欧姆定律及二极管,三极管,MOST管知识讲解

歐姆定律及二極管 三極管 MOST管知識講解 講師 王軍 歐姆定律 歐姆定律 通常流過電阻的電流与電阻兩端的電壓成正比 這就是歐姆定律 U I R U I R 伏安特性 U V I A 電壓与通過電阻兩端的電流成正比 遵循歐姆定律的電阻被稱爲綫性電阻 如上圖所示 在量測電阻時是由系統送出一個定電流源到待測物上 經由量測待測物兩端之電壓來計算出待測物之電阻值 我們令系統送出之定電流為I 待測物之電阻為RX 待測物上之電壓為VRX 而待測物之電阻值可以由以下之公式計算而得之 其中I會隨著待測物電阻值之大小而改變 待測物電阻越大者 其電流會越小 如上圖所示 若待測物RX並聯有較大的電容時 若仍使用定電流的方式來量測的話 則電容會將定電流源之電流分流 直到電容充飽才成斷路 如此會增加量測時間 此時若改以電壓源V 0 2V 對電容加以充電 使電容迅速飽達到斷路之狀態 再量回其電流Ix 即可輕易的求得Rx 計算公式如下 電阻測試原理 2 terminalResistanceMeasurement 歐姆定律在電阻測試上的運用 2 terminalResistanceMeasurement 電阻測試 半导体器件 半导体的基本知识 PN结及半导体二极管 特殊二极管 二极管测试实例 半导体三极管 场效应晶体管 三极管及场效应管测试实例 半导体的基本知识 导体 半导体和绝缘体 导体 自然界中很容易导电的物质称为导体 金属一般都是导体 绝缘体 有的物质几乎不导电 称为绝缘体 如橡皮 陶瓷 塑料和石英 半导体 另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间 称为半导体 如锗 硅 砷化镓和一些硫化物 氧化物等 本征半导体 一 本征半导体的结构特点 通过一定的工艺过程 可以将半导体制成晶体 现代电子学中 用的最多的半导体是硅和锗 它们的最外层电子 价电子 都是四个 本征半导体 完全纯净的 结构完整的半导体晶体 在硅和锗晶体中 原子按四角形系统组成晶体点阵 每个原子都处在正四面体的中心 而四个其它原子位于四面体的顶点 每个原子与其相临的原子之间形成共价键 共用一对价电子 硅和锗的共价键结构 共价键共用电子对 4表示除去价电子后的原子 共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中 称为束缚电子 常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子 因此本征半导体中的自由电子很少 所以本征半导体的导电能力很弱 形成共价键后 每个原子的最外层电子是八个 构成稳定结构 共价键有很强的结合力 使原子规则排列 形成晶体 二 本征半导体的导电机理 在绝对0度 T 0K 和没有外界激发时 价电子完全被共价键束缚着 本征半导体中没有可以运动的带电粒子 即载流子 它的导电能力为0 相当于绝缘体 在常温下 由于热激发 使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚 成为自由电子 同时共价键上留下一个空位 称为空穴 1 载流子 自由电子和空穴 自由电子 空穴 束缚电子 2 本征半导体的导电机理 在其它力的作用下 空穴吸引附近的电子来填补 这样的结果相当于空穴的迁移 而空穴的迁移相当于正电荷的移动 因此可以认为空穴是载流子 本征半导体中存在数量相等的两种载流子 即自由电子和空穴 温度越高 载流子的浓度越高 因此本征半导体的导电能力越强 温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素 这是半导体的一大特点 本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度 本征半导体中电流由两部分组成 1 自由电子移动产生的电流 2 空穴移动产生的电流 1 1 3杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量的杂质 就会使半导体的导电性能发生显著变化 其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加 P型半导体 空穴浓度大大增加的杂质半导体 也称为 空穴半导体 N型半导体 自由电子浓度大大增加的杂质半导体 也称为 电子半导体 一 N型半导体 在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷 或锑 晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代 磷原子的最外层有五个价电子 其中四个与相邻的半导体原子形成共价键 必定多出一个电子 这个电子几乎不受束缚 很容易被激发而成为自由电子 这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子 每个磷原子给出一个电子 称为施主原子 1 由施主原子提供的电子 浓度与施主原子相同 2 本征半导体中成对产生的电子和空穴 掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度 所以 自由电子浓度远大于空穴浓度 自由电子称为多数载流子 多子 空穴称为少数载流子 少子 二 P型半导体 空穴 硼原子 P型半导体中空穴是多子 电子是少子 1 2PN结及半导体二极管 2 1 1PN结的形成 在同一片半导体基片上 分别制造P型半导体和N型半导体 经过载流子的扩散 在它们的交界面处就形成了PN结 2 1 2PN结的单向导电性 PN结加上正向电压 正向偏置的意思都是 P区加正 N区加负电压 PN结加上反向电压 反向偏置的意思都是 P区加负 N区加正电压 一 PN结正向偏置 P N 内电场被削弱 多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流 二 PN结反向偏置 N P 内电场被被加强 多子的扩散受抑制 少子漂移加强 但少子数量有限 只能形成较小的反向电流 R E 2 1 3半导体二极管 一 基本结构 点接触型 面接触型 1 3特殊二极管 1 3 1稳压二极管 U IZ 稳压误差 曲线越陡 电压越稳定 UZ 1 3 2光电二极管 反向电流随光照强度的增加而上升 1 3 3发光二极管 有正向电流流过时 发出一定波长范围的光 目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光 它的电特性与一般二极管类似 二極管測試實例 在ICT測試時 考慮到二極管本身的性能後由測試機台給出一個適當的電流 然後再通過測試機台來量測通過該管的電壓 普通二極管 穩壓二極管 三極管 1 4半导体三极管 1 4 1基本结构 基极 发射极 集电极 NPN型 PNP型 1 4 2电流放大原理 EB RB EC 进入P区的电子少部分与基区的空穴复合 形成电流IBE 多数扩散到集电结 发射结正偏 发射区电子不断向基区扩散 形成发射极电流IE EB RB EC 集电结反偏 有少子形成的反向电流ICBO 从基区扩散来的电子作为集电结的少子 漂移进入集电结而被收集 形成ICE IB IBE ICBO IBE ICE与IBE之比称为电流放大倍数 要使三极管能放大电流 必须使发射结正偏 集电结反偏 NPN型三极管 PNP型三极管 输出特性三个区域的特点 放大区 发射结正偏 集电结反偏 即 IC IB 且 IC IB 2 饱和区 发射结正偏 集电结正偏 即 UCE UBE IB IC UCE 0 3V 3 截止区 UBE 死区电压 IB 0 IC ICEO 0 三 主要参数 前面的电路中 三极管的发射极是输入输出的公共点 称为共射接法 相应地还有共基 共集接法 共射直流电流放大倍数 工作于动态的三极管 真正的信号是叠加在直流上的交流信号 基极电流的变化量为 IB 相应的集电极电流变化为 IC 则交流电流放大倍数为 1 电流放大倍数 和 2 集 基极反向截止电流ICBO ICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流 受温度的变化影响 B E C N N P ICBO进入N区 形成IBE 根据放大关系 由于IBE的存在 必有电流 IBE 集电结反偏有ICBO 3 集 射极反向截止电流ICEO ICEO受温度影响很大 当温度上升时 ICEO增加很快 所以IC也相应增加 三极管的温度特性较差 4 集电极最大电流ICM 集电极电流IC上升会导致三极管的 值的下降 当 值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM 5 集 射极反向击穿电压 当集 射极之间的电压UCE超过一定的数值时 三极管就会被击穿 手册上给出的数值是25 C 基极开路时的击穿电压U BR CEO 1 5场效应晶体管 场效应管与双极型晶体管不同 它是多子导电 输入阻抗高 温度稳定性好 结型场效应管JFET 绝缘栅型场效应管MOS 场效应管有两种 N 基底 N型半导体 两边是P区 G 栅极 S源极 D漏极 一 结构 1 5 1结型场效应管 导电沟道 N沟道结型场效应管 P沟道结型场效应管 二 工作原理 以P沟道为例 UDS 0V时 PN结反偏 UGS越大则耗尽区越宽 导电沟道越窄 ID UDS 0V时 UGS越大耗尽区越宽 沟道越窄 电阻越大 但当UGS较小时 耗尽区宽度有限 存在导电沟道 DS间相当于线性电阻 P G S D UDS UGS UDS 0时 UGS达到一定值时 夹断电压VP 耗尽区碰到一起 DS间被夹断 这时 即使UDS 0V 漏极电流ID 0A ID UGS0 UGD VP时耗尽区的形状 越靠近漏端 PN结反压越大 ID UGS Vp且UDS较大时UGD VP时耗尽区的形状 沟道中仍是电阻特性 但是是非线性电阻 ID UGS VpUGD VP时 漏端的沟道被夹断 称为予夹断 UDS增大则被夹断区向下延伸 ID UGS VpUGD VP时 此时 电流ID由未被夹断区域中的载流子形成 基本不随UDS的增加而增加 呈恒流特性 ID 1 5 2绝缘栅场效应管 一 结构和电路符号 P型基底 两个N区 SiO2绝缘层 导电沟道 金属铝 N沟道增强型 二 MOS管的工作原理 UGS 0时 对应截止区 UGS 0时 感应出电子 VT称为阈值电压 UGS较小时 导电沟道相当于电阻将D S