《電子技術(shù)基礎(chǔ)》PPT課件.ppt

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電子技術(shù)基礎(chǔ) 歡迎學習 第1章半導體基礎(chǔ)與常用器件 1半導體的基本知識 2半導體二極管 3特殊二極管 4雙極型三極管 5單極型三極管 學習目的與要求 了解本征半導體 P型和N型半導體的特征及PN結(jié)的形成過程 熟悉二極管的伏安特性及其分類 用途 理解三極管的電流放大原理 掌握其輸入和輸出特性的分析方法 理解雙極型和單極型三極管在控制原理上的區(qū)別 初步掌握工程技術(shù)人員必需具備的分析電子電路的基本理論 基本知識和基本技能 1 1半導體的基本知識 繞原子核高速旋轉(zhuǎn)的核外電子帶負電 自然界的一切物質(zhì)都是由分子 原子組成的 原子又由一個帶正電的原子核和在它周圍高速旋轉(zhuǎn)著的帶有負電的電子組成 原子結(jié)構(gòu)中 原子核中有質(zhì)子和中子 其中質(zhì)子帶正電 中子不帶電 1 導體 半導體和絕緣體 1 導體 導體的最外層電子數(shù)通常是1 3個 且距原子核較遠 因此受原子核的束縛力較小 由于溫度升高 振動等外界的影響 導體的最外層電子就會獲得一定能量 從而掙脫原子核的束縛而游離到空間成為自由電子 因此 導體在常溫下存在大量的自由電子 具有良好的導電能力 常用的導電材料有銀 銅 鋁 金等 導體的特點 內(nèi)部含有大量的自由電子 2 絕緣體 絕緣體的最外層電子數(shù)一般為6 8個 且距原子核較近 因此受原子核的束縛力較強而不易掙脫其束縛 常溫下絕緣體內(nèi)部幾乎不存在自由電子 因此導電能力極差或不導電 常用的絕緣體材料有橡膠 云母 陶瓷等 絕緣體的特點 內(nèi)部幾乎沒有自由電子 因此不導電 3 半導體 半導體的最外層電子數(shù)一般為4個 在常溫下存在的自由電子數(shù)介于導體和絕緣體之間 因而在常溫下半導體的導電能力也是介于導體和絕緣體之間 常用的半導體材料有硅 鍺 硒等 半導體的特點 導電性能介于導體和絕緣體之間 但具有光敏性 熱敏性和參雜性的獨特性能 因此在電子技術(shù)中得到廣泛應用 金屬導體的電導率一般在105s cm量級 塑料 云母等絕緣體的電導率通常是10 22 10 14s cm量級 半導體的電導率則在10 9 102s cm量級 半導體的導電能力雖然介于導體和絕緣體之間 但半導體的應用卻極其廣泛 這是由半導體的獨特性能決定的 光敏性 半導體受光照后 其導電能力大大增強 熱敏性 受溫度的影響 半導體導電能力變化很大 摻雜性 在半導體中摻入少量特殊雜質(zhì) 其導電能力極大地增強 半導體材料的獨特性能是由其內(nèi)部的導電機理所決定的 2 半導體的獨特性能 3 本征半導體 最常用的半導體為硅 Si 和鍺 Ge 它們的共同特征是四價元素 即每個原子最外層電子數(shù)為4個 Si 硅原子 Ge 鍺原子 硅原子和鍺原子的簡化模型圖 因為原子呈電中性 所以簡化模型圖中的原子核只用帶圈的 4符號表示即可 天然的硅和鍺是不能制作成半導體器件的 它們必須先經(jīng)過高度提純 形成晶格結(jié)構(gòu)完全對稱的本征半導體 本征半導體原子核最外層的價電子都是4個 稱為四價元素 它們排列成非常整齊的晶格結(jié)構(gòu) 在本征半導體的晶格結(jié)構(gòu)中 每一個原子均與相鄰的四個原子結(jié)合 即與相鄰四個原子的價電子兩兩組成電子對 構(gòu)成共價鍵結(jié)構(gòu) 實際上半導體的晶格結(jié)構(gòu)是三維的 晶格結(jié)構(gòu) 共價鍵結(jié)構(gòu) 從共價鍵晶格結(jié)構(gòu)來看 每個原子外層都具有8個價電子 但價電子是相鄰原子共用 所以穩(wěn)定性并不能象絕緣體那樣好 在游離走的價電子原位上留下一個不能移動的空位 叫空穴 受光照或溫度上升影響 共價鍵中價電子的熱運動加劇 一些價電子會掙脫原子核的束縛游離到空間成為自由電子 由于熱激發(fā)而在晶體中出現(xiàn)電子空穴對的現(xiàn)象稱為本征激發(fā) 本征激發(fā)的結(jié)果 造成了半導體內(nèi)部自由電子載流子運動的產(chǎn)生 由此本征半導體的電中性被破壞 使失掉電子的原子變成帶正電荷的離子 由于共價鍵是定域的 這些帶正電的離子不會移動 即不能參與導電 成為晶體中固定不動的帶正電離子 受光照或溫度上升影響 共價鍵中其它一些價電子直接跳進空穴 使失電子的原子重新恢復電中性 價電子填補空穴的現(xiàn)象稱為復合 此時整個晶體帶電嗎 為什么 參與復合的價電子又會留下一個新的空位 而這個新的空穴仍會被鄰近共價鍵中跳出來的價電子填補上 這種價電子填補空穴的復合運動使本征半導體中又形成一種不同于本征激發(fā)下的電荷遷移 為區(qū)別于本征激發(fā)下自由電子載流子的運動 我們把價電子填補空穴的復合運動稱為空穴載流子運動 半導體的導電機理與金屬導體導電機理有本質(zhì)上的區(qū)別 金屬導體中只有自由電子一種載流子參與導電 而半導體中則是由本征激發(fā)產(chǎn)生的自由電子和復合運動產(chǎn)生的空穴兩種載流子同時參與導電 兩種載流子電量相等 符號相反 電流的方向為空穴載流子的方向即自由電子載流子的反方向 自由電子載流子運動可以形容為沒有座位人的移動 空穴載流子運動則可形容為有座位的人依次向前挪動座位的運動 半導體內(nèi)部的這兩種運動總是共存的 且在一定溫度下達到動態(tài)平衡 半導體的導電機理 本征半導體雖然有自由電子和空穴兩種載流子 但由于數(shù)量極少導電能力仍然很低 如果在其中摻入某種元素的微量雜質(zhì) 將使摻雜后的雜質(zhì)半導體的導電性能大大增強 五價元素磷 P 摻入磷雜質(zhì)的硅半導體晶格中 自由電子的數(shù)量大大增加 因此自由電子是這種半導體的導電主流 在室溫情況下 本征硅中的磷雜質(zhì)等于10 6數(shù)量級時 電子載流子的數(shù)目將增加幾十萬倍 摻入五價元素的雜質(zhì)半導體由于自由電子多而稱為電子型半導體 也叫做N型半導體 4 本征半導體 三價元素硼 B 摻入硼雜質(zhì)的硅半導體晶格中 空穴載流子的數(shù)量大大增加 因此空穴是這種半導體的導電主流 一般情況下 雜質(zhì)半導體中的多數(shù)載流子的數(shù)量可達到少數(shù)載流子數(shù)量的1010倍或更多 因此 雜質(zhì)半導體比本征半導體的導電能力可增強幾十萬倍 摻入三價元素的雜質(zhì)半導體 由于空穴載流子的數(shù)量大大于自由電子載流子的數(shù)量而稱為空穴型半導體 也叫做P型半導體 在P型半導體中 多數(shù)載流子是空穴 少數(shù)載流子是自由電子 而不能移動的離子帶負電 不論是N型半導體還是P型半導體 其中的多子和少子的移動都能形成電流 但是 由于多子的數(shù)量遠大于少子的數(shù)量 因此起主要導電作用的是多數(shù)載流子 注意 摻入雜質(zhì)后雖然形成了N型或P型半導體 但整個半導體晶體仍然呈電中性 一般可近似認為多數(shù)載流子的數(shù)量與雜質(zhì)的濃度相等 P型半導體中的空穴多于自由電子 是否意味著帶正電 自由電子導電和空穴導電的區(qū)別在哪里 空穴載流子的形成是否由自由電子填補空穴的運動形成的 想想練練 5 PN結(jié)及其形成過程 PN結(jié)的形成 雜質(zhì)半導體的導電能力雖然比本征半導體極大增強 但它們并不能稱為半導體器件 在電子技術(shù)中 PN結(jié)是一切半導體器件的 元概念 和技術(shù)起始點 P區(qū) N區(qū) 空間電荷區(qū) 內(nèi)電場 PN結(jié)形成的過程中 多數(shù)載流子的擴散和少數(shù)載流子的漂移共存 開始時多子的擴散運動占優(yōu)勢 擴散運動的結(jié)果使PN結(jié)加寬 內(nèi)電場增強 另一方面 內(nèi)電場又促使了少子的漂移運動 P區(qū)的少子電子向N區(qū)漂移 補充了交界面上N區(qū)失去的電子 同時 N區(qū)的少子空穴向P區(qū)漂移 補充了原交界面上P區(qū)失去的空穴 顯然漂移運動減少了空間電荷區(qū)帶電離子的數(shù)量 削弱了內(nèi)電場 使PN結(jié)變窄 最后 擴散運動和漂移運動達到動態(tài)平衡 空間電荷區(qū)的寬度基本穩(wěn)定 即PN結(jié)形成 PN結(jié)內(nèi)部載流子基本為零 因此導電率很低 相當于介質(zhì) 但PN結(jié)兩側(cè)的P區(qū)和N區(qū)導電率很高 相當于導體 這一點和電容比較相似 所以說PN結(jié)具有電容效應 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?PN結(jié)的上述 正向?qū)?反向阻斷 作用 說明它具有單向?qū)щ娦?PN結(jié)的單向?qū)щ娦允撬鼧?gòu)成半導體器件的基礎(chǔ) 由于常溫下少數(shù)載流子的數(shù)量不多 故反向電流很小 而且當外加電壓在一定范圍內(nèi)變化時 反向電流幾乎不隨外加電壓的變化而變化 因此反向電流又稱為反向飽和電流 反向飽和電流由于很小一般可以忽略 從這一點來看 PN結(jié)對反向電流呈高阻狀態(tài) 也就是所謂的反向阻斷作用 值得注意的是 由于本征激發(fā)隨溫度的升高而加劇 導致電子 空穴對增多 因而反向電流將隨溫度的升高而成倍增長 反向電流是造成電路噪聲的主要原因之一 因此 在設(shè)計電路時 必須考慮溫度補償問題 PN結(jié)中反向電流的討論 2 半導體受溫度和光照影響 產(chǎn)生本征激發(fā)現(xiàn)象而出現(xiàn)電子 空穴對 同時 其它價電子又不斷地 轉(zhuǎn)移跳進 本征激發(fā)出現(xiàn)的空穴中 產(chǎn)生價電子與空穴的復合 在一定溫度下 電子 空穴對的激發(fā)和復合最終達到動態(tài)平衡狀態(tài) 平衡狀態(tài)下 半導體中的載流子濃度一定 即反向電流的數(shù)值基本不發(fā)生變化 1 半導體中少子的濃度雖然很低 但少子對溫度非常敏感 因此溫度對半導體器件的性能影響很大 而多子因濃度基本上等于雜質(zhì)原子的摻雜濃度 所以說多子的數(shù)量基本上不受溫度的影響 4 PN結(jié)的單向?qū)щ娦允侵?PN結(jié)正向偏置時 呈現(xiàn)的電阻很小幾乎為零 因此多子構(gòu)成的擴散電流極易通過PN結(jié) PN結(jié)反向偏置時 呈現(xiàn)的電阻趨近于無窮大 因此電流無法通過被阻斷 3 空間電荷區(qū)的電阻率很高 是指其內(nèi)電場阻礙多數(shù)載流子擴散運動的作用 由于這種阻礙作用 使得擴散電流難以通過空間電荷區(qū) 即空間電荷區(qū)對擴散電流呈現(xiàn)高阻作用 學習與歸納 6 PN結(jié)的反向擊穿問題 PN結(jié)反向偏置時 在一定的電壓范圍內(nèi) 流過PN結(jié)的電流很小 基本上可視為零值 但當電壓超過某一數(shù)值時 反向電流會急劇增加 這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)反向擊穿 反向擊穿發(fā)生在空間電荷區(qū) 擊穿的原因主要有兩種 當PN結(jié)上加的反向電壓大大超過反向擊穿電壓時 處在強電場中的載流子獲得足夠大的能量碰撞晶格 將價電子碰撞出來 產(chǎn)生電子空穴對 新產(chǎn)生的載流子又會在電場中獲得足夠能量 再去碰撞其它價電子產(chǎn)生新的電子空穴對 如此連鎖反應 使反向電流越來越大 這種擊穿稱為雪崩擊穿 雪崩擊穿屬于碰撞式擊穿 其電場較強 外加反向電壓相對較高 通常出現(xiàn)雪崩擊穿的電壓均在7V以上 1 雪崩擊穿 當PN結(jié)兩邊的摻雜濃度很高 阻擋層又很薄時 阻擋層內(nèi)載流子與中性原子碰撞的機會大為減少 因而不會發(fā)生雪崩擊穿 2 齊納擊穿 PN結(jié)非常薄時 即使阻擋層兩端加的反向電壓不大 也會產(chǎn)生一個比較強的內(nèi)電場 這個內(nèi)電場足以把PN結(jié)內(nèi)中性原子的價電子從共價鍵中拉出來 產(chǎn)生出大量的電子 空穴對 使PN結(jié)反向電流劇增 這種擊穿現(xiàn)象稱為齊納擊穿 可見 齊納擊穿發(fā)生在高摻雜的PN結(jié)中 相應的擊穿電壓較低 一般均小于5V 雪崩擊穿是一種碰撞的擊穿 齊納擊穿是一種場效應擊穿 二者均屬于電擊穿 電擊穿過程通?？赡?只要迅速把PN結(jié)兩端的反向電壓降低 PN結(jié)就可恢復到原來狀態(tài) 利用電擊穿時PN結(jié)兩端電壓變化很小電流變化很大的特點 人們制造出工作在反向擊穿區(qū)的穩(wěn)壓管 若PN結(jié)兩端加的反向電壓過高 反向電流將急劇增長 造成PN結(jié)上熱量的不斷積累 從而引起結(jié)溫持續(xù)升高 當這個溫度超過PN結(jié)的最大允許結(jié)溫時 PN結(jié)就會發(fā)生熱擊穿 熱擊穿將使PN結(jié)永久損壞 熱擊穿的過程是不可逆的 應當盡量避免發(fā)生 3 熱擊穿 能否說出PN結(jié)有何特性 半導體的導電機理與金屬導體有何不同 什么是本征激發(fā) 什么是復合 少數(shù)載流子和多數(shù)載流子是如何產(chǎn)生的 想想練練 1 2半導體二極管 把PN結(jié)用管殼封裝 然后在P區(qū)和N區(qū)分別向外引出一個電極 即可構(gòu)成一個二極管 二極管是電子技術(shù)中最基本的半導體器件之一 根據(jù)其用途分有檢波管 開關(guān)管 穩(wěn)壓管和整流管等 硅高頻檢波管 開關(guān)管 穩(wěn)壓管 整流管 發(fā)光二極管 電子工程實際中 二極管應用得非常廣泛 上圖所示即為各類二極管的部分產(chǎn)品實物圖 1 二極管的基本結(jié)構(gòu)和類型 點接觸型 結(jié)面積小 適用于高頻檢波 脈沖電路及計算機中的開關(guān)元件 外殼 觸絲 N型鍺片 正極引線 負極引線 面接觸型 結(jié)面積大 適用于低頻整流器件 負極引線 底座 金銻合金 PN結(jié) 鋁合金小球 正極引線 普通二極管圖符號 穩(wěn)壓二極管圖符號 發(fā)光二極管圖符號 使用二極管時 必須注意極性不能接反 否則電路非但不能正常工作 還有毀壞管子和其他元件的可能 2 二極管的伏安特性 二極管的伏安特性是指流過二極管的電流與兩端所加電壓的函數(shù)關(guān)系 二極管既然是一個PN結(jié) 其伏安特性當然具有 單向?qū)щ娦?二極管的伏安特性呈非線性 特性曲線上大致可分為四個區(qū) 外加正向電壓超過死區(qū)電壓 硅管0 5V 鍺管0 1V 時 內(nèi)電場大大削弱 正向電流迅速增長 二極管進入正向?qū)▍^(qū) 死區(qū) 正向?qū)▍^(qū) 反向截止區(qū) 當外加正向電壓很低時 由于外電場還不能克服PN結(jié)內(nèi)電場對多數(shù)載流子擴散運動的阻力 故正向電流很小 幾乎為零 這一區(qū)域稱之為死區(qū) 外加反向電壓超過反向擊穿電壓UBR時 反向電流突然增大 二極管失去單向?qū)щ娦?進入反向擊穿區(qū) 反向擊穿區(qū) 反向截止區(qū)內(nèi)反向飽和電流很小 可近似視為零值 正向?qū)▍^(qū)和反向截止區(qū)的討論 當外加正向電壓大于死區(qū)電壓時 二極管由不導通變?yōu)閷?電壓再繼續(xù)增加時 電流迅速增大 而二極管端電壓卻幾乎不變 此時二極管端電壓稱為正向?qū)妷?硅二極管的正向?qū)妷杭s為0 7V 鍺二極管的正向?qū)妷杭s為0 3V 在二極管兩端加反向電壓時 將有很小的 由少子漂移運動形成的反向飽和電流通過二極管 反向電流有兩個特點 一是它隨溫度的上升增長很快 二是在反向電壓不超過某一范圍時 反向電流的大小基本恒定 而與反向電壓的高低無關(guān) 與少子的數(shù)量有限 所以通常稱它為反向飽和電流 3 二極管的主要參數(shù) 1 最大整流電流IDM 指二極管長期運行時 允許通過的最大正向平均電流 其大小由PN結(jié)的結(jié)面積和外界散熱條件決定 2 最高反向工作電壓URM 指二極管長期安全運行時所能承受的最大反向電壓值 手冊上一般取擊穿電壓的一半作為最高反向工作電壓值 3 反向電流IR 指二極管未擊穿時的反向電流 IR值越小 二極管的單向?qū)щ娦栽胶?反向電流隨溫度的變化而變化較大 這一點要特別加以注意 4 最大工作頻率fM 此值由PN結(jié)的結(jié)電容大小決定 若二極管的工作頻率超過該值 則二極管的單向?qū)щ娦阅軐⒆兊幂^差 4 二極管的應用舉例 注意 分析實際電路時為簡單化 通常把二極管進行理想化處理 即正偏時視其為 短路 截止時視其為 開路 UD 0 UD 正向?qū)〞r相當一個閉合的開關(guān) 反向阻斷時相當一個打開的開關(guān) 1 二極管的開關(guān)作用 2 二極管的整流作用 將交流電變成單方向脈動直流電的過程稱為整流 利用二極管的單向?qū)щ娦阅芫涂色@得各種形式的整流電路 二極管半波整流電路 二極管全波整流電路 橋式整流電路簡化圖 二極管橋式整流電路 3 二極管的限幅作用 圖示為一限幅電路 電源uS是一個周期性的矩形脈沖 高電平幅值為 5V 低電平幅值為 5V 試分析電路的輸出電壓為多少 分析 當輸入電壓ui 5V時 二極管反偏截止 此時電路可視為開路 輸出電壓u0 0V 當輸入電壓ui 5V時 二極管正偏導通 導通時二極管管壓降近似為零 故輸出電壓u0 5V 顯然輸出電壓u0限幅在0 5V之間 u0 半導體二極管工作在擊穿區(qū) 是否一定被損壞 為什么 你會做嗎 何謂死區(qū)電壓 硅管和鍺管死區(qū)電壓的典型值各為多少 為何會出現(xiàn)死區(qū)電壓 檢驗學習結(jié)果 為什么二極管的反向電流很小且具有飽和性 當環(huán)境溫度升高時又會明顯增大 穩(wěn)壓二極管的反向電壓幾乎不隨反向電流的變化而變化 這就是穩(wěn)壓二極管的顯著特性 穩(wěn)壓二極管是一種特殊的面接觸型二極管 其反向擊穿可逆 正向特性與普通二極管相似 反向 IZ 1 3特殊二極管 1 穩(wěn)壓二極管 實物圖 圖符號及文字符號 顯然穩(wěn)壓管的伏安特性曲線比普通二極管的更加陡峭 使用穩(wěn)壓二極管時應該注意的事項 1 穩(wěn)壓二極管正負極的判別 2 穩(wěn)壓二極管使用時 應反向接入電路 UZ 3 穩(wěn)壓管應接入限流電阻 4 電源電壓應高于穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓值 5 穩(wěn)壓管都是硅管 其穩(wěn)定電壓UZ最低為3V 高的可達300V 穩(wěn)壓二極管在工作時的正向壓降約為0 6V 思索與回顧 二極管的反向擊穿特性 當外加反向電壓超過擊穿電壓時 通過二極管的電流會急劇增加 擊穿并不意味著管子一定要損壞 如果我們采取適當?shù)拇胧┫拗仆ㄟ^管子的電流 就能保證管子不因過熱而燒壞 如穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路中一般都要加限流電阻R 使穩(wěn)壓管電流工作在Izmax和Izmix的范圍內(nèi) 在反向擊穿狀態(tài)下 讓通過管子的電流在一定范圍內(nèi)變化 這時管子兩端電壓變化很小 穩(wěn)壓二極管就是利用這一點達到 穩(wěn)壓 效果的 穩(wěn)壓管正常工作是在反向擊穿區(qū) 發(fā)光二極管是一種能把電能直接轉(zhuǎn)換成光能的固體發(fā)光元件 發(fā)光二極管和普通二極管一樣 管芯由PN結(jié)構(gòu)成 具有單向?qū)щ娦?實物圖 圖符號和文字符號 單個發(fā)光二極管常作為電子設(shè)備通斷指示燈或快速光源及光電耦合器中的發(fā)光元件等 發(fā)光二極管一般使用砷化鎵 磷化鎵等材料制成 現(xiàn)有的發(fā)光二極管能發(fā)出紅黃綠等顏色的光 發(fā)光管正常工作時應正向偏置 因發(fā)光管屬于功率型器件 因此死區(qū)電壓較普通二極管高 其正偏工作電壓至少要在1 3V以上 發(fā)光管常用來作為數(shù)字電路的數(shù)碼及圖形顯示的七段式或陣列器件 2 發(fā)光二極管 光電二極管也稱光敏二極管 是將光信號變成電信號的半導體器件 其核心部分也是一個PN結(jié) 光電二極管PN結(jié)的結(jié)面積較小 結(jié)深很淺 一般小于一個微米 光電二極管的正常工作狀態(tài)是反向偏置 在反向電壓下 無光照時 反向電流很小 稱為暗電流 有光照射時 攜帶能量的光子進入PN結(jié) 把能量傳給共價鍵上的束縛電子 使部分價電子掙脫共價鍵的束縛 產(chǎn)生電子 空穴對 稱光生載流子 光生載流子在反向電壓作用下形成反向光電流 其強度與光照強度成正比 3 光電二極管 光電二極管也稱光敏二極管 同樣具有單向?qū)щ娦?光電管管殼上有一個能射入光線的 窗口 這個窗口用有機玻璃透鏡進行封閉 入射光通過透鏡正好射在管芯上 實物圖 圖符號和文字符號 1 利用穩(wěn)壓管或普通二極管的正向壓降 是否也可以穩(wěn)壓 你會做嗎 檢驗學習結(jié)果 2 現(xiàn)有兩只穩(wěn)壓管 它們的穩(wěn)定電壓分別為6V和8V 正向?qū)妷簽? 7V 試問 1 若將它們串聯(lián)相接 可得到幾種穩(wěn)壓值 各為多少 2 若將它們并聯(lián)相接 又可得到幾種穩(wěn)壓值 各為多少 3 在右圖所示電路中 發(fā)光二極管導通電壓UD 1 5V 正向電流在5 15mA時才能正常工作 試問圖中開關(guān)S在什么位置時發(fā)光二極管才能發(fā)光 R的取值范圍又是多少 1 4雙極型三極管 三極管是組成各種電子電路的核心器件 三極管的產(chǎn)生使PN結(jié)的應用發(fā)生了質(zhì)的飛躍 1 雙極型三極管的基本結(jié)構(gòu)和類型 雙極型晶體管分有NPN型和PNP型 雖然它們外形各異 品種繁多 但它們的共同特征相同 都有三個分區(qū) 兩個PN結(jié)和三個向外引出的電極 發(fā)射極e 發(fā)射結(jié) 集電結(jié) 基區(qū) 發(fā)射區(qū) 集電區(qū) 集電極c 基極b NPN型 PNP型 根據(jù)制造工藝和材料的不同 三極管分有雙極型和單極型兩種類型 若三極管內(nèi)部的自由電子載流子和空穴載流子同時參與導電 就是所謂的雙極型 如果只有一種載流子參與導電 即為單極型 NPN型三極管圖符號 大功率低頻三極管 小功率高頻三極管 中功率低頻三極管 目前國內(nèi)生產(chǎn)的雙極型硅晶體管多為NPN型 3D系列 鍺晶體管多為PNP型 3A系列 按頻率高低有高頻管 低頻管之別 根據(jù)功率大小可分為大 中 小功率管 e c b PNP型三極管圖符號 e c b 注意 圖中箭頭方向為發(fā)射極電流的方向 2 雙極型三極管的電流放大作用 晶體管芯結(jié)構(gòu)剖面圖 e發(fā)射極 集電區(qū)N 基區(qū)P 發(fā)射區(qū)N b基極 c集電極 晶體管實現(xiàn)電流放大作用的內(nèi)部結(jié)構(gòu)條件 1 發(fā)射區(qū)摻雜濃度很高 以便有足夠的載流子供 發(fā)射 2 為減少載流子在基區(qū)的復合機會 基區(qū)做得很薄 一般為幾個微米 且摻雜濃度極低 3 集電區(qū)體積較大 且為了順利收集邊緣載流子 摻雜濃度界于發(fā)射極和基極之間 可見 雙極型三極管并非是兩個PN結(jié)的簡單組合 而是利用一定的摻雜工藝制作而成 因此 絕不能用兩個二極管來代替 使用時也決不允許把發(fā)射極和集電極接反 晶體管實現(xiàn)電流放大作用的外部條件 1 發(fā)射結(jié)必須 正向偏置 以利于發(fā)射區(qū)電子的擴散 擴散電流即發(fā)射極電流ie 擴散電子的少數(shù)與基區(qū)空穴復合 形成基極電流ib 多數(shù)繼續(xù)向集電結(jié)邊緣擴散 2 集電結(jié)必須 反向偏置 以利于收集擴散到集電結(jié)邊緣的多數(shù)擴散電子 收集到集電區(qū)的電子形成集電極電流ic IE IC IB 整個過程中 發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射的電子數(shù)等于基區(qū)復合掉的電子與集電區(qū)收集的電子數(shù)之和 即 IE IB IC 結(jié)論 由于發(fā)射結(jié)處正偏 發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子自由電子將不斷擴散到基區(qū) 并不斷從電源補充進電子 形成發(fā)射極電流IE 回顧與總結(jié) 1 發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴散電子的過程 由于基區(qū)很薄 且多數(shù)載流子濃度又很低 所以從發(fā)射極擴散過來的電子只有很少一部分和基區(qū)的空穴相復合形成基極電流IB 剩下的絕大部分電子則都擴散到了集電結(jié)邊緣 2 電子在基區(qū)的擴散和復合過程 集電結(jié)由于反偏 可將從發(fā)射區(qū)擴散到基區(qū)并到達集電區(qū)邊緣的電子拉入集電區(qū) 從而形成較大的集電極電流IC 3 集電區(qū)收集電子的過程 只要符合三極管發(fā)射區(qū)高摻雜 基區(qū)摻雜濃度很低 集電區(qū)的摻雜濃度介于發(fā)射區(qū)和基區(qū)之間 且基區(qū)做得很薄的內(nèi)部條件 再加上晶體管的發(fā)射結(jié)正偏 集電結(jié)反偏的外部條件 三極管就具有了放大電流的能力 三極管的集電極電流IC稍小于IE 但遠大于IB IC與IB的比值在一定范圍內(nèi)基本保持不變 特別是基極電流有微小的變化時 集電極電流將發(fā)生較大的變化 例如 IB由40 A增加到50 A時 IC將從3 2mA增大到4mA 即 顯然 雙極型三極管具有電流放大能力 式中的 值稱為三極管的電流放大倍數(shù) 不同型號 不同類型和用途的三極管 值的差異較大 大多數(shù)三極管的 值通常在幾十至幾百的范圍 由此可得 微小的基極電流IB可以控制較大的集電極電流IC 故雙極型三極管屬于電流控制器件 3 雙極型三極管的特性曲線 所謂特性曲線是指各極電壓與電流之間的關(guān)系曲線 是三極管內(nèi)部載流子運動的外部表現(xiàn) 從工程應用角度來看 外部特性更為重要 1 輸入特性曲線 以常用的共射極放大電路為例說明 UCE 0V 令UBB從0開始增加 令UCC為0 UCE 0時的輸入特性曲線 UCE為0時 令UBB重新從0開始增加 增大UCC 讓UCE 0 5V UCE 1V UCE 0 5V UCE 0 5V的特性曲線 繼續(xù)增大UCC 讓UCE 1V 令UBB重新從0開始增加 UCE 1V UCE 1V的特性曲線 繼續(xù)增大UCC使UCE 1V以上的多個值 結(jié)果發(fā)現(xiàn) 之后的所有輸入特性幾乎都與UCE 1V的特性相同 曲線基本不再變化 實用中三極管的UCE值一般都超過1V 所以其輸入特性通常采用UCE 1V時的曲線 從特性曲線可看出 雙極型三極管的輸入特性與二極管的正向特性非常相似 UCE 1V的特性曲線 2 輸出特性曲線 先把IB調(diào)到某一固定值保持不變 當IB不變時 輸出回路中的電流IC與管子輸出端電壓UCE之間的關(guān)系曲線稱為輸出特性 然后調(diào)節(jié)UCC使UCE從0增大 觀察毫安表中IC的變化并記錄下來 根據(jù)記錄可給出IC隨UCE變化的伏安特性曲線 此曲線就是晶體管的輸出特性曲線 IB 0 再調(diào)節(jié)IB1至另一稍小的固定值上保持不變 仍然調(diào)節(jié)UCC使UCE從0增大 繼續(xù)觀察毫安表中IC的變化并記錄下來 根據(jù)電壓 電流的記錄值可繪出另一條IC隨UCE變化的伏安特性曲線 此曲線較前面的稍低些 IB1 IB2 IB3 IB 0 如此不斷重復上述過程 我們即可得到不同基極電流IB對應相應IC UCE數(shù)值的一組輸出特性曲線 輸出曲線開始部分很陡 說明IC隨UCE的增加而急劇增大 當UCE增至一定數(shù)值時 一般小于1V 輸出特性曲線變得平坦 表明IC基本上不再隨UCE而變化 當IB一定時 從發(fā)射區(qū)擴散到基區(qū)的電子數(shù)大致一定 當UCE超過1V以后 這些電子的絕大部分被拉入集電區(qū)而形成集電極電流IC 之后即使UCE繼續(xù)增大 集電極電流IC也不會再有明顯的增加 具有恒流特性 當IB增大時 相應IC也增大 輸出特性曲線上移 且IC增大的幅度比對應IB大得多 這一點正是晶體管的電流放大作用 從輸出特性曲線可求出三極管的電流放大系數(shù) 取任意再兩條特性曲線上的平坦段 讀出其基極電流之差 再讀出這兩條曲線對應的集電極電流之差 IC 1 3mA IC 于是我們可得到三極管的電流放大倍數(shù) IC IB 1 3 0 04 32 5 輸出特性曲線上一般可分為三個區(qū) 飽和區(qū) 當發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為正向偏置時 三極管處于飽和狀態(tài) 此時集電極電流IC與基極電流IB之間不再成比例關(guān)系 IB的變化對IC的影響很小 截止區(qū) 當基極電流IB等于0時 晶體管處于截止狀態(tài) 實際上當發(fā)射結(jié)電壓處在正向死區(qū)范圍時 晶體管就已經(jīng)截止 為讓其可靠截止 常使UBE小于和等于零 放大區(qū) 晶體管工作在放大狀態(tài)時 發(fā)射結(jié)正偏 集電結(jié)反偏 在放大區(qū) 集電極電流與基極電流之間成 倍的數(shù)量關(guān)系 即晶體管在放大區(qū)時具有電流放大作用 4 雙極型三極管的電流放大位數(shù)和極限參數(shù) 1 電流放大倍數(shù) 2 極限參數(shù) 集電極最大允許電流ICM 反向擊穿電壓U BR CEO UCC U BR CEO 基極開路 指基極開路時集電極與發(fā)射極間的反向擊穿電壓 使用中若超過此值 晶體管的集電結(jié)就會出現(xiàn)雪崩擊穿 值的大小反映了晶體管的電流放大能力 IC ICM時 晶體管不一定燒損 但 值明顯下降 集電極最大允許功耗PCM 晶體管上的功耗超過PCM 管子將損壞 安全區(qū) 晶體管的發(fā)射極和集電極是不能互換使用的 因為發(fā)射區(qū)和集電區(qū)的摻雜質(zhì)濃度差別較大 如果把兩個極互換使用 則嚴重影響晶體管的電流放大能力 甚至造成放大能力喪失 晶體管在輸出特性曲線的飽和區(qū)工作時 UCE UBE 集電結(jié)也處于正偏 這時內(nèi)電場被大大削弱 因此極不利于集電區(qū)收集從發(fā)射區(qū)到達集電結(jié)邊緣的電子 這種情況下 集電極電流IC與基極電流IB不再是 倍的關(guān)系 因此 晶體管的電流放大能力大大下降 為了使發(fā)射區(qū)擴散電子的絕大多數(shù)無法在基區(qū)和空穴復合 由于基區(qū)摻雜深度很低且很薄 因此只能有極小一部分擴散電子與基區(qū)空穴相復合形成基極電流 剩余大部分擴散電子繼續(xù)向集電結(jié)擴散 由于集成電結(jié)反偏 這些集結(jié)到集電結(jié)邊緣的自由電子被集電極收集后形成集電極電流 學習與討論 用萬用表測試二極管好壞及極性的方法 用萬用表歐姆檔檢查二極管是否存在單向?qū)щ娦?并判別其極性 正向?qū)娮韬苄?指針偏轉(zhuǎn)大 反向阻斷時電阻很大 指針基本不動 選擇萬用表R 1k的歐姆檔 其中黑表棒作為電源正極 紅表棒作為電源負極 根據(jù)二極管正向?qū)?反向阻斷的單向?qū)щ娦詫⒈戆魧φ{(diào)一次即可測出其極性及好壞 用萬用表測試三極管好壞及極性的方法 用指針式萬用表檢測三極管的基極和管型 指針不動 說明管子反偏截止 因此為NPN型 先將萬用表置于R lk歐姆檔 將紅表棒接假定的基極B 黑表棒分別與另兩個極相接觸 觀測到指針不動 或近滿偏 時 則假定的基極是正確的 且晶體管類型為NPN型 或PNP型 如果把紅黑兩表棒對調(diào)后 指針仍不動 或仍偏轉(zhuǎn) 則說明管子已經(jīng)老化 或已被擊穿 損壞 想一想 這種檢測方法依據(jù)的是什么 指針偏轉(zhuǎn) 說明管子正向?qū)?因此為PNP型 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?若被測管為NPN三極管 讓黑表棒接假定的集電極C 紅表棒接假定的發(fā)射極E 兩手分別捏住B C兩極充當基極電阻RB 兩手不能相接觸 注意觀察電表指針偏轉(zhuǎn)的大小 之后 再將兩檢測極反過來假定 仍然注意觀察電表指針偏轉(zhuǎn)的大小 c b e 人體電阻 c b e 人體電阻 假定極正確 假定極錯誤 用萬用表R 1k歐姆檔判別發(fā)射極E和集電極C 偏轉(zhuǎn)較大的假定極是正確的 偏轉(zhuǎn)小的反映其放大能力下降 即集電極和發(fā)射極接反了 如果兩次檢測時電阻相差不大 則說明管子的性能較差 1 三極管起電流放大作用 其內(nèi)部 外部條件分別要滿足哪些 你會做嗎 檢驗學習結(jié)果 2 使用三極管時 只要 集電極電流超過ICM值 耗散功率超過PCM值 集 射極電壓超過U BR CEO值 三極管就必然損壞 上述說法哪個是對的 3 用萬用表測量某些三極管的管壓降得到下列幾組數(shù)據(jù) 說明每個管子是NPN型還是PNP型 是硅管還是鍺管 它們各工作在什么區(qū)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 飽和區(qū) NPN硅管 放大區(qū) NPN硅管 截止區(qū) PNP鍺管 放大區(qū) PNP鍺管 截止區(qū) 1 5單極型三極管 雙極型三極管是利用基極小電流去控制集電極較大電流的電流控制型器件 因工作時兩種載流子同時參與導電而稱之為雙極型 單極型三極管因工作時只有多數(shù)載流子一種載流子參與導電 因此稱為單極型三極管 單極型三極管是利用輸入電壓產(chǎn)生的電場效應控制輸出電流的電壓控制型器件 上圖所示為單極型三極管產(chǎn)品實物圖 單極型管可分為結(jié)型和絕緣柵型兩大類 其中絕緣柵型場效應管應用最為廣泛 其中又分增強型和耗盡型兩類 且各有N溝道和P溝道之分 1 MOS管的基本結(jié)構(gòu) N N 以P型硅為襯底 二氧化硅 SiO2 絕緣保護層 兩端擴散出兩個高濃度的N區(qū) N區(qū)與P型襯底之間形成兩個PN結(jié) 由襯底引出電極B 由高濃度的N區(qū)引出的源極S 由另一高濃度N區(qū)引出的漏極D 由二氧化硅層表面直接引出柵極G 雜質(zhì)濃度較低 電阻率較高 大多數(shù)管子的襯底在出廠前已和源極連在一起 鋁電極 金屬 Metal 二氧化硅氧化物 Oxide 半導體 Semiconductor 故單極型三極管又稱為MOS管 MOS管電路的連接形式 漏極與源極間電源UDS 柵極與源極間電源UGS 如果襯底在出廠前未連接到源極上 則要根據(jù)電路具體情況正確連接 一般P型硅襯底應接低電位 N型硅襯底應接高電位 由導電溝道的不同而異 不同類型MOS管的電路圖符號 由圖可看出 襯底的箭頭方向表明了場效應管是N溝道還是P溝道 箭頭向里是N溝道 箭頭向外是P溝道 虛線表示增強型 實線表示耗盡型 2 工作原理 以增強型NMOS管為例說明其工作原理 N溝道增強型MOS管不存在原始導電溝道 當柵源極間電壓UGS 0時 增強型MOS管的漏極和源極之間相當于存在兩個背靠背的PN結(jié) 不存在原始溝道 UDS UGS 0 此時無論UDS是否為0 也無論其極性如何 總有一個PN結(jié)處于反偏狀態(tài) 因此MOS管不導通 ID 0 MOS管處于截止區(qū) P ID 0 怎樣才能產(chǎn)生導電溝道呢 在柵極和襯底間加UGS且與源極連在一起 由于二氧化硅絕緣層的存在 電流不能通過柵極 但金屬柵極被充電 因此聚集大量正電荷 UDS 0 UGS 電場力排斥空穴 二氧化硅層在UGS作用下被充電而產(chǎn)生電場 形成耗盡層 出現(xiàn)反型層形成導電溝道 電場吸引電子 導電溝道形成時 對應的柵源間電壓UGS UT稱為開啟電壓 UT 當UGS UT UDS 0且較小時 UDS UGS ID 當UGS繼續(xù)增大 UDS仍然很小且不變時 ID隨著UGS的增大而增大 此時增大UDS 導電溝道出現(xiàn)梯度 ID又將隨著UDS的增大而增大 直到UGD UGS UDS UT時 相當于UDS增加使漏極溝道縮減到導電溝道剛剛開啟的情況 稱為預夾斷 ID基本飽和 導電溝道加厚產(chǎn)生漏極電流 如果繼續(xù)增大UDS 使UGD UT時 溝道夾斷區(qū)延長 ID達到最大且恒定 管子將從放大區(qū)跳出而進入飽和區(qū) 溝道出現(xiàn)預夾斷時工作在放大狀態(tài) 放大區(qū)ID幾乎與UDS的變化無關(guān) 只受UGS的控制 即MOS管是利用柵源電壓UGS來控制漏極電流ID大小的一種電壓控制器件 MOS管的工作過程可參看下面動畫演示 3 MOS管使用注意事項 1 MOS管中 有的產(chǎn)品將襯底引出 形成四個管腳 使用者可視電路需要進行連接 P襯底接低電位 N襯底接高電位 但當源極電位很高或很低時 可將源極與襯底連在一起 2 場效應管的漏極與源極通常可以互換 且不會對伏安特性曲線產(chǎn)生明顯影響 注意 大多產(chǎn)品出廠時已將源極與襯底連在一起了 這時源極與漏極就不能再進行對調(diào)使用 3 MOS管不使用時 由于它的輸入電阻非常高 須將各電極短路 以免受外電場作用時使管子損壞 即MOS管在不使用時應避免柵極懸空 務(wù)必將各電極短接 4 焊接MOS管時 電烙鐵須有外接地線 用來屏蔽交流電場 以防止損壞管子 特別是焊接絕緣柵場效應管時 最好斷電后再焊接 單極型晶體管和雙極型晶體管的性能比較 1 場效應管的源極S 柵極G 漏極D分別對應于雙極型晶體管的發(fā)射極e 基極b 集電極c 它們的作用相似 2 場效應管是電壓控制電流器件 場效應管柵極基本上不取電流 而雙極型晶體管工作時基極總要取一定的電流 所以在只允許從信號源取極小量電流的情況下 應該選用場效應管 而在允許取一定量電流時 選用雙極型晶體管進行放大可以得到比場效應管較高的電壓放大倍數(shù) 3 場效應管是多子導電 而雙極型晶體管則是既利用多子 又利用少子 由于少子的濃度易受溫度 輻射等外界條件的影響 因而場效應管比晶體管的溫度穩(wěn)定性好 抗輻射能力強 在環(huán)境條件 溫度等 變化比較劇烈的情況下 選用場效應管比較合適 4 場效應管的源極和襯底未連在一起時 源極和漏極可以互換使用 耗盡型絕緣柵型管的柵極電壓可正可負 靈活性比晶體管強 而雙極型晶體管的集電極與發(fā)射極由于特性差異很大而不允許互換使用 5 與雙極型晶體管相比 場效應管的噪聲系數(shù)較小 所以在低噪聲放大器的前級通常選用場效應管 也可以選特制的低噪聲晶體管 但總的來說 當信噪比是主要矛盾時 還應選用場效應管 6 場效應管和雙極型晶體管都可以用于放大或可控開關(guān) 但場效應管還可以作為壓控電阻使用 而且制造工藝便于集成化 具有耗電少 熱穩(wěn)定性好 工作電源電壓范圍寬等優(yōu)點 因此在電子設(shè)備中得到廣泛的應用 在使用MOS管時 為什么柵極不能懸空 晶體管和MOS管的輸入電阻有何不同 你會做嗎 當UGS為何值時 增強型N溝道MOS管導通 檢驗學習結(jié)果 1 雙極型三極管和單極型三極管的導電機理有什么不同 為什么稱晶體管為電流控件而稱MOS管為電壓控件 檢驗學習結(jié)果解答 2 當UGS為何值時 增強型N溝道MOS管導通 3 在使用MOS管時 為什么柵極不能懸空 4 晶體管和MOS管的輸入電阻有何不同 雙極型三極管有多子和少子兩種載流子同時參與導電 單極型三極管只有多子參與導電 晶體管的輸出電流IC受基極電流IB的控制而變化 因此稱之為電流控件 MOS管的輸出電流ID受柵源間電壓UGS的控制而變化 所以稱為電壓控件 當UGS UT時 增強型N溝道MOS管開始導通 隨著UGS的增加 溝道加寬 ID增大 由于二氧化硅層的原因 使MOS管具有很高的輸入電阻 在外界電壓影響下 柵極易產(chǎn)生相當高的感應電壓 造成管子擊穿 所以MOS管在不使用時應避免柵極懸空 務(wù)必將各電極短接 晶體管的輸入電阻rbe一般在幾百歐 千歐左右 相對較低 而MOS管絕緣層的輸入電阻極高 一般認為柵極電流為零 本章學習結(jié)束 希望同學們對本章內(nèi)容予以重視 因為這是電子技術(shù)中基礎(chǔ)的基礎(chǔ) Goodbye