第6章常用半導(dǎo)體元器件課件

第六章常用半導(dǎo)體元器件

第一節(jié)半導(dǎo)體二極管

第二節(jié)晶體管

第三節(jié)場(chǎng)效應(yīng)管

返回主目錄半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體。常用的半導(dǎo)體有硅、鍺等。本征半導(dǎo)體一種完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體本征半導(dǎo)體雖有大量的價(jià)電子，但沒有自由電子，此時(shí)半導(dǎo)體是不導(dǎo)電的。第一節(jié)半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體的基本知識(shí)

雜質(zhì)半導(dǎo)體—N型半導(dǎo)體N型+5+4+4+4+4+4磷原子自由電子載流子數(shù)

電子數(shù)多數(shù)載流子少數(shù)載流子正離子半導(dǎo)體的基本知識(shí)

雜質(zhì)半導(dǎo)體—Ｐ型半導(dǎo)體負(fù)離子多數(shù)載流子少數(shù)載流子+3+4+4+4+4+4載流子數(shù)

空穴數(shù)硼原子空穴P型半導(dǎo)體的基本知識(shí)

一、PN結(jié)的形成內(nèi)建電場(chǎng)P型N型PN結(jié)空間電荷區(qū)

PN結(jié)的單向?qū)щ娦酝饧诱螂妷赫珜?dǎo)通，呈低阻狀態(tài)，電流較大P區(qū)N區(qū)內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)IF

PN結(jié)的單向?qū)щ娦酝饧臃聪螂妷悍雌刂?，呈高阻狀態(tài)，電流近似為零P

區(qū)N

區(qū)內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)IRＰＮ結(jié)具有單向?qū)щ娦哉涸冢校谓Y(jié)上加正向電壓時(shí)，ＰＮ結(jié)電阻很低，正向電流較大，ＰＮ結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。反偏：加反向電壓時(shí)，ＰＮ結(jié)電阻很高，反向電流很小，ＰＮ結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。二、二極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)半導(dǎo)體二極管，其結(jié)構(gòu)與圖形符號(hào)如圖6-1，常見外形如圖6-2。PN(陽極)外殼陰極引線陽極引線+-+-(陽極)(陰極)(陰極)a)b)VD圖6-1二極管的結(jié)構(gòu)與圖形符號(hào)結(jié)構(gòu)圖形符號(hào)圖6-2常見外形圖

三、二極管的伏安特性二極管的主要特性是單向?qū)щ娦?，其伏安特性曲線如圖6-3所示。（以正極到負(fù)極為參考方向）。1）外加正向電壓很小時(shí)，二極管呈現(xiàn)較大的電阻，幾乎沒有正向電流通過。曲線段（或段）稱作死區(qū)，點(diǎn)（或）的電壓稱為死區(qū)電壓，硅管的死區(qū)電壓一般為0.5V，鍺管則約為0.1V。

2）二極管的正向電壓大于死區(qū)電壓后，二極管呈現(xiàn)很小的電阻，有較大的正向電流流過，稱為二極管導(dǎo)通，如段（或）特性曲線所示，此段稱為導(dǎo)通段。從圖中可以看出：硅管電流上升曲線比鍺管更陡。二極管導(dǎo)通后的電壓為導(dǎo)通電壓，硅管一般為0.7V，鍺管約為0.3V。1．正向特性

2．反向特性1）當(dāng)二極管承受反向電壓時(shí)，其反向電阻很大，此時(shí)僅有非常小的反向電流（稱為反向飽和電流或反向漏電流），如曲線段（或段）所示。實(shí)際應(yīng)用中二極管的反向飽和電流值越小越好，硅管的反向電流比鍺管小得多，一般為幾十微安，而鍺管為幾百微安。2）當(dāng)反向電壓增加到一定數(shù)值時(shí)（如曲線中的點(diǎn)或點(diǎn)），反向電流急劇增大，這種現(xiàn)象稱為反向擊穿，此時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓稱為反向擊穿電壓，用表示，曲線中段（或段）稱為反向擊穿區(qū)。通常加在二極管上的反向電壓不允許超過擊穿電壓，否則會(huì)造成二極管的損壞（穩(wěn)壓管除外）。圖6-3二極管的伏安特性

四、二極管的主要參數(shù)（1）最大整流電流它是指二極管長期工作時(shí)所允許通過的最大正向平均電流。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，流過二極管的平均電流不能超過這個(gè)數(shù)值，否則，將導(dǎo)致二極管因過熱而永久損壞。（2）最高反向工作電壓指二極管工作時(shí)所允許加的最高反向電壓，超過此值二極管就有被反向擊穿的危險(xiǎn)。通常手冊(cè)上給出的最高反向工作電壓約為擊穿電壓的一半。（3）反向電流指二極管未被擊穿時(shí)的反向電流值。越小，說明二極管的單向?qū)щ娦阅茉胶?。?duì)溫度很敏感，溫度增加，反向電流會(huì)增加很大。五、特殊二極管

1．穩(wěn)壓二極管

穩(wěn)壓二極管簡(jiǎn)稱穩(wěn)壓管，它是一種用特殊工藝制造的面結(jié)合型硅半導(dǎo)體二極管，其圖形符號(hào)和外形封裝如圖6-4所示。圖6-4穩(wěn)壓二極管的圖形符號(hào)與外形

外形

圖形符號(hào)～范圍內(nèi)變化。穩(wěn)壓管的伏安特性曲線工作區(qū)域圖6-5穩(wěn)壓管的應(yīng)用使用時(shí)，陰極接外加電壓的正極，陽極接外加電壓負(fù)極，管子反向偏置，工作在反向擊穿狀態(tài)，利用它的反向擊穿特性穩(wěn)定直流電壓。二極管在反向擊穿狀態(tài)下，流過管子的電流變化很大，而兩端電壓變化很小，穩(wěn)壓管正是利用這一點(diǎn)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓作用的。穩(wěn)壓管工作時(shí)，必須接入限流電阻，才能使其流過的反向電流在～范圍內(nèi)變化發(fā)光二極管是一種光發(fā)射器件，能把電能直接轉(zhuǎn)換成光能的固體發(fā)光器件，它是由鎵（Ga）、砷（As）、磷（P）等化合物制成的，其圖形符號(hào)如圖6-6a所示。由這些材料構(gòu)成的ＰＮ結(jié)加上正偏電壓時(shí)，PN結(jié)便以發(fā)光的形式來釋放能量。發(fā)光二極管的種類按發(fā)光的顏色可分為紅、橙、黃、綠和紅外光二極管等多種，按外形可分為方形、圓形等。圖6-6b是發(fā)光二極管的外形，它的導(dǎo)通電壓比普通二極管高。2．發(fā)光二極管圖6-6發(fā)光二極管的圖形符號(hào)和外形圖形符號(hào)

外形

發(fā)光二極管的應(yīng)用應(yīng)用時(shí)，加正向電壓，并接入相應(yīng)的限流電阻，它的正常工作電流一般為幾個(gè)毫安至幾十毫安。發(fā)光強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)與正向電流大小近似成線性關(guān)系。發(fā)光二極管作為顯示器件，除單個(gè)使用外，也常做成七段式或矩陣式，如用作微型計(jì)算機(jī)、音響設(shè)備、數(shù)控裝置中的顯示器。發(fā)光二極管的檢測(cè)一般用萬用表R×10k(Ω)檔，通常正向電阻15kΩ左右，反向電阻為無窮大。第二節(jié)晶體管一、晶體管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)1．結(jié)構(gòu)和符號(hào)晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖如圖6-7a所示，分為NPN型管和PNP型管。為了收集發(fā)射區(qū)發(fā)射過來的載流子以及便于散熱，要求集電結(jié)面積較大，發(fā)射區(qū)多數(shù)載流子的濃度比集電區(qū)大，因此使用時(shí)集電極與發(fā)射極不能互換。晶體管的圖形符號(hào)如圖6-7b所示，符號(hào)中的箭頭方向表示發(fā)射結(jié)正向偏置時(shí)的電流方向。半導(dǎo)體三極管又稱晶體三極管或雙極型晶體管，簡(jiǎn)稱晶體管。圖6-7晶體管的結(jié)構(gòu)和圖形符號(hào)結(jié)構(gòu)圖形符號(hào)2．外形圖6-8幾種常見的晶體管的外形結(jié)構(gòu)1．晶體管的工作電壓圖6-9晶體管的工作電壓NPNPNP圖6-10晶體管電流的實(shí)驗(yàn)電路2．晶體管各個(gè)電極的電流分配實(shí)驗(yàn)電路如圖6-10所示。此電路稱為晶體管的共發(fā)射極放大電路。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晶體管電流測(cè)量數(shù)據(jù)

從表6-1中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以找出晶體管各極電流分配關(guān)系（6-1）3．晶體管的電流放大作用

從表6-1中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還可以看出：>，而且當(dāng)調(diào)節(jié)電位器RP使有一微小變化時(shí)，會(huì)引起較大的變化，這表明基極電流（小電流）控制著集電極電流（大電流），所以晶體管是一個(gè)電流控制器件，這種現(xiàn)象稱為晶體管的電流放大作用。三、晶體管的特性曲線

1．輸入特性曲線圖6-11輸入特性曲線2.輸出特性曲線（圖6-12）（1）截止區(qū)發(fā)射結(jié)零偏或反偏，集電結(jié)也反向偏置。（2）放大區(qū)發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置。與成正比關(guān)系。（3）飽和區(qū)發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均處于正向偏置。晶體管失去放大作用，處于“飽和”狀態(tài)。稱為晶體管的飽和壓降，此值很小，約為0.3V。

（4）擊穿區(qū)當(dāng)大于某一值后，開始劇增，這個(gè)現(xiàn)象稱為一次擊穿。一次擊穿過程是可逆的。晶體管具有“開關(guān)”和“放大”功能。圖6-12輸出特性曲線四、晶體管的主要參數(shù)1．電流放大倍數(shù)（1）共發(fā)射極直流電流放大倍數(shù)靜態(tài)時(shí)與的比值稱為共發(fā)射極靜態(tài)電流放大倍數(shù)，即直流電流放大倍數(shù)（6-2）（2）共發(fā)射極交流電流放大倍數(shù)（）動(dòng)態(tài)時(shí)，Δ與的比值稱為動(dòng)態(tài)電流放大倍數(shù)，即交流電流放大倍數(shù)（6-3）估算時(shí)，。2．極間反向電流（1）集電極—基極反向飽和電流是晶體管的發(fā)射極開路時(shí)，集電極和基極間的反向漏電流，又叫反向飽和電流，小功率硅管的小于1μA，鍺管的約10μA。的測(cè)量電路如圖6-13a所示。（2）穿透電流為基極開路時(shí)，由集電區(qū)穿過基區(qū)流入發(fā)射區(qū)的穿透電流，它是的（1+）倍，即（6-4）而集電極電流為（6-5）的測(cè)量電路如圖6-13b所示。圖6-13極間反向電流的測(cè)量電路的測(cè)量電路的測(cè)量電路3．極限參數(shù)（1）集電極最大允許電流當(dāng)值下降到正常值的三分之二時(shí)的集電極電流，稱為。使用時(shí)，超過時(shí)晶體管并不一定會(huì)損壞，但值將降低。（2）集電極－發(fā)射極反向擊穿電壓指基極開路時(shí)，加于集電極與發(fā)射極間的反向擊穿電壓，一般為幾十伏至幾百伏以上。（3）發(fā)射極－基極反向擊穿電壓指集電極開路時(shí)，允許加在發(fā)射極－基極之間的最高反向電壓，一般為幾伏至幾十伏。（4）集電極最大允許功耗使用中應(yīng)使<允許管耗線，如圖6-14所示。圖6-14晶體管的安全工作區(qū)第三節(jié)場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)晶體管，簡(jiǎn)稱場(chǎng)效應(yīng)管。場(chǎng)效應(yīng)管和晶體管的特點(diǎn)：場(chǎng)效應(yīng)管是一種電壓控制型器件。而晶體管是一種電流控制型器件。優(yōu)點(diǎn)：具有很高的輸入電阻、熱穩(wěn)定性好、低噪聲、抗輻射能力強(qiáng)、制造工藝簡(jiǎn)單、便于集成等。分類：場(chǎng)效應(yīng)管可分為結(jié)型和絕緣柵型兩類，其中絕緣柵型（簡(jiǎn)稱MOS管）應(yīng)用更廣泛。一、絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)及符號(hào)MOS管：絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管是由金屬、氧化物和半導(dǎo)體組成，因此又稱為金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管，簡(jiǎn)稱MOS管。MOS管的分類：可分為增強(qiáng)型與耗盡型兩種類型，每一種又分為N溝道和P溝道，即NMOS管和PMOS管。增強(qiáng)型MOS管：圖6-15為N溝道增強(qiáng)型MOS管結(jié)構(gòu)示意圖和圖形符號(hào)，箭頭向內(nèi)表示N溝道。導(dǎo)電溝道的特點(diǎn)是原先沒有導(dǎo)電溝道，在外電場(chǎng)的作用下才形成了導(dǎo)電溝道。耗盡型MOS管：

圖6-16為N溝道耗盡型MOS的結(jié)構(gòu)示意圖和圖形符號(hào)。導(dǎo)電溝道的特點(diǎn)是在制造時(shí)就有一個(gè)原始導(dǎo)電溝道。若是P溝道，則箭頭朝外。圖6-15N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管a)結(jié)構(gòu)b)圖形符號(hào)結(jié)構(gòu)圖形符號(hào)圖6-16N溝道耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)圖形符號(hào)二、絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的特性1．N溝道增強(qiáng)型MOS管特性（6-6）（1）轉(zhuǎn)移特性圖6-17a為某增強(qiáng)型NMOS管的轉(zhuǎn)移特性曲線。當(dāng)<時(shí)，，這相當(dāng)于晶體管輸入特性曲線的死區(qū)；當(dāng)=時(shí)，導(dǎo)電溝道開始形成，隨著的增大，也增大，這說明開始受到的控制，它們之間的關(guān)系如下：式中，是時(shí)的（mA），稱為NMOS管的開啟電壓（V）。圖6-17增強(qiáng)型NMOS管的特性曲線轉(zhuǎn)移特性輸出特性（2）輸出特性圖6-17b為某增強(qiáng)型NMOS管的輸出特性曲線。3）截止區(qū)當(dāng)<時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管工作在截止區(qū)，此時(shí)，漏極電流極小，幾乎不隨變化。注意：

較大時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管的會(huì)急劇增大，如無限流措施，管子將被損壞，該區(qū)域叫擊穿區(qū)，此時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管已不能正常工作。1）可變電阻區(qū)在該區(qū)域，越大，溝道電阻越小，故曲線越陡。在這個(gè)區(qū)域中，溝道電阻由決定，故稱可變電阻區(qū)。2）恒流區(qū)（飽和區(qū)）該區(qū)的特點(diǎn)是已趨于飽和，具有恒流性質(zhì)，所以又稱飽和區(qū)。但受的控制。增大，溝道電阻減小，隨之增加。2．N溝道耗盡型MOS管特性在≤≤0時(shí)，耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性可近似表示為為常數(shù)時(shí)，當(dāng)時(shí)，漏、源極間已經(jīng)導(dǎo)通，流過的是原始導(dǎo)電溝道的漏極電流。當(dāng)<0時(shí)，導(dǎo)電溝道變窄，減小；當(dāng)達(dá)到一定負(fù)值時(shí)，導(dǎo)電溝道被夾斷≈0，這時(shí)的稱為夾斷電壓，用表示。圖6-18a、b分別為N溝道耗盡型管的轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線?？梢?，耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管柵－源電壓可正可負(fù)可零，一般情況下，這類管子工作在負(fù)柵－源電壓的狀態(tài)。（6-7）式中，為的漏極電流，為夾斷電壓。圖6-18耗盡型NMOS管特性

夾斷電壓三、場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)（1）開啟電壓或夾斷電壓當(dāng)為某固定值時(shí)，使漏極電流接近零時(shí)的柵—源電壓即為開啟電壓（增強(qiáng)型）或夾斷電壓