电子技术第10章课件

第10章常用半导体器件本章主要内容本章主要介绍半导体二极管、半导体三极管和半导体场效晶体管的基本结构、工作原理和主要特征，为后面将要讨论的放大电路、逻辑电路等内容打下基础

。【引例】如何实现的？手机及内部电路10.1半导体的导电特性10.1半导体的导电特性10.1.1本征半导体半导体硅和锗的原子结构图本征半导体：纯净的、晶格完整的半导体。这样的半导体称为晶体，用这样的材料制成的管子称为晶体管。

10.1半导体的导电特性本征半导体的共价键结构价电子自由电子空穴光照10.1半导体的导电特性说明：半导体中有两种电流：自由电子电流和空穴电流，这是和导体导电本质区别。且由于自由电子和空穴成对出现，故对外不显电性。填补10.1半导体的导电特性2．P型半导体在硅或锗的本征半导体中掺入微量的3价硼（B）元素，则形成P型半导体。+3掺入+3填补空穴为多数载流子，自由电子为少数载流子，故P型半导体也称为空穴型半导体，硼原子也称为受主杂质10.1半导体的导电特性10.1.3PN结1．PN结的形成10.1半导体的导电特性10.1半导体的导电特性总结：PN结外加正向电压时，PN结电阻很小，正向电流很大，PN结正向导通，电流方向从P型区流向N型区；PN结外加反向电压时，PN结电阻很大，反向电流很小，近似为零，PN结反向截止。PN结的这种特性称为单向导电性。10.2半导体的二极管10.2.1基本结构整流二极管发光二极管稳压二极管开关二极管10.2半导体的二极管半导体的二极管型号说明：举例2.反向特性10.2半导体的二极管二极管的伏安特性-+当二极管加反向电压并小于某电压（击穿电压）时，由少数载流子的漂移运动形成很小的反向电流，硅管为nA级，锗管为μA级，故二极管反向截止。（1）反向截止区一、它随温度的升高增长很快；注意：反向电流的特点二、反向电流与反向电压的大小无关，基本不变称它为反向饱和电流。（2）反向击穿区当反向电压增加到击穿电压时，反向电流将突然增大，二极管的单向导电性被破坏，二极管反向导通，造成不可恢复的损坏。10.2半导体的二极管10.2.3主要参数为了正确使用二极管，除了理解其伏安特性之外，还要掌握其相应的参数，以便选择二极管。1．最大整流电流IFM

IFM二极管长时间正向导通时，允许流过的最大正向平均电流。在使用时不能超过此值，否则将因二极管过热而损坏。

2．反向峰值电压URMURM是指二极管反向截止时允许外加的最高反向工作电压，URM的数值大约等于二极管的反向击穿电压UBR的一半，以确保管子安全工作。3．反向峰值电流IFMIRM是指在常温下二极管加反向峰值电压URM时，流经管子的电流。它说明了二极管质量的好坏，反向电流大说明它的单向导电性差，而且受温度影响大。硅管比锗管的反向电流小。10.2半导体的二极管10.2.4应用举例由于半导体二极管具有单向导电性，因而得到了广泛应用。在电路中，常用来作为整流、检波、钳位、隔离、保护、开关等元件使用。【例10.2-1】二极管电路如图(a)和(b)所示，试分析二极管的工作状态和它们所起的作用。设二极管为理想二极管。(2)在图(b)所示电路中，移开二极管，求两端电位，即10.2半导体的二极管【例10.2-1】二极管电路如图(a)和(b)所示，试分析二极管的工作状态和它们所起的作用。设二极管为理想二极管。【解】二极管阳极电位低于阴极电位，是反偏，二极管处于截止状态，相当开路，使Uo=6V，起隔离作用。

在如图所示电路中，移开两个二极管，并求它们两端阳极到阴极的电位差，即10.2半导体的二极管【例10.2-2】在如图所示电路中，试分析二极管VD1和VD2的工作状态，并求输出电压Uo之值。设二极管为理想二极管。【解】由于VD2两端电压高于VD1，故其优先导通。使得Uo=-10V，使VD1反偏。故VD2起钳位作用，VD1起隔离作用，隔离了+10V电源。10.2半导体的二极管【例10.2-3】在如图所示电路中，已知US=5V，ui=10sinωtV，试画出输出电压uo的波形。设二极管为理想二极管。【解】VD导通起限幅作用VD截止10.3特殊二极管稳压二极管是一种特殊的面接触型硅二极管，由于它在电路中与适当阻值的电阻配合后能起稳定电压的作用，故称稳压管。10.3.1稳压二极管外型符号伏安特性比较陡应用电路主要参数（1）UZ是稳定电压；（2）IZ是稳定电流；（3）IZm是最大稳定电流。

10.3特殊二极管【例10.3-1】试分析如图所示电路中稳压管VDZ的稳压作用。【解】在电路的实际工作中，电源电压U的波动、负载的变化都会引起输出电压UL的波动。1．设电源电压波动（负载不变）2．设负载变化（电源电压不变）说明：稳压管稳压电路是通过稳压管电流IZ的调节作用和限流电阻R上电压降UR的补偿作用而使输出电压稳定的。【例10.3-2】试设计一个稳压管稳压电路，如图所示。已知：电源电压U=20V，负载电阻RL=0.8kΩ，负载所需稳定电压UL=12V。选择稳压管VDZ和限流电阻R。10.3特殊二极管【解】(1)负载电流IL为(2)选择稳压管VDZ稳压管的稳定电压UZ=UL=12V，可选择2CW60型硅稳压管（见附录3），其UZ=12V,IZ=5mA,IZm=19mA。(3)选限流电阻RIZ=5mAIZm=19mA取R=300Ω10.3特殊二极管10.3.3光电二极管光电二极管是利用PN结的光敏特性制成的，它将接收到的光的变化转换为电流的变化。外型符号工作电路说明：当无光照时，其反向电流很小，称为暗电流。当有光照时，产生较大的反向电流，称为光电流。光照愈强，光电流也愈大。10.3特殊二极管10.3.4光耦合器光耦合器是由发光器件和光敏器件组成的。外型即内部电路原理电路说明：光耦合器是用光传输电信号的电隔离器件（两管之间无电的联系）。10.4半导体三极管10.4.1基本结构各种半导体三极管的外型图按结构分类：NPNPNP10.4.2载流子分配及电流放大原理10.4半导体三极管共射极放大电路放大条件内部条件①发射区掺杂浓度最高②基区很薄③集电结面积大外部条件①发射结结正偏②集电结反偏输入输出各极电流（mA）测量结果IB-0.00100.020.040.060.080.10IC0.0010.010.701.502.303.103.95IE00.010.721.542.363.184.0510.4半导体三极管实验数据分析：①IE

=IC+IB②③10.4半导体三极管半导体三极管内部载流子的运动：10.4半导体三极管半导体三极管内部载流子运动示意图三个结论：(1)发射极电流IE、基极电流IB、集电极电流IC的关系是IE=IB+IC；载流子运动过程：①发射结正偏：发射区发射电子到基区②少量电子在基区与空穴复合，大部分运动到集电结；③集电结反偏：集电区收集电子。(2)集电极电流IC、基极电流IB的关系是IC=βIB

；(3)晶体管的电流放大作用，实质上为晶体管的控制作用，即较小电流IB控制大电流IC。10.4半导体三极管10.4.3特性曲线1．输入特性曲线输入特性曲线是指当集-射极电压UCE为常数时，输入回路（基极回路）中基极电流IB与基-射极电压UBE之间的关系曲线，即输入特性曲线特点：①UCE≥1曲线重合；②当UBE小于死区电压时，IB=0，三极管截止；当UBE大于死区电压时，三极管导通，IB随UBE快速增大。发射结导通电压为硅管：锗管：测试电路10.4半导体三极管2．输出特性曲线输出特性曲线是指当基极电流IB为常数时，输出电路（集电极回路）中集电极电流IC与集-射极电压UCE之间的关系曲线，即测试电路输出特性曲线特点：①当IB一定时，在UCE=0～1V区间，随着UCE的增大，IC线性增加。当UCE超过1V后，当UCE增高时，IC几乎不变，即具有恒流特性；②当IB增大时，IC线性增大，远大于IB，且IC受IB控制，这就是晶体管的电流放大作用的表现。饱和区：IB增加，IC小于IB，IC≠IB，晶体管失去电流放大作用。饱和时，电压∣UCE∣=0.2～0.3V（锗管为0.1～0.2V），数值很小，近似为零，晶体管的C、E极之间相当于一个闭合的开关。10.4半导体三极管输出特性曲线③通常把晶体管的输出特性曲线分为三个工作区：输出特性曲线的三个工作区放大区：IC与IB基本上成正比关系，即IC=IB，发射结为正偏，集电结为反偏；截止区：IB=0，即IC=ICEO≈0，发射结为反偏，集电结为反偏；晶体管的C、E极之间相当于一个断开的开关；10.4半导体三极管10.4.4主要参数1．共射极电流放大系数β和β说明：共发射极静态（又称直流）电流放大系数共发射极动态（又称交流）电流放大系数(2)晶体管的b值在20～200之间。10.4半导体三极管2．集-基极反向饱和电流ICBOICBO是当发射极开路（IE=0）时的集电流IC，是由少数载流子漂移运动（主要是集电区的少数载流子向基区运动）产生的，它受温度影响很大。注意：在室温下，小功率锗管的ICBO约为几微安到几十微安，小功率硅管在1μA以下。3．集-射极穿透电流ICEOICEO是基极开路（IB=0）时的集电极电流IC

，且注意：温度升高时，ICBO增大，ICEO随着增加，集电极电流IC亦增加，且β值亦不能太大，一般为50~100。10.4半导体三极管4．集电极最大允许电流ICM集电极电流IC超过一定值时，值要下降。ICM为晶体管值下降到正常值2/3时的集电极电流。5．集-射极击穿电压BUCEOBUCEO为基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压，当超过此值时，晶体管集电结会被击穿而损坏。6．集电极最大允许耗散功率PCM

PCM为当晶体管因受热而引起的参数变化不超过允许值时，集电极所消耗的最大功率。PCM主要受晶体管的温升限制，一般来说锗管允许结温为70℃～90℃，硅管约为150℃。由PCM、ICM和BUCEO围成的区域称为三极管的安全工作区

ICMBUCEO10.4半导体三极管【例10.4-1】放大电路中的晶体管VT1和VT2如图所示，用直流电压表测得各点对地电位值是：V1=8V,V2=1.2V,V3=1.9V；V4=-3.3V,V5=-9V,V6=-3.1V。(1)确定VT1的类型和各电极；(2)确定VT2的类型和各电极。【解】由于V1最高，故1为集电极，且为NPN型。2是发射极，3是基极。由于V5最低，故5为集电极，且为PNP型。6是发射极，4是基极。(1)VT1管：V3-V2=1.9-1.2=0.7V(2)VT2管：V4-V6=-3.3-(-3.1)=-0.2V10.5场效应晶体管场效晶体管是又一种性能特殊的半导体三极管，外形也与普通晶体管相似。但其工作原理却截然不同。★区别：（1）晶体管发射结在放大时是正向偏置，故其输入阻抗小（103Ω的数量级）；场效应管输入回路PN结工作于反偏，或输入端完全处于绝缘状态，故其输入阻抗可高达107Ω～1012Ω。（2）晶体管有两种导电粒子参与导电：自由电子和空穴，故称为双极型。由于少数载流子参与导电，故工作点受温度影响大，不稳定；场效应管只有一种导电粒子-多子参与导电，故称为单极型，其噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强；（3）晶体管属于电流控制电流器件，场效应管属于电压控制电流器件。10.5场效应晶体管★分类：场效应管结型场效应管(JunctionFieldEffectTransistor,JFET)绝缘栅型场效应管（MOSFET）N沟道P沟道增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道10.5场效应晶体管10.5.1N沟道增强型场效应管1．基本结构外形图