常用半导体器件

1第4章常用半导体器件本章要求了解PN结及其单向导电性，熟悉半导体二极管的伏安特性及其主要参数。理解稳压二极管的稳压特性。了解发光二极管、光电二极管、变容二极管。掌握半导体三极管的伏安特性及其主要参数。了解绝缘栅场效应晶体管的伏安特性及其主要参数。本章内容目前使用得最广泛的是半导体器件——半导体二极管、稳压管、半导体三极管、绝缘栅场效应管等。本章介绍常用半导体器件的结构、工作原理、伏安特性、主要参数及简单应用。本章学时6学时4.1PN结和半导体二极管本节学时2学时本节重点1、PN结的单向导电性；2、半导体二极管的伏安特性；3、半导体二极管的应用。教学方法结合理论与实验，讲解PN结的单向导电性和半导体二极管的伏安特性，通过例题让学生掌握二半导体极管的应用。4.1.1PN结的单向导电性1.N型半导体和Ｐ型半导体在纯净的四价半导体晶体材料（主要是硅和锗）中掺入微量三价（例如硼）或五价（例如磷）元素，半导体的导电能力就会大大增强。掺入五价元素的半导体中的多数载流子是自由电子，称为电子半导体或N型半导体。而掺入三价元素的半导体中的多数载流子是空穴，称为空穴半导体或Ｐ型半导体。在掺杂半导体中多数载流子（称多子）数目由掺杂浓度确定，而少数载流子（称少子）数目与温度有关，并且温度升高时，少数载流子数目会增加。2.PN结的单向导电性当PN结加正向电压时，Ｐ端电位高于N端，PN结变窄,而当PN结加反向电压时，Ｎ端电位高于Ｐ端，PN结变宽,视为截止(不导通)。4.1.2半导体二极管1.结构半导体二极管就是由一个PN结加上相应的电极引线及管壳封装而成的。由Ｐ区引出的电极称为阳极，Ｎ区引出的电极称为阴极。因为PN结的单向导电性，二极管导通时电流方向是由阳极通过管子内部流向阴极。2.二极管的种类按材料来分，最常用的有硅管和锗管两种；按用途来分，有普通二极管、整流二极管、稳压二极管等多种；按结构来分，有点接触型，面接触型和硅平面型几种，点接触型二极管（一般为锗管）其特点是结面积小，因此结电容小，允许通过的电流也小，适用高频电路的检波或小电流的整流，也可用作数字电路里的开关元件；面接触型二极管（一般为硅管）其特点是结面积大，结电容大，允许通过的电流较大，适用于低频整流；硅平面型二极管，结面积大的可用于大功率整流，结面积小的，适用于脉冲数字电路作开关管。2（a）符号（b）点接触型（c）面接触型（d）硅平面型（e）外形示意图常用二极管的符号、结构和外形示意图4.1.3二极管的伏安特性1.正向特性当外加正向电压很低时，正向电流几乎为零。当正向电压超过一定数值时，才有明显的正向电流，这个电压值称为死区电压，通常硅管的死区电压约为0.5V，锗管的死区电压约为0.2V，当正向电压大于死区电压后，正向电流迅速增长，曲线接近上升直线，在伏安特性的这一部分，当电流迅速增加时，二极管的正向压降变化很小，硅管正向压降约为0.6～0.7V，锗管的正向压降约为0.2～0.3V。二极管的伏安特性对温度很敏感，温度升高时，正向特性曲线向左移，这说明，对应同样大小的正向电流，正向压降随温升而减小。研究表明，温度每升高10C，正向压降减小2mV。2.反向特性二极管加上反向电压时，形成很小的反向电流，且在一定温度下它的数量基本维持不变，因此，当反向电压在一定范围内增大时，反向电流的大小基本恒定，而与反向电压大小无关，故称为反向饱和电流，一般小功率锗管的反向电流可达几十μA，而小功率硅管的反向电流要小得多，一般在0.1μA以下，当温度升高时，少数载流子数目增加，使反向电流增大，特性曲线下移，研究表明，温度每升高100C，反向电流近似增大一倍。3.反向击穿特性当二极管的外加反向电压大于一定数值（反向击穿电压）时，反向电流突然急剧增加称为二极管反向击穿。反向击穿电压一般在几十伏以上。反向击穿后，电流的微小变化会引起电压很大变化。4.1.4二极管的主要参数１．最大整流电流IDM二极管长期工作时，允许通过的最大的正向平均电流。２．反向工作峰值电压VRMURM是指管子不被击穿所允许的最大反向电压。３．反向峰值电流IRM二极管加反向电压VRM时的反向电流值，IRM越小二极管的单向导电性愈好。硅管的反向电流较小，一般在几微安以下，锗管的反向电流较大，为硅管的几十阴极阴极阴极阴极阴极阳极阳极阳极阳极阳极6040200二极管的伏安特性I(mA)75℃20℃死区20℃75℃0.40.8U(V)3020103到几百倍。４．最高工作频率ƒM二极管在外加高频交流电压时，由于ＰＮ结的电容效应，单向导电作用退化。ƒM指的是二极管单向导电作用开始明显退化的交流信号的频率。4.1.5二极管的应用1．整流所谓整流，就是将交流电变成脉动直流电。利用二极管的单向导电性可组成单相和三相整流电路，再经过滤波和稳压，就可以得到品平稳的直流电。整流部分的具体应用在后面详述。2．钳位利用二极管正向导通时压降很小的特性，可组成钳位电路，在图中，若A点电位为零，则二极管导通，由于其压降很小，故F点的电位也被钳制在A点电位左右，即UF约等于零。3．限幅利用二极管导通后压降很小且基本不变的特性，可以构成限幅电路，使输出电压幅度限制在某一电压值内。设输入电压ui=UmsinωtV，则输出电压的正向幅度被限制在US值内。4．二极管门电路门电路是一种逻辑电路，在输入信号（条件）和输出信号（结果）之间存在着一定的因果关系即逻辑关系。在逻辑电路中，通常用符号0和1来表示两种对立的逻辑状态。用1表示高电平，用0表示低电平，称为正逻辑，反之为负逻辑。4.2特殊二极管US（a）uo（b）USiuiRDωtωtuiu0USUm二极管限幅电路及波形RAFDU（+）二极管钳位电路4本节学时0.5学时本节重点稳压二极管结构和伏安特性；教学方法结合理论与实验，讲解稳压二极管伏安特性。教学手段以传统教学手段与电子课件相结合的手段，让学生在有限的时间内掌握更多的相关知识。教学内容4.2.1稳压管1.结构稳压管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管，具有稳定电压的作用。稳压管与普通二极管的主要区别在于，稳压管是工作在PN结的反向击穿状态。通过在制造过程中的工艺措施和使用时限制反向电流的大小，能保证稳压管在反向击穿状态下不会因过热而损坏，而一般二极管击穿后可能造成过热而损坏。2.伏安特性曲线从稳压管的反向特性曲线可以看出，当反向电压较小时，反向电流几乎为零，当反向电压增高到击穿电压Uz（也是稳压管的工作电压）时，反向电流Iz（稳压管的工作电流）会急剧增加，稳压管反向击穿。在特性曲线ab段，当Iz在较大范围内变化时，稳压管两端电压Uz基本不变，具有恒压特性，利用这一特性可以起到稳定电压的作用。(a)(b)(C)稳压管电路、伏安特性及符号3.稳压管的主要参数（1）稳定电压UZ稳压管正常工作时，管子两端的电压。（2）动态电阻rz稳压管在正常工作范围内，端电压的变化量与相应电流的变化量的比值。zzzIUr稳压管的反向特性愈陡，rZ愈小，稳压性能就愈好。（3）稳定电流IZ稳压管正常工作时的参考电流值，只有I≥IZ，才能保证稳压管有较好的稳压性能。（4）最大稳定电流IZmax允许通过的最大反向电流，IIZmax管子会因过热而损坏。（5）最大允许功耗PZM管子不致发生热击穿的最大功率损耗PZM=UZIZmax（6）电压温度系数αV温度变化10C时，稳定电压变化的百分数定义为电压温度系数。电压温度系数越小，温度稳定性越好，通常硅稳压管在VZ低于4V时具有负温度系数,高于6V时具有正温度系数,UZ在4～6V之间，温度系数很小。稳压管正常工作的条件有两条，一是工作在反向击穿状态,二是稳压管中的电流要在稳定电流和最大允许电流之间。4.2.2光电二极管光电二极管又称光敏二极管。它的管壳上备有一个(a)(b)光电二极管-+-+IUiDZIZRDZUZRLoΔIZabUiIZUZΔUZ5玻璃窗口，以便于接受光照。其特点是，当光线照射于它的PN结时，可以成对地产生自由电子和空穴，使半导体中少数载流子的浓度提高。这些载流子在一定的反向偏置电压作用下可以产生漂移电流，使反向电流增加。因此它的反向电流随光照强度的增加而线性增加，这时光电二极管等效于一个恒流源。当无光照时，光电二极管的伏安特性与普通二极管一样。光电二极管的主要参数有：暗电流、光电流、灵敏度、峰值波长、响应时间。光电二极管作为光控元件可用于物体检测、光电控制、自动报警等方面。大面积的光电二极管可作为一种绿色能源，称为光电池。4.2.3发光二极管发光二极管是一种将电能直接转换成光能的光发射器件，简称LED它是由镓、砷、磷等元素的化合物制成。这些材料构成的PN加上正向电压时，就会发出光来，光的颜色取决于制造所用的材料。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。发光二极管的驱动电压低、工作电流小，具有很强的抗振动和冲击能力、体积小、可靠性高、耗电省和寿命长等优点，广泛用于信号指示等电路中。4.3半导体三极管本节学时2学时本节重点半导体三极管的伏安特性；教学方法结合理论与实验，讲解半导体三极管的伏安特性，通过例题让学生掌握二半导体极管的应用。教学手段以传统教学手段与电子课件相结合的手段，让学生在有限的时间内掌握更多的相关知识。教学内容4.3.1三极管的基本结构和类型1.类型按功率大小可分为大功率管和小功率管；按电路中的工作频率可分为高频管和低频管；按半导体材料不同可分为硅管和锗管；按结构不同可分为NPN管和PNP管。2.结构发光二极管-+6无论是NPN型还是PNP型都分为三个区，分别称为发射区、基区和集电区，由三个区各引出一个电极，分别称为发射极（E）、基极（B）和集电极（C），发射区和基区之间的PN结称为发射结，集电区和基区之间的PN结称为集电结。在制造工艺上有如下三个特点：一是发射区掺杂浓度大于集电区掺杂浓度，集电区掺杂浓度远大于基区掺杂浓度；二是基区很薄，一般只有几微米；三是集电区的截面积大，使的发射区与集电区不可互换。正是这三个特点使三极管具有电流控制和放大作用。4.3.2三极管的电流分配关系和放大作用三极管的发射结加正向电压，集电结反向电压，只有这样才能保证三极管工作在放大状态。结论：（1）基极电流IB、集电极电流IC与发射极电流IE符合基尔霍夫电流定律，即：IE=IB+IC（2）发射极电流IE和集电极电流IC几乎相等，但远远大于基极电流IB，即IE≈ICIB（3）三极管有电流放大作用，体现在基极电流的微小变化会引起集电极电流较大的变化。4.3.3三极管的特性曲线1．输入特性曲线常数CE)(BEBUUfI常用UCE≥1V的一条曲线来代表所有输入特性曲线。和二极管一样三极管的输入伏安特性也是非线性的，也存在着死区电压UT（或称为门槛电压）。硅管的死区电压约为0.5V，锗管的死区电压约为0.2V。三极管导通时，发射结电压UBE变化不大，硅管约为（0.6~0.7）V，锗管约为（0.2~0.3）V。2.输出特性曲线基极BTCEBTCEB基极B发射极E发射极E集电极C集电极CN集电区P基区N发射区P集电区N基区P发射区0.20.40.60.8UBE(V)806040200UCE≥1VIB(μA)三极管的输入特性曲线UCE=07100μA80μA60μA40μA20μAIB=036912UCE(V)截止区饱和区放大区IC(mA)4321三极管的输出特性曲线常数B)(CECIUfI输出特性曲线可分放大、截止和饱和三个区域。（1）放大区：特性曲线近似水平直线的区域为放大区。在这个区域里发射结正偏，集电结反偏。（2）饱和区：饱和区是对应于UCE较小的区域，此时UCEUBE，发射结、集电结均处于正偏。规定UCE=UBE时的状态称为临界饱和状态，用UCES表示，此时集电极临界饱和电流：CCCCCESCCCSRURUUI基极临界饱和电流：SIICBS当集电极电流ICICS时，认为管子已处于饱和状态。ICICS时,管子