《電工電子技術(shù)簡明教程》 課件 12 半導(dǎo)體電子元件的認識與應(yīng)用

知識目標(biāo)與技能目標(biāo)1、學(xué)習(xí)二極管、三極管和集成電路的種類、作用與標(biāo)識方法，了解二極管、三極管和集成電路的主要參數(shù)。2、能用目視法判斷識別常見二極管、三極管和集成電路的種類，能正確叫出各種器件的名稱。3、會用萬用表對各種二極管、三極管進行正確測量，并對其質(zhì)量做出評價。4、了解不同類型集成電路的作用。返回主目錄項目5半導(dǎo)體電子元件的認識與應(yīng)用

知識要點一、本征半導(dǎo)體純凈的半導(dǎo)體被稱為本征半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體需要用復(fù)雜的工藝和技術(shù)才能制造出來，半導(dǎo)體器件的制造首先要有本征半導(dǎo)體，這也是半導(dǎo)體材料沒有導(dǎo)體和絕緣體材料應(yīng)用早的原因。目前用于制造半導(dǎo)體器件的材料主要有硅（Si）、鍺(Ge)、砷化鎵(GaAs)、碳化硅(SiC)和磷化銦(InP)等，其中以硅和鍺最為常用。硅和鍺都是四價元素。1．本征半導(dǎo)體中的兩種載流子—電子和空穴在室溫下，本征半導(dǎo)體中的少數(shù)價電子因受熱而獲得能量，擺脫原子核的束縛，從共價鍵中掙脫出來，成為自由電子。與此同時，失去價電子的硅或鍺原子在該共價鍵上留下了一個空位，這個空位稱為空穴。電子與空穴是成對出現(xiàn)的，所以稱為電子-空穴對。在室溫下，本征半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的電子-空穴對數(shù)目很少。當(dāng)本征半導(dǎo)體處在外界電場中，其內(nèi)部自由電子逆外電場方向作定向運動，形成漂移電子流；空穴順外電場方向作定向運動，形成漂移空穴流。自由電子帶負電荷，空穴帶正電荷，它們都對形成電流做出貢獻，因此稱自由電子為電子載流子，稱空穴為空穴載流子。本征半導(dǎo)體在外電場的作用下，其電流為電子流與空穴流之和。2．本征半導(dǎo)體的熱敏特性和光敏特性實驗發(fā)現(xiàn)，本征半導(dǎo)體受熱或光照后其導(dǎo)電能力大大增強。當(dāng)溫度升高或光照增強時，本征半導(dǎo)體內(nèi)的原子運動加劇，有較多的電子獲得能量成為自由電子，即電子-空穴對增多，所以本征半導(dǎo)體中電子-空穴對的數(shù)目與溫度或光照有密切關(guān)系。溫度越高或光照越強，本征半導(dǎo)體內(nèi)的載流子數(shù)目越多，導(dǎo)電性能越強，這就是本征半導(dǎo)體的熱敏特性和光敏特性。利用這種特性就可以做成各種熱敏元件和光敏元件，在自動控制系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用。3．本征半導(dǎo)體的摻雜特性實驗發(fā)現(xiàn)，在本征半導(dǎo)體中摻入微量的其他元素，會使其導(dǎo)電能力大大加強。例如，在硅本征半導(dǎo)體中摻入百萬分之一的其它元素，它的導(dǎo)電能力就會增加一百萬倍。這就是半導(dǎo)體的摻雜特性。摻入的微量元素稱為雜質(zhì)，摻入雜質(zhì)后的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體有P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體兩大類。(1)P型半導(dǎo)體如果在本征半導(dǎo)體中摻入三價元素，如硼（B）、銦（Iｎ）等，在半導(dǎo)體內(nèi)就產(chǎn)生了大量空穴，這種半導(dǎo)體叫做P型半導(dǎo)體。在P型半導(dǎo)體中，空穴是多數(shù)載流子，簡稱“多子”，電子是少數(shù)載流子，簡稱“少子”。但整個P型半導(dǎo)體是呈現(xiàn)電中性的。P型半導(dǎo)體在外界電場作用下，空穴電流遠大于少子電流。P型半導(dǎo)體是以空穴導(dǎo)電為主的半導(dǎo)體，所以它又稱為空穴型半導(dǎo)體。(2)N型半導(dǎo)體如果在本征半導(dǎo)體中摻入微量五價元素，如磷（P），砷（As）等，在半導(dǎo)體內(nèi)會產(chǎn)生許多自由電子，這種半導(dǎo)體叫做Ｎ型半導(dǎo)體。在N型半導(dǎo)體中，電子載流子數(shù)遠大于空穴數(shù)，所以電子是N型半導(dǎo)體中的多子，空穴是N型半導(dǎo)體中的少子。但整個N型半導(dǎo)體是呈現(xiàn)電中性的。N型半導(dǎo)體在外界電場作用下，電子電流遠大于空穴電流。N型半導(dǎo)體是以電子導(dǎo)電為主的半導(dǎo)體，所以它又稱為電子型半導(dǎo)體。半導(dǎo)體中多子的濃度取決于摻入雜質(zhì)的多少，少子的濃度與溫度有密切的關(guān)系。二、PN結(jié)單純的一塊P型半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體，只能作為一個電阻元件來使用。但是如果把P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體通過一定的制作工藝結(jié)合起來就形成了PN結(jié)。PN結(jié)是構(gòu)成半導(dǎo)體二極管、半導(dǎo)體三極管、晶閘管、集成電路等眾多半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。1．PN結(jié)的形成在一塊完整的本征硅（或鍺）片上，用不同的摻雜工藝使其一邊形成N型半導(dǎo)體，另一邊形成P型半導(dǎo)體，在這兩種雜質(zhì)半導(dǎo)體的交界面附近就會形成一個具有特殊性質(zhì)的薄層，這個特殊的薄層就是PN結(jié)。如圖12.1所示。

圖12.1PN結(jié)的形成2.PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦?/p>

如圖12.2所示，是演示PN結(jié)單向?qū)щ娞匦缘膶嶒炿娐穲D。圖12.2（a）PN結(jié)加正向電壓燈泡亮圖12.2（b）PN結(jié)加反向電壓燈泡不亮在PN結(jié)上加正向偏置在PN結(jié)兩端加上電壓，稱為給PN結(jié)偏置。如果將P區(qū)接電源的正極，N區(qū)接電源的負極，稱為加正向偏置，簡稱正偏，如圖12.2（a）所示。實驗表明：此時在電路中形成較大的電流，電流由P區(qū)流向N區(qū)，PN結(jié)呈現(xiàn)導(dǎo)通狀態(tài)，電燈泡發(fā)出亮光。這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)的正向?qū)?。PN結(jié)加反向偏置如果將P區(qū)接電源的負極，N區(qū)接電源的正極，則稱為加反向偏置，簡稱反偏，如圖12.2（b）所示所示。實驗表明：此時在電路中只有很小很小的電流，PN結(jié)呈現(xiàn)截止?fàn)顟B(tài)，電燈泡不發(fā)出亮光，這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反偏截止。結(jié)論：PN結(jié)加正向電壓時導(dǎo)通，PN結(jié)加反向電壓時截止，所以PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴Ｈ?、二極管及其應(yīng)用在PN結(jié)的兩端引出金屬電極，外加玻璃、金屬或用塑料封裝，就做成了半導(dǎo)體二極管。二極管的結(jié)構(gòu)和圖形符號由于使用的用途不同，二極管的外形各異，幾種常見的二極管外形和通用圖形符號如圖12.3所示。圖12.3

常見二極管的外形和通用符號二極管的結(jié)構(gòu)按PN結(jié)的制造工藝方式可分為點接觸型、面接觸型和平面型幾種。點接觸型二極管PN結(jié)的接觸面積小，不能通過很大的正向電流和承受較高的反向電壓，但它的高頻性能好，適宜于在高頻檢波電路和小功率電路中使用；面接觸型二極管PN結(jié)的接觸面積大，可以通過較大電流，能承受較高的反向電壓，適宜于在整流電路中使用。平面型二極管適宜用作大功率開關(guān)管，在數(shù)字電路中有廣泛的應(yīng)用。二極管結(jié)構(gòu)的示意圖和外形如圖12.4所示。圖12.4

二極管結(jié)構(gòu)的示意圖2.二極管的電極和文字符號二極管有兩個電極，由P區(qū)引出的電極是正極，由N區(qū)引出的電極是負極。在二極管符號中的三角箭頭方向表示二極管中正向電流的方向，正向電流只能從二極管的正極流入，從負極流出。二極管的文字符號在國際標(biāo)準(zhǔn)中用VD表示。3.二極管的伏安特性二極管的主要特點是單向?qū)щ娦?，可以通過實驗來認識二極管兩端的電壓和流過二極管電流的關(guān)系。由實驗所得到的一組數(shù)據(jù)，見表12.1所示。表12.12CP31型二極管的實驗數(shù)據(jù)(加正向電壓時)電壓(mV)000100500550600650700750800電流（mA）000000000010060085100180300電壓（V）0―1―2―6―9―12―12.5―12.8―13.0電流（μA）00010．010.010.010.025.040.01503002CP31型二極管的實驗數(shù)據(jù)(加反向電壓時)將實驗數(shù)據(jù)在坐標(biāo)紙上標(biāo)出，并連成線，就得到了2CP31二極管的伏安特性曲線。伏安特性是表示二極管兩端的電壓和流過二極管電流之間的關(guān)系。如圖12.5所示，為標(biāo)準(zhǔn)硅二極管和鍺二極管的伏安特性曲線。圖12.5

二極管的伏安特性曲線（1）正向特性（二極管加正向電壓時的電流—電壓關(guān)系）OA段：當(dāng)外加正向電壓較小時，正向電流非常小，近似為零。在這個區(qū)域內(nèi)二極管實際上還沒有導(dǎo)通，二極管呈現(xiàn)的電阻很大，該區(qū)域常稱為“死區(qū)”。硅二極管的死區(qū)電壓約為0.5Ｖ，鍺管的死區(qū)電壓約為0.1Ｖ。過A點后：當(dāng)外加正向電壓超過死區(qū)電壓后，正向電流開始增加，但電流與電壓不成比例。當(dāng)正向電壓大于0.6Ｖ以后（對鍺二極管，此值約為0.2V），正向電流隨正向電壓增加而急速增大，基本上是線性關(guān)系。這時二極管呈現(xiàn)的電阻很小，可以認為二極管是處于充分導(dǎo)通狀態(tài)。在該區(qū)域內(nèi)，硅二極管的導(dǎo)通壓降約為0.7V，鍺二極管的導(dǎo)通壓降約為0.3V。但是流過二極管的正向電流需要加以限制，不能超過規(guī)定值，否則會使PN結(jié)過熱而燒壞二極管。(2)反向特性（二極管加反向電壓時的電流—電壓關(guān)系）OD段：在所加反向電壓下，反向電流的值很小，且?guī)缀醪浑S電壓的增加而增大，此電流值被叫做反向飽和電流。此時二極管呈現(xiàn)很高的電阻，近似處于截止?fàn)顟B(tài)。硅管的反向電流比鍺管的反向電流小，約在1μA以下，鍺管的反向電流達幾十微安甚至幾毫安以上。這也是現(xiàn)在硅管應(yīng)用比較多的原因之一。過D點以后：反向電壓稍有增大，反向電流就急劇增大，這種現(xiàn)象稱為反向擊穿。二極管發(fā)生反向擊穿時所加的電壓叫做反向擊穿電壓。一般的二極管是不允許工作在反向擊穿區(qū)的，因為這將導(dǎo)致PN結(jié)的反向?qū)ǘ蜗驅(qū)щ姷奶匦?。結(jié)論：二極管的伏安特性是非線性的，二極管是一種非線性元件。在外加電壓取不同值時，就可以使二極管工作在不同的區(qū)域。二極管的伏安特性對溫度很敏感。實驗發(fā)現(xiàn)，隨著溫度升高，二極管的正向壓降將減小，即二極管正向壓降有負的溫度系數(shù)，負溫度系數(shù)約為-2mV/℃左右；二極管的反向飽和電流隨溫度的升高而增加，溫度每升高10℃，二極管的反向電流約增加一倍。實驗還發(fā)現(xiàn)，二極管的反向擊穿電壓隨著溫度升高而降低。二極管的溫度特性對電路的穩(wěn)定是不利的，在實際應(yīng)用中要加以克服。但人們卻可以利用二極管的溫度特性，對溫度的變化進行檢測，從而實現(xiàn)對溫度的自動控制。5.二極管的實際應(yīng)用二極管是電子電路中最常用的器件。利用其單向?qū)щ娦约皩?dǎo)通時正向壓降很小的特點，可用來進行整流、檢波、對其它元件進行保護等，在數(shù)字電路中則將二極管當(dāng)做開關(guān)來使用。整流檢波限幅電子開關(guān)6.特殊二極管（1）穩(wěn)壓二極管（2）發(fā)光二極管（LED）（3）光電二極管（4）變?nèi)荻O管（5）激光二極管四、二極管橋式整流、電容濾波電路的測量凡是電子儀器，必須使用直流電才能工作。在生活中用到的許多家用電器，都是采取把交流電變成直流電再供給電路工作的。利用二極管的單向?qū)щ娦?，就可以把交流電變成直流電，供給電子儀器和許多家用電器使用。把單相交流電變成直流電的電路叫做單相整流電路。單相整流電路又有半波整流、全波整流、橋式整流和倍壓整流電路四種方式。電路連接電路連接如圖12.17所示。圖12.17

二極管橋式整流電容濾波的電路圖

2.各部分電路作用（1）變壓部分（2）整流部分（3）濾波部分【工程經(jīng)驗】在計算出電容器的容量和耐壓值后，還要遵從“系列取值、寧高勿低”的選取原則。即：在電容器的容量和額定耐壓上應(yīng)選取電容器的系列生產(chǎn)值，而不能單純按照計算值來選取。2.單相橋式整流電路橋式整流電路的組成(2)負載上直流電壓和電流的估算圖12.20橋式整流電路六、濾波電路單相半波和橋式整流電路的輸出電壓中都含有較大的脈動成分，除了在一些特殊場合（如電鍍、電解和充電電路）可以直接應(yīng)用外，不能作為電源為電子電路供電，必須得采取措施減小輸出電壓中的交流成分，使輸出電壓接近于理想的直流電壓，這種措施就是要采用濾波電路。構(gòu)成濾波器的主要元件是電容器和電感器。由于電容器和電感器對交流電和直流電呈現(xiàn)的電抗不同，如果把它們合理地安排在電路中，就可以達到減小交流成分，保留直流成分的目的，實現(xiàn)濾波的作用。常見的幾種濾波器如圖12.22所示。

圖12.22常見的幾種濾波器1.電容濾波電路電容濾波電路的特點是：輸出電壓高、脈動成分小、可提供的負載電流比較小。2.電感濾波電路圖12.23單相橋式整流電容濾波電路

圖12.25橋式整流電感濾波電路

電感濾波電路的特點是：輸出電壓低、脈動成分小、可提供的負載電流比較大。3.π型濾波電路圖12.27π型LC濾波電路七、半導(dǎo)體三極管的認識圖12.29

各種三極管的照片半導(dǎo)體三極管是近60年來發(fā)展起來的新型電子器件，具有體積小、重量輕、耗電省、壽命長、工作可靠等一系列優(yōu)點，應(yīng)用十分廣泛。常用半導(dǎo)體三極管的外型和封裝形式如圖12.30所示。f圖12.30

常用半導(dǎo)體三極管的外型和封裝形式1.

三極管的結(jié)構(gòu)。如圖12.31所示，是三極管的結(jié)構(gòu)示意圖及圖形符號。一個三極管由兩個PN結(jié)組成，從而形成了三個區(qū)域：集電區(qū)、基區(qū)和發(fā)射區(qū)?；鶇^(qū)和集電區(qū)之間的PN結(jié)稱為集電結(jié)，基區(qū)和發(fā)射區(qū)之間的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)。由集電區(qū)、基區(qū)和發(fā)射區(qū)各引出一個電極，分別稱為集電極、基極和發(fā)射極，依次用字母c、b和e來表示。

圖12.31

三極管結(jié)構(gòu)示意圖及圖形符號三極管的文字符號是VT，圖形符號如圖12.31中所示。發(fā)射極箭頭的方向表示發(fā)射結(jié)正偏時發(fā)射極電流的流向。2.三極管的類型。三極管按制作的材料不同，可分為鍺三極管和硅三極管。根據(jù)三個區(qū)的半導(dǎo)體導(dǎo)電類型的不同，三極管可分為PNP型和NPN型兩大類?；鶇^(qū)為P型半導(dǎo)體的稱為NPN型三極管，基區(qū)為N型半導(dǎo)體的稱為PNP型三極管。PNP型三極管和NPN型三極管的工作原理相同，只是工作電壓的極性和電流的流向相反。3.三極管的識別與測量

（1）用指針式萬用表檢測三極管的管型（2）用指針式萬用表判別三極管的集電極與發(fā)射極（3）用指針式萬用表判別三極管的材料（4）用指針式萬用表判別三極管是高頻管還是低頻管4.三極管的電流放大作用

（1）三極管具有放大作用的條件（2）三極管各個極間電流關(guān)系的實驗數(shù)據(jù)（3）三極管電流放大的實質(zhì)5.三極管的伏安特性（1）三極管的伏安特性三極管的伏安特性分為輸入特性曲線和輸出特性曲線兩種。三極管的伏安特性曲線可根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪出，也可以由晶體管圖示儀直接測量得到。②三極管的輸出特性曲線①三極管的輸入特性曲線【重要結(jié)論】*三極管不僅具有電流放大作用，而且還具有開關(guān)特性。*當(dāng)三極管作為放大器件使用時，應(yīng)該工作在放大區(qū)。*當(dāng)三極管作為開關(guān)器件使用時，應(yīng)該工作在截止區(qū)和飽和區(qū)。*改變加在三極管的各個極間的電壓，就可以控制三極管的工作狀態(tài)。（2）三極管的主要參數(shù)①電流放大系數(shù)和②三極管極間反向電流③三極管的極限參數(shù)八、三極管在電路中的應(yīng)用三極管是電子電路的核心器件，基本上可以歸納為放大應(yīng)用和開關(guān)應(yīng)用兩大類。1.三極管的放大應(yīng)用如圖12.35所示，是一個實用的耳聾助聽器實際電路，三極管將人的說話聲音加以放大，可以滿足耳聾患者和一些老年人的需要。2.三極管的開關(guān)應(yīng)用3.特殊三極管及其應(yīng)用（1）光敏三極管（2）光耦合器光敏三極管是一種相當(dāng)于