第八章半導(dǎo)體

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主講:張閩臨贛州華堅(jiān)科技職業(yè)學(xué)校（第八章常用半導(dǎo)體元件）電工與電子技術(shù)2本章要求：一、理解PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，三極管的電流分配和電流放大作用；

二、了解二極管、三極管和晶閘管的基本構(gòu)造、工作原理和特性曲線(xiàn)，理解主要參數(shù)的意義；

三、會(huì)分析含有以上半導(dǎo)體元件的電路。8.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體導(dǎo)體：自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱(chēng)為導(dǎo)體，金屬一般都是導(dǎo)體。絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱(chēng)為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半導(dǎo)體：另有一類(lèi)物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱(chēng)為半導(dǎo)體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。38.1.1本征半導(dǎo)體

本征半導(dǎo)體：完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體?，F(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，它們的最外層電子（價(jià)電子）都是四個(gè)。

4GeSi本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理1.載流子、自由電子和空穴在絕對(duì)0度（-273.15℃

）和沒(méi)有外界激發(fā)時(shí),價(jià)電子完全被共價(jià)鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒(méi)有可以運(yùn)動(dòng)的帶電粒子（即載流子），它的導(dǎo)電能力為0，相當(dāng)于絕緣體。在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價(jià)電子獲得足夠的能量而脫離共價(jià)鍵的束縛，成為自由電子，同時(shí)共價(jià)鍵上留下一個(gè)空位，稱(chēng)為空穴5本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理6+4+4+4+4+4自由電子束縛電子空穴

本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度：溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強(qiáng)，溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個(gè)重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點(diǎn)。8.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會(huì)使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加。7一、N型半導(dǎo)體

在硅或鍺晶體中摻入少量的五價(jià)元素磷（或銻），晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，磷原子的最外層有五個(gè)價(jià)電子，其中四個(gè)與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵，必定多出一個(gè)電子，這個(gè)電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而成為帶正電的自由電子，二、P型半導(dǎo)體

在硅或鍺晶體中摻入少量的三價(jià)元素，如硼（或銦），晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，硼原子的最外層有三個(gè)價(jià)電子，與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)帶負(fù)電的空穴。8

摻雜濃度遠(yuǎn)大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度。自由電子稱(chēng)為多數(shù)載流子（多子），空穴稱(chēng)為少數(shù)載流子（少子）。8.1.3PN結(jié)PN結(jié)的形成9

在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，經(jīng)過(guò)載流子的擴(kuò)散，在它們的交界面處就形成了PN結(jié)。一、PN

結(jié)正向偏置10PN結(jié)加上正向電壓、正向偏置的意思都是：P區(qū)加正、N區(qū)加負(fù)電壓。內(nèi)電場(chǎng)被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)能夠形成較大的擴(kuò)散電流，PN結(jié)變薄。變薄二、PN

結(jié)反向偏置

PN結(jié)加上反向電壓、反向偏置的意思都是：P區(qū)加負(fù)、N區(qū)加正電壓。內(nèi)電場(chǎng)被被加強(qiáng)，多子的擴(kuò)散受抑制。少子漂移加強(qiáng)，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。11變厚PN結(jié)——單向?qū)щ?28.2半導(dǎo)體二極管

8.2.1基本結(jié)構(gòu)

PN結(jié)加上管殼和引線(xiàn)，就成為半導(dǎo)體二極管，用塑料、玻璃和金屬封裝外殼。13半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)

141.點(diǎn)接觸型二極管

3.平面型二極管的結(jié)構(gòu)

2.面接觸型二極管的結(jié)構(gòu)8.2.2伏安特性

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正向電壓分死區(qū)，硅管為0.5V，超過(guò)死區(qū)電壓后電流增大，二極管導(dǎo)通。反向電壓只有很小的電流，二極管不導(dǎo)通。超過(guò)擊穿電壓才導(dǎo)通。8.2.3主要參數(shù)1.最大整流電流IOM

二極管長(zhǎng)期使用時(shí)，允許流過(guò)二極管的最大正向平均電流。2.反向擊穿電壓UBR

二極管反向擊穿時(shí)的電壓值。擊穿時(shí)反向電流劇增，二極管的單向?qū)щ娦员黄茐模踔吝^(guò)熱而燒壞。3.反向電流IR

指二極管加反向峰值工作電壓時(shí)的反向電流。反向電流大，說(shuō)明管子的單向?qū)щ娦圆?，因此反向電流越小越好。反向電流受溫度的影響，溫度越高反向電流越?.二極管的極間電容168.2.4特種二極管171、穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓——當(dāng)反向電壓達(dá)到或超過(guò)穩(wěn)壓值時(shí)，反向電流增大，反向電壓被穩(wěn)定在穩(wěn)壓值上。

2、發(fā)光二極管18發(fā)光二極管用特殊半導(dǎo)體材料（如砷化鎵）制成的可發(fā)光的二極管。

常用二極管198.3.1半導(dǎo)體三極管基本結(jié)構(gòu)

三極管分為NPN和PNP兩種，作用分為開(kāi)關(guān)、放大等。共有3個(gè)引腳，分別是B（基極），C（集電極），E（發(fā)射極）。208.3.2三極管符號(hào)：21三極管放大原理22CEB8.3.3三極管放大原理23IB/mA00.020.040.060.08IC/mA0.0010.701.502.303.10IE/mA0.0010.721.542.363.18三極管工作特點(diǎn)是：發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置,實(shí)驗(yàn)得出以下數(shù)據(jù):mAmAmA8.3.4輸入特性曲線(xiàn)24

輸入特性曲線(xiàn)是在保持集電極與發(fā)射極之間的電壓UCE為某一常數(shù)時(shí)，輸入回路中的基極電流IB與基極射極間電壓UBE的關(guān)系曲線(xiàn)。它反映了晶體管輸入回路中電壓與電流的關(guān)系8.3.5輸出特性曲線(xiàn)

25三極管的工作狀態(tài)可分為截止區(qū)、飽和區(qū)和放大區(qū)。8.3.6輸出特性三個(gè)區(qū)域的特點(diǎn):(1)放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。即：Ic=βIB,且ΔIc=βIbΔ(2)飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏。即：UCE<UBE，βIB>IC，UCE≈0.3V(3)截止區(qū)：發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。

UBE<死區(qū)電壓，IB=0，IC=ICEO≈0268.3.7主要參數(shù)271、電流放大倍數(shù)和β：分直流放大倍數(shù)和交流電流放大倍數(shù)。2、集-射極反向截止電流ICEO；3、集電極最大電流ICM；4、集-射極反向擊穿電壓U（BR）CEO；5、集電極最大允許功耗PCM：集電極電流IC

流過(guò)三極管，所發(fā)出的焦耳熱。6、集-基極反向截止電流ICBO：ICBO是集電結(jié)反偏由少子的漂移形成的反向電流，受溫度的變化影響。28電子管常用三極管298.4.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與符號(hào)30

晶閘管由四層半導(dǎo)體組成，分別為PNPN，3個(gè)PN結(jié)，3個(gè)腳為陽(yáng)極、控制極（門(mén)極）和陰極。俗稱(chēng)“電子開(kāi)關(guān)”。8.4.2單向晶閘管工作原理311、正向阻斷：控制極不通電，晶閘管不通。2、正向?qū)ǎ嚎刂茦O通電，晶閘管導(dǎo)通?？刂茦O斷開(kāi)，晶閘管仍導(dǎo)通。3、反向阻斷：控制極通電與否，晶閘管都不通。4、晶閘管斷開(kāi)：只有在主電源中斷或電流低于維持電流時(shí)，晶閘管才能斷開(kāi)。（1）（2）（4）（3）32單向晶閘管工作原理：內(nèi)部分析工作過(guò)程：當(dāng)晶閘管承受正朝陽(yáng)極電壓時(shí)，為使晶閘管導(dǎo)通，必須使承受反向電壓的PN結(jié)J2失往阻擋作用。圖b中每個(gè)晶體管的集電極電流同時(shí)就是另一個(gè)晶體管的基極電流。因此，兩個(gè)互相復(fù)合的晶體管電路，當(dāng)有足夠的門(mén)機(jī)電流Ig流進(jìn)時(shí)，就會(huì)形成強(qiáng)烈的正反饋，造成兩晶體管飽和導(dǎo)通，晶體管飽和導(dǎo)通。維持電流Ih導(dǎo)通電流（1）8.4.3晶閘管（可控硅）的定義

普通晶閘管(VS)實(shí)質(zhì)上屬于直流控制器件。雙向晶閘管是在普通晶閘管的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的，它不僅能代替兩只反極性并聯(lián)的晶閘管，而且僅需一個(gè)觸發(fā)電路，是目前比較理想的交流開(kāi)關(guān)器件。特性：1、晶閘管具有可控性。2、晶閘管具有單向?qū)щ娦浴?、晶閘管一但導(dǎo)通，門(mén)極便失去控制作用。33晶閘管的參數(shù)1、正向平均管壓降Uf2、最小觸發(fā)電壓Uc:3、額定正向平均電流It:4、維持電流Ih:348.4.4晶閘管檢測(cè)351．檢查逆導(dǎo)性：選擇萬(wàn)用表R×1檔，黑表筆接K極，紅表筆接A極（見(jiàn)圖），電阻值應(yīng)為5～10Ω。若阻值為零，證明內(nèi)部二極管短路；電阻為無(wú)窮大，說(shuō)明二極管開(kāi)路。2．測(cè)量正向直流轉(zhuǎn)折電壓V（BO）：按照（b）圖接好電路，再按額定轉(zhuǎn)速搖兆歐表，使RCT正向擊穿，由直流電壓表上讀出V（BO）值。3．檢查觸發(fā)能力

8.4.5晶閘管調(diào)壓電路36

由VD1-4組成整流橋?qū)涣魅ㄕ?/p>