半导体晶体管PPT课件

1、半导体晶体管 College of Physics Science & Technology YANGZHOU UNIVERSITYCHINA 第第6章章 半导体晶体管半导体晶体管 半导体晶体管 College of Physics Science & Technology YANGZHOU UNIVERSITYCHINA 5.1 晶体管晶体管 晶体管又称半导体管，半导体是一类导电性能晶体管又称半导体管，半导体是一类导电性能 介于导体与绝缘体之间的材料。目前，制造晶体介于导体与绝缘体之间的材料。目前，制造晶体 管的半导体材料多数是锗管的半导体材料多数是锗(Ge)和硅和硅(Si)。因为这些。因为

2、这些 物质呈晶体结构，所以称之为半导体晶体管，简物质呈晶体结构，所以称之为半导体晶体管，简 称晶体管或半导体管。称晶体管或半导体管。 发明者：肖克利，巴本和布拉坦，获发明者：肖克利，巴本和布拉坦，获1956年年 Nobel奖。奖。 半导体晶体管 College of Physics Science & Technology YANGZHOU UNIVERSITYCHINA 晶体二极管晶体二极管 双极型晶体管双极型晶体管 场效应晶体管场效应晶体管 可控硅。可控硅。 半导体晶体管 College of Physics Science & Technology YANGZHOU UNIVERSITY

3、CHINA 一一. 晶体二极管晶体二极管 半导体晶体管 College of Physics Science & Technology YANGZHOU UNIVERSITYCHINA 半导体晶体管 College of Physics Science & Technology YANGZHOU UNIVERSITYCHINA 半导体晶体管 College of Physics Science & Technology YANGZHOU UNIVERSITYCHINA 1、PN结与二极管的单向导电性结与二极管的单向导电性 用一定的工艺方法把用一定的工艺方法把P型和型和N型半导体紧密型半导体紧密

4、 地结合在一起，就会在其交界面处形成空间电荷地结合在一起，就会在其交界面处形成空间电荷 区叫区叫PN结。结。 当当PN结两端加上不同极性的直流电压时，结两端加上不同极性的直流电压时， 其导电性能将产生很大差异。这就是其导电性能将产生很大差异。这就是PN结单向结单向 导电性。导电性。 半导体晶体管 本征半导体就是完全纯净的、具本征半导体就是完全纯净的、具 有晶体结构的半导体。有晶体结构的半导体。 本征半导体本征半导体 自由电子自由电子 空穴空穴共价键共价键 SiSi Si Si 本征半导体中自由本征半导体中自由 电子和空穴的形成电子和空穴的形成 用得最多的半导体是硅或锗用得最多的半导体是硅或锗,

5、它它 们都是四价元素。将硅或锗材料提纯们都是四价元素。将硅或锗材料提纯 并形成单晶体后，便形成共价键结构。并形成单晶体后，便形成共价键结构。 在获得一定能量在获得一定能量( (热、光等热、光等) )后，少量后，少量 价电子即可挣脱价电子即可挣脱共价键的束缚成为共价键的束缚成为自自 由电子由电子，同时在共价键中就留下一个，同时在共价键中就留下一个 空位，称为空位，称为空穴空穴。自由电子和空穴总。自由电子和空穴总 是成对出现，同时又不断复合。是成对出现，同时又不断复合。 College of Physics Science & Technology YANGZHOU UNIVERSITYCHINA

6、 半导体晶体管 在外电场的作用下，在外电场的作用下， 自由电子逆着电场方向定自由电子逆着电场方向定 向运动形成向运动形成电子电流电子电流。带。带 正电的空穴吸引相邻原子正电的空穴吸引相邻原子 中的价电子来填补，而在中的价电子来填补，而在 该原子的共价键中产生另该原子的共价键中产生另 一个空穴。空穴被填补和一个空穴。空穴被填补和 相继产生的现象，可以看相继产生的现象，可以看 成空穴顺着电场方向移动，成空穴顺着电场方向移动， 形成形成空穴电流空穴电流。 可见在半导体中有可见在半导体中有自由自由 电子电子和和空穴空穴两种载流子，它两种载流子，它 们都能参与导电。们都能参与导电。 空穴移动方向空穴移动

7、方向 电子移动方向电子移动方向 Si Si Si Si SiSiSi College of Physics Science & Technology YANGZHOU UNIVERSITYCHINA 半导体晶体管 N 型半导体和型半导体和 P 型半导体型半导体 1. N 型半导体型半导体 在硅或锗的晶体中掺入五价元素磷，当某一个硅原子在硅或锗的晶体中掺入五价元素磷，当某一个硅原子 被磷原子取代时，磷原子的五个价电子中只有四个用于组被磷原子取代时，磷原子的五个价电子中只有四个用于组 成共价键，多余的一个很容易挣脱磷原子核的束缚而成为成共价键，多余的一个很容易挣脱磷原子核的束缚而成为 自由电子。因

8、而自由电子的数量大大增加，是多数载流子，自由电子。因而自由电子的数量大大增加，是多数载流子， 空穴是少数载流子，将这种半导体称为空穴是少数载流子，将这种半导体称为 N 型半导体。型半导体。 Si Si Si Si SiSiSi P 多余价电子多余价电子 本征半导体中由于本征半导体中由于 载流子数量极少，导电载流子数量极少，导电 能力很低。如果在其中能力很低。如果在其中 参入微量的杂质参入微量的杂质( (某种元某种元 素素) )将使其导电能力大大将使其导电能力大大 增强。增强。 College of Physics Science & Technology YANGZHOU UNIVERSITY

9、CHINA 半导体晶体管 2. P 型半导体型半导体 在硅或锗的晶体中在硅或锗的晶体中 掺入三价元素硼，在组掺入三价元素硼，在组 成共价键时将因缺少一成共价键时将因缺少一 个电子而产生一个空位，个电子而产生一个空位， 相邻硅原子的价电子很相邻硅原子的价电子很 容易填补这个空位，而容易填补这个空位，而 在该原子中便产生一个在该原子中便产生一个 空穴，使空穴的数量大空穴，使空穴的数量大 大增加，成为多数载流大增加，成为多数载流 子，电子是少数载流子，子，电子是少数载流子， 将这种半导体称为将这种半导体称为 P 型型 半导体。半导体。 Si Si Si Si SiSiSi B 空位空位 B 空穴空穴

10、 价电子填补空位价电子填补空位 College of Physics Science & Technology YANGZHOU UNIVERSITYCHINA 半导体晶体管 PN 结的形成结的形成 用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上，形成用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上，形成 P 型半型半 导体区域和导体区域和 N 型半导体区域，在这两个区域的交界处就形成型半导体区域，在这两个区域的交界处就形成 了一个特殊的薄层，称为了一个特殊的薄层，称为 PN 结。结。 P 区区N 区区 N区的电子向区的电子向P区扩散并与空穴复合区扩散并与空穴复合 PN 结结 内电场方向内电场方向 College

11、of Physics Science & Technology YANGZHOU UNIVERSITYCHINA 半导体晶体管 PN 结的单向导电性结的单向导电性 ( (1) ) 外加正向电压外加正向电压 内电场方向内电场方向 E 外电场方向外电场方向 R I P 区区N 区区 外电场驱使外电场驱使P区的空穴进入空间区的空穴进入空间 电荷区抵消一部分负空间电荷电荷区抵消一部分负空间电荷 N区电子进入空间电荷区区电子进入空间电荷区 抵消一部分正空间电荷抵消一部分正空间电荷 空间电荷区变窄空间电荷区变窄 扩散运动增强，形扩散运动增强，形 成较大的正向电流成较大的正向电流 College of Ph

12、ysics Science & Technology YANGZHOU UNIVERSITYCHINA 半导体晶体管 P 区区N 区区 内电场方向内电场方向 E R 空间电荷区变宽空间电荷区变宽 外电场方向外电场方向 IR 外加反向电压外加反向电压 外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走 少数载流子越过少数载流子越过 PN 结结 形成很小的反向电流形成很小的反向电流 多数载流子的扩散运动难于进行多数载流子的扩散运动难于进行 返回返回 College of Physics Science & Technology YANGZHOU UNIVERS

13、ITYCHINA 半导体晶体管 半导体二极管半导体二极管基本结构基本结构 将将 PN 结加上相应的电极引线和管壳，就成为半导体二极结加上相应的电极引线和管壳，就成为半导体二极 管。按结构分，有点接触型和面接触型两类。管。按结构分，有点接触型和面接触型两类。 点接触型点接触型 表示符号表示符号 正极正极 负极负极 金锑合金金锑合金 面接触型面接触型 N型锗型锗 正极引线正极引线 负极引线负极引线 PN 结结 底座底座 铝合金小球铝合金小球 引线引线 触丝触丝 N 型锗型锗 外壳外壳 College of Physics Science & Technology YANGZHOU UNIVERSI

14、TYCHINA 半导体晶体管 伏安特性伏安特性 当外加正向电压很低时，电流很小，几乎为零。正向电压超过当外加正向电压很低时，电流很小，几乎为零。正向电压超过 一定数值后，电流很快增大，将这一定数值的正向电压称为死一定数值后，电流很快增大，将这一定数值的正向电压称为死 区电压。通常，硅管的死区电压约为区电压。通常，硅管的死区电压约为0.5V，锗管约为，锗管约为0.1V。导。导 通时的正向压降，硅管约为通时的正向压降，硅管约为0.6 0.7V，锗管约为，锗管约为0.2 0.3V。 60 40 20 0.02 0.04 00.4 0.8 2550 I / mA U / V 正向特性正向特性 硅管的伏

15、安特性硅管的伏安特性 死区电压死区电压 击穿电压击穿电压 U(BR) 反向特性反向特性 I / mA U / V 0.20.4 25 50 5 10 15 0.01 0.02 锗管的伏安特性锗管的伏安特性 0 College of Physics Science & Technology YANGZHOU UNIVERSITYCHINA 半导体晶体管 在二极管上加反向电压时，反向电流很小。但当在二极管上加反向电压时，反向电流很小。但当 反向电压增大至某一数值时，反向电流将突然增大。反向电压增大至某一数值时，反向电流将突然增大。 这种现象称为击穿，二极管失去单向导电性。产生这种现象称为击穿，二极

16、管失去单向导电性。产生 击穿时的电压称为反向击穿电压击穿时的电压称为反向击穿电压 U(BR)。 College of Physics Science & Technology YANGZHOU UNIVERSITYCHINA 半导体晶体管 在图中，输入电位在图中，输入电位 VA = + 3 V， VB = 0 V， 电阻电阻 R 接负电源接负电源 12 V。求输出端电位。求输出端电位 VY。 。 因为因为 VA 高于高于VB ，所以，所以DA 优先优先 导通。如果二极管的正向压降是导通。如果二极管的正向压降是 0.3 V，则，则 VY = + 2.7 V。当。当 DA 导导 通后通后, DB

17、因反偏而截止。因反偏而截止。 在这里，在这里，DA 起钳位作用，起钳位作用， 将输出端电位钳制在将输出端电位钳制在 + 2.7 V。 DA 12V Y VA VB DB R College of Physics Science & Technology YANGZHOU UNIVERSITYCHINA 半导体晶体管 College of Physics Science & Technology YANGZHOU UNIVERSITYCHINA 2、二极管的分类：、二极管的分类： 按材料分：锗二极管、硅二极管、砷化镓二极管；按材料分：锗二极管、硅二极管、砷化镓二极管； 按制作工艺：面接触二极管和

18、点接触二极管；按制作工艺：面接触二极管和点接触二极管； 按用途分：整流二极管、检波兰极管、稳压二极按用途分：整流二极管、检波兰极管、稳压二极 管、变容二极管、光电二极管、发光二极管、开关管、变容二极管、光电二极管、发光二极管、开关 二极管等。二极管等。 半导体晶体管 College of Physics Science & Technology YANGZHOU UNIVERSITYCHINA 点接触型二极管由于接触面点小，不能通过大点接触型二极管由于接触面点小，不能通过大 电流，故只适合用于小电流整流，又因为接触点小，电流，故只适合用于小电流整流，又因为接触点小， 所以极间电容量也很小，故适

19、用于高频电路检波。所以极间电容量也很小，故适用于高频电路检波。 面接触型二极管与点接触型二极管相反，由面接触型二极管与点接触型二极管相反，由 于接触面大，可以通过较大的电流，但极间电容量于接触面大，可以通过较大的电流，但极间电容量 大，因此不能用于高频电路，而主要用做整流。大，因此不能用于高频电路，而主要用做整流。 半导体晶体管 College of Physics Science & Technology YANGZHOU UNIVERSITYCHINA 半导体晶体管 College of Physics Science & Technology YANGZHOU UNIVERSITYCHI

20、NA 3、二极管的主要参数、二极管的主要参数 最大整流电流最大整流电流(IF)：指长期工作时，允许通过的：指长期工作时，允许通过的 最大正向电流值。使用时不能超过此值，否则二极最大正向电流值。使用时不能超过此值，否则二极 管会发热而烧毁。管会发热而烧毁。 最高反向工作电压最高反向工作电压(VB)：为防止击穿，使用时反：为防止击穿，使用时反 向电压极限值。向电压极限值。 反向电流反向电流(IR)：在规定的反向电压条件下流过二：在规定的反向电压条件下流过二 极管的反向电流值。极管的反向电流值。 半导体晶体管 College of Physics Science & Technology YANGZ

21、HOU UNIVERSITYCHINA 最高工作频率最高工作频率(fm)：二极管具有单向导电性的最：二极管具有单向导电性的最 高交流信号的频率。由于结电容的存在，当频率高高交流信号的频率。由于结电容的存在，当频率高 到某一程度时，容抗小到使到某一程度时，容抗小到使PN结短路。导致二极结短路。导致二极 管失去单向导电性，不能工作，管失去单向导电性，不能工作，PN结面积越大，结面积越大， 结电容也越大，越不能在高频情况下工作。结电容也越大，越不能在高频情况下工作。 半导体晶体管 College of Physics Science & Technology YANGZHOU UNIVERSITYC

22、HINA 4、常用二极管介绍、常用二极管介绍 (1) 整流二极管：整流二极管： 整流二极管主要用于整流电路，把交流电变换整流二极管主要用于整流电路，把交流电变换 成脉动的直流电，由于通过的正向电流较大，对结成脉动的直流电，由于通过的正向电流较大，对结 电容无特殊要求，所以其电容无特殊要求，所以其PN结多为面接触型，因结多为面接触型，因 结电容大，故工作频率低。通常，正向电流在结电容大，故工作频率低。通常，正向电流在1安安 以上的二极管采用金属壳封装，以利于散热；正向以上的二极管采用金属壳封装，以利于散热；正向 电流在电流在1安以下的采用全塑料封装。安以下的采用全塑料封装。 半导体晶体管 Col

23、lege of Physics Science & Technology YANGZHOU UNIVERSITYCHINA 塑塑 料料 封封 装装 全密封金属结构全密封金属结构 半导体晶体管 College of Physics Science & Technology YANGZHOU UNIVERSITYCHINA 半导体晶体管 College of Physics Science & Technology YANGZHOU UNIVERSITYCHINA 半波整流电路半波整流电路 半导体晶体管 College of Physics Science & Technology YANGZHO

24、U UNIVERSITYCHINA 全波整流电路全波整流电路 半导体晶体管 College of Physics Science & Technology YANGZHOU UNIVERSITYCHINA 半导体晶体管 College of Physics Science & Technology YANGZHOU UNIVERSITYCHINA 桥式整流电路桥式整流电路 半导体晶体管 College of Physics Science & Technology YANGZHOU UNIVERSITYCHINA 半导体晶体管 College of Physics Science & Tech

25、nology YANGZHOU UNIVERSITYCHINA - - + + 半导体晶体管 College of Physics Science & Technology YANGZHOU UNIVERSITYCHINA （2）桥堆）桥堆 半导体晶体管 College of Physics Science & Technology YANGZHOU UNIVERSITYCHINA 半导体晶体管 College of Physics Science & Technology YANGZHOU UNIVERSITYCHINA 半导体晶体管 College of Physics Science &

26、 Technology YANGZHOU UNIVERSITYCHINA 半导体晶体管 College of Physics Science & Technology YANGZHOU UNIVERSITYCHINA 半导体晶体管 College of Physics Science & Technology YANGZHOU UNIVERSITYCHINA 半导体晶体管 College of Physics Science & Technology YANGZHOU UNIVERSITYCHINA (3) 检波二极管：检波二极管： 检波二极管的主要作用是把高频信号中的低频检波二极管的主要作用

27、是把高频信号中的低频 信号检出。要求结电容小，所以其结构为点接触信号检出。要求结电容小，所以其结构为点接触 型，一般采用锗材料制成型，一般采用锗材料制成。 半导体晶体管 College of Physics Science & Technology YANGZHOU UNIVERSITYCHINA 半导体晶体管 College of Physics Science & Technology YANGZHOU UNIVERSITYCHINA (4) 稳压二极管：稳压二极管： 稳压二极管是由硅材料制成的面结合型晶体二稳压二极管是由硅材料制成的面结合型晶体二 极管，它是利用极管，它是利用PN结反向击

28、穿时的电压基本上不结反向击穿时的电压基本上不 随电流的变化而变化的特点，来达到稳压的目的，随电流的变化而变化的特点，来达到稳压的目的， 因为它能在电路中起稳压作用，故称为稳压二极因为它能在电路中起稳压作用，故称为稳压二极 管（简称稳压管）。管（简称稳压管）。 半导体晶体管 College of Physics Science & Technology YANGZHOU UNIVERSITYCHINA 半导体晶体管 College of Physics Science & Technology YANGZHOU UNIVERSITYCHINA 半导体晶体管 College of Physics

29、Science & Technology YANGZHOU UNIVERSITYCHINA (5) 发光二极管：发光二极管： 发光二极管是一种将电能变成光能的半导体器件。发光二极管是一种将电能变成光能的半导体器件。 它具有一个它具有一个PN结，与普通二极管一样，具有单向导结，与普通二极管一样，具有单向导 电特性。当给发光二极管加上正向电压，有一定的电特性。当给发光二极管加上正向电压，有一定的 电流流过时就会发光。电流流过时就会发光。 发光二极管是由磷砷化镓、镓铝砷等半导体材料发光二极管是由磷砷化镓、镓铝砷等半导体材料 制成。发光的颜色分为：红光、黄光、绿光、三色制成。发光的颜色分为：红光、黄光

30、、绿光、三色 变色发光。另外还有眼睛看不见的红外光二极管。变色发光。另外还有眼睛看不见的红外光二极管。 半导体晶体管 College of Physics Science & Technology YANGZHOU UNIVERSITYCHINA 半导体晶体管 College of Physics Science & Technology YANGZHOU UNIVERSITYCHINA (6). 光敏二极管光敏二极管(又称为光电二极管又称为光电二极管) 根据根据PN结反向特性可知，在一定反向电压范围内，结反向特性可知，在一定反向电压范围内， 反向电流很小且处于饱和状态。此时，如果无光照反向电

31、流很小且处于饱和状态。此时，如果无光照 射射PN结，则因本征激发产生的电子结，则因本征激发产生的电子-空穴对数量有限，空穴对数量有限， 反向饱和电流保持不变，在光敏二极管中称为暗电反向饱和电流保持不变，在光敏二极管中称为暗电 流。当有光照射流。当有光照射PN结时，结内将产生附加的大量电结时，结内将产生附加的大量电 子空穴对（称之为光生载流子），使流过子空穴对（称之为光生载流子），使流过PN结的电结的电 流随着光照强度的增加而剧增，此时的反向电流称流随着光照强度的增加而剧增，此时的反向电流称 为光电流。为光电流。 半导体晶体管 College of Physics Science & Techn

32、ology YANGZHOU UNIVERSITYCHINA 半导体晶体管 College of Physics Science & Technology YANGZHOU UNIVERSITYCHINA 半导体晶体管 College of Physics Science & Technology YANGZHOU UNIVERSITYCHINA 为消除光敏二极管的表面漏电流，为消除光敏二极管的表面漏电流，2DU管还有一个管还有一个 环极，环极接正电源，这种接法可使负载电阻中的环极，环极接正电源，这种接法可使负载电阻中的 暗电流很小暗电流很小(一般小于一般小于0.05 A)。 半导体晶体管 C

33、ollege of Physics Science & Technology YANGZHOU UNIVERSITYCHINA （7）变容二极管 变容二极管是利用PN结之间电容可变的原理制成的半 导体器件，在高频调谐、通信等电路中作可变电容器使用。 变容二极管属于反偏压二极管，改变其PN结上的反向偏压， 即可改变PN结电容量。反向偏压越高，结电容则越少，反 向偏压与结电容之间的关系是非线性的。 变容二极管有玻璃外壳封装（玻封）、塑料封装（塑 封）、金属外壳封装（金封）和无引线表面封装等多种封装 形式。通常，中小功率的变容二极管采用玻封、塑封或表面 封装，而功率较大的变容二极管多采用金封。 常用

34、的变容二极管 常用的国产变容二极管有2CC系列 和2CB系列， 常用的进口变容二极管有S系列、MV系列、KV系列、 1T系列、1SV系列等。 半导体晶体管 College of Physics Science & Technology YANGZHOU UNIVERSITYCHINA 5. 半导体器件型号命名方法：半导体器件型号命名方法： 中国半导体器件型号命名方法中国半导体器件型号命名方法 (2) 日本半导体分立器件型号命名方法日本半导体分立器件型号命名方法 (3) 美国半导体分立器件型号命名方法美国半导体分立器件型号命名方法 (4) 国际电子联合会半导体器件型号命名方法国际电子联合会半导体

35、器件型号命名方法 (1)(5) 欧洲早期半导体分立器件型号命名法欧洲早期半导体分立器件型号命名法 半导体晶体管 College of Physics Science & Technology YANGZHOU UNIVERSITYCHINA 6、二极管的极性判别、二极管的极性判别 小功率二极管的小功率二极管的N极，在外表用色圈标出极，在外表用色圈标出 采用符号标志为采用符号标志为“P”、“N”来确定二极管极性的来确定二极管极性的 长脚为正，短脚为负长脚为正，短脚为负 半导体晶体管 College of Physics Science & Technology YANGZHOU UNIVERSITYCHINA 正向：正向： 硅管：硅管：表针指示位置在中间或中间偏右一点；表针指示位置在中间或中间偏右一点； 锗管：锗管：表针指示在右端靠近满刻度的地方。对于表针指示在右端靠近满刻度的地方。对于 检波二极管或锗小功率二极管，使用检波二极管或锗小功率二极管，使用R100挡，挡， 其值正向电阻约为其值正向电阻约为1001000 之间；对于硅管，之间；对于硅管， 约为几百欧到几千欧之间。约为几百欧到几千欧之间。 半导体晶体管 College of Physics Science & Technology YANGZHOU UNIVERSI