第二篇  电子技术基础
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第 6 章 电子技术中常用半导体器件 - PowerPoint PPT Presentation


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第二篇 电子技术基础. 第 6 章 电子技术中常用半导体器件. 第 7 章 基本放大电路. 第 8 章 集成运算放大器. 第 9 章 组合逻辑电路. 第 10 章 触发器和时序逻辑电路. 第 11 章 存储器. 第 12 章 数 / 模和模 / 数转换器. 第 6 章半导体及其常用器件. 6.1 半导体的基本知识. 6.2 半导体二极管. 6.3 特殊二极管. 6.4 双极型三极管. 6.5 单极型三极管. 学习目的与要求. 了解 本征半导体、 P 型和 N 型半导体的特 征;了解 PN 结的形成过程;熟悉二极管的

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Presentation Transcript

第二篇 电子技术基础

第6章 电子技术中常用半导体器件

第7章 基本放大电路

第8章 集成运算放大器

第9章 组合逻辑电路

第10章 触发器和时序逻辑电路

第11章 存储器

第12章 数/模和模/数转换器


6章半导体及其常用器件

6.1 半导体的基本知识

6.2 半导体二极管

6.3 特殊二极管

6.4 双极型三极管

6.5 单极型三极管


学习目的与要求

了解本征半导体、P型和N型半导体的特

征;了解PN结的形成过程;熟悉二极管的

伏安特性及其种类、用途;深刻理解晶体

管的电流放大原理,掌握晶体管的输入和

输出特性;了解场效应管的结构组成及工

作原理,初步掌握工程技术人员必需具备

的分析电子电路的基本理论、基本知识和

基本技能。


6.1 半导体的基本知识

物质按导电能力的不同可分为导体、半导体和绝缘体三

大类。金属导体的电导率一般在105s/cm量级;塑料、云母

等绝缘体的电导率通常是10-22~10-14s/cm量级;半导体的电

导率则在10-9~102s/cm量级。

1. 半导体的独特性能

半导体的导电能力虽然介于导体和绝缘体之间,但半导

体的应用却极其广泛,这是由半导体的独特性能决定的:

光敏性——半导体受光照后,其导电能力大大增强;

热敏性——受温度的影响,半导体导电能力变化很大;

掺杂性——在半导体中掺入少量特殊杂质,其导电

能力极大地增强;

半导体材料的独特性能是由其内部的导电机理所决定的。


+

+

Si

Ge

+4

+4

2. 本征半导体和杂质半导体

(1)本征半导体

最常用的半导体为硅(Si)和锗(Ge)。它们的共同特征是四价

元素,即每个原子最外层电子数为4个。

Ge(锗原子)

Si(硅原子)

因为原子呈电中性,所以简化模型图中的原子核只用带圈的+4符号表示即可。

硅原子和锗原子的简化模型图


4

+4

+4

+4

+4

+4

+4

+4

+4

天然的硅和锗是不能制作成半导体器件的。它们必须先经过高度提纯,形成晶格结构完全对称的本征半导体。

实际上半导体的晶格结构是三维的。

晶格结构

共价键结构

本征半导体原子核最外层的价电子都是4个,称为四价元

素,它们排列成非常整齐的晶格结构。在本征半导体的晶格

结构中,每一个原子均与相邻的四个原子结合,即与相邻四

个原子的价电子两两组成电子对,构成共价键结构。


+4

+4

+4

+4

+4

+4

+4

+4

+4

从共价键晶格结构来看,每个原子外层都具有8个价电子。但价电子是相邻原子共用,所以稳定性并不能象绝缘体那样好。

在游离走的价电子原位上留下一个不能移动的空位,叫空穴。

受光照或温度上升影响,共价键中价电子的热运动加剧,一些价电子会挣脱原子核的束缚游离到空间成为自由电子。

由于热激发而在晶体中出现电子空穴对的现象称为本征激发。

本征激发的结果,造成了半导体内部自由电子载流子运动的产生,由此本征半导体的电中性被破坏,使失掉电子的原子变成带正电荷的离子。

由于共价键是定域的,这些带正电的离子不会移动,即不能参

与导电,成为晶体中固定不动的带正电离子。


4

+4

+4

+4

+4

+4

+4

+4

+4

此时整个晶体带电吗?为什么?

受光照或温度上升影响,共价键中其它一些价电子直接跳进空穴,使失电子的原子重新恢复电中性。

价电子填补空穴的现象称为复合。

参与复合的价电子又会留下一个新的空位,而这个新的

空穴仍会被邻近共价键中跳出来的价电子填补上,这种价

电子填补空穴的复合运动使本征半导体中又形成一种不同

于本征激发下的电荷迁移,为区别于本征激发下自由电子

载流子的运动,我们把价电子填补空穴的复合运动称为空

穴载流子运动。


4

+4

+4

+4

+4

+4

+4

+4

+4

自由电子载流子运动可以形

容为没有座位人的移动;空穴

载流子运动则可形容为有座位

的人依次向前挪动座位的运动。

半导体内部的这两种运动总是

共存的,且在一定温度下达到

动态平衡。

半导体的导电机理

半导体的导电机理与金属导体导电机理有本质上的区别:

金属导体中只有自由电子一种载流子参与导电;而半导体中

则是本征激发下的自由电子和复合运动形成的空穴两种载流

子同时参与导电。两种载流子电量相等、符号相反,即自由

电子载流子和空穴载流子的运动方向相反。


4

+4

+4

+

+4

+4

+4

+4

+4

+4

P

(2)杂质半导体

本征半导体虽然有自由电子和空穴两种载流子,但由于数

量极少导电能力仍然很低。如果在其中掺入某种元素的微量

杂质,将使掺杂后的杂质半导体的导电性能大大增强。

掺入磷杂质的硅半导体晶格中,自由电子的数量大大增加。因此自由电子是这种半导体的导电主流。

五价元素磷(P)

在室温情况下,本征硅中的磷杂质等于10-6数量级时,电

子载流子的数目将增加几十万倍。掺入五价元素的杂质半导

体由于自由电子多而称为电子型半导体,也叫做N型半导体。


+

+4

+4

+4

+4

+4

+4

+4

+4

+4

B

掺入硼杂质的硅半导体晶格中,空穴载流子的数量大大增加。因此空穴是这种半导体的导电主流。

三价元素硼(B)

一般情况下,杂质半导体中的多数载流子的数量可达到少数

载流子数量的1010倍或更多,因此,杂质半导体比本征半导体

的导电能力可增强几十万倍。

掺入三价元素的杂质半导体,由于空穴载流子的数量大大于自

由电子载流子的数量而称为空穴型半导体,也叫做P型半导体。

在P型半导体中,多数载流子是空穴,少数载流子是自由电

子,而不能移动的离子带负电。


何谓杂质半导体中的多子和少子?N型半导体中的多子是什么?少子是什么?

不论是N型半导体还是P型半导体,其中的多子和少子的

移动都能形成电流。但是,由于多子的数量远大于少子的

数量,因此起主要导电作用的是多数载流子。

一般可近似认为多数载流子的数量与杂质的浓度相等。

注意:

掺入杂质后虽然形成了N型或P型半导体,但整个半

导体晶体仍然呈电中性。

想想 练练

自由电子导电和空穴导电的区别在哪里?空穴载流子的形成是否由自由电子填补空穴的运动形成的?

P型半导体中的空穴多于自由电子,是否意味着带正电?


在一块晶片的两端分别注入三价元素硼和五价元素磷在一块晶片的两端分别注入三价元素硼和五价元素磷

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

3. PN结及其形成过程

杂质半导体的导电能力虽然比本征半导体极大增强,但它

们并不能称为半导体器件。在电子技术中,PN结是一切半导

体器件的“元概念”和技术起始点。

PN结的形成

空间电荷区

N区

P区

内电场


动画演示在一块晶片的两端分别注入三价元素硼和五价元素磷


PN在一块晶片的两端分别注入三价元素硼和五价元素磷结形成的过程中,多数载流子的扩散和少数载流子的漂移共存。开始时多子的扩散运动占优势,扩散运动的结果使PN结加宽,内电场增强;另一方面,内电场又促使了少子的漂移运动:P区的少子电子向N区漂移,补充了交界面上N区失去的电子,同时, N区的少子空穴向P区漂移,补充了原交界面上P区失去的空穴,显然漂移运动减少了空间电荷区带电离子的数量,削弱了内电场,使PN结变窄。最后,扩散运动和漂移运动达到动态平衡,空间电荷区的宽度基本稳定,即PN结形成。

PN结内部载流子基本为零,因此导电率很低,相当于介质。

但PN结两侧的P区和N区导电率很高,相当于导体,这一点和

电容比较相似,所以说PN结具有电容效应。


4. PN在一块晶片的两端分别注入三价元素硼和五价元素磷结的单向导电性


PN在一块晶片的两端分别注入三价元素硼和五价元素磷结反向偏置时的情况


PN在一块晶片的两端分别注入三价元素硼和五价元素磷结的单向导电性

PN结的上述“正向导通,反向阻断”作用,说明它具有单向

导电性,PN结的单向导电性是它构成半导体器件的基础。

PN结中反向电流的讨论

由于常温下少数载流子的数量不多,故反向电流很小,而

且当外加电压在一定范围内变化时,反向电流几乎不随外加

电压的变化而变化,因此反向电流又称为反向饱和电流。反

向饱和电流由于很小一般可以忽略,从这一点来看,PN结对

反向电流呈高阻状态,也就是所谓的反向阻断作用。

值得注意的是,由于本征激发随温度的升高而加剧,导致

电子—空穴对增多,因而反向电流将随温度的升高而成倍增

长。反向电流是造成电路噪声的主要原因之一,因此,在设

计电路时,必须考虑温度补偿问题。


学习与归纳在一块晶片的两端分别注入三价元素硼和五价元素磷

1. 半导体中少子的浓度虽然很低 ,但少子对温度非常敏感,因此温度对半导体器件的性能影响很大。而多子因浓度基本上等于杂质原子的掺杂浓度,所以说多子的数量基本上不受温度的影响。

2. 半导体受温度和光照影响,产生本征激发现象而出现电子、空穴对;同时,其它价电子又不断地 “转移跳进”本征激发出现的空穴中,产生价电子与空穴的复合。在一定温度下,电子、空穴对的激发和复合最终达到动态平衡状态。平衡状态下,半导体中的载流子浓度一定,即反向电流的数值基本不发生变化。

3. 空间电荷区的电阻率很高,是指其内电场阻碍多数载流子扩散运动的作用,由于这种阻碍作用,使得扩散电流难以通过空间电荷区,即空间电荷区对扩散电流呈现高阻作用。

4. PN结的单向导电性是指:PN结的正向电阻很小,因此正向偏置时多子构成的扩散电流极易通过PN结;同时PN结的反向电阻很大,因此反向偏置时基本上可以认为电流无法通过PN结。


5. PN在一块晶片的两端分别注入三价元素硼和五价元素磷结的反向击穿问题

PN结反向偏置时,在一定的电压范围内,流过PN结的电流很小,基本上可视为零值。但当电压超过某一数值时,反向电流会急剧增加,这种现象称为PN结反向击穿。

反向击穿发生在空间电荷区。击穿的原因主要有两种:

(1)雪崩击穿

当PN结上加的反向电压大大超过反向击穿电压时,处在强

电场中的载流子获得足够大的能量碰撞晶格,将价电子碰撞

出来,产生电子空穴对,新产生的载流子又会在电场中获得

足够能量,再去碰撞其它价电子产生新的电子空穴对,如此

连锁反应,使反向电流越来越大,这种击穿称为雪崩击穿。

产生雪崩击穿的电场比较大,外加反向电压相对较高。通

常出现雪崩击穿的电压大约在7V以上。


(2)在一块晶片的两端分别注入三价元素硼和五价元素磷齐纳击穿

当PN结两边的掺杂浓度很高,阻挡层又很薄时,阻挡层内载流子与中性原子碰撞的机会大为减少,因而不会发生雪崩击穿。

当PN结非常薄时,即使在阻挡层两端加的反向电压不太

大,也会产生一个比较强的内电场。这个内电场足以把PN

结内中性原子的价电子从共价键中拉出来,产生出大量的

电子—空穴对,使PN结反向电流剧增,这种反向击穿现象

称为齐纳击穿齐纳击穿。可见,齐纳击穿发生在高掺杂的

PN结中,相应的击穿电压较低,一般小于5V。

雪崩击穿是一种碰撞的击穿,齐纳击穿是一种场效应击穿,二者均属于电击穿。电击穿过程通常可逆,即PN结两端的反向电压降低后,PN结仍可恢复到原来状态。利用电击穿时PN结两端电压变化很小电流变化很大的特点,人们制造出工作在反向击穿区的稳压管。


试述雪崩击穿和齐纳击穿的特点。这两种击穿能否造成试述雪崩击穿和齐纳击穿的特点。这两种击穿能否造成PN结的永久损坏?

空间电荷区的电阻率为什么很

高?

(3)热击穿

当PN结两端加的反向电压过高时,反向电流会继续急剧

增长,PN结上热量不断积累,引起结温升高,载流子增

多,反向电流一直增大下去,结温一再持续升高循环,超

过其容许值时,PN结就会发生热击穿而永久损坏。

热击穿的过程是不可逆的,所以应尽量避免发生。

想想 练练

什么是本征激发?什么是复合?少数载流子和多数载流子是如何产生的?

能否说出PN结有何特性?半导体的导电机理与金属导体有何不同?


6.2 试述雪崩击穿和齐纳击穿的特点。这两种击穿能否造成半导体二极管

把PN结用管壳封装,然后在P区和N区分别向外引出一

个电极,即可构成一个二极管。二极管是电子技术中最基

本的半导体器件之一。根据其用途分有检波管、开关管、

稳压管和整流管等。

发光二极管

整流管

稳压管

开关管

硅高频检波管

电子工程实际中,二极管应用得非常广泛,上图所示即为各类二极管的部分产品实物图。


N试述雪崩击穿和齐纳击穿的特点。这两种击穿能否造成型锗

D

D

DZ

1. 二极管的基本结构和类型

正极引线

铝合金小球

N型锗片

PN结

正极引线

负极引线

金锑合金

外壳

触丝

底座

负极引线

点接触型:结面积小,适用于

高频检波、脉冲电路及计算机

中的开关元件。

面接触型:结面积大,适用于

低频整流器件。

使用二极管时,必须注意极性不能接反,否则电路非但不能正常工作,还有毁坏管子和其他元件的可能。

普通二极管

图符号

稳压二极管

图符号

发光二极管

图符号


I 试述雪崩击穿和齐纳击穿的特点。这两种击穿能否造成(mA)

60

40

20

-50

-25

U(V)

0.5

0

0.8

20

40

(A)

2. 二极管的伏安特性

二极管的伏安特性是指流过二极管的电流与两端所加电压的函数关系。二极管既然是一个PN结,其伏安特性当然具有“单向导电性”。

正向

导通区

二极管的伏安特性呈非线性,特性曲线上大致可分为四个区:

死区

当外加正向电压很低时,由于外电场还

不能克服PN结内电场对多数载流子扩散运

动的阻力,故正向电流很小,几乎为零。

这一区域称之为死区。

反向

截止区

反向

击穿区

外加正向电压超过死区电压(硅管0.5V,锗管0.1V)时,内电场

大大削弱,正向电流迅速增长,二极管进入正向导通区。

反向截止区内反向饱和电流很小,可近似视为零值。

外加反向电压超过反向击穿电压UBR时,反向电流突然增大,二

极管失去单向导电性,进入反向击穿区。


I 试述雪崩击穿和齐纳击穿的特点。这两种击穿能否造成(mA)

60

正向

导通区

死区

40

20

反向

截止区

反向

击穿区

-50

-25

U(V)

0.5

0

0.8

20

40

(A)

正向导通区和反向截止区的讨论

当外加正向电压大于死区电压时,二极管由不导通变为导通,电压再继续增加时,电流迅速增大,而二极管端电压却几乎不变,此时二极管端电压称为正向导通电压。

硅二极管的正向导通电压约为0.7V,锗二极管的正向导通电压约为0.3V。

在二极管两端加反向电压时,将有很小的、由少子漂移运动形成的反向饱和电流通过二极管。

反向电流有两个特点:一是它随温度的上升增长很快,二是

在反向电压不超过某一范围时,反向电流的大小基本恒定,而

与反向电压的高低无关(与少子的数量有限)。所以通常称它为

反向饱和电流。


3. 试述雪崩击穿和齐纳击穿的特点。这两种击穿能否造成二极管的主要参数

(1)最大整流电流IDM:指二极管长期运行时,允许通过的最大正向平均电流。其大小由PN结的结面积和外界散热条件决定。

(2)最高反向工作电压URM:指二极管长期安全运行时所

能承受的最大反向电压值。手册上一般取击穿电压的一半作

为最高反射工作电压值。

(3)反向电流IR:指二极管未击穿时的反向电流。IR值越小,二极管的单向导电性越好。反向电流随温度的变化而变化较大,这一点要特别加以注意。

(4)最大工作频率fM:此值由PN结的结电容大小决定。若二极管的工作频率超过该值,则二极管的单向导电性将变差。


+试述雪崩击穿和齐纳击穿的特点。这两种击穿能否造成

D

D

P

N

P

N

+

+

+

+

D

D

+

+

4. 二极管的应用举例

(1)二极管的开关作用

+

正向导通时相当

一个闭合的开关

反向阻断时相当

一个打开的开关

UD=0

UD=∞

注意:分析实际电路时为简单化,通常把二极管进行理想

化处理,即正偏时视其为“短路”,截止时视其为“开路”。


B试述雪崩击穿和齐纳击穿的特点。这两种击穿能否造成

D1

RL

D2

B

B

B

D

IN4001

D4

D1

220V

~

220V

~

220V

~

220V

~

RL

RL

RL

D2

D3

(2)二极管的整流作用

将交流电变成单方向脉动直流电的过程称为整流。利用

二极管的单向导电性能就可获得各种形式的整流电路。

二极管全波整流电路

二极管半波整流电路

二极管桥式整流电路

桥式整流电路简化图


i试述雪崩击穿和齐纳击穿的特点。这两种击穿能否造成D

uS

D

IN4148

+

+5V

+

u0

t

0

uS

10KΩ

-5V

(3)二极管的限幅作用

u0

图示为一限幅电路。电源uS是一个周期性的矩形脉冲,

高电平幅值为+5V,低电平幅值为-5V。试分析电路的输出

电压为多少。

当输入电压ui=-5V时,二极管反偏截止,此时电路

可视为开路,输出电压u0=0V;

分析

当输入电压ui= +5V时,二极管正偏导通,导通时二极管

管压降近似为零,故输出电压u0≈+5V。

显然输出电压u0限幅在0~+5V之间。


把一个试述雪崩击穿和齐纳击穿的特点。这两种击穿能否造成1.5V的干电池直接正向联接到二极管的两端,

会出现什么问题?

二极管的伏安特性曲线上分为几个区?能否说明二极管工作在各个区时的电

压、电流情况?

检验学习结果

何谓死区电压?硅管和锗管死区电压的典型值各为多少?为何会出现死区电压?

半导体二极管工作在击穿区,是否一定被损坏?为什么?

为什么二极管的反向电流很小且具有饱和性?当环境温度升高时又会明显增大?

你会做吗?


I试述雪崩击穿和齐纳击穿的特点。这两种击穿能否造成(mA)

40

30

20

10

0

-5

-10

-15

-20

(μA)

D

ΔUZ

0.4 0.8

-12 -8 -4

U(V)

6.3 特殊二极管

1. 稳压二极管

正向特性与普通二极管相似

实物图

图符号及文字符号

ΔIZ

稳压二极管是一种特殊的面接触型二极管,其反向击穿可逆。

反向

显然稳压管的伏安特性曲线比普通二极管的更加陡峭。

稳压二极管的反向电压几乎不随反向电流的变化而变化、

这就是稳压二极管的显著特性。


D试述雪崩击穿和齐纳击穿的特点。这两种击穿能否造成Z

DZ

+

US

使用稳压二极管时应该注意的事项

(1)稳压二极管正负极的判别

+

UZ

(2)稳压二极管使用时,应反向接入电路

(3)稳压管应接入限流电阻

(4)电源电压应高于稳压二极管的稳压值

(5)稳压管都是硅管。其稳定电压UZ最低为3V,高的可达

300V,稳压二极管在工作时的正向压降约为0.6V。


思索与回顾试述雪崩击穿和齐纳击穿的特点。这两种击穿能否造成

二极管的反向击穿特性:当外加反向电压超过击穿电压时,通过二极管的电流会急剧增加。

击穿并不意味着管子一定要损坏,如果我们采取适当的措施限制通过管子的电流,就能保证管子不因过热而烧坏。

在反向击穿状态下,让通过管子的电流在一定范围内变化,这时管子两端电压变化很小,利用这一点可以达到“稳压”效果。稳压二极管就是工作在反向击穿区。

稳压管稳压电路中一般都要加限流电阻R,使稳压管电流工作在Izmax和Izmix的范围内。应用中稳压管要采取适当措施限制通过管子的电流值,以保证管子不会造成热击穿。


D试述雪崩击穿和齐纳击穿的特点。这两种击穿能否造成

2. 发光二极管

发光二极管是一种能把电能直接转换成光能的固体发光元件。发光二极管和普通二极管一样,管芯由PN结构成,具有单向导电性。

单个发光二极管常作为电子设备通断指示灯或快速光源及光电耦合器中的发光元件等。发光二极管一般使用砷化镓、磷化镓等材料制成。现有的发光二极管能发出红黄绿等颜色的光。

图符号和文字符号

实物图

发光管正常工作时应正向偏置,因死区电压较普通二极管高,因此其正偏工作电压一般在1.3V以上。

发光管属功率控制器件,常用来作为数字电路的数码及图形显示的七段式或阵列器件。


D试述雪崩击穿和齐纳击穿的特点。这两种击穿能否造成

3. 光电二极管

光电二极管也称光敏二极管,是将光信号变成电信号的半

导体器件,其核心部分也是一个PN结。光电二极管PN结的结

面积较小、结深很浅,一般小于一个微米。

光电二极管也称光敏二极管,同样具有单向导电性,光电管管壳上有一个能射入光线的“窗口”,这个窗口用有机玻璃透镜进行封闭,入射光通过透镜正好射在管芯上。

图符号和文字符号

实物图

光电二极管和稳压管类似,也是工作在反向电压下。无光

照时,反向电流很小,称为暗电流;有光照射时,携带能量

的光子进入PN结后,把能量传给共价键上的束缚电子,使

部分价电子挣脱共价键的束缚,产生电子—空穴对,称为光

生载流子。光生载流子在反向电压作用下形成反向光电流,

其强度与光照强度成正比。


检验学习结果试述雪崩击穿和齐纳击穿的特点。这两种击穿能否造成

2. 现有两只稳压管,它们的稳定电压分别为6V和8V,正向导通电压为0.7V。试问:(1)若将它们串联相接,可得到几种稳压值?各为多少?(2)若将它们并联相接,又可得到几种稳压值?各为多少?

1.利用稳压管或普通二极管的正向压降,是否也可以稳压?

3.在右图所示电路中,发光二极管导通电压UD=1.5V,正向电流在5~15mA时才能正常工作。试问图中开关S在什么位置时发光二极管才能发光?R的取值范围又是多少?

你会做吗?


P试述雪崩击穿和齐纳击穿的特点。这两种击穿能否造成

N

P

N

P

N

6.4 双极型三极管

三极管是组成各种电子电路的核心器件。三极管的产生使PN结的应用发生了质的飞跃。

1. 双极型三极管的基本结构和类型

双极型晶体管分有NPN型和PNP型,虽然它们外形各异,品种繁多,但它们的共同特征相同:都有三个分区、两个PN结和三个向外引出的电极:

集电区

基区

发射区

发射极e

集电极c

集电结

发射结

基极b

NPN型

PNP型


根据制造工艺和材料的不同,三极管分有双极型和单极型两种类型。若三极管内部的自由电子载流子和空穴载流子同时参与导电,就是所谓的根据制造工艺和材料的不同,三极管分有双极型和单极型两种类型。若三极管内部的自由电子载流子和空穴载流子同时参与导电,就是所谓的双极型。如果只有一种载流子参与导电,即为单极型。

目前国内生产的双极型硅晶体管多为NPN型(3D系列),锗晶体管多为PNP型(3A系列),按频率高低有高频管、低频管之别;根据功率大小可分为大、中、小功率管。

小功率高频三极管

大功率低频三极管

中功率低频三极管

c

c

b

b

NPN型三极管图符号

PNP型三极管图符号

e

e

注意:图中箭头方向为发射极电流的方向。


2. 根据制造工艺和材料的不同,三极管分有双极型和单极型两种类型。若三极管内部的自由电子载流子和空穴载流子同时参与导电,就是所谓的双极型三极管的电流放大作用

c集电极

晶体管实现电流

放大作用的内部结构条件

e发射极

b基极

(1)发射区掺杂浓度很高,以便有

足够的载流子供“发射”。

发射区N

(2)为减少载流子在基区的复合机

会,基区做得很薄,一般为几个

微米,且掺杂浓度较发射极低。

基区P

集电区N

(3)集电区体积较大,且为了顺利

收集边缘载流子,掺杂浓度很低。

晶体管芯结构剖面图

可见,双极型三极管并非是两个PN 结的简单组合,而是利用一定的掺杂工艺制作而成。因此,绝不能用两个二极管来代替,使用时也决不允许把发射极和集电极接反。


N根据制造工艺和材料的不同,三极管分有双极型和单极型两种类型。若三极管内部的自由电子载流子和空穴载流子同时参与导电,就是所谓的

P

N

RB

RC

UCC

UBB

晶体管实现电流放大作用的外部条件

IE

IC

整个过程中,发射区向基区发射的电子数等于基区复合掉的电子与集电区收集的电子数之和,即: IE=IB+IC

IB

(1)发射结必须“正向偏置”,以利于发射区电子的扩散,扩散

电流即发射极电流ie,扩散电子的少数与基区空穴复合,形

成基极电流ib,多数继续向集电结边缘扩散。

(2)集电结必须“反向偏置”,以利于收集扩散到集电结边缘的

多数扩散电子,收集到集电区的电子形成集电极电流ic。


回顾与总结根据制造工艺和材料的不同,三极管分有双极型和单极型两种类型。若三极管内部的自由电子载流子和空穴载流子同时参与导电,就是所谓的

1. 发射区向基区扩散电子的过程

由于发射结处正偏,发射区的多数载流子自由电子将不断扩散到基区,并不断从电源补充进电子,形成发射极电流IE。

2. 电子在基区的扩散和复合过程

由于基区很薄,且多数载流子浓度又很低,所以从发射极扩散过

来的电子只有很少一部分和基区的空穴相复合形成基极电流IB,剩下的绝大部分电子则都扩散到了集电结边缘。

3. 集电区收集电子的过程

集电结由于反偏,可将从发射区扩散到基区并到达集电区边缘

的电子拉入集电区,从而形成较大的集电极电流IC。

结论

只要符合三极管发射区的杂质浓度大大于基区的掺杂浓度,基区的掺杂浓度又大大于集电区的杂质浓度,且基区很薄的内部条件,再加上晶体管的发射结正偏、集电结反偏的外部条件,三极管就具有了放大电流的能力。


三极管的集电极电流根据制造工艺和材料的不同,三极管分有双极型和单极型两种类型。若三极管内部的自由电子载流子和空穴载流子同时参与导电,就是所谓的IC稍小于IE,但远大于IB,IC与IB的

比值在一定范围内基本保持不变。特别是基极电流有微小

的变化时,集电极电流将发生较大的变化。例如,IB由40

μA增加到50μA时,IC将从3.2mA增大到4mA,即:

显然,双极型三极管具有电流放大能力。式中的β值称为

三极管的电流放大倍数。不同型号、不同类型和用途的三

极管,β值的差异较大,大多数三极管的β值通常在几十

至几百的范围。

由此可得:微小的基极电流IB可以控制较大的集电极电流IC,故双极型三极管属于电流控制器件。


I根据制造工艺和材料的不同,三极管分有双极型和单极型两种类型。若三极管内部的自由电子载流子和空穴载流子同时参与导电,就是所谓的B/A

RC

IB

+

UCC

UCE =0V

RB

+

UBB

UBE

IE=IB

UBE/V

0

3. 双极型三极管的特性曲线

所谓特性曲线是指各极电压与电流之间的关系曲线,是三

极管内部载流子运动的外部表现。从工程应用角度来看,外

部特性更为重要。

(1) 输入特性曲线

UCE=0时的输入特性曲线

以常用的共射极放大电路为例说明

UCE为0时

令UBB从0开始增加

UCE=0V

令UCC为0


U根据制造工艺和材料的不同,三极管分有双极型和单极型两种类型。若三极管内部的自由电子载流子和空穴载流子同时参与导电,就是所谓的CE=0V

IB/A

RC

IB

+

UCC

RB

IC

+

UCE =0.5V

UBB

UBE

UBE/V

0

让UCE=0.5V

让UCE=1V

令UBB重新从0开始增加

令UBB重新从0开始增加

UCE=0.5V的特性曲线

UCE=1V的特性曲线

UCE =1V

UCE=0.5V

UCE>1V的特性曲线

UCE=1V

继续增大UCC

增大UCC

继续增大UCC使UCE=1V以上的多个值,结果发现:之后

的所有输入特性几乎都与UCE=1V的特性相同,曲线基本不

再变化。

实用中三极管的UCE值一般都超过1V,所以其输入特性通常采用UCE=1V时的曲线。从特性曲线可看出,双极型三极管的输入特性与二极管的正向特性非常相似。


I根据制造工艺和材料的不同,三极管分有双极型和单极型两种类型。若三极管内部的自由电子载流子和空穴载流子同时参与导电,就是所谓的C

mA

RC

IB

A

+

RB

UBE

UCC

+

IC /mA

UCE

IE

UBB

UCE / V

(2) 输出特性曲线

当IB不变时,输出回路中的电流IC与管子输出端电压UCE之间的关系曲线称为输出特性。

根据记录可给出IC随UCE变化的伏安特性曲线,此曲线就是晶体管的输出特性曲线。

先把IB调到某一固定值保持不变。

IB

然后调节UCC使UCE从0增大,观察毫安表中IC的变化并记录下来。

0


I根据制造工艺和材料的不同,三极管分有双极型和单极型两种类型。若三极管内部的自由电子载流子和空穴载流子同时参与导电,就是所谓的C

RC

IB

+

IB

RB

mA

UBE

UCC

+

IE

UBB

A

IC /mA

0

UCE

UCE / V

再调节IB1至另一稍小的固定值上保持不变。

当UCE增至一定数值时(一般小于1V),输出特性曲线变得平坦,表明IC基本上不再随UCE而变化。

IB1

IB2

IB3

仍然调节UCC使UCE从0增

大,继续观察毫安表中IC

的变化并记录下来。

IB=0

根据电压、电流的记录值可绘出另一条IC随UCE变化的伏安特性曲线,此曲线较前面的稍低些。

输出曲线开始部分很陡,说明IC随UCE的增加而急剧增大。

如此不断重复上述过程,我们即可得到不同基极电流IB对应相应IC、UCE数值的一组输出特性曲线。


I根据制造工艺和材料的不同,三极管分有双极型和单极型两种类型。若三极管内部的自由电子载流子和空穴载流子同时参与导电,就是所谓的C /mA

IB=100 A

4

80 A

3

60 A

2.3

2

40 A

ΔIB=40 A

1.5

20 A

1

IB=0

UCE / V

0

当IB一定时,从发射区扩散到基区的电子数大致一定。当UCE超过1V以后,这些电子的绝大部分被拉入集电区而形成集电极电流IC。之后即使UCE继续增大,集电极电流IC也不会再有明显的增加,具有恒流特性。

ΔIC

当IB增大时,相应IC也增大,输出特性曲线上移, 且IC增大的幅度比对应IB大得多。这一点正是晶体管的电流放大作用。

从输出特性曲线可求出三极管的电流放大系数β。

取任意再两条特性曲线上的平坦段,读出其基极电流之差;

再读出这两条曲线对应的集电极电流之差ΔIC=1.3mA;

于是我们可得到三极管的电流放大倍数:

β=ΔIC/ΔIB=1.3÷0.04=32.5


I根据制造工艺和材料的不同,三极管分有双极型和单极型两种类型。若三极管内部的自由电子载流子和空穴载流子同时参与导电,就是所谓的C /mA

IB=100 A

4

80 A

3

60 A

2.3

2

40 A

1.5

20 A

1

IB=0

UCE / V

0

输出特性曲线上一般可分为三个区:

饱和区。当发射结和集电结均为正向偏置时,三极管处于饱和状态。此时集电极电流IC与基极电流IB之间不再成比例关系,IB的变化对IC的影响很小。

截止区。当基极电流IB等于0时,晶体管处于截止状态。实际上当发射结电压处在正向死区范围时,晶体管就已经截止,为让其可靠截止,常使UBE小于或等于零。

晶体管工作在放大状态时,发射结正

偏,集电结反偏。在放大区,集电极电

流与基极电流之间成β倍的数量关系,

即晶体管在放大区时具有电流放大作用。


I根据制造工艺和材料的不同,三极管分有双极型和单极型两种类型。若三极管内部的自由电子载流子和空穴载流子同时参与导电,就是所谓的C /mA

4

3

2.3

2

1.5

1

IB=0

c

UCE / V

0

b

e

4. 双极型三极管的极限参数

Β值的大小反映了晶体管的电流放大能力。

电流放大倍数

极限参数

IC>ICM时,晶体管不一定烧损,但β值明显下降。

①集电极最大允许电流ICM

②反向击穿电压U(BR)CEO

③集电极最大允许功耗PCM

指基极开路时集电极与发射极间的反向击穿电压。

基极开路

晶体管上的功耗超过PCM,管子将损坏。

UCC

安 全 区

U(BR ) CEO

使用中若超过此值,晶体管的集电结就会出现雪崩击穿。


晶体管的发射极根据制造工艺和材料的不同,三极管分有双极型和单极型两种类型。若三极管内部的自由电子载流子和空穴载流子同时参与导电,就是所谓的

和集电极能否互

换使用?为什么?

晶体管在输出特性曲线的饱和区工作时,其电流放大系数是否也等于β?

为什么晶体管基区掺杂质浓度小?而且还要做得很薄?

学习与讨论

晶体管的发射极和集电极是不能互换使用的。因为发射区的掺杂质浓度很高,集电区的掺杂质浓度较低,这样才使得发射极电流等于基极电流和集电极电流之和,如果互换显然不行。

晶体管在输出特性曲线的饱和区工作时,UCE<UBE,集电结也处于正偏,这时内电场被大大削弱,因此极不利于集电区收集从发射区到达基区的电子,这种情况下,集电极电流IC与基极电流IB不再是β倍的关系。此时晶体管的电流放大能力大大下降。

为了发射区扩散电子的绝大多数不能在基区和空穴复合,只有极小一部分与基区空穴复合形成基极电流,其余电子被集电极收集后形成集电极电流。


用万用表测试二极管好坏及极性的方法根据制造工艺和材料的不同,三极管分有双极型和单极型两种类型。若三极管内部的自由电子载流子和空穴载流子同时参与导电,就是所谓的

用万用表欧姆档检查二极管是否存在单向导电性?并判别其极性。

反向阻断时电

阻很大,指针基本不动。

正向导通电阻很小。指针偏转大。

选择万用表的R×1k 欧姆档,黑表棒是表内电池正极,

红表棒是内部电源负极,根据二极管正向导通、反向阻断

的单向导电性,应用图示方法即可测出二极管的极性。如果测量中电表偏转都很大或很小时,说明二极管已经损坏。


用万用表测试三极管好坏及极性的方法根据制造工艺和材料的不同,三极管分有双极型和单极型两种类型。若三极管内部的自由电子载流子和空穴载流子同时参与导电,就是所谓的

用指针式万用表检测三极管的基极和管型:

先将万用表置于R×lk 欧姆档,将红表棒接假定的基极B,黑表棒分别与另两个极相接触,观测到指针不动(或近满偏)时,则假定的基极是正确的;且晶体管类型为NPN型(或PNP型)。

指针偏转,说明管子正向导通,因此为PNP型。

指针不动,说明管子反偏截止,因此为NPN型。

PN结的

单向导电性

想一想,这种检测方法依据的是什么?

如果把红黑两表棒对调后,指针仍不动(或仍偏转),则说明管子已经老化(或已被击穿)损坏。


用万用表根据制造工艺和材料的不同,三极管分有双极型和单极型两种类型。若三极管内部的自由电子载流子和空穴载流子同时参与导电,就是所谓的R×1k欧姆档判别发射极E和集电极C

若被测管为NPN三极管,让黑表棒接假定的集电极C ,红表棒接假定的发射极E 。两手分别捏住B、C两极充当基极电阻RB(两手不能相接触)。注意观察电表指针偏转的大小; 之后,再将两检测极反过来假定,仍然注意观察电表指针偏转的大小。

假定极正确

人体电阻

e

c

c

b

e

b

假定极错误

人体电阻

偏转较大的假定极是正确的!偏转小的反映其放大能力下降,即集电极和发射极接反了。

如果两次检测时电阻相差不大,则说明管子的性能较差。


检验学习结果根据制造工艺和材料的不同,三极管分有双极型和单极型两种类型。若三极管内部的自由电子载流子和空穴载流子同时参与导电,就是所谓的

2.使用三极管时,只要①集电极电流超过ICM值;②耗散功率超过PCM值;③集—射极电压超过U(BR)CEO值,三极管就必然损坏。上述说法哪个是对的?

1.三极管起电流放大作用,其内部、外部条件分别要满足哪些?

3.用万用表测量某些三极管的管压降得到下列几组数据,说明每个管子是NPN型还是PNP型?是硅管还是锗管?它们各工作在什么区域?

UBE=0.7V,UCE=0.3V;

UBE=0.7V,UCE=4V;

UBE=0V,UCE=4V;

UBE=-0.2V,UCE=-0.3V;

UBE=0V,UCE=-4V。

NPN硅管,饱和区

NPN硅管,放大区

NPN硅管,截止区

PNP锗管,放大区

你会做吗?

PNP锗管,截止区


6.5 根据制造工艺和材料的不同,三极管分有双极型和单极型两种类型。若三极管内部的自由电子载流子和空穴载流子同时参与导电,就是所谓的单极型三极管

双极型三极管是利用基极小电流去控制集电极较大电流的

电流控制型器件,因工作时两种载流子同时参与导电而称之

为双极型。单极型三极管因工作时只有多数载流子一种载流

子参与导电,因此称为单极型三极管;单极型三极管是利用

输入电压产生的电场效应控制输出电流的电压控制型器件。

上图所示为单极型三极管产品实物图。单极型管可分为结型和绝缘栅型两大类,其中绝缘栅型场效应管应用最为广泛,其

中又分增强型和耗尽型两类,且各有N沟道和P沟道之分。


G根据制造工艺和材料的不同,三极管分有双极型和单极型两种类型。若三极管内部的自由电子载流子和空穴载流子同时参与导电,就是所谓的

D

S

B

1、MOS管的基本结构

由另一高浓度N区引出的漏极D

由二氧化硅层表面直接引出栅极G

二氧化硅(SiO2)绝缘保护层

由高浓度的N区引出的源极S

N+

N+

两端扩散出两个高浓度的N区

N区与P型衬底之间形成两个PN结

杂质浓度较低,电阻率较高。

以P型硅为衬底

由衬底引出电极B


G根据制造工艺和材料的不同,三极管分有双极型和单极型两种类型。若三极管内部的自由电子载流子和空穴载流子同时参与导电,就是所谓的

D

S

N+

N+

以P型硅为衬底

B

铝电极、金属

(Metal)

大多数管子的衬底在出厂前已和源极连在一起

二氧化硅氧化物

(Oxide)

半导体

(Semiconductor)

故单极型三极管又称为MOS管。


U根据制造工艺和材料的不同,三极管分有双极型和单极型两种类型。若三极管内部的自由电子载流子和空穴载流子同时参与导电,就是所谓的DS

+

UGS

+

G

D

S

P型硅衬底

N+

N+

B

MOS管电路的连接形式

漏极与源极间

电源UDS

栅极与源极间

电源UGS

如果衬底在出厂前未连接到源极上,则要根据电路具体情况正确连接。一般P型硅衬底应接低电位,N型硅衬底应接高电位,由导电沟道的不同而异。


D 根据制造工艺和材料的不同,三极管分有双极型和单极型两种类型。若三极管内部的自由电子载流子和空穴载流子同时参与导电,就是所谓的

D

B衬底

B衬底

G

G

S

S

N沟道耗尽型图符号

N沟道增强型图符号

D

D

B衬底

B衬底

G

G

S

S

P沟道增强型图符号

P沟道耗尽型图符号

不同类型MOS管的电路图符号

实线表示

耗尽型

虚线表示

增强型

由图可看出,衬底的箭头方向表明了场效应管是N沟道还是P沟道:箭头向里是N沟道,箭头向外是P沟道。


G根据制造工艺和材料的不同,三极管分有双极型和单极型两种类型。若三极管内部的自由电子载流子和空穴载流子同时参与导电,就是所谓的

D

S

P型硅衬底

N+

N+

B

PN结

PN结

2. 工作原理

UDS

以增强型NMOS管为例说明其工作原理。N沟道增强型MOS管不存在原始导电沟道。

+

ID=0

UGS=0

当栅源极间电压UGS=0时,增强型MOS管的漏极和源极之间相当于存在两个背靠背的PN结。

P

不存在

原始沟道

此时无论UDS是否为0,也无论其极性如何,总有一个PN结处于反偏状态,因此MOS管不导通,ID=0。MOS管处于截止区。


+根据制造工艺和材料的不同,三极管分有双极型和单极型两种类型。若三极管内部的自由电子载流子和空穴载流子同时参与导电,就是所谓的

S

D

G

N+

N+

P型硅衬底

B

怎样才能产生导电沟道呢?

在栅极和衬底间加UGS且与源极连在一起,由于二氧化硅绝缘层的存在,电流不能通过栅极。但金属栅极被充电,因此聚集大量正电荷。

二氧化硅层在

UGS作用下被充

电而产生电场

UDS=0

+

出现反型层

形成

导电沟道

UGS

形成耗尽层

电场力

排斥空穴

电场吸引电子


+根据制造工艺和材料的不同,三极管分有双极型和单极型两种类型。若三极管内部的自由电子载流子和空穴载流子同时参与导电,就是所谓的

+

S

D

G

N+

N+

P型硅衬底

B

导电沟道形成时,对应的栅源间电压UGS=UT称为开启电压。

当UGS>UT、UDS≠0且较小时

当UGS继续增大,UDS仍然很小且不变时,ID随着UGS的增大而增大。

ID

UDS

UT

UGS

此时增大UDS,导电沟道出现梯度,ID又将随着UDS的增大而增大。

直到UGD=UGS-UDS=UT时,相当于UDS增加使漏极沟道缩减到导电沟道刚刚开启的情况,称为预夹断,ID基本饱和。

导电沟道加厚

产生漏极电流


I根据制造工艺和材料的不同,三极管分有双极型和单极型两种类型。若三极管内部的自由电子载流子和空穴载流子同时参与导电,就是所谓的D

UDS

+

+

UGS

S

D

G

UGD

N+

N+

P型硅衬底

B

沟道出现预夹断时工作在放大状态,放大区ID几乎与UDS的变化无关,只受UGS的控制。即MOS管是利用栅源电压UGS来控制漏极电流ID大小的一种电压控制器件。

如果继续增大UDS,使UGD<UT时,沟道夹断区延长,ID达到最大且恒定,管子将从放大区跳出而进入饱和区。


MOS根据制造工艺和材料的不同,三极管分有双极型和单极型两种类型。若三极管内部的自由电子载流子和空穴载流子同时参与导电,就是所谓的管的工作过程可参看下面动画演示:


3. MOS根据制造工艺和材料的不同,三极管分有双极型和单极型两种类型。若三极管内部的自由电子载流子和空穴载流子同时参与导电,就是所谓的管使用注意事项

(1) MOS管中, 有的产品将衬底引出,形成四个管脚。使用者可视电路需要进行连接。P衬底接低电位,N衬底接高电位。但当源极电位很高或很低时 , 可将源极与衬底连在一起。

(2)场效应管的漏极与源极通常可以互换,且不会对伏安特性曲线产生明显影响。注意:有些产品出厂时已将源极与衬底连在一起了,这时源极与漏极就不能进行对调。

(3)MOS管不使用时 , 由于它的输入电阻非常高, 须将各电极短

路 , 以免受外电场作用时使管子损坏。即MOS管在不使用时

应避免栅极悬空,务必将各电极短接。

(4)焊接MOS管时,电烙铁须有外接地线,用来屏蔽交流电

场,以防止损坏管子。特别是焊接绝缘栅场效应管时,最

好断电后再焊接。


单极型晶体管和双极型晶体管的性能比较 根据制造工艺和材料的不同,三极管分有双极型和单极型两种类型。若三极管内部的自由电子载流子和空穴载流子同时参与导电,就是所谓的

1. 场效应管的源极S、栅极G、漏极D分别对应于双极型晶体管的发射极e、基极b、集电极c,它们的作用相似。

2. 场效应管是电压控制电流器件,场效应管栅极基本上不取电流,而双极型晶体管工作时基极总要取一定的电流。所以在只允许从信号源取极小量电流的情况下,应该选用场效应管;而在允许取一定量电流时,选用双极型晶体管进行放大可以得到比场效应管较高的电压放大倍数。

3. 场效应管是多子导电,而双极型晶体管则是既利用多子,又利用少子。由于少子的浓度易受温度、辐射等外界条件的影响,因而场效应管比晶体管的温度稳定性好、抗辐射能力强。在环境条件(温度等)变化比较剧烈的情况下,选用场效应管比较合适。

4. 场效应管的源极和衬底通常是连在一起时,源极和漏极可以互换使用,耗尽型绝缘栅型管的栅极电压可正可负,灵活性比晶体管强;而双极型晶体管的集电极与发射极互换使用时,其特性差异很大,放大倍数值将减小很多。

5. 与双极型晶体管相比,场效应管的噪声系数较小,所以在低噪声放大器的前级通常选用场效应管,也可以选特制的低噪声晶体管。但总的来说,当信噪比是主要矛盾时,还应选用场效应管。

6. 场效应管和双极型晶体管都可以用于放大或可控开关,但场效应管还可以作为压控电阻使用,而且制造工艺便于集成化,具有耗电少,热稳定性好,工作电源电压范围宽等优点,因此在电子设备中得到广泛的应用。


双极型三极管和单极型三极管的导电机理有什么不同?为什么称晶体管为电流 控件而称MOS管为电压控件?

检验学习结果

当UGS为何值时,增强型N沟道MOS管导通?

晶体管和MOS管的输入电阻有何不同?

在使用MOS管时,为什么栅极不能悬空?

你会做吗?


检验学习结果解答 控件而称

1. 双极型三极管和单极型三极管的导电机理有什么不同?为什么称晶体管为电流

控件而称MOS管为电压控件?

双极型三极管有多子和少子两种载流子同时参与导电;单极型三极管只有多子参与导电。

晶体管的输出电流IC受基极电流IB的控制而变化,因此称之为电流控件;MOS管的输出电流ID受栅源间电压UGS的控制而变化,所以称为电压控件。

2. 当UGS为何值时,增强型N沟道MOS管导通?

3. 在使用MOS管时,为什么栅极不能悬空?

4. 晶体管和MOS管的输入电阻有何不同?

由于二氧化硅层的原因,使MOS管具有很高的输入电阻。在外界电压影响下,栅极易产生相当高的感应电压,造成管子击穿,所以MOS管在不使用时应避免栅极悬空,务必将各电极短接。

晶体管的输入电阻rbe一般在几百欧~千欧左右,相对较低;而MOS管绝缘层的输入电阻极高,一般认为栅极电流为零。

当UGS=UT时,增强型N沟道MOS管开始导通,随着UGS的增加,沟道加宽,ID增大。


本章学习结束,希望同学们对本章内容予以重视,因为这是电子技术中基础的基础。本章学习结束,希望同学们对本章内容予以重视,因为这是电子技术中基础的基础。

Goodbye!


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