项目6 常用半导体器件及其应用.

《项目6 常用半导体器件及其应用.》由会员分享，可在线阅读，更多相关《项目6 常用半导体器件及其应用.（84页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、项目6 常用半导体器件及其应用 项目6 常用半导体器件及其应用 任务分析 3 相关知识 4 任务实施 5 归纳总结 6 学习目标 1 任务提出 2 学习目标 v (1) 了解半导体的基本知识和PN结的形成及特性。 v (2) 掌握二极管、三极管电路的分析方法。 v (3) 集成运算放大器的电路构成、特点、主要技术指标 及应用。 v (4) 了解模拟电路的应用。 v 现代化的电子设备都是以半导体器件和集成电路为基础 的，尤其是二极管、三极管等，是构成集成电路的基本 单元，被广泛的应用在各种电子电路中。近年来，集成 电路特别是大规模和超大规模集成电路的出现，使各种 工业自动控制设备和电子设备在微型

2、化、可靠性等方面 大步向前推进。为了正确和有效地运用半导体器件，必 须对它们的工作原理和性能有一个基本的认识。 任务提出 汽车电器用的是直流电，但发电机发出的是交流 电。那么是如何将交流电转换成直流呢？半导体器件 还有什么应用呢？ 任务分析 汽车用交流发电机，一般是由三相同步交流发电机和 硅二极管整流器两大部分组成。 交流发电机的转子是用来建立磁场，定子是用来产生 交流电动势，通过硅二极管整流器整流成直流电，向用 电设备提供电源，并向蓄电池充电。硅二极管就是半导 体器件。下面来了解一下二极管和三极管及它们的应用 。 交流发电机 相关知识 任务6.1 半导体的基本知识 任务6.2 半导体二极管

3、任务6.3 半导体三极管 任务6.4 集成运算放大器及其应用 任务6.1 半导体的基本知识 半 导 体1 PN节及其单向导电性2 6.1.1 半导体 半导体就是导电能力介于导体和绝缘体之间的物质，自然界中 的硅、锗、硒以及大多数金属氧化物和硫化物就是半导体。 半导体中的电子对不像绝缘体中的电子对那样被紧紧束缚，在 获得一定能量(热能)后，共价键中的价电子便挣脱原子核的束缚 而成为自由电子，自由电子带负电。此时，共价键中空出的位置 称为空穴，空穴带正电。自由电子和空穴是成对出现的，它们都 称为载流子。因为，在外电场的作用下，这些带负电的自由电子 会逆着电场的方向移动而形成电流，称之为电子导电；与

4、此同时 ，这些带正电的空穴会沿着电场的方向移动而形成电流，称之为 空穴导电。 实验发现，半导体中载流子的数目与温度有关，温度越高时载 流子的数目越多，半导体的导电性能越好。因此，温度对半导体 元器件的性能影响很大。 1半导体及其导电方式 6.1.1 半导体 在硅或锗单晶体中掺入微量的五价元素磷后，由于磷原子参加 共价键结构只需要四个价电子，其多余的一个价电子很容易脱离 原子核的束缚而成为自由电子，如图6-1(a)所示。于是，半导体 中的自由电子数目大量增加，导电性能显著增强。由于这种半导 体的自由电子为多数(多数载流子)，空穴为少数(少数载流子)，电 子导电是主要的导电方式，因此将这种半导体称

5、为电子半导体或 N型半导体。 在硅或锗单晶体中掺入微量的三价元素硼后，由于硼原子参加 共价键结构需要四个价电子，其缺少的一个价电子使硅或锗原子 产生一个空穴，如图6-1(b)所示。于是，半导体中的空穴数目大 量增加，导电性能显著增强。由于这种半导体的空穴为多数(多数 载流子)，自由电子为少数(少数载流子)，空穴导电是主要的导电 方式，因此将这种半导体称为空穴半导体或P型半导体。 2 N型半导体和P型半导体 6.1.1 半导体 图6-1 杂质半导体示意图 6.1.2 PN节及其单向导电性 扩散后，单晶体结合部P区一边将留下一些负离子，N区一边 将留下一些正离子，它们形成的电场称为空间电荷区、即P

6、N结 。PN结中的电场称为内电场，其方向由N区指向P区，如图6- 2(b)所示。 在这个单晶体中，将P型半导体的一边称为P区，将N型半导体的一边 称为N区。P区的空穴浓度高，自由电子浓度低；N区的自由电子浓度高 ，空穴浓度低。由于单晶体两边的载流子浓度不同，载流子会由浓度高 的一边向浓度低的一边扩散，即P区的空穴向N区扩散、N区的自由电子 向P区扩散，如图6-2(a)所示。 采用一定的工艺，在一块单晶体的两边掺入不同的杂 质，使单晶体的两边分别形成P型半导体和N型半导体， 其结合部就是PN结。 6.1.2 PN节及其单向导电性 v 内电场有两方面作用：一方面对多数载流子(P区的空穴 和N区的自

7、由电子)的扩散运动起阻碍作用，即内电场起 阻挡作用，因此空间电荷区又称为阻挡层；另一方面却 推动少数载流子(P区的自由电子和N区的空穴)越过空间 电荷区，少数载流子在电场力作用下有规则地越过空间 电荷区的运动称为漂移运动。 图6-2 PN结的形成 6.1.2 PN节及其单向导电性 如果在PN结上加上反向电压(也称为反向偏置)，即外电源的负、正极 分别与P、N区连接，如图6-3(b)所示。那么，内电场被方向相同的外 电场加强，阻挡层变宽，使多数载流子的扩散运动受到极大的阻碍，同 时却使少数载流子的漂移运动得到加强，形成一定的漂移电流。这个漂 移电流持续地从N区流向P区，我们称之为反向电流。由于反

8、向电流是 由少数载流子的漂移运动产生的，其数值不大。此时，PN结处于反向 截止状态。温度越高时，载流子的数目越多，反向电流也越大。 如果在PN结上加上正向电压(也称为正向偏置)，即外电源的正 、负极分别与P、N区连接，如图6-3(a)所示。那么，内电场被 方向相反的外电场削弱，阻挡层变窄，使多数载流子的扩散运 动加强，形成较大的扩散电流。这个扩散电流在外电源不断提 供电荷的情况下持续地从P区流向N区，我们称之为正向电流。 此时，PN结处于正向导通状态。 6.1.2 PN节及其单向导电性 v 可见，PN结正向偏置时导通、反向偏置时截止，PN结具 有单向导电性。 图6-3 PN结的单向导电性 相关

9、知识 任务6.1 半导体的基本知识 任务6.2 半导体二极管 任务6.3 半导体三极管 任务6.4 集成运算放大器及其应用 任务6.2 半导体二极管 普通半导体二极管 1 稳压管及发光二极管 2 整 流 电 路 3 6.2.1 普通半导体二极管 （1）基本结构 在PN结加上相应的电极 引线和外壳就做成了半 导体二极管。由P区引出 的电极称为阳极或正极 ，由N区引出的电极称为 阴极或负极，普通半导 体二极管的图形符号如 图6-4(a)所示。普通半 导体二极管按结构可分 为点接触型二极管和面 接触型二极管两种，如 图6-4(b)、(c)所示。 （2）伏安特性 二极管实质上就是一 个PN结，它具有单

10、向 导电性，硅二极管的 伏安特性如图6-5所 示。 1)反向击穿 2)反向击穿电压，用 符号UBR表示 3)热击穿。 （3）主要参数 为了合理、安全地使用 二极管，除了掌握二极 管的伏安特性外，还应 该掌握二极管的参数。 二极管的主要参数有下 面几个。 1) 最大整流电流IFM。 2) 最大反向电压URM。 3) 最大反向电流IRM。 6.2.1 普通半导体二极管 图6-4 半导体二极管 图6-5 二极管伏安特性 6.2.2 稳压管及发光二极管 2复合分组体系 发光二极管简称LED，是一种固态PN结器件，利用半导体通电过 程中自由电子与空穴复合时的辐射发光效应工作。发光二极管常 用砷化镓、磷化

11、镓等材料制成，其图形符号如图6-7所示。 1.稳压管的伏安特性及主要参数 稳压管是一种特殊的面接触型硅二极管，其掺入的杂质浓度较 高、PN结较薄。稳压管的图形符号和伏安特性曲线如图6-6所示 ， 稳压管的主要参数有以下几点。 (1) 稳定电压UZ。(2) 稳定电流IZ。(3) 最大稳定电流IZM。 (4) 动态电阻rZ。 (5) 最大允许耗散功率PZM。即: 6.2.2 稳压管及发光二极管 图6-6 稳压管 图6-7 发光二极管图形符号 6.2.3 整流电路 生产和生活中的某些方面常常用到直流电源， 如电解、电镀、电池充电、电子线路、直流电动 机控制系统等均需要直流电源供电。直流发电机 可以提

12、供直流电源，但是直流发电机的初投资较 大、能耗较大、所占的空间也较大，而且还有噪 音，目前已经很少采用。取而代之的是，利用半 导体元器件将交流电源变换成直流电源，这一过 程就称为整流。 相关知识 任务6.1 半导体的基本知识 任务6.2 半导体二极管 任务6.3 半导体三极管 任务6.4 集成运算放大器及其应用 任务6.3 半导体三极管 1半导体三极管的基本结构 2电流分配和放大原理 3特性曲线 4三极管的参数 5基本交流放大电路的组成及分析 6.3.1 半导体三极管的基本结构 v 半导体三极管(简称三极管或晶体管)是通过一定的工艺 ，在一整块半导体基片上形成两个PN结的器件，其结构 及图形符

13、号如图6-8所示。 图6-8 三极管结构示意图及符号 6.3.2 电流分配和放大原理 v 三极管具有电流放大作用，如果在基极B输入一个较小的 电流IB，那么在集电极C(或发射极E)输出一个较大的电 流IC(或IE)。我们可以用一个实验来说明三极管的电流放 大作用，实验电路如图6-9所示。 图6-9 三极管电流放大实验电路 6.3.2 电流分配和放大原理 v 将三极管看成一个广义节点时，流出该节点的发射极电 流IE与流入该节点的基极电流IB、集电极电流IC之间符合 基尔霍夫电流定律，即 v 当发射结正向偏置，集电结反向偏置时，三极管的基极 电流远小于发射极和集电极的电流，即三极管具有电流 放大作

14、用，有 v 且集电极电流IC与基极电流IB的比值在一定范围内近似为 一个常数，即 常数 6.3.2 电流分配和放大原理 v 电流放大作用也表现在基极电流的微小变化可以引起集 电极电流的很大变化上，集电极电流的变化量IC与基 极电流的变化量IB之比值在一定范围内近似为一个常 数，即 v 基极电路开路，即IB=0时，IC 0，此时的集电极电流称为 穿透电流，用符号ICEO表示。 v 三极管的电流放大作用实际上是内部条件与外部条件相 结合的结果。 常数 6.3.3 特性曲线 v 三极管的特性曲线分为输入特性曲线和输出特性曲线， 输入特性曲线反映三极管的输入电流与输入电压之间的 关系，输出特性曲线反映

15、三极管的输出电流与输出电压 之间的关系，它们反映了三极管的性能，是分析放大电 路的重要依据。 输入特性曲线 1 输出特性曲线 2 6.3.3.1 输入特性曲线 v 输入特性曲线是指保持集电极与发射极之间的电压UCE不 变时，基极电流IB与发射结正向电压UBE的关系曲线 IB=f(UBE)，如图6-10所示。 图6-10 三极管输入特性曲线 6.3.3.2 输出特性曲线 v 输出特性曲线是指保持基极电流IB不变时，集电极电流IC 与集电极一发射极之间电压UCE的关系曲线IC=f(UCE)，如 图6-11所示为基极电流取不同的值时所对应的一组输出 特性曲线。 图6-11 三极管输出特性曲线 6.3

16、.3.2 输出特性曲线 v 从图中看出以下几点。 1 UCE1V后，集电极一发射电压UCE的改变不会引起集电极 电流IC的明显改变，说明三极管具有恒流特性。因为UCE1V 后，集电结已反向偏置，内电场的电场力已经足以将发射区 扩散到基区的自由电子收集到集电区，再改变UCE的值对集电 极电流IC影响不大。 2 改变基极电流IB可以使集电极电流IC发生较大变化，说明三 极管具有电流控制及电流放大作用。 三极管具有电流放大作用，电流放大系数为 6.3.3.2 输出特性曲线 v 从三极管的输出特性还可以看出，它分为以下3个工作区 。 v 由于三极管可以处于饱和及截止状态，因此三极管还具 有开关作用，常作为电子开关使用。 放 大 区 01 截 止 区 02 饱 和 区 03 6.3.4 三极管的参数 1、电流放大系数 、 2、集基极反向饱和电流ICBO 3、集射极穿透