《電工與電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版）》 課件 第四章 半導(dǎo)體器件

第四章半導(dǎo)體器件235§4-2晶體三極管§4-1晶體二極管§4-3場(chǎng)效應(yīng)管§4-1晶體二極管237在日常生活和生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)用到交通信號(hào)燈、路由器指示燈、計(jì)算機(jī)測(cè)試卡等，這些產(chǎn)品都離不開晶體二極管，如圖所示。晶體二極管也稱半導(dǎo)體二極管，簡稱二極管，是電子電路中最基本的半導(dǎo)體器件。它的用途廣泛，可用來產(chǎn)生、控制、接收、變換信號(hào)和進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換等。238晶體二極管在實(shí)際中的應(yīng)用一、二極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)二極管是由半導(dǎo)體材料硅（Si）、鍺（Ge）及其化合物制成的器件。半導(dǎo)體材料是指導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)，常見的有硅和鍺。不加雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體，在本征半導(dǎo)體中加入不同雜質(zhì)，能形成P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體。二極管是在硅或者鍺單晶基片上加工出P型區(qū)和N型區(qū)，從P型區(qū)引出二極管的正極，從N型區(qū)引出二極管的負(fù)極，兩個(gè)區(qū)域之間有個(gè)結(jié)合部，它是一個(gè)特殊的薄層，稱為PN結(jié)。二極管的內(nèi)部其實(shí)就是一個(gè)用硅或者鍺材料制造的PN結(jié)，二極管的結(jié)構(gòu)和圖形符號(hào)如圖所示，正極用符號(hào)“A”表示，負(fù)極用符號(hào)“K”表示。239240二極管的結(jié)構(gòu)和圖形符號(hào)a）二極管的結(jié)構(gòu)b）二極管的圖形符號(hào)二、二極管的工作特點(diǎn)及主要參數(shù)1.二極管的工作特點(diǎn)（1）二極管的單向?qū)щ娦远O管的導(dǎo)電性能可以用如圖所示的實(shí)驗(yàn)來說明。把二極管V、可調(diào)直流穩(wěn)壓電源E、開關(guān)SA、限流電阻R和指示燈HL按照下圖a用導(dǎo)線連接后，閉合開關(guān)觀察指示燈的狀態(tài)是亮還是不亮。然后把二極管的正負(fù)極對(duì)調(diào)，如圖b所示，閉合開關(guān)后，再觀察指示燈的狀態(tài)是亮還是不亮。241242二極管的導(dǎo)電性能實(shí)驗(yàn)a）二極管正向?qū)顟B(tài)b）二極管反向截止?fàn)顟B(tài)（2）二極管的伏安特性曲線1）正向特性。二極管正極電位高于負(fù)極電位，稱為正向偏置（簡稱正偏）。如圖所示，在起始階段Oa段，外加正向電壓很小，二極管呈現(xiàn)很大的電阻，正向電流很小，二極管幾乎不導(dǎo)通。將這個(gè)正向電壓很小的范圍稱為死區(qū)，相應(yīng)的電壓稱為死區(qū)電壓。使二極管開始導(dǎo)通的臨界電壓稱為開啟電壓或門坎電壓，通常用Uon表示，硅管的開啟電壓Uon約為0.5V，而鍺管的開啟電壓Uon約為0.1～0.2V。243244二極管的伏安特性曲線2）反向特性。二極管正極電位低于負(fù)極電位，稱為反向偏置（簡稱反偏）。在反向起始的一段范圍內(nèi)（Oc），只有很小的反向電流，稱為反向飽和電流或反向漏電流，Oc段稱為截止區(qū)。對(duì)于小功率硅管，反向電流為零點(diǎn)幾微安，鍺管的反向電流為十幾微安。在實(shí)際應(yīng)用中，反向電流越小，二極管的質(zhì)量越好。2452.二極管的主要參數(shù)（1）最大整流電流IFM最大整流電流是指二極管長期運(yùn)行時(shí)允許通過的最大正向平均電流。實(shí)際工作時(shí)二極管的正向平均電流不得超過此值，否則二極管可能會(huì)因過熱而損壞。（2）最高反向工作電壓URM最高反向工作電壓是指二極管正常工作時(shí)所允許外加的最高反向電壓。若二極管兩端電壓超過此值，有可能導(dǎo)致二極管反向擊穿。246（3）反向電流IR反向電流是指在規(guī)定的反向電壓（<UBR）和環(huán)境溫度下的反向電流。此值越小，二極管的單向?qū)щ娦阅茉胶茫ぷ髟椒€(wěn)定。IR對(duì)溫度很敏感，使用時(shí)應(yīng)注意環(huán)境溫度不宜過高。其中最大整流電流IFM、最高反向工作電壓URM兩個(gè)參數(shù)是選用二極管的兩個(gè)重要依據(jù)。247三、二極管的分類二極管除以材料不同分成硅二極管和鍺二極管外，還有其他常用的分類，見下表。248二極管的其他分類249二極管的其他分類250二極管的其他分類§4-2晶體三極管251如圖a所示為擴(kuò)音機(jī)實(shí)物圖，其工作原理示意圖如圖b所示，傳聲器（麥克風(fēng)）將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換成微弱的電信號(hào)，經(jīng)放大電路放大后，變?yōu)榇蠊β实碾娦盘?hào)，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器（喇叭），發(fā)出較大的聲音信號(hào)。放大電路的核心元件（即放大元件）主要是半導(dǎo)體三極管和場(chǎng)效應(yīng)管等。半導(dǎo)體三極管又叫晶體三極管，它是電子電路的重要元件之一，它的應(yīng)用比二極管更為廣泛，如信號(hào)的放大、負(fù)載的驅(qū)動(dòng)、開關(guān)控制等。252擴(kuò)音機(jī)實(shí)物及工作原理示意圖a）擴(kuò)音機(jī)實(shí)物圖b）擴(kuò)音機(jī)工作原理示意圖一、三極管的結(jié)構(gòu)和外觀識(shí)別1.三極管的結(jié)構(gòu)三極管是一個(gè)三層結(jié)構(gòu)、內(nèi)部具有兩個(gè)PN結(jié)的器件，它的中間層稱為基區(qū)，基區(qū)的兩邊分別稱為發(fā)射區(qū)和集電區(qū)，三極管的發(fā)射區(qū)和集電區(qū)是同類型的半導(dǎo)體，所以三極管有兩種半導(dǎo)體類型。如圖所示，三極管在基區(qū)與發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)之間分別形成兩個(gè)PN結(jié)，發(fā)射區(qū)與基區(qū)之間的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)，而集電區(qū)與基區(qū)之間的PN結(jié)稱為集電結(jié)，三個(gè)區(qū)引出的電極分別稱為基極B（b）、發(fā)射極E（e）和集電極C（c）。注意三極管符號(hào)中發(fā)射極的箭頭表示發(fā)射結(jié)加正向電壓時(shí)的電流方向，三極管的文字符號(hào)為V或VT。253254三極管的結(jié)構(gòu)和圖形符號(hào)a）NPN型三極管結(jié)構(gòu)和圖形符號(hào)b）PNP型三極管結(jié)構(gòu)和圖形符號(hào)2.三極管的外觀識(shí)別三極管三個(gè)引腳的排列有一定的規(guī)律，根據(jù)這一規(guī)律可以非常方便地識(shí)別引腳極性。下表中列出了常見三極管的引腳排列規(guī)律，供識(shí)別時(shí)參考。255常見三極管的引腳排列規(guī)律256常見三極管的引腳排列規(guī)律二、三極管的分類按照半導(dǎo)體材料不同，三極管分為硅管和鍺管。按照工作頻率不同，三極管分為高頻管（工作頻率不小于3MHz）和低頻管（工作頻率小于3MHz）。按照功率不同，三極管分為小功率管（耗散功率小于1W）和大功率管（耗散功率不小于1W）。按照用途不同，三極管分為普通放大三極管和開關(guān)三極管。按照安裝方式不同，三極管分為插件三極管和貼片三極管。常用三極管的外形如圖所示。257258常用三極管的外形a）低頻三極管b）高頻三極管c）小功率三極管d）大功率三極管e）開關(guān)三極管f）貼片三極管三、三極管的工作特點(diǎn)1.三極管的電流分配關(guān)系三極管的電流分配關(guān)系如圖所示。根據(jù)基爾霍夫電流定律，三極管的發(fā)射極電流等于集電極電流與基極電流之和，即IE=IC+IB。由于基極電流很小，所以集電極電流與發(fā)射極電流近似相等，即IC≈IE。259三極管的電流分配關(guān)系a）NPN型b）PNP型2.三極管的電流放大作用三極管集電極直流電流IC與相應(yīng)的基極直流電流IB之間的比值幾乎是固定不變的，稱為共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)，用

表示，

。三極管集電極電流變化量ΔIC與相應(yīng)的基極電流變化量ΔIB的比值也幾乎是固定不變的，稱為共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)，用β表示，β=

。在一般情況下，同一只三極管的

比β略小，實(shí)際應(yīng)用中并不嚴(yán)格區(qū)分。2603.三極管的伏安特性曲線（1）三極管的輸入特性曲線三極管的輸入特性是指基極電流IB與發(fā)射結(jié)電壓UBE之間的關(guān)系，與二極管的U—I特性曲線十分相似。261三極管的輸入特性曲線（2）三極管的輸出特性曲線三極管的輸出特性曲線是指集電極電流IC與電壓UCE之間的關(guān)系，是在基極電流IB一定的情況下測(cè)試出來的，如圖所示。262三極管的輸出特性曲線四、三極管的主要參數(shù)1.共射電流放大系數(shù)ββ值是表征三極管電流放大作用的最主要的參數(shù)，一般為20～200，β值太大時(shí)，工作性能不穩(wěn)定，通常選用β值為60～100。2.極限參數(shù)（1）集電極最大允許電流ICM集電極電流過大時(shí)，三極管的β值會(huì)降低，一般規(guī)定β值下降到正常值的2/3時(shí)的集電極電流為最大允許電流。263（2）集電極—發(fā)射極反向擊穿電壓U（BR）CEO集電極—發(fā)射極反向擊穿電壓是指基極開路時(shí)，加在集電極和發(fā)射極之間的最大允許電壓。（3）集電極最大允許耗散功率PCM集電極電流IC流過集電結(jié)時(shí)會(huì)消耗功率而產(chǎn)生熱量，使三極管溫度升高。264§4-3場(chǎng)效應(yīng)管265場(chǎng)效應(yīng)晶體管簡稱場(chǎng)效應(yīng)管，它和晶體三極管一樣可作為放大和開關(guān)元件使用，但晶體三極管是電流控制型器件，而場(chǎng)效應(yīng)管屬于電壓控制型器件。場(chǎng)效應(yīng)管按結(jié)構(gòu)分為結(jié)型（JFET）和絕緣柵型（MOSFET）兩大類。常見的場(chǎng)效應(yīng)管外形如圖所示。266常見的場(chǎng)效應(yīng)管外形一、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管1.結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管有N溝道和P溝道兩種，其結(jié)構(gòu)示意圖和圖形符號(hào)如圖所示，在N型或P型半導(dǎo)體基片的兩側(cè)制作兩個(gè)PN結(jié)，從上面各引出一個(gè)電極，將兩側(cè)的電極連在一起，稱為柵極G，在基片兩端各引出兩個(gè)電極，分別稱為漏極D和源極S，D與S之間的N型區(qū)或P型區(qū)稱為導(dǎo)電溝道，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的文字符號(hào)為V，圖中箭頭由P區(qū)指向N區(qū)。267268結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖和圖形符號(hào)a）N溝道場(chǎng)效應(yīng)管b）P溝道場(chǎng)效應(yīng)管2.結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的電壓控制作用以N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管為例，如圖a所示，將柵極和源極連在一起（UGS=0），在漏極和源極之間加上一定的電壓UDS，在UDS的作用下，形成一定的電流ID，這種UGS=0、ID≠0的工作方式稱為耗盡型。當(dāng)漏源電壓UDS一定時(shí)，如果柵極負(fù)電壓增大，則漏、源極之間導(dǎo)電的溝道越窄，漏極電流ID

越??；反之，如果柵極負(fù)電壓減小，則溝道變寬，ID變大。當(dāng)柵極負(fù)電壓的絕對(duì)值│UGS│增大到一定值時(shí)，溝道會(huì)完全合攏（消失），ID=0。使導(dǎo)電溝道完全合攏所需要的柵源電壓UGS稱為夾斷電壓UP。269270柵源電壓對(duì)溝道的控制作用a）UGS=0b）UGS<0二、絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管目前應(yīng)用最廣泛的絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管由金屬、氧化物和半導(dǎo)體組成，所以又稱為金屬—氧化物—半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管，簡稱MOS場(chǎng)效應(yīng)管。它也有N溝道和P溝道兩類，其中每一類又可分為增強(qiáng)型和耗盡型兩種，其圖形符號(hào)如圖所示。271絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的圖形符號(hào)a）N溝道場(chǎng)效應(yīng)管圖形符號(hào)b）P溝道場(chǎng)效應(yīng)管圖形符號(hào)如圖所示為N溝道MOS管的結(jié)構(gòu)示意圖，它是在一塊雜質(zhì)濃度較低的P型半導(dǎo)體襯底上再制作兩個(gè)高濃度的N型區(qū)，并分別將它們作為源極S和漏極D，然后，在襯底的表面制作一層SiO2絕緣層，并在上面引出一個(gè)電極作為柵極G。由于柵極與其他電極絕緣，所以稱為絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管。耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的電壓控制作用和結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的電壓控制作用大致相同，所以此處只分析N溝道增強(qiáng)型絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的電壓控制作用。272273N溝道MOS管的結(jié)構(gòu)示意圖a）UGS=0時(shí)導(dǎo)電溝道未形成b）UGS=UT時(shí)導(dǎo)電溝道形成三、場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)1.夾斷電壓UP當(dāng)UDS為某一定值（測(cè)試條件）時(shí)，對(duì)于結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管和耗盡型MOS管，UP為ID減小到近似為零（1μA、10μA）時(shí)的柵源極電壓UGS值。2.開啟電壓UT當(dāng)UGS為某一定值（測(cè)試條件）時(shí)，增強(qiáng)型MOS管開始導(dǎo)通時(shí)的UGS就為UT。2743.飽和漏極電流IDSS對(duì)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管和耗盡型MOS管來說，柵源極電壓UGS=0時(shí)的漏極電流為IDSS，它反映了場(chǎng)效應(yīng)管輸出的最大漏極電流。4.最大漏源擊穿電壓U（BR）DS它是指漏極與源極之間的最大反向擊穿電壓，即當(dāng)ID急劇上升時(shí)的UDS值。5.跨導(dǎo)gm當(dāng)UDS為某一定值（測(cè)試條件）時(shí)，ID的微小變化量與UGS的微小變化量之比，即gm=

。gm反映了柵源極電壓對(duì)漏極電流的控制能力。275四、場(chǎng)效應(yīng)管的使用及注意事項(xiàng)1.在使用場(chǎng)效應(yīng)管時(shí)，要注意電壓極性，電壓