1.5單結晶體管和晶閘管根據PN結外加電壓時的工作特點，還可由PN結構成其它類型的三端器件。本節將介紹利用一個PN構成的具有負阻特性的器件——單結晶體管，以及利用三個PN結構成的大功率可控整流器件---晶閘管。2/5/20231第四章1.5.1單結晶體管一、單結晶體管的結構和等效電路在一個低摻雜的N型硅棒上利用擴散工藝形成一個高摻雜P區，在P區與N區接觸面形成PN結，就構成單結晶體管(UJT)。其結構示意圖如圖1.5.1(a)所示。圖1.5.1

(a)結構示意圖NP+PN結b1b2e2/5/20232第四章圖1.5.1(b)符號

P型半導體引出的電極為發射極e；N型半導體的兩端引出兩個電極，分別為基極b1和基極b2。單結晶體管因有兩個基極，故也稱為雙基極晶體管。其符號如圖(b)所示。基極b1基極b2發射極e2/5/20233第四章單結晶體管的等效電路如圖(c)所示，發射極所接P區與N型硅棒形成的PN結等效為二極管D；N型硅棒因摻雜濃度很低而呈現高電阻，二極管陰極與基極b2之間的等效電阻為rb2，與基極b1之間的等效電阻為rb1；rb1的阻值受e-b1間電壓的控制，所以等效為可變電阻。圖1.5.1(c)等效電路2/5/20234第四章二、工作原理和特性曲線單結晶體管的發射極電流iE與e-b1間電壓uEB1的關系曲線稱為特性曲線。特性曲線的測試電路如圖1.5.2(a)所示。2/5/20235第四章虛線框內為單結晶體管的等效電路。當b2-bl間加電源VBB，且發射極開路時，A點電位為圖1.5.2(a)測試電路VBBVEEuEB1IErb1rb22/5/20236第四章式中η稱為單結晶體管的分壓比，其數值主要與管子的結構有關，一般在0.5-0.9之間。基極b2的電流為(1.5.1)(1.5.2)2/5/20237第四章當e-b1間電壓uEB1為零時，二極管承受反向電壓，其值uEA=－ηVBB。發射極的電流iE為二極管的反向電流，記作IEO。圖1.5.2(a)測試電路VBBVEEuEB1IErb1rb22/5/20238第四章只有當uEA接近零時，iE的數值才明顯減小；當uEBl=uA時，二極管的端電壓為零，iE=0。圖1.5.2(a)測試電路VBBVEEuEB1IErb1rb2若緩慢增大uEBl，則二極管端電壓uEA隨之增大；根據PN結的反向特性可知，2/5/20239第四章若uEBl繼續增大，使PN結正向電壓大于開啟電壓時，則iE變為正向電流，從發射極e流向基極b1。圖1.5.2(a)測試電路VBBVEEuEB1IErb1rb22/5/202310第四章圖1.5.2(a)測試電路VBBVEEuEB1IErb1rb2由于半導體材料的電阻與其載流子的濃度緊密相關，注入的載流子使rb1減小；而且rb1的減小，使其壓降減小，導致PN結正向電壓增大，此時，空穴濃度很高的P區向電子濃度很低的硅棒的A-b1區注入非平衡少子；2/5/202311第四章程度時，二極管的導通電壓將變化不大，此時uEB1將因rb1的減小而減小，表現出負阻特性。圖1.5.2(a)測試電路VBBVEEuEB1IErb1rb2iE必然隨之增大，注入的載流子將更多，于是rb1進一步減小；當iE增大到一定2/5/202312第四章所謂負阻特性，是指輸入電壓(即uEBl)增大到某一數值后，輸入電流(即發射極電流iE)愈大，輸入端的等效電阻愈小的特性。圖1.5.2(a)測試電路VBBVEEuEB1IErb1rb22/5/202313第四章的限制，除非將輸入回路開路或將iE減小到很小的數值，否則管子將始終保持導通狀態。圖1.5.2(a)測試電路VBBVEEuEB1IErb1rb2一旦單結晶體管進入負阻工作區域，輸入電流iE的增加只受輸入回路外部電阻2/5/202314第四章圖1.5.2(b)特性曲線uEB1iEIEO單結晶體管的特性曲線如圖1.5.2(b)所示。飽和區負阻區截止區峰點電壓峰點電流谷點電壓谷點電流2/5/202315第四章圖1.5.2(b)特性曲線uEB1iEIEO當uEBl=0時，iE=IE0；當uEB1增大至Up(峰點電壓)時，PN結開始正向導通,Up=uA+Uon，uA如式(1.5.1)所示，Uon為PN結的開啟電壓，此時iE=Ip(峰點電流)；峰點電壓峰點電流2/5/202316第四章uEBl再增大一點，管子就進入負阻區，隨著iE增大，rb1減小，uEB1減小，直至uEB1=Uv(谷點電壓)，iE=IV(谷點電流)，圖1.5.2(b)特性曲線谷點電壓谷點電流uEB1iEIEO2/5/202317第四章Uv取決于PN結的導通電壓和rbl的飽和電阻rs；當iE再增大，管子進入飽和區。單結晶體管的三個工作區域如圖1.5.2(b)中所標注。圖1.5.2(b)特性曲線uEB1iEIEO飽和區負阻區截止區2/5/202318第四章單結晶體管的負阻特性廣泛應用于定時電路和振蕩電路中。除了單結晶體管外，具有負阻特性的器件還有隧道二極管、λ雙極性晶體管、負阻場效應管等等。三、應用舉例圖1.5.3(a)所示為單結晶體管組成的振蕩電路。所謂振蕩，是指在沒有輸入信號的情況下，電路輸出一定頻率、一定幅值的電壓或電流信號。2/5/202319第四章在圖1.5.3(a)所示電路中，當合閘通電時，電容C上的電壓為零，管子截止，電源VBB通過電阻R對C充電，隨時間增長電容上電壓uC(即uEB1)逐漸增大；圖1.5.3(a)電路+VBBuCRC2/5/202320第四章一旦uEB1剛增大到峰點電壓Up后，管子進入負阻區，輸入端等效電阻急劇減小，使C通過管子的輸入回路迅速放電，iE隨之迅速減小，圖1.5.3(a)電路+VBBuCRC2/5/202321第四章一旦uEB1減小到谷點電壓Uv后，管子截止；電容又開始充電。上述過程循環往返，只有當斷電時才會停止，因而產生電振蕩。圖1.5.3(a)電路+VBBuCRC2/5/202322第四章由于充電時間常數遠大于放電時間常數，當穩定振蕩時，電容上電壓的波形如圖(b)所示。圖1.5.3(b)振蕩波形tOUVUPuC2/5/202323第四章1.5.2晶閘管晶體閘流管簡稱晶閘管(Thyristor)，也稱為硅可控元件(SCR)，是由三個PN結構成的一種大功率半導體器件，多用于可控整流、逆變、調壓等電路，也作為無觸點開關。2/5/202324第四章一、結構和等效模型由于晶閘管是大功率器件，一般均用在較高電壓和較大電流的情況，故其外形均便于安裝散熱片和有利于散熱。常見的晶閘管外形有螺栓形和平板形，如圖1.5.4所示。2/5/202325第四章此外，其封裝形式有金屬外殼和塑封外殼等。圖1.5.4晶閘管的外形(a)螺栓形(b)平板形陽極A陰極C控制極G2/5/202326第四章晶閘管的內部結構示意圖如圖1.5.5(a)所示，它由四層半導體材料組成，四層材料由P型半導體和N型半導體交替組成，圖1.5.5(a)結構示意圖P1P2N1N2○○○A(陽極)C(陰極)G(控制極)J1J2J32/5/202327第四章晶閘管也稱為四層器件或PNPN器件。圖1.5.5(a)結構示意圖P1P2N1N2○○○A(陽極)C(陰極)G(控制極)J1J2J32/5/202328第四章為了更好地理解晶閘管的工作原理，常將其N1和P2兩個區域分解成兩部分，使得P1-N1-P2構成一只PNP型管，N1-P2-N2構成一只NPN型管，如圖(b)所示；圖1.5.5(b)等效為兩只相連的晶體管P1P2P2N1N2N1T1T22/5/202329第四章用晶體管的符號表示，如圖(c)所示；晶閘管的符號如圖(d)所示。圖1.5.5(c)等效電路(d)符號2/5/202330第四章二、工作原理當晶閘管的陽極A和陰極C之間加正向電壓而控制極不加電壓時，J2處于反向偏置，管子不導通，稱為阻斷狀態。圖1.5.6晶閘管的工作原理(a’)實際電路VAAVGG2/5/202331第四章當晶閘管的陽極A和陰極C之間加正向電壓且控制極和陰極之間也加正向電壓時，如圖1.5.6(a)所示。圖1.5.6晶閘管的工作原理(a)實際電路VAAVGG2/5/202332第四章此時，J3處于導通狀態。若T2管的基極電流為iB2，則其集電極電流為β2iB2；T1管的基極電流iB1=β2iB2，圖1.5.6晶閘管的工作原理(b)等效電路VAAVGGRIB2βIB2IB12/5/202333第四章因而T1管：iC1=β1β2iB2；該電流又作為T2管的基極電流，再一次進行上述放大過程，形成正反饋。圖1.5.6晶閘管的工作原理(b)等效電路VAAVGGRIB2βIB2IB1IC12/5/202334第四章在很短的時間內(一般不超過幾微秒)，兩只管子均進入飽和狀態，使晶閘管完全導通，這個過程稱為觸發導通過程。晶閘管一旦導通，控制極就失去控制作用，管子依靠內部的正反饋始終維持導通狀態。2/5/202335第四章晶閘管導通后，陽極和陰極之間的電壓一般為0.6～1.2V，電源電壓幾乎全部加在負載上；陽極電流iA因型號不同可達幾十—幾千安培。2/5/202336第四章晶閘管如何從導通變為阻斷呢?如果能夠使陽極電流iA減小到小于一定數值IH，導致晶閘管不能維持正反饋過程，管子將關斷，這種關斷稱為正向阻斷，IH稱為維持電流；2/5/202337第四章如果在陽極和陰極之間加反向電壓，晶閘管也將關斷，這種關斷稱為反向阻斷。因此，控制極只能通過加正向電壓控制晶閘管從阻斷狀態變為導通狀態。而要使晶閘管從導通狀態變為阻斷狀態，則必須通過減小陽極電流或改變A～C電壓極性的方法實現。2/5/202338第四章三、晶閘管的伏安特性以晶閘管的控制極電流iG為參變量，陽極電流i與A-C間電壓u的關系稱為晶閘管的伏安特性，即(1.5.3)圖1.5.7所示為晶閘管的伏安特性曲線。2/5/202339第四章圖1.5.7晶閘管的伏安特性曲線u>0時的伏安特性稱為正向特性。從圖1.5.7所示的伏安特性曲線可知，當IG=0時，u逐漸增大，在一定限度內，由于J2處于反向偏置，i為很小的正向漏電流，曲線與二極管的反向特性類似；2/5/202340第四章圖1.5.7晶閘管的伏安特性曲線曲線與二極管的正向特性類似；這種導通方式容易造成晶閘管擊穿而損壞，應當避免；使晶閘管從阻斷到導通的A-C電壓u稱為轉折電壓UBO。u增大到一定數值i驟增,u迅速下降2/5/202341第四章圖1.5.7晶閘管的伏安特性曲線正常工作時,應在控制極和陰極間加觸發電壓，因而IG大于零；而且IG愈大，轉折電壓愈小，如圖1.5.7所示。A--C所在回路的電阻(通常為負載電阻)限制了陽極電流。2/5/202342第四章u<0時的伏安特性稱為反向特性。從圖1.5.7所示的伏安特性曲線可知，晶閘管的反向特性與二極管的反向特性相似。圖1.5.7晶閘管的伏安特性曲線2/5/202343第四章圖1.5.7晶閘管的伏安特性曲線當晶閘管的陽極和陰極之間加反向電壓時，由于J1和J3均處于反向偏置，因而只有很小的反向電流IR；當反向電壓增大到一定數值時；反向電流驟然增大，管子擊穿。2/5/202344第四章例1.5.1圖1.5.8(a)所示為可控半波整流電路,已知輸入電壓ui和晶閘管控制極的電壓uG波形如圖(b)所示；(a)電路圖1.5.8例1.5.1電路及波形圖四、晶閘管的主要參數(自學)2/5/202345第四章管壓降可忽略不計。試定性畫出負載電阻RL上的電壓uo的波形。(b)波形圖圖1.5.8例1.5.1電路及波形圖在陽極與陰極間電壓合適的情況下,uG=UH時可以使管子導通；管子的導通2/5/202346第四章(c)uO的波形圖圖1.5.8例1.5.1電路及波形圖解：當ui<0時，不管uG為UH還是為UL，晶閘管均處于截止狀態。當ui>0且uc=UH時，在uG的觸發下，晶閘管導通。2/5/202347第四章此時，即使uG變為UL，管子仍維持導通狀態。只有當ui下降使陽極電流減小到很小時，管子才阻斷。(c)uO的波形圖圖1.5.8例1.5.1電路及波形圖2/5/202348第四章可以近似認為當ui下降到零時，管子關斷。若管子的導通管壓降可忽略不計，在管子導通時，uO≈ui。因此，uO的波形如圖(c)所示。(c)uO的波形圖圖1.5.8例1.5.1電路及波形圖2/5/202349第四章1.6集成電路中的元件集成電路就是采用一定的制造工藝，將晶體管、場效應管、二極管、電阻、電容等許多元件組成的具有完整功能的電路制作在同一塊半導體基片上，然后加以封裝所構成的半導體器件。由于它的元件密度高(即集成度高)、體積小、功能強、功耗低、外部連線及焊點少，從而大大提高了電子設備的可靠性和靈活性，實現了元件、電路與系統的緊密結合。2/5/202350第四章圖1.6.1基片與管芯圖在集成電路生產過程中，在直徑為3～10mm的硅片上，同時制造幾百甚至上千個電路，整個硅片稱為基片，每一塊電路稱為管芯，如圖1.6.1所示。1.6.1集成電路制造工藝簡介基片管芯2/5/202351第四章圖1.6.2為集成電路的剖面圖及外形圖鋁或金絲晶片金屬帽引腳外形圖1.6.2(a)(b)園殼式集成電路2/5/202352第四章圖1.6.2(c)雙列直插式集成電路剖面圖鋁或金絲晶片環氧樹脂陶瓷晶片鋁或金絲引腳引腳2/5/202353第四章圖1.6.2(d)雙列直插式集成電路外形圖123714132/5/202354第四章一、幾個工藝名詞(1)氧化：在溫度為800～1200oC的氧氣中使半導體表面形成SiO2薄層，以防止外界雜質的污染。(2)光刻與掩膜：制作過程中所需要的版面圖稱為掩膜，利用照相制版技術將掩膜刻在硅片上稱為光刻。2/5/202355第四章一、幾個工藝名詞(3)擴散：在1000oC左右的爐溫下，將磷砷或硼等元素的氣體引入擴散爐，經一段時間形成雜志濃度一定的N型半導體或P型半導體。每次擴散完畢都要進行一次氧化，以保護硅片的表面。2/5/202356第四章一、幾個工藝名詞(4)外延：在半導體基片上形成一個與基片結晶軸同晶向的半導體薄層，稱為外延生長技術。所形成的薄層稱為外延層，其作用是保證半導體表面性能均勻。(5)蒸鋁：在真空中將鋁蒸發，沉積在硅片表面，為制造連線或引線做準備。隔離技術、制造工藝(自學)。2/5/202357第四章1.6.2集成雙極型管一、NPN型管在制造集成電路時，需將各個元件相互絕緣。利用PN結反向偏置時電阻很大的特點，把各元件所在的N區或P區四周用PN結包圍起來，便可使它們相互絕緣，稱這個N區或P區為隔離島。2/5/202358第四章(i)隔離島圖1.6.3隔離島及NPN型管P+P+N+在基片上經過氧化、光刻、腐蝕、擴散、外延及氧化等重復過程，即可制造出隔離島。圖1.6.3所示為集成電路制造過程中的剖面，(i)為中間的N區為隔離島，它兩側的P+區為隔離槽。隔離島隔離槽隔離槽2/5/202359第四章利用上述的工藝過程在隔離島中首先制造出基區，然后制造發射區和集電區，最后制造各極引出窗口，就成為NPN型管，如圖1.6.4所示。圖1.6.4隔離島的NPN型管2/5/202360第四章

二、PNP型管PNP型管有襯底PNP管和橫向PNP管，其結構如圖1.6.2所示。襯底PNP管以隔離槽為集電極，是縱向管，即載流子從發射區沿縱向向集電區運動。由于可以準確控制基區的厚度，所以β值較大。但由于隔離槽只能接在整個電路電位最低端，所以應用的局限性很大。圖1.6.2集成電路中的PNP型管2/5/202361第四章橫向PNP管的載流子從發射區沿水平方向向集電區運動，故稱橫向管。由于制造工藝所限，基區較厚，所以β值很小，僅為2～20倍。但其發射結和集電結耐壓較高，因而可利用橫圖1.6.2集成電路中的PNP型管向PNP管和縱向NPN管復合而成既有足夠大的電流放大系數又耐壓較高的管子，從而構成各方面性能俱佳的放大電路。

2/5/202362第四章(a)結構三、其它類型晶體管在制造NPN型管時，若作多個發射區，則得到多發射極管，其結構與符號見圖1.6.6所示。這種管子廣泛用于集成數字電路。圖1.6.6多發射極管的結構與符號(b)符號2/5/202363第四章(b)符號在制作橫向PNP型管時，若作多個集電區，則得到多集電極管，各集電極電流之比決定于對應的集電區面積之比，其結構與符號如圖1.6.7所示。這種管子多用于集成放大電路中的電流源電路。圖1.6.7多集電極管的結構與符號(a)結構隔離槽2/5/202364第四章集成電路中普通NPN型管的基區寬度為0.5～1μm，若將基區做得很薄，厚度只有0.1～0.2μm，則得