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1、第4 章 常用半导体器件本章要求 了解 PN 结及其单向导电性，熟悉半导体二极管的伏安特性及其主要 参数。理解稳压二极管的稳压特性。了解发光二极管、光电二极管、变容二极管。 掌握半导体三极管的伏安特性及其主要参数。了解绝缘栅场效应晶体管的伏安特 性及其主要参数。本章内目前使用得最广泛的是半导体器件半导体二极管、稳压管、半导体 三极管、绝缘栅场效应管等。本章介绍常用半导体器件的结构、工作原理、伏安 特性、主要参数及简单应用。本章学时 6 学时4.1 PN 结和半导体二极管本节学时 2 学时本节重点 1、PN 结的单向导电性；2、半导体二极管的伏安特性；3、半导体二极管的应用。教学方法 结合理论与
2、实验，讲解 PN 结的单向导电性和半导体二极管的伏安特性， 通过例题让学生掌握二半导体极管的应用。4.1.1 PN 结的单向导电性1. N型半导体和P型半导体在纯净的四价半导体晶体材料（主要是硅和锗）中掺入微量三价（例如硼） 或五价（例如磷）元素，半导体的导电能力就会大大增强。掺入五价元素的半导 体中的多数载流子是自由电子，称为电子半导体或N型半导体。而掺入三价元素 的半导体中的多数载流子是空穴，称为空穴半导体或P型半导体。在掺杂半导体 中多数载流子（称多子）数目由掺杂浓度确定，而少数载流子（称少子）数目与 温度有关，并且温度升高时，少数载流子数目会增加。2. PN 结的单向导电性当PN结加正
3、向电压时，P端电位高于N端，PN结变窄，而当PN结加反向电 压时，N端电位高于P端，PN结变宽，视为截止（不导通）。4.1.2 半导体二极管1. 结构半导体二极管就是由一个PN结加上相应的电极引线及管壳封装而成的。由P 区引出的电极称为阳极，N区引出的电极称为阴极。因为PN结的单向导电性， 二极管导通时电流方向是由阳极通过管子内部流向阴极。2. 二极管的种类按材料来分，最常用的有硅管和锗管两种；按用途来分，有普通二极管、整 流二极管、稳压二极管等多种；按结构来分，有点接触型，面接触型和硅平面型 几种，点接触型二极管（一般为锗管）其特点是结面积小，因此结电容小，允许 通过的电流也小，适用高频电路
4、的检波或小电流的整流，也可用作数字电路里的 开关元件；面接触型二极管（一般为硅管）其特点是结面积大，结电容大，允许 通过的电流较大，适用于低频整流；硅平面型二极管，结面积大的可用于大功率 整流，结面积小的，适用于脉冲数字电路作开关管。4.1.3 二极管的伏安特性1. 正向特性当外加正向电压很低时，正向电流几乎为零。 当正向电压超过一定数值时，才有明显的正向电 流，这个电压值称为死区电压，通常硅管的死区 电压约为0.5V ,锗管的死区电压约为0.2V ,当正向电压大于死区电压后，正向电流迅速增长，曲二极管的伏安特性线接近上升直线，在伏安特性的这一部分，当电流迅速增加时，二极管的正向压降变化很小，
5、硅管正向压降约为0.6 0.7V，锗管的正向压降约为0.2 0.3V。二极管的伏安特性对温度很敏感，温度升高时，正向特性曲线向左移，这说明，对应同样大小的正向电流，正向压降随温升而减小。研究表明，温度每升高loC ，正向压降减小2mV。2. 反向特性二极管加上反向电压时，形成很小的反向电流，且在一定温度下它的数量基 本维持不变，因此，当反向电压在一定范围内增大时，反向电流的大小基本恒定， 而与反向电压大小无关，故称为反向饱和电流，一般小功率锗管的反向电流可达 几十yA，而小功率硅管的反向电流要小得多，一般在O.lyA以下，当温度升高 时，少数载流子数目增加，使反向电流增大，特性曲线下移，研究表
6、明，温度每 升高1OoC ，反向电流近似增大一倍。3. 反向击穿特性当二极管的外加反向电压大于一定数值（反向击穿电压）时，反向电流突然 急剧增加称为二极管反向击穿。反向击穿电压一般在几十伏以上。反向击穿后， 电流的微小变化会引起电压很大变化。4.1.4 二极管的主要参数1.最大整流电流Idm二极管长期工作时，允许通过的最大的正向平均电流2.反向工作峰URM 是指管子不被击穿所允许的最大反向电压。3.反向峰二极管加反向电压V时的反向电流值，RM越小二极管的单向导电性愈好。RM硅管的反向电流较小，一般在几微安以下，锗管的反向电流较大，为硅管的几十 到几百倍。4. 最高工作频率二极管在外加高频交流电
7、压时，由于PN结的电容效应，单向导电作用退化。M指的是二极管单向导电作用开始明显退化的交流信号的频率。4.1.5 二极管的应用1. 整流所谓整流，就是将交流电变成脉动直流电。利用二极管的单向导电性可组成单相和三相整流电路，再经过滤波和稳压，就可以得到品平稳的直流电。整流部二极管钳位电路分的具体应用在后面详述。2. 钳位利用二极管正向导通时压降很小的特性，可组成钳位电路，在图中，若A点电位为零，则 二极管导通，由于其压降很小，故F点的电位也 被钳制在A点电位左右，即Uf约等于零。3限幅利用二极管导通后压降很小且基本不变的特性，可以构成限幅电路，使输出电压幅度限制在某一电压值内。设输入电压 ui
8、= UmpinetV 则输出电压的正向 幅度被限制在 US 值内。4二极管门电路门电路是一种逻辑电路，在输入信号（条件）和输出信号（结果）之间存在着一定的因果关系即逻辑关系。在逻辑电路中，通常用符号 0 和 1 来表示两种对立的逻辑状态。用1表示高电平，用0表示低电平，称为正逻辑，反之为负逻辑4.2 特殊二极管本节学时 0.5 学时本节重点 稳压二极管结构和伏安特性；教学方法 结合理论与实验，讲解稳压二极管伏安特性。教学手段 以传统教学手段与电子课件相结合的手段，让学生在有限的时间内掌握更多的相关知识。教学内容4.2.1 稳压管1.结构稳压管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管，具有稳定电压的作
9、用。稳 压管与普通二极管的主要区别在于，稳压管是工作在 PN 结的反向击穿状态。通 过在制造过程中的工艺措施和使用时限制反向电流的大小，能保证稳压管在反 向击穿状态下不会因过热而损坏，而一般二极管击穿后可能造成过热而损坏。2. 伏安特性曲线从稳压管的反向特性曲线可以看出，当反向电压较小时，反向电流几乎为 零，当反向电压增高到击穿电压Uz （也是稳压管的工作电压）时，反向电流Iz（稳压管的工作电流）会急剧增加，稳压管反向击穿。在特性曲线ab段，当Iz 在较大范围内变化时，稳压管两端电压 Uz 基本不变，具有恒压特性，利用这一特性可以起到稳定电压的作用。稳压管电路、伏安特性及符号3. 稳压管的主要
10、参数1）稳定电压 UZ 稳压管正常工作时，管子两端的电压。（2）动态电阻 rz 稳压管在正常工作范围内，端电压的变化量与相应电流的变 化量的比值。厂二也稳压管的反向特性愈陡，rZ愈小，稳压性能就愈好。z AIZz（3）稳定电流IZ稳压管正常工作时的参考电流值，只有I闿 才能保证稳压管有较好的稳压性能。（4） 最大稳定电流IZmax允许通过的最大反向电流，I IZmax管子会因过热而损 坏。（5） 最大允许功耗 管子不致发生热击穿的最大功率损耗PZM =UZ IZmax（6） 电压温度系数a温度变化1oC时，稳定电压变化的百分数定义为电压温 度系数。电压温度系数越小，温度稳定性越好，通常硅稳压管
11、在匕低于4V时具 有负温度系数，高于6V时具有正温度系数,Uz在46V之间，温度系数很小。稳压管正常工作的条件有两条，一是工作在反向击穿状态 ,二是稳压管中的电流要在稳定电流和最大允许电流之间。光电二极管又称光敏二极管。它的管壳上备有一个(a)(b)光电二极管4.2.2 光电二极管玻璃窗口，以便于接受光照。其特点是，当光线照射于 它的 PN 结时，可以成对地产生自由电子和空穴，使半导体中少数载流子的浓度提高。这些载流子在一定的反 向偏置电压作用下可以产生漂移电流，使反向电流增加。因此它的反向电流随光 照强度的增加而线性增加，这时光电二极管等效于一个恒流源。当无光照时，光 电二极管的伏安特性与普
12、通二极管一样。光电二极管的主要参数有：暗电流、光电流、灵敏度、峰值波长、响应时间。光电二极管作为光控元件可用于物体检测、光电控制、自动报警等方面。大 面积的光电二极管可作为一种绿色能源，称为光电池。4.2.3 发光二极管发光二极管是一种将电能直接转换成光能的光发射器件，简称 LED 它是由镓、砷、磷等元素的化合物制成。这些材料构成的 PN 加上正 向电压时，就会发出光来，光的颜色取决于制造所用的材料。发光二极管的伏安特性和普通二极管相似，死区电压为 0.91.1V,其正向工作电压为 1.52. 5V,工作电流为 515mA。 反向击穿电压较低，一般小于 10V。发光二极管的驱动电压低、工作电流
13、小，具有很强的抗振动和冲击能力、体积小、可靠性高、耗电省和寿命长等优点，广泛用于信号指示等电路中。4.3 半导体三极管本节学时 2 学时本节重点 半导体三极管的伏安特性；教学方法 结合理论与实验，讲解半导体三极管的伏安特性， 通过例题让学生掌 握二半导体极管的应用。教学手段 以传统教学手段与电子课件相结合的手段，让学生在有限的时间内掌 握更多的相关知识。教学内容4.3.1 三极管的基本结构和类型1. 类型按功率大小可分为大功率管和小功率管；按电路中的工作频率可分为高频管 和低频管；按半导体材料不同可分为硅管和锗管；按结构不同可分为 NPN 管和 PNP 管。2. 结构无论是NPN型还是PNP型
14、都分为三个区，分别称为发射区、基区和集电区，由三个区各引出一个电极，分别称为发射极(E)、基极(B)和集电极(C),发射 区和基区之间的PN结称为发射结，集电区和基区之间的PN结称为集电结。在制造工艺上有如下三个特点：一是发射区掺杂浓度大于集电区掺杂浓度，集电区掺杂浓度远大于基区掺杂浓度；二是基区很薄，一般只有几微米；三是集 电区的截面积大，使的发射区与集电区不可互换。正是这三个特点使三极管具有 电流控制和放大作用。4.3.2 三极管的电流分配关系和放大作用三极管的发射结加正向电压，集电结反向电压，只有这样才能保证三极管 工作在放大状态。结论：(1) 基极电流IB、集电极电流IC与发射极电流I
15、E符合基尔霍夫电流定律，BCE即：IE= IB+ ICEBC(2) 发射极电流IE和集电极电流IC几乎相等，但远远大于基极电流IB,即ECBIE ” ICIB(3) 三极管有电流放大作用，体现在基极电流的微小变化会引起集电极电流较大的变化。4.3.3 三极管的特性曲线1输入特性曲线1B = f (UBE)U十CE常用UCE1V的一条曲线来代表所有输入特性曲线。和二极管一样三极管的输 入伏安特性也是非线性的，也存在着死区电压UT （或称为门槛电压）。硅管的 死区电压约为0.5V,锗管的死区电压约为0.2V。三极管导通时，发射结电压U变化不大，硅管约为（0.60.7） V,锗管约为BE（ 0.20.3） V。2.输出特性曲线ICfmA)饱和区100A4340A2r区20uA1i截止区J =0r36912UCE(V)三极管的输出特性曲线=f (U CE)输出特性曲线可分放大、截止和饱和三个区域。（1） 放大区 ：特性曲线
