城市軌道交通電工電子課件項(xiàng)目七半導(dǎo)體器件

1、項(xiàng)目七 半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體特性與二極管類型1晶體管及其輸出特性曲線2晶閘管的工作條件3可關(guān)斷晶閘管(GTO)的工作特性4知識(shí)要點(diǎn)學(xué)習(xí)目的與要求 了解本征半導(dǎo)體、P型和N型半導(dǎo)體的特征；了解PN結(jié)的形成過程；熟悉二極管的伏安特性及其種類、用途；深刻理解晶體管的電流放大原理，掌握晶體管的輸入和輸出特性。半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體。常用的半導(dǎo)體有硅、鍺等。 半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力雖然介于導(dǎo)體和絕緣體之間，但半導(dǎo)體的應(yīng)用卻極其廣泛，這是由半導(dǎo)體的獨(dú)特性能決定的。光敏性半導(dǎo)體受光照后，其導(dǎo)電能力大大增強(qiáng)；摻雜性在半導(dǎo)體中摻入少量特殊雜質(zhì)，其導(dǎo)電 能力極大地增強(qiáng)；半導(dǎo)體材料的獨(dú)特性能是由

2、其內(nèi)部的導(dǎo)電機(jī)理所決定的。熱敏性受溫度的影響，半導(dǎo)體導(dǎo)電能力變化很大；7.1 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)(1)純凈的半導(dǎo)體（本征半導(dǎo)體） 最常用的半導(dǎo)體為硅(Si)和鍺(Ge)。它們的共同特征是四價(jià)元素，即每個(gè)原子最外層電子數(shù)為4個(gè)。+Si(硅原子)Ge(鍺原子)硅原子和鍺原子的簡(jiǎn)化模型圖Si+4Ge+4因?yàn)樵映孰娭行裕院?jiǎn)化模型圖中的原子核只用帶圈的+4符號(hào)表示即可。 天然的硅和鍺是不能制作成半導(dǎo)體器件的。它們必須先經(jīng)過高度提純，形成晶格結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱的本征半導(dǎo)體。在本征半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)中，每一個(gè)原子均與相鄰的四個(gè)原子結(jié)合，即與相鄰四個(gè)原子的價(jià)電子兩兩組成電子對(duì)，構(gòu)成共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。44444

3、4444晶格結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)444444444從共價(jià)鍵晶格結(jié)構(gòu)來看，每個(gè)原子外層都具有8個(gè)價(jià)電子。但價(jià)電子是相鄰原子共用，所以穩(wěn)定性并不能象絕緣體那樣好。在游離走的價(jià)電子原位上留下一個(gè)不能移動(dòng)的空位，叫空穴。 受光照或溫度上升影響，共價(jià)鍵中價(jià)電子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，一些價(jià)電子會(huì)掙脫原子核的束縛游離到空間成為自由電子。444444444受光照或溫度上升影響，共價(jià)鍵中其它一些價(jià)電子直接跳進(jìn)空穴，使失電子的原子重新恢復(fù)電中性。(2)雜質(zhì)半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體雖然有自由電子和空穴兩種載流子，但由于數(shù)量極少導(dǎo)電能力仍然很低。如果在其中摻入某種元素的微量雜質(zhì)，將使摻雜后的雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能大大增強(qiáng)。+五價(jià)元素磷(P

4、)444444444P摻入磷雜質(zhì)的硅半導(dǎo)體晶格中，自由電子的數(shù)量大大增加。因此自由電子是這種半導(dǎo)體的導(dǎo)電主流。 摻入五價(jià)元素的雜質(zhì)半導(dǎo)體由于自由電子多而稱為電子型半導(dǎo)體，也叫做N型半導(dǎo)體。444444444三價(jià)元素硼(B)B+摻入硼雜質(zhì)的硅半導(dǎo)體晶格中，空穴載流子的數(shù)量大大增加。因此空穴是這種半導(dǎo)體的導(dǎo)電主流。 摻入三價(jià)元素的雜質(zhì)半導(dǎo)體，由于空穴載流子的數(shù)量大大于自由電子載流子的數(shù)量而稱為空穴型半導(dǎo)體，也叫做P型半導(dǎo)體。 結(jié)是采用特定的制造工藝，使一塊半導(dǎo)體的兩邊分別形成型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體，它們的交界面就形成結(jié)。 雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力雖然比本征半導(dǎo)體極大增強(qiáng)，但它們并不能稱為半導(dǎo)體器件。在電子

5、技術(shù)中，PN結(jié)是一切半導(dǎo)體器件的“元概念”和技術(shù)起始點(diǎn)。在一塊晶片的兩端分別注入三價(jià)元素硼和五價(jià)元素磷 + + + + + + + + + + + + + + + +P區(qū)N區(qū)空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng)一、PN結(jié)的形成動(dòng)畫演示 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?PN結(jié)反向偏置時(shí)的情況結(jié)具有單向?qū)щ娦?正偏：在結(jié)上加正向電壓時(shí)，結(jié)電阻很低，正向電流較大，結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。反偏：加反向電壓時(shí)，結(jié)電阻很高，反向電流很小，結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。二、二極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào) 半導(dǎo)體二極管，其結(jié)構(gòu)與圖形符號(hào)如圖5-1。PN(陽極)外殼陰極引線陽極引線+-+-(陽極)(陰極)(陰極)a)b)VD 二極管的結(jié)構(gòu)與圖形符號(hào)結(jié)構(gòu)圖形符號(hào) 把PN結(jié)用管殼

6、封裝，然后在P區(qū)和N區(qū)分別向外引出一個(gè)電極，即可構(gòu)成一個(gè)二極管。二極管是電子技術(shù)中最基本的半導(dǎo)體器件之一。根據(jù)其用途分有檢波管、開關(guān)管、穩(wěn)壓管和整流管等。硅高頻檢波管開關(guān)管穩(wěn)壓管整流管發(fā)光二極管 電子工程實(shí)際中，二極管應(yīng)用得非常廣泛，上圖所示即為各類二極管的部分產(chǎn)品實(shí)物圖。U(V)0.500.8-50-25I (mA)204060 (A)4020 二極管的伏安特性是指流過二極管的電流與兩端所加電壓的函數(shù)關(guān)系。二極管既然是一個(gè)PN結(jié)，其伏安特性當(dāng)然具有“單向?qū)щ娦浴?。死區(qū)正向?qū)▍^(qū) 當(dāng)外加正向電壓很低時(shí)，二極管呈現(xiàn)較大的電阻，幾乎沒有正向電流通過。 這一區(qū)域稱之為死區(qū)(硅管0.5V，鍺管0.1V

7、) 。 外加正向電壓超過死區(qū)電壓時(shí)，內(nèi)電場(chǎng)大大削弱，正向電流迅速增長(zhǎng)，二極管進(jìn)入正向?qū)▍^(qū)。該區(qū)電流上升曲線很陡。三、二極管的伏安特性1正向特性 當(dāng)二極管承受反向電壓時(shí)，其反向電阻很大，此時(shí)僅有非常小的反向電流（稱為反向飽和電流或反向漏電流）。進(jìn)入反向截止區(qū)。實(shí)際應(yīng)用中二極管的反向飽和電流值越小越好，可近似視為零值。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(huì)造成二極管的損壞（穩(wěn)壓管除外）。 外加反向電壓超過反向擊穿電壓時(shí)，反向電流突然增大，二極管失去單向?qū)щ娦?，進(jìn)入反向擊穿區(qū)。U(V)0.500.8-50-25I (mA)204060 (A)4020反向截止區(qū)反向擊穿區(qū)2反向特性 （

8、1）最大整流電流IDM：指二極管長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，允許通過的最大正向平均電流。其大小由PN結(jié)的結(jié)面積和外界散熱條件決定。 （2）最高反向工作電壓URM：指二極管長(zhǎng)期安全運(yùn)行時(shí)所能承受的最大反向電壓值。手冊(cè)上一般取擊穿電壓的一半作為最高反射工作電壓值。 （3）反向電流IR：指二極管未擊穿時(shí)的反向電流。IR值越小，二極管的單向?qū)щ娦栽胶?。?duì)溫度很敏感，溫度增加，反向電流會(huì)增加很大，這一點(diǎn)要特別加以注意。四、二極管的主要參數(shù)二極管的應(yīng)用舉例注意：分析實(shí)際電路時(shí)為簡(jiǎn)單化，通常把二極管進(jìn)行理想化處理，即正偏時(shí)視其為“短路”，截止時(shí)視其為“開路”。UD=0UD=正向?qū)〞r(shí)相當(dāng)一個(gè)閉合的開關(guān)+D+D+DPN+反向

9、阻斷時(shí)相當(dāng)一個(gè)打開的開關(guān)+DPN(1)二極管的開關(guān)作用(2)二極管的限幅作用+DuS10K IN4148+u0iD 圖示為一限幅電路。電源uS是一個(gè)周期性的矩形脈沖，高電平幅值為+5V，低電平幅值為-5V。試分析電路的輸出電壓為多少。分析uS+5V-5Vt0當(dāng)輸入電壓ui=5V時(shí)，二極管反偏截止，此時(shí)電路可視為開路，輸出電壓u0=0V； 當(dāng)輸入電壓ui= +5V時(shí)，二極管正偏導(dǎo)通，導(dǎo)通時(shí)二極管管壓降近似為零，故輸出電壓u0+5V。 顯然輸出電壓u0限幅在0+5V之間。u0半導(dǎo)體二極管工作在擊穿區(qū)，是否一定被損壞？為什么？ 你會(huì)做嗎？何謂死區(qū)電壓？硅管和鍺管死區(qū)電壓的典型值各為多少？為何會(huì)出現(xiàn)死

10、區(qū)電壓？ 把一個(gè)1.5V的干電池直接正向聯(lián)接到二極管的兩端， 會(huì)出現(xiàn)什么問題？二極管的伏安特性曲線上分為幾個(gè)區(qū)？能否說明二極管工作在各個(gè)區(qū)時(shí)的電 壓、電流情況？ 復(fù)習(xí)與檢驗(yàn)為什么二極管的反向電流很小且具有飽和性？當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)又會(huì)明顯增大 ？I(mA)40302010 0-5-10-15-20 (A) 0.4 0.812 8 4U(V) 穩(wěn)壓二極管的反向電壓幾乎不隨反向電流的變化而變化、這就是穩(wěn)壓二極管的顯著特性。D 穩(wěn)壓二極管是一種特殊的面接觸型二極管，其反向擊穿可逆。正向特性與普通二極管相似反向IZUZ1. 穩(wěn)壓二極管實(shí)物圖圖符號(hào)及文字符號(hào) 顯然穩(wěn)壓管的伏安特性曲線比普通二極管的更加陡峭

11、。五、特殊二極管 工作區(qū)域+USDZ使用穩(wěn)壓二極管時(shí)應(yīng)該注意的事項(xiàng)(1)穩(wěn)壓二極管正負(fù)極的判別DZ+(2)穩(wěn)壓二極管使用時(shí)，應(yīng)反向接入電路UZ(3)穩(wěn)壓管應(yīng)接入限流電阻(4)電源電壓應(yīng)高于穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓值(5)穩(wěn)壓管都是硅管。其穩(wěn)定電壓UZ最低為3V，高的可達(dá) 300V，穩(wěn)壓二極管在工作時(shí)的正向壓降約為0.6V。 思索與回顧 二極管的反向擊穿特性：當(dāng)外加反向電壓超過擊穿電壓時(shí)，通過二極管的電流會(huì)急劇增加。 在反向擊穿狀態(tài)下，讓通過管子的電流在一定范圍內(nèi)變化，這時(shí)管子兩端電壓變化很小，利用這一點(diǎn)可以達(dá)到“穩(wěn)壓”效果。穩(wěn)壓二極管就是工作在反向擊穿區(qū)。 擊穿并不意味著管子一定要損壞，如果我們采取適

12、當(dāng)?shù)拇胧┫拗仆ㄟ^管子的電流，如在穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路中加限流電阻R，使穩(wěn)壓管工作電流在Izmax和Izmix的范圍內(nèi)，就能保證管子不因過熱而燒壞。 發(fā)光二極管是一種能把電能直接轉(zhuǎn)換成光能的固體發(fā)光元件。一般使用砷化鎵、磷化鎵等材料制成。實(shí)物圖圖符號(hào)和文字符號(hào)D 發(fā)光二極管現(xiàn)有的發(fā)光二極管能發(fā)出紅黃綠等顏色的光。 發(fā)光管正常工作時(shí)應(yīng)正向偏置，因死區(qū)電壓較普通二極管高，因此其正偏工作電壓一般在1.3V以上。 發(fā)光管常用來作為數(shù)字電路的數(shù)碼及圖形顯示的七段式或陣列器件。2發(fā)光二極管 光敏二極管也稱光電二極管，是將光信號(hào)變成電信號(hào)的半導(dǎo)體器件。D 光電二極管和穩(wěn)壓管類似，也是工作在反向電壓下。無光照時(shí)，反向

13、電流很??；有光照射時(shí)，提高了半導(dǎo)體的導(dǎo)電性，在反偏電壓作用下產(chǎn)生反向電流。其強(qiáng)度與光照強(qiáng)度成正比。光電管管殼上有一個(gè)能射入光線的“窗口”，這個(gè)窗口用有機(jī)玻璃透鏡進(jìn)行封閉，入射光通過透鏡正好射在管芯上。實(shí)物圖圖符號(hào)和文字符號(hào) 3光敏二極管 光敏二極管可用于光的測(cè)量，亦可作為一種能源使用，稱為光電池。4變?nèi)荻O管 變?nèi)荻O管是工作在反向偏置狀態(tài)。二極管結(jié)電容大小除了與本身工藝有關(guān)外，還與外加電壓有關(guān)。由特性曲線可知，改變變?nèi)荻O管直流反偏電壓就可以達(dá)到改變電容量的目的。應(yīng)用：變?nèi)荻O管可用于高頻電路，例如用作電視接收調(diào)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。1.利用穩(wěn)壓管或普通二極管

14、的正向壓降，是否也可以穩(wěn)壓？你會(huì)做嗎？檢驗(yàn)學(xué)習(xí)結(jié)果1. 現(xiàn)有兩只穩(wěn)壓管，它們的穩(wěn)定電壓分別為6V和8V，正向?qū)妷簽?.7V。試問：(1)若將它們串聯(lián)相接，可得到幾種穩(wěn)壓值？各為多少？(2)若將它們并聯(lián)相接，又可得到幾種穩(wěn)壓值？各為多少？2.在右圖所示電路中，發(fā)光二極管導(dǎo)通電壓UD1.5V，正向電流在515mA時(shí)才能正常工作。試問圖中開關(guān)S在什么位置時(shí)發(fā)光二極管才能發(fā)光？R的取值范圍又是多少？ 半導(dǎo)體三極管又稱晶體三極管或雙極型晶體管，簡(jiǎn)稱晶體管。7.2 半導(dǎo)體三極管大功率低頻三極管小功率高頻三極管中功率低頻三極管注意：圖中箭頭方向?yàn)榘l(fā)射結(jié)正向偏置時(shí)電流的方向。 晶體管分有NPN型和PNP型

15、，雖然它們外形各異，品種繁多，但它們的共同特征相同：都有三個(gè)分區(qū)、兩個(gè)PN結(jié)和三個(gè)向外引出的電極：一、晶體管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)VcbePNP型VcbeNPN型NPNbcePNPbce集電區(qū)基區(qū)發(fā)射區(qū)集電結(jié)發(fā)射結(jié)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)集電結(jié)a)b)發(fā)射區(qū)N晶體管芯結(jié)構(gòu)剖面圖e發(fā)射極集電區(qū)N基區(qū)Pb基極c集電極(1)發(fā)射區(qū)摻雜濃度很高，以便有足夠的載流子供“發(fā)射”。(2)為減少載流子在基區(qū)的復(fù)合機(jī)會(huì)，基區(qū)做得很薄，一般為幾個(gè)微米，且摻雜濃度較發(fā)射極低。(3)集電區(qū)體積較大，且為了順利收集邊緣載流子，摻雜濃度很低。 可見，雙極型三極管并非是兩個(gè)PN 結(jié)的簡(jiǎn)單組合，而是利用一定的摻雜工藝制作而成。因此，絕不

16、能用兩個(gè)二極管來代替，使用時(shí)也決不允許把發(fā)射極和集電極接反。1晶體管的工作電壓實(shí)現(xiàn)放大作用的條件：(1)發(fā)射結(jié)“正向偏置”(2)集電結(jié)“反向偏置”結(jié)論 由于發(fā)射結(jié)處正偏，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子自由電子將不斷擴(kuò)散到基區(qū)，并不斷從電源補(bǔ)充進(jìn)電子，形成發(fā)射極電流IE。1. 發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴(kuò)散電子的過程 由于基區(qū)很薄，且多數(shù)載流子濃度又很低，所以從發(fā)射極擴(kuò)散過來的電子只有很少一部分和基區(qū)的空穴相復(fù)合形成基極電流IB，剩下的絕大部分電子則都擴(kuò)散到了集電結(jié)邊緣。2. 電子在基區(qū)的擴(kuò)散和復(fù)合過程 集電結(jié)由于反偏，可將從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)并到達(dá)集電區(qū)邊緣的電子拉入集電區(qū)，從而形成較大的集電極電流IC。3. 集電區(qū)收集

17、電子的過程只要符合三極管發(fā)射區(qū)的雜質(zhì)濃度大大于基區(qū)的摻雜濃度，基區(qū)的摻雜濃度又大大于集電區(qū)的雜質(zhì)濃度，且基區(qū)很薄的內(nèi)部條件，再加上晶體管的發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏的外部條件，三極管就具有了放大電流的能力。2 晶體管各個(gè)電極的電流分配 實(shí)驗(yàn)電路為晶體管的共集電極放大電路。4.053.182.361.540.720.01IE (mA)3.953.102.301.500.701V的特性曲線(2) 輸出特性曲線先把IB調(diào)到某一固定值保持不變。 當(dāng)基極電流IB不變時(shí)，輸出回路中的集電極電流IC與集射電壓UCE之間的關(guān)系曲線稱為輸出特性。然后調(diào)節(jié)UCC使UCE從0增大，觀察毫安表中IC的變化并記錄下來。UC

18、EUBBUCCRC+RBICIBUBEmAAIE 根據(jù)記錄可給出IC隨UCE變化的伏安特性曲線，此曲線就是晶體管的輸出特性曲線。IBUCE / VIC /mA0UBBUCCRC+RBICIBUBEmAAIE再調(diào)節(jié)IB1至另一稍小的固定值上保持不變。仍然調(diào)節(jié)UCC使UCE從0增大，繼續(xù)觀察毫安表中IC的變化并記錄下來。UCE 根據(jù)電壓、電流的記錄值可繪出另一條IC隨UCE變化的伏安特性曲線，此曲線較前面的稍低些。UCE / VIC /mA0IBIB1IB2IB3IB=0 如此不斷重復(fù)上述過程，我們即可得到不同基極電流IB對(duì)應(yīng)相應(yīng)IC、UCE數(shù)值的一組輸出特性曲線。輸出曲線開始部分很陡，說明IC隨

19、UCE的增加而急劇增大。當(dāng)UCE增至一定數(shù)值時(shí)(一般小于1V)，輸出特性曲線變得平坦，表明IC基本上不再隨UCE而變化。 IB一定時(shí)，當(dāng)UCE超過1V以后，即使UCE繼續(xù)增大，集電極電流IC也不會(huì)再有明顯的增加，具有恒流特性。UCE / VIC /mA020 AIB=040 A60 AIB=100 A80 A43211.52.3 當(dāng)IB增大時(shí)，相應(yīng)IC也增大，輸出特性曲線上移， 且IC增大的幅度比對(duì)應(yīng)IB大得多。這一點(diǎn)正是晶體管的電流放大作用。ICUCE / VIC /mA020 AIB=040 A60 AIB=100 A80 A43211.52.3輸出特性曲線上一般可分為四個(gè)區(qū)：飽和區(qū)。當(dāng)發(fā)

20、射結(jié)和集電結(jié)均為正向偏置時(shí)，三極管處于飽和狀態(tài)。此時(shí)集電極電流IC與基極電流IB之間不再成比例關(guān)系，IB的變化對(duì)IC的影響很小。截止區(qū)。當(dāng)基極電流IB等于0時(shí)，晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)。實(shí)際上當(dāng)基射電壓處在死區(qū)范圍時(shí)，晶體管就已經(jīng)截止，為讓其可靠截止，常使UBE小于或等于零。放 大 區(qū) 在放大區(qū)，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。此時(shí)晶體管具有電流放大作用。IB、IC成正比關(guān)系。以上三個(gè)區(qū)為晶體管的正常工作區(qū)。（4）擊穿區(qū) 當(dāng)UCE大于某一值后，IC開始劇 增，這個(gè)現(xiàn)象稱為一次擊穿。一次擊穿過程是可逆的。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(shí)IC與IB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) （2）共發(fā)射極交流電流放大倍數(shù) （ ） 動(dòng)態(tài)時(shí)， 與 的比值稱為動(dòng)態(tài)電流放大倍數(shù)，即交流電流放大倍數(shù)估算時(shí)， 。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(shí)，集電極和基極間的反向漏電流，又叫反