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第1章常用半导体器件 本章要点 本章导读 半导体二极管 三极管 场效应管是电子电路中的重要元件 本章将讨论它们的结构 工作原理 特性 主要参数及检测方法 为以后学习各种电路打下基础 1 1半导体和PN结 1 1 1半导体 导体 半导体和绝缘体 按导电能力的大小划分 半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间 半导体之所以得到广泛的应用 是因为人们发现半导体具有三个奇妙且可贵的特性 掺杂性 热敏性 光敏性 1 1 2N型半导体和P型半导体 掺入杂质后的半导体称为杂质半导体 杂质半导体分为N型半导体和P型半导体两类 若在纯净的四价元素硅中采用一定的制造工艺 掺入微量五价元素 例如磷 N型半导体 若在纯净的四价元素硅中采用一定的制造工艺掺入微量的三价元素 例如硼 P型半导体 1 1 3PN结及其单向导电性 1 PN结的形成用特定的制造工艺使P型半导体和N型半导体相结合 在其交界面上将形成一个特殊的薄层 这个薄层就是PN结 图1 2为PN结的结构示意图 其中字母P代表P型半导体 字母N代表N型半导体 中间划有虚线的部分代表PN结 2 PN结的单向导电性 PN结加正向电压导通 加反向电压截止 这种导电特性就称为PN结的单向导电性 1 2半导体二极管 1 2 1二极管的结构与符号PN结加上引出线和管壳就构成半导体二极管 简称二极管 二极管的结构示意图 二极管的符号 1 2 2二极管的伏安特性和参数 1 观察二极管的导电性 a 观察指示灯是否发亮 b 再观察指示灯的亮暗情况 2 二极管的主要特性 1 加正向电压导通在二极管的两电极加上电压 称为给二极管以偏置 2 加反向电压截止与正向偏置相反 如果将电源负极与二极管的正极相连 电源正极与二极管的负极相连 称为反向偏置 简称反偏 综上所述 二极管具有 加正向偏压导通 加反向偏压截止 的导电特性 即单向导电性 它是二极管最重要的特性 小知识二极管为什么具有单向导电性 二极管的核心是PN结 因此二极管的单向导电性是由PN结的特性所决定的 1 PN结加上正向电压的情况将PN结的P区接电源正极 N区接电源负极 此时外加电压对PN结产生的电场与PN结内电场方向相反 削弱了PN结内电场 使得多数载流子能顺利通过PN结形成正向电流 并随着外加电压的升高而迅速增大 即PN结加正向电压时处于导通状态 2 PN结加上反向电压的情况将PN结的P区接电源的负极 N区接电源正极 此时外加电压对PN结产生的电场与PN结内电场方向相同 加强了PN结内电场 多数载流子在电场力的作用下难于通过PN结 反向电流非常微小 即PN结加反向电压时处于截止状态 3 二极管的伏安特性曲线 1 正向特性曲线 2 反向特性曲线 3 反向击穿特性曲线 4 二极管的主要参数 1 最大整流电流 2 最高反向工作电压 3 反向电流 1 2 3二极管的应用 二极管限幅电路 二极管限幅电路可用作保护电路 以防止半导体器件由于过压而被损坏 也可用来产生数字信号中的恒幅波 思考题 1 画出二极管的符号和文字符号 并说明二极管的主要特性 2 二极管伏安特性的物理意义是什么 3 选用二极管时主要考虑哪些参数 并说明参数的含义 4 锗二极管与硅二极管的主要差异是什么 各适用于哪些场合 5 有一只二极管 测得正向电阻1 2k 反向电阻520k 该管子能使用吗 1 2 4特殊二极管及其应用 1 稳压二极管 以下称稳压管 1 工作特性及应用 它是一种用特殊工艺制造的硅二极管 只要反向电流不超过极限电流 管子工作在击穿区并不会损坏 属可逆击穿 这与普通二极管破坏性击穿是截然不同的 稳压管工作在反向击穿区域时 利用其陡峭的反向击穿特性在电路中起稳定电压作用 稳压管主要用于恒压源 辅助电源和基准电源电路 在数字逻辑电路中还常用作电平转移等 稳压管的伏安特性曲线 稳压管的应用 2 稳压管的主要参数稳定电压稳定电流最大稳定电流耗散功率动态电阻温度系数k反映由温度变化而引起的稳定电压变化 2 发光二极管发光二极管是一种把电能变成光能的半导体器件 由磷化镓 砷化镓等半导体材料制成 符号如图1 14 a 所示 发光二极管的种类按外形可分为 圆形 方形等 如图1 14 b 所示 3 光电二极管光电二极管又称为光敏二极管 其符号和元件外形如图1 16所示 光电二极管也是由一个PN结构成 但是它的PN结面积较大 通过管壳上的一个玻璃窗口来接收入射光 光电二极管常用作传感器的光敏元件 可将光信号转换为电信号 大面积的光电二极管可用来作电源 即光电池 4 无引线片状二极管无引线片状二极管在目前的电子产品中得到了广泛应用 它的特点是体积小 重量轻 高频性能好 形状简单 尺寸标准化 焊点处于元件的两端 便于自动化装配 片状元件尺寸很小 其表面已无法详细标出元件的名称和规格 因而通常用缩减的符号来表示元件的基本参数 常见的片状二极管器件有 肖特基二极管 稳压二极管 开关二极管 复合二极管和变容二极管五种类型 分类 重点 1 肖特基二极管 常见的肖特基二极管封装形式 2 稳压二极管稳压值在2 30V 额定功率为0 5W的片状稳压二极管的封装多采用SOT 23形式 额定功率为1W的多采用SOT 89 1W 形式封装 3 开关二极管该类管子用于数字脉冲电路及电子开关电路 片状开关管分为单开关二极管和复合开关二极管两大类 4 复合二极管所谓 复合二极管 是指在一个封装内 包含有2个以上的二极管 以满足不同的电路工作要求 同时可减小元器件的数量和体积 复合二极管的组合形式有共阴极式 共阳极式 串联式和独立输出式等类型 复合二极管的组合形式 复合二极管的常见封装形式 1 3半导体三极管 1 3 1三极管的结构半导体三极管又称为晶体三极管 三极管的管芯由三层半导体构成 三层半导体形成两个背靠背的PN结 三层半导体分别称为发射区 基区和集电区 各区引出一个电极依次称为发射极E 基极B和集电极C 两个PN结分别称为发射结和集电结 三极管符号中箭头的方向表示发射结加正向电压时 发射极电流的方向 发射区掺杂浓度高 基区很薄且掺杂浓度低 集电结面积大 制造三极管时应具备的结构特点 1 3 2三极管的电流放大作用 1 三极管的工作条件二极管的主要性能是单向导电性 三极管的主要性能是具有电流放大作用 三极管具有放大作用的外部条件是必须外加合适的偏置电压 使三极管的发射结处于正向偏置 集电结处于反向偏置 2 三极管的电流放大作用 三极管电流放大作用测试电路 若把图中的三极管看做一个广义的结点 则以上关系符合基尔霍夫电流定律 1 3 3三极管在放大电路中的三种连接方式 发射极接法 共基极接法和共集电极接法 无论哪种接法 要想使三极管有放大作用 都必须保证发射结正向偏置 集电结反向偏置这个工作条件 1 3 4三极管的伏安特性曲线 1 三极管输入特性曲线 输入特性曲线与二极管的伏安特性曲线形状相似 因为三极管的基极与发射极之间也是一个PN结 三极管输入特性曲线也有死区 硅管死区电压约为0 5V 锗管约为0 1V 1 3 4三极管的伏安特性曲线 2 三极管输出特性曲线 根据三极管的不同工作状态 输出特性曲线可分为三个工作区 即放大区 截止区和饱和区 1 3 5三极管的主要参数 1 电流放大系数 电流放大系数 表明管子的电流放大能力 常用三极管的 值通常在20 200之间 在一般放大电路中 采用 为30 80的三极管为宜 值太小放大作用差 但 太大易使管子性能不稳定 2 极间反向电流 1 集电极 基极反向饱和电流 2 集电极 发射极反向饱和电流3 极限参数 1 集电极最大允许电流 2 集电极 发射极间反向击穿电压 3 集电极最大允许管耗 1 3 6片状三极管器件 1 片状三极管外形额定功率在100 200mW的小功率三极管采用SOT 23形式封装 大功率三极管多采用SOT 89形式封装 1 3 6片状三极管器件 2 带阻片状三极管带阻片状三极管是指在三极管的管芯内加入一只电阻或两只电阻 1 3 6片状三极管器件 3 组合双三极管组合双三极管是指一个封装内包含有两只三极管 有些还带有偏置电阻 1 4场效应管 1 4 1结型场效应管1 结构和符号 N沟道结型场效应管 P沟道结型场效应管 2 工作原理 三极管与场效应管工作原理对比示意图 3 特性曲线 N沟道结型场效应管的特性曲线 讨论 可变电阻区可变电阻区位于特性曲线的起始上升部分 恒流区 放大区 恒流区位于输出特性曲线的近似水平部分 击穿区恒流区的右边 曲线向上弯曲的部分是击穿区 4 主要参数 1 直流参数 夹断电压 饱和漏极电流 直流输入电阻 2 交流参数 3 极限参数 最大漏源电压 最大栅源电压 最大耗散功率 1 4 2绝缘栅场效应管 1 N沟道增强型绝缘栅场效应管 1 结构和符号 N沟道增强型MOS管结构示意图 1 4 2绝缘栅场效应管 1 N沟道增强型绝缘栅场效应管 2 工作原理 N沟道增强型MOS管工作原理示意图 1 4 2绝缘栅场效应管 1 N沟道增强型绝缘栅场效应管 3 特性曲线 N沟道增强型MOS管的特性曲线 1 4 2绝缘栅场效应管 2 N沟道耗尽型MOS管 1 结构和符号 耗尽型MOS管的结构和符号 1 4 2绝缘栅场效应管 2 N沟道耗尽型MOS管 2 工作原理 工作条件 放大作用 1 4 2绝缘栅场效应管 2 N沟道耗尽型MOS管 3 特性曲线 N沟道耗尽型MOS管的特性曲线 1 4 3场效应管使用注意事项 1 结型场效应管的栅源电压不能接反 因为它工作在反偏状态 2 MOS管因栅极与其他部分绝缘 栅极极易感应而产生高电压致使管子击穿损坏 所以栅极不能悬空 3 单极型晶体管与双极型晶体管使用上的比较场效应管参与导电的只有一种载流子 多数载流子 例如N沟道的场效应管参与导电的是电子载流子 因此场效应管又称为单极型晶体管 半导体三极管中两种极性的载流子 多数载流子和少数载流子 都参与导电 所以也称为双极型晶体管 本章小结 1 半导体具有热敏性 光敏性和掺杂性 因而成为制造电子元器件的关键材料 2 二极管是由一个PN结构成 其最主要的特性是具有单向导电性 该特性可由伏安特性曲线准确描述 3 特殊二极管主要有稳压二极管 发光二极管 光电