电工电子技术(多学时)1章半导体器件63张幻灯片

1、教育部高职高专规划教材 电工电子技术 （多学时）电子技术基础第二部分电工电子技术 本章在简要介绍半导体材料的特性及导电规律后，重点研究常用半导体器件的组成结构、伏安特性、主要参数和应用方法，为后续学习电子电路建立必要的基础。半导体器件第 1 章第二部分 电子技术基础第二部分 电子技术基础 第1章 半导体器件1.1 半导体及PN结1.2 半导体二极管1.3 半导体二极管1.4 场效应晶体管主要内容：重点内容：难点内容： PN结的单向导电性，含半导体器件电路的分析。第1章 半导体器件 介绍半导体材料的特性，半导体二极管、半导体三极管和场效应晶体管的工作原理及应用知识。 PN结的单向导电性，电子器件

2、认知规律和含半导体器件电路的分析方法。1.1 半导体及PN结1.1.1 半导体及特点半导体：指导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。常用的半导体材料有硅（Si）和锗（Ge），硒和许多金属氧化物、硫化物都是半导体。图2.1.1 锗、硅原子结构物体的导电性：（1）导体（2）绝缘体（3）半导体（1）热敏性大部分半导体的导电能力随温度的升高而增强，有些对温度反应敏感。热敏元件1.1.1 半导体及特点半导体材料的三个特点：（2）光敏性半导体的导电能力随光照强度的变化而变化。例如硫化镉薄膜，无光照时，电阻是几十兆欧姆，是绝缘体；受光照时，电阻只有几十千欧姆。光敏元件（3）掺杂性如果在纯净半导体中掺入微量其它

3、元素（称为掺杂），半导体的导电能力随着掺杂能力的变化而发生显著变化。基本半导体器件1.1 半导体及PN结1.1.2 本征半导体和杂质半导体1、本征半导体完全纯净的具有晶体结构的半导体。图2.1.1 锗、硅原子结构根据半导体的掺杂情况，半导体材料又可以分为三类： 典型的半导体材料有硅（Si）和锗（Ge），它们都是四价元素，每个原子的外层有四个价电子，原子结构如图2.1.1所示。四价元素1.1.2 本征半导体和杂质半导体SiSiSiSi共价键共价键：在晶体结构的半导体中，相邻两个原子的一对最外层电子成为共用电子，形成共价键结构。价电子电子、空穴：在常温下由于分子的热运动，少量价电子挣脱原子核的束缚

4、成为自由电子，同时在原位留下的空位称空穴。结论：在本征半导体中电子空穴成对产生，当温度和光照增加时，其数目增加。自由电子空穴本征硅示意图1.1.2 本征半导体和杂质半导体SiSiSiSi 在外电场作用下，自由电子定向运动，价电子填补空穴。 自由电子定向运动价电子填补空穴在半导体中，同时存在着自由电子导电和空穴导电。这就是半导体导电方式的最大特点。自由电子和空穴都被称为载流子。本征硅示意图1.1.2 本征半导体和杂质半导体2、杂质半导体电子型（N型）半导体空穴型（P型）半导体杂质半导体有两大类SiSiSiSi本征硅示意图SiP N型半导体：在本征 硅或锗中掺入五价元素，如磷、砷、锑，则自由电子数

5、目大大增加，形成多数载流子。空穴为少数载流子。在外电场作用下，自由电子导电占主导地位，故称电子型半导体。简称N型半导体空穴自由电子自由电子数增加1.1.2 本征半导体和杂质半导体2、杂质半导体SiSiSiSi本征硅示意图 P型半导体：在本征 硅或锗中掺入三价元素，如硼、铝、铟，则空穴数目大大增加，形成多数载流子。自由电子为少数载流子。在外电场作用下，空穴导电占主导地位，故称空穴型半导体。简称P型半导体空穴自由电子SiB空穴数增加1.1 半导体及PN结1.1.3 PN 结1、 PN 结形成图2.1.2用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上，形成P型半导体和N型半导体，在两种半导体的交界面附近，由于

6、多数载流子浓度的差别，引起多数载流子的扩散运动。图2.1.2 PN结的形成P区空穴向N区扩散N区电子向P区扩散1.1.3 PN 结1、PN 结形成扩散运动在交界面附近形成一个很薄的空间电荷区，这就是PN结。图2.1.2 PN结的形成P区空穴向N区扩散N区电子向P区扩散阻挡层阻挡多子扩散耗尽区PN结1.1.3 PN 结2、PN 结的单向导电性在PN结两端加上不同极性的外电压， PN结呈不同的导电性。图2.1.3 PN结加正向电压：P区接电源正极， N区接电源负极，如图2.1.3（a）。外电场削弱内电场，空间电荷区变窄，利于多子扩散运动。PN结的正向电流由多数载流子形成，比较大，PN结呈现较小的正

7、向电阻，称PN结正向导通。1.1.3 PN 结2、PN 结的单向导电性在PN结两端加上不同极性的外电压， PN结呈不同的导电性。图2.1.3 PN结加反向电压：P区接电源负极， N区接电源正极，如图2.1.3（b）。外电场加强内电场，空间电荷区变宽，阻止多子扩散运动，只有少数载流子越过空间电荷区形成反向电流。PN结的反向电流由少数载流子形成，反向电流非常小，PN结呈现极高的反向电阻，称PN结反向截止。1.2 半导体二极管1.2.1 二极管的基本结构常用二极管图片普通小功率二极管大功率二极管各种发光二极管1.2.1 二极管的基本结构 半导体二极管结构由一个PN结加电极引线与外壳制成。D图2.1.

8、4 二极管符号PN阳极或正极阴极或负极阳极或正极阴极或负极D1.2.1 二极管的基本结构 根据PN结接触面的大小，二极管可分点接触型与面接触型。PN结接触面小点接触型：PN结接触面小，不能通过大电流但其结电容小，常用于高频检波及小电流整流，使用时不能承受较高的反向电压和大电流。面接触型：PN结接触面积大，通过的正向电流比点接触型大，常用作整流管，但结电容大，适用于低频电路。PN结接触面大 半导体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例1.2 半导体二极管1.2.2 二极管的伏安特性伏安特性： 二极管的端电压与电流之间的关系。伏安特性曲线： 描述二极管的端电压与电流之间的关系曲线。图2.1

9、.5为典型硅管的伏安特性曲线。注意：正、反向电压和电流的单位是不同的。图2.1.5 二极管的伏 安特性曲线正向伏安特性测试电路mAVDERU+WI1.2.2 二极管的伏安特性正向特性说明：OA正向死区AB正向导通区硅0.5V锗0.2V硅0.6V - 0.7V锗0.2V - 0.3V二极管正向伏 安特性曲线反向伏安特性测试电路EmAVDRU+WI1.2.2 二极管的伏安特性反向特性说明：OC反向截止区CD反向击穿区二极管反向伏 安特性曲线硅几微安锗几十微安反向饱和电流伏安特性理想化：死区电压、导通压降、反向电流等于零。1.2 半导体二极管1.2.3 主要参数1、最大整流电流IFM：二极管长期使用

10、时，允许流过的最大正向平均电流。2、最大反向工作电压URM： 确保二极管安全使用所允许施加的最大反向电压。3、反向饱和电流IR：当二极管加反向工作电压时的反向电流，此值越小，则二极管的单向导电性越好。D1.2 半导体二极管1.2.4 二极管应用举例二极管的应用范围很广，主要是利用它的单向导电性。图2.1.6 例1.2.1题图【例1.2.1 】 如图2.1.6所示电路中，已知电路中的二极管为硅管，电源电压及电阻值如图所示，问二极管D是否能导通，Uab为多少？流过电阻的电流各为多少？先假设二极管不导通判断加在二极管两端的正向电压是否导通电压？二极管导通，二极管两端电压等于导通电压；二极管截止，这条

11、电路中无电流。是1.2.4 二极管应用举例【例1.2.1 】分析方法：【解 】否图2.1.6 例1.2.1题图（a）图中，假设D不导通，以b为参考点，二极管的正极电位为12V，负极电位为6V，正向电压为【例1.2.1 】分析方法：【解 】所以二极管截止， Uab6V，流过电阻的电流为零。12 （6）= 6V0.6V图2.1.6 例1.2.1题图二极管的正向电压为6V0.6V，所以二极管导通， 导通电压为0.6V ，Uab120.6V11.4V，流过电阻的电流【例1.2.1 】分析方法：【解 】（b）图中，假设D不导通，以b为参考点，则二极管的正极电位为6V ，负极电位为12V ，正向电压为6

12、（12）= 6V 0.6V I =(120.66)3000=0.0018A负号表示电流方向从b流向a。图2.1.6 例1.2.1题图【例1.2.2 】 如图2.1.7所示，已知E5V，输入信号为正弦波ui10sint V，二极管的正向导通电压为0.6V，画出输出电压信号的波形图。 这个电路仍是分析二极管的导通与否，图中二极管的正极接信号电压ui ，二极管的负极接电源E的正极，两个量进行比较，确定二极管的导通与否。1.2.4 二极管应用举例分析方法：【解 】图2.1.7 例1.2.2题图 当ui E0.6V（导通电压）时，二极管截止，此时二极管无电流通过，uoui【例1.2.2 】分析方法：【解

13、 】 当ui E0.6V（导通电压）时，二极管导通，uo E0.6V5.6V。图2.1.8 输出电压波形图虚线为输入电压波形。ui E0.6Vui E0.6V【例1.2.3 】 在图2.1.9所示电路中，已知输入端A的电位VA3.6V，输入端B的电位VB0.3V，电阻R10 k ，电源E9V，二极管的导通电压为0.2V，求输出端F的电位和流过R的电流I。 1.2.4 二极管应用举例图2.1.9 例1.2.3题图分析方法：【解 】先假设两个二极管均不导通，根据已知条件，UDA3.6(9)=12.6V，故DA导通，VF3.60.2=3.4V。再看DB， UDB0.33.4=3.1V，故DB截止。先

14、讨论DB这个结论也成立。流过R中的电流为 结论：当数个二极管的负极（正极）并联在一点，而加在这些二极管的正极（负极）电位各不相同，且都高于负极（低于正极）电位时，正极最高（负极最低）的二极管导通。【例1.2.3】分析方法：【解 】1.2 半导体二极管1.2.5 特殊二极管一、稳压管 稳压管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。专为在电路中稳定电压设计，故称为稳压管。图2.1.10 稳压管符号稳压管的图形符号及伏安特性图2.1.11 稳压管 伏安特性曲线DZ特点： 1、正向特性曲线同二极管；反向击穿区2、反向击穿电压较低，反向特性曲线 比较陡；UZ为稳压值。3、正常的工作区域为反向击穿区，且可逆。

15、3、动态电阻rZ：稳压管动态电阻越小，反向伏安特性曲线越陡，稳压性能越好。1、稳定电压UZ：稳压管在正常工作时，管子两端的电压。一般由电子器件手册给出。稳压管主要参数1.2.5 特殊二极管DZ2、最大稳定电流IZ： 稳压管在正常工作时，允许通过的最大反向电流，一般不应超出此值。稳压管常用参数见表2.1.11.2 半导体二极管1.2.5 特殊二极管图2.1.12 光电二极管光电二极管的图形、等效电路及伏安特性三、光电二极管是一种将光能转换成电能的器件，其反向电流随光照强度的变化而上升。伏安特性：光电二极管的反向电流与光照度成正比。应用：1、光电二极管的管壳上有一个玻璃窗口以便接受光照；2、可用于

16、光测量。3、制成光电池。1.2 半导体二极管1.2.5 特殊二极管图2.1.12 发光二极管发光二极管的图形符号二、发光二极管发光二极管是一种将电能转换成光能的器件，即当管子通以电流后将发出光来。应用：常作为显示器件，工作电流在几个到几十毫安。当管子加正向电压时，在正向电流激发下，管子发光。发光的颜色有红，黄，绿，蓝，紫等。1.3 半导体三极管常用三极管图片 半导体三极管（亦称晶体管）是通过一定工艺，将两个PN结结合在一起的器件。由于两个PN结的相互影响，使半导体三极管具有电流放大作用，从而使PN结的应用发生了质的飞跃。按频率分：高频管、低频管1.3.1 基本结构按功率分：大功率管、小功 率管

17、按结构分：NPN型和PNP型按工艺分：平面型和合金型1.3 半导体三极管NPN型管：NPN型三极管由两个PN结的三层半导体组成。1.3.1 基本结构特点：中间的P型半导体特别薄，两边各为一层N型半导体。两个N型区的掺杂浓度不同，不能调换。图2.1.14 NPN型三极管三个区： N集电区P基区N发射区三个极：C集电极B基极型E发射极两个结 ：NPN型三极管和PNP型三极管的电路符号。箭头表示发射结正向导通时电流的方向。1.3.1 基本结构图2.1.14 NPN型三极管共同点：电极名称、符号相同；内部结构相同。不共同点：P集电极N基极型P发射极箭头方向1.3 半导体三极管半导体三极管的电流放大原理

18、和电流分配情况。 1.3.2 电流分配与放大作用 图2.1.15 电流放大实验电路 实验电路分析：基极回路（偏置电路）：UCC正极-RB-发射结UCC负极。集电极回路：UCC正极-RC-集电极、发射极-UCC负极。改变基极电阻RB，可使基极、集电极、发射极电流（IB IC 、IE）发生变化。1.3.2 电流分配与放大作用 实验及测量结果得到如下结论：（见表2.1.2）（4）基极电流少量的变化可以引起集电极电流较大的变化。电流放大系数基本不变（1）基极电流与集电极电流之和等于发射极电流。（2）基极电流与集电极电流小很多，发射极电流约等于集电极电流。（3）半导体三极管有电流放大作用，表2.1.2三

19、列、四列IC IB的比值为：结论：共发射极电路使三极管具有放大作用。1.3 半导体三极管1.3.3 半导体三极管的特性曲线1、输入特性曲线指集电极-发射极之间的电压UCE为常数时，输入回路中基极电流IB与基极-发射极的电压UBE之间的关系曲线。图2.1.16 实验电路 特性曲线可以用晶体管图示仪直观显示，也可以通过实验电路测绘。1.3.3 半导体三极管的特性曲线1、输入特性曲线指集电极-发射极之间的电压UCE为常数时，输入回路中基极电流IB与基极-发射极的电压UBE之间的关系曲线。图2.1.17 3DG6的输入 特性曲线 特点：与二极管伏安特性类似；死区电压：硅管约0.5V,锗管约0.2V ;

20、导通压降UBE:硅管约0.6V,锗管约0.2V ;当UCE1后，输入特性基本与UCE无关。1.3.3 半导体三极管的特性曲线2、输出特性曲线指当基极电流IB为常数时，输出回路中集电极电流IC与集电极-发射极电压UCE之间的关系曲线。在不同的IB下，可得到一组曲线。图2.1.18 输出特性曲线 实验电路1.3.3 半导体三极管的特性曲线2、输出特性曲线指IB为常数，输出回路电流IC与电压UCE之间的关系曲线。图2.1.18 输出特性曲线 三个工作区：（1）放大区（线性区）： 当发射结正向偏置，集电结反向偏置时（ 硅管UBE0.6V，锗管UBE0.2V,且UCE 1V时）三极管工作在放大状态； 在

21、此区域，IC与IB成简单的线性关系； 输出特性曲线近于水平的部分。1.3.3 半导体三极管的特性曲线2、输出特性曲线指IB为常数，输出回路电流IC与电压UCE之间的关系曲线。图2.1.18 输出特性曲线 三个工作区：（2）截止区： 当发射结反向偏置，集电结也反向偏置时（ 硅管UBE0V）三极管工作在截止状态； IB=0的特性曲线与横轴之间的区域为截止区。 IB=0时， IC= ICEO（ ICEO为穿透电流）。1.3.3 半导体三极管的特性曲线2、输出特性曲线指IB为常数，输出回路电流IC与电压UCE之间的关系曲线。图2.1.18 输出特性曲线 三个工作区：（3）饱和区： 当UCEUBE时，集

22、电结正向偏，发射结也正向偏置时，三极管工作于饱和状态； 在饱和区，IB的变化对IC的影响较小，三极管无电流放大作用。 在数字电路中，三极管工作在截止区和饱和区1.3 半导体三极管【例1.3.1 】 已知图2.1.19中各三极管均为硅管，测得各管脚的电压值分别为图2.1.19中所示值，则问各三极管工作在什么区？图2.1.19 例1.3.1题图（b）图中，满足三极管在放大区的工作条件，它工作在放大区。分析方法：【解 】这类问题主要根据Ube和Uce电压来确定其工作区域。（a）图中因为Uce1V，它工作在饱和区；1.3 半导体三极管【例1.3.2 】 已知图2.1.20(a)放大电路中各个三极管均为

23、NPN型，且测得各个管脚的对地电位，判断各三极管管脚及其类型。图2.1.20 例1.3.2题图分析方法：【解 】 已知各个三极管均工作在放大电路中，即它们应满足三极管在放大区的工作条件，则判断原则是：（1）中间值应为B极；（2）UBE0.7V为硅管，UBE=0.2V为锗管，并可确立E极；（3）发射结应正偏，集电结应反偏。判断结果如图2.1.20（b）所示。1.3 半导体三极管1.3.4 半导体三极管的主要参数1、电流放大系数 指输出电流与输入电流的比值，是衡量三极管电流放大能力的参数。共发射极电路直流电流放大系数，用符号 表示。共发射极电路交流电流放大系数，指集电极电流变化量与基极电流变化量之

24、比。用符号 表示。应用知识：对给定的三极管，电流放大系数是一定的。且 ，一般值为20至100之间，其值太大稳定性差，其值太小则电流放大能力弱。1.3.4 半导体三极管的主要参数1、电流放大系数【例1.3.3】从输出特性曲线上(1)计算Q1点处的直流电流放大系数(2)由Q1和Q2两点,计算交流流电流放大系数【解】（1）计算Q1点处：（2）在Q1和Q2两点得：图2.1.18 输出特性曲线1.3.4 半导体三极管的主要参数2、集电极-发射极反向饱和电流ICEO（穿透电流）指基极开路时，集电极与发射极之间加一定反向电压时的集电极电流。该值越小越好。3、集电极最大允许电流ICM集电极电流过大会引起下降，

25、当下降到正常值的三分之二时的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM。使用时IC不宜超过ICM。图2.1.21 三极管的安全工作区1.3.4 半导体三极管的主要参数5、集电极最大允许耗散功率PCM三极管因受热引起的集电极功率变化不超过允许值时，集电极所消耗的最大功率。4、集电极-发射极反向击穿电压集U（BR）CEO基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压根据上式，可作出一条双曲线。结论：由ICM、U（BR）CEO 、PCM共同确定三极管线性的安全工作区。图2.1.21 三极管的安全工作区1.4 场效应晶体管场效应晶体管场效应管：是一种较新型的半导体器件，其外形与一般三极管相似。按结构不同

26、分类：结型场效应管、绝缘栅型场效应管绝缘栅型管按工作状态不同分类：增强型管、耗尽型管按沟道不同分类：N沟道和P沟道控制特性比较：三极管是电流控制器件，其输入电阻较低；场效应管是电压控制器件，工作时不需要从信号源提供电流，其输入电阻极高，可达109 1011。1.4 场效应晶体管1.4.1 N沟道增强型绝缘栅场效应管1、结构与符号一块低掺杂浓度的P型薄硅片为衬底；两块高掺杂浓度的N+区；一层薄二氧化硅绝缘层；引出三个电极构成。图2.1.22 N沟道增强型绝缘栅 场效应管结构N沟道增强型绝缘栅场效应管电路符号：P衬底两个N+区绝缘层栅极和其它电极之间是绝缘的，称绝缘栅型场效应管。又称金属-氧化物-

27、半导体场效应管，简称NMOS管。1.4.1 N沟道增强型绝缘栅场效应管 当栅源电压UGS = 0 时，从漏极到源极之间的两个PN结是反向串联的，不管漏极和源极之间所加电压的极性如何，其中总有一个PN结是反向偏置的，因此，漏极和源极之间的电阻很大，可以认为漏极电流近似为零ID0。结论： UGS = 0 时，ID0NPN2、工作原理1.4.1 N沟道增强型绝缘栅场效应管当UGS 0 时，P型衬底中的电子受到电场力的吸引到达表层，在P型衬底的表面形成N型薄层，形成漏极和源极之间的导电沟道。在漏源电压的作用下将产生漏极电流ID。开启电压： UGS（th）在一定当UDS下，开始出现导电沟道所需的UGS值。2、工作原理N型导电沟道 结论：当UGS UGS（th）时，随栅压UGS的变化ID亦随之变化，这就是增强型MOS管的栅极控制作用。1.4.1 N沟道增强