第七章 半导体器件课件

第七章半导体器件第七章半导体器件第七章

半导体器件

教学要求：

1.正确理解PN结的形成及单向导电性。

2.熟练掌握普通二极管、三极管、晶闸管的结构、、主要参数、外特性以及测试方法。

第七章半导体器件第七章半导体器件第一节晶体二极管第二节晶体三极管第三节晶闸管第七章半导体器件7.1.1半导体及其特性1、什么是半导体物质按导电能力的强弱可分为导体、绝缘体和半导体三大类。

导电能力很强的物质称为导体，如铜、铝等金属。导电能力很弱的物质称为绝缘体，如塑料、玻璃等。导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体。常用的半导体材料是硅（Si）和锗（Ge）,其中硅用的最为广泛。7.1半导体材料

第七章半导体器件2、半导体的独特性能

半导体之所以得到广泛的应用，是因为它具有以下三大特性：

(1)掺杂特性：

在纯净的半导体（通常称本征半导体）中掺入极其微量的杂质元素，则它的导电能力将大大增强。温度升高，将使半导体的导电能力大大增强。(2)热敏特性：(3)光敏特性：对半导体施加光线照射时，光照越强，导电能力越强。第七章半导体器件7.1.2P型半导体和N型半导体

在本征半导体中掺入微量的特定杂质，其导电能力将大大提高（可提高几十万倍以上），称之为杂质半导体。根据掺入杂质性质不同，杂质半导体可分为N型半导体和P型半导体两大类。

1）N型半导体在本征半导体中掺入微量的五价元素，可以形成N型半导体。

由于这种杂质半导体主要靠自由电子进行导电，所以称为电子型半导体，简称N型半导体。

在N型半导体中，多数载流子（简称多子）是电子，少数载流子（简称少子）是空穴。第七章半导体器件

N型半导体是中性体，本身并不带电，当掺入的磷原子提供了一个自由电子后，变成不能移动的正离子，用“+”来表示。N型半导体的结构示意图如图1.1.6所示。图1.1.5N型半导体的共价键结构图图1.1.6N型半导体的平面结构示意图第七章半导体器件2）P型半导体在本征半导体中掺入微量的三价元素，可以形成P型半导体

由于这种杂质半导体主要靠空穴进行导电，所以称为空穴型半导体，简称P型半导体。

在P型半导体中，多数载流子是空穴，少数载流子是电子。P型半导体也是中性。其结构示意图如图1.1.8所示。图1.1.7P型半导体的共价键结构示意图图1.1.8P型半导体平面结构示意图第七章半导体器件7..1.3

PN结

1PN结及其单向导电性

在一块本征半导体上，利用一定的掺杂工艺，分别掺入三价元素和五价元素，在半导体两边形成P型半导体和N型半导体，交界面形成的特殊导电薄层，称为PN结。

第七章半导体器件1）PN结的形成

载流子浓度差引起各自的多子向对方扩散，P区的空穴向N区扩散，N区的电子向P区扩散，在交界面易出现电子与空穴相遇同时消灭即出现了复合现象，结果在交界面两边P区留下了带负电的负离子，N区留下了带正电的正离子，形成了空间电荷区，建立了PN结电场。这个电场称为内电场，方向由N区指向P区。它阻碍着多子扩散运动，有利于少子的漂移运动。当多子扩散运动和少子漂移运动达到动态平衡时，这个空间电荷区不再变化，这时的空间电荷区称为PN结，如图所示。由于空间电荷区内无载流子，所以也叫耗尽层。第七章半导体器件第七章半导体器件2）PN结的特性（1）外加正向电压PN结外加正向电压，即外电源的正极接P区，负极接N区。PN结外加正向电压时，有较大的电流通过PN结，此时PN结处于导通状态。导通时，PN结相当于一个较小的电阻。PN结加正向电压时的导电情况第七章半导体器件（2）外加反向电压PN结外加正向电压，即外电源的正极接N区，负极接P区。PN结外加反向电压时，几乎没有电流通过，呈截止状态。截止时，PN结相当于一个很大的电阻。PN结加反向电压时的导电情况

在一定温度下，当外加反向电压超过某个值（大约零点几伏）后，反向电流将不再随着外加反向电压的增加而增大，所以又成为反向饱和电流。第七章半导体器件

PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；

PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。

第七章半导体器件7.1.2二极管的构造、类型1、晶体二极管的结构和符号PN结加上相应的电极引线并用管壳封装起来，构成了晶体二极管，简称二极管。其基本结构如图1.2.1（a）所示。

图7-2二极管结构与符号(a)结构示意图（b）电路符号第七章半导体器件2）二极管的类型

按制造二极管的材料分，有硅二极管和锗二极管；按二极管的用途分，有普通二极管、变容二极管、发光二极管、光电二极管等；按制作二极管的工艺分，有点接触型和面接触型两类。(1)点接触型二极管(a)点接触型

二极管的结构示意图PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。第七章半导体器件(2)面接触型二极管(b)面接触型PN结面积大，用于工频大电流整流电路。(3)平面型二极管(c)平面型

往往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。第七章半导体器件

常见用于电视机、收音机、稳压电源等电子产品中的各种不同外形的二极管。如图1.2.2所示。

第七章半导体器件7.1.3、二极管的伏安特性1）二极管的主要特性是单向导电性

当二极管正偏（正向偏置）时，即二极管的正极接电源正极（或高电位），负极接电源负极（或低电位），有较大电流，二极管的电阻很小；反之，二极管反偏时，没有电流流过指示灯，此时二极管的电阻很大，反向几乎不导电，与绝缘体相似。锗二极管2AP15的V-I特性正向特性反向特性反向击穿特性死区第七章半导体器件（1）正向特性①死区（不导通区）：二极管呈现的电阻较大，正向电流几乎为零。一般硅二极管的死区电压约0.5V左右，锗二极管约0.2V左右。②导通区：二极管呈现的电阻很小，正向电流增长很快。导通后，二极管两端的正向电压称为正向压降（或管压降），也近似认为是导通电压。一般硅二极管约为0.7V左右，锗二极管为0.3V左右。

二极管的伏安特性曲线可用下式表示第七章半导体器件（2）反向特性①反向截止区：当二极管承受反向电压时，二极管呈现很大电阻，很小的反向电流IR。此处的IR称为反向饱和电流或反向漏电流。实际应用中，此反向饱和电流值越小越好。一般硅二极管的反向饱和电流在几十微安以下，锗二极管的则达几百微安，大功率二极管会稍大些。②反向击穿区：反向电压稍有增大，反向电流急剧加大，这种现象叫反向击穿。CD段称为反向击穿区，C点对应的电压就叫反向击穿电压UBR。击穿后电流过大将会使管子损坏，因此除稳压管外，加在二极管上的反向电压不允许超过击穿电压。

第七章半导体器件7.1.4二极管的主要参数（1）最大整流电流IF

IF是指二极管长时间工作时，允许通过二极管的最大正向平均电流。（2）最大反向工作电压UR

UR是指二极管工作时所加的最高反向电压。UR定为反向击穿电压UBR的一半或三分之二。

（3）反向电流IR

IR是指二极管在室温下，加最大反向工作电压UR时，产生的反向电流值。IR越小，说明二极管的单向导电性能越好。（4）最高工作频率fmax

fmax是指二极管工作时所允许的最高工作频率。第七章半导体器件（5）直流电阻（静态电阻）RD

RD为加在二极管两端的直流电压与流过二极管的电流之比。

值得注意的是：RD不是一个恒定的值。用万用表测出的二极管的正、反向电阻是直流电阻RD。正、反向电阻相差越大，二极管的单向导电性越好。

（6）交流电阻（动态电阻）rd

某点的rd等于该点附近电压的微小变量与电流的微小变量的比值。rd也不是恒定的值。但工作点在线性区内变化时，可认为rd基本不变。（7）极间电容Cj

极间电容是由PN结引起，所以也叫结电容。它的大小决定了二极管最高工作频率。结电容一般为几皮法至几十皮法。第七章半导体器件4、二极管的简易测量

一般情况下多采用万用表来检查二极管的质量或判别正、负极。

将万用表拨到电阻的R×100或R×1K，此时万用表的红表笔接的是表内电池的负极，黑表笔接的是表内电池的正极。因此当黑表笔接至二极管的正极、红表笔接至负极时为正向连接。

具体的测量方法是：将万用表的红、黑表笔分别接在二极管两端，如图1.2.10（a）所示，而测得电阻比较小（几千欧姆以下），再将红、黑表笔对调后连接在二极管两端，如图1.2.10（b）所示，而测得的电阻比较大（几百千欧姆以下），说明二极管具有单向导电性，质量良好。测得电阻小的那一次黑表笔接的是二极管的正极。

第七章半导体器件

如果测得二极管的正、反向电阻都很小，甚至为零，表示管子内部已短路；如果测得二极管的正、反向电阻都很大，则表示管子内部已断路。

图1.2.10晶体二极管的测量（a）测量正向电阻（b）测量反向电阻第七章半导体器件7.2晶体三极管一、三极管的结构1、外形观察外形特点：第七章半导体器件三极管的核心是两个互相联系的PN结。按组合方式不同，分为PNP和NPN两类第七章半导体器件内部结构三区{三极{两个结{发射区基区集电区发射极基极集电极发射结集电结想一想：三极管的集电极和发射极能互换吗？第七章半导体器件3、分类按管芯半导体材料：硅管锗管按内部结构：NPNPNP按工作频率：工作频率大于3MHz高频管工作频率低于3MHz低频管按功率：大功率管（大于1W）、小功率管（小于1W）按用途：普通放大管、开关三极管第七章半导体器件二、三极管的电流放大作用1、三极管的工作电压要使三极管能正常放大信号，必须：给发射结加正向电压，给集电结加反向电压基极偏置电阻，为发射结提供正向偏压Rb负载电阻，集电极供电NPNRcVcc第七章半导体器件NPNPNPRbRcVccRbRcVcc第七章半导体器件2、三极管的电流放大作用仿真实验，读出IB、IC、IEIB0mA0.02mA0.04mA0.06mAIC0mA2mA4mA6mAIE0mA2.02mA4.04mA6.06mA分析表格中数据，你能得出哪些结论？（1）三个电极的电流分配关系IE=IB+ICICIE（2）三极管具有电流放大作用：直流电流放大系数第七章半导体器件引入在电路维修和故障分析中，常常要根据测量的电压，判定三极管是否正常工作，判定是三极管坏了还是电路其他元件坏了。就很有必要掌握三极管的三种工作状态及特点.三极管的特性曲线第七章半导体器件三、 三极管共发射极输入特性1、三极管的输入特性三极管的输入电流IB与输入电压VBE之间的关系

2．输入特性曲线当VBE大于发射结死区电压时，（硅管约0.5V,锗管约0.2V）IB开始导通。VBE升高，IB就增大。导通后VBE的电压称为发射结正向电压或导通电压值，硅管为0.7V，锗管约为0.3V。第七章半导体器件三极管的输出特性曲线定义： 每一个固定的IB值，三极管的输出电流IC和输出电压VCE之间的对应关系。第七章半导体器件（2）饱和区：①VCE较小的区域。VCE<VBE②电流特点：IC不随IB的增大而变化。IB不能控制IC，ICVCC/RC③饱和时的VCE值为饱和压降。VCES：硅管为0.3V，锗管为0.1V.电压条件:发射结、集电结都正偏，处于饱和想一想：在饱和状态下，IB能控制IC吗？NPN管和PNP管的VE和VB的关系？三极管的等效电阻RCE是大还是小？相当于C、E怎么样?

饱和状态第七章半导体器件

①电流特点：IC受IB控制，ΔIC=βΔIB，具有电流放大作用。②恒流特性：IB一定，IC不随VCB变化，IC恒定。③电压条件：发射结正偏，集电结反偏，处于放大状态。（3）放大区：？？？想一想：在放大状态下，IB能控制IC吗？NPN管和PNP管的VE和VB的关系？三极管的等效电阻RCE有什么特点？IB控制RCE的吗?第七章半导体器件

总结：三极管工作状态由偏置情况决定。管型放大状态饱和状态放大状态电压条件发射结正偏集电结反偏发射结正偏或零偏，集电结反偏发射结正偏，集电结正偏电位条件NPNVC＞VB＞VEVB≤VEVB＞VE，VB＞VcPNPVC＜VB＜VEVB≥VEVB＜VE，VB＜VC第七章半导体器件 练习：1．判别三极管的工作状态，如果是PNP管呢 指导：    1．中间电位值的为基极。 2．电位值接近基极的为发射极。电位值与基极相差较大的是集电极。 3．VBE约0.7V或接近，为NPN VBE约0.3V或接近，为PNP）第七章半导体器件2、判断三极管的放大状态，各极名称、管型。第七章半导体器件小结三极管工作状态由偏置情况决定。放大 截止 饱和发射结正偏发射结反偏发射结正偏集电结反偏或零偏集电结反偏

集电结正偏三种状态的特点截止状态：IB=0，相当于开关断开，VCE=VG；放大状态：IC=βIB或ΔIC=βΔIB，IB控制IC的变化，而且具有恒流特点，即IB不变，IC不随ＶＣＥ而改变。饱和状态：ＩＣ不能控制ＩＢ，ＶＣＥ＝ＶＣＥＳ＝硅管约0.3V，锗管约0.1V，相当于C、E间短路。第七章半导体器件7.3晶闸管教学目标：1、掌握晶闸管的结构及符号。2、掌握晶闸管的工作特性及主要参数。第七章半导体器件1、晶闸管的结构第七章半导体器件2、晶闸管的外形第七章半导体器件3、晶闸管的符号第七章半导体器件4、晶闸管的等效电路第七章半导体器件5、晶闸管的工作原理第七章半导体器件

(1)晶闸管加阳极负电压-UA时，晶闸管处于反向阻断状态。

(2)晶闸管加阳极正电压UA，控制极不加电压时，晶闸管处于正向阻断状态。

6、分析第七章半导体器件(3)晶闸管加阳极正电压+UA，同时也加控制极正电压+UG，晶闸管导通。(4)要使导通的晶闸管截止，必须将阳极电压降至零或为负，使晶闸管阳极电流降至维持电流