半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)知識(shí).ppt

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1 1半導(dǎo)體二極管 1 2半導(dǎo)體三極管 1 3場(chǎng)效晶體管 本章小結(jié) 第一章半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)知識(shí) 1 1 1什么是半導(dǎo)體 2 載流子 半導(dǎo)體中 攜帶電荷參與導(dǎo)電的粒子 自由電子 帶負(fù)電荷空穴 帶與自由電子等量的正電荷 均可運(yùn)載電荷 載流子 特性 在外電場(chǎng)作用下 載流子都可以做定向移動(dòng) 形成電流 1 半導(dǎo)體 導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間 且隨著摻入雜質(zhì) 輸入電壓 電流 溫度和光照條件的不同而發(fā)生很大變化 人們把這一類(lèi)物質(zhì)稱為半導(dǎo)體 1 1半導(dǎo)體二極管 3 N型半導(dǎo)體 主要靠電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體 即 電子是多數(shù)載流子 空穴是少數(shù)載流子 4 P型半導(dǎo)體 主要靠空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體 1 1 2PN結(jié) 即 電子是多數(shù)載流子 空穴是少數(shù)載流子 PN結(jié) 經(jīng)過(guò)特殊的工藝加工 將P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體緊密地結(jié)合在一起 則在兩種半導(dǎo)體的交界面就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)特殊的接觸面 稱為PN結(jié) PN結(jié)具有單向?qū)щ娞匦?1 1半導(dǎo)體二極管 1 正向?qū)?電源正極接P型半導(dǎo)體 負(fù)極接N型半導(dǎo)體 電流大 2 反向截止 電源正極接N型半導(dǎo)體 負(fù)極接P型半導(dǎo)體 電流小 結(jié)論 PN結(jié)加正向電壓時(shí)導(dǎo)通 加反向電壓時(shí)截止 這種特性稱為PN結(jié)的單向?qū)щ娦?1 1半導(dǎo)體二極管 如果反向電流未超過(guò)允許值 反向電壓撤除后 PN結(jié)仍能恢復(fù)單向?qū)щ娦?反向擊穿 PN結(jié)兩端外加的反向電壓增加到一定值時(shí) 反向電流急劇增大 稱為PN結(jié)的反向擊穿 熱擊穿 若反向電流增大并超過(guò)允許值 會(huì)使PN結(jié)燒壞 稱為熱擊穿 結(jié)電容 PN結(jié)存在著電容 該電容為PN結(jié)的結(jié)電容 1 1半導(dǎo)體二極管 1 1 3半導(dǎo)體二極管 1 半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào) 利用PN結(jié)的單向?qū)щ娦?可以用來(lái)制造一種半導(dǎo)體器件 半導(dǎo)體二極管 箭頭表示正向?qū)娏鞯姆较?電路符號(hào)如圖所示 1 1半導(dǎo)體二極管 由于管芯結(jié)構(gòu)不同 二極管又分為點(diǎn)接觸型 如圖a 面接觸型 如圖b 和平面型 如圖c 點(diǎn)接觸型 PN結(jié)接觸面小 適宜在小電流狀態(tài)下使用 面接觸型 平面型 PN結(jié)接觸面大 截流量大 適合于大電流場(chǎng)合中使用 1 1半導(dǎo)體二極管 2 二極管的特性 伏安特性 二極管的導(dǎo)電性能由加在二極管兩端的電壓和流過(guò)二極管的電流來(lái)決定 這兩者之間的關(guān)系稱為二極管的伏安特性 硅二極管的伏安特性曲線如圖所示 特性曲線 1 1半導(dǎo)體二極管 正向?qū)?當(dāng)外加電壓大于死區(qū)電壓后 電流隨電壓增大而急劇增大 二極管導(dǎo)通 死區(qū) 當(dāng)正向電壓較小時(shí) 正向電流極小 二極管呈現(xiàn)很大的電阻 如OA段 通常把這個(gè)范圍稱為死區(qū) 死區(qū)電壓 導(dǎo)通電壓 結(jié)論 正偏時(shí)電阻小 具有非線性 1 正向特性 二極管正極電壓大于負(fù)極電壓 1 1半導(dǎo)體二極管 反向擊穿 若反向電壓不斷增大到一定數(shù)值時(shí) 反向電流就會(huì)突然增大 這種現(xiàn)象稱為反向擊穿 反向飽和電流 當(dāng)加反向電壓時(shí) 二極管反向電流很小 而且在很大范圍內(nèi)不隨反向電壓的變化而變化 故稱為反向飽和電流 2 反向特性 二極管負(fù)極電壓大于正極電壓 普通二極管不允許出現(xiàn)此種狀態(tài) 結(jié)論 反偏電阻大 存在電擊穿現(xiàn)象 二極管屬于非線性器件 1 1半導(dǎo)體二極管 3 半導(dǎo)體二極管的主要參數(shù) 1 最大整流電流IF 二極管長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)允許通過(guò)的最大直流電流 二極管正常使用時(shí)允許加的最高反向電壓 使用時(shí)應(yīng)注意流過(guò)二極管的正向最大電流不能大于這個(gè)數(shù)值 否則可能損壞二極管 2 最高反向工作電壓VRM 使用中如果超過(guò)此值 二極管將有被擊穿的危險(xiǎn) 1 1半導(dǎo)體二極管 1 2 1半導(dǎo)體三極管的基本結(jié)構(gòu)與分類(lèi) 1 結(jié)構(gòu)及符號(hào) 三極 發(fā)射極E 基極B 集電極C 三區(qū) 發(fā)射區(qū) 基區(qū) 集電區(qū) 1 2半導(dǎo)體三極管 PNP型及NPN型三極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及符號(hào)如圖所示 實(shí)際上發(fā)射極箭頭方向就是發(fā)射結(jié)正向電流方向 兩結(jié) 發(fā)射結(jié) 集電結(jié) 1 按半導(dǎo)體基片材料不同 NPN型和PNP型 2 按功率分 小功率管和大功率管 3 按工作頻率分 低頻管和高頻管 4 按管芯所用半導(dǎo)體材料分 鍺管和硅管 5 按結(jié)構(gòu)工藝分 合金管和平面管 6 按用途分 放大管和開(kāi)關(guān)管 2 分類(lèi) 1 2半導(dǎo)體三極管 三極管常采用金屬 玻璃或塑料封裝 常用的外形及封裝形式如圖所示 3 外形及封裝形式 1 2半導(dǎo)體三極管 1 三極管各電極上的電流分配 三極管電流分配實(shí)驗(yàn)電路如圖所示 1 2 2三極管的電流放大作用 1 2半導(dǎo)體三極管 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 表1 1三極管三個(gè)電極上的電流分配 結(jié)論 IE IB IC 三極管的電流分配規(guī)律 發(fā)射極電流等于基極電流和極電極電流之和 1 2半導(dǎo)體三極管 2 三極管的電流放大作用 由表1 1的數(shù)據(jù)可看出 當(dāng)基極電流IB由0 03mA變到0 04mA時(shí) 集電極電流IC由1 74mA變到2 23mA 上面兩個(gè)變化量之比為 1 2半導(dǎo)體三極管 1 三極管的電流放大作用 實(shí)質(zhì)上是用較小的基極電流信號(hào)控制集電極的大電流信號(hào) 是 以小控大 的作用 由此可見(jiàn) 基極電流的微小變化控制了集電極電流較大的變化 這就是三極管的電流放大原理 結(jié)論 要使三極管起放大作用 必須保證發(fā)射結(jié)加正向偏置電壓 集電結(jié)加反向偏置電壓 2 三極管的放大作用 需要一定的外部條件 注意 1 2半導(dǎo)體三極管 利用三極管的電流放大作用 可以用來(lái)構(gòu)成放大器 其方框圖如圖所示 1 共發(fā)射極電路 CE 把三極管的發(fā)射極作為公共端子 三極管在構(gòu)成放大器時(shí) 有三種基本連接方式 1 2 3三極管的基本連接方式 1 2半導(dǎo)體三極管 2 共基極電路 CB 把三極管的基極作為公共端子 3 共集電極電路 CC 把三極管的集電極作為公共端子 1 2半導(dǎo)體三極管 輸入特性 在VCE一定的條件下 加在三極管基極與發(fā)射極之間的電壓VBE和它產(chǎn)生的基極電流IB之間的關(guān)系 1 輸入特性曲線 1 2 4三極管的特性曲線 1 2半導(dǎo)體三極管 改變RP2可改變VCE VCE一定后 改變RP1可得到不同的VBE和IB 由圖可見(jiàn) 1 當(dāng)VCE 1V時(shí) 特性曲線基本重合 2 當(dāng)VBE很小時(shí) IB等于零 三極管處于截止?fàn)顟B(tài) 1 2半導(dǎo)體三極管 4 三極管導(dǎo)通后 VBE基本不變 硅管約為0 7V 鍺管約為0 3V 稱為三極管的導(dǎo)通電壓 5 VBE與IB成非線性關(guān)系 3 當(dāng)VBE大于門(mén)檻電壓 硅管約0 5V 鍺管約0 2V 時(shí) IB逐漸增大 三極管開(kāi)始導(dǎo)通 1 2半導(dǎo)體三極管 輸出特性 在IB一定條件下時(shí) 集電極極與發(fā)射極之間的電壓VCE和集電極電流IC之間的關(guān)系 2 輸出特性曲線 1 2半導(dǎo)體三極管 先調(diào)節(jié)RP1 使IB為一定值 再調(diào)節(jié)RP2得到不同的VCE IC 測(cè)試電路如圖所示 輸出特性曲線 1 2半導(dǎo)體三極管 條件 發(fā)射結(jié)反偏或兩端電壓為零 2 放大區(qū) 條件 發(fā)射結(jié)正偏 集電結(jié)反偏 特點(diǎn) IC受IB控制 即 IC IB 在放大狀態(tài) 當(dāng)IB一定時(shí) IC不隨VCE變化 即放大狀態(tài)的三極管具有恒流特性 3 飽和區(qū) 條件 發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為正偏 VCES稱為飽和管壓降 小功率硅管約0 3V 鍺管約為0 1V 輸出特性曲線族可分三個(gè)區(qū) 特點(diǎn) VCE VCES 1 截止區(qū) 特點(diǎn) IB 0 IC ICEO 1 2半導(dǎo)體三極管 3 三極管的主要參數(shù) 集電極 發(fā)射極反向飽和電流ICEO 集電極 基極反向飽和電流ICBO 2 極間反向飽和電流 選用管子時(shí) 值應(yīng)恰當(dāng) 一般說(shuō)來(lái) 值太大的管子工作穩(wěn)定性差 1 共射極電流放大倍數(shù) 兩者關(guān)系 ICEO 1 ICBO 1 2半導(dǎo)體三極管 3 極限參數(shù) 反向擊穿電壓 當(dāng)基極開(kāi)路時(shí) 集電極與發(fā)射極之間所能承受的最高反向電壓 V BR CEO 當(dāng)發(fā)射極開(kāi)路時(shí) 集電極與基極之間所能承受的最高反向電壓 V BR CBO 當(dāng)集電極開(kāi)路時(shí) 發(fā)射極與基極之間所能承受的最高反向電壓 V BR EBO 1 2半導(dǎo)體三極管 當(dāng)IC過(guò)大時(shí) 電流放大系數(shù) 將下降 在技術(shù)上規(guī)定 下降到正常值的2 3時(shí)的集電極電流稱集電極最大允許電流 集電極最大允許電流ICM 在三極管因溫度升高而引起的參數(shù)變化不超過(guò)允許值時(shí) 集電極所消耗的最大功率稱集電極最大允許耗散功率 三極管應(yīng)工作在三極管最大損耗曲線圖中的安全工作區(qū) 三極管最大損耗曲線如圖所示 集電極最大允許耗散功率PCM 1 2半導(dǎo)體三極管 1 用萬(wàn)用表判別三極管的管型和管腳 方法 黑表筆和三極管任一管腳相連 紅表筆分別和另外兩個(gè)管腳相連測(cè)其阻值 若阻值一大一小 則將黑表筆所接的管腳調(diào)換重新測(cè)量 直至兩個(gè)阻值接近 如果阻值都很小 則黑表筆所接的為NPN型三極管的基極 若測(cè)得的阻值都很大 則黑表筆所接的是PNP型三極管的基極 1 2 5三極管的簡(jiǎn)易測(cè)試 1 2半導(dǎo)體三極管 若為NPN型三極管 將黑紅表筆分別接另兩個(gè)引腳 用手指捏住基極和假設(shè)的集電極 觀察表針擺動(dòng) 再將假設(shè)的集電極和發(fā)射極互換 按上述方法重測(cè) 比較兩次表針擺幅 擺幅較大的一次黑表筆所接的管腳為集電極 紅表筆所接的管腳為發(fā)射極 若為PNP型三極管 只要將紅表筆和黑表筆對(duì)換再按上述方法測(cè)試即可 1 2半導(dǎo)體三極管 2 判斷三極管的好壞 1 萬(wàn)用表置于 R 1k 擋或 R 100 擋位 2 方法 分別測(cè)量三極管集電結(jié)與發(fā)射結(jié)的正向電阻和反向電阻 只要有一個(gè)PN結(jié)的正 反向電阻異常 就可判斷三極管已壞 1 2半導(dǎo)體三極管 3 判斷三極管 的大小 將兩個(gè)NPN管接入判斷三極管C腳和E腳的測(cè)試電路 如圖所示 萬(wàn)用表顯示阻值小的管子的 值大 4 判斷三極管ICEO的大小 以NPN型為例 用萬(wàn)用表測(cè)試C E間的阻值 阻值越大 表示ICEO越小 1 2半導(dǎo)體三極管 1 片狀三極管的封裝 小功率三極管 額定功率在100mW 200mW的小功率三極管 一般采用SOT 23形式封裝 如圖所示 1 基極 2 發(fā)射極 3 集電極 1 2 6片狀三極管 1 2半導(dǎo)體三極管 大功率三極管 額定功率在1W 1 5W的大功率三極管 一般采用SOT 89形式封裝 1 基極 3 發(fā)射極 2 4 內(nèi)部連接在一起 集電極 1 2半導(dǎo)體三極管 在三極管的管芯內(nèi)加入一只或兩只偏置電阻的片狀三極管稱帶阻片狀三極管 2 帶阻片狀三極管 1 2半導(dǎo)體三極管 帶阻片狀三極管型號(hào)及極性 表1 2部分帶阻片狀三極管型號(hào)和極性 1 2半導(dǎo)體三極管 3 復(fù)合雙三極管 在一個(gè)封裝內(nèi)包含兩只三極管的新型器件 1 2半導(dǎo)體三極管 常見(jiàn)外型封裝形式如圖所示 UM 6 SOT 25 SOT 36 1 3場(chǎng)效晶體管 半導(dǎo)體三極管是利用輸入電流控制輸出電流的半導(dǎo)體器件 稱為電流控制型器件 場(chǎng)效晶體管是利用輸入電壓產(chǎn)生電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制輸出電流的器件 稱為電壓控制器件 根據(jù)結(jié)構(gòu)和工作原理不同 場(chǎng)效晶體管可分為 結(jié)型 JFET 絕緣柵型 MOSFET 1 3 1結(jié)型場(chǎng)效晶體管 1 符號(hào)和分類(lèi) 結(jié)型場(chǎng)效晶體管的電路符號(hào)和外形如圖所示 三個(gè)電極 漏極 D 源極 S 和柵極 G D和S可交換使用 電路符號(hào)和外形如圖所示 結(jié)型場(chǎng)效晶體管可分為P溝道和N溝道兩種 在電路符號(hào)中用箭頭加以區(qū)別 1 3場(chǎng)效晶體管 2 電壓放大作用 場(chǎng)效晶體管的放大電路如圖所示 場(chǎng)效晶體管共源極電路中 漏極電流受柵源電壓控制 場(chǎng)效晶體管是電壓控制器件 具有電壓放大作用 1 3場(chǎng)效晶體管 1 3 2絕緣柵場(chǎng)效晶體管 柵極與漏 源極完全絕緣的場(chǎng)效晶體管 稱絕緣柵場(chǎng)效晶體管 MOSFET 輸入電阻很大 在1012 以上 它也有N溝道和P溝道兩大類(lèi) 每一類(lèi)中又分為增強(qiáng)型和耗盡型兩種 1 3場(chǎng)效晶體管 1 電路符號(hào)和分類(lèi) N溝道 箭頭指向內(nèi) 溝道用虛線為增強(qiáng)型 用實(shí)線為耗盡型 N溝道稱NMOS管 P溝道 箭頭指向外 溝道用虛線為增強(qiáng)型 用實(shí)線為耗盡型 P溝道稱PMOS管 1 3場(chǎng)效晶體管 四種場(chǎng)效晶體管的電路符號(hào)如圖所示 P溝道增強(qiáng)型 N溝道耗盡型 P溝道耗盡型 N溝道增強(qiáng)型 2 結(jié)構(gòu)和工作原理 1 結(jié)構(gòu) 1 3場(chǎng)效晶體管 在源區(qū)和漏區(qū)之間的襯底表面覆蓋一層很薄的絕緣層 再在絕緣層上覆蓋一層金屬薄層 形成柵極 G N型區(qū)引出兩個(gè)電極 漏極 D 源極 S 從襯底基片上引出一個(gè)電極 稱為襯底電極 以N溝道增強(qiáng)型MOSFET為例 2 工作原理 當(dāng)VGS 0 在漏 源極間加一正向電壓VDS時(shí) 漏源極之間的電流ID 0 當(dāng)VGS VT 在絕緣層和襯底之間感應(yīng)出一個(gè)反型層 使漏極和源極之間產(chǎn)生導(dǎo)電溝道 在漏 源極間加一正向電壓VDS時(shí) 將產(chǎn)生電流ID 總結(jié) VGS越大 導(dǎo)電溝道越寬 溝道電阻越小 ID越大 則通過(guò)調(diào)節(jié)VGS可控制漏極電流ID 3 輸出特性和轉(zhuǎn)移特性 與晶體管類(lèi)似 1 3場(chǎng)效晶體管 3 電壓放大作用 MOS場(chǎng)效晶體管放大電路與結(jié)型場(chǎng)效晶體管放大電路的工作原理相似 N溝道耗盡型場(chǎng)效晶體管的VGS可取負(fù)值 取正值和零均能正常工作 通常將增強(qiáng)型MOS管簡(jiǎn)寫(xiě)為EMOS 耗盡型MOS管簡(jiǎn)寫(xiě)為DMOS 1 3場(chǎng)效晶體管 1 3 3MOSFET和三極管的比較 1 MOSFET溫度穩(wěn)定性好 2 MOSFET輸入電阻極高 因此 MOSFET放大級(jí)對(duì)前級(jí)的放大能力影響極小 3 MOSFET存放時(shí) 應(yīng)使柵極與源極短接 避免柵極懸空 4 MOSFET的源極和漏極可以互換使用 1 3場(chǎng)效晶體管 本章小結(jié) 2 晶體二極管的核心是PN結(jié) 故具有單向?qū)щ娦?二極管屬于非線性器件 其伏安特性是非線性的 二極管的門(mén)坎電壓 硅管約0 5V 鍺管約0 2V 導(dǎo)通電壓 硅管約0 7V 鍺管約0 3V 1 本征半導(dǎo)體內(nèi)存在兩種載流子 自由電子和空穴 雜質(zhì)半導(dǎo)體有P型和N型兩種 P型半導(dǎo)體中空穴是多子 N型半導(dǎo)體中自由電子是多子 PN結(jié)是在P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體交界面附近形成的空間電荷區(qū) 也叫阻擋層或耗盡層 PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?即正偏時(shí)導(dǎo)通 反偏時(shí)截止 4 MOS管是一種電壓控制器件 MOS管的優(yōu)點(diǎn)是 輸入阻抗高 受幅射和溫度影響小 集成工藝簡(jiǎn)單 超大規(guī)模集成電路主要應(yīng)用MOS管 3 晶體三極管是一種電流控制器件 它以較小的基極電流控制較大的集電極電流 以較小的基極電流變化控制較大的集電極電流變化 所謂電流放大作用 實(shí)質(zhì)上就是這種 小控制大 小變化控制大變化 的作用 三極管有PNP型和NPN型兩大類(lèi) 管外有三個(gè)電極 發(fā)射極 基極和集電極 管內(nèi)有兩個(gè)PN結(jié) 發(fā)射結(jié)和集電結(jié) 使用時(shí)有三種電路組態(tài) 共發(fā)射極 共基極和共集電極組態(tài) 三種工作狀態(tài) 截止?fàn)顟B(tài) 飽和狀態(tài)和放大狀態(tài) 兩種基本功能 開(kāi)關(guān)功能和放大功能