电子技术基础半导体器件课件

本章提要：半导体二极管和晶体管是常用的半导体器件。它们的基本结构、工作原理、特性曲线和主要参数是学习电子技术和分析电子电路的基础。PN结是构成各种半导体器件的基础。本章重点讨论以下几个问题：1）半导体的导电特性；2）PN结的形成及其导电特性；3）半导体二极管的工作原理及其特性曲线、主要参数及应用；4）特殊二极管；5）晶体管的结构、工作原理、特性曲线和主要参数。作为了解的内容：1）场效应晶体管的结构、工作原理、特性曲线和主要参数；2）晶闸管的结构、工作原理、特性曲线和主要参数及应用。章半导体器件第一节半导体二极管1、什么是半导体？什么是本征半导体？导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。导体－－铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。绝缘体－－惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。半导体－－硅(Si)、锗(Ge)，均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。没有杂质稳定的结构一、半导体的导电特性（一）半导体的特点1.半导体的电导率可以因加入杂质而发生显著的变化。例如在室温时，纯硅中掺入一亿分之一的杂质(称掺杂)，其电导率会增加几百倍。2.温度的变化，也会使半导体的电导率发生显著的变化，利用这种热敏效应人们制作出了热敏元件。但另一方面，热敏效应会使半导体元、器件的热稳定性下降。3.光照不仅可以改变半导体的电导率，而且可以产生电动势，这就是半导体的光电效应。利用光电效应可以制成光电晶体管、光电耦合器和光电池等。（二）本征半导体的结构共价键价电子硅原子自由电子空穴由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。一定温度下,自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高,热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。动态平衡在本征半导体中，两种载流子成对出现，成对消失，形成动态平衡。因此整个原子是电中性的。温度对载流子的影响很大，温度升高时，载流子的数量增加。半导体中的两种载流子——自由电子和空穴运载电荷的粒子称为载流子。外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于载流子数目很少，故导电性很差。（三）杂质半导体在本征半导体中，人为地掺入少量其他元素(称杂质)，可以使半导体的导电性能发生显著的改变。掺入杂质的半导体称作杂质半导体。根据掺入杂质性质的不同。可分为两种：

N型半导体（电子型）：掺杂五价元素P型半导体（空穴型）：掺杂三价元素1．N型半导体在本征半导体中掺入少量的五价磷元素，使每一个五价元素取代一个四价元素在晶体中的位置，可以形成N型半导体。多余电子五价磷电子空穴对自由电子数多于空穴数2．P型半导体在本征半导体中掺入少量三价元素，可以形成P型半导体，常用于掺杂的三价元素有硼、铝和铟。空穴三价硼电子空穴对空穴数多于自由电子数总结在N型半导体中，自由电子数大于空穴数，自由电子----多数载流子(多子)。空穴-----少数载流子(少子)。在P型半导体中，空穴数大于自由电子数，空穴----多子。自由电子----少子。不论N型半导体还是P型半导体，虽然都有一种载流子占多数，但是整个晶体仍然是不带电的。物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。二、PN结1、PN结的形成空穴负离子正离子自由电子扩散运动P区空穴浓度远高于N区N区自由电子浓度远高于P区扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低，产生内电场。1、PN结的形成由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N区运动。内建电场多子扩散少子漂移(1)内建电场对多数载流子的扩散运动起到阻碍作用；(2)内建电场可推动少数载流子越过空间电荷区向对方漂移。参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了PN结。2．PN结单向导电特性外加反向电压——PN结反向截止外加电场内电场I≈0少子漂移外加正向电压——PN结正向导通外加电场内电场I多子扩散PN结的单向导电性结论利用PN结的单向导电性，可以制成半导体二极管及各种半导体元件(1)PN结正偏：PN结导通空间电荷区变窄电阻有利于多子扩散电流(2)PN结反偏：PN结截止电阻有利于少子漂移电流空间电荷区变宽三、半导体二极管

将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。小功率二极管大功率二极管发光二极管稳压二极管三、半导体二极管二极管通常有点接触型和面接触型两种阳极A阴极KVDPNAK点接触型面接触型二极管的管压降与其电流的关系曲线，称为二极管的伏安特性曲线1．二极管的伏安特性硅管锗管a点Uonb点I=ISR[exp(U/UT)-1]c点线性区d点反向击穿区二极管管压降UBR

死区电压硅管约0.5V锗管约0.1V非线性区硅管为0.6～0.8V；锗管为0.2～0.3V.截止区反向击穿电压反向饱和电流1．二极管的伏安特性2．二极管的主要参数1)最大整流电流IFM 指二极管长期工作时，允许通过的最大正向平均电流。当电流超过允许值时，将由于PN结的过热，而使二极管损坏。2)反向饱和电流ISR 指在一定环境温度条件下，二极管承受反向工作电压、又没有反向击穿时，其反向电流的值。它的值愈小，表明二极管的单向导电特性愈好。温度对反向电流影响较大，经验值是，温度每升高10℃，反向电流约增大一倍。使用时应加注意。3)反向工作峰值电压URM 指管子运行时允许承受的最大反向电压。通常取反向击穿电压的二分之一至三分之二。3．二极管的近似特性和理想特性 由二极管的伏安特性曲线可见，由于二极管正向导通时电压变化很小，而反向截止时，电流很小。对于所分析的电路来说，将它们忽略时，产生的误差很小。故通常可用理想二极管的特性代替二极管的伏安特性。0IU理想特性近似特性0IUUD近似特性:当电源电压与二极管导通时正向电压降相差不多时二极管的电压小于导通正向电压时，二极管截止，电流为0；二极管导通后，正向电压降恒为UD理想特性:当电源电压远大于正向电压降时加正向电压时，二极管导通，正向电压降和正向电阻为0，（二极管相当于短路）加反向电压时，二极管截止，反向电流为0，反向电阻无穷大。（二极管相当于开路）0t0tEEt1t2时,二极管截止,（0～t1与t2以后）时,二极管导通,（t1～t2）22限幅电路例2-2图2-12a中的R和C构成一微分电路。当输入电压ui如图1-12b中所示时，试画出输出电压uo的波形。设uC(0)=0。22二极管正向压降是0.3V硅管为0.6～0.8V；锗管为0.2～0.3V.IZminIZmax稳压二极管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。由于它在电路中与适当数值的电阻配合后能起稳定电压的作用，故称为稳压管。锗稳压管特性曲线硅稳压管特性曲线VSKA四、特殊二极管1.稳压二极管（又称齐纳二极管）稳压二极管的伏安特性由一个PN结组成，反向击穿后在一定的电流范围内端电压基本不变，为稳定电压。若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流太大则会因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必需有限制稳压管电流的限流电阻！限流电阻稳压管的主要参数有下面几个：1）稳定电压UZ稳压管在正常工作下两端的电压。2）电压温度系数说明稳压管受温度变化影响的参数。例如电压温度系数为0.095%/℃，则表示温度每升高1℃，它的稳压值将比额定温度时升高0.095%。一般来说:低于4V的稳压管，电压温度系数是负的;高于7V的稳压管，电压温度系数是正的； 6V左右的稳压管，稳压值受温度的影响较小。因此，选用6V左右的稳压管，可得到较好的温度稳定性。

3）动态电阻rZ稳压管端电压的变化量与相应的电流变化量的比值。4）稳定电流IZ稳压管正常工作时的参考电流。5）最大允许耗散功率PZM稳压管不致发生热击穿的最大功率损耗PZM=UZIZM。即稳压管的额定功耗。当Ui=+20V时，VS1反向击穿，其稳压值UZ1=6.3V，VS2正向导通，UD2=0.7V，则Uo=+7V；同理Ui=-20V时,Uo=-7VVS1VS22、光电二极管（又称光敏二极管）是一种将光信号转换为电信号的特殊二极管。它与PN结二极管类似，不同之处在于：在它的PN结处通过管壳上的一个玻璃窗口能接收外部的光照。它工作于反向偏置状态。 主要特点是它的反向电流与照度成正比： 有光照时，电流会急剧增加，称为光电流； 无光照时，反向电流很小，称为暗电流。光电二极管的符号3、发光二极管 当有电流流过时就发光，这是由于电子与空穴直接复合而放出能量的结果。 用途: (1)作为显示器件，除单个使用外，也常做成七段式或矩阵式器件，工作电流一般为几毫安至十几毫安。 (2)将电信号变为光信号，通过光缆传输，然后再用光敏二极管接收，再现电信号。

发光二极管的符号下图为发光二极管发射电路通过光缆驱动光电二极管电路。第二章半导体器件

第二节半导体三极管第二节半导体三极管一、基本结构——双极型半导体器件晶体三极管的结构，目前最常见的有平面型和合金型两类。硅管主要是平面型，锗管都是合金型。不论是平面型还是合金型，都是由3层不同型半导体构成。平面型合金型第二节半导体三极管晶体三极管分为NPN型和PNP型两类第二节半导体三极管二、电流放大原理晶体管必须满足一定的偏置条件，才能有电流放大作用。右图电路是以NPN型硅三极管接成共射形式（基极回路和集电极回路以发射极作为公共端）的示意图。由图可见，晶体管的外部偏置条件是：电压源UBB通过电阻RB提供给发射结正向偏置；而电压源UCC通过电阻RC加到集电极，使集电结处于反向偏置。第二节半导体三极管因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区因基区薄且多子浓度低，使极少数扩散到基区的电子与空穴复合因集电区面积大，在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区扩散运动形成发射极电流IE复合运动形成基极电流IB漂移运动形成集电极电流IC第二节半导体三极管NPN三极管电流方向及各电流的关系ICICEICBOIBIBEIE共射电流放大系数表示晶体管的电流放大作用。（共射形式）第二节半导体三极管结论晶体管有电流放大作用。晶体管的发射结正偏，集电结反偏时，晶体管为电流控制器件（基极电流控制集电极电流）参加导电的有自由电子和空穴，故又叫双极型晶体三极管NPNPNPNPN型与PNP型晶体管电流电压的参考方向第二节半导体三极管三、晶体管的伏安特性曲线1．输入伏安特性曲线（NPN）定义硅管

晶体管输入特性与二极管的正向特性一样，也有一段死区。只有在发射结外加电压大于死区电压时，晶体管才会出现。硅管的死区电压约为锗管的死区电压约为晶体管导通后，其发射结电压变化范围很小锗管第二节半导体三极管2．输出特性曲线定义(1)截止区外部特征：三极管相当于开路。外部（偏置）条件：发射结反向偏置，集电结反向偏置。(2)饱和区饱和区截止区外部特征：三极管相当于短路外部（偏置）条件：发射结正向偏置，集电结正向偏置。第二节半导体三极管（3）放大区饱和区放大区截止区恒流特性外部（偏置）条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置。外部特征：③电流恒定①电流放大②电流控制246iB大iC也大，iB等于0，iC也等于0－－iB控制iC电压在很大范围内变化，电流几乎不变第二节半导体三极管四、主要参数1．电流放大系数——衡量晶体管电流放大能力的重要指标直流：

交流：

在数值上2．反向电流晶体管的极间反向电流是少数载流子反向漂移形成的，因此，受温度影响比较严重，是反映管子质量的指标，极间反向电流越小，管子质量越高。(1)集电极—基极间反向饱和电流(2)集电极-发射极间穿透电流第二章半导体器件

第二节半导体三极管3．极限参数(3)集电极最大允许耗散功率PCM(1)集电极最大允许电流ICM(2)集电极发射极反向击穿电压BU(BR)CEO过损耗区就是晶体管正常工作时，其工作电压、工作电流和耗散功率的最大允许值。五、晶体管电极的判别PNP第二章半导体器件

第二节半导体三极管NPN1．数字式万用表量程置于欧姆档时,“+”端——红表笔输出电压的极性为正极,而“-”端——黑表笔输出电压的极性为负极。2．基极可以视为发射结和集电结两个PN结的公共电极。以基极固定于某一测试表笔，而将另一表笔分别和另两个电极相连。当测得电阻阻值很低时，表示两个结均被加上正向电压，反之，被加上反向电压。3．三极管处于放大状态的β值，远比处于倒置（C、E极互换）状态的β值大。测量要点(以下对数字式万用表而言，指针式万用表的电压极性与之相反)第二章半导体器件

第二节半导体三极管1.确定基极：将红表笔和黑表笔先后固定到三极管的某条引腿。若(指针式表用×1k档，数字式表用测二极管挡)测得该腿和另两条腿之间有低欧姆电阻，则该引腿即为基极，如果连基极的表笔为黑色，则该管为PNP管，若为红色，则该管为NPN管。测量步骤2.确定集电极和发射极：对NPN管，将红、黑表笔分别和待判别的两个电极相连接，在红表笔所连电极和已判明的基极之间接—个10kΩ左右的电阻，意味着加一偏流，观察电表指示欧姆值的大小，在调换表笔的两次测量中，加偏流后电表指示欧姆值小，则意味着此种连接情况下的β值大，红表笔所接电极为集电极。对PNP管，方法与上述相似，只是偏流电阻接于黑表笔所接电极和已判明的基极引腿之间。第二章半导体器件

第三节晶闸管一、基本结构阳极A阴极K门极（控制极）G结构示意图符号第二章半导体器件

第三节晶闸管二、工作原理(1)A、K之间加反向电压，门极开路J2正偏，J1、J3反偏，V1不导通，晶闸管处于截止状态(2)A、K之间加正向电压，门极开路UAKUAKJ1、J3正偏，J2反偏，V1不导通，晶闸管处于截止状态第二章半导体器件

第三节晶闸管IGβ2β1IGβ1IGIB1J1、J2、J3均正偏，V1、V2导通如此循环，形成正反馈，使V1、V2很快达到饱和导通，此过程时间很短，只有几微秒，晶闸管迅速导通。导通后，A、K间压降很小，电压全部加在负载上。晶闸管中流过的电流与负载电流相同。UGKIG=IB1V1放大IC1=β1IB1=β1IG=IB2V2放大IC2=β2IB2=β2β1IG=IB1（3）A、K之间加正向电压，G、K之间加正向电压UAK第二章半导体器件

第三节晶闸管（5）晶闸管的关断2.使阳极电流iA小于维持电流IH，即iA<IH，晶闸管将截止。称之为正向阻断；3.A、K极之间加反向电压，令uAK≤0，晶闸管则处于截止状态，称之为反向阻断。（4）控制极的作用晶闸管导通后，由于前面正反馈的作用，即使UGK≤0仍能保持继续导通，因此，门极仅仅是触发晶闸管使其导通，导通之后，门极就失去控制作用。一般门极采用脉冲信号——触发信号。1.将阳极电源断开；晶闸管导通条件：1.阳极A和阴极K之间加正向电压2.控制极G和阴极K之间加正向电压3.阳极电流大于擎住电流可见晶闸管是一个可控的导电开关；它与二极管相比，不同之处是其正向导通受控制极电流控制。晶闸管关断条件：1.A、K极之间加反向电压；2.iA<IH。结论：第二章半导体器件

第三节晶闸管三、伏安特性导通后的特性ILIHUBRUBO未导通的特性IG=0特性IG>0特性ABCD正向转折电压维持电流擎住电流反向击穿电压第二章半导体器件

第三节晶闸管四、主要参数在控制极开路、元件额定结温、晶闸管正向阻断的条件下，可以重复加在晶闸管两端的正向峰值电压(允许每秒重复50次，每次持续时间不大于10ms)，此电压为正向转折电压的80%。1．正向断态重复峰值电压UFRM在控制极开路、元件额定结温条件下，阳极和阴极间允许重复加的反向峰值电压，此电压为反向转折电压的80%。2．反向重复峰值电压URRM3．正向平均电流IF在规定的环境温度，标准散热及全导通的条件下，晶闸管允许连续通过的工频正弦半波电流在一个周期内的平均值，称正向平均电流（又称额定通态平均电流）。电流有效值选择晶闸管的依据第二章半导体器件

第三节晶闸管4．通态平均电压UF在规定的环境温度和控制极开路时，维持晶闸管继续导通的最小电流。当晶闸管的正向电流小于这个电流时，将自动关断。在规定条件下当通过正弦半波额定通态平均电流时，元件阳极和阴极间电压降的平均值。其数值一般为0.6~1V。5．维持电流IH6．擎住电流IL使晶闸管刚从断态转入通态并在去掉触发信号之后，能维持导通所需要的最小电流。一般IL=(2~4IH)。7．控制极触发电压UG和触发电流IG。在规定的环境温度，晶闸管阳极与阴极之间加6V正向直流电压的条件下，使晶闸管由阻断状态转变为导通状态的控制极最小直流电压和电流，称触发电压和触发电流。第二章