7 項目七 半導(dǎo)體器件

項目七半導(dǎo)體器件機械工業(yè)出版社半導(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知識要點機械工業(yè)出版社學(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。機械工業(yè)出版社半導(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；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；半導(dǎo)體材料的獨特性能是由其內(nèi)部的導(dǎo)電機理所決定的。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)體二極管機械工業(yè)出版社半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(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元素，即每個原子最外層電子數(shù)為4個。++Si(硅原子)Ge(鍺原子)硅原子和鍺原子的簡化模型圖Si+4Ge+4因為原子呈電中性，所以簡化模型圖中的原子核只用帶圈的+4符號表示即可。機械工業(yè)出版社

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，每一個原子均與相鄰的四個原子結(jié)合，即與相鄰四個原子的價電子兩兩組成電子對，構(gòu)成共價鍵結(jié)構(gòu)。＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4晶格結(jié)構(gòu)共價鍵結(jié)構(gòu)機械工業(yè)出版社＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4從共價鍵晶格結(jié)構(gòu)來看，每個原子外層都具有8個價電子。但價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。在游離走的價電子原位上留下一個不能移動的空位，叫空穴。受光照或溫度上升影響，共價鍵中價電子的熱運動加劇，一些價電子會掙脫原子核的束縛游離到空間成為自由電子。＋＋機械工業(yè)出版社＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4受光照或溫度上升影響，共價鍵中其它一些價電子直接跳進空穴，使失電子的原子重新恢復(fù)電中性。機械工業(yè)出版社(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。+五價元素磷(P)＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4P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。機械工業(yè)出版社＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4三價元素硼(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。－機械工業(yè)出版社

ＰＮ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Ｐ型半導(dǎo)體和Ｎ型半導(dǎo)體，它們的交界面就形成ＰＮ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，但它們并不能稱為半導(dǎo)體器件。在電子技術(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。在一塊晶片的兩端分別注入三價元素硼和五價元素磷

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+－－－－－－－－－－－－－－－－P區(qū)N區(qū)空間電荷區(qū)內(nèi)電場一、PN結(jié)的形成機械工業(yè)出版社ＰＮ結(jié)具有單向?qū)щ娦?/p>

正偏：在ＰＮ結(jié)上加正向電壓時，ＰＮ結(jié)電阻很低，正向電流較大，ＰＮ結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。反偏：加反向電壓時，ＰＮ結(jié)電阻很高，反向電流很小，ＰＮ結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。機械工業(yè)出版社二、二極管的結(jié)構(gòu)和符號

半導(dǎo)體二極管，其結(jié)構(gòu)與圖形符號如圖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)與圖形符號結(jié)構(gòu)圖形符號機械工業(yè)出版社

把PN結(jié)用管殼封裝，然后在P區(qū)和N區(qū)分別向外引出一個電極，即可構(gòu)成一個二極管。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)品實物圖。機械工業(yè)出版社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，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)。外加正向電壓超過死區(qū)電壓時，內(nèi)電場大大削弱，正向電流迅速增長，二極管進入正向?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

機械工業(yè)出版社當(dāng)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）。進入反向截止區(qū)。實際應(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，反向電流突然增大，二極管失去單向?qū)щ娦?，進入反向擊穿區(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．反向特性機械工業(yè)出版社（1）最大整流電流IDM：指二極管長期運行時，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：指二極管長期安全運行時所能承受的最大反向電壓值。手冊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：指二極管未擊穿時的反向電流。IR值越小，二極管的單向?qū)щ娦栽胶?。對溫度很敏感，溫度增加，反向電流會增加很大，這一點要特別加以注意。四、二極管的主要參數(shù)機械工業(yè)出版社二極管的應(yīng)用舉例注意：分析實際電路時為簡單化，通常把二極管進行理想化處理，即正偏時視其為“短路”，截止時視其為“開路”。UD=0UD=∞正向?qū)〞r相當(dāng)一個閉合的開關(guān)+－+－+－D+－D+－+－DPN+－反向阻斷時相當(dāng)一個打開的開關(guān)+－DPN(1)二極管的開關(guān)作用機械工業(yè)出版社(2)二極管的限幅作用+－DuS10KΩ

IN4148+－u0iD圖示為一限幅電路。電源uS是一個周期性的矩形脈沖，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，二極管反偏截止，此時電路可視為開路，輸出電壓u0=0V；當(dāng)輸入電壓ui=+5V時，二極管正偏導(dǎo)通，導(dǎo)通時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機械工業(yè)出版社半導(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？為何會出現(xiàn)死區(qū)電壓？

把一個1.5V的干電池直接正向聯(lián)接到二極管的兩端，會出現(xiàn)什么問題？二極管的伏安特性曲線上分為幾個區(qū)？能否說明二極管工作在各個區(qū)時的電壓、電流情況？

復(fù)習(xí)與檢驗為什么二極管的反向電流很小且具有飽和性？當(dāng)環(huán)境溫度升高時又會明顯增大

？機械工業(yè)出版社I(mA)40302010

0-5-10-15-20(μA)

0.40.8－12－8－4U(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ΔIZΔUZ1.穩(wěn)壓二極管實物圖圖符號及文字符號顯然穩(wěn)壓管的伏安特性曲線比普通二極管的更加陡峭。五、特殊二極管

工作區(qū)域機械工業(yè)出版社+US－DZ使用穩(wěn)壓二極管時應(yīng)該注意的事項(1)穩(wěn)壓二極管正負極的判別DZ+－(2)穩(wěn)壓二極管使用時，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

300V，穩(wěn)壓二極管在工作時的正向壓降約為0.6V。機械工業(yè)出版社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，通過二極管的電流會急劇增加。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，這時管子兩端電壓變化很小，利用這一點可以達到“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。機械工業(yè)出版社發(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。實物圖圖符號和

文字符號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)光二極管機械工業(yè)出版社

光敏二極管也稱光電二極管，是將光信號變成電信號的半導(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，反向電流很??；有光照射時，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。其強度與光照強度成正比。光電管管殼上有一個能射入光線的“窗口”，這個窗口用有機玻璃透鏡進行封閉，入射光通過透鏡正好射在管芯上。實物圖圖符號和

文字符號

3．光敏二極管光敏二極管可用于光的測量，亦可作為一種能源使用，稱為光電池。機械工業(yè)出版社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。機械工業(yè)出版社1.利用穩(wěn)壓管或普通二極管的正向壓降，是否也可以穩(wěn)壓？你會做嗎？檢驗學(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UD＝1.5V，正向電流在5~15mA時才能正常工作。試問圖中開關(guān)S在什么位置時發(fā)光二極管才能發(fā)光？R的取值范圍又是多少？

機械工業(yè)出版社

半導(dǎo)體三極管又稱晶體三極管或雙極型晶體管，簡稱晶體管。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機械工業(yè)出版社注意：圖中箭頭方向為發(fā)射結(jié)正向偏置時電流的方向。晶體管分有NPN型和PNP型，雖然它們外形各異，品種繁多，但它們的共同特征相同：都有三個分區(qū)、兩個PN結(jié)和三個向外引出的電極：一、晶體管的結(jié)構(gòu)和符號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)機械工業(yè)出版社發(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)合機會，基區(qū)做得很薄，一般為幾個微米，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?？梢?，雙極型三極管并非是兩個PN結(jié)的簡單組合，而是利用一定的摻雜工藝制作而成。因此，絕不能用兩個二極管來代替，使用時也決不允許把發(fā)射極和集電極接反。機械工業(yè)出版社1．晶體管的工作電壓實現(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”機械工業(yè)出版社結(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散到基區(qū)，并不斷從電源補充進電子，形成發(fā)射極電流IE。1.發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴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散到了集電結(jié)邊緣。2.電子在基區(qū)的擴散和復(fù)合過程集電結(jié)由于反偏，可將從發(fā)射區(qū)擴散到基區(qū)并到達集電區(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。機械工業(yè)出版社2．晶體管各個電極的電流分配

實驗電路為晶體管的共集電極放大電路。4.053.182.361.540.72<0.01IE(mA)3.953.102.301.500.70<0.01IC(mA)0.100.080.060.040.020IB(mA)基極電流IB（

小電流）控制著集電極電流IC（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。機械工業(yè)出版社三、晶體管的特性曲線

1．輸入特性曲線

特性曲線是指各極電壓與電流之間的關(guān)系曲線指在晶體管的集射電壓Uce

為定值的情況下，基極電流Ib與基射電壓Ube

兩個變量的函數(shù)關(guān)系曲線。

若Uce=0，相當(dāng)于把晶體管的C、E

極之間短路，UCE=0VUBE

/VIB

/A0UCE=0VUBB+RB令UBB從0開始增加IBIE=IBUBEUCE=0時的輸入特性曲線bce此時若給發(fā)射結(jié)加上正向電壓，有：機械工業(yè)出版社把晶體管的C、E

極之間短路并給發(fā)射結(jié)加上正向電壓時，發(fā)射結(jié)和集電結(jié)正向并聯(lián)，均處于導(dǎo)通狀態(tài)，因此，晶體管的輸入特性曲線與二極管正向伏安特性十分相似。機械工業(yè)出版社UCE=0.5VUCE=0VUBE

/VIB

/A0UBBUCCRC++RB令UBB重新從0開始增加IBICUBE增大UCC讓UCE=0.5VUCE=1VUCE=0.5VUCE=0.5V的特性曲線繼續(xù)增大UCC讓UCE=1V令UBB重新從0開始增加UCE=1VUCE=1V的特性曲線繼續(xù)增大UCC使UCE=1V以上的多個值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：之后的所有輸入特性幾乎都與UCE=1V的特性相同，曲線基本不再變化。實用中三極管的UCE值一般都超過1V，所以其輸入特性通常采用UCE=1V時的曲線。UCE>1V的特性曲線機械工業(yè)出版社(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，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。UCEUBBUCCRC++RBICIBUBEmA

AIE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

/mA0機械工業(yè)出版社UBBUCCRC++RBICIBUBEmA

AIE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UCE的增加而急劇增大。當(dāng)UCE增至一定數(shù)值時(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。機械工業(yè)出版社

IB一定時，當(dāng)UCE超過1V以后，即使UCE繼續(xù)增大，集電極電流IC也不會再有明顯的增加，具有恒流特性。UCE/VIC

/mA020AIB=040A60AIB=100A80A43211.52.3當(dāng)IB增大時，相應(yīng)IC也增大，輸出特性曲線上移，且IC增大的幅度比對應(yīng)IB大得多。這一點正是晶體管的電流放大作用。ΔIC機械工業(yè)出版社UCE/VIC

/mA020AIB=040A60AIB=100A80A43211.52.3輸出特性曲線上一般可分為四個區(qū)：飽和區(qū)。當(dāng)發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為正向偏置時，三極管處于飽和狀態(tài)。此時集電極電流IC與基極電流IB之間不再成比例關(guān)系，IB的變化對IC的影響很小。截止區(qū)。當(dāng)基極電流IB等于0時，晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)。實際上當(dāng)基射電壓處在死區(qū)范圍時，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。此時晶體管具有電流放大作用。IB、IC成正比關(guān)系。以上三個區(qū)為晶體管的正常工作區(qū)。機械工業(yè)出版社（4）擊穿區(qū)

當(dāng)UCE大于某一值后，IC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。機械工業(yè)出版社四、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)估算時，。機