電工電子技術(shù)與技能第3版第10章

第10章常用半導(dǎo)體器件

學(xué)習(xí)目標(biāo)【知識目標(biāo)】1.了解二極管的結(jié)構(gòu)、符號、特性和主要參數(shù)

2.了解穩(wěn)壓管、發(fā)光二極管、光電二極管及變?nèi)荻O管的實(shí)際應(yīng)用

3.了解三極管的結(jié)構(gòu)、符號、特性和主要參數(shù)

4.了解晶閘管的結(jié)構(gòu)、符號、特性【技能目標(biāo)】1.會用萬用表判別二極管的極性和好壞，并合理應(yīng)用。

2.會用萬用表判別三極管的類型、引腳及好壞。主要內(nèi)容10.1半導(dǎo)體的基本知識

10.1.1半導(dǎo)體的基本概念

10.1.2PN結(jié)及單向?qū)щ娦?0.2半導(dǎo)體二極管

10.2.1二極管的基本特征與分類

10.2.2二極管的特性

10.2.3二極管的主要參數(shù)

10.2.4特殊二極管10.3晶體管

10.3.1晶體管的基本特征與分類

10.3.2晶體管的電流放大作用

10.3.3晶體管的特性

10.3.4晶體管的主要參數(shù)10.4場效應(yīng)晶體管

10.4.1

場效應(yīng)晶體管的基本特性

10.4.2場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)和工作原理

10.4.3場效應(yīng)晶體管與晶體管的比較10.5晶閘管

10.4.1單向晶閘管的基本特征

10.4.2單向晶閘管的特性

10.4.3雙向晶閘管10.1半導(dǎo)體的基本知識10.1.1半導(dǎo)體的基本概念常見的半導(dǎo)體材料有硅(Si)、鍺(Ge)、砷化鎵等。其中硅和鍺是4價(jià)元素，原子的最外層軌道上有4個(gè)價(jià)電子。

純凈半導(dǎo)體也叫本征半導(dǎo)體，這種半導(dǎo)體只含有一種原子，且原子按一定規(guī)律整齊排列。如常用半導(dǎo)體材料硅(Si)和鍺(Ge)。在常溫下，其導(dǎo)電能力很弱;在環(huán)境溫度升高或有光照時(shí)，其導(dǎo)電能力隨之增強(qiáng)。

常常在本征半導(dǎo)體中摻人雜質(zhì)，其目的不單純是為了提高半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力，而是通過控制雜質(zhì)摻人量的多少，來控制半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力的強(qiáng)弱。

在硅本征半導(dǎo)體中，摻人微量的五價(jià)元素(磷或砷)，就形成N型半導(dǎo)體。

在硅本征半導(dǎo)體中，摻人微量的三價(jià)元素(鋼或硼)，就形成P型半導(dǎo)體。10.1.2PN結(jié)及單向?qū)щ娦?/p>

[PN結(jié)]當(dāng)把一塊P型半導(dǎo)體和一塊N型半導(dǎo)體用特殊工藝緊密結(jié)合時(shí)，在二者的交界面上會形成一個(gè)具有特殊現(xiàn)象的薄層，這個(gè)薄層被稱為PN結(jié)，如圖10-1所示。

[PN結(jié)的單向?qū)щ娦註

1)PN結(jié)加正向電壓一正向?qū)āｋ娫凑龢O接P區(qū),負(fù)極接N區(qū)，稱正向偏置或正偏。

2)PN結(jié)加反向電壓一反向截止。電源負(fù)極接P區(qū)，正極接N區(qū)，稱PN結(jié)加正向電壓導(dǎo)通，加反向電壓截止，即PN結(jié)的單向?qū)щ娦?。反向偏置或反偏?0.2半導(dǎo)體二極管10.2.1二極管的特征與分類

【基本特征】半導(dǎo)體二極管簡稱二極管，常見的二極管外形如圖10-3a所示，從結(jié)構(gòu)上看有兩個(gè)電極，一端稱為正極（或陽極），另一端稱為負(fù)極（或陰極），二極管也由此得名。二極管在電路中用文字符號用VD表示，電路符號如圖10-3b所示。(a)常見二極管10-3二極管(b)電路符號【分類】二極管的類型很多，按材料來分，最常用的有硅管和鍺管兩種；按用途來分，有普通二極管、整流二極管、穩(wěn)壓二極管等多種；按結(jié)構(gòu)來分，有點(diǎn)接觸型，面接觸型和平面型等多種。10.2.2二極管的特性二極管最主要的特性是單向?qū)щ娦?，要認(rèn)識二極管的單向?qū)щ娦?，可動手做一做下面的?shí)驗(yàn)：

（a）正偏導(dǎo)通（b）反偏截止圖10-4二極管單向?qū)щ妼?shí)驗(yàn)【課堂實(shí)驗(yàn)】二極管單向?qū)щ妼?shí)驗(yàn)如圖10-4a所示，二極管正極接電源的正極，二極管負(fù)極接電源的負(fù)極（稱二極管外加正偏電壓），此時(shí)燈亮，表明有較大的電流通過二極管，二極管導(dǎo)通。如圖10-4b所示，二極管正極接電源的負(fù)極，二極管負(fù)極接電源的正極（稱二極管外加反偏電壓），此時(shí)燈不亮，表明無電流通過二極管，二極管截止。結(jié)論：二極管加正向電壓時(shí)導(dǎo)通，加反向電壓時(shí)截至，即正偏導(dǎo)通，反偏截止。

在上述實(shí)驗(yàn)中二極管正偏導(dǎo)通，反偏截止，這一導(dǎo)電特性稱為二極管的單向?qū)щ娦裕嵌O管一個(gè)非常重要的特性。

除此之外，在使用二極管時(shí)，還需要注意以下特性：

1)二極管正向電壓只有大于某一值時(shí)二極管才導(dǎo)通，這個(gè)電壓值稱為死區(qū)電壓VT。通常硅管的死區(qū)電壓約為0.5V，鍺管的死區(qū)電壓約為0.2V。

2)導(dǎo)通后二極管兩端的電壓穩(wěn)定，硅管約為0.6～0.7V，鍺管約為0.2～0.3V。

3)二極管能承受一定量的反向電壓，即在達(dá)到某一反向電壓值時(shí)，二極管都能保持不導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)達(dá)到一定極限值（定義為反向擊穿電壓）后，二極管反向電流就突然急劇增加，這一現(xiàn)象稱為二極管反向擊穿。10.2.3二極管的主要參數(shù)二極管的參數(shù)是合理選擇和使用二極管的重要依據(jù)，因此了解并掌握以下二極管的主要參數(shù)是非常重要的。

【最大整流電流IF】是指二極管長期工作時(shí)，允許通過的最大正向平均電流值。在實(shí)際使用時(shí)，要注意流過二極管最大電流不能超過這個(gè)數(shù)值，否則二極管會因過熱而損壞。

【最高反向工作電壓VRM】是指二極管在正常工作時(shí)所能承受的最高反向電壓值。通常以二極管反向擊穿電壓的一半作為二極管最大的反向工作電壓，使用中如果超過此值，二極管就有發(fā)生反向擊穿的危險(xiǎn)。10.2.4特殊二極管

【穩(wěn)壓管】

穩(wěn)壓二極管（簡稱穩(wěn)壓管）電路符號如圖11-4所示，是一種特殊的面接觸型半導(dǎo)體硅二極管，它是工作在反向擊穿區(qū)，具有穩(wěn)壓作用的一類特殊二極管，廣泛應(yīng)用于穩(wěn)壓電源和限幅電路中。

【發(fā)光二極管】

發(fā)光二極管簡寫為LED，外形和電路符號如圖11-5所示，是一種光發(fā)射器件，能把電能直接轉(zhuǎn)化成光能。目前市場上發(fā)光二極管的顏色有紅、橙、黃、綠、藍(lán)等多種顏色。發(fā)光二極管因其工作電壓低(1.5V～3V)、工作電流小(5mA～10mA)、體積小、可靠性高、耗電省和壽命長等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于計(jì)算機(jī)、電視機(jī)、音響設(shè)備、儀器儀表中的電源和信號的指示電路中。圖11-4穩(wěn)壓二極管的電路符號(a)外形(b)電路符號圖11-5發(fā)光二極管【光敏二極管】

光敏二極管是一種光能與電能轉(zhuǎn)換的器件，它能將收到的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，在實(shí)際應(yīng)用中，主要用來接收可見光或紅外線，外形和電路符號如圖11-6所示。光敏二極管作廣泛應(yīng)用于遙控、報(bào)警及光電傳感器中。另外，當(dāng)制成大面積的光電二極管時(shí)，能將光能直接轉(zhuǎn)換為電能，可作為一種能源，稱為光電池。

圖11-6光電二極管【變?nèi)荻O管】

變?nèi)荻O管是利用PN結(jié)之間結(jié)電容可變的原理制成的半導(dǎo)體器件，在高頻調(diào)諧、通信等電路中作可變電容器使用。變?nèi)荻O管被廣泛應(yīng)用于諧振回路中。例如，在電視機(jī)中就使用它作為調(diào)諧回路的可變電容器，實(shí)現(xiàn)電視頻道的選擇。在高頻電路中，變?nèi)荻O管作為變頻器的核心元件，是信號發(fā)射機(jī)中不可缺少的器件。10.3晶體管10.3.1晶體管的基本特征與分類

【基本特征】常見的三極管外形如圖11-8所示，從結(jié)構(gòu)上看有三個(gè)電極，分別稱為發(fā)射極（E）、基極（B）和集電極（C），三極管也由此得名。三極管在電路中用文字符號VT表示，電氣符號分兩種，一種是NPN型三極管，一種是PNP型三極管，如圖11-8所示，其中箭頭表示發(fā)射極電流的方向。圖10-8常見三極管【分類】

按三極管所用半導(dǎo)體材料來分，有硅管和鍺管兩種；按三極管的導(dǎo)電極性來分，有PNP型和NPN型兩種；按功率大小來分，有小功率管、中功率管和大功率管；按頻率來分，有低頻管和高頻管兩種；按結(jié)構(gòu)工藝來分，主要有合金管和平面管；按用途分，有放大管和開關(guān)管等。另外，從三極管的封裝材料來分，有金屬封裝、塑料封裝。根據(jù)耗散功率不同，其體積和封裝形式也不同，中、小功率管多采用塑料封裝，大功率管采用金屬封裝。

（a）NPN型（b）PNP型圖10-9三極管的電路符號

三極管有三個(gè)區(qū)，分別為集電區(qū)、基區(qū)和發(fā)射區(qū)；基區(qū)與集電區(qū)交界處的PN結(jié)為集電結(jié)，基區(qū)與發(fā)射區(qū)之間的PN結(jié)為發(fā)射結(jié)；10.3.2晶體管的電流放大作用

【課堂實(shí)驗(yàn)】三極管電流放大實(shí)驗(yàn)圖10-10三極管的電流放大作用實(shí)驗(yàn)電路

【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及現(xiàn)象】如圖10-10所示，VBB是基極電源，通過基極電阻RB和電位器RP接將正向電壓加到基極和發(fā)射極之間（發(fā)射結(jié)），使發(fā)射結(jié)有正向偏置電壓UBE。集電極電源VCC通過集電極電阻RC將電壓加到集電極與發(fā)射極之間（集電結(jié)），以提供UCE。實(shí)驗(yàn)電路中，VCC電壓應(yīng)高于VBB電壓，即發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。電路接通后，流過三極管各極的電流分別為：IB、IC和IE，電流方向如圖所示。

實(shí)驗(yàn)中，改變可變電阻Rp的阻值，就會改變基極電流IB的值，同時(shí)集電極電流IC和發(fā)射極電流IE的值也跟著改變，從而得到一組IB、IC和IE的值，具體測量結(jié)果如表10-1。

分析上述數(shù)據(jù)可得以下結(jié)論：

1.電流分配關(guān)系：三極管各電極間的電流分配關(guān)系滿足：IE=IB+IC。無論是NPN型還是PNP型三極管，均符合這一規(guī)律。

2.基極電流變化引起集電極電流變化，但集電極與基極電流之比保持不變，為一常數(shù)，用公式表示：

稱為直流電流放大系數(shù)。

3.基極電流有一微小的變化量時(shí)，集電極電流就會有一個(gè)較大的變化量，且與之比保持不變，為一常數(shù)，用公式表示：

稱為交流電流放大系數(shù)。對于多數(shù)三極管估算時(shí)可認(rèn)為=

【實(shí)驗(yàn)結(jié)論】

三極管基極電流IB的微小變化使集電極電流IC發(fā)生了更大的變化，也就是說基極電流IB的微小變化控制了集電極電流IC較大的變化，實(shí)現(xiàn)了電流放大的作用。

10.3.3.晶體管的特性三極管的特性主要表現(xiàn)為三種工作狀態(tài)，即截止、放大和飽和。

【截止】當(dāng)三極管發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為反向偏置時(shí)，集電極和發(fā)射極之間呈現(xiàn)很大的電阻，這時(shí)的三極管相當(dāng)于一個(gè)斷開的開關(guān)，這種狀態(tài)稱為截止。

【放大】當(dāng)三極管發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏時(shí)，三極管具有電流放大作用，iC受iB控制,只要iB有一個(gè)微小的變化，iC將按比列發(fā)生較大的變化，即：iC=iB

，=。

【飽和】當(dāng)三極管發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都處于正向偏置時(shí)，三極管飽和導(dǎo)通，IC不受IB的控制，基本保持不變，這種工作狀態(tài)相當(dāng)于開關(guān)閉合。除此之外，與二極管的特性相似，三極管也存在著死區(qū)電壓（硅管約為0.5V，鍺管約為0.2V），只有當(dāng)輸入電壓大于死區(qū)電壓時(shí)，三極管才出現(xiàn)基極電流。同時(shí)，三極管導(dǎo)通時(shí)，發(fā)射結(jié)電壓UBE

變化不大，硅管約為（0.6～0.7）V，鍺管約為（0.2～0.3）V。這也是檢測三極管是否正常工作的重要依據(jù)。10.3.4三極管主要參數(shù)

【共發(fā)射極電流放大倍數(shù)β】

它是在三極管正常放大狀態(tài)下分析，設(shè)計(jì)電路的一個(gè)重要參數(shù)，通常β在幾十到幾百之間。

【集電極最大允許耗散功率PCM】

三極管電流iC與電壓uCE的乘積稱為集電極耗散功率，三極管在使用時(shí)，應(yīng)保證PC<PCM，這樣三極管在使用時(shí)才能保證安全。

【反向擊穿電壓V(BR)CEO】

V(BR)CEO是指基極開路時(shí)，加于集電極—發(fā)射極之間的最大允許電壓。

【集電極最大允許電流ICM】

iC在相當(dāng)大的范圍內(nèi)β值是基本不變的，但當(dāng)iC的數(shù)值大到一定程度時(shí)β將減小。使β明顯減小iC即為iCM

。10.4場效應(yīng)晶體管

場效應(yīng)晶體管(FieldEffectTransisor,FET)簡稱場效應(yīng)管。一般的晶體管是由兩種極性的載流子，即多數(shù)載流子和反極性的少數(shù)載流子參與導(dǎo)電，因此稱為雙極性晶體管,而FET僅由多數(shù)載流子參與導(dǎo)電，它與雙極性晶體管相反，也稱為單極性晶體管。它屬于電壓控制型半導(dǎo)體器件，具有輸人電阻高、噪聲小、功耗低、動態(tài)范圍大、易于集成、無二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域?qū)挼葍?yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為雙極性晶體管和功率晶體管的強(qiáng)大競爭者。場效應(yīng)晶體管可應(yīng)用于放大、阻抗變換、電子開關(guān)，也可以方便地用作恒流源。10.4.1場效應(yīng)晶體管的基本特性

場效應(yīng)晶體管的種類很多，按結(jié)構(gòu)可分為兩大類:結(jié)型場效應(yīng)管(JFET)和絕緣柵場效應(yīng)晶體管(IGFET)。結(jié)型場效應(yīng)管又分為N溝道和P溝道兩種。絕緣柵場效應(yīng)晶體管主要指金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)。MOSFET又分為耗盡型和增強(qiáng)型兩種,而每一種又分為N溝道和P溝道。場效應(yīng)晶體管外形及符號如圖10-14所示。10.4.2結(jié)型場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)和工作原理

以N溝道結(jié)型場效應(yīng)晶體管為例說明其結(jié)構(gòu)和工作原理。如圖10-15所示，場效應(yīng)晶體管有三個(gè)區(qū)域：一個(gè)N型區(qū),兩個(gè)P型區(qū)；三個(gè)電極:源極S，漏極D,柵極G；兩個(gè)PN結(jié)：一個(gè)導(dǎo)電溝道；N型導(dǎo)電溝道。外部工作條件:UDS為正值，UGS

為負(fù)值。

當(dāng)UGS=0時(shí)，PN結(jié)最窄，導(dǎo)電溝道最寬。在正向電壓UDS的作用下，產(chǎn)生較大的漏極電流IDSS,IDSS稱為飽和漏極電流。

當(dāng)UGS<0時(shí)，PN結(jié)反偏，PN結(jié)變寬，導(dǎo)電流道變窄。在正向電壓UDS的作用下，漏極電流減小。

當(dāng)UGS≤Up(Up<0)時(shí)，PN結(jié)變得更寬且把導(dǎo)電溝道夾斷，漏極電流iD為零。10.4.3場效應(yīng)晶體管與晶體管的比較

1)場效應(yīng)晶體管是電壓控制器件，而晶體管是電流控制器件。在只允許從信號源取較少電流的情況下，應(yīng)選用場效應(yīng)晶體管;而在信號電壓較低，又允許從信號源取較多電流的條件下，應(yīng)選用晶體管。

2)晶體管與場效應(yīng)晶體管工作原理完全不同，但是各極可以近似對應(yīng)以便于理解和設(shè)計(jì):晶體管:基極發(fā)射極集電極場效應(yīng)晶體管:柵極源極漏極3)要注意的是，晶體管(NPN型)設(shè)計(jì)發(fā)射極電位比基極電位低(約0.6V)，場效應(yīng)晶體管源極電位比柵極電位高(約0.4V)。

4)場效應(yīng)晶體管是利用多數(shù)載流子導(dǎo)電，所以稱之為單極性器件，而晶體管是既有多數(shù)載流子，也有少數(shù)載流子導(dǎo)電，被稱之為