第7章半导体器件

第7章半导体器件

7－1半导体二极管

一、N型和P型半导体

半导体：硅、锗、砷化镓。物质的导电性能决定于原子结构。就硅来说，其外层的电子为4个，而外层需要8个电子才能达到稳定。因此，在单晶硅中产生共价键结构。

纯净的半导体（本征半导体）的导电性能是很差的。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

N型半导体：若在单晶硅中掺入少量的5价元素，如磷、砷、锑等。那么在磷和硅组成共价键时就会多出一个电子来，成为自由电子。这样的半导体称为电子型半导体，即N型半导体。+4+4+5+4多余电子磷原子P型半导体：如果在单晶硅中掺入少量的三价元素，如硼、铝，那么在硼和硅组成共价键时就形成空穴。这样的半导体称为空穴型半导体，即P型半导体。空穴硼原子+4+4+3+4

载流子：自由电子和空穴都是载运电荷的粒子，统称为载流子。空穴：由于热运动转化为电子的动能，少数价电子可能挣脱共价键的束缚成为自由电子，在原来的位置上留下空位。+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子

二、PN结及其单向导电性

PN结：将一块硅片的一边做成P型半导体，另一边做成N型半导体，两种半导体的交界面形成PN结。

P型区接电源的正极，N型区接电源的负极，PN接呈现低电阻，称为正向偏置。反过来接，PN结呈现高电阻，称为反向偏置。P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。空间电荷区，也称耗尽层。漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空间电荷区N型区P型区电位VV0－－－－++++RE一、PN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。二、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、二极管的结构和符号二极管的内部结构有点接触型和面接触型。二极管的外形，结构和符号如图所示。引线外壳触丝基片点接触型PN结面接触型小功率高频大功率低频UI导通压降:硅管0.6~0.7V,锗管0.2~0.3V。反向击穿电压UBRUF死区电压硅管0.5V,锗管0.2V。PN+-正向偏置反向截止区反向击穿区四、二极管的伏安特性

理想二极管：（1）正向管压降为零（2）反向电阻为无穷大。五、二极管的主要参数

(1)最大整流电流IFM(2)最高反向工作电压URM(3)反向电流IR(4)最高工作频率fM

六、二极管的整流特性

1.单相半波整流电路将交流电转变为直流电的过程称为整流。（1）工作原理在u2的正半周，二极管正向导通，有电流流过负载。在u2的负半周，二极管反向截至，负载上无电流流过。

（2）负载电压和电流的计算输出直流电压的平均值与变压器次级电压有效值的关系：负载的直流电流为

（3）整流二极管的选择二极管的最大整流电流应为：二极管反向工作峰值应为：

2.单相桥式全波整流电路（1）工作原理

u2处于正半周时，D1，D3导通，D2，D4反向截至。

u2处于负半周时，D2，D4导通，D1，D3反向截至。

（2）负载电压和电流的计算在全波整流电路中，负载上的电压和电流应是半波整流时的两倍，即（3）整流二极管的选择二极管的最大整流电流应为：二极管反向工作峰值应为：

例7-1有一负载需要直流电压Uo=40V，电流Io=4A。计算采用半波整流电路和桥式全波整流电路时，整流二极管的电流ID和最高反向电压UDM以及电源变压器次级电压的有效值U2。解：(1)采用半波整流电路根据(7-1)、(7-3)、(7-4)可分别得到

（2）采用桥式全波整流电路根据式(7-5)、(7-7)、(7-8)可分别得到

七、滤波电路整流输出的电压为脉动电压，含有直流分量和交流分量。滤波电路就是滤掉其中的交流成分。常用的滤波电路有电容滤波和电感滤波。

1.电容滤波电路（1）工作原理

u2的正半周，电容器C充电。

u2的负半周，电容器C放电，设计使得放电回路的时间常数较大。

（2）滤波电容C的选择与负载上直流电压的估算滤波电容C越大，负载电阻RL越大，输出电压越平滑。一般取：半波整流滤波全波整流滤波通常采用电解电容器。负载断开时，电容器两端的电压将升高到接入滤波电容器后，负载直流电压升高，按下式估算：半波整流滤波全波整流滤波

例7-2有一半波整流电容滤波电路,已知交流电压频率f=50Hz。要求输出直流电压Uo=30V，电流Io=80mA。估算整流二极管及滤波电容器的参数。解：(1)整流二极管通过二极管的电流变压器次级电压二极管承受的最大反向电压(2)滤波电容器根据式(7-9)，取RLC=5T，所以可选用C=330F，耐压为50V的电解电容器。

2.电感滤波电路（1）工作原理流过电感线圈的电流发生变化时，电感两端将产生一个反电动势来阻止电流的变化。

（2）滤波电感L的选择与负载上直流电压的估算

L大，滤波效果好，但成本高，直流电阻增大，导致直流能量损失增加。负载的直流电源为：

3.复式滤波电路为进一步减小输出电压中的脉动成分，可以将电容和电感组合成复式滤波电路。

一、稳压二极管的伏安特性具有稳定电压的作用。在反向击穿状态下，反向电流在一定范围内变化时，稳压管两端的电压变化很小。稳压管工作在反向击穿区。7－2稳压二极管

二、稳压管的主要参数

(1)稳定电压Uz(2)动态电阻rz：几欧—几十欧

(3)最大稳定电流IZM(4)最大耗散功率PZM(5)电压温度系数αUZ

三、稳压管稳压电路稳压原理uoiZDZRiLiuiRL+-Ui则Uo,于是Uz.由稳压特性知，必然使Iz，于是I,UR最终使Uo稳定。限流电阻7－3特殊用途二极管

一、发光二极管正向偏置时发光。二、光电二极管无光照射时，电路中流过微小的反向电流。受到光照时，反向电流急剧增加。三、变容二极管反向偏置时结电容随反向电压的变化而有较大的变化。7－4半导体三极管

一、三极管的结构如图所示，三极管有两个PN结。三极管有NPN和PNP两种。BECNNP基极发射极集电极NPN型PNP集电极基极发射极BCEPNP型三极管的基本结构

三个区分别称为发射区、基区和集电区。相应的三个极称为发射极、基极和集电极。两个结为发射结和集电结。制造上的差异：发射区：杂质浓度高基区：薄且杂质浓度低集电区：面积比发射结的面积大，杂质浓度低按制造材料，三极管分为硅管和锗管。BECNNP基极发射极集电极基区：较薄，掺杂浓度低集电区：面积较大发射区：掺杂浓度较高

国产三极管的命名规则：

二、三极管的电流放大作用实验电路如图所示。改变可变电阻Rp时，基极电流IB，集电极电流IC和发射极电流IE都将发生变化。不同值的IB有对应的IC和IE值。三极管具有电流放大作用：△IC与△IB的比值称为动态电流放大系数β

三、三极管的特性曲线三极管有三种接法，如图所示。可分为两个回路：输入回路、输出回路。以下讨论NPN硅管共发射极接法的特性曲线。

1.输入特性曲线输入端的电压UBE与电流IB的关系，即（1）UCE增大时，曲线族右移。（2）是非线性的。有一段“死区”。硅管约0.5V，锗管约0.1V。当管子电流较大时，发射结正向压降变化不大:

硅管：0.6—0.7V锗管：0.2—0.3V

2.输出特性曲线输出电压UCE与电流IC的关系，即曲线族可分为三个区域：（1）饱和区：集电结处于正向偏置，IC不能随IB的增大而成比例增大，IC处于饱和状态。硅管的饱和压降约为0.5V。（2）截止区：当IB=0时，集电结仍有很小的电流，此电流称为穿透电流ICEO。三极管相当于开关的断开状态。（3）放大区：IC与IB成正比，即IC=βIB，而与UCE大小关系不大。

四、三极管的主要参数

1.电流放大系数和共发射极静态电流放大系数共发射极动态电流放大系数在常用的工作范围内二者的数值比较接近。

2.穿透电流ICEO

基极开路（IB=0）情况下流过集电极和发射极间的电流。ICEO的值越小越好。硅管越几微安，锗管约几十微安。

ICEO过大会导致工作特性不稳定。3.集电极最大允许电流ICM

集电极电流超过一定数值时，三极管的β值将下降。把β值下降到规定允许值(通常为额定值的2/3)时的集电极电流，称为集电极最大允许电流。

4.集—射反向击穿电压U(BR)CEO

基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压。

5.集电极最大允许耗散功率PCM，即集电极耗散功率超过PCM，集电结会过热，引起管子性能变差，甚至烧毁。7-5场效应晶体管

场效应管有两种：结型和绝缘栅。一、绝缘栅型场效应管的结构在衬底表面两个N+区之间生成一层二氧化硅的绝缘层，上面覆盖一层金属铝片，引出栅极（G）。简称MOS管。

衬地为杂质浓度较低的P型硅片。扩散两个杂质浓度很高的的N+区，引出两个电极：源极和漏极。场效应晶体管是靠导电沟道来工作的。

N型导电沟道的形成：若在二氧化硅绝缘层中渗入大量的正离子，在P型衬底的表面将产生足够大的正电场，该强电场排斥P型衬底中的空穴，同时把衬底中的电子吸引到表面，形成一个N型薄层—N型导电沟道。

二、场效应管的工作原理按导电沟道形成的不同，