半导体器件及整流电路课件

电子技术半导体器件及整流电路1

电子技术包含模拟电子技术基础和数字电子技术基础两部分内容，模拟电子技术主要研究模拟电子信号的相关课目，数字电子技术主要研究数字电子信号的相关课目。是理工科（非电专业）学生必修的一门基础理论课。前面四章主要介绍常用半导体器件、放大电路、集成运算放大器和稳压电源电路，是研究低频范围内的在时间和空间上都連續的模拟信号的基本技术理论。后面章节着重介绍逻辑代数、门电路、组合逻辑电路、时序逻辑电路等，研究在时、空上不連續的、断续的数字信号的基本技术理论。21.1半导体二极管及整流电路1.2

特殊二极管及稳压电路1.3

双极型三极管1.4

场效应晶体管1.5

晶体管的识别与简易测试第1章半导体器件3

对于元器件，重点放在特性、技术指标和正确使用方法上面，了解其内部机理。讨论器件的目的在于应用。学会用工程观点分析问题，就是根据实际情况，对器件的数学模型和电路的工作条件进行合理的近似，以便用简便的分析方法获得具有实际意义的结果。器件是非线性的，特性有分散性，R，C的值有误差。工程上允许一定的误差。采用合理估算的方法。对电路进行整体考虑时，只要能满足技术指标，就不要过分追究精确的数值。但分析计算时另当别论。我们在分析计算时一般都以理想条件为前提，已经考虑了各項近似因素。51.1半导体二极管及整流电路

半导体器件是用半导体材料制成的电子器件。常用的半导体器件有二极管、三极管、场效应晶体管、集成块等。半导体器件是构成各种电子电路最基本的元件。1.1.1半导体的导电特征导体：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。物质导电性能的差异决定于物质内部原子结构及原子与原子之间的结合方式。6半导体的特性：

(可制成温度敏感元件，如热敏电阻)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。7

室温下，由于热运动少数价电子挣脱共价键的束缚成为自由电子，同时在共价键中留下一个空位，这个空位称为空穴。失去价电子的原子成为正离子，就好象空穴带正电荷一样。在电子技术中，将空穴看成带正电荷的载流子。

純净的半导体叫本征半导体。每个原子周围有四个相邻的原子，每个原子的一个外层价电子与另一原子的外层价电子组成电子对，原子之间的这种电子对为两原子共有，称为共价键结构。原子通过共价键紧密结合在一起。两个相邻原子共用一对电子。由于温升、光照等原因，共价键的电子容易挣脱键的束縛成为自由电子。这是半导体的一个重要特征。1．热激发产生自由电子和空穴9硅和锗的共价键结构共价键共用电子对

共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子。+4+4+4+410+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子

在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键上留下一个空位，称为空穴（带正电）。

本征半导体的导电机理这一现象称为本征激发。113.在纯净半导体中掺入某些微量杂质，其导电能力将大大增强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）13N型半导体

掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。

自由电子称为多数载流子（多子），

空穴称为少数载流子（少子）。+4+4+4+4+5多余电子磷原子掺入五价元素在常温下即可变为自由电子失去一个电子变为正离子（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）15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。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。17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1.1.2PN结及其单向导电性18

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19②外加反向电压（也叫反向偏置）外加电场与内电场方向相同，增强了内电场，多子扩散难以进行，少子在电场作用下形成反向电流，因为是少子漂移运动产生的，反向电流很小，这时称PN结处于高阻截止状态。21一个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。符号用VD表示。半导体二极管按其结构不同可分为点接触型和面接触型两类。

点接触型二极管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。

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。1.2半导体二极管1.2.1半导体二极管的结构22二极管的结构示意图VD（1）最大整流电流IFM：指管子长期运行时，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。理想二极管：正向导通时为短路特性，正向电阻为零，正向压降忽略不计；反向截止时为开路特性，反向电阻为无穷大，反向漏电流忽略不计。1.2.3半导体二极管的主要参数251.3整流电路直流稳压电源的组成：26当u为正半周时，二极管VD承受正向电压而导通，此时有电流流过负载，并且和二极管上的电流相等，即io=id。忽略二极管的电压降，则负载两端的输出电压等于变压器副边电压，即uo=u，输出电压uo的波形幅度与u相同。29当u为负半周时，二极管VD承受反向电压而截止。此时负载上无电流流过，输出电压uo=0，变压器副边电压u全部加在二极管VD上，UVD=um。3031321.3.2单相桥式整流电路（常用整流电路）可以得到比较平滑的整流电流。33u为正半周时，a点电位高于b点电位，二极管D1、D3承受正向电压而导通，D2、D4承受反向电压而截止。此时电流的路径为：a→D1→RL→D3→b。34u为负半周时，b点电位高于a点电位，二极管D2、D4承受正向电压而导通，D1、D3承受反向电压而截止。此时电流的路径为：b→D2→RL→D4→a。3536373839401.4滤波电路整流电路可以将交流电转换为直流电，但脉动较大，在某些应用中如电镀、蓄电池充电等可直接使用脉动直流电源。但许多电子设备需要平稳的直流电源。这种电源中的整流电路后面还需加滤波电路将交流成分滤除，以得到比较平滑的输出电压。滤波通常是利用电容或电感的能量存储功能来实现的。411.4.1电容滤波电路4243单相桥式整流、电容滤波电路的输出特性曲线如图所示。空载时（RL=∞，开路），UDO=1.4U。负载加重时（即RL减小，IDO增大，此时τ=RLC减小），放电速度加快，UDO下降。从图中可见，电容滤波电路的输出电压在负载变化时波动较大，说明它的带负载能力较差，只适用于负载较轻且变化不大的场合4445例：（P211-6题）46475.2.2电感滤波电路电感滤波适用于负载电流较大的场合。它的缺点是制做复杂、体积大、笨重且存在电磁干扰。485.2.3复合滤波电路LC、CLCπ型滤波电路适用于负载电流较大，要求输出电压脉动较小的场合。在负载较轻时，经常采用电阻替代笨重的电感，构成CRCπ型滤波电路，同样可以获得脉动很小的输出电压。但电阻对交、直流均有压降和功率损耗，故只适用于负载电流较小的场合。49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=ΔUZ/ΔIZ（4）额定功率PZ和最大稳定电流IZM。额定功率PZ是在稳压管允许结温下的最大功率损耗。最大稳定电流IZM是指稳压管允许通过的最大电流。它们之间的关系是：

PZ=UZIZM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。1.5特殊二极管1.5.1稳压管（W）501.5.2稳压管稳压电路

最简单的稳压电源采用稳压管来稳定电压。（负极接+）经整流和滤波后的直流电压Udi，再经限流电阻R和稳压管VS组成的稳压电路接到负载RL上，稳压管VS与负载RL并联。当RL不变时，Udi随电网电压变化增大，应是UDO增大，由于稳压管工作在反向击穿狀態，其两端的电压略有增大，流过的电流增大很多，使限流电阻R上的电流增大，压降增大，使Udi的电压增量几乎都降在限流电阻R上。从而使UDO保持不变。反之亦然。当负载电阻RL变化（减小），则輸出UDO应减小，由于稳压管两端的电压略有减小时，流过的电流减小很多，而R上的电流基本不变，负载电流要增大，从而使UDO保持不变。

稳压电路中除稳压管外，限流电阻R起一定作用，其值大小的选择范围是：51IRIRLIVS52稳压管稳压电路的特点输出电压不能调节，负载电流变化范围小，稳定性，优点是电路简单，输出电压固定。稳压管的选择一般情况下，选稳压管型号依据：

VZ=VO

IZM=（1.5~3）Iomax输入电压的确定为保证足够的电压调整范围，Ui=(2~3)UZ电路连接稳压狀態，正极接低电平，负极接高电平；输出VZ;导通狀態，正极接高电平，负极接低电平，输出0.5V。531.5.2发光二极管（LED）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。不同材料制成的发光二极管会发出不同颜色的光。发光二极管具有亮度高、清晰度高、电压低（1.5～3V）、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、数字和字符显示。541.5.3光电二极管（U）光电二极管的又称为光敏二极管，其工作原理恰好与发光二极管相反。当光线照射到光电二极管的PN结时，能激发更多的电子，使之产生更多的电子空穴对，从而提高了少数载流子的浓度。在PN结两端加反向电压时反向电流会增加，所产生反向电流的大小与光的照度成正比，所以光电二极管正常工作时所加的电压为反向电压。为使光线能照射到PN结上，在光电二极管的管壳上设有一个小的通光窗口。55例P22，1—12作业：1—3、5、6、7、12、13。561.6双极型三极管(TTL)1.6.1

三极管的结构及类型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。在工作过程中，两种载流子（电子和空穴）都参与导电，故又称为双极型晶体管，简称晶体管或三极管。

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，双极型三极管有两种类型：NPN型和PNP型。57NPN型PNP型箭头方向表示发射结加正向电压时的电流方向581.6.2电流分配和电流放大作用（1）产生放大作用的条件（工艺结构特点）

内部：a）发射区杂质浓度>>基区>>集电区，保证足够多載流子用于发射。b）基区很薄且低浓度，减小复合运动。C）集电区面积大，保证有足够的收集能力。

外部：发射结正偏，集电结反偏（2）三极管内部载流子的传输过程（NPN为例）a）发射区向基区注入电子，形成发射极电流iEb）电子在基区中的继续扩散与复合，形成基极电流iB=iEN-iCBOc）集电区收集扩散过来的电子，形成集电极电流iC=iCN+iCBO（3）电流分配关系：

iE=iC+iB

59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。1.6.3三极管的特性曲线（NPN）1．输入特性曲线与二极管加正向电压类似602．输出特性曲线（1）放大区：发射极正向偏置，集电结反向偏置（2）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，集电结正向偏置此时

611.6.4三极管的主要参数1、电流放大系数β：iC=βiB

有直流和交流之分，在小功率范围內认为相等。（有的用hfe表示）2、极间反向电流iCBO、iCEO：iCEO也叫穿透电流，与ICBO、β及温度有关。

iCEO=（1+β）iCBO3、极限参数

（1）集电极最大允许电流ICM：下降到额定值的2/3时所允许的最大集电极电流，电路不能正常工作。（2）反向击穿电压U（BR）CEO：基极开路时，集电极、发射极间的最大允许反向电压，大了可能烧坏管子。（3）集电极最大允许功耗PCM=IC

UCE，决定了管子的温升极限。在輸出特性曲线上是一条双曲线，划定了安全区。62ICUCEICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作区由三个极限参数可画出三极管的安全工作区631.6.4三极管开关特性

在数字电路中，三极管作为最基本的开关元件，工作在截止区和饱和区。输入高电平时，管子导通饱和，输出低电平；输入低电平时，管子反相截止，输出高电平。三极管起一个反相器的作用。（构成非门）（一）、饱和导通条件：临界饱和时UCE=UCESIC=ICSIB=IBS若IB＞IBS≈UCC/βRC

管子一定飽和导通饱和导通时UBE≈0.7vUCE=UCES≤0.3v（硅管）管子如一个合上的开关。（二）、截止条件：

UBE≤0.5V（硅管）管子截止。

此时IB≈0IC≈0UCE≈UCC管子如一个打开的开关。64三极管的开关特性uiRB+UCCRCTuouo+UCCRCCE。。+UCC。。RCCEuo饱和导通，截止3V0Vuo0相当于开关断开相当于开关闭合uoUCC

三、开关时间导通与截止的转换时间称开关时间。1、开启时间ton：由截止转换为饱和的时间。由截止IC=0跳变到IC=0.1Cmax导通的延迟时间td和导通到饱和IC=0.9ICmax的上升时间tr组成。

ton=td+tr2、关闭时间toff：由饱和转换为截止的时间。由饱和Icmax转为导通IC=0.9ICmax的存储时间ts和导通跳变到截止IC=0.1Cmax的下降时间tf组成。

toff=ts+tf三极管的开关时间一般为纳秒级，其中存储时间ts是影响三极管开关速度的关键参数。66三极管开关时间的波形：前一页后一页A0.9A0.5A0.1AtptrtfT脉冲幅度A延迟时间td,上升时间tr，开启时间ton=td+tr脉冲周期T存储时间ts,下降时间tf，关闭时间toff=ts+tf脉冲宽度tp

返回671.7场效应晶体管（FET）场效应管也是一种由PN结组成的半导体，因是利用电场效应来控制电流的故称为场效应管。和TTL比較，其主要特点是：輸入电阻大；受温度影响小，热稳定性好；噪声低；易于集成化。因而获得广泛运用。按内部结构的不同，分为结型场效应管（JFET）和绝缘栅型场效应管（IGFET）二大类。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）增强型：UGS=0，不存在导电沟道，ID=0。耗尽型：UGS=0，存在导电沟道，ID=0。68耗尽型GSDGSD增强型N沟道P沟道GSDGSDN沟道P沟道G、S之间加一定电压才形成导电沟道在制造时就具有原始导电沟道后一页前一页返回691.7.1

绝缘栅型场效应管(IGFET)的结构70耗尽型：UGS=0时漏、源极之间已经存在原始导电沟道。增强型：UGS=0时漏、源极之间才能形成导电沟道。无论是N沟道MOS管还是P沟道MOS管，都只有一种载流子导电，均为单极型电压控制器件。MOS管的栅极电流几乎为零，输入电阻RGS高达1015Ω71N沟道增强型MOS管工作原理1.绝缘栅型场效应管的工作原理与特性曲线72

漏极（D）和源极（S）之间是两个背对背的PN结，当UGS=0时，不论漏、源极之间加怎样极性的电压，总有一个PN结是反偏。其反向电阻很高，ID=0。当UGS＞0,由于柵、漏电场的作用，在衬底上靠近柵极表面形成由自由电子组成的N型簿层，通常叫“反型层”，形成了联系漏、源极之间的导电沟道。若在漏、源极之间加上正向UDS时，便有漏极电流ID流动。我们把出現ID时的柵源电压UGS叫做“开启电压”，即UGS（th）。当UGS＞UGS（th）时，UGS愈大，沟道愈宽，ID愈大，电压控制作用愈强。当UGS和UDS共同作用时，在UGS＞UGS（th）时，由于UDS的作用，沿沟道产生电位梯度，漏极附近的电场减弱，沟道变为楔形，若此时UDS较小，UGD(UGS-UDS)≥UGS（th）,沟道变化不大，ID将随UDS的增大而线性增大，管子工作在可变电阻（非饱和）区。若UDS继续增大，UGD(UGS-UDS)≤UGS（th）,沟道在漏极附近被夹断，ID将不受UDS影响而只与UGS有关。管子工作在放大（饱和）区。MOS管做放大电路，一定要工作在饱和区。73增强型场效应管不存在原始导电沟道，UGS=0时场效应管不能导通，ID=0。UGS>0时会产生垂直于衬底表面的电场。P型衬底与绝缘层的界面将感应出负电荷层，UGS增加，负电荷数量增多，积累的负电荷足够多时，两个N+区沟通，形成导电沟道，在一定的漏、源电压UDS下，漏、源极之1、N沟道增强型场效应管的特性曲线74按场效应管的工作情况可将漏极特性曲线分为两个区域。在虚线左边的区域内，漏、源电压UDS相对较小，漏极电流ID随UDS的增加而增加，输出电阻ro较小，且可以通过改变栅、源电压UGS的大小来改变输出电阻ro的阻值，这一区域称为非饱和区（可变电阻区）。在虚线右边的区域内，当栅、源电压UGS为常数时，漏极电流ID几乎不随漏、源电压UDS的变化而变化，输出电阻ro很大，UGD使沟道夹断，曲线趋于与横轴平行，在栅、源电压UGS增大时，漏极电流ID随UGS线性增大，这一区域称为饱和区（放大区）。综上所述，场效应管的漏极电流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。场效应管栅、源电压UGS对漏极ID控制作用的大小用跨导gm表示：间有ID出现。使管子由不导通转为导通的临界栅、源电压称为开启电压UGS(th)。UGS<UGS(th)时，ID=0；UGS>UGS(th)时，随UGS的增加ID增大。752、N沟道耗尽型场效应管的特性曲线耗尽型场效应管存在原始导电沟道，UGS=0时漏、源极之间就可以导电。这时在外加电压UDS作用下的漏极电流称为漏极饱和电流IDSS。UGS>0时沟道内感应出的负电荷增多，沟道加宽，沟道电阻减小，ID增大。UGS<0时，在沟道内产生出的感应负电荷减小，沟道变窄，沟道电阻增大，ID减小。UGS达到一定负值时，沟道内载流子全部复合耗尽，沟道被夹断，ID=0，这时的UGS称为夹断电压UGS(off)。761.7.3

绝缘栅型场效应管的主要参数77781.7.4JFET(结型场效应管)的结构和工作原理1.结构结型场效应管按其导电沟道分为N沟道和P沟道两种。其结构示意图和电路符号如图a和图b所示。792.工作原理（1）uGS对iD的控制作用

uGS对iD的控制作用如图3.3所示。80在图（a）中，栅源电压等于0，沟道面积最大。在图（b）中，栅源之间加上反偏电压，沟道面积变窄。在图（c）中，栅源之间的反偏电压增加，耗尽层合拢，沟道被夹断，面积为零。综上所述，改变栅源反偏电压的大小，可以有效的控制沟道电阻的大小。81（2）uDS对iD的影响

uDS对iD的影响如图所示。(a)uDS=0时的情况(b)uDS<|UGS(off)|时的情况82(c)uDS=|UGS(off)|时的情况(d)uDS>|UGS(off)|时的情况uDS对导电沟道的影响在图（a）中，漏源电压等于0，漏极电流等于零。在图（b）中，漏源电压增加，漏极电流增加。在图（c）中，漏源电压增加，使耗尽层在靠近漏端合拢，漏极电流趋于饱和。在图（d）中，漏源电压继续增加，耗尽层的合拢点下移，漏极电流不变。综上所述，漏源电压的主要作用是形成漏极电流。83综上分析，可得下述结论：①JFET栅极、沟道之间的PN结是反向偏置的，其作用是控制导电沟道的电阻，从而控制漏极电流的大小。②漏源电压的作用是形成漏极电流。③施加栅源电压和漏源电压的原则是：必须保证管内的PN结处于反向偏置。1.7.5JFET的特性曲线及参数

1.输出特性

JFET的输出特性如图所示。84（a）uGS＝0（b）栅源电压uGS改变N沟道JFET的输出特性图（b）的输出特性可划分为4个区域。（1）可变电阻区（2）饱和区或恒流区（3）击穿区（4）夹断区：当uGS＜UGS(off)时，iD=0，称为夹断区，或称为截止区。852.转移特性

N沟道结型场效应管的转移特性如图所示。实验表明，在UGS(off)≤uGS≤0范围内，即在饱和区内，iD随uGS增加（负数减少）近似按平方上升，因而有

(当时)863.主要参数（1）夹断电压UGS(off)（2）饱和漏电流IDSS（3）低频互导（跨导）gm|

=常数互导反映了栅源电压对漏极电流的控制能力（4）最大漏源电压U(BR)DS（5）最大栅源电压U(BR)GS（6）直流输入电阻RGS

（7）输出电阻rd|=常数（3.3）（8）最大耗散功率PDM87场效应管与晶体管的比较双极型三极管单极型场效应管电流控制电压控制控制方式电子和空穴两种载流子同时参与导电载流子电子或空穴中一种载流子参与导电类型

NPN和PNPN沟道和P沟道放大参数

rce很大

rds很大

输出电阻输入电阻较低较高热稳定性差好制造工艺较复杂简单，成本低对应电极

B—E—C

G—S—D881.8