當熱平衡 ( 未施加篇壓 ) 時, 在 N 型區的電子濃度多於型區的電子濃度, 故電子將由 N 型區擴散到型區, 而和型區的電洞結合, 進而消失 ; 同理, 因為型區的電洞濃度大於 N 型區, 故電洞自型區擴散到 N 型區, 如圖 (2-a) N 型區本屬電中性區, 現在因為在接面處喪失電

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诰元
7 years ago
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1 認識二極體及電晶體特性曲線一實習目的 [1] 了解二極體及電晶體基本結構 [2] 認識二極體及電晶體的種類與特性 [3] 了解二極體及電晶體特性曲線及其量測方法二使用材料三相關知識二極體圖 (1) 二極體及其符號二極體是最基本但也是最重要的電子元件之一, 具有單向導電功能, 由型和 N 型兩種不同摻雜的半導體所構成且僅在 N 順向偏壓 ( 側加正壓,N 側加負壓 ) 時才會導通, 其符號就以由指向 N 的一個三角形符號來代表, 在 N 側有一個銀色環帶如圖 (1) 所示

2 當熱平衡 ( 未施加篇壓 ) 時, 在 N 型區的電子濃度多於型區的電子濃度, 故電子將由 N 型區擴散到型區, 而和型區的電洞結合, 進而消失 ; 同理, 因為型區的電洞濃度大於 N 型區, 故電洞自型區擴散到 N 型區, 如圖 (2-a) N 型區本屬電中性區, 現在因為在接面處喪失電子而形成陽離子, 電位因而升高 ; 相對的, 型區內原本亦是屬電中性, 現因獲得電子 ( 或稱為喪失電洞 ) 而形成陰離子, 使得電位因而降低因此, 在接面處將形成內建電場, 電場方向由 N 型區朝向型區, 如圖 (2-b) 所示在接面處兩側, 因為流失大量載子, 使得此區間的載子濃度明顯減少, 遂稱為空乏區 (depletion region); 此外, 又因為接面兩側生成極性相反又無法移動的雜質離子, 故又稱為空間電荷區 (space charge region) 半導體中的載子擴散現象和日常生活中的分子擴散現象其實是很相似的載子由濃度高處往濃度低處擴散, 因此形成擴散電流電子的擴散形成擴散電子流, 而電洞的擴散則形成擴散電洞流空乏區的內建電場也是造成電流的一個來源, 由於電場方向由 N 型區指向型區因此,N 型中的少數載子 ( 電洞 ) 將受此電場驅動而漂移越過界面, 形成漂移電洞流 ; 同理, 型中的少數載子 ( 電子 ) 將受此電場驅動而漂移越過界面, 形成漂移電子流, 其方向都和擴散電子 ( 電洞 ) 流相反到達平衡時, 在任一位置的漂移電流和擴散電流 ( 包含電子流和電洞流 ) 會互相抵銷, 所以總電子流和電洞流均為零, 如圖 (2-c)

3 若外加偏壓 V bias 大於零, 就是型半導體端施加正偏壓,N 型半導體端施加負偏壓, 使較 N 為正, 則可提高型區電位或降低 N 型區電位當 N 順向偏壓超過切入電壓 ( 矽材料約為 0.6V, 鍺材料為 0.2V) 時, 電流會迅速增大, 故稱為順向導通, 如圖 (3) 所示若外加偏壓小於零, 就是型半導體施加負偏壓,N 型半導體施加正偏壓, 使較 N 為負, 則會使型區電位降低因為 N 接面兩側的多數載子受逆向偏壓所吸引, 而湧向兩端的電極由於逆向偏壓下電流很小, 所外加的逆向偏壓幾乎全都降在空乏區, 也使得空乏區的電位大增, 也使空乏區的寬度變大, 多數載子就越不能流過接面, 故稱為逆向偏壓, 如圖 (4) 所示但是, 這時候仍然有少數載子流過接面, 縱使逆向偏壓繼續增加, 少數載子電流也達到飽和而不會再增加, 稱為反向飽和電流 (s) 二極體的電壓與電流間之關係可用下列方程式表示 : e VD/ nvt S ( 1)

4 s 是逆向飽和電流,V D 是二極體兩端的電壓,n 稱為理想系數 (ideal factor) 是一個介於 1~2 間的係數,V T 是與溫度和波茲曼常數有關的電壓係數, 在常溫 300 K 的情況下, 此電壓係數約為 V 實際二極體導通時兩端的電位差並不一定為 0.7V, 而是與電流大小有關, 電流增加時, 電位差也略為增大不過, 除了非常精確地分析之外, 在一般應用上只需記住, 二極體導通時兩端電位差約等於 0.7V 當逆向偏壓增加到某一特定的電壓值時, 電流會急速的增加, 此時的電壓稱為崩潰電壓 (breakdown voltage ) 二極體在進入崩潰區前所能承受的最大逆向偏壓稱為逆向峰值電壓 (peak inverse voltage), 稱為 V

5 齊納二極體有一種二極體專門使用其崩潰區, 此種二極體被稱為崩潰二極體, 或稱為齊納二極體, 可用來作為穩壓電路, 提供一個固電的參考電位, 或作為電壓箝制電路, 防止輸入電壓高於安全的輸入值而造成電路的損壞齊納二極體在順向導通時, 和一般的 N 二極體相同 ; 而當逆向達到崩潰電壓時, 齊納二極體的逆向電流 (z) 則會大幅增加, 如圖 (5) 所示 ; 而在一個電流範圍內時 ( 介於 zmax 與 zmin 之間 ), 齊納二極體兩端之電壓能保持於 Vz, 因此被用來製作穩壓電路的元件電路操作時電流必須使 z 介於 zmax 與 zmin 間, 若 z 小於 zmin 時, 會使齊納二極體兩端電壓成曲線關係, 則不能維持於一固定電壓 ; 尤其注意在 z 大於 zmax 時, 齊納二極體會燒掉, 所以必須串聯一個電阻, 使 z 介於 zmax 與 zmin 間有良好穩定的工作電壓在設計或是用電子元件時, 需要參考半導體廠商提供的元件規格 ( 相關數值請參考元件的 datasheet), 使用時均不可大於標準值, 否則容易造成元件的損壞二極體常見的規格有下列幾項 : [1] 最大順向電壓 [2] 最大順向電流 [3] 最大逆向電流

6 [4] 最大逆向峰值電壓 [5] 最大工作溫度 [6] 最高額定功率 [7] 其他 : 如頻率範圍等電晶體 :bipolar junction transistor, 簡稱 JT 科技的日益進步, 身邊許多的電子產品都有許多的 C 組成, 而 C 又是由多個二極體電晶體與電阻電容等組成因此對於這些元件有更進一步的了解, 將有助於我們熟悉它們的運作原理電晶體又稱作三極體, 英文原文稱作 transfer resistor, 又稱作 tran-sisitor 它是一個擁有三個接腳的元件, 其中三端分別為射極 Emitter 基極 ase 集極 Collector 電晶體的結構如圖 (1) 所示, 兩個 N 型半導體夾著一層型半導體, 或者兩個型半導體夾著一層 N 型半導體而電晶體的符號如圖 (2) 所示基極射極 E N N 集極 C NN 電晶體基極射極 E N 集極 C N 電晶體圖 (1) 電晶體結構圖 C C E NN E N

7 圖 (2) 電晶體之符號 E N V E C C N V C V E 在 N 電晶體中, 若我們在射極與基極之間加上一個順向的偏壓 V E, 只要能夠大於 N 接面的切入電壓 ( 矽材料約為 0.6 V, 鍺材料約為 0.2 V) 時, 就會產生一個順向電流而且 E 若我們在基極與集極之間加上一個逆向偏壓, 此時的 C 接面為逆向, 因此不導通 V C E E C C N V CE V C 而當我們在射極與基極之間加上一個順向的偏壓 V E, 基極與集極之間加上一個逆向偏壓 V C 時, 此時所產生的射極電流 E 大部分都從集極流出, 而流向基極的電流非常的小, 主要是因為 N 型區基極非常的薄, 且摻雜的濃度很低, 因此當大部分的電洞由射極流入時, 很少被復合, 因此產生的電流非常小

8 電晶體主要分成 pnp 及 npn 兩大類, 元件由兩個 pn 接面串接而成一個具有三端的電子元件, 三端分別稱為射極 (emitter) 基極 (base) 和集極 (collector) 電子或電洞由射極發出, 基極的作用在於調控電流的大小, 集極則是提供一個和基極電流成比率的電流源電晶體的操作模式可分成三種, 第一種稱為主動模式下圖 (6) 說明在主動模式 (E 接面順偏,C 接面逆偏 ) 下,JT 內電流的流向圖各分支電流說明如下 : E n = 注入基極的射極電子流 En E p = 注入射極的基極電洞流 Ep R E = 基極區內的復合電流 CO = 逆偏下的反向飽和電流, 因為 C 接面反偏, 使空乏區加寬之故, 所以並無擴散電流生成, 只有逆偏飽和電流屬於漂移電流 nc = 從射極來的電子流 ( C ); 因為極很薄, 以致於射極所發射電子的大部分通過基極而不會被復合, 直接擴散至集極基極電流包括與從射極注入的電子復合的電洞流 () 和通過 E 接面並注入射極的電洞流 () 射極電流包括在基極區和電洞復合的電流 () 以及注入集極的電流 (V) 在主動區模式下的電晶體可用來做為電壓或電流的訊號放大器, 圖 (7,8) 分別說明電晶體在三種不同偏壓模式 ( 主動模式飽和模式截止模式 ) 下, 少數載子的濃度分佈圖主動模式是指 E 順偏,C 反偏 ( 即 V E >0.5 V, V C <0.5 V); 飽和模式就是 E 順偏,C 順偏 ( 即 V E >0.5 V,V C >0.5 V); 截止模式就是 E 反偏,C 反偏 ( 即 V E <0.5 V,V C <0.5 V)

9 - E + - C + E p 電洞流 R E CO V R E E n 電子流 nc V n p n Emitter ase Collector 順偏逆偏圖 (6) JT 電流分析圖 Emitter ase Collector V E V C Equilibrium density n e0 p e0 W b p b0 n b0 n c0 p c0 EJ depletion layer W bn (a) CJ depletion layer n b (x b =0) p e (x e =0) p c (x c =0) p e0 n b0 p c0 x e x b =0 x b x c x e =0 n b (x b =W b ) x b =W b x c =0 (b) 圖 (6) (a) 熱平衡狀態下, 載子濃度及空乏接面位置 ;(b) 順向主動模式下, 少數載子的分佈, 並且假設真實的基極寬度 (W b ) 和基極中性區寬度 (W bn ) 是一樣的

10 Emitter n ase p Collector n p e (x) n b (x) p c (x) p e0 nb0 p c0 x e x b x c 飽和模式截止模式圖 (8) 飽和及截止模式下, 少數載子的濃度分佈圖飽和模式下電晶體的 CE 兩端電壓降很小, 約只有 0.2 V, 集極可以容許較大的電通過, 因此作用上如同開關的接通狀態 (ON) 而操作在截止模式下的電晶體, 由於兩個接面都是逆偏, 禁止電流的流動, 因此作用上如同開關的斷路狀態 (OFF) 故電晶體除可以作為放大器使用之外, 也經常用來做為電路的開關使用電晶體放大器依實際需要與工作的模式可分為三種組態, 分別是共基極組態 (C) 共射極組態(CE) 和共集極組態(CC), 以下舉共射極組態模式加以說明, 如下圖 (9) 為 N 和 NN 電晶體的共射極組態 C C N N V CE V CE N V E V E E E C + C C + C + V CE + V CE V E E V E E - E - - E -

11 圖 (9) 共射極組態模式共射極組態的特徵在於, 輸入埠和輸出埠都共同使用了射極端, 輸入埠為 E 兩端, 輸出埠為 CE 兩端輸入埠兩端的端電壓 V E 和輸入端的電流之間的關係可以繪製成輸入曲線說明如下 : (1) 輸入曲線如圖 (9) 所示, 由該特性曲線可得知 : 1 在某一固定的 v CE 逆偏電壓下, v E 越大, i 越大 2 在某 v E 下, v CE 越大, 因厄立效應, 會使基極有效寬度變小, 所以 i 越小 i ( A) V CE =-1 V -5 V -10 V -15 V v E (ma) 圖 (9) 共射極組態模式的輸入曲線將輸出埠兩端的端電壓 V CE 和輸出端的電流 C 之間的關係作圖, 可以繪製成輸出曲線說明如下 : (2) 輸出曲線如圖 (10) 所示, 由該特性曲線可得知電晶體在不同區域的工作特性, 可分成工作區飽和區和截止區等三個區域分別說明如下 : 1 工作區:J E 順向,J C 反向, 在 V CE(sat) 的垂直線右邊以及 b =0 的曲線以上的區域, 可作電壓電流或功率放大器使用同時 =0 時, 反向飽和電流 C = CEO, 其值不等於零由圖 (9) 中可由克希荷夫電流定律得知 :

12 0 E C C E note : C E CO CO CO C CO C CO E, C ( ) C CO E C C CEO C C CO CO 1 1 CO 1 0 在共射極組態下, 在某一 v CE 下, 集極電流變化量 C 與基極電流變化量比值稱為共射極順向電流放大係數, 以 β 表示, 其值約在 20~200 之間 C C = V CE =constant 因為在工作區內, 某一 v CE 下, C, 因此的 1 1 所以, (1 ) ( 1) CEO CO CO 2 飽和區:J E 和 J C 都順偏, 在 0~ V CE(sat) 之間, v CE 略有變動時, i C 會做指數式的變化 3 截止區 :J E 和 J C 都反偏, 矽晶體只要 = 0 或 C = CO 時, C 就約為零, 而鍺晶體的截止必須在 C CO 且 CO = CO 以下的條件

13 i C (ma) 飽和區 A -60 A -50 A -40 A -30 A -3 工作區 -20 A -2-1 V CE(sat) -10 A = 截止區圖 (10) 共射極組態模式的輸出曲線 v CE (V) 表 (1) 日本電晶體的編制項次符號 2 S C 372 A 項次符號意義 0 光電晶體或光電二極體 1 1 二極體 2 三極體 3 四極體 2 S 半導體 A N 高頻 N 低頻 C NN 高頻 D NN 低頻

14 3 F 型 SCR G J K M N 型 SCR 通道 FET N 通道 FET 雙向 SCR 4 XXX 電晶體序號, 由 11 開始 5 A~D O Y GR L 改良序號 h FE :70~140 h :120~240 FE h FE :200~400 h :350~700 FE

15 四實習項目實習一二極體 -V 特性曲線之量測圖 (12) 二極體特性曲線量測電路圖為了得到精確的數值, 本實驗以三用電表進行電壓量測, 如果是以數字型電表則更加精確 [1] 順向特性量測 1. 依照圖 (12) 之電路接線, 電壓源 V s 的電壓調整範圍從 0V 至 10V 2. 分別量測二極體兩端電壓 V D 和電阻兩端電壓 V R, 並利用 V / R 之關係式將 D 計算出來 D R

16 Current (A) 3. 將所有數據記錄於表二表二 V S (V) V D (V) V R (V) D (A) 實驗範例 : 元件使用 1N Voltage (V) [2] 反向特性量測 1. 由於所使用的電源供應器無法提供負電壓, 因此可以將電源供應器的正負兩端互換, 電路和程序一類似, 只是將二極體反向, 並且將串聯的 1kΩ 電阻換為 1MΩ 電阻 * 發現逆向電流比順向電流小很多, 你可能要用不同的單位 ( 例如 f 用 ma 而 r 用 ma) 2. 依照圖 (12) 電路圖接線, 如同給予逆向偏壓 3. 分別量測二極體兩端電壓 V D 和電阻兩端電壓 V R, 並利用 V / R 之關係式將 D 計算出來 4. 將所有數據記錄於表三 D R

17 D (A) 表三 V S (V) V D (V) V R (V) D (A) V D (V) [3] 描繪出二極體 -V 曲線將表二三量得的數據描繪於座標圖中, 即可得二極體 -V 特性曲線沿著順向導通陡峭曲線, 用色筆畫出一條近似直線, 此直線和 X 軸 ( 橫軸 ) 相交的點即為切入電壓, 或稱為膝點電壓 (V k ), 而直線斜率則代表二極體兩端電壓超過 V k 時的順向導通電阻值, 在此直線上任取一段以 V / V 算得其電阻值計為 r 我們已由觀察 -V 特性曲線掌握此二極體的兩個重要特性 ( 膝點電壓和順向導通電阻 ), 在大多數近似分析中均將 r 忽略不計, 經實驗後證實 r 確實只有幾歐姆而已實習二齊納二極體 -V 特性曲線之量測

18 圖 (13) 基納二極體特性曲線量測電路圖 [1] 特性量測 1. 依照圖 (13) 之電路接線, 電壓源 V s 的電壓調整範圍從 0V 至 12V 2. 量測齊納二極體兩端電壓 V Z 和電阻兩端電壓 V R, 並利用 V / R 之關係式將 Z 計算出來 3. 將所有數據記錄於表四 Z R

19 Current (A) 表四 V S (V) V Z (V) V R (V) Z (A) Voltage (V)

20 實習三電晶體輸出特性曲線圖 (14) 電路圖 1. 依照圖 (14) 電路圖接線 2. 調整 V R1 (10K) 及 V R2 (100K) 使 V2 與 V CE 如表五所示各值, 並量測 V1 後計算 C, 而 C V 1/ R1, 在記錄於表五中 3. 利用表五的數據, 將 V CE 當作 X 軸, C 當作 Y 軸繪製特性曲線圖 4. 將同一組所測得之 c 對 V CE 做圖, 並在曲線後標示其值

21 C (ma) C V CE V 2 5 mv 10 mv 20 mv 50 mv 60 mv 80 mv 100 mv =5 A =10 A =20 A =50 A =60 A V CE (V) 依照上面步驟量測電晶體 9013 的結果如上圖由於該項實驗在進行時比較耗時, 需要手動調整可變電阻去改變偏壓, 而且量測點數也不夠多, 因此曲線的圓滑度也不是很好為了提升實驗的效率, 我們開發出一套電晶體特性曲線自動量測系統, 方便我們使用下圖為我們開發出的量測系統, 分別利用 2 台 KETHLEY 2400 以及自行開發的程式來控制腳位接好後, 只需要設定好 V CE 與的量測值以及所要量測的點

22 數, 即可進行量測, 且量測所花的時間只要幾分鐘而已, 所以是非常的快速又有效率 NN NN 電晶體 -V 量測說明 N

23 C (A) N 電晶體 -V 量測說明 =0A =10 A =20 A =30 A =40 A =50 A V CE (V) 我們利用自動量測系統來量電晶體 9012, 我們設定 V CE 由 0 V 到 5 V, 由 0 μa 到 50 μa, 可以看出所量測出來的結果非常的平滑點數也非常多

<4D F736F F D20BB7BC3D1A447B7A5C5E9A4CEB971B4B9C5E9AF53A9CAA6B1BD752E646F63>

<4D F736F F D20BB7BC3D1A447B7A5C5E9A4CEB971B4B9C5E9AF53A9CAA6B1BD752E646F63> 認識二極體及電晶體特性曲線一實習目的 (1) 了解二極體及電晶體基本結構 (2) 認識二極體及電晶體的種類與特性 (3) 了解二極體及電晶體特性曲線的量測與及描繪二使用材料零件名稱零件值數量電阻 10 Ω 2 電阻 100 Ω 1 電阻 1 KΩ 1 電阻 1.5 KΩ 1 電阻 10 KΩ 1 可變電阻 10 KΩ 1 可變電阻 100 KΩ 1 二極體 1N4004 1 齊納二極體