晶體管特性簡介課件

半導體管特性簡介Date:2001/11/6PreparedBy:李彭莉1

半導體的基本特性一.半導體的定義.

半導體是一種導電能力介於導體和絕緣體之間,或者說電阻率介於導體與絕緣體之間的物質.如:鍺﹑硅﹑硒及大多數(shù)金屬的氧化物,都是半導體.半導體的獨特性能不只在於它的電阻率大小,而且它的電阻率因溫度﹑摻雜和光照會產(chǎn)生顯著變化.利用半導體的特性可制成二極管﹑三極管等多種半導體器件.二.半導體的獨特性能.1)電阻值隨溫度變化敏感,只要有微弱的溫度升高,電阻值就顯著減少;溫度降低,則阻值就增大.利用半導體的這種性能,就可做成熱敏元件.2)半導體受光照射時,可以大大提高導電能力.利用這一特點,可以制成用於自動控制的光電二極管﹑光敏電阻等.3)在純的半導體材料中,加入極懲量的某些雜質(約百萬2分之一),其導電能力就會成百萬倍的提高.這一我是半導體最重要的特性,利用這一我可以制成各種不同性質,不同用途的半導體器件,如各種各樣的半導體管.三.半導體物質的內(nèi)部結構.半導體材料硅和鍺原子最外層有4個電子,並與相鄰原子組成共價鍵(如圖1所示)圖1硅晶體原子結構SiSiSiSiSi3圖2.摻入雜質的半導體材料原子結構五.半導體中的電流1)漂移電流.在一塊半導體的兩瑞,如果加上電壓,半導體內(nèi)便產(chǎn)生了電場.在電場的作用下,半導體內(nèi)的導電電子和空穴,就以多余電子(a)N型半導體SiSiSiSiP填補了的空位空穴(b)P型半導體SiSiSiSiBSi5相反方向移動.載流子有規(guī)則的移動,就形成了電流,稱為漂移電流.2)擴散電流在半導體內(nèi),如果載流子分布不均勻,即使沒有電場的,作用也會發(fā)生載流子的移動,形成電流,這就是擴散電流.擴散電流與溫度有關.6PN結一.PN結的形成.如果使一塊半導體的一部分是N型的,另一部分是P型的,那么就構成了一個理想的突變結.因為在P區(qū)域中有大量的空穴,而在N區(qū)域中有大量的電子,形成了載流子的不均勻,因而N區(qū)濃度大的載流子就會向P區(qū)擴散;而P區(qū)濃度大的空穴就會向N區(qū)擴散,形成了擴散電流.擴散的結果,使N區(qū)的電子減少,在N區(qū)一邊就出現(xiàn)了帶正電的原子,即正離子.同樣P區(qū)由於空穴減少,會使一邊出現(xiàn)帶負電的負離子.離子質量較大,不會移動.因此,在P區(qū)和N區(qū)交界處就形成了一個一邊帶正電荷,另一邊帶負電荷的空間電荷區(qū),這就是PN結.如圖3所示.在空間電荷區(qū)產(chǎn)生的靜電場稱為內(nèi)建電場,其電位差稱為勢壘.PN結電場對擴散運動起阻礙作用.隨著擴散的發(fā)展,空間電荷區(qū)會不斷擴大,內(nèi)電場也就加強,反過來對7建立和漂移運動會趨向平衡,使擴散載流子和漂移載流子數(shù)量相等,即達到平衡狀態(tài).在一般條件下,鍺PN結的勢壘為0.2V~0.4V,硅PN結的勢為0.6V~0.8V.二.外加電壓對結PN的影響.1.外加正向電壓的作用.如圖4(a)所示.外加電場削弱了PN結電場E內(nèi),破壞了擴散+++---PNE內(nèi)E外+-(a)+++---PNE內(nèi)E外-+(b)圖4.在PN結外加電壓圖9與漂移的平衡,使擴散超過漂移,擴散電流大大增加.這時PN結呈現(xiàn)的電阻很小,處於導通狀態(tài)2.外加反向電壓的作用.如圖4樣(b)所示,.外加電場加強了PN結電場E內(nèi),它也破壞了擴散與漂移的平衡,使漂移運動增加,而擴散運動更難進行.但是漂移運動是少數(shù)載流子運動,所以電流很小.此時PN結所呈現(xiàn)的電阻很大,處於截止狀態(tài).當溫度升高時,反向電流會增加很大,相當於陰擋層擊穿,這叫熱擊穿.一般鍺PN結工作溫度為超過70℃~80℃,硅PN結工作溫度可過200℃.反向電壓也不能無限增大.當反向電壓達到某一數(shù)值時,會把晶格中的電子拉出來,使反向電流驟增,PN結也就擊穿.了這個電壓叫反向擊穿電壓.10二極管特性簡介110.61.2正向電壓(V)反向電壓(V)246810120.10.20.3反向電流(mA)正向電流(mA)51015+-+-圖2.硅晶體二極管的伏安特性曲線130.30.6正向電壓(V)反向電壓(V)2468246反向電流(mA)正向電流(mA)204060+-+-圖3.鍺晶體二極管的伏安特性曲線14從圖中可知,二極管端電壓UD=0時,ID=0;當UD>0后,出現(xiàn)ID.但起始值很小.當UD超過門限電壓(鍺管為時0.2V~0.4V,硅管為0.6V~0.8V)時,二極管導電,ID便顯著增加,當UD<0時,二極管截止,但仍有微弱的反向電流IR.由於反向電流大小僅與熱激發(fā)產(chǎn)生的少數(shù)載流子數(shù)量有關,而與反向電壓的大小幾乎無關.考盧到表面漏電流的影響,IR隨反向電壓的增加而略有增加.而當反向電壓繼續(xù)增大到等於二極管的反向擊穿電壓URM時,麼向電流就激增,表現(xiàn)為曲線的急劇向下彎曲.普通二圾管的工作電壓應遠離這個擊穿電壓,確保管子的安全.工作而穩(wěn)壓管卻工作在擊穿區(qū),是利用其反向電流隨反向電壓增加而激增的原理進行穩(wěn)壓作用的.三.二極管的主要參數(shù).一般常用的檢波﹑整流二極管,主要有以下四個參數(shù):1.最大整流電流IDM最大整流電流是指半波整流連續(xù)工作的情況下,為使PN結的溫度不超過額定值(著管約為80℃,硅管約為150℃),二15四.各類二極管常用參數(shù).

除一般參數(shù)外.檢波二極管常用參數(shù).符號名稱定義VF正向壓降二極管通過的正向電流為規(guī)定值時,在極間產(chǎn)生的電壓降.BVR擊穿電壓反向伏安特性曲線急劇彎曲點的電壓值η檢波效率二極管輸入端加上10.7Hz正弦波電壓時,在輸出端上的直流電壓與輸入的電壓(峰值)之比.C總電容在加偏壓下二極管的總電容.Cjo零點結電容零偏壓下二極管的總電容.Isur浪涌電流通過二極管正向脈衝電流最大允許值.17符號名稱定義IF額定正向整流電流(平均值)在規(guī)定的使用條件下,在電阻性負荷的正弦半波整流電路中,允許連續(xù)通過半導體整流管的最大工作電流.VF正向電壓降(平均值)半導體整流二極管通過額定正向整流電流時,在極間產(chǎn)生的電壓降.IR反向漏電流(平均值)半導體整流二極管在正弦半波最高反向工作電壓下的漏電流.VR最高反向工作電壓(峰值)等於或小於三分之二的半導體二極管的擊穿電壓VB值.VB擊穿電壓半導體整流二極管為硬特性時,其反向伏安特性曲線急劇彎曲點的電壓值;如果為軟特性時,則其值為給定的反向漏電流下的電壓值.TJM額定結溫℃半導體整流二極管在規(guī)定使用條件下,所允許的最高結溫.整流二極管常用參數(shù)18符號名稱定義VZ穩(wěn)定電壓當給穩(wěn)壓二極管通以反向電流為規(guī)定值時,管子兩端極間產(chǎn)生的電壓降.由於半導體器件生產(chǎn)的分散性和受溫度的影響,所以廠給出的穩(wěn)定電壓是一個電壓範圍.IZ反向測試電流測試反向電參數(shù)時,給定的反向電流.RZ動態(tài)電阻在測試電流下穩(wěn)壓二極兩端電壓的變化量與通過穩(wěn)壓二極管電流變化量之比.對於一只管子來說,通常是工作電流越大則動態(tài)電阻越小.動態(tài)電阻越小,則其穩(wěn)壓性能越好.CTV電壓溫度系數(shù)穩(wěn)定電壓的相對變化與環(huán)境溫度的絕對變化的比值.一般說低於6V穩(wěn)壓管,其電壓穩(wěn)定系數(shù)是負的,高於6V則為正的,穩(wěn)壓二極管常用參數(shù)19三極管特性簡介21一.三極管的定義.晶體三極管簡稱“三極管”.它是由兩個做在一起的PN結連接相應電極再封裝而成.三極管的作用是起放大作用.晶體三極管按導電特性分有PNP管與NPN管.結構如圖1所示.P發(fā)射區(qū)N基區(qū)P集電區(qū)集電極c發(fā)射極e基極becbPNP三極管N發(fā)射區(qū)P基區(qū)N集電區(qū)集電極c發(fā)射極e基極becbNPN三極管圖1.晶體三極管的結構示意圖22二.三極管的伏安特性.用如圖2所示的電路,可以測試出三極管各極不同電壓和電流相互間的關係,並繪成曲線,這就是三極管的曲特性曲線.圖2.測三極管特性的電路μAV10KRbEbIbUBEmARCVUCEECICebc1.輸入特性.輸入特性是指在三極管的輸入回路中,加在基極與發(fā)射232.輸出特性.輸出我通常是指在一定的基極電流IB之下,三極管集電極與發(fā)射極之間的電壓UCE同集電極電流IC的關係.

UCE(V)IC(mA)05102015102030Ib=50μA100μA150μA200μA250μA300μA圖4.輸出特性曲線.025圖4所示為一典型的輸出特性曲線.從曲線上可以看出,半導體三極管的工作狀態(tài)可劃分成三個工作.區(qū)域.IB=0曲線以下的區(qū)域陰影部分稱為截止區(qū).其特點是,三極管的兩個PN結都處於反向偏置,因此,無電流放大作用.當UCE減小到一定值時,IB即使再增大,IC也不相應地增大了,也就是IC已達飽和狀態(tài)(如圖左邊的陰影部分),三極管同樣失去了放大作用.三極管飽和時的特點是:兩個PN都處於正向偏置(即UB>UE,UB>UC),集電極-發(fā)射極之間的電壓近似為零.截止區(qū)和飽和區(qū)之間為放大區(qū),.在這個區(qū)域里,IC隨IB而變化,而且比IB變化大得多,但與Uce瓣大小基本無關.這正是電流放大作用.同時,在IB=0時,IC不為零,而為某一數(shù)值,通常叫它為穿透電流,以ICEO表示.其值受溫度的影響很大.這對工作的穩(wěn)定很不利.綜上所述,三極管具有兩種作用,即放大區(qū)起眷放大作用,而開關作用則是利用截止和飽和狀態(tài).26參數(shù)符號名稱定義電流放大系數(shù)共基極交流電流放大系數(shù)(hfb或α)共基極電路中,集電極電流IC與發(fā)射極輸入電流Ie的變化量之比,hfb=ΔIC/ΔIe︳Ucb

=常數(shù)共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)hFE(或β)共發(fā)射極電路中,集電極電流IC與基極電流IB的變化量之比,hFE=ΔIC/ΔIB︳Uce=常數(shù)α與β的關係β=α/(1-α);α=β/(1+β)極限參數(shù)集電極-發(fā)射極反向截止電流ICEO基極開路((IB=0),集電極-發(fā)射極的反向電壓為規(guī)定時的集電極電流.集電極-基極反向截止電流ICBO發(fā)射極開路((IE=0),集電極-基極間加規(guī)定反向電壓時的集電極電流.集電極-基極反向擊穿電壓BVCBO它是當發(fā)射極開路時的集電結的反向擊穿電壓三.半導體三極管的主要參數(shù).27參數(shù)符號名稱定義輸入輸出電阻輸入電阻rbe輸入電阻是晶體管輸出端冰短路,即ΔUce=0時,b-e極間的電阻,低頻小功率晶體管的rbe=300+(1+β)26Ie(Ω)rbe=ΔUbeΔIbUce=常數(shù)29場效應管特性簡介30一.場效應管(FET)的定義.

場效應管(FET)是一種電壓控制的半導體器件,即管子的電流受控於柵極電壓.場效應管根據(jù)結構和工作原理的不同分為絕緣柵型(又稱MOS管或MOSFET)和結型JFET)兩類.與半導體三極管相比,它具有輸入電阻高﹑製造工藝簡單﹑特別適合大規(guī)模集成等許多優(yōu)點,因此在放大器﹑振蕩器及集成電路中得到了廣泛的應用.目前應用最廣泛的是MOSFET.二.MOSFET的基本特性.MOSFET有三個電極,即源極(S)﹑柵極(G)﹑與漏極(D),且分為N-溝道和P-溝道兩種.源極跨在兩個半導體區(qū)上,N-溝道管箭頭向左,表示載流子電子從源極出發(fā),P-溝道管箭頭向右表示載流子空穴從源極出發(fā).絕緣柵極有耗盡型和增強型之分,如表1所示,當VGS=0時,源極與漏極之間存在導電溝31

類型N型P型耗盡型增強型DSGBDSGBDSGBDSGB表1.MOSFET分類32的,稱為耗盡型場效應管.如果必須在︱VGS︱

>0的情況下才存在導電溝的,則稱為增強型場效應管.三.MOSFET的基本參數(shù).表2.MOSFET主要參數(shù)符號名稱定義BVDS漏源擊穿電壓主要由漏極PN結的雪骨崩擊穿能力﹑柵極對溝道體區(qū)和漏區(qū)反向偏置結耗盡層電場分布的器件各部分界面的電場分布決定的.它隨溫度變化,在一定範圍內(nèi)大約結溫度升高10℃,BVDS值增加1%,故結溫上升,耐壓值上升.(雙二極型晶體管則相反)VDS漏源電壓是漏區(qū)和溝道體區(qū)PN結上的反偏電壓,此電壓決定了器件的最高工作電壓.IDS飽和漏