V左右,晶体管C、E之间相当于短路短路发射结正偏，发射结正偏，集电结集电结正正偏偏C CE EB BSect例1.4.1.所有的二、三极管均为硅管，用试分析图电路中各三极管的工作状态。DV15V0.3VVT1100kV612V3k1kVT25V3kV4.13.6VVT3mA3.5k1V)7.06(EIV0k3mA3.512-ccCCCRIVUmA3k13V12EC）（IImA233.0k3V)6.37.05B（I解解:(1)VT1:基极与最下端的电位差是1V-0.3V=0.7V，0.7V打不开二个硅PN结。所以三极管截止。(2)VT2:基极与最下端的电位差是6V-0V=6V
16、，导通，设此时UBE=0.7V，发射极电流所以，集电极电位集电极电位不可能为负值，三极管VT2已经饱和,设UCE=0V，于是集电极电流最大为(3)对于VT3基极与最下端的电位差是5V-3.6V=1.4V，基极电流所以发射结导通。但是该三极管的集电极接+1.4V，而发射极接+3.6V，发射极和集电极互相接反了，属于倒置工作状态。一般而言双极型三极管的发射极和集电极是不能互换使用的。Sect1.4.4 1.4.4 三极管三极管BJTBJT的参数的参数1.1.电流放大系数电流放大系数共射直共射直/交流电流放大系数交流电流放大系数=ic/ibBCII共基直共基直/交流电流放大系数交流电流放大系数ECI
17、I=ic/ie)(1(1).集电极基极间反向饱和电流集电极基极间反向饱和电流Icbo Icbo的下标cb代表集电极和基极，O是Open的字头，代表第三个电极E开路。(2).集电极发射极间的穿透电流集电极发射极间的穿透电流Iceo相当基极开路时，集电极和发射极间的反向饱和电流2.2.直流参数直流参数Iceo=（1+）IcboICEOCBEAAICBOCEB ICM 集电极最大允许电流集电极最大允许电流当集电极电流增加时，就要下降，当值下降到线性放大区值的2/3时所对应的最大集电极电流,当ICICM时，三极管并不一定会损坏。PCM 集电极最大允许功耗集电极最大允许功耗集电极电流通过集电结时所产生的
18、功耗，PCM=ICVCBIC VCE，因发射结正偏，呈低阻，所以功耗主要集中在集电结上。Sect反向击穿电压反向击穿电压 表示三极管电极间承受反向电压的能力表示三极管电极间承受反向电压的能力 V(BR)CBO V(BR)CES V(BR)CER V(BR)CEOP PCMCM=I IC CU UCECEU(BR)CEOIC/mAICMO3.3.极限参数极限参数双极型三极管的参数双极型三极管的参数参 数型 号 PCM mW ICM mAVR CBO VVR CEO VVR EBO V IC BO A f T MHz3AX31D 125 125 20 126*83BX31C 125 125 40 246*83CG101C3CG101C 100 30 450.1 1003DG123C3DG123C 500 50 40 300.353DD101D3DD101D 5A 5A 300 25042mA3DK100B3DK100B 100 30 25 150.1 3003DKG23 250W 30A 400 325 8注：*为 f
