《焊接电工》课件-第四章 半导体器件

第四章半导体器件主要内容

返回目录§4-1半导体的基本知识§4-2

半导体二极管§4-3半导体晶体管

★本章小结★§4-4晶闸管

§4-5场效应晶体管

§4-6绝缘栅双极晶体管

职业教育机械类专业“互联网+”新形态教材§4-7光电器件§4-1半导体的基本知识§4-1半导体的基本知识一、半导体的导电特性半导体是指导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。

（一）本征半导体完全纯净的、具有晶体结构的半导体称为本征半导体。在本征半导体的晶体结构中，每一个原子与相邻的四个原子结合。每一个原子的一个价电子与另一个原子的一个价电子组成一个电子对。这对价电子是两个相邻原子所共有的，它们把相邻的原子结合在一起，构成共价键结构。共价键具有较强的结合力，束缚着价电子。当价电子获得外界能量（如温度、光照或辐射等），某些价电子就会挣脱原子核的束缚而成为自由电子（又称电子载流子）。在§4-1半导体的基本知识电子挣脱共价健的束缚成为自由电子后，共价键中就会留下一个空位，称为空穴，如图4-1所示。自由电子和空穴都称为载流子。在电场作用下，半导体中自由电子和空穴将作定向运动，参与导电，分别形成电子电流和空穴电流。在半导体中，同时存在着电子导电和空穴导电，这是半导体导电方式的最大特点，也是半导体和金属导电原理上的本质差别。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡。温度愈高，载流子数目愈多，导电性能也就愈好，但因常温下本征半导体中的自由电子和空穴浓度很低，因此导电能力很弱。§4-1半导体的基本知识图4-1形成空穴示意图§4-1半导体的基本知识（二）杂质半导体N型半导体和P型半导体为了提高半导体的导电能力，可在本征半导体中掺入微量杂质元素，掺杂后的半导体称为杂质半导体。按掺入的杂质不同，杂质半导体可分为两大类。★杂质半导体中电子是多数载流子，空穴是少数载流子，导电以电子为主，故称为电子半导体或N型半导体。★在半导体中有大量空穴载流子，这种杂质半导体中空穴是多数载流子，电子是少数载流子，导电以空穴为主，故称为空穴半导体或P型半导体。§4-1半导体的基本知识（1）PN结的形成当通过一定的生产工艺，将P型半导体和N型半导体紧密结合在一起，如图4-2所示。则在P型和N型半导体交界处，由于空穴和电子浓度差引起载流子运动，即扩散运动。这样，在P型半导体和N型半导体交界面的两侧就形成了一个空间电荷区，这个空间电荷区就是PN结。正负空间电荷在交界面两侧形成了一个电场，称为内电场，其方向从带正电的N区指向带负电的P区。二、PN结及其单向导电性§4-1半导体的基本知识图4-2PN结的形成§4-1半导体的基本知识图4-3PN结的单向导电性（2）PN结的单向导电性PN结加上如图4-3a所示正偏电压，即P端为正，N端为负。此时，外电场与PN结内电场方向相反，削弱了内电场，使空间电荷区变窄，扩散运动增强，形成了较大的正向电流（扩散电流）。PN结正向导通，其正向导通电阻很小，相当于开关闭合，此时，称之为PN结正向偏置。相反，如果给PN结外加反偏电压，即P端为负，N端为正，如图4-3b所示。这时，外电场与PN结内电场的方向一致，使空间电荷区变宽，内电场增强，使扩散运动难以进行。少数载流子在电场作用下移动，形成极少量的反向电流。反映出其反向电阻很大，相当于开关断开，称为PN结反向截止。此时，称之为PN结反向偏置。§4-1半导体的基本知识PN结正向偏置时导通，反向偏置时截止，因此，PN结具有单向导电特性。继续返回§4-1半导体的基本知识§4-2半导体二极管图4-4半导体二极管

a）点接触型b）面接触型c）表示符号d）常见二极管的外形图§4-2半导体二极管一、基本结构§4-2半导体二极管二、伏安特性伏安特性是描述二极管端电压与通过电流之间的关系特性曲线。二极管伏安特性如图4-5所示。（1）正向特性（2）反向特性图4-5硅二极管的典型伏安特性§4-2半导体二极管三、主要参数（1）最大整流电流指二极管长时间使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。（2）反向工作峰值电压它是保证二极管不被击穿而给出的方向峰值电压，一般是反向击穿电压的一半或三分之二。四、稳压管1．稳压管的工作特性稳压管在电路中与适当数值的电阻配合后能起稳定电压的作用，故称为稳压管。稳压管的伏安特性曲线与普通二极管的类似。§4-2半导体二极管2．稳压管的主要参数

（1）稳定电压即反向击穿电压，手册中所列的都是在一定条件（工作电流、温度）下的数值。（2）稳定电流指稳压管保持稳定电压时的工作电流。（3）动态电阻动态电阻是指稳压管端电压的变化量与相应的电流变化量的比值。（4）最大允许耗散功率稳压管所允许的最大功耗。

继续返回§4-3半导体晶体管§4-3半导体晶体管晶体管是由两个PN结构成的三端半导体元件。一、晶体管的结构晶体管的外形及管脚极性如图4-6所示。晶体管可分为NPN型和PNP型两种类型，结构和图形符号见图4-7所示。分为三个区域：发射区、基区和集电区。引出三个管脚分别为发射极E、基极B和集电极C。靠近集电区的PN结称为集电结，靠近发射区的PN结称为发射结。发射极箭头方向代表三极管中电流的方向。§4-3半导体晶体管图4-6晶体管的外形图4-7晶体管结构和图形符号§4-3半导体晶体管图4-8晶体管电流放大作用的测试电路§4-3半导体晶体管二、晶体管的电流放大作用

三极管电流放大作用可用图4-8所示。（1）§4-3半导体晶体管（4）晶体管的放大作用源自于其内部结构和必要的外部条件。这个外部条件是指外加电源使三极管的发射结处于正向偏置，集电结处于反向偏置。（5）基极开路时，微小的集电极电流称为穿透电流，用表示。该值越小，晶体管质量越好。三、晶体管的主要参数1．极限参数（1）集电极最大允许电流它是指晶体管正常工作时，集电极所允许的最大电流。（2）集电极反向击穿电压基极开路时，集电极-发射极允许施加的最大电压。超过此值，晶体管会被击穿而损坏。§4-3半导体晶体管（3）集电极最大允许耗散功率集电极电流流过集电结时。使结温升高，导致晶体管发热，引起晶体管参数变化。2．静态参数静态参数表明晶体管的直流特性。（1）直流电流放大系数表征晶体管电流放大能力的参数。根据用途不同常在20～200之间选用。（2）穿透电流为基极开路时，集电极-发射极间加上规定电压时，从集电极到发射极之间的电流，称穿透电流。其值受环境温度影响较大，它是衡量晶体管温度特性的最重要参数。其值越小，晶体管的温度特性越好。§4-3半导体晶体管3．动态参数描述晶体管在交流量激励控制下或脉冲驱动时的特性。动态参数有结电容、开关时间等。

继续返回§4-4晶闸管§4-4晶闸管晶闸管是硅晶体闸流管的简称，又称可控硅。它是一种大功率变流器件，包括普通晶闸管、双向晶闸管、快速晶闸管、可关断晶闸管、光控晶闸管和逆导晶闸管等。一、晶闸管的结构及工作原理晶闸管的内部原理结构如图4-9所示。管芯由四层半导体（P1N1P2N2）、三个PN结J1、J2、J3组成，三个引出端分别为阳极A、阴极K和门极（又称控制极）G。图4-9晶闸管内部原理结构图a）结构b）符号§4-4晶闸管二、晶闸管的主要参数（1）正向阻断峰值电压又称正向重复峰值电压，是在额定结温（100℃）、控制极断路和晶闸管正向阻断的条件下，允许重复加在晶闸管阳极和阴极之间的正向电压值。图4-10晶闸管的外形结构图a）螺栓式b）平板式c)塑料封装式§4-4晶闸管（2）反向阻断峰值电压又称反向重复峰值电压，是在额定结温、控制极断路时，允许重复加在晶闸管阳极和阴极之间的反向电压。（3）额定通态平均电流指在环境温度不超过40℃和规定的散热及全导通条件下，晶闸管允许正向连续通过的工频正弦半波电流在一个周期内的平均值。（4）门极电压室温下，在晶闸管阳、阴极之间加正向直流电压为6V时，能使晶闸管导通的最小触发电压值。继续返回§4-5场效应晶体管§4-5场效应晶体管一、结构特点MOS管的结构如图4-11所示，它是由一个掺杂浓度低的P型（或N型）硅片做为衬底，在衬底上扩散两个掺杂浓度高的N型区（或P型区），并引出图4-11N沟道场效应管的结构两个电极分别称为源极S和漏极D。两个N（或P）区中间的半导体表面上有一层二氧化硅薄膜，叫绝缘栅，其上再覆盖一层金属薄膜，构成栅极G。§4-5场效应晶体管N沟道P沟道增强型耗尽型增强型耗尽型

表4-1场效应管的图形符号MOS管的图形符号见表4-1。图4-12N沟道场效应管的工作原理§4-5场效应晶体管二、导电原理如图4-12a所示，在漏极D和源极S之间加上正向电压，当时，由于漏极与衬底之间的PN结处于反向偏置，漏源极间无导电沟道，漏极电流，场效应管处于截止状态。当时，P型衬底界面（靠绝缘栅一侧）就会感应出一层电子，即为N型层（或反型层）。当增加到某一临界电压时，两个分离的N型区便会接通，形成N型导电沟道，便产生漏极电流，MOS管此时处于导通状态，这个临界电压即为开启电压。§4-5场效应晶体管场效应晶体管是一种电压控制器件，即利用栅极电压

控制漏极电流，实质上就是控制导电沟道电阻的

大小。继续返回§4-6绝缘栅双极晶体管§4-6绝缘栅双极晶体管一、绝缘栅双极晶体管的结构及特点结构：绝缘栅双极晶体管（以下简称IGBT）是由场效应晶体管和双极型晶体管复合而成的一种器件。IGBT也是三端器件：栅极，集电极和发射极。特点及应用：它融和了这两种器件的优点，既具有场效应晶体管器件驱动简单和快速的优点，又具有双极型器件容量大的优点，因此，在现代电力电子技术中已逐步取代晶闸管或晶体管，得到了越来越广泛的应用。多使用在工业用电机、民用小容量电机、变换器（逆变器）、照相机的频闪观测器、感应加热电饭锅等领域。§4-6绝缘栅双极晶体管二、绝缘栅双极晶体管的工作原理IGBT的等效电路如图4-13所示。由图可知，若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压，则场效应管导通，这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通；若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V，则场效应管截止，切断PNP晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。图4-13IGBT的等效电路§4-6绝缘栅双极晶体管继续返回由此可知，IGBT的安全可靠与否主要由以下因素决定：1）IGBT栅极与发射极之间的电压；2）IGBT集电极与发射极之间的电压；3）流过IGBT集电极－发射极的电流；4）IGBT的结温。§4-7光电器件§4-7光电器件一、光电三极管光电三极管又称光敏三极管，也是一种能将光信号转换成电信号的半导体器件(受光器件)。一般光电三极管只引出两个引脚(E、C)极，基极B不引出，管壳上也开有方便光线射入的窗口。电路符号如图4-23所示。图4-23光电三极管的符号与普通三极管一样，光电三极管也有两个PN结，且有PNP和NPN之分。使用时，必须使发射结正偏，集电结反偏，以保证管子工作在放大状态。在无光照时，流过管子的电流为iC=iCEO=(1+β)iCBO(4-5)式中，iCBO为集电结反向饱和电流，iCEO为穿透电流。当有光照时，流过集电结的反向