第6章 常用半导体元器件及应用

第六章

常用半导体元件及应用

第一节半导体二极管及应用

第二节半导体晶体管及应用

第三节场效应晶体管及应用

返回主目录半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体。常用的半导体有硅、锗等。本征半导体一种完全纯净的、结构完整的半导体晶体本征半导体虽有大量的价电子，但没有自由电子，此时半导体是不导电的。第一节半导体二极管及应用一、PN结的形成半导体的基本知识

杂质半导体—N型半导体N型+5+4+4+4+4+4磷原子自由电子载流子数

电子数多数载流子少数载流子正离子半导体的基本知识

杂质半导体—Ｐ型半导体负离子多数载流子少数载流子+3+4+4+4+4+4载流子数

空穴数硼原子空穴P型半导体的基本知识

一、PN结的形成内建电场P型N型PN结空间电荷区

PN结的单向导电性外加正向电压正偏导通，呈低阻状态，电流较大P区N区内电场外电场IF

PN结的单向导电性外加反向电压反偏截止，呈高阻状态，电流近似为零P

区N

区内电场外电场IRＰＮ结具有单向导电性正偏：在ＰＮ结上加正向电压时，ＰＮ结电阻很低，正向电流较大，ＰＮ结处于导通状态。反偏：加反向电压时，ＰＮ结电阻很高，反向电流很小，ＰＮ结处于截止状态。二、二极管的结构和符号图6-1常见二极管外形图

PN(阳极)外壳阴极引线阳极引线+-+-(阳极)(阴极)(阴极)a)b)VD图6-2二极管的结构与图形符号结构图形符号三、二极管的伏安特性二极管的主要特性是单向导电性，其伏安特性曲线如图6-3所示。（以正极到负极为参考方向）。

1）外加正向电压很小时，二极管呈现较大的电阻，几乎没有正向电流通过。曲线段（或段）称作死区，点（或）的电压称为死区电压，硅管的死区电压一般为0.5V，锗管则约为0.1V。

2）二极管的正向电压大于死区电压后，二极管呈现很小的电阻，有较大的正向电流流过，称为二极管导通，如段（或）特性曲线所示，此段称为导通段。从图中可以看出：硅管电流上升曲线比锗管更陡。二极管导通后的电压为导通电压，硅管一般为0.7V，锗管约为0.3V。1．正向特性

2．反向特性1）当二极管承受反向电压时，其反向电阻很大，此时仅有非常小的反向电流（称为反向饱和电流或反向漏电流），如曲线段（或段）所示。实际应用中二极管的反向饱和电流值越小越好，硅管的反向电流比锗管小得多，一般为几十微安，而锗管为几百微安。2）当反向电压增加到一定数值时（如曲线中的点或点），反向电流急剧增大，这种现象称为反向击穿，此时对应的电压称为反向击穿电压，用表示，曲线中段（或段）称为反向击穿区。通常加在二极管上的反向电压不允许超过击穿电压，否则会造成二极管的损坏（稳压管除外）。图6-3二极管的伏安特性

四、二极管的主要参数（1）最大整流电流它是指二极管长期工作时所允许通过的最大正向平均电流。实际应用时，流过二极管的平均电流不能超过这个数值，否则，将导致二极管因过热而永久损坏。（2）最高反向工作电压指二极管工作时所允许加的最高反向电压，超过此值二极管就有被反向击穿的危险。通常手册上给出的最高反向工作电压约为击穿电压的一半。（3）反向电流指二极管未被击穿时的反向电流值。越小，说明二极管的单向导电性能越好。对温度很敏感，温度增加，反向电流会增加很大。五、特殊二极管

1．稳压二极管

稳压二极管简称稳压管，它是一种用特殊工艺制造的面结合型硅半导体二极管，其图形符号和外形封装如图6-4所示。图6-4稳压二极管的图形符号与外形

外形

图形符号～范围内变化。稳压管的伏安特性曲线工作区域图6-5稳压管的应用使用时，阴极接外加电压的正极，阳极接外加电压负极，管子反向偏置，工作在反向击穿状态，利用它的反向击穿特性稳定直流电压。二极管在反向击穿状态下，流过管子的电流变化很大，而两端电压变化很小，稳压管正是利用这一点实现稳压作用的。稳压管工作时，必须接入限流电阻，才能使其流过的反向电流在～范围内变化发光二极管是一种光发射器件，能把电能直接转换成光能的固体发光器件，它是由镓（Ga）、砷（As）、磷（P）等化合物制成的，其图形符号如图6-6a所示。由这些材料构成的ＰＮ结加上正偏电压时，PN结便以发光的形式来释放能量。发光二极管的种类按发光的颜色可分为红、橙、黄、绿和红外光二极管等多种，按外形可分为方形、圆形等。图6-6b是发光二极管的外形，它的导通电压比普通二极管高。2．发光二极管图6-6发光二极管的图形符号和外形图形符号

外形

发光二极管的应用应用时，加正向电压，并接入相应的限流电阻，它的正常工作电流一般为几个毫安至几十毫安。发光强度在一定范围内与正向电流大小近似成线性关系。发光二极管作为显示器件，除单个使用外，也常做成七段式或矩阵式，如用作微型计算机、音响设备、数控装置中的显示器。发光二极管的检测一般用万用表R×10k(Ω)档，通常正向电阻15kΩ左右，反向电阻为无穷大。1、单相半波整流电路图6－10是单相半波整流电路，该电路由电源变压器T、整流二极管VD及负载电阻RL组成。六、二极管整流电路图6－10在u2的负半周，二极管因承受反向电压而截止，

uo=0。

1．整流原理

u2的正半周，二极管因承受正向电压而导通，忽略二极管正向压降，

uo=u2。设u2=U2sinωt图6－112．负载电压及电流直流脉动电压：整流电压方向不变，但大小变化。平均电压Uo：一个周期的平均值Uo表示直流电压的大小。电阻性负载的平均电流为Io，即

(6－1)

(6－2)3．选用二极管的原则为了安全地使用二极管，选用二极管必须满足以下原则：

IFM≥IV

URM≥UVM在交流电压的负半周，二极管截止，u2电压全部加在二极管上，二极管所承受的最高反向电压UVM为u2的峰值，即UVM=U2

。

二极管导通时的电流为负载电流，所以二极管平均电流IV=Io。2、单相桥式整流电路单相桥式整流电路是由四个二极管接成电桥的形式构成。图6－12单相桥式整流电路常用画法简化画法(2)整流原理

u2

正半周，

u2的实际极性为

a正b负，二极管

VD1

和VD3导通，VD2

、VD4截止，uo=u2，如图6－13a所示。波形如图6－14b中的0～π段。图6－13单相桥式整流原理图6－13单相桥式整流原理

u2的负半周，u2实际极性为

a负b正，二极管VD2

、VD4导通，VD1

、VD3截止，uo=-u2。如图6－13b所示。波形如图9－14b中的π～2π段。图6－14单相桥式整流波形(3)．负载电压和电流

全波整流电路的整流电压的平均值Uo比半波整流增加一倍，即

Io=0.9Uo=2×0.45U2=0.9U2(6－5)(6－6)选用二极管的原则二极管截止时所承受的反向电压在图6－14所示电路中可以看出。若VD1、VD3

两只二极管导通时，就将u2加到了二极管VD2、VD4的两端，使这两只二极管因承受反向电压而截止，波形如图6－14d所示，即二极管承受的最高反向电压UDM=U2

IFM≥IV

URM≥UVM

从图6－12可知，每只二极管只在半个周期内导通，所以在一个周期内流过每个管子的平均电流只有负载电流的一半，即IV=Io/2。二极管的选择原则：第二节半导体晶体管及应用一、晶体管的外形、结构和符号1．外形半导体三极管又称晶体三极管或双极型晶体管，简称晶体管。图6-15几种常见晶体管的外形和封装晶体管的结构示意图如图6-16a所示，分为NPN型管和PNP型管。为了收集发射区发射过来的载流子以及便于散热，要求集电结面积较大，发射区多数载流子的浓度比集电区大，因此使用时集电极与发射极不能互换。晶体管的图形符号如图6-16b所示，符号中的箭头方向表示发射结正向偏置时的电流方向。图6-16晶体管的结构和图形符号结构图形符号a）PNP型b）NPN型1．晶体管的工作电压图6-17晶体管的工作电压NPNPNP二、晶体管电流分配关系和放大作用图6-18晶体管演示实验2．晶体管各个电极的电流分配实验电路如图6-18所示。此电路称为晶体管的共发射极放大电路。4.053.182.361.540.72<0.01

/mA3.953.102.301.500.70<0.01

/mA0.100.080.060.040.020

/mA表6-1晶体管电流测量数据

从表6-1中的实验数据可以找出晶体管各极电流分配关系（6-9）3．晶体管的电流放大作用

从表6-1中的实验数据还可以看出：>，而且当调节电位器RP使有一微小变化时，会引起较大的变化，这表明基极电流（小电流）控制着集电极电流（大电流），所以晶体管是一个电流控制器件，这种现象称为晶体管的电流放大作用。三、晶体管的特性曲线

1．输入特性曲线图6-19输入特性曲线2.输出特性曲线（图6-20）（1）截止区发射结零偏或反偏，集电结也反向偏置。（2）放大区发射结正向偏置，集电结反向偏置。与成正比关系。（3）

饱和区

发射结和集电结均处于正向偏置。晶体管失去放大作用，处于“饱和”状态。称为晶体管的饱和压降，此值很小，约为0.3V。

（4）击穿区当大于某一值后，开始剧增，这个现象称为一次击穿。一次击穿过程是可逆的。晶体管具有“开关”和“放大”功能。图6-20输出特性曲线四、晶体管的主要参数1．电流放大倍数（1）共发射极直流电流放大倍数静态时与的比值称为共发射极静态电流放大倍数，即直流电流放大倍数（6-11）（2）共发射极交流电流放大倍数（）动态时，Δ与的比值称为动态电流放大倍数，即交流电流放大倍数（6-12）估算时，。2．极间反向电流（1）集电极—基极反向饱和电流是晶体管的发射极开路时，集电极和基极间的反向漏电流，又叫反向饱和电流，小功率硅管的小于1μA，锗管的约10μA。的测量电路如图6-21a所示。（2）穿透电流为基极开路时，由集电区穿过基区流入发射区的穿透电流，它是的（1+）倍，即的测量电路如图6-21b所示。图6-21极间反向电流的测量电路的测量电路的测量电路3．极限参数（1）集电极最大允许电流当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流，称为。使用时，超过时晶体管并不一定会损坏，但值将降低。（2）集电极－发射极反向击穿电压指基极开路时，加于集电极与发射极间的反向击穿电压，一般为几十伏至几百伏以上。（3）发射极－基极反向击穿电压指集电极开路时，允许加在发射极－基极之间的最高反向电压，一般为几伏至几十伏。（4）集电极最大允许功耗使用中应使<允许管耗线。五、

晶体管基本放大电路（1）放大器的功能放大器的功能是把微弱的电信号放大成较强的电信号。例如扩音机就是放大器的典型应用，如图6-22所示图6-22扩音机工作示意图1、放大器的基本概念如图6-23所示的简易路灯自动开关装置。图6-23简易路灯自动开关电路图6-24晶体管在电路中的三种基本连接方式放大电路的核心是晶体管，晶体管的三个电极可分别作为输入信号和输出信号的公共端，所以就有共发射极、共集电极和共基极三种接法，如图6-24所示。（2）放大电路的要求1）有一定的输出功率2）具有足够的放大倍数3）失真要小4）工作要稳定（3）放大电路的电压、电流符号规定1）直流分量用大写字母和大写下标表示，如、、、、。2）交流分量用小写字母和小写下标表示，如、、、、。3）总的值（瞬时值）用小写字母和大写下标表示，如、、、、。图6-25共发射极基本放大电路

2、共射基本放大电路的工作原理（1）

各元件的作用

1）晶体管V放大电路的核心，起电流放大作用，反映晶体管的电流控制作用。

2）直流电源使晶体管的发射结正偏，集电结反偏，确保晶体管工作在放大状态。它又是整个放大电路的能量提供者。3)集电极电阻将晶体管的集电极电流变换成集电极电压（）。4）基极偏置电阻决定静态基极电流的大小。也称偏置电流，故称为偏置电阻。5）电容和①隔断直流，使静态工作点不受信号源和输出端负载的影响；②传送交流信号，电容量足够大时，容抗很小，近似为短路，故称为耦合电容。电路（2）共射基本放大电路的静态工作点放大器的工作状态：静态和动态。静态工作点Q：放大电路在静态时，晶体管各极电压和电流值（主要指、、）。动态：放大电路有交流信号输入，电路中的电压、电流随输入信号作相应变化的状态。静态：无交流信号输入时，电路中的电压、电流都不变的状态。图6-26静态工作点对波形的影响1）观察静态工作点对放大波形的影响2)不设置静态工作点，波形产生失真的原因图6-27不设置静态工作点产生失真的原因a)未设置静态工作点情况b)设置静态工作点情况图6-28放大器的电压、电流波形（3）共射极放大器的工作原理（4）静态工作点稳定的分压式偏置电路

基本共射极放大电路的特点：

优点：结构简单，电压和电流放大作用都比较大，

缺点：静态工作点不稳定。

静态工作点不稳定原因：电源电压波动、电路参数变化、晶体管老化等，但主要原因是晶体管特性参数（、β、）随温度变化造成的。

例如，当温度升高时，对于同样的，输出特性曲线将上移。严重时，将使晶体管进入饱和区而失去放大能力。实用的分压式偏置电路如图6-29。图6-29分压式偏置电路分压偏置电路的特点（1）基极电位稳定。一般很小，>>，，（6-13）（2）工作点稳定：利用发射极电阻来获得反映电流变化的信号，反馈到输入端，实现工作点的稳定。其过程为(ºC)↑→↑→↑→↓→↓→↓通常>>，所以发射极电流(6-14)式（6-13）、式(6-14)分别说明了和是稳定的，基本上不随温度而变，而且也基本上与管子的参数β无关。第三节场效应晶体管及应用场效应晶体管，简称场效应管。场效应管和晶体管的特点：场效应管是一种电压控制型器件。而晶体管是一种电流控制型器件。优点：具有很高的输入电阻、热稳定性好、低噪声、抗辐射能力强、制造工艺简单、便于集成等。分类：场效应管可分为结型和绝缘栅型两类，其中绝缘栅型（简称MOS管）应用更广泛。一、绝缘栅场效应管的结构及符号MOS管：绝缘栅型场效应管是由金属、氧化物和半导体组成，因此又称为金属氧化物半导体场效应管，简称MOS管。MOS管的分类：可分为增强型与耗尽型两种类型，每一种又分为N沟道和P沟道，即NMOS管和PMOS管。增强型MOS管：图6-30为N沟道增强型MOS管结构示意图和图形符号，箭头向内表示N沟道。图6-31为P沟道增强型MOS管结构示意图和图形符号，箭头向外表示P沟道。导电沟道的特点是原先没有导电沟道，在外电场的作用下才形成了导电沟道。耗尽型MOS管：导电沟道的特点是在制造时就有一个原始导电沟道。图形符号如图所示。图6-30N沟道增强型绝缘栅场效应管a)结构b)图形符号结构图形符号图6-31P沟道增强型绝缘栅场效应管结构图形符号耗尽型MOS管符号二、绝缘栅场效应管的特性

1．N沟道增强型MOS管特性称为NMOS管的开启电压（V）。（1）转移特性图6-32a为某增强型NMOS管的转移特性曲线。当<时，，这相当于晶体管输入特性曲线的死区；当时，导电沟道开始形成，随着的增大，也增大，这说明开始受到的控制。≥（2）输出特性图6-32b为某增强型NMOS管的输出特性曲线。3）截止区当<时，场效应管工作在截止区，此时，漏极电流极小，几乎不随变化。注意：

较大时，场效应管的会急剧增大，如无限流措施，管子将被损坏，该区域叫击穿区，此时，场效应管已不能正常工作。1）可变电阻区在该区域，越大，沟道电阻越小，故曲线越陡。在这个区域中，沟道电阻由决定，故称可变电阻区。2）恒流区（饱和区）该区的特点是已趋于饱和，具有恒流性质，所以又称饱和区。但受的控制。增大，沟道电阻减小，随之增加。图6-32增强型NMOS管的特性曲线转移特性输出特性2．N沟道耗尽型MOS管特性上述的增强型NMOS管只有当UGS＞UT时才能形成导电沟道，如果在制造时就使它具有一个原始导电沟道，这种MOS管称为耗尽型场效应管。如图6-33a、b所示是耗尽型NMOS管的特性曲线图。由曲线图可以看出，耗尽型NMOS管不论栅源电压是正是负或零，都能控制漏极电流，这个特点使它的应用具有较大的灵活性。一般情况下，这类管子还是工作在负栅源电压的状态。图6-33耗尽型NMOS管特性

夹断电压三、场效应管的主要参数（1）开启电压或夹断电压当为某固定值时，使漏极电流接近零时的栅—源电压即为开启电压（增强型）或夹断电压（耗尽型）。（2）零偏漏极电流当为某固定值时，栅—源电压为零时的漏极电流。（3）漏源击穿电压当增加，使开始剧增时的称为。使用时，不允许超过此值，否则会烧坏管子。（4）栅源击穿电压使二氧化硅绝缘层击穿时的栅—源电压叫做栅源击穿电压，一旦绝缘层被击穿将造成短路现象，使管子损坏。（6）漏极最大耗散功率