电子电路教案1-常用半导体器件1-3.doc

第一章 常用半导体器件1-1 晶体二极管一、半导体基础知识1.定义物质按导电能力的强弱可以分为：导 体：导电性能良好，金属类物质。半导体：一般条件下不能导电，陶瓷、玻璃、橡胶、塑料等。绝缘体：导电性能介于导体和绝缘体之间，硅、锗等。2.由于用作半导体材料的硅和锗必须是原子排列完全一致的单晶体，所以半导体管通常也称为晶体管。3.影响半导体导电能力的因素掺入的杂质 温度 光照4.本征半导体即纯净的单晶半导体，其内部存在数量相等的两种载流子：带负电的自由电子带正电的空穴制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。 硅原子空间排列及共价键结构平面示意图 (a) 硅晶体的空间排列 (b) 共价键结构平面示意图(c)补充：本征半导体的共价键结构硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子称为价电子。它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。这种结构的立体和平面示意图见上页图。电子空穴对当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自由电子。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。空穴的移动自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向运动也可形成空穴电流，它们的方向相反。只不过空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。5.杂质半导体在纯净半导体中掺入微量合适的杂质元素，可使半导体的导电能力大大增强，按掺入的杂质元素不同，可以分为：N型半导体：又称为电子型半导体多子：自由电子少子：空穴例如：单晶硅掺入微量磷元素N型硅P型半导体：又称为空穴型半导体多子：空穴少子：自由电子例如：单晶硅掺入微量硼元素P型硅二、晶体二极管的结构和特性1.二极管的结构和符号外壳(阴极)(阳极)P N阳极引线阴极引线结构符号A.文字符号：V或VD B.图形符号： 正极 负极2.二极管的单向导电性 加正向电压时二极管导通：二极管正极电位高于负极电位 特点：灯亮 二极管处于正向偏置（正偏），内部 呈现较小的电阻，有较大电流通过， 此时为正向导通状态。 图1加反向电压时二极管截止：二极管正极电位低于负极电位 特点：灯不亮 二极管处于反向偏置（反偏），内部 呈现很大的电阻，几乎无电流通过， 此时为反向截止状态。 图23.二极管的伏安特性曲线 正向特性 OA段：死区，外加正向电压很小，二极管呈现的电阻很大，正向电流几乎为零。 Uon：使二极管开始导通的临界电压，称为开启电压。 一般硅二极管Uon为0.5V，锗二极管Uon为0.1V。uF(V)0iR(A) iF(mA)ABBA0.2 0.4 0.6 0.8CDDC硅锗二极管伏安特性曲线302010AB段：导通区，二极管的电阻变得很小，进入正向导通状态。正向压降：二极管正向导通后两端的正向电压。一般硅二极管正向压降为0.7V，锗二极管正向压降为0.3V。反向特性 OC段：反向截止区，只有很小的电流，称为反向饱和电流或反向漏电流。 反向电流越小，二极管的质量越好。C点往下：反向击穿区，当反向电压增大到超过某一值时，反向电流急剧增大。UBR：反向击穿电压注意：加在二极管上的反向电压不允许超过击穿电压，否则会损坏，常用电阻与二极管串联进行限流。三、二极管的主要参数1.二极管的分类按材料分硅二极管：受温度影响较小，工作较为稳定。锗二极管：按制造工艺分点接触型：PN结面积小，结电容小，允许通过的电流小，常用于高频电路和小功率整流电路。面接触型：PN结面积大，结电容大，允许通过的电流大，但只能在低频下工作，通常仅用作整流管。平面型：结面积较小的可作为脉冲数字电路中的开关管，结面积较大的可用于大功率整流电路。按用途分 普通二极管、整流二极管、稳压二极管、开关二极管、热敏二极管、发光二极管、光电二极管、变容二极管等。2.二极管的型号国产二极管的型号命名方法第一部分：用数字表示管的电极数目例如：2-二极管 3-三极管第二部分：字母表示半导体管的材料和极性例如：A- N型锗管； B- P型锗管； C- N型硅管； D- P型硅管； E-化合物。第三部分：字母表示半导体管的类型 P-普通管；Z-整流管；W-稳压管；K-开关管；L-整流管。第四部分：用数字表示半导体管的序号第五部分：用字母表示区别代号国外二极管命名方法与我国不同，例如，1N开头的二极管都是美国制造或以美国专利在其他国家造的1S开头的则是日本注册的产品，后面数字是登记序号，通常数字越大，产品越新。1N4001、1N5408、1S1885。3.二极管的主要参数最大整流电流IFM：二极管长期运行时允许通过的最大正向平均电流。影响因素：PN结的面积、外部散热条件。注意：实际工作时二极管的正向平均电流不得超过此值，否则二极管可能会因过热而损坏。最高反向工作电压URM：二极管正常工作所允许外加的最高反向电压。通常取二极管反向击穿电压的1213。反向饱和电流IR：二极管未击穿时的反向电流。此值越小，二极管的单向导电性越好。由于反向电流是由少数载流子形成的，所以它受温度的影响较大。最高工作频率fM：二极管工作的上限频率。超过此值时，由于结电容的作用，二极管将不能很好地体现单向导电性。二极管结电容越大，则最高工作频率越低。一般，小电流二极管的fM高达几百兆赫；大电流整流管的fM只有几千赫兹。4.二极管的参数可以从二极管器件手册中查到，这些参数是我们选用器件和设计电路的重要依据。不同型号，其参数内容和参数值是不相同的；同一型号，它们的参数值也存在着很大差异。四、二极管的简易测试1.将万用表拨到R100或R1K电阻挡上，并将两表笔短接条零。注意：红-负，黑-正。2.将红黑两只表笔跨接在二极管的两端，正反向测两次电阻，比较测得的结果：若两值一个较小（几千欧姆以下）、一个较大（几百千欧），则说明二极管质量良好，且测得阻值较小的那一次，黑笔所接为二极管正极。若两次结果都很小（接近于零），说明二极管内部已短路。若两次结果都很大，说明二极管内部已开路。五、常用二极管1.整流二极管主要功能：将交流电转换成脉动直流电。常用系列：2CZ、2DZ等例题1：单相半波整流电路A为正，B为负，V承受正向电压=导通：uo= u2；A为负，B为正，V承受反向电压=截止：uo= 0。此时，负载RL上的脉动直流电压的估算公式为：U0=0.45U2例题2：单相全波整流电路A为正，B为负，V1导通，V2截止：uo= u2；A为负，B为正，V1截止，V2导通：uo= u2。此时，负载RL上的脉动直流电压的估算公式为：U0=0.9U2VD2.稳压二极管别名：齐纳二极管简称：稳 压 管功能：在电路中能起稳定电压作用。0IA（Izmin）IZIA（Izmax）IZmAUZUZVBAUZIZUBUA主要参数：A.稳定电压UZ：即稳压管的反向击穿电压。B.稳定电流IZ：指稳压管在稳定电压下的工作电流C.动态电阻rZ：指稳压管两端电压变化量UZ与通过电流变化量IZ之比，即：rZ=UZ/IZ注意：rZ越小，说明IZ引起的UZ变化越小动态电阻小的稳压管稳压性能好。3.发光二极管主要功能：将电能转换为光能的半导体器件；根据所用材料不同，可以发出红、黄、蓝、橙等不同颜色的光；有些特殊发光二极管还可以发出不可见光或激光；发光二极管的伏安特性与普通二极管相似，但正向导通电压稍大，约为1.52.5V；符号：LED常用型号：2EF31、2EF201等；极性区分：一般管脚引线较长者为正极，较短者为负极七段式显示器、电阵式显示器简介检测：A.500型万用表，选R10K挡，当测得正向电阻小于50K，反向电阻大于200K时均为正常。B.368型万用表，由于该表R1R1K挡都是使用3V电池，所以可用这几个挡测量，若二极管发光，显然管子是好的，并且与黑表笔相接的是发光二极管的正极。C.用数字式万用表测量时，可将发光二极管的两只管脚分别插入hFE插座的C、E检测孔，若二极管发光，在NPN挡插入C孔的管脚是正极。若二极管插入后，不发光，对调管脚后插入仍不发光，说明管子已坏。4.光电二极管别名：光敏二极管符号：光电二极管工作在反偏状态：当无光照时，反向电流很小，称为暗电流；当有光照时，反向电流增大，称为光电流。影响因素：入射光的强度、入射光的波长等。常用型号：2CU、2AU、2DU等系列。检测：用万用表的R1K挡测量它的反向电阻，要求无光照时电阻要大，有光照时电阻要小。若有、无光照差别很小，表明光电二极管质量不好。5.光电耦合器光电耦合器是由发光器件（如发光二极管）和光敏器件（如光电二极管、光电三极管）组合而成的一种器件。6.变容二极管变容二极管是利用PN结电容效应的一种特殊二极管符号：型号：2AC、2CC、2CE等1-2晶体三极管一、三极管的结构及分类 1.结构基极bbceceb集电区发射区发射结集电结基极bccbeeb基区发射极e集电极cNPN发射极e集电极cPNP两个结：发射结、集电结三个区：发射区、基区、集电区三个电极：发射极(Emitter)、基极(Base)、集电极(Collector)2.分类按结构分：NPN、PNP按材料分：硅管、锗管按工作频率分：高频管、低频管按功率分：小功率管、大功率管按用途分：普通放大二极管、开关二极管3.外形4.复合三极管小功率管作输入管，大功率管作输出管；输入管能为功率管提供基极电流，则连接正确；导电类型由输入管决定；输出功率由输出管决定；电流放大系数等于两管的乘积。四种类型的复合管5.型号国内命名国外命名：2N或2S开头，2表示两个PN结二、电流放大作用1.三极管的工作电压放大作用的条件：发射结正偏、集电结反偏就各极电位而言，NPN型：UCUBUEPNP型：UCUB黑笔接的是基极b阻值：均较小=NPN；均较大=PNP如果两次测得的阻值相差很大，则应调换黑笔所接管脚再测。2.确定集电极和发射极以NPN型为例，确定基极之后将红黑表笔分别接在两个未知电极上，指示无穷大；用手把基极和黑笔所接管脚捏紧，记下所测阻值；对调表笔，重复，再测得一个阻值； =比较两次阻值，读数较小的一次黑笔接的管脚为集电极c，另一只则为发射极e。如果两次测试表针均不动，说明三极管已失去放大能力。若为PNP型，方法同上，只是手同时捏的是基极和红笔所接管脚，结果读数较小的一次红笔所接的为集电极c，剩下的是发射极e。3.用数字万用表 选 挡；通过测PN结的正向压降正向压降大=发射结正向压降小=集电结 =确定管脚和管型；选NPN或PNP把三极管插入相应插孔，即可得hFE值。1-3场效应管晶体三极管（V）：电流控制型器件，输入电流控制输出电流场效应管（FET）：电压控制型器件，输入电压控制输出电流按沟道分：P沟道、N沟道按结构分：结型（J）、绝缘栅型（MOS）按工作方式分：耗尽型（D）、增强型（E）一、绝缘栅场效应管（MOSFET）以N沟道绝缘栅场效应管为例1.结构和符号结构P型硅衬底：掺杂浓度较低的P型硅片作衬底；高浓度的N型区：N区，引出两电极，源极Source、漏极Drain；SiO2绝缘层：绝缘层上再制作一层金属膜作为栅极Gate； =由于栅极和其他极及硅片之间是绝缘的，故称之为绝缘栅场效应管符号：衬底的尖头向内表示N沟道，反之表示P沟道；D极和S极之间的三段断续线表示增强型，连续线表示耗尽型。说明：场效应管G、D、S三极管B、C、E；B表示衬底（有时也用U表示），一般与源极相接。2.N沟道增强型绝缘栅场效应管工作原理：SiDUDSUGS DGP型硅衬底 N NN沟道增强型MOS管工作原理在漏源极之间加正向电压UDS，UGS由0开始增大：当UGS= 0 时，漏源之间没有导电沟道，iD=0；当UGS=UT（开启电压）时，漏源间形成导电沟道，产生漏极iD；UGS继续增大，导电沟变宽，iD越大。3.N沟道增强型绝缘栅场效应管特性曲线转移特性曲线：是指漏源电压UDS为定值，漏极电流iD与栅源电压UGS之间的关系曲线。UGS通过UGS的变化控制iD的变化。输出特性曲线：是指栅源电压UGS为定值，漏极电流iD与漏源电压UDS之间的关系曲线。可边电阻区（区）：UDS相对较小，iD随UDS增大而增大：（UDS=iD）UGS越大，曲线越陡：（UGS=曲线越陡）放大区或饱和区（区）：又称恒流区漏极电流基本不随UDS变化而变化（UDS=iD基本不变），只随UGS增大而增大，体现了UGS对iD的控制作用（UGS=iD）。击穿区（区）：当UDS增大到一定值时，场效应管内PN结被击穿，iD突然增大。（UDS至一定值=PN结击穿=iD突然）4.P沟道增强型绝缘栅场效应管结构：N型硅衬底：掺杂浓度较低的N型硅片作衬底；高浓度的P型区：P区，引出两电极，源极Source、漏极Drain；SiO2绝缘层：绝缘层上再制作一层金属膜作为栅极Gate；符号：衬底的尖头向内表示N沟道，反之表示P沟道；D极和S极之间的三段断续线表示增强型，连续线表示耗尽型。5.N沟道耗尽型场效应管的特性曲线UDS一定时：UGS=iDUGS由0正值增大，iD随之增大；UGS由0负值增大，iD随之减小。iD=0时所对应的UGS称为夹断电压，用UP表示。6.主要参数开启电压UT：当UDS为定值时，使增强型场效应管开始导通的UGS值。N沟道管：UT 0P沟道管：UT 0夹断电压UP：当UDS为定值，使耗尽型场效应管iD减小到近似为零时的UGS值。N沟道管：UP 0饱和漏极电流IDSS：当UGS=0，且UDS UP时，耗尽型场效应管所对应的漏极电流。跨导gm：当UDS为定值时，iD的变化量与UGS的变化量的比值。 ID UGS 反映了栅源电压对漏极电流的控制能力，单位：S（西门子）gm=漏极击穿电压U（BR）DS：当iD急剧上升时的UDS值，它是漏源极间所允许加的最大电压。栅极GNNPP+栅极GS 源极S 源极D 漏极D 漏极N型沟道P型沟道二、结型场效应管1.结构2.符号SDGDSG（a）N沟道 （b）P沟道3.注意：结型场效应管采用的是耗尽型工作方式，即当UGS=0时，iD0。N沟道结型场效应管的转移特性曲线uGS/ViD/mAUP4 3 2 1 0 6543214.转移特性曲线IDDSUGS=0时，iD值为IDDS；UGS负值越高，导电沟越窄，电阻增大，iD减小；当UGS达到夹断电压UP时iD=0。uDS/V夹断区恒流区(放大区)uGS=0V2 4 6 8 10 12 14 16 18可变电阻区-4V-3V-2ViD/mA543210-1V击穿区5.输出特性曲线三、各种场效应管的特性比较（详见课