第七章 半導(dǎo)體器件課件

第七章半導(dǎo)體器件第七章半導(dǎo)體器件第七章

半導(dǎo)體器件

教學(xué)要求：

1.正確理解PN結(jié)的形成及單向?qū)щ娦浴?/p>

2.熟練掌握普通二極管、三極管、晶閘管的結(jié)構(gòu)、、主要參數(shù)、外特性以及測試方法。

第七章半導(dǎo)體器件第七章半導(dǎo)體器件第一節(jié)晶體二極管第二節(jié)晶體三極管第三節(jié)晶閘管第七章半導(dǎo)體器件7.1.1半導(dǎo)體及其特性1、什么是半導(dǎo)體物質(zhì)按導(dǎo)電能力的強弱可分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體三大類。

導(dǎo)電能力很強的物質(zhì)稱為導(dǎo)體，如銅、鋁等金屬。導(dǎo)電能力很弱的物質(zhì)稱為絕緣體，如塑料、玻璃等。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)體材料是硅（Si）和鍺（Ge）,其中硅用的最為廣泛。7.1半導(dǎo)體材料

第七章半導(dǎo)體器件2、半導(dǎo)體的獨特性能

半導(dǎo)體之所以得到廣泛的應(yīng)用，是因為它具有以下三大特性：

(1)摻雜特性：

在純凈的半導(dǎo)體（通常稱本征半導(dǎo)體）中摻入極其微量的雜質(zhì)元素，則它的導(dǎo)電能力將大大增強。溫度升高，將使半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力大大增強。(2)熱敏特性：(3)光敏特性：對半導(dǎo)體施加光線照射時，光照越強，導(dǎo)電能力越強。第七章半導(dǎo)體器件7.1.2P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入微量的特定雜質(zhì)，其導(dǎo)電能力將大大提高（可提高幾十萬倍以上），稱之為雜質(zhì)半導(dǎo)體。根據(jù)摻入雜質(zhì)性質(zhì)不同，雜質(zhì)半導(dǎo)體可分為N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體兩大類。

1）N型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入微量的五價元素，可以形成N型半導(dǎo)體。

由于這種雜質(zhì)半導(dǎo)體主要靠自由電子進(jìn)行導(dǎo)電，所以稱為電子型半導(dǎo)體，簡稱N型半導(dǎo)體。

在N型半導(dǎo)體中，多數(shù)載流子（簡稱多子）是電子，少數(shù)載流子（簡稱少子）是空穴。第七章半導(dǎo)體器件

N型半導(dǎo)體是中性體，本身并不帶電，當(dāng)摻入的磷原子提供了一個自由電子后，變成不能移動的正離子，用“+”來表示。N型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.1.6所示。圖1.1.5N型半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)圖圖1.1.6N型半導(dǎo)體的平面結(jié)構(gòu)示意圖第七章半導(dǎo)體器件2）P型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入微量的三價元素，可以形成P型半導(dǎo)體

由于這種雜質(zhì)半導(dǎo)體主要靠空穴進(jìn)行導(dǎo)電，所以稱為空穴型半導(dǎo)體，簡稱P型半導(dǎo)體。

在P型半導(dǎo)體中，多數(shù)載流子是空穴，少數(shù)載流子是電子。P型半導(dǎo)體也是中性。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.1.8所示。圖1.1.7P型半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)示意圖圖1.1.8P型半導(dǎo)體平面結(jié)構(gòu)示意圖第七章半導(dǎo)體器件7..1.3

PN結(jié)

1PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?/p>

在一塊本征半導(dǎo)體上，利用一定的摻雜工藝，分別摻入三價元素和五價元素，在半導(dǎo)體兩邊形成P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，交界面形成的特殊導(dǎo)電薄層，稱為PN結(jié)。

第七章半導(dǎo)體器件1）PN結(jié)的形成

載流子濃度差引起各自的多子向?qū)Ψ綌U散，P區(qū)的空穴向N區(qū)擴散，N區(qū)的電子向P區(qū)擴散，在交界面易出現(xiàn)電子與空穴相遇同時消滅即出現(xiàn)了復(fù)合現(xiàn)象，結(jié)果在交界面兩邊P區(qū)留下了帶負(fù)電的負(fù)離子，N區(qū)留下了帶正電的正離子，形成了空間電荷區(qū)，建立了PN結(jié)電場。這個電場稱為內(nèi)電場，方向由N區(qū)指向P區(qū)。它阻礙著多子擴散運動，有利于少子的漂移運動。當(dāng)多子擴散運動和少子漂移運動達(dá)到動態(tài)平衡時，這個空間電荷區(qū)不再變化，這時的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)，如圖所示。由于空間電荷區(qū)內(nèi)無載流子，所以也叫耗盡層。第七章半導(dǎo)體器件第七章半導(dǎo)體器件2）PN結(jié)的特性（1）外加正向電壓PN結(jié)外加正向電壓，即外電源的正極接P區(qū)，負(fù)極接N區(qū)。PN結(jié)外加正向電壓時，有較大的電流通過PN結(jié)，此時PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。導(dǎo)通時，PN結(jié)相當(dāng)于一個較小的電阻。PN結(jié)加正向電壓時的導(dǎo)電情況第七章半導(dǎo)體器件（2）外加反向電壓PN結(jié)外加正向電壓，即外電源的正極接N區(qū)，負(fù)極接P區(qū)。PN結(jié)外加反向電壓時，幾乎沒有電流通過，呈截止?fàn)顟B(tài)。截止時，PN結(jié)相當(dāng)于一個很大的電阻。PN結(jié)加反向電壓時的導(dǎo)電情況

在一定溫度下，當(dāng)外加反向電壓超過某個值（大約零點幾伏）后，反向電流將不再隨著外加反向電壓的增加而增大，所以又成為反向飽和電流。第七章半導(dǎo)體器件

PN結(jié)加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴散電流；

PN結(jié)加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?/p>

第七章半導(dǎo)體器件7.1.2二極管的構(gòu)造、類型1、晶體二極管的結(jié)構(gòu)和符號PN結(jié)加上相應(yīng)的電極引線并用管殼封裝起來，構(gòu)成了晶體二極管，簡稱二極管。其基本結(jié)構(gòu)如圖1.2.1（a）所示。

圖7-2二極管結(jié)構(gòu)與符號(a)結(jié)構(gòu)示意圖（b）電路符號第七章半導(dǎo)體器件2）二極管的類型

按制造二極管的材料分，有硅二極管和鍺二極管；按二極管的用途分，有普通二極管、變?nèi)荻O管、發(fā)光二極管、光電二極管等；按制作二極管的工藝分，有點接觸型和面接觸型兩類。(1)點接觸型二極管(a)點接觸型

二極管的結(jié)構(gòu)示意圖PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。第七章半導(dǎo)體器件(2)面接觸型二極管(b)面接觸型PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。(3)平面型二極管(c)平面型

往往用于集成電路制造工藝中。PN結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。第七章半導(dǎo)體器件

常見用于電視機、收音機、穩(wěn)壓電源等電子產(chǎn)品中的各種不同外形的二極管。如圖1.2.2所示。

第七章半導(dǎo)體器件7.1.3、二極管的伏安特性1）二極管的主要特性是單向?qū)щ娦?/p>

當(dāng)二極管正偏（正向偏置）時，即二極管的正極接電源正極（或高電位），負(fù)極接電源負(fù)極（或低電位），有較大電流，二極管的電阻很?。环粗?，二極管反偏時，沒有電流流過指示燈，此時二極管的電阻很大，反向幾乎不導(dǎo)電，與絕緣體相似。鍺二極管2AP15的V-I特性正向特性反向特性反向擊穿特性死區(qū)第七章半導(dǎo)體器件（1）正向特性①死區(qū)（不導(dǎo)通區(qū)）：二極管呈現(xiàn)的電阻較大，正向電流幾乎為零。一般硅二極管的死區(qū)電壓約0.5V左右，鍺二極管約0.2V左右。②導(dǎo)通區(qū)：二極管呈現(xiàn)的電阻很小，正向電流增長很快。導(dǎo)通后，二極管兩端的正向電壓稱為正向壓降（或管壓降），也近似認(rèn)為是導(dǎo)通電壓。一般硅二極管約為0.7V左右，鍺二極管為0.3V左右。

二極管的伏安特性曲線可用下式表示第七章半導(dǎo)體器件（2）反向特性①反向截止區(qū)：當(dāng)二極管承受反向電壓時，二極管呈現(xiàn)很大電阻，很小的反向電流IR。此處的IR稱為反向飽和電流或反向漏電流。實際應(yīng)用中，此反向飽和電流值越小越好。一般硅二極管的反向飽和電流在幾十微安以下，鍺二極管的則達(dá)幾百微安，大功率二極管會稍大些。②反向擊穿區(qū)：反向電壓稍有增大，反向電流急劇加大，這種現(xiàn)象叫反向擊穿。CD段稱為反向擊穿區(qū)，C點對應(yīng)的電壓就叫反向擊穿電壓UBR。擊穿后電流過大將會使管子損壞，因此除穩(wěn)壓管外，加在二極管上的反向電壓不允許超過擊穿電壓。

第七章半導(dǎo)體器件7.1.4二極管的主要參數(shù)（1）最大整流電流IF

IF是指二極管長時間工作時，允許通過二極管的最大正向平均電流。（2）最大反向工作電壓UR

UR是指二極管工作時所加的最高反向電壓。UR定為反向擊穿電壓UBR的一半或三分之二。

（3）反向電流IR

IR是指二極管在室溫下，加最大反向工作電壓UR時，產(chǎn)生的反向電流值。IR越小，說明二極管的單向?qū)щ娦阅茉胶?。?）最高工作頻率fmax

fmax是指二極管工作時所允許的最高工作頻率。第七章半導(dǎo)體器件（5）直流電阻（靜態(tài)電阻）RD

RD為加在二極管兩端的直流電壓與流過二極管的電流之比。

值得注意的是：RD不是一個恒定的值。用萬用表測出的二極管的正、反向電阻是直流電阻RD。正、反向電阻相差越大，二極管的單向?qū)щ娦栽胶谩?/p>

（6）交流電阻（動態(tài)電阻）rd

某點的rd等于該點附近電壓的微小變量與電流的微小變量的比值。rd也不是恒定的值。但工作點在線性區(qū)內(nèi)變化時，可認(rèn)為rd基本不變。（7）極間電容Cj

極間電容是由PN結(jié)引起，所以也叫結(jié)電容。它的大小決定了二極管最高工作頻率。結(jié)電容一般為幾皮法至幾十皮法。第七章半導(dǎo)體器件4、二極管的簡易測量

一般情況下多采用萬用表來檢查二極管的質(zhì)量或判別正、負(fù)極。

將萬用表撥到電阻的R×100或R×1K，此時萬用表的紅表筆接的是表內(nèi)電池的負(fù)極，黑表筆接的是表內(nèi)電池的正極。因此當(dāng)黑表筆接至二極管的正極、紅表筆接至負(fù)極時為正向連接。

具體的測量方法是：將萬用表的紅、黑表筆分別接在二極管兩端，如圖1.2.10（a）所示，而測得電阻比較?。◣浊W姆以下），再將紅、黑表筆對調(diào)后連接在二極管兩端，如圖1.2.10（b）所示，而測得的電阻比較大（幾百千歐姆以下），說明二極管具有單向?qū)щ娦?，質(zhì)量良好。測得電阻小的那一次黑表筆接的是二極管的正極。

第七章半導(dǎo)體器件

如果測得二極管的正、反向電阻都很小，甚至為零，表示管子內(nèi)部已短路；如果測得二極管的正、反向電阻都很大，則表示管子內(nèi)部已斷路。

圖1.2.10晶體二極管的測量（a）測量正向電阻（b）測量反向電阻第七章半導(dǎo)體器件7.2晶體三極管一、三極管的結(jié)構(gòu)1、外形觀察外形特點：第七章半導(dǎo)體器件三極管的核心是兩個互相聯(lián)系的PN結(jié)。按組合方式不同，分為PNP和NPN兩類第七章半導(dǎo)體器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)三區(qū){三極{兩個結(jié){發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū)發(fā)射極基極集電極發(fā)射結(jié)集電結(jié)想一想：三極管的集電極和發(fā)射極能互換嗎？第七章半導(dǎo)體器件3、分類按管芯半導(dǎo)體材料：硅管鍺管按內(nèi)部結(jié)構(gòu)：NPNPNP按工作頻率：工作頻率大于3MHz高頻管工作頻率低于3MHz低頻管按功率：大功率管（大于1W）、小功率管（小于1W）按用途：普通放大管、開關(guān)三極管第七章半導(dǎo)體器件二、三極管的電流放大作用1、三極管的工作電壓要使三極管能正常放大信號，必須：給發(fā)射結(jié)加正向電壓，給集電結(jié)加反向電壓基極偏置電阻，為發(fā)射結(jié)提供正向偏壓Rb負(fù)載電阻，集電極供電NPNRcVcc第七章半導(dǎo)體器件NPNPNPRbRcVccRbRcVcc第七章半導(dǎo)體器件2、三極管的電流放大作用仿真實驗，讀出IB、IC、IEIB0mA0.02mA0.04mA0.06mAIC0mA2mA4mA6mAIE0mA2.02mA4.04mA6.06mA分析表格中數(shù)據(jù)，你能得出哪些結(jié)論？（1）三個電極的電流分配關(guān)系IE=IB+ICICIE（2）三極管具有電流放大作用：直流電流放大系數(shù)第七章半導(dǎo)體器件引入在電路維修和故障分析中，常常要根據(jù)測量的電壓，判定三極管是否正常工作，判定是三極管壞了還是電路其他元件壞了。就很有必要掌握三極管的三種工作狀態(tài)及特點.三極管的特性曲線第七章半導(dǎo)體器件三、 三極管共發(fā)射極輸入特性1、三極管的輸入特性三極管的輸入電流IB與輸入電壓VBE之間的關(guān)系

2．輸入特性曲線當(dāng)VBE大于發(fā)射結(jié)死區(qū)電壓時，（硅管約0.5V,鍺管約0.2V）IB開始導(dǎo)通。VBE升高，IB就增大。導(dǎo)通后VBE的電壓稱為發(fā)射結(jié)正向電壓或?qū)妷褐?，硅管?.7V，鍺管約為0.3V。第七章半導(dǎo)體器件三極管的輸出特性曲線定義： 每一個固定的IB值，三極管的輸出電流IC和輸出電壓VCE之間的對應(yīng)關(guān)系。第七章半導(dǎo)體器件（2）飽和區(qū)：①VCE較小的區(qū)域。VCE<VBE②電流特點：IC不隨IB的增大而變化。IB不能控制IC，ICVCC/RC③飽和時的VCE值為飽和壓降。VCES：硅管為0.3V，鍺管為0.1V.電壓條件:發(fā)射結(jié)、集電結(jié)都正偏，處于飽和想一想：在飽和狀態(tài)下，IB能控制IC嗎？NPN管和PNP管的VE和VB的關(guān)系？三極管的等效電阻RCE是大還是?。肯喈?dāng)于C、E怎么樣?

飽和狀態(tài)第七章半導(dǎo)體器件

①電流特點：IC受IB控制，ΔIC=βΔIB，具有電流放大作用。②恒流特性：IB一定，IC不隨VCB變化，IC恒定。③電壓條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，處于放大狀態(tài)。（3）放大區(qū)：？？？想一想：在放大狀態(tài)下，IB能控制IC嗎？NPN管和PNP管的VE和VB的關(guān)系？三極管的等效電阻RCE有什么特點？IB控制RCE的嗎?第七章半導(dǎo)體器件

總結(jié)：三極管工作狀態(tài)由偏置情況決定。管型放大狀態(tài)飽和狀態(tài)放大狀態(tài)電壓條件發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏發(fā)射結(jié)正偏或零偏，集電結(jié)反偏發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏電位條件NPNVC＞VB＞VEVB≤VEVB＞VE，VB＞VcPNPVC＜VB＜VEVB≥VEVB＜VE，VB＜VC第七章半導(dǎo)體器件 練習(xí)：1．判別三極管的工作狀態(tài)，如果是PNP管呢 指導(dǎo)：????1．中間電位值的為基極。 2．電位值接近基極的為發(fā)射極。電位值與基極相差較大的是集電極。 3．VBE約0.7V或接近，為NPN VBE約0.3V或接近，為PNP）第七章半導(dǎo)體器件2、判斷三極管的放大狀態(tài)，各極名稱、管型。第七章半導(dǎo)體器件小結(jié)三極管工作狀態(tài)由偏置情況決定。放大 截止 飽和發(fā)射結(jié)正偏發(fā)射結(jié)反偏發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏或零偏集電結(jié)反偏

集電結(jié)正偏三種狀態(tài)的特點截止?fàn)顟B(tài)：IB=0，相當(dāng)于開關(guān)斷開，VCE=VG；放大狀態(tài)：IC=βIB或ΔIC=βΔIB，IB控制IC的變化，而且具有恒流特點，即IB不變，IC不隨ＶＣＥ而改變。飽和狀態(tài)：ＩＣ不能控制ＩＢ，ＶＣＥ＝ＶＣＥＳ＝硅管約0.3V，鍺管約0.1V，相當(dāng)于C、E間短路。第七章半導(dǎo)體器件7.3晶閘管教學(xué)目標(biāo)：1、掌握晶閘管的結(jié)構(gòu)及符號。2、掌握晶閘管的工作特性及主要參數(shù)。第七章半導(dǎo)體器件1、晶閘管的結(jié)構(gòu)第七章半導(dǎo)體器件2、晶閘管的外形第七章半導(dǎo)體器件3、晶閘管的符號第七章半導(dǎo)體器件4、晶閘管的等效電路第七章半導(dǎo)體器件5、晶閘管的工作原理第七章半導(dǎo)體器件

(1)晶閘管加陽極負(fù)電壓-UA時，晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)。

(2)晶閘管加陽極正電壓UA，控制極不加電壓時，晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)。

6、分析第七章半導(dǎo)體器件(3)晶閘管加陽極正電壓+UA，同時也加控制極正電壓+UG，晶閘管導(dǎo)通。(4)要使導(dǎo)通的晶閘管截止，必須將陽極電壓降至零或為負(fù)，使晶閘管陽極電流降至維持電流