晶体管特性简介

半導體管特性簡介1Date

:

2001/11/6Prepared

By:李彭莉半導體的基本特性2一.半導體的定義.半導體是一種導電能力介於導體和絕緣體之間,或者說電阻率介於導體與絕緣體之間的物質.如:鍺﹑硅﹑硒及大多數金屬的氧化物,都是半導體.半導體的獨特性能不只在於它的電阻率大小,而且它的電阻率因溫度﹑摻雜和光照會產生顯著變化.利用半導體的特性可制成二极管﹑三极管等多種半導體器件.二.半導體的獨特性能.電阻值隨溫度變化敏感,只要有微弱的溫度升高,電阻值就顯著減少;溫度降低,則阻值就增大.利用半導體的這種性能,就可做成熱敏元件.半導體受光照射時,可以大大提高導電能力.利用這一特點,可以制成用於自動控制的光電二极管﹑光敏電阻等.在純的半導體材料中,加入极懲量的某些雜質(約百万分之一),其導電能力就會成百万倍的提高.這一我是半導體最重要的特性,利用這一我可以制成各種不同性質,不同用途的半導體器件,如各種各樣的半導體管.三.半導體物質的內部結構.圖1硅晶體原子結構SiSi半導體材料硅和鍺原子最外層有4個電子,❹與相鄰原子組成共价鍵(如圖1所示)Si

SiSi3四.N型半導體和P型半導體.4如果在純凈的半導體材料中摻入懲量的雜質.會使半導體的導電性能大大改善.例如,在半導體中摻入少量的五价元素磷,其外層的五個价電子與硅原子的四個价電子組成共价鍵時,就會多出一個電子,這個多出來的電子只受到磷原子核的昅引,不受共价鍵的束縛,因此它受到的束縛力很小,很容易形成自由電子.這種摻入五价元素的半導體,主要靠自由電子導電,叫電子型半導體,簡稱N型半導體.又例如,在半導體中摻入少量的硼,由於硼為三价元素,其最外層的三個价電子與硅原子的四個价電子組成共价鍵時,在共价鍵的結構中便缺少了一個价電子,產生一個空位,即空穴,相鄰硅原子的共价鍵電子就可以過來填補這個空穴,這樣,就可以在硅原子中產生一個空穴,從而使半導體硅中的空穴載流子大大增加.這種摻入三价元素的半導體,主要靠空穴導電,叫空穴型半導體,簡稱P型半導體.圖2為摻入雜質的半導體材料原子結構.圖2.摻入雜質的半導體材料原子結構五.半導體中的電流1)漂移電流.在一塊半導體的兩瑞,如果加上電壓,半導體內便產生了電場.在電場的作用下,半導體內的導電電子和空穴,就以多余電子(a)N型半導體SiSiSiSiP空穴SiSi填補了

Si的空位(b)P型半導體SiBSi5相反方向移動.載流子有規則的移動,就形成了電流,稱為漂移電流.2)擴散電流在半導體內,如果載流子分布不均勻,即使沒有電場的,作用也會發生載流子的移動,形成電流,這就是擴散電流.擴散電流與溫度有關.6PN結7一.PN結的形成.如果使一塊半導體的一部分是N型的,另一部分是P型的,那么就構成了一個理想的突變結.因為在P區域中有大量的空穴,而在N區域中有大量的電子,形成了載流子的不均勻,因而N區濃度大的載流子就會向P區擴散;而P區濃度大的空穴就會向N區擴散,形成了擴散電流.擴散的結果,使N區的電子減少,在N區一邊就出現了帶正電的原子,即正離子.同樣P區由於空穴減少,會使一邊出現帶負電的負離子.離子質量較大,不會移動.因此,在P區和N區交界處就形成了一個一邊帶正電荷,另一邊帶負電荷的空間電荷區,這就是PN結.如圖3所示.在空間電荷區產生的靜電場稱為內建電場,其電位差稱為勢壘.PN結電場對擴散運動起阻礙作用.隨著擴散的發展,空間電荷區會不斷擴大,內電場也就加強,反過來對+

++

++

++

+-

--

--

--

-P區N區空間電荷區電場方向圖3.PN結擴散的阻力也就愈大.另一方面,在P區除多數載流子空穴外,還有少數載流子電子;在N區除多數載流子電子外,還有少數載流子空穴,在電場作用下也要做漂移運動,形成漂移電流.很明顯,內建電場愈強,漂移運動也愈強.但是在一定的條件下,電場的8建立和漂移運動會趨向平衡,使擴散載流子和漂移載流子數量相等,即達到平衡狀態.在一般條件下,鍺PN結的勢壘為0.2V~0.4V,硅PN結的勢為0.6V~

0.8V.二.外加電壓對結PN的影響.1.外加正向電壓的作用.如圖4(a)所示.外加電場削弱了PN結電場E內,破壞了擴散+++--P

-+-(a)+++--N

P

-E內E外NE內E外-

+(b)9圖4.在PN結外加電壓圖與漂移的平衡,使擴散超過漂移,擴散電流大大增加.這時PN結呈現的電阻很小,處於導通狀態2.外加反向電壓的作用.如圖4樣(b)所示,.外加電場加強了PN結電場E內,它也破壞了擴散與漂移的平衡,使漂移運動增加,而擴散運動更難進行.但是漂移運動是少數載流子運動,所以電流很小.此時PN結所呈現的電阻很大,處於截止狀態.當溫度升高時,反向電流會增加很大,相當於陰擋層擊穿,這叫熱擊穿.一般鍺PN結工作溫度為超過70℃~

80℃,硅PN結工作溫度可過200℃.反向電壓也不能無限增大.當反向電壓達到某一數值時,會把晶格中的電子拉出來,使反向電流驟增,PN結也就擊穿.了這個電壓叫反向擊穿電壓.10二

极

管

特

性

簡

介11一.二极管的定義.晶體二极管簡稱“二极管”.它是由一個PN結組成的器件,具有單向導電性能,因此,常用作整流和檢波器件.二极管有兩個電極,接P型半導體的引線叫正极,接N型半導體的引線叫負极.如圖1所示.+-圖1.二极管的結構示意圖與符號二极管按材料分有鍺二极管﹑硅二极管﹑砷化鎵二极管,前二種應用最廣泛.二极管摟用途分有整流二极管﹑檢波二极管﹑開關二极管﹑穩壓二极管﹑變容二极管﹑發光二极管等.二.二极管的特性.二极管的主要特性就是具有單向導電性.圖2.3分別為硅和鍺二极管電壓與電流的關係曲線,稱為伏安特性曲線.+

-12正极負极PNPN結正向電壓(V)反向電壓(V)8

6

4

212

100.6

1.20.10.20.3反向電流(mA)正向電流(mA)51015+-+-圖2.硅晶體二极管的伏安特性曲線13正向電壓(V)反向電壓(V)8

6

4

20.3

0.6246反向電流(mA)正向電流(mA)204060+-+-圖3.鍺晶體二极管的伏安特性曲線14從圖中可知,二极管端電壓UD=0時,ID=0;當UD>0后,出現ID.

但起始值很小.當UD超過門限電壓(鍺管為時0.2V~

0.4V,硅管為0.6V~

0.8V)時,二极管導電,ID便顯著增加,當UD<0時,二极管截止,但仍有微弱的反向電流IR.由於反向電流大小僅與熱激發產生的少數載流子數量有關,而與反向電壓的大小几乎無關.考盧到表面漏電流的影響,IR隨反向電壓的增加而略有增加.而當反向電壓繼續增大到等於二极管的反向擊穿電壓URM時,麼向電流就激增,表現為曲線的急劇向下彎曲.普通二圾管的工作電壓應遠離這個擊穿電壓,確保管子的安全.工作而穩壓管卻工作在擊穿區,是利用其反向電流隨反向電壓增加而激增的原理進行穩壓作用的.三.二极管的主要參數.一般常用的檢波﹑整流二极管,主要有以下四個參數:1.最大整流電流IDM最大整流電流是指半波整流連續工作的情況下,為使PN結的溫度不超過額定值(著管約為80℃,硅管約為150℃),二15极管中能允許通過的最大直流電流.最大反向電壓URM最大:反向電壓是指不致引起二极管擊穿的反向電壓.工作電壓的峰值不能超過URM,否則反向電流增長,整流特性變壞,甚至燒毀二极管.最大反向電流IRM在給定(規定)的反向偏壓下,通過二极管的直流電流稱為IRM.理想情況下二极管是單向導電的,但實際上反向電壓下總有一點微弱的電流.這一電流在反向擊穿之前大致不變,故又稱為麼向飽和電流.實際的二极管,反向電流往往隨反向電壓的增大而緩慢增大.在最大反向電壓URM時,二极管中的反向電流就是最大反向電流IRM.反向電流的大小,反映了二极管單向導電性能的好壞,反向電流的數值越小越好.最高工作頻率Fm.晶體二极管保持原來良好工作特性的最高頻率,稱為最高工作頻率.16四.各類二极管常用參數.17除一般參數外.檢波二极管常用參數.符號名稱定義VF正向壓降二极管通過的正向電流為規定值時,在极間產生的電壓降.BVR擊穿電壓反向伏安特性曲線急劇彎曲點的電壓值η檢波效率二极管輸入端加上10.7Hz正弦波電壓時,在輸出端上的直流電壓與輸入的電壓(峰值)之比.C總電容在加偏壓下二极管的總電容.Cjo零點結電容零偏壓下二极管的總電容.Isur浪涌電流通過二极管正向脈衝電流最大允許值.符號名稱定義IF額定正向整流電流(平均值)在規定的使用條件下,在電阻性負荷的正弦半波整流電路中,允許連續通過半導體整流管的最大工作電流.VF正向電壓降(平均值)半導體整流二极管通過額定正向整流電流時,在极間產生的電壓降.IR反向漏電流(平均值)半導體整流二极管在正弦半波最高反向工作電壓下的漏電流.VR最高反向工作電壓(峰值)等於或小於三分之二的半導體二极管的擊穿電壓VB值.VB擊穿電壓半導體整流二极管為硬特性時,其反向伏安特性曲線急劇彎曲點的電壓值;如果為軟特性時,則其值為給定的反向漏電流下的電壓值.TJM額定結溫℃半導體整流二极管在規定使用條件下,所允許的最高結溫.18整流二极管常用參數符號名稱定義VZ穩定電壓當給穩壓二极管通以反向電流為規定值時,管子兩端极間產生的電壓降.由於半導體器件生產的分散性和受溫度的影響,所以廠給出的穩定電壓是一個電壓範圍.IZ反向測試電流測試反向電參數時,給定的反向電流.RZ動態電阻在測試電流下穩壓二极兩端電壓的變化量與通過穩壓二极管電流變化量之比.對於一只管子來說,通常是工作電流越大則動態電阻越小.動態電阻越小,則其穩壓性能越好.CTV電壓溫度系數穩定電壓的相對變化與環境溫度的絕對變化的比值.一般說低於6V穩壓管,其電壓穩定系數是負的,高於6V則為正的,19穩壓二极管常用參數符號名稱定義PZM在給定的使用條件下,穩壓二极管允許承受的最大功率.IZM最大工作電流在最大耗散功率下,穩壓二极管允許通過的電流.VF正向電壓降穩壓二极管正向通過規定的電流時,在极間產生的電壓降.IF正向測試電流測試穩壓二极管正向電參數時,給定的電流.IR反向漏電流穩壓二极管在規定反向電壓下,產生的漏電流.TJM額定結溫℃穩壓二极管在工作狀態下,P-N結的最高溫度.20三

极

管

特

性

簡

介21一.三极管的定義.晶體三极管簡稱“三极管”.它是由兩個做在一起的PN結連接相應電極再封裝而成.三极管的作用是起放大作用.晶體三极管按導電特性分有PNP管與NPN管.結構如圖1P發射區N基區P集電區集電极c所示.發射极eecb基极bPNP三极管N發射區P基區N集電區集電极c發射极ee22cb基极bNPN三极管圖1.晶體三极管的結構示意圖二.三极管的伏安特性.用如圖2所示的電路,可以測試出三极管各极不同電壓和

電流相互間的關係,❹繪成曲線,這就是三极管的曲特性曲線.VRbEbIb10K

µAUBEmARCVUCEE23Cbc

ICe圖2.測三极管特性的電路1.輸入特性.輸入特性是指在三极管的輸入回路中,加在基极與發射Uce=0=1V=5V极間的電壓UBE與它所產生的基极電流IB之間的關係.如圖3所示,當UCE為定值時,基极電流IB和發射結電壓之間的關係曲線稱為共發射极輸入特性曲線.圖中左邊三條為鍺管的輸入特性,右邊的一條為硅管的輸入特性曲線.IB(µA)50250200150100-ICBO102430204050BE0.2

0.4

0.6 U

(V)圖3.輸入特性曲線.0520

UCE(V)2.輸出特性.輸出我通常是指在一定的基极電流IB之下,三极管集電極與發射极之間的電壓UCE同集電極電流IC的關係.IC(mA)30201010

15圖4.輸出特性曲線.25300µ2A50µA200µA150µA100µAIb=50µA0圖4所示為一典型的輸出特性曲線.從曲線上可以看出,半導體三极管的工作狀態可劃分成三個工作.區域.IB=0曲線以下的區域陰影部分稱為截止區.其特點是,三极管的兩個PN結都處於反向偏置,因此,無電流放大作用.當UCE減小到一定值時,IB即使再增大,IC也不相應地增大了,也就是IC已達飽和狀態(如圖左邊的陰影部分),三极管同樣失去了放大作用.三极管飽和時的特點是:兩個PN都處於正向偏置(即UB>UE,UB>UC),集電极-發射极之間的電壓近似為零.截止區和飽和區之間為放大區,.在這個區域里,IC隨IB而變化,而且比IB變化大得多,但與Uce瓣大小基本無關.這正是電流放大作用.同時,在IB=0時,IC不為零,而為某一數值,通常叫它為穿透電流,以ICEO表示.其值受溫度的影響很大.這對工作的穩定很不利.綜上所述,三极管具有兩種作用,即放大區起眷放大作用,而開關作用則是利用截止和飽和狀態.26參數符號名稱定義電流放大系數共基极交流電流放大系數(hfb或α

)共基极電路中,集電极電流IC與發射极輸入電流Ie的變化量之比,hfb=ΔIC

/ΔIe︳Ucb=常數共發射极交流電流放大系數hFE(或β

)共發射极電路中,集電极電流IC與基极電流IB的變化量之比,hFE=ΔIC

/ΔIB︳Uce=常數α與β的關係β

=

α/(1-α);

α=β/(1+

β)極限參數集電極-發射极反向截止電流ICEO基极開路((IB=0),集電極-發射极的反向電壓為規定時的集電極電流.集電極-基极反向截止電流ICBO發射极開路((IE=0),集電極-基极間加規定反向電壓時的集電極電流.集電極-基极反向擊穿電壓BVCBO它是當發射极開路時的集電結的反向擊穿電壓27三.半導體三极管的主要參數.參數符號名稱定義極限參數集電極-發射极反向擊穿電壓BVCEO它是當基极斷開時,集電極與發射极之間的擊穿電壓.集電極最大允許電流ICM當參數變化不超過規定值時,集電極最大允許承受的最大電流,一般把hFE減小到規定值的2/3時的IC值.集電極最大允許耗散功率PCM保證參數在規定範圍內變化,集電結上允許損耗功率的最大值.輸入輸出電阻輸出電阻rce在共射极接法時,ΔUcerce=

ΔIc

Ib=常數或ΔIb=028參數符號名稱定義輸入輸出電阻輸入電阻rbe輸入電阻是晶體管輸出端冰短路,即Δ

Uce=0時,b-e极間的電阻,低頻小功率晶體管的ΔUberbe=

ΔIb

Uce=常數r

=300+(1+β)

26

(Ω)be

Ie29場

效

應

管

特

性

簡

介30一.場效應管(FET)的定義.31場效應管(FET)是一種電壓控制的半導體器件,即管子的電流受控於柵极電壓.場效應管根據結構和工作原理的不同分為絕緣柵型(又稱MOS管或MOSFET)和結型JFET)兩類.與半導體三极管相比,它具有輸入電阻高﹑製造工藝簡單﹑特別適合大規模集成等許多優點,因此在放大器﹑振蕩器及集成電路中得到了廣泛的應用.目前應用最廣泛的是MOSFET.二.MOSFET的基本特性.MOSFET有三個電极,即源极(S)﹑柵极(G)﹑與漏极(D),且分為N-溝道和P-溝道兩種.源極跨在兩個半導體區上,N-溝道管箭頭向左,表示載流子電子從源極出發,P-溝道管箭頭向右表示載流子空穴從源極出發.絕緣柵极有耗盡型和增強型之分,如表1所示,當VGS=0時,源极與漏极之間存在導電溝類型N型P型耗盡型增強型DGBDGBSDSGBSDSGB32表1.MOSFET分類的,稱為耗盡型場效應管.如果必須在︱VGS︱>0的情況下才存在導電溝的,則稱為增強型場效應管.33三.MOSFET的基本參數.表2.MOSFET主要參數符號名稱定義BVDS漏源擊穿電壓主要由漏极PN