常用半导体器件及应用课件

1、 电工电子技术 电子技术与实训第一章 常用半导体器件一 半导体的基础知识三 晶体三极管 四 场效应管二 晶体二极管 一 半导体的基础知识 在物理学中，根据材料的导电能力，可以将他们划分导体、绝缘体和半导体。导 体： 很容易导电的物体，如金、银、铜、铁等。绝缘体： 不容易导电或者完全不导电的物体，如塑料、橡胶、 陶瓷、玻璃等。半导体： 导电性能介于导体和绝缘体之间的物质，如硅(Si)、 锗(Ge)、金属氧化物等。硅和锗是4价元素，原子的 最外层轨道上有4个价电子。1半导体的特性一 半导体的基础知识 掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，使其导电能力 明显改变。光敏性：当受到光照时，其导电能力明显

2、变化。(可制成 各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏 三极管、光电池等)。热敏性：当环境温度升高时，导电能力明显増强。 本征半导体的共价键结构束缚电子在绝对温度T=0K时，所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不会成为自由电子，因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。 本征半导体化学成分纯净的半导体晶体。 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”。2本征半导体一 半导体的基础知识 这一现象称为本征激发，也称热激发。 当温度升高或受到光的照射时，束缚电子能量增高，有的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+4+4+4+4+4

3、+4+4+4+4空穴 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，称为空穴。2本征半导体一 半导体的基础知识 自由电子，带负电荷，电子流载流子空穴 ，带正电荷，空穴流本征半导体的导电性取决于外加能量：温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。2本征半导体一 半导体的基础知识 在中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为杂质半导体。N型半导体在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，称为N型半导体。 2杂质半导体一 半导体的基础知识 在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等，称为P型半导体。 P型半导体在纯净半导体硅或锗（4价）中掺入磷、砷等5价元素，由于这类元素的原子最外层有5个

4、价电子，故在构成的共价键结构中，由于存在一个多余的价电子而产生大量自由电子，这种半导体主要靠自由电子导电，称为电子半导体或N型半导体（其中自由电子为多数载流子，热激发形成的空穴为少数载流子）。（1） N型半导体自由电子 多数载流子（简称多子）空 穴少数载流子（简称少子）3 型半导体和型半导体一 半导体的基础知识 （2） P型半导体在纯净半导体硅或锗（4价）中掺入硼、铝等3价元素，由于这类元素的原子最外层只有3个价电子，故在构成的共价键结构中，由于缺少价电子而形成大量空穴，这类掺杂后的半导体其导电作用主要靠空穴运动，称为空穴半导体或P型半导体（其中空穴为多数载流子，热激发形成的自由电子是少数载流

5、子）。自由电子 多数载流子（简称多子）空 穴少数载流子（简称少子）3 型半导体和型半导体一 半导体的基础知识 掺入的杂质元素的浓度越高，多数载流子的数量越多。只有将两种杂质半导体做成PN结后才能成为半导体器件。3 型半导体和型半导体一 半导体的基础知识 无论是P型半导体还是N型半导体都是中性的，通常对外不显电性。+N型半导体多子电子少子空穴P型半导体多子空穴少子电子半导体中载流子有扩散运动和漂移运动两种运动方式。载流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动。在半导体中，如果载流子浓度分布不均匀，因为浓度差，载流子将会从浓度高的区域向浓度低的区域运动，这种运动称为扩散运动。将一块半导体的一侧掺杂成P

6、型半导体，另一侧掺杂成N型半导体，在两种半导体的交界面处将形成一个特殊的薄层 PN结。（1）PN结的形成4 P结及其单向导电性一 半导体的基础知识 多子扩散 形成空间电荷区产生内电场 少子漂移促使阻止扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的PN结（1）PN结的形成4 P结及其单向导电性一 半导体的基础知识 外加正向电压（也叫正向偏置）电源正极接P区，负极接N区 （2）PN结的单向导电性4 P结及其单向导电性一 半导体的基础知识 外加电场与内电场方向相反，内电场削弱，扩散运动大大超过漂移运动，N区电子不断扩散到P区，P区空穴不断扩散到N区，形成较大的正向电流，这时称PN结处于低阻导通状态。外电场内电

7、场PN+（2）PN结的单向导电性4 P结及其单向导电性一 半导体的基础知识 外加电场加强内电场，漂移运动超过扩散运动，N区空穴飘移到P区，P区电子漂移到N区，形成很小的反向漂移电流，称为反向饱和电流，这时称PN结处于高阻截止状态。外加反向电压（也叫反向偏置）电源正极接N区，负极接P区PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻， PN结导通；PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻， PN结截止。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。二 晶体二极管 1 晶体二极管的结构晶体管泛指一切以半导体材料为基础的单一元件，包括各种半导体材料制成的二极管、三极管、场效应管、可控硅

8、等，不过从国内的习惯上讲，晶体管有时多指晶体三极管。二极管 = PN结 + 管壳 + 引线结构 一个PN结加上相应的电极引线并用管壳封装起来，就构成了半导体二极管，简称二极管。符号一般用VD表示。符号阳极+阴极-图片二 晶体二极管 2 晶体二极管的类型半导体二极管按其结构不同可分为点接触型、面接触型、平面型二极管等三类。PN结面积很小，结电容很小，多用于高频检波及脉冲数字电路中的开关元件。(1) 点接触型二极管(2) 面接触型二极管PN结面积大，结电容也小，允許通过电流大，多用在低频整流、检波等电路中。二 晶体二极管 2 晶体二极管的类型(3) 平面型二极管二 晶体二极管 2 晶体二极管的类型

9、用于集成电路制造工艺中。PN 结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。二 晶体二极管 3 晶体二极管的伏安特性曲线硅：0.5 V锗： 0.1 V(1) 正向特性（导通）导通压降反向饱和电流(2) 反向特性（截止）死区电压击穿电压UBRuEiVmAuEiVuA锗硅：0.7 V 锗：0.3Viu0硅（3）反向击穿反向电压大于击穿电压（UBR）时，反向电流急剧增加。原因为电击穿，强外电场破坏键结构；获得大能量的载流子碰撞原子产生新的电子空穴对。电击穿未损坏，若无限流措施，则会造成热击穿而损坏。-60 -40 -200.4 0.8 二 晶体二极管 4 晶体二极管的主要参数（1）最大整流电流IM：指管

10、子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。（2）反向击穿电压UBR：指管子反向击穿时的电压值。（3）最大反向工作电压URM：二极管运行时允许承受的最大反向电压（约为UBR 的一半）。（4）最大反向电流IRM：指管子未击穿时的反向电流，其值越小，则管子的单向导电性越好。（5）最高工作频率fm：主要取决于PN结结电容的大小。DU串联电压源模型U D 二极管的导通压降：硅管 0.7V；锗管 0.3V。理想二极管模型正偏导通反偏截止导通压降二极管的VA特性二 晶体二极管 5 二极管的模型IR10VE1kIR10VE1k例：串联电压源模型万用表测量值 9.32mA相对误差理想二极管模型RI10VE1k相

11、对误差0.7V二 晶体二极管 5 二极管的近似分析计算 例：二极管构成的限幅电路如图所示，R1k，UREF=2V，输入信号为ui。 (1) 若 ui为4V的直流信号，分别采用理想二极管模型、理想二极管串联电压源模型计算电流I和输出电压uo解：采用理想二极管模型分析： 采用理想二极管串联电压源模型分析：二 晶体二极管 5 二极管的应用举例二 晶体二极管 5 二极管的应用举例（2）如果ui为幅度4V的交流三角波，波形如图（b）所示，分别采用理想二极管模型和理想二极管串联电压源模型分析电路并画出相应的输出电压波形。解：采用理想二极管模型分析，波形如图所示。0-4V4Vuit2V2Vuotuott限幅

12、2V二 晶体二极管 5 二极管的应用举例02.7Vuot0-4V4Vuit2.7V 采用理想二极管串联电压源模型分析，波形如图所示。uott限幅2.7Vt二 晶体二极管 5 特殊二极管一：稳压二极管稳压管是一种用特殊工艺制造的半导体二极管，稳压管的稳定电压就是反向击穿电压。稳压管的稳压作用在于：电流增量很大，只引起很小的电压变化。稳压管的反向击穿应是可逆的，工作电流能控制在一定范围内。稳压管的主要参数：（1）稳定电压UZ：反向击穿后稳定工作的电压。（2）稳定电流IZ：工作电压等于稳定电压时的电流。（3）动态电阻rZ。稳定工作范围内，管子两端电压的变化量与相应电流的变化量之比。即：rZ=UZ/I

13、Z（4）额定功率PZ：额定功率PZ是在稳压管允许结温下的最大功率损耗。（5）最大稳定电流IZM ：指稳压管允许通过的最大电流。它们之间的关系是： PZ=UZIZM插件稳压二极管贴片稳压二极管当稳压二极管工作在反向击穿状态下,工作电流IZ在Izmax和Izmin之间变化时,其两端电压近似为常数稳定电压 稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊二极管。正向同二极管反偏电压UZ 反向击穿UZ限流电阻二 晶体二极管 5 特殊二极管一：稳压二极管当发光二极管的PN结加上正向电压时，电子与空穴复合过程以光的形式放出能量，发光二极管是一种新型冷光源。发光二极管（简称LED）是一种光发射器件，它是由砷化镓、磷化镓等

14、材料制成。当这种管子通以电流时将发出光来。光的颜色主要取决于制造所用的材料。发光二极管具有亮度高、清晰度高、电压低（1.53V）、反应快、体积小、可靠性高、寿命长等特点，是一种很有用的半导体器件，常用于信号指示、数字、照明、彩灯、字符显示等。二 晶体二极管 5 特殊二极管二：发光二极管LED二 晶体二极管 光电二极管的结构与一般的二极管类似，在它的PN结处，通过管壳上的一个玻璃管窗口能接收外部的光照。这种器件的PN结在反向偏置状态下工作，它的反向电流随光照强度的增加而上升。 光电二极管的符号及其特性曲线 光电二极管可用于光的测量，是将光信号转换为电信号的常用器件。光电二极管插件光电二极管贴片5

15、 特殊二极管三：光电二极管二 晶体二极管 PN结具有电容效应，二极管存在结电容。二极管结电容的大小除了与本身结构工艺有关，还与外加电压有关。 变容二极管的结电容Cj与反偏电压uD的关系曲线 变容二极管常用于高频电路中，例如，电调谐电路和自动频率控制电路。5 特殊二极管三：变容二极管 PN结具有电容效应，二极管存在结电容。二极管结电容的大小除了与本身结构工艺有关，还与外加电压有关。 小 技 巧 6 二极管的简易测量根据二极管的单向导电性可知，二极管正向电阻小，反向电阻大。利用这一特点，可以用万用表的电阻挡大致测量出二极管的好坏和正负极性 。二 晶体二极管 普通二极管实物1 三极管的结构原理三 晶

16、体三极管 半导体三极管，也叫晶体三极管。由于工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，因此，还被称为双极型晶体管（Bipolar Junction Transistor,简称BJT）。 BJT是由两个PN结组成。简称晶体管或三极管。 半导体三极管是由两个背靠背的PN结构成的。重要特性是具有电流放大作用和开关作用，常见的有平面型和合金型两类。两个PN结，把半导体分成三个区域（三区二结）。这三个区域的排列，可以是N-P-N，也可以是P-N-P。因此，三极管有两种类型：NPN型和PNP型。NPN型PNP型-NNP发射区集电区基区发射结集电结ecb发射极集电极基极-PPN发射区集电区基区发射结集电结e

17、cb发射极集电极基极符号:基区：最薄，掺杂浓度最低发射区：掺杂浓度最高发射结集电结BECNNP基极发射极集电极结构特点：集电区：面积最大（1）发射区的掺杂浓度集电区掺杂浓度。（2）基区要制造得很薄且浓度很低。1 三极管的结构原理三 晶体三极管 按材料分： 硅管、锗管按功率分： 小功率管 1 W中功率管 0.5 1 W1 三极管的结构原理三 晶体三极管 三极管分类2 三极管的电流分配关系与放大作用三 晶体三极管 （1）放大的概念电子电路中所说的放大，有两方面含义：一是放大的对象是变化量，不是一个恒定量。例如，扩音机是把人讲话时声音的轻重和高低放大出来；二是指对能量的控制作用，即在输入端用一个小的

18、变化量去控制能源，使输出端产生一个与输入变化量相应的大的变化量，体现了对能量的控制作用 （2）三极管实现放大作用的条件 三极管实现放大作用的外部条件： 发射结加正向电压（正向偏置），在集电结加反向电压（反向偏置）。 对于NPN管，要求UCUBUE；PNP型管的情况正好相反，即UEUBUC。 2 三极管的电流分配关系与放大作用三 晶体三极管 放大条件：发射结正偏，集电结反偏若在放大工作态： 发射结正偏：集电结反偏：由VBB保证由VCC、 VBB保证UCB=UCE - UBE共发射极接法 0三极管的电流分配关系IE =IC+IBIC =IB2 三极管的电流分配关系与放大作用三 晶体三极管 把基极电

19、流的微小变化能够引起集电极电流较大变化的特性称为晶体管的电流放大作用。实质:用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的变化。 实验表明IC比IB大数十至数百倍，因而有IC 近似等于IE。IB虽然很小，但对IC有控制作用，IC随IB的改变而改变，即基极电流较小的变化可以引起集电极电流较大的变化，表明基极电流对集电极具有小量控制大量的作用，这就是三极管的电流放大作用。3 三极管在电路中的基本连接方式三 晶体三极管 三极管在电路中的三种基本连接方式 共射直流电流放大系数:共射交流电流放大系数: =iC/iB共基直流电流放大系数:共基交流电流放大系数: =iC/iB在近似分析中,可认为： 4 三极管的伏

20、安特性（共发射极接法）三 晶体三极管 (1) 输入特性曲线 iB=f(uBE) uCE=const1）uCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。3）uCE 1V再增加时，曲线右移很不明显。2）当uCE=1V时，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，所以基区复合减少，在同一uBE电压下,iB 减小。特性曲线将向右稍微移动一些。ucE=0.5V死区非线性区线性区死区电压硅 0.5V锗 0.1V导通压降硅 0.7V锗 0.3V4 三极管的伏安特性（共发射极接法）三 晶体三极管 (2) 输出特性曲线iC=f(uCE) IB=const饱和区放大区截止区1）放大区：发射极正向偏置，集电结反向偏置2）

21、截止区：发射结反向偏置，集电结反向偏置 3）饱和区：发射结正向偏置，集电结正向偏置IB Uon ，uCEuBE5 三极管的模型三 晶体三极管 +i-uBE+-uBCE+Cibeec截止状态ecb放大状态UDIBICIBecb发射结导通压降UD硅管0.7V锗管0.3V饱和状态ecbUDUCES饱和压降UCES硅管0.3V锗管0.1V直流模型6 三极管电路的分析算法（直流）三 晶体三极管 （1） 模型分析法（近似估算法）VCCVBBRbRc12V6V4K150K+UBE+UCEIBIC+VCC+VBBRbRc(+12V)(+6V)4K150K+UBE+UCEIBIC例：共射电路如下图，已知三极管为

22、硅管，=40，试求电路中的直流量IB、 IC 、UBE 、UCE。6 三极管电路的分析算法（直流）三 晶体三极管 （1） 模型分析法（近似估算法）IC+UBEIB0.7VIBecb+VCCRc(+12V)4K+VBBRb(+6V)150K+UCE解：设三极管工作在放大状态，用放大模型代替三极管。三极管为硅管：UBE=0.7V6 三极管电路的分析算法（直流）三 晶体三极管 （2） 图解法解：VCCVBBRbRc12V6V4K150K+uCEIB=40AiC非线性部分线性部分IB=40AIC=1.6mAUCEQ=5.6V静态工作点M(VCC,0）(12 , 0)UCEQ6V(0 , 3)iCCE(

23、V)(mA)=60uAIBu=0BBII=20uABI=40uAB=80uAI=100uAIBICQ1.6mAQ直流负载线斜率：Uce=Vcc-IcRcIc=0，Uce=12; Uce=0， Ic=Vcc/Rc=3mA选择合适的Rb，UBQ=0.7V,IB=40A7 半导体三极管的型号三 晶体三极管 第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、 C硅PNP管、D硅NPN管 第三位：X低频小功率管、D低频大功率管、 G高频小功率管、A高频大功率管、 K开关管用字母表示材料用字母表示器件的种类用数字表示同种器件型号的序号用字母表示同一型号中的不同规格三极管国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：3DG11

24、0B四 场效应管 三极管是一种电流控制元件(iB iC)，工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，所以被称为双极型器件(简称BJT)。增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道N沟道P沟道FET分类： 绝缘栅场效应管(IGFET)结型场效应管(JFET) 场效应管是一种电压控制器件(uGS iD) ，工作时，只有一种载流子参与导电，因此它是单极型器件（简称FET）。FET因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输入电阻极高等优点，得到了广泛应用。也是一种由PN结组成的半导体，利用电场效应来控制电流的故称为场效应管最常用的绝缘栅型场效应管是由金属-氧化物-半导体材料构成，简称MOS管。由P沟道、N沟道

25、构造的PMOS和NMOS二种类型。其中每一类型又分增强型和耗尽型两种。(CMOS是由PMOS和NMOS管组成的互补对称的集成电路） 绝缘栅型场效应管 (FET)，简称MOSFET。分为： 增强型 N沟道、P沟道 耗尽型 N沟道、P沟道N沟道增强型MOS管 1）结构 4个电极：漏极D，源极S，栅极G、衬底B。绝缘栅场效应管简介四 场效应管 绝缘栅场效应管简介四 场效应管 2）工作原理当uGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的 二极管，在d、s之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。栅源电压uGS的控制作用开启电压UGS(th)刚刚产生沟道所需的栅源电压UGS N沟道增强型MOS管的基本特性： u

26、GS UGS(th) ，管子截止， uGS UGS(th) ，管子导通。 uGS 越大，沟道越宽，在相同的漏源电压uDS作用下，漏极电流ID越大。 漏源电压uDS对漏极电流id的控制作用 当uGSUT，且固定为某一值时，来分析漏源电压uDS对漏极电流ID的影响。 （设UGS(th)=2V， uGS=4V)（a）uDS=0时， iD=0。（b）uDSiD同时沟道靠漏区变窄。（c）当uDS增加到使uGD= UGS(th)时，沟道靠漏区夹断，称为预夹断。（d）uDS再增加，预夹断区加长， uDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上， id基本不变。绝缘栅场效应管简介四 场效应管 总之，场效应管的

27、漏极电流ID受栅、源电压UGS的控制，即ID随UGS的变化而变化，所以场效应管是一种电压控制器件。晶闸管（Silicon Controlled Rectifier） 晶闸管是在晶体管基础上发展起来的一种大功率半导体器件。它的出现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域。 晶闸管也像半导体二极管那样具有单向导电性，但它的导通时间是可控的，主要用于整流、逆变、调压及开关等方面。体积小、重量轻、效率高、动作迅速、维修简单、操作方便、寿命长、 容量大（正向平均电流达千安、正向耐压达数千伏）。 优点： 晶闸管简介五 晶闸管 G控制极基本结构K 阴极G阳极 AP1P2N1N2四 层 半 导 体晶闸管是具有三个

28、PN结的四层结构, 其外形、结构及符号如图。(c) 结构K GA(b) 符号(a) 外形晶闸管的外形、结构及符号三 个PN 结 晶闸管简介五 晶闸管 P1P2N1N2K GA晶闸管相当于PNP和NPN型两个晶体管的组合+KA T2T1_P2N1N2IGIAP1N1P2IKGPPNNNPAGK 晶闸管简介五 晶闸管 晶闸管导通的条件： 1. 晶闸管阳极电路(阳极与阴极之间)施加正向电压。 2. 晶闸管控制电路(控制极与阴极之间)加正向电压或正向脉冲(正向触发电压)。 晶闸管导通后，控制极便失去作用。 依靠正反馈，晶闸管仍可维持导通状态。晶闸管关断的条件：1. 必须使可控硅阳极电流减小,直到正反馈

29、效应不能维持。2. 将阳极电源断开或者在晶闸管的阳极和阴极间加反相电压。 晶闸管简介五 晶闸管 晶闸管型号及其含义 导通时平均电压组别共九级, 用字母AI表示0.41.2V额定电压,用百位或千位数表示取UFRM或URRM较小者额定正向平均电流(IF)（晶闸管类型）P-普通晶闸管K-快速晶闸管S -双向晶闸管 晶闸管KP普通型如KP5-7表示额定正向平均电流为5A,额定电压为700V。五 晶闸管 晶闸管承受过电压、过电流的能力很差，这是它的主要缺点。晶闸管的热容量很小，一旦发生过电流时，温度急剧上升，可能将PN结烧坏，造成元件内部短路或开路。例如一只100A的晶闸管过电流为400A时，仅允许持续

30、0.02秒，否则将因过热而损坏； 晶闸管耐受过电压的能力极差，电压超过其反向击穿电压时，即使时间极短，也容易损坏。若正向电压超过转折电压时，则晶闸管误导通，导通后的电流较大，使器件受损。 晶闸管的保护五 晶闸管 1.快速熔断器保护 电路中加快速熔断器。当电路发生过流故障时，它能在晶闸管过热损坏之前熔断，切断电流通路，以保证晶闸管的安全。与晶闸管串联接在输入端接在输出端快速熔断器接入方式有三种，如下图所示。 晶闸管的过流保护五 晶闸管 2.过流继电器保护3. 过流截止保护在输出端(直流侧)或输入端(交流侧)接入过电流继电器，当电路发生过流故障时，继电器动作，使电路自动切断。在交流侧设置电流检测电

31、路，利用过电流信号控制触发电路。当电路发生过流故障时，检测电路控制触发脉冲迅速后移或停止产生触发脉冲，从而使晶闸管导通角减小或立即关断。 晶闸管的过流保护五 晶闸管 阻容保护CR 利用电容吸收过压。其实质就是将造成过电压的能量变成电场能量储存到电容中，然后释放到电阻中消耗掉。RCRCCRRL晶闸管元件的阻容保护 晶闸管的过压保护五 晶闸管 1 半导体总 结半导体材料中有两种载流子：电子和空穴。电子带负电，空穴带正电。在纯净半导体中掺入不同的杂质，可以得到N型半导体和P型半导体。采用一定的工艺措施，使P型和N型半导体结合在一起，就形成了PN结。PN结的基本特点是单向导电性。二极管是由一个PN结构

32、成的。其特性可以用伏安特性和一系列参数来描述。晶体二极管在电路中常用“D”加数字表示，如：D5表示编号为5的二极管。2 二极管作用：二极管的主要特性是单向导电性，在正向电压的作用下，导通电 阻很小；而在反向电压作用下导通电阻极大或无穷大。应用：无绳电话机中常把它用在整流、隔离、稳压、极性保护、编码控 制、调频调制和静噪等电路中。电话机里使用的晶体二极管按作用 可分为：整流二极管（如1N4004）、隔离二极管（如1N4148）、 肖特基二极管（如BAT85）、发光二极管、稳压二极管等。 识别：二极管的识别很简单，小功率二极管的N极（负极），在二极管外 表大多采用一种色圈标出来，也有采用符号标志为“P”、“N”来确 定二极管极性的。发光二极管的正负极可从引脚长短来识别，长脚 为正，