城市軌道交通電工電子技術(shù) 第2版 課件 項目五 半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)知識

項目五半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)知識課題一PN結(jié)學(xué)習(xí)導(dǎo)入半導(dǎo)體是導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的一種物體。半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力會隨溫度、光照及所摻雜質(zhì)不同而顯著變化。以二極管和三極管為主的半導(dǎo)體器件是構(gòu)成電子電路的主要部件，它的特點是體積小、重量輕，使用壽命長，可靠性高等等。在現(xiàn)代電子技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。本章將主要介紹PN結(jié)的原理，二極管、三極管的結(jié)構(gòu)和特性，擴展介紹一部分場效應(yīng)管的原理。學(xué)習(xí)目標(biāo)1.知識目標(biāo)：（1）了解半導(dǎo)體的基本知識和分類。（2）掌握PN結(jié)的形成過程和單向?qū)щ娦?。?）掌握二極管的特性曲線和工作特點。（4）掌握三極管的電流分配、放大作用和三種工作狀態(tài)。（5）掌握場效應(yīng)管的原理和結(jié)構(gòu)。2.能力目標(biāo)：

（1）掌握二極管、三極管的結(jié)構(gòu)和分類。（2）會根據(jù)已知條件分析三極管的類型和工作狀態(tài)。（3）掌握二極管和三極管的常見參數(shù)及計算。（4）掌握絕緣柵型場效應(yīng)管的特性曲線分析及參數(shù)計算。一、半導(dǎo)體基本知識

半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理不同于其它物質(zhì)，所以它具有不同于其它物質(zhì)的特點。例如：1）熱敏性：當(dāng)受外界熱的作用時，它的導(dǎo)電能力明顯變化的特性。根據(jù)熱敏性特點，通?？梢宰龀蔁崦粼鐭崦綦娮璧鹊?。2）光敏性：當(dāng)受外界光的作用時，它的導(dǎo)電能力明顯變化的特性。根據(jù)光敏性可以做成光電二極管、光敏電阻等等。

3）摻雜性：往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會使它的導(dǎo)電能力明顯改變。根據(jù)這種特性可以做成二極管、三極管和場效應(yīng)管等等。

一、半導(dǎo)體基本知識

半導(dǎo)體材料一般可以分為本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體兩類。1．本征半導(dǎo)體完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體就叫做本征半導(dǎo)體。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。一、半導(dǎo)體基本知識

2．雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中參入微量的雜質(zhì)形成的半導(dǎo)體叫做雜質(zhì)半導(dǎo)體。根據(jù)參雜元素的性質(zhì)，雜質(zhì)半導(dǎo)體分為P型（空穴型）半導(dǎo)體和N型（電子型）半導(dǎo)體。由于參雜的影響，會使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著的改變。（a）P型半導(dǎo)體

（b）N型半導(dǎo)體圖5-2雜質(zhì)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)二、PN結(jié)

1．PN結(jié)的形成

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)過載流子的擴散，在它們的交界面處就形成了PN結(jié)。

PN結(jié)中存在著兩種載流子的運動。一種是多子克服電場的阻力的擴散運動；另一種是少子在內(nèi)電場的作用下產(chǎn)生的漂移運動。因此，只有當(dāng)擴散運動與漂移運動達(dá)到動態(tài)平衡時，空間電荷區(qū)的寬度和內(nèi)建電場才能相對穩(wěn)定。

二、PN結(jié)

2．PN結(jié)的單向?qū)щ娦援?dāng)外加電壓使PN結(jié)中P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；反之稱為加反向電壓，簡稱反偏。

1）PN結(jié)加正向電壓PN結(jié)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)導(dǎo)通。其示意圖如圖5-4所示。二、PN結(jié)

2）PN結(jié)加反向電壓

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，PN結(jié)截止。其示意圖如圖5-5所示。

綜上所述，PN結(jié)加正向電壓（正偏）時導(dǎo)通；加反向電壓（反偏）時截止的特性，稱為PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴?/p>

謝謝觀賞！項目五半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)知識課題二半導(dǎo)體二極管學(xué)習(xí)導(dǎo)入二極管是由半導(dǎo)體制成的。二極管是由一個PN結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件，將一個PN結(jié)加上兩條電極引線做成管芯，并用管殼封裝而成。二極管和三極管為主的半導(dǎo)體器件是構(gòu)成電子電路的主要部件，在生活中應(yīng)用非常廣泛。本節(jié)主要介紹二極管的外形、結(jié)構(gòu)與符號，二極管的特性及特性曲線，擴展介紹一些特殊二極管的性能。一、二極管的外形、結(jié)構(gòu)與符號

二極管的外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖和符號如下圖5-6所示。

（a）外形（b）內(nèi)部（c）符號

圖5-6二極管一、二極管的外形、結(jié)構(gòu)與符號

半導(dǎo)體按所用半導(dǎo)體材料可分為硅二極管和鍺二極管，，它們的正向?qū)妷海≒N結(jié)電壓）差別較大，鍺管為0.2~0.3V，硅管為0.6~0.7V。；按用途分類可分為普通二極管和特殊二極管，特殊二極管主要包括穩(wěn)壓二極管、發(fā)光二極管、變?nèi)荻O管等，通常所說的二極管是指普通二極管。按內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為點接觸型、面接觸型和平面型二極管三類。二、二極管的特性曲線

1．正向偏置與導(dǎo)通狀態(tài)

二極管正向電流、電壓關(guān)系實驗電路如圖5-7（a）所示，二極管陽極接電源正極，二極管陰極接電源負(fù)極，二極管處于正向偏置狀態(tài)，根據(jù)PN結(jié)的單向?qū)щ娦钥芍O管內(nèi)的PN結(jié)呈導(dǎo)通狀態(tài)，電路中燈泡處于亮燈狀態(tài)。下面具體分析導(dǎo)通過程。

圖5-7二極管正向偏置導(dǎo)通與電流、電壓的關(guān)系特性

二、二極管的特性曲線

1）二極管VD兩端正向電壓小于0.5V時，電路中幾乎沒有電流，對應(yīng)的電壓稱為二極管的死區(qū)電壓或閾值電壓。死區(qū)電壓的大小與二極管的材料及溫度等因素有關(guān)。在室溫情況下，硅管的死區(qū)電壓約為0.5V，鍺管約為0.2V。2）當(dāng)二極管兩端正向電壓大于0.5V后，二極管呈現(xiàn)電阻很小，電路中電流迅速增加，二極管正向?qū)ā?）隨著二極管電流增大，二極管VD兩端電壓維持在0.6V~0.7V之間不再增加（硅管約為0.6V~0.7V，鍺管約為0.2V~0.3V）。

二、二極管的特性曲線

2．反向偏置與截止?fàn)顟B(tài)二極管的反向電流、電壓關(guān)系實驗電路如圖5-8（a）所示，二極管陽極接電源負(fù)極，二極管陰極接電源正極，二極管反向偏置。根據(jù)PN結(jié)的單向?qū)щ娦钥芍O管內(nèi)的PN結(jié)呈截止?fàn)顟B(tài)，電路中燈泡處于滅燈狀態(tài)。

圖5-8二極管反向偏置截止與電流、電壓關(guān)系特性二、二極管的特性曲線

1）二極管加反向電壓時，當(dāng)反向電壓不超過一定范圍，反向電流十分微小并隨電壓增加而基本不變。這個電流稱為反向飽和電流，通?？梢院雎圆挥?。2）當(dāng)反向電壓增加到一定數(shù)值時，反向電流將急劇增加，稱為反向擊穿，此時二極管失去單向?qū)щ娦?，二極管損壞，這種狀態(tài)屬于不可逆的。此時的電壓稱為反向擊穿電壓。綜上所述，二極管具有在正向電壓導(dǎo)通，反向電壓截止的特性，同PN結(jié)相同，這個特性稱為二極管的單向?qū)щ娦浴?/p>

二、二極管的特性曲線

3．二極管的主要參數(shù)二極管的參數(shù)是選擇和使用二極管的依據(jù)。主要參數(shù)有：1）最大整流電流：二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向電流。在規(guī)定的散熱條件下，二極管的正向平均電流不能超過此值。：指保證二極管不被擊穿所允許施加的最大反向電壓。若查過此值，二極管可能會被擊穿。通常URM的數(shù)值為反向擊穿電壓的一半。：指二極管在常溫下加最大反向工作電壓而未擊穿時的反向電流。反向電流越小，二極最高工作頻率是指允許加在二極管兩端的交流電壓最高頻率。2）最大反向工作電壓3）最大反向電流管的單相導(dǎo)電性能越好。它受溫度影響很大，溫度越高，電流數(shù)值越大。4）最高工作頻率一、二極管的外形、結(jié)構(gòu)與符號

4．溫度對二極管伏安特性的影響二極管是溫度的敏感器件，溫度的變化對其伏安特性的影響主要表現(xiàn)為：隨著溫度的升高，其正向特性曲線左移，即正向壓降減小；反向特性曲線下移，即反向電流增大。

綜上所述，二極管的伏安特性具有以下特點：1）二極管具有單向?qū)щ娦裕?）二極管的伏安特性具有非線性；3）二極管的伏安特性與溫度有關(guān)。三、特殊二極管

1．穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓管是一種特殊的面接觸型硅二極管。穩(wěn)壓二極管是利用PN結(jié)反向擊穿特性所表現(xiàn)出的穩(wěn)壓性能制成的器件。穩(wěn)壓二極管也稱齊納二極管或反向擊穿二極管，在電路中起穩(wěn)定電壓作用。其擊穿后的特性曲線很陡，這就說明流過穩(wěn)壓管的反向電流在很大范圍內(nèi)(從幾毫安到幾十甚至上百毫安)變化時，管子兩端的電壓基本不變，穩(wěn)壓管在電路中能起穩(wěn)壓作用，正是利用了這一特性。穩(wěn)壓管的反向擊穿是可逆的，這一點與一般二極管不一樣。只要去掉反向電壓，穩(wěn)壓管就會恢復(fù)正常。它既具有普通二極管的單向?qū)щ娞匦?，又可工作于反向擊穿狀態(tài)。

三、特殊二極管

2．發(fā)光二極管發(fā)光二極管（LED）是一種由磷化鎵（GaP）等半導(dǎo)體材料制成的、能直接將電能轉(zhuǎn)變成光能的發(fā)光顯示器件。當(dāng)其內(nèi)部有一定電流通過時，它就會發(fā)光。圖5-11是發(fā)光二極管電路符號。圖5-11發(fā)光二極管的電路符號發(fā)光二極管也與普通二極管一樣由PN結(jié)構(gòu)成，也具有單向?qū)щ娦?。它廣泛應(yīng)用于各種電子電路、家電、儀表等設(shè)備中、作電源指示或電平指示。謝謝觀賞！項目五半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)知識課題三半導(dǎo)體三極管學(xué)習(xí)導(dǎo)入本節(jié)內(nèi)容將主要介紹三極管的結(jié)構(gòu)和分類，介紹了三極管的放大原理，分析了三極管的特性曲線，介紹了常用參數(shù)。一、三極管的結(jié)構(gòu)和分類

半導(dǎo)體三極管又稱晶體三極管或雙極型晶體管，簡稱晶體管。三極管的外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖和符號如圖5-12所示，符號中的箭頭方向表示發(fā)射結(jié)正向偏置時的電流方向。分為NPN型管和PNP型管。

（b）NPN管結(jié)構(gòu)和符號

（c）PNP管結(jié)構(gòu)和符號圖5-12三極管

二、三極管的電流分配和放大原理

三極管放大作用可按圖5-13連接電路，實驗電路為共發(fā)射極放大電路。

在作用下，發(fā)射結(jié)正向偏置（即基極電位高于發(fā)射極電位）。作用下，集電結(jié)反向偏置（即集電極電位高于基極電位）。在集電極回路電源

二、三極管的電流分配和放大原理

調(diào)節(jié)電阻。將實驗數(shù)據(jù)計入表格內(nèi)，得到實驗數(shù)據(jù)：00.020.040.060.080.10＜0.010.701.502.303.103.95＜0.010.721.542.363.184.05

二、三極管的電流分配和放大原理

1）變化（增大或減少），和都會隨之相應(yīng)的變化（增大或減少）。2），且。3）和的比值基本為一常數(shù)，稱為三極管的電流放大系數(shù)，用字母表示。4）發(fā)射結(jié)電壓在0.5V以下時，，這種情況下三極管處于截止?fàn)顟B(tài)。5）基極電流增加到一定數(shù)值時，就會發(fā)現(xiàn)集電極電流基本不隨基極電流增大而增大。這種情況下三極管處于飽和狀態(tài)。

三、三極管的特性曲線

三極管的特性曲線能反映三極管的性能，是分析放大電路的重要依據(jù)。三極管的特性曲線分為輸入特性曲線和輸出特性曲線。下面還以共發(fā)射極放大電路為例來介紹三極管的特性曲線。

1．輸入特性曲線

圖5-14三極管輸入特性曲線輸入特性是指當(dāng)集電極與發(fā)射極之間的電壓為某一常數(shù)時，輸入回路中加在BJT基極與基極電流之間的關(guān)系曲線。與發(fā)射極之間的電壓

2）放大區(qū)

三、三極管的特性曲線

2．三極管輸出特性曲線圖5-15三極管輸出特性曲線1）截止區(qū)

發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)也反向偏置。

發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置。

3）飽和區(qū)

發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均處于正向偏置。

4）擊穿區(qū)

當(dāng)大于某一值后，開始劇增，這個現(xiàn)象稱為一次擊穿。一次擊穿過程是可逆的。

四、三極管的主要參數(shù)

1．電流放大倍數(shù)1）共發(fā)射極直流電流放大倍數(shù)

2）共發(fā)射極交流電流放大倍數(shù)2．極間反向電流1）集電極—基極反向飽和電流2）集電極—發(fā)射極穿透電流3．極限參數(shù)1）集電極最大允許電流2）集電極－發(fā)射極反向擊穿電壓

3）發(fā)射極－基極反向擊穿電壓

4）集電極最大允許功耗

謝謝觀賞！項目五半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)知識課題四場效應(yīng)管學(xué)習(xí)導(dǎo)入場效應(yīng)晶體管（FieldEffectTransistor縮寫（FET））簡稱場效應(yīng)管。一般的晶體管是由兩種極性的載流子，即多數(shù)載流子和反極性的少數(shù)載流子參與導(dǎo)電，因此稱為雙極型晶體管，而FET僅是由多數(shù)載流子參與導(dǎo)電，它與雙極型相反，也稱為單極型晶體管。場效應(yīng)管可分為結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）和絕緣柵型場效應(yīng)管（MOS管）。本節(jié)將對場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)、原理進(jìn)行介紹。

一、場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)

按溝道半導(dǎo)體材料的不同，結(jié)型和絕緣柵型各分N溝道和P溝道兩種。若按導(dǎo)電方式來劃分，場效應(yīng)管又可分成耗盡型與增強型，我們稱在正常情況下導(dǎo)通的為耗盡型場效應(yīng)管，正常情況下斷開的為增強性場效應(yīng)管。結(jié)型場效應(yīng)管均為耗盡型，絕緣柵型場效應(yīng)管既有耗盡型的，也有增強型的。由于MOS管使用更廣泛，發(fā)展更快，所以本課題按MOS管來展開介紹。

一、場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)

1．N溝道增強型MOS管的結(jié)構(gòu)原理MOS管以一塊摻雜濃度較低的P型硅片做襯底，在襯底上通過擴散工藝形成兩個高摻雜的N型區(qū)，并引出兩個極作為源極S和漏極D；在P型硅表面制作一層很薄的二氧化硅（SiO2）絕緣層，在二氧化硅表面再噴上一層金屬鋁，引出柵極G。這種場效應(yīng)管柵極、源極、漏極之間都是絕緣的，所以稱之為絕緣柵場效應(yīng)管。如圖5-16所示：.圖5-16增強型MOS結(jié)構(gòu)圖一、場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)

絕緣柵場效應(yīng)管的圖形符號如圖5-17（a）、(b)所示，箭頭方向表示溝道類型，箭頭指向管內(nèi)表示為N溝道MOS管(圖(a))，否則為P溝道MOS管(圖(b))。圖5-17增強型MOS管結(jié)構(gòu)和符號一、場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)

2．N溝道耗盡型MOS管的結(jié)構(gòu)原理N溝道耗盡型MOS管的結(jié)構(gòu)如圖5-18（a）所示，圖形符號如圖5-18（b）所示，同樣道理，如果是P溝道的話，那么圖形符號中的箭頭向右即可。圖5-18耗盡型MOS管的結(jié)構(gòu)和符號二、MOS管的工作原理

1．N溝道增強型MOS管的工作原理

工作時柵源之間加正向電源電壓，漏源之間加正向電源電壓并且源極與襯底連接,襯底是電路中最低的電位點。當(dāng)時，漏極與源極之間沒有原始的導(dǎo)電溝道，漏極電流。。當(dāng)時，柵極與襯底之間產(chǎn)生了一個垂直于半導(dǎo)體表面、由柵極G指向襯底的電場。二、MOS管的工作原理

當(dāng)時，增大、電場增強、溝道變寬、溝道電阻減小、增大；反之，減小，溝道變窄，溝道電阻增大，減小。所以改變的大小，就可以控制溝道電阻的大小，從而達(dá)到控制電流的大小，隨著的增強，導(dǎo)電性能也跟著增強，故稱之為增強型。二、MOS管的工作原理

2．N溝道耗盡型MOS管的工作原理

N溝道耗盡型MOS管在制造時，在二氧化硅絕緣層中摻入了大量的正離子，這些正離子的存在，使得時，就有垂直電場進(jìn)入半導(dǎo)體，并吸引自由電子到半導(dǎo)體的表層而形成N型導(dǎo)電溝道。如果在柵源之間加負(fù)電壓，所產(chǎn)生的外電場就會削弱正離子所產(chǎn)生的電場，減小;反之，電流增加。故這種管子的柵源電壓可以是正的，也可以是負(fù)的。改變，就可以改變溝道的寬窄，從而控制漏極電流。使得溝道變窄，電流三、特性曲線

1．N溝道增強型MOS管的特性曲線1）轉(zhuǎn)移特性曲線為

其中為常數(shù)。

圖5-20轉(zhuǎn)移特性曲線三、特性曲線

2）輸出特性曲線為其中為常數(shù)。圖5-21輸出特性曲線三、特性曲線

2．N溝道耗盡型MOS管的特性曲線1）轉(zhuǎn)移特性曲線。

N溝道耗盡型MOS管的轉(zhuǎn)移特性曲線如圖5-22所示。從圖中可以看出，這種MOS管可正可負(fù)，且柵源電壓為零時，靈活性較大。三、特性曲線

2）輸出特性曲線。N溝道耗盡型MOS管的輸出特性曲線如圖5-23所示，曲線可分為可變電阻區(qū)、恒流區(qū)（放大區(qū)）、截止區(qū)。圖5-23輸出特性曲線

謝謝觀賞！項目五半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)知識項目實施任務(wù)

二極管和三極管的識別與檢測

一、任務(wù)目標(biāo)1.熟悉晶體二極管、三極管的外形。

2.掌握用萬用表判別二極管和三極管的極性及其性能的好壞。

任務(wù)

二極管和三極管的識別與檢測

序號名稱型號數(shù)量1萬用表VC890D1件2二極管不同類型若干3三極管不同類型若干二、器材工具任務(wù)

二極管和三極管的識別與檢測

三、任務(wù)實施

1.利用萬用表測試晶體二極管（1）鑒別正負(fù)極性將萬用表歐姆檔的量程撥到或檔，圖5-26實驗圖并將兩表筆分別接到二極管的兩端如圖所示，即紅表筆接二極管的負(fù)極，而黑表筆接二極管的正極，則二極管處于正向偏置狀態(tài)，因而呈現(xiàn)出低電阻，此時萬用表指示的電阻通常小于幾千歐。反之，若將紅表筆接二極管的正極，而黑表筆接二極管的負(fù)極，則二極管被反向偏置，此時萬用表指示的電阻值將達(dá)幾百千歐。任務(wù)

二極管和三極管的識別與檢測

（2）測試性能將萬用表的黑表筆接二極管正極，紅表筆接二極管負(fù)極，可測得二極管的正向電阻，此電阻值一般在幾千歐以下為好。通常要求二極管的正向電阻愈小愈好。將紅表筆接二極管正極，黑表筆接二極管負(fù)極，可測出反向電阻。一般要求二極管的反向電阻應(yīng)大于二百千歐以上。若反向電阻太小，則二極管失去單向?qū)щ娮饔?。如果正、反向電阻都為無窮大，表明管子已斷路；反之，二者都為零，表明管子短路。任務(wù)