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半導(dǎo)體制程—分立器件
??????? 二極管的種類及其用法
二極管是一種具有1個(gè)PN接合的2個(gè)端子的器件。具有按照外加電壓的方向，使電流流動(dòng)或不流動(dòng)的性質(zhì)。
二極管的基本特性
利用PN接合的少數(shù)載子的注入和擴(kuò)散現(xiàn)象，只能一個(gè)方向(正向)上流通電流。如果在PN接合二極管的N型半導(dǎo)體加上負(fù)壓、在P型半導(dǎo)體加上正電壓，就可使電流流通。我們將該電流的流動(dòng)方向叫做正向。如果外加正、負(fù)壓與上述反方向的電壓，則幾乎不會(huì)流通電流。我們將該方向叫做反向。如果提高PN接合二極管的反向電壓，則電流在某個(gè)電壓值會(huì)急劇增加。我們將該電流叫做擊穿電流。此時(shí)的電壓值對(duì)電流而言基本上為定值。
二極管的特性曲線和圖形記號(hào)、結(jié)構(gòu)
下圖表示二極管的特性曲線和圖形記號(hào)、結(jié)構(gòu)圖。
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二極管的特性曲線
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二極管的圖形記號(hào)、結(jié)構(gòu)
二極管的種類和應(yīng)用
1)一般整流二極管
二極管在一般的應(yīng)用上，有利用電流只在一個(gè)方向上流通的功能的交流電壓主的整流電路。
利用PN接合二極管的反向擊穿電壓的即為齊納二極管(恒定電壓二極管)。由于該電壓對(duì)于電流來(lái)說(shuō)基本上為定值，因此用于恒定電壓調(diào)節(jié)器的基準(zhǔn)電壓源或浪涌電壓(異常電壓)吸收等用途。
3)其它二極管
.進(jìn)一步提高一般二極管的開關(guān)特性的高速恢復(fù)二極管(FRD);
. 接合金屬和半導(dǎo)體來(lái)替代PN接合的肖特基勢(shì)壘二極管(Schottky barrier diode);
. 變?nèi)荻O管、混合二極管、夾在真性半導(dǎo)體的I層中的PIN二極管等高頻用二極管。
二極管的封裝
1)單體
在一個(gè)封裝中裝一個(gè)器件的類型，使用最多。
2)中心抽頭
用于一個(gè)封裝內(nèi)組裝兩個(gè)器件，且使用帶有中心抽頭的雙繞線變壓器的全波整流電路等。
3)串聯(lián)
指兩個(gè)二極管在內(nèi)部串聯(lián)，用于半波倍電壓整流電路等。
4)橋式連接
如圖所示，指裝有四個(gè)二極管，用于將交流作全波整流時(shí)。
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整流二極管的各種連接
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二極管的各種封裝
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大電流整二極管的外觀
可以改善二極管的反向恢復(fù)特性，實(shí)現(xiàn)高速開關(guān)的二極管。用于在較高開關(guān)頻率下動(dòng)作的反相器、開關(guān)整流器的還流二極管、整流二極管。同時(shí)正向損失也可降低。
特 征
PN接合二極管由于利用了少數(shù)載子，因此導(dǎo)電調(diào)制效果雖然可以降低正向電壓，但少數(shù)載子所帶有的反向恢復(fù)特性會(huì)阻礙高速切換。FRD和HED雖然都是PN接合二極管的一咱，但是將白金等重金屬加入Si單結(jié)晶中，增加電子和空穴的再結(jié)合中心，能迅速消滅關(guān)斷后的少數(shù)載子。同時(shí)，肖特基勢(shì)壘二極管主要是由多數(shù)載子在運(yùn)動(dòng)，因此不會(huì)出現(xiàn)反向恢復(fù)特性。因此，運(yùn)行也更快速。
反向恢復(fù)特性
PN接合二極管在正向電流的狀態(tài)下突然施加反向電壓的話，應(yīng)付以在瞬間有較大的反向電流流通。這是因?yàn)閺腜N接合注入的少數(shù)載子反向移動(dòng)，而該電流將流通直到少數(shù)載子流出或消滅為止。高速開關(guān)二極管用于縮短反向電流變?yōu)榱銥橹沟臅r(shí)間(反向恢復(fù)時(shí)間：trr)、改善反向電流波形的平滑性。
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外加反向恢復(fù)電壓時(shí)的少數(shù)載子的動(dòng)作
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反向恢復(fù)電流波形
種 類
1)高速恢復(fù)二極管(FRD：Fast Recovery Diode)
高速恢復(fù)二極管在結(jié)構(gòu)上和一般整流二極管基本相同，但它是一種有白金、金等摻雜物質(zhì)擴(kuò)散在Si結(jié)晶中，增加了電子和空穴的再結(jié)合中心，關(guān)閉后少數(shù)載子會(huì)立刻被消滅的二極管。因此可以提高二極管的反向恢復(fù)特性(反向恢復(fù)時(shí)間：trr)，實(shí)現(xiàn)高速動(dòng)作。
2)高效二極管(HED：High Efficiency Diode)
高效二極管比上述FRD速度更快，損失更低(正向電壓較低)，因此它使用外延晶圓，在利用導(dǎo)電調(diào)制效果(參考PIN二極管)來(lái)降低正向電阻的同時(shí)，通過(guò)追加重金屬擴(kuò)散，能在不損壞正向特性的情況下，提高反向恢復(fù)特性。HED用于比FRD更為高速的開關(guān)電路。
3)肖特基勢(shì)壘二極管(SBD：Schottky Barrier Diode)
真空能量等級(jí)和傳導(dǎo)帶等級(jí)的能量的差(稱為電子親和力)是利用金屬和半導(dǎo)體的不同，根據(jù)和PN接合不同的原理，通過(guò)改變外加電壓的方向來(lái)控制電流開合的。它和利用少數(shù)載子擴(kuò)散電流的PN接合不同，主要是利用多數(shù)載子的漂移電流，因此可以實(shí)現(xiàn)高速開關(guān)。肖特基勢(shì)壘二極管和PN接合二極管相比反向電流較大，因此在高壓下使用時(shí)容易發(fā)生熱故障，使用時(shí)要非常小心。
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肖特基勢(shì)疊二極管的通電狀態(tài)和記號(hào)
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肖特基勢(shì)疊二極管的阻止?fàn)顟B(tài)
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封裝
穩(wěn)壓二極管(齊納二極管)
這是利用了PN接合的反向特性的二極管。用于基準(zhǔn)電壓源和浪涌電壓的吸收。
結(jié)構(gòu)、動(dòng)作
如果將PN接合二極管的反向電壓逐漸提升的話，PN接合部的電場(chǎng)會(huì)升高，某個(gè)電壓點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生較大的電流。齊納二極管(也叫穩(wěn)壓二極管)正是積極利用了這種電壓電流特性。這種電流開始急劇流動(dòng)的現(xiàn)象就是由齊納擊穿，或者雪崩擊穿引起的。齊納擊穿是由隧道效應(yīng)引起的，由于強(qiáng)大的電場(chǎng)將束縛電子拉離了接合，成為自由電子，并形成了電流，因此該電壓會(huì)保持負(fù)的溫度系數(shù)。而所謂雪崩擊穿，是空乏層的電場(chǎng)中被加速的電子、或者空穴的高能量賦予了束縛電子以能量，而成為自由電子的現(xiàn)象，這種新的電子也被加速，并讓其他束縛電子成為自由電子的現(xiàn)象重復(fù)的結(jié)果，就是形成了較大的電流，該電壓會(huì)保持正的溫度系數(shù)。大約6V以下主要是齊納擊穿，而6V以上則主要是由雪崩擊穿引起的。因此，大約在5V時(shí)溫度系數(shù)為零。
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齊納(穩(wěn)壓)二極管的圖形記號(hào)、結(jié)構(gòu)
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齊納(穩(wěn)壓)二極管的特性
用 途
齊納二極管用于串聯(lián)穩(wěn)壓器的在準(zhǔn)電壓源或汽車的電源線、電話線的浪涌電壓(異常高壓脈沖電壓)的吸收，或者連接在計(jì)算機(jī)等的連接器上，來(lái)保護(hù)連接連接器時(shí)產(chǎn)生的ESD(靜電壓破壞)等。
高頻二極管
高頻波用的二極管也分成如下各種類型
1)變?nèi)荻O管;
2)PIN二極管;
3)穿透二極管;
4)雪崩二極管;
5)甘恩二極管;
6)階躍恢復(fù)二極管。
(1)變?nèi)荻O管
給二極管外加反向電壓時(shí)產(chǎn)生的空乏區(qū)域，其電荷以空間性分離，因此其發(fā)揮如同電容器的作用。當(dāng)外加在二極管上的電壓(反向)增加的話，則空乏層的寬度隨之?dāng)U大，正如電容器的2片電極之間的間隔變寬那樣，因此二極管的容量不斷變小。利用這種特性，用于調(diào)諧器等同步電路、調(diào)諧電路等。
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變?nèi)荻O管的圖形記號(hào)、結(jié)構(gòu)圖
(2 )PIN二極管
PN接合之間夾著本征半導(dǎo)體(I型)，外加正向電壓的話，P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體會(huì)向本征半導(dǎo)體注入很多空穴、以及相同密度度的電子，從而降低比電阻。這種現(xiàn)象叫“導(dǎo)電調(diào)制效果”。PIN二極管正向流通直流電流的話，在導(dǎo)電調(diào)制效果下會(huì)顯示出較低的電阻值，但外加反向直流電壓的話，I層的空乏層會(huì)擴(kuò)大，結(jié)果會(huì)顯示出非常小的電容值。利用這種特性，可作為高頻帶的開關(guān)與共振電路的頻段開關(guān)和減衰器。
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PIN二極管的正向
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PIN二極管的反向
(3)穿透(江崎)二極管
在添加高濃度雜質(zhì)的P型、N型區(qū)域外加低電壓時(shí)所形成的狹小空乏層，載子以穿透現(xiàn)象流通。該現(xiàn)象在正向電流流通前的低電壓時(shí)產(chǎn)生，因此一部分顯示負(fù)的斜率特性，而該二極管即使用這種特性。
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穿透二極管的特性曲線
(4)雪崩二極管
將反向電壓加在PN接合面，如果超出雪崩電壓，則會(huì)發(fā)生載子的累增雪崩現(xiàn)象。如果將共振器的頻率調(diào)諧在載子的累增雪崩所穿透的I區(qū)域的長(zhǎng)度所規(guī)定的到達(dá)時(shí)間上，那么3-300GHZ之間可以產(chǎn)生大輸出的振蕩器或放大器。
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雪崩二極管的模式圖
(5)甘恩(Gunn)二極管
以N型砷化鎵(GaAs)的結(jié)晶構(gòu)成。雖然由于電壓可使電子的速度增加，但在某個(gè)臨界值，電子的運(yùn)動(dòng)能量會(huì)被結(jié)晶格子所吸收，而使速度降低。而且外加大于臨界值的電壓時(shí)，在負(fù)電極附近會(huì)發(fā)生高電場(chǎng)區(qū)域，并在結(jié)晶中移動(dòng)。由于這種高電場(chǎng)區(qū)域的產(chǎn)生、移動(dòng)、消滅都是以周期性進(jìn)行，因此用于5-50GHZ的微波振蕩器等。
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甘恩(Gunn)二極管的模式圖
(6)階躍恢復(fù)二極管
將PN接合上的電壓從正向切換到反向的話，電荷會(huì)聚積起來(lái)并被釋放出去，但這個(gè)過(guò)程含有很多的高次諧波，因此很容易得到高輸出微波。
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階躍恢復(fù)二極管的模式圖
晶體管的種類和使用方法
具有信號(hào)放大功能的3個(gè)端子的半導(dǎo)體器件。作為電流載體，有利用電子及空穴兩個(gè)載子的雙極晶體管，以及只利用電子或空穴任何一種的場(chǎng)效應(yīng)管(FET)。
晶體管的分類
雙極晶體管中根據(jù)半導(dǎo)體的組合方式分為NPN型和PNP型。另一方面，場(chǎng)效應(yīng)管因結(jié)構(gòu)而分為接合型場(chǎng)效應(yīng)管(結(jié)構(gòu)FET)和MOS型場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)。還可再分為N通道、P通道，N通道中電流的主體為電子，P通道中為空穴。雙極晶體管用于模擬IC、高頻器人年、或者音頻輸出、串聯(lián)調(diào)節(jié)器等模擬用途。另一方面，MOSFET的ON-OFF切換動(dòng)作迅速，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且可由開關(guān)耗電量小的CMOS柵組合而成，而且通過(guò)微細(xì)加工技術(shù)可以提高性能，從而成為數(shù)字LSI器件上的必須構(gòu)件。功率MOSFET是一種適用于改變ON-OFF循環(huán)時(shí)間而控制功率的開關(guān)領(lǐng)域的器件。
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晶體管的分類
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各種晶體管封裝
雙極晶體管
具有2個(gè)PN接合，利用電子以及空穴兩個(gè)載子作用放大或開在動(dòng)作的晶體管。
結(jié)構(gòu)、運(yùn)作
NPN晶體管中，為了消除基極、發(fā)射極接合面的電位勢(shì)壘而外加正向電壓的話，電子將從發(fā)射極的范圍注入基極范國(guó)。削薄基極層的厚度后，幾乎所有的電子都會(huì)作為擴(kuò)散電流到達(dá)基極、集電極接合面，而成為集電極電流。同時(shí)空穴也從基極注入發(fā)射極，成為基極電流，但將發(fā)射極的雜質(zhì)濃度提高到基極雜質(zhì)100倍的話就可以降低電流的比例，依靠微小的基極電流可以控制較大的集電極電流。
NPN晶體管中電子雖為電流的主體，但PNP晶體管中空穴為主體，因此電流的流動(dòng)方向相反。
應(yīng)用及用途
高頻特性良好，特性由物理量決定，因此偏差少，適合于無(wú)線設(shè)備的高頻電路等模擬電路。而且電流驅(qū)動(dòng)能力較大，因此作為電源、音頻輸出、電視機(jī)的水平偏向用等功率器件被廣泛使用。
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雙極晶體管的結(jié)構(gòu)
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晶體管的圖形符號(hào)
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NPN晶體管的動(dòng)作原理
場(chǎng)效應(yīng)管(FET)
場(chǎng)效應(yīng)管和雙極晶體管不同，僅以電子或空穴中的一種載子動(dòng)作的晶體管。按照結(jié)構(gòu)、原理可以分為：
.接合型場(chǎng)效應(yīng)管
.MOS型場(chǎng)效應(yīng)管
★接合型場(chǎng)效應(yīng)管(結(jié)型FET)
原 理
N通道接合型場(chǎng)效應(yīng)管如圖所示，以P型半導(dǎo)體的柵極從兩側(cè)夾住N型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)。將PN接合面上外加反向電壓時(shí)所產(chǎn)生的空乏區(qū)域用于電流控制。
N型結(jié)晶區(qū)域的兩端加上直流電壓時(shí)，電子從源極流向漏極。電子所通過(guò)的通道寬度由從兩側(cè)面擴(kuò)散的P型區(qū)域以及加在該區(qū)域上的負(fù)電壓所決定。
加強(qiáng)負(fù)的柵極電壓時(shí)，PN接合部分的空乏區(qū)域擴(kuò)展到通道中，而縮小通道寬度。因此，以柵極電極的電壓可以控制源極-漏極之間的電流。
用 途
即使柵極電壓為零，也有電流流通，因此用于恒定電流源或因低噪音而用于音頻放大器等。
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結(jié)型FET的圖形記號(hào)
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結(jié)型FET的動(dòng)作原理(N通道)
★MOS型場(chǎng)效應(yīng)管
原 理
即使是夾住氧化膜(O)的金屬(M)與半導(dǎo)體(S)的結(jié)構(gòu)(MOS結(jié)構(gòu))，如果在(M)與半導(dǎo)體(S)之間外加電壓的話，也可以產(chǎn)生空乏層。再加上較高的電壓時(shí)，氧華膜下能積蓄電子或空穴，形成反轉(zhuǎn)層。將其作為開關(guān)利用的即為MOSFET。
在動(dòng)作原理圖上，如果柵極電壓為零，則PN接合面將斷開電流，使得電流在源極、漏極之間不流通。如果在柵極舊外加正電壓的話，則P型半導(dǎo)體的空穴將從柵極下的氧化膜-P型半導(dǎo)體的表面被驅(qū)逐，而形成空乏層。而且，如果再提高柵極電壓的話，電子將被吸引表表面，而形成較薄的N型反轉(zhuǎn)層，由此源杖(N型)和漏極(N型)之間連接，使得電流流通。
用 途
因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、速度快，且柵極驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單、具有耐破壞力強(qiáng)等特征，而且使用微細(xì)加工技術(shù)的話，即可直接提高性能，因此被廣泛使用于由LSI的基礎(chǔ)器件等高頻器件到功率器件(電力控制器件)等的領(lǐng)域中。
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MOS FET的圖形記號(hào)
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MOS FET的動(dòng)作原理(N通道)
高頻晶體管
具有高速電子移動(dòng)率、低噪音特性、高fr(斷開頻率)等優(yōu)良的特性。以使用化合物半導(dǎo)本為主。GaAaMESFET、HEMT、HBT等為代表一晶體管，用于移動(dòng)通訊、衛(wèi)星通訊等領(lǐng)域。
★FET系列高頻晶體管
GaAs MESFET
GaAs MESFET：是利用了半導(dǎo)一材料中比Si移動(dòng)性好的GaAs (Ⅲ-V族的化合物半導(dǎo)體)的接合型FET。具有高頻、高增益、低噪音的特征。
基本結(jié)構(gòu)
和Si不同, GaAs無(wú)法得到優(yōu)質(zhì)的柵極氧化膜,因此無(wú)法形成MOSFET.是一種使用金屬-半導(dǎo)體接合面(肖特基接合面)作為柵極結(jié)構(gòu)的接合型FET。在半絕緣性的基板的表面?zhèn)茸⑷腚x子，或通過(guò)外延成長(zhǎng)所作的N型GaAs通道層，上面有附加肖特基接合面的柵極電極和歐姆接點(diǎn)的源極、漏極電極。
動(dòng)作原理
動(dòng)作原理是將在金屬-半導(dǎo)體接合面延伸到通道層內(nèi)的空乏層，通過(guò)柵極電壓加以控制，從而控制源極、漏極電流的結(jié)構(gòu)。
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高頻晶體管
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GaAs MESFET的結(jié)構(gòu)
HEMT(高電子移動(dòng)度晶體管;簡(jiǎn)稱HEMT)
所謂HEMT，是指將AIGaAs/GaAs層混合接合部界面所產(chǎn)生的電子積蓄層作為通道的晶體管。因?yàn)榭梢灾苯油ㄟ^(guò)柵極電極控制通道，因此除了低噪音、高增益以外，還具有特別優(yōu)良的GHz帶的高頻波的特征。
基本結(jié)構(gòu)
將在Ⅲ-V族化合物半導(dǎo)體混合接合面部分合面)所產(chǎn)生的高移動(dòng)率的電子層(或空穴層)作為通道的肖特基柵極型FET。將柵極電極設(shè)置在AIGaAs層上，使其厚度變薄，在外加?xùn)艠O電壓時(shí)，使AIGaAs層完全空乏。
動(dòng)作原理
由混入AIGaAs層的施體不純物提供的電子橫切混合接合面后，向能量較低的GaAs側(cè)移動(dòng)，移動(dòng)后的電子被AIGaAs側(cè)施體離子的庫(kù)侖力吸引到混合接合界面，形成極薄的通道層。通過(guò)柵極電壓控制該2次元電子氣體的濃，控制源極、漏極之間的電流。這樣，電子和不純物離子被分離，GaAs中的電子可以不受到不純物散亂的影響，高速移動(dòng)。
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GaAs系列HMET的結(jié)構(gòu)
★雙極系列高頻晶體管
HBT(混合接合雙極晶體管)及其動(dòng)作原理
HBT是用于高頻開發(fā)出的雙極晶體管的一種。和一般的雙極晶體管(單接合雙極晶體管)中，發(fā)射極、基極采用相同的半導(dǎo)體材料制成的相反，HBT的基極、發(fā)射極使用不同的半導(dǎo)體材料。一般的雙極晶體管為了提高高頻特性，將基極的不純物濃度提高，將在極層弄薄，但由于電流放大率會(huì)下降，因此有一定的界限。制成HBT結(jié)構(gòu)，就能利用構(gòu)成發(fā)射極和基極的半導(dǎo)體材料的能量差的不同，在不降低電流放大率的的情況下，提高不純物濃度，進(jìn)一步提高高頻特性。
SiGe基本結(jié)構(gòu)
其結(jié)構(gòu)就是將通常的Si的NPN晶體管的基極通過(guò)外延成長(zhǎng)轉(zhuǎn)換為SiGe混晶基極?？梢允褂煤鸵话愎桦p極相同的制程、設(shè)備制成，因此可以制造具有優(yōu)良高頻特性、價(jià)格便宜的半導(dǎo)體器件。適用于混合雙極晶體管和CMOS的高頻BiCMOSLSI用。
高頻器件的用途
高頻器件用于手機(jī)、個(gè)人機(jī)器GPS天線、衛(wèi)星廣播接收機(jī)等。
大功率晶體管(功率MOSFET)的種類和使用方法
大功率MOSFET絕大部分被用于開關(guān)。因此ON電壓(ON電阻)的降低和調(diào)制的高速化很重要。大功MOSFET是具有高速性和高破壞耐量的理想型功率控制哭件。
★功率MOSFET結(jié)構(gòu)及種類
一般MOSFET，其電流方向與芯片表面的方向平行，相反功率MOSFET是在芯片的垂直方向流經(jīng)電流。這種結(jié)構(gòu)中，ON電阻下降，可以流經(jīng)大電流。
功率MOSFET的柵極結(jié)構(gòu)中有柵極在芯片的表面方向形成的平面型柵極以及在垂直方向上形成的溝槽型柵極2種。一般情況下，溝槽型柵極結(jié)構(gòu)的ON電阻可以進(jìn)一步減小，但一旦變?yōu)楦吣偷脑?，在價(jià)格×性能面反而平面型柵極結(jié)構(gòu)更利。
用 途
功率MOSFET因?yàn)樘匦员容^穩(wěn)定，使用方便，因此廣泛使用。在DC-DC轉(zhuǎn)換器等開關(guān)電源、照明設(shè)備的反相電路、馬達(dá)的反相電路及速度控制等多方面得到廣泛的使用。
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MOSFET的結(jié)構(gòu)的種類
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各種功率MOSFET
★超接MOSFET
結(jié)構(gòu)及動(dòng)作
一般MOSFET的缺點(diǎn)，是提高耐壓的話ON電阻就會(huì)急增加。超接MOSFET就是為了改善這個(gè)缺點(diǎn)而發(fā)明出來(lái)的一種器件?？v向延伸的薄板狀N層和P層相鄰配置，令N層和P層的雜質(zhì)濃度一致。在ON狀態(tài)下電子流過(guò)比電阻較低的N層，可以獲得較低的ON電阻。此外，在OFF狀態(tài)下使N層-P層空乏化，就能得到和本征半導(dǎo)體相同的平坦的電場(chǎng)分布，從而實(shí)現(xiàn)高耐壓。
可以在保持MOSFET的高速開關(guān)特性的同時(shí)，獲得高耐壓、低ON電阻的特性。
用 途
可用于高耐開關(guān)電源、PFC(功率改善)等領(lǐng)域。
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超級(jí)MOSFET的結(jié)構(gòu)
I G B T
IBGT是高耐壓MOSFET的一種。它利用導(dǎo)電調(diào)制效果(參照PIN二極管)改善了一般MOSFET的缺點(diǎn)----伴隨著高耐壓化而產(chǎn)生的ON電阻的增加。
結(jié)構(gòu)及動(dòng)作
要實(shí)現(xiàn)MOSFET的高壓化。需要雜質(zhì)濃度比較低，且層厚比較厚的漏極N-區(qū)域。因此，MOSFET在ON狀態(tài)下的ON電阻會(huì)增大。IGBT就是在相當(dāng)于MOSFET漏極的部位增加了正向的PN接合，從P型半導(dǎo)體向N型半導(dǎo)體注入空穴。這樣一來(lái)，就能在該區(qū)域形成電子、空穴密度非常高的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)較低的ON電阻。
用 途
IGBT被廣泛應(yīng)用于變頻空調(diào)、IH烹調(diào)設(shè)備等白色家電產(chǎn)品及工業(yè)設(shè)備、泵、穩(wěn)壓電源、風(fēng)力發(fā)電等工業(yè)用途，以及混合動(dòng)力汽車、燃料電池車、還有鐵路車輛的馬達(dá)控制等領(lǐng)域。
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IGBT的圖形記號(hào)、結(jié)構(gòu)
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和一般的晶體管外觀相同的IGBT
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大型IGBT的外觀
晶閘管(SCR)和三端雙向控硅開關(guān)(TRIAC)
晶閘管(硅控制整流器件)具有NPNP的4層結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)柵極信號(hào)控制正向電流通電時(shí)間的開關(guān)用半導(dǎo)體器件。三端雙向可控硅開關(guān)具有NPNPN的5層結(jié)構(gòu)，是一種可以控制交流電壓的元件。
★晶閘管
結(jié)構(gòu)及動(dòng)作
晶閘管具有NPNP的4層結(jié)構(gòu)。從等價(jià)電路的角度來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于NPN晶體管和PNP晶體管各自的基極作為內(nèi)部結(jié)構(gòu)連接到了對(duì)方的集電極上。因此，NPN的基極上一旦從外部流入電流后，相應(yīng)產(chǎn)生的NPN的集電極電流就成為PNP的基極電流，該基極電流所對(duì)應(yīng)PNP的集電極電流就成為NPN的基極電流，這樣的循不不斷重復(fù)完全成為ON狀態(tài)(柵閂狀態(tài))。
晶閘管可以通過(guò)柵極關(guān)閉電流，但無(wú)法像晶體管一樣自已切斷電流。要進(jìn)入OFF狀態(tài)，需要將電流降低到一定電流(維持電流)以下，或者進(jìn)入一定時(shí)間反阻止?fàn)顟B(tài)。
動(dòng)作可分成3個(gè)狀態(tài)。
.反阻止?fàn)顟B(tài)：對(duì)于陰術(shù)來(lái)說(shuō)，陽(yáng)極上外加負(fù)電壓的情況下，電流和柵極狀態(tài)無(wú)關(guān)，不能流通
.OFF狀態(tài)：對(duì)于陰極來(lái)說(shuō)，即使陽(yáng)極變正時(shí)，柵極電流對(duì)于陰極成負(fù)乃至零的情況下，電流也不能流通。
.ON狀態(tài)：對(duì)于陰極來(lái)說(shuō)，當(dāng)陽(yáng)極為正時(shí)，如果在柵極上加正電壓，就會(huì)產(chǎn)生電流。
用 途
適合于交流電壓的開關(guān)及相位控制電路、電容器電壓的放電電路、繼電器及螺線管的開關(guān)。
以下是一些實(shí)際的應(yīng)用舉例：電源線的開關(guān)及燈的調(diào)光控制、加熱器的功率控制、氣體點(diǎn)火電路 點(diǎn)燃客點(diǎn)火電
路、漏電斷路機(jī)、頻閃閃光電路等。
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晶閘管的圖形記號(hào)、結(jié)構(gòu)
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晶閘管的特性曲線
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晶閘管
★三端雙向可控硅
結(jié)構(gòu)及動(dòng)作
三端雙向可控硅的結(jié)構(gòu)是將2個(gè)晶閘管相互反向并聯(lián)。和晶閘管不同，可控制正反任一方向的電流。電流可雙向流動(dòng)是因?yàn)榭傆幸粋€(gè)晶閘管是正向ON狀態(tài)的。
三端雙向可控硅最大特征是可以雙向控制AC電流。而且正負(fù)任何一柵極輸入也可以打開三端雙向可控硅。
實(shí)際上在第4象限上的控制常常得不到保障，因此使用時(shí)通常用第1限限和第3象限的組合，或者第2象限和第3象限的組合。和晶閘管一樣，要進(jìn)入OFF狀態(tài)，需要將電流降低到一定電流(維持電流)以下。利用具有三端雙向可控硅輸出的光耦的話，就能很方便地利用第1象限加第3象限的組合。
用 途
使用商用電源的機(jī)器，特別在洗衣機(jī)及吸塵器等家電設(shè)備及復(fù)印機(jī)等OA設(shè)備、AC馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)控制及加熱器功率控制、燈的調(diào)光控制、繼電器及螺線管的開關(guān)電路等方面被廣泛使用。
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三端雙向可控硅的圖形記號(hào)、結(jié)構(gòu)
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三端雙向可控硅的特性曲線
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三端雙向可控硅的驅(qū)動(dòng)法
高電壓、大電流晶閘管
作為數(shù)千V、數(shù)百A的電力控制用器件，分成GTO(門極關(guān)斷晶閘管)和LTT(光觸發(fā)晶閘管)
★門極關(guān)斷晶閘管(GTO)
GTO結(jié)構(gòu)和表一般的晶閘管類似，和一般的晶閘管一樣在柵極和陰極之間外加正向電壓的話，就會(huì)進(jìn)入ON狀態(tài)。此外，在柵極上外加反向電壓主，讓陽(yáng)極電流被柵極側(cè)吸收的話，就能進(jìn)入OFF狀態(tài)的自已消弧型晶閘管。
用 途
.鐵路電車驅(qū)動(dòng)裝置
.工業(yè)用馬達(dá)驅(qū)動(dòng)裝置
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GTO的結(jié)構(gòu)、圖形記號(hào)
★光觸發(fā)晶閘管(LTT)
一般的晶閘管在柵極上外加電氣信號(hào)后進(jìn)入ON狀態(tài)，而如果是LTT的話，則在柵極上照射光仟送過(guò)來(lái)的光信號(hào)，進(jìn)入ON狀態(tài)?？梢詮碾娏ι蠈⒅?a target="_blank">電力系統(tǒng)和驅(qū)系統(tǒng)分離開來(lái)，因此能令裝置的結(jié)構(gòu)更加間單。
用 途
.直流輸電用電力變換裝置
.周圍端數(shù)變換裝置、無(wú)效電力補(bǔ)償裝置
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半導(dǎo)體傳感器和種類和使用方法
利用光、溫度、磁性、壓力、加速度等外部環(huán)境的變化引起半導(dǎo)體內(nèi)部的載子、空乏層、接合部分電容等的變化，作為電壓及電容變化取出的即為半導(dǎo)體傳感器。
半導(dǎo)體傳感器的種類
下圖所示代表性半導(dǎo)體傳感器的種類、傳感的對(duì)象以及用途。
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比如，光電傳傳感器有光電二極管。這是將進(jìn)入接合部分的光量變換為電荷的傳感器，可以將排列多個(gè)光電二極管的電荷通過(guò)時(shí)鐘脈沖像“水桶傳接”般取出的即為CCD圖像傳感器。
磁性傳感器的動(dòng)作原理
這里就屬于磁性傳感器的霍爾器件(Hall element)作說(shuō)明
霍爾器件的動(dòng)作原理
如果在半導(dǎo)體芯片中流通控制電流(IH)，在電流垂直的方向上外加磁場(chǎng)(磁束密度B)的話，電流和磁場(chǎng)呈垂直的方向上將產(chǎn)生電壓。這種現(xiàn)象叫做霍爾效應(yīng)，產(chǎn)生的電壓叫做霍爾電壓(VH)。利用這種霍爾效應(yīng)，檢測(cè)出磁場(chǎng)的傳感器即為霍爾器件，材料主要適用Si、 GaAs。
內(nèi)置放大輸出電壓的電路等的器件叫做霍爾IC。
霍爾電壓VH用
VH=KH.IH.B來(lái)表示。
KH：積感應(yīng)系數(shù)(常數(shù))
用 途
用于馬達(dá)旋轉(zhuǎn)測(cè)、乘法電力計(jì)等。
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霍爾器件的外觀
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霍爾器件的動(dòng)作原理
工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論