第六章 半导体器件及其应用课件

1、汽车电工电子技术汽车电工电子技术 下篇下篇电子技术电子技术第第6 6章章 半导体器件及其应用半导体器件及其应用 典型的元素半导体有典型的元素半导体有硅硅Si和和锗锗Ge ，此外，还，此外，还有化合物半导体有化合物半导体砷化镓砷化镓GaAs等。等。导导 体体：导电能力良好的物体，如银、铜、铁等。：导电能力良好的物体，如银、铜、铁等。 绝缘体绝缘体：不能导电或导电能力很差的物体，如橡：不能导电或导电能力很差的物体，如橡 胶、陶瓷、玻璃、塑料等。胶、陶瓷、玻璃、塑料等。 半导体半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物体。：导电性能介于导体和绝缘体之间的物体。 共价健共价健 Si Si Si Si价电

2、子价电子 Si Si Si Si价电子价电子价电子在获得一定能量（温价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为脱原子核的束缚，成为自由电自由电子子（带负电），同时共价键中（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为留下一个空位，称为空穴空穴（带（带正电）。正电）。空穴空穴自由电子自由电子当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流现两部分电流 在本征半导体内，自由电子和空穴总是成对出在本征半导体内，自由电子和空穴总是成对出现的。在任何时候，本征半导体中的自由电子和空现的。在任何时候，本征半导体中

3、的自由电子和空穴数总是相等的。穴数总是相等的。 注意：注意： Si Si Si Sip+多多余余电电子子磷原子磷原子在常温下即可在常温下即可变为自由电子变为自由电子失去一个失去一个电子变为电子变为正离子正离子 在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）, ,形成杂质半导体。形成杂质半导体。 在在N N 型半导体中自由电子型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数是多数载流子，空穴是少数载流子。载流子。 Si Si Si SiB硼原子硼原子空穴空穴多子的扩散运动多子的扩散运动内电场内电场少子的漂移运动少子的漂移运动浓度差浓度差 扩散的结果使扩散的结果使空间电

4、荷区变宽。空间电荷区变宽。空间电荷区空间电荷区也称也称 PN 结结 +形成空间电荷区形成空间电荷区PN 结变窄结变窄外电场外电场IF内电场内电场PN+ 内电场被加内电场被加强，少子的漂强，少子的漂移加强，由于移加强，由于少子数量很少，少子数量很少，形成很小的反形成很小的反向电流。向电流。IR+金属触丝金属触丝阳极引线阳极引线N型锗片型锗片阴极引线阴极引线外壳外壳( a ) 点接触型点接触型铝合金小球铝合金小球N型硅型硅阳极引线阳极引线PN结结金锑合金金锑合金底座底座阴极引线阴极引线( b ) 面接触型面接触型半导体二极管的结构和符号半导体二极管的结构和符号 阴极阴极阳极阳极 符号符号D反向击穿

5、反向击穿电压电压U U(BR)(BR)导通电压导通电压反向击穿特性反向击穿特性 1.1.正向特性正向特性2.2.反向特性反向特性UI死区死区PN+PN+反向电流在反向电流在一定电压范一定电压范围内保持围内保持常数。常数。门限电压或阀电压门限电压或阀电压硅管硅管0.5V,0.5V,锗管锗管0.1V0.1V。Uth1.1.正向特性正向特性: : 非线性。非线性。 U=0,I=0U=0,I=0。U U较小时，较小时，I I很很小几乎为零。此段曲线称为小几乎为零。此段曲线称为死区死区。 U UUUthth( (称门限电压或阈值电压称门限电压或阈值电压) )，I I随随U U几乎作几乎作线性增长。把线性

6、增长。把I I随随U U作线性增长时对应的电压称为作线性增长时对应的电压称为导通电压，用导通电压，用U UF F表示。表示。2.2.反向特性反向特性: :二极管加反电压向，有反向电流二极管加反电压向，有反向电流I IR R。3.3.反向反向特性：特性：反电压向增至反电压向增至U UBRBR时，反向电流时，反向电流I IR R激增，二极管击穿。激增，二极管击穿。V sin18itu t 6.2.4 6.2.4 二极管的应用二极管的应用直流稳压电源的原理方框图直流稳压电源的原理方框图功能：功能：把交流电压变成稳定的大小合适把交流电压变成稳定的大小合适 的直流电压的直流电压u4uou3u2u1 整流

7、电路整流电路 将交流电压转变为脉动的直流电压。将交流电压转变为脉动的直流电压。 半波、全波、桥式和倍压整流；单相和三相整流半波、全波、桥式和倍压整流；单相和三相整流等。等。 二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。利用二极管的单向导电性利用二极管的单向导电性t uDO u 负半周，负半周，Va E1 变容二极管变容二极管 用于自动频率控制用于自动频率控制(AFC)和调谐用的小功率二极管称和调谐用的小功率二极管称变容二极管。变容二极管符号如图所示。通过施加反向电变容二极管。变容二极管符号如图所示。通过施加反向电压，压， 使其使其PN结的静电容量发生

8、变化，因此，常用于自动结的静电容量发生变化，因此，常用于自动频率控制、扫描振荡、调频和调谐等用途。频率控制、扫描振荡、调频和调谐等用途。 变容二极管符号变容二极管符号NNPBECBECIBIEICBECIBIEIC小功率管塑封管硅铜塑封三极管BECNNPEBRBECIEIBEICEICBOICIBBECNNPEBRBECIEIBEICEICBO常常数数 CE)(BEBUUfIIB( A)UBE(V)204060800.40.8UCE 1VO UCE=0的特性与二的特性与二 极管的正向特性相似。极管的正向特性相似。 UCE特性右移。特性右移。 三极管的门值电压：三极管的门值电压：IB=020 A

9、40 A60 A80 A100 A常常数数 B)(CECIUfI36IC(mA )1234UCE(V)912O放大区放大区O BCII_ BCII ICBO A+EC AICEOIB=0+2.4.1 半导体三极管使用基本知识半导体三极管使用基本知识一、外型及引脚排列一、外型及引脚排列EBCE B CEBCBEC第第2章章 二、万用表检测晶体三极管的方法二、万用表检测晶体三极管的方法1. 根据外观判断极性根据外观判断极性3. 用万用表电阻挡测量三极管的好坏用万用表电阻挡测量三极管的好坏PN结正偏时电阻值较小结正偏时电阻值较小(几千欧以下几千欧以下)反偏时电阻值较大反偏时电阻值较大(几百千欧以上几

10、百千欧以上) 指针式万用表指针式万用表在在 R 1k 挡进行测量挡进行测量红红表笔是表笔是(表内表内)负极负极 , 黑黑表笔是表笔是(表内表内)正极正极注意事项注意事项:测量时手不要接触引脚测量时手不要接触引脚 1kBEC 1kBEC2. 插入三极管挡插入三极管挡(hFE)，测量，测量 值或判断管型及管脚值或判断管型及管脚第二章第二章 半导体三极管半导体三极管三、晶体三极管的选用三、晶体三极管的选用1. 根据电路工作要求选择高、低频管根据电路工作要求选择高、低频管2. 根据电路工作要求选择根据电路工作要求选择PCM、 ICM 、 U(BR)CEO 应保证：应保证：3. 一般三极管的一般三极管的

11、 值在值在40100之间为好之间为好, 9013、9014等等低噪声、高低噪声、高 的管子不受此限制的管子不受此限制.4. 穿透电流穿透电流 ICEO越小越好，硅管比锗管的小越小越好，硅管比锗管的小数字万用表数字万用表1. 可直接用电阻挡的可直接用电阻挡的PN结挡分别测量结挡分别测量判断判断两个结两个结 的的好坏好坏注意事项注意事项: 红红表笔是表笔是(表内表内)正极正极 , 黑黑表笔是表笔是(表内表内)负极负极NPN和和PNP管分别按管分别按EBC排列插入不同的孔排列插入不同的孔需要准确需要准确测量测量 值时，应先进行校正值时，应先进行校正2. 插入三极管挡插入三极管挡(hFE)，测量，测量

12、 值或判断管型及管脚值或判断管型及管脚PC PC ICM C U（BR）CEO C第二章第二章 半导体三极管半导体三极管7、三极管的检测方法、三极管的检测方法1）、用指针式万用表判断晶体三极管好坏及判别三极）、用指针式万用表判断晶体三极管好坏及判别三极管的管的e、 b、c电极电极三极管的管脚必须正确辨认，否则，接入电路不但不能正常工作，还可能烧坏晶体管。己知三极管类型及电极，指针式万用表判别晶体管好坏的方法如下:测 NPN 三极管:将万用表欧姆挡置 R 100 或 R lk 处,把黑表笔接在基极上，将红表笔先后接在其余两个极上,如果两次测得的电阻值都较小，再将红表笔接在基极上，将黑表笔先后接在

13、其余两个极上，如果两次测得的电阻值都很大，则说明三极管是好的。测 PNP 三极管:将万用表欧姆挡置 R 100 或 R lk 处,把红表笔接在基极上，将黑表笔先后接在其余两个极上，如果两次测得的电阻值都较小，再将黑表笔接在基极上，将红表笔先后接在其余两个极上，如果两次测得的电阻值都很大，则说明三极管是好的。当三极管上标记不清楚时,可以用万用表来初步确定三极管的好坏及类型 (NPN 型还是 PNP 型 ),并辨别出e、b、c三个电极。测试方法如下 :用指针式万用表判断基极 b 和三极管的类型:将万用表欧姆挡置 R 100 或Rlk 处,先假设三极管的某极为基极,并把黑表笔接在假设的基极上,将红表

14、笔先后接在其余两个极上,如果两次测得的电阻值都很小(或约为几百欧至几千欧 ),则假设的基极是正确的,且被测三极管为 NPN 型管；同上,如果两次测得的电阻值都很大( 约为几千欧至几十千欧 ), 则假设的基极是正确的,且被测三极管为 PNP 型管。如果两次测得的电阻值是一大一小,则原来假设的基极是错误的,这时必须重新假设另一电极为基极，再重复上述测试。判断集电极c和发射极e:仍将指针式万用表欧姆挡置 R 100或R 1k 处,以NPN管为例,把黑表笔接在假设的集电极c上,红表笔接到假设的发射极e上,并用手捏住b和c极 ( 不能使b、c直接接触 ), 通过人体 , 相当 b 、 C 之间接入偏置电

15、阻 , 如图 1-12(a) 所示。读出表头所示的阻值 , 然后将两表笔反接重测。若第一次测得的阻值比第二次小 , 说明原假设成立 , 因为 c 、 e 问电阻值小说明通过万用表的电流大 , 偏置正常。其等效电路如图1-12(b) 所示 , 图中VCC 是表内电阻挡提供的电池 ,R为表 内阻 ,Rm 为人体电阻。图图 1-12 用指针万用表判别三极管用指针万用表判别三极管 c 、 e 电极电极1. 1. 基本电压放大电路基本电压放大电路 满足放大条件的三种电路满足放大条件的三种电路uiuoCEBECBuiuoECBuiuo共发射极共发射极共集电极共集电极共基极共基极实现电路实现电路uiuoRB

16、RCuouiRCRE第二章第二章 半导体三极管半导体三极管三极管的三种基本连接方式三极管的三种基本连接方式共发射极共基极共集电极2 2）放大电路的基本组成）放大电路的基本组成ECRSesRBEBRCC1C2T+RL+ui+uo+uBEuCEiCiBiEECRSesRBEBRCC1C2T+RL+ui+uo+uBEuCEiCiBiE1. 电路组成电路组成及元件作用及元件作用输入回路（基极回路）输入回路（基极回路）输出回路（集电极回路）输出回路（集电极回路）3.2 共共射极放射极放大电路大电路+UCCRSesRBRCC1C2T+RLui+uo+uBEuCEiCiBiEECRSesRBEBRCC1C2

17、T+RL+ui+uo+uBEuCEiCiBiEUBEIBICUCE无输入信号无输入信号(ui = 0)时时: ui = 0时时 uo = 0uBE = UBEuCE = UCE+UCCRBRCC1C2T+ui+uo+uBEuCEiCiBiEuBEtOiBtOiCtOuCEtOICUCEOIBUBEO结论：结论：QIBUBEQUCEICUBEIB无输入信号无输入信号(ui = 0)时时: uo = 0uBE = UBEuCE = UCE？ uCE = UCC iC RC ui 0 uo 0uBE = UBE+ uiuCE = UCE+ uoIC+UCCRBRCC1C2T+ui+uo+uBEuCE

18、iCiBiEuBEtOiBtOiCtOuCEtOuitOUCEuotO+集电极电流集电极电流直流分量直流分量交流分量交流分量动态分析动态分析iCtOiCtICOiCticO静态分析静态分析uitOuotO直流通路直流通路( IB 、 IC 、 UCE )对直流信号电容对直流信号电容 C 可看作开路（即将电容断开）可看作开路（即将电容断开）断开断开断开断开+UCCRBRCT+UBEUCEICIBIE+UCCRSesRBRCC1C2T+RLui+uo+uBEuCEiCiBiERBRCuiuORLRSes+ XC 0，C 可看作可看作短路。忽略电源的内短路。忽略电源的内阻，电源的端电压恒阻，电源的端

19、电压恒定，直流电源对交流定，直流电源对交流可看作短路。可看作短路。短路短路短路短路对地短路对地短路+UCCRSesRBRCC1C2T+RLui+uo+uBEuCEiCiBiE放大电路无信号输入（放大电路无信号输入（ui = 0）时的工作状态。）时的工作状态。估算法、图解法。估算法、图解法。各极电压电流的直流分量。各极电压电流的直流分量。放大电路的直流通路。放大电路的直流通路。 (1)静态工作点静态工作点Q：IB、IC、UCE 。静态分析：静态分析：确定放大电路的静态值。确定放大电路的静态值。BBECCB RUUI 所以所以BCCBRUI 根据电流放大作用根据电流放大作用CEOBC III BB

20、 II 当当UBE UBE ; . 近于正比关系：近于正比关系： IC= IB , O R RC C R RC C故饱和条件是故饱和条件是： / 晶体管三种工作状态的电压和电流晶体管三种工作状态的电压和电流(a)放大放大+ UBE 0 ICIB+UCE UBC 0+(b)截止截止IC 0 IB = 0+ UCE UCC UBC 0 IB+ UCE 0 UBC 0+CCCCRUI 当晶体管饱和时，当晶体管饱和时， UCE 0，发射极与集电极之，发射极与集电极之间如同一个开关的接通，其间电阻很小；当晶体管间如同一个开关的接通，其间电阻很小；当晶体管截止时，截止时，IC 0 ，发射极与集电极之间如同

21、一个开关，发射极与集电极之间如同一个开关的断开，其间电阻很大，可见，的断开，其间电阻很大，可见，晶体管除了有放大晶体管除了有放大作用外，还有开关作用。作用外，还有开关作用。O= EOUCE UCCUBE0或加反向偏置。或加反向偏置。输出特性三个区域的特点输出特性三个区域的特点:放大区：放大区：.发射结正偏，集电结反偏。发射结正偏，集电结反偏。即：即： UCE=UCCICRC ; UCE UBE ; .IC= IB , 且且 IC = IB(2) 饱和区：饱和区：发射结正偏，集电结正偏发射结正偏，集电结正偏。 即：即： IC UCCRC , UCE UBE ， IBIC，UCE 0.3V 0;

22、(3) 截止区：截止区：发射结反偏，集电结反偏。发射结反偏，集电结反偏。 UBEuC时，二极管导通，电源在给负载时，二极管导通，电源在给负载RL供电的供电的同时也给电容充电，同时也给电容充电， uC 增加，增加，uo= uC 。 CC+Cici +aDuoubRLio= uC 二极管承受的最高反向电压为二极管承受的最高反向电压为 。UU22DRM 动画动画uoU2U2u tO tO1.4.2 发光二极管发光二极管 发光二极管简称发光二极管简称LED，它是一种将电能转换为光能的半，它是一种将电能转换为光能的半导体器件。导体器件。 发光二极管的符号如图所示。发光二极管的符号如图所示。发光二极管常用

23、于作为显示器件，发光二极管常用于作为显示器件，可单个使用，也可作成可单个使用，也可作成7段式或矩段式或矩阵式，工作时加正向电压，并接入阵式，工作时加正向电压，并接入相应的限流电阻，工作电流一般为相应的限流电阻，工作电流一般为几毫安到几十毫安，正向导通时的几毫安到几十毫安，正向导通时的管压降为管压降为1.82.2V。 + +发光二极管符号发光二极管符号1.4.3 光敏二极管光敏二极管 光敏二极管又称为光电二极管，它是将光能转换为电能的光敏二极管又称为光电二极管，它是将光能转换为电能的半导体器件。半导体器件。 其结构与普通二极管相似，只是在管壳上留有一个能使其结构与普通二极管相似，只是在管壳上留有一个能使光线照入的窗口。其符号如图光线照入的窗口。其符号如图所所示。示。光敏二极管符号光敏二极管符号 光敏二极管的特性曲线光