5半导体元器件的基本知识

5.1半导体二极管

5.2晶体管

5.3晶闸管

第5章半导体器件的根本知识考试要求1.了解半导体二极管单向导电性、伏安特性、主要参数。2.会用万用表判别二极管的管脚极性及好坏。3.理解三极管的电流放大作用。4.会用万用表判别三极管的管脚及管脚极性。5.掌握共发射极放大电路的工作原理。6.理解三极管开关电路的工作原理。5.1半导体二极管一、半导体材料导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体。主要材料是硅〔Si〕和锗〔Ge〕。半导体具有某些特殊性质：如光敏、热敏及掺杂特性。〔导电能力〕1.1半导体器件及其特性二、半导体的类型〔一〕本征半导体完全纯洁的半导体〔纯度在99.999%〕〔二〕杂质半导体在本征半导体中惨入其他的微量元素

〔一〕本征半导体结构特点GeSi现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子〔价电子〕都是四个。硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规那么排列，形成晶体。+4+4+4+4(二)杂质半导体

在本征半导体中掺入微量的杂质元素，成为杂质半导体。1.N型半导体在本征半导体中掺入少量五价元素原子，称为电子型半导体或N型半导体。多数载流子：自由电子少数载流子：空穴

n>>p2.P型半导体

在本征半导体中掺入少量三价元素原子，称为空穴型半导体或P型半导体。多数载流子：空穴少数载流子：自由电子

p>>n〔三〕PN结

1.PN结的形成漂移运动：载流子在电场作用下的定向运动。扩散运动：由于浓度差引起的非平衡载流子的运动。将P型和N型半导体采用特殊工艺制造成半导体半导体内有一物理界面，界面附近形成一个极薄的特殊区域，称为PN结。PN结形成过程分解：2.PN结的单向导电性无外接电压的PN结→开路PN结，平衡状态PN结

PN结外加电压时→外电路产生电流正向偏置〔简称正偏〕PN结：PN结外加直流电压V：P区接高电位〔正电位〕,N区接低电位〔负电位〕→正偏→正向电流反向偏置〔简称反偏〕PN结反偏：P区接低电位〔负电位〕，N区接高电位〔正电位〕。PN结加正向电压的情形－－－－++++REPN结正向偏置内电场外电场变薄PN+_内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。PN结反向偏置－－－－++++内电场外电场变厚NP+_内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。RE三、二极管的构成及类型1.构成PN结+管壳+引线2.类型负极引线

面接触型N型锗PN结

正极引线铝合金小球底座金锑合金点接触型正极引线触丝N型锗片外壳负极引线正极

引线负极

引线集成电路中平面型PNP型支持衬底阳极A阴极K二极管符号四、二极管的伏安特性OuD/ViD/mA正向特性Uth死区电压iD

=0Uth=

0.5V

0.2V(硅管)(锗管)UUthiD急剧上升0U

Uth

正向压降硅管

(0.60.8)V(0.10.3)V

锗管反向特性ISU(BR)反向击穿U(BR)

U0iD=IS<0.1A(硅)

几十A

(锗)U<

U(BR)反向电流急剧增大(反向击穿)温度影响T

升高时，由本征激发产生的少子浓度增加，导致PN结内建电位差UB减小。第1章半导体二极管反向击穿类型：电击穿热击穿—PN结未损坏，断电即恢复。—PN结烧毁。604020–0.0200.4–25–50iD

/mAuD/V20C90C温度升高，正向特性向左移动，反向特性向下移动二极管的主要参数1.

IF—

最大整流电流(最大正向平均电流)2.

URM—

最高反向工作电压，为U(BR)/23.

IRM

—

反向电流(越小单向导电性越好)4.

fM—

最高工作频率(超过时单向导电性变差)第1章半导体二极管iDuDU(BR)IFURMO稳压二极管1.符号和特性符号工作条件：反向击穿iZ/mAuZ/VOUZIZminIZmaxUZIZIZ特性2.主要参数1.

稳定电压UZ

流过规定电流时稳压管两端的反向电压值。2.稳定电流IZ

越大稳压效果越好，小于Imin时不稳压。3.

最大工作电流IZM

最大耗散功率PZMPZM=UZ

IZM4.动态电阻rZ几几十

rZ=UZ/IZ越小稳压效果越好。5.2晶体管一.根本结构NNP基极发射极集电极NPN型BECBECPNP型PPN基极发射极集电极符号：BECIBIEICBECIBIEICNPNPNP基区：最薄，掺杂浓度最低发射区：掺杂浓度最高发射结集电结BECNNP基极发射极集电极结构特点：集电区：面积最大二.电流分配和放大原理1.三极管放大的外部条件BECNNPEBRBECRC发射结正偏、集电结反偏PNP发射结正偏VB<VE集电结反偏VC<VB从电位的角度看：

NPN

发射结正偏VB>VE集电结反偏VC>VB

2.各电极电流关系及电流放大作用IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.10<0.0010.701.502.303.103.95<0.0010.721.542.363.184.05结论:1〕三电极电流关系IE=IB+IC2〕ICIB，ICIE3〕ICIB

把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大变化的特性称为晶体管的电流放大作用。

实质:用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的变化，是CCCS器件。三.特性曲线

即管子各电极电压与电流的关系曲线，是管子内部载流子运动的外部表现，反映了晶体管的性能，是分析放大电路的依据。为什么要研究特性曲线：1〕直观地分析管子的工作状态2〕合理地选择偏置电路的参数，设计性能良好的电路

重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线发射极是输入回路、输出回路的公共端共发射极电路输入回路输出回路

测量晶体管特性的实验线路ICVBBmAAVUCEUBERBIBVCCV++––––++RC1.

输入特性特点:非线性死区电压：硅管0.5V，锗管0.2V。正常工作时发射结电压：NPN型硅管

UBE0.6~0.7VPNP型锗管

UBE0.2~0.3VIB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1VO三极管是非线性元件2.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。UC>UB>UEIE=IC+IB

IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O〔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。饱和区截止区〔3〕饱和区

当UCEUBE时，晶体管工作于饱和状态。在饱和区，IBIC，发射结处于正向偏置，集电结也处于正偏。

深度饱和时，硅管UCES0.3V，

锗管UCES0.1V。四.主要参数1.电流放大系数，直流电流放大系数交流电流放大系数当晶体管接成发射极电路时，

表示晶体管特性的数据称为晶体管的参数，晶体管的参数也是设计电路、选用晶体管的依据。注意：

和

的含义不同，但在特性曲线近于平行等距并且ICE0较小的情况下，两者数值接近。常用晶体管的

值在20~150之间。例：在UCE=6V时，在Q1点IB=40A,IC=1.5mA；

在Q2点IB=60A,IC=2.3mA。在以后的计算中，一般作近似处理：=。IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)9120Q1Q2在Q1点，有由Q1和Q2点，得2.集-基极反向截止电流ICBO

ICBO是由少数载流子的漂移运动所形成的电流，受温度的影响大。温度ICBOICBOA+–EC3.集-射极反向截止电流(穿透电流)ICEOAICEOIB=0+–

ICEO受温度的影响大。温度ICEO，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。4.

集电极最大允许电流ICM5.

集-射极反向击穿电压U(BR)CEO

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。

基极开路时，集电极不致击穿，允许加在集—射极之间的最高反向电压。U(BR)CBO,U(BR)EBO6.

集电极最大允许耗散功耗PCMPCM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=ICUCE

硅管允许结温约为150C，锗管约为7090C。ICUCE=PCMICMU(BR)CEO平安工作区由三个极限参数可画出三极管的平安工作区ICUCEO晶体管参数与温度的关系1、温度每增加10C，ICBO增大一倍。硅管优于锗管。2、温度每升高1C，UBE将减小–(2~2.5)mV，即晶体管具有负温度系数。3、温度每升高1C，增加0.5%~1.0%。5.3晶闸管(Thyrister)普通晶闸管---可控硅〔晶体闸流管〕SCR〔SiliconControlledRectifier)1956年美国贝尔实验室创造1957年美国通用电气公司开发出第一只产品1958年商业化(16A/300V)

一、概述功率等级:几KA/几KV新品种:快速,双向,逆导,可关断,光激发特点:体小,轻重,效率高,反响快,高压大容量,弱电控制强电(几十毫安控制几百几千安)应用:整流,逆变(尤其在大功率场合