《电工与电子技术基础（第四版）》 课件 第四章 半导体器件

第四章半导体器件235§4-2晶体三极管§4-1晶体二极管§4-3场效应管§4-1晶体二极管237在日常生活和生产中经常会用到交通信号灯、路由器指示灯、计算机测试卡等，这些产品都离不开晶体二极管，如图所示。晶体二极管也称半导体二极管，简称二极管，是电子电路中最基本的半导体器件。它的用途广泛，可用来产生、控制、接收、变换信号和进行能量转换等。238晶体二极管在实际中的应用一、二极管的结构和符号二极管是由半导体材料硅（Si）、锗（Ge）及其化合物制成的器件。半导体材料是指导电性能介于导体和绝缘体之间的物质，常见的有硅和锗。不加杂质的半导体称为本征半导体，在本征半导体中加入不同杂质，能形成P型半导体和N型半导体。二极管是在硅或者锗单晶基片上加工出P型区和N型区，从P型区引出二极管的正极，从N型区引出二极管的负极，两个区域之间有个结合部，它是一个特殊的薄层，称为PN结。二极管的内部其实就是一个用硅或者锗材料制造的PN结，二极管的结构和图形符号如图所示，正极用符号“A”表示，负极用符号“K”表示。239240二极管的结构和图形符号a）二极管的结构b）二极管的图形符号二、二极管的工作特点及主要参数1.二极管的工作特点（1）二极管的单向导电性二极管的导电性能可以用如图所示的实验来说明。把二极管V、可调直流稳压电源E、开关SA、限流电阻R和指示灯HL按照下图a用导线连接后，闭合开关观察指示灯的状态是亮还是不亮。然后把二极管的正负极对调，如图b所示，闭合开关后，再观察指示灯的状态是亮还是不亮。241242二极管的导电性能实验a）二极管正向导通状态b）二极管反向截止状态（2）二极管的伏安特性曲线1）正向特性。二极管正极电位高于负极电位，称为正向偏置（简称正偏）。如图所示，在起始阶段Oa段，外加正向电压很小，二极管呈现很大的电阻，正向电流很小，二极管几乎不导通。将这个正向电压很小的范围称为死区，相应的电压称为死区电压。使二极管开始导通的临界电压称为开启电压或门坎电压，通常用Uon表示，硅管的开启电压Uon约为0.5V，而锗管的开启电压Uon约为0.1～0.2V。243244二极管的伏安特性曲线2）反向特性。二极管正极电位低于负极电位，称为反向偏置（简称反偏）。在反向起始的一段范围内（Oc），只有很小的反向电流，称为反向饱和电流或反向漏电流，Oc段称为截止区。对于小功率硅管，反向电流为零点几微安，锗管的反向电流为十几微安。在实际应用中，反向电流越小，二极管的质量越好。2452.二极管的主要参数（1）最大整流电流IFM最大整流电流是指二极管长期运行时允许通过的最大正向平均电流。实际工作时二极管的正向平均电流不得超过此值，否则二极管可能会因过热而损坏。（2）最高反向工作电压URM最高反向工作电压是指二极管正常工作时所允许外加的最高反向电压。若二极管两端电压超过此值，有可能导致二极管反向击穿。246（3）反向电流IR反向电流是指在规定的反向电压（<UBR）和环境温度下的反向电流。此值越小，二极管的单向导电性能越好，工作越稳定。IR对温度很敏感，使用时应注意环境温度不宜过高。其中最大整流电流IFM、最高反向工作电压URM两个参数是选用二极管的两个重要依据。247三、二极管的分类二极管除以材料不同分成硅二极管和锗二极管外，还有其他常用的分类，见下表。248二极管的其他分类249二极管的其他分类250二极管的其他分类§4-2晶体三极管251如图a所示为扩音机实物图，其工作原理示意图如图b所示，传声器（麦克风）将声音信号转换成微弱的电信号，经放大电路放大后，变为大功率的电信号，驱动扬声器（喇叭），发出较大的声音信号。放大电路的核心元件（即放大元件）主要是半导体三极管和场效应管等。半导体三极管又叫晶体三极管，它是电子电路的重要元件之一，它的应用比二极管更为广泛，如信号的放大、负载的驱动、开关控制等。252扩音机实物及工作原理示意图a）扩音机实物图b）扩音机工作原理示意图一、三极管的结构和外观识别1.三极管的结构三极管是一个三层结构、内部具有两个PN结的器件，它的中间层称为基区，基区的两边分别称为发射区和集电区，三极管的发射区和集电区是同类型的半导体，所以三极管有两种半导体类型。如图所示，三极管在基区与发射区、基区和集电区之间分别形成两个PN结，发射区与基区之间的PN结称为发射结，而集电区与基区之间的PN结称为集电结，三个区引出的电极分别称为基极B（b）、发射极E（e）和集电极C（c）。注意三极管符号中发射极的箭头表示发射结加正向电压时的电流方向，三极管的文字符号为V或VT。253254三极管的结构和图形符号a）NPN型三极管结构和图形符号b）PNP型三极管结构和图形符号2.三极管的外观识别三极管三个引脚的排列有一定的规律，根据这一规律可以非常方便地识别引脚极性。下表中列出了常见三极管的引脚排列规律，供识别时参考。255常见三极管的引脚排列规律256常见三极管的引脚排列规律二、三极管的分类按照半导体材料不同，三极管分为硅管和锗管。按照工作频率不同，三极管分为高频管（工作频率不小于3MHz）和低频管（工作频率小于3MHz）。按照功率不同，三极管分为小功率管（耗散功率小于1W）和大功率管（耗散功率不小于1W）。按照用途不同，三极管分为普通放大三极管和开关三极管。按照安装方式不同，三极管分为插件三极管和贴片三极管。常用三极管的外形如图所示。257258常用三极管的外形a）低频三极管b）高频三极管c）小功率三极管d）大功率三极管e）开关三极管f）贴片三极管三、三极管的工作特点1.三极管的电流分配关系三极管的电流分配关系如图所示。根据基尔霍夫电流定律，三极管的发射极电流等于集电极电流与基极电流之和，即IE=IC+IB。由于基极电流很小，所以集电极电流与发射极电流近似相等，即IC≈IE。259三极管的电流分配关系a）NPN型b）PNP型2.三极管的电流放大作用三极管集电极直流电流IC与相应的基极直流电流IB之间的比值几乎是固定不变的，称为共发射极直流电流放大系数，用

表示，

。三极管集电极电流变化量ΔIC与相应的基极电流变化量ΔIB的比值也几乎是固定不变的，称为共发射极交流电流放大系数，用β表示，β=

。在一般情况下，同一只三极管的

比β略小，实际应用中并不严格区分。2603.三极管的伏安特性曲线（1）三极管的输入特性曲线三极管的输入特性是指基极电流IB与发射结电压UBE之间的关系，与二极管的U—I特性曲线十分相似。261三极管的输入特性曲线（2）三极管的输出特性曲线三极管的输出特性曲线是指集电极电流IC与电压UCE之间的关系，是在基极电流IB一定的情况下测试出来的，如图所示。262三极管的输出特性曲线四、三极管的主要参数1.共射电流放大系数ββ值是表征三极管电流放大作用的最主要的参数，一般为20～200，β值太大时，工作性能不稳定，通常选用β值为60～100。2.极限参数（1）集电极最大允许电流ICM集电极电流过大时，三极管的β值会降低，一般规定β值下降到正常值的2/3时的集电极电流为最大允许电流。263（2）集电极—发射极反向击穿电压U（BR）CEO集电极—发射极反向击穿电压是指基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压。（3）集电极最大允许耗散功率PCM集电极电流IC流过集电结时会消耗功率而产生热量，使三极管温度升高。264§4-3场效应管265场效应晶体管简称场效应管，它和晶体三极管一样可作为放大和开关元件使用，但晶体三极管是电流控制型器件，而场效应管属于电压控制型器件。场效应管按结构分为结型（JFET）和绝缘栅型（MOSFET）两大类。常见的场效应管外形如图所示。266常见的场效应管外形一、结型场效应管1.结型场效应管的结构结型场效应管有N沟道和P沟道两种，其结构示意图和图形符号如图所示，在N型或P型半导体基片的两侧制作两个PN结，从上面各引出一个电极，将两侧的电极连在一起，称为栅极G，在基片两端各引出两个电极，分别称为漏极D和源极S，D与S之间的N型区或P型区称为导电沟道，结型场效应管的文字符号为V，图中箭头由P区指向N区。267268结型场效应管的结构示意图和图形符号a）N沟道场效应管b）P沟道场效应管2.结型场效应管的电压控制作用以N沟道结型场效应管为例，如图a所示，将栅极和源极连在一起（UGS=0），在漏极和源极之间加上一定的电压UDS，在UDS的作用下，形成一定的电流ID，这种UGS=0、ID≠0的工作方式称为耗尽型。当漏源电压UDS一定时，如果栅极负电压增大，则漏、源极之间导电的沟道越窄，漏极电流ID

越小；反之，如果栅极负电压减小，则沟道变宽，ID变大。当栅极负电压的绝对值│UGS│增大到一定值时，沟道会完全合拢（消失），ID=0。使导电沟道完全合拢所需要的栅源电压UGS称为夹断电压UP。269270栅源电压对沟道的控制作用a）UGS=0b）UGS<0二、绝缘栅型场效应管目前应用最广泛的绝缘栅型场效应管由金属、氧化物和半导体组成，所以又称为金属—氧化物—半导体场效应管，简称MOS场效应管。它也有N沟道和P沟道两类，其中每一类又可分为增强型和耗尽型两种，其图形符号如图所示。271绝缘栅型场效应管的图形符号a）N沟道场效应管图形符号b）P沟道场效应管图形符号如图所示为N沟道MOS管的结构示意图，它是在一块杂质浓度较低的P型半导体衬底上再制作两个高浓度的N型区，并分别将它们作为源极S和漏极D，然后，在衬底的表面制作一层SiO2绝缘层，并在上面引出一个电极作为栅极G。由于栅极与其他电极绝缘，所以称为绝缘栅型场效应管。耗尽型绝缘栅场效应管的电压控制作用和结型场效应管的电压控制作用大致相同，所以此处只分析N沟道增强型绝缘栅型场效应管的电压控制作用。272273N沟道MOS管的结构示意图a）UGS=0时导电沟道未形成b）UGS=UT时导电沟道形成三、场效应管的主要参数1.夹断电压UP当UDS为某一定值（测试条件）时，对于结型场效应管和耗尽型MOS管，UP为ID减小到近似为零（1μA、10μA）时的栅源极电压UGS值。2.开启电压UT当UGS为某一定值（测试条件）时，增强型MOS管开始导通时的UGS就为UT。2743.饱和漏极电流IDSS对结型场效应管和耗尽型MOS管来说，栅源极电压UGS=0时的漏极电流为IDSS，它反映了场效应管输出的最大漏极电流。4.最大漏源击穿电压U（BR）DS它是指漏极与源极之间的最大反向击穿电压，即当ID急剧上升时的UDS值。5.跨导gm当UDS为某一定值（测试条件）时，ID的微小变化量与UGS的微小变化量之比，即gm=

。gm反映了栅源极电压对漏极电流的控制能力。275四、场效应管的使用及注意事项1.在使用场效应管时，要注意电压极性，电压