半導(dǎo)體晶體管

半導(dǎo)體晶體管第1頁/共60頁CollegeofPhysicsScience&TechnologyYANGZHOUUNIVERSITYCHINA5.1晶體管

晶體管又稱半導(dǎo)體管，半導(dǎo)體是一類導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的材料。目前，制造晶體管的半導(dǎo)體材料多數(shù)是鍺(Ge)和硅(Si)。因?yàn)檫@些物質(zhì)呈晶體結(jié)構(gòu)，所以稱之為半導(dǎo)體晶體管，簡(jiǎn)稱晶體管或半導(dǎo)體管。發(fā)明者：肖克利，巴本和布拉坦，獲1956年Nobel獎(jiǎng)。第2頁/共60頁CollegeofPhysicsScience&TechnologyYANGZHOUUNIVERSITYCHINA晶體二極管雙極型晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管可控硅。

第3頁/共60頁CollegeofPhysicsScience&TechnologyYANGZHOUUNIVERSITYCHINA一.晶體二極管第4頁/共60頁CollegeofPhysicsScience&TechnologyYANGZHOUUNIVERSITYCHINA第5頁/共60頁CollegeofPhysicsScience&TechnologyYANGZHOUUNIVERSITYCHINA第6頁/共60頁CollegeofPhysicsScience&TechnologyYANGZHOUUNIVERSITYCHINA1、PN結(jié)與二極管的單向?qū)щ娦杂靡欢ǖ墓に嚪椒ò裀型和N型半導(dǎo)體緊密地結(jié)合在一起，就會(huì)在其交界面處形成空間電荷區(qū)叫PN結(jié)。當(dāng)PN結(jié)兩端加上不同極性的直流電壓時(shí)，其導(dǎo)電性能將產(chǎn)生很大差異。這就是PN結(jié)單向?qū)щ娦浴５?頁/共60頁

本征半導(dǎo)體就是完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體

自由電子空穴共價(jià)鍵SiSiSiSi本征半導(dǎo)體中自由電子和空穴的形成

用得最多的半導(dǎo)體是硅或鍺,它們都是四價(jià)元素。將硅或鍺材料提純并形成單晶體后，便形成共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。在獲得一定能量(熱、光等)后，少量?jī)r(jià)電子即可掙脫共價(jià)鍵的束縛成為自由電子，同時(shí)在共價(jià)鍵中就留下一個(gè)空位，稱為空穴。自由電子和空穴總是成對(duì)出現(xiàn)，同時(shí)又不斷復(fù)合。CollegeofPhysicsScience&TechnologyYANGZHOUUNIVERSITYCHINA第8頁/共60頁在外電場(chǎng)的作用下，自由電子逆著電場(chǎng)方向定向運(yùn)動(dòng)形成電子電流。帶正電的空穴吸引相鄰原子中的價(jià)電子來填補(bǔ)，而在該原子的共價(jià)鍵中產(chǎn)生另一個(gè)空穴。空穴被填補(bǔ)和相繼產(chǎn)生的現(xiàn)象，可以看成空穴順著電場(chǎng)方向移動(dòng)，形成空穴電流?？梢娫诎雽?dǎo)體中有自由電子和空穴兩種載流子，它們都能參與導(dǎo)電?？昭ㄒ苿?dòng)方向

電子移動(dòng)方向

外電場(chǎng)方向SiSiSiSiSiSiSiCollegeofPhysicsScience&TechnologyYANGZHOUUNIVERSITYCHINA第9頁/共60頁N型半導(dǎo)體和

P型半導(dǎo)體1.N型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體中摻入五價(jià)元素磷，當(dāng)某一個(gè)硅原子被磷原子取代時(shí)，磷原子的五個(gè)價(jià)電子中只有四個(gè)用于組成共價(jià)鍵，多余的一個(gè)很容易掙脫磷原子核的束縛而成為自由電子。因而自由電子的數(shù)量大大增加，是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子，將這種半導(dǎo)體稱為N型半導(dǎo)體。SiSiSiSiSiSiSiP多余價(jià)電子本征半導(dǎo)體中由于載流子數(shù)量極少，導(dǎo)電能力很低。如果在其中參入微量的雜質(zhì)(某種元素)將使其導(dǎo)電能力大大增強(qiáng)。CollegeofPhysicsScience&TechnologyYANGZHOUUNIVERSITYCHINA第10頁/共60頁2.P型半導(dǎo)體

在硅或鍺的晶體中摻入三價(jià)元素硼，在組成共價(jià)鍵時(shí)將因缺少一個(gè)電子而產(chǎn)生一個(gè)空位，相鄰硅原子的價(jià)電子很容易填補(bǔ)這個(gè)空位，而在該原子中便產(chǎn)生一個(gè)空穴，使空穴的數(shù)量大大增加，成為多數(shù)載流子，電子是少數(shù)載流子，將這種半導(dǎo)體稱為P型半導(dǎo)體。

SiSiSiSiSiSiSiB空位B空穴價(jià)電子填補(bǔ)空位CollegeofPhysicsScience&TechnologyYANGZHOUUNIVERSITYCHINA第11頁/共60頁P(yáng)N結(jié)的形成

用專門的制造工藝在同一塊半導(dǎo)體單晶上，形成P型半導(dǎo)體區(qū)域和N型半導(dǎo)體區(qū)域，在這兩個(gè)區(qū)域的交界處就形成了一個(gè)特殊的薄層，稱為PN結(jié)。P區(qū)N區(qū)N區(qū)的電子向P區(qū)擴(kuò)散并與空穴復(fù)合PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向CollegeofPhysicsScience&TechnologyYANGZHOUUNIVERSITYCHINA第12頁/共60頁P(yáng)N結(jié)的單向?qū)щ娦?1)

外加正向電壓內(nèi)電場(chǎng)方向E外電場(chǎng)方向RIP區(qū)N區(qū)外電場(chǎng)驅(qū)使P區(qū)的空穴進(jìn)入空間電荷區(qū)抵消一部分負(fù)空間電荷N區(qū)電子進(jìn)入空間電荷區(qū)抵消一部分正空間電荷空間電荷區(qū)變窄

擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，形成較大的正向電流CollegeofPhysicsScience&TechnologyYANGZHOUUNIVERSITYCHINA第13頁/共60頁P(yáng)區(qū)N區(qū)內(nèi)電場(chǎng)方向ER空間電荷區(qū)變寬外電場(chǎng)方向IR外加反向電壓外電場(chǎng)驅(qū)使空間電荷區(qū)兩側(cè)的空穴和自由電子移走少數(shù)載流子越過PN結(jié)形成很小的反向電流多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)難于進(jìn)行返回CollegeofPhysicsScience&TechnologyYANGZHOUUNIVERSITYCHINA第14頁/共60頁半導(dǎo)體二極管基本結(jié)構(gòu)

將PN結(jié)加上相應(yīng)的電極引線和管殼，就成為半導(dǎo)體二極管。按結(jié)構(gòu)分，有點(diǎn)接觸型和面接觸型兩類。點(diǎn)接觸型表示符號(hào)正極負(fù)極金銻合金面接觸型N型鍺

正極引線負(fù)極引線PN結(jié)底座鋁合金小球引線觸絲N型鍺外殼CollegeofPhysicsScience&TechnologyYANGZHOUUNIVERSITYCHINA第15頁/共60頁伏安特性當(dāng)外加正向電壓很低時(shí)，電流很小，幾乎為零。正向電壓超過一定數(shù)值后，電流很快增大，將這一定數(shù)值的正向電壓稱為死區(qū)電壓。通常，硅管的死區(qū)電壓約為0.5V，鍺管約為0.1V。導(dǎo)通時(shí)的正向壓降，硅管約為0.6~0.7V，鍺管約為0.2~0.3V。604020–0.02–0.0400.40.8–25–50I/mAU/V正向特性硅管的伏安特性死區(qū)電壓擊穿電壓U(BR)反向特性I/mAU

/V0.20.4–25–5051015–0.01–0.02鍺管的伏安特性0CollegeofPhysicsScience&TechnologyYANGZHOUUNIVERSITYCHINA第16頁/共60頁

在二極管上加反向電壓時(shí)，反向電流很小。但當(dāng)反向電壓增大至某一數(shù)值時(shí)，反向電流將突然增大。這種現(xiàn)象稱為擊穿，二極管失去單向?qū)щ娦?。產(chǎn)生擊穿時(shí)的電壓稱為反向擊穿電壓U(BR)。CollegeofPhysicsScience&TechnologyYANGZHOUUNIVERSITYCHINA第17頁/共60頁在圖中，輸入電位VA=+3V，VB=0V，電阻R接負(fù)電源–12V。求輸出端電位VY。

因?yàn)閂A高于VB

，所以DA優(yōu)先導(dǎo)通。如果二極管的正向壓降是0.3V，則VY=+2.7V。當(dāng)DA導(dǎo)通后,DB因反偏而截止。

在這里，DA起鉗位作用，將輸出端電位鉗制在+2.7V。

DA–12VYVAVBDBRCollegeofPhysicsScience&TechnologyYANGZHOUUNIVERSITYCHINA第18頁/共60頁CollegeofPhysicsScience&TechnologyYANGZHOUUNIVERSITYCHINA2、二極管的分類：按材料分：鍺二極管、硅二極管、砷化鎵二極管；按制作工藝：面接觸二極管和點(diǎn)接觸二極管；按用途分：整流二極管、檢波蘭極管、穩(wěn)壓二極管、變?nèi)荻O管、光電二極管、發(fā)光二極管、開關(guān)二極管等。第19頁/共60頁CollegeofPhysicsScience&TechnologyYANGZHOUUNIVERSITYCHINA

點(diǎn)接觸型二極管由于接觸面點(diǎn)小，不能通過大電流，故只適合用于小電流整流，又因?yàn)榻佑|點(diǎn)小，所以極間電容量也很小，故適用于高頻電路檢波。面接觸型二極管與點(diǎn)接觸型二極管相反，由于接觸面大，可以通過較大的電流，但極間電容量大，因此不能用于高頻電路，而主要用做整流。

第20頁/共60頁CollegeofPhysicsScience&TechnologyYANGZHOUUNIVERSITYCHINA第21頁/共60頁CollegeofPhysicsScience&TechnologyYANGZHOUUNIVERSITYCHINA3、二極管的主要參數(shù)最大整流電流(IF)：指長(zhǎng)期工作時(shí)，允許通過的最大正向電流值。使用時(shí)不能超過此值，否則二極管會(huì)發(fā)熱而燒毀。最高反向工作電壓(VB)：為防止擊穿，使用時(shí)反向電壓極限值。反向電流(IR)：在規(guī)定的反向電壓條件下流過二極管的反向電流值。第22頁/共60頁CollegeofPhysicsScience&TechnologyYANGZHOUUNIVERSITYCHINA最高工作頻率(fm)：二極管具有單向?qū)щ娦缘淖罡呓涣餍盘?hào)的頻率。由于結(jié)電容的存在，當(dāng)頻率高到某一程度時(shí)，容抗小到使PN結(jié)短路。導(dǎo)致二極管失去單向?qū)щ娦?，不能工作，PN結(jié)面積越大，結(jié)電容也越大，越不能在高頻情況下工作。

第23頁/共60頁CollegeofPhysicsScience&TechnologyYANGZHOUUNIVERSITYCHINA4、常用二極管介紹

(1)整流二極管：整流二極管主要用于整流電路，把交流電變換成脈動(dòng)的直流電，由于通過的正向電流較大，對(duì)結(jié)電容無特殊要求，所以其PN結(jié)多為面接觸型，因結(jié)電容大，故工作頻率低。通常，正向電流在1安以上的二極管采用金屬殼封裝，以利于散熱；正向電流在1安以下的采用全塑料封裝。第24頁/共60頁CollegeofPhysicsScience&TechnologyYANGZHOUUNIVERSITYCHINA塑料封裝全密封金屬結(jié)構(gòu)第25頁/共60頁CollegeofPhysicsScience&TechnologyYANGZHOUUNIVERSITYCHINA第26頁/共60頁CollegeofPhysicsScience&TechnologyYANGZHOUUNIVERSITYCHINA半波整流電路

第27頁/共60頁CollegeofPhysicsScience&TechnologyYANGZHOUUNIVERSITYCHINA全波整流電路

第28頁/共60頁CollegeofPhysicsScience&TechnologyYANGZHOUUNIVERSITYCHINA第29頁/共60頁CollegeofPhysicsScience&TechnologyYANGZHOUUNIVERSITYCHINA橋式整流電路

第30頁/共60頁CollegeofPhysicsScience&TechnologyYANGZHOUUNIVERSITYCHINA第31頁/共60頁CollegeofPhysicsScience&TechnologyYANGZHOUUNIVERSITYCHINA-+第32頁/共60頁CollegeofPhysicsScience&TechnologyYANGZHOUUNIVERSITYCHINA（2）橋堆第33頁/共60頁CollegeofPhysicsScience&TechnologyYANGZHOUUNIVERSITYCHINA第34頁/共60頁CollegeofPhysicsScience&TechnologyYANGZHOUUNIVERSITYCHINA第35頁/共60頁CollegeofPhysicsScience&TechnologyYANGZHOUUNIVERSITYCHINA第36頁/共60頁CollegeofPhysicsScience&TechnologyYANGZHOUUNIVERSITYCHINA第37頁/共60頁CollegeofPhysicsScience&TechnologyYANGZHOUUNIVERSITYCHINA第38頁/共60頁CollegeofPhysicsScience&TechnologyYANGZHOUUNIVERSITYCHINA(3)檢波二極管：檢波二極管的主要作用是把高頻信號(hào)中的低頻信號(hào)檢出。要求結(jié)電容小，所以其結(jié)構(gòu)為點(diǎn)接觸型，一般采用鍺材料制成。第39頁/共60頁CollegeofPhysicsScience&TechnologyYANGZHOUUNIVERSITYCHINA第40頁/共60頁CollegeofPhysicsScience&TechnologyYANGZHOUUNIVERSITYCHINA

(4)穩(wěn)壓二極管：穩(wěn)壓二極管是由硅材料制成的面結(jié)合型晶體二極管，它是利用PN結(jié)反向擊穿時(shí)的電壓基本上不隨電流的變化而變化的特點(diǎn)，來達(dá)到穩(wěn)壓的目的，因?yàn)樗茉陔娐分衅鸱€(wěn)壓作用，故稱為穩(wěn)壓二極管（簡(jiǎn)稱穩(wěn)壓管）。第41頁/共60頁CollegeofPhysicsScience&TechnologyYANGZHOUUNIVERSITYCHINA第42頁/共60頁CollegeofPhysicsScience&TechnologyYANGZHOUUNIVERSITYCHINA第43頁/共60頁CollegeofPhysicsScience&TechnologyYANGZHOUUNIVERSITYCHINA

(5)發(fā)光二極管：發(fā)光二極管是一種將電能變成光能的半導(dǎo)體器件。它具有一個(gè)PN結(jié)，與普通二極管一樣，具有單向?qū)щ娞匦?。?dāng)給發(fā)光二極管加上正向電壓，有一定的電流流過時(shí)就會(huì)發(fā)光。發(fā)光二極管是由磷砷化鎵、鎵鋁砷等半導(dǎo)體材料制成。發(fā)光的顏色分為：紅光、黃光、綠光、三色變色發(fā)光。另外還有眼睛看不見的紅外光二極管。第44頁/共60頁CollegeofPhysicsScience&TechnologyYANGZHOUUNIVERSITYCHINA第45頁/共60頁CollegeofPhysicsScience&TechnologyYANGZHOUUNIVERSITYCHINA

(6).光敏二極管(又稱為光電二極管)

根據(jù)PN結(jié)反向特性可知，在一定反向電壓范圍內(nèi)，反向電流很小且處于飽和狀態(tài)。此時(shí)，如果無光照射PN結(jié)，則因本征激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)數(shù)量有限，反向飽和電流保持不變，在光敏二極管中稱為暗電流。當(dāng)有光照射PN結(jié)時(shí)，結(jié)內(nèi)將產(chǎn)生附加的大量電子空穴對(duì)（稱之為光生載流子），使流過PN結(jié)的電流隨著光照強(qiáng)度的增加而劇增，此時(shí)的反向電流稱為光電流。

第46頁/共60頁CollegeofPhysicsScience&TechnologyYANGZHOUUNIVERSITYCHINA第47頁/共60頁CollegeofPhysicsScience&TechnologyYANGZHOUUNIVERSITYCHINA第48頁/共60頁CollegeofPhysicsScience&TechnologyYANGZHOUUNIVERSITYCHINA為消除光敏二極管的表面漏電流，2DU管還有一個(gè)環(huán)極，環(huán)極接正電源，這種接法可使負(fù)載電阻中的暗電流很小(一般小于0.05μA)。第49頁/共60頁CollegeofPhysicsScience&TechnologyYANGZHOUUNIVERSITYCHINA（7）變?nèi)荻O管變?nèi)荻O管是利用PN結(jié)之間電容可變的原理制成的半導(dǎo)體器件，在高頻調(diào)諧、通信等電路中作可變電容器使用。

變?nèi)荻O管屬于反偏壓二極管，改變其PN結(jié)上的反向偏壓，即可改變PN結(jié)電容量。反向偏壓越高，結(jié)電容則越少，反向偏壓與結(jié)電容之間的關(guān)系是非線性的。

變?nèi)荻O管有玻璃外殼封裝（玻封）、塑料封裝（塑封）、金屬外殼封裝（金封）和無引線表面封裝等多種封裝形式。通常，中小功率的變?nèi)荻O管采用玻封、塑封或表面封裝，而功率較大的變?nèi)荻O管多采用金封。

常用的變?nèi)荻O管

常用的國(guó)產(chǎn)變?nèi)荻O管有2CC系列和2CB系列，

常用的進(jìn)口變?nèi)荻O管有S系列、MV系列、KV系列、1T系列、1SV系列等。第50頁/共60頁CollegeofPhysicsScience&TechnologyYANGZHOUUNIVERSITYCHINA5.半導(dǎo)體器件型號(hào)命名方法：中國(guó)半導(dǎo)體器件型號(hào)命名方法(2)日本半導(dǎo)體分立器件型號(hào)命名方法(3)美國(guó)半導(dǎo)體分立器件型號(hào)命名方法(4)國(guó)際電子聯(lián)合會(huì)半導(dǎo)體器件型號(hào)命名方法(5)歐洲早期半導(dǎo)體分立器件型號(hào)命名法第51頁/共60頁CollegeofPhysicsScience&TechnologyYANGZHOUUNIVERSITYCHINA6、二極管的極性判別小功率二極管的N極，在外表用色圈標(biāo)出采用符號(hào)標(biāo)志為“P”、“N”來確定二極管極性的長(zhǎng)腳為正，短腳為負(fù)第52頁/共60頁CollegeofPhysicsScience&TechnologyYANGZHOUUNIVERSITYCHINA

正向：硅管：表針指示位置在中間或中間偏右一點(diǎn)；鍺管：表針指示在右端靠近滿刻度的地方。對(duì)于檢波二極管或鍺小功率二極管，使用R×100擋，其值正向電阻約為100～1000Ω之間；對(duì)于硅管，約為幾百歐到幾千歐之間。第53頁/共60頁CollegeofPhysicsScience&TechnologyYANGZHOUUNIVERSITYC