半導體器件的基礎知識.ppt

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1 1半導體二極管 1 2半導體三極管 1 3場效晶體管 本章小結 第一章半導體器件的基礎知識 1 1 1什么是半導體 2 載流子 半導體中 攜帶電荷參與導電的粒子 自由電子 帶負電荷空穴 帶與自由電子等量的正電荷 均可運載電荷 載流子 特性 在外電場作用下 載流子都可以做定向移動 形成電流 1 半導體 導電能力介于導體和絕緣體之間 且隨著摻入雜質 輸入電壓 電流 溫度和光照條件的不同而發(fā)生很大變化 人們把這一類物質稱為半導體 1 1半導體二極管 3 N型半導體 主要靠電子導電的半導體 即 電子是多數載流子 空穴是少數載流子 4 P型半導體 主要靠空穴導電的半導體 1 1 2PN結 即 電子是多數載流子 空穴是少數載流子 PN結 經過特殊的工藝加工 將P型半導體和N型半導體緊密地結合在一起 則在兩種半導體的交界面就會出現一個特殊的接觸面 稱為PN結 PN結具有單向導電特性 1 1半導體二極管 1 正向導通 電源正極接P型半導體 負極接N型半導體 電流大 2 反向截止 電源正極接N型半導體 負極接P型半導體 電流小 結論 PN結加正向電壓時導通 加反向電壓時截止 這種特性稱為PN結的單向導電性 1 1半導體二極管 如果反向電流未超過允許值 反向電壓撤除后 PN結仍能恢復單向導電性 反向擊穿 PN結兩端外加的反向電壓增加到一定值時 反向電流急劇增大 稱為PN結的反向擊穿 熱擊穿 若反向電流增大并超過允許值 會使PN結燒壞 稱為熱擊穿 結電容 PN結存在著電容 該電容為PN結的結電容 1 1半導體二極管 1 1 3半導體二極管 1 半導體二極管的結構和符號 利用PN結的單向導電性 可以用來制造一種半導體器件 半導體二極管 箭頭表示正向導通電流的方向 電路符號如圖所示 1 1半導體二極管 由于管芯結構不同 二極管又分為點接觸型 如圖a 面接觸型 如圖b 和平面型 如圖c 點接觸型 PN結接觸面小 適宜在小電流狀態(tài)下使用 面接觸型 平面型 PN結接觸面大 截流量大 適合于大電流場合中使用 1 1半導體二極管 2 二極管的特性 伏安特性 二極管的導電性能由加在二極管兩端的電壓和流過二極管的電流來決定 這兩者之間的關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半導體二極管 正向導通 當外加電壓大于死區(qū)電壓后 電流隨電壓增大而急劇增大 二極管導通 死區(qū) 當正向電壓較小時 正向電流極小 二極管呈現很大的電阻 如OA段 通常把這個范圍稱為死區(qū) 死區(qū)電壓 導通電壓 結論 正偏時電阻小 具有非線性 1 正向特性 二極管正極電壓大于負極電壓 1 1半導體二極管 反向擊穿 若反向電壓不斷增大到一定數值時 反向電流就會突然增大 這種現象稱為反向擊穿 反向飽和電流 當加反向電壓時 二極管反向電流很小 而且在很大范圍內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 二極管負極電壓大于正極電壓 普通二極管不允許出現此種狀態(tài) 結論 反偏電阻大 存在電擊穿現象 二極管屬于非線性器件 1 1半導體二極管 3 半導體二極管的主要參數 1 最大整流電流IF 二極管長時間工作時允許通過的最大直流電流 二極管正常使用時允許加的最高反向電壓 使用時應注意流過二極管的正向最大電流不能大于這個數值 否則可能損壞二極管 2 最高反向工作電壓VRM 使用中如果超過此值 二極管將有被擊穿的危險 1 1半導體二極管 1 2 1半導體三極管的基本結構與分類 1 結構及符號 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半導體三極管 PNP型及NPN型三極管的內部結構及符號如圖所示 實際上發(fā)射極箭頭方向就是發(fā)射結正向電流方向 兩結 發(fā)射結 集電結 1 按半導體基片材料不同 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 按管芯所用半導體材料分 鍺管和硅管 5 按結構工藝分 合金管和平面管 6 按用途分 放大管和開關管 2 分類 1 2半導體三極管 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 三極管電流分配實驗電路如圖所示 1 2 2三極管的電流放大作用 1 2半導體三極管 實驗數據 表1 1三極管三個電極上的電流分配 結論 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半導體三極管 2 三極管的電流放大作用 由表1 1的數據可看出 當基極電流IB由0 03mA變到0 04mA時 集電極電流IC由1 74mA變到2 23mA 上面兩個變化量之比為 1 2半導體三極管 1 三極管的電流放大作用 實質上是用較小的基極電流信號控制集電極的大電流信號 是 以小控大 的作用 由此可見 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 結論 要使三極管起放大作用 必須保證發(fā)射結加正向偏置電壓 集電結加反向偏置電壓 2 三極管的放大作用 需要一定的外部條件 注意 1 2半導體三極管 利用三極管的電流放大作用 可以用來構成放大器 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 三極管在構成放大器時 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和它產生的基極電流IB之間的關系 1 輸入特性曲線 1 2 4三極管的特性曲線 1 2半導體三極管 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 1 當VCE 1V時 特性曲線基本重合 2 當VBE很小時 IB等于零 三極管處于截止狀態(tài) 1 2半導體三極管 4 三極管導通后 VBE基本不變 硅管約為0 7V 鍺管約為0 3V 稱為三極管的導通電壓 5 VBE與IB成非線性關系 3 當VBE大于門檻電壓 硅管約0 5V 鍺管約0 2V 時 IB逐漸增大 三極管開始導通 1 2半導體三極管 輸出特性 在IB一定條件下時 集電極極與發(fā)射極之間的電壓VCE和集電極電流IC之間的關系 2 輸出特性曲線 1 2半導體三極管 先調節(jié)RP1 使IB為一定值 再調節(jié)RP2得到不同的VCE IC 測試電路如圖所示 輸出特性曲線 1 2半導體三極管 條件 發(fā)射結反偏或兩端電壓為零 2 放大區(qū) 條件 發(fā)射結正偏 集電結反偏 特點 IC受IB控制 即 IC IB 在放大狀態(tài) 當IB一定時 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)射結和集電結均為正偏 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區(qū) 特點 VCE VCES 1 截止區(qū) 特點 IB 0 IC ICEO 1 2半導體三極管 3 三極管的主要參數 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 值應恰當 一般說來 值太大的管子工作穩(wěn)定性差 1 共射極電流放大倍數 兩者關系 ICEO 1 ICBO 1 2半導體三極管 3 極限參數 反向擊穿電壓 當基極開路時 集電極與發(fā)射極之間所能承受的最高反向電壓 V BR CEO 當發(fā)射極開路時 集電極與基極之間所能承受的最高反向電壓 V BR CBO 當集電極開路時 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半導體三極管 當IC過大時 電流放大系數 將下降 在技術上規(guī)定 下降到正常值的2 3時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變化不超過允許值時 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半導體三極管 1 用萬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管腳相連測其阻值 若阻值一大一小 則將黑表筆所接的管腳調換重新測量 直至兩個阻值接近 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 5三極管的簡易測試 1 2半導體三極管 若為NPN型三極管 將黑紅表筆分別接另兩個引腳 用手指捏住基極和假設的集電極 觀察表針擺動 再將假設的集電極和發(fā)射極互換 按上述方法重測 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換再按上述方法測試即可 1 2半導體三極管 2 判斷三極管的好壞 1 萬用表置于 R 1k 擋或 R 100 擋位 2 方法 分別測量三極管集電結與發(fā)射結的正向電阻和反向電阻 只要有一個PN結的正 反向電阻異常 就可判斷三極管已壞 1 2半導體三極管 3 判斷三極管 的大小 將兩個NPN管接入判斷三極管C腳和E腳的測試電路 如圖所示 萬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 用萬用表測試C E間的阻值 阻值越大 表示ICEO越小 1 2半導體三極管 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 內部連接在一起 集電極 1 2半導體三極管 在三極管的管芯內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半導體三極管 帶阻片狀三極管型號及極性 表1 2部分帶阻片狀三極管型號和極性 1 2半導體三極管 3 復合雙三極管 在一個封裝內包含兩只三極管的新型器件 1 2半導體三極管 常見外型封裝形式如圖所示 UM 6 SOT 25 SOT 36 1 3場效晶體管 半導體三極管是利用輸入電流控制輸出電流的半導體器件 稱為電流控制型器件 場效晶體管是利用輸入電壓產生電場效應來控制輸出電流的器件 稱為電壓控制器件 根據結構和工作原理不同 場效晶體管可分為 結型 JFET 絕緣柵型 MOSFET 1 3 1結型場效晶體管 1 符號和分類 結型場效晶體管的電路符號和外形如圖所示 三個電極 漏極 D 源極 S 和柵極 G D和S可交換使用 電路符號和外形如圖所示 結型場效晶體管可分為P溝道和N溝道兩種 在電路符號中用箭頭加以區(qū)別 1 3場效晶體管 2 電壓放大作用 場效晶體管的放大電路如圖所示 場效晶體管共源極電路中 漏極電流受柵源電壓控制 場效晶體管是電壓控制器件 具有電壓放大作用 1 3場效晶體管 1 3 2絕緣柵場效晶體管 柵極與漏 源極完全絕緣的場效晶體管 稱絕緣柵場效晶體管 MOSFET 輸入電阻很大 在1012 以上 它也有N溝道和P溝道兩大類 每一類中又分為增強型和耗盡型兩種 1 3場效晶體管 1 電路符號和分類 N溝道 箭頭指向內 溝道用虛線為增強型 用實線為耗盡型 N溝道稱NMOS管 P溝道 箭頭指向外 溝道用虛線為增強型 用實線為耗盡型 P溝道稱PMOS管 1 3場效晶體管 四種場效晶體管的電路符號如圖所示 P溝道增強型 N溝道耗盡型 P溝道耗盡型 N溝道增強型 2 結構和工作原理 1 結構 1 3場效晶體管 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)引出兩個電極 漏極 D 源極 S 從襯底基片上引出一個電極 稱為襯底電極 以N溝道增強型MOSFET為例 2 工作原理 當VGS 0 在漏 源極間加一正向電壓VDS時 漏源極之間的電流ID 0 當VGS VT 在絕緣層和襯底之間感應出一個反型層 使漏極和源極之間產生導電溝道 在漏 源極間加一正向電壓VDS時 將產生電流ID 總結 VGS越大 導電溝道越寬 溝道電阻越小 ID越大 則通過調節(jié)VGS可控制漏極電流ID 3 輸出特性和轉移特性 與晶體管類似 1 3場效晶體管 3 電壓放大作用 MOS場效晶體管放大電路與結型場效晶體管放大電路的工作原理相似 N溝道耗盡型場效晶體管的VGS可取負值 取正值和零均能正常工作 通常將增強型MOS管簡寫為EMOS 耗盡型MOS管簡寫為DMOS 1 3場效晶體管 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放大級對前級的放大能力影響極小 3 MOSFET存放時 應使柵極與源極短接 避免柵極懸空 4 MOSFET的源極和漏極可以互換使用 1 3場效晶體管 本章小結 2 晶體二極管的核心是PN結 故具有單向導電性 二極管屬于非線性器件 其伏安特性是非線性的 二極管的門坎電壓 硅管約0 5V 鍺管約0 2V 導通電壓 硅管約0 7V 鍺管約0 3V 1 本征半導體內存在兩種載流子 自由電子和空穴 雜質半導體有P型和N型兩種 P型半導體中空穴是多子 N型半導體中自由電子是多子 PN結是在P型半導體與N型半導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結具有單向導電性 即正偏時導通 反偏時截止 4 MOS管是一種電壓控制器件 MOS管的優(yōu)點是 輸入阻抗高 受幅射和溫度影響小 集成工藝簡單 超大規(guī)模集成電路主要應用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 實質上就是這種 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 管外有三個電極 發(fā)射極 基極和集電極 管內有兩個PN結 發(fā)射結和集電結 使用時有三種電路組態(tài) 共發(fā)射極 共基極和共集電極組態(tài) 三種工作狀態(tài) 截止狀態(tài) 飽和狀態(tài)和放大狀態(tài) 兩種基本功能 開關功能和放大功能