晶體二極管的分類與研究

晶體二極管的分類與研究

晶體三維是晶體的基本組件之一，具有矩陣效應(yīng)。它是電子電路的中心元件。三極管是在一塊半導體基片上制作兩個相距很近的PN結(jié),兩個PN結(jié)把整塊半導體分成三部分,中間部分是基區(qū),兩側(cè)部分是發(fā)射區(qū)和集電區(qū),排列方式有PNP和NPN兩種。從外表上看兩個N區(qū)(或兩個P區(qū))是對稱的,實際上發(fā)射區(qū)的摻雜濃度大,集電區(qū)摻雜濃度低,且集電結(jié)面積大,基區(qū)要制造得很薄,厚度約在幾個微米至幾十個微米。如圖1從三個區(qū)引出相應(yīng)的電極,分別為基極b發(fā)射極e和集電極c。發(fā)射區(qū)和基區(qū)之間的PN結(jié)叫發(fā)射結(jié),集電區(qū)和基區(qū)之間的PN結(jié)叫集電結(jié)。PNP型三極管發(fā)射區(qū)“發(fā)射”的是空穴,移動方向與電流方向一致,故發(fā)射極箭頭向里;NPN型三極管發(fā)射區(qū)“發(fā)射”的是自由電子,移動方向與電流方向相反,故發(fā)射極箭頭向外。發(fā)射極箭頭指向也是PN結(jié)在正向電壓下的導通方向。硅晶體三極管和鍺晶體三極管均有PNP型和NPN型兩種類型(圖2)。最初的三極管是由鍺(半導體)做成的。但是,鍺具有在80℃左右時發(fā)生損壞的缺點,因此現(xiàn)在的三極管幾乎都使用硅,硅可以耐受180℃左右的高溫。三“雙極”指場效應(yīng)晶體晶體管的分類方法有多種。按形狀劃分,功率及安裝形態(tài)決定了晶體管的外形大小和形狀,可分為引腳型和表面安裝型;按功率分類,主要以最大額定值的集電極功率Pc進行區(qū)分,分為小信號晶體管和功率晶體管,一般功率晶體管的功率超過1W;根據(jù)工作原理不同晶體管又分為雙極晶體管和單極晶體管(如圖3)。雙極晶體管的“雙”是指Bi(2個)、“極”是指Polair(極性)。雙極晶體管即流經(jīng)構(gòu)成晶體管的半導體的電流由空穴(正極性)和電子(負極性)產(chǎn)生。一般而言的晶體管是指這種由硅構(gòu)成的晶體管。FET(FieldEffectTransistor)指場效應(yīng)晶體管,又包括接合型FET、MOS型FET以及GaAs型三種。接合型FET多用于音頻設(shè)備等的模擬電路中,MOS型FET主要用于微控制器等數(shù)字IC,GaAs型用于衛(wèi)星廣播信號接收等的微波增幅。MOS(MetalOxideSemiconductor)因其構(gòu)造分別是金屬(Metal)、硅酸化膜(Oxide)、半導體(Semiconductor),故稱MOS。MOS還分為P型、N型、C型,因為消費電流小,用于微控制器等集成度高的IC。三功率電極的封裝常用三極管的封裝形式有金屬封裝和塑料封裝兩大類,引腳的排列方式具有一定的規(guī)律,如圖4對于小功率金屬封裝三極管(如TO18、T039封裝),按圖示底視圖位置放置,使三個引腳構(gòu)成等腰三角形的頂點上,從左向右依次為ebc;對于中小功率塑料三極管(如TO92封裝),按圖使其平面朝向自己,三個引腳從左到右依次為ecb、ebc和cbe三種封裝。功率三極管的封裝形式如圖中TO220、TO3所示,其中TO3的金屬外殼為三極管的C極。目前,三極管的種類眾多,管腳的排列也不盡相同,在使用中無法確定管腳的排列時,必須進行測量以確定各管腳的位置,或查找晶體管使用手冊。三晶體使用原理晶體三極管有三種工作狀態(tài),分別為截止狀態(tài)、放大狀態(tài)和飽和導通狀態(tài)。截止狀態(tài):當加在三極管發(fā)射結(jié)的電壓小于PN結(jié)的導通電壓,基極電流為零,集電極電流和發(fā)射極電流都為零,這時三極管失去電流放大作用,集電極和發(fā)射極之間相當于開關(guān)的斷開狀態(tài),此時的三極管處于截止狀態(tài)。放大狀態(tài):當加在三極管發(fā)射結(jié)的電壓大于PN結(jié)的導通電壓并處于某一恰當?shù)闹禃r,三極管的發(fā)射結(jié)正向偏置,集電結(jié)反向偏置,這時基極電流對集電極電流起控制作用,使得三極管具有電流放大作用,其電流放大倍數(shù)β=ΔIc/ΔIb,三極管處于放大狀態(tài)。晶體三極管具有電流放大作用,其實質(zhì)是三極管能以基極電流微小的變化量來控制集電極電流較大的變化量,這是三極管最基本也是最重要的特性。我們將ΔIc/ΔIb的比值稱為晶體三極管的電流放大倍數(shù),用符號“β”表示。電流放大倍數(shù)對于一只三極管來說是一個定值,但隨著三極管工作時基極電流的變化也會有一定的改變。下面通過圖5的a和b對晶體管的增幅原理作進一步詳盡的說明。與輸入電壓e和偏壓E1構(gòu)成的基極-發(fā)射極間電壓(VBE)成比例的電流(IB)的hFE(晶體管的直流電流增幅率)倍的電流(IC)流經(jīng)集電極,這一集電極電流IC流經(jīng)電阻RL,從而IC×RL的電壓反映在電阻RL兩端。最終,輸入電壓e被轉(zhuǎn)換(增幅)成ICRL電壓反映在輸出上。飽和導通狀態(tài):當加在三極管發(fā)射結(jié)的電壓大于PN結(jié)的導通電壓,并當基極電流增大到一定程度時,集電極電流不再隨著基極電流的增大而增大,而是處于某一定值附近不再變化,這時的三極管失去電流放大作用,集電極與發(fā)射極之間的電壓很小,集電極和發(fā)射極之間相當于開關(guān)的導通狀態(tài),這種狀態(tài)我們稱之為三極管的飽和導通狀態(tài)。三表現(xiàn)三端特性的指標三極管外部各極電壓和電流的關(guān)系曲線,稱為三極管的特性曲線,又稱伏安特性曲線,用來描述三極管各端電流與兩個PN結(jié)外加電壓之間的關(guān)系,可直觀、全面地反映三極管的電氣性能的外部特性。由于三極管為三端器件,在電路中要構(gòu)成四端網(wǎng)絡(luò),它的每對端子均有兩個變量(端口電壓和電流),因此要在平面坐標上表示三極管的伏安特性,就必須采用兩組曲線簇,最常采用的是輸入特性曲線簇和輸出特性曲線簇。它們不僅能反映三極管的質(zhì)量與特性,還能用來定量地估算出三極管的某些參數(shù),是分析和設(shè)計三極管電路的重要依據(jù)。三極管的連接方式不同,對應(yīng)的特性曲線也不同。應(yīng)用最廣泛的是共發(fā)射極電路,基本測試電路如圖6所示。共發(fā)射極特性曲線可以用描點法繪出,也可以由晶體管特性圖示儀直接顯示出來。1、基區(qū)內(nèi)電子物權(quán)發(fā)電集電極特性在三極管共射極連接的情況下,當集電極與發(fā)射極之間的電壓UBE維持不同的定值時,UBE和IB之間的一簇關(guān)系曲線,稱為共射極輸入特性曲線,如圖7所示。UCE≥1V,即給集電結(jié)加上固定的反向電壓,集電結(jié)的吸引力加強,使得從發(fā)射區(qū)進入基區(qū)的電子絕大部分流向集電極形成Ic。同時,在相同的UBE值條件下,流向基極的電流IB減小,即特性曲線右移?？傊?三極管的輸入特性曲線與二極管的正向特性相似,因為b、e間是正向偏置的PN結(jié)(放大模式下)。2、集電極的放大作用輸出特性通常是指在一定的基極電流IB控制下,三極管的集電極與發(fā)射極之間的電壓UCE同集電極電流Ic的關(guān)系。共射輸出特性曲線表示以IB為參變量時,IC和UCE間的關(guān)系為:Ic=f(UCE)/IB=常數(shù)。在輸出特性曲線上,曲線間的距離隨溫度升高而增大。實測的輸出特性曲線如圖8所示:根據(jù)外加電壓的不同,整個曲線可劃分為四個區(qū):放大區(qū)、截止區(qū)、飽和區(qū)、擊穿區(qū)。(1)截止區(qū):IB=0的那條特性曲線以下的區(qū)域(圖中藍色區(qū)域)。在此區(qū)域里,三極管的發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都處于反向偏置狀態(tài),三極管失去了放大作用,集電極只有微小的穿透電流ICEO。(2)飽和區(qū):圖中綠色區(qū)域。在此區(qū)域內(nèi),對應(yīng)不同IB值的輸出特性曲線簇幾乎重合在一起。意味著當UCE較小時,Ic變化較小,即IB失去了對Ic的控制能力,三極管處于飽和狀態(tài)。此時,三極管的發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都處于正向偏置狀態(tài),即:UCE<UBE,IB>IC,UCE≈0.3V一般規(guī)定:當UCE=UBE時的狀態(tài)為臨界飽和(VCB=0)；當UCE<UBE時的狀態(tài)為過飽和。飽和時的UCE用UCES表示,三極管深度飽和時UCES很小,一般小功率管的UCES<0.3V,鍺管的UCES<0.1V,比硅管還要小。(3)放大區(qū):在截止區(qū)以上,介于飽和區(qū)與擊穿區(qū)之間的區(qū)域為放大區(qū)。在此區(qū)域內(nèi),特性曲線近似于一簇平行等距的水平線,Ic的變化與IB基本保持線性關(guān)系,即IC=βIB,且ΔlC=βΔIB,三極管具有電流放大作用。此外,集電極電壓對集電極電流的控制作用也很弱,當UCE>1V后,即使再增加UCE,Ic也幾乎不再增加,此時,若IB不變,則三極管可以被看作一個恒流源。在放大區(qū),三極管的發(fā)射結(jié)處于正向偏置,集電結(jié)處于反向偏置狀態(tài)。(4)擊穿區(qū):隨著UCE增大,反向偏置電壓UCB相應(yīng)增大。當UCE增大到一定值時,集電結(jié)就會發(fā)生反向擊穿,造成集電極電流Ic劇增,這一特性表現(xiàn)在輸出特性圖上則為擊穿區(qū)域。造成擊穿的原因是由于集電結(jié)是輕摻雜的,產(chǎn)生的反向擊穿主要是雪崩擊穿,擊穿電壓較大。除此之外,在基區(qū)寬度很小的三極管中,還會發(fā)生特有的穿通擊穿,即:當UCE增大時,UCB相應(yīng)增大,導致集電結(jié)的阻擋層寬度增寬,直到集電結(jié)與發(fā)射結(jié)相遇,基區(qū)消失,這時發(fā)射區(qū)的電子將直接受集電結(jié)電場的作用,引起集電極電流迅速增大,呈現(xiàn)類似擊穿的現(xiàn)象。三極管的主要參數(shù)三極管的參數(shù)是用來表征其各方面性能及其運用范圍的指標,可以作為電路設(shè)計、調(diào)整和使用時的參考。主要參數(shù)有:1、使用直流放大系數(shù)在討論大幅度信號變化或涉及直流量時使用的直流放大系數(shù):在討論小信號的變化量時使用的交流放大系數(shù):當基本不變(或在IE的一個相當大的范圍內(nèi))時,2、icbo和cco表達式:ICEO=(1+β)ICBO其中:ICBO指發(fā)射極開路時,集電極與基極間的反向飽和電流,ICEO指基極開路時,集電極與發(fā)射極間的穿透電流。3、輸入信號頻率的確定fT是反映晶體管中兩個PN結(jié)電容的影響的參數(shù)。當輸入信號的頻率增高到一定值后,結(jié)電容將起到明顯的作用,使β下降,因此,fT是指使β下降到1時輸入信號的頻率。4、發(fā)射結(jié)允許的反向電壓(1)集電極最大允許電流ICM:Ic在一個很大范圍內(nèi)β值基本不變,當IC超過一定數(shù)值后,β值明顯下降,該值為ICM。(2)集電極反向擊穿電壓U(BR)EBO、U(BR)CBO、U(BR)CECO、U(BR)EBO:集電極開路時,射一基極間的反向擊穿電壓,這是發(fā)射結(jié)允許的最高反向電壓,一般為1伏一幾伏。U(BR)CBO:發(fā)射極開路時,集一基極間的反向擊穿電壓,即集電結(jié)所允許的最高反向電壓,一般為幾十伏一幾千伏。U(BR)CEO:基極開路時,集一射極間的反向擊穿電壓。一般U(BR)CBO>U(BR)CEO。(3)集電極最大允許功率損耗PCM:PCM=Ic·UCEPCM與三極管允許的溫升有關(guān),三極管在使用時的功耗不能超過PCM,一般硅管約為150℃,鍺管為70℃即為上限溫度。三使用利益電路設(shè)計中的三網(wǎng)1.為了保證在放大模式信號時不產(chǎn)生明顯的失真,三極管應(yīng)該工作在輸入特性的線性部分,而且始終工作在輸出特性的放大區(qū),任何時候都不能工作在截止區(qū)和飽和區(qū)。2.為了保證三極管工作在放大區(qū),在組成放大電路時,外加的電源極性應(yīng)使三極管的發(fā)射結(jié)處于正向偏置狀態(tài),集電結(jié)處于反向偏置狀態(tài)。作為三端器件的晶體三極管是伏安特性為非線性的有源器件,工作在放大區(qū)時具有正向受控作用,等效為一個受控電流源,而工作在飽和區(qū)和截止區(qū)時具有可控開關(guān)特性。這種非線性和可控性(正向受控和可控開關(guān))是實現(xiàn)眾多電路功能的基礎(chǔ),或者說,眾多的應(yīng)用電路都是以三極管為核心,配以合適的外圍電路組成的。利用三極管組成的電路可以有:放大電路、電流源、跨導線性電路、有源電阻、可控開關(guān)等。三極管的開關(guān)特性在數(shù)字電路中應(yīng)用廣泛,是數(shù)字電路中最基本的開關(guān)元件,通常不是工作在飽和區(qū)就是工作在截止區(qū),而放大區(qū)只是出現(xiàn)在三極管由飽和區(qū)變?yōu)榻刂够蛴山刂棺優(yōu)轱柡偷倪^渡過程中,是瞬間即逝的。因此,對開關(guān)管我們要特別注意其開關(guān)條件和它在開關(guān)狀態(tài)下的工作特點。1948年,晶體管的發(fā)明給當時的電子工業(yè)界帶來了前所未有的沖擊,成為了今日電子時代的開端。之后以計算機為代表的電子技術(shù)取得飛速發(fā)展,三極管不僅在計算機、手機和消費電子產(chǎn)品中得到了廣泛應(yīng)用,還被廣泛用于汽車、航空、家用電器、醫(yī)療設(shè)備以及數(shù)千種日用設(shè)備的電子控制中。按照摩爾定律的描述,晶體管密度大約每兩年便會增加一倍,同時其功能和性能將提高,而成本則會降低。40多年以來,摩爾定律已經(jīng)成為半導體行業(yè)的基本商業(yè)模式。今年,英特爾宣布公司在晶體管發(fā)展上又取得了革命性的突破,將推出被稱為三柵極(Tri