第4章常用半導體器件

1、第 4 章 常用半導體器件本章要求 了解 PN 結及其單向導電性，熟悉半導體二極管的伏安特性及其主要 參數(shù)。理解穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓特性。 了解發(fā)光二極管、 光電二極管、 變容二極管。 掌握半導體三極管的伏安特性及其主要參數(shù)。 了解絕緣柵場效應晶體管的伏安特 性及其主要參數(shù)。本章內容 目前使用得最廣泛的是半導體器件 半導體二極管、 穩(wěn)壓管、半導體 三極管、絕緣柵場效應管等。本章介紹常用半導體器件的結構、工作原理、伏安 特性、主要參數(shù)及簡單應用。本章學時 6 學時4.1 PN 結和半導體二極管本節(jié)學時 2 學時本節(jié)重點 1、PN 結的單向導電性 ；2、半導體二極管的伏安特性；3、半導體二極管的應用

2、。教學方法 結合理論與實驗，講解 PN 結的單向導電性和半導體二極管的伏安特性， 通過例題讓學生掌握二半導體極管的應用。4.1.1 PN 結的單向導電性1. N型半導體和P型半導體在純潔的四價半導體晶體材料主要是硅和鍺中摻入微量三價例如硼 或五價例如磷元素，半導體的導電能力就會大大增強。摻入五價元素的半導 體中的多數(shù)載流子是自由電子， 稱為電子半導體或 N 型半導體。 而摻入三價元素 的半導體中的多數(shù)載流子是空穴， 稱為空穴半導體或P型半導體。 在摻雜半導體 中多數(shù)載流子稱多子數(shù)目由摻雜濃度確定，而少數(shù)載流子稱少子數(shù)目與溫度有關，并且溫度升高時，少數(shù)載流子數(shù)目會增加。2.PN結的單向導電性當P

3、N結加正向電壓時，P端電位高于N端，PN結變窄，而當PN結加反向電 壓時，N端電位高于P端，PN結變寬，視為截止不導通。半導體二極管1結構半導體二極管就是由一個PN結加上相應的電極引線及管殼封裝而成的。由P 區(qū)引出的電極稱為陽極，N區(qū)引出的電極稱為陰極。因為PN結的單向導電性，二極管導通時電流方向是由陽極通過管子內部流向陰極。2. 二極管的種類按材料來分，最常用的有硅管和鍺管兩種；按用途來分，有普通二極管、整流二極管、穩(wěn)壓二極管等多種；按結構來分，有點接觸型，面接觸型和硅平面型 幾種，點接觸型二極管一般為鍺管其特點是結面積小，因此結電容小，允許 通過的電流也小，適用高頻電路的檢波或小電流的整流

4、， 也可用作數(shù)字電路里的 開關元件；面接觸型二極管一般為硅管其特點是結面積大，結電容大，允許 通過的電流較大，適用于低頻整流；硅平面型二極管，結面積大的可用于大功率 整流，結面積小的，適用于脈沖數(shù)字電路作開關管。陽極陰極Y陽極陰極e外形示意圖a符號b點接觸型c面接觸型d硅平面型常用二極管的符號、結構和外形示意圖二極管的伏安特性1. 正向特性線接近上升直線，在伏安特性的這一局部，當電流迅速增加時，二極管的正向壓 降變化很小，硅管正向壓降約為 0.60.7V ，鍺管的正向壓降約為0.20.3V 二極管的伏安特性對溫度很敏感，溫度升高時，正向特性曲線向左移，這說 明，對應同樣大小的正向電流，正向壓降

5、隨溫升而減小。研究說明，溫度每升高 10C ，正向壓降減小2mV。2. 反向特性二極管加上反向電壓時，形成很小的反向電流，且在一定溫度下它的數(shù)量基 本維持不變，因此，當反向電壓在一定范圍內增大時，反向電流的大小根本恒定， 而與反向電壓大小無關，故稱為反向飽和電流，一般小功率鍺管的反向電流可達 幾十yA,而小功率硅管的反向電流要小得多，一般在0.1 yA以下，當溫度升高時，少數(shù)載流子數(shù)目增加，使反向電流增大，特性曲線下移，研究說明，溫度每 升高100C ，反向電流近似增大一倍。3. 反向擊穿特性當二極管的外加反向電壓大于一定數(shù)值反向擊穿電壓時，反向電流突然急劇增加稱為二極管反向擊穿。反向擊穿電壓

6、一般在幾十伏以上。反向擊穿后,電流的微小變化會引起電壓很大變化。二極管的主要參數(shù)1. 最大整流電流Idm二極管長期工作時，允許通過的最大的正向平均電流。2. 反向工作峰值電壓VrmUrm是指管子不被擊穿所允許的最大反向電壓。3. 反向峰值電流 Irm二極管加反向電壓Vrm時的反向電流值，IRM越小二極管的單向導電性愈好。 硅管的反向電流較小，一般在幾微安以下，鍺管的反向電流較大，為硅管的幾十 到幾百倍。4. 最咼工作頻率?M二極管在外加高頻交流電壓時，由于PN結的電容效應，單向導電作用退化。 ?M指的是二極管單向導電作用開始明顯退化的交流信號的頻率。二極管的應用1.整流所謂整流，就是將交流電變

7、成脈動直流電。利用二極管的單向導電性可組成 單相和三相整流電路，再經(jīng)過濾波和穩(wěn)壓，就可以得到品平穩(wěn)的直流電。 整流部二極管鉗位電路分的具體應用在后面詳述。2.鉗位利用二極管正向導通時壓降很小的特性，可組成鉗位電路，在圖中，假設 A點電位為零，那么 二極管導通，由于其壓降很小，故 F點的電位也 被鉗制在A點電位左右，即Uf約等于零。3.限幅利用二極管導通后壓降很小且根本不變的特性，可以構成限幅電路，使輸出電壓幅度限制在某一電壓值內。設輸入電壓ui= Umsin 3 tV那么輸出電壓的正向幅度被限制在Us值內4. 二極管門電路門電路是一種邏輯電路，在輸入信號條件和輸出信號結果之間存在著一定的因果關

8、系即邏輯關系。在邏輯電路中，通常用符號0和1來表示兩種對立的邏輯狀態(tài)。用1表示高電平，用0表示低電平，稱為正邏輯，反之為負邏輯。4.2特殊二極管本節(jié)學時0.5學時本節(jié)重點穩(wěn)壓二極管結構和伏安特性；教學方法 結合理論與實驗，講解穩(wěn)壓二極管伏安特性。教學手段 以傳統(tǒng)教學手段與電子課件相結合的手段，讓學生在有限的時間內掌握更多的相關知識。教學內容穩(wěn)壓管1結構穩(wěn)壓管是一種特殊的面接觸型半導體硅二極管，具有穩(wěn)定電壓的作用。穩(wěn)壓管與普通二極管的主要區(qū)別在于， 穩(wěn)壓管是工作在PN結的反向擊穿狀態(tài)。通 過在制造過程中的工藝措施和使用時限制反向電流的大小，能保證穩(wěn)壓管在反 向擊穿狀態(tài)下不會因過熱而損壞，而一般二

9、極管擊穿后可能造成過熱而損壞。2. 伏安特性曲線從穩(wěn)壓管的反向特性曲線可以看出，當反向電壓較小時，反向電流幾乎為零，當反向電壓增高到擊穿電壓 Uz(也是穩(wěn)壓管的工作電壓)時，反向電流 Iz (穩(wěn)壓管的工作電流)會急劇增加，穩(wěn)壓管反向擊穿。在特性曲線ab段，當Iz在較大范圍內變化時，穩(wěn)壓管兩端電壓 Uz根本不變，具有恒壓特性，利用這一特性可以起到穩(wěn)定電壓的作用。Ui(a)R1V IzDz ZSRlJUza U?J j1心0UiDz Z.0穩(wěn)壓管電路、伏安特性及符號3穩(wěn)壓管的主要參數(shù)(1)穩(wěn)定電壓Uz穩(wěn)壓管正常工作時，管子兩端的電壓。(2)動態(tài)電阻rz穩(wěn)壓管在正常工作范圍內，端電壓的變化量與相應電

10、流的變 化量的比值。L =¥ 穩(wěn)壓管的反向特性愈陡，rz愈小，穩(wěn)壓性能就愈好。口 z(3)穩(wěn)定電流Iz穩(wěn)壓管正常工作時的參考電流值， 只有I可 才能保證穩(wěn)壓管 有較好的穩(wěn)壓性能。(4) 最大穩(wěn)定電流Izmax允許通過的最大反向電流，I > Izmax管子會因過熱而損 壞。(5) 最大允許功耗PzM 管子不致發(fā)生熱擊穿的最大功率損耗PzM =Uz Izmax(6) 電壓溫度系數(shù) 如 溫度變化10C時，穩(wěn)定電壓變化的百分數(shù)定義為電壓溫度系數(shù)。電壓溫度系數(shù)越小，溫度穩(wěn)定性越好，通常硅穩(wěn)壓管在Vz低于4V時具有負溫度系數(shù)，高于6V時具有正溫度系數(shù)，Uz在46V之間，溫度系數(shù)很小。穩(wěn)壓管

11、正常工作的條件有兩條，一是工作在反向擊穿狀態(tài)，二是穩(wěn)壓管中的 電流要在穩(wěn)定電流和最大允許電流之間。(b)光電二極管光電二極管又稱光敏二極管。它的管殼上備有一個 玻璃窗口，以便于接受光照。其特點是，當光線照射于 它的PN結時，可以成對地產(chǎn)生自由電子和空穴，使半 導體中少數(shù)載流子的濃度提高。這些載流子在一定的反向偏置電壓作用下可以產(chǎn)生漂移電流,使反向電流增加因此它的反向電流隨光照強度的增加而線性增加，這時光電二極管等效于一個恒流源。 當無光照時，光 電二極管的伏安特性與普通二極管一樣。光電二極管的主要參數(shù)有：暗電流、光電流、靈敏度、峰值波長、響應時間。光電二極管作為光控元件可用于物體檢測、 光電控

12、制、自動報警等方面。大 面積的光電二極管可作為一種綠色能源，稱為光電池。發(fā)光二極管發(fā)光二極管是一種將電能直接轉換成光能的光發(fā)射器件，簡稱 LED 它是由鎵、砷、磷等元素的化合物制成。這些材料構成的 PN 加上正 向電壓時，就會發(fā)出光來，光的顏色取決于制造所用的材料。發(fā)光二極管的伏安特性和普通二極管相似，死區(qū)電壓為0.91.1V ，其正向工作電壓為1.52.5V,工作電流為515mA。反向擊穿電壓較低，一般小于10V。發(fā)光二極管的驅動電壓低、 工作電流小， 具有很強的抗振動和沖擊能力、 體積小、可靠性高、耗電省和壽命長等優(yōu)點，廣泛用于信號指示等電路中。4.3 半導體三極管本節(jié)學時 2 學時本節(jié)重

13、點 半導體三極管的伏安特性；教學方法 結合理論與實驗， 講解半導體三極管的伏安特性， 通過例題讓學生掌握二半導體極管的應用。教學手段 以傳統(tǒng)教學手段與電子課件相結合的手段， 讓學生在有限的時間內掌握更多的相關知識。教學內容4.3.1 三極管的根本結構和類型1. 類型按功率大小可分為大功率管和小功率管；按電路中的工作頻率可分為高頻管和低頻管；按半導體材料不同可分為硅管和鍺管；按結構不同可分為 NPN 管和PNP 管。2. 結構c集電極C丄N集電區(qū)XXXXXP基區(qū)BX X X X XN發(fā)射區(qū)發(fā)射極Eb c基極B基極B rP集電區(qū)N I基區(qū)P發(fā)射區(qū)發(fā)射極EC無論是NPN型還是PNP型都分為三個區(qū)，分

14、別稱為發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū), 由三個區(qū)各引出一個電極，分別稱為發(fā)射極E、基極B和集電極C，發(fā)射 區(qū)和基區(qū)之間的PN結稱為發(fā)射結，集電區(qū)和基區(qū)之間的 PN結稱為集電結。在制造工藝上有如下三個特點：一是發(fā)射區(qū)摻雜濃度大于集電區(qū)摻雜濃度,集電區(qū)摻雜濃度遠大于基區(qū)摻雜濃度；二是基區(qū)很薄，一般只有幾微米；三是集 電區(qū)的截面積大，使的發(fā)射區(qū)與集電區(qū)不可互換。正是這三個特點使三極管具有 電流控制和放大作用。三極管的電流分配關系和放大作用三極管的發(fā)射結加正向電壓，集電結反向電壓，只有這樣才能保證三極管工作在放大狀態(tài)。結論：1基極電流Ib、集電極電流Ic與發(fā)射極電流Ie符合基爾霍夫電流定律，即：Ie = Ib

15、+ Ic2 發(fā)射極電流Ie和集電極電流Ic幾乎相等，但遠遠大于基極電流Ib，即I E l C>> I B3三極管有電流放大作用，表達在基極電流的微小變化會引起集電極電流較大的變化。三極管的特性曲線1輸入特性曲線I B = f(UBE)UcE 蚩數(shù)常用UcE> 1V的一條曲線來代表所有輸入特性曲線。和二極管一樣三極管的輸 入伏安特性也是非線性的，也存在著死區(qū)電壓Ut (或稱為門檻電壓)。硅管的死區(qū)電壓約為0.5V，鍺管的死區(qū)電壓約為0.2V。三極管導通時，發(fā)射結電壓Ube變化不大，硅管約為(0.60.7) V，鍺管約為(0.20.3)V。2輸出特性曲線三極管的輸岀特性曲線1 C

16、 = f (U CE)IB 苗數(shù)輸出特性曲線可分放大、截止和飽和三個區(qū)域 。(1) 放大區(qū)：特性曲線近似水平直線的區(qū)域為放大區(qū)。在這個區(qū)域里發(fā)射 結正偏，集電結反偏。(2) 飽和區(qū)：飽和區(qū)是對應于Uce較小的區(qū)域，此時Uce<Ube，發(fā)射結、 集電結均處于正偏。規(guī)定 Uce=Ube時的狀態(tài)稱為臨界飽和狀態(tài)，用 Uces表示,此時集電極臨界飽和電流：U CC _U CESU CC1 CS 二RCRC基極臨界飽和電流：|1 csIbs =當集電極電流Ic>Ic s時，認為管子已處于飽和狀態(tài)。levies時,管子處于放大狀態(tài)管子深度飽和時，硅管的Uce約為0.3V，鍺管約為0.1V,由于

17、深度飽和時Uce 約等于0,晶體管在電路中猶如一個閉合的開關。(3)截止區(qū)：Ib = 0的特性曲線以下區(qū)域稱為截止區(qū)。在這個區(qū)域中，集電 結處于反偏，U be WO發(fā)射結反偏或零偏，即Uc>Ue Ub。電流Ic很小，(等于反向 穿透電流ICEO)工作在截止區(qū)時，晶體管在電路中猶如一個斷開的開關。例1用直流電壓表測得放大電路中晶體管 各電極的對地電位分別為 Ux = + 10V，Uy = 0V，Uz = +0.7V， T2 管各電極電位 Ux = +0V，Uy = -0.3V，Uz = -5V，試判 斷Ti和T2各是何類型、何材料的管子，x、y、z各是何電極？解：根據(jù)工作在放大區(qū)中晶體管三

18、極之間的電位關系，首先分析出三電極 的最高或最低電位，確定為集電極，而電位差為導通電壓的就是發(fā)射極和基極。 根據(jù)發(fā)射極和基極的電位差值判斷管子的材質。(1) 在圖(a)中，z與y的電壓為0.7V，可確定為硅管，因為Ux>Uz> Uy,， 所以x為集電極，y為發(fā)射極，z為基極，滿足Uc>Ub> Ue,的關系，管子為NPN型。(2) 在圖(b) 中, x與y的電壓為0.3V，可確定為鍺管，又因Uz<Uy< Ux,，所以z為集電極，x為發(fā)射極，y為基極，滿足Uc<Ub< Ue的關系，管子為PNP型。三極管的主要參數(shù)1.電流放大系數(shù)共射直流電流放大系數(shù)它

19、表示集電極電壓一定時，集電極電流和基極電流之間的關系。即:I C 一 I CEOIB共射交流電流放大系數(shù) B。它表示在UCE保持不變的條件下，集電極電流的變化量與相應的基極電流變化量之比，即1 =譏Ib在今后估算時常認為1 。2. 極間電流集電極反向飽和電流ICB。ICB。是指發(fā)射極開路，集電極與基極之間加反 向電壓時產(chǎn)生的電流，也是集電結的反向飽和電流，是由少數(shù)載流子形成的。作 為晶體管的性能指標，ICBO越小越好。穿透電流ICEO。ICEO是基極開路，集電極與發(fā)射極間加電壓時的集電極電 流，由于這個電流由集電極穿過基區(qū)流到發(fā)射極，故稱為穿透電流。在數(shù)量上， 穿透電流和反向飽和電流有以下關系

20、：ICEO= (1+ 3 ) ICBO。在考慮到這個因素時，晶體管工作在放大區(qū)設的集電極電流的表達式變?yōu)椋篒c= 3 Ib+Iceo。3. 極限參數(shù)集電極最大允許耗散功率PCM晶體管電流IC與電壓Uce的乘積稱為集電極耗散功率，晶體管在使用時，應保證PC<PCM ,這樣晶體管在使用時才能保證平安。(2)反向擊穿電壓 U (BR)CEO反向擊穿電壓U(BR)CEO是指基極開路時，加于集電極 一發(fā)射極之間的最大允 許電壓，集電極最大允許電流Icm。晶體管工作在放大區(qū)時，假設集電極電流超過一 定值時，其B就要顯著下降。當B值下降到正常值2/3時的集電極電流，稱為晶 體管的集電極最大電流，用Ic

21、m表示。Pcm ， U(br)ceo和Icm這二個極限參數(shù)決定了晶體管的平安工作區(qū)。4.溫度對晶體管參數(shù)的影響(1)溫度對Icbo的影響：一般都按溫度每升高10°C，Icbo增大一倍來考慮。溫度對B的影響：以250C時測得的B值為基數(shù)，溫度每升高10C，B增加約 (0.51) %。溫度對發(fā)射結電壓Ube的影響：溫度每升高10C，|Ube|約減小22.5mV。例2晶體管均為硅管，滬30，試分析各晶體管的工作狀態(tài)(a)(c)(b)例2圖解：(1)因為基極偏置電源+6V大于管子的導通電壓，故管子的發(fā)射結正偏,管子導通,基極電流:,6-0.75.3AI b1. 06mA55lc 二-Ib =

22、30 1.06 = 31.8mA臨界飽和電流：les = 10 VeES 10-0.7 = 9.3mA1因為lc>lcs,所以管子工作在飽和區(qū)。2因為基極偏置電源-2V小于管子的導通電壓，管子的發(fā)射結反偏，管子截止，所以管子工作在截止區(qū)。3 因為基極偏置電源+2V大于管子的導通電壓，故管子的發(fā)射結正偏，管子導通基極電流：2-0.70.3=0.26mAIc=1：Ib=30 0.26 =7.8mA臨界飽和電流：.10 U CES小小小 -I es10 - 0.7 9.3mA1因為levies，所以管子工作在放大區(qū)4.4絕緣柵型場效應晶體管本節(jié)學時1.5學時本節(jié)重點 絕緣柵型場效應晶體管的伏安

23、特性。教學方法 結合理論與實驗，講解絕緣柵型場效應晶體管的伏安特性。教學手段 以傳統(tǒng)教學手段與電子課件相結合的手段， 讓學生在有限的時間內掌 握更多的相關知識。教學內容場效應管是一種電壓控制型的半導體器件，它具有輸入電阻高可達109q1015Q，而噪聲低，受溫度、輻射等外界條件的影響較小，耗電省、便于集成等優(yōu)點。，因此得到廣泛應用。場效應管按結構的不同可分為結型和絕緣柵型；從工作性能可分耗盡型和增強型；所用基片(襯底)材料不同，又可分 P溝道和N溝道兩種導電溝道。絕緣柵型場效應管目前應用最廣泛的絕緣柵場效應管是一種金屬(M)-氧化物(0)-半導體(S)結構的場效應管，簡稱為 MOS ( Met

24、al Oxide Semiconductor )管。1. N溝道增強MOS型管(1)根本結構符號用一塊P型半導體為襯底，在襯底上面的左、右兩邊制成兩個高摻雜濃度的N型區(qū)，用N+表示，在這兩個N +區(qū)各引出一個電極，分別稱為源極 S和漏極D, 管子的襯底也引出一個電極稱為襯底引線b。管子在工作時b通常與S相連接。在這兩個N+區(qū)之間的P型半導體外表做出一層很薄的二氧化硅絕緣層，再在絕緣層上面噴一層金屬鋁電極，稱為柵極 G。Sio2絕緣層G鋁N+N+P襯底5pp襯(a)G -(b)G1 Sb(襯底引線)(C)增強型MOS管的結構和符號輸出特性輸出特性是指Ugs為一固定值時，Id與Uds之間的關系，即

25、I D = f (U DS ) u GS 苗數(shù)同三極管一樣輸出特性可分為三個區(qū)，可變電阻區(qū)，恒流區(qū)和截止區(qū)可變電阻區(qū)：1區(qū)。該區(qū)對應UgS> Ut， uDS很小，UgD=U GS UDS> UT 的情況。該區(qū)的特點是：假設UGS不變，Id隨著Uds的增大而線性增加，可以看成是一個電阻, 對應不同的Ugs值，各條特性曲線直線局部的斜率不同，即阻值發(fā)生改變。因此該區(qū)是一個受Ugs控制的可變電阻區(qū)，工作在這個區(qū)的場效應管相當于一個壓控 電阻。恒流區(qū)(亦稱飽和區(qū)，放大區(qū))：n區(qū)。該區(qū)對應Ugs>Ut, Uds較大，該區(qū) 的特點是：假設UGS固定為某個值時，隨Uds的增大，Id不變，特

26、性曲線近似為水 平線，因此稱為恒流區(qū)。而對應同一個 Uds值，不同的Ugs值可感應出不同寬度 的導電溝道，產(chǎn)生不同大小的漏極電流Id ,可以用一個參數(shù)，跨導gm來表示Ugs 對Id的控制作用。gm定義為：也Idgm =U ds臬數(shù)蟲Ugs截止區(qū)(夾斷區(qū))：該區(qū)對應于Ugs<Jt的情況，這個區(qū)的特點是：由于沒 有感生出溝道，故電流Id=0 ,管子處于截止狀態(tài)。川區(qū)為擊穿區(qū)，當Uds增大到某一值時，柵、漏間的PN結會反向擊穿，使Id 急劇增加。如不加限制，會造成管子損壞。5I D(mA)皿區(qū)f.I區(qū)n區(qū)；Ugs=5V4十1r:4.5Vf廠1廠 4V2a3.5V3V.A12.5V (Vt)II

27、02468Vds(V)(a)輸出特性N溝道增強型MOS管的特性曲線(4)轉移特性轉移特性是指Uds為固定值時，|d與Ugs之間的關系，表示了 Ugs對Id的控制作用。即：Id "(Ugs)u DS紳數(shù)Id可以近似地表示為:-1 DSS。U GS (th)GS其中 Idss 是 Ugs=2Ugsth時的值 Id。2.N溝道耗盡型MOS管i10卜 I DmAI區(qū)：'864h22V區(qū)/川區(qū)3V1VUgs=0V1V81214(b)D(d)N溝道耗盡型絕緣柵場效應管N溝道耗盡型MOS管的結構與增強型一樣，所不同的是在制造過程中，在siO2絕緣層中摻入大量的正離子。當 Ugs=0時，由正

28、離子產(chǎn)生的電場就能吸收足 夠的電子產(chǎn)生原始溝道，如果加上 正向Uds電壓，就可在原始溝道的中產(chǎn)生電流 其結構、符號如下圖當Ugs正向增加時，將增強由絕緣層中正離子產(chǎn)生的電場， 感生的溝道加寬, Id將增大，當Vgs加反向電壓時，削弱由絕緣層中正離子產(chǎn)生的電場，感生的溝 道變窄，Id將減小，當Ugs到達某一負電壓值UGSoff= Up時，完全抵消了由正離子 產(chǎn)生的電場那么導電溝道消失，Id-0, Up稱為夾斷電壓。在Ugs>Up后,漏源電壓Uds對Id的影響較小。它的特性曲線形狀，與增強型MOS管類似。場效應管主要參數(shù)1. 場效應管與雙極型晶體管的比擬場效應管的溝道中只有一種極性的載流子電子或空穴參于導電，故稱為單極型晶體管。而在雙極型晶體三極管里有兩種不同極性的載流子電子和空穴參于導電。 場效應管是通過柵源電壓Ugs來控制