第4章 半导体器件及其应用

目录电路与电子技术基础半导体器件及其应用第4章4.1半导体的基础知识及PN结4.2半导体二极管4.3二极管基本应用电路4.4特殊二极管4.5晶体三极管及其特性4.7场效应管及其应用电路4.6晶体管的基本应用电路4.8晶闸管目录电路与电子技术基础4.1.1半导体的特性半导体—导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。①热敏性②光敏性③杂敏性半导体的特性—它的导电能力会随着温度、光照和掺杂浓度的变化而发生显著变化，具有独特的导电性能。4.1半导体的基础知识及其PN结第4章半导体器件及其应用目录电路与电子技术基础4.1.2半导体的共价键结构载流子—自由运动的带电粒子。共价键—相邻原子共有价电子所形成的束缚。+4+4+4+4硅(锗)的原子结构Si284Ge28184简化模型+4惯性核硅(锗)的共价键结构价电子自由电子(束缚电子)空穴空穴空穴可在共价键内移动第4章半导体器件及其应用目录电路与电子技术基础复合：自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程。漂移：自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位(空穴)的过程。第4章半导体器件及其应用4.1.3本征半导体纯净而不含杂质的单晶半导体。本征半导体—本征激发：目录电路与电子技术基础两种载流子电子(自由电子)空穴两种载流子的运动自由电子(在共价键以外)的运动空穴(在共价键以内)的运动结论：1.本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少；2.半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；3.本征半导体导电能力弱，并与温度有关。两种载流子第4章半导体器件及其应用目录电路与电子技术基础4.1.4N型半导体和P型半导体N型+5+4+4+4+4+4磷原子自由电子电子为多数载流子空穴为少数载流子载流子数电子数P型+3+4+4+4+4+4硼原子空穴空穴—多子电子—少子载流子数空穴数施主离子施主原子受主离子受主原子第4章半导体器件及其应用目录电路与电子技术基础P型半导体的简化图示负离子多数载流子少数载流子第4章半导体器件及其应用N型半导体的简化图示正离子多数载流子少数载流子目录电路与电子技术基础4.1.5PN结（1）PN结(PNJunction)的形成1）载流子的浓度差引起多子的扩散2）复合使交界面形成空间电荷区(耗尽层)空间电荷区特点:无载流子，阻止扩散进行，利于少子的漂移。3）扩散和漂移达到动态平衡扩散电流等于漂移电流，总电流I=0。内建电场PN结形成第4章半导体器件及其应用目录电路与电子技术基础（2）PN结的单向导电性1）外加正向电压(导通)P区N区内电场+UR外电场外电场使多子向PN结移动,中和部分离子使空间电荷区变窄。IF限流电阻扩散运动加强形成正向电流IF。IF=I多子I少子I多子2）外加反向电压(截止)P区N区+UR内电场外电场外电场使多子背离PN结移动，空间电荷区变宽。IRPN结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大;反偏截止，电阻很大，电流近似为零。漂移运动加强形成反向电流IRIR=I少子0PN结单向导电第4章半导体器件及其应用目录电路与电子技术基础4.2半导体二极管4.2.1二极管的结构特点4.2.2二极管的伏安特性4.2.3二极管的主要参数第4章半导体器件及其应用4.2.3二极管的识别与简单测试目录电路与电子技术基础4.2.1二极管的结构特点构成：PN结+引线+管壳=二极管(Diode)符号：分类：按材料分硅二极管锗二极管按结构分点接触型面接触型点接触型正极引线触丝N型锗片外壳负极引线负极引线面接触型N型锗PN结正极引线铝合金小球底座金锑合金平面型正极引线负极引线集成电路中平面型PNP型支持衬底第4章半导体器件及其应用目录电路与电子技术基础目录电路与电子技术基础4.2.2二极管的伏安特性OuD/ViD/mA正向特性Uth死区电压iD=0死区电压Uth=0.5V0.2V(硅管)(锗管)UUthiD急剧上升0UUth导通电压UD(on)=(0.60.8)V硅管0.7V(0.20.4)V锗管0.3V反向特性ISU(BR)反向击穿U(BR)U0iD=IS0.1A(硅)几十A(锗)UU(BR)反向电流急剧增大(反向击穿)第4章半导体器件及其应用目录电路与电子技术基础反向击穿类型：电击穿热击穿反向击穿原因：反向电场太强，将电子强行拉出共价键。—PN结未损坏，断电即恢复。—PN结烧毁。第4章半导体器件及其应用目录电路与电子技术基础硅管的伏安特性锗管的伏安特性604020–0.02–0.0400.40.8–25–50iD/mAuD/ViD/mAuD/V0.20.4–25–5051015–0.01–0.020第4章半导体器件及其应用目录电路与电子技术基础温度对二极管特性的影响604020–0.0200.4–25–50iD/mAuD/V20C90CT升高时，UD(on)以(22.5)mV/C下降第4章半导体器件及其应用目录电路与电子技术基础4.2.3二极管的主要参数1.IF—最大整流电流(最大正向平均电流)2.URM—最高反向工作电压，为U(BR)/23.IR—反向电流(越小单向导电性越好)4.fM—最高工作频率(超过时单向导电性变差)iDuDU(BR)IFURMO第4章半导体器件及其应用目录电路与电子技术基础影响工作频率的原因—PN结的电容效应结论：1.低频时，因结电容很小，对PN结影响很小。高频时，因容抗增大，使结电容分流，导致单向导电性变差。2.结面积小时结电容小，工作频率高。第4章半导体器件及其应用目录电路与电子技术基础（1）二极管的极性判别触丝半导体片4.2.4二极管特性的识别与简单测试目测法第4章半导体器件及其应用目录电路与电子技术基础在R1k挡进行测量，红表笔是(表内电源)负极，黑表笔是(表内电源)正极。测量时手不要接触引脚。1)用模拟万用表检测正向电阻小，反向电阻大。1k000第4章半导体器件及其应用目录电路与电子技术基础2)用数字式万用表检测红表笔是(表内电源)正极，黑表笔是(表内电源)负极。2k20k200k2M20M200在挡进行测量，当PN结完好且正偏时，显示值为PN结两端的正向压降(V)。反偏时，显示•。第4章半导体器件及其应用目录电路与电子技术基础正反向电阻相差不大为劣质管。正反向电阻都是无穷大或零则二极管内部断路或短路。（2）二极管的性能测试将二极管接入正偏电路中，测量正向导通压降可以判断二极管的材料。如果导通压降是0.2～0.3V为锗管；如果是0.6～0.7V为硅管。第4章半导体器件及其应用目录电路与电子技术基础4.3二极管基本应用电路4.3.1整流应用4.3.2钳位应用4.3.3限幅应用第4章半导体器件及其应用目录电路与电子技术基础例4.3.1整流应用图示电路。已知ui=10sinωtV，试画出输出电压uo的波形。解：ui＞0，D导通，uO=ui，ui＜0，D截止，uO=010V0ωtuiuO10V0ωtuiRDuO-+-+第4章半导体器件及其应用目录电路与电子技术基础VAVB，DA先导通，DA起钳位作用，使VF=3V。FAB-12V0V+3VDARDBDA、DB为理想二极管4.3.2钳位和隔离应用例电路中，输入端VA=+3V，VB=0V，试求输出端F的电位VF。解：VB＜VF，DB截止，将VB与VF隔离。第4章半导体器件及其应用目录电路与电子技术基础4.3.3限幅应用限幅功能就是限制输出电压的幅度例电路如图。已知ui=10sinωtV，且E=5V，试分析工作原理，并作出输出电压uo的波形。5V10VOωtui（b）O5VωtuO解：图(a)⑴ui＜E，D截止，uR=0，输出uo=uiEuiRD（a）uO电路为正限幅电路⑵ui＞E，D导通，uD=0，输出uO=E第4章半导体器件及其应用目录电路与电子技术基础4.4特殊二极管结构和符号UIUZIZIZMUZIZOabDZ符号面接触型硅二极管(1)稳压二极管特性正向特性与普通硅二极管相同①未击穿区（Oa段）I≈0，反向截止②击穿区（稳压区ab段）特性陡直，电压基本不变，具有稳定电压作用动态电阻：ZZZΔΔIUr动态电阻愈小稳压效果愈好③热击穿区（b点以下线段）ZMIIZ过热，烧坏PN结4.4.1稳压二极管第4章半导体器件及其应用目录电路与电子技术基础(2)稳压二极管的参数1）稳定电压UZ稳压二极管的稳压值4）动态电阻越小，稳压越好；ZZZΔΔIUrZr2）稳定电流IZ使用时稳压二极管的电流要小于最大稳定电流IZM，当IIZM时，稳压管会被热击穿而损坏。5）最大耗散功率PZM稳压二极管不发生热击穿的最大耗散功率ZMIUPZZM3）最大稳定电流IZM使用时稳压二极管的电流要大于IZ第4章半导体器件及其应用目录电路与电子技术基础图示电路中，DZ1的UZ1=8.5V，DZ2的UZ2=5.5V，正向压降均为UD=0.5V，试求图中输出电压UO。（b）例解：V9V)5.05.8(DZ1OUUUV14V)5.55.8(2Z1ZOUUUV5.52ZOUUV5.0DOUUUO（a）DZ1DZ2R20V+-+-+-+-RUODZ1DZ220V+-+-+-+-（d）20VUODZ1DZ2R+-+-+-+-（c）20VUODZ1DZ2R+-+-+-+-第4章半导体器件及其应用目录电路与电子技术基础图示电路中，DZ的UZ=10V，IZM=8mA，试求电流IZ，是否超过IZM?如果超过，怎么办?（已知：），，Ω1100Ω900V2021RRE例DZE+-R1IZR2I1I2UZ解：mA1.11A90010201Z1RUEImA1.9A1100102Z2RUIZMIIIImA2mA)1.91.11(21Z如果超过，应该增大R1或减小R2第4章半导体器件及其应用目录电路与电子技术基础符号和特性符号特性工作条件：反向偏置实物照片4.4.2光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。uiO暗电流E=200lxE=400lx第4章半导体器件及其应用目录电路与电子技术基础4.4.3发光二极管当管子接正向电压,有电流通过时,会发出光线。不同半导体材料的二极管发出的光线不同。发光二极管用于信号指示、数码管显示器。发光二极管是一种将电能转换成光能的显示器件。发光二极管的伏安特性和普通二极管相似，死区电压为0.9~1.1V，其正向工作电压为1.5~2.5V,工作电流为5~15mA。反向击穿电压较低，一般小于10V。符号+-磷砷化镓（GaAsP）材料发红光或黄光，磷化镓（GaP）材料发红光或绿光，氮化镓（GaN）材料发蓝光，碳化硅（SiC）材料发黄光，砷化镓（GaAs）材料发不可见的红外线。第4章半导体器件及其应用目录电路与电子技术基础发光二极管图片第4章半导体器件及其应用目录电路与电子技术基础4.5晶体三极管及其特性4.5.1晶体管的结构及符号4.5.2晶体管的工作原理4.5.3晶体管的特性曲线4.5.4晶体管的主要参数4.5.5温度对晶体管的影响4.5.6晶体管的判别与检测第4章半导体器件及其应用目录电路与电子技术基础第4章半导体器件及其应用4.5.1晶体管的结构及符号NNP发射极E基极B集电极C发射结集电结—基区—发射区—集电区emitterbasecollectorNPN型PPNEBCPNP型分类：按材料分：硅管、锗管按结构分：NPN、PNP按使用频率分：低频管、高频管按功率分：小功率管500mW中功率管0.51W大功率管1WECBECB目录电路与电子技术基础4.5.2晶体管的工作原理（1）三极管放大的条件内部条件发射区掺杂浓度高基区薄且掺杂浓度低集电结面积大外部条件发射结正偏集电结反偏（2）满足放大条件的三种电路uiuoCEBECBuiuoECBuiuo共发射极共集电极共基极实现电路uiuoRBRCuouiRCRE第4章半导体器件及其应用目录电路与电子技术基础三极管图片目录电路与电子技术基础（1）载流子的运动情况1)发射区向基区注入多子电