实用电工学李源生第九章33

1、实用电工学李源生 主编第九章第九章 半导体器件和传感器半导体器件和传感器第一章第一章 电路的基本概念和基本定律电路的基本概念和基本定律第九章 半导体器件和传感器 常用的半导体器件有二极管、三极管和场效应管，本章重点介绍常用半导体器件的结构，伏安特性和主要参数。 半导体器件是构成电子电路的最基本单元。掌握半导体器件的特征是分析电子电路的基础。第九章 半导体器件和传感器第一节 半导体 导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。9.1.1 9.1.1 半导体的三个特性半导体的三个特性1.热敏特性和光敏特性 在加热或光照加强时，半导体的阻值显著下降，导电能力增强类似于导体。 半导体具有热敏特性和光

2、敏特性是由半导体的内部结构所决定的。如图9-1所示。第九章 半导体器件和传感器第一节 半导体2.掺杂特性 如果在半导体里掺入少量外层电子只有三个的硼元素，和外层电子数是四个的硅或锗原子组成共价键时，就自然形成一个空穴，这就使半导体中的空穴载流子增多，叫空穴型半导体，简称P型半导体。 如果在半导体中掺入少量外层电子为五个的磷元素，在和半导体原子组成共价键时，就多出一个电子。这种电子为多数载流子的半导体叫电子型半导体，简称N型半导体。9.1.2 PN结结1.PN结的形成 在一块纯净的半导体晶片上,采用特殊的掺杂工艺，在两侧分别掺入三价元素和五价元素。一侧形成P型半导体，另一侧形成N型半导体，如图9

3、-2所示。 第九章 半导体器件和传感器 在结合面的两侧分别留下了不能移动的正负离子，呈现出一个空间电荷区。这个空间电荷区就称为PN结。2.PN结的单向导电性 PN结正偏（PN）导通，反偏（PN）载止，具有单向导电性。 第一节 半导体第九章 半导体器件和传感器第二节 半导体二极管9.2.1 结构和分类结构和分类 二极管内部就是一个PN结，PN结具有单向导电性，所以二极管也具有单向导电性。 按PN结的接触面大小，二极管可分为点接触型和面接触型。按制造所用的半导体材料，二极管可分为硅管和锗管。按不同的用途，二极管可分为普通管，整流管和开关管等。第九章 半导体器件和传感器第二节 半导体二极管9.2.2

4、 伏安特性和主要参数伏安特性和主要参数1.伏安特性 一般硅管导通压降约为0.7伏,锗管导通压降约为0.3伏。除稳压二极管外，反向击穿都将使二极管损坏。2.主要参数（1）最大整流电流IF 超过IF,，二极管的PN结将过热而烧断。（2）最高反向工作电压URM 二极管一旦过压击穿损坏，失去了单向导电性。（3）最大反向电流IRM 这个电流愈小二极管的单向导电性愈好。温升时，IRM增大。第九章 半导体器件和传感器第二节 半导体二极管9.2.3 二极管的应用二极管的应用 利用二极管的单向导电性，可实现整流、限幅、钳位、检波、保护、开关等。1.整流电路 整流电路是利用二极管的单向导电作用，将交流电变成直流电

5、的电路。第九章 半导体器件和传感器第二节 半导体二极管2.限幅电路限幅电路是限制输出信号幅度的电路。第九章 半导体器件和传感器第二节 半导体二极管3.钳位电路 钳位电路是使输出电位钳制在某一数值上保持不变的电路。 设二极管为理想元件，当输入UAUB3V时，二极管VD1，VD2正偏导通，输出被钳制在UA和UB上，即UF3V；当UA0V，UB3V，则VD1导通，输出被钳制在UFUA0V，VD2反偏截止。第九章 半导体器件和传感器第二节 半导体二极管4.检波电路检波电路是把信号从已调波中检出来的电路。第九章 半导体器件和传感器第二节 半导体二极管9.2.4 特殊二极管特殊二极管1.发光二极管 发光二

6、极管正偏导通时发光，反偏截止，具有单向导电并发光的特点。第九章 半导体器件和传感器2.光电二极管 光电二极管光照增强时，外加反偏压作用下，反向电流增加。3.光电耦合器第二节 半导体二极管 如果把发光二极管和光电二极管组合构成二极管型光电 耦合器件。4.稳压二极管 具有稳定电压的作用，工作在反向击穿区。稳压管的主要参数：（1）稳定电压UZ（2）稳定电流IZ（3）动态电阻rZ第九章 半导体器件和传感器第三节 晶体管 三极管在模拟电子电路中其主要作用是构成放大电路。9.3.1 三极管的结构和分类三极管的结构和分类 结构：三个区、二个结、三个电极。第九章 半导体器件和传感器 分类：三极管如按结构可分为

7、NPN型和PNP型；按所用的半导体材料可分为硅管和锗管；按功率可分为大、中、小功率管；按频率特性可分为低频管和高频管等。第三节 晶体管9.3.2 电流分配和放大作用电流分配和放大作用 三极管放大条件：发射结正偏，集电结反偏。1.发射区发射电子形成IE 2.基区复合电子形成IB 3.集电区收集电子形成ICIEIBIC IC IB IEIBICIB IB(1 )IB 三极管的电流放大作用的实质是以很小的IB控制较大的IC 。第九章 半导体器件和传感器9.3.3 伏安特性和主要参数伏安特性和主要参数第三节 晶体管1.伏安特性（1）输入特性 在放大区，硅管的发射结压降UBE一般取0.7V，锗管的发射结

8、压降UBE一般取0.3V。（2）输出特性放大区条件：发射结正偏，集电结反偏。特点：IC IB ，IC仅由IB决定。截止区条件：两个PN结均反偏。特点是IB0、ICICEO0，无放大作用。第九章 半导体器件和传感器第三节 晶体管饱和区条件：两个PN结均正偏。特点：UCE1V，有IB和IC ，但IC IB。IC已不受IB控制，无放大作用。第九章 半导体器件和传感器第三节 晶体管【例例9-1】 在收音机的放大电路中，如果测得如图9-17中所示各管脚的电压值，问各三极管分别工作在哪个区？解：解：图9-17（a） UBUE，UBUC，两个PN结均正偏，三极管工作在饱和区。 图9-17（b） UBUE，U

9、BUC，发射结正偏，集电结反偏，三极管工作在放大区。 图9-17（c） UBUE，UBUC，两个PN结均反偏，三极管工作在截止区。第九章 半导体器件和传感器（1）电流放大系数 和 直流放大系数 交流放大系数ICIB（2）穿透电流ICEO（3）集电极最大允许电流ICM（4）集电极最大允许耗散功率PCM PUCEIC （5）反向击穿电压U(BR)CEO第三节 晶体管2.主要参数BCII第九章 半导体器件和传感器第三节 晶体管9.3.4光敏晶体管与霍尔元件光敏晶体管与霍尔元件1光敏晶体管 光敏晶体管具有两个PN结,大多数光敏晶体管基极无引线。当有光照时,一个反向偏PN结能产生几A电流，即该PN结中激

10、发的光电流将被放大倍而使其导通。一般光敏晶体管壳体的顶部都用透明材料做成的集光镜,当有光照射时就会导通。 a) b) 图9-18光敏管及其符号 a）光敏二极管 b）光敏晶体管第九章 半导体器件和传感器第三节 晶体管2霍尔元件（1）霍尔效应 金属或半导体薄片置于磁场中,当有电流流过时,在垂直于电流和磁场方向上将产生电动势,这种物理现象称为霍尔效应。（2）霍尔元件 具有霍尔效应的元件称为霍尔元件，它是由霍尔片、四根引线和壳体组成的 a) b) c) d) 图9-19霍尔元件 a）外形 b) 结构 c) 符号 d) 基本电路第九章 半导体器件和传感器第四节 场效应晶体管 三极管称电流控制元件；场效应

11、管称电压控制元件。 场效应管具有输入电阻高（最高可达1015）、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、耗电省等优点。 9.4.1 绝缘栅场效应管的结构和符号绝缘栅场效应管的结构和符号第九章 半导体器件和传感器第四节 场效应晶体管第九章 半导体器件和传感器第四节 场效应晶体管9.4.2 场效应管的伏安特性和主要参数场效应管的伏安特性和主要参数 使场效应管刚开始形成导电沟道的临界电压UGS（th），称为开启电压。第九章 半导体器件和传感器 当UGS的负值达到某一数值UGS（off）时，导电沟道消失，这一临界电压UGS（off）称为夹断电压。 场效应管的主要参数：增强型MOS管的开启电压UGS（th），

12、耗尽型MOS管的夹断电压UGS（off）低频跨导第四节 场效应晶体管第九章 半导体器件和传感器1结构9.4.3 结型场效应管（结型场效应管（JFET）第四节 场效应晶体管第九章 半导体器件和传感器第四节 场效应晶体管2工作原理 使ID0时的UGS反偏电压，称为该管的夹断电压，用UGS（off）表示。 管子的输入电阻就是反偏的P+N结的结电阻，它可达107数量级。第九章 半导体器件和传感器第四节 场效应晶体管9.4.4 场效应管与三极管的比较1. 场效应管是以UGS控制ID，称电压控制元件； 三极管是以IB控制IC ，称电流控制元件。2. 场效应管的放大系数为gm，三极管的放大系数为。3. 场效

13、应管与三极管电极的对应关系为G B、D C、S E。4. 绝缘栅场效应管存放时，三个电极应短接在一起，防止外界静电感应电压过高时击穿绝缘层使其损坏。焊接时，烙铁应有良好的接地，最好拔下烙铁电源插头再焊。第九章 半导体器件和传感器 传感器由传感元件和转换电路构成.在非电量的测量中,通常将非电量(如温度、压力、速度、位移、应变、流量、液位等)变换为电量，然后进行测量。传感器是能把这些非电量变换为电量的电器。传感器的种类繁多，常用的有电阻式、电感式和电容式。第五节 感应器1、电阻式传感器 电阻式传感器的基本工作原理是将被测量的变化转换成传感器元件（电阻值）的变化，再经过转换电路变成电信号输出电阻式传

14、感器中的传感元件有应变片，半导体膜片、电位器等。图9-25 金属电阻丝应变片第九章 半导体器件和传感器第五节 感应器2、电感式传感器 电感式传感器是利用自感（自感式传感器）或互感的变化实现测量的一类传感器，它由线圈、铁心、衔铁等构成。 差动式传感器是把被测量的变化转换成互感系数的变化。差动式传感器的结构和转换电路。a) b) 图9-26差动电感式传感器 a)结构 b）转换电路第九章 半导体器件和传感器第五节 感应器3、电容式传感器 电容式传感器是将被测量（如尺寸、压力等）的变化转换成电容量的变化的一种传感器，实际上它本身（或和被测物）就是一个可变电容器。图9-27 变极距型（型）电容式传感器结构原理图第九章 半导体器件和传感器 1.半导体有光敏、热敏和掺杂特性。 2.PN结具有单向导电性，PN导通，PN截止。 3.二极管的内