第七章 半导体器件1

第七章半导体器件了解半导体的类型和特性，理解PN结的形成，掌握PN结的单向导电性了解半导体二极管的结构，掌握半导体二极管的伏安特性掌握半导体三极管的放大作用和特性了解绝缘栅型场效应管的结构、工作原理、特性、参数及使用注意事项【知识要求】会用万用表检测二极管的极性和好坏会用万用表判别三极管的管型和引脚学会焊接简单的电路【能力要求】7.1半导体二极管7.1.1本征半导体半导体定义：导电能力介于导体和绝缘体之间的物质，常用材料：硅、锗、砷化镓本征半导体：纯净的不含杂质的半导体空穴：本征半导体在外界因素作用下，某些价电子获得能量，挣脱共价键的束缚，成为自由电子，同时在原共价键中留下相同数目的空位，这种空位即为空穴。本征激发：形成一个自由电子，同时出现一个空穴，此现象为本征激发SiSiSiSiSiSiSiSiSi载流子：自由电子和空穴复合空穴的运动相当于正电荷的运动7.1.2杂质半导体微量杂质：P、B等元素N型半导体：5价元素PSiSiSiSiSiSiSiSiSi空穴自由电子：多数载流子少数载流子P型半导体：3价元素BSiSiSiSiSiSiSiSiSi空穴自由电子：少数载流子多数载流子7.1.3PN结及其单向导电性1、PN结的形成----------------++++++++++++++++PN----------------++++++++++++++++PN空间电荷区内电场方向内电场有助于少数载流子的漂移2、PN结的单向导电性----++++内电场方向Us外电场方向变窄处于导通状态并呈低电阻状态外加正向电压正偏----++++内电场方向Us外电场方向变宽--------++++++++少数载流子形成漂移电流，与扩散电流方向相反，为反向电流总结：PN结具有单向导电性，加正向电压时，电路中有较大的电流流过，处于导通状态；PN结加反向电压时，电路中电流较小，PN结截止加反向电压（反偏）7.1.4半导体二极管1.结构与类型PN阳极阴极外壳（a）结构（b）外形阳极阴极（c）符号VDPN分类：点接触型：用于高频检波面接触型：较低频率下工作，用作整流2.半导体二极管的伏安特性半导体二极管的伏安特性：半导体二极管两端电压U和流过的电流I之间的关系（1）正向特性锗管死区电压：0.1V；正向导通压降：0.3V硅管：0.5V，正向导通压降：0.7V（2）反向特性U/VI/mA0.51.01.5死区电压10-10反向击穿电压正向特性反向特性3.半导体二极管的主要参数（1）最大整流电流IFM

长期使用时允许流过的最大正向平均电流（2）最大反向工作电压URM

为击穿电压的一半左右（3）最大反向电流IRM

反向电流越小，单向导电性能越好，受温度影响较大（4）最高工作频率fM

使用中频率超过此值，单向导电性能变差，甚至无法使用。7.1.5特殊二极管1、硅稳压二极管其正常工作区间在：反向击穿区，需要与合适的电阻串联，具有稳定电压的作用U/VI/mA0.51.01.5死区电压10-10正向特性稳定电压UZΔUZΔIZ稳定电流IZ最大稳定电流IZM动态电阻：rz=ΔUZ/ΔIZ最大允许耗散功率：PZM=UZM×IZM2、发光二极管

可以把电能转化成光能的半导体器件；两根引线中较长的一根为正极，应接电源正极；两根引线一样长，但管壳上有一凸起的小舌，靠近小舌的引线是正极。3、光电二极管将光信号转化成电信号的半导体器件中7.1.6二极管的极性和好坏1）判断极性：万用表拨到R×100Ω或R×1KΩ;用黑表笔搭在二极管一端，用红表笔搭在另一端，若电阻较小；再将表笔位置对换，若电阻较大、则电阻较小的为二极管加上正向电压，黑表笔搭接端为P，即阳极2）二极管性能的好坏若测量电阻全为0，则二极管被击穿；测量结果电阻为全为无穷大，则二极管被烧毁。若二极管结果正常，但电阻值大小相差不大，说明二极管的单向导电性差7.2半导体三极管7.2.1半导体三极管的结构和类型外形

3AX313DG6外形示意图半导体三极管图片7.2.1半导体三极管的结构和类型内部结构c集电极b基极集电区PN基区发射区P集电结发射结e发射极(a)PNP型c集电极b基极集电区NP基区发射区N集电结发射结e发射极(b)NPN型7.2.1.晶体管的结构和类型符号ebc(a)PNP型ebc(b)NPN型

发射极是输入回路、输出回路的公共端共发射极电路输入回路输出回路（1）实验线路ICEBmAAVUCEUBERBIBECV++––––++7.2.2.半导体三极管的放大作用

E

C

BRPIEIB/mAIC/mAIE/mA-0.0010.001000.010.010.010.500.510.021.001.020.031.701.730.042.502.540.053.303.35实验数据I1.IE=

IC+IB=(1+β)IB结论2.Ic或IE>>IBIB/mAIC/mAIE/mA-0.0010.001000.010.010.010.500.510.021.001.020.031.701.730.042.502.540.053.303.35结论ICEBmAAVUCEUBERBIBECV++––––++3.工作条件NPN:UC>UB>

UE发射结正偏，集电结反偏

E

C

BBECNNPEBRBEc发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。基区空穴向发射区的扩散可忽略。IBE进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE，多数扩散到集电结。（2）晶体管内部载流子运动规律IEBECNNPEBRBEc集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。ICBO从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICE。IC=ICE+ICBOICEIBEICEIEIB=IBE-ICBOIBEIB（动画3）BECNNPEBRBEcICBOIC=ICE+ICBOICEIBEICEIEICE与IBE之比称为电流放大倍数要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。基极做得很薄，杂质浓度较低，集电区面积大，发射区渗杂浓度高⑴共射输入特性7.2.3三极管的特性曲线

ICmAAVUCEUBERBIBECV++––––++⑴共射输入特性IB(μA)UBE(V)0.20.40.60.8204060800UCE

≥1V20℃7.2.3三极管的特性曲线

死区电压：硅管≤

0.5V

锗管≤

0.2V线性区：硅管(NPN)UBE=0.6V～0.7V

锗管

(PNP)

UBE=

-0.2V～-0.3V

UCE

=0

UCE增加，特性曲线右移。

UCE≥1V以后，特性曲线几乎重合。

与二极管的伏安特性相似输入特性有以下几个特点：

⑵输出特性IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O放大区输出特性曲线通常分三个工作区：1)放大区

在放大区有IC=IB

，也称为线性区，具有恒流特性。

在放大区，发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置，晶体管工作于放大状态。⑵输出特性IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O放大区2)截止区IB<0以下区域为截止区，有IC0

。在截止区发射结处于反向偏置，集电结处于反向偏置，晶体管工作于截止状态。截止区⑵输出特性IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O放大区3）饱和区当UCEUBE时，晶体管工作于饱和状态。在饱和区，发射结处于正向偏置，集电结也处于正偏。

截止区饱和区7.2.4三极管的主要参数晶体管的参数是用来表示晶体管的各种性能指标。⑴电流放大系数①静态电流放大系数它表示静态时，集电极电流和基极电流之间的关系⑴电流放大系数A点对应的IC=6mA，IB=40μAUCE(V)IC(mA)051015483.368.81216A20406080IB=100μA3DG6的输出特性表示在动态时，集电极电流的变化量与相应的基极电流变化量之比，即②动态电流放大系数大表示只要基极电流很小的变化，就可以控制产生集电极电流大的变化，即电流放大作用好。值的求法：找两个UCE相同的点C和D所以对应于C点，IC=8.8mA，IB=60μA；对应于D点，IC=3.3mA，IB=20μA，△IC

=8.8-3.3=5.5mA，△IB=60-20=40μA，UCE(V)IC(mA)051015483.368.81216CDA20406080IB=100μA3DG6的输出特性②共射电流放大系数(2)集电极-基极反向饱和电流ICBO发射极开路，集电结加反向电压时流过集-基极的反向电流。A+–ECICBO②集-射极穿透电流ICEOICEO是基极开路，集电极与发射极间加反向电压时的集电极电流。AICEOIB=0+–集电极电流IC上升会导致三极管的值的下降，当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。2)

集电极最大允许耗散功耗PCM

PCM取决于三极管允许的温升，消耗功率过大，温升过高会烧坏三极管。

PC

PCM=ICUCE1）集电极最大允许电流ICM（3）三极管的极限参数7.2.5三极管的检测（NPN）（1）判定基极万用表拨到R×100Ω或R×1KΩ，假定任一管脚为基极，用黑表笔搭在其上，用红表笔分别搭接另外俩个管脚，测量到两阻值均较小，则黑表笔所接就是基极。

（2）判定集电极c和发射极e用万用表的两个表笔搭接到基极以外的两个引脚，用两个手指摸住基极与假定的集电极，将表笔对换，比较两次的阻值大小，阻值小的一次测量中，黑表笔所接的引脚为集电极，另一个引脚为发射极。

7.3绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管是由金属（Metal）、氧化物（Oxide）和半导体（Semiconductor）材料构成的，因此又叫MOS管。绝缘栅场效应管分为增强型和耗尽型两种，每一种又包括N沟道和P沟道两种类型。（1）结构与符号以N沟道增强型MOS管为例，它是以P型半导体作为衬底，用半导体工艺技术制作两个高浓度的N型区，两个N型区分别引出一个金属电极，作为MOS管的源极S和漏极D；在P形衬底的表面生长一层很薄的SiO2绝缘层，绝缘层上引出一个金属电极称为MOS管的栅极G。B为从衬底引出的金属电极，一般工作时衬底与源极相连。图1.46所示为N沟道增强型MOS管的结构与符号。图1.46N沟道增强型MOS管的结构与符号符号中的箭头表示从P区（衬底）指向N区（N沟道），虚线表示增强型。（2）N沟道增强型MOS管的工作原理如图1.47所示，在栅极G和源极S之间加电压UGS，漏极D和源极S之间加电压UDS，衬底B与源极S相连。图1.47N沟道增强型MOS管加栅源电压UGS

形成导电沟道所需要的最小栅源电压UGS，称为开启电压UT。（3）特性曲线①

输出特性（漏极特性）曲线图1.48N沟道增强型MOS管的输出特性曲线②

转移特性曲线图1.49N沟道增强型MOS管的转移特性曲线2.耗尽型绝缘栅场效应管（1）结构、符号与工作原理图1.50N沟道耗尽型MOS管的结构与符号（2）特性曲线图1.51