晶體管特性簡(jiǎn)介課件

半導(dǎo)體管特性簡(jiǎn)介Date:2001/11/6PreparedBy:李彭莉1

半導(dǎo)體的基本特性一.半導(dǎo)體的定義.

半導(dǎo)體是一種導(dǎo)電能力介於導(dǎo)體和絕緣體之間,或者說(shuō)電阻率介於導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì).如:鍺﹑硅﹑硒及大多數(shù)金屬的氧化物,都是半導(dǎo)體.半導(dǎo)體的獨(dú)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(huì)產(chǎn)生顯著變化.利用半導(dǎo)體的特性可制成二極管﹑三極管等多種半導(dǎo)體器件.二.半導(dǎo)體的獨(dú)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(dǎo)體的這種性能,就可做成熱敏元件.2)半導(dǎo)體受光照射時(shí),可以大大提高導(dǎo)電能力.利用這一特點(diǎn),可以制成用於自動(dòng)控制的光電二極管﹑光敏電阻等.3)在純的半導(dǎo)體材料中,加入極懲量的某些雜質(zhì)(約百萬(wàn)2分之一),其導(dǎo)電能力就會(huì)成百萬(wàn)倍的提高.這一我是半導(dǎo)體最重要的特性,利用這一我可以制成各種不同性質(zhì),不同用途的半導(dǎo)體器件,如各種各樣的半導(dǎo)體管.三.半導(dǎo)體物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu).半導(dǎo)體材料硅和鍺原子最外層有4個(gè)電子,並與相鄰原子組成共價(jià)鍵(如圖1所示)圖1硅晶體原子結(jié)構(gòu)SiSiSiSiSi3圖2.摻入雜質(zhì)的半導(dǎo)體材料原子結(jié)構(gòu)五.半導(dǎo)體中的電流1)漂移電流.在一塊半導(dǎo)體的兩瑞,如果加上電壓,半導(dǎo)體內(nèi)便產(chǎn)生了電場(chǎng).在電場(chǎng)的作用下,半導(dǎo)體內(nèi)的導(dǎo)電電子和空穴,就以多余電子(a)N型半導(dǎo)體SiSiSiSiP填補(bǔ)了的空位空穴(b)P型半導(dǎo)體SiSiSiSiBSi5相反方向移動(dòng).載流子有規(guī)則的移動(dòng),就形成了電流,稱(chēng)為漂移電流.2)擴(kuò)散電流在半導(dǎo)體內(nèi),如果載流子分布不均勻,即使沒(méi)有電場(chǎng)的,作用也會(huì)發(fā)生載流子的移動(dòng),形成電流,這就是擴(kuò)散電流.擴(kuò)散電流與溫度有關(guān).6PN結(jié)一.PN結(jié)的形成.如果使一塊半導(dǎo)體的一部分是N型的,另一部分是P型的,那么就構(gòu)成了一個(gè)理想的突變結(jié).因?yàn)樵赑區(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(huì)向P區(qū)擴(kuò)散;而P區(qū)濃度大的空穴就會(huì)向N區(qū)擴(kuò)散,形成了擴(kuò)散電流.擴(kuò)散的結(jié)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(huì)使一邊出現(xiàn)帶負(fù)電的負(fù)離子.離子質(zhì)量較大,不會(huì)移動(dòng).因此,在P區(qū)和N區(qū)交界處就形成了一個(gè)一邊帶正電荷,另一邊帶負(fù)電荷的空間電荷區(qū),這就是PN結(jié).如圖3所示.在空間電荷區(qū)產(chǎn)生的靜電場(chǎng)稱(chēng)為內(nèi)建電場(chǎng),其電位差稱(chēng)為勢(shì)壘.PN結(jié)電場(chǎng)對(duì)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)起阻礙作用.隨著擴(kuò)散的發(fā)展,空間電荷區(qū)會(huì)不斷擴(kuò)大,內(nèi)電場(chǎng)也就加強(qiáng),反過(guò)來(lái)對(duì)7建立和漂移運(yùn)動(dòng)會(huì)趨向平衡,使擴(kuò)散載流子和漂移載流子數(shù)量相等,即達(dá)到平衡狀態(tài).在一般條件下,鍺PN結(jié)的勢(shì)壘為0.2V~0.4V,硅PN結(jié)的勢(shì)為0.6V~0.8V.二.外加電壓對(duì)結(jié)PN的影響.1.外加正向電壓的作用.如圖4(a)所示.外加電場(chǎng)削弱了PN結(jié)電場(chǎng)E內(nèi),破壞了擴(kuò)散+++---PNE內(nèi)E外+-(a)+++---PNE內(nèi)E外-+(b)圖4.在PN結(jié)外加電壓圖9與漂移的平衡,使擴(kuò)散超過(guò)漂移,擴(kuò)散電流大大增加.這時(shí)PN結(jié)呈現(xiàn)的電阻很小,處?kù)秾?dǎo)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(chǎng)加強(qiáng)了PN結(jié)電場(chǎng)E內(nèi),它也破壞了擴(kuò)散與漂移的平衡,使漂移運(yùn)動(dòng)增加,而擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)更難進(jìn)行.但是漂移運(yùn)動(dòng)是少數(shù)載流子運(yùn)動(dòng),所以電流很小.此時(shí)PN結(jié)所呈現(xiàn)的電阻很大,處?kù)督刂範(fàn)顟B(tài).當(dāng)溫度升高時(shí),反向電流會(huì)增加很大,相當(dāng)於陰擋層擊穿,這叫熱擊穿.一般鍺PN結(jié)工作溫度為超過(guò)70℃~80℃,硅PN結(jié)工作溫度可過(guò)200℃.反向電壓也不能無(wú)限增大.當(dāng)反向電壓達(dá)到某一數(shù)值時(shí),會(huì)把晶格中的電子拉出來(lái),使反向電流驟增,PN結(jié)也就擊穿.了這個(gè)電壓叫反向擊穿電壓.10二極管特性簡(jiǎn)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(xiàn)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(xiàn)14從圖中可知,二極管端電壓UD=0時(shí),ID=0;當(dāng)UD>0后,出現(xiàn)ID.但起始值很小.當(dāng)UD超過(guò)門(mén)限電壓(鍺管為時(shí)0.2V~0.4V,硅管為0.6V~0.8V)時(shí),二極管導(dǎo)電,ID便顯著增加,當(dāng)UD<0時(shí),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(guān),而與反向電壓的大小幾乎無(wú)關(guān).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(dāng)反向電壓繼續(xù)增大到等於二極管的反向擊穿電壓URM時(shí),麼向電流就激增,表現(xiàn)為曲線(xiàn)的急劇向下彎曲.普通二圾管的工作電壓應(yīng)遠(yuǎn)離這個(gè)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(jìn)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(gè)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(jié)的溫度不超過(guò)額定值(著管約為80℃,硅管約為150℃),二15四.各類(lèi)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(hào)名稱(chēng)定義VF正向壓降二極管通過(guò)的正向電流為規(guī)定值時(shí),在極間產(chǎn)生的電壓降.BVR擊穿電壓反向伏安特性曲線(xiàn)急劇彎曲點(diǎn)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(shí),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(diǎn)結(jié)電容零偏壓下二極管的總電容.Isur浪涌電流通過(guò)二極管正向脈衝電流最大允許值.17符號(hào)名稱(chēng)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(fù)荷的正弦半波整流電路中,允許連續(xù)通過(guò)半導(dǎo)體整流管的最大工作電流.VF正向電壓降(平均值)半導(dǎo)體整流二極管通過(guò)額定正向整流電流時(shí),在極間產(chǎn)生的電壓降.IR反向漏電流(平均值)半導(dǎo)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(dǎo)體二極管的擊穿電壓VB值.VB擊穿電壓半導(dǎo)體整流二極管為硬特性時(shí),其反向伏安特性曲線(xiàn)急劇彎曲點(diǎn)的電壓值;如果為軟特性時(shí),則其值為給定的反向漏電流下的電壓值.TJM額定結(jié)溫℃半導(dǎo)體整流二極管在規(guī)定使用條件下,所允許的最高結(jié)溫.整流二極管常用參數(shù)18符號(hào)名稱(chēng)定義VZ穩(wěn)定電壓當(dāng)給穩(wěn)壓二極管通以反向電流為規(guī)定值時(shí),管子兩端極間產(chǎn)生的電壓降.由於半導(dǎo)體器件生產(chǎn)的分散性和受溫度的影響,所以廠(chǎng)給出的穩(wěn)定電壓是一個(gè)電壓範(fàn)圍.IZ反向測(cè)試電流測(cè)試反向電參數(shù)時(shí),給定的反向電流.RZ動(dòng)態(tài)電阻在測(cè)試電流下穩(wěn)壓二極兩端電壓的變化量與通過(guò)穩(wěn)壓二極管電流變化量之比.對(duì)於一只管子來(lái)說(shuō),通常是工作電流越大則動(dòng)態(tài)電阻越小.動(dòng)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(duì)變化與環(huán)境溫度的絕對(duì)變化的比值.一般說(shuō)低於6V穩(wěn)壓管,其電壓穩(wěn)定系數(shù)是負(fù)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(jiǎn)介21一.三極管的定義.晶體三極管簡(jiǎn)稱(chēng)“三極管”.它是由兩個(gè)做在一起的PN結(jié)連接相應(yīng)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(dǎo)電特性分有PNP管與NPN管.結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(cè)試出三極管各極不同電壓和電流相互間的關(guān)係,並繪成曲線(xiàn),這就是三極管的曲特性曲線(xiàn).圖2.測(cè)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(guān)係.

UCE(V)IC(mA)05102015102030Ib=50μA100μA150μA200μA250μA300μA圖4.輸出特性曲線(xiàn).025圖4所示為一典型的輸出特性曲線(xiàn).從曲線(xiàn)上可以看出,半導(dǎo)體三極管的工作狀態(tài)可劃分成三個(gè)工作.區(qū)域.IB=0曲線(xiàn)以下的區(qū)域陰影部分稱(chēng)為截止區(qū).其特點(diǎn)是,三極管的兩個(gè)PN結(jié)都處?kù)斗聪蚱?因此,無(wú)電流放大作用.當(dāng)UCE減小到一定值時(shí),IB即使再增大,IC也不相應(yīng)地增大了,也就是IC已達(dá)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(shí)的特點(diǎn)是:兩個(gè)PN都處?kù)墩蚱?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(gè)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(wú)關(guān).這正是電流放大作用.同時(shí),在IB=0時(shí),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(duì)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(kāi)關(guān)作用則是利用截止和飽和狀態(tài).26參數(shù)符號(hào)名稱(chēng)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(guān)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(kāi)路((IB=0),集電極-發(fā)射極的反向電壓為規(guī)定時(shí)的集電極電流.集電極-基極反向截止電流ICBO發(fā)射極開(kāi)路((IE=0),集電極-基極間加規(guī)定反向電壓時(shí)的集電極電流.集電極-基極反向擊穿電壓BVCBO它是當(dāng)發(fā)射極開(kāi)路時(shí)的集電結(jié)的反向擊穿電壓三.半導(dǎo)體三極管的主要參數(shù).27參數(shù)符號(hào)名稱(chēng)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(shí),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(chǎng)效應(yīng)管特性簡(jiǎn)介30一.場(chǎng)效應(yīng)管(FET)的定義.

場(chǎng)效應(yīng)管(FET)是一種電壓控制的半導(dǎo)體器件,即管子的電流受控於柵極電壓.場(chǎng)效應(yīng)管根據(jù)結(jié)構(gòu)和工作原理的不同分為絕緣柵型(又稱(chēng)MOS管或MOSFET)和結(jié)型JFET)兩類(lèi).與半導(dǎo)體三極管相比,它具有輸入電阻高﹑製造工藝簡(jiǎn)單﹑特別適合大規(guī)模集成等許多優(yōu)點(diǎn),因此在放大器﹑振蕩器及集成電路中得到了廣泛的應(yīng)用.目前應(yīng)用最廣泛的是MOSFET.二.MOSFET的基本特性.MOSFET有三個(gè)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(gè)半導(dǎo)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(qiáng)型之分,如表1所示,當(dāng)VGS=0時(shí),源極與漏極之間存在導(dǎo)電溝31

類(lèi)型N型P型耗盡型增強(qiáng)型DSGBDSGBDSGBDSGB表1.MOSFET分類(lèi)32的,稱(chēng)為耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管.如果必須在︱VGS︱

>0的情況下才存在導(dǎo)電溝的,則稱(chēng)為增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管.三.MOSFET的基本參數(shù).表2.MOSFET主要參數(shù)符號(hào)名稱(chēng)定義BVDS漏源擊穿電壓主要由漏極PN結(jié)的雪骨崩擊穿能力﹑柵極對(duì)溝道體區(qū)和漏區(qū)反向偏置結(jié)耗盡層電場(chǎng)分布的器件各部分界面的電場(chǎng)分布決定的.它隨溫度變化,在一定範(fàn)圍內(nèi)大約結(jié)溫度升高10℃,BVDS值增加1%,故結(jié)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(jié)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