武漢理工大學(xué)信息工程學(xué)院三極管

武漢理工大學(xué)信息工程學(xué)院三極管第1頁(yè)/共46頁(yè)1三極管的基本知識(shí)1.1概述

半導(dǎo)體器件是現(xiàn)代電子技術(shù)的重要組成部分，由于它具有體積小，重量輕，使用壽命長(zhǎng)，輸入功率小和功率轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用。集成電路特別是大規(guī)模集成電路不斷的更新?lián)Q代，致使電子設(shè)備在輕型化，可靠性和電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性等方面有了重大的進(jìn)步，因而電子技術(shù)成為當(dāng)代高新技術(shù)的龍頭。半導(dǎo)體：是指其導(dǎo)電性具有介于導(dǎo)體（金屬）和非導(dǎo)體（絕緣體）之間的物質(zhì)，用表征電流流過(guò)的難易程序的電阻率p來(lái)衡量。第2頁(yè)/共46頁(yè)

2.基本特性2.1、參數(shù)介紹PC指集電極最大允許耗散功率，使用時(shí)不能超過(guò)此功率。IC指集電極允許最大直流電流。IB指基極允許最大直流電流。Tj結(jié)溫度，指PN結(jié)溫度。VCEO（集電極—發(fā)射極擊穿電壓）基極開(kāi)路，C、E之間的反向擊穿電壓。VCBO（集電極—基極擊穿電壓）發(fā)射極開(kāi)路，C、B之間的反向擊穿電壓。VEBO（發(fā)射極—基極擊穿電壓）集電極開(kāi)路，E、B之間的反向擊穿電壓。HFE(共發(fā)射極正向電流傳輸比)：在共發(fā)射極電路中，輸出電壓保持不變時(shí)，直流輸出電流與直流輸入電流之比。

ICBO（集電極—基極截止電流）：當(dāng)發(fā)射極開(kāi)路時(shí)，在規(guī)定的集電極—基極電壓下，流過(guò)集電極—基極結(jié)的反向電流。ICEO（集電極—發(fā)射極截止電流）：基極開(kāi)路時(shí)，在規(guī)定的集電極—發(fā)射極電壓下，流過(guò)集電極—發(fā)射極結(jié)的反向電流。IEBO（發(fā)射極—基極截止電流）：當(dāng)集電極開(kāi)路時(shí)，在規(guī)定的發(fā)射極—基極電壓下，流過(guò)發(fā)射極—基極結(jié)的反向電流。VCE（SAT）（集電極—發(fā)射極飽和壓降）：在規(guī)定的基極電流和集電極電流下，集電極端子與發(fā)射極端子之間的剩余電壓。VBE（SAT）（基極—發(fā)射極飽和壓降）：晶體管工作于飽和區(qū)時(shí)，在規(guī)定的基極電流和集電極電流下，基極端子與發(fā)射極端子之間的電壓。VBE（基極—發(fā)射極電壓）：在規(guī)定的VCE、IC的條件下，晶體管的基極—發(fā)射極正向電壓。fT（特征頻率）：共發(fā)射極小信號(hào)正向電流傳輸比的模數(shù)下降到1時(shí)的頻率Cob（共基極輸出電容）：在共基極電路中，輸入交流開(kāi)路時(shí)的輸出電容。第3頁(yè)/共46頁(yè)一、放大條件二、內(nèi)部載流子的傳輸過(guò)程三、電流分配關(guān)系四、放大作用2.2工作原理第4頁(yè)/共46頁(yè)

外部條件：一、放大條件電位關(guān)系：內(nèi)部條件？三區(qū)摻雜不同！Je正偏，Jc反偏。對(duì)NPN型：VC

＞VB

＞VE對(duì)PNP型：VC

＜

VB

＜VE

第5頁(yè)/共46頁(yè)根據(jù)下圖將BE端加正向偏壓，將CB兩端加較高的反向偏壓，圖（a）圖（b）為能帶圖和電流分量圖：由于E區(qū)的雜質(zhì)濃度較B區(qū)高得多，在BE間的正向電場(chǎng)作用下，E區(qū)電子向B區(qū)運(yùn)動(dòng)，由于B區(qū)的濃度低，只有少數(shù)的電子與B區(qū)的空穴復(fù)合，大多數(shù)電子在CB間的電場(chǎng)作用下向C區(qū)流動(dòng)，形成集電極電流。由于B極的電流較小，就實(shí)現(xiàn)了以小電流控制大電流的作用。

直流偏置狀態(tài)(NPN管)：

RICIB

RIC

IB

二、內(nèi)部載流子的傳輸過(guò)程第6頁(yè)/共46頁(yè)

第7頁(yè)/共46頁(yè)第8頁(yè)/共46頁(yè)集電區(qū)發(fā)射區(qū)基區(qū)JeJcIB(1)(2)(3)IEIC擴(kuò)散漂移正偏反偏復(fù)合忽略支流：IE=IC+IB第9頁(yè)/共46頁(yè)另外還有支流IEP

、ICBO

三、電流分配關(guān)系IE=IC+IB第10頁(yè)/共46頁(yè)

三種組態(tài)

應(yīng)用：共射電壓放大電流放大(控制）作用四、放大作用第11頁(yè)/共46頁(yè)

輸入特性曲線(xiàn)——

iB=f(vBE)

vCE=const

輸出特性曲線(xiàn)——iC=f(vCE)

iB=const共射接法圖02.04共射接法的電壓-電流關(guān)系3.3特性曲線(xiàn)第12頁(yè)/共46頁(yè)(1)輸入特性曲線(xiàn)方程：

iB=f(vBE)

vCE=const曲線(xiàn)：如圖第13頁(yè)/共46頁(yè)(2)輸出特性曲線(xiàn)方程：

iC=f(vCE)

iB=const曲線(xiàn)：飽和區(qū)放大區(qū)截止區(qū)發(fā)射結(jié)集電結(jié)

正偏正偏

正偏反偏

反偏反偏三區(qū)偏置特點(diǎn)：第14頁(yè)/共46頁(yè)例1：測(cè)量三極管三個(gè)電極對(duì)地電位如圖試判斷三極管的工作狀態(tài)。

放大截止飽和第15頁(yè)/共46頁(yè)3.4參數(shù)

分為三大類(lèi):

(1)直流參數(shù)

①電流放大系數(shù)

1.共射~≈IC/IBvCE=const直流參數(shù)交流參數(shù)極限參數(shù)2.共基~

關(guān)系

=IC/IE=IB/1+IB=/1+，或

=

/1-

≈IC/IE

VCB=const第16頁(yè)/共46頁(yè)

1.ICBOO(Open)關(guān)系：

ICEO=（1+）ICBO

2.ICEO（穿透電流）②極間反向飽和電流（溫度穩(wěn)定性）第17頁(yè)/共46頁(yè)(2)交流參數(shù)①交流電流放大系數(shù)

1.共射~=IC/IBvCE=const

2.共基~

α=IC/IE

VCB=const②特征頻率fT

當(dāng)下降到1時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率當(dāng)ICBO和ICEO很小時(shí)，≈，≈第18頁(yè)/共46頁(yè)(3)極限參數(shù)

①I(mǎi)CMIC上升時(shí)

會(huì)下降，下降到線(xiàn)性放大區(qū)值的70％時(shí)所允許的電流。②PCM

超過(guò)此值會(huì)使管子性能變壞或燒毀。

PCM=ICVCB≈ICVCE第19頁(yè)/共46頁(yè)1.V(BR)CBO——

發(fā)射極開(kāi)路時(shí)的集電結(jié)擊穿電壓。

BR（Breakdown）2.V(BR)EBO——3.V(BR)CEO——

關(guān)系：

V(BR)CBO＞V(BR)CEO＞V(BR)EBO

③反向擊穿電壓（V(BR)XXO）第20頁(yè)/共46頁(yè)

由PCM、ICM和V(BR)CEO在輸出特性曲線(xiàn)上可以確定三區(qū)：

第21頁(yè)/共46頁(yè)3.1結(jié)構(gòu)與符號(hào)3.2型號(hào)

3.分類(lèi)、命名、標(biāo)識(shí)晶體管種類(lèi)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(dǎo)體材料分,有硅管,鍺管等.但從它的外形來(lái)看,都有三個(gè)電極.第22頁(yè)/共46頁(yè)3.1結(jié)構(gòu)與符號(hào)兩種類(lèi)型:NPN和PNP一、結(jié)構(gòu)e(Emitter)：發(fā)射極b(Base）：基極c(Collector)：集電極發(fā)射結(jié)(Je)集電結(jié)(Jc)基區(qū)發(fā)射區(qū)集電區(qū)三極:三區(qū):兩節(jié):特點(diǎn):b區(qū)薄

e區(qū)攙雜多

c區(qū)面積大e,b,cJe,Jc第23頁(yè)/共46頁(yè)二、符號(hào)*Je箭頭:PN第24頁(yè)/共46頁(yè)

3.2半導(dǎo)體三極管的型號(hào)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)半導(dǎo)體三極管的命名如下:3

D

G

110B

第二位：A鍺PNP管、B鍺NPN管、

C硅PNP管、D硅NPN管

第三位：X低頻小功率管、D低頻大功率管、

G高頻小功率管、A高頻大功率管、K開(kāi)關(guān)管用字母表示材料用字母表示器件的種類(lèi)用數(shù)字表示同種器件型號(hào)的序號(hào)用字母表示同一型號(hào)中的不同規(guī)格三極管第25頁(yè)/共46頁(yè)

表02.01雙極型三極管的參數(shù)

參

數(shù)型

號(hào)

PCMmWICMmAVR

CBOVVR

CEO

VVR

EBO

VIC

BO

μAf

T

MHz3AX31D1251252012≤6*≥83BX31C1251254024≤6*≥83CG101C10030450.11003DG123C5005040300.353DD101D5W5A3002504≤2mA3DK100B100302515≤0.13003DKG23250W30A4003258注：*為f

第26頁(yè)/共46頁(yè)4相關(guān)制程及工藝一、半導(dǎo)體制造技術(shù)從大的方面可以分為設(shè)計(jì)、芯片工藝和封裝工序。具體制造流程如下：完成功能設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)以后，用圖形化的掩模版圖在硅基片上形成該圖形（常稱(chēng)圖形轉(zhuǎn)移），由氧化、擴(kuò)散、光刻、腐蝕、離子注入、CVD和金屬化等技術(shù)的組合，形成硅片工序，從而制成LSI芯片。然后，經(jīng)過(guò)劃片、裝配、鍵合和塑封（或殼裝）等組裝工序并作封閉檢驗(yàn)之后，硅LSI就完成了。1、

前工序襯底制備（多晶硅

溶解+摻雜

拉單晶、磨、切、拋等）

外延

氧化

基區(qū)光刻

基區(qū)擴(kuò)散

發(fā)射區(qū)光刻

發(fā)射區(qū)擴(kuò)散

引線(xiàn)孔光刻

蒸鋁

反刻鋁

合金

淀積鈍化膜

刻蝕壓焊孔減薄

蒸金Si（硅）摻雜Be（硼）

P型Si（硅）摻雜P（磷）

N型2、

后工序劃片、粘片、壓焊、塑封、沖筋、上錫、分離、測(cè)試、打印、編帶包裝第27頁(yè)/共46頁(yè)硅LSI的制造工藝流程功能、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、邏輯設(shè)計(jì)掩模版制作工藝硅片工藝劃片裝配鍵合塑封/管殼封氧化、擴(kuò)散光刻腐蝕CVD金屬化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、邏輯設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì)、版圖設(shè)計(jì)組裝工藝?yán)瓎尉衅杵心伖庵谱餮谀Ｔ嬷谱鞴饪贪?/p>

硅片材料工程產(chǎn)品檢驗(yàn)可靠性試驗(yàn)檢驗(yàn)工程成品第28頁(yè)/共46頁(yè)摻雜圖形生成薄膜生成擴(kuò)散離子注入光刻腐蝕CVD金屬化氧化芯片工藝第29頁(yè)/共46頁(yè)從工作任務(wù)來(lái)分，可以將芯片工藝歸納為摻雜、圖形生成和薄膜生成三類(lèi)1、摻雜依靠擴(kuò)散或離子注入實(shí)現(xiàn)，它是通過(guò)控制進(jìn)入硅基片的雜質(zhì)類(lèi)型、濃度、進(jìn)入?yún)^(qū)域等因素以形成元件和正常工作的器件的基本工藝。2、圖形生成是為了進(jìn)行選擇性元件形成和配置、元件隔離、元件間布線(xiàn)的圖形加工技術(shù)。包含光刻和腐蝕技術(shù)。3、薄膜的生成除了形成硅表面保護(hù)膜、開(kāi)頭控制柵膜、層間絕緣膜、元件間隔離等的熱氧化膜的氧化之外，還包括形成氮化硅膜、多晶硅膜的CVD、金屬布線(xiàn)用的金屬濺射等。這些基本工藝間的關(guān)系是，將光刻、腐蝕多次插入循環(huán)往復(fù)地進(jìn)行著的擴(kuò)散、離子注入、氧化、CVD和濺射等工序之間。第30頁(yè)/共46頁(yè)各工序簡(jiǎn)介

氧化氧化：[將硅片放置在高溫氧氣氣氛中進(jìn)行的工序。方法有：在水蒸汽中進(jìn)行加熱的濕氧氧化和在氧化氣氛中加熱的干氧化兩種方法]是使硅原子與氧結(jié)合，成為SiO2，即變成硅氧化物。這個(gè)氧化臘用元件隔離、柵氧化膜、雜質(zhì)擴(kuò)散用掩模和硅表面保護(hù)膜等。元件隔離：為防止元件之間的相互干擾，，可以采取生成具有一定厚度和距離的選擇性氧化膜來(lái)實(shí)現(xiàn)。柵氧化膜：是MOS的基本結(jié)構(gòu)，即形成金屬-氧化膜-硅MOS結(jié)構(gòu)的氧化膜層。這層氧化膜的質(zhì)量密切關(guān)系到MOS晶體管的特性和可靠性，被稱(chēng)為晶體管的心臟。如今，氧化膜有阻擋離子注入、氣相擴(kuò)散等雜質(zhì)擴(kuò)散的掩模作用，也可以靈活地用作對(duì)必要的區(qū)域選擇性摻雜的掩蔽材料。第31頁(yè)/共46頁(yè)擴(kuò)散擴(kuò)散：指雜質(zhì)從濃度高處向低處流動(dòng)（擴(kuò)散）所引起的現(xiàn)象。擴(kuò)散由雜質(zhì)、溫度、物質(zhì)決定的擴(kuò)散系數(shù)來(lái)規(guī)定。一般，硅片工藝中作為摻雜原子的常用磷（P）、砷（As）、硼（B）。向硅片擴(kuò)散磷、砷雜質(zhì)時(shí)，可使硅片成為n型，而擴(kuò)散硼質(zhì)質(zhì)時(shí)，將成為p型。第32頁(yè)/共46頁(yè)關(guān)鍵原材料簡(jiǎn)介芯片1、包裝2、外觀3、電參數(shù)(VCBO、VCEO、VEBO、hFE參數(shù)值，hFE輸出特性和VCEO擊穿特性)2、芯片的包裝盒無(wú)破損，芯片之間應(yīng)有隔離。2、芯片的面積要求≥1/3的圓片，不變形。3、芯片表面有鈍化膜，無(wú)脫落，無(wú)一條以上的劃傷線(xiàn)或裂紋線(xiàn)，無(wú)兩個(gè)小圓圈以上的水跡。壓焊電極鋁層無(wú)嚴(yán)重發(fā)黃。4、芯片背面金屬化層不發(fā)黑和無(wú)三條以上的擦傷線(xiàn)。5、電參數(shù)允許有二只不符合規(guī)范值的管芯，允許有二只HFE輸出特性為小電流復(fù)合的管芯。測(cè)試VCEO時(shí)允許有二只擊穿點(diǎn)大于規(guī)范值。而擊穿特性不符合≤1.3格要求的管芯(1.3格為圖示儀的一大格三小格)。VCEO擊穿特性的檢查都用IC-500uA條件。3、逐批逐片進(jìn)行包裝、上觀、電參數(shù)檢查2、每片分上、下、左、右、中間5個(gè)區(qū)域，抽測(cè)VCBO、VCEO、VEBO、hFE參數(shù)各20個(gè)管芯。。4、不符合的芯片退回供應(yīng)商。2、如不符合的芯片超過(guò)總批量的60%，則整批退貨.發(fā)現(xiàn)異常情況要及時(shí)報(bào)告.

第33頁(yè)/共46頁(yè)金絲金絲1、外觀2、抗拉強(qiáng)度2、金絲粗細(xì)均勻，不應(yīng)有凹凸點(diǎn).2、金絲表面干凈無(wú)污物,無(wú)霉點(diǎn).3、金絲繞線(xiàn)緊湊,排列整齊、無(wú)松動(dòng)，出線(xiàn)順暢。4、在壓焊機(jī)上進(jìn)行壓焊，金絲承受的拉力應(yīng)符合：(φ20μm金絲：≥23mN)、(Φ23、25.4μm金絲：≥29mN)、(Φ30μm金絲：≥39mN)、(Φ50μm金絲：≥100mN)3、隨機(jī)抽取2卷觀察長(zhǎng)20cm。2、隨機(jī)抽取1卷進(jìn)行壓焊3排框架片。4、判據(jù)1、2、3有一卷不合格時(shí)全批退回供應(yīng)廠(chǎng)家2、判據(jù)4有一只管芯達(dá)不到拉力要求時(shí)全批金絲退回供應(yīng)廠(chǎng)家。第34頁(yè)/共46頁(yè)塑料塑料1、型號(hào)、產(chǎn)地、貯存期2、工藝試用2、型號(hào)、產(chǎn)地與材料清單相符，且在貯存期內(nèi)。2、塑封料應(yīng)符合塑封工藝要求，塑封后產(chǎn)品的塑料部分應(yīng)有良好的光澤。3、試封出來(lái)的管子在高壓鍋內(nèi)作高壓蒸煮試驗(yàn)，時(shí)間為8小時(shí)，壓力為0.11～0.13Mpa，溫度為121～124℃。試驗(yàn)后取出管子，在常態(tài)下恢復(fù)4小時(shí)，測(cè)試hFE和ICBO參數(shù)，HFE允許有±20%的變化，ICBO不超過(guò)試驗(yàn)前的2倍。4、判據(jù)1隨機(jī)抽取2桶(箱)進(jìn)行檢查。2、判據(jù)2隨機(jī)抽取1桶(箱)試封16排管進(jìn)行外表光澤性的檢查。3、判據(jù)3抽取16只進(jìn)行電參數(shù)檢查。5、發(fā)現(xiàn)有不符合判據(jù)的情況，全批退回供應(yīng)廠(chǎng)商。第35頁(yè)/共46頁(yè)框架框架1、外觀2、粘片、壓焊面、3、尺寸4、可焊性2、框架片鍍銀面應(yīng)光亮、不發(fā)灰、不發(fā)黃。2、框架片放在玻璃平面上應(yīng)平直，不歪扭、不翹起。粘片和壓焊部位應(yīng)平整不歪扭。3、經(jīng)粘片和壓焊工序后銀層不起泡。4、芯片與框架片之間的推力為≥784mN。5、金絲壓焊后的壓點(diǎn)拉力應(yīng)符合：(φ20μm金絲：≥23mN)、(Φ23、25.4μm金絲：≥29mN)、(Φ30μm金絲：≥39mN)、(Φ50μm金絲：≥100mN)。6、框架片在塑封時(shí)不漏膠、不踩片。7、上錫后的引腳均勻光亮，用焊槽法檢驗(yàn)其可焊性，浸潤(rùn)良好面積大于95%。3、隨機(jī)抽?。篢O-92200排、TO-92LM40排、TO-12650排、TO-220F12排進(jìn)行檢驗(yàn)。4、判據(jù)1、2、3有二排不符合要求時(shí)全批退貨。2、判據(jù)4、5有二只管達(dá)不到要求時(shí)全批退貨。3、判據(jù)6中有二排框架片漏膠或一排管子中有二只管子的管腳踩片而變寬的則全批退回供應(yīng)廠(chǎng)家。4、判據(jù)7中有二只以上不合格則全批退回供應(yīng)廠(chǎng)家。第36頁(yè)/共46頁(yè)5應(yīng)用5.1在我們經(jīng)常用到的三極管的用途為放大，開(kāi)關(guān)，反向器的用途。在三極管的基極加上高電位，三極管就飽和，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)的接通，集電極輸出為低電位。在三極管的基極加上低電位，三極管就截止，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)，集電極輸出為高電位。如果輸入的是個(gè)正的矩形脈沖，輸出就是一個(gè)負(fù)的矩形脈沖5.1.1反相器電路1).晶體管必須偏置在放大區(qū)。發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏2).正確設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)，使整個(gè)波形處于放大區(qū)。3).輸入回路將變化的電壓轉(zhuǎn)化成變化的基極電流。4).輸出回路將變化的集電極電流轉(zhuǎn)化成變化的集電極電壓，經(jīng)電容濾波只輸出交流信號(hào)。5.1.2三極管的放大電路，滿(mǎn)足放大電路的基本條件。第37頁(yè)/共46頁(yè)

第一階段：當(dāng)ON/OFF電壓為低電平（0V）時(shí)，Q1管處于截止?fàn)顟B(tài)，因此Q2管也截止，此時(shí)Q2管e極上的直流電壓不能加到IC1②腳（TL5001）的VCC輸入端，所以IC1因無(wú)輸入而不工作，Pin1就無(wú)輸出脈沖，因此整個(gè)Inverter就不工作；第二階段：ON/OFF為高電平，此時(shí)Q1管飽和導(dǎo)通，Q2管B極被拉低，因Q2為PNP管，且其e極上加有12V的直流,12V電壓加至IC1供電腳Pin2，啟動(dòng)IC1工作，IC1就有脈沖輸出去控制開(kāi)關(guān)管工作，整個(gè)Inverter就處于正常工作狀態(tài)，輸出高壓去點(diǎn)亮Panel的背光燈燈管。5.2三極管在LCDMonitor電路的應(yīng)用

5.2.1電壓?jiǎn)?dòng)回路：下圖電路是常用的電源控制回路，由一個(gè)PNP和一個(gè)NPN管組成它有兩個(gè)工作階段：第38頁(yè)/共46頁(yè)上圖所采用的互補(bǔ)推挽電路就具有高效率放大的特點(diǎn)。推挽放大器是由導(dǎo)電特性完全相反的NPN型（Q205）與PNP型(Q207)三極管組成,當(dāng)TL1451AC的輸出為高電平時(shí)，Q205導(dǎo)通導(dǎo)通,而Q207截止;當(dāng)TL1451AC的輸出為低電平時(shí),Q207導(dǎo)通,而Q205截止。這樣兩個(gè)管子都工作在放大狀態(tài)，一個(gè)在正半周工作，而另一個(gè)在負(fù)半周工作，一推一拉能在輸出端上得到一個(gè)完整的電壓信號(hào)。其中R214為偏置電阻，提供偏置電壓，可以產(chǎn)生固定的偏置電流，C211為耦合電容，隔離直流，值一般在1uF左右5.2.2三極管組成推挽電路推挽放大電路工作狀態(tài)示意圖推挽放大電路電路圖第39頁(yè)/共46頁(yè)壓降有0.6V時(shí)將使Q903導(dǎo)通，拉低Q902的基極電位，使Q902也導(dǎo)通，這樣UC3842Pin8的5V基準(zhǔn)電壓通過(guò)D904、Q903直接接地，產(chǎn)生瞬間短路電流，使UC3842迅速關(guān)斷脈沖輸出。因此Adapter也就沒(méi)有電壓輸出，達(dá)到高壓保護(hù)作用5.2.3高壓保護(hù)回路第40頁(yè)/共46頁(yè)1.根據(jù)外觀判斷極性3.用萬(wàn)用表電阻擋測(cè)量三極管的好