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1、Chap第 1章雙 極 性 半 導(dǎo) 體 器 件成 都 理 工 大 學(xué) 工 程 技 術(shù) 學(xué) 院自 動 化 工 程 系 雷 永 鋒2013 Chap 第 1章 雙 極 型 半 導(dǎo) 體 器 件 1.1.1 本 征 半 導(dǎo) 體 及 其 導(dǎo) 電 性 1. 本 征 半 導(dǎo) 體 共 價 鍵 結(jié) 構(gòu) 物 質(zhì) 按 其 導(dǎo) 電 能 力 的 強(qiáng) 弱 分 類 ： 導(dǎo) 體 容 易 傳 導(dǎo) 電 流 的 材 料 稱 為 導(dǎo) 體 。絕 緣 體 幾 乎 不 傳 導(dǎo) 電 流 的 材 料 稱 為 絕 緣 體 。半 導(dǎo) 體 導(dǎo) 電 能 力 介 于 導(dǎo) 體 和 絕 緣 體 之 間 的 稱 為 半 導(dǎo) 體 。本 征 半 導(dǎo) 體 化 學(xué)

2、成 分 純 凈 的 半 導(dǎo) 體 。 由 于 絕 大 多 數(shù) 半 導(dǎo) 體 的 原 子 排 列 呈 晶 體 結(jié) 構(gòu) ， 所 以 由 半 導(dǎo) 體 構(gòu) 成的 管 件 也 稱 晶 體 管 。1.1 半 導(dǎo) 體 的 基 本 知 識 退 出 Chap 2. 電 子 空 穴 對自 由 電 子 : 當(dāng) 導(dǎo) 體 處 于 熱 力 學(xué) 溫 度 0K時 ， 導(dǎo) 體 中 沒 有 自 由 電 子 。 當(dāng) 溫 度 升 高 或 受 到 光 的 照 射 時 ，價 電 子 能 量 增 高 ， 有 的 價 電 子 可 以 掙 脫 原 的 束 縛 ， 而 參 與 導(dǎo) 電 ， 成 為 自 由 電 子 。 這 一 現(xiàn) 象 稱 為本 征 激

3、 發(fā) ， 也 稱 熱 激 發(fā) 。 圖 1-1 本 征 激 發(fā) 和 復(fù) 合 的 過 程空 穴 : 自 由 電 子 產(chǎn) 生 的 同 時 ， 在 其 原 來 的 共 價 鍵 中 就 出 現(xiàn)了 一 個 空 位 ， 原 子 的 電 中 性 被 破 壞 ， 呈 現(xiàn) 出 正 電 性 ， 其正 電 量 與 電 子 的 負(fù) 電 量 相 等 ， 人 們 常 稱 呈 現(xiàn) 正 電 性 的 這個 空 位 為 空 穴 。電 子 空 穴 對 : 因 熱 激 發(fā) 而 出 現(xiàn) 的 自 由 電 子 和 空 穴 是 同 時 成對 出 現(xiàn) 的 ， 稱 為 電 子 空 穴 對 。 游 離 的 部 分 自 由 電 子 也 可能 回 到

4、空 穴 中 去 ， 稱 為 復(fù) 合 。 本 征 激 發(fā) 和 復(fù) 合 在 一 定 溫度 下 會 達(dá) 到 動 態(tài) 平 衡 . 3. 空 穴 的 移 動 I 由 空 穴 移 動 形 成 的 電 流由 電 子 移 動 形 成 的 電 流自 由 電 子 移 動 方 向空 穴 移 動 方 向E圖 1-2 半 導(dǎo) 體 中 電 子 和 空 穴 在 外 電場 作 用 下 的 移 動 方 向 和 形 成 的 電 流電 子 移 動 時 是 負(fù) 電 荷 的 移 動 ， 空 穴 移 動 時 是 正 電 荷 的 移 動 ，電 子 和 空 穴 都 能 運(yùn) 載 電 荷 ， 所 以 他 們 都 稱 為 載 流 子 。 Chap

5、 1.1.2 雜 質(zhì) 半 導(dǎo) 體在 本 征 半 導(dǎo) 體 中 摻 入 五 價 雜 質(zhì) 元 素 ， 例 如 磷 ， 可形 成 N型 半 導(dǎo) 體 ,也 稱 電 子 型 半 導(dǎo) 體 。 圖 1-3 N型 半 導(dǎo) 體 的 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖 摻 入 雜 質(zhì) 的 本 征 半 導(dǎo) 體 稱 為 雜 質(zhì) 半 導(dǎo) 體 。 1. N型 半 導(dǎo) 體2. P型 半 導(dǎo) 體 在 本 征 半 導(dǎo) 體 中 摻 入 三 價 雜 質(zhì) 元 素 ， 如 硼 、 鎵 、 銦等 形 成 了 P型 半 導(dǎo) 體 ， 也 稱 為 空 穴 型 半 導(dǎo) 體 。 N型 半 導(dǎo) 體 的 特 點(diǎn) ： 自 由 電 子 是 多 數(shù) 載 流 子 ， 空 穴

6、是 少 數(shù) 載 流 子 ， 以 自 由 電 子 導(dǎo) 電 為 主 。 P型 半 導(dǎo) 體 的 特 點(diǎn) ： 空 穴 為 多 數(shù) 載 流 子 ， 自 由 電 子 是 少 數(shù) 載 流 子 ，以 空 穴 導(dǎo) 電 為 主 。 圖 1-4 P型 半 導(dǎo) 體 的 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖半 導(dǎo) 體 的 特 性 ： 光 敏 性 和 熱 敏 性 。 即 半 導(dǎo) 體 受 到 光 照 或 熱 的 輻 射 時 ，其 電 阻 率 會 發(fā) 生 很 大 的 變 化 ， 導(dǎo) 電 能 力 將 有 明 顯 的 改 善 ， 利用 這 一 特 性 可 制 造 光 敏 元 件 和 熱 敏 元 件 。 摻 雜 特 性 。 即 在 純 凈 的 半

7、導(dǎo) 體 中 摻 入 微 量 的 其 他元 素 ， 半 導(dǎo) 體 的 導(dǎo) 電 能 力 將 有 明 顯 的 增 加 。 Chap 擴(kuò) 散 運(yùn) 動 多 子 從 濃 度 大 向 濃 度 小 的 區(qū) 域 運(yùn) 動 。漂 移 運(yùn) 動 少 子 向 對 方 運(yùn) 動 ， 漂 移 運(yùn) 動 產(chǎn) 生 漂 移 電 流 。動 態(tài) 平 衡 擴(kuò) 散 電 流 =漂 移 電 流 ， PN結(jié) 內(nèi) 總 電 流 為 0。PN 結(jié) 穩(wěn) 定 的 空 間 電 荷 區(qū) ， 又 稱 為 高 阻 區(qū) 、 耗 盡 層 ，結(jié) 的 接 觸 電 位 內(nèi) 電 場 的 建 立 ， 使 PN結(jié) 中 產(chǎn) 生 電 位 差 。 從 而 形 成 接 觸 電 位 V 接 觸

8、 電 位 V決 定 于 材 料 及 摻 雜 濃 度 鍺 ： V=0.2 0.3V 硅 ： V=0.6 0.7V 1.1.3 PN結(jié) 及 單 向 導(dǎo) 電 性 P型 半 導(dǎo) 體 空 間 電 荷 區(qū) N型 半 導(dǎo) 體內(nèi) 電 場 方 向PN結(jié) 退 出濃 度 差 多 子 擴(kuò) 散 雜 質(zhì) 離 子 形 成 空 間 電 荷 區(qū)內(nèi) 電 場 促 使 少 子 漂 移空 間 電 荷 區(qū) 形 成 內(nèi) 電 場 內(nèi) 電 場 阻 止 多 子 擴(kuò) 散 達(dá) 到 動 態(tài) 平 衡 1 PN結(jié) Chap 1.PN結(jié) 加 正 向 電 壓 P 區(qū) 的 電 位 高 于 N區(qū) 的 電 位 ， 稱 為 加 正 向 電 壓 ， 簡 稱 正 偏 ；

9、 外 電 場 方 向 與 PN結(jié) 內(nèi) 電 場 方 向 相 反 ， 削弱 了 內(nèi) 電 場 。 內(nèi) 電 場 對 多 子 擴(kuò) 散 運(yùn) 動 的 阻 礙減 弱 ， 擴(kuò) 散 電 流 加 大 。 擴(kuò) 散 電 流 遠(yuǎn) 大 于 漂 移電 流 ， 可 忽 略 漂 移 電 流 的 影 響 。PN結(jié) 呈 現(xiàn) 低 電 阻 。2. PN結(jié) 加 反 向 電 壓P區(qū) 的 電 位 低 于 N區(qū) 的 電 位 ， 稱 為 加 反 向 電 壓 ， 簡 稱 反 偏 ； 外 電 場 與 PN結(jié) 內(nèi) 電 場 方 向 相 同 ， 增 強(qiáng) 內(nèi)電 場 。 內(nèi) 電 場 對 多 子 擴(kuò) 散 運(yùn) 動 阻 礙 增 強(qiáng) ， 擴(kuò) 散 電 流 大 大 減 小

10、 。 少 子 在 內(nèi) 電 場 的 作 用下 形 成 的 漂 移 電 流 加 大 。PN結(jié) 呈 現(xiàn) 高 電 阻 。 內(nèi) 外 Sect內(nèi) 外 Chap式 中 Is 飽 和 電 流 ; VT = kT/q 等 效 電 壓 k 波 爾 茲 曼 常 數(shù) ； T=300K（ 室 溫 ） 時 VT= 26mV 由 半 導(dǎo) 體 物 理 可 推 出 ： )1( TS VveII 當(dāng) 加 反 向 電 壓 時 ： 當(dāng) 加 正 向 電 壓 時 ： (vVT)TS VveII SII Sect Chap 反 向 擊 穿 PN結(jié) 上 反 向 電 壓 達(dá) 到 某 一 數(shù) 值 ， 反 向 電 流 激 增 。 雪 崩 擊 穿

11、當(dāng) 反 向 電 壓 增 高 時 ， 少 子 獲 得 能 量 高 速 運(yùn) 動 ，在 空 間 電 荷 區(qū) 與 原 子 發(fā) 生 碰 撞 ， 產(chǎn) 生 碰 撞 電 離 。形 成 連 鎖 反 應(yīng) ， 象 雪 崩 一 樣 。 使 反 向 電 流 激 增 。 齊 納 擊 穿 當(dāng) 反 向 電 壓 較 大 時 ， 強(qiáng) 電 場 直 接 從 共 價 鍵 中 將 電子 拉 出 來 ， 形 成 大 量 載 流 子 ,使 反 向 電 流 激 增 。擊 穿 可 逆 。摻 雜 濃 度 小 的二 極 管 容 易 發(fā) 生擊 穿 可 逆 。摻 雜 濃 度 大 的二 極 管 容 易 發(fā) 生不 可 逆 擊 穿 熱 擊 穿 PN結(jié) 的 電

12、 流 或 電 壓 較 大 ， 使 PN結(jié) 耗 散 功 率 超 過 極 限 值 ， 使 結(jié) 溫升 高 ， 導(dǎo) 致 PN結(jié) 過 熱 而 燒 毀 。 Sect Chap 1.2.1 晶 體 二 極 管 的 結(jié) 構(gòu) 類 型在 PN結(jié) 上 加 上 引 線 和 封 裝 ， 就 成 為 一 個 二 極 管二 極 管 按 結(jié) 構(gòu) 分 點(diǎn) 接 觸 型面 接 觸 型平 面 型 PN結(jié) 面 積 小 ， 結(jié) 電 容 小 ，用 于 檢 波 和 變 頻 等 高 頻 電 路PN結(jié) 面 積 大 ， 用于 工 頻 大 電 流 整 流 電 路往 往 用 于 集 成 電 路 制 造 工 藝 中 。PN 結(jié) 面 積 可 大 可 小

13、，用 于 高 頻 整 流 和 開 關(guān) 電 路 中 。 退 出 Chap 國 家 標(biāo) 準(zhǔn) 對 半 導(dǎo) 體 器 件 型 號 的 命 名 舉 例 如 下 ：半 導(dǎo) 體 二 極 管 的 型 號 圖 片 Chap 1.2.2 二 極 管 的 伏 安 特 性伏 安 特 性 : 是 指 二 極 管 兩 端 電 壓 和 流 過 二 極 管 電 流 之 間 的 關(guān) 系 。 由 PN結(jié) 電 流 方 程 求 出 理 想 的 伏 安 特 性 曲 線1.當(dāng) 加 正 向 電 壓 時PN結(jié) 電 流 方 程 為 ： 1)(eII TUUS 2.當(dāng) 加 反 向 電 壓 時 TUUSeII I 隨 U ， 呈 指 數(shù) 規(guī) 率 I

14、 = - Is 基 本 不 變3.門 限 電 壓 :正 向 起 始 部 分 存 在 一 個 死 區(qū) 或 門 坎 。 硅 ： Ur=0.6-0.7v; 鍺 ： Ur=0.2-0.3v4.加 反 向 電 壓 時 ， 反 向 電 流 很 小 ,即 Is硅 (nA)EB輸 入 電 流 輸 出 電 流CBOBC I)1(II 當(dāng) IB=0時 CEOCBOC II)1(I 穿 透 電 流由 IBICBO BCII 共 射 直 流 放 大 系 數(shù) )(1)(1 BBEC IIII共 基 極 直 流 電 流 放 大 系 數(shù) Chap1. Uce=0V時 ， 發(fā) 射 極 與 集 電 極 短 路 ， 發(fā) 射 結(jié)

15、與 集 電 結(jié) 均 正 偏 ，實(shí) 際 上 是 兩 個 二 極 管 并 聯(lián) 。2. 當(dāng) Uce 1V時 ， Ucb= Uce - Ube 0， 集 電 結(jié) 已 進(jìn) 入 反 偏 狀 態(tài) ， 開 始 收 集 電 子 ， 且基 區(qū) 復(fù) 合 減 少 ， IC / IB 增 大 ， 特 性 曲 線 將 向 右稍 微 移 動 一 些 。 但 Uce再 增 加 時 ， 曲 線 右 移 很 不明 顯 。 通 常 只 畫 一 條 。 輸 入 特 性 曲 線 分 三 個 區(qū) 非 線 性 區(qū) 死 區(qū) 線 性 區(qū) 正 常 工 作 區(qū) ， 發(fā) 射 極 正 偏 NPN Si: Ube= 0.60.7VPNP Ge: Ube

16、= -0.2-0.3V SectiB=f(UBE)UCE=C 1. 輸 入 特 性 曲 線 1.4.3、 特 性 曲 線晶 體 管 特 性 曲 線 是 指 晶 體 管 各 電 極 之 間 電 壓 和 電 流 的 關(guān) 系 曲 線 。CEB Chap IC=f(Uce) Ib=C Sect3. 放 大 區(qū) (1) IC平 行 于 Uce軸 的 區(qū) 域 ， 曲 線 基 本 平 行 等 距(2) 條 件 ： 發(fā) 射 結(jié) 正 偏 ， 集 電 結(jié) 反 偏 ， NPN管 UBE 0 , UBC 0 (3) Ic=Ib, 即 Ic主 要 受 Ib的 控 制 。 有 電 流 放 大 作 用(4) 2. 輸 出

17、特 性 曲 線2. 截 止 區(qū) ： (1)條 件 ： 發(fā) 射 結(jié) 反 偏 ， 集 電 結(jié) 反 偏 。 NPN： U be0.5V,管 子 就 處 于 截 止 態(tài)(2) Ib=0 Ic=Iceo 晶 體 管 C、 E之 間 相 當(dāng) 于 開 路 1. 飽 和 區(qū) :(1) IC受 Uce顯 著 控 制 的 區(qū) 域 ， 該 區(qū) 域 內(nèi) Uce的 數(shù) 值 較 小 ， 一 般 Uce 0.7V(硅 管 )。(2) 條 件 ： IB IBs 臨 界 飽 和 點(diǎn) ： IBs= ICs / (2) Uces=0.3V左 右 , 晶 體 管 C、 E之 間 相 當(dāng) 于 短 路發(fā) 射 結(jié) 正 偏 ， 集 電 結(jié)

18、正 偏 CEB Chap Sect 例 1.4.1. 所 有 的 二 、 三 極 管 均 為 硅 管 ， 用 試 分 析 圖 電 路 中 各 三 極 管 的 工 作 狀 態(tài) 。 D V1 5V 0.3V VT1 100k V6 12V 3k 1k VT 2 5V 3k V4.1 3.6V VT3 mA3.5k1 V)7.06(E I V0k3mA3.512- ccCCC RIVU mA3k13 V12EC ）（II mA233.0k3 V)6.37.05B （I解 : (1) VT1: 基 極 與 最 下 端 的 電 位 差 是 1V-0.3V=0.7V， 0.7V打 不 開 二 個 硅 PN

19、結(jié) 。 所 以 三 極 管 截 止 。 (2) VT2: 基 極 與 最 下 端 的 電 位 差 是 6V-0V=6V， 導(dǎo) 通 ， 設(shè) 此 時 UBE=0.7V， 發(fā) 射 極 電 流所 以 ， 集 電 極 電 位集 電 極 電 位 不 可 能 為 負(fù) 值 ， 三 極 管 VT2已 經(jīng) 飽 和 ,設(shè) UCE=0V， 于 是 集 電 極 電 流 最 大 為(3) 對 于 VT3基 極 與 最 下 端 的 電 位 差 是 5V-3.6V=1.4V， 基 極 電 流所 以 發(fā) 射 結(jié) 導(dǎo) 通 。 但 是 該 三 極 管 的 集 電 極 接 +1.4V， 而 發(fā) 射 極 接 +3.6V， 發(fā) 射 極

20、和 集 電 極 互 相接 反 了 ， 屬 于 倒 置 工 作 狀 態(tài) 。 一 般 而 言 雙 極 型 三 極 管 的 發(fā) 射 極 和 集 電 極 是 不 能 互 換 使 用 的 。 Chap Sect 1.4.4 三 極 管 BJT的 參 數(shù)1. 電 流 放 大 系 數(shù)共 射 直 /交 流 電 流 放 大 系 數(shù) =ic/ib BCII共 基 直 /交 流 電 流 放 大 系 數(shù) ECII =ic/ie )(1 (1).集 電 極 基 極 間 反 向 飽 和 電 流 I cbo Icbo的 下 標(biāo) cb代 表 集 電 極 和 基 極 ， O是 Open的 字 頭 ， 代 表 第 三 個 電 極

21、 E開 路 。 (2).集 電 極 發(fā) 射 極 間 的 穿 透 電 流 Iceo相 當(dāng) 基 極 開 路 時 ， 集 電 極 和 發(fā) 射 極 間 的 反 向 飽 和 電 流2. 直 流 參 數(shù) Iceo=（ 1+ ） Icbo ICEO CB E AAICBO CEB Chap ICM 集 電 極 最 大 允 許 電 流當(dāng) 集 電 極 電 流 增 加 時 ， 就 要 下 降 ， 當(dāng) 值 下 降 到 線 性 放 大 區(qū) 值 的 2/3時 所 對 應(yīng)的 最 大 集 電 極 電 流 ,當(dāng) IC ICM時 ， 三 極 管 并 不 一 定 會 損 壞 。 PCM 集 電 極 最 大 允 許 功 耗集 電

22、極 電 流 通 過 集 電 結(jié) 時 所 產(chǎn) 生 的 功 耗 ， PCM= ICVCBIC VCE ， 因 發(fā) 射 結(jié) 正 偏 ， 呈 低 阻 ， 所 以 功 耗 主 要 集 中 在 集 電 結(jié) 上 。 Sect 反 向 擊 穿 電 壓 表 示 三 極 管 電 極 間 承 受 反 向 電 壓 的 能 力 V (BR) CBO V (BR) CES V (BR) CER V (BR) CEO PCM=ICUCEU(BR)CEOIC/ mAICM O 3. 極 限 參 數(shù) Chap 雙 極 型 三 極 管 的 參 數(shù)參 數(shù)型 號 PCM mW ICM mA VR CBO V VR CEO V VR

23、EBO V IC BO A f T MHz3AX31D 125 125 20 12 6 * 83BX31C 125 125 40 24 6 * 83CG101C 100 30 45 0.1 1003DG123C 500 50 40 30 0.353DD101D 5A 5A 300 250 4 2mA3DK100B 100 30 25 15 0.1 3003DKG23 250W 30A 400 325 8注 ： *為 f Chap 1.4.5. 復(fù) 合 晶 體 管 復(fù) 合 管 就 是 把 兩 只 或 多 只 三 極 管 的 電 極 通 過 適 當(dāng) 連 接 ， 作 為 一 個 管 子 來 使 用 。 復(fù) 合 管 聯(lián) 接 方 法 如 下 ： 復(fù) 合 管 的 等 效 管 型 由 第 一 只 管 的 管 型 確 定 。 在 組 合 成 復(fù) 合 管 時 ， 管 子 的 各 極 電 流 必 須 暢 通 21