模擬電子電路 第1章常用半導(dǎo)體器件4

1.5單結(jié)晶體管和晶閘管根據(jù)PN結(jié)外加電壓時的工作特點，還可由PN結(jié)構(gòu)成其它類型的三端器件。本節(jié)將介紹利用一個PN構(gòu)成的具有負(fù)阻特性的器件——單結(jié)晶體管，以及利用三個PN結(jié)構(gòu)成的大功率可控整流器件---晶閘管。2/5/20231第四章1.5.1單結(jié)晶體管一、單結(jié)晶體管的結(jié)構(gòu)和等效電路在一個低摻雜的N型硅棒上利用擴散工藝形成一個高摻雜P區(qū)，在P區(qū)與N區(qū)接觸面形成PN結(jié)，就構(gòu)成單結(jié)晶體管(UJT)。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.5.1(a)所示。圖1.5.1

(a)結(jié)構(gòu)示意圖NP+PN結(jié)b1b2e2/5/20232第四章圖1.5.1(b)符號

P型半導(dǎo)體引出的電極為發(fā)射極e；N型半導(dǎo)體的兩端引出兩個電極，分別為基極b1和基極b2。單結(jié)晶體管因有兩個基極，故也稱為雙基極晶體管。其符號如圖(b)所示。基極b1基極b2發(fā)射極e2/5/20233第四章單結(jié)晶體管的等效電路如圖(c)所示，發(fā)射極所接P區(qū)與N型硅棒形成的PN結(jié)等效為二極管D；N型硅棒因摻雜濃度很低而呈現(xiàn)高電阻，二極管陰極與基極b2之間的等效電阻為rb2，與基極b1之間的等效電阻為rb1；rb1的阻值受e-b1間電壓的控制，所以等效為可變電阻。圖1.5.1(c)等效電路2/5/20234第四章二、工作原理和特性曲線單結(jié)晶體管的發(fā)射極電流iE與e-b1間電壓uEB1的關(guān)系曲線稱為特性曲線。特性曲線的測試電路如圖1.5.2(a)所示。2/5/20235第四章虛線框內(nèi)為單結(jié)晶體管的等效電路。當(dāng)b2-bl間加電源VBB，且發(fā)射極開路時，A點電位為圖1.5.2(a)測試電路VBBVEEuEB1IErb1rb22/5/20236第四章式中η稱為單結(jié)晶體管的分壓比，其數(shù)值主要與管子的結(jié)構(gòu)有關(guān)，一般在0.5-0.9之間。基極b2的電流為(1.5.1)(1.5.2)2/5/20237第四章當(dāng)e-b1間電壓uEB1為零時，二極管承受反向電壓，其值uEA=－ηVBB。發(fā)射極的電流iE為二極管的反向電流，記作IEO。圖1.5.2(a)測試電路VBBVEEuEB1IErb1rb22/5/20238第四章只有當(dāng)uEA接近零時，iE的數(shù)值才明顯減小；當(dāng)uEBl=uA時，二極管的端電壓為零，iE=0。圖1.5.2(a)測試電路VBBVEEuEB1IErb1rb2若緩慢增大uEBl，則二極管端電壓uEA隨之增大；根據(jù)PN結(jié)的反向特性可知，2/5/20239第四章若uEBl繼續(xù)增大，使PN結(jié)正向電壓大于開啟電壓時，則iE變?yōu)檎螂娏?，從發(fā)射極e流向基極b1。圖1.5.2(a)測試電路VBBVEEuEB1IErb1rb22/5/202310第四章圖1.5.2(a)測試電路VBBVEEuEB1IErb1rb2由于半導(dǎo)體材料的電阻與其載流子的濃度緊密相關(guān)，注入的載流子使rb1減小；而且rb1的減小，使其壓降減小，導(dǎo)致PN結(jié)正向電壓增大，此時，空穴濃度很高的P區(qū)向電子濃度很低的硅棒的A-b1區(qū)注入非平衡少子；2/5/202311第四章程度時，二極管的導(dǎo)通電壓將變化不大，此時uEB1將因rb1的減小而減小，表現(xiàn)出負(fù)阻特性。圖1.5.2(a)測試電路VBBVEEuEB1IErb1rb2iE必然隨之增大，注入的載流子將更多，于是rb1進(jìn)一步減??；當(dāng)iE增大到一定2/5/202312第四章所謂負(fù)阻特性，是指輸入電壓(即uEBl)增大到某一數(shù)值后，輸入電流(即發(fā)射極電流iE)愈大，輸入端的等效電阻愈小的特性。圖1.5.2(a)測試電路VBBVEEuEB1IErb1rb22/5/202313第四章的限制，除非將輸入回路開路或?qū)E減小到很小的數(shù)值，否則管子將始終保持導(dǎo)通狀態(tài)。圖1.5.2(a)測試電路VBBVEEuEB1IErb1rb2一旦單結(jié)晶體管進(jìn)入負(fù)阻工作區(qū)域，輸入電流iE的增加只受輸入回路外部電阻2/5/202314第四章圖1.5.2(b)特性曲線uEB1iEIEO單結(jié)晶體管的特性曲線如圖1.5.2(b)所示。飽和區(qū)負(fù)阻區(qū)截止區(qū)峰點電壓峰點電流谷點電壓谷點電流2/5/202315第四章圖1.5.2(b)特性曲線uEB1iEIEO當(dāng)uEBl=0時，iE=IE0；當(dāng)uEB1增大至Up(峰點電壓)時，PN結(jié)開始正向?qū)?Up=uA+Uon，uA如式(1.5.1)所示，Uon為PN結(jié)的開啟電壓，此時iE=Ip(峰點電流)；峰點電壓峰點電流2/5/202316第四章uEBl再增大一點，管子就進(jìn)入負(fù)阻區(qū)，隨著iE增大，rb1減小，uEB1減小，直至uEB1=Uv(谷點電壓)，iE=IV(谷點電流)，圖1.5.2(b)特性曲線谷點電壓谷點電流uEB1iEIEO2/5/202317第四章Uv取決于PN結(jié)的導(dǎo)通電壓和rbl的飽和電阻rs；當(dāng)iE再增大，管子進(jìn)入飽和區(qū)。單結(jié)晶體管的三個工作區(qū)域如圖1.5.2(b)中所標(biāo)注。圖1.5.2(b)特性曲線uEB1iEIEO飽和區(qū)負(fù)阻區(qū)截止區(qū)2/5/202318第四章單結(jié)晶體管的負(fù)阻特性廣泛應(yīng)用于定時電路和振蕩電路中。除了單結(jié)晶體管外，具有負(fù)阻特性的器件還有隧道二極管、λ雙極性晶體管、負(fù)阻場效應(yīng)管等等。三、應(yīng)用舉例圖1.5.3(a)所示為單結(jié)晶體管組成的振蕩電路。所謂振蕩，是指在沒有輸入信號的情況下，電路輸出一定頻率、一定幅值的電壓或電流信號。2/5/202319第四章在圖1.5.3(a)所示電路中，當(dāng)合閘通電時，電容C上的電壓為零，管子截止，電源VBB通過電阻R對C充電，隨時間增長電容上電壓uC(即uEB1)逐漸增大；圖1.5.3(a)電路+VBBuCRC2/5/202320第四章一旦uEB1剛增大到峰點電壓Up后，管子進(jìn)入負(fù)阻區(qū)，輸入端等效電阻急劇減小，使C通過管子的輸入回路迅速放電，iE隨之迅速減小，圖1.5.3(a)電路+VBBuCRC2/5/202321第四章一旦uEB1減小到谷點電壓Uv后，管子截止；電容又開始充電。上述過程循環(huán)往返，只有當(dāng)斷電時才會停止，因而產(chǎn)生電振蕩。圖1.5.3(a)電路+VBBuCRC2/5/202322第四章由于充電時間常數(shù)遠(yuǎn)大于放電時間常數(shù)，當(dāng)穩(wěn)定振蕩時，電容上電壓的波形如圖(b)所示。圖1.5.3(b)振蕩波形tOUVUPuC2/5/202323第四章1.5.2晶閘管晶體閘流管簡稱晶閘管(Thyristor)，也稱為硅可控元件(SCR)，是由三個PN結(jié)構(gòu)成的一種大功率半導(dǎo)體器件，多用于可控整流、逆變、調(diào)壓等電路，也作為無觸點開關(guān)。2/5/202324第四章一、結(jié)構(gòu)和等效模型由于晶閘管是大功率器件，一般均用在較高電壓和較大電流的情況，故其外形均便于安裝散熱片和有利于散熱。常見的晶閘管外形有螺栓形和平板形，如圖1.5.4所示。2/5/202325第四章此外，其封裝形式有金屬外殼和塑封外殼等。圖1.5.4晶閘管的外形(a)螺栓形(b)平板形陽極A陰極C控制極G2/5/202326第四章晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.5.5(a)所示，它由四層半導(dǎo)體材料組成，四層材料由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體交替組成，圖1.5.5(a)結(jié)構(gòu)示意圖P1P2N1N2○○○A(陽極)C(陰極)G(控制極)J1J2J32/5/202327第四章晶閘管也稱為四層器件或PNPN器件。圖1.5.5(a)結(jié)構(gòu)示意圖P1P2N1N2○○○A(陽極)C(陰極)G(控制極)J1J2J32/5/202328第四章為了更好地理解晶閘管的工作原理，常將其N1和P2兩個區(qū)域分解成兩部分，使得P1-N1-P2構(gòu)成一只PNP型管，N1-P2-N2構(gòu)成一只NPN型管，如圖(b)所示；圖1.5.5(b)等效為兩只相連的晶體管P1P2P2N1N2N1T1T22/5/202329第四章用晶體管的符號表示，如圖(c)所示；晶閘管的符號如圖(d)所示。圖1.5.5(c)等效電路(d)符號2/5/202330第四章二、工作原理當(dāng)晶閘管的陽極A和陰極C之間加正向電壓而控制極不加電壓時，J2處于反向偏置，管子不導(dǎo)通，稱為阻斷狀態(tài)。圖1.5.6晶閘管的工作原理(a’)實際電路VAAVGG2/5/202331第四章當(dāng)晶閘管的陽極A和陰極C之間加正向電壓且控制極和陰極之間也加正向電壓時，如圖1.5.6(a)所示。圖1.5.6晶閘管的工作原理(a)實際電路VAAVGG2/5/202332第四章此時，J3處于導(dǎo)通狀態(tài)。若T2管的基極電流為iB2，則其集電極電流為β2iB2；T1管的基極電流iB1=β2iB2，圖1.5.6晶閘管的工作原理(b)等效電路VAAVGGRIB2βIB2IB12/5/202333第四章因而T1管：iC1=β1β2iB2；該電流又作為T2管的基極電流，再一次進(jìn)行上述放大過程，形成正反饋。圖1.5.6晶閘管的工作原理(b)等效電路VAAVGGRIB2βIB2IB1IC12/5/202334第四章在很短的時間內(nèi)(一般不超過幾微秒)，兩只管子均進(jìn)入飽和狀態(tài)，使晶閘管完全導(dǎo)通，這個過程稱為觸發(fā)導(dǎo)通過程。晶閘管一旦導(dǎo)通，控制極就失去控制作用，管子依靠內(nèi)部的正反饋始終維持導(dǎo)通狀態(tài)。2/5/202335第四章晶閘管導(dǎo)通后，陽極和陰極之間的電壓一般為0.6～1.2V，電源電壓幾乎全部加在負(fù)載上；陽極電流iA因型號不同可達(dá)幾十—幾千安培。2/5/202336第四章晶閘管如何從導(dǎo)通變?yōu)樽钄嗄?如果能夠使陽極電流iA減小到小于一定數(shù)值IH，導(dǎo)致晶閘管不能維持正反饋過程，管子將關(guān)斷，這種關(guān)斷稱為正向阻斷，IH稱為維持電流；2/5/202337第四章如果在陽極和陰極之間加反向電壓，晶閘管也將關(guān)斷，這種關(guān)斷稱為反向阻斷。因此，控制極只能通過加正向電壓控制晶閘管從阻斷狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)。而要使晶閘管從導(dǎo)通狀態(tài)變?yōu)樽钄酄顟B(tài)，則必須通過減小陽極電流或改變A～C電壓極性的方法實現(xiàn)。2/5/202338第四章三、晶閘管的伏安特性以晶閘管的控制極電流iG為參變量，陽極電流i與A-C間電壓u的關(guān)系稱為晶閘管的伏安特性，即(1.5.3)圖1.5.7所示為晶閘管的伏安特性曲線。2/5/202339第四章圖1.5.7晶閘管的伏安特性曲線u>0時的伏安特性稱為正向特性。從圖1.5.7所示的伏安特性曲線可知，當(dāng)IG=0時，u逐漸增大，在一定限度內(nèi)，由于J2處于反向偏置，i為很小的正向漏電流，曲線與二極管的反向特性類似；2/5/202340第四章圖1.5.7晶閘管的伏安特性曲線曲線與二極管的正向特性類似；這種導(dǎo)通方式容易造成晶閘管擊穿而損壞，應(yīng)當(dāng)避免；使晶閘管從阻斷到導(dǎo)通的A-C電壓u稱為轉(zhuǎn)折電壓UBO。u增大到一定數(shù)值i驟增,u迅速下降2/5/202341第四章圖1.5.7晶閘管的伏安特性曲線正常工作時,應(yīng)在控制極和陰極間加觸發(fā)電壓，因而IG大于零；而且IG愈大，轉(zhuǎn)折電壓愈小，如圖1.5.7所示。A--C所在回路的電阻(通常為負(fù)載電阻)限制了陽極電流。2/5/202342第四章u<0時的伏安特性稱為反向特性。從圖1.5.7所示的伏安特性曲線可知，晶閘管的反向特性與二極管的反向特性相似。圖1.5.7晶閘管的伏安特性曲線2/5/202343第四章圖1.5.7晶閘管的伏安特性曲線當(dāng)晶閘管的陽極和陰極之間加反向電壓時，由于J1和J3均處于反向偏置，因而只有很小的反向電流IR；當(dāng)反向電壓增大到一定數(shù)值時；反向電流驟然增大，管子擊穿。2/5/202344第四章例1.5.1圖1.5.8(a)所示為可控半波整流電路,已知輸入電壓ui和晶閘管控制極的電壓uG波形如圖(b)所示；(a)電路圖1.5.8例1.5.1電路及波形圖四、晶閘管的主要參數(shù)(自學(xué))2/5/202345第四章管壓降可忽略不計。試定性畫出負(fù)載電阻RL上的電壓uo的波形。(b)波形圖圖1.5.8例1.5.1電路及波形圖在陽極與陰極間電壓合適的情況下,uG=UH時可以使管子導(dǎo)通；管子的導(dǎo)通2/5/202346第四章(c)uO的波形圖圖1.5.8例1.5.1電路及波形圖解：當(dāng)ui<0時，不管uG為UH還是為UL，晶閘管均處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)ui>0且uc=UH時，在uG的觸發(fā)下，晶閘管導(dǎo)通。2/5/202347第四章此時，即使uG變?yōu)閁L，管子仍維持導(dǎo)通狀態(tài)。只有當(dāng)ui下降使陽極電流減小到很小時，管子才阻斷。(c)uO的波形圖圖1.5.8例1.5.1電路及波形圖2/5/202348第四章可以近似認(rèn)為當(dāng)ui下降到零時，管子關(guān)斷。若管子的導(dǎo)通管壓降可忽略不計，在管子導(dǎo)通時，uO≈ui。因此，uO的波形如圖(c)所示。(c)uO的波形圖圖1.5.8例1.5.1電路及波形圖2/5/202349第四章1.6集成電路中的元件集成電路就是采用一定的制造工藝，將晶體管、場效應(yīng)管、二極管、電阻、電容等許多元件組成的具有完整功能的電路制作在同一塊半導(dǎo)體基片上，然后加以封裝所構(gòu)成的半導(dǎo)體器件。由于它的元件密度高(即集成度高)、體積小、功能強、功耗低、外部連線及焊點少，從而大大提高了電子設(shè)備的可靠性和靈活性，實現(xiàn)了元件、電路與系統(tǒng)的緊密結(jié)合。2/5/202350第四章圖1.6.1基片與管芯圖在集成電路生產(chǎn)過程中，在直徑為3～10mm的硅片上，同時制造幾百甚至上千個電路，整個硅片稱為基片，每一塊電路稱為管芯，如圖1.6.1所示。1.6.1集成電路制造工藝簡介基片管芯2/5/202351第四章圖1.6.2為集成電路的剖面圖及外形圖鋁或金絲晶片金屬帽引腳外形圖1.6.2(a)(b)園殼式集成電路2/5/202352第四章圖1.6.2(c)雙列直插式集成電路剖面圖鋁或金絲晶片環(huán)氧樹脂陶瓷晶片鋁或金絲引腳引腳2/5/202353第四章圖1.6.2(d)雙列直插式集成電路外形圖123714132/5/202354第四章一、幾個工藝名詞(1)氧化：在溫度為800～1200oC的氧氣中使半導(dǎo)體表面形成SiO2薄層，以防止外界雜質(zhì)的污染。(2)光刻與掩膜：制作過程中所需要的版面圖稱為掩膜，利用照相制版技術(shù)將掩膜刻在硅片上稱為光刻。2/5/202355第四章一、幾個工藝名詞(3)擴散：在1000oC左右的爐溫下，將磷砷或硼等元素的氣體引入擴散爐，經(jīng)一段時間形成雜志濃度一定的N型半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體。每次擴散完畢都要進(jìn)行一次氧化，以保護(hù)硅片的表面。2/5/202356第四章一、幾個工藝名詞(4)外延：在半導(dǎo)體基片上形成一個與基片結(jié)晶軸同晶向的半導(dǎo)體薄層，稱為外延生長技術(shù)。所形成的薄層稱為外延層，其作用是保證半導(dǎo)體表面性能均勻。(5)蒸鋁：在真空中將鋁蒸發(fā)，沉積在硅片表面，為制造連線或引線做準(zhǔn)備。隔離技術(shù)、制造工藝(自學(xué))。2/5/202357第四章1.6.2集成雙極型管一、NPN型管在制造集成電路時，需將各個元件相互絕緣。利用PN結(jié)反向偏置時電阻很大的特點，把各元件所在的N區(qū)或P區(qū)四周用PN結(jié)包圍起來，便可使它們相互絕緣，稱這個N區(qū)或P區(qū)為隔離島。2/5/202358第四章(i)隔離島圖1.6.3隔離島及NPN型管P+P+N+在基片上經(jīng)過氧化、光刻、腐蝕、擴散、外延及氧化等重復(fù)過程，即可制造出隔離島。圖1.6.3所示為集成電路制造過程中的剖面，(i)為中間的N區(qū)為隔離島，它兩側(cè)的P+區(qū)為隔離槽。隔離島隔離槽隔離槽2/5/202359第四章利用上述的工藝過程在隔離島中首先制造出基區(qū)，然后制造發(fā)射區(qū)和集電區(qū)，最后制造各極引出窗口，就成為NPN型管，如圖1.6.4所示。圖1.6.4隔離島的NPN型管2/5/202360第四章

二、PNP型管PNP型管有襯底PNP管和橫向PNP管，其結(jié)構(gòu)如圖1.6.2所示。襯底PNP管以隔離槽為集電極，是縱向管，即載流子從發(fā)射區(qū)沿縱向向集電區(qū)運動。由于可以準(zhǔn)確控制基區(qū)的厚度，所以β值較大。但由于隔離槽只能接在整個電路電位最低端，所以應(yīng)用的局限性很大。圖1.6.2集成電路中的PNP型管2/5/202361第四章橫向PNP管的載流子從發(fā)射區(qū)沿水平方向向集電區(qū)運動，故稱橫向管。由于制造工藝所限，基區(qū)較厚，所以β值很小，僅為2～20倍。但其發(fā)射結(jié)和集電結(jié)耐壓較高，因而可利用橫圖1.6.2集成電路中的PNP型管向PNP管和縱向NPN管復(fù)合而成既有足夠大的電流放大系數(shù)又耐壓較高的管子，從而構(gòu)成各方面性能俱佳的放大電路。

2/5/202362第四章(a)結(jié)構(gòu)三、其它類型晶體管在制造NPN型管時，若作多個發(fā)射區(qū)，則得到多發(fā)射極管，其結(jié)構(gòu)與符號見圖1.6.6所示。這種管子廣泛用于集成數(shù)字電路。圖1.6.6多發(fā)射極管的結(jié)構(gòu)與符號(b)符號2/5/202363第四章(b)符號在制作橫向PNP型管時，若作多個集電區(qū)，則得到多集電極管，各集電極電流之比決定于對應(yīng)的集電區(qū)面積之比，其結(jié)構(gòu)與符號如圖1.6.7所示。這種管子多用于集成放大電路中的電流源電路。圖1.6.7多集電極管的結(jié)構(gòu)與符號(a)結(jié)構(gòu)隔離槽2/5/202364第四章集成電路中普通NPN型管的基區(qū)寬度為0.5～1μm，若將基區(qū)做得很薄，厚度只有0.1～0.2μm，則得