城市轨道交通电工电子技术 第2版 课件 项目五 半导体器件基础知识

项目五半导体器件基础知识课题一PN结学习导入半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的一种物体。半导体的导电能力会随温度、光照及所掺杂质不同而显著变化。以二极管和三极管为主的半导体器件是构成电子电路的主要部件，它的特点是体积小、重量轻，使用寿命长，可靠性高等等。在现代电子技术中得到了广泛的应用。本章将主要介绍PN结的原理，二极管、三极管的结构和特性，扩展介绍一部分场效应管的原理。学习目标1.知识目标：（1）了解半导体的基本知识和分类。（2）掌握PN结的形成过程和单向导电性。（3）掌握二极管的特性曲线和工作特点。（4）掌握三极管的电流分配、放大作用和三种工作状态。（5）掌握场效应管的原理和结构。2.能力目标：

（1）掌握二极管、三极管的结构和分类。（2）会根据已知条件分析三极管的类型和工作状态。（3）掌握二极管和三极管的常见参数及计算。（4）掌握绝缘栅型场效应管的特性曲线分析及参数计算。一、半导体基本知识

半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：1）热敏性：当受外界热的作用时，它的导电能力明显变化的特性。根据热敏性特点，通常可以做成热敏元件，如热敏电阻等等。2）光敏性：当受外界光的作用时，它的导电能力明显变化的特性。根据光敏性可以做成光电二极管、光敏电阻等等。

3）掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。根据这种特性可以做成二极管、三极管和场效应管等等。

一、半导体基本知识

半导体材料一般可以分为本征半导体和杂质半导体两类。1．本征半导体完全纯净的、结构完整的半导体晶体就叫做本征半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。一、半导体基本知识

2．杂质半导体在本征半导体中参入微量的杂质形成的半导体叫做杂质半导体。根据参杂元素的性质，杂质半导体分为P型（空穴型）半导体和N型（电子型）半导体。由于参杂的影响，会使半导体的导电性能发生显著的改变。（a）P型半导体

（b）N型半导体图5-2杂质半导体结构二、PN结

1．PN结的形成

在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。

PN结中存在着两种载流子的运动。一种是多子克服电场的阻力的扩散运动；另一种是少子在内电场的作用下产生的漂移运动。因此，只有当扩散运动与漂移运动达到动态平衡时，空间电荷区的宽度和内建电场才能相对稳定。

二、PN结

2．PN结的单向导电性当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。

1）PN结加正向电压PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流，PN结导通。其示意图如图5-4所示。二、PN结

2）PN结加反向电压

PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流，PN结截止。其示意图如图5-5所示。

综上所述，PN结加正向电压（正偏）时导通；加反向电压（反偏）时截止的特性，称为PN结的单向导电性。

谢谢观赏！项目五半导体器件基础知识课题二半导体二极管学习导入二极管是由半导体制成的。二极管是由一个PN结构的半导体器件，将一个PN结加上两条电极引线做成管芯，并用管壳封装而成。二极管和三极管为主的半导体器件是构成电子电路的主要部件，在生活中应用非常广泛。本节主要介绍二极管的外形、结构与符号，二极管的特性及特性曲线，扩展介绍一些特殊二极管的性能。一、二极管的外形、结构与符号

二极管的外形、内部结构示意图和符号如下图5-6所示。

（a）外形（b）内部（c）符号

图5-6二极管一、二极管的外形、结构与符号

半导体按所用半导体材料可分为硅二极管和锗二极管，，它们的正向导通电压（PN结电压）差别较大，锗管为0.2~0.3V，硅管为0.6~0.7V。；按用途分类可分为普通二极管和特殊二极管，特殊二极管主要包括稳压二极管、发光二极管、变容二极管等，通常所说的二极管是指普通二极管。按内部结构可分为点接触型、面接触型和平面型二极管三类。二、二极管的特性曲线

1．正向偏置与导通状态

二极管正向电流、电压关系实验电路如图5-7（a）所示，二极管阳极接电源正极，二极管阴极接电源负极，二极管处于正向偏置状态，根据PN结的单向导电性可知二极管内的PN结呈导通状态，电路中灯泡处于亮灯状态。下面具体分析导通过程。

图5-7二极管正向偏置导通与电流、电压的关系特性

二、二极管的特性曲线

1）二极管VD两端正向电压小于0.5V时，电路中几乎没有电流，对应的电压称为二极管的死区电压或阈值电压。死区电压的大小与二极管的材料及温度等因素有关。在室温情况下，硅管的死区电压约为0.5V，锗管约为0.2V。2）当二极管两端正向电压大于0.5V后，二极管呈现电阻很小，电路中电流迅速增加，二极管正向导通。3）随着二极管电流增大，二极管VD两端电压维持在0.6V~0.7V之间不再增加（硅管约为0.6V~0.7V，锗管约为0.2V~0.3V）。

二、二极管的特性曲线

2．反向偏置与截止状态二极管的反向电流、电压关系实验电路如图5-8（a）所示，二极管阳极接电源负极，二极管阴极接电源正极，二极管反向偏置。根据PN结的单向导电性可知二极管内的PN结呈截止状态，电路中灯泡处于灭灯状态。

图5-8二极管反向偏置截止与电流、电压关系特性二、二极管的特性曲线

1）二极管加反向电压时，当反向电压不超过一定范围，反向电流十分微小并随电压增加而基本不变。这个电流称为反向饱和电流，通常可以忽略不计。2）当反向电压增加到一定数值时，反向电流将急剧增加，称为反向击穿，此时二极管失去单向导电性，二极管损坏，这种状态属于不可逆的。此时的电压称为反向击穿电压。综上所述，二极管具有在正向电压导通，反向电压截止的特性，同PN结相同，这个特性称为二极管的单向导电性。

二、二极管的特性曲线

3．二极管的主要参数二极管的参数是选择和使用二极管的依据。主要参数有：1）最大整流电流：二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向电流。在规定的散热条件下，二极管的正向平均电流不能超过此值。：指保证二极管不被击穿所允许施加的最大反向电压。若查过此值，二极管可能会被击穿。通常URM的数值为反向击穿电压的一半。：指二极管在常温下加最大反向工作电压而未击穿时的反向电流。反向电流越小，二极最高工作频率是指允许加在二极管两端的交流电压最高频率。2）最大反向工作电压3）最大反向电流管的单相导电性能越好。它受温度影响很大，温度越高，电流数值越大。4）最高工作频率一、二极管的外形、结构与符号

4．温度对二极管伏安特性的影响二极管是温度的敏感器件，温度的变化对其伏安特性的影响主要表现为：随着温度的升高，其正向特性曲线左移，即正向压降减小；反向特性曲线下移，即反向电流增大。

综上所述，二极管的伏安特性具有以下特点：1）二极管具有单向导电性；2）二极管的伏安特性具有非线性；3）二极管的伏安特性与温度有关。三、特殊二极管

1．稳压二极管稳压管是一种特殊的面接触型硅二极管。稳压二极管是利用PN结反向击穿特性所表现出的稳压性能制成的器件。稳压二极管也称齐纳二极管或反向击穿二极管，在电路中起稳定电压作用。其击穿后的特性曲线很陡，这就说明流过稳压管的反向电流在很大范围内(从几毫安到几十甚至上百毫安)变化时，管子两端的电压基本不变，稳压管在电路中能起稳压作用，正是利用了这一特性。稳压管的反向击穿是可逆的，这一点与一般二极管不一样。只要去掉反向电压，稳压管就会恢复正常。它既具有普通二极管的单向导电特性，又可工作于反向击穿状态。

三、特殊二极管

2．发光二极管发光二极管（LED）是一种由磷化镓（GaP）等半导体材料制成的、能直接将电能转变成光能的发光显示器件。当其内部有一定电流通过时，它就会发光。图5-11是发光二极管电路符号。图5-11发光二极管的电路符号发光二极管也与普通二极管一样由PN结构成，也具有单向导电性。它广泛应用于各种电子电路、家电、仪表等设备中、作电源指示或电平指示。谢谢观赏！项目五半导体器件基础知识课题三半导体三极管学习导入本节内容将主要介绍三极管的结构和分类，介绍了三极管的放大原理，分析了三极管的特性曲线，介绍了常用参数。一、三极管的结构和分类

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。三极管的外形、内部结构示意图和符号如图5-12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。分为NPN型管和PNP型管。

（b）NPN管结构和符号

（c）PNP管结构和符号图5-12三极管

二、三极管的电流分配和放大原理

三极管放大作用可按图5-13连接电路，实验电路为共发射极放大电路。

在作用下，发射结正向偏置（即基极电位高于发射极电位）。作用下，集电结反向偏置（即集电极电位高于基极电位）。在集电极回路电源

二、三极管的电流分配和放大原理

调节电阻。将实验数据计入表格内，得到实验数据：00.020.040.060.080.10＜0.010.701.502.303.103.95＜0.010.721.542.363.184.05

二、三极管的电流分配和放大原理

1）变化（增大或减少），和都会随之相应的变化（增大或减少）。2），且。3）和的比值基本为一常数，称为三极管的电流放大系数，用字母表示。4）发射结电压在0.5V以下时，，这种情况下三极管处于截止状态。5）基极电流增加到一定数值时，就会发现集电极电流基本不随基极电流增大而增大。这种情况下三极管处于饱和状态。

三、三极管的特性曲线

三极管的特性曲线能反映三极管的性能，是分析放大电路的重要依据。三极管的特性曲线分为输入特性曲线和输出特性曲线。下面还以共发射极放大电路为例来介绍三极管的特性曲线。

1．输入特性曲线

图5-14三极管输入特性曲线输入特性是指当集电极与发射极之间的电压为某一常数时，输入回路中加在BJT基极与基极电流之间的关系曲线。与发射极之间的电压

2）放大区

三、三极管的特性曲线

2．三极管输出特性曲线图5-15三极管输出特性曲线1）截止区

发射结反偏，集电结也反向偏置。

发射结正向偏置，集电结反向偏置。

3）饱和区

发射结和集电结均处于正向偏置。

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。

四、三极管的主要参数

1．电流放大倍数1）共发射极直流电流放大倍数

2）共发射极交流电流放大倍数2．极间反向电流1）集电极—基极反向饱和电流2）集电极—发射极穿透电流3．极限参数1）集电极最大允许电流2）集电极－发射极反向击穿电压

3）发射极－基极反向击穿电压

4）集电极最大允许功耗

谢谢观赏！项目五半导体器件基础知识课题四场效应管学习导入场效应晶体管（FieldEffectTransistor缩写（FET））简称场效应管。一般的晶体管是由两种极性的载流子，即多数载流子和反极性的少数载流子参与导电，因此称为双极型晶体管，而FET仅是由多数载流子参与导电，它与双极型相反，也称为单极型晶体管。场效应管可分为结型场效应管（JFET）和绝缘栅型场效应管（MOS管）。本节将对场效应管的结构、原理进行介绍。

一、场效应管的结构

按沟道半导体材料的不同，结型和绝缘栅型各分N沟道和P沟道两种。若按导电方式来划分，场效应管又可分成耗尽型与增强型，我们称在正常情况下导通的为耗尽型场效应管，正常情况下断开的为增强性场效应管。结型场效应管均为耗尽型，绝缘栅型场效应管既有耗尽型的，也有增强型的。由于MOS管使用更广泛，发展更快，所以本课题按MOS管来展开介绍。

一、场效应管的结构

1．N沟道增强型MOS管的结构原理MOS管以一块掺杂浓度较低的P型硅片做衬底，在衬底上通过扩散工艺形成两个高掺杂的N型区，并引出两个极作为源极S和漏极D；在P型硅表面制作一层很薄的二氧化硅（SiO2）绝缘层，在二氧化硅表面再喷上一层金属铝，引出栅极G。这种场效应管栅极、源极、漏极之间都是绝缘的，所以称之为绝缘栅场效应管。如图5-16所示：.图5-16增强型MOS结构图一、场效应管的结构

绝缘栅场效应管的图形符号如图5-17（a）、(b)所示，箭头方向表示沟道类型，箭头指向管内表示为N沟道MOS管(图(a))，否则为P沟道MOS管(图(b))。图5-17增强型MOS管结构和符号一、场效应管的结构

2．N沟道耗尽型MOS管的结构原理N沟道耗尽型MOS管的结构如图5-18（a）所示，图形符号如图5-18（b）所示，同样道理，如果是P沟道的话，那么图形符号中的箭头向右即可。图5-18耗尽型MOS管的结构和符号二、MOS管的工作原理

1．N沟道增强型MOS管的工作原理

工作时栅源之间加正向电源电压，漏源之间加正向电源电压并且源极与衬底连接,衬底是电路中最低的电位点。当时，漏极与源极之间没有原始的导电沟道，漏极电流。。当时，栅极与衬底之间产生了一个垂直于半导体表面、由栅极G指向衬底的电场。二、MOS管的工作原理

当时，增大、电场增强、沟道变宽、沟道电阻减小、增大；反之，减小，沟道变窄，沟道电阻增大，减小。所以改变的大小，就可以控制沟道电阻的大小，从而达到控制电流的大小，随着的增强，导电性能也跟着增强，故称之为增强型。二、MOS管的工作原理

2．N沟道耗尽型MOS管的工作原理

N沟道耗尽型MOS管在制造时，在二氧化硅绝缘层中掺入了大量的正离子，这些正离子的存在，使得时，就有垂直电场进入半导体，并吸引自由电子到半导体的表层而形成N型导电沟道。如果在栅源之间加负电压，所产生的外电场就会削弱正离子所产生的电场，减小;反之，电流增加。故这种管子的栅源电压可以是正的，也可以是负的。改变，就可以改变沟道的宽窄，从而控制漏极电流。使得沟道变窄，电流三、特性曲线

1．N沟道增强型MOS管的特性曲线1）转移特性曲线为

其中为常数。

图5-20转移特性曲线三、特性曲线

2）输出特性曲线为其中为常数。图5-21输出特性曲线三、特性曲线

2．N沟道耗尽型MOS管的特性曲线1）转移特性曲线。

N沟道耗尽型MOS管的转移特性曲线如图5-22所示。从图中可以看出，这种MOS管可正可负，且栅源电压为零时，灵活性较大。三、特性曲线

2）输出特性曲线。N沟道耗尽型MOS管的输出特性曲线如图5-23所示，曲线可分为可变电阻区、恒流区（放大区）、截止区。图5-23输出特性曲线

谢谢观赏！项目五半导体器件基础知识项目实施任务

二极管和三极管的识别与检测

一、任务目标1.熟悉晶体二极管、三极管的外形。

2.掌握用万用表判别二极管和三极管的极性及其性能的好坏。

任务

二极管和三极管的识别与检测

序号名称型号数量1万用表VC890D1件2二极管不同类型若干3三极管不同类型若干二、器材工具任务

二极管和三极管的识别与检测

三、任务实施

1.利用万用表测试晶体二极管（1）鉴别正负极性将万用表欧姆档的量程拨到或档，图5-26实验图并将两表笔分别接到二极管的两端如图所示，即红表笔接二极管的负极，而黑表笔接二极管的正极，则二极管处于正向偏置状态，因而呈现出低电阻，此时万用表指示的电阻通常小于几千欧。反之，若将红表笔接二极管的正极，而黑表笔接二极管的负极，则二极管被反向偏置，此时万用表指示的电阻值将达几百千欧。任务

二极管和三极管的识别与检测

（2）测试性能将万用表的黑表笔接二极管正极，红表笔接二极管负极，可测得二极管的正向电阻，此电阻值一般在几千欧以下为好。通常要求二极管的正向电阻愈小愈好。将红表笔接二极管正极，黑表笔接二极管负极，可测出反向电阻。一般要求二极管的反向电阻应大于二百千欧以上。若反向电阻太小，则二极管失去单向导电作用。如果正、反向电阻都为无穷大，表明管子已断路；反之，二者都为零，表明管子短路。任务