《常用半導(dǎo)體器》PPT課件.pptVIP

1 常用半導(dǎo)體器件 1 1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識 1 2半導(dǎo)體二極管 1 3晶體三極管 1 4場效應(yīng)管 1 5單結(jié)晶體管和晶閘管 1 6集成電路中的元件 主要內(nèi)容 1 掌握以下基本概念 半導(dǎo)體材料的特點 空穴 擴散運動 漂移運動 PN結(jié)正偏 PN結(jié)反偏 了解PN結(jié)的形成過程 2 掌握二極管的單向?qū)щ娦约捌潆娐返姆治龇椒?正確理解半導(dǎo)體二極管的伏安特性曲線及主要參數(shù) 了解穩(wěn)壓管工作原理及使用中的注意事項 了解選管的一般原則 3 掌握晶體管的分類 輸出特性曲線 三個工作區(qū)域的特點 放大的條件及參數(shù) 了解三極管的結(jié)構(gòu) 放大原理及選管原則 4 掌握場效應(yīng)管的分類 特點 特性曲線及參數(shù) 了解其結(jié)構(gòu) 工作原理 1 1 0什么是半導(dǎo)體 1 1 1本征半導(dǎo)體 1 1 2雜質(zhì)半導(dǎo)體 1 1 3PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?1 1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識 1 什么是半導(dǎo)體 一 半導(dǎo)體 導(dǎo)體 如 金屬 絕緣體 如 橡膠 云母 塑料等 導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之 半導(dǎo)體 2 半導(dǎo)體導(dǎo)電特性 摻入雜質(zhì)則導(dǎo)電率增加幾百倍 摻雜特性 半導(dǎo)體器件 溫度增加使導(dǎo)電率大為增加 熱敏特性 熱敏器件 光照不僅使導(dǎo)電率大為增加還可以產(chǎn)生電動勢 光敏特性 常用的半導(dǎo)體材料有 元素半導(dǎo)體 硅 Si 鍺 Ge 化合物半導(dǎo)體 砷化鎵 GaAs 摻雜材料 硼 B 磷 P 1 1 1本征半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體 常用的本征半導(dǎo)體 Si 14 Ge 32 4 1 1 1本征半導(dǎo)體 完全純凈 結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體 純度 99 9999999 九個9 它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài) 完全純凈的 不含其他雜質(zhì)且具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體 將硅或鍺材料提純便形成單晶體 它的原子結(jié)構(gòu)為共價鍵結(jié)構(gòu) 價電子 共價鍵 圖1 1 1本征半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖 二 本征半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu) 當(dāng)溫度T 0K時 半導(dǎo)體不導(dǎo)電 如同絕緣體 圖1 1 2本征半導(dǎo)體中的自由電子和空穴 自由電子 空穴 自由電子和空穴使本征半導(dǎo)體具有導(dǎo)電能力 但很微弱 濃度相等 空穴相當(dāng)于帶正電的粒子 帶電量與電子相等 符號相反 空穴的運動相當(dāng)于電子的反方向運動 三 本征半導(dǎo)體中的兩種載流子 動畫1 1 動畫1 2 本征激發(fā) 復(fù)合 1 半導(dǎo)體中兩種載流子 2 本征半導(dǎo)體中 自由電子和空穴總是成對出現(xiàn) 稱為電子 空穴對 3 本征半導(dǎo)體中自由電子和空穴的濃度用ni和pi表示 顯然ni pi 4 由于物質(zhì)的運動 自由電子和空穴不斷的產(chǎn)生又不斷的復(fù)合 在一定的溫度下 產(chǎn)生與復(fù)合運動會達到平衡 載流子的濃度就一定了 5 載流子的濃度與溫度密切相關(guān) 它隨著溫度的升高 基本按指數(shù)規(guī)律增加 小結(jié) 雜質(zhì)半導(dǎo)體 摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體 摻雜后半導(dǎo)體的導(dǎo)電率大為提高 摻入三價元素如B Al In等 形成P型半導(dǎo)體 也稱空穴型半導(dǎo)體 摻入五價元素如P Sb等 形成N型半導(dǎo)體 也稱電子型半導(dǎo)體 1 1 2雜質(zhì)半導(dǎo)體 N型半導(dǎo)體 5 5 在本征半導(dǎo)體中摻入五價元素如P 自由電子是多子 雜質(zhì) 熱激發(fā) 空穴是少子 熱激發(fā) 由于五價元素很容易貢獻電子 因此將其稱為施主雜質(zhì) 施主雜質(zhì)因提供自由電子而帶正電荷成為正離子 代表符號 P型半導(dǎo)體 3 3 在本征半導(dǎo)體中摻入三價元素如B 自由電子是少子 熱激發(fā) 空穴是多子 雜質(zhì) 熱激發(fā) 因留下的空穴很容易俘獲電子 使雜質(zhì)原子成為負離子 三價雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì) 代表符號 1 1 3PN結(jié)的形成及特性 1PN結(jié)的形成 2PN結(jié)的單向?qū)щ娦?P區(qū) N區(qū) 濃度差 擴散運動 多子 載流子從濃度大向濃度小的區(qū)域擴散 稱擴散運動形成的電流成為擴散電流 內(nèi)電場 漂移運動 少子 內(nèi)電場阻礙多子向?qū)Ψ降臄U散即阻礙擴散運動同時促進少子向?qū)Ψ狡萍创龠M了漂移運動 擴散運動 漂移運動時達到動態(tài)平衡 一 PN結(jié)的形成 內(nèi)電場阻止多子擴散 因濃度差 多子的擴散運動 由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū) 空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場 內(nèi)電場促使少子漂移 擴散運動 多子從濃度大向濃度小的區(qū)域擴散 稱擴散運動擴散運動產(chǎn)生擴散電流 漂移運動 少子向?qū)Ψ狡?稱漂移運動漂移運動產(chǎn)生漂移電流 動態(tài)平衡 擴散電流 漂移電流 PN結(jié)內(nèi)總電流 0 PN結(jié) 穩(wěn)定的空間電荷區(qū) 又稱高阻區(qū) 也稱耗盡層 1 PN結(jié)加正向電壓時的導(dǎo)電情況 外電場方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相反 削弱了內(nèi)電場 于是內(nèi)電場對多子擴散運動的阻礙減弱 擴散電流加大 擴散電流遠大于漂移電流 可忽略漂移電流的影響 空間電荷區(qū)變窄 PN結(jié)呈現(xiàn)低阻性 P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位 稱為加正向電壓 簡稱正偏 內(nèi) 外 二 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?2 PN結(jié)加反向電壓時的導(dǎo)電情況 外電場與PN結(jié)內(nèi)電場方向相同 增強內(nèi)電場 內(nèi)電場對多子擴散運動阻礙增強 擴散電流大大減小 少子在內(nèi)電場的作用下形成的漂移電流加大 此時PN結(jié)區(qū)少子漂移電流大于擴散電流 可忽略擴散電流 結(jié)變寬PN結(jié)呈現(xiàn)高阻性 P區(qū)的電位低于N區(qū)的電位 稱為加反向電壓 簡稱反偏 內(nèi) 外 二 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?由此可以得出結(jié)論 PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?PN結(jié)加正向電壓時 呈現(xiàn)低電阻 具有較大的正向擴散電流 PN結(jié)加反向電壓時 呈現(xiàn)高電阻 具有很小的反向漂移電流 IS 反向飽和電流UT 溫度的電壓當(dāng)量在常溫 300K 下 UT 26mV 三 PN結(jié)的電流方程 PN結(jié)所加端電壓u與流過的電流i的關(guān)系為 四 PN結(jié)的伏安特性 i f u 之間的關(guān)系曲線 正向特性 反向特性 圖1 1 10PN結(jié)的伏安特性 反向擊穿齊納擊穿雪崩擊穿 五 PN結(jié)的電容效應(yīng) 當(dāng)PN上的電壓發(fā)生變化時 PN結(jié)中儲存的電荷量將隨之發(fā)生變化 使PN結(jié)具有電容效應(yīng) 電容效應(yīng)包括兩部分 勢壘電容 擴散電容 1 勢壘電容Cb 是由PN結(jié)的空間電荷區(qū)變化形成的 a PN結(jié)加正向電壓 b PN結(jié)加反向電壓 2 擴散電容Cd 是由多數(shù)載流子在散過程中積累而引起的 正向電壓變化時 變化載流子積累電荷量發(fā)生變化 相當(dāng)于電容器充電和放電的過程 擴散電容效應(yīng) 反向電壓時 可忽略 Cd和Cb一般都比較小 對于低頻信號來說容抗較大 作用可以忽略 但對于高頻信號就要考慮此容抗的影響 結(jié)電容 Cj Cd Cb 1 2半導(dǎo)體二極管 1 2 1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu) 1 2 2二極管的伏安特性 1 2 3二極管的參數(shù) 1 2 4二極管的電路分析 1 2 5穩(wěn)壓二極管 1 2 6其他二極管 1 2 1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu) 在PN結(jié)上加上引線和封裝 就成為一個二極管 二極管按結(jié)構(gòu)分為點接觸型 面接觸型和平面型三大類 1 點接觸型二極管 PN結(jié)面積小 結(jié)電容小 用于檢波和變頻等高頻電路 3 平面型二極管 往往用于集成電路制造工藝中 PN結(jié)面積可大可小 用于高頻整流和開關(guān)電路中 2 面接觸型二極管 PN結(jié)面積大 用于工頻大電流整流電路 b 面接觸型 4 二極管的代表符號 1 2 2二極管的伏安特性 二極管的伏安特性曲線可用下式表示 正向特性 反向特性 反向擊穿特性 開啟電壓 0 5V導(dǎo)通電壓 0 7 一 伏安特性 開啟電壓 0 1V導(dǎo)通電壓 0 2V 1 2 3二極管的參數(shù) 1 最大整流電流IF 2 反向擊穿電壓UBR和最大反向工作電壓URM 3 反向電流IR 4 最高工作頻率 5 極間電容 二極管伏安特性的建模 應(yīng)用舉例 理想模型恒壓降模型折線模型指數(shù)模型 模型越來越準(zhǔn)確 但是計算越來越復(fù)雜 直流模型用在直流電源作用的電路中 交流模型用在交流電源作用的電路中 小信號模型 直流模型 交流模型 1 2 3二極管的等效電路 一 由伏安特性折線化得到的等效電路 1 2 3二極管的等效電路 二 二極管的微變等效電路 二極管工作在正向特性的某一小范圍內(nèi)時 其正向特性可以等效成一個微變電阻 即 根據(jù) 得Q點處的微變電導(dǎo) 則 常溫下 T 300K 圖1 2 7二極管的微變等效電路 已知R 10K 若VDD 10V求電路的ID和UD 例1 二極管電路的靜態(tài)工作情況分析 三 應(yīng)用舉例 理想模型 恒壓模型 硅二極管典型值 折線模型 硅二極管典型值 設(shè) 首先 將原始電路中的二極管用它的直流模型代替 得到如下電路 然后 判斷理想二極管的狀態(tài) 導(dǎo)通或截止 方法 將理想二極管斷開 求陽極和陰極的電位差 若 0 則理想二極管正向?qū)?用理想的導(dǎo)線代替二極管 若 0 則理想二極管反向截止 因為只有直流電壓源作用 所以使用直流模型 解 三 應(yīng)用舉例 例2 有兩個二極管的開關(guān)電路 設(shè)二極管是理想的 判斷兩個二極管的狀態(tài) 并求輸出電壓Uo 三 應(yīng)用舉例 Uo 解題思路 1 將二極管從電路中拿走 在此電路的基礎(chǔ)上求兩個二極管的陽極和陰極之間的電位差 2 兩個二極管的陽極和陰極之間的電位差共有三種情況 1 均小于0 2 均大于0 3 一個為正 另一個為負3 根據(jù)不同的情況做出判斷 1 均小于0 兩個二極管均截止 2 均大于0 這其中會有一大一小 大的那個二極管一定導(dǎo)通 小的那個狀態(tài)不定 需要做進一步的判斷 大的那個二極管導(dǎo)通后用理想的導(dǎo)線代替 這時整個電路就轉(zhuǎn)化成了只有一個二極管的電路 按照例1的方法繼續(xù)判斷 從而得出最后的結(jié)論 3 一個為正 另一個為負 正的那個二極管一定導(dǎo)通 負的那個狀態(tài)不定 需要做進一步的判斷 正的那個二極管導(dǎo)通后用理想的導(dǎo)線代替 這時整個電路就轉(zhuǎn)化成了只有一個二極管的電路 按照例1的方法繼續(xù)判斷 從而得出最后的結(jié)論 Uo 將D1 D2斷開 UA 12VUB 0UC 5V可得 UB UA 12VUC UA 7V所以D1先導(dǎo)通 使得UA 0V 此時UC UA 5V 故D2截止 Uo 0V 三 應(yīng)用舉例 整流電路是最基本的將交流轉(zhuǎn)換為直流的電路 1 半波整流 iD uL 整流電路中的二極管是作為開關(guān)運用 具有單向?qū)щ娦?例3 整流電路 三 應(yīng)用舉例 2 橋式整流 三 應(yīng)用舉例 三 應(yīng)用舉例 例4 開關(guān)電路 已知AB的波形 其中高電平5V 低電平0 3V 分析L的波形 判斷二極管的工作狀態(tài) 判斷方法 正向偏置VA VB 導(dǎo)通 反向偏置VA VB 截止 解題方法 斷開二極管2AP1 求VA和VB VA 15 10 10 140 1V VB 10 2 18 2 15 5 25 5 1 5V VA VB 所以 二極管2AP1截止 討論一 ui 10sinwt v E 5vR 1k歐姆忽略二極管的正向壓降和反向電流畫出uo的波形 1 uiE時 二極管正向?qū)?uo E 討論二 討論三 1 V 2V 5V 10V時二極管中的直流電流各為多少 2 若輸入電壓的有效值為5mV 則上述各種情況下二極管中的交流電流各為多少 V 5V時 V 10V時 V 2V 討論三 V 2V ID 2 6mA V 5V ID 8 6mA V 10V ID 20mA 在伏安特性上 Q點越高 二極管的動態(tài)電阻越小 1 伏安特性 進入穩(wěn)壓區(qū)的最小電流 不至于損壞的最大電流 1 2 5穩(wěn)壓二極管 穩(wěn)壓原理 在反向擊穿時 電流在很大范圍內(nèi)變化時 只引起很小的電壓變化 正向部分與普通二極管相同 當(dāng)反向電壓加到一定值時 反向電流急劇增加 產(chǎn)生反向擊穿 二 主要參數(shù) 1 穩(wěn)定電流IZ 2 穩(wěn)定電壓UZ 3 動態(tài)電阻RZ 4 最大功耗PZM 穩(wěn)壓管工作時應(yīng)反接 并串入一只電阻 電阻的作用一是起限流作用 以保護穩(wěn)壓管 二是當(dāng)輸入電壓或負載電流變化時 通過電阻上壓降的變化 取出誤差信號以調(diào)節(jié)穩(wěn)壓管的工作電流 從而起到穩(wěn)壓作用 三 應(yīng)用方法 穩(wěn)壓電路 例1 穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用 穩(wěn)壓二極管技術(shù)數(shù)據(jù)為 穩(wěn)壓值UZ 10V Izmax 12mA Izmin 2mA 負載電阻RL 2k 輸入電壓ui 12V 限流電阻R 200 求iZ 若負載電阻變化范圍為1 5k 4k 是否還能穩(wěn)壓 UZ 10Vui 12VR 200 Izmax 12mAIzmin 2mARL 2k 1 5k 4k iL uo RL UZ RL 10 2 5 mA i ui UZ R 12 10 0 2 10 mA iZ i iL 10 5 5 mA RL 1 5k iL 10 1 5 6 7 mA iZ 10 6 7 3 3 mA RL 4k iL 10 4 2 5 mA iZ 10 2 5 7 5 mA 負載變化 但iZ仍在12mA和2mA之間 所以穩(wěn)壓管仍能起穩(wěn)壓作用 光電二極管是有光照射時會產(chǎn)生電流的二極管 其結(jié)構(gòu)和普通的二極管基本相同 它利用光電導(dǎo)效應(yīng)工作 PN結(jié)工作在反偏狀態(tài) 當(dāng)光照射在PN結(jié)上時 束縛電子獲得光能變成自由電子 產(chǎn)生電子 空穴對 在外電場的作用下形成光電流 應(yīng)在反壓狀態(tài)工作 發(fā)光二極管是將電能轉(zhuǎn)換成光能的特殊半導(dǎo)體器件 它只有在加正向電壓時才發(fā)光 1 2 6其他類型二極管 1 光電二極管 2 發(fā)光二極管 LED顯示器 a b c d f g a b c d e f g a b c d e f g 5V 共陽極電路 共陰極電路 控制端為高電平對應(yīng)二極管發(fā)光 控制端為低電平對應(yīng)二極管發(fā)光 e 半導(dǎo)體二極管的型號 國家標(biāo)準(zhǔn)對半導(dǎo)體器件型號的命名舉例如下 半導(dǎo)體二極管圖片 半導(dǎo)體二極管圖片 半導(dǎo)體二極管圖片 晶體三極管是通過一定的工藝 將兩個PN結(jié)結(jié)合在一起的器件 由于兩個PN結(jié)之間的相互影響 使BJT表現(xiàn)出不同于單個PN結(jié)的特性而具有電流放大作用 從而使PN結(jié)的應(yīng)用發(fā)生了質(zhì)的飛躍 1 3晶體三極管 1 3 1晶體管的結(jié)構(gòu)和類型 1 3 2晶體管的電流放大作用 1 3 3晶體管的共射特性曲線 1 3 4晶體管的主要參數(shù) 1 3晶體三極管 1 3 5溫度對晶體管參數(shù)的影響 1 3 6光電三極管 又稱半導(dǎo)體三極管 晶體三極管 或簡稱晶體管 三極管有兩種類型 NPN型和PNP型 主要以NPN型為例進行討論 1 3晶體三極管 集電區(qū) 集電結(jié) 基區(qū) 發(fā)射結(jié) 發(fā)射區(qū) 集電極c Collector 基極b Base 發(fā)射極e Emitter 1 3 1晶體管的結(jié)構(gòu)和類型 集電區(qū) 集電結(jié) 基區(qū) 發(fā)射結(jié) 發(fā)射區(qū) 集電極c 發(fā)射極e 基極b 1 3 1晶體管的結(jié)構(gòu)和類型 發(fā)射區(qū)的摻雜濃度最高 集電區(qū)摻雜濃度低于發(fā)射區(qū) 且面積大 基區(qū)很薄 一般在幾個微米至幾十個微米 且摻雜濃度最低 以NPN型三極管為例討論 三極管若實現(xiàn)放大 必須從三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部所加電源的極性來保證 不具備放大作用 1 3 2晶體管的電流放大作用 三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)要求 1 發(fā)射區(qū)高摻雜 2 基區(qū)做得很薄 通常只有幾微米到幾十微米 而且摻雜較少 三極管放大的外部條件 發(fā)射結(jié)正偏 集電結(jié)反偏 3 集電結(jié)面積大 1 3 2晶體管的電流放大作用 一 晶體管內(nèi)部載流子的運動 發(fā)射結(jié)加正向電壓 擴散運動形成發(fā)射極電流 2 擴散到基區(qū)的自由電子與空穴的復(fù)合運動形成基極電流 復(fù)合掉的空穴由VBB補充 多數(shù)電子在基區(qū)繼續(xù)擴散 到達集電結(jié)的一側(cè) 晶體管內(nèi)部載流子的運動 3 集電結(jié)加反向電壓 漂移運動形成集電極電流Ic其能量來自外接電源VCC 另外 集電區(qū)和基區(qū)的少子在外電場的作用下將進行漂移運動而形成反向飽和電流 用ICBO表示 一 晶體管內(nèi)部載流子的運動 二 晶體管的電流分配關(guān)系 IEp ICBO IE IC IB IEn IBn ICn IC ICn ICBO IE ICn IBn IEp IEn IEp IE IC IB 圖1 3 4晶體管內(nèi)部載流子的運動與外部電流 三 晶體管的共射電流放大系數(shù) 整理可得 ICBO稱反向飽和電流 ICEO稱穿透電流 1 共射直流電流放大系數(shù) 2 共射交流電流放大系數(shù) 共集電極接法 集電極作為公共電極 用CC表示 共基極接法 基極作為公共電極 用CB表示 共發(fā)射極接法 發(fā)射極作為公共電極 用CE表示 BJT的三種組態(tài) 3 共基直流電流放大系數(shù) 或 4 共基交流電流放大系數(shù) 直流參數(shù)與交流參數(shù) 的含義是不同的 但是 對于大多數(shù)三極管來說 與 與 的數(shù)值卻差別不大 計算中 可不將它們嚴格區(qū)分 5 與 的關(guān)系 iB f uBE UCE const 2 當(dāng)uCE 1V時 uCB uCE uBE 0 集電結(jié)已進入反偏狀態(tài) 開始收集電子 基區(qū)復(fù)合減少 在同樣的uBE下IB減小 特性曲線右移 1 當(dāng)uCE 0V時 相當(dāng)于發(fā)射結(jié)的正向伏安特性曲線 一 輸入特性曲線 1 3 3晶體管的共射特性曲線 iC f uCE IB const 二 輸出特性曲線 輸出特性曲線的三個區(qū)域 飽和區(qū) 放大區(qū) 截止區(qū) BJT的三個工作區(qū)域 飽和區(qū)特點 iC不再隨iB的增加而線性增加 即 此時 截止區(qū)特點 iB 0 iC ICEO uCE UCES 典型值為0 3V 放大區(qū)特點 BJT輸出特性比較平坦 接近于恒流特性 在這個區(qū)域符合iB iC的規(guī)律 是放大器的工作部分 當(dāng)工作點進入飽和區(qū)或截止區(qū)時 將產(chǎn)生非線性失真 三極管的參數(shù)分為三大類 直流參數(shù) 交流參數(shù) 極限參數(shù) 一 直流參數(shù) 1 共發(fā)射極直流電流放大系數(shù) IC IB vCE const 2 共基直流電流放大系數(shù) 3 集電極基極間反向飽和電流ICBO 集電極發(fā)射極間的反向飽和電流ICEO ICEO 1 ICBO 1 3 4晶體管的主要參數(shù) 二 交流參數(shù) 1 共發(fā)射極交流電流放大系數(shù) iC iB UCE const 2 共基極交流電流放大系數(shù) iC iE UCB const 3 特征頻率fT 值下降到1的信號頻率 1 最大集電極耗散功率PCM PCM ICUCE 三 極限參數(shù) 2 最大集電極電流ICM 3 反向擊穿電壓 UCBO 發(fā)射極開路時的集電結(jié)反向擊穿電壓 UEBO 集電極開路時發(fā)射結(jié)的反向擊穿電壓 UCEO 基極開路時集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓 幾個擊穿電壓有如下關(guān)系UCBO UCEO UEBO 1 溫度變化對ICBO的影響 2 溫度變化對輸入特性曲線的影響 溫度T 輸出特性曲線上移 溫度T 輸入特性曲線左移 3 溫度變化對 的影響 溫度每升高1 C 要增加0 5 1 0 溫度T 輸出特性曲線族間距增大 1 3 5溫度對晶體管參數(shù)的影響 三極管工作狀態(tài)的判斷 例1 測量某NPN型BJT各電極對地的電壓值如下 試判別管子工作在什么區(qū)域 1 VC 6VVB 0 7VVE 0V 2 VC 6VVB 4VVE 3 6V 3 VC 3 6VVB 4VVE 3 4V 解 原則 對NPN管而言 放大時VC VB VE對PNP管而言 放大時VC VB VE 1 放大區(qū) 2 截止區(qū) 3 飽和區(qū) 判斷三極管工作狀態(tài)的解題思路 1 把三極管從電路中拿走 在此電路拓撲結(jié)構(gòu)下求三極管的發(fā)射結(jié)電壓 若發(fā)射結(jié)反偏或零偏或小于死區(qū)電壓值 則三極管截止 若發(fā)射結(jié)正偏 則三極管可能處于放大狀態(tài)或處于飽和狀態(tài) 需要進一步判斷 進入步驟 2 2 把三極管放入電路中 電路的拓撲結(jié)構(gòu)回到從前 假設(shè)三極管處于臨界飽和狀態(tài) 三極管既可以認為是處于飽和狀態(tài)也可以認為是處于放大狀態(tài) 在放大區(qū)和飽和區(qū)的交界區(qū)域 此時三極管既有飽和狀態(tài)時的特征UCES 0 3V 又有放大狀態(tài)時的特征IC IB 求此時三極管的集電極臨界飽和電流ICS 進而求出基極臨界飽和電流IBS 集電極臨界飽和電流ICS是三極管的集電極可能流過的最大電流 3 在原始電路拓撲結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上 求出三極管的基極支路中實際流動的電流iB 4 比較iB和IBS的大小 若iB IBS 或者 iB ICS 則三極管處于飽和狀態(tài) 若iB IBS 或者 iB ICS 則三極管處于放大狀態(tài) 例某放大電路中BJT三個電極的電流如圖所示 IA 2mA IB 0 04mA IC 2 04mA 試判斷管腳 管型 解 電流判斷法 電流的正方向和KCL IE IB IC A B C IA IB IC C為發(fā)射極B為基極A為集電極 管型為NPN管 例 測得工作在放大電路中幾個晶體管三個電極的電位U1 U2 U3分別為 1 U1 3 5V U2 2 8V U3 12V 2 U1 3V U2 2 8V U3 12V 3 U1 6V U2 11 3V U3 12V 4 U1 6V U2 11 8V U3 12V判斷它們是NPN型還是PNP型 是硅管還是鍺管 并確定e b c 1 U1b U2e U3cNPN硅 2 U1b U2e U3cNPN鍺 3 U1c U2b U3ePNP硅 4 U1c U2b U3ePNP鍺 原則 先求UBE 若等于0 6 0 7V 為硅管 若等于0 2 0 3V 為鍺管 發(fā)射結(jié)正偏 集電結(jié)反偏 NPN管UBE 0 UBC 0 即UC UB UE PNP管UBE 0 UBC 0 即UC UB UE 解 一 等效電路 符號 二 光電三極管的輸出特性曲線 1 3 6光電三極管 場效應(yīng)管是通過改變外加電壓產(chǎn)生的電場強度來控制其導(dǎo)電能力的半導(dǎo)體器件 它不僅具有雙極型三極管的體積小 重量輕 耗電少 壽命長等優(yōu)點 而且還具有輸入電阻高 熱穩(wěn)定性好 抗輻射能力強 噪聲低 制造工藝簡單 便于集成等特點 因而 在大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路中得到了廣泛的應(yīng)用 根據(jù)結(jié)構(gòu)和工作原理不同 場效應(yīng)管可分為兩大類 結(jié)型場效應(yīng)管 JFET 和絕緣柵型場效應(yīng)管 IGFET 1 4場效應(yīng)管 場效應(yīng)管 一種載流子參與導(dǎo)電 利用輸入回路的電場效應(yīng)來控制輸出回路電流的三極管 又稱單極型三極管 特點 單極型器件 一種載流子導(dǎo)電 輸入電阻高 工藝簡單 易集成 功耗小 體積小 成本低 1 4場效應(yīng)管 N溝道 P溝道 增強型 耗盡型 N溝道 P溝道 N溝道 P溝道 耗盡型 場效應(yīng)管分類 1 4場效應(yīng)管 1 4 1結(jié)型場效應(yīng)管1 4 2絕緣柵場效應(yīng)管1 4 3場效應(yīng)管的主要參數(shù)1 4 4場效應(yīng)管與晶體管的比較 1 4場效應(yīng)管 符號 結(jié)構(gòu) N型溝道 柵極 源極 漏極 在漏極和源極之間加上一個正向電壓 N型半導(dǎo)體中多數(shù)載流子電子可以導(dǎo)電 導(dǎo)電溝道是N型的 稱N溝道結(jié)型場效應(yīng)管 1 4 1結(jié)型場效應(yīng)管 P溝道場效應(yīng)管 P溝道結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)圖 P溝道場效應(yīng)管是在P型硅棒的兩側(cè)做成高摻雜的N型區(qū) N 導(dǎo)電溝道為P型 多數(shù)載流子為空穴 一 結(jié)型場效應(yīng)管工作原理 N溝道結(jié)型場效應(yīng)管用改變UGS大小來控制漏極電流ID的 VCCS 在柵極和源極之間加反向電壓 耗盡層會變寬 導(dǎo)電溝道寬度減小 使溝道本身的電阻值增大 漏極電流ID減小 反之 漏極ID電流將增加 耗盡層的寬度改變主要在溝道區(qū) UGS對溝道的控制作用 當(dāng)UGS 0時 當(dāng)溝道夾斷時 ID減小至0 此時對應(yīng)的柵源電壓UGS稱為夾斷電壓UGS off 對于N溝道的JFET UPGS off 0 PN結(jié)反偏 耗盡層加厚 溝道變窄 UGS繼續(xù)減小 溝道繼續(xù)變窄 ID繼續(xù)變小 當(dāng)UGS 0時 溝道最寬 溝道電阻最小 在UDS的作用下N溝道內(nèi)的電子定向運動形成漏極電流ID 此時最大 溝道電阻變大 ID變小 根據(jù)其結(jié)構(gòu) 它只能工作在反偏條件下 N溝道管加負柵源電壓 P溝道管加正柵源電壓 否則將會出現(xiàn)柵流 一 結(jié)型場效應(yīng)管工作原理 UDS對溝道的控制作用 當(dāng)UGS 0時 UDS ID G D間PN結(jié)的反向電壓增加 使靠近漏極處的耗盡層加寬 溝道變窄 從上至下呈楔形分布 當(dāng)UDS增加到使UGD UGS off 時 在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷 此時UDS 夾斷區(qū)延長 溝道電阻 ID基本不變 一 結(jié)型場效應(yīng)管工作原理 UGS和UDS同時作用時 當(dāng)UP UGS 0時 導(dǎo)電溝道更容易夾斷 對于同樣的UDS ID的值比UGS 0時的值要小 在預(yù)夾斷處 UGD UGS UDS UGS off 一 結(jié)型場效應(yīng)管工作原理 綜上分析可知 溝道中只有一種類型的多數(shù)載流子參與導(dǎo)電 所以場效應(yīng)管也稱為單極型三極管 JFET是電壓控制電流器件 iD受uGS控制 預(yù)夾斷前iD與uDS呈近似線性關(guān)系 預(yù)夾斷后 iD趨于飽和 為什么JFET的輸入電阻比BJT高得多 JFET柵極與溝道間的PN結(jié)是反向偏置的 因此iG 0 輸入電阻很高 JFET是利用PN結(jié)反向電壓對耗盡層厚度的控制 來改變導(dǎo)電溝道的寬窄 從而控制漏極電流的大小 二 結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線 1 轉(zhuǎn)移特性 N溝道結(jié)型場效應(yīng)管為例 uGS 0 iD最大 uGS愈負 iD愈小 uGS UGS off iD 0 兩個重要參數(shù) 飽和漏極電流IDSS UGS 0時的ID 夾斷電壓UGS off ID 0時的UGS UDS iD VDD VGG D S G uGS 轉(zhuǎn)移特性 2 輸出特性曲線 當(dāng)柵源之間的電壓UGS不變時 漏極電流iD與漏源之間電壓uDS的關(guān)系 即 結(jié)型場效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性曲線的近似公式 恒流區(qū) 可變電阻區(qū) 漏極特性也有三個區(qū) 可變電阻區(qū) 恒流區(qū)和夾斷區(qū) 輸出特性 漏極特性 曲線 夾斷區(qū) UDS iD VDD VGG D S G uGS 擊穿區(qū) JFET有正常放大作用時 溝道處于什么狀態(tài) 2 轉(zhuǎn)移特性 UGS off 1 輸出特性 結(jié)型場效應(yīng)管 N溝道耗盡型 P溝道耗盡型 1 4 2絕緣柵型場效應(yīng)管MOSFEMetal OxideSemiconductorFieldEffectTransistor 由金屬 氧化物和半導(dǎo)體制成 稱為金屬 氧化物 半導(dǎo)體場效應(yīng)管 或簡稱MOS場效應(yīng)管 特點 輸入電阻可達1010 有資料介紹可達1014 以上 類型 N溝道 P溝道 增強型 耗盡型 增強型 耗盡型 UGS 0時漏源間存在導(dǎo)電溝道稱耗盡型場效應(yīng)管 UGS 0時漏源間不存在導(dǎo)電溝道稱增強型場效應(yīng)管 一 N溝道增強型MOS場效應(yīng)管 漏極D 集電極C 源極S 發(fā)射極E 絕緣柵極G 基極B 襯底B 電極 金屬絕緣層 氧化物基體 半導(dǎo)體因此稱之為MOS管 1 結(jié)構(gòu) 1 4 2絕緣柵場效應(yīng)管 當(dāng)UGS較小時 雖然在P型襯底表面形成一層耗盡層 但負離子不能導(dǎo)電 當(dāng)UGS UGS th 時 在P型襯底表面形成一層電子層 形成N型導(dǎo)電溝道 在UDS的作用下形成iD 2 N溝道增強型MOS場效應(yīng)管工作原理 當(dāng)UGS 0V時 漏源之間相當(dāng)兩個背靠背的PN結(jié) 無論UDS之間加什么電壓都不會在D S間形成電流iD 即iD 0 當(dāng)UGS UGS th 時 溝道加厚 溝道電阻減少 在相同UDS的作用下 iD將進一步增加 開始時無導(dǎo)電溝道 當(dāng)在UGS UGS th 時才形成溝道 這種類型的管子稱為增強型MOS管 一方面 MOSFET是利用柵源電壓的大小 來改變半導(dǎo)體表面感生電荷的多少 從而控制漏極電流的大小 當(dāng)UGS UGS th 且固定為某一值時 來分析漏源電壓UDS的不同變化對導(dǎo)電溝道和漏極電流ID的影響 UDS UDG UGS UGD UGSUGD UGS UDS 當(dāng)UDS為0或較小時 相當(dāng)UGD UGS th 此時UDS基本均勻降落在溝道中 溝道呈斜線分布 在UDS作用下形成ID 另一方面 漏源電壓UDS對漏極電流ID的控制作用 當(dāng)UDS增加到使UGD UGS th 時 當(dāng)UDS增加到UGD UGS th 時 增強型MOS管 這相當(dāng)于UDS增加使漏極處溝道縮減到剛剛開啟的情況 稱為預(yù)夾斷 此時的漏極電流ID基本飽和 此時預(yù)夾斷區(qū)域加長 伸向S極 UDS增加的部分基本降落在隨之加長的夾斷溝道上 ID基本趨于不變 漏源電壓UDS對漏極電流ID的控制作用 UGD UGS UDS 3 N溝道增強型MOS場效應(yīng)管特性曲線 iD f uGS uDS C 轉(zhuǎn)移特性曲線 iD f uDS uGS C 輸出特性曲線 當(dāng)uGS變化時 RON將隨之變化 因此稱之為可變電阻區(qū) 恒流區(qū) 飽和區(qū) uGS一定時 iD基本不隨uDS變化而變化 uGS V 二 N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管 耗盡型MOS管存在原始導(dǎo)電溝道 1 結(jié)構(gòu) 2 N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管工作原理 當(dāng)UGS 0時 UDS加正向電壓 產(chǎn)生漏極電流iD 此時的漏極電流稱為漏極飽和電流 用IDSS表示 當(dāng)UGS 0時 將使iD進一步增加 當(dāng)UGS 0時 隨著UGS的減小漏極電流逐漸減小 直至iD 0 對應(yīng)iD 0的UGS稱為夾斷電壓 用符號UGS off 表示 N溝道耗盡型MOS管可工作在UGS 0或UGS 0N溝道增強型MOS管只能工作在UGS 0 3 N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管特性曲線 輸出特性曲線 轉(zhuǎn)移特性曲線 各類絕緣柵場效應(yīng)三極管的特性曲線 絕緣柵場效應(yīng)管 N溝道增強型 P溝道增強型 絕緣柵場效應(yīng)管 N溝道耗盡型 P溝道耗盡型 2 夾斷電壓UGS