常用半导体器件管理知识

常用半导体器件管理知识1.1二极管1.2三极管1.3半导体三极管的测试与应用1.1二极管1.1.1半导体概述1.1.2PN结及其单向导电性1.1.3二极管的结构与类型1.1.4二极管的伏安特性和主要参数1.1.5二极管的应用1.1.6特殊二极管1.1.1半导体概述半导体—导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。本征半导体—纯净的半导体。如硅、锗单晶体。载流子—自由运动的带电粒子。共价键—相邻原子共有价电子所形成的束缚。一、本征半导体本征激发：在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位(空穴)的过程。+4+4+4+4硅(锗)的原子结构Si284Ge28184简化模型+4惯性核硅(锗)的共价键结构价电子自由电子(束缚电子)空穴空穴空穴可在共价键内移动复合：自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程。漂移：自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。两种载流子电子(自由电子)空穴两种载流子的运动自由电子(在共价键以外)的运动空穴(在共价键以内)的运动半导体的导电特征IIPINI=IP+IN+–电子和空穴两种载流子参与导电在外电场的作用下，自由电子逆着电场方向定向运动形成电子电流IN。空穴顺着电场方向移动，形成空穴电流IP。结论:1.本征半导体中电子空穴成对出现,且数量少；2.半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；3.本征半导体导电能力弱，并与温度、光照等外界条件有关。本征半导体中由于载流子数量极少，导电能力很弱。如果有控制、有选择地掺入微量的有用杂质（某种元素），将使其导电能力大大增强，成为具有特定导电性能的杂质半导体。二、N型半导体在硅或锗的晶体中掺入五价元素磷。N型磷原子自由电子电子为多数载流子空穴为少数载流子载流子数电子数+5+4+4+4+4+4正离子多数载流子少数载流子N型半导体的简化图示P型硼原子空穴空穴—多子电子—少子载流子数空穴数三、P型半导体在硅或锗的晶体中掺入三价元素硼。+4+4+4+4+4+3P型半导体的简化图示多数载流子少数载流子负离子1.1.2PN结及其单向导电性一、PN结的形成1.载流子的浓度差引起多子的扩散2.复合使交界面形成空间电荷区空间电荷区特点:无载流子、阻止扩散进行、利于少子的漂移。3.扩散和漂移达到动态平衡扩散电流等于漂移电流，总电流I=0。内电场扩散运动：漂移运动：由浓度差引起的载流子运动。载流子在电场力作用下引起的运动。二、PN结的单向导电性1.外加正向电压(正向偏置)—forwardbiasP区N区内电场+UR外电场外电场使多子向PN结移动,中和部分离子使空间电荷区变窄。IF限流电阻扩散运动加强形成正向电流IF。IF=I多子I少子I多子2.外加反向电压(反向偏置)—reversebiasP区N区+UR内电场外电场外电场使少子背离PN结移动，空间电荷区变宽。IRPN结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大;反偏截止，电阻很大，电流近似为零。漂移运动加强形成反向电流IRIR=I少子0PN结单向导电1.1.3二极管的结构与类型构成：PN结+引线+管壳=二极管(Diode)符号：常见的外形如图所示：二极管的几种外形箭头符号表示PN结正偏时电流的流向P区的引出线称为阳极，N区的引出线称为阴极。分类：按材料分硅二极管锗二极管按结构分点接触型面接触型点接触型正极引线触丝N型锗片外壳负极引线负极引线面接触型N型锗PN结正极引线铝合金小球底座金锑合金平面型正极引线负极引线集成电路中平面型pNP型支持衬底1.1.4二极管的伏安特性和主要参数OuD/ViD/mA正向特性Uth死区电压iD=0Uth=0.5V0.1V(硅管)(锗管)UUthiD急剧上升0UUth反向特性U(BR)反向击穿U（BR)U0iD0.1A(硅)几十A(锗)UU（BR）反向电流急剧增大(反向击穿)击穿电压反向击穿类型：电击穿热击穿反向击穿原因：齐纳击穿：反向电场太强，将电子强行拉出共价键。雪崩击穿：反向电场使电子加速，动能增大，撞击使自由电子数突增。—PN结未损坏，断电即恢复。—PN结烧毁。击穿电压在6V左右时，温度系数趋近零。硅管的伏安特性锗管的伏安特性604020–0.02–0.0400.40.8–25–50iD/mAuD/ViD/mAuD/V0.20.4–25–5051015–0.01–0.020二极管的主要参数1.IF—最大整流电流(最大正向平均电流)2.URM—最高反向工作电压，为U(BR)/23.IRM—最大反向电流(二极管加最大反向电压时的电流，越小单向导电性越好)4.fM—最高工作频率(超过时单向导电性变差)iDuDU(BR)IFURMO影响工作频率的原因—PN结的电容效应结论：1.低频时，因结电容很小，对PN结影响很小。高频时，因容抗增大，使结电容分流，导致单向导电性变差。2.结面积小时结电容小，工作频率高。1.1.5二极管的应用1、整流电路二极管应用范围很广，主要是利用它的单向导电性，常用于整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中用作开关元件等。将交流电变成脉动直流电电的过程称整流。当输入电压高于某一个数值时，输出电压保持不变，这就是限幅电路（限制输出信号幅度的电路称～）。2、限幅电路例:电路如图所示，已知=5sin（V），，二极管的导通电压UD=0.7V。试画出与的波形，并标出幅值。123VEEiuou解：当ui为正半周时，若ui＜E1，二极管D1、D2均截止，输出电压uo=ui；若uiE1，D1正偏导通，D2仍截止，uo=3.7V。当ui为负半周时，ui＞－E2，二极管D1、D2均截止，输出电压uo=ui；若ui＜－E2，D2正偏导通，D1截止，uo=－3.7V。3、钳位电路将电路中某点电位值钳制在选定的数值上而不受负荷变动影响的电路叫钳位电路。这种电路可组成二极管门电路，实现逻辑运算。4、检波电路检波就是将低频信号从已调制信号（高频信号）中取出的电路。二极管电路的分析一、理想二极管特性uDiD符号及等效模型SS正偏导通，uD=0;反偏截止，iD=0二、实际二极管uDiD硅管0.7V锗管0.2V二极管正的向工作电压例:硅二极管，R=2k，求出VDD=2V时IO和UO的值。（忽略二极管正的向工作电压）UOVDDIOR解：VDD=2VIO=VDD/R=2/2=1(mA)UO=VDD=2VUOVDDIOR例:ui=2sint(V),分析二极管的限幅作用（二极管的死区电压为0.5V，正向工作电压0.7V）。D1D2uiuOR0.7Vui0.7VD1、D2均截止uO=uiuO=0.7Vui0.7VD2导通D１截止ui0.7VD1导通D2截止uO=0.7VOtuO/V0.7Otui/V20.7解：例:二极管构成“门”电路，设D1、D2均为理想二极管，当输入电压UA、UB为低电压0V和高电压5V的不同组合时，求输出电压UF的值。0V正偏导通正偏导通0V0V5V正偏导通反偏截止0V5V0V反偏截止正偏导通0V5V5V正偏导通正偏导通5VFR3k12VD1D2BAUAUBUFR3k12VVDDD1D2BAF输入电压理想二极管输出电压UAUBD1D20V0V正偏导通正偏导通0V0V5V正偏导通反偏截止0V5V0V反偏截止正偏导通0V5V5V正偏导通正偏导通5V补充：半导体二极管特性的测试一、目测判别极性触丝半导体片二、用万用表检测二极管(1)用指针式万用表检测在R1k挡进行测量，红表笔是(表内电源)负极，黑表笔是(表内电源)正极。测量时手不要接触引脚。一般硅管正向电阻为几千欧，锗管正向电阻为几百欧。正反向电阻相差不大为劣质管。正反向电阻都是无穷大或零则二极管内部断路或短路。1k000(2)用数字式万用表检测红表笔是(表内电源)正极，黑表笔是(表内电源)负极。2k20k200k2M20M200在挡进行测量，当PN结完好且正偏时，显示值为PN结两端的正向压降(V)。反偏时，显示•。1.1.6特殊二极管一、发光二极管1.符号和特性工作条件：正向偏置一般工作电流几十mA，导通电压(12)V符号2.主要参数电学参数：IFM，U(BR)，IR光学参数：峰值波长P，亮度L，光通量发光类型：可见光：红、黄、绿显示类型：普通不可见光：红外光，点阵LED七段LED每字段是一只发光二极管—低电平驱动数码管1.共阳极abcdefg—高电平驱动2.共阴极abcdefgaebcfgdcomcom二、光电二极管1．符号和特性符号特性uiO暗电流E=200lxE=400lx工作条件：反向偏置2.主要参数电学参数：暗电流，光电流，最高工作范围光学参数：光谱范围，灵敏度，峰值波长三、变容二极管工作条件：反向偏置特点：是结电容随反偏电压的变化而变化主要用在电视机、录音机、收录机的调谐电路和自动微调电路中。四、稳压二极管稳压管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。符号工作条件：反向击穿I/mAUZ/VOUZIZIZM+正向+反向UZIZ讨论稳压管是怎么实现稳压作用的？回顾二极管的反向击穿时特性：当反向电压超过击穿电压时，流过管子的电流会急剧增加。击穿并不意味着管子一定要损坏，如果我们采取适当的措施限制通过管子的电流，就能保证管子不因过热而烧坏。在反向击穿状态下，让流过管子的电流在一定的范围内变化，这时管子两端电压变化很小，利用这一点可以达到“稳压”的效果。稳压二极管的主要参数1.稳定电压UZ流过规定电流时稳压管两端的反向电压值。2.稳定电流IZ越大稳压效果越好，小于Imin时不稳压。3.最大工作电流IZMPZM=UZIZM5.动态电阻rZrZ=UZ/IZ越小稳压效果越好。4.最大耗散功率PZM学习与探讨怎样用万用表测量二极管的好坏？怎样判断其阴极和阳极？为什么发光二极管必须正向偏置，而光电二极管却要反向偏置？已知两只硅稳压管的稳定电压值分别为8V和7.5V，若将它们串联使用，问能获得几组不同的稳定电压值？若并联呢？1.2三极管1.2.1三极管的结构和分类1.2.2电流分配与放大原理1.2.3三极管的伏安特性及主要参数1.2.1三极管的结构和分类晶体管（三极管）是最重要的一种半导体器件。部分三极管的外型一、结构N型硅BECN型硅P型硅（a）平面型二氧化硅保护膜N型锗ECBPP（b）合金型铟球铟球三层半导体材料构成NPN型、PNP型NNP发射极E基极B集电极C发射结集电结—基区—发射区—集电区emitterbasecollectorNPN型ECB各区主要作用及结构特点：发射区：作用：发射载流子特点：掺杂浓度高基区：作用：传输载流子特点：薄、掺杂浓度低集电区：作用：接收载流子特点：面积大常见三极管的类型PPNEBC按材料分：硅管、锗管按结构分：NPN、PNP按使用频率分：低频管、高频管按功率分：小功率管500mW中功率管0.51W大功率管1WECBPNP型二、类型1.2.2电流分配与放大原理一、晶体管放大的条件1.内部条件发射区掺杂浓度高基区薄且掺杂浓度低集电结面积大2.外部条件发射结正偏集电结反偏二、晶体管的电流分配和放大作用实验电路mAmAICECIBIERBEBCEB3DG6A电路条件:ECEB发射结正偏集电结反偏mAmAICECIBIERBEBCEB3DG6A1.测量结果IB/mA00.010.020.030.040.05IC/mA0.0010.501.001.602.202.90IE/mA0.0010.511.021.632.242.95IC/IB5050535558IC/IB50606070(1)BCEIII符合KCL定律(2)IC和IE比IB大得多(3)IB很小的变化可以引起IC很大的变化。即：基极电流对集电极电流具有小量控制大量的作用，这就是晶体管的放大作用。2.晶体管内部载流子的运动规律ICEIEIBEICBOIBIC1、发射区向基区扩散电子的过程：由于发射结处于正向偏置，发射区的多数载流子自由电子将不断扩散到基区，并不断从电源补充进电子，形成发射极电流IE。2、电子在基区的扩散和复合