《半导体晶体管》PPT课件.ppt

,第6章 半导体晶体管,5.1 晶体管,晶体管又称半导体管，半导体是一类导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。目前，制造晶体管的半导体材料多数是锗(Ge)和硅(Si)。因为这些物质呈晶体结构，所以称之为半导体晶体管，简称晶体管或半导体管。发明者：肖克利，巴本和布拉坦，获1956年Nobel奖。,晶体二极管双极型晶体管场效应晶体管可控硅。,一.晶体二极管,1、PN结与二极管的单向导电性 用一定的工艺方法把P型和N型半导体紧密地结合在一起，就会在其交界面处形成空间电荷区叫PN结。当PN结两端加上不同极性的直流电压时，其导电性能将产生很大差异。这就是PN结单向导电性。,本征半导体就是完全纯净的、具有晶体结构的半导体。,本征半导体,自由电子,用得最多的半导体是硅或锗,它们都是四价元素。将硅或锗材料提纯并形成单晶体后，便形成共价键结构。在获得一定能量(热、光等)后，少量价电子即可挣脱共价键的束缚成为自由电子，同时在共价键中就留下一个空位，称为空穴。自由电子和空穴总是成对出现，同时又不断复合。,在外电场的作用下，自由电子逆着电场方向定向运动形成电子电流。带正电的空穴吸引相邻原子中的价电子来填补，而在该原子的共价键中产生另一个空穴。空穴被填补和相继产生的现象，可以看成空穴顺着电场方向移动，形成空穴电流。,可见在半导体中有自由电子和空穴两种载流子，它们都能参与导电。,空穴移动方向,电子移动方向,外电场方向,N 型半导体和 P 型半导体,1.N 型半导体,在硅或锗的晶体中掺入五价元素磷，当某一个硅原子被磷原子取代时，磷原子的五个价电子中只有四个用于组成共价键，多余的一个很容易挣脱磷原子核的束缚而成为自由电子。因而自由电子的数量大大增加，是多数载流子，空穴是少数载流子，将这种半导体称为 N 型半导体。,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,多余价电子,本征半导体中由于载流子数量极少，导电能力很低。如果在其中参入微量的杂质(某种元素)将使其导电能力大大增强。,2.P 型半导体,在硅或锗的晶体中掺入三价元素硼，在组成共价键时将因缺少一个电子而产生一个空位，相邻硅原子的价电子很容易填补这个空位，而在该原子中便产生一个空穴，使空穴的数量大大增加，成为多数载流子，电子是少数载流子，将这种半导体称为 P 型半导体。,B,空穴,价电子填补空位,PN 结的形成,用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上，形成 P 型半导体区域和 N 型半导体区域，在这两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为 PN 结。,P 区,N 区,PN 结的单向导电性,(1)外加正向电压,内电场方向,R,P 区,N 区,外电场驱使P区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷,N区电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷,扩散运动增强，形成较大的正向电流,P 区,N 区,内电场方向,R,外加反向电压,外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走,少数载流子越过 PN 结形成很小的反向电流,多数载流子的扩散运动难于进行,返回,半导体二极管基本结构,将 PN 结加上相应的电极引线和管壳，就成为半导体二极管。按结构分，有点接触型和面接触型两类。,点接触型,伏安特性,当外加正向电压很低时，电流很小，几乎为零。正向电压超过一定数值后，电流很快增大，将这一定数值的正向电压称为死区电压。通常，硅管的死区电压约为0.5V，锗管约为0.1V。导通时的正向压降，硅管约为0.6 0.7V，锗管约为0.2 0.3V。,60,40,20,0.02,0.04,0,0.4,0.8,25,50,I/mA,U/V,正向特性,硅管的伏安特性,反向特性,在二极管上加反向电压时，反向电流很小。但当反向电压增大至某一数值时，反向电流将突然增大。这种现象称为击穿，二极管失去单向导电性。产生击穿时的电压称为反向击穿电压 U(BR)。,在图中，输入电位 VA=+3 V，VB=0 V，电阻 R 接负电源 12 V。求输出端电位 VY。,因为 VA 高于VB，所以DA 优先导通。如果二极管的正向压降是 0.3 V，则 VY=+2.7 V。当 DA 导通后,DB 因反偏而截止。,在这里，DA 起钳位作用，将输出端电位钳制在+2.7 V。,2、二极管的分类：按材料分：锗二极管、硅二极管、砷化镓二极管；按制作工艺：面接触二极管和点接触二极管；按用途分：整流二极管、检波兰极管、稳压二极管、变容二极管、光电二极管、发光二极管、开关二极管等。,点接触型二极管由于接触面点小，不能通过大电流，故只适合用于小电流整流，又因为接触点小，所以极间电容量也很小，故适用于高频电路检波。面接触型二极管与点接触型二极管相反，由于接触面大，可以通过较大的电流，但极间电容量大，因此不能用于高频电路，而主要用做整流。,3、二极管的主要参数最大整流电流(IF)：指长期工作时，允许通过的最大正向电流值。使用时不能超过此值，否则二极管会发热而烧毁。最高反向工作电压(VB)：为防止击穿，使用时反向电压极限值。反向电流(IR)：在规定的反向电压条件下流过二极管的反向电流值。,最高工作频率(fm)：二极管具有单向导电性的最高交流信号的频率。由于结电容的存在，当频率高到某一程度时，容抗小到使PN结短路。导致二极管失去单向导电性，不能工作，PN结面积越大，结电容也越大，越不能在高频情况下工作。,4、常用二极管介绍(1)整流二极管：整流二极管主要用于整流电路，把交流电变换成脉动的直流电，由于通过的正向电流较大，对结电容无特殊要求，所以其PN结多为面接触型，因结电容大，故工作频率低。通常，正向电流在1安以上的二极管采用金属壳封装，以利于散热；正向电流在1安以下的采用全塑料封装。,塑 料 封 装,全密封金属结构,半波整流电路,全波整流电路,桥式整流电路,-,+,（2）桥堆,(3)检波二极管：检波二极管的主要作用是把高频信号中的低频信号检出。要求结电容小，所以其结构为点接触型，一般采用锗材料制成。,(4)稳压二极管：稳压二极管是由硅材料制成的面结合型晶体二极管，它是利用PN结反向击穿时的电压基本上不随电流的变化而变化的特点，来达到稳压的目的，因为它能在电路中起稳压作用，故称为稳压二极管（简称稳压管）。,(5)发光二极管：发光二极管是一种将电能变成光能的半导体器件。它具有一个PN结，与普通二极管一样，具有单向导电特性。当给发光二极管加上正向电压，有一定的电流流过时就会发光。发光二极管是由磷砷化镓、镓铝砷等半导体材料制成。发光的颜色分为：红光、黄光、绿光、三色变色发光。另外还有眼睛看不见的红外光二极管。,(6).光敏二极管(又称为光电二极管)根据PN结反向特性可知，在一定反向电压范围内，反向电流很小且处于饱和状态。此时，如果无光照射PN结，则因本征激发产生的电子-空穴对数量有限，反向饱和电流保持不变，在光敏二极管中称为暗电流。当有光照射PN结时，结内将产生附加的大量电子空穴对（称之为光生载流子），使流过PN结的电流随着光照强度的增加而剧增，此时的反向电流称为光电流。,为消除光敏二极管的表面漏电流，2DU管还有一个环极，环极接正电源，这种接法可使负载电阻中的暗电流很小(一般小于0.05 A)。,（7）变容二极管 变容二极管是利用PN结之间电容可变的原理制成的半导体器件，在高频调谐、通信等电路中作可变电容器使用。变容二极管属于反偏压二极管，改变其PN结上的反向偏压，即可改变PN结电容量。反向偏压越高，结电容则越少，反向偏压与结电容之间的关系是非线性的。变容二极管有玻璃外壳封装（玻封）、塑料封装（塑封）、金属外壳封装（金封）和无引线表面封装等多种封装形式。通常，中小功率的变容二极管采用玻封、塑封或表面封装，而功率较大的变容二极管多采用金封。常用的变容二极管 常用的国产变容二极管有2CC系列和2CB系列，常用的进口变容二极管有S系列、MV系列、KV系列、1T系列、1SV系列等。,5.半导体器件型号命名方法：中国半导体器件型号命名方法(2)日本半导体分立器件型号命名方法(3)美国半导体分立器件型号命名方法(4)国际电子联合会半导体器件型号命名方法(5)欧洲早期半导体分立器件型号命名法,6、二极管的极性判别小功率二极管的N极，在外表用色圈标出采用符号标志为“P”、“N”来确定二极管极性的长脚为正，短脚为负,正向：硅管：表针指示位置在中间或中间偏右一点；锗管：表针指示在右端靠近满刻度的地方。对于检波二极管或锗小功率二极管，使用R100挡，其值正向电阻约为1001000 之间；对于硅管，约为几百欧到几千欧之间。,反向：硅管：表针在左端基本不动，极靠近位置，锗管：表针从左端起动一点，但不应超过满刻度的1/4。,锗点接触型的 2AP 型二极管正向电阻在 1K 左右，反向电阻应在 100K 以上硅面接触型的 2CP 型二极管正向电阻在 5K 左右，反相电阻应在 1000K 以上,测量一般小功率二极管的正、反向电阻，不宜使用R1和R10 k挡，前者通过二极管的正向电流较大，可能烧毁管子；后者加在二极管两端的反向电压太高，易将管子击穿。二极管的正、反向电阻值随测量用电表的量程(R100档还是R1k档)不同而不一样，甚至相差悬殊,7、二极管性能测量 二极管性能鉴别的最简单方法是用万用表测其正、反向电阻值，阻值相差越大，说明它的单向导电性能越好。判别发光二极管好坏，用R10k挡测其正、反向阻值，当正向电阻小于50 k，反向电阻大于200 k时均为正常。,8、使用常识 硅管和锗管之间不能互相代替，同类型管子可以代替。检波管：工作频率不低于原来的管子；整流管，反向耐压和正向电流不低于原来管子。,