《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 3V VB 0V 电阻R接负电源 12V 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 3V 则VY 2 7V 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 7V 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R 100挡 其值正向电阻约为100 1000 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R 1和R 10k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 R 100档还是R 1k档