大学信息工程学院三极管.ppt

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1、大学信息工程学院三极管,半导体三极管(BJT)Bipolar Junction Transistor(双极结型晶体管),1.基本知识2.基本特性3.分类、命名、标识4.制程及工艺5.6.常见失效模式及其原因7.Derating标准及其测试方法,大学信息工程学院三极管,三极管图片,大学信息工程学院三极管,1 三极管的基本知识1.1概述 半导体器件是现代电子技术的重要组成部分，由于它具有体积小，重量轻，使用寿命长，输入功率小和功率转换效率高等优点而得到广泛的应用。集成电路特别是大规模集成电路不断的更新换代，致使电子设备在轻型化，可靠性和电子系统设计的灵活性等方面有了重大的进步，因而电子技术成为当代

2、高新技术的龙头。 半导体：是指其导电性具有介于导体（金属）和非导体（绝缘体）之间的物质，用表征电流流过的难易程序的电阻率p来衡量。,大学信息工程学院三极管,2.基本特性2.1、参数介绍PC 指集电极最大允许耗散功率，使用时不能超过此功率。IC 指集电极允许最大直流电流。IB 指基极允许最大直流电流。Tj 结温度，指PN结温度。VCEO（集电极发射极击穿电压）基极开路，C、E之间的反向击穿电压。VCBO（集电极基极击穿电压）发射极开路，C、B之间的反向击穿电压。VEBO（发射极基极击穿电压）集电极开路，E、B之间的反向击穿电压。HFE(共发射极正向电流传输比)：在共发射极电路中，输出电压保持不变

3、时，直流输出电流与直流输入电流之比。 ICBO（集电极基极截止电流）：当发射极开路时，在规定的集电极基极电压下，流过集电极基极结的反向电流。ICEO（集电极发射极截止电流）：基极开路时，在规定的集电极发射极电压下，流过集电极发射极结的反向电流。IEBO（发射极基极截止电流）：当集电极开路时，在规定的发射极基极电压下，流过发射极基极结的反向电流。VCE（SAT）（集电极发射极饱和压降）：在规定的基极电流和集电极电流下，集电极端子与发射极端子之间的剩余电压。VBE（SAT）（基极发射极饱和压降）：晶体管工作于饱和区时，在规定的基极电流和集电极电流下，基极端子与发射极端子之间的电压。VBE（基极发射

4、极电压）：在规定的VCE、IC的条件下，晶体管的基极发射极正向电压。fT（特征频率）：共发射极小信号正向电流传输比的模数下降到1时的频率Cob（共基极输出电容）：在共基极电路中，输入交流开路时的输出电容。,大学信息工程学院三极管,一、放大条件,二、内部载流子的传输过程,三、电流分配关系,四、放大作用,2.2 工作原理,大学信息工程学院三极管,外部条件：,一、放大条件,电位关系：,内部条件？,三区掺杂不同！,Je正偏，Jc反偏。,对NPN型：VC VB VE对PNP型：VC VB VE,大学信息工程学院三极管,根据下图将BE端加正向偏压，将CB两端加较高的反向偏压，图（a）图（b）为能带图和电流

5、分量图：由于E区的杂质浓度较B区高得多，在BE间的正向电场作用下，E区电子向B区运动，由于B区的浓度低，只有少数的电子与B区的空穴复合，大多数电子在CB间的电场作用下向C区流动，形成集电极电流。由于B极的电流较小，就实现了以小电流控制大电流的作用。直流偏置状态(NPN管)： R IC IB R IC IB,二、内部载流子的传输过程,大学信息工程学院三极管,大学信息工程学院三极管,大学信息工程学院三极管,忽略支流：IE =IC+IB,大学信息工程学院三极管,另外还有支流 IEP 、ICBO,三、电流分配关系,IE =IC+IB,大学信息工程学院三极管,三种组态,应用：共射电压放大,电流放大(控制

6、）作用,四、放大作用,大学信息工程学院三极管,输入特性曲线 iB=f(vBE) vCE=const 输出特性曲线iC=f(vCE) iB=const,共射接法,图02.04 共射接法的电压-电流关系,3.3 特性曲线,大学信息工程学院三极管,(1) 输入特性曲线,方程： iB=f(vBE) vCE=const,曲线：如图,大学信息工程学院三极管,(2) 输出特性曲线,方程： iC=f(vCE) iB=const,曲线：,正偏 正偏,正偏 反偏,反偏 反偏,三区偏置特点：,大学信息工程学院三极管,例1：测量三极管三个电极对地电位如图 试判断三极管的工作状态。,大学信息工程学院三极管,3.4 参数

7、,分为三大类:,(1)直流参数 电流放大系数 1.共射 ,IC / IB vCE=const,直流参数交流参数极限参数,2.共基 ,关系 = IC/IE= IB/1+ IB= /1+ ，或 = /1- ,大学信息工程学院三极管,1. ICBO O(Open),关系： ICEO=（1+ ）ICBO,2. ICEO（穿透电流）,极间反向饱和电流（温度稳定性）,大学信息工程学院三极管,(2)交流参数交流电流放大系数 1.共射 =IC/IBvCE=const,2.共基 =IC/IE VCB=const,特征频率fT 当 下降到1时所对应的频率,当ICBO和ICEO很小时， ， ,大学信息工程学院三极管

8、,(3)极限参数 ICM,IC上升时 会下降， 下降到线性放大区值的70时所允许的电流。,PCM,超过此值会使管子性能变坏或烧毁。 PCM= ICVCBICVCE,大学信息工程学院三极管,1.V(BR)CBO 发射极开路时的 集电结击穿电压。 BR（Breakdown）,2.V(BR) EBO,3.V(BR)CEO,关系： V(BR)CBOV(BR)CEOV(BR) EBO,反向击穿电压（V(BR)XXO）,大学信息工程学院三极管,由PCM、 ICM和V(BR)CEO在输出特性曲线上可以确定三区：,大学信息工程学院三极管,3.1 结构与符号3.2 型号,3.分类、命名、标识 晶体管种类很多.按

9、照频率分,有高频管,低频管;按照功率分,有小.中.大功率管;按照半导体材料分,有硅管,锗管等.但从它的外形来看,都有三个电极.,大学信息工程学院三极管,3.1 结构与符号,两种类型:NPN和PNP,一、结构,e(Emitter) ：发射极b(Base） ：基极c(Collector)：集电极,发射结(Je),集电结(Jc),基区,发射区,集电区,特点:b区薄 e区搀杂多 c区面积大,e,b,c,Je,Jc,大学信息工程学院三极管,二、符号,大学信息工程学院三极管,3.2 半导体三极管的型号,国家标准对半导体三极管的命名如下:3 D G 110 B,第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、 C硅PN

10、P管、D硅NPN管,第三位：X低频小功率管、D低频大功率管、 G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管,用字母表示材料,用字母表示器件的种类,用数字表示同种器件型号的序号,用字母表示同一型号中的不同规格,三极管,大学信息工程学院三极管,表02.01 双极型三极管的参数,注：*为 f,大学信息工程学院三极管,4 相关制程及工艺,一、半导体制造技术从大的方面可以分为设计、芯片工艺和封装工序。具体制造流程如下：完成功能设计和电路设计以后，用图形化的掩模版图在硅基片上形成该图形（常称图形转移），由氧化、扩散、光刻、腐蚀、离子注入、CVD和金属化等技术的组合，形成硅片工序，从而制成LSI芯片。然后，经过

11、划片、装配、键合和塑封（或壳装）等组装工序并作封闭检验之后，硅LSI就完成了。1、 前工序衬底制备（多晶硅 溶解+掺杂 拉单晶、磨、切、抛等） 外延 氧化 基区光刻 基区扩散 发射区光刻 发射区扩散 引线孔光刻 蒸铝 反刻铝 合金 淀积钝化膜 刻蚀压焊孔减薄 蒸金Si（硅）掺杂Be（硼） P型Si（硅）掺杂P（磷） N型2、 后工序划片、粘片、压焊、塑封、冲筋、上锡、分离、测试、打印、编带包装,大学信息工程学院三极管,硅LSI的制造工艺流程,功能、系统设计、逻辑设计,掩模版制作工艺,硅片工艺,划片装配键合塑封/管壳封,氧化、扩散光刻腐蚀CVD金属化,系统设计、逻辑设计电路设计 、版图设计,组装

12、工艺,拉单晶切片硅片研磨抛光,制作掩模原版制作光刻版,硅片材料工程,产品检验可靠性试验,检验工程,成品,大学信息工程学院三极管,掺杂,图形生成,薄膜生成,扩散,离子注入,光刻,腐蚀,CVD,金属化,氧化,芯片工艺,大学信息工程学院三极管,从工作任务来分，可以将芯片工艺归纳为掺杂、图形生成和薄膜生成三类1、掺杂依靠扩散或离子注入实现，它是通过控制进入硅基片的杂质类型、浓度、进入区域等因素以形成元件和正常工作的器件的基本工艺。2、图形生成是为了进行选择性元件形成和配置、元件隔离、元件间布线的图形加工技术。包含光刻和腐蚀技术。3、薄膜的生成除了形成硅表面保护膜、开头控制栅膜、层间绝缘膜、元件间隔离等

13、的热氧化膜的氧化之外，还包括形成氮化硅膜、多晶硅膜的CVD、金属布线用的金属溅射等。 这些基本工艺间的关系是，将光刻、腐蚀多次插入循环往复地进行着的扩散、离子注入、氧化、CVD和溅射等工序之间。,大学信息工程学院三极管,各工序简介氧 化,氧化：将硅片放置在高温氧气气氛中进行的工序。方法有：在水蒸汽中进行加热的湿氧氧化和在氧化气氛中加热的干氧化两种方法是使硅原子与氧结合，成为SiO2，即变成硅氧化物。这个氧化腊用元件隔离、栅氧化膜、杂质扩散用掩模和硅表面保护膜等。元件隔离：为防止元件之间的相互干扰，可以采取生成具有一定厚度和距离的选择性氧化膜来实现。栅氧化膜：是MOS的基本结构，即形成金属-氧化

14、膜-硅MOS结构的氧化膜层。这层氧化膜的质量密切关系到MOS晶体管的特性和可靠性，被称为晶体管的心脏。如今，氧化膜有阻挡离子注入、气相扩散等杂质扩散的掩模作用，也可以灵活地用作对必要的区域选择性掺杂的掩蔽材料。,大学信息工程学院三极管,扩散,扩散：指杂质从浓度高处向低处流动（扩散）所引起的现象。扩散由杂质、温度、物质决定的扩散系数来规定。一般，硅片工艺中作为掺杂原子的常用磷（P）、砷（As）、硼（B）。向硅片扩散磷、砷杂质时，可使硅片成为n型，而扩散硼质质时，将成为p型。,大学信息工程学院三极管,关键原材料简介,芯片1、包装2、外观3、电参数(VCBO、VCEO、VEBO、hFE参数值，hFE

15、输出特性和VCEO击穿特性)2、芯片的包装盒无破损，芯片之间应有隔离。2、芯片的面积要求1/3的圆片，不变形。3、芯片表面有钝化膜，无脱落，无一条以上的划伤线或裂纹线，无两个小圆圈以上的水迹。压焊电极铝层无严重发黄。4、芯片背面金属化层不发黑和无三条以上的擦伤线。5、电参数允许有二只不符合规范值的管芯，允许有二只HFE输出特性为小电流复合的管芯。测试VCEO时允许有二只击穿点大于规范值。而击穿特性不符合1.3格要求的管芯(1.3格为图示仪的一大格三小格)。VCEO击穿特性的检查都用IC-500uA条件。3、逐批逐片进行包装、上观、电参数检查2、每片分上、下、左、右、中间5个区域，抽测VCBO、

16、VCEO、VEBO、hFE参数各20个管芯。4、不符合的芯片退回供应商。2、如不符合的芯片超过总批量的60%，则整批退货.发现异常情况要及时报告.,大学信息工程学院三极管,金丝,金丝1、外观2、抗拉强度2、金丝粗细均匀，不应有凹凸点.2、金丝表面干净无污物,无霉点.3、金丝绕线紧凑,排列整齐、无松动，出线顺畅。4、在压焊机上进行压焊，金丝承受的拉力应符合：(20m金丝：23mN)、(23、25.4m金丝：29mN)、(30m金丝：39mN)、(50m金丝：100mN)3、随机抽取2卷观察长20cm。2、随机抽取1卷进行压焊3排框架片。4、判据1、2、3有一卷不合格时全批退回供应厂家2、判据4有

17、一只管芯达不到拉力要求时全批金丝退回供应厂家。,大学信息工程学院三极管,塑料,塑料1、型号、产地、贮存期2、工艺试用2、型号、产地与材料清单相符，且在贮存期内。2、塑封料应符合塑封工艺要求，塑封后产品的塑料部分应有良好的光泽。3、试封出来的管子在高压锅内作高压蒸煮试验，时间为8小时，压力为0.110.13Mpa，温度为121124。试验后取出管子，在常态下恢复4小时，测试hFE和ICBO参数，HFE允许有20%的变化，ICBO不超过试验前的2倍。4、判据1随机抽取2桶(箱)进行检查。2、判据2随机抽取1桶(箱)试封16排管进行外表光泽性的检查。3、判据3抽取16只进行电参数检查。5、发现有不符

18、合判据的情况，全批退回供应厂商。,大学信息工程学院三极管,框架,框架1、外观2、粘片、压焊面、3、尺寸4、可焊性2、框架片镀银面应光亮、不发灰、不发黄。2、框架片放在玻璃平面上应平直，不歪扭、不翘起。粘片和压焊部位应平整不歪扭。3、经粘片和压焊工序后银层不起泡。4、芯片与框架片之间的推力为784mN。5、金丝压焊后的压点拉力应符合：(20m金丝：23mN)、(23、25.4m金丝：29mN)、(30m金丝：39mN)、(50m金丝：100mN)。6、框架片在塑封时不漏胶、不踩片。7、上锡后的引脚均匀光亮，用焊槽法检验其可焊性，浸润良好面积大于95%。3、随机抽取：TO-92 200排、TO-9

19、2LM 40排、TO-126 50排、TO-220F 12排进行检验。4、判据1、2、3有二排不符合要求时全批退货。2、判据4、5有二只管达不到要求时全批退货。3、判据6中有二排框架片漏胶或一排管子中有二只管子的管脚踩片而变宽的则全批退回供应厂家。4、判据7中有二只以上不合格则全批退回供应厂家。,大学信息工程学院三极管,5 应用,5.1在我们经常用到的三极管的用途为放大，开关，反向器的用途。,在三极管的基极加上高电位，三极管就饱和，相当于开关的接通，集电极输出为低电位。在三极管的基极加上低电位，三极管就截止，相当于开关的断开，集电极输出为高电位。如果输入的是个正的矩形脉冲，输出就是一个负的矩形

20、脉冲,5.1.1反相器电路,1). 晶体管必须偏置在放大区。发射结正偏，集电结反偏,2). 正确设置静态工作点，使整个波形处于放大区。,3). 输入回路将变化的电压转化成变化的基极电流。,4). 输出回路将变化的集电极电流转化成变化的集电极电压，经电容滤波只输出交流信号。,5.1.2三极管的放大电路，满足放大电路的基本条件。,大学信息工程学院三极管,第一阶段：当ON/OFF电压为低电平（0V）时，Q1管处于截止状态，因此Q2管也截止，此时Q2管e极上的直流电 压不能加到IC1脚（TL5001）的VCC输入端，所以IC1因无输入而不工作，Pin1就无输出脉冲，因此 整个Inverter就不工作；

21、 第二阶段：ON/OFF为高电平，此时Q1管饱和导通，Q2管B极被拉低，因Q2为PNP管，且其e极上加有12V的直流, 12V电压加至IC1供电脚Pin2，启动IC1工作，IC1就有脉冲输出去控制开关管工作，整个Inverter就处于 正常工作状态，输出高压去点亮Panel的背光灯灯管。,5.2三极管在LCD Monitor电路的应用 5.2.1电压启动回路： 下图电路是常用的电源控制回路，由一个PNP和一个NPN管组成它有两个工作阶段：,大学信息工程学院三极管,上图所采用的互补推挽电路就具有高效率放大的特点。推挽放大器是由导电特性完全相反的NPN型（Q205）与PNP型(Q207)三极管组成

22、,当TL1451AC的输出为高电平时，Q205导通导通,而Q207截止;当TL1451AC的输出为低电平时,Q207导通,而Q205截止。这样两个管子都工作在放大状态，一个在正半周工作，而另一个在负半周工作，一推一拉能在输出端上得到一个完整的电压信号。其中R214为偏置电阻，提供偏置电压，可以产生固定的偏置电流，C211为耦合电容，隔离直流，值一般在1uF左右,5.2.2三极管组成推挽电路,推挽放大电路工作状态示意图,推挽放大电路电路图,大学信息工程学院三极管,压降有0.6V时将使Q903导通，拉低Q902的基极电位，使Q902也导通，这样UC3842 Pin8的5V基准电压通过D904、Q9

23、03直接接地，产生瞬间短路电流，使UC3842迅速关断脉冲输出。因此Adapter也就没有电压输出，达到高压保护作用,5.2.3高压保护回路,大学信息工程学院三极管,1. 根据外观判断极性,3. 用万用表电阻挡测量三极管的好坏PN结正偏时电阻值较小(几千欧以下)反偏时电阻值较大(几百千欧以上),指针式万用表,在 R1k 挡进行测量,红表笔是(表内)负极 , 黑表笔是(表内)正极,注意事项:,测量时手不要接触引脚,2. 插入三极管挡(hFE)，测量值或判断管型及管脚,5.3 测判三极管方法,大学信息工程学院三极管,数字万用表,1. 可直接用电阻挡的PN结挡分别测量判断两个结 的好坏,注意事项:,

24、红表笔是(表内)正极 , 黑表笔是(表内)负极NPN和PNP管分别按EBC排列插入不同的孔需要准确测量 值时，应先进行校正,2. 插入三极管挡(hFE)，测量 值或判断管型及管脚,大学信息工程学院三极管,6.常见失效模式6.1晶体管损坏原因（1）电路中的电压、电流、输出功率过载引起损坏在晶体管电路中主要与集电极发射极间的电压VCC、集电极基极VCB与晶体管固有的特性参数(如VCBO、VCEO、ICBO、ICEO、PCM)及工作条件(VCER、VCEX)有关。如果电路中晶体管的集电极VCEO电压超过了最大值，就会造成晶体管的损坏。 （2）热损坏在晶体管手册中一般所指的最大电压，通常是常温(25)

25、下的值。因此，在环境温度较高或在最高结温下使用时，晶体管工作的实际最大电压将小于常温时的值，此时晶体管的ICBO和IEBO也会增加，造成结温上升，而结温升高又会使ICBO和IEBO更进一步增大而形成雪崩现象，结果热击穿而损坏。（3）外界环境变化引起的损坏外界环境变化是指机械振动、外力冲击、潮湿、化学物品的侵蚀等外界因素造成的损坏。6.2晶体管的保护（1）规范操作不要使负载短路和开路，不要突然加很强的信号，不要使用波动很大、频率不稳定的市电。另外应加散热装置和设计保护电路。（2）增大功率采用功率管并联以降低单管的功率，但并联时要求管子性能尽可能一致，必要时配对的功率管参数应选择完全一致。 （3）改善大功率晶体管的工作环境工作环境是指温度、振动等。使用带有大功率晶体管的电器产品时，应尽量放置在通风较好的地方，以改善其工作环境。,大学信息工程学院三极管,7.1 Derating标准 Derating 测试指导书 厂内Derating测试参数,