半导体器件的基础知识.ppt

1 1半导体二极管 1 2半导体三极管 1 3场效晶体管 本章小结 第一章半导体器件的基础知识 1 1 1什么是半导体 2 载流子 半导体中 携带电荷参与导电的粒子 自由电子 带负电荷空穴 带与自由电子等量的正电荷 均可运载电荷 载流子 特性 在外电场作用下 载流子都可以做定向移动 形成电流 1 半导体 导电能力介于导体和绝缘体之间 且随着掺入杂质 输入电压 电流 温度和光照条件的不同而发生很大变化 人们把这一类物质称为半导体 1 1半导体二极管 3 N型半导体 主要靠电子导电的半导体 即 电子是多数载流子 空穴是少数载流子 4 P型半导体 主要靠空穴导电的半导体 1 1 2PN结 即 电子是多数载流子 空穴是少数载流子 PN结 经过特殊的工艺加工 将P型半导体和N型半导体紧密地结合在一起 则在两种半导体的交界面就会出现一个特殊的接触面 称为PN结 PN结具有单向导电特性 1 1半导体二极管 1 正向导通 电源正极接P型半导体 负极接N型半导体 电流大 2 反向截止 电源正极接N型半导体 负极接P型半导体 电流小 结论 PN结加正向电压时导通 加反向电压时截止 这种特性称为PN结的单向导电性 1 1半导体二极管 如果反向电流未超过允许值 反向电压撤除后 PN结仍能恢复单向导电性 反向击穿 PN结两端外加的反向电压增加到一定值时 反向电流急剧增大 称为PN结的反向击穿 热击穿 若反向电流增大并超过允许值 会使PN结烧坏 称为热击穿 结电容 PN结存在着电容 该电容为PN结的结电容 1 1半导体二极管 1 1 3半导体二极管 1 半导体二极管的结构和符号 利用PN结的单向导电性 可以用来制造一种半导体器件 半导体二极管 箭头表示正向导通电流的方向 电路符号如图所示 1 1半导体二极管 由于管芯结构不同 二极管又分为点接触型 如图a 面接触型 如图b 和平面型 如图c 点接触型 PN结接触面小 适宜在小电流状态下使用 面接触型 平面型 PN结接触面大 截流量大 适合于大电流场合中使用 1 1半导体二极管 2 二极管的特性 伏安特性 二极管的导电性能由加在二极管两端的电压和流过二极管的电流来决定 这两者之间的关系称为二极管的伏安特性 硅二极管的伏安特性曲线如图所示 特性曲线 1 1半导体二极管 正向导通 当外加电压大于死区电压后 电流随电压增大而急剧增大 二极管导通 死区 当正向电压较小时 正向电流极小 二极管呈现很大的电阻 如OA段 通常把这个范围称为死区 死区电压 导通电压 结论 正偏时电阻小 具有非线性 1 正向特性 二极管正极电压大于负极电压 1 1半导体二极管 反向击穿 若反向电压不断增大到一定数值时 反向电流就会突然增大 这种现象称为反向击穿 反向饱和电流 当加反向电压时 二极管反向电流很小 而且在很大范围内不随反向电压的变化而变化 故称为反向饱和电流 2 反向特性 二极管负极电压大于正极电压 普通二极管不允许出现此种状态 结论 反偏电阻大 存在电击穿现象 二极管属于非线性器件 1 1半导体二极管 3 半导体二极管的主要参数 1 最大整流电流IF 二极管长时间工作时允许通过的最大直流电流 二极管正常使用时允许加的最高反向电压 使用时应注意流过二极管的正向最大电流不能大于这个数值 否则可能损坏二极管 2 最高反向工作电压VRM 使用中如果超过此值 二极管将有被击穿的危险 1 1半导体二极管 1 2 1半导体三极管的基本结构与分类 1 结构及符号 三极 发射极E 基极B 集电极C 三区 发射区 基区 集电区 1 2半导体三极管 PNP型及NPN型三极管的内部结构及符号如图所示 实际上发射极箭头方向就是发射结正向电流方向 两结 发射结 集电结 1 按半导体基片材料不同 NPN型和PNP型 2 按功率分 小功率管和大功率管 3 按工作频率分 低频管和高频管 4 按管芯所用半导体材料分 锗管和硅管 5 按结构工艺分 合金管和平面管 6 按用途分 放大管和开关管 2 分类 1 2半导体三极管 三极管常采用金属 玻璃或塑料封装 常用的外形及封装形式如图所示 3 外形及封装形式 1 2半导体三极管 1 三极管各电极上的电流分配 三极管电流分配实验电路如图所示 1 2 2三极管的电流放大作用 1 2半导体三极管 实验数据 表1 1三极管三个电极上的电流分配 结论 IE IB IC 三极管的电流分配规律 发射极电流等于基极电流和极电极电流之和 1 2半导体三极管 2 三极管的电流放大作用 由表1 1的数据可看出 当基极电流IB由0 03mA变到0 04mA时 集电极电流IC由1 74mA变到2 23mA 上面两个变化量之比为 1 2半导体三极管 1 三极管的电流放大作用 实质上是用较小的基极电流信号控制集电极的大电流信号 是 以小控大 的作用 由此可见 基极电流的微小变化控制了集电极电流较大的变化 这就是三极管的电流放大原理 结论 要使三极管起放大作用 必须保证发射结加正向偏置电压 集电结加反向偏置电压 2 三极管的放大作用 需要一定的外部条件 注意 1 2半导体三极管 利用三极管的电流放大作用 可以用来构成放大器 其方框图如图所示 1 共发射极电路 CE 把三极管的发射极作为公共端子 三极管在构成放大器时 有三种基本连接方式 1 2 3三极管的基本连接方式 1 2半导体三极管 2 共基极电路 CB 把三极管的基极作为公共端子 3 共集电极电路 CC 把三极管的集电极作为公共端子 1 2半导体三极管 输入特性 在VCE一定的条件下 加在三极管基极与发射极之间的电压VBE和它产生的基极电流IB之间的关系 1 输入特性曲线 1 2 4三极管的特性曲线 1 2半导体三极管 改变RP2可改变VCE VCE一定后 改变RP1可得到不同的VBE和IB 由图可见 1 当VCE 1V时 特性曲线基本重合 2 当VBE很小时 IB等于零 三极管处于截止状态 1 2半导体三极管 4 三极管导通后 VBE基本不变 硅管约为0 7V 锗管约为0 3V 称为三极管的导通电压 5 VBE与IB成非线性关系 3 当VBE大于门槛电压 硅管约0 5V 锗管约0 2V 时 IB逐渐增大 三极管开始导通 1 2半导体三极管 输出特性 在IB一定条件下时 集电极极与发射极之间的电压VCE和集电极电流IC之间的关系 2 输出特性曲线 1 2半导体三极管 先调节RP1 使IB为一定值 再调节RP2得到不同的VCE IC 测试电路如图所示 输出特性曲线 1 2半导体三极管 条件 发射结反偏或两端电压为零 2 放大区 条件 发射结正偏 集电结反偏 特点 IC受IB控制 即 IC IB 在放大状态 当IB一定时 IC不随VCE变化 即放大状态的三极管具有恒流特性 3 饱和区 条件 发射结和集电结均为正偏 VCES称为饱和管压降 小功率硅管约0 3V 锗管约为0 1V 输出特性曲线族可分三个区 特点 VCE VCES 1 截止区 特点 IB 0 IC ICEO 1 2半导体三极管 3 三极管的主要参数 集电极 发射极反向饱和电流ICEO 集电极 基极反向饱和电流ICBO 2 极间反向饱和电流 选用管子时 值应恰当 一般说来 值太大的管子工作稳定性差 1 共射极电流放大倍数 两者关系 ICEO 1 ICBO 1 2半导体三极管 3 极限参数 反向击穿电压 当基极开路时 集电极与发射极之间所能承受的最高反向电压 V BR CEO 当发射极开路时 集电极与基极之间所能承受的最高反向电压 V BR CBO 当集电极开路时 发射极与基极之间所能承受的最高反向电压 V BR EBO 1 2半导体三极管 当IC过大时 电流放大系数 将下降 在技术上规定 下降到正常值的2 3时的集电极电流称集电极最大允许电流 集电极最大允许电流ICM 在三极管因温度升高而引起的参数变化不超过允许值时 集电极所消耗的最大功率称集电极最大允许耗散功率 三极管应工作在三极管最大损耗曲线图中的安全工作区 三极管最大损耗曲线如图所示 集电极最大允许耗散功率PCM 1 2半导体三极管 1 用万用表判别三极管的管型和管脚 方法 黑表笔和三极管任一管脚相连 红表笔分别和另外两个管脚相连测其阻值 若阻值一大一小 则将黑表笔所接的管脚调换重新测量 直至两个阻值接近 如果阻值都很小 则黑表笔所接的为NPN型三极管的基极 若测得的阻值都很大 则黑表笔所接的是PNP型三极管的基极 1 2 5三极管的简易测试 1 2半导体三极管 若为NPN型三极管 将黑红表笔分别接另两个引脚 用手指捏住基极和假设的集电极 观察表针摆动 再将假设的集电极和发射极互换 按上述方法重测 比较两次表针摆幅 摆幅较大的一次黑表笔所接的管脚为集电极 红表笔所接的管脚为发射极 若为PNP型三极管 只要将红表笔和黑表笔对换再按上述方法测试即可 1 2半导体三极管 2 判断三极管的好坏 1 万用表置于 R 1k 挡或 R 100 挡位 2 方法 分别测量三极管集电结与发射结的正向电阻和反向电阻 只要有一个PN结的正 反向电阻异常 就可判断三极管已坏 1 2半导体三极管 3 判断三极管 的大小 将两个NPN管接入判断三极管C脚和E脚的测试电路 如图所示 万用表显示阻值小的管子的 值大 4 判断三极管ICEO的大小 以NPN型为例 用万用表测试C E间的阻值 阻值越大 表示ICEO越小 1 2半导体三极管 1 片状三极管的封装 小功率三极管 额定功率在100mW 200mW的小功率三极管 一般采用SOT 23形式封装 如图所示 1 基极 2 发射极 3 集电极 1 2 6片状三极管 1 2半导体三极管 大功率三极管 额定功率在1W 1 5W的大功率三极管 一般采用SOT 89形式封装 1 基极 3 发射极 2 4 内部连接在一起 集电极 1 2半导体三极管 在三极管的管芯内加入一只或两只偏置电阻的片状三极管称带阻片状三极管 2 带阻片状三极管 1 2半导体三极管 带阻片状三极管型号及极性 表1 2部分带阻片状三极管型号和极性 1 2半导体三极管 3 复合双三极管 在一个封装内包含两只三极管的新型器件 1 2半导体三极管 常见外型封装形式如图所示 UM 6 SOT 25 SOT 36 1 3场效晶体管 半导体三极管是利用输入电流控制输出电流的半导体器件 称为电流控制型器件 场效晶体管是利用输入电压产生电场效应来控制输出电流的器件 称为电压控制器件 根据结构和工作原理不同 场效晶体管可分为 结型 JFET 绝缘栅型 MOSFET 1 3 1结型场效晶体管 1 符号和分类 结型场效晶体管的电路符号和外形如图所示 三个电极 漏极 D 源极 S 和栅极 G D和S可交换使用 电路符号和外形如图所示 结型场效晶体管可分为P沟道和N沟道两种 在电路符号中用箭头加以区别 1 3场效晶体管 2 电压放大作用 场效晶体管的放大电路如图所示 场效晶体管共源极电路中 漏极电流受栅源电压控制 场效晶体管是电压控制器件 具有电压放大作用 1 3场效晶体管 1 3 2绝缘栅场效晶体管 栅极与漏 源极完全绝缘的场效晶体管 称绝缘栅场效晶体管 MOSFET 输入电阻很大 在1012 以上 它也有N沟道和P沟道两大类 每一类中又分为增强型和耗尽型两种 1 3场效晶体管 1 电路符号和分类 N沟道 箭头指向内 沟道用虚线为增强型 用实线为耗尽型 N沟道称NMOS管 P沟道 箭头指向外 沟道用虚线为增强型 用实线为耗尽型 P沟道称PMOS管 1 3场效晶体管 四种场效晶体管的电路符号如图所示 P沟道增强型 N沟道耗尽型 P沟道耗尽型 N沟道增强型 2 结构和工作原理 1 结构 1 3场效晶体管 在源区和漏区之间的衬底表面覆盖一层很薄的绝缘层 再在绝缘层上覆盖一层金属薄层 形成栅极 G N型区引出两个电极 漏极 D 源极 S 从衬底基片上引出一个电极 称为衬底电极 以N沟道增强型MOSFET为例 2 工作原理 当VGS 0 在漏 源极间加一正向电压VDS时 漏源极之间的电流ID 0 当VGS VT 在绝缘层和衬底之间感应出一个反型层 使漏极和源极之间产生导电沟道 在漏 源极间加一正向电压VDS时 将产生电流ID 总结 VGS越大 导电沟道越宽 沟道电阻越小 ID越大 则通过调节VGS可控制漏极电流ID 3 输出特性和转移特性 与晶体管类似 1 3场效晶体管 3 电压放大作用 MOS场效晶体管放大电路与结型场效晶体管放大电路的工作原理相似 N沟道耗尽型场效晶体管的VGS可取负值 取正值和零均能正常工作 通常将增强型MOS管简写为EMOS 耗尽型MOS管简写为DMOS 1 3场效晶体管 1 3 3MOSFET和三极管的比较 1 MOSFET温度稳定性好 2 MOSFET输入电阻极高 因此 MOSFET放大级对前级的放大能力影响极小 3 MOSFET存放时 应使栅极与源极短接 避免栅极悬空 4 MOSFET的源极和漏极可以互换使用 1 3场效晶体管 本章小结 2 晶体二极管的核心是PN结 故具有单向导电性 二极管属于非线性器件 其伏安特性是非线性的 二极管的门坎电压 硅管约0 5V 锗管约0 2V 导通电压 硅管约0 7V 锗管约0 3V 1 本征半导体内存在两种载流子 自由电子和空穴 杂质半导体有P型和N型两种 P型半导体中空穴是多子 N型半导体中自由电子是多子 PN结是在P型半导体与N型半导体交界面附近形成的空间电荷区 也叫阻挡层或耗尽层 PN结具有单向导电性 即正偏时导通 反偏时截止 4 MOS管是一种电压控制器件 MOS管的优点是 输入阻抗高 受幅射和温度影响小 集成工艺简单 超大规模集成电路主要应用MOS管 3 晶体三极管是一种电流控制器件 它以较小的基极电流控制较大的集电极电流 以较小的基极电流变化控制较大的集电极电流变化 所谓电流放大作用 实质上就是这种 小控制大 小变化控制大变化 的作用 三极管有PNP型和NPN型两大类 管外有三个电极 发射极 基极和集电极 管内有两个PN结 发射结和集电结 使用时有三种电路组态 共发射极 共基极和共集电极组态 三种工作状态 截止状态 饱和状态和放大状态 两种基本功能 开关功能和放大功能