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1、精选优质文档-倾情为你奉上第4章 常用半导体器件本章要求 了解PN结及其单向导电性，熟悉半导体二极管的伏安特性及其主要参数。理解稳压二极管的稳压特性。了解发光二极管、光电二极管、变容二极管。掌握半导体三极管的伏安特性及其主要参数。了解绝缘栅场效应晶体管的伏安特性及其主要参数。本章内容 目前使用得最广泛的是半导体器件半导体二极管、稳压管、半导体三极管、绝缘栅场效应管等。本章介绍常用半导体器件的结构、工作原理、伏安特性、主要参数及简单应用。本章学时 6学时4.1 PN结和半导体二极管本节学时 2学时本节重点 1、PN结的单向导电性； 2、半导体二极管的伏安特性； 3、半导体二极管的应用。教学方法
2、结合理论与实验，讲解PN结的单向导电性和半导体二极管的伏安特性， 通过例题让学生掌握二半导体极管的应用。4.1.1 PN结的单向导电性1. N型半导体和型半导体在纯净的四价半导体晶体材料（主要是硅和锗）中掺入微量三价（例如硼）或五价（例如磷）元素，半导体的导电能力就会大大增强。掺入五价元素的半导体中的多数载流子是自由电子，称为电子半导体或N型半导体。而掺入三价元素的半导体中的多数载流子是空穴，称为空穴半导体或型半导体。在掺杂半导体中多数载流子（称多子）数目由掺杂浓度确定，而少数载流子（称少子）数目与温度有关，并且温度升高时，少数载流子数目会增加。2.PN结的单向导电性当PN结加正向电压时，端电
3、位高于N端，PN结变窄,而当PN结加反向电压时，端电位高于端，PN结变宽,视为截止(不导通)。4.1.2 半导体二极管 1.结构半导体二极管就是由一个PN结加上相应的电极引线及管壳封装而成的。由区引出的电极称为阳极，区引出的电极称为阴极。因为PN结的单向导电性，二极管导通时电流方向是由阳极通过管子内部流向阴极。2. 二极管的种类按材料来分，最常用的有硅管和锗管两种；按用途来分，有普通二极管、整流二极管、稳压二极管等多种；按结构来分，有点接触型，面接触型和硅平面型几种，点接触型二极管（一般为锗管）其特点是结面积小，因此结电容小，允许通过的电流也小，适用高频电路的检波或小电流的整流，也可用作数字电
4、路里的开关元件；面接触型二极管（一般为硅管）其特点是结面积大，结电容大，允许通过的电流较大，适用于低频整流；硅平面型二极管，结面积大的可用于大功率整流，结面积小的，适用于脉冲数字电路作开关管。阴极 阴极 阴极 阴极 阴极阳极 阳极 阳极 阳极 阳极（a）符号 （b）点接触型 （c）面接触型 （d）硅平面型 （e）外形示意图 常用二极管的符号、结构和外形示意图4.1.3 二极管的伏安特性1. 正向特性60 40 20 0二极管的伏安特性I (mA)75 20死区20 750.4 0.8 U(V)302010当外加正向电压很低时，正向电流几乎为零。当正向电压超过一定数值时，才有明显的正向电流，这个
5、电压值称为死区电压，通常硅管的死区电压约为0.5V，锗管的死区电压约为0.2V，当正向电压大于死区电压后，正向电流迅速增长，曲线接近上升直线，在伏安特性的这一部分，当电流迅速增加时，二极管的正向压降变化很小，硅管正向压降约为0.60.7V，锗管的正向压降约为0.20.3V。二极管的伏安特性对温度很敏感，温度升高时，正向特性曲线向左移，这说明，对应同样大小的正向电流，正向压降随温升而减小。研究表明，温度每升高10C，正向压降减小2mV。2. 反向特性二极管加上反向电压时，形成很小的反向电流，且在一定温度下它的数量基本维持不变，因此，当反向电压在一定范围内增大时，反向电流的大小基本恒定，而与反向电
6、压大小无关，故称为反向饱和电流，一般小功率锗管的反向电流可达几十A，而小功率硅管的反向电流要小得多，一般在0.1A以下，当温度升高时，少数载流子数目增加，使反向电流增大，特性曲线下移，研究表明，温度每升高100C，反向电流近似增大一倍。3.反向击穿特性当二极管的外加反向电压大于一定数值（反向击穿电压）时，反向电流突然急剧增加称为二极管反向击穿。反向击穿电压一般在几十伏以上。反向击穿后，电流的微小变化会引起电压很大变化。4.1.4二极管的主要参数最大整流电流IDM二极管长期工作时，允许通过的最大的正向平均电流。反向工作峰值电压VRMURM是指管子不被击穿所允许的最大反向电压。反向峰值电流IRM二
7、极管加反向电压VRM时的反向电流值，IRM越小二极管的单向导电性愈好。硅管的反向电流较小，一般在几微安以下，锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。最高工作频率M二极管在外加高频交流电压时，由于结的电容效应，单向导电作用退化。M指的是二极管单向导电作用开始明显退化的交流信号的频率。4.1.5二极管的应用1整流所谓整流，就是将交流电变成脉动直流电。利用二极管的单向导电性可组成单相和三相整流电路，再经过滤波和稳压，就可以得到品平稳的直流电。整流部分的具体应用在后面详述。RAFDU（+）二极管钳位电路2钳位利用二极管正向导通时压降很小的特性，可组成钳位电路，在图中，若A点电位为零，则二极管导通，由
8、于其压降很小，故F点的电位也被钳制在A点电位左右，即UF约等于零。3限幅利用二极管导通后压降很小且基本不变的特性，可以构成限幅电路，使输出电压幅度限制在某一电压值内。设输入电压ui = UmsintV，则输出电压的正向幅度被限制在US值内。US （a）uo（b） USi uiRD ttuiu0USUm二极管限幅电路及波形4二极管门电路门电路是一种逻辑电路，在输入信号（条件）和输出信号（结果）之间存在着一定的因果关系即逻辑关系。在逻辑电路中，通常用符号0和1来表示两种对立的逻辑状态。用1表示高电平，用0表示低电平，称为正逻辑，反之为负逻辑。4.2特殊二极管本节学时 0.5学时本节重点 稳压二极管
9、结构和伏安特性；教学方法 结合理论与实验，讲解稳压二极管伏安特性。教学手段以传统教学手段与电子课件相结合的手段，让学生在有限的时间内掌握更多的相关知识。教学内容4.2.1 稳压管1.结构稳压管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管，具有稳定电压的作用。稳压管与普通二极管的主要区别在于，稳压管是工作在PN结的反向击穿状态。通过在制造过程中的工艺措施和使用时限制反向电流的大小，能保证稳压管在反向击穿状态下不会因过热而损坏，而一般二极管击穿后可能造成过热而损坏。2. 伏安特性曲线从稳压管的反向特性曲线可以看出，当反向电压较小时，反向电流几乎为零，当反向电压增高到击穿电压Uz（也是稳压管的工作电压）时，反
10、向电流Iz（稳压管的工作电流）会急剧增加，稳压管反向击穿。在特性曲线ab段，当Iz在较大范围内变化时，稳压管两端电压Uz基本不变，具有恒压特性，利用这一特性可以起到稳定电压的作用。Ui DZIZRDZUZ RLoIZ abUiIZUZUZ(a) (b) (C)稳压管电路、伏安特性及符号3.稳压管的主要参数（1）稳定电压UZ 稳压管正常工作时，管子两端的电压。（2）动态电阻rz 稳压管在正常工作范围内，端电压的变化量与相应电流的变化量的比值。 稳压管的反向特性愈陡，rZ愈小，稳压性能就愈好。（3）稳定电流IZ 稳压管正常工作时的参考电流值，只有IIZ，才能保证稳压管有较好的稳压性能。（4）最大稳
11、定电流 IZmax 允许通过的最大反向电流，I IZmax管子会因过热而损坏。（5）最大允许功耗PZM 管子不致发生热击穿的最大功率损耗PZM =UZ IZmax（6）电压温度系数V 温度变化10C时，稳定电压变化的百分数定义为电压温度系数。电压温度系数越小，温度稳定性越好，通常硅稳压管在VZ低于4V时具有负温度系数,高于6V时具有正温度系数, UZ在46V之间，温度系数很小。稳压管正常工作的条件有两条，一是工作在反向击穿状态,二是稳压管中的电流要在稳定电流和最大允许电流之间。(a) (b)光电二极管-+-+I4.2.2 光电二极管光电二极管又称光敏二极管。它的管壳上备有一个玻璃窗口，以便于接
12、受光照。其特点是，当光线照射于它的PN结时，可以成对地产生自由电子和空穴，使半导体中少数载流子的浓度提高。这些载流子在一定的反向偏置电压作用下可以产生漂移电流，使反向电流增加。因此它的反向电流随光照强度的增加而线性增加，这时光电二极管等效于一个恒流源。当无光照时，光电二极管的伏安特性与普通二极管一样。光电二极管的主要参数有：暗电流、光电流、灵敏度、峰值波长、响应时间。光电二极管作为光控元件可用于物体检测、光电控制、自动报警等方面。大面积的光电二极管可作为一种绿色能源，称为光电池。4.2.3 发光二极管 发光二极管-+发光二极管是一种将电能直接转换成光能的光发射器件，简称LED它是由镓、砷、磷等
13、元素的化合物制成。这些材料构成的PN加上正向电压时，就会发出光来，光的颜色取决于制造所用的材料。发光二极管的伏安特性和普通二极管相似，死区电压为0.91.1V，其正向工作电压为1.52.5V,工作电流为515mA。反向击穿电压较低，一般小于10V。发光二极管的驱动电压低、工作电流小，具有很强的抗振动和冲击能力、体积小、可靠性高、耗电省和寿命长等优点，广泛用于信号指示等电路中。4.3 半导体三极管本节学时 2学时本节重点 半导体三极管的伏安特性；教学方法 结合理论与实验，讲解半导体三极管的伏安特性， 通过例题让学生掌握二半导体极管的应用。教学手段以传统教学手段与电子课件相结合的手段，让学生在有限
14、的时间内掌握更多的相关知识。教学内容4.3.1 三极管的基本结构和类型1. 类型按功率大小可分为大功率管和小功率管；按电路中的工作频率可分为高频管和低频管；按半导体材料不同可分为硅管和锗管；按结构不同可分为NPN管和PNP管。2. 结构基极BTCEBTCEB基极B发射极E 发射极E 集电极C 集电极C N集电区P基区N发射区P集电区N基区P发射区无论是NPN型还是PNP型都分为三个区，分别称为发射区、基区和集电区，由三个区各引出一个电极，分别称为发射极（E）、基极（B）和集电极（C），发射区和基区之间的PN结称为发射结，集电区和基区之间的PN结称为集电结。在制造工艺上有如下三个特点：一是发射区
15、掺杂浓度大于集电区掺杂浓度，集电区掺杂浓度远大于基区掺杂浓度；二是基区很薄，一般只有几微米；三是集电区的截面积大，使的发射区与集电区不可互换。正是这三个特点使三极管具有电流控制和放大作用。4.3.2 三极管的电流分配关系和放大作用 三极管的发射结加正向电压，集电结反向电压，只有这样才能保证三极管工作在放大状态。结论：（1）基极电流IB、集电极电流IC与发射极电流IE符合基尔霍夫电流定律，即： IE = IB + IC（2）发射极电流IE和集电极电流IC几乎相等，但远远大于基极电流IB，即IE ICIB（3）三极管有电流放大作用，体现在基极电流的微小变化会引起集电极电流较大的变化。0.2 0.4
16、 0.6 0.8 UBE(V)806040200UCE1V IB (A)三极管的输入特性曲线UCE=04.3.3 三极管的特性曲线1输入特性曲线 常用UCE1V的一条曲线来代表所有输入特性曲线。和二极管一样三极管的输入伏安特性也是非线性的，也存在着死区电压UT（或称为门槛电压）。硅管的死区电压约为0.5V，锗管的死区电压约为0.2V。三极管导通时，发射结电压UBE 变化不大，硅管约为（0.60.7）V，锗管约为（0.20.3）V。2.输出特性曲线100A80A60A40A20AIB=03 6 9 12 UCE(V)截止区饱和区放 大 区IC (mA)4321 三极管的输出特性曲线 输出特性曲线
17、可分放大、截止和饱和三个区域。（1）放大区 ：特性曲线近似水平直线的区域为放大区。在这个区域里发射结正偏，集电结反偏。（2） 饱和区 ：饱和区是对应于UCE较小的区域，此时UCEICS时，认为管子已处于饱和状态。ICUEUB。电流IC很小，（等于反向穿透电流ICEO）工作在截止区时，晶体管在电路中犹如一个断开的开关。例1 用直流电压表测得放大电路中晶体管T1各电极的对地电位分别为Ux = +10V，Uy = 0V，Uz = +0.7V， T2管各电极电位Ux = +0V，Uy = -0.3V，Uz = -5V，试判断T1和T2各是何类型、何材料的管子，x、y、z各是何电极？yzyxT2zxT1
18、 (a) (b)解： 根据工作在放大区中晶体管三极之间的电位关系，首先分析出三电极的最高或最低电位，确定为集电极,而电位差为导通电压的就是发射极和基极。根据发射极和基极的电位差值判断管子的材质。（1） 在图（a）中，z与y的电压为0.7V，可确定为硅管，因为UxUz Uy,，所以x为集电极，y为发射极，z为基极，满足UCUB UE,的关系，管子为NPN型。（2）在图（b）中，x与y的电压为0.3V，可确定为锗管，又因UzUy Ux,，所以z为集电极，x为发射极，y为基极，满足UCUB UE的关系，管子为PNP型。4.3.4 三极管的主要参数1电流放大系数(1)共射直流电流放大系数。它表示集电极
19、电压一定时，集电极电流和基极电流之间的关系。即： (2)共射交流电流放大系数。它表示在UCE保持不变的条件下，集电极电流的变化量与相应的基极电流变化量之比，即: 在今后估算时常认为。2极间电流(1)集电极反向饱和电流ICBO。ICBO是指发射极开路，集电极与基极之间加反向电压时产生的电流，也是集电结的反向饱和电流，是由少数载流子形成的。作为晶体管的性能指标，ICBO越小越好。(2)穿透电流ICEO。 ICEO是基极开路，集电极与发射极间加电压时的集电极电流，由于这个电流由集电极穿过基区流到发射极，故称为穿透电流。在数量上，穿透电流和反向饱和电流有下列关系：ICEO=（1+）ICBO。在考虑到这
20、个因素时，晶体管工作在放大区设的集电极电流的表达式变为：IC=IB+ICEO。3极限参数 (1)集电极最大允许耗散功率PCM晶体管电流IC与电压UCE的乘积称为集电极耗散功率，晶体管在使用时，应保证PCICS，所以管子工作在饱和区。（2）因为基极偏置电源-2V小于管子的导通电压，管子的发射结反偏，管子截止，所以管子工作在截止区。（3）因为基极偏置电源+2V大于管子的导通电压，故管子的发射结正偏,管子导通基极电流:：因为ICICS，所以管子工作在放大区。4.4 绝缘栅型场效应晶体管本节学时 1.5学时本节重点 绝缘栅型场效应晶体管的伏安特性。教学方法 结合理论与实验，讲解绝缘栅型场效应晶体管的伏
21、安特性。教学手段以传统教学手段与电子课件相结合的手段，让学生在有限的时间内掌握更多的相关知识。教学内容场效应管是一种电压控制型的半导体器件，它具有输入电阻高（可达1091015），而噪声低，受温度、辐射等外界条件的影响较小，耗电省、便于集成等优点。，因此得到广泛应用。场效应管按结构的不同可分为结型和绝缘栅型；从工作性能可分耗尽型和增强型；所用基片（衬底）材料不同，又可分P沟道和N沟道两种导电沟道。4.4.1 绝缘栅型场效应管目前应用最广泛的绝缘栅场效应管是一种金属(M)氧化物(O)半导体(S)结构的场效应管，简称为MOS（Metal Oxide Semiconductor）管。1.N沟道增强M
22、OS型管(1) 基本结构符号用一块型半导体为衬底，在衬底上面的左、右两边制成两个高掺杂浓度的型区，用N+表示，在这两个N+区各引出一个电极，分别称为源极S和漏极D，管子的衬底也引出一个电极称为衬底引线b。管子在工作时b通常与S相连接。在这两个N+区之间的型半导体表面做出一层很薄的二氧化硅绝缘层，再在绝缘层上面喷一层金属铝电极，称为栅极G。 S G 铝 D P衬底DN+GGGbSSD Sio2N+b 绝缘层 PPP衬 b(衬底引线)（a） （b） （c）增强型MOS管的结构和符号(2) 输出特性 输出特性是指UGS为一固定值时，ID与UDS之间的关系，即 同三极管一样输出特性可分为三个区，可变电
23、阻区，恒流区和截止区。可变电阻区：区。该区对应UGSUT，UDS很小，UGD=UGSUDSUT的情况。该区的特点是：若UGS不变，ID随着UDS的增大而线性增加，可以看成是一个电阻，对应不同的UGS值，各条特性曲线直线部分的斜率不同，即阻值发生改变。因此该区是一个受UGS控制的可变电阻区，工作在这个区的场效应管相当于一个压控电阻。恒流区（亦称饱和区，放大区）：区。该区对应UGSUT，UDS较大，该区的特点是：若UGS固定为某个值时，随UDS的增大，ID不变，特性曲线近似为水平线，因此称为恒流区。而对应同一个UDS值，不同的UGS值可感应出不同宽度的导电沟道，产生不同大小的漏极电流ID，可以用一
24、个参数，跨导gm来表示UGS对ID的控制作用。gm定义为： 截止区（夹断区）：该区对应于UGSUT的情况，这个区的特点是：由于没有感生出沟道，故电流ID=0，管子处于截止状态。区为击穿区，当UDS增大到某一值时，栅、漏间的PN结会反向击穿，使ID急剧增加。如不加限制，会造成管子损坏。I D(mA) 区 区 区UGS=5V4.5V4V3.5V3V2.5V (VT)ID(mA) UDS=常数4UTT0 2 4 6 8 UGS(V)0 2 4 6 8 VDS(V)2541382612（a）输出特性 (b)转移特性N沟道增强型MOS管的特性曲线(4) 转移特性转移特性是指UDS为固定值时，ID与UGS
25、之间的关系，表示了UGS对ID的控制作用。即： ID可以近似地表示为： 其中IDSS是UGS=2UGS（th）时的值ID。2.沟道耗尽型MOS管ID(mA)IDSS(c)(d)bGDS-4 -2 0 2 4 VGS(V)268I D(mA)3V2V1VUGS=0V1V2V区 区区0 4 8 12 14 VDS(V)UDSUGSS G DID N沟道 P衬底N+N+(a)8246102(b) N沟道耗尽型绝缘栅场效应管沟道耗尽型MOS管的结构与增强型一样，所不同的是在制造过程中，在sio2绝缘层中掺入大量的正离子。当UGS=0时，由正离子产生的电场就能吸收足够的电子产生原始沟道，如果加上 正向U
26、DS电压，就可在原始沟道的中产生电流。其结构、符号如图所示。当UGS正向增加时，将增强由绝缘层中正离子产生的电场，感生的沟道加宽，ID将增大，当VGS加反向电压时，削弱由绝缘层中正离子产生的电场，感生的沟道变窄，ID将减小，当UGS达到某一负电压值UGS(off) = UP时，完全抵消了由正离子产生的电场则导电沟道消失， ID0，UP称为夹断电压。在UGSUP后，漏源电压UDS对ID的影响较小。它的特性曲线形状，与增强型MOS管类似。4.4.2 场效应管主要参数1场效应管与双极型晶体管的比较 (1) 场效应管的沟道中只有一种极性的载流子（电子或空穴）参于导电，故称为单极型晶体管。而在双极型晶体
27、三极管里有两种不同极性的载流子（电子和空穴）参于导电。(2) 场效应管是通过栅源电压UGS来控制漏极电流ID，称为电压控制器件。晶体管是利用基极电流IB来控制集电极电流IC，称为电流控制器件。(3) 场效应管的输入电阻很大，有较高的热稳定性，抗辐射性和较低的噪声。而晶体管的输入电阻较小，温度稳定性差，抗辐射及噪声能力也较低。(4) 场效应管的跨导gm的值较小，而双极型晶体管的值很大。在同样的条件下，场效应管的放大能力不如晶体管高。(5) 场效应管在制造时，如衬底没有和源极接在一起时，也可将D、S互换使用。而晶体管的C和E互换使用，称倒置工作状态，此时将变得在非常小。(6) 工作在可变电阻区的场
28、效应管，可作为压控电阻来使用。2场效应管的主要参数(1) 直流参数直流参数是指耗尽型MOS管的夹断点电位UP(UGS(off)，增强型MOS管的开启电压UT(UGS(on)以及漏极饱和电流IDSS，直流输入电阻RGS。(2) 交流参数低频跨导gm：gm的定义是当UDS=常数时，ugs的微小变量与它引起的iD的微小变量之比，即： 它是表征栅、源电压对漏极电流控制作用大小的一个参数，反映了场效应管的放大能力，单位为西门子s或ms。一般场效应管的跨导为零点几到几十毫西门子。极间电容：场效应管三个电极间存在极间电容。栅、源电容Cgs和栅、漏电容Cg d一般为13pF，漏源电容Cds约在0.11pF之间
29、。极间电容的存在决定了管子的最高工作频率和工作速度。(3) 极限参数最大漏极电流IDM：管子工作时允许的最大漏极电流。最大耗散功率PDM：由管子工作时允许的最高温升所决定的参数。漏、源击穿电压U（BR）DS：UDS增大时使ID急剧上升时的UDS值。栅、源击穿电压U（BR）GS：在MOS管中使绝缘层击穿的电压。3使用场效应管的注意事项（1）由于MOS场效应管的输入电阻很高，使得栅极间感应电荷不易泄放，而且绝缘层做得很薄，容易在栅源极间感应产生很高的电压，超过U（BR）GS而造成管子击穿。因此MOS管在使用时避免使栅极悬空。保存不用时，必须将MOS管各极间短接。焊接时，电烙铁外壳要可靠接地。（2）有些场效应管的漏极和源极不可以互换，因为衬底已经和源极连在一起这从管子的引脚数目可以区分。习题：p1104-2、4-3、4-6、4-9、4-10、4-12、4-13专心-专注-专业
