模拟电子电路 第1章常用半导体器件4

1.5单结晶体管和晶闸管根据PN结外加电压时的工作特点，还可由PN结构成其它类型的三端器件。本节将介绍利用一个PN构成的具有负阻特性的器件——单结晶体管，以及利用三个PN结构成的大功率可控整流器件---晶闸管。2/5/20231第四章1.5.1单结晶体管一、单结晶体管的结构和等效电路在一个低掺杂的N型硅棒上利用扩散工艺形成一个高掺杂P区，在P区与N区接触面形成PN结，就构成单结晶体管(UJT)。其结构示意图如图1.5.1(a)所示。图1.5.1

(a)结构示意图NP+PN结b1b2e2/5/20232第四章图1.5.1(b)符号

P型半导体引出的电极为发射极e；N型半导体的两端引出两个电极，分别为基极b1和基极b2。单结晶体管因有两个基极，故也称为双基极晶体管。其符号如图(b)所示。基极b1基极b2发射极e2/5/20233第四章单结晶体管的等效电路如图(c)所示，发射极所接P区与N型硅棒形成的PN结等效为二极管D；N型硅棒因掺杂浓度很低而呈现高电阻，二极管阴极与基极b2之间的等效电阻为rb2，与基极b1之间的等效电阻为rb1；rb1的阻值受e-b1间电压的控制，所以等效为可变电阻。图1.5.1(c)等效电路2/5/20234第四章二、工作原理和特性曲线单结晶体管的发射极电流iE与e-b1间电压uEB1的关系曲线称为特性曲线。特性曲线的测试电路如图1.5.2(a)所示。2/5/20235第四章虚线框内为单结晶体管的等效电路。当b2-bl间加电源VBB，且发射极开路时，A点电位为图1.5.2(a)测试电路VBBVEEuEB1IErb1rb22/5/20236第四章式中η称为单结晶体管的分压比，其数值主要与管子的结构有关，一般在0.5-0.9之间。基极b2的电流为(1.5.1)(1.5.2)2/5/20237第四章当e-b1间电压uEB1为零时，二极管承受反向电压，其值uEA=－ηVBB。发射极的电流iE为二极管的反向电流，记作IEO。图1.5.2(a)测试电路VBBVEEuEB1IErb1rb22/5/20238第四章只有当uEA接近零时，iE的数值才明显减小；当uEBl=uA时，二极管的端电压为零，iE=0。图1.5.2(a)测试电路VBBVEEuEB1IErb1rb2若缓慢增大uEBl，则二极管端电压uEA随之增大；根据PN结的反向特性可知，2/5/20239第四章若uEBl继续增大，使PN结正向电压大于开启电压时，则iE变为正向电流，从发射极e流向基极b1。图1.5.2(a)测试电路VBBVEEuEB1IErb1rb22/5/202310第四章图1.5.2(a)测试电路VBBVEEuEB1IErb1rb2由于半导体材料的电阻与其载流子的浓度紧密相关，注入的载流子使rb1减小；而且rb1的减小，使其压降减小，导致PN结正向电压增大，此时，空穴浓度很高的P区向电子浓度很低的硅棒的A-b1区注入非平衡少子；2/5/202311第四章程度时，二极管的导通电压将变化不大，此时uEB1将因rb1的减小而减小，表现出负阻特性。图1.5.2(a)测试电路VBBVEEuEB1IErb1rb2iE必然随之增大，注入的载流子将更多，于是rb1进一步减小；当iE增大到一定2/5/202312第四章所谓负阻特性，是指输入电压(即uEBl)增大到某一数值后，输入电流(即发射极电流iE)愈大，输入端的等效电阻愈小的特性。图1.5.2(a)测试电路VBBVEEuEB1IErb1rb22/5/202313第四章的限制，除非将输入回路开路或将iE减小到很小的数值，否则管子将始终保持导通状态。图1.5.2(a)测试电路VBBVEEuEB1IErb1rb2一旦单结晶体管进入负阻工作区域，输入电流iE的增加只受输入回路外部电阻2/5/202314第四章图1.5.2(b)特性曲线uEB1iEIEO单结晶体管的特性曲线如图1.5.2(b)所示。饱和区负阻区截止区峰点电压峰点电流谷点电压谷点电流2/5/202315第四章图1.5.2(b)特性曲线uEB1iEIEO当uEBl=0时，iE=IE0；当uEB1增大至Up(峰点电压)时，PN结开始正向导通,Up=uA+Uon，uA如式(1.5.1)所示，Uon为PN结的开启电压，此时iE=Ip(峰点电流)；峰点电压峰点电流2/5/202316第四章uEBl再增大一点，管子就进入负阻区，随着iE增大，rb1减小，uEB1减小，直至uEB1=Uv(谷点电压)，iE=IV(谷点电流)，图1.5.2(b)特性曲线谷点电压谷点电流uEB1iEIEO2/5/202317第四章Uv取决于PN结的导通电压和rbl的饱和电阻rs；当iE再增大，管子进入饱和区。单结晶体管的三个工作区域如图1.5.2(b)中所标注。图1.5.2(b)特性曲线uEB1iEIEO饱和区负阻区截止区2/5/202318第四章单结晶体管的负阻特性广泛应用于定时电路和振荡电路中。除了单结晶体管外，具有负阻特性的器件还有隧道二极管、λ双极性晶体管、负阻场效应管等等。三、应用举例图1.5.3(a)所示为单结晶体管组成的振荡电路。所谓振荡，是指在没有输入信号的情况下，电路输出一定频率、一定幅值的电压或电流信号。2/5/202319第四章在图1.5.3(a)所示电路中，当合闸通电时，电容C上的电压为零，管子截止，电源VBB通过电阻R对C充电，随时间增长电容上电压uC(即uEB1)逐渐增大；图1.5.3(a)电路+VBBuCRC2/5/202320第四章一旦uEB1刚增大到峰点电压Up后，管子进入负阻区，输入端等效电阻急剧减小，使C通过管子的输入回路迅速放电，iE随之迅速减小，图1.5.3(a)电路+VBBuCRC2/5/202321第四章一旦uEB1减小到谷点电压Uv后，管子截止；电容又开始充电。上述过程循环往返，只有当断电时才会停止，因而产生电振荡。图1.5.3(a)电路+VBBuCRC2/5/202322第四章由于充电时间常数远大于放电时间常数，当稳定振荡时，电容上电压的波形如图(b)所示。图1.5.3(b)振荡波形tOUVUPuC2/5/202323第四章1.5.2晶闸管晶体闸流管简称晶闸管(Thyristor)，也称为硅可控元件(SCR)，是由三个PN结构成的一种大功率半导体器件，多用于可控整流、逆变、调压等电路，也作为无触点开关。2/5/202324第四章一、结构和等效模型由于晶闸管是大功率器件，一般均用在较高电压和较大电流的情况，故其外形均便于安装散热片和有利于散热。常见的晶闸管外形有螺栓形和平板形，如图1.5.4所示。2/5/202325第四章此外，其封装形式有金属外壳和塑封外壳等。图1.5.4晶闸管的外形(a)螺栓形(b)平板形阳极A阴极C控制极G2/5/202326第四章晶闸管的内部结构示意图如图1.5.5(a)所示，它由四层半导体材料组成，四层材料由P型半导体和N型半导体交替组成，图1.5.5(a)结构示意图P1P2N1N2○○○A(阳极)C(阴极)G(控制极)J1J2J32/5/202327第四章晶闸管也称为四层器件或PNPN器件。图1.5.5(a)结构示意图P1P2N1N2○○○A(阳极)C(阴极)G(控制极)J1J2J32/5/202328第四章为了更好地理解晶闸管的工作原理，常将其N1和P2两个区域分解成两部分，使得P1-N1-P2构成一只PNP型管，N1-P2-N2构成一只NPN型管，如图(b)所示；图1.5.5(b)等效为两只相连的晶体管P1P2P2N1N2N1T1T22/5/202329第四章用晶体管的符号表示，如图(c)所示；晶闸管的符号如图(d)所示。图1.5.5(c)等效电路(d)符号2/5/202330第四章二、工作原理当晶闸管的阳极A和阴极C之间加正向电压而控制极不加电压时，J2处于反向偏置，管子不导通，称为阻断状态。图1.5.6晶闸管的工作原理(a’)实际电路VAAVGG2/5/202331第四章当晶闸管的阳极A和阴极C之间加正向电压且控制极和阴极之间也加正向电压时，如图1.5.6(a)所示。图1.5.6晶闸管的工作原理(a)实际电路VAAVGG2/5/202332第四章此时，J3处于导通状态。若T2管的基极电流为iB2，则其集电极电流为β2iB2；T1管的基极电流iB1=β2iB2，图1.5.6晶闸管的工作原理(b)等效电路VAAVGGRIB2βIB2IB12/5/202333第四章因而T1管：iC1=β1β2iB2；该电流又作为T2管的基极电流，再一次进行上述放大过程，形成正反馈。图1.5.6晶闸管的工作原理(b)等效电路VAAVGGRIB2βIB2IB1IC12/5/202334第四章在很短的时间内(一般不超过几微秒)，两只管子均进入饱和状态，使晶闸管完全导通，这个过程称为触发导通过程。晶闸管一旦导通，控制极就失去控制作用，管子依靠内部的正反馈始终维持导通状态。2/5/202335第四章晶闸管导通后，阳极和阴极之间的电压一般为0.6～1.2V，电源电压几乎全部加在负载上；阳极电流iA因型号不同可达几十—几千安培。2/5/202336第四章晶闸管如何从导通变为阻断呢?如果能够使阳极电流iA减小到小于一定数值IH，导致晶闸管不能维持正反馈过程，管子将关断，这种关断称为正向阻断，IH称为维持电流；2/5/202337第四章如果在阳极和阴极之间加反向电压，晶闸管也将关断，这种关断称为反向阻断。因此，控制极只能通过加正向电压控制晶闸管从阻断状态变为导通状态。而要使晶闸管从导通状态变为阻断状态，则必须通过减小阳极电流或改变A～C电压极性的方法实现。2/5/202338第四章三、晶闸管的伏安特性以晶闸管的控制极电流iG为参变量，阳极电流i与A-C间电压u的关系称为晶闸管的伏安特性，即(1.5.3)图1.5.7所示为晶闸管的伏安特性曲线。2/5/202339第四章图1.5.7晶闸管的伏安特性曲线u>0时的伏安特性称为正向特性。从图1.5.7所示的伏安特性曲线可知，当IG=0时，u逐渐增大，在一定限度内，由于J2处于反向偏置，i为很小的正向漏电流，曲线与二极管的反向特性类似；2/5/202340第四章图1.5.7晶闸管的伏安特性曲线曲线与二极管的正向特性类似；这种导通方式容易造成晶闸管击穿而损坏，应当避免；使晶闸管从阻断到导通的A-C电压u称为转折电压UBO。u增大到一定数值i骤增,u迅速下降2/5/202341第四章图1.5.7晶闸管的伏安特性曲线正常工作时,应在控制极和阴极间加触发电压，因而IG大于零；而且IG愈大，转折电压愈小，如图1.5.7所示。A--C所在回路的电阻(通常为负载电阻)限制了阳极电流。2/5/202342第四章u<0时的伏安特性称为反向特性。从图1.5.7所示的伏安特性曲线可知，晶闸管的反向特性与二极管的反向特性相似。图1.5.7晶闸管的伏安特性曲线2/5/202343第四章图1.5.7晶闸管的伏安特性曲线当晶闸管的阳极和阴极之间加反向电压时，由于J1和J3均处于反向偏置，因而只有很小的反向电流IR；当反向电压增大到一定数值时；反向电流骤然增大，管子击穿。2/5/202344第四章例1.5.1图1.5.8(a)所示为可控半波整流电路,已知输入电压ui和晶闸管控制极的电压uG波形如图(b)所示；(a)电路图1.5.8例1.5.1电路及波形图四、晶闸管的主要参数(自学)2/5/202345第四章管压降可忽略不计。试定性画出负载电阻RL上的电压uo的波形。(b)波形图图1.5.8例1.5.1电路及波形图在阳极与阴极间电压合适的情况下,uG=UH时可以使管子导通；管子的导通2/5/202346第四章(c)uO的波形图图1.5.8例1.5.1电路及波形图解：当ui<0时，不管uG为UH还是为UL，晶闸管均处于截止状态。当ui>0且uc=UH时，在uG的触发下，晶闸管导通。2/5/202347第四章此时，即使uG变为UL，管子仍维持导通状态。只有当ui下降使阳极电流减小到很小时，管子才阻断。(c)uO的波形图图1.5.8例1.5.1电路及波形图2/5/202348第四章可以近似认为当ui下降到零时，管子关断。若管子的导通管压降可忽略不计，在管子导通时，uO≈ui。因此，uO的波形如图(c)所示。(c)uO的波形图图1.5.8例1.5.1电路及波形图2/5/202349第四章1.6集成电路中的元件集成电路就是采用一定的制造工艺，将晶体管、场效应管、二极管、电阻、电容等许多元件组成的具有完整功能的电路制作在同一块半导体基片上，然后加以封装所构成的半导体器件。由于它的元件密度高(即集成度高)、体积小、功能强、功耗低、外部连线及焊点少，从而大大提高了电子设备的可靠性和灵活性，实现了元件、电路与系统的紧密结合。2/5/202350第四章图1.6.1基片与管芯图在集成电路生产过程中，在直径为3～10mm的硅片上，同时制造几百甚至上千个电路，整个硅片称为基片，每一块电路称为管芯，如图1.6.1所示。1.6.1集成电路制造工艺简介基片管芯2/5/202351第四章图1.6.2为集成电路的剖面图及外形图铝或金丝晶片金属帽引脚外形图1.6.2(a)(b)园壳式集成电路2/5/202352第四章图1.6.2(c)双列直插式集成电路剖面图铝或金丝晶片环氧树脂陶瓷晶片铝或金丝引脚引脚2/5/202353第四章图1.6.2(d)双列直插式集成电路外形图123714132/5/202354第四章一、几个工艺名词(1)氧化：在温度为800～1200oC的氧气中使半导体表面形成SiO2薄层，以防止外界杂质的污染。(2)光刻与掩膜：制作过程中所需要的版面图称为掩膜，利用照相制版技术将掩膜刻在硅片上称为光刻。2/5/202355第四章一、几个工艺名词(3)扩散：在1000oC左右的炉温下，将磷砷或硼等元素的气体引入扩散炉，经一段时间形成杂志浓度一定的N型半导体或P型半导体。每次扩散完毕都要进行一次氧化，以保护硅片的表面。2/5/202356第四章一、几个工艺名词(4)外延：在半导体基片上形成一个与基片结晶轴同晶向的半导体薄层，称为外延生长技术。所形成的薄层称为外延层，其作用是保证半导体表面性能均匀。(5)蒸铝：在真空中将铝蒸发，沉积在硅片表面，为制造连线或引线做准备。隔离技术、制造工艺(自学)。2/5/202357第四章1.6.2集成双极型管一、NPN型管在制造集成电路时，需将各个元件相互绝缘。利用PN结反向偏置时电阻很大的特点，把各元件所在的N区或P区四周用PN结包围起来，便可使它们相互绝缘，称这个N区或P区为隔离岛。2/5/202358第四章(i)隔离岛图1.6.3隔离岛及NPN型管P+P+N+在基片上经过氧化、光刻、腐蚀、扩散、外延及氧化等重复过程，即可制造出隔离岛。图1.6.3所示为集成电路制造过程中的剖面，(i)为中间的N区为隔离岛，它两侧的P+区为隔离槽。隔离岛隔离槽隔离槽2/5/202359第四章利用上述的工艺过程在隔离岛中首先制造出基区，然后制造发射区和集电区，最后制造各极引出窗口，就成为NPN型管，如图1.6.4所示。图1.6.4隔离岛的NPN型管2/5/202360第四章

二、PNP型管PNP型管有衬底PNP管和横向PNP管，其结构如图1.6.2所示。衬底PNP管以隔离槽为集电极，是纵向管，即载流子从发射区沿纵向向集电区运动。由于可以准确控制基区的厚度，所以β值较大。但由于隔离槽只能接在整个电路电位最低端，所以应用的局限性很大。图1.6.2集成电路中的PNP型管2/5/202361第四章横向PNP管的载流子从发射区沿水平方向向集电区运动，故称横向管。由于制造工艺所限，基区较厚，所以β值很小，仅为2～20倍。但其发射结和集电结耐压较高，因而可利用横图1.6.2集成电路中的PNP型管向PNP管和纵向NPN管复合而成既有足够大的电流放大系数又耐压较高的管子，从而构成各方面性能俱佳的放大电路。

2/5/202362第四章(a)结构三、其它类型晶体管在制造NPN型管时，若作多个发射区，则得到多发射极管，其结构与符号见图1.6.6所示。这种管子广泛用于集成数字电路。图1.6.6多发射极管的结构与符号(b)符号2/5/202363第四章(b)符号在制作横向PNP型管时，若作多个集电区，则得到多集电极管，各集电极电流之比决定于对应的集电区面积之比，其结构与符号如图1.6.7所示。这种管子多用于集成放大电路中的电流源电路。图1.6.7多集电极管的结构与符号(a)结构隔离槽2/5/202364第四章集成电路中普通NPN型管的基区宽度为0.5～1μm，若将基区做得很薄，厚度只有0.1～0.2μm，则得