項目2 認(rèn)知半導(dǎo)體晶體管

項目2認(rèn)知半導(dǎo)體晶體管2.1任務(wù)1認(rèn)知雙極型晶體管2.1.1雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)和類型雙極型晶體管習(xí)慣上稱為晶體管或三極管，它的種類很多，按照工作頻率的不同，可分為高頻管和低頻管；按照功率的不同，可分為小功率管和大功率管；按照半導(dǎo)體材料的不同分為硅管和鍺管；無論采用何種材料，按照晶體管的結(jié)構(gòu)不同，都可分為NPN型和PNP型兩種類型不論是NPN型還是PNP型晶體管，都有三個區(qū)：發(fā)射區(qū)、基區(qū)、集電區(qū)，基區(qū)很薄。從三個區(qū)引出三個電極，分別是發(fā)射極、基極和集電極。兩個PN結(jié)分別是發(fā)射區(qū)與基區(qū)的發(fā)射結(jié)和集電區(qū)與基區(qū)的集電結(jié)。箭頭方向表示發(fā)射結(jié)加正向電壓時的電流方向。，其結(jié)構(gòu)和符號如圖2-2所示。為使晶體管具有電流放大作用，在制造過程中必須滿足實現(xiàn)放大的內(nèi)部結(jié)構(gòu)條件，即：（1）發(fā)射區(qū)摻雜濃度遠大于基區(qū)的摻雜濃度，以便于有足夠的載流子供“發(fā)射”。（2）基區(qū)很薄，摻雜濃度很低，以減少載流子在基區(qū)的復(fù)合機會，這是晶體管具有放大作用的關(guān)鍵所在。（3）集電區(qū)比發(fā)射區(qū)體積大且摻雜少，以利于收集載流子。由此可見，晶體管并非兩個PN結(jié)的簡單組合，不能用兩個二極管來代替；在放大電路中也不可將發(fā)射極和集電極對調(diào)使用。2.1.2晶體管的放大作用1．晶體管內(nèi)部載流子的運動和各極電流的形成1）晶體管的工作電壓若以發(fā)射極電壓為參考電壓，則晶體管發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏這個外部條件也可用電壓關(guān)系來表示：對于NPN型：UC>UB>UE；對于PNP型：UE>UB>UC。2）電流放大原理當(dāng)晶體管滿足工作在放大狀態(tài)的外部條件時，晶體管內(nèi)部載流子將產(chǎn)生如下運動過程晶體管內(nèi)載流子的運動和電流分配關(guān)系如圖2-4所示。綜上所述，晶體管要在一定的條件下才具有放大能力。內(nèi)部條件有：①發(fā)射區(qū)的摻雜濃度遠大于集電區(qū)；②基區(qū)很薄且摻雜濃度低；②集電結(jié)面積遠大于發(fā)射結(jié)。外部條件是發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。晶體管工作時有兩種極性的載流子參與導(dǎo)電，既有多數(shù)載流子又有少數(shù)載流子，故稱其為雙極型晶體管。（4）晶體管各極電流的分配關(guān)系由晶體管內(nèi)部載流子運動的示意圖可以得出IC=ICN+ICBOIB=IBN－ICBOIE=ICN+IBN=IC+

IB晶體管各極電流的分配關(guān)系的定量數(shù)據(jù)可以通過實驗得到，實驗電路如圖2-5所示。若使晶體管工作在放大狀態(tài)，必須滿足一定的外部條件：加電源電壓UBB，使發(fā)射結(jié)正偏，而電源電壓UCC＞UBB，保證集電結(jié)反偏。改變電阻Rb。，則基極電流Ib、集電極電流IC和發(fā)射極電流IE都會發(fā)生變化。通過實驗數(shù)據(jù)可得出如下結(jié)論：①IE＝IB+IC，晶體管三個電流之間的關(guān)系符合基爾霍夫定律。②IC≈IE。IB雖然很小，但對IC有控制作用，IC隨IB的變化而變化。兩者在一定范圍內(nèi)保持比例關(guān)系，即β＝IC/IB，即基極電流較小的變化可以引起集電極電流較大的變化。這表明基極電流對集電極具有小量控制大量的作用，這就是晶體管的放大作用。2．晶體管的特性曲線1）共發(fā)射集輸入特性曲線（1）當(dāng)UCE＝0時，從輸入端看進去，相當(dāng)于兩個PN結(jié)并聯(lián)且正向偏置，此時的特性曲線類似于二極管的正向伏安特性曲線（2）當(dāng)UCE≥1時，從圖中可見UCE≥1的曲線比UCE＝0時的曲線稍向右移，不同的UCE有不同的輸入特性曲線，但當(dāng)UCE≥1V以后，曲線基本保持不變。2）共發(fā)射極輸出特性曲線共射輸出特性曲線是IB為參變量時，IC與UCE間的關(guān)系曲線，如圖2-7所元。（1）放大區(qū)。當(dāng)UCE>1V以后，晶體管的集電極電流IC與基極電流IB成正比而與UCE關(guān)系不大。所以輸出特性曲線幾乎與橫軸平行，當(dāng)IB一定時，IC的值基本不隨UCE變化，具有恒流特性。（2）飽和區(qū)。發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均處于正偏的區(qū)域為飽和區(qū)。通常把UCE＝UBB（即集電結(jié)零偏）的情況稱為臨界飽和，對應(yīng)點的軌跡為臨界飽和線。當(dāng)UCE＜UBB時，IC與IB不成比例，它隨UCE的增加而迅速上升。此時，晶體管工作在飽和狀態(tài)。（3）截止區(qū)。發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均處于反偏的區(qū)域為截止區(qū)。在特性曲線上，通常把IB＝0那條輸出特性曲線以下的區(qū)域稱為截止區(qū)。3.晶體管的主要參數(shù)1）電流放大系數(shù)電流放大系數(shù)的大小反映了晶體管放大能力的強弱。（1）共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)β。β指集電極電流變化量與基極電流變化量之比，其大小體現(xiàn)了共射接法時，晶體管的放大能力。即（2）共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)

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為晶體管集電極電流與基極電流之比，即2）極間反向電流（1）集電極—基極間的反向電流ICBO。ICBO是指發(fā)射極開路時，集電極—基極間的反向電流，也稱集電結(jié)反向飽和電流。溫度升高時，ICBO急劇增大，溫度每升高10℃，ICBO增大一倍。（2）集電極—發(fā)射極間的反向電流ICEO。ICEO是指基極開路時，集電極—發(fā)射極間的反向電流，也稱集電結(jié)穿透電流。它反映了晶體管的穩(wěn)定性，其值越小，受溫度影響也越小，晶體管的工作就越穩(wěn)定。3）極限參數(shù)（1）集電極最大允許電流ICM。集電極電流IC過大時，β將明顯下降，ICM為β下降到規(guī)定允許值（一般為額定值的1/2~2/3）時的集電極電流。使用中若IC>ICM，晶體管不一定會損壞，但β明顯下降。（2）集電極最大允許功率損耗PCM。管子工作時，UCE的大部分降在集電結(jié)上，因此集電極功率損耗PC=UCEIC，近似為集電結(jié)功耗，它將使集電結(jié)溫度升高而使晶體管發(fā)熱致使管子損壞。工作時的PC必須小于PCM。（3）反向擊穿電壓U（BR)CEO，U（BR)CEO為基極開路時集電結(jié)不致?lián)舸?，施加在集電極—發(fā)射極之間允許的最高反向電壓。根據(jù)三個極限參數(shù)ICM、PCM、U（BR)CEO可以確定晶體管的安全工作區(qū)，。晶體管工作時必須保證工作在安全區(qū)內(nèi)，并留有一定的余量。技能訓(xùn)練1晶體管的檢測1.訓(xùn)練目的①掌握晶體管管腳的識別方法。②掌握萬用表判斷晶體管電極的方法。2.訓(xùn)練內(nèi)容1）根據(jù)管腳排列規(guī)律進行識別管腳常用的小功率晶體管有金屬外殼封裝和塑料封裝兩種，可直接觀察出三個電極e、b、c。但仍需進一步判斷管型和管子的好壞，一般可用萬用表進行判別。（1）等腰三角形排列，識別時管腳向上，使三角形正好在上個半圓內(nèi)，從左角起，按順時針方向分別為e、b、c。如圖2-9（a）所示。（2）在管殼外沿有一個突出部，由此突出部按順時針方向分別為e、b、c。如圖2-9（b）所示。（3）塑料封裝晶體管的引腳判斷如圖2—9（c）所示晶體管，將其管腳朝下，頂部切角對著觀察者，則從左至右排列為：發(fā)射極e、基極b和集電極c。（4）如圖2-9（d）所示晶體管，是裝有金屬散熱片的晶體管，判定時，其管腳朝下，將其印有型號的一面對著觀察者，散熱片的一面為背面，則從左至右排列為：基極b，集電極c，發(fā)射極e。（5）大功率晶體管的兩個引腳為b、e，c是基面。如圖2-9（e）所示2）萬用表判斷晶體管電極（1）判斷基極與管型具體方法，將萬用表撥在R×100或R×1K擋上。黑表筆接觸某一管腳，用紅表筆分別接另外兩個管腳，若二次測得都是幾十至上百千歐的高阻值時，則黑表筆所接觸的管腳即為基極，且晶體管的管型為NPN型。若用上述方法二次測量都是幾百歐的低阻值時，則黑表筆所接觸的管腳就是基極，且晶體管的管型為PNP型。如圖2-10所示。（2）判別發(fā)射極和集電極在已經(jīng)判斷晶體管基極和類型情況下，任意假設(shè)另外兩個電極為c、e，判別c、e時，以NPN為例，如圖2-11所示，先將萬用表撥在R×100或R×1K擋上，將萬用表紅表筆接假設(shè)的集電極，黑表筆接假設(shè)的發(fā)射極，用潮濕的手指將基極與假設(shè)的集電極管腳捏在一起（注意不要讓兩極直接相碰），注意觀察萬用表指針正偏的幅度。然后將兩個管腳對調(diào)，重復(fù)上述測量步驟。比較兩次測量中表針向右擺動的幅度，擺動幅度小的一次。紅表筆接的是發(fā)射極，另一端是集電極。如果是PNP晶體管，則正好相反。3）晶體管好壞的判斷如在以上操作中，無一電極滿足上述現(xiàn)象，則說明晶體管已經(jīng)損壞，也可用數(shù)字萬用表的“hFE”檔來進行判斷，當(dāng)管型確定后，將晶體管插入“NPN或PNP”插孔，如hFE值不正常（如為0或大于300）則說明晶體管已壞。2.2任務(wù)2認(rèn)知單極型晶體管2.2.1結(jié)型場效應(yīng)管1.結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)結(jié)型場效應(yīng)管分為N溝道和P溝道兩種類型，都屬于耗盡型場效應(yīng)管，結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖及其符號如圖2-12所示。2.N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理（1）uGS對導(dǎo)電溝道和iD的控制作用改變uGS的大小可以有效控制導(dǎo)電溝通電阻的大小。但由于uDS=0，漏極電流iD＝0。若uGS為一固定正值，則在uDS作用下漏極流向源極的電流iD將受uGS的控制，uGS增大時，溝道電阻增大，iD將減?。籾GS減小時，溝道電阻減小，iD將增大。uGS＝UGS（off）時，iD＝0。（2）uDS對導(dǎo)電溝道和iD的控制作用首先假定uDS＝0，uGS＝0，此時導(dǎo)電溝道未受任何電場的作用，PN結(jié)也處于平衡狀態(tài)，導(dǎo)電溝道最寬，如圖2-14（a）所示。3.結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線1）輸出特性曲線（1）可變電阻區(qū)。在圖2-16（a）的（1）區(qū)，JFET可以看作一個受柵源電壓uGS控制的可變電阻，稱為可變電阻區(qū)。在該區(qū)域內(nèi)uGS變化時，導(dǎo)電溝道的寬度也隨之變化。uGS越負，漏源之間的等效電阻越大，輸出特性曲線越傾斜。（2）放大區(qū)。在圖2-16（a）的（2）區(qū)，導(dǎo)電溝道處于夾斷狀態(tài)，漏極電流iD基本穩(wěn)定，不隨uDS的變化而變化，稱為飽和區(qū)或恒流區(qū)。FET用作放大器時通常都工作在這個區(qū)域，因此該區(qū)域又稱為放大區(qū)。（3）擊穿區(qū)。圖2-16（a）的（3）區(qū)，隨著uDS的繼續(xù)增大，在uDS＞U（BR)DS后，由于導(dǎo)電溝道所承受的電壓降太高，電場很強，致使柵漏間的PN結(jié)發(fā)生雪崩擊穿，漏極電流iD迅速增大，因此該區(qū)域稱為擊穿區(qū)。（4）夾斷區(qū)。圖2-16（a）的（4）區(qū)成為FET的截止區(qū)。當(dāng)uGS＜UGS（off），導(dǎo)電溝道完全被夾斷，iD=0。這.點與BJT輸出特性曲線的截止區(qū)類似。2）轉(zhuǎn)移特性曲線場效應(yīng)管是電壓控制器件，由于柵源之間的PN結(jié)加反偏壓，流過柵極的電流幾乎為零，因此討論場效應(yīng)管的輸入特性曲線沒有實際意義。為了討論uGS對iD的控制作用，常用FET的轉(zhuǎn)移特性來描述。所謂轉(zhuǎn)移特性是指在漏源電壓uDS為某一常數(shù)時uGS與iD之間的關(guān)系曲線實驗表明，在場效應(yīng)管輸出特性的飽和區(qū)，即UGS（off）≦uGS≦0的范圍內(nèi)，iD隨uGS的增加（負數(shù)減?。┙瓢雌椒铰缮仙?.場效應(yīng)管的主要參數(shù)1）直流參數(shù)（1）夾斷電壓UGS(off)：夾斷電壓是指施加于場效應(yīng)管漏源之間的電壓uDS為某一常數(shù)時，使iD為一個微小電流值時的uGS值。從轉(zhuǎn)移特性曲線上看，當(dāng)uGS從UGS(off)增大（負值減?。riD開始增大。UGS(off)是耗盡型FET的參數(shù)。（2）開啟電壓UGS(th)：開啟電壓是指施加于場效應(yīng)管漏源之間的電壓uDS為某一常數(shù)時，iD為一個微小電流值時的uGS值。從轉(zhuǎn)移特性曲線上看，當(dāng)uGS從UGS(th)增大時iD開始增大。UGS(th)是增強型FET的參數(shù)。（3）飽和電流IDSS：在uGS＝0時，uDS＞UGS(off)的漏極電流iD稱為飽和電流IDSS。通常令uGS＝0，uDS為某一常數(shù)時測出的漏極電流iD就是IDSS。在轉(zhuǎn)移特性上uGS=0時對應(yīng)的iD就是IDSS。（4）直流輸入電阻RGS：FET的直流輸入電阻是在漏源之間短路的條件下，柵源施加一定電壓時的直流電阻值。JFET的柵極電流很小，其直流輸入電阻通常大于107，而MOSFET的RGS以可達到109~1015Ω。2）交流參數(shù)（1）低頻跨導(dǎo)（互導(dǎo)）gm：當(dāng)uDS為某一常數(shù)時，F(xiàn)ET漏極電流iD的微小變化量與柵源電壓uGS的微小變化的比，稱為FET的低頻跨導(dǎo)，用gm表示（2）輸出電阻rds：輸出電阻rds，表明了uDS對iD的影響，是輸出特性曲線工作點上切線的斜率的倒數(shù)。在放大區(qū)（飽和區(qū)），iD隨uDS的變化很小，因此也稱為恒流區(qū)，rds的值很大，通常在幾十千歐到幾百千歐。（3）極間電容：FET的極間電容包括柵源電容CGS柵漏電容CGD和漏源電容CDS。通常CGS和CGD為1~3pF，CDS為0.1~1pF。場效應(yīng)管的三個電極之間的等效電容將影響它的工作頻率，其值越小越好。3）極限參數(shù)（1）最大漏極電流IDM：IDM表示當(dāng)場效應(yīng)管正常工作時所允許的最大漏極電流。當(dāng)iD＞IDM時FET的性能變差。（2）最大耗散功率PDM：PDM＝uDSiD是出FET最高工作溫度確定的參數(shù)。當(dāng)FET的PD＞PDM時，管子的性能變差，甚至被燒壞。（3）擊穿電壓：場效應(yīng)管的擊穿電壓包括U(BR)DS和U(BR)GS。它們分別表示漏源和柵源之間的擊穿電壓。2.2.2絕緣柵場效應(yīng)管1．N溝道增強型絕緣柵場效應(yīng)管1）結(jié)構(gòu)N溝道增強型MOSFET的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-17（a）所示，增強型MOSFET的符號如圖2-17（b）所示，它是在一塊摻雜濃度較低的P型半導(dǎo)體材料（襯底）上，利用擴散工藝在襯底上形成兩個高摻雜濃度的N型區(qū)域（用N+表示），并在此N區(qū)域上引出兩個接觸電極，分別稱為源極（S）和漏極（D）。兩個電極之間的襯底表面覆蓋一層二氧化硅（SiO2）絕緣層，該絕緣層上再沉積金屬鋁層并引出電極作為柵極（G），從襯底引出的電極稱為襯底電極（B），通常將襯底電極和源極連接在一起使用。2）工作原理（1）uGS對iD的控制作用①uGS＝0時，沒有N型導(dǎo)電溝道。uGS＝0時，源區(qū)（N+）、襯底（P）和漏區(qū)（N+）之間形成兩個背靠背的PN結(jié)，如圖2-18a）所示，這時無論uGS的極性如何，總漏源之間都不能形成導(dǎo)電溝道，因此，iD＝0，此時漏源之間的電阻值可以高達,1015Ω。②uGS＞UGS（th)時，出現(xiàn)N溝道。當(dāng)uGS≧0，uDS＝0時，如圖2-18（b）所示，由于柵極和襯底之間的SiO2絕緣作用，柵極電流iG＝0。（2）uDS對iD的影響在uGS＞uGS(th)導(dǎo)電溝道形成后，此時外加漏源電壓uDS將產(chǎn)生漏極電流iD。在uGS和uDS的共同作用下，導(dǎo)電溝道的電位梯度將產(chǎn)生變化，使溝道的厚度也發(fā)生變化，如圖2-18（c）所示，靠近漏極端溝道變薄，靠近源極端溝道厚度較厚。3）特性曲線與JFET特性類似，N溝道增強型MOSFET的特性曲線也分為輸出特性和轉(zhuǎn)移特性，如圖2-19所示。其中，圖2-19（a）為N溝道增強型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線、圖2-19（b）為N溝道增強型MOSFET的輸出特性曲線，輸出特性同樣分為可變電阻區(qū)、放大區(qū)（飽和區(qū)）、擊穿區(qū)和夾斷區(qū)。轉(zhuǎn)移特性同樣是在uGS＝常數(shù)的條件下，從輸出特性曲線上用作圖法求出。增強型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性同樣以uDS為參變量，漏極電流iD隨柵源電壓uGS變化的關(guān)系曲線，即uDS=常數(shù)2.N溝道耗盡型MOSFETN溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-20（a）所示，耗盡型MOSFET的符號如圖2-20（b）所示。當(dāng)負柵壓增大到uGS=UGS（off)時，導(dǎo)電溝道被完全夾斷，使漏極電流iD＝0。N溝道耗盡型MOSFET的特性曲線如圖2-21所示。2.2.3場效應(yīng)管的使用（1）為保證場效應(yīng)管安全可靠地工作，使用中不要超過器件的極限參數(shù)；（2）絕緣柵場效應(yīng)管保存時應(yīng)將各電極引線短接，由于MOS管柵極具有極高的絕緣強度，因此柵極不允許開路，否則會感應(yīng)出很高電壓的靜電，而將其擊穿；（3）焊接時應(yīng)將電烙鐵的外殼接地或切斷電源趁熱焊接；（4）測試時儀表應(yīng)良好接地，不允許有漏電現(xiàn)象；（5）當(dāng)場效應(yīng)管使用在要求輸入電阻較高的場合，還應(yīng)采取防潮措施，以免它受潮氣的影響使輸入電阻大大降低；（6）對于結(jié)型場效應(yīng)管，柵、源間的電壓極性不能接反，否則PN結(jié)將正偏而不能正常工作，有時可能燒壞器件。3.雙極型晶體管和場效應(yīng)晶體管的比較雙極型晶體管和場效應(yīng)晶體管的比較如下：（1）場效應(yīng)管的源極s、柵極g、漏極d分別對應(yīng)于三極管的發(fā)射極e、基極b、集電極c，它們的作用相似。（2）場效應(yīng)管是電壓控制電流器件，由uGS控制iD，其放大系數(shù)gm一般較小，因此場效應(yīng)管的放大能力較差；三極管是電流控制電流器件，由iB（或iE）控制iC。（3）場效應(yīng)管柵極幾乎沒有電流流過；而三極管工作時基極總要吸取一定的電流。因此場效應(yīng)管的輸入電阻比三極管的輸入電阻高。（4）場效應(yīng)管只有多子參與導(dǎo)電；三極管有多子和少子兩種載流子參與導(dǎo)電，因少子濃度受溫度、輻射等因素影響較大，所以場效應(yīng)管比三極管的溫度穩(wěn)定性好、抗輻射能力強。在環(huán)境條件（溫度等）變化很大的情況下應(yīng)選用場效應(yīng)管。技能訓(xùn)練2場效應(yīng)管的測試1.訓(xùn)練目的①掌握結(jié)型場效應(yīng)管的檢測方法②掌握MOS場效應(yīng)管的檢測方法2.訓(xùn)練內(nèi)容1）結(jié)型場效應(yīng)檢測方法（1）柵極判別將萬用表置于R×1k檔，任選兩電極，分別測出它們之間的正、反向電阻。若正、反向的電阻相等（約幾千歐），則該兩極為漏極D和源極S（結(jié)型場效應(yīng)管的D、S極可互換）余下的則為柵極G。（2）場效應(yīng)晶體管的溝道類型判別對于N溝道型場效應(yīng)晶體管，黑表筆接?xùn)艠O，紅表筆接另外兩極時，電阻較小。對于P溝道型場效應(yīng)晶體管，黑表筆接?xùn)艠O，紅表筆接另外兩極時，電阻較大。如圖2-23所示。（3）放大倍數(shù)的測量將萬用表置于R×1k或R×100檔，兩只表筆分別接觸D極和S極，用手靠近或接觸G極，此時表針右擺，且擺動幅度越大，放大倍數(shù)越大。（4）判別JEET的好壞檢查兩個PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，PN結(jié)正常，管子是好的，否則為壞的。測漏、源間的電阻RDS,應(yīng)約為幾千歐；若RDS→0或RDS→∞，則管子已損壞。測RDS時，用手靠近柵極G，表針應(yīng)有明顯擺動，擺幅越大，管子的性能越好。2）MOS場效應(yīng)管的檢測方法（1）準(zhǔn)備工作。測量之前，先手戴靜電屏蔽套與大地連通，使人體與大地保持等電位，將人體對地短路后才能觸模MOSFET的管腳，再把管腳分開，然后拆掉引腳短路導(dǎo)線。（2）判定電極。