第四章半导体器件基础 2分解

第4章半导体器件基础1.1半导体的基本知识1.2半导体二极管1.3半导体三极管1.4BJT模型1.5场效应管2.PN结的单向导电性(1)加正向电压（正偏）——电源正极接P区，负极接N区外电场的方向与内电场方向相反。外电场削弱内电场→耗尽层变窄→扩散运动＞漂移运动→多子扩散形成正向电流IF－－－－－－－++++－+++－+P型半导体－－++N型半导体+－+WER空间电荷区内电场E正向电流(2)加反向电压——电源正极接N区，负极接P区外电场的方向与内电场方向相同。外电场加强内电场→耗尽层变宽→漂移运动＞扩散运动→少子漂移形成反向电流IR+－－－+－－内电场++－++－E+－EW－－+－空间电荷区+－R+++IRPN在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故IR基本上与外加反压的大小无关，所以称为反向饱和电流。但IR与温度有关。3.PN结的伏安特性曲线及表达式根据理论推导，PN结的伏安特性曲线如图正偏IF（多子扩散）IR（少子漂移）反偏反向饱和电流反向击穿电压反向击穿热击穿——烧坏PN结电击穿——可逆1.2半导体二极管二极管=PN结+管壳+引线NP结构符号阳极+阴极-二极管按结构分三大类：(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。N型锗正极引线负极引线外壳金属触丝(3)平面型二极管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)面接触型二极管PN结面积大，用于工频大电流整流电路。SiO2正极引线负极引线N型硅P型硅负极引线正极引线N型硅P型硅铝合金小球底座半导体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：2AP9用数字代表同类器件的不同规格。代表器件的类型，P为普通管，Z为整流管，K为开关管。代表器件的材料，A为N型Ge，B为P型Ge，C为N型Si，D为P型Si。2代表二极管，3代表三极管。一、半导体二极管的V—A特性曲线硅：0.5V锗：0.1V(1)正向特性导通压降反向饱和电流(2)反向特性死区电压iu0击穿电压UBR实验曲线uEiVmAuEiVuA锗硅：0.7V锗：0.3V二.二极管的模型及近似分析计算例：IR10VE1kΩ)1(eTSUuIiD—非线性器件iu0iuRLC—线性器件Riu三.二极管的主要参数(1)最大整流电流IF——二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大整流电流的平均值。(2)反向击穿电压UBR———二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压UBR。(3)反向电流IR——在室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级。当稳压二极管工作在反向击穿状态下,工作电流IZ在Izmax和Izmin之间变化时,其两端电压近似为常数稳定电压四、稳压二极管稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊二极管+-DZiuUZ△I△UIzminIzmax正向同二极管反偏电压≥UZ反向击穿＋UZ－限流电阻稳压二极管的主要参数(1)稳定电压UZ——(2)动态电阻rZ——在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。rZ=U/IrZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。(3)最小稳定工作电流IZmin——保证稳压管击穿所对应的电流，若IZ＜IZmin则不能稳压。(4)最大稳定工作电流IZmax——超过Izmax稳压管会因功耗过大而烧坏。iuUZ△I△UIzminIzmax光电二极管关于光电二极管的三个问题•1.光电二极管的主要特点、电路接法及工作原理•2.光电二极管在汽车上的应用举例•3.汽车自动空调系统应用哪种传感器，简要说明其工作原理光电二极管•大家知道，普通二极管在反向电压作用在处于截止状态，只能流过微弱的反向电流，光电二极管在设计和制作时尽量使PN结的面积相对较大，以便接收入射光。光电二极管是在反向电压作用在工作的，没有光照时，反向电流极其微弱，叫暗电流；有光照时，反向电流迅速增大到几十微安，称为光电流。光的强度约大，反向电流也约大。光的变化引起光电二极管电流变化，这就可以把光信号转换成电信号，成为光电传感器件。光电二极管•曲轴位置传感器即曲轴位置和转角传感器，它是电喷发动机的重要传感器之一，主要用于检测发动机曲轴转角和活塞上止点位置，以便于发动机控制装置发出点火及喷油指令，提供最佳的点火时刻及最合理的燃油供给，从而提高车辆的经济性及排放的环保性。除此之外，•曲轴位置传感器还承担着发动机转速的信号检测功能。•根据传感器产生信号的原理不同，–曲轴位置传感器类型大致可分为磁脉冲式、霍尔式及光电式三种类型。汽车用整流二极管•整流器组件关于硅整流二极管的三个问题•1.什么是正极二极管？什么是负极二极管？•2.一般的硅整流器的组成是怎样的？•3.汽车发电机的正元件板、负元件板的组成，4.汽车发电机的“电枢”和“外壳”分别为发电机的哪个电极?晶体二极管的简易判别•辨别二极管的正负极性和粗略判断二极管的好坏数字式万用表•指针式万用表使用万用表检测二极管的方法•1.使用指针式万用表如何检测二极管的好坏？•2.使用指针式万用表如何判别二极管的极性？•3.使用指针式万用表测量二极管时注意事项有哪些？•4.使用数字式万用表如何判别二极管的好坏？•5.使用数字式万用表如何判别二极管的极性？•6.用数字式万用表测量二极管时注意事项有哪些？二极管的简易判别.ppt二极管的简易判别一.BJT的结构NPN型PNP型符号:---bce---ebc三极管的结构特点:（1）发射区的掺杂浓度＞＞集电区掺杂浓度。（2）基区要制造得很薄且浓度很低。--NNP发射区集电区基区发射结集电结ecb发射极集电极基极--PPN发射区集电区基区发射结集电结ecb发射极集电极基极二．BJT的内部工作原理（NPN管）三极管在工作时要加上适当的直流偏置电压。若在放大工作状态：发射结正偏：+UCE－＋UBE－＋UCB－集电结反偏：由VBB保证由VCC、VBB保证UCB=UCE-UBE0NNPBBVCCVRbRCebc共发射极接法c区b区e区（1）因为发射结正偏，所以发射区向基区注入电子，形成了扩散电流IEN。同时从基区向发射区也有空穴的扩散运动，形成的电流为IEP。但其数量小，可忽略。所以发射极电流IE≈IEN。（2）发射区的电子注入基区后，变成了少数载流子。少部分遇到的空穴复合掉，形成IBN。所以基极电流IB≈IBN。大部分到达了集电区的边缘。1．BJT内部的载流子传输过程NNPBBVCCVRbRCebcIENEPIIEBI（3）因为集电结反偏，收集扩散到集电区边缘的电子，形成电流ICN。NNPBBVCCVRbRCebcIENEPIIEBICNICICBOI另外，集电结区的少子形成漂移电流ICBO。2．电流分配关系三个电极上的电流关系:IE=IC+IBNNPBBVCCVRbRCebcIENEPIIEBICNICICBOI定义：ECNII＝ECBOECIIII＋＝(1)IC与IE之间的关系:所以:ECII其值的大小约为0.9～0.99。(2)IC与IB之间的关系：NNPBBVCCVRbRCebcIENEPIIECNICICBOI联立以下两式：CBOECIII＋＝BCEIII＋＝得：CBOBCCBOECIIIIII）＋＋（＝＋＝所以：CBOBC111III－＋－＝BCEOBCIIII＋＝得：－＝1令：CBOCEO11II－＝BI三.BJT的特性曲线（共发射极接法）(1)输入特性曲线iB=f(uBE)uCE=const++++i-uBE+-uBTCE+Ci（1）uCE=0V时，相当于两个PN结并联。等同PN结的特性曲线0.40.2i(V)(uA)BE80400.80.6Bu=0VuCE＞1VCEu（3）uCE≥1V再增加时，曲线右移很不明显。（2）当uCE=1V时，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，所以基区复合减少，在同一uBE电压下，iB减小。特性曲线将向右稍微移动一些。死区电压硅0.5V锗0.1V导通压降硅0.7V锗0.3V(2)输出特性曲线iC=f(uCE)iB=const现以iB=60uA一条加以说明。（1）当uCE=0V时，因集电极无收集作用，iC=0。（2）uCE↑→Ic↑。（3）当uCE＞1V后，收集电子的能力足够强。这时，发射到基区的电子都被集电极收集，形成iC。所以uCE再增加，iC基本保持不变。同理，可作出iB=其他值的曲线。iCCE(V)(mA)=60uAIBu=0BBII=20uABI=40uAB=80uAI=100uAIB输出特性曲线可以分为三个区域:饱和区——iC受uCE显著控制的区域，该区域内uCE＜0.7V。此时发射结正偏，集电结也正偏。截止区——iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时，发射结反偏，集电结反偏。放大区——曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏。该区中有：BCII＝iCIBIB=0uCE(V)(mA)=20uABI=40uABI=60uABI=80uABI=100uA饱和区放大区截止区四.BJT的主要参数1.电流放大系数（2）共基极电流放大系数：BCIIBCii＝ECII＝ECii＝iCE△=20uA(mA)B=40uAICu=0(V)=80uAI△BBBIBiIBI=100uACBI=60uAi一般取20~200之间2.31.538A60mA3.2BCII40A40)-(60mA)5.13.2(BCii＝（1）共发射极电流放大系数：2.极间反向电流（2）集电极发射极间的穿透电流ICEO基极开路时，集电极到发射极间的电流——穿透电流。其大小与温度有关。（1）集电极基极间反向饱和电流ICBO发射极开路时，在其集电结上加反向电压，得到反向电流。它实际上就是一个PN结的反向电流。其大小与温度有关。锗管：ICBO为微安数量级，硅管：ICBO为纳安数量级。CBOCEO)1(II＝++ICBOecbICEO3.极限参数Ic增加时，要下降。当值下降到线性放大区值的70％时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM。（1）集电极最大允许电流ICM（2）集电极最大允许功率损耗PCM集电极电流通过集电结时所产生的功耗，PC=ICUCEBICEui(V)IBC=100uAB=80uA=60uA(mA)IIB=0B=40uA=20uABIIPCMPCM（3）反向击穿电压BJT有两个PN结，其反向击穿电压有以下几种：①U（BR）EBO——集电极开路时，发射极与基极之间允许的最大反向电压。其值一般几伏～十几伏。②U（BR）CBO——发射极开路时，集电极与基极之间允许的最大反向电压。其值一般为几十伏～几百伏。③U（BR）CEO——基极开路时，集电极与发射极之间允许的最大反向电压。在实际使用时，还有U（BR）CER、U（BR）CES等击穿电压。--(BR)CEOU(BR)CBOU(BR)EBOU1.4三极管的模型及分析方法0.40.2i(V)(uA)BE80400.80.6BuiCIBIB=0uCE(V)(mA)=20uABI=40uABI=60uABI=80uABI=100uA非线性器件BCII＝UD=0.7VUCES=0.3ViB≈0iC≈0一.BJT的模型++++i-uBE+-uBCE+Cibeec截止状态ecb放大状态UDβIBICIBecb发射结导通压降UD硅管0.7V锗管0.3V饱和状态ecbUDUCES饱和压降UCES硅管0.3V锗管0.1V直流模型二.BJT电路的分析方法（直流）1.模型分析法（近似估算法）(模拟p58~59)VCCVBBRbRc12V6V4KΩ150KΩ+UBE—+UCE—IBIC+VCC+VBBRbRc(+12V)(+6V)4KΩ150KΩ+UBE—+UCE—IBIC例：共射电路如图，已知三极管为硅管，β=40，试求电路中的直流量IB、IC、UBE、UCE。+VCC+VBBRbRc(+12V)(+6V)4KΩ150KΩ+UBE—+UCE—IBIC0