半导体元器件及其特性.pptx

第1章 半导体元件及其特征第第 1 章半导体元件及其特征章半导体元件及其特征 实训实训1 常用半导体元件的识别与性能测常用半导体元件的识别与性能测方法方法1用万用表简易判别二极管、用万用表简易判别二极管、三极管三极管(一)实训目的 (1)认识常用晶体二极管和三极管的外形特征。(2)学会使用万用表判别晶体二极管的极性和三极管的管脚。(3)熟悉用万用表判别二极管和三极管的质量。第1章 半导体元件及其特征 (二二)预习要求预习要求 (1)预习PN结的外加正、反向电压的工作原理和三极管电流放大原理。(2)预习万用表电阻挡的使用方法。(三三)实训原理实训原理 1.二极管的外形特征二极管的外形特征 （1）二极管共有两根引脚，两根引脚有正、负之分，在使用中两根引脚不能接反，否则会损坏二极管或损坏电路中的其它元件。第1章 半导体元件及其特征 （2）二极管的两根引脚轴向伸出。（3）有一部分二极管外壳上标出二极管的电路符号，以便识别二极管的正负极引脚。2万用表测试二极管的原理万用表测试二极管的原理 晶体二极管内部实质上是一个PN结。当外加正向电压，也即P端电位高于N端电位时，二极管导通呈低电阻，当外加反向电压，也即N端电位高于P端电位时，二极管截止呈高电阻。因此可应用万用表的电阻挡鉴别二极管的极性和判别其质量的好坏。实图1.1所示为万用表电阻挡的等效电路。由图可知，表外电路的电流方向从万用表负端（-）流向正端（+），即万用表处于电阻挡时，其（-）端为内电源的正极，（+）端为内电源的负极。第1章 半导体元件及其特征第1章 半导体元件及其特征 由等效电路图可算出电阻挡在n倍率下输出的短路电流值。测试时，可由指针偏转角占全量程刻度的百分比（可通过指针所处直流电压刻度位置估算之）估算流经被测元器件的直流电流。可用下式计算：I=(1.1)在测试小功率二极管时一般使用R100()或R1k()挡，不致损坏管子。3.万用表测试三极管的原理万用表测试三极管的原理 1）基极和管型的判断 三极管内部有两个PN结，即集电结和发射结，实图1.2（a）所示为NPN型三极管。与二极管相似，三极管内的PN结同样具有单向导电性。第1章 半导体元件及其特征 因此可用万用表电阻挡判别出基极b和管型。例如,NPN型三极管，当用黑表棒接基极b，用红表棒分别搭试集电极c和发射极e，测的阻值均较小；反之，表棒位置交换后，测的阻值均较大。但在测试时未知电极和管型，因此对三个电极脚要调换测试，直到符合上述测量结果为止。然后，再根据在公共端电极上表棒所代表的电源极性，可判别出基极b和管型。如实图1.2（b）所示。2）集电极和发射极的判别 这可根据三极管的电流放大作用进行判别。实图1.3所示的电路，当未接上Rb时,无IB，则IC=ICEO很小，测得c、e间电阻大；第1章 半导体元件及其特征第1章 半导体元件及其特征第1章 半导体元件及其特征 当接上Rb，则有IB，而IC=IB+ICEO，因此，IC显然要增大，测得c、e间电阻比未接上Rb时为小。如果c、e调头，三极管成反向运用，则小，无论Rb接与不接，c、e间电阻均较大，因此可判断出c和e极。例如，测量的管型是NPN型，若符合大的情况，则与黑表棒相接的是集电极c。3）反向穿透电流ICEO的检查ICEO的大小是衡量三极管质量的一个重要指标，要求越小越好。按产品指标是在UCE某定值下测ICEO，因此用万用表电阻挡测试时，仅为一参考值测量方法仍如实图1.3所示，此时基极应开路，根据指针偏转角的百分比，由式（1.1）可估算出ICEO的大小。第1章 半导体元件及其特征 4）共发射极直流电流放大系数的性能测试 测试方法与2）中判别c、e极方法相似。由三极管电流放大倍数原理可知，在接Rb时测得阻值比未接Rb时为小，即角百分比越大，表明三极管的电流放大系数越大。在掌握上述一些测试方法后，即可判别二极管和三极管的PN结是否损坏，是开路还是短路。这是在实用上判断管子是否良好所经常采用的简便方法。应该指出，在用万用表测量晶体管 时，应 该 使 用 R100()或 R1k()的 电 阻 挡。若 放 在R10k()挡上，则因万用表内接有较高电压的电池，有可能将PN结击穿。若用R1()挡，则因万用表的等效电阻较小，会使过大的电流流过PN结，有可能会烧坏晶体管。第1章 半导体元件及其特征 (四四)实训设备和器件实训设备和器件 万用表一只；二极管：2AP型，2CP型各一只；三极管：3AX31,3DG6各一只；电阻：100 k一只；坏的二极管、三极管若干只。(五五)实训内容实训内容 1 测试二极管的正、测试二极管的正、负极性和正反向电阻负极性和正反向电阻 用万用表电阻挡（R100()或R1k()挡）判别二极管的正、负极。2判别三极管的管脚和管型（判别三极管的管脚和管型（NPN型和型和PNP型）型）（1）用万用表电阻挡（R100()或R1k()挡）先判别基极b和管型。第1章 半导体元件及其特征 （2）判别出集电极c和发射极e，测定ICEO和的大小。（3）用万用表测试坏的二极管和三极管，鉴别分析管子质量和损坏情况。(六六)实训报告实训报告 (1)将测得数据进行分析整理，填入实表1.1。实表实表 1.1正、正、反向电阻测量值反向电阻测量值 二极管类型 2AP型 2CP型 万用表电阻挡R100()R1K()R100()R1K()正向电阻 反向电阻 第1章 半导体元件及其特征 (2)根据测量结果，总结出一般晶体二极管正向电阻、反向电阻的范围。(七七)思考题思考题 通过实训，你能否回答下列问题?(1)能否用万用表测量大功率三极管？测量时使用哪一挡，为什么？(2)为什么用万用表不同电阻挡测二极管的正向（或反向）电阻值时，测得的阻值不同?(3)用万用表测得的晶体二极管的正、反向电阻是直流电阻还是交流电阻？用万用表R10()挡和R1k()挡去测量同一个二极管的正向电阻时，所得的结果是否相同？为什么？第1章 半导体元件及其特征 (4)我们知道，二极管的反向电阻较大，需用万用表欧姆挡的R1k()或R10k()挡去测量。有人在测量二极管的反向电阻时，为了使表笔和管脚接触良好，用两手分别把两个接触处捏紧，结果发现管子的反向电阻比实际值小很多，这是为什么？方法 2用逐点法测试二极管和三极管的特性曲线 (一)实训目的 (1)通过用普通万用表测试二极管和三极管的特性曲线，加深理解其特性曲线的物理意义。(2)了解被测管子各极间的电压和电流在数值上的关系和特点。第1章 半导体元件及其特征 (二二)预习要求预习要求 (1)测量二极管的正向和反向伏安特性对电源的连接和数值有什么要求？在测试同一条伏安特性过程中，为什么不要变更万用表的量程？(2)共发射极直流与交流电流放大系数概念上有什么区别？(3)三极管的输入特性和输出特性应在什么条件下进行测量？对测量电表有什么要求？(4)测试锗材料三极管的伏安特性时，若测试时间过长，为什么会影响测量结果？第1章 半导体元件及其特征 (三三)实训原理实训原理 1.二极管伏安特性测试二极管伏安特性测试 用逐点法测试二极管正、反向伏安特性。逐点改变加在二极管两端电压UVD，测出各点电压UVD和与UVD相对应的电流IVD，即可描绘出伏安特性曲线。2.三极管共发射极组态伏安特性测试三极管共发射极组态伏安特性测试 三极管共发射极组态的伏安特性有输入特性和输出特性。输入特性可用函数式:IB=f(UBE)|U CE=常数第1章 半导体元件及其特征 来表示，即在UCE电压保持不变情况下，基极输入回路中UBE和IB之间的关系。一般当UCE2 V后，输入特性基本重合。输出特性可用函数式：IC=f(UCE)|I B=常数来表示，即在基极电流IB保持不变情况下，在集电极输出回路中UCE和IC之间的关系。3.实训电路实训电路 实训电路如实图 1.4 和实图 1.5 所示。第1章 半导体元件及其特征第1章 半导体元件及其特征第1章 半导体元件及其特征 (四四)实训内容实训内容 1.测量二极管正、测量二极管正、反向特性反向特性 按实图1.4接线。(1)测正向伏安特性时，将S、S各与1、1相接，电源E=3V，电流用直流毫安表挡测量。(2)测反向伏安特性时，S、S各与2、2相接，电源E=30V，电流用直流微安挡测量。测量时，调节电位器RP使二极管两端电压从零开始逐点增加，并测出各点电压相对应的电流值IVD,记录于实表1.2和实表1.3内。第1章 半导体元件及其特征 实表实表1.2 二极管的正向特性二极管的正向特性 UVD/V 00.100.150.200.250.300.400.500.600.70UVD/MA实表实表1.3 二极管的反向特性二极管的反向特性-UVD/V 0248121620242832-IVD/uA第1章 半导体元件及其特征 2.测量三极管的输入特性测量三极管的输入特性 （1）按实图1.5接线，在开启电源前，将UBB调至3V，UCC置于零位，然后开启电源，仍使UCC=0V，并维持不变，即UCE=0 V，然后调节RP，使UBE由0V开始逐渐增大，读测并记录与UBE各点相对应的IB，填入实表1.4中。实表实表 1.4三极管的输入特性三极管的输入特性 UBE/V 00.100.300.500.550.600.650.700.750.80Uce=0V IB/MAUce=2V第1章 半导体元件及其特征实表实表1.5 三极管的输出特性三极管的输出特性 00.200.501510020406080100120第1章 半导体元件及其特征 (五五)实训报告实训报告 (1)整理数据，填好表格。(2)根据测试结果，用方格坐标描绘二极管正、反向特性曲线和三极管输入、输出特性曲线。(3)通过输出特性曲线，在UCE=6 V,IB=60A的工作点上求取共发射极直流电流放大系数 和交流电流放大系数。(六六)思考题思考题 (1)如果要测试硅二极管的正向特性，应如何较合理地安排测试点，为什么？(2)测试PNP型三极管时，电源应如何连接？第1章 半导体元件及其特征1.1 半导体二极管半导体二极管 1.1.1 PN结的形成与特性结的形成与特性 1PN结的形成结的形成 在半导体材料(硅、锗)中掺入不同杂质可以分别形成N型和P型两种半导体。N型半导体主要靠自由电子导电，称自由电子为多数载流子，而空穴(带正电荷的载流子)数量远少于电子数量，称空穴为少数载流子。P型半导体主要靠空穴导电，称空穴为多数载流子，而自由电子远少于空穴的数量，称自由电子为少数载流子。注意：不论N型半导体还是P型半导体都是电中性，对外不显电性。第1章 半导体元件及其特征 当P型半导体和N型半导体接触以后，由于交界两侧半导体类型不同，存在电子和空穴的浓度差。这样，P 区的空穴向N区扩散，N区的电子向P区扩散,如图 1.1.1(a)所示。由于扩散运动，在P 区和N区的接触面就产生正负离子层。N区失掉电子产生正离子，P区得到电子产生负离子。通常称这个正负离子层为PN结。如图1.1.1（b）所示。在结的区一侧带负电，区一侧带正电。结便产生了内电场，内电场的方向从区指向区。内电场对扩散运动起到阻碍作用，电子和空穴的扩散运动随着内电场的加强而逐步减弱，直至停止。在界面处形成稳定的空间电荷区，如图.1.1（b）所示。第1章 半导体元件及其特征第1章 半导体元件及其特征 当P型半导体和N型半导体接触以后，由于交界两侧半导体类型不同，存在电子和空穴的浓度差。这样，P区的空穴向N区扩散，N区的电子向P区扩散,如图 1.1.1(a)所示。由于扩散运动，在P 区和N区的接触面就产生正负离子层。N区失掉电子产生正离子，P 区得到电子产生负离子。通常称这个正负离子层为PN结。如图1.1.1（b）所示。在结的区一侧带负电，区一侧带正电。结便产生了内电场，内电场的方向从区指向区。内电场对扩散运动起到阻碍作用，电子和空穴的扩散运动随着内电场的加强而逐步减弱，直至停止。在界面处形成稳定的空间电荷区，如图.1.1（b）所示。第1章 半导体元件及其特征 2.PN结的特性结的特性 1）PN结的正向导通特性 给PN结加正向电压，即P区接正电源，N区接负电源，此时称PN结为正向偏置，如图1.1.2（a）所示。这时PN结外加电场与内电场方向相反，当外电场大于内电场时，外加电场抵消内电场，使空间电荷区变窄，有利于多数载流子运动，形成正向电流。外加电场越强，正向电流越大，这意味着PN结的正向电阻变小。2）PN结的反向截止特性 第1章 半导体元件及其特征第1章 半导体元件及其特征 给PN结加反向电压，即电源正极接N 区，负极接P区，称PN结反向偏置，如图1.1.2（b）所示。这时外加电场与内电场方向相同，使内电场的作用增强,PN结变厚，多数载流子运动难于进行，有助于少数载流子运动，形成电流IR，少数载流子很少，所以电流很小，接近于零，即PN结反向电阻很大。综上所述，PN结具有单向导电性，加正向电压时，PN结电阻很小，电流IR较大，是多数载流子的扩散运动形成的；加反向电压时，PN结电阻很大，电流IR很小，是少数载流子运动形成的。将一个PN结加上相应的两根外引线，然后用塑料、玻璃或铁皮等材料做外壳封装就成为最简单的二极管。其中，正极从P区引出，为阳极；负极从N区引出，为阴极。根据所用材料不同，二极管可分为锗管和硅管。第1章 半导体元件及其特征 1.1.2二极管的结构和类型二极管的结构和类型 接在二极管P区的引出线称二极管的阳极，接在N区的引出线称二极管的阴极。如图1.1.3(a)所示。二极管的符号如图1.1.3(b)所示，其中三角箭头表示正向电流的方向，正向电流从二极管的阳极流入，阴极流出。二极管有许多类型。从工艺上分，有点接触型和面接触型；按用途分，有整流管、检波二极管、稳压二极管、光电二极管和开关二极管等。1 点接触型二极管点接触型二极管 第1章 半导体元件及其特征第1章 半导体元件及其特征 如图1.1.3(c)所示。这是用一根含杂质元素的金属丝压在半导体晶片上，经特殊工艺、方法，使金属丝上的杂质掺入到晶体中，从而形成导电类型与原晶体相反的区域而构成的PN结。因而其结面积小，允许通过的电流小，但结电容小，工作频率高，适合用作高频检波器件。2 面接触型二极管面接触型二极管 如图1.1.3(d)所示。由于面接触型二极管的PN结接触面积较大，PN结电容较大，一般适用于在较低的频率下工作；由于接触面积大，允许通过较大电流和具有较大功率容量，适用于作整流器件。第1章 半导体元件及其特征 1.1.3二极管的特性及参数二极管的特性及参数 1 二极管伏安特性二极管伏安特性 理论分析指出，半导体二极管电流I与端电压U之间的关系可表示为 I=IS(-1)(1.1.1)此式称为理想二极管电流方程。式中，IS称为反向饱和电流，UT称为温度的电压当量，常温下UT26 mV。实际的二极管伏安特性曲线如图1.1.4所示。图中，实线对应硅材料二极管，虚线对应锗材料二极管。第1章 半导体元件及其特征第1章 半导体元件及其特征 1）正向特性 当二极管承受正向电压小于某一数值(称为死区电压)时，还不足以克服PN结内电场对多数载流子运动的阻挡作用，这一区段二极管正向电流IF很小，称为死区。死区电压的大小与二极管的材料有关，并受环境温度影响。通常，硅材料二极管的死区电压约为0.5 V，锗材料二极管的死区电压约为0.1V。当正向电压超过死区电压值时，外电场抵消了内电场，正向电流随外加电压的增加而明显增大，二极管正向电阻变得很小。当二极管完全导通后，正向压降基本维持不变，称为二极管正向导通压降UF。一般硅管的UF为0.7V，锗管的UF为0.3V。以上是二极管的正向特性。第1章 半导体元件及其特征 2）反向特性 当二极管承受反向电压时，外电场与内电场方向一致，只有少数载流子的漂移运动，形成的漏电流IR极小，一般硅管的IR为几微安以下，锗管IR较大，为几十到几百微安。这时二极管反向截止。当反向电压增大到某一数值时，反向电流将随反向电压的增加而急剧增大，这种现象称二极管反向击穿。击穿时对应的电压称为反向击穿电压。普通二极管发生反向击穿后，造成二极管的永久性损坏，失去单向导电性。以上是二极管的反向特性。第1章 半导体元件及其特征 2 二极管的主要参数二极管的主要参数 二极管参数是反映二极管性能质量的指标。必须根据二极管的参数来合理选用二极管。二极管的主要参数有4项。1）最大整流电流IFM IFM是指二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流值，由PN结的面积和散热条件所决定，用IFM表示。工作时，管子通过的电流不应超过这个数值，否则将导致管子过热而损坏。2）最高反向工作电压URM URM是指二极管不击穿所允许加的最高反向电压。第1章 半导体元件及其特征 超过此值二极管就有被反向击穿的危险。URM通常为反向击穿电压的1/22/3，以确保二极管安全工作。3）最大反向电流IRM IRM是指二极管在常温下承受最高反向工作电压URM时的反向漏电流，一般很小，但其受温度影响较大。当温度升高时，IRM显著增大。4）最高工作频率fM fM是指保持二极管单向导通性能时，外加电压允许的最高频率。二极管工作频率与PN结的极间电容大小有关，容量越小，工作频率越高。二极管的参数很多，除上述参数外，还有结电容、正向压降等，实际应用时，可查阅半导体器件手册。第1章 半导体元件及其特征 1.1.4 半导体二极管的应用半导体二极管的应用 二极管是电子电路中最常用的半导体器件。利用其单向导电性及导通时正向压降很小的特点，可用来进行整流、检波、钳位、限幅、开关以及元件保护等各项工作。1 整流整流 所谓整流,就是将交流电变为单方向脉动的直流电。利用二极管的单向导电性可组成单相、三相等各种形式的整流电路，然后再经过滤波、稳压，便可获得平稳的直流电。这些内容将在第7章详细介绍。2 钳位钳位 利用二极管正向导通时压降很小的特性，可组成钳位电路，如图1.1.5所示。第1章 半导体元件及其特征第1章 半导体元件及其特征 图中，若A点UA=0，二极管VD可正向导通，其压降很小，故F点的电位也被钳制在0V左右，即UF0。3 限幅限幅 利用二极管正向导通后其两端电压很小且基本不变的特性，可以构成各种限幅电路，使输出电压幅度限制在某一电压值以内。图1.1.6(a)为一正负对称限幅电路，设输入电压ui=10sint(V),Us1=Us2=5V。当-Us2uiUs1时，VD1处于正向偏置而导通，使输出电压保持在Us1。第1章 半导体元件及其特征 当uiUBB，使集电结承受反向偏置电压，这样做的目的是使三极管能够具有正常的电流放大作用。通过改变电阻Rb，基极电流IB、集电极电流IC和发射极电流IE都发生变化，表1.2.1为试验所得一组数据。第1章 半导体元件及其特征第1章 半导体元件及其特征第1章 半导体元件及其特征 将表中数据进行比较分析，可得出如下结论：IE=IC+IB，三个电流之间的关系符合基尔霍夫电流定律。ICIE，IB虽然很小，但对IC有控制作用，IC随IB改变而改变。例如IB由40A增加到50 A，IC从3.2mA增加到4mA,即 称为三极管的电流放大系数，它反映三极管的电流放大能力，也可以说电流IB对IC的控制能力。第1章 半导体元件及其特征 1)三极管内部载流子的运动规律 三极管电流之间为什么具有这样的关系呢？这可以通过在三极管内部载流子的运动规律来解释。(1)发射区向基区发射电子。由图1.2.3可知，电源UBB经过电阻Rb加在发射结上，发射结正偏，发射区的多数载流子自由电子不断地越过发射结而进入基区，形成发射极电流IE。同时，基区多数载流子也向发射区扩散，但由于基区很薄，可以不考虑这个电流。因此，可以认为三极管发射结电流主要是电子流。第1章 半导体元件及其特征第1章 半导体元件及其特征 (2)基区中的电子进行扩散与复合。电子进入基区后，先在靠近发射结的附近密集，渐渐形成电子浓度差，在浓度差的作用下，促使电子流在基区中向集电结扩散，被集电结电场拉入集电区，形成集电结电流IC。也有很小一部分电子与基区的空穴复合，形成复合电子流。扩散的电子流与复合电子流的比例决定了三极管的放大能力。(3)集电区收集电子。由于集电结外加反向电压很大，这个反向电压产生的电场力将阻止集电区电子向基区扩散，同时将扩散到集电结附近的电子拉入集电区而形成集电结主电流ICN。第1章 半导体元件及其特征 另外集电区的少数载流子空穴也会产生漂移运动，流向基区，形成反向饱和电流ICBO，其数值很小，但对温度却非常敏感。2）三极管的电流分配关系 综合载流子的运动规律，三极管内的电流分配如图1.2.4所示，图中的箭头表示电流方向。由于三极管基区的杂质浓度很低，且厚度很薄，这就减小了电子和空穴复合的机会，所以从发射区注入到基区的电子只有很小一部分在基区复合掉，绝大部分到达集电区。这就是说构成发射极电流IE的两部分中，IBE部分是很小的，ICE部分所占百分比是大的，若它们的比值用hFE本表示，则有第1章 半导体元件及其特征第1章 半导体元件及其特征 hFE本表示三极管的电流放大能力，称为本征电流放大系数。它的大小取决于基区中载流子扩散与复合的比例关系，这种比例关系是由管子内部结构决定的，一旦管子制成后，这种比例关系（h FE本值）也就确定了。对照图1.2.4并结合式（1.2.1），各极电流满足下列分配关系：IB=IBE-ICBO IC=ICE+ICBO第1章 半导体元件及其特征 =h FE本IBE+ICBO =h FE本(IB+ICBO)+CBO =hFE本IB+(1+hFE本)ICBO =hFE本IB+ICEO ICEO=(1+hFE本)I CBO IE=I CE+I BE =(IC-ICBO)+(IB+ICBO)=IC+IB第1章 半导体元件及其特征 由三极管内部的载流子运动规律可知，集电极电流IC主要来源于发射极电流IE（IC受IE控制），而同集电极外电路几乎无关，只要加到集电结上的反向电压能够把从基区扩散到集电结附近的电子吸引到集电区即可。这就是三极管的电流控制作用。三极管能实现放大作用也是以此为基础的，这也是三极同二极管一个质的区别所在。IE的大小是由发射结上的外加正向电压UBE的大小决定的，UBE的变化将引起IE的变化，IE的变化再引起IB和IC的变化，所以，实质上是发射结上的正向电压UBE对各极电流有控制作用。第1章 半导体元件及其特征 UBE变化能引起IC变化的现象，本应理解为电压控制，但二者的关系是非线性的，表达起来很不方便，而从式（1.2.2）可知，当ICBO（或ICEO）可忽略时，则有ICh FE本IB，表明IC同IB（或IE）有一个比例关系，使用起来很方便，所以通常说IC受IB（或IE）控制，或者说，IC随IB（或IE）成正比变化。于是也就把双极型三极管称为“电流控制器件”。第1章 半导体元件及其特征 这里还需指出，三极管的结构特点是它具有电流控制作用的内部依据，而发射结正向偏置、集电结反向偏置是它实现电流控制作用的外部条件。这是因为IC受IB（或IE）控制，是在满足上述外部条件下实现的，因此，三极管在作放大运用时的直流供电必须满足这个外部条件。3）放大作用 将图1.2.4 所示的三极管模型用其符号表示重绘于图1.2.5上。在基极回路（b、e间）加入一个待放大的信号电压us;在集电极回路（c、e间）串入一个负载电阻RL，RL两端电压变量为uO。基极接信号称输入端，集电极接负载，称之为输出端，发射极既接信号又接负载，称之为公共端。这种连接方式称为共发射极接法。第1章 半导体元件及其特征第1章 半导体元件及其特征 1.2.2三极管的特性曲线三极管的特性曲线 图1.2.6是测试三极管共射极接法特性的电路图。1.共射输入特性共射输入特性 图1.2.7给出了某三极管的输入特性。下面，我们分两种情况进行讨论。1)当UCE=0时的输入特性（图中曲线）当UCE=0时，相当于集电极和发射极间短路，三极管等效成两个二极管并联，其特性类似于二极管的正向特性。第1章 半导体元件及其特征第1章 半导体元件及其特征第1章 半导体元件及其特征 2)当UCE 1V时的输入特性（图中曲线）当UCE1V时，输入特性曲线右移（相对于UCE=0时的曲线），表明对应同一个UBE值，IB减小了，或者说，要保持IB不变，UBE需增加。这是因为集电结加反向电压，使得扩散到基区的载流子绝大部分被集电结吸引过去而形成集电极电流IC,只有少部分在基区复合，形成基极电流IB,所以IB减小而使曲线右移。对应输入特性曲线某点（例如图1.2.8的Q点）切线斜率的倒数，称为三极管共射极接法（Q点处）的交流输入电阻，记作rbe,即第1章 半导体元件及其特征 第1章 半导体元件及其特征 2.输出特性曲线输出特性曲线 输出特性曲线是指当三极管基极电流IB为常数时，集电极电流IC与集电极、发射极间电压UCE之间的关系，即 IC=f(UCE)|IB=常数在图1.2.6中，先调节RP1为一定值，例如IB=40A，然后调节RP2使UCE由零开始逐渐增大，就可作出IB=40A时的输出特性。同样做法，把IB调到0A,20A,60 A，就可以得一组输出特性曲线。如图1.2.9所示。第1章 半导体元件及其特征第1章 半导体元件及其特征 1）截止区 2）放大区 (1)对应同一个IB值，|UCE|增加时，IC基本不变（曲线基本与横轴平行）。(2)对应同一个UCE值，IB增加，IC显著增加，并且IC的变量IC与IB的变量IB基本为正比关系（曲线簇等间距）。3）饱和区第1章 半导体元件及其特征 1.2.3三极管的主要参数三极管的主要参数 1.电流放大系数电流放大系数 动态（交流）电流放大系数：当集电极电压UCE为定值时，集电极电流变化量IC与基极电流变化量IB之比，即 静态（直流）电流放大系数 ：三极管为共发射极接法，在集电极-发射极电压UCE一定的条件下，由基极直流电流IB所引起的集电极直流电流与基极电流之比，称为共发射极静态（直流）电流放大系数，记作 第1章 半导体元件及其特征 2.极间反向截止电流极间反向截止电流 )发 射 极 开 路，集 电 极 基 极 反 向 截 止 电 流ICBO ICBO可以通过图1.2.10所示电路进行测量。)基极开路，集电极发射极反向截止电流ICEOICEO是当三极管基极开路而集电结反偏和发射结正偏时的集电极电流。测试电路如图1.2.11所示。3.极限参数极限参数第1章 半导体元件及其特征第1章 半导体元件及其特征第1章 半导体元件及其特征 3.极限参数极限参数 集电极最大允许电流ICM：当IC超过一定数值时下降，下降到正常值的2/3时所对应的IC值为ICM，当ICICM时，可导致三极管损坏。反向击穿电压U（BR）CEO：基极开路时，集电极、发射极之间最大允许电压为反向击穿电压U（BR）CEO，当UCEU（BR）CEO时，三极管的IC、IE剧增，使三极管击穿。为可靠工作，使用中取 第1章 半导体元件及其特征 根据给定的PCM值可以作出一条PCM曲线如图1.2.12所示，由PCM、ICM和U（BR）CEO包围的区域为三极管安全工作区。例 2.1在图1.2.6所示电路中，若选用3DG6D型号的三极管，（1）电源电压UCC最大不得超过多少伏？（2）根据ICI CM的要求，RP2电阻最小不得小于多少千欧姆？解：查表，3DG6D参数是：ICM=20mA,U(BR)CEO=30V,PCM=100mW。第1章 半导体元件及其特征第1章 半导体元件及其特征 (1)UCC=(2)UCE=UCC-ICRP2 IC=其 中，UCE最 低 一 般 为 0.5V，故 可 略。由 IC ICM，所 以 ,故第1章 半导体元件及其特征 1.2.4复合三极管复合三极管 复合三极管是把两个三极管的管脚适当的连接起来使之等效为一个三极管，典型结构如图1.2.13所示。以图1.2.13(a)为例分析。ic=ic1+ic2=1ib1+2ib2 =1ib1+2(1+1)ib1 1ib1+21ib1 =1ib1（1+2）12ib1 第1章 半导体元件及其特征第1章 半导体元件及其特征 即 =说明复合管的电流放大系数近似等于两个管子电流放大系数的乘积。同时有 ICEO=ICEO2+2ICEO1表明复合管具有穿透电流大的缺点。第1章 半导体元件及其特征1.3 场效应管场效应管 1.3.1结型场效应管结型场效应管 1.结构及符号结构及符号 结型场效应管也是具有PN结的半导体器件，图1.3.1（a）绘出了N沟道结型场效应管的结构（平面）示意图。它是一块N型半导体材料作衬底，在其两侧作出两个杂质浓度很高的P+型区，形成两个PN结。从两边的P型区引出两个电极并联在一起，成为栅极(G)；在N型衬底材料的两端各引出一个电极，分别称为漏极（D）和源极（S）。两个PN结中间的N型区域称为导电沟道，它是漏、源极之间电子流通的途径。这种结构的管子被称为N型沟道结型场效应管，它的代表符号如图1.3.1（b）所示。第1章 半导体元件及其特征第1章 半导体元件及其特征 如果用P型半导体材料作衬底，则可构成P沟道结型场效应管，其代表符号如图1.3.1(c)所示。N沟道和P沟道结型场效应管符号上的区别，在于栅极的箭头方向不同，但都要由P区指向N区。2.基本工作原理。基本工作原理。上述两种结构的结型场效应管工作原理完全相同，下面我们以N型沟道结型场效应管为例进行分析。研究场效应管的工作原理，主要是讲输入电压对输出电流的控制作用。在图1.3.2中，绘出了当漏源电压UDS=0时，栅源电压UGS大小对导电沟道影响的示意图。第1章 半导体元件及其特征第1章 半导体元件及其特征 （1）当UGS=0时，PN结的耗尽层如图1.3.2(a)中阴影部分所示。耗尽层只占N型半导体体积的很小一部分，导电沟道比较宽，沟道电阻较小。（2）当在栅极和源极之间加上一个可变直流负电源UGG时，此时栅源电压UGS为负值，两个PN结都处于反向偏置，耗尽层加宽，导电沟道变窄，沟道电阻加大，如图1.3.2(b)所示。而且栅源电压UGS愈负，导电沟道愈窄，沟道电阻愈大。（3）当栅源电压UGS负到某一值时，两边的耗尽层近于碰上，仿佛沟道被夹断，沟道电阻趋于无穷大，如图1.3.2（c）所示。此时的栅源电压称为栅源截止电压（或夹断电压），并以UGS（off）表示。第1章 半导体元件及其特征 GS(off)时由以上的分析可知，改变栅源电压UGS的大小，就能改变导电沟道的宽窄，也就能改变沟道电阻的大小。如果在漏极和源极之间接入一个适当大小的正电源UDD，则N型导电沟道中的多数载流子（电子）便从源极通过导电沟道向漏极作漂移运动，从而形成漏极电流ID。显然，在漏源电压UDS一定时，ID的大小是由导电沟道的宽窄（即电阻的大小）决定的，当UGS=UGS（off）时，ID0。于是我们得出结论：栅源电压UGS对漏极电流ID有控制作用。这种利用电压所产生的电场控制半导体中电流的效应，称为“场效应”。场效应管因此得名。第1章 半导体元件及其特征 ID=f(UGS)|UDS=常数 图1.3.3给出了某N沟道结型场效应管的转移特性。从图中可以看出UGS对ID的控制作用。UGS=0时的ID，称为栅源短路时漏极电流，记为IDSS。使ID0时的栅源电压就是栅源截止电压UGS（off）。从图中还可看出，对应不同的UDS，转移特性不同。但是，当UDS大于一定数值后，不同的UDS,转移特性是很靠近的，这时可以认为转移特性重合为一条曲线，使分析得到简化。此外，图1.3.3中的转移特性，可以用一个近似公式来表示：第1章 半导体元件及其特征第1章 半导体元件及其特征 IDIDSS(1-0UGSU GS(off)这样，只要给出IDSS和U GS（off）就可以把转移特性中其它点估算出来。2)输出特性曲线 输出特性曲线（也叫漏极特性）是指在栅源电压UGS一定时，漏极电流ID与漏源电压UDS之间关系。函数表示为 ID=f(UDS)|UGS=常数 图1.3.4给出了某N沟道结型场效应管的的输出特性。从图中可以看出，管子的工作状态可分为可变电阻区、恒流区和击穿区这三个区域。第1章 半导体元件及其特征第1章 半导体元件及其特征 (1)可变电阻区：特性曲线上升的部分称为可变电阻区。在此区内，UDS较小，ID随UDS的增加而近于直线上升，管子的工作状态相当于一个电阻，而且这个电阻的大小又随栅源电压UGS的大小变化而变（不同UGS的输出特性的切斜率不同），所以把这个区域称为可变电阻区。(2)恒流区：曲线近于水平的部分称为恒流区（又称饱和区）。在此区内，UDS增加，ID基本不变（对应同一UGS），管子的工作状态相当于一个“恒流源”，所以把这部分区域称为恒流区。第1章 半导体元件及其特征 在恒流区内，ID随UGS的大小而改变，曲线的间隔反映出UGS对ID的控制能力。从这种意义来讲，恒流区又可称为线性放大区。场效应管作放大运用时，一般就工作在这个区域。恒流区产生的物理原因，是由于漏源电压UDS在N沟道的纵向产生电位梯度，使得从漏极至源极沟道的不同位置上，沟道-栅极间的电压不相等，靠近漏端最大，耗尽层也最宽，而靠近源端的耗尽层最窄。这样，在UGS和UDS的共同作用下，导电沟道呈楔型，如图1.3.5所示。第1章 半导体元件及其特征第1章 半导体元件及其特征 由于耗尽层的电阻比沟道的电阻大得多，所以UDS增加的部分几乎全部降落在夹断处的耗尽层上，在导电沟道上的电位梯度几乎不变，因而ID就几乎不变，出现恒流现象。从上面的分析，可以得到N沟道结型场效应管产生夹断（即出现恒流）的条件为 UGDUGS(off)UGS(off)0或 UGS-UDSUGS（off）即 UDSUGSUGS（off）(3)击穿区:特性曲线快速上翘部分称为击穿区。在此区内，UDS较大，ID剧增，出现了击穿现象。场效应管工作时，不允许进入这个区域。第1章 半导体元件及其特征 1.3.2绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管 1.N 沟道增强型绝缘栅场效应管的结构沟道增强型绝缘栅场效应管的结构 N沟道增强型绝缘栅场效应管的结构如图1.3.6(a)所示。它的制作过程是：以一块杂质浓度较低的P型硅半导体薄片作衬底，利用扩散方法在上面形成两个高掺杂的N+区，并在N+区上安置两个电极，分别称为源极（S）和漏极（D）；然后在半导体表面覆盖一层很薄的二氧化硅绝缘层，并在二氧化硅表面再安置一个金属电极，称为栅极（G）；栅极同源极、漏极均无电接触，故称“绝缘栅极”。第1章 半导体元件及其特征 第1章 半导体元件及其特征 由于这种管子是由金属、氧化物和半导体所组成，所以又称为金属氧化物半导体场效应管，简称MOS场效应管。它是目前应用最广的一种。根据栅极（金属）和半导体之间绝缘材料的不同，绝缘栅场效应管有各种类型，例如以氮化硅作绝缘层的MNS管，以氧化铅作绝缘层的MAIS管，等等。如果以N型硅作衬底，可制成P沟道增强型绝缘栅场效应管。N沟道和P沟道增强型绝缘栅场效应管的符号分别如图1.3.6(b)和(c)所示，它们的区别是衬底的箭头方向不同。2.N沟道增强型绝缘栅场效应管的工作原理沟道增强型绝缘栅场效应管的工作原理 在图1.3.6（a）中，如果将栅、源极短路，那末不论漏、源极间加的电压极性如何，总会有一个PN结呈反向偏置，漏、源极间将无电流。第1章 半导体元件及其特征 如果在栅、源极间加上一个正电源UGG，并将衬底与源极相连，如图1.3.7所示。此时，栅极（金属）和衬底（P型硅片）相当于以二氧化硅为介质的平板电容器，在正栅源电压UGS（即栅-衬底电压UGU）的作用下，介质中便产生一个垂直于P型衬底表面的由栅极指向衬底的电场，从而将衬底里的电子感应到表面上来。当UGS较小时，感应到衬底表面上的电子数很少，并被衬底表层的大量空穴复合掉；直至UGS增加超过某一临界电压时，介质中的强电场才在衬底表面层感应出“过剩”的电子。第1章 半导体元件及其特征第1章 半导体元件及其特征 于是，便在P型衬底的表面形成一个N型层称为反型层。这个反型层与漏、源的N+区之间没有PN结阻挡层，而具有良好的接触，相当于将漏、源极连在一起（见图1.3.7）。若此时加上漏源电压UDS，就会产生ID。形成