常用半導體器件

關于常用半導體器件第一節(jié)二極管第2頁,共54頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)

二極管一、二極管的結構和類型

從二極管P區(qū)引出的外引線稱為二極管的陽極，將從二極管N區(qū)引出的外引線稱為二極管的陰極。二極管的符號如圖所示，其中三角箭頭表示正向電流的方向，正向電流從二極管的陽極流入，陰極流出。PN結電流方向第3頁,共54頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)二極管二、二極管的單向導電性

在PN結兩端外加電壓，稱為給PN加上偏置。當P區(qū)電位高于N區(qū)時稱為正向偏置；反之，當N區(qū)電位高于P區(qū)時稱為反向偏置。PN結最重要的特性就是單向導電性。

正偏：在ＰＮ結上加正向電壓時，ＰＮ結電阻很低，正向電流較大，ＰＮ結處于導通狀態(tài)。反偏：加反向電壓時，ＰＮ結電阻很高，反向電流很小，ＰＮ結處于截止狀態(tài)。第4頁,共54頁，2024年2月25日，星期天三、二極管的伏安特性

二極管的主要特性是單向導電性，其伏安特性曲線如圖5-3所示。（以正極到負極為參考方向）。1）外加正向電壓很小時，二極管呈現(xiàn)較大的電阻，幾乎沒有正向電流通過。曲線段（或段）稱作死區(qū)，點（或）的電壓稱為死區(qū)電壓，硅管的死區(qū)電壓一般為0.5V，鍺管則約為0.1V。

2）二極管的正向電壓大于死區(qū)電壓后，二極管呈現(xiàn)很小的電阻，有較大的正向電流流過，稱為二極管導通，如段（或）特性曲線所示，此段稱為導通段。從圖中可以看出：硅管電流上升曲線比鍺管更陡。二極管導通后的電壓為導通電壓，硅管一般為0.7V，鍺管約為0.3V。1．正向特性

第5頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2．反向特性1）當二極管承受反向電壓時，其反向電阻很大，此時僅有非常小的反向電流（稱為反向飽和電流或反向漏電流），如曲線段（或段）所示。實際應用中二極管的反向飽和電流值越小越好，硅管的反向電流比鍺管小得多，一般為幾十微安，而鍺管為幾百微安。2）當反向電壓增加到一定數(shù)值時（如曲線中的點或點），反向電流急劇增大，這種現(xiàn)象稱為反向擊穿，此時對應的電壓稱為反向擊穿電壓，用表示，曲線中段（或段）稱為反向擊穿區(qū)。通常加在二極管上的反向電壓不允許超過擊穿電壓，否則會造成二極管的損壞（穩(wěn)壓管除外）。第6頁,共54頁，2024年2月25日，星期天圖5-3二極管的伏安特性

第7頁,共54頁，2024年2月25日，星期天四、二極管的主要參數(shù)（1）最大整流電流它是指二極管長期工作時所允許通過的最大正向平均電流。實際應用時，流過二極管的平均電流不能超過這個數(shù)值，否則，將導致二極管因過熱而永久損壞。（2）最高反向工作電壓指二極管工作時所允許加的最高反向電壓，超過此值二極管就有被反向擊穿的危險。通常手冊上給出的最高反向工作電壓約為擊穿電壓的一半。（3）反向電流指二極管未被擊穿時的反向電流值。越小，說明二極管的單向導電性能越好。對溫度很敏感，溫度增加，反向電流會增加很大。第8頁,共54頁，2024年2月25日，星期天五、特殊二極管

1．穩(wěn)壓二極管

穩(wěn)壓二極管簡稱穩(wěn)壓管，它是一種用特殊工藝制造的面結合型硅半導體二極管，其圖形符號和外形封裝如圖5-4所示。圖5-4穩(wěn)壓二極管的圖形符號與外形

外形

圖形符號第9頁,共54頁，2024年2月25日，星期天～范圍內變化。穩(wěn)壓管的伏安特性曲線工作區(qū)域第10頁,共54頁，2024年2月25日，星期天穩(wěn)壓管的應用

使用時，陰極接外加電壓的正極，陽極接外加電壓負極，管子反向偏置，工作在反向擊穿狀態(tài)，利用它的反向擊穿特性穩(wěn)定直流電壓。二極管在反向擊穿狀態(tài)下，流過管子的電流變化很大，而兩端電壓變化很小，穩(wěn)壓管正是利用這一點實現(xiàn)穩(wěn)壓作用的。穩(wěn)壓管工作時，必須接入限流電阻，才能使其流過的反向電流在～范圍內變化第11頁,共54頁，2024年2月25日，星期天

發(fā)光二極管是一種光發(fā)射器件，能把電能直接轉換成光能的固體發(fā)光器件，它是由鎵（Ga）、砷（As）、磷（P）等化合物制成的，其圖形符號如圖5-6a所示。由這些材料構成的ＰＮ結加上正偏電壓時，PN結便以發(fā)光的形式來釋放能量。發(fā)光二極管的種類按發(fā)光的顏色可分為紅、橙、黃、綠和紅外光二極管等多種，按外形可分為方形、圓形等。圖5-6b是發(fā)光二極管的外形，它的導通電壓比普通二極管高。2．發(fā)光二極管第12頁,共54頁，2024年2月25日，星期天圖5-6發(fā)光二極管的圖形符號和外形圖形符號

外形

第13頁,共54頁，2024年2月25日，星期天發(fā)光二極管的應用

應用時，加正向電壓，并接入相應的限流電阻，它的正常工作電流一般為幾個毫安至幾十毫安。發(fā)光強度在一定范圍內與正向電流大小近似成線性關系。發(fā)光二極管作為顯示器件，除單個使用外，也常做成七段式或矩陣式，如用作微型計算機、音響設備、數(shù)控裝置中的顯示器。發(fā)光二極管的檢測一般用萬用表R×10k(Ω)檔，通常正向電阻15kΩ左右，反向電阻為無窮大。第14頁,共54頁，2024年2月25日，星期天

3．光敏二極管

光敏二極管又稱光電二極管，其ＰＮ結工作在反偏狀態(tài)。光敏二極管是一種光接收器件。它的管殼上有一個玻璃窗口以便接受光照，當光線輻射于ＰＮ結時，提高了半導體的導電性，在反偏電壓作用下產(chǎn)生反向電流。反向電流隨光照強度的增加而上升。其主要特點是反向電流與照度成正比。光敏二極管的圖形符號和外形如圖5-7所示。第15頁,共54頁，2024年2月25日，星期天圖5-7光敏二極管的圖形符號和外形圖形符號

外形

第16頁,共54頁，2024年2月25日，星期天光敏二極管的應用

光敏二極管可用于光的測量。當制成大面積光電二極管時，能將光能直接轉換成電能，可作為一種能源使用，稱為光電池。光敏二極管的檢測通常用萬用表R×1k(Ω)檔檢測，要求無光照時反向電阻大，有光照時反向電阻小，若電阻差別小，則表明光敏二極管的質量不好。第17頁,共54頁，2024年2月25日，星期天4．變容二極管

變容二極管是利用PN結的結電容可變原理制成的半導體器件,它仍工作在反向偏置狀態(tài)。它的壓—容特性曲線和圖形符號如圖5-8所示。二極管結電容大小除了與本身工藝有關外，還與外加電壓有關。當反偏電壓增加，結電容就減小，變容二極管是這種效應顯著的二極管。由特性曲線可知，改變變容二極管直流反偏電壓就可以達到改變電容量的目的。

應用：變容二極管可用于高頻電路，例如用作電視接收調諧回路中的可變電容器，用改變直流偏壓的方法來選擇頻道。第18頁,共54頁，2024年2月25日，星期天圖5-8變容二極管的圖形符號和特性圖形符號壓—容特性

第19頁,共54頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)半導體三極管一、晶體管的結構和符號1．結構和符號

晶體管的結構示意圖如圖5-9a所示，分為NPN型管和PNP型管。為了收集發(fā)射區(qū)發(fā)射過來的載流子以及便于散熱，要求集電結面積較大，發(fā)射區(qū)多數(shù)載流子的濃度比集電區(qū)大，因此使用時集電極與發(fā)射極不能互換。晶體管的圖形符號如圖5-9b所示，符號中的箭頭方向表示發(fā)射結正向偏置時的電流方向。

半導體三極管又稱晶體三極管或雙極型晶體管，簡稱晶體管。第20頁,共54頁，2024年2月25日，星期天圖5-9晶體管的結構和圖形符號結構圖形符號第21頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2．外形圖5-10幾種常見的晶體管的外形結構第22頁,共54頁，2024年2月25日，星期天3．晶體管的工作電壓圖5-11晶體管的工作電壓NPNPNP第23頁,共54頁，2024年2月25日，星期天二、三極管的電流分配與放大作用（1）放大條件發(fā)射結加正向電壓，集電結加反向電壓。（2）電流分析分配關系IE=IB+IC=(1+β)IB,IC=βIB（3）三極管的電流放大作用IB有一微小變化，就能引起IC很大變化。第24頁,共54頁，2024年2月25日，星期天三、三極管的3中工作狀態(tài)1、放大狀態(tài)條件：發(fā)射結正向偏置，集電結反向偏置。電流、電壓關系：?IC=βIBIE=IB+IC=(1+β)IBUCE=UCC-ICRC特點：集電極電流受基極電流控制?；鶚O電流的微小變化引起集電極電流的較大變化。體現(xiàn)了三極管的電流放大作用。電位值分布：NPN管VC>VB>VE第25頁,共54頁，2024年2月25日，星期天三、三極管的3中工作狀態(tài)2、飽和狀態(tài)條件：發(fā)射結正向偏置，集電結正向偏置。電流、電壓關系：IC=UCC-UCE/RC=UCC/RCUCE=0.1~0.3V特點：集電極電流不隨基極電流的增加而增加，三極管集電極和發(fā)射極之間相當于開關閉合。電位布分第26頁,共54頁，2024年2月25日，星期天三、三極管的3中工作狀態(tài)3、截止狀態(tài)條件：發(fā)射結正、集電結均反向偏置。電流、電壓關系：?IC=0IBIE=IB+IC=(1+β)IBUCE=UCC-ICRC特點：集電極電流受基極電流控制?；鶚O電流的微小變化引起集電極電流的較大變化。體現(xiàn)了三極管的電流放大作用。電位值分布：NPN管VC>0B>VE第27頁,共54頁，2024年2月25日，星期天4.053.182.361.540.72<0.01/mA3.953.102.301.500.70<0.01/mA0.100.080.060.040.020/mA表5-1晶體管電流測量數(shù)據(jù)

從表5-1中的實驗數(shù)據(jù)可以找出晶體管各極電流分配關系（5-1）第28頁,共54頁，2024年2月25日，星期天3．晶體管的電流放大作用

從表5-1中的實驗數(shù)據(jù)還可以看出：>，而且當調節(jié)電位器RP使有一微小變化時，會引起較大的變化，這表明基極電流（小電流）控制著集電極電流（大電流），所以晶體管是一個電流控制器件，這種現(xiàn)象稱為晶體管的電流放大作用。第29頁,共54頁，2024年2月25日，星期天三、晶體管的特性曲線

1．輸入特性曲線圖5-13輸入特性曲線第30頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2.輸出特性曲線（圖5-14）（1）截止區(qū)發(fā)射結零偏或反偏，集電結也反向偏置。（2）放大區(qū)發(fā)射結正向偏置，集電結反向偏置。與成正比關系。（3）飽和區(qū)發(fā)射結和集電結均處于正向偏置。晶體管失去放大作用，處于“飽和”狀態(tài)。稱為晶體管的飽和壓降，此值很小，約為0.3V。

（4）擊穿區(qū)當大于某一值后，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。晶體管具有“開關”和“放大”功能。第31頁,共54頁，2024年2月25日，星期天圖5-14輸出特性曲線第32頁,共54頁，2024年2月25日，星期天四、晶體管的主要參數(shù)1．電流放大倍數(shù)（1）共發(fā)射極直流電流放大倍數(shù)靜態(tài)時與的比值稱為共發(fā)射極靜態(tài)電流放大倍數(shù)，即直流電流放大倍數(shù)（5-2）（2）共發(fā)射極交流電流放大倍數(shù)（）動態(tài)時，Δ與的比值稱為動態(tài)電流放大倍數(shù)，即交流電流放大倍數(shù)（5-3）估算時，。第33頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2．極間反向電流（1）集電極—基極反向飽和電流是晶體管的發(fā)射極開路時，集電極和基極間的反向漏電流，又叫反向飽和電流，小功率硅管的小于1μA，鍺管的約10μA。的測量電路如圖5-15a所示。（2）穿透電流為基極開路時，由集電區(qū)穿過基區(qū)流入發(fā)射區(qū)的穿透電流，它是的（1+）倍，即（5-4）而集電極電流為（5-5）

的測量電路如圖5-15b所示。第34頁,共54頁，2024年2月25日，星期天圖5-15極間反向電流的測量電路的測量電路的測量電路第35頁,共54頁，2024年2月25日，星期天3．極限參數(shù)（1）集電極最大允許電流當值下降到正常值的三分之二時的集電極電流，稱為。使用時，超過時晶體管并不一定會損壞，但值將降低。（2）集電極－發(fā)射極反向擊穿電壓指基極開路時，加于集電極與發(fā)射極間的反向擊穿電壓，一般為幾十伏至幾百伏以上。（3）發(fā)射極－基極反向擊穿電壓指集電極開路時，允許加在發(fā)射極－基極之間的最高反向電壓，一般為幾伏至幾十伏。（4）集電極最大允許功耗使用中應使<允許管耗線，如圖5-16所示。第36頁,共54頁，2024年2月25日，星期天圖5-16晶體管的安全工作區(qū)第37頁,共54頁，2024年2月25日，星期天第五節(jié)晶閘管

晶閘管原稱可控硅。它是一種較理想的大功率變流器件。一、晶閘管的結構和工作原理1．晶閘管的結構

大功率晶閘管的外形結構有螺栓式和平板式兩種，晶閘管的外形和圖形符號如圖5-24所示。三個電極：陽極A，陰極K和門極G。四層（P1N1P2N2）三端（A、K、G）元件。等效電路1：三個PN結串聯(lián)等效，如圖5-25b所示。等效電路2：晶體管互補電路等效，如圖5-25c所示。三個PN結：。如圖5-25所示。第38頁,共54頁，2024年2月25日，星期天

圖5-24晶閘管的外型和符號塑封式螺栓式平板式第39頁,共54頁，2024年2月25日，星期天圖5-25晶閘管的內部芯片及等效電路芯片原理結構PN結等效電路互補晶體管等效電路第40頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2．晶閘管的導通與關斷條件實驗電路如5-26所示a)圖5-26晶閘管的導通實驗陽極接電源正極，門極開路，燈不亮第41頁,共54頁，2024年2月25日，星期天b）圖5-26晶閘管的導通實驗陽極接電源正極，門極接正電壓，燈亮第42頁,共54頁，2024年2月25日，星期天c）圖5-26晶閘管的導通實驗導通后斷開門極，燈仍亮第43頁,共54頁，2024年2月25日，星期天實驗總結：1）不加門極電壓，即使陽極加正電壓，管子也不能導通。2）只有在陽極加正電壓，同時門極也加正電壓，管子才導通。3）一旦晶閘管導通，門極將失去作用。結論：晶閘管的導通條件：陽極加正電壓，同時門極也加正電壓。晶閘管的關斷條件是：正向陽極電壓降低到一定值（或者在晶閘管陽、陰極間施加反向電壓）使流過晶閘管的電流小于維持電流。第44頁,共54頁，2024年2月25日，星期天3．晶閘管的工作原理瞬時使互補晶體管達到飽和導通，即晶閘管由正向阻斷狀態(tài)轉為導通狀態(tài)；3）當管子一旦導通，如斷開S，晶閘管仍能繼續(xù)導通的原因是強烈的正反饋電流取代了的作用。晶閘管的工作原理如圖5-27所示。原理分析：1）陽極加正向電壓，使互補晶體管有正確接法的工作電源；2）開關S閉合，給N1P2N2型晶體管的基極輸入電流，經(jīng)過強烈的正反饋即強烈正反饋第45頁,共54頁，2024年2月25日，星期天圖5-27晶閘管的工作原理第46頁,共54頁，2024年2月25日，星期天二、晶閘管的伏安特性晶閘管的正向伏安特性如圖5-28右側所示。正向阻斷：時，結處于反向偏置，管子只有很小的正向漏電流。硬導通：時，結被擊穿，電流突然上升，管子由阻斷狀態(tài)變?yōu)檎驅顟B(tài)，管子導通是不可控的，多次硬導通會損壞管子。正向導通：門極有適當?shù)牧魅耄构茏诱驅?。反向阻斷：結反偏，晶閘管只流過很小的反向電流。反向擊穿：當反向電壓增大到反向擊穿電壓時，結被擊穿，管子反向導通，此時功耗很大，可能損壞。

晶閘管的反向伏安特性如圖5-28左側所示。第47頁,共54頁，2024年2月25日，星期天圖5-28晶閘管的伏安特性—正向轉折電壓

—斷態(tài)正向不重復峰值電壓

—斷態(tài)正向重復峰值電壓—反向擊穿電壓

—斷態(tài)反向不重復峰值電壓

—斷態(tài)反向重復峰值電壓第48頁,共54頁，2024年2月25日，星期天三、晶閘管的主要參數(shù)1．電壓參數(shù)（1）斷態(tài)正向重復峰值電壓和反向重復峰值電壓（）是門極開路而元件的結溫為額定值時，允許重復加在元件上的正（反）向峰值電壓。（5-10）（3）額定電壓指元件的標稱電壓。選用公式為式中，是晶閘管正常工作時陽極電壓的峰值電壓（V）。（2）通態(tài)平均電壓晶閘管導通時管壓降的平均值，一般在0.4~1.2V之間，管壓降愈小，元件功耗愈小。第49頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2．電流參數(shù)

（5-11）（1）額定電流（元件的額定通態(tài)平均電流）指晶閘管在規(guī)定的環(huán)境溫度及散熱條件下，允許通過的正弦半波電流的平均值。選用公式為式中，是可控整流電路輸出電流平均值的最大值（A）；