甘肃省冶金高级技术学院

甘肃省冶金高级技术学院电气专业教研室第一章常用半导体器件返回1.1半导体的基本知识1.2二极管1.3三极管1.4场效应管1.5其他半导体器件目录1.1半导体的基本知识半导体特性：热敏特性、光敏特性、掺杂特性物质按导电能力的分类：导体：能够导电的物质。绝缘体：几乎不能导电的物质。半导体：导电能力介乎于导体和绝缘体之间的物质。本征半导体就是完全纯净的半导体。应用最多的本征半导体为锗和硅，它们各有四个价电子，都是四价元素.硅的原子结构纯净的半导体其所有的原子基本上整齐排列，形成晶体结构，所以半导体也称为晶体——晶体管名称的由来本征半导体晶体结构中的共价健结构1.1本征半导体SiSiSiSi共价键价电子自由电子与空穴1.1本征半导体共价键中的电子在获得一定能量后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子同时在共价键中留下一个空穴。空穴SiSiSiSi自由电子热激发与复合现象由于受热或光照产生自由电子和空穴的现象-----热激发1.1本征半导体自由电子在运动中遇到空穴后，两者同时消失，称为复合现象温度一定时，本征半导体中的自由电子—空穴对的数目基本不变。温度愈高，自由电子—空穴对数目越多。SiSiSiSi自由电子空穴半导体导电方式在半导体中，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，也是半导体和金属在导电原理上的本质差别。载流子自由电子和空穴因为，温度愈高，载流子数目愈多，导电性能也就愈好，所以，温度对半导体器件性能的影响很大。1.1本征半导体SiSiSiSi价电子空穴当半导体两端加上外电压时，自由电子作定向运动形成电子电流；而空穴的运动相当于正电荷的运动1.2N型半导体和P型半导体N型半导体在硅或锗的晶体中掺入微量的磷（或其它五价元素）。自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。电子型半导体或N型半导体SiSiP+Si多余电子15.1.2N型半导体和P型半导体P型半导体在硅或锗晶体中掺入硼（或其它三价元素）。空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。空穴型半导体或P型半导体。SiSiB-Si空穴15.1.2N型半导体和P型半导体不论N型半导体还是P型半导体，虽然它们都有一种载流子占多数，但是整个晶体仍然是不带电的。返回15.2PN结15.2.1PN结的形成自由电子PN空穴PN结是由扩散运动形成的15.2.1PN结的形成自由电子PN空间电荷区内电场方向空穴15.2.1PN结的形成扩散运动和漂移运动的动态平衡扩散强漂移运动增强内电场增强两者平衡PN结宽度基本稳定外加电压平衡破坏扩散强漂移强PN结导通PN结截止15.2.2PN结的单向导电性1外加正向电压使PN结导通PN结呈现低阻导通状态，通过PN结的电流基本是多子的扩散电流——正向电流–+变窄PN内电场方向外电场方向RI15.2.2PN结的单向导电性2外加反向电压使PN结截止PN结呈现高阻状态，通过PN结的电流是少子的漂移电流----反向电流特点:受温度影响大原因:反向电流是靠热激发产生的少子形成的+-变宽PN内电场方向外电场方向RI=015.2.2PN结的单向导电性结论PN结具有单向导电性（1）PN结加正向电压时，处在导通状态，结电阻很低，正向电流较大。（2）PN结加反向电压时，处在截止状态，结电阻很高，反向电流很小。返回15.3半导体二极管15.3.1基本结构15.3.2伏安特性15.3.3伏安特性的折线化15.3.4二极管的主要参数15.3.1基本结构PN结阴极引线铝合金小球金锑合金底座N型硅阳极引线面接触型引线外壳触丝N型锗片点接触型表示符号15.3.2伏安特性正向O0.40.8U/VI/mA80604020-50-25I/µA-20-40反向死区电压击穿电压半导体二极管的伏安特性是非线性的。正向O0.40.8U/VI/mA80604020-50-25I/µA-20-40反向死区电压击穿电压死区电压：硅管：0.5伏左右，锗管：0.1伏左右。正向压降：硅管：0.7伏左右，锗管：0.2~0.3伏。15.3.2伏安特性1正向特性反向电流：反向饱和电流：反向击穿电压U（BR）15.3.2伏安特性正向O0.40.8U/VI/mA80604020-50-25I/µA-20-40反向死区电压击穿电压2反向特性15.3.4伏安特性的折线化U0U0US15.3.4主要参数1最大整流电流IOM：二极管长时间使用时，允许流过的最大正向平均电流。2反向工作峰值电压URWM:保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压。3反向峰值电流IRM:二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。15.3.5应用举例主要利用二极管的单向导电性。可用于整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。例:图中电路，输入端A的电位VA=+3V，B的电位VB=0V，求输出端Y的电位VY。电阻R接负电源-12V。VY=+2.7V解：DA优先导通，DA导通后，DB上加的是反向电压，因而截止。DA起钳位作用，DB起隔离作用。-12VAB+3V0VDBDAY返回15.4稳压管一种特殊的面接触型半导体硅二极管。它在电路中与适当数值的电阻配合后能起稳定电压的作用。1稳压管表示符号：正向+-反向+-IZΔΔUZ2稳压管的伏安特性：3稳压管稳压原理：稳压管工作于反向击穿区。稳压管击穿时，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压变化很小。利用这一特性，稳压管在电路中能起稳压作用。稳压管的反向特性曲线比较陡。反向击穿是可逆的。U/VI/mA0IZIZMUZ15.4稳压管4主要参数（2）电压温度系数Uα（1）稳定电压UZ稳压管在正常工作下管子两端的电压。说明稳压管受温度变化影响的系数15.4稳压管（3）动态电阻（4）稳定电流（5）最大允许耗散功率rZ稳压管端电压的变化量与相应的电流变化量的比值IZPZM管子不致发生热击穿的最大功率损耗。PZM=UZIZM15.4稳压管例题+_UU0UZR稳压管的稳压作用当UUZ时,电路不通；当UUZ大于时,稳压管击穿RUUIZZ此时选R，使IZIZM返回15.5半导体三极管15.5.1基本结构15.5.1基本结构15.5.2电流分配和放大原理15.5.3特性曲线15.5.4主要参数结构平面型合金型NPNPNP15.5.1基本结构发射结集电结BNNP发射区基区集电区ECNNPBECCEB发射结集电结BPPN发射区基区集电区ECPPNBECCEB15.5.1基本结构15.5.2电流分配和放大原理µAmAmAIBICIERBEC++__EBBCE3DG6共发射极接法15.5.2电流分配和放大原理晶体管电流测量数据IB/mA00.020.040.060.080.10IC/mA0.0010.701.502.303.103.95IE/mA0.0010.721.542.363.184.05由此实验及测量结果可得出如下结论：（1）IE=IC+IB符合基尔霍夫电流定律。（2）IE和IC比IB大的多。（3）当IB=0（将基极开路）时，IE=ICEO，ICEO0.001mA用载流子在晶体管内部的运动规律来解释上述结论。15.5.2电流分配和放大原理外部条件：发射结加正向电压；集电结加反向电压。UBE0,UBC0,UBC=UBE-UCE,UBEUCERBEC++__EBEBCNNP15.5.2电流分配和放大原理发射结正偏扩散强E区多子（自由电子）到B区B区多子（空穴）到E区穿过发射结的电流主要是电子流形成发射极电流IEIE是由扩散运动形成的1发射区向基区扩散电子，形成发射极电流IE。15.5.2电流分配和放大原理2电子在基区中的扩散与复合，形成基极电流IBE区电子到基区B后，有两种运动扩散IEC复合IEB同时基区中的电子被EB拉走形成IBIEB=IB时达到动态平衡形成稳定的基极电流IBIB是由复合运动形成的RBEC++__EBEBC15.5.2电流分配和放大原理3集电极收集电子，形成集电极电流IC集电结反偏阻碍C区中的多子（自由电子）扩散，同时收集E区扩散过来的电子有助于少子的漂移运动，有反向饱和电流ICBO形成集电极电流ICRBEC++__EBEBCRBEC++__EBEBCICIBIEICBOIBEIEC15.5.2电流分配和放大原理15.5.3特性曲线用来表示该晶体管各极电压和电流之间相互关系、反映晶体管的性能，是分析放大电路的重要依据。以共发射极接法时的输入特性和输出特性曲线为例。µAmAVIBICRBEC++__EBBCE3DG6V+_+_UBEUCE15.5.3特性曲线1输入特性曲线：CUBEBCE|)U(If死区电压：硅管：0.5伏左右，锗管0.1伏左右。正常工作时，发射结的压降：NPN型硅管UBE=0.6~0.7V;PNP型锗管UBE=-0.2~-0.3V。00.40.8UBE/VIB/µA80604020UCE115.5.3特性曲线2输出特性曲线CICECB|)U(If晶体管的输出特性曲线是一组曲线。UCE/V13436912IC/mA10080604020µAIB=00215.5.3特性曲线晶体管的输出特性曲线分为三个工作区：（1）放大区（2）截止区（3）饱和区（1）放大区（线性区）132436912IC/mA10080604020µAIB=00放大区UCE/V输出特性曲线的近似水平部分。B_CIβI发射结处于正向偏置；集电结处于反向偏置15.5.3特性曲线（2）截止区IB=0曲线以下的区域为截止区IB=0时，IC=ICEO〈0.001mA对NPN型硅管而言，当UBE〈0.5V时，即已开始截止，为了截止可靠，常使UBE小于等于零。132436912IC/mA10080604020µAIB=00截止区UCE/V（3）饱和区当UCE〈UBE时，集电结处于正向偏置，晶体管工作处于饱和状态在饱和区，IB的变化对IC的影响较小，两者不成比例13436912IC/mA10080604020µAIB=002饱和区UCE/V15.5.3特性曲线15.5.4主要参数1电流放大系数β,β__β：静态电流（直流）放大系数BC_IIββ：动态电流（交流）放大系数BCIIβ注意：β,β_两者的含义是不同的，但在特性曲线近于平行等距并且ICEO较小的情况下，两者数值较为接近。在估算时，常用ββ_近似关系（1）（2）β对于同一型号的晶体管，值有差别，常用晶体管的β值在20-100之间。15.5.4主要参数2集—基极反向截止电流ICBOICBO=IC|IE=0ICBO受温度的影响大。在室温下，小功率锗管的ICBO约为几微安到几十微安，小功率硅管在一微安以下。ICBO越小越好。ECµA+_T+_ICB015.5.4主要参数3集—射极反向截止电流ICEOICEO=IC|IB=0穿透电流ICEO与ICBO的关系：CEOB_CBOCBOB_CCBO_CBOCBO_CEOCBOCBOCEO0ICBOBCBOCEBEC_IIβI)I(IβI)Iβ(1IIβIIII|IIIIIIβBICBO愈大，_β愈高的管子，稳定性愈差。因此，在选管子时，要求ICBO尽可能小些，而_β以不超过100为宜。15.5.4主要参数4集电极最大允许电流ICM集电极电流IC超过一定值时，晶体管的_β值要下降。当_β值下降到正常值的三分之二时的集电极电流。在使用晶体管时，IC超过ICM并不一定会使晶体管损坏，但以降低为代价。_β5集—射极反向击穿电压U（BR）CEO基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压。15.5.4主要参数6集电极最大允许耗散功PCM由于集电极电流在流经集电结时将产生热量，使结温升高，从而会引起晶体管参数变化。当晶体管因受热而引起的参数变化不超过允许值时，集电极所消耗的最大功率。PCM=ICUCEIC/mA0UCE/VICMU(BR)CE0ICEOPCM安全工作区15.5.4主要参数结束第15章返回