城市軌道交通電工電子技術(shù)單元6 常用半導體器件

單元6.常用半導體器件單元學習目標1.了解本征半導體、雜質(zhì)半導體及PN結(jié)

2.掌握二極管的單向?qū)щ娦?/p>

3.了解特殊二極管的特點及應(yīng)用

4.掌握三極管放大作用、開關(guān)作用及所需條件一．半導體基礎(chǔ)知識半導體——導電能力介于導體與絕緣體之間的物質(zhì)。由原子組成，具有晶體結(jié)構(gòu)。

(a)硅晶體的空間排列(b)共價鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖(c)1.本征半導體本征半導體是一種完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導體晶體。本征半導體又稱純凈半導體。當導體處于熱力學溫度0K時，導體中沒有自由電子。當溫度升高或受到光的照射時，價電子能量增高，有的價電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導電，成為自由電子。這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。

自由電子產(chǎn)生的同時，在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位，原子的電中性被破壞，呈現(xiàn)出正電性，其正電量與電子的負電量相等，人們常稱呈現(xiàn)正電性的這個空位為空穴。

因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時成對出現(xiàn)的，稱為電子空穴對。游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱為復合。本征激發(fā)和復合在一定溫度下會達到動態(tài)平衡。自由電子的定向運動形成了電子電流，空穴的定向運動也可形成空穴電流，它們的方向相反。只不過空穴的運動是靠相鄰共價鍵中的價電子依次充填空穴來實現(xiàn)的，因此，空穴的導電能力不如自由電子?？昭ǖ囊苿?.雜質(zhì)半導體

(1)N型半導體

(2)P型半導體

在本征半導體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導體的導電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價或五價元素。摻入雜質(zhì)后的本征半導體稱為雜質(zhì)半導體。(1).N型半導體在本征半導體中摻入五價雜質(zhì)元素，例如磷，可形成N型半導體,也稱電子型半導體。因五價雜質(zhì)原子中只有四個價電子能與周圍四個半導體原子中的價電子形成共價鍵，而多余的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易形成自由電子。在N型半導體中自由電子是多數(shù)載流子,它主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是少數(shù)載流子,

由熱激發(fā)形成。N型半導體結(jié)構(gòu)示意圖(2).P型半導體本征半導體中摻入三價雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等形成P型半導體，也稱為空穴型半導體。因三價雜質(zhì)原子與硅原子形成共價鍵時，缺少一個價電子而在共價鍵中留下一個空穴。

P型半導體中空穴是多數(shù)載流子，主要由摻雜形成；電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。

P型半導體的結(jié)構(gòu)示意圖雜質(zhì)半導體簡化模型

3.PN結(jié)

PN結(jié)是半導體的核心。 將P型半導體和N型半導體使用特殊工藝連在一起時，N區(qū)中濃度高的自由電子會擴散到P區(qū)，并與P型半導體中的空穴復合。同時P區(qū)中濃度高的空穴會擴散到N區(qū)，并與N型半導體中的自由電子復合。在P型半導體和N型半導體的交界面上，可自由移動的空穴和自由電子相互中和形成了一個具有特殊電性能的薄層，稱為空間電荷區(qū)，即PN結(jié)。

最后多子擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡。對于P型半導體和N型半導體結(jié)合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為

PN結(jié),在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。(1).PN結(jié)的正向特性

外加的正向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相反，削弱了內(nèi)電場。內(nèi)電場對多子擴散運動的阻礙減弱，擴散電流加大。擴散電流遠大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響,PN結(jié)呈現(xiàn)低阻性。(2).PN結(jié)的反向特性

外加的反向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相同，加強了內(nèi)電場。內(nèi)電場對多子擴散運動的阻礙增強，擴散電流大大減小。此時PN結(jié)區(qū)的少子在內(nèi)電場的作用下形成的漂移電流大于擴散電流，可忽略擴散電流，由于漂移電流本身就很小，PN結(jié)呈現(xiàn)高阻性。在一定溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關(guān)，這個電流也稱為反向飽和電流。

PN結(jié)外加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴散電流；PN結(jié)加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?/p>

二.半導體二極管

1.半導體二極管的結(jié)構(gòu)

半導體二極管就是由一個PN結(jié)加上相應(yīng)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(jié)的單向?qū)щ娦?，二極管導通時電流方向是由陽極通過管子內(nèi)部流向陰極。二極管的型號組成及其意義第一部分（數(shù)字）第二部分（拼音）第三部分（拼音）第四部分（數(shù)字）第五部分（拼音）電極數(shù)材料和極性類型序號規(guī)格號（表示反向峰值電壓的檔次）符號意義符號意義符號意義2二極管AN型鍺材料P普通管BP型鍺材料Z整流管CN型硅材料W穩(wěn)壓管DP型硅材料U光電管K開關(guān)管C參量管L整流堆S隧道管常見的二極管有2AP7、2DZ54C等，根據(jù)表可自行判斷其意義。2.半導體二極管的伏安特性及其檢測二極管的電流與電壓的關(guān)系曲線，稱為二極管的伏安特性。其伏安特性曲線如圖所示。二極管的核心是一個PN結(jié)，具有單向?qū)щ娦?，其實際伏安特性與理論伏安特性略有區(qū)別。(1).正向特性位于圖中第一象限。當外加正向電壓很低時，管子內(nèi)多數(shù)載流子的擴散運動沒形成，正向電流幾乎為零。當正向電壓超過一定數(shù)值時，有明顯的正向電流，這個電壓值稱為死區(qū)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。當正向電壓大于死區(qū)電壓后，正向電流迅速增長，曲線接近上升直線，在伏安特性的這一部分，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0.6～0.7V，鍺管的正向壓降約為0.2～0.3V。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，如圖所示，這說明，對應(yīng)同樣大小的正向電流，正向壓降隨溫升而減小。研究表明：溫度每升高10C，正向壓降減小2mV。(2).反向特性

位于圖中第三象限。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(nèi)增大時，反向電流的大小基本恒定，而與反向電壓大小無關(guān)，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μA，而小功率硅管的反向電流要小得多，一般在0.1μA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，研究表明，溫度每升高100C，反向電流近似增大一倍。3.半導體二極管的主要參數(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VRM—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。

(4).最高工作頻率?M—二極管單向?qū)щ娮饔瞄_始明顯退化的交流信號的頻率。

4.二極管的應(yīng)用電路(1).整流所謂整流,就是將交流電變?yōu)閱畏较蛎}動的直流電。利用二極管的單向?qū)щ娦钥山M成單相、三相等各種形式的整流電路。(2).鉗位利用二極管正向?qū)〞r壓降很小的特性，可組成鉗位電路。若A點UA=0，二極管VD可正向?qū)?，其壓降很小，故F點的電位也被鉗制在0V左右，即UF≈0(3).限幅利用二極管正向?qū)ê笃鋬啥穗妷汉苄∏一静蛔兊奶匦?，可以?gòu)成各種限幅電路，使輸出電壓幅度限制在某一電壓值以內(nèi)。

設(shè)輸入電壓Ui=10sinωt(V),Us1=Us2=5V。當-Us2<Ui<Us1時，VD1、VD2都處于反向偏置而截止，因此I=0,Uo=Ui。當Ui>Us1時，VD1處于正向偏置而導通，使輸出電壓保持在Us1。Ui<-Us1時，VD2處于正向偏置而導通，輸出電壓保持在-Us2。由于輸出電壓uo被限制在+Us1與-Us2之間，即|Uo|≤5V,好像將輸入信號的高峰和低谷部分削掉一樣,因此這種電路又稱為削波電路。(4).元件保護在電子線路中，常用二極管來保護其他元器件免受過高電壓的損害。在開關(guān)S接通時，電源E給線圈供電，L中有電流流過，儲存了磁場能量。在開關(guān)S由接通到斷開的瞬時，電流突然中斷，L中將產(chǎn)生一個高于電源電壓很多倍的自感電動勢eL，eL與E疊加作用在開關(guān)S的端子上，在S的端子上產(chǎn)生電火花放電，這將影響設(shè)備的正常工作，使開關(guān)S壽命縮短。接入二極管VD后，eL通過二極管VD產(chǎn)生放電電流i,使L中儲存的能量不經(jīng)過開關(guān)S放掉，從而保護了開關(guān)S。三.特殊二極管1.穩(wěn)壓二極管硅穩(wěn)壓二極管簡稱穩(wěn)壓管，是一種特殊的二極管，它與電阻配合具有穩(wěn)定電壓的特點。(1).穩(wěn)壓管的伏安特性穩(wěn)壓管正向偏壓時，其特性和普通二極管一樣；反向偏壓時，開始一段和二極管一樣，當反向電壓達到一定數(shù)值以后，反向電流突然上升，而且電流在一定范圍內(nèi)增長時，管兩端電壓只有少許增加，變化很小，具有穩(wěn)壓性能。這種“反向擊穿”是可恢復的，只要外電路限流電阻保障電流在限定范圍內(nèi)，就不致引起熱擊穿而損壞穩(wěn)壓管。(2).穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用UI是不穩(wěn)定的可變直流電壓，希望得到穩(wěn)定的電壓UO，故在兩者之間加穩(wěn)壓電路。它由限流電阻R和穩(wěn)壓管VDZ構(gòu)成，RL是負載電阻。2.發(fā)光二極管是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成光能的固體器件，簡稱LED。發(fā)光二極管和普通二極管相似，也由一個PN結(jié)組成。發(fā)光二極管在正向?qū)〞r，由于空穴和電子的復合而發(fā)出能量，發(fā)出一定波長的可見光。光的波長不同，顏色也不同。常見的LED有紅、綠、黃等顏色。發(fā)光二極管的驅(qū)動電壓低、工作電流小，具有很強的抗振動和抗沖擊能力。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0.9～1.1V，其正向工作電壓為1.5～2.5V，工作電流為5～15mA。反向擊穿電壓較低，一般小于10V。不同半導體材料制造的發(fā)光二極管發(fā)出不同顏色的光，如磷砷化鎵（GaAsP）材料發(fā)紅光或黃光，磷化鎵（GaP）材料發(fā)紅光或綠光，氮化鎵（GaN）材料發(fā)藍光，碳化硅（SiC）材料發(fā)黃光，砷化鎵（GaAs）材料發(fā)不可見的紅外線。發(fā)光二極管的應(yīng)用

電源通斷指示發(fā)光二極管作為電源通斷指示通常稱為指示燈，在實際應(yīng)用中給人提供很大的方便。發(fā)光二極管的供電電源既可以是直流的也可以是交流的，但必須注意的是，發(fā)光二極管是一種電流控制器件，應(yīng)用中只要保證發(fā)光二極管的正向工作電流在所規(guī)定的范圍之內(nèi)，它就可以正常發(fā)光。數(shù)碼管是電子技術(shù)中應(yīng)用的主要顯示器件，是用發(fā)光二極管經(jīng)過一定的排列組成的。這是最常用的七段數(shù)碼顯示。要使它顯示0—9的一系列數(shù)字只要點亮其內(nèi)部相應(yīng)的顯示段即可。七段數(shù)碼顯示有共陽極(b)和共陰極(c)之分。數(shù)碼管的驅(qū)動方式有直流驅(qū)動和脈沖驅(qū)動兩種，應(yīng)用中可任意選擇。數(shù)碼管應(yīng)用十分廣泛，可以說，凡是需要指示或讀數(shù)的場合，都可采用數(shù)碼管顯示。3.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(jié)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。光電二極管作為光控元件可用于各種物體檢測、光電控制、自動報警等方面。當制成大面積的光電二極管時，可當作一種能源而稱為光電池。此時它不需要外加電源，能夠直接把光能變成電能。-+-+I

想一想利用特殊二極管的特性分析光電耦合器與遙控器。

四.半導體三極管1.三極管結(jié)構(gòu)三極管基區(qū)很薄，一般僅有1微米至幾十微米厚，發(fā)射區(qū)濃度很高，集電結(jié)截面積大于發(fā)射結(jié)截面積。使用中要注意電源的極性，確保發(fā)射結(jié)永遠加正向偏置電壓，三極管才能正常工作。三極管根據(jù)基片的材料不同，分為鍺管和硅管兩大類，目前國內(nèi)生產(chǎn)的硅管多為NPN型（3D系列），鍺管多為PNP型（3A系列）；從頻率特性分，可分為高頻管和低頻管；從功率大小分，可分為大功率管、中功率管和小功率管。

常見三極管的外形2.三極管的電流分配與放大作用(1).三極管結(jié)構(gòu)特點a.為了便于發(fā)射結(jié)發(fā)射電子，發(fā)射區(qū)半導體的摻雜溶度遠高于基區(qū)半導體的摻雜溶度，且發(fā)射結(jié)的面積較小。b.發(fā)射區(qū)和集電區(qū)雖為同一性質(zhì)的摻雜半導體，但發(fā)射區(qū)的摻雜溶度要高于集電區(qū)的摻雜溶度，且集電結(jié)的面積要比發(fā)射結(jié)的面積大，便于收集電子。c.聯(lián)系發(fā)射結(jié)和集電結(jié)兩個PN結(jié)的基區(qū)非常薄，且摻雜溶度也很低。

上述的結(jié)構(gòu)特點是三極管具有電流放大作用的內(nèi)因。要使三極管具有電流的放大作用，除了三極管的內(nèi)因外，還要有外部條件。三極管的發(fā)射極為正向偏置，集電結(jié)為反向偏置是三極管具有電流放大作用的外部條件。(2).三極管的電流分配關(guān)系和電流放大系數(shù)

實驗得出如下結(jié)論：

IE=IC+IBIC≈IE

IC=βIB

三個電流之間的關(guān)系符合基爾霍夫電流定律，IB雖然很小，但對IC有控制作用，IC隨IB改變而改變。β稱為三極管的電流放大系數(shù)，它反映三極管的電流放大能力，也可以說電流IB對IC的控制能力。a.發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射電子

電源UBB經(jīng)過電阻Rb加在發(fā)射結(jié)上，發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子——自由電子不斷地越過發(fā)射結(jié)而進入基區(qū)，形成發(fā)射極電流IE。同時，基區(qū)多數(shù)載流子也向發(fā)射區(qū)擴散，但由于基區(qū)很薄，可以不考慮這個電流。因此，可以認為三極管發(fā)射結(jié)電流主要是電子流。

b.基區(qū)中的電子進行擴散與復合

電子進入基區(qū)后，先在靠近發(fā)射結(jié)的附近密集，漸漸形成電子濃度差，在濃度差的作用下，促使電子流在基區(qū)中向集電結(jié)擴散，被集電結(jié)電場拉入集電區(qū)，形成集電結(jié)電流IC。也有很小一部分電子與基區(qū)的空穴復合，形成復合電子流。擴散的電子流與復合電子流的比例決定了三極管的放大能力。

c.集電區(qū)收集電子

由于集電結(jié)外加反向電壓很大，這個反向電壓產(chǎn)生的電場力將阻止集電區(qū)電子向基區(qū)擴散，同時將擴散到集電結(jié)附近的電子拉入集電區(qū)而形成集電結(jié)主電流ICN。另外集電區(qū)的少數(shù)載流子——空穴也會產(chǎn)生漂移運動，流向基區(qū)，形成反向飽和電流ICBO，其數(shù)值很小，但對溫度卻非常敏感。各極電流滿足下列分配關(guān)系：IB=IBE-ICBOIC=ICE+ICBO三極管的電流放大作用(3).三極管的特性曲線a.共射輸入特性當UCE=0時的輸入特性（圖中曲線①）當UCE=0時，相當于集電極和發(fā)射極間短路，三極管等效成兩個二極管并聯(lián)，其特性類似于二極管的正向特性。

當UCE≥1V時的輸入特性（圖中曲線②）當UCE≥1V時，輸入特性曲線右移（相對于UCE=0時的曲線），表明對應(yīng)同一個UBE值，IB減小了，或者說，要保持IB不變，UBE需增加。這是因為集電結(jié)加反向電壓，使得擴散到基區(qū)的載流子絕大部分被集電結(jié)吸引過去而形成集電極電流IC,只有少部分在基區(qū)復合，形成基極電流IB,所以IB減小而使曲線右移。

對應(yīng)輸入特性曲線某點切線斜率的倒數(shù)，稱為三極管共射極接法（Q點處）的交流輸入電阻，記作rbe,即b.輸出特性曲線輸出特性曲線是指當三極管基極電流IB為常數(shù)時，集電極電流IC與集電極、發(fā)射極間電壓UCE之間的關(guān)系，即：IC=f(UCE)|IB輸出特性曲線如圖所示。截止區(qū)

IB=0持性曲線以下的區(qū)域稱為截止區(qū)。此時晶體管的集電結(jié)處于反偏，發(fā)射結(jié)電壓uBE＜0，也是處于反偏的狀態(tài)。由于IB＝0，在反向飽和電流可忽略的前提下，IC也等于0，晶體管無電流的放大作用。處在截止狀態(tài)下的三極管，發(fā)射極和集電結(jié)都是反偏，在電路中猶如一個斷開的開關(guān)。實際的情況是：處在截止狀態(tài)下的三極管集電極有很小的電流ICE0，該電流稱為三極管的穿透電流，它是在基極開路時測得的集電極-發(fā)射極間的電流，不受IB的控制，但受溫度的影響。飽和區(qū)在圖6-21的三極管放大電路中，集電極接有電阻RC，如果電源電壓UCC一定，當集電極電流iC增大時，uCE=UCC-iCRC將下降，對于硅管，當uCE降低到小于0.7V時，集電結(jié)也進入正向偏置的狀態(tài)，集電極吸引電子的能力將下降，此時IB再增大，IC幾乎就不再增大了，三極管失去了電流放大作用，處于這種狀態(tài)下工作的三極管稱為飽和。三極管截止和飽和的狀態(tài)與開關(guān)斷、通的特性很相似，數(shù)字電路中的各種開關(guān)電路就是利用三極管的這種特性來制作的。放大區(qū)三極管輸出特性曲線飽和區(qū)和截止區(qū)之間的部分就是放大區(qū)。工作在放大區(qū)的三極管才具有電流的放大作用。此時三極管的發(fā)射結(jié)處在正偏，集電結(jié)處在反偏。由放大區(qū)的特性曲線可見，特性曲線非常平坦，當IB等量變化時，IC幾乎也按一定比例等距離平行變化。由于IC只受IB控制，幾乎與uCE的大小無關(guān)，說明處在放大狀態(tài)下的三極管相當于一個