第10章 半导体器件及其应用电路

第10章半导体器件及其应用电路10.1半导体及二极管特性10.2二极管应用电路10.3二极管的选用与代换10.4半导体三极管的特性10.5三极管放大电路10.6场效应管10.7晶闸管及其应用电路本章内容提要重点：（1）二极管的单向导电性；（2）三极管的三种工作状态；（3）绝缘栅型场效应管的测试方法；（4）晶闸管的伏安特性；难点：（1）整流电路的特点及应用；（6）放大器的静态分析及动态分析；（7）晶闸管的整流、逆变和调压等大功率电子应用电路。10.1半导体及二极管特性一、半导体1.本证半导体（1）定义：纯净的晶体结构的半导体称为本征半导体。（2）特性：热敏性、光敏性和掺杂型。2.杂质半导体（1）N型半导体在本征半导体硅（或锗，此处以硅为例）中掺入微量的5价元素磷（P），由于磷原子最外层的5个价电子中有4个与相邻硅原子组成共价键，多余一个价电子受磷原子核的束缚力很小，很容易成为自由电子，而磷原子本身因失去电子成为不能移动的杂质正离子。所以在这种半导体中，自由电子数远超过空穴数，它是以电子导电为主的杂质型半导体，因为电子带负电（negativeelectricity），所以称为N型半导体。（2）P型半导体在本征硅中掺入三价元素硼（B），由于硼有三个价电子，每个硼原子与相邻的4个硅原子组成共价键时，因缺少一个电子而产生一个空穴。这种半导体的空穴数远大于自由电子数，它是以空穴导电为主的杂质型半导体，因为空穴带正电（positiveelectricity），所以称为P型半导体。P型半导体中，空穴是多数载流子（多子），自由电子是少数载流子（少子）。杂质离子带负电。注意：不论N型还是P型半导体，虽然都有一种载流子占多数，但它们都是电中性的，对外不显电性。以后，为简单起见，通常只画出正离子和等量的自由电子来表示N型半导体；同样，只画出负离子和等量的空穴来表示P型半导体。小结：掺入杂质后，实现了导电性能的可控性。杂质半导体的奇妙之处在于，只要掺入不同性质、不同浓度的杂质，并使P型半导体和N型半导体采用不同的方式组合，就可以制造出形形色色、品种繁多、用途各异的半导体器件。3.PN结如果将一块半导体的一侧掺杂成为P型半导体，而另一侧掺杂成为N型半导体，则在二者的交界处将形成一个PN结。（1）PN结的形成将P型半导体和N型半导体制作在一起，在两种半导体的交界面就出现了电子和空穴的浓度差。P区中的多子（即空穴）将向N区扩散，而N区中的多子（即自由电子）将向P区扩散，如图10-1（a）所示。扩散运动的结果就使两种半导体交界面附近出现了不能移动的带电离子区，P区出现负离子区，N区出现正离子区，如图10-1（b）所示。这些带电离子形成了一个很薄的空间电荷区，产生了内电场。一方面，随着扩散运动的进行，空间电荷区加宽使内电场增强；另一方面，内电场又将阻止多子的扩散运动，促进少子的漂移运动，而少子的漂移运动方向正好与多子扩散运动的方向相反。电场力越大，漂移运动越强。最后，漂移运动与扩散运动达到动态平衡，使空间电荷区的载流子耗尽，成为耗尽层，这个耗尽层（空间电荷区）就是PN结。（2）PN结的单向导电性若在PN结上加以正向电压，即P区接电源正极，N区接电源负极，称PN结处于正向偏置状态，简称正偏。这时外电场与内电场方向相反，削弱了内电场，空间电荷区变窄，正向电流I较大，PN结在正向偏置时呈现较小电阻，PN结变为导通状态。若在PN结上加以反向电压，即P区接电源负极，N区接电源正极，称PN结处于反向偏置状态，简称反偏。这时外电场与内电场方向相同，空间电荷区变宽，内电场增强，因而有利于少子的漂移而不利于多子的扩散。由于电源的作用，少子的漂移形成了反向电流IS。结论：综上所述，PN结正偏时导通，表现出的正向电阻很小，正向电流I较大；反偏时截止，表现出的反向电阻很大，正向电流几乎为零，只有很小的反向饱和电流IS。这就是PN结最重要的特性——单向导电性。二极管、三极管及其他各种半导体器件的工作特性，都是以PN结的单向导电性为基础的。二、半导体二极管1.基本结构在PN结的两端引出两个电极并将其封装在金属或塑料管壳内，就构成二极管（Diode）。二极管通常由管芯、管壳和电极三部分组成，管壳起保护管芯的作用，如图10-3所示。从P区引出的电极称为正极或阳极，从N区引出的电极称为负极或阴极。二极管的外形图和电路符号如图10-4所示。二极管一般用字母D表示。2.伏安特性（1）正向特性二极管两端不加电压时，其电流为零，故特性曲线从坐标原点开始，如图10-5（a）。当外加正向电压时，若正向电压小于死区的开启电压Uon，此时，外电场不足以克服内电场，多数载流子的扩散运动仍受较大阻碍，二极管的正向电流很小。硅管的Uon约为0.5V，锗管约为0.2V。当正向电压超过Uon后，内电场被大大削弱，电流将随正向电压的增大按指数规律增大，二极管呈现出很小的电阻。硅管的正向导通电压为0.6～0.8V（常取0.7V），锗管为0.1～0.3V。（2）反向特性反向电压增大时，反向电流随着稍有增加，当反向电压大到一定程度时，反向电流将基本不变，即达到饱和，因而称该反向电流为反向饱和电流，用IS表示。通常硅管的IS可达10-9A数量级，锗管为10-6A数量级。反向饱和电流越小，管子的单向导电性越好。当反向电压增大到图中的UBR时，在外部强电场作用下，少子的数目会急剧增加，因而使得反向电流急剧增大。这种现象称为反向击穿，电压UBR称为反向击穿电压。各类二极管的反向击穿电压大小不同，通常为几十到几百伏，最高可达300伏以上。PN结被击穿后，常因温度过高、功耗过大而造成永久性的损坏。前面已指出，半导体中少子的浓度受温度影响，因而二极管的伏安特性对温度很敏感。当温度升高时，正向特性曲线向左移，反向特性曲线向下移。如图10-5（b）所示。注意：有时为了分析方便，将二极管理想化，忽略其正向导通电压和反向饱和电流，于是得到图10-6所示理想二极管的伏安特性。对于理想二极管，认为正偏导通时相当于开关闭合，反偏截止时相当于开关断开。3.主要参数每种半导体器件都有一系列表示其性能特点的参数，并汇集成器件手册，供使用者查找选择。半导体二极管的主要参数有：（1）最大整流电流IF指二极管长期运行时，允许通过管子的最大正向平均电流。使用时，管子的平均电流不得超过此值，否则可能使二极管过热而损坏。（2）最高反向工作电压UR工作时加在二极管两端的反向电压不得超过此值，否则二极管可能被击穿。为了留有余地，通常将击穿电压UBR的一半定为UR。（3）反向电流IRIR是指在室温条件下，在二极管两端加上规定的反向电压时，流过管子的反向电流。通常希望IR值愈小愈好。反向电流愈小，说明二极管的单向导电性愈好。此时，由于反向电流是由少数载流子形成，所以IR受温度的影响很大。（4）最高工作频率fM由于PN结存在结电容，它的存在限制了二极管的工作频率，因此如果通过二极管的信号频率超过管子的最高工作频率fM，则结电容的容抗变小，高频电流将直接从结电容上通过，管子的单向导电性变差。10.2二极管应用电路一、二极管整流电路1.单向半波整流电路图10-7（a）所示为单相半波整流电路，它是最简单的整流电路，由变压器、二极管和负载电阻组成。u1是变压器初级线圈的输入电压，即市电电压，u2是变压器次级的输出电压（也称副边电压）。一般设二极管整流电路wtUwtUusin2sin2m222.单向桥式全波整流电路半波整流电路虽然简单，但它只利用了电源的半个周期，整流输出电压低，脉动幅度较大且变压器利用率低。为了克服这些缺点，可以采用全波整流电路，如图10-8（a）所示。电路中采用了D1～D4四只二极管，并且接成电桥形式，因此得名。3.倍压整流电路在一些需用高电压、小电流的地方，常常使用倍压整流电路。倍压整流电路可以把较低的交流电压，用耐压较低的整流二极管和电容器，经倍压整流出一个较高的直流电压。倍压整流电路一般按输出电容是输入电压的多少倍，分为二倍压、三倍压与多倍压整流电路。图10-9所示为二倍压整流电路，由变压器、两个整流二极管D1、D2及两个电容器C1、C2组成。4.整流电路的主要参数（1）输出电压的平均值Uo（AV）输出直流电压Uo（AV）是整流电路的输出电压瞬时值uo在一个周期内的平均值，即（2）脉动系数S输出电压的脉动系数S表示输出电压的脉动程度，定义为输出电压基波的最大值Uo1m与其平均值Uo（AV）之比。)d(π21π20OO(AV)wtuU670π22π32422UUS（3）二极管正向平均电流ID（AV）在桥式整流电路中，二极管D1、D2和D3、D4轮流导通，由图10-8（d）所示波形图可以看出，每个整流二极管的平均电流等于输出电流平均值的一半，即（4）二极管最大反向峰值电压URM每个整流管的最大反向峰值电压URM是指整流管不导电时，在它两端出现的最大反向电压。由图10-8（d）波形容易看出，整流二极管承受的最大反向电压就是变压器副边电压的最大值，即Lo(AV)o(AV)D(AV)221RUII2RM2UU二、稳压二极管应用电路1.稳压二极管特性及参数由二极管的特性曲线可知，如果二极管工作在反向击穿区，则当反向电流的变化量△I较大时，管子两端相应的电压变化量△U却很小，说明其具有“稳压”特性。利用这种特性可以做成稳压管。稳压管实质上就是一个二极管，但它通常工作在反向击穿区。只要击穿后的反向电流不超过允许范围，稳压管就不会发生热击穿损坏。为此，必须在电路中串接一个限流电阻。稳压管的伏安特性和外形图、电路符号分别如图10-14（a）和（b）所示。稳压管的主要参数如下：（1）稳定电压UZ当稳压管反向击穿，且使流过的电流为规定的测试电流时，稳压管两端的电压值即为稳定电压UZ。对于同一种型号的稳压管，UZ有一定的分散性，因此一般都给出其范围。例如型号为2CW14的稳压管的UZ为6V～7.5V，但对于某一只稳压管，UZ为一个确定值。（2）稳定电流IZ稳定电流IZ是保证稳压管正常稳压的最小工作电流，电流低于此值时稳压效果不好。IZ一般为毫安数量级。如5mA或10mA。此外，还有最大耗散功率PZM、最大稳定电流IZM、动态电阻rZ和稳定电压的温度系数a等参数。2.稳压二极管的应用（1）稳压电路图10-15所示是稳压管Dz和限流电阻R组成的稳压电路，R的作用是使流过稳压管的电流不超过允许值，同时它与稳压管配合起稳压作用。图中Ui是稳压电路的输入电压，Uo是输出电压。稳压管稳压电路结构简单，稳压效果较好。但由于该电路是靠稳压管的电流调节作用来实现稳压的，因而其电流调节范围有限。只适用于负载电流较小且变化不大的场合。（2）电弧抑制电路电弧抑制电路如图10-16所示。在电感线圈L上并联接入一只合适击穿电压的稳压二极管DZ（也可接入一只普通二极管，其原理一样），当线圈由导通状态转为分断状态时，由于其电磁能释放所产生的电压就被与线圈并联的二极管吸收，所以当开关S断开时，开关的电弧也就被消除了。这个应用电路在工业上用得比较多，如一些大功率的电磁吸合控制电路。（3）浪涌保护电路稳压二极管应用于浪涌保护的电路如图10-17所示。图中，稳压二极管DZ是作为过压保护器件，只要电源电压US超过稳压二极管的稳压值，DZ就导通，使继电器K吸合而使负载RL与电源分开。三、变容二极管应用电路1.变容二极管的结构及特性变容二极管CD时利用反向偏压来改变PN结电容量的特殊半导体器件，其电路符号如图10-18（a）所示。对于普通的二极管，通常要尽量减小其结电容，而对于变容二极管，却是要利用其结电容。变容二极管的应用日益广泛，例如可用做调频、扫频及相位控制电路中。变容二极管从本质上讲，属于反偏压二极管，其结电容就是耗尽层的电容。可以近似将反耗尽层电容视为平行板电容器，两个导电板之间有介质。因此，结电容C1的容量与耗尽层的宽度d成反比，而耗尽层的宽度d与反向偏压UR的n次方成正比（n是与掺杂浓度有关的常数），因此反向偏压愈高，耗尽层愈宽，而结电容量愈小。反之亦然。图10-18（b）