常用晶体管课件

7.1晶體二極體

電晶體是二十世紀四十年代出現的半導體器件，以其體積小、重量輕、功耗小、壽命長、可靠性高等優點，獲得了迅猛發展，在工業自動測檢、電腦、通信、航太等方面獲得了廣泛的應用。

7.1.1半導體材料導電能力介於導體與絕緣體之間的物質稱為半導體，如矽、鍺、硒以及大多數金屬氧化物和硫化物都是半導體。純淨半導體（本征半導體）的導電能力差，絕緣性能也不強，但當溫度、光照、摻雜質等條件變化時，能引導半導體導電能力的顯著變化，也就是說半導體材料具有熱敏性、光敏性和摻雜性。1．本征半導體

純淨的半導體材料稱為本征半導體。將矽或鍺(四價元素)材料提純並拉制成單晶後，使所有原子整齊排列，每一個原子與相鄰四個原子結合，處於較為穩定狀態，形成共價鍵結構如圖7-1。當本征半導體獲得一定能量（熱、光、電場）後，形成電子—空穴對。在外電場作用下，自由電子逆電場、空穴順電場運動，因而都稱載流子。在一定溫度下，電子—空穴對產生和複合達到動態平衡，載流子數目便基本維持一定數目。熱、光、電場等能量SiSiSiSiSiSiSiSi空穴被吸引自由電子圖7-1本征半導體的模型Si2．摻雜半導體

(1)N型半導體

單晶矽(或鍺)通過某種工藝摻入微量磷P元素(或其他五元素價)，晶體結構中磷原子參於共價鍵結構時需四個價電子，多餘的一個價電子很容易掙脫原子核束縛而成為自由電子，同時本征半導體中存在電子—空穴對；於是自由電子數目多，稱為多數載流子；而空穴數目少，稱為少數載流子，這種半導體稱為N型半導體，如圖7-2所示。

SiSiSiSiPSiSiSiSi自由電子圖7-2N型半導體的形成Pa)b)電子—空穴對（2）P型半導體單晶矽(或鍺)中摻入微量的硼B元素（或其他三價元素），因硼只有三個價電子，因共價鍵結構中因缺少一個價電子而形成一個空穴；同時由於本征半導體中存在電子—空穴對。於是導體中的空穴數目多，稱為為，多數載流子；而自由電子數目少，稱為少數載流子，這種半導體稱為P型半導體如圖7-3所示。SiSiSiSiBSiSiSiSi空穴圖7-.3P型半導體的形成

Ba)b)電子—空穴對7.1.2PN結1．PN結的形成通過一定的工藝使一塊單晶片兩邊分別形成P型和N型半導體。在P型和N型半導體的交界處存在著空穴和自由電子的濃度差，於是P區的空穴向N區擴散，N區的自由電子向P區擴散，如圖7-4a所示，擴散到對方的載流子成為少數載流子，並與對方的多數載流子複合，使自由電子和空穴同時消失。這樣就在它們的交界處留下不能移動的正負離子組成的空間電荷區(內建電場)，也就是PN結，如圖7-4b所示。這個內建電場的方向是從帶正電的N區指向帶負電的P區，它阻止載流子的擴散直至交界面兩邊的電荷不再增加，達到動態平衡，稱阻擋層，又由於空間電荷區缺少可以自由移動的載流子，所以稱為耗盡層。

PN結中載流子的擴散運動只是多數載流子的運動，還有少數載流子的漂移運動。內建電場對P區和N區的少數載流子具有吸引作用，只要少數載流子靠近耗盡層，就會被內建電場拉到對方的區域中去，這就是漂移運動。擴散和漂移這兩種運動在PN結形成後達到動態平衡，空間電荷區的寬度基本上穩定下來，PN結就處於相對穩定的狀態。內電場方向圖7-4PN結的形成空間電荷區自由電子空穴+PN––––––––––––––––+++++++++++++++自由電子空穴+PN––––––––––––––––+++++++++++++++2．PN結的單向導電性

(1)當給PN結加正向電壓，即P區接外加電源的正極，N區接負極，如圖7-5所示，PN結的導通狀態，電流方向稱為正向電流，且電流較大。++++––––PN內電場方向外電場方向–+I圖7-5PN結加正向電壓變窄

mA(2)當給PN結加反向電壓，即P區接外加電源的負極，N區接正極，如圖7-6所示，PN結處於截止狀態，反向電流很小電流，受環境溫度影響較大。++++––––PN內電場方向外電場方向+–I圖7-6PN結加反向電壓

變寬

μA––––++++7.1.3晶體二極體1．二極體的結構把PN結封裝在管殼內，並引出兩個金屬電極，就構成一個二極體。其外型和圖形符號如圖7-7a、b所示，文字符號用VD表示。P區引出的電極叫陽極(正極)，N區引出的電極叫陰極(負極)。

陽極陰極VD-a）b）圖7-7晶體二極體2．二極體的特性曲線

二極體的特性曲線是用來表示二極體兩端的電壓和流過它的電流之間的關係曲線。矽二極體的特性曲線如圖7-8。

I(mA)80604020-50–250.40.8OU(V)死區擊穿電壓正向反向圖7=8二極體特性曲線–20–40(µA)(1)死區正向電壓從0~0.5V正向電流幾乎為零，稱它為死區，死區電壓矽管約為0.5V，鍺管約為0.2V。

(2)正嚮導通區正向電壓大於0.5V以後，I增長很快，稱VD導通。但導通電壓幾乎不變，矽二極體約為0.7V，鍺管的導通壓降約為0.3V。(3)反向截止區

反向電壓從0~-50V這部分的反向電流很小，幾乎為零，把該區域稱反向截止區，反向截止區的範圍因管子不同而不同。

(4)反向擊穿區

當反向電壓大於50V以後，由圖可見，反向電流突然增大，二極體失去單向導電性，稱為擊穿。50V時的反向電壓稱為二極體的反向擊穿電壓。二極體被擊穿後，一般不能恢復性能，在使用二極體時，反向電壓一定要小於反向擊穿電壓。

3．二極體的主要參數

(1)最大整流電流IOM

指二極體長期運行時，允許通過二極體的最大正向平均電流。使用時，管子的平均電流不得超過此值，否則很容易燒壞管子。

(2)反向工作峰值電壓URM

指二極體不被擊穿而給出的反向峰值電壓，一般是反向擊穿電壓的一半或三分之二。

(3)反向峰值電流IRM

指在二極體上加反向工作峰值電壓時的反向電流值。反向峰值電流IRM越大，說明二極體的單向導電性能差，且受溫度影響大。

4．常用二極體及應用

(1)普通二極體VD型號的第二個字母用“P”表示，適用於高頻檢波、鑒頻限幅和小電流整流等。

(2)整流二極體VD型號的第二個字母用“Z”表示，可實現不同功率的整流。

(3)開關二極體VD型號的第二個字母用表示“K”，，用於電子電腦、脈衝控制及開關電路中。

(4)穩壓管穩壓管是一種工作在反向擊穿區特殊二極體，工作時和一個合適的R串聯，可起到穩定電壓的作用。第二個字母用“W”表示，符號圖7-9所示，用於直流電路中的穩壓或電子線路中的箝位。+–圖7-9穩壓管的圖形符號(5)光電二極體

光電二極體的結構和一般二極體相似，只是它的外殼是透明的玻璃，它的符號如圖7-10所示，其型號為2CU1等。光電二極體在電路中一般是處於反向工作，在沒有光照時，其反向電阻很大，管子中只有很小的電流；當有光照時，其反向電阻大大減小，反向電流也隨之增加，顯然電流的大小和光照強度有關，光照越強，電流也越大。用於光電繼電器、觸發器及光電轉換的自動測控系統中。

+–圖7-10

光電二極體的圖形符號7.2晶體三極管

晶體三極管，即半導體三極管，簡稱電晶體或三極管。它具有電流放大和“開關”這兩個特殊本領，所以廣泛用於電信號的放大、振盪、脈衝技術和數字技術。

7.2.1三極管的結構

三極管由兩種類型的三塊摻雜半導體按一定的方式構成兩個PN結，並分別從三塊摻雜半導體上引出三個電極，最後用金屬或塑膠封裝而成，其外型如圖7-11所示。

(a)3AX81(b)3DG6(c)3AD10圖7-11

半導體三極管的外形圖

三極管可分為NPN型和PNP型兩種類型。它們都有三個區，兩個PN結和三個電極。結構示意圖和符號如圖7-12a、b。

圖7-12

半導體三極管C集電極CBE發射極E集電區基區發射區發射結集電結基極BPPPNNNa)結構Eb）符號CBNPNECBPNP7.2.2三極管的電流放大作用由實驗驗證，三極管在滿足發射結加正向電壓，正向偏置，集電結加反向電壓，稱反向偏置時，三極管具有電流放大作用。以3DG6為例，實驗電路如圖7-13。當改變RB時，測得IB、IC和IE，測量的數據，如表7.2.1。–C3DG6μAmABE–++UCCUBBRBIBIC圖7-13

三極管電流放大實驗電路IEmARP電流

實驗次數

123456IB(μA)01020304050IC(mA)≈00.561.141.742.332.91IE(mA)≈00.571.161.772.372.96表7-1三極管電流放大實驗測試數據由表7-1分析可得出如下結論：

(1)IE＝IC＋IB(2)直流電流放大係數

(3)交流電流放大係數

(4)β≈

，用β表示，則有IC＝βIBIE＝IB＋IC

＝（1＋β）IB7.2.3三極管的特性曲線三極管的特性曲線是用來表示該三極管各極電壓和電流之間相互關係的。最常用的是共發射極接法的輸入特性曲線和輸出特性曲線。1．輸入特性曲線輸入特性曲線是指當UCE為常數時，輸入電路中IB與UBE之間的關係曲線。圖7-14所示。

UBE

(V)806020400.40.8UCE≥1VIB

(μA)0圖7-143DG6電晶體的輸入特性曲線

當UCE≥1V時，即就是UCE改變時，各條輸入特性曲線基本上重合，則在UCE≥1V時畫該一條輸入特性曲線。

它與二極體的伏安特性相似，有死區，電壓死區矽管約為0.5V，鍺管約為0.2V。

2．輸出特性曲線

輸出特性曲線是指當基極電流IB為常數時，輸出回路中集電極電流IC與集—射極電壓UCE之間的關係曲線。在不同的IB下，可得到不同的曲線，所以三極管的輸出特性是一組曲線。圖7-15所示為3DG6管的輸出特性曲線

9UCE(V)IC(mA)80μA60μA20μA40μAIB=032.321.5103612截止區放大區飽和區圖7.-153DG6電晶體的輸出特性曲線輸出特性曲線分為三個區。

(1)截止區曲線IB＝0以下的區域稱為截止區。要使三極管可靠截止，BE結和BC結都應處於反向偏置。工作於截止區時，IC≈0，CE之間相當於斷開的開關。

(2)飽和區當UCE＜UBE時，BC結就處於正向偏置，V工作於飽和狀態，在輸出特性曲線UCE＜UBE部分稱為飽和區。在飽和區，IB和IC不成比例，β≈0即無電流放大作用，UCE電壓稱為飽和壓降UCES

，矽管約為0.3V，鍺管約為0.1V。飽和時，CE之間相當於閉合的開關。

(3)放大區輸出特性曲線較為平坦的那個區域稱為放大區。放大區中有IC＝βIB，即IC受IB的控制。要使V工作於放大區，必須滿足BE結正偏，BC結反偏的條件。總之，三極管工作在放大區時，具有電流放大作用；工作在截止區和飽和區時，具有“開關”作用。

7.2.4三極管的主要參數

三極管的參數表示性能的指標，是選擇三極管的主要依據。介紹除β外的幾個常用參數。

1．極間反向電流

(1)集—基極反向漏電流ICBO

當E開路時，由C流向B的CB結的反向電流稱集一基極反向漏電流ICBO。在室溫下，小功率鍺管的ICBO約為10μA；矽管則<1μA。

(2)集—射極反向截止電流ICEO

當B開路時，由C流向E的反向電流稱集一射極反向截止電流ICEO，也稱為穿透電流。

ICEO＝(1+β)ICBO則矽管ICEO也是越小越好。2．極限參數

(1)集電極最大允許電流ICM

三極管的集電極電流IC如果超過一定數值時，它的電流放大倍數β將顯著下降。當β下降到正常值的三分之二時所對應的集電極電流值，稱為集電極最大允許電流ICM。

(2)集—射極擊穿電壓BUCEO

基極開路時，允許加在集電極和發射極之間的最大電壓稱為集—射極擊穿電壓BUCEO。當UCE超過BUCEO集電極電流大幅度上升，說明管子已被擊穿。

(3)集電極最大允許耗散功率PCM

集電極最大允許耗散功率PCM是指集電結最大允許的功率。由於三極管工作時，電流經集電結而產生熱量，使結溫升高，會將損壞管子，則在使用時應保證UCEIC＜PCM，但當電晶體加散熱片使用時，可使PCM提高很多。7.3絕緣柵場效應管

場效應管也是三個電極的電晶體，但它具有輸入電阻低(102~104Ω)、輸入電阻很高(109~1014Ω)、熱穩性好、雜訊低、抗干擾能力強的特點。是一種電壓控制電流，只有一種載流子導電的器件，又叫單極型電晶體。場效應管可分為兩大類，一類是結型場效應管，另一類是絕緣柵場效應管，又叫金屬一氧化物—半導體絕緣柵場效應管，簡稱MOS。MOS管的製造工藝簡單，且具有極高的輸入電阻，廣泛應用於積體電路中。

MOS管按其工作原理可分為增強型和耗盡型；接其導電溝道（電流的通路）採用的半導體類型可分為N型溝道和P型溝道。即MOS管可分為N溝道增強型、N溝道耗盡型、P溝道增強型和P溝道耗盡型。這裏重點介紹N型溝道MOS管。7.3.1N溝道增強型MOS管1．N溝道增強型MOS管的結構

如圖7-16a、b所示為N溝道增強型絕緣柵場效應管的結構示意圖及電路符號。它是用一塊摻雜濃度較低的P型矽片作襯底，並在其上擴散兩個相距很近的高摻雜N型半導體，各引出兩個電極，分別稱為源極S和漏極D，在S和D間的P型矽片上生成一層二氧化矽(SiO2)絕緣層，在其上沉積出金屬層引出電極作為柵極G。由於G、S、D和襯底互相絕緣，故稱為絕緣柵場效應管。

(a)N+N+SiO2絕緣層SSDDGGP型矽襯底圖7-16N溝道增強型絕緣柵場效應管(b)2．N溝道增強型MOS管的工作原理

由圖7-16a可見，源極S和漏極D之間是兩個反向串聯的PN結，不論漏極、源極之間電壓如何，總有一個PN結處於反向偏置，則漏極、源極處於高阻狀態，即ID≈0。當G和S之間加上電壓UGS

，同時襯底與S短接，即UGS加到G與襯底之間，便產生一個垂直於P型襯底表面的電場，此電場使P型矽片中的多數載流子空穴受到排斥，而少數載流子電子受到吸引，在P型襯底表面形成一個電子占絕對多數的N型表面層，稱反型層，於是在漏區和源區之間形成了N型導電溝道，簡稱N溝道，如圖7-17所示。

當漏極、源極間加一定正向電壓後，就會形成漏極電流ID，管子導通。通常，把開始出現反型層時的電壓UGS值稱為開啟電壓，用UGS(th)表示。顯然，UGS越高，導電溝道就越寬，ID也就會越大，即ID的大小受UGS的控制，可見它是電壓控制電流的半導體器件。–––––N+N+N溝道耗盡層P型矽襯底圖7-17

MOS管N溝道的形成UGS+–SGD

絕緣柵場效應管的主要參數是跨導，即當漏—源電壓UDS一定時，漏極電流的增量△ID與柵—源電壓的增量△UGS的比值，即

其單位是μА/V或mA/V。它是衡量場效應管柵—源電壓UGS對漏極電流ID控制能力的一個重要參數。

7.3.2N溝道耗盡型MOS管1．N溝道耗盡型MOS管結構耗盡型MOS管在結構上和增強型有一點區別，它在二氧化矽絕緣層中預先摻入大量鹼金屬正離子（如Na+或K+），則在

UGS＝0時，便在P型矽襯底表面形成N型反型層，稱為原始導電溝道，如圖7-18所示。

圖7-18

N溝道耗盡型MOS管+++++DDGGSSP型矽襯底N+N+N溝道（a）（b）2．N溝道耗盡型MOS管的工作原理

由於UGS＝0時就有導電溝道，只要UDS＞0就會有漏極電流，即管子導通。當UGS＞0時，其自建電場被加強，吸引了更多的電子，使溝道變寬，則ID隨UGS的增大而增大。當UGS＜0時，電場減弱，使溝道變窄，漏極電流減小。當UGS小到某一值時，原始溝道消失，漏極電流趨於零，管子截止。該負電壓稱為夾斷電壓，用UGS(off)表示，可見，耗盡型MOS管的UGS不論是正是負，都能控制漏極電流ID。圖7-19a、b為P溝道增強型、P溝道耗盡型符號。

DDGGSS(a)(b)圖7-19

P溝道MOS管的圖形符號7.4晶閘管

晶閘管是一種大功率的半導體器件，具有體積小，重量輕、效率高、使用和維護方便等優點，它既具有單向導電的整流作用，又具有以弱電控制強電的開關作用。也就是說，晶閘管的出現，使半導體器件的應用進入了強電領域，應用於整流、逆變、調壓和開關等方面。應用最多的是整流。但超載能力和抗干擾能力較差，控制電路複雜。

7.4.1晶閘管的結構

晶閘管是用矽材料製成的半導體器件，具有四層半導體(P1N1P2N2)構成。有三個PN結：J1、J2和J3；P1引出腳作陽極A，N2引出腳作陰極K，P2引出腳作控制極G。其結構示意圖和圖形符號，如圖7-20a、b所示。普通晶閘管的外形如圖7-21所示，螺栓一端為陽極A，可用它固定散熱片；另一端粗的引線是陰極K，細的一條引線是控制極G。

GKA圖7-21

晶閘管的外形N2P2

N1P1GKAJ1J2J3GKA(a)(b)圖7-20

晶閘管AKG7.4.2晶閘管的工作原理1．晶閘管的導電特點

晶閘管的導電特性，可由先圖7-22所示電路的實驗分析：––++UAKUGKAGKS圖7-22

晶閘管的實驗電路

(1)當開關S未合上時，燈泡不亮，表明晶閘管不導通。說明晶閘管具有“正向阻斷”能力。

(2)當合上開關S時，往控制極裏送入適當的控制電流(通常叫觸發)，燈泡就亮，表明晶閘管已導通，稱觸發導通。此時陽極和陰極之間的管壓降只有1V左右。

(3)晶閘管導通後，再斷開開關S，燈泡仍然亮著，說明晶閘管觸發導通後，可以自行維持導通狀態，稱維持導通。

(4)降低電源電壓UAA，晶閘管電流IA逐漸減小，燈泡的亮度逐漸變暗，當電流減小