半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)知識(shí)

1、半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)知識(shí)第一頁，共49頁。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，人們把這一類物質(zhì)稱為半導(dǎo)體。1.1半導(dǎo)體二極管第二頁，共49頁。3N 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。4P 型半導(dǎo)體：主要靠空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體。 PN 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)過特殊的工藝加工，將 P 型

2、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娞匦浴?.1半導(dǎo)體二極管第三頁，共49頁。（1）正向?qū)ǎ弘娫凑龢O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娦浴?1.1半導(dǎo)體二極管第四頁，共49頁。如果反向電流未超過允許值，反向電壓撤除后，PN 結(jié)仍能恢復(fù)單向?qū)щ娦浴?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

3、。 熱擊穿：若反向電流增大并超過允許值，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)體二極管第五頁，共49頁。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)娏鞯姆较颉?電路符號(hào)如圖所示。1.1半導(dǎo)體二極管第六頁，共49頁。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)體二極管第七頁，

4、共49頁。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二極管的電流來決定，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)體二極管第八頁，共49頁。 正向?qū)ǎ寒?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：=onV0.2 V 0.3 V （Ge）0.6 V 0.7 V （Si）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=(Si）V 0.2V

5、5.0TV(Ge）第九頁，共49頁。 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)體二極管第十頁，共49頁。3半導(dǎo)體二極管的主要參數(shù)（1）最大整流電流 IF： 二極管長時(shí)間工作時(shí)允許通過的最大直流電流。 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)注意流過二極管的正向最大電流不能大于這個(gè)數(shù)值，否則可

6、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(xiǎn)。1.1半導(dǎo)體二極管第十一頁，共49頁。半導(dǎo)體三極管的基本結(jié)構(gòu)與分類 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)。第十二頁，共49頁。（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

7、。（6）按用途分：放大管和開關(guān)管。2分類 1.2半導(dǎo)體三極管第十三頁，共49頁。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)體三極管第十四頁，共49頁。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。三極管的電流放大作用1.2半導(dǎo)體三極管第十五頁，共49頁。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)體三極管第十六頁，共49頁。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 0.03 mA 變到 0.04 mA

8、 時(shí)，集電極電流 IC 由 1.74 mA 變到 2.23 mA 。上面兩個(gè)變化量之比為1.2半導(dǎo)體三極管第十七頁，共49頁。（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，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)體三極管第十八頁，共49頁。利用三極管的電流放大作用，可以用來構(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

9、端子。三極管在構(gòu)成放大器時(shí)，有三種基本連接方式：三極管的基本連接方式1.2半導(dǎo)體三極管第十九頁，共49頁。（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)體三極管第二十頁，共49頁。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 。第二十一頁，共49頁。由圖可見：（1）當(dāng) V CE 1 V 時(shí)，特性曲線基本重合。

10、（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)體三極管第二十二頁，共49頁。（4）三極管導(dǎo)通后，VBE 基本不變。硅管約為 0.7 V ，鍺管 約為 0.3 V ，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 大于門檻電壓（硅管約 0.5 V，鍺管約 0.2 V）時(shí)，IB 逐漸增大，三極管開始導(dǎo)通。1.2半導(dǎo)體三極管第二十三頁，共49頁。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、

11、IC。測(cè)試電路如圖所示。第二十四頁，共49頁。輸出特性曲線1.2半導(dǎo)體三極管第二十五頁，共49頁。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 0.3 V，鍺管約為 0.1 V。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)體三極管第二十六頁，共49頁。3三極管的主要參數(shù)

12、： 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)，一般說來， 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 + ） ICBO1.2半導(dǎo)體三極管第二十七頁，共49頁。（3）極限參數(shù) 反向擊穿電壓。當(dāng)基極開路時(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

13、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。第二十八頁，共49頁。在三極管因溫度升高而引起的參數(shù)變化不超過允許值時(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 PCM1.2半導(dǎo)體三極管第二十九頁，共49頁。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(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

14、，則黑表筆所接的是 PNP 型三極管的基極。三極管的簡(jiǎn)易測(cè)試1.2半導(dǎo)體三極管第三十頁，共49頁。 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)體三極管第三十一頁，共49頁。2判斷三極管的好壞（1）萬用表置于“R 1 k ”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

15、、反向電阻異常，就可判斷三極管已壞。1.2半導(dǎo)體三極管第三十二頁，共49頁。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(cè)試 C、E 間的阻值，阻值越大，表示 ICEO 越小。1.2半導(dǎo)體三極管第三十三頁，共49頁。1片狀三極管的封裝小功率三極管：額定功率在 100 mW 200 mW 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。片狀三極管1.2半導(dǎo)體三極管第三十四頁，共49頁。大功率三極管：額定功率在 1

16、W 1.5 W 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)體三極管第三十五頁，共49頁。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)體三極管第三十六頁，共49頁。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)體三極管第三十七頁，共49頁。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)體三極管常見外型封裝形式如圖所示。UM6 SOT25 SOT36 第三十八頁，共49頁。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

17、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）第三十九頁，共49頁。結(jié)型場(chǎng)效晶體管1符號(hào)和分類結(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)效晶體管第四十頁，共49頁。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

18、件，具有電壓放大作用。1.3場(chǎng)效晶體管第四十一頁，共49頁。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，每一類中又分為增強(qiáng)型和耗盡型兩種。1.3場(chǎng)效晶體管第四十二頁，共49頁。1電路符號(hào)和分類 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 第四十三頁，共49頁。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 。 第四十四頁，共49頁。（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 ?？偨Y(jié)： VGS 越大，導(dǎo)電溝