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1、,第六章 常用半导体元器件,第一节 半导体二极管 第二节 晶体管 第三节 场效应管,返回主目录,半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间 的物质称为半导体。常用的半导体有硅、锗等。,本征半导体 一种完全纯净的、结构完整的半导体晶体 本征半导体虽有大量的价电子，但没有自由电子，此时半导体是不导电的。,第一节 半导体二极管,半导体的基本知识,杂质半导体N型半导体,N 型,磷原子,自由电子,载流子数 电子数,多数载流子,半导体的基本知识,杂质半导体型半导体,载流子数 空穴数,硼原子,空穴,P 型,半导体的基本知识,一、PN结的形成,P 型,N 型,PN结,空间电荷区,PN结的单向导电性 外加正向电压 正
2、偏导通，呈低阻状态，电流较大,内电场,外电场,PN结的单向导电性 外加反向电压 反偏截止，呈高阻状态，电流近似为零,结具有单向导电性,正偏：在结上加正向电压时，结电阻很低，正向电流较大，结处于导通状态。,反偏：加反向电压时，结电阻很高，反向电流很小，结处于截止状态。,二、二极管的结构和符号,半导体二极管，其结构与图形符号如图6-1，常见外形如图6-2。,结构,图形符号,图6-2 常见外形图,三、二极管的伏安特性,二极管的主要特性是单向导电性，其伏安特性曲线如图6-3所示。（以正极到负极为参考方向）。,1）外加正向电压很小时，二极管呈现较大的电阻，几乎没有正向电流通过。曲线 段（或 段）称作死区
3、，点 （或 ）的电压称为死区电压，硅管的死区电压一般为0.5V，锗管则约为0.1V。,2）二极管的正向电压大于死区电压后，二极管呈现很小的电阻，有较大的正向电流流过，称为二极管导通，如 段（或 ）特性曲线所示，此段称为导通段。从图中可以看出：硅管电流上升曲线比锗管更陡。二极管导通后的电压为导通电压，硅管一般为0.7V，锗管约为0.3V。,1正向特性,2反向特性,1）当二极管承受反向电压时，其反向电阻很大，此时仅有非常小的反向电流（称为反向饱和电流或反向漏电流），如曲线段 （或 段）所示。实际应用中二极管的反向饱和电流值越小越好，硅管的反向电流比锗管小得多，一般为几十微安，而锗管为几百微安。,2
4、）当反向电压增加到一定数值时（如曲线中的 点或 点），反向电流急剧增大，这种现象称为反向击穿，此时对应的电压称为反向击穿电压，用 表示，曲线中 段（或 段）称为反向击穿区。通常加在二极管上的反向电压不允许超过击穿电压，否则会造成二极管的损坏（稳压管除外）。,图6-3 二极管的伏安特性,四、二极管的主要参数,（1）最大整流电流 它是指二极管长期工作时所允许通过的最大正向平均电流。实际应用时，流过二极管的平均电流不能超过这个数值，否则，将导致二极管因过热而永久损坏。,（2）最高反向工作电压 指二极管工作时所允许加的最高反向电压，超过此值二极管就有被反向击穿的危险。通常手册上给出的最高反向工作电压
5、约为击穿电压 的一半。,（3）反向电流 指二极管未被击穿时的反向电流值。 越小，说明二极管的单向导电性能越好。 对温度很敏感，温度增加，反向电流会增加很大。,五、特殊二极管,1稳压二极管,稳压二极管简称稳压管，它是一种用特殊工艺制造的面结合型硅半导体二极管，其图形符号和外形封装如图6-4所示。,图6-4 稳压二极管的图形符号与外形,外形,图形符号,范围内变化。,稳压管的伏安特性曲线,工作区域,图6-5,稳压管的应用,使用时，阴极接外加电压的正极，阳极接外加电压负极，管子反向偏置，工作在反向击穿状态，利用它的反向击穿特性稳定直流电压。 二极管在反向击穿状态下，流过管子的电流变化很大，而两端电压变
6、化很小，稳压管正是利用这一点实现稳压作用的。稳压管工作时，必须接入限流电阻，才能使其流过的反向电流在 范围内变化,发光二极管是一种光发射器件，能把电能直接转换成光能的固体发光器件，它是由镓（Ga）、砷（As）、磷（P）等化合物制成的，其图形符号如图6-6a所示。由这些材料构成的结加上正偏电压时，PN结便以发光的形式来释放能量。 发光二极管的种类按发光的颜色可分为红、橙、黄、绿和红外光二极管等多种，按外形可分为方形、圆形等。图6-6b是发光二极管的外形，它的导通电压比普通二极管高。,2发光二极管,图6-6 发光二极管的图形符号和外形,图形符号,外形,发光二极管的应用,应用时，加正向电压，并接入相
7、应的限流电阻，它的正常工作电流一般为几个毫安至几十毫安。发光强度在一定范围内与正向电流大小近似成线性关系。 发光二极管作为显示器件，除单个使用外，也常做成七段式或矩阵式，如用作微型计算机、音响设备、数控装置中的显示器。 发光二极管的检测一般用万用表R10k()档，通常正向电阻15k左右，反向电阻为无穷大。,第二节 晶体管,一、晶体管的结构和符号,1 结构和符号,晶体管的结构示意图如图6-7a所示，分为NPN型管和PNP型管。为了收集发射区发射过来的载流子以及便于散热，要求集电结面积较大，发射区多数载流子的浓度比集电区大，因此使用时集电极与发射极不能互换。晶体管的图形符号如图6-7b所示，符号中
8、的箭头方向表示发射结正向偏置时的电流方向。,半导体三极管又称晶体三极管或双极型晶体管，简称晶体管。,图6-7 晶体管的结构和图形符号,结构,图形符号,2 外形,图6-8 几种常见的晶体管的外形结构,1晶体管的工作电压,图6-9 晶体管的工作电压,NPN,PNP,图6-10 晶体管电流的实验电路,2 晶体管各个电极的电流分配,实验电路如图6-10所示。此电路称为晶体管的共发射极放大电路。,表6-1 晶体管电流测量数据,从表6-1中的实验数据可以找出晶体管各极电流分配关系,（6-1）,3晶体管的电流放大作用,从表6-1中的实验数据还可以看出： ，而且当调节电位器RP使 有一微小变化时，会引起 较大
9、的变化，这表明基极电流 （小电流）控制着集电极电流 （大电流），所以晶体管是一个电流控制器件，这种现象称为晶体管的电流放大作用。,三、晶体管的特性曲线,1输入特性曲线,图6-11 输入特性曲线,2. 输出特性曲线（图6-12）,（1）截止区 发射结零偏或反偏，集电结也反向偏置。,（2）放大区 发射结正向偏置，集电结反向偏置。 与 成正比关系。,（3） 饱和区 发射结和集电结均处于正向偏置。晶体管失去放大作用， 处于“饱和”状态。 称为晶体管的饱和压降，此值很小，约为0.3V。,晶体管具有“开关”和“放大”功能。,图6-12 输出特性曲线,四、晶体管的主要参数,1电流放大倍数,（1）共发射极直流
10、电流放大倍数 静态时 与 的比值称为共发射极静态电流放大倍数，即直流电流放大倍数,（6-2）,（2）共发射极交流电流放大倍数 （ ） 动态时， 与 的比值称为动态电流放大倍数，即交流电流放大倍数,（6-3）,2极间反向电流,（2）穿透电流 为基极开路时，由集电区穿过基区流入发射区的穿透电流，它是 的（1+ ）倍，即,（6-4）,的测量电路如图6-13b所示。,图6-13 极间反向电流的测量电路,的测量电路,的测量电路,3极限参数,（1）集电极最大允许电流 当 值下降到正常值的三分之二时的集电极电流，称为 。使用时， 超过 时晶体管并不一定会损坏，但 值将降低。,（2）集电极发射极反向击穿电压
11、指基极开路时，加于集电极与发射极间的反向击穿电压，一般为几十伏至几百伏以上。,（3）发射极基极反向击穿电压 指集电极开路时，允许加在发射极基极之间的最高反向电压，一般为几伏至几十伏。,（4）集电极最大允许功耗 使用中应使 允许管耗线，如图6-14所示。,图6-14 晶体管的安全工作区,第三节 场效应管,场效应晶体管，简称场效应管。 场效应管和晶体管的特点：场效应管是一种电压控制型器件。而晶体管是一种电流控制型器件。 优点：具有很高的输入电阻、热稳定性好、低噪声、抗辐射能力强、制造工艺简单、便于集成等。 分类：场效应管可分为结型和绝缘栅型两类，其中绝缘栅型（简称MOS管）应用更广泛 。,一、绝缘
12、栅场效应管的结构及符号,MOS管：绝缘栅型场效应管是由金属、氧化物和半导体组成，因此又称为金属氧化物半导体场效应管，简称MOS管。 MOS管的分类：可分为增强型与耗尽型两种类型，每一种又分为N沟道和P沟道，即NMOS管和PMOS管。 增强型MOS管：图6-15为N沟道增强型MOS管结构示意图和图形符号，箭头向内表示N沟道。导电沟道的特点是原先没有导电沟道，在外电场的作用下才形成了导电沟道。 耗尽型MOS管： 图6-16为N沟道耗尽型MOS的结构示意图和图形符号。导电沟道的特点是在制造时就有一个原始导电沟道。 若是P沟道，则箭头朝外。,图6-15 N沟道增强型绝缘栅场效应管 a) 结构 b) 图
13、形符号,结构,图形符号,图6-16 N沟道耗尽型绝缘栅场效应管,结构,图形符号,二、绝缘栅场效应管的特性,1N沟道增强型MOS管特性,（6-6）,（1）转移特性 图6-17a为某增强型NMOS管的转移特性曲线。当 时， ，这相当于晶体管输入特性曲线的死区；当 = 时，导电沟道开始形成，随着 的增大， 也增大，这说明 开始受到 的控制，它们之间的关系如下：,式中， 是 时的 （mA）， 称为NMOS管的开启电压（V）。,图6-17 增强型NMOS管的特性曲线,转移特性,输出特性,（2）输出特性 图6-17b为某增强型NMOS管的输出特性曲线。,3）截止区 当 时，场效应管工作在截止区，此时，漏极
14、电流 极小，几乎不随 变化。,注意： 较大时，场效应管的 会急剧增大，如无限流措施，管子将被损坏，该区域叫击穿区，此时，场效应管已不能正常工作。,1）可变电阻区 在该区域， 越大，沟道电阻越小，故曲线越陡。在这个区域中，沟道电阻由 决定，故称可变电阻区。,2N沟道耗尽型MOS管特性,在 0时，耗尽型场效应管的转移特性可近似表示为,（6-7）,式中， 为 的漏极电流， 为夹断电压。,图6-18 耗尽型NMOS管特性,夹断电压,三、场效应管的主要参数,（1）开启电压 或夹断电压 当 为某固定值时，使漏极电流接近零时的栅源电压即为开启电压 （增强型）或夹断电压 （耗尽型）。,（3）漏源击穿电压 当 增加，使 开始剧增时的 称为 。使用时， 不允许超过此值，否则会烧坏管子。,（4）栅源击穿电压 使二氧化硅绝缘层击穿时的栅源电压叫做栅源击穿电压 ，一旦绝缘层被击穿将造成短路现象，使管子损坏。,（6）漏极最大耗散功率 是管子允许的最大耗散功率，类似于半导体三极管中的 。,(6-8),式中， 单位为毫西门子（mS）。,越大，场效应管放大能力越好，即 控制 的能力越强。一般为零点几到几毫西门子。,（5）直流输入电阻 栅源间所加电压与栅极电流的比值。 约为 。,四、场效应管与晶体管
