PNP型三极管

第5章半导体器件５.1晶体二极管５.２晶体三极管５.３场效应管５.４晶闸管第5章半导体器件学习要点二极管的工作原理、伏安特性、主要参数三极管的放大作用、输入和输出特性曲线及主要参数晶体二极管、三极管的识别与简单測試场效应管和晶闸管的工作原理、伏安特性、主要参数5.1晶体二极管概述导体：很容易导电的物体，如金、银、铜、铁等。绝缘体：不容易导电或者完全不导电的物体，如塑料、橡胶、陶瓷、玻璃等。半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质，如硅(Si)、锗(Ge)、金属氧化物等。硅和锗是4价元素，原子的最外层轨道上有4个价电子。5.1.1半导体的特性１、半导体的特性：掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，使其导电能力明显改变。光敏性：当受到光照时，其导电能力明显变化。(可制成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光电池等)。热敏性：当环境温度升高时，导电能力明显増强。在纯净半导体硅或锗（4价）中掺入磷、砷等5价元素，由于这类元素的原子最外层有5个价电子，故在构成的共价键结构中，由于存在一个多余的价电子而产生大量自由电子，这种半导体主要靠自由电子导电，称为电子半导体或N型半导体，其中自由电子为多数载流子，热激发形成的空穴为少数载流子。（1）N型半导体自由电子多数载流子（简称多子）空穴少数载流子（简称少子）2、Ｐ型半导体和Ｎ型半导体（2）P型半导体在纯净半导体硅或锗（4价）中掺入硼、铝等3价元素，由于这类元素的原子最外层只有3个价电子，故在构成的共价键结构中，由于缺少价电子而形成大量空穴，这类掺杂后的半导体其导电作用主要靠空穴运动，称为空穴半导体或P型半导体，其中空穴为多数载流子，热激发形成的自由电子是少数载流子。自由电子多数载流子（简称多子）空穴少数载流子（简称少子）P型半导体N型半导体＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋无论是P型半导体还是N型半导体都是中性的，通常对外不显电性。掺入的杂质元素的浓度越高，多数载流子的数量越多。只有将两种杂质半导体做成PN结后才能成为半导体器件。半导体中载流子有扩散运动和漂移运动两种运动方式。载流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动。在半导体中，如果载流子浓度分布不均匀，因为浓度差，载流子将会从浓度高的区域向浓度低的区域运动，这种运动称为扩散运动。将一块半导体的一侧掺杂成P型半导体，另一侧掺杂成N型半导体，在两种半导体的交界面处将形成一个特殊的薄层→PN结。（1）．PN结的形成３、PN结及其单向导电性P区空间电荷区N区PN结及其内电场内电场方向＋＋＋＋＋＋＋＋＋P区N区载流子的扩散运动＋＋＋＋＋＋＋＋＋多子扩散形成空间电荷区产生内电场少子漂移促使阻止扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的PN结①外加正向电压（也叫正向偏置）外加电场与内电场方向相反，内电场削弱，扩散运动大大超过漂移运动，N区电子不断扩散到P区，P区空穴不断扩散到N区，形成较大的正向电流，这时称PN结处于低阻导通状态。空间电荷区变窄ER内电场外电场PNI＋＋＋2．PN结的单向导电性.PN结加反向电压（反向偏置）外电场内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+一个PN结加上相应的电极引线并用管壳封装起来，就构成了半导体二极管，简称二极管。符号用VD表示。半导体二极管按其结构不同可分为点接触型和面接触型两类。点接触型二极管PN结面积很小，结电容很小，多用于高频检波及脉冲数字电路中的开关元件。面接触型二极管PN结面积大，结电容也小，允許通过电流大，多用在低频整流、检波等电路中。阳极阴极5.1.2晶体二极管的结构与类型-60-40-200.40.8U/V40302010I/mA0正向特性反向特性（1）正向特性（导通）外加正向电压小于开启电压（阈值电压）时，外电场不足以克服内电场对多子扩散的阻力，PN结处于截止状态。正向电压大于阈值电压后，正向电流随着正向电压增大迅速上升。通常阈值电压硅管约为0.5V，导通时电压0.6V；锗管阈值电压约为0.2V，导通时电压0.3V。外加反向电压时，PN结处于截止状态。1、温升使反向电流增加很快；2、反向电流很小且稳定。（2）反向特性（截止）5.1.3晶体二极管的伏安特性（3）反向击穿反向电压大于击穿电压（UBR）时，反向电流急剧增加。原因为电击穿。1、强外电场破坏键结构；2、获得大能量的載流子碰撞原子产生新的电子空穴对。如无限流措施，会造成热击穿而损坏。（1）最大整流电流IM：指管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。（2）反向击穿电压UBR：指管子反向击穿时的电压值。（3）最大反向工作电压URM：二极管运行时允许承受的最大反向电压（约为UBR的一半）。（4）最大反向电流IRM：指管子未击穿时的反向电流，其值越小，则管子的单向导电性越好。（5）最高工作频率fm：主要取决于PN结结电容的大小。理想二极管：正向导通时为短路特性，正向电阻为零，正向压降忽略不计；反向截止时为开路特性，反向电阻为无穷大，反向漏电流忽略不计。5.1.4半导体二极管的主要参数电路如图，求：UABV阳=－6VV阴=－12VV阳V阴二极管导通若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=－6V否则，UAB低于－6V一个管压降，为－6.3Ｖ或－6.7V例1：取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。在这里，二极管起钳位作用。D6V12V3kBAUAB+–稳压管的主要参数：（1）稳定电压UZ。反向击穿后稳定工作的电压。（2）稳定电流IZ。工作电压等于稳定电压时的电流。（3）动态电阻rZ。稳定工作范围内，管子两端电压的变化量与相应电流的变化量之比。即：rZ=ΔUZ/ΔIZ（4）额定功率PZ和最大稳定电流IZM。额定功率PZ是在稳压管允许结温下的最大功率损耗。最大稳定电流IZM是指稳压管允许通过的最大电流。它们之间的关系是：PZ=UZIZM稳压管是一种用特殊工艺制造的半导体二极管，稳压管的稳定电压就是反向击穿电压。稳压管的稳压作用在于：电流增量很大，只引起很小的电压变化。稳压管的反向击穿应是可逆的，工作电流能控制在一定范围内。阳极阴极5.1.5稳压管和发光二极管符号：１、稳压管２、发光二极管（LED）当发光二极管的PN结加上正向电压时，电子与空穴复合过程以光的形式放出能量。不同材料制成的发光二极管会发出不同颜色的光。发光二极管具有亮度高、清晰度高、电压低（1.5～3V）、反应快、体积小、可靠性高、寿命长等特点，是一种很有用的半导体器件，常用于信号指示、数字和字符显示。阳极阴极(a)(b)LEDLEDRE6.1.7半导体二极管的主要参数•半导体器件品种繁多，特性不一，为了便于分类和识别，•对不同类型的半导体器件应用不同的符号来表示。•（按照国家标准GB249—74规定，国产二极管的型•号由五部分组成，见表5.1）5.1.6晶体二极管的型号命名第一部分（数字）第二部分（拼音）第三部分（拼音）第四部分（数字）第五部分（拼音）电极数目材料和极性二极管类型二极管序号规格号2—二极管A—N型锗B—P型锗C—N型硅D—P型硅P—普通管Z—整流管W—稳压管K—开关管F—发光管L—整流堆表示某些性能与参数上的差别表示同型号中的档别表5.1晶体二极管的型号命名例如：２ＣＫ８４表示开关硅二极管5.2晶体三极管5.2.1三极管的结构原理半导体三极管是由两个背靠背的PN结构成的。重要特性是具有电流放大作用和开关作用，常见的有平面型和合金型两类。在工作过程中，两种载流子（电子和空穴）都参与导电，故又称为双极型晶体管，简称晶体管或三极管。两个PN结，把半导体分成三个区域（三区二结）。这三个区域的排列，可以是N-P-N，也可以是P-N-P。因此，双极型三极管有两种类型：NPN型和PNP型。集电结B发射结NPN集电区基区发射区CCEEB集电结B发射结PNPCCEEB集电区基区发射区NPN型PNP型基区：最薄，掺杂浓度最低发射区：掺杂浓度最高发射结集电结BECNNP基极发射极集电极结构特点：集电区：面积最大5.2.2晶体三极管三个电极间的电流关系和电流放大作用ICIBRBUBBUCCRCVVμAmA+UCE－+UBE－0.40.8UBE/V40302010IB/mA0UCE≥1V测量三极管特性的实验电路三极管的输入特性曲线1.各电极电流关系IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.100.0010.701.502.303.103.950.0010.721.542.363.184.05结论:1）三电极电流关系IE=IB+IC2）ICIB，ICIE3）ICIB把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大变化的特性称为晶体管的电流放大作用。实质:用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的变化，是CCCS器件。实验表明IC比IB大数十至数百倍，因而有IC近似等于IE。IB虽然很小，但对IC有控制作用，IC随IB的改变而改变，即基极电流较小的变化可以引起集电极电流较大的变化，表明基极电流对集电极具有小量控制大量的作用，这就是三极管的电流放大作用。5.2.3三极管的特性曲线（NPN）ICIBRBUBBUCCRCVVμAmA+UCE－+UBE－0.40.8UBE/V40302010IB/mA0UCE≥1V测量三极管特性的实验电路三极管的输入特性曲线1．输入特性曲线与二极管加正向电压类似发射极是输入回路、输出回路的公共端共发射极电路输入回路输出回路测量晶体管特性的实验线路ICEBmAAVUCEUBERBIBECV++––––++4321IB=0036912UCE/V20μA40μA60μA80μA100μA饱和区截止区放大区IC/mA2．输出特性曲线（1）放大区：发射极正向偏置，集电结反向偏置（2）截止区：发射结反向偏置，集电结反向偏置（3）饱和区：发射结正向偏置，集电结正向偏置IB0以下区域为截止区，有IC0。当UCEUBE时，晶体管工作于饱和状态。在放大区有IC=IB，也称为线性区，具有恒流特性。5.2.4三极管的主要参数1、电流放大系数β：iC=βiB有直流和交流之分，在小功率范围內认为相等。（有的用hfe表示）2、极间反向电流iCBO、iCEO：iCEO也叫穿透电流，与ICBO、β及温度有关。iCEO=（1+β）iCBO3、极限参数（1）集电极最大允许电流ICM：下降到额定值的2/3时所允许的最大集电极电流，电路不能正常工作。（2）反向击穿电压U（BR）CEO：基极开路时，集电极、发射极间的最大允许反向电压，大了可能烧坏管子。（3）集电极最大允许功耗PCM=ICUCE：决定了管子的温升极限。在輸出特性曲线上是一条双曲线，划定了安全区。5.3场效应晶体管（FET）场效应管也是一种由PN结组成的半导体，因是利用电场效应来控制电流的故称为场效应管。和TTL比較，其主要特点是：輸入电阻大；受温度影响小，热稳定性好；噪声低；易于集成化。因而获得广泛运用。按内部结构的不同，分为结型场效应管（JFET）和绝缘栅型场效应管（IGFET）二大类。最常用的绝缘栅型场效应管是由金属-氧化物-半导体材料构成，简称MOS管。由P沟道、N沟道构造的PMOS和NMOS二种类型。其中每一类型又分增强型和耗尽型两种。(CMOS是由PMOS和NMOS管组成的互补对称的集成电路）增强型：UGS=0，不存在导电沟道，ID=0。耗尽型：UGS=0，存在导电沟道，ID=0。耗尽型GSDGSD增强型N沟道P沟道GSDGSDN沟道P沟道G、S之间加一定电压才形成导电沟道在制造时就具有原始导电沟道N沟道P型硅衬底N+N+源极S栅极G漏极DSiO2绝缘层金属铝DSG衬底DSG衬底N沟道绝缘栅型场效应管的结构N沟道耗尽型场效应管的符号N沟道增强型场效应管的符号5.3.1绝缘栅型场效应管(IGFET)的结构P沟道N型硅衬底P+P+源极S栅极G漏极DSiO2绝缘层金属铝DSG衬底DSG衬底P沟道绝缘栅型场效应管的结构P沟道耗尽型场效应管的符号P沟道增强型场效应管的符号耗尽型：UGS=0时漏、源极之间已经存在原始导