常用半導(dǎo)體器件

第4章常用半導(dǎo)體器件本章要求了解PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?，熟悉半?dǎo)體二極管的伏安特性及其主要參數(shù)。理解穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓特性。了解發(fā)光二極管、光電二極管、變?nèi)荻O管。掌握半導(dǎo)體三極管的伏安特性及其主要參數(shù)。了解絕緣柵場效應(yīng)晶體管的伏安特性及其主要參數(shù)。本章內(nèi)目前使用得最廣泛的是半導(dǎo)體器件——半導(dǎo)體二極管、穩(wěn)壓管、半導(dǎo)體三極管、絕緣柵場效應(yīng)管等。本章介紹常用半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)、工作原理、伏安特性、主要參數(shù)及簡單應(yīng)用。本章內(nèi)本章學(xué)時(shí)6學(xué)時(shí)PN結(jié)和半導(dǎo)體二極管本節(jié)學(xué)時(shí)2學(xué)時(shí)本節(jié)重點(diǎn)1、PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕?、半導(dǎo)體二極管的伏安特性；3、半導(dǎo)體二極管的應(yīng)用。教學(xué)方法結(jié)合理論與實(shí)驗(yàn)，講解PN結(jié)的單向?qū)щ娦院桶雽?dǎo)體二極管的伏安特性，通過例題讓學(xué)生掌握二半導(dǎo)體極管的應(yīng)用。4.1.1PN結(jié)的單向?qū)щ娦訬型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體在純凈的四價(jià)半導(dǎo)體晶體材料（主要是硅和鍺）中摻入微量三價(jià)（例如硼）或五價(jià)（例如磷）元素，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力就會大大增強(qiáng)。摻入五價(jià)元素的半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子是自由電子，稱為電子半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體。而摻入三價(jià)元素的半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子是空穴，稱為空穴半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體。在摻雜半導(dǎo)體中多數(shù)載流子（稱多子）數(shù)目由摻雜濃度確定，而少數(shù)載流子（稱少子）數(shù)目與溫度有關(guān)，并且溫度升高時(shí)，少數(shù)載流子數(shù)目會增加。

PN結(jié)的單向?qū)щ娦援?dāng)PN結(jié)加正向電壓時(shí)，P端電位高于N端，PN結(jié)變窄，而當(dāng)PN結(jié)加反向電壓時(shí)，N端電位高于P端，PN結(jié)變寬，視為截止（不導(dǎo)通）。4.1.2半導(dǎo)體二極管結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體二極管就是由一個(gè)PN結(jié)加上相應(yīng)的電極引線及管殼封裝而成的。由P區(qū)引出的電極稱為陽極，N區(qū)引出的電極稱為陰極。因?yàn)镻N結(jié)的單向?qū)щ娦?，二極管導(dǎo)通時(shí)電流方向是由陽極通過管子內(nèi)部流向陰極。二極管的種類按材料來分，最常用的有硅管和鍺管兩種；按用途來分，有普通二極管、整流二極管、穩(wěn)壓二極管等多種；按結(jié)構(gòu)來分，有點(diǎn)接觸型，面接觸型和硅平面型幾種，點(diǎn)接觸型二極管（一般為鍺管）其特點(diǎn)是結(jié)面積小，因此結(jié)電容小，允許通過的電流也小，適用高頻電路的檢波或小電流的整流，也可用作數(shù)字電路里的開關(guān)元件；面接觸型二極管（一般為硅管）其特點(diǎn)是結(jié)面積大，結(jié)電容大，允許通過的電流較大，適用于低頻整流；硅平面型二極管，結(jié)面積大的可用于大功率整流，結(jié)面積小的，適用于脈沖數(shù)字電路作開關(guān)管。4.1.3二極管的伏安特性1.正向特性當(dāng)外加正向電壓很低時(shí)，正向電流幾乎為零。當(dāng)正向電壓超過一定數(shù)值時(shí)，才有明顯的正向電流，這個(gè)電壓值稱為死區(qū)電壓，通常硅管的死區(qū)電壓約為0.5V,鍺管的死區(qū)電壓約為0.2V,當(dāng)正向電壓大于死區(qū)電壓后，正向電流迅速增長，曲 二極管的伏安特性線接近上升直線，在伏安特性的這一部分，當(dāng)電流迅速增加時(shí)，二極管的正向壓降變化很小，硅管正向壓降約為0.6~0.7V ，鍺管的正向壓降約為0.2~0.3V。二極管的伏安特性對溫度很敏感，溫度升高時(shí)，正向特性曲線向左移，這說明，對應(yīng)同樣大小的正向電流，正向壓降隨溫升而減小。研究表明，溫度每升高loC，正向壓降減小2mV。2.反向特性二極管加上反向電壓時(shí)，形成很小的反向電流，且在一定溫度下它的數(shù)量基本維持不變，因此，當(dāng)反向電壓在一定范圍內(nèi)增大時(shí)，反向電流的大小基本恒定，而與反向電壓大小無關(guān)，故稱為反向飽和電流，一般小功率鍺管的反向電流可達(dá)幾十yA，而小功率硅管的反向電流要小得多，一般在O.lyA以下，當(dāng)溫度升高時(shí)，少數(shù)載流子數(shù)目增加，使反向電流增大，特性曲線下移，研究表明，溫度每升高1OoC，反向電流近似增大一倍。反向擊穿特性當(dāng)二極管的外加反向電壓大于一定數(shù)值（反向擊穿電壓）時(shí)，反向電流突然急劇增加稱為二極管反向擊穿。反向擊穿電壓一般在幾十伏以上。反向擊穿后，電流的微小變化會引起電壓很大變化。

4.1.4二極管的主要參數(shù)1.最大整流電流Idm二極管長期工作時(shí)，允許通過的最大的正向平均電流2.反向工作峰URM是指管子不被擊穿所允許的最大反向電壓。3.反向峰二極管加反向電壓V時(shí)的反向電流值，RM越小二極管的單向?qū)щ娦杂?。RM硅管的反向電流較小，一般在幾微安以下，鍺管的反向電流較大，為硅管的幾十到幾百倍。最高工作頻率二極管在外加高頻交流電壓時(shí)，由于PN結(jié)的電容效應(yīng)，單向?qū)щ娮饔猛嘶?。M指的是二極管單向?qū)щ娮饔瞄_始明顯退化的交流信號的頻率。4.1.5二極管的應(yīng)用1.整流所謂整流，就是將交流電變成脈動(dòng)直流電。利用二極管的單向?qū)щ娦钥山M成單相和三相整流電路，再經(jīng)過濾波和穩(wěn)壓，就可以得到品平穩(wěn)的直流電。整流部二極管鉗位電路分的具體應(yīng)用在后面詳述。二極管鉗位電路2.鉗位利用二極管正向?qū)〞r(shí)壓降很小的特性，可組成鉗位電路，在圖中，若A點(diǎn)電位為零，則二極管導(dǎo)通，由于其壓降很小，故F點(diǎn)的電位也被鉗制在A點(diǎn)電位左右，即Uf約等于零。3．限幅利用二極管導(dǎo)通后壓降很小且基本不變的特性，可以構(gòu)成限幅電路，使輸出電壓幅度限制在某一電壓值內(nèi)。設(shè)輸入電壓ui=UmpinetV則輸出電壓的正向幅度被限制在Us值內(nèi)。4．二極管門電路門電路是一種邏輯電路，在輸入信號（條件）和輸出信號（結(jié)果）之間存在著一定的因果關(guān)系即邏輯關(guān)系。在邏輯電路中，通常用符號0和1來表示兩種對立的邏輯狀態(tài)。用1表示高電平，用0表示低電平，稱為正邏輯，反之為負(fù)邏輯特殊二極管本節(jié)學(xué)時(shí)0.5學(xué)時(shí)本節(jié)重點(diǎn)穩(wěn)壓二極管結(jié)構(gòu)和伏安特性；教學(xué)方法結(jié)合理論與實(shí)驗(yàn)，講解穩(wěn)壓二極管伏安特性。教學(xué)手段以傳統(tǒng)教學(xué)手段與電子課件相結(jié)合的手段，讓學(xué)生在有限的時(shí)間內(nèi)掌握更多的相關(guān)知識。教學(xué)內(nèi)容4.2.1穩(wěn)壓管1.結(jié)構(gòu)穩(wěn)壓管是一種特殊的面接觸型半導(dǎo)體硅二極管，具有穩(wěn)定電壓的作用。穩(wěn)壓管與普通二極管的主要區(qū)別在于，穩(wěn)壓管是工作在PN結(jié)的反向擊穿狀態(tài)。通過在制造過程中的工藝措施和使用時(shí)限制反向電流的大小，能保證穩(wěn)壓管在反向擊穿狀態(tài)下不會因過熱而損壞，而一般二極管擊穿后可能造成過熱而損壞。2.伏安特性曲線從穩(wěn)壓管的反向特性曲線可以看出，當(dāng)反向電壓較小時(shí)，反向電流幾乎為零，當(dāng)反向電壓增高到擊穿電壓Uz（也是穩(wěn)壓管的工作電壓）時(shí)，反向電流Iz（穩(wěn)壓管的工作電流）會急劇增加，穩(wěn)壓管反向擊穿。在特性曲線ab段，當(dāng)Iz在較大范圍內(nèi)變化時(shí)，穩(wěn)壓管兩端電壓Uz基本不變，具有恒壓特性，利用這一特性可以起到穩(wěn)定電壓的作用。穩(wěn)壓管電路、伏安特性及符號穩(wěn)壓管電路、伏安特性及符號穩(wěn)壓管的主要參數(shù)1）穩(wěn)定電壓UZ穩(wěn)壓管正常工作時(shí)，管子兩端的電壓。（2）動(dòng)態(tài)電阻rz穩(wěn)壓管在正常工作范圍內(nèi)，端電壓的變化量與相應(yīng)電流的變化量的比值。廠二也穩(wěn)壓管的反向特性愈陡，rZ愈小，穩(wěn)壓性能就愈好。zAI Zz（3）穩(wěn)定電流IZ穩(wěn)壓管正常工作時(shí)的參考電流值，只有I闿才能保證穩(wěn)壓管

有較好的穩(wěn)壓性能。（4）最大穩(wěn)定電流IZmax允許通過的最大反向電流，I>IZmax管子會因過熱而損壞。（5）最大允許功耗％管子不致發(fā)生熱擊穿的最大功率損耗PZM=UZIZmax（6）電壓溫度系數(shù)a溫度變化1oC時(shí)，穩(wěn)定電壓變化的百分?jǐn)?shù)定義為電壓溫度系數(shù)。電壓溫度系數(shù)越小，溫度穩(wěn)定性越好，通常硅穩(wěn)壓管在匕低于4V時(shí)具有負(fù)溫度系數(shù)，高于6V時(shí)具有正溫度系數(shù),Uz在4?6V之間，溫度系數(shù)很小。穩(wěn)壓管正常工作的條件有兩條，一是工作在反向擊穿狀態(tài),二是穩(wěn)壓管中的電流要在穩(wěn)定電流和最大允許電流之間。光電二極管又稱光敏二極管。它的管殼上備有一個(gè)(a) (b)光電二極管4.2.2光電二極管光電二極管又稱光敏二極管。它的管殼上備有一個(gè)(a) (b)光電二極管玻璃窗口，以便于接受光照。其特點(diǎn)是，當(dāng)光線照射于它的PN結(jié)時(shí)，可以成對地產(chǎn)生自由電子和空穴，使半導(dǎo)體中少數(shù)載流子的濃度提高。這些載流子在一定的反向偏置電壓作用下可以產(chǎn)生漂移電流，使反向電流增加。因此它的反向電流隨光照強(qiáng)度的增加而線性增加，這時(shí)光電二極管等效于一個(gè)恒流源。當(dāng)無光照時(shí)，光電二極管的伏安特性與普通二極管一樣。光電二極管的主要參數(shù)有：暗電流、光電流、靈敏度、峰值波長、響應(yīng)時(shí)間。光電二極管作為光控元件可用于物體檢測、光電控制、自動(dòng)報(bào)警等方面。大面積的光電二極管可作為一種綠色能源，稱為光電池。4.2.3發(fā)光二極管發(fā)光二極管是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成光能的光發(fā)射器件，簡稱LED它是由鎵、砷、磷等元素的化合物制成。這些材料構(gòu)成的PN加上正向電壓時(shí)，就會發(fā)出光來，光的顏色取決于制造所用的材料。發(fā)光二極管的伏安特性和普通二極管相似，死區(qū)電壓為0.9?1.1V,其正向工作電壓為1.5?2.5V,工作電流為5?15mA。反向擊穿電壓較低，一般小于10V。發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)電壓低、工作電流小，具有很強(qiáng)的抗振動(dòng)和沖擊能力、體積小、可靠性高、耗電省和壽命長等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于信號指示等電路中。半導(dǎo)體三極管本節(jié)學(xué)時(shí)2學(xué)時(shí)本節(jié)重點(diǎn)半導(dǎo)體三極管的伏安特性；教學(xué)方法結(jié)合理論與實(shí)驗(yàn)，講解半導(dǎo)體三極管的伏安特性，通過例題讓學(xué)生掌握二半導(dǎo)體極管的應(yīng)用。教學(xué)手段以傳統(tǒng)教學(xué)手段與電子課件相結(jié)合的手段，讓學(xué)生在有限的時(shí)間內(nèi)掌握更多的相關(guān)知識。教學(xué)內(nèi)容4.3.1三極管的基本結(jié)構(gòu)和類型1.類型按功率大小可分為大功率管和小功率管；按電路中的工作頻率可分為高頻管和低頻管；按半導(dǎo)體材料不同可分為硅管和鍺管；按結(jié)構(gòu)不同可分為NPN管和PNP管。2.結(jié)構(gòu)

無論是NPN型還是PNP型都分為三個(gè)區(qū)，分別稱為發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)，由三個(gè)區(qū)各引出一個(gè)電極，分別稱為發(fā)射極(E)、基極(B)和集電極(C),發(fā)射區(qū)和基區(qū)之間的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)，集電區(qū)和基區(qū)之間的PN結(jié)稱為集電結(jié)。在制造工藝上有如下三個(gè)特點(diǎn)：一是發(fā)射區(qū)摻雜濃度大于集電區(qū)摻雜濃度，集電區(qū)摻雜濃度遠(yuǎn)大于基區(qū)摻雜濃度；二是基區(qū)很薄，一般只有幾微米；三是集電區(qū)的截面積大，使的發(fā)射區(qū)與集電區(qū)不可互換。正是這三個(gè)特點(diǎn)使三極管具有電流控制和放大作用。4.3.2三極管的電流分配關(guān)系和放大作用三極管的發(fā)射結(jié)加正向電壓，集電結(jié)反向電壓，只有這樣才能保證三極管工作在放大狀態(tài)。結(jié)論：基極電流IB、集電極電流IC與發(fā)射極電流IE符合基爾霍夫電流定律，B C E即： IE=IB+ICEBC發(fā)射極電流IE和集電極電流IC幾乎相等，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基極電流IB,即E C BIE”IC>>IB三極管有電流放大作用，體現(xiàn)在基極電流的微小變化會引起集電極電流較大的變化。4.3.3三極管的特性曲線4.3.3三極管的特性曲線1．輸入特性曲線1B=f(UBE)U°’十CE常用UCE>1V的一條曲線來代表所有輸入特性曲線。和二極管一樣三極管的輸入伏安特性也是非線性的，也存在著死區(qū)電壓UT（或稱為門檻電壓）。硅管的死區(qū)電壓約為0.5V,鍺管的死區(qū)電壓約為0.2V。三極管導(dǎo)通時(shí)，發(fā)射結(jié)電壓U變化不大，硅管約為（0.6?0.7）V,鍺管約為BE（0.2~0.3）V。2.輸出特性曲線ICfmA)飽和區(qū)100^A4340^A2r區(qū)20uA1i截止區(qū)J￡=0 r3 69 12 UCE(V)三極管的輸出特性曲線=f(UCE)輸出特性曲線可分放大、截止和飽和三個(gè)區(qū)域。（1）放大區(qū)：特性曲線近似水平直線的區(qū)域?yàn)榉糯髤^(qū)。在這個(gè)區(qū)域里發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。（2）飽和區(qū)：飽和區(qū)是對應(yīng)于UCE較小的區(qū)域，此時(shí)UCE<UBE，發(fā)射結(jié)、CE CEBE集電結(jié)均處于正偏。規(guī)定U=UBE時(shí)的狀態(tài)稱為臨界飽和狀態(tài)，用UCES表示，CEBE CES

此時(shí)集電極臨界飽和電流：I二UCC-UCES沁U_CCCS R RCC基極臨界飽和電流：/=aBSB當(dāng)集電極電流IC>ICS時(shí)，認(rèn)為管子已處于飽和狀態(tài)。IC<ICS時(shí),管子處于放大狀態(tài)。管子深度飽和時(shí)，圭管的UCE約為0.3V,錯(cuò)管約為0.1V,由于深度飽和時(shí)UCECE CE約等于0,晶體管在電路中猶如一個(gè)閉合的開關(guān)。(3)截止區(qū)：IB=0的特性曲線以下區(qū)域稱為截止區(qū)。在這個(gè)區(qū)域中，集電B結(jié)處于反偏，UBE<0g射結(jié)反偏或零偏，即UC>UE^UBo電流IC很小(等于反向穿透電流ICE。)工作在截止區(qū)時(shí)，晶體管在電路中猶如一個(gè)斷開的開關(guān)。例1用直流電壓表測得放大電路中晶體管T1各電極的對地電位分別為Ux=1x+10V,Uy=0V,Uz=+0.7V,T2管各電極電位Ux=+0V,Uy=-0.3V,Uz=-5V,試判yzxyz斷T］和T2各是何類型、何材料的管子，X、yz各是何電極？解：根據(jù)工作在放大區(qū)中晶體管三極之間的電位關(guān)系，首先分析出三電極的最高或最低電位，確定為集電極,而電位差為導(dǎo)通電壓的就是發(fā)射極和基極。根據(jù)發(fā)射極和基極的電位差值判斷管子的材質(zhì)。在圖(a)中，z與y的電壓為0.7V,可確定為硅管，因?yàn)閁>U>U,xzy,所以x為集電極，y為發(fā)射極，z為基極，滿足UC>ub>UE,的關(guān)系，管子為NPN型。CBE在圖(b)中，x與y的電壓為0.3V，可確定為錯(cuò)管，又因U<U<U，所以z為集電極，x為發(fā)射極，y為基極，滿足UC<UB<UE的關(guān)系，管子為PNP型。CBE4.3.4三極管的主要參數(shù)1．電流放大系數(shù)⑴共射直流電流放大系數(shù)『。它表示集電極電壓一定時(shí)/集電極電流和基極電流之間的關(guān)系。即：仁1C-1CEO?乂1B 1B⑵共射交流電流放大系數(shù)H它表示在UCE保持不變的條件下，集電極電流的變化量與相應(yīng)的基極電流變化量之比，即:AI|P—CAI1uce常數(shù)B在今后估算時(shí)常認(rèn)為卩—卩。2．極間電流集電極反向飽和電流ICBO。ICBO是指發(fā)射極開路，集電極與基極之間加反向電壓時(shí)產(chǎn)生的電流，也是集電結(jié)的反向飽和電流，是由少數(shù)載流子形成的。作為晶體管的性能指標(biāo)，I越小越好。CBO穿透電流ICEO。ICEO是基極開路，集電極與發(fā)射極間加電