第9章常用半導體器件

第九章常用半導體器件

第一節(jié)PN結及其單向導電性第二節(jié)半導體二極管第三節(jié)特殊二極管第四節(jié)晶體管第五節(jié)場效應晶體管第六節(jié)晶閘管

習題

目錄第一節(jié)PN結及其單向導電性

半導體的導電特點

PN結返回一、半導體的導電特點1.半導體材料

物質分為導體、半導體、絕緣體。半導體是4價元素。半導體材料的特點：半導體的導電能力受光和熱影響。

T↑

導電能力↑光照↑導電能力↑純凈的半導體摻入雜質導電性會大大增強。返回+4

純凈的、具有晶體結構的半導體稱為本征半導體。本征半導體中的載流子自由電子(－)

空穴（+）2.本征半導體空穴與電子成對出現并可以復合。*空穴的移動返回3.雜質半導體N型半導體摻5價元素，如磷，自由電子數多于空穴數，自由電子數是多子。

P型半導體摻3價元素，如硼，空穴數多于自由電子數，空穴是多子。返回N型半導體磷原子硅原子+N型硅表示+4+5+4+4硅或鍺+少量磷N型半導體多余電子返回P型半導體硼原子P型硅表示+4+4+4+3硅原子硅或鍺+少量硼P型半導體多余空穴返回返回4．擴散運動與漂移運動載流子由于濃度差異而形成運動叫擴散運動。在電場作用下，載流子的定向運動叫漂移運動。

1.PN結的形成二、

PN結擴散運動空間電荷區(qū)削弱內電場漂移運動內電場動態(tài)平衡－－－－－－－－－－－－－－－－P內電場電荷區(qū)空間擴散運動漂移運動N返回

外電場方向與內電場方向相反

空間電荷區(qū)(耗盡層)變薄

擴散＞漂移導通電流很大,呈低阻態(tài)。2.PN結的單向導電性－－－－－－－－－－－－－－－－PN內電場外電場

加正向電壓（正偏）P（+）N（－）返回少子形成的電流，可忽略。外電場與內電場相同耗盡層加厚

漂移＞擴散少子形成反向電流IR，很小，呈高阻態(tài)。N－－－－－－－－－－－－－－－－P

內電場

外電場

加反向電壓（反偏）P（－）N（+）PN結正偏，導通；PN結反偏，截止返回第二節(jié)半導體二極管

半導體二極管的伏安特性半導體二極管的主要參數返回一、半導體二極管的伏安特性+P區(qū)－陽極N區(qū)－陰極陽極陰極1.正向特性死區(qū)電壓硅管0.5V

鍺管0.1V

正向導通電壓硅管0.7V

鍺管0.3VI/mAU/V反向擊穿電壓死區(qū)GeSi2.

反向特性反向飽和電流很小，可視為開路；反向電壓過高，電流急增，二極管發(fā)生擊穿。導通電壓VD返回O二、半導體二極管的主要參數1.最大整流電流IF

二極管允許通過的最大正向平均電流。2.最高反向工作電壓URM

保證二極管不被擊穿允許加的最大反向電壓。3.最大反向飽和電流IR

室溫下，二極管加最高反向電壓時的反向電流，與溫度有關。返回例1、如圖，當E＝5V時，I＝5mA，則E=10V，I＝（）

A.I＝10mAB.I>10mAC.I＜10mAD.不確定EVDIB返回O

例2、如圖，E＝5V，二極管正向壓降忽略不計，畫出

uo波形。EVDuiuo10ui/Vωtui<EVD截止

uo=Eui>EVD導通

uo=ui5uoωt5

利用二極管的單向導電性可對輸出信號起限幅作用。返回O

例3、如圖，E＝6V，二極管正向壓降忽略不計，畫出uo波形。EVD1uiuo10ui/Vωt6EVD2R－6ui>E，VD1導通，VD2截止

uo=E=6V－E<ui<E

，VD1、VD2截止，

uo=uiuoωt解：ui<－E，

VD2導通，VD1截止

uo=－E=－6V6返回OO例4、二極管組成電路如圖，設二極管導通電壓為0.3V，試求輸出電壓UF。+3VUF－12VR0VVD1VD23V

>0>－12VVD1率先導通，

UF＝3V－0.3V＝2.7VVD2截止解：返回第三節(jié)特殊二極管

穩(wěn)壓管光敏二極管發(fā)光二極管返回

穩(wěn)壓管是一種特殊的二極管，具有穩(wěn)定電壓的作用。

穩(wěn)壓管工作于反向擊穿區(qū)。特點：電流變化大，電壓變化小。1.穩(wěn)壓原理穩(wěn)壓管：1）加正向電壓時等同于二極管。

2）加反向電壓時使其擊穿后穩(wěn)壓。I/mAU/V反向擊穿電壓VS返回一、穩(wěn)壓管O1)穩(wěn)定電壓UZ

正常工作下，穩(wěn)壓管兩端電壓。同一型號的穩(wěn)壓管分散性較大。

2)穩(wěn)定電流IZ

正常工作下的參考電流。大小由限流電阻決定。

3)動態(tài)電阻rZ

rZ=△U/△I

rZ越小，穩(wěn)壓效果越好。2.穩(wěn)壓管參數返回4)溫度系數αu

溫度改變1℃，穩(wěn)壓值改變的百分比。其值可正，可負。5)最大允許耗散功率PZM

管子不至于產生熱損壞時的最大功率損耗值叫做最大耗散功率。穩(wěn)壓管工作時，功耗超過PZM

，管子將會因熱擊穿而損壞。返回返回例1、如圖，已知UZ=10V，負載電壓UL（）（Ａ）5Ｖ（Ｂ）10Ｖ（Ｃ）15Ｖ（Ｄ）20ＶAVS20V15kΩ5kΩUL

穩(wěn)壓管的工作條件（１）必須工作在反向擊穿狀態(tài)。（２）電路中應有限流電阻，以保證反向電流不超過允許范圍。例2、已知ui=6sinωt，UZ=3V，畫輸出波形。VSuiuo6ui/Vωt3uoωt3返回OO例3、圖示電路中，穩(wěn)壓管VS1、VS2的穩(wěn)壓值分別為UZ1＝5V，UZ2＝7V，正向壓降為0.7Ｖ，若輸入電壓Ui波形如圖所示，試畫出輸出電壓波形。RRVS1VS2UiUoUit6V12V－2VUi經電阻分壓UR＝Ui/2

當UR<5V，VS1、VS2截止，Uo=UR7V>UR>5V，VS1反向導通，VS2截止，Uo=UZ1

UR<－0.7V，VS1、VS2正向導通，Uo=－0.7VUot3V5V－0.7V解：返回返回二、光敏二極管

光敏二極管(或稱光電二極管)是一種將光能轉換成電流的器件。

光敏二極管的PN結接受光線照射時，會像熱激發(fā)一樣，可以成對地產生大量的電子和空穴，使半導體中少子的濃度提高。這些載流子在反向偏置下可以產生漂移電流，使反向電流顯著增加。

反向電流的大小與光照強度成正比。VL返回三、發(fā)光二極管

發(fā)光二極管是一種將電能轉換為光能的半導體器件，簡稱為LED。

當LED正向導通時，由于電子與空穴的復合而以光的形式放出能量。

發(fā)光二極管的發(fā)光顏色取決于使用的材料。

發(fā)光二極管只能工作在正向偏置狀態(tài)，工作時電路中必須串接限流電阻。第四節(jié)晶體管

晶體管的基本結構和類型晶體管的電流分配和放大原理晶體管的特性曲線晶體管的主要參數溫度對晶體管特性和參數的影響返回一、晶體管的基本結構和類型基區(qū)集電區(qū)發(fā)射區(qū)基極集電極發(fā)射極集電結發(fā)射結NPN型VT返回PNP型特點：發(fā)射區(qū)參雜濃度很大，基區(qū)薄且濃度低，集電結體積大。VT返回二、晶體管的電流分配和放大原理１．放大條件（１）內部特點決定 發(fā)射區(qū)產生大量載流子;

基區(qū)傳送載流子;

集電區(qū)收集載流子。（２）外部條件 發(fā)射結正偏，集電結反偏。返回IEICIBRBRCEBECNNP發(fā)射區(qū)電子發(fā)射結正偏利于發(fā)射區(qū)發(fā)射電子基區(qū)集電結反偏利于集電區(qū)收集電子

集電區(qū)2.電流分配返回少子的移動IBRBEBICRCECIE基極電流很小的變化，將引起集電極電流一個很大的變化。直流放大系數交流放大系數返回1.輸入特性曲線

三、晶體管特性曲線IB＝f(UBE)︳UCE=常數

IB/μAUBE/VUCE=0UCE≥1

發(fā)射結、集電結正偏，兩個二極管正向并聯。

集電結反偏，IB減小UCE>1IB變化很小，與UCE=1曲線重合。返回O2．輸出特性曲線飽和區(qū)截止區(qū)放大區(qū)

截止區(qū)IB≈0，IC≈0，UBE≤0發(fā)射結反偏，集電結反偏。

放大區(qū)

IC＝βIB

發(fā)射結正偏，集電結反偏。

飽和區(qū)

UCE≤UBE

，發(fā)射結、集電結正偏。IC/mAUCE/VIB＝0IB＝20μAIB＝40μAIB＝60μAIB＝80μA返回O2．極間反向電流

ICBO：發(fā)射極開路，基極與集電極間的反向飽和電流，受溫度影響大。

ICEO：基極開路，集電極與發(fā)射極間的穿透電流。四、晶體管主要參數1．

放大倍數返回

集電極最大電流ICM

IC<ICM

集電極—發(fā)射極反向擊穿電壓UCEO

基極開路，加在集電極和發(fā)射極間的最大允許工作電壓。

UCE<UCEO

集電極最大允許功耗PCM

ICUCE<PCM3．極限參數返回五、溫度對晶體管的影響溫度對ICEO、ICBO的影響

ICEO、ICBO隨溫度上升急劇增加，溫度每升高10℃，ICBO約增加一倍。溫度對鍺管的影響比較大。溫度對β

的影響溫度增加，β

隨之增加。3.溫度對UBE

的影響溫度增加，UBE

隨之減少。返回例1：由晶體管各管腳電位判定晶體管屬性（1）

A:1VB：0.3VC:3V（2）A:－0.2VB:0VC:－3V如何區(qū)分硅管和鍺管如何區(qū)分NPN、PNP管如何區(qū)分三個極A.︱UBE︳≈0.2V(鍺管）

︱UBE︳≈0.7V(硅管）B.步驟：1.區(qū)分硅管、鍺管，并確定C極（以相近兩個電極的電壓差為依據，

UBE硅＝0.7V／UBE鍺＝0.2V～0.3V）

2.區(qū)分NPN、PNP管（NPN：VC最高

，PNP：VC最低

）

3.區(qū)分三極（NPN：VC>VB>VE

PNP：VC<UB<VE）解：（1）硅管、NPN管A：基極；B:發(fā)射極；C:集電極（2）鍺管、PNP管A:基極；B:發(fā)射極；C:集電極返回例2：有三只晶體管，分別為鍺管β＝150，ICBO＝2μA；硅管β＝100，ICBO＝1μA；硅管β＝40，ICEO＝41μA；試從β和溫度穩(wěn)定性選擇一只最佳的管子。解：

β

值大，但ICBO也大，溫度穩(wěn)定性較差；β值較大，ICBO＝1μA，ICEO＝101μA；β

值較小，ICEO＝41μA，ICBO＝1μA。、ICBO相等，但的β

較大，故較好。返回第五節(jié)場效應晶體管N溝道增強型MOS管

N溝道耗盡型MOS管

MOS管的主要參數及使用注意事項返回返回場效應晶體管是用輸入回路的電場效應來控制半導體中的多數載流子，使流過半導體內的電流大小隨電場強弱而變化，形成電壓控制其導電的一種半導體器件。與晶體管相比場效應晶體管更易于集成。場效應晶體管有兩種:N溝道P溝道耗盡型增強型結型場效應晶體管絕緣柵型場效應晶體管返回PN＋N＋GSDN區(qū)SiO2絕緣層源極柵極漏極金屬鋁P型襯底GSDBB一、N溝道增強型MOS管返回IDmAUDSUGSGSDRD

特性曲線UGS＝0，ID＝0UGS>開啟電壓形成導電溝道ID隨UGS的增加而增大漏極特性曲線可變電阻區(qū)夾斷區(qū)恒流區(qū)ID/mAUDS/VUGS＝2VUGS＝5VUGS＝6V場效應管是一種電壓控制電流的器件OV返回轉移特性曲線IDUGSUGS（th）開啟電壓

固定一個UDS，ID和UGS的關系曲線，稱為轉移特性曲線。IDO是UGS(th)/2時的ID值

在一定的漏－源電壓UDS下，使管子由不導通變?yōu)閷ǖ呐R界柵源電壓稱為開啟電壓UGS(th）。O返回二、N溝道耗盡型MOS管PN+N+GSDGSDBB＋＋＋＋N型溝道

耗盡型管子的柵源電壓，在一定范圍內正、負值均可控制漏極電流的大小。耗盡型場效應管在制造時導電溝道就已形成返回

特性曲線ID(mA)UDS(V)UGS＝－0.8VUGS＝0VUGS＝0.2VOUGS（off）IDUGS夾斷電壓漏極特性曲線轉移特性曲線

當UGS達到一定負值時，N型導電溝道消失，ID=0，稱場效應晶體管處于夾斷狀態(tài)。O返回三、MOS管的主要參數及使用注意事項1．直流參數

開啟電壓UGS（th）：在UDS為某一固定值時，形成ID所需要的最小|UGS|值。夾斷電壓UGS（off）：在UDS為某一固定值時，使ID為某一微小電流（便于測量）所需要的UGS值。飽和漏電流IDSS：指在UGS＝0、UDS＝10V時，使管子出現預夾斷時的漏極電流。直流輸入電阻RGS（DC）：柵源電壓和柵極電流的比值，一般大于109Ω。返回2．極限參數

最大漏極電流IDM：管子在工作時允許的最大漏極電流。最大耗散功率PDM：決定管子溫升的參數。如超過PDM時，管子因過熱而損壞或引起性能變壞。漏源擊穿電壓U（BR）DS：指在UDS增大過程中，使ID出現急劇增加的電壓。柵源擊穿電壓U（BR）GS：絕緣層擊穿電壓。管子擊穿后將出現短路，使管子損壞。返回3．交流參數

低頻跨導gm：在UGS為某一固定值時，ID的微小變化量和引起它變化的UGS微小變化量之間的比值，單位為西門子（S）

極間電容:場效應晶體管的三個極之間均存在電容。通常柵源電容CGS和柵漏電容CGD約為1~3pF，而漏源電容CDS約為0.1~1pF。返回4.使用注意事項

管子保存和使用不當時，感應電壓過高極易造成管子擊穿。

存放時應使三個電極短接。在焊接時，烙鐵要有良好接地。第六節(jié)晶閘管

基本結構工作原理

伏安特性主要參數返回返回

晶閘管又稱可控硅（SCR)（SiliconControlledRectifier）是一種大功率半導體器件，它的出現使半導體器件由弱電領域擴展到強電領域。晶閘管具有體積小、重量輕、無噪聲、壽命長、容量大（正向平均電流達千安、正向耐壓達數千伏）等特點。返回螺旋式結構平板式結構返回一、基本結構P1P2N1N2四層半導體K（陰極）G（控制極）A（陽極）三個PN結AKG符號晶閘管不導通

無論控制極G與陰極K之間是否加有電壓，晶閘管均不能導通。返回二、工作原理P1P2N