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

第四章半導體器件235§4-2晶體三極管§4-1晶體二極管§4-3場效應(yīng)管§4-1晶體二極管237在日常生活和生產(chǎn)中經(jīng)常會用到交通信號燈、路由器指示燈、計算機測試卡等，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體二極管，簡稱二極管，是電子電路中最基本的半導體器件。它的用途廣泛，可用來產(chǎn)生、控制、接收、變換信號和進行能量轉(zhuǎn)換等。238晶體二極管在實際中的應(yīng)用一、二極管的結(jié)構(gòu)和符號二極管是由半導體材料硅（Si）、鍺（Ge）及其化合物制成的器件。半導體材料是指導電性能介于導體和絕緣體之間的物質(zhì)，常見的有硅和鍺。不加雜質(zhì)的半導體稱為本征半導體，在本征半導體中加入不同雜質(zhì)，能形成P型半導體和N型半導體。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)引出二極管的負極，兩個區(qū)域之間有個結(jié)合部，它是一個特殊的薄層，稱為PN結(jié)。二極管的內(nèi)部其實就是一個用硅或者鍺材料制造的PN結(jié)，二極管的結(jié)構(gòu)和圖形符號如圖所示，正極用符號“A”表示，負極用符號“K”表示。239240二極管的結(jié)構(gòu)和圖形符號a）二極管的結(jié)構(gòu)b）二極管的圖形符號二、二極管的工作特點及主要參數(shù)1.二極管的工作特點（1）二極管的單向?qū)щ娦远O管的導電性能可以用如圖所示的實驗來說明。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極對調(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。241242二極管的導電性能實驗a）二極管正向?qū)顟B(tài)b）二極管反向截止狀態(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，二極管幾乎不導通。將這個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)。對于小功率硅管，反向電流為零點幾微安，鍺管的反向電流為十幾微安。在實際應(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行時允許通過的最大正向平均電流。實際工作時二極管的正向平均電流不得超過此值，否則二極管可能會因過熱而損壞。（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對溫度很敏感，使用時應(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兩個參數(shù)是選用二極管的兩個重要依據(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所示為擴音機實物圖，其工作原理示意圖如圖b所示，傳聲器（麥克風）將聲音信號轉(zhuǎn)換成微弱的電信號，經(jīng)放大電路放大后，變?yōu)榇蠊β实碾娦盘?，?qū)動揚聲器（喇叭），發(fā)出較大的聲音信號。放大電路的核心元件（即放大元件）主要是半導體三極管和場效應(yīng)管等。半導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，如信號的放大、負載的驅(qū)動、開關(guān)控制等。252擴音機實物及工作原理示意圖a）擴音機實物圖b）擴音機工作原理示意圖一、三極管的結(jié)構(gòu)和外觀識別1.三極管的結(jié)構(gòu)三極管是一個三層結(jié)構(gòu)、內(nèi)部具有兩個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)是同類型的半導體，所以三極管有兩種半導體類型。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）。注意三極管符號中發(fā)射極的箭頭表示發(fā)射結(jié)加正向電壓時的電流方向，三極管的文字符號為V或VT。253254三極管的結(jié)構(gòu)和圖形符號a）NPN型三極管結(jié)構(gòu)和圖形符號b）PNP型三極管結(jié)構(gòu)和圖形符號2.三極管的外觀識別三極管三個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，供識別時參考。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，實際應(yīng)用中并不嚴格區(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，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，三極管的β值會降低，一般規(guī)定β值下降到正常值的2/3時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，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)時會消耗功率而產(chǎn)生熱量，使三極管溫度升高。264§4-3場效應(yīng)管265場效應(yīng)晶體管簡稱場效應(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，而場效應(yīng)管屬于電壓控制型器件。場效應(yīng)管按結(jié)構(gòu)分為結(jié)型（JFET）和絕緣柵型（MOSFET）兩大類。常見的場效應(yīng)管外形如圖所示。266常見的場效應(yīng)管外形一、結(jié)型場效應(yīng)管1.結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)結(jié)型場效應(yīng)管有N溝道和P溝道兩種，其結(jié)構(gòu)示意圖和圖形符號如圖所示，在N型或P型半導體基片的兩側(cè)制作兩個PN結(jié)，從上面各引出一個電極，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)稱為導電溝道，結(jié)型場效應(yīng)管的文字符號為V，圖中箭頭由P區(qū)指向N區(qū)。267268結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖和圖形符號a）N溝道場效應(yīng)管b）P溝道場效應(yīng)管2.結(jié)型場效應(yīng)管的電壓控制作用以N溝道結(jié)型場效應(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。當漏源電壓UDS一定時，如果柵極負電壓增大，則漏、源極之間導電的溝道越窄，漏極電流ID

越小；反之，如果柵極負電壓減小，則溝道變寬，ID變大。當柵極負電壓的絕對值│UGS│增大到一定值時，溝道會完全合攏（消失），ID=0。使導電溝道完全合攏所需要的柵源電壓UGS稱為夾斷電壓UP。269270柵源電壓對溝道的控制作用a）UGS=0b）UGS<0二、絕緣柵型場效應(yīng)管目前應(yīng)用最廣泛的絕緣柵型場效應(yīng)管由金屬、氧化物和半導體組成，所以又稱為金屬—氧化物—半導體場效應(yīng)管，簡稱MOS場效應(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型和耗盡型兩種，其圖形符號如圖所示。271絕緣柵型場效應(yīng)管的圖形符號a）N溝道場效應(yīng)管圖形符號b）P溝道場效應(yīng)管圖形符號如圖所示為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型半導體襯底上再制作兩個高濃度的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效應(yīng)管。耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管的電壓控制作用和結(jié)型場效應(yīng)管的電壓控制作用大致相同，所以此處只分析N溝道增強型絕緣柵型場效應(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時導電溝道未形成b）UGS=UT時導電溝道形成三、場效應(yīng)管的主要參數(shù)1.夾斷電壓UP當UDS為某一定值（測試條件）時，對于結(jié)型場效應(yīng)管和耗盡型MOS管，UP為ID減小到近似為零（1μA、10μA）時的柵源極電壓UGS值。2.開啟電壓UT當UGS為某一定值（測試條件）時，增強型MOS管開始導通時的UGS就為UT。2743.飽和漏極電流IDSS對結(jié)型場效應(yīng)管和耗盡型MOS管來說，柵源極電壓UGS=0時的漏極電流為IDSS，它反映了場效應(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ID急劇上升時的UDS值。5.跨導gm當UDS為某一定值（測試條件）時，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漏極電流的控制能力。275四、場效應(yīng)管的使用及注意事項1.在使用場效應(yīng)管時，要注意電壓極性，電壓