電子技術(shù)中常用半導體器件.ppt

《電子技術(shù)中常用半導體器件.ppt》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《電子技術(shù)中常用半導體器件.ppt（39頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

第二篇電子技術(shù)基礎(chǔ) 第6章電子技術(shù)中常用半導體器件 第7章基本放大電路 第8章集成運算放大器 第9章組合邏輯電路 第10章觸發(fā)器和時序邏輯電路 第11章存儲器 第12章數(shù) 模和模 數(shù)轉(zhuǎn)換器 第一篇 2004年9月 制作曾令琴 主編曾令琴 半導體基本概念二極管單 雙極刑三極管 電子技術(shù)中常用半導體器件 主要授課內(nèi)容 第5章 第6章電子技術(shù)中常用半導體器件 6 1半導體的基本知識 6 3特殊二極管 6 4雙極型二極管 6 5單極型三極管 6 2半導體二極管 第1頁 物質(zhì)按導電能力的不同可分為導體 半導體和絕緣體3類 日常生活中接觸到的金 銀 銅 鋁等金屬都是良好的導體 它們的電導率在105S cm 1量級 而像塑料 云母 陶瓷等幾乎不導電的物質(zhì)稱為絕緣體 它們的電導率在10 22 10 14S cm 1量級 導電能力介于導體和絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導體 它們的電導率在10 9 102S cm 1量級 自然界中屬于半導體的物質(zhì)有很多種類 目前用來制造半導體器件的材料大多是提純后的單晶型半導體 主要有硅 Si 鍺 Ge 和砷化鎵 GaAs 等 6 1半導體的基本知識 第3頁 1 通過摻入雜質(zhì)可明顯地改變半導體的電導率 例如 室溫30 C時 在純凈鍺中摻入一億分之一的雜質(zhì) 稱摻雜 其電導率會增加幾百倍 2 溫度可明顯地改變半導體的電導率 利用這種熱敏效應可制成熱敏器件 但另一方面 熱敏效應使半導體的熱穩(wěn)定性下降 因此 在半導體構(gòu)成的電路中常采用溫度補償及穩(wěn)定參數(shù)等措施 3 光照不僅可改變半導體的電導率 還可以產(chǎn)生電動勢 這就是半導體的光電效應 利用光電效應可制成光敏電阻 光電晶體管 光電耦合器和光電池等 光電池已在空間技術(shù)中得到廣泛的應用 為人類利用太陽能提供了廣闊的前景 半導體之所以得到廣泛的應用 是因為它具有以下特性 1 半導體的獨特性能 第3頁 由此可以看出 半導體不僅僅是電導率與導體有所不同 而且具備上述特有的性能 正是利用這些特性 使今天的半導體器件取得了舉世矚目的發(fā)展 2 本征半導體與雜質(zhì)半導體 1 天然的硅和鍺提純后形成單晶體 稱為本征半導體 一般情況下 本征半導體中的載流子濃度很小 其導電能力較弱 且受溫度影響很大 不穩(wěn)定 因此其用途還是很有限的 硅和鍺的簡化原子模型 這是硅和鍺構(gòu)成的共價鍵結(jié)構(gòu)示意圖晶體結(jié)構(gòu)中的共價鍵具有很強的結(jié)合力 在熱力學零度和沒有外界能量激發(fā)時 價電子沒有能力掙脫共價鍵束縛 這時晶體中幾乎沒有自由電子 因此不能導電 第3頁 當半導體的溫度升高或受到光照等外界因素的影響時 某些共價鍵中的價電子因熱激發(fā)而獲得足夠的能量 因而能脫離共價鍵的束縛成為自由電子 同時在原來的共價鍵中留下一個空位 稱為 空穴 本征半導體中產(chǎn)生電子 空穴對的現(xiàn)象稱為本征激發(fā) 顯然在外電場的作用下 半導體中將出現(xiàn)兩部分電流 一是自由電子作定向運動形成的電子電流 一是仍被原子核束縛的價電子 不是自由電子 遞補空穴形成的空穴電流 共價鍵中失去電子出現(xiàn)空穴時 相鄰原子的價電子比較容易離開它所在的共價鍵填補到這個空穴中來 使該價電子原來所在的共價鍵中又出現(xiàn)一個空穴 這個空穴又可被相鄰原子的價電子填補 再出現(xiàn)空穴 如右圖所示 在半導體中同時存在自由電子和空穴兩種載流子參與導電 這種導電機理和金屬導體的導電機理具有本質(zhì)上的區(qū)別 第3頁 在純凈的硅 或鍺 中摻入微量的磷或砷等五價元素 雜質(zhì)原子就替代了共價鍵中某些硅原子的位置 雜質(zhì)原子的四個價電子與周圍的硅原子結(jié)成共價鍵 剩下的一個價電子處在共價鍵之外 很容易掙脫雜質(zhì)原子的束縛被激發(fā)成自由電子 同時雜質(zhì)原子由于失去一個電子而變成帶正電荷的離子 這個正離子固定在晶體結(jié)構(gòu)中 不能移動 所以它不參與導電 雜質(zhì)離子產(chǎn)生的自由電子不是共價鍵中的價電子 因此與本征激發(fā)不同 它不會產(chǎn)生空穴 由于多余的電子是雜質(zhì)原子提供的 故將雜質(zhì)原子稱為施主原子 摻入五價元素的雜質(zhì)半導體 其自由電子的濃度遠遠大于空穴的濃度 因此稱為電子型半導體 也叫做N型半導體 在N型半導體中 自由電子為多數(shù)載流子 簡稱多子 空穴為少數(shù)載流子 簡稱少子 不能移動的離子帶正電 2 雜質(zhì)半導體 相對金屬導體而言 本征半導體中載流子數(shù)目極少 因此導電能力仍然很低 在如果在其中摻入微量的雜質(zhì) 將使半導體的導電性能發(fā)生顯著變化 我們把這些摻入雜質(zhì)的半導體稱為雜質(zhì)半導體 雜質(zhì)半導體可以分為N型和P型兩大類 N型半導體 第3頁 不論是N型半導體還是P型半導體 雖然都有一種載流子占多數(shù) 但晶體中帶電粒子的正 負電荷數(shù)相等 仍然呈電中性而不帶電 應注意 P型半導體 在P型半導體中 由于雜質(zhì)原子可以接收一個價電子而成為不能移動的負離子 故稱為受主原子 摻入三價元素的雜質(zhì)半導體 其空穴的濃度遠遠大于自由電子的濃度 因此稱為空穴型半導體 也叫做P型半導體 在硅 或鍺 晶體中摻入微量的三價元素雜質(zhì)硼 或其他 硼原子在取代原晶體結(jié)構(gòu)中的原子并構(gòu)成共價鍵時 將因缺少一個價電子而形成一個空穴 當相鄰共價鍵上的電子受到熱振動或在其他激發(fā)條件下獲得能量時 就有可能填補這個空穴 使硼原子得電子而成為不能移動的負離子 而原來的硅原子共價鍵則因缺少一個電子 出現(xiàn)一個空穴 于是半導體中的空穴數(shù)目大量增加 空穴成為多數(shù)載流子 而自由電子則成為少數(shù)載流子 第3頁 正負空間電荷在交界面兩側(cè)形成一個由N區(qū)指向P區(qū)的電場 稱為內(nèi)電場 它對多數(shù)載流子的擴散運動起阻擋作用 所以空間電荷區(qū)又稱為阻擋層 同時 內(nèi)電場對少數(shù)載流子起推動作用 把少數(shù)載流子在內(nèi)電場作用下有規(guī)則的運動稱為漂移運動 3 PN結(jié) P型和N型半導體并不能直接用來制造半導體器件 通常是在N型或P型半導體的局部再摻入濃度較大的三價或五價雜質(zhì) 使其變?yōu)镻型或N型半導體 在P型和N型半導體的交界面就會形成PN結(jié) PN結(jié)是構(gòu)成各種半導體器件的基礎(chǔ) 左圖所示的是一塊晶片 兩邊分別形成P型和N型半導體 為便于理解 圖中P區(qū)僅畫出空穴 多數(shù)載流子 和得到一個電子的三價雜質(zhì)負離子 N區(qū)僅畫出自由電子 多數(shù)載流子 和失去一個電子的五價雜質(zhì)正離子 根據(jù)擴散原理 空穴要從濃度高的P區(qū)向N區(qū)擴散 自由電子要從濃度高的N區(qū)向P區(qū)擴散 并在交界面發(fā)生復合 耗盡 形成載流子極少的正負空間電荷區(qū)如圖中間區(qū)域 這就是PN結(jié) 又叫耗盡層 第3頁 空間電荷區(qū) PN結(jié)中的擴散和漂移是相互聯(lián)系 又是相互矛盾的 在一定條件 例如溫度一定 下 多數(shù)載流子的擴散運動逐漸減弱 而少數(shù)載流子的漂移運動則逐漸增強 最后兩者達到動態(tài)平衡 空間電荷區(qū)的寬度基本穩(wěn)定下來 PN結(jié)就處于相對穩(wěn)定的狀態(tài) PN結(jié)的形成演示 根據(jù)擴散原理 空穴要從濃度高的P區(qū)向N區(qū)擴散 自由電子要從濃度高的N區(qū)向P區(qū)擴散 并在交界面發(fā)生復合 耗盡 形成載流子極少的正負空間電荷區(qū) 如上圖所示 也就是PN結(jié) 又叫耗盡層 P區(qū) N區(qū) 空間電荷區(qū) 第3頁 少子漂移 擴散與漂移達到動態(tài)平衡形成一定寬度的PN結(jié) 多子擴散 形成空間電荷區(qū)產(chǎn)生內(nèi)電場 促使 阻止 第3頁 擴散運動和漂移運動相互聯(lián)系又相互矛盾 擴散使空間電荷區(qū)加寬 促使內(nèi)電場增強 同時對多數(shù)載流子的繼續(xù)擴散阻力增大 但使少數(shù)載流子漂移增強 漂移使空間電荷區(qū)變窄 電場減弱 又促使多子的擴散容易進行 當漂移運動達到和擴散運動相等時 PN結(jié)便處于動態(tài)平衡狀態(tài) 可以想象 在平衡狀態(tài)下 電子從N區(qū)到P區(qū)擴散電流必然等于從P區(qū)到N區(qū)的漂移電流 同樣 空穴的擴散電流和漂移電流也必然相等 即總的多子擴散電流等于總的少子漂移電流 且二者方向相反 在無外電場或其他因素激發(fā)時 PN結(jié)處于平衡狀態(tài) 沒有電流通過 空間電荷區(qū)的寬度一定 由于空間電荷區(qū)內(nèi) 多數(shù)載流子或已擴散到對方 或被對方擴散過來的多數(shù)載流子復合掉了 即多數(shù)載流子被耗盡了 所以空間電荷區(qū)又稱為耗盡層 其電阻率很高 為高阻區(qū) 擴散作用越強 耗盡層越寬 PN結(jié)具有電容效應 結(jié)電容是由耗盡層引起的 耗盡層中有不能移動的正 負離子 各具有一定的電量 當外加電壓使耗盡層變寬時 電荷量增加 反之 外加電壓使耗盡層變窄時 電荷量減小 這樣耗盡層中的電荷量隨外加電壓變化而改變時 就形成了電容效應 第3頁 3 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?PN結(jié)具有單向?qū)щ姷奶匦?也是由PN結(jié)構(gòu)成的半導體器件的主要工作機理 PN結(jié)外加正向電壓 也叫正向偏置 時 如左下圖所示 正向偏置時外加電場與內(nèi)電場方向相反 內(nèi)電場被削弱 多子的擴散運動大大超過少子的漂移運動 N區(qū)的電子不斷擴散到P區(qū) P區(qū)的空穴也不斷擴散到N區(qū) 形成較大的正向電流 這時稱PN結(jié)處于導通狀態(tài) 第3頁 P端引出極接電源負極 N端引出極電源正極的接法稱為反向偏置 反向偏置時內(nèi) 外電場方向相同 因此內(nèi)電場增強 致使多子的擴散難以進行 即PN結(jié)對反向電壓呈高阻特性 反偏時少子的漂移運動雖然被加強 但由于數(shù)量極小 反向電流IR一般情況下可忽略不計 此時稱PN結(jié)處于截止狀態(tài) PN結(jié)的 正偏導通 反偏阻斷 稱為其單向?qū)щ娦再|(zhì) 這正是PN結(jié)構(gòu)成半導體器件的基礎(chǔ) 第3頁 半導體的導電機理與金屬導體的導電機理有本質(zhì)的區(qū)別 金屬導體中只有一種載流子 自由電子參與導電 半導體中有兩種載流子 自由電子和空穴參與導電 而且這兩種載流子的濃度可以通過在純凈半導體中加入少量的有用雜質(zhì)加以控制 雜質(zhì)半導體中的多子和少子性質(zhì)取決于雜質(zhì)的外層價電子 若摻雜的是五價元素 則由于多電子形成N型半導體 多子是電子 少子是空穴 如果摻入的是三價元素 就會由于少電子而構(gòu)成P型半導體 P型半導體的共價鍵結(jié)構(gòu)中空穴多于電子 且這些空穴很容易讓附近的價電子跳過來填補 因此價電子填補空穴的空穴運動是主要形式 所以多子是空穴 少子是電子 N型半導體中具有多數(shù)載流子電子 同時還有與電子數(shù)量相同的正離子及由本征激發(fā)的電子 空穴對 因此整塊半導體中正負電荷數(shù)量相等 呈電中性而不帶電 第3頁 2 半導體在熱 或光照等 作用下產(chǎn)生電子 空穴對 這種現(xiàn)象稱為本征激發(fā) 電子 空穴對不斷激發(fā)產(chǎn)生的同時 運動中的電子又會 跳進 另一個空穴 重新被共價鍵束縛起來 這種現(xiàn)象稱為復合 即復合中電子空穴對被 吃掉 在一定的溫度下 電子 空穴對的產(chǎn)生和復合都在不停地進行 最終處于一種平衡狀態(tài) 平衡狀態(tài)下半導體中載流子濃度一定 1 半導體中的少子雖然濃度很低 但少子對溫度非常敏感 即溫度對半導體器件的性能影響很大 而多子因濃度基本上等于雜質(zhì)原子的濃度 所以基本上不受溫度影響 4 PN結(jié)的單向?qū)щ娦允侵?PN結(jié)的正向電阻很小 因此正向偏置時電流極易通過 同時PN結(jié)的反向電阻很大 反向偏置時電流基本為零 問題探討 3 空間電荷區(qū)的電阻率很高 是指它的內(nèi)電場總是阻礙多數(shù)載流子 電流 的擴散運動作用 由于這種阻礙作用 使得擴散電流難以通過 也就是說 空間電荷區(qū)對擴散電流呈現(xiàn)高阻 第3頁 6 2半導體二極管 1 二極管的結(jié)構(gòu)和類型 一個PN結(jié)加上相應的電極引線并用管殼封裝起來 就構(gòu)成了半導體二極管 簡稱二極管 接在P型半導體一側(cè)的引出線稱為陽極 接在N型半導體一側(cè)的引出線稱為陰極 半導體二極管按其結(jié)構(gòu)不同可分為點接觸型和面接觸型兩類 點接觸型二極管PN結(jié)面積很小 因而結(jié)電容小 適用于高頻幾百兆赫茲下工作 但不能通過很大的電流 主要應用于小電流的整流和高頻時的檢波 混頻及脈沖數(shù)字電路中的開關(guān)元件等 面接觸型二極管PN結(jié)面積大 因而能通過較大的電流 但其結(jié)電容也小 只適用于較低頻率下的整流電路中 參看二極管的實物圖 第3頁 2 二極管的伏安特性 二極管的電路圖符號如右圖所示 1 正向特性 二極管外加正向電壓較小時 外電場不足以克服內(nèi)電場對多子擴散的阻力 PN結(jié)仍處于截止狀態(tài) 反向電壓大于擊穿電壓時 反向電流急劇增加 正向電壓大于死區(qū)電壓后 正向電流隨著正向電壓增大迅速上升 通常死區(qū)電壓硅管約為0 5V 鍺管約為0 2V 2 反向特性 外加反向電壓時 PN結(jié)處于截止狀態(tài) 反向電流很小 顯然二極管的伏安特性不是直線 因此屬于非線性電阻元件 導通后二極管的正向壓降變化不大 硅管約為0 6 0 8V 鍺管約為0 2 0 3V 溫度上升 死區(qū)電壓和正向壓降均相應降低 第3頁 普通二極管被擊穿后 由于反向電流很大 一般都會造成 熱擊穿 熱擊穿不同于齊納擊穿和雪崩擊穿 這兩種擊穿不會從根本上損壞二極管 而熱擊穿將使二極管永久性損壞 熱擊穿問題 3 二極管的主要參數(shù) 1 最大整流電流IDM 指管子長期運行時 允許通過的最大正向平均電流 2 最高反向工作電壓URM 二極管運行時允許承受的最高反向電壓 3 反向電流IR 指管子未擊穿時的反向電流 其值越小 則管子的單向?qū)щ娦栽胶?4 二極管的應用舉例 二極管應用范圍很廣 主要是利用它的單向?qū)щ娦?常用于整流 檢波 限幅 元件保護以及在數(shù)字電路中用作開關(guān)元件等 第3頁 討論 PN結(jié)擊穿現(xiàn)象包括哪些 擊穿是否意味著二極管的永久損壞 反向電壓增加到一定大小時 通過二極管的反向電流劇增 這種現(xiàn)象稱為二極管的反向擊穿 反向擊穿電壓一般在幾十伏以上 高反壓管可達幾千伏 反向擊穿現(xiàn)象分有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種類型 雪崩擊穿 PN結(jié)反向電壓增加時 空間電荷區(qū)內(nèi)電場增強 通過空間電荷區(qū)的電子和空穴 在內(nèi)電場作用下獲得較大能量 它們運動時不斷地與晶體中其它原子發(fā)生碰撞 通過碰撞使其它共價鍵產(chǎn)生本征激發(fā)又出現(xiàn)電子 空穴對 這種現(xiàn)象稱為碰撞電離 新產(chǎn)生的電子 空穴對與原有的電子和空穴一樣 在電場作用下 也向相反的方向運動 重新獲得能量 再通過碰撞其它原子 又產(chǎn)生電子 空穴對 從而形成載流子的倍增效應 當反向電壓增大到某一數(shù)值 載流子的倍增情況就像在陡峻的山坡上積雪發(fā)生雪崩一樣 突然使反向電流急劇增大 發(fā)生二極管的雪崩擊穿 齊納擊穿 在加有較高的反向電壓下 PN結(jié)空間電荷區(qū)中存一個強電場 它能夠破壞共價鍵將束縛電子分離出來造成電子 空穴對 形成較大的反向電流 發(fā)生齊納擊穿需要的電場強度約為2 10V cm 這只有在雜質(zhì)濃度特別大的PN結(jié)中才能達到 因為雜質(zhì)濃度大 空間電荷區(qū)內(nèi)電荷密度也大 因而空間電荷區(qū)很窄 電場強度可能很高 致使PN結(jié)產(chǎn)生雪崩擊穿 齊納擊穿和雪崩擊穿都不會造成二極管的永久性損壞 第3頁 穩(wěn)壓二極管是一種特殊的面接觸型二極管 其實物圖 圖符號及伏安特性如圖所示 當反向電壓加到某一數(shù)值時 反向電流劇增 管子進入反向擊穿區(qū) 圖中UZ穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓值 6 3特殊二極管 1 穩(wěn)壓管 穩(wěn)壓管實物圖 由圖可見 穩(wěn)壓管特性和普通二極管類似 但其反向擊穿是可逆的 不會發(fā)生 熱擊穿 而且其反向擊穿后的特性曲線比較陡直 即反向電壓基本不隨反向電流變化而變化 這就是穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓特性 穩(wěn)壓管圖符號 穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓作用 電流增量 I很大 只會引起很小的電壓變化 U 曲線愈陡 動態(tài)電阻rz U I愈小 穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓性能愈好 一般地說 UZ為8V左右的穩(wěn)壓管的動態(tài)電阻較小 低于這個電壓時 rz隨齊納電壓的下降迅速增加 使低壓穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓性能變差 穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ 低的為3V 高的可達300V 穩(wěn)壓二極管在工作時的正向壓降約為0 6V 第3頁 注意 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路中一般都要加限流電阻R 使穩(wěn)壓管電流工作在Izmax和Izmix的范圍內(nèi) 穩(wěn)壓管在應用中要采取適當?shù)拇胧┫拗仆ㄟ^管子的電流值 以保證管子不會造成熱擊穿 穩(wěn)壓管的主要參數(shù) 1 穩(wěn)定電壓UZ 反向擊穿后穩(wěn)定工作的電壓 2 穩(wěn)定電流IZ 工作電壓等于穩(wěn)定電壓時的電流 3 動態(tài)電阻rZ 穩(wěn)定工作范圍內(nèi) 管子兩端電壓的變化量與相應電流的變化量之比 即 rZ UZ IZ 4 耗散功率PZM和最大穩(wěn)定電流IZM 額定耗散功率PZM是在穩(wěn)壓管允許結(jié)溫下的最大功率損耗 IZM是指穩(wěn)壓管允許通過的最大電流 二者關(guān)系可寫為 PZM UZIZM 討論 回顧二極管的反向擊穿時特性 當反向電壓超過擊穿電壓時 流過管子的電流會急劇增加 擊穿并不意味著管子一定要損壞 如果我們采取適當?shù)拇胧┫拗仆ㄟ^管子的電流 就能保證管子不因過熱而燒壞 在反向擊穿狀態(tài)下 讓流過管子的電流在一定的范圍內(nèi)變化 這時管子兩端電壓變化很小 利用這一點可以達到 穩(wěn)壓 的效果 第3頁 2 發(fā)光二極管 單個發(fā)光二極管實物 發(fā)光二極管是一種能把電能直接轉(zhuǎn)換成光能的固體發(fā)光元件 發(fā)光二極管和普通二極管一樣 管芯由PN結(jié)構(gòu)成 具有單向?qū)щ娦?左圖所示為發(fā)光二極管的實物圖和圖符號 發(fā)光二極管是一種功率控制器件 常用來作為數(shù)字電路的數(shù)碼及圖形顯示的七段式或陣列式器件 單個發(fā)光二極管常作為電子設備通斷指示燈或快速光源以及光電耦合器中的發(fā)光元件等 3 光電二極管 光電二極管也和普通二極管一樣 管芯由PN結(jié)構(gòu)成 具有單向?qū)щ娦?光電二極管的管殼上有一個能射入光線的 窗口 這個窗口用有機玻璃透鏡進行封閉 入射光通過透鏡正好射在管芯上 問題討論 利用穩(wěn)壓管的正向壓降是不能進行穩(wěn)壓的 因為穩(wěn)壓管的正向特性與普通二極管相同 正向電阻非常小 工作在正向?qū)▍^(qū)時 正向電壓一般為0 6V左右 此電壓數(shù)值一般變化不大 第3頁 6 4雙極型三極管 6 4 1雙極型晶體管的基本結(jié)構(gòu)和類型 雙極型晶體管是由兩個背靠背 互有影響的PN結(jié)構(gòu)成的 在工作過程中兩種載流子都參與導電 所以全名稱為雙極結(jié)型晶體管 雙極結(jié)型晶體管有三個引出電極 人們習慣上又稱它為晶體三極管或簡稱晶體管 晶體管的種類很多 按照頻率分 有高頻管 低頻管 按照功率分 有小 中 大功率管 按照半導體材料分 有硅管 鍺管等等 但是從它的外形來看 晶體管都有三個電極 常見的晶體管外形如圖所示 從晶體管的外形可看出 其共同特征就是具有三個電極 這就是 三極管 簡稱的來歷 第3頁 由兩塊N型半導體中間夾著一塊P型半導體的管子稱為NPN管 還有一種與它成對偶形式的 即兩塊P型半導體中間夾著一塊N型半導體的管子 稱為PNP管 晶體管制造工藝上的特點是 發(fā)射區(qū)是高濃度摻雜區(qū) 基區(qū)很薄且雜質(zhì)濃度底 集電結(jié)面積大 這樣的結(jié)構(gòu)才能保證晶體管具有電流放大作用 基極 發(fā)射極 集電極 晶體管有兩個結(jié) 晶體管有三個區(qū) 晶體管有三個電極 第6章 結(jié)論 三極管是一種具有電流放大作用的模擬器件 6 4 2晶體管的電流分配與放大作用 左圖所示為驗證三極管電流放大作用的實驗電路 這種電路接法稱為共射電路 其中 直流電壓源UCC應大于UBB 從而使電路滿足放大的外部條件 發(fā)射結(jié)正向偏置 集電極反向偏置 改變可調(diào)電阻RB 基極電流IB 集電極電流IC和發(fā)射極電流IE都會發(fā)生變化 由測量結(jié)果可得出以下結(jié)論 晶體管電流放大的條件 晶體管內(nèi)部 a 發(fā)射區(qū)雜質(zhì)濃度 基區(qū) 集電區(qū) b 基區(qū)很薄 晶體管外部 發(fā)射結(jié)正偏 集電結(jié)反偏 1 IE IB IC 符合KCL定律 2 IC IB 為管子的流放大系數(shù) 用來表征三極管的電流放大能力 3 IC IB 第6章 晶體管的電流放大原理 1 發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴散電子的過程 由于發(fā)射結(jié)處于正向偏置 發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子自由電子將不斷擴散到基區(qū) 并不斷從電源補充進電子 形成發(fā)射極電流IE 2 電子在基區(qū)的擴散和復合過程 由于基區(qū)很薄 其多數(shù)載流子空穴濃度很低 所以從發(fā)射極擴散過來的電子只有很少一部分和基區(qū)空穴復合 剩下的絕大部分都能擴散到集電結(jié)邊緣 實驗表明 IC比IB大數(shù)十至數(shù)百倍 因而IB雖然很小 但對IC有控制作用 IC隨IB的改變而改變 即基極電流較小的變化可以引起集電極電流較大的變化 表明基極電流對集電極電流具有小量控制大量的作用 這就是三極管的電流放大作用 3 集電區(qū)收集從發(fā)射區(qū)擴散過來的電子過程 由于集電結(jié)反向偏置 可將從發(fā)射區(qū)擴散到基區(qū)并到達集電區(qū)邊緣的電子拉入集電區(qū) 從而形成較大的集電極電流IC 第6章 6 4 3晶體管的特性曲線 1 輸入特性曲線 晶體管的輸入特性與二極管類似 死區(qū)電壓 UCE 1V 原因是b e間加正向電壓 這時集電極的電位比基極高 集電結(jié)為反向偏置 發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的電子絕大部分擴散到集電結(jié) 只有一小部分與基區(qū)中的空穴復合 形成IB 與UCE 0V時相比 在UBE相同的條件下 IB要小的多 從圖中可以看出 導通電壓約為0 5V 嚴格地說 當UCE逐漸增加時 IB逐漸減小 曲線逐漸向右移 這是因為UCE增加時 集電結(jié)的耗盡層變寬 減小了基區(qū)的有效寬度 不利于空穴的復合 所以IB減小 不過UCE超過1V以后再增加 IC增加很少 因為IB的變化量也很小 通?？梢院雎訳CE變化對IB的影響 認為UCE1V時的曲線都重合在一起 第6章 1 放大區(qū) 發(fā)射極正向偏置 集電結(jié)反向偏置 2 截止區(qū) 發(fā)射結(jié)反向偏置 集電結(jié)反向偏置 3 飽和區(qū) 發(fā)射結(jié)正向偏置 集電結(jié)正向偏置 2 輸出特性曲線 iB 0 uBE 0 uCE uBE 第6章 6 4 4晶體管的主要參數(shù) 1 電流放大倍數(shù) iC iB2 極間反向電流iCBO iCEO iCEO 1 iCBO3 極限參數(shù) 1 集電極最大允許電流ICM 下降到額定值的2 3時所允許的最大集電極電流 2 反向擊穿電壓U BR CEO 基極開路時 集電極 發(fā)射極間的最大允許電壓 基極開路時 集電極與發(fā)射極之間的最大允許電壓 為保證晶體管安全工作 一般應取 3 集電極最大允許功耗PCM 晶體管的參數(shù)不超過允許值時 集電極所消耗的最大功率 第6章 學習與探討 晶體管的發(fā)射極和集電極是不能互換使用的 因為發(fā)射區(qū)的摻雜質(zhì)濃度很高 集電區(qū)的摻雜質(zhì)濃度較低 這樣才使得發(fā)射極電流等于基極電流和集電極電流之和 如果互換作用顯然不行 晶體管在輸出特性曲線的飽和區(qū)工作時 UCE UBE 集電結(jié)也處于正偏 這時內(nèi)電場大大削弱 這種情況下極不利于集電區(qū)收集從發(fā)射區(qū)到達基區(qū)的電子 因此在相同的基極電流IB時 集電極電流IC比放大狀態(tài)下要小很多 可見飽和區(qū)下的電流放大倍數(shù)不再等于 N型半導體中具有多數(shù)載流子電子 同時還有與電子數(shù)量相同的正離子及由本征激發(fā)的電子 空穴對 因此整塊半導體中正負電荷數(shù)量相等 呈電中性而不帶電 第6章 6 5單極型三極管 單極型三極管只有一種載流子 多數(shù)載流子 參與導電而命名之 單極型三極管又是利用電場控制半導體中載流子運動的一種有源器件 因此又稱之為場效應管 目前場效應管應用得最多的是以二氧化硅作為絕緣介質(zhì)的金屬 氧化物 半導體絕緣柵型場效應管 這種場效應管簡稱為CMOS管 與雙極型晶體管相比 單極型三極管除了具有雙極型晶體管體積小 重量輕 壽命長等優(yōu)點外 還具有輸入阻抗高 動態(tài)范圍大 熱穩(wěn)定性能好 抗輻射能力強 制造工藝簡單 便于集成等優(yōu)點 近年來場效應管的發(fā)展得非常迅速 很多場合取代了雙極型晶體管 特別時大規(guī)模集成電路 大都由場效應管構(gòu)成 場效應管實物圖 第6章 1 MOS管的基本結(jié)構(gòu) 根據(jù)場效應管結(jié)構(gòu)和工作原理的不同 一般可分為兩大類 結(jié)型場效應管和絕緣柵場效應管 結(jié)型場效應N溝道管結(jié)構(gòu)圖及電路圖符號 結(jié)型場效應P溝道管結(jié)構(gòu)圖及電路圖符號 第6章 絕緣柵型場效應管中 目前常用的是以二氧化硅SiO2作為金屬鋁柵極和半導體之間的絕緣層 簡稱MOS管 它有N溝道和P溝道兩類 而每一類又分增強型和耗盡型兩種 所謂增強型就是UGS 0時 漏源之間沒有導電溝道 即使在漏源之間加上一定范圍內(nèi)的電壓 也沒有漏極電流 反之 在UGS 0時 漏源之間存在有導電溝道的稱為耗盡型 左圖是N溝道增強型MOS管的結(jié)構(gòu)圖 一塊雜質(zhì)濃度較低的P型硅片作為襯底B 在其中擴散兩個N 區(qū)作為電極 分別稱為源極S和漏極D 半導體表面覆蓋一層很薄的二氧化硅 SiO2 絕緣層 在漏源極間的絕緣層上再制造一層金屬鋁 稱為柵極G 這就構(gòu)成了一個N溝道增強型MOS管 顯然它的柵極與其它電極間是絕緣的 柵極 漏極 源極 二氧化硅絕緣層 P型硅襯底 第6章 N溝道增強型MOS管圖符號 P溝道增強型MOS管圖符號 2 MOS管的工作原理 MOS管的源極和襯底通常是接在一起的 大多數(shù)管子在出廠前已連接好 且N溝道增強型MOS管不存在原始溝道 因此 當UGS 0時 增強型MOS管的漏源之間相當于有兩個背靠背的PN結(jié) 所以即使在D S間加上電壓 無論UDD的極性如何 總有一個PN結(jié)處于反偏狀態(tài) 因此場效應管不能導通 ID 0 UGS 怎樣才能產(chǎn)生導電溝道呢 耗盡層 導電溝道 在G S間加正電壓 即柵極 襯底間加UGS 與源極連在一起 由于二氧化硅絕緣層的存在 故沒有電流 但是金屬柵極被充電而聚集正電荷 P型襯底中的多子空穴被正電荷構(gòu)成的電場排斥向下運動 在表面留下帶負電的受主離子 形成耗盡層 隨著G S間正電壓的增加 耗盡層加寬 當UGS增大到一定值時 襯底中的少子電子被正電荷吸引到表面 在耗盡層和絕緣層之間形成了一個N型薄層 這個反型層構(gòu)成了漏源之間的導電溝道 這時的UGS稱為開啟電壓UT UGS繼續(xù)增加 襯底表面感應電子增多 導電溝道加寬 但耗盡層的寬度卻不再變化 即用UGS的大小可以控制導電溝道的寬度 第6章 由上述分析可知 N溝道增強型MOS管在UGS UT時 導電溝道不能形成 ID 0 這時管子處于截止狀態(tài) 當UGS UT時 導電溝道開始形成 此時若在漏源極間加正向電壓UDD 就會有漏極電流ID產(chǎn)生 管子開始導通 UGS UT時 隨著UGS的增大 導電溝道逐漸變寬 溝道電阻漸小 漏極電流ID漸大 這種漏極電流ID隨柵極電位UGS的變化而變化的關(guān)系 稱為MOS管的壓控特性 MOS管輸出電流受輸入電壓控制的特性 3 MOS管使用注意事項 顯然 MOS管是一種受電壓控制的電流放大部件 P襯底應接低電位 N襯底應接高電位 當源極電位很高或很低時 應與襯底相連 通常漏極和源極可以互換 若出廠時源極和襯底相連 應注意漏 源極則不能對調(diào) MOS管的柵源電壓不能接反 但可在開路狀態(tài)下保存 MOS管的襯底應與電路中最低電位相連 應特別注意 MOS在不使用時柵極不能懸空 務必將各電極短接 焊接MOS管時 應斷電后再焊 第6章 場效應管的源極S 柵極G 漏極D分別對應于晶體管的發(fā)射極e 基極b 集電極c 它們的作用相似 場效應管是電壓控制電流器件 場效應管柵極基本上不取電流 而晶體管工作時基極總要取一定的電流 所以在只允許從信號源取極小量電流的情況下 應該選用場效應管 而在允許取一定量電流時 選用晶體管進行放大可以得到比場效應管較高的電壓放大倍數(shù) 場效應管是多子導電 而晶體管則是既利用多子 又利用少子 由于少子的濃度易受溫度 輻射等外界條件的影響 因而場效應管比晶體管的溫度穩(wěn)定性好 抗輻射能力強 在環(huán)境條件 溫度等 變化比較劇烈的情況下 選用場效應管比較合適 場效應管的源極和襯底通常是連在一起時 源極和漏極可以互換使用 耗盡型絕緣柵型管的柵極電壓可正可負 靈活性比晶體管強 而晶體管的集電極與發(fā)射極互換使用時 其特性差異很大 值將減小很多 與雙極型晶體管相比 場效應管的噪聲系數(shù)較小 所以在低噪聲放大器的前級通常選用場效應管 也可以選特制的低噪聲晶體管 但總的來說 當信噪比是主要矛盾時 還應選用場效應管 場效應管和晶體管都可以用于放大或可控開關(guān) 但場效應管還可以作為壓控電阻使用 而且制造工藝便于集成化 具有耗電少 熱穩(wěn)定性好 工作電源電壓范圍寬等優(yōu)點 因此在電子設備中得到廣泛的應用 單極型晶體管和雙極型晶體管的性能比較 第6章 1 雙極型三極管和單極型三極管的導電機理有什么不同 為什么稱晶體管為電流控件而稱MOS管為電壓控件 檢驗學習結(jié)果 2 當UGS為何值時 增強型N溝道MOS管導通 3 在使用MOS管時 為什么柵極不能懸空 4 晶體管和MOS管的輸入電阻有何不同 雙極型三極管有多子和少子兩種載流子同時參與導電 單極型三極管只有多子參與導電 晶體管的輸出電流IC受基極電流IB的控制而變化 因此稱之為電流控件 MOS管的輸出電流ID受柵極電位UGS的控制而變化 所以稱為電壓控件 當UGS UT時 增強型N溝道MOS管開始導通 隨著UGS的增加 溝道加寬 ID增大 由于二氧化硅層的原因 使MOS管具有很高的輸入電阻 在外界電壓影響下 柵極易產(chǎn)生相當高的感應電壓 造成管子擊穿 所以MOS管在不使用時應避免柵極懸空 務必將各電極短接 晶體管的輸入電阻rbe一般在幾百歐 千歐左右 相對較低 而MOS管的輸入電阻極高 一般認為柵極電流通不過為零 第6章