城市轨道交通电工电子课件项目七半导体器件.ppt

1、半导体特性与二极管类型半导体特性与二极管类型1晶体管及其输出特性曲线晶体管及其输出特性曲线2晶闸管的工作条件晶闸管的工作条件3可关断晶闸管可关断晶闸管(GTO)的工作特性的工作特性4知识要点知识要点 了解本征半导体、P型和N型半导体的特征；了解PN结的形成过程；熟悉二极管的伏安特性及其种类、用途；深刻理解晶体管的电流放大原理，掌握晶体管的输入和输出特性。半导体：半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体。常用的半导体有硅、锗等。半导体的导电能力虽然介于导体和绝缘体之间，但半导体的应用却极其广泛，这是由半导体的独特性能决定的。半导体受光照后，其导电能力大大增强；在半导体中掺入少量特殊杂

2、质，其导电 能力极大地增强；半导体材料的独特性能是由其半导体材料的独特性能是由其内部的导电机理内部的导电机理所决定的所决定的。受温度的影响，半导体导电能力变化很大；半导体基础知识半导体基础知识(1)纯净的半导体（本征半导体）纯净的半导体（本征半导体）最常用的半导体为硅硅(Si)和锗锗(Ge)。它们的共同特征是四价元素，即每个原子最外层电子数为4个。+Si(硅原子)Ge(锗原子)硅原子和锗原子的简化模型图因为原子呈电中性，所因为原子呈电中性，所以简化模型图中的原子以简化模型图中的原子核只用带圈的核只用带圈的+4+4符号表符号表示即可。示即可。天然的硅和锗是不能制作成半导体器件的。它们必须先经过高

3、度提纯，形成晶格结构完全对称的本征半导体本征半导体。在本征半导体的晶格结构中，每一个原子均与相邻的四个原子结合，即与相邻四个原子的价电子两两组成电子对，构成共价键结构共价键结构。444444444晶格结构晶格结构共价键结构共价键结构444444444从共价键晶格结从共价键晶格结构来看，每个原构来看，每个原子外层都具有子外层都具有8 8个个价电子。但价电价电子。但价电子是相邻原子共子是相邻原子共用，所以稳定性用，所以稳定性并不能象绝缘体并不能象绝缘体那样好。那样好。在游离走的价电子原在游离走的价电子原位上留下一个不能移位上留下一个不能移动的空位，叫动的空位，叫空穴空穴。受光照或温度上升受光照或温

4、度上升影响，共价键中价电影响，共价键中价电子的热运动加剧，一子的热运动加剧，一些价电子会挣脱原子些价电子会挣脱原子核的束缚游离到空间核的束缚游离到空间成为成为自由电子自由电子。444444444受光照或温度上受光照或温度上升影响，共价键升影响，共价键中其它一些价电中其它一些价电子子直接跳进直接跳进空穴空穴，使失电子的原，使失电子的原子子重新恢复电中重新恢复电中性性。(2)杂质半导体杂质半导体 本征半导体虽然有自由电子和空穴两种载流子，但由于数量极少导电能力仍然很低。如果在其中掺入某种元素的微量杂质，将使掺杂后的杂质半导体的导电性能大大增强。五价元素磷(P)444444444P掺入磷杂质的硅半掺

5、入磷杂质的硅半导体晶格中，自由导体晶格中，自由电子的数量大大增电子的数量大大增加。因此加。因此自由电子自由电子是这种半导体的是这种半导体的导导电主流电主流。掺入五价五价元素的杂质半导体由于自由电子多而称为电子电子型型半导体，也叫做N型型半导体。444444444三价元素硼(B)B掺入硼杂质的硅半掺入硼杂质的硅半导体晶格中，空穴导体晶格中，空穴载流子的数量大大载流子的数量大大增加。因此增加。因此空穴空穴是是这种半导体的这种半导体的导电导电主流主流。掺入三价三价元素的杂质半导体，由于空穴载流子的数量大大于自由电子载流子的数量而称为空穴空穴型半导体，也叫做P型型半导体。结是采用特定的制造工艺，使一块

6、半导体的两边分别形成型半导体和型半导体，它们的交界面就形成结。杂质半导体的导电能力虽然比本征半导体极大增强，但它们并不能称为半导体器件。在电子技术中，PN结是一切半导体器件的“元概念元概念”和技术起始点。在一块晶片的两端分别注入三价在一块晶片的两端分别注入三价元素硼和五价元素磷元素硼和五价元素磷+空间电荷区内电场一、一、PN结的形成结的形成动画演示 PN结的单向导电性 PN结反向偏置时的情况结具有单向导电性结具有单向导电性 正偏：正偏：在结上加正向电在结上加正向电压时，结电阻很低，正压时，结电阻很低，正向电流较大，结处于导向电流较大，结处于导通状态。通状态。反偏：反偏：加反向电压时，加反向电压

7、时，结电阻很高，反向电流很小，结电阻很高，反向电流很小，结处于截止状态。结处于截止状态。二、二极管的结构和符号二、二极管的结构和符号 半导体二极管，其结构与图形符号如图半导体二极管，其结构与图形符号如图5-1。PN(阳阳极极)外外壳壳阴阴极极引引线线阳阳极极引引线线+-+-(阳阳极极)(阴阴极极)(阴阴极极)a)b)VD 二极管的结构与图形符号二极管的结构与图形符号结构结构图形符图形符号号 把PN结用管壳封装，然后在P区和N区分别向外引出一个电极，即可构成一个二极管。二极管是电子技术中最基本的半导体器件之一。根据其用途分有检波管检波管、开关管开关管、稳压稳压管管和整流管整流管等。硅高频检波管开

8、关管稳压管整流管发光二极管 电子工程实际中，二极管应用得非常广泛，上图所示即为各类二极管的部分产品实物图。U(V)0.500.8-50-25I(mA)204060(A)4020 二极管的伏安特性是指流过二极管的电流电流与两端所加电压的函数关系。二极管既然是一个PN结，其伏安特性当然具有“单向导电性单向导电性”。死区正向导通区 当外加正向电压很低时，二极管呈现较大的电阻，几乎没有正向电流通过。这一区域称之为死区死区(硅管0.5V，锗管0.1V)。外加正向电压超过死区电压时，内电场大大削弱，正向电流迅速增长，二极管进入正向导通区正向导通区。该区电流上升曲线很陡。三、二极管的伏安特性三、二极管的伏安

9、特性1正向特性正向特性 当二极管承受反向电压时，其反向电阻很大，此时仅有非常小的反向电流（称为反向饱和电流或反向漏电流）。进入反向截反向截止区止区。实际应用中二极管的反向饱和电流值越小越好，可近似视为零值。通常加在二极管上的反向电压不允许超过击穿电压，否则会造成二极管的损坏（稳压管除外）。外加反向电压超过反向击穿电压时，反向电流突然增大，二极管失去单向导电性，进入反向击穿区反向击穿区。U(V)0.500.8-50-25I(mA)204060(A)4020反向截止区反向击穿区2反向特性反向特性 （1）最大整流电流最大整流电流IDM：指二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。其大小由PN结的

10、结面积和外界散热条件决定。（2）最高反向工作电压最高反向工作电压URM：指二极管长期安全运行时所能承受的最大反向电压值。手册上一般取击穿电压的一半作为最高反射工作电压值。（3）反向电流反向电流IR：指二极管未击穿时的反向电流。IR值越小，二极管的单向导电性越好。对温度很敏感，温度增加，反向电流会增加很大，这一点要特别加以注意。四、二极管的主要参数四、二极管的主要参数二极管的应用举例二极管的应用举例注意：注意：分析实际电路时为简单化，通常把二极管进行理想化处理，即正偏时视其为“短路短路”，截止时视其为“开开路路”。UD=0UD=正向导通时相当一个闭合的开关反向阻断时相当一个打开的开关(1)二极管

11、的二极管的开关作用开关作用(2)二极管的二极管的限幅作用限幅作用DuS10K IN4148u0iD 图示为一限幅电路。电源uS是一个周期性的矩形脉冲，高电平幅值为+5V，低电平幅值为-5V。试分析电路的输出电压为多少。uS+5V-5Vt0当输入电压ui=5V时，二极管反偏截止，此时电路可视为开路，输出电压u0=0V；当输入电压ui=+5V时，二极管正偏导通，导通时二极管管压降近似为零，故输出电压u0+5V。显然输出电压u0限幅限幅在0+5V之间。u0半导体二极管工作在半导体二极管工作在击穿区，是否一定被击穿区，是否一定被损坏？为什么？损坏？为什么？何谓死区电压？硅管何谓死区电压？硅管和锗管死区

12、电压的典和锗管死区电压的典型值各为多少？为何型值各为多少？为何会出现死区电压？会出现死区电压？把一个把一个1.5V1.5V的干电池直接的干电池直接正向联接到二极管的两端，正向联接到二极管的两端，会出现什么问题？会出现什么问题？二极管的伏安特性曲线上二极管的伏安特性曲线上分为几个区？能否说明二分为几个区？能否说明二极管工作在各个区时的电极管工作在各个区时的电 压、电流情况？压、电流情况？为什么二极管的反为什么二极管的反向电流很小且具有向电流很小且具有饱和性？当环境温饱和性？当环境温度升高时又会明显度升高时又会明显增大增大？I(mA)40302010 0-5-10-15-20 (A)0.4 0.8

13、12 8 4U(V)稳压二极管的反向电压几乎不随反向电流的变化而变化、这就是稳压二极管的显著特性显著特性。D 稳压二极管是一种特殊的面接触型二极管，其反向击穿可逆可逆。正向特性与普正向特性与普通二极管相似通二极管相似反向反向IZUZ1.稳压二极管稳压二极管实物图图符号及文字符号 显然稳压管的伏安特性曲线比普通二极管的更加陡峭。五、特殊二极管五、特殊二极管 工作区工作区域域USDZ使用稳压二极管时应该注意的事项使用稳压二极管时应该注意的事项(1)稳压二极管正负极的判别DZ(2)稳压二极管使用时，应反向反向接入电路UZ(3)稳压管应接入限流电阻(4)电源电压应高于稳压二极管的稳压值ZSUU(5)稳

14、压管都是硅管。其稳定电压UZ最低为3V，高的可达 300V，稳压二极管在工作时的正向压降约为0.6V。二极管的反向击穿特性：当外加反向电压超过击穿电压时，通过二极管的电流会急剧增加。在反向击穿状态下，让通过管子的电流在一定范围内变化，这时管子两端电压变化很小，利用这一点可以达到“稳压”效果。稳压二极管就是工作在反向击穿区。击穿并不意味着管子一定要损坏，如果我们采取适当的措施限制通过管子的电流，如在稳压管稳压电路中加限流电阻R，使稳压管工作电流在Izmax和Izmix的范围内，就能保证管子不因过热而烧坏。发光二极管是一种能把电能直接转换成光能的固体发光元件。一般使用砷化镓、磷化镓等材料制成。实物

15、图实物图图符号和图符号和文字符号文字符号D 发光二极管现有的发光二极管能发出红红等颜色的光。发光管正常工作时应正向偏置正向偏置，因死区电压较普通二极管高，因此其正偏工作电压一般在1.3V以上。发光管常用来作为数字电路的数码及图形显示的七段式或阵列器件。2发光二极管发光二极管 光敏二极管也称光电二极管，是将光信号变成电信号的半导体器件。D 光电二极管和稳压管类似，也是工作在反向电压下反向电压下。无光照时，反向电流很小；有光照射时，提高了半导体的导电性，在反偏电压作用下产生反向电流。其强度与光照强度成正比正比。光电管管壳上有一个能射入光线的“窗口窗口”，这个窗口用有机玻璃透镜进行封闭，入射光通过透

16、镜正好射在管芯上。实物图实物图图符号和图符号和文字符号文字符号 3光敏二极管光敏二极管 光敏二极管可用于光的测量，亦可作为一种能源使用，称为光电池。4变容二极管变容二极管 变容二极管是工作在反向偏置反向偏置状态。二极管结电容大小除了与本身工艺有关外，还与外加电压有关。由特性曲线可知，改变变容二极管直流反偏电压就可以达到改变电容量的目的。应用：应用：变容二极管可用于高频电路，例如用作电视接收调谐回路中的可变电容器，用改变直流偏压的方法来选择频道。1.利用稳压管或利用稳压管或普通二极管的正普通二极管的正向压降，是否也向压降，是否也可以稳压？可以稳压？1.现有两只稳压管，它们的稳定电压分别为6V和8

17、V，正向导通电压为0.7V。试问：(1)若将它们串联相接，可得到几种稳压值？各为多少？(2)若将它们并联相接，又可得到几种稳压值？各为多少？2.在右图所示电路中，发光二极管导通电压UD1.5V，正向电流在515mA时才能正常工作。试问图中开关S在什么位置时发光二极管才能发光？R的取值范围又是多少？半导体三极管又称晶体三极管或双极型晶体管，简称半导体三极管又称晶体三极管或双极型晶体管，简称晶体管晶体管。7.2 半导体三极管半导体三极管大功率低频三极管大功率低频三极管小功率高频三极管小功率高频三极管中功率低频三极管中功率低频三极管注意：注意：图中箭头图中箭头方向为方向为发射结发射结正正向偏置向偏置

18、时电流的时电流的方向方向。晶体管分有晶体管分有NPN型和型和PNP型，虽然它们外形各异，品种繁多，但它型，虽然它们外形各异，品种繁多，但它们的共同特征相同：都有三个分区、两个们的共同特征相同：都有三个分区、两个PN结和三个向外引出的电极：结和三个向外引出的电极：一、晶体管的结构和符号一、晶体管的结构和符号VcbePNP 型型VcbeNPN 型型NPNbcePNPbce集集 电电 区区基基 区区发发 射射 区区集集 电电 结结发发 射射 结结集集 电电 区区基基 区区发发 射射 结结发发 射射 区区集集 电电 结结a)b)发射区发射区N晶体管芯结构剖面图晶体管芯结构剖面图e发发射射极极集电区集电

19、区N基区基区Pb基基极极c集集电电极极(1)发射区掺杂浓度很高，以便有足够的载流子供“发射发射”。(2)为减少载流子在基区的复合复合机会，基区做得很薄，一般为几个微米，且掺杂浓度较发射极低。(3)集电区体积较大，且为了顺利收集收集边缘载流子，掺杂浓度很低。可见，双极型三极管并非是两个PN 结的简单组合，而是利用一定的掺杂工艺制作而成。因此，绝不能用两个二极管来代替，使用时也决不允许把发射极和集电极接反不允许把发射极和集电极接反。1晶体管的工作电压晶体管的工作电压实现放大作用的条件：(1)发射结“正向偏置正向偏置”(2)集电结“反向偏置反向偏置”结论结论 由于发射结处正偏，发射区的多数载流子自由

20、电子将不断扩散到基区，并不断从电源补充进电子，形成发射极电流I IE E。1.发射区向基区扩散电子的过程发射区向基区扩散电子的过程 由于基区很薄，且多数载流子浓度又很低，所以从发射极扩散过来的电子只有很少很少一部分和基区的空穴相复合形成基极电流I IB B，剩下的绝大部分电子则都扩散到了集电结边缘。2.电子在基区的扩散和复合过程电子在基区的扩散和复合过程 集电结由于反偏，可将从发射区扩散到基区并到达集电区边缘的电子拉入集电区，从而形成较大较大的集电极电流I IC C。3.集电区收集电子的过程集电区收集电子的过程只要符合三极管发射区的杂质浓度大大于基区的掺杂浓度，基区的掺杂浓度又大大于集电区的杂

21、质浓度，且基区很薄的内部条件内部条件，再加上晶体管的发射结正偏、集电结反偏的外部条件外部条件，三极管就具有了放大电流放大电流的能力。2 晶体管各个电极的电流分配晶体管各个电极的电流分配 实验电路为晶体管的实验电路为晶体管的共集电极共集电极放大电路。放大电路。4.053.182.361.540.720.01IE (mA)3.953.102.301.500.701V的的特性曲线特性曲线(2)(2)输出特性曲线输出特性曲线先把先把IB调到调到某一固定值某一固定值保持不变。保持不变。当基极电流IB不变时，输出回路中的集电极电流IC与集射电压UCE之间的关系曲线称为输出特性。然后调节然后调节UCC使使U

22、CE从从0增增大，观察毫安表中大，观察毫安表中IC的变的变化并记录下来。化并记录下来。UCEUBBUCCRCRBICIBUBEmA AIE 根据记录可给出IC随UCE变化的伏安特性曲线，此曲线就是晶体管的输出特性输出特性曲线。IBUCE/VIC /mA0UBBUCCRCRBICIBUBEmA AIE再调节再调节IB1至至另一稍小的另一稍小的固定值上保固定值上保持不变。持不变。仍然调节仍然调节UCC使使UCE从从0增增大，继续观察毫安表中大，继续观察毫安表中IC的变化并记录下来。的变化并记录下来。UCE 根据电压、电流的记录值可绘出另一条IC随UCE变化的伏安特性曲线，此曲线较前面的稍低些。UC

23、E/VIC /mA0IBIB1IB2IB3IB=0 如此不断重复上述过程，我们即可得到不同基极电流IB对应相应IC、UCE数值的一组输出特性曲线。输出曲线开始部分很输出曲线开始部分很陡，说明陡，说明IC随随UCE的增的增加而急剧增大。加而急剧增大。当当UCE增至一定数值时增至一定数值时(一般小于一般小于1V)，输出特性曲线变得平坦，表明，输出特性曲线变得平坦，表明IC基基本上不再随本上不再随UCE而变化。而变化。IB一定时，当UCE超过1V以后，即使UCE继续增大，集电极电流IC也不会再有明显的增加，具有恒流特性恒流特性。UCE/VIC /mA020 AIB=040 A60 AIB=100 A

24、80 A43211.52.3 当IB增大时，相应IC也增大，输出特性曲线上移，且IC增大的幅度比对应IB大得多。这一点正是晶体管的电流放大作用电流放大作用。ICUCE/VIC /mA020 AIB=040 A60 AIB=100 A80 A43211.52.3输出特性曲线上一般可分为四个区：饱和区饱和区。当。当发射结和发射结和集电结均为正向偏置集电结均为正向偏置时，三极管处于饱和时，三极管处于饱和状态。此时集电极电状态。此时集电极电流流IC与基极电流与基极电流IB之之间不再成比例关系，间不再成比例关系，IB的变化对的变化对IC的影响的影响很小很小。截止区截止区。当基极电。当基极电流流IB等于等

25、于0时，时，晶体晶体管处于截止状态管处于截止状态。实际上当基射电压实际上当基射电压处在死区范围时，处在死区范围时，晶体管就已经截止晶体管就已经截止，为让其可靠截止，为让其可靠截止，常使，常使UBE小于或小于或等于零。等于零。在放大区，发射结正偏，集电结反偏发射结正偏，集电结反偏。此时晶体管具有电流放大作用。IB、IC成正比关系。以上三个区为晶体管的正常工作区。以上三个区为晶体管的正常工作区。（4）击穿区）击穿区 当当UCE大于某一大于某一值后，值后，IC开始开始剧剧 增，这个现增，这个现象称为一次击象称为一次击穿。一次击穿穿。一次击穿过程是过程是可逆可逆的的。四、晶体管的主要参数四、晶体管的主

26、要参数1电流放大倍数电流放大倍数（1）共发射极直流电流放大倍数）共发射极直流电流放大倍数 静态时静态时I IC C与与I IB B的比值的比值称为共发射极静态电流放大倍数，即直流电流放大倍数称为共发射极静态电流放大倍数，即直流电流放大倍数 BCII（2）共发射极交流电流放大倍数）共发射极交流电流放大倍数 （）动态时，动态时，与与 的比值称为动态电流放大倍数，即交流电流放大倍数的比值称为动态电流放大倍数，即交流电流放大倍数efhCIBIBCII估算时，估算时，。2极间反向电流极间反向电流（1）集电极）集电极基极反向饱和电流基极反向饱和电流CBOI 是晶体管的发射极是晶体管的发射极开路时，集电极和

27、基极开路时，集电极和基极间的反向漏电流，又叫间的反向漏电流，又叫反向饱和电流，小功率反向饱和电流，小功率硅管的硅管的 小于小于1A，锗管的锗管的 约约10A。CBOICBOICBOI（2）穿透电流）穿透电流 为基极开路时，由集电区穿过基区为基极开路时，由集电区穿过基区流入发射区的穿透电流，它是流入发射区的穿透电流，它是 的（的（1+）倍，即）倍，即CEOICEOICBOICBOCEO1I)(I而集电极电流而集电极电流 为为CICEOBCIII集电极最大允许电流ICMCMIUCE/VIC /mA0IB=043211.52.3反向击穿电压U(BR)CEO及U(BR)EBcebUCCU(BR)CEO

28、基极开路基极开路 U(BR)CEO指基极开路时集电极与发射极间的反向击穿电压。使用中若超过使用中若超过此值此值,晶体管的晶体管的集电结就会出集电结就会出现现。ICICM时，晶体管不一定烧时，晶体管不一定烧损，但损，但值明显下降。值明显下降。集电极最大允许功耗PCMCMP晶体管上的功晶体管上的功耗超过耗超过PCM，管，管子将损坏。子将损坏。3极限参数极限参数U(BR)CEO集电极开路时，允许加在发射极基极之间的最高反向电压 晶体管在输出特性曲线的饱和区工作时，晶体管在输出特性曲线的饱和区工作时，UCEUBE，集，集电结也处于正偏，这时内电场被大大削弱，因此极不利于电结也处于正偏，这时内电场被大大

29、削弱，因此极不利于集电区收集从发射区到达基区的电子，这种情况下，集电集电区收集从发射区到达基区的电子，这种情况下，集电极电流极电流IC与基极电流与基极电流IB不再是不再是倍的关系。此时晶体管的倍的关系。此时晶体管的电流放大能力大大下降。电流放大能力大大下降。晶体管在输出特性曲线的晶体管在输出特性曲线的饱和区工作时，其电流放饱和区工作时，其电流放大系数是否也等于大系数是否也等于？晶体管的发射极和集电极是不能互换使用的。因为晶体管的发射极和集电极是不能互换使用的。因为发射区的掺杂质浓度很高，集电区的掺杂质浓度较低，发射区的掺杂质浓度很高，集电区的掺杂质浓度较低，这样才使得发射极电流等于基极电流和集电极电流之和这样才使得发射极电流等于基极电流和集电极电流之和，如果互换显然不行。，如果互换显然不行。晶体管的发射极和集电极晶体管的发射极和集电极能否互换使用？为什么能否互换使用？为什么?为了发射区扩散电子的绝大多数不能在基区和空为了发射区扩散电子的绝大多数不能在基区和空穴复合，只有极小一部分与基区空穴复合形成基极电穴复合，只有极小一部分与基区空穴复合形成基极电流，其余电子被集电极收集后形成集电极电流。流，其余电子被集电极收集后形成集电极电流。为什么晶体管基区掺杂质浓为什么晶体管基区掺杂质浓度小？而且还要做得很薄？度小？而且还要做得很薄？