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第四章半导体器件,第一节半导体材料及PN结,一、本征半导体,纯净的、晶体结构完整的半导体称为本征半导体，常温下其电阻率很高，是电的不良导体。,当温度升高或受到外界其他因素影响时，少数价电子获得能量从而挣脱共价键的束缚，成为自由电子，在原来的共价键的相应位置留下一个空位，称之为“空穴”。,A处为空穴，B处为自由电子。因为自由电子与空穴是成对出现的，所以称为电子空穴对，此时整个原子对外仍然呈现电中性，这种现象就称为本征激发。,可见，在本征半导体中存在两种载流子：带负电荷的电子载流子和带正电荷的空穴载流子。,二、杂质半导体,(一)N型半导体,在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体。,N型半导体也称为电子型半导体。,(二)P型半导体,纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位子，就形成P型半导体。,P型半导体也称为空穴型半导体。,三、PN结,（一）PN结的形成,在这个区域内，多数载流子或已扩散到对方，或被对方扩散过来的多数载流子(到了本区域后即成为少数载流子了)复合掉了，即多数载流子被消耗尽了，所以又称此区域为耗尽层，它的电阻率很高，为高电阻区。,P区一侧呈现负电荷，N区一侧呈现正电荷，因此空间电荷区出现了方向由N区指向P区的电场，由于这个电场是载流子扩散运动形成的，而不是外加电压形成的，故称为内电场,(二)PN结的单向导电性,PN结在未加外加电压时，扩散运动与漂移运动处于动态平衡，通过PN结的电流为零。,外加正向电压（正偏）,外加反向电压（反偏）,PN结的击穿特性,第二节半导体二极管,一、半导体二极管的结构,半导体二极管简称“二极管”。它是由一个PN结组成的器件，具有单向导电的性能，因此，常用它作为整流或检波的器件。二极管有两个电极，接P型半导体的引线叫阳极，接N型半导体的引线叫阴极,二极管在电路中常用“VD”加数字表示，如：VD5表示编号为5的二极管。,二极管按材料分，有锗二极管、硅二极管和砷化镓二极管，前两种应用最广泛。,按用途分有整流二极管、检波二极管、开关二极管、稳压二极管、变容二极管、发光二极管等。按结构不同分为点接触型二极管和面接触型二极管,二、二极管的特性和主要参数,（一）二极管的伏安特性,（二）二极管参数,一般的检波、整流二极管主要有以下四个参数：,最大整流电流,IEM,最大反向电压,最大反向电流,最高工作频率,URM,IRM,fM,三、二极管的基本应用,（一）整流,整流是利用二极管的单向导电性，将交流电变为单向脉动直流电的过程。最简单的整流电路如图（a）,如图（b）所示。,（二）限幅,限幅电路是用来限制输入信号电压范围的电路。它利用二极管的单向导电性和导通后两端电压基本不变的特点，在电路中作为限幅元件，从而把信号幅度限制在一定范围内，最简单的限幅电路如图（a）所示。,四、几种常见的二极管,最常见、最普通的二极管是整流管、检波管、开关管和发光二极管。,（一）整流二极管,整流二极管是面接触型的，多采用硅材料构成。,整流二极管有金属封装和塑料封装两种。,（二）检波二极管,检波的作用是把调制在高频电磁波上的低频信号检取出来。,检波效率=（直流输出电压/输入信号电压峰值）100%,（三）开关二极管,开关二极管有开关速度快、体积小、寿命长、可靠性高等优点，广泛应用于自动控制电路中。开关二极管多以玻璃及陶瓷外形封装，以减小管壳电容。,（四）发光二极管,半导体发光二极管是用PN结把电能转换成光能的一种器件，它可用作光电传感器、测试装置、遥测遥控设备等。按其发光波长，可分为激光二极管，红外发光二极管与可见光发光二极管。可见光发光常简称发光二极管。,小电流发光二极管体积小，根据需要，外形可以做成圆形、方形、圆柱形、矩阵形等多种，发光二极管在电路中的符号如图,第三节半导体三极管,一、半导体三极管的基本结构和类型,半导体三极管的结构示意图如图所示。它有两种类型：NPN型和PNP型。包含三层半导体：基区(相连电极称为基极，用B或b表示);发射区(相连电极称为发射极，用E或e表示);集电区(相连电极称为集电极，用C或c表示)。E-B间的PN结称为发射结，C-B间的PN结称为集电结。,二、双极型半导体三极管,（一）双极型半导体三极管的结构,双极型半导体三极管有两种类型：NPN型和PNP型。中间部分称为基区，相连电极称为基极，用B或b表示；一侧称为发射区，相连电极称为发射极，用E或e表示；另一侧称为集电区和集电极，用C或c表示。,E-B间的PN结称为发射结(Je)，C-B间的PN结称为集电结(Jc)。,（二）双极型半导体三极管的电流分配与控制,双极型半导体三极管在工作时一定要加上适当的直流偏置电压。若在放大工作状态：发射结加正向电压，集电结加反向电压。现以NPN型三极管的放大状态为例，来说明三极管内部的电流关系，见图,由以上分析可知，发射区掺杂浓度高，基区很薄，是保证三极管能够实现电流放大的关键。若两个PN结对接，相当基区很厚，所以没有电流放大作用，基区从厚变薄，两个PN结演变为三极管。,（三）双极型半导体三极管的电流关系,1.三种组态,双极型三极管有三个电极，其中两个可以作为输入，两个可以作为输出，这样必然有一个电极是公共电极。三种接法也称三种组态，见图,共发射极接法：发射极作为公共电极，用CE表示;共集电极接法：集电极作为公共电极，用CC表示;共基极接法：基极作为公共电极，用CB表示。,2.三极管的电流放大系数,定义：,三、双极型半导体三极管的特性曲线,共发射极接法三极管的特性曲线为：,B表示输入电极，C表示输出电极，E表示公共电极。所以这两条曲线是共发射极接法的特性曲线。,共发射极接法的供电电路和电压-电流关系如图,（一）输入特性曲线,共发射极接法的输入特性曲线见图,其中的那一条相当于发射结的正向特性曲线。,输入特性曲线的分区为死区非线性区线性区,（二）输出特性曲线,共发射极接法的输出特性曲线如图,它是以为参变量的一族特性曲线。,输出特性曲线可以分为三个区域：,饱和区,截止区,放大区,四、半导体三极管的参数,半导体三极管的参数分为直流参数、交流参数和极限参数三大类。,（一）直流参数,1.直流电流放大系数：,共基极直流电流放大系数：,2.极间反向电流,集电极-基极间反向饱和电流,集电极-发射极间的反向饱和电流,（二）交流参数,1.交流电流放大系数,共发射极交流电流放大系数:,共基极交流电流放大系数：,2.特征频率,（三）极限参数,五、半导体三极管的型号,国家标准对半导体三极管的命名如下：,第二位：A表示锗PNP管、B表示锗NPN管、C表示硅PNP管、D表示硅NPN管。第三位：X表示低频小功率管、D表示低频大功率管、G表示高频小功率管、A表示高频大功率管、K表示开关管。,第四节场效应管,一、结型场效应管,（一）JFET的结构和工作原理,在N型半导体材料的两侧分别制作两个高浓度P区，形成两个PN结。,两个PN结构成的空间电荷区，大多是不能移动的正负离子，可移动的载流子很少，故又称作耗尽区。根据PN结理论，耗尽区的宽窄除受半导体中杂质浓度的影响外，还受反向偏置电压大小的控制。,（二）JFET的特性曲线,结型场效应管特性曲线包括转移特性曲线和输出特性曲线。,1转移特性曲线,2.输出特性曲线,图是JFET的一族输出特性曲线，根据曲线分布特点将其划分为四个区,可变电阻区（也称非饱和区）,恒流区（也称线性放大区、饱和区、有源区）,夹断区（也称截止区）,击穿区,二、绝缘栅型场效应管,（一）增强型MOS场效应管,1.结构和标识符号,N沟道增强型MOS场效应管结构示意图,2.N沟道增强型MOS管的工作原理,按图所示连接电路，漏源之间加正向电压vds，源极与衬底相连作为参考电位。,3.转移特性,将描述输出电流与输出电压之间关系的特性曲线称为转移特性曲线,4.输出特性,（二）耗尽型MOS场效应管,（三）场效应管的主要参数,1.开启电压,2.夹断电压,3.饱和漏电流,4.低频跨导,5.最大耗散功率,三、FET与BJT的比较,1.相似之处,2.导电机制与稳定性的差异,3.控制方式与直流输入电阻的不同,4.单极电压增益及噪声不同,5.其他,6.工作在线性放大区的偏置方式不同,第五节晶闸管,一、晶闸管的结构及工作原理,（一）晶闸管的结构,晶闸管外部有三个电极，内部是由PNPN四层半导体构成，最外层的P层和N层分别引出阳极A和阴极K，中间引出控制极G，内部有三个PN结。,（二）工作原理,晶闸管按图（a）构成工作电路，图（b）表示其工作原理。晶闸管可以存在以下几种工作方式。,1晶闸管的正向阻断,2晶闸管的导通,3控制极的控制作用,4晶闸管导通后的关断,二、晶闸管的工作特性,1晶闸管的导通特点,1晶闸管的导通特点晶闸管具有单向导电性，晶闸管的导通受门极的控制。2晶闸管导通的条件阳极与阴极之间加正向电压，门极与阴极之间加正向电压。3导通后的晶闸管关断的条件以下条件满足一个就可使导通的晶闸管关断。（1）降低阳极与阴极之间的电压，使通过晶闸管的电流小于维持电流；（2）阳极与阴极之间的电压减小为零；（3）阳极与阴极之间加反向