第9章 常用半導(dǎo)體器件

1、第第九九章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 第一節(jié)第一節(jié) PN結(jié)及其單向?qū)щ娦越Y(jié)及其單向?qū)щ娦?第二節(jié)第二節(jié) 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管 第三節(jié)第三節(jié) 特殊二極管特殊二極管 第四節(jié)第四節(jié) 晶體管晶體管 第五節(jié)第五節(jié) 場效應(yīng)晶體場效應(yīng)晶體管管 第六節(jié)第六節(jié) 晶閘管晶閘管 習(xí)習(xí) 題題 目錄目錄第一節(jié)第一節(jié) PN結(jié)及其單向?qū)щ娦越Y(jié)及其單向?qū)щ娦?半導(dǎo)體的導(dǎo)電特點半導(dǎo)體的導(dǎo)電特點 PN結(jié)結(jié)返返 回回一、半導(dǎo)體的導(dǎo)電特點一、半導(dǎo)體的導(dǎo)電特點1.半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料 物質(zhì)分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體、物質(zhì)分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體。半導(dǎo)體是絕緣體。半導(dǎo)體是4價元素。價元素。 半導(dǎo)體材料的特點：半導(dǎo)體材料的特點： 半導(dǎo)體的

2、導(dǎo)電能力受光和熱影響。半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力受光和熱影響。 T 導(dǎo)電能力導(dǎo)電能力 光照光照導(dǎo)電能力導(dǎo)電能力 純凈的半導(dǎo)體摻入雜質(zhì)導(dǎo)電性會大大增強。純凈的半導(dǎo)體摻入雜質(zhì)導(dǎo)電性會大大增強。返回返回+4+4 純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為本征純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體中的載流子本征半導(dǎo)體中的載流子 自由電子自由電子 () 空空 穴穴 （+）2. 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體空穴與電子成對出現(xiàn)并可以復(fù)合?？昭ㄅc電子成對出現(xiàn)并可以復(fù)合。* 空穴的移動空穴的移動返回返回3. 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體 N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體摻摻5價元素，如磷，自價元素，如磷，自由電子數(shù)多于空穴數(shù)，由電子數(shù)多

3、于空穴數(shù)，自由電子數(shù)是多子。自由電子數(shù)是多子。 P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 摻摻3價元素，如硼，價元素，如硼， 空穴數(shù)多于自由電子空穴數(shù)多于自由電子數(shù)，空穴是多子。數(shù)，空穴是多子。返回返回N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體磷原子磷原子硅原子硅原子+N型硅表示型硅表示+4+5+4+4硅或鍺硅或鍺 +少量磷少量磷 N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體多余電子多余電子返回返回P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體硼原子硼原子P型硅表示型硅表示+4+4+4+3硅原子硅原子硅或鍺硅或鍺 +少量硼少量硼 P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體多余空穴多余空穴返回返回返回返回4擴散運動與漂移運動擴散運動與漂移運動 載流子由于濃度差異而形成運動叫載流子由于濃度差異而形成運動叫擴散運動擴散運

4、動。 在電場作用下，載流子的定向運動叫在電場作用下，載流子的定向運動叫漂移漂移運動運動。 1. PN結(jié)的形成結(jié)的形成二二、 PN結(jié)結(jié)擴散運動擴散運動空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)削弱內(nèi)電場削弱內(nèi)電場漂移運動漂移運動內(nèi)電場內(nèi)電場動態(tài)平衡動態(tài)平衡 P內(nèi)電場內(nèi)電場電荷區(qū)空間電荷區(qū)空間擴散運動擴散運動漂移運動漂移運動N返回返回 外電場方向與內(nèi)電場方向相反外電場方向與內(nèi)電場方向相反 空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)(耗盡層耗盡層)變薄變薄 擴散漂移擴散漂移 導(dǎo)通電流很大導(dǎo)通電流很大 ,呈低阻態(tài)。呈低阻態(tài)。 2. PN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦?PN內(nèi)電場內(nèi)電場外電場外電場 加正向電壓（正偏）加正向電壓（正偏） P（+） N

5、（）（）返回返回少子形成的電流，可忽略。少子形成的電流，可忽略。外電場與內(nèi)電場相同外電場與內(nèi)電場相同耗盡層加厚耗盡層加厚 漂移擴散漂移擴散少子形成反向電流少子形成反向電流IR，很小，呈高阻態(tài)。，很小，呈高阻態(tài)。N P 內(nèi)電場內(nèi)電場 外電場外電場 加反向電壓（反偏）加反向電壓（反偏）P（）（） N（+） PN結(jié)正偏，導(dǎo)通；結(jié)正偏，導(dǎo)通；PN結(jié)反偏，截止結(jié)反偏，截止返回返回第二節(jié)第二節(jié) 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管 半導(dǎo)體二極管的伏安特性半導(dǎo)體二極管的伏安特性 半導(dǎo)體二極管的主要參數(shù)半導(dǎo)體二極管的主要參數(shù)返返 回回一、半導(dǎo)體二極管的伏安特性一、半導(dǎo)體二極管的伏安特性+P區(qū)陽極區(qū)陽極N區(qū)陰極區(qū)陰極 陽極

6、陽極陰極陰極 1. 正向特性正向特性死區(qū)電壓死區(qū)電壓 硅管硅管 0.5V 鍺管鍺管 0.1V 正向?qū)妷赫驅(qū)妷?硅管硅管 0.7V 鍺管鍺管 0.3VI/mAU/V反向擊穿電壓反向擊穿電壓死區(qū)死區(qū)GeSi 2. 反向特性反向特性 反向飽和電流很反向飽和電流很小，可視為開路；小，可視為開路；反向電壓過高，電反向電壓過高，電流急增，二極管發(fā)流急增，二極管發(fā)生擊穿。生擊穿。導(dǎo)通電壓導(dǎo)通電壓VD返回返回O二、半導(dǎo)體二極管的主要參數(shù)二、半導(dǎo)體二極管的主要參數(shù)1. 最大整流電流最大整流電流 IF 二極管允許通過的最大正向平均電流。二極管允許通過的最大正向平均電流。2. 最高反向工作電壓最高反向工作

7、電壓 URM 保證二極管不被擊穿允許加的最大反向電保證二極管不被擊穿允許加的最大反向電壓。壓。3. 最大反向飽和電流最大反向飽和電流 IR 室溫下，二極管加最高反向電壓時的反向室溫下，二極管加最高反向電壓時的反向電流，與溫度有關(guān)。電流，與溫度有關(guān)。返回返回例例1、如圖，當、如圖，當E5V時，時， I5mA，則，則 E=10V，I（ ） A. I10mA B. I 10mA C. I10mA D. 不確定不確定EVDIB返回返回O 例例2、如圖，、如圖，E5V，二極管正向壓降忽略不，二極管正向壓降忽略不計，畫出計，畫出 uo波形。波形。EVDuiuo10ui /Vtui E VD導(dǎo)通導(dǎo)通 uo

8、= ui5uot5 利用二極管的單向?qū)щ娦钥蓪敵隼枚O管的單向?qū)щ娦钥蓪敵鲂盘柶鹣薹饔?。信號起限幅作用。返回返回O 例例3、如圖，、如圖，E6V，二極管正向壓降忽略不，二極管正向壓降忽略不計，畫出計，畫出 uo波形。波形。EVD1uiuo10ui /Vt6EVD2R6ui E，VD1導(dǎo)通，導(dǎo)通，VD2截截止止 uo=E=6VEui E ，VD1、VD2截止截止， uo=uiuot解：解：ui 0 12VVD1率先導(dǎo)通，率先導(dǎo)通， UF3V0.3V2.7VVD2截止截止解：解：返回返回第三節(jié)第三節(jié) 特殊二極管特殊二極管 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管 光敏二極管光敏二極管 發(fā)光二極管發(fā)光二極管 返返 回回

9、 穩(wěn)壓管是一種特殊的二極管，具有穩(wěn)定穩(wěn)壓管是一種特殊的二極管，具有穩(wěn)定電壓的作用。電壓的作用。 穩(wěn)壓管工作于反向擊穿穩(wěn)壓管工作于反向擊穿區(qū)。區(qū)。 特點：電流變化大，電特點：電流變化大，電壓變化小。壓變化小。1. 穩(wěn)壓原理穩(wěn)壓原理穩(wěn)壓管：穩(wěn)壓管：1）加正向電壓時等同于二極管。）加正向電壓時等同于二極管。 2）加反向電壓時使其擊穿后穩(wěn)壓。）加反向電壓時使其擊穿后穩(wěn)壓。I /mAU /V反向擊反向擊穿電壓穿電壓VS返回返回一、穩(wěn)壓管一、穩(wěn)壓管O 1) 穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓UZ正常工作下，穩(wěn)壓管兩端電壓。正常工作下，穩(wěn)壓管兩端電壓。 同一型號的穩(wěn)壓管分散性較大。同一型號的穩(wěn)壓管分散性較大。 2) 穩(wěn)定電流

10、穩(wěn)定電流 IZ 正常工作下的參考電流。正常工作下的參考電流。 大小由限流電阻決定。大小由限流電阻決定。 3) 動態(tài)電阻動態(tài)電阻rZ rZ =U/ /I rZ 越小，穩(wěn)壓效果越好。越小，穩(wěn)壓效果越好。2. 穩(wěn)壓管參數(shù)穩(wěn)壓管參數(shù)返回返回4) 溫度系數(shù)溫度系數(shù)u 溫度改變溫度改變1，穩(wěn)壓值改變的百分比。，穩(wěn)壓值改變的百分比。 其值可正，可負。其值可正，可負。5) 最大允許耗散功率最大允許耗散功率PZM 管子不至于產(chǎn)生熱損壞時的最大功率損管子不至于產(chǎn)生熱損壞時的最大功率損耗值叫做最大耗散功率。穩(wěn)壓管工作時，功耗值叫做最大耗散功率。穩(wěn)壓管工作時，功耗超過耗超過PZM ，管子將會因熱擊穿而損壞。，管子將會

11、因熱擊穿而損壞。 返回返回返回返回例例1、如圖，已知、如圖，已知UZ=10V，負載電壓，負載電壓UL（ ） （）（） 5 （）（）10 （）（）15 （）（）20AVS20V15k5kUL 穩(wěn)壓管的工作條件穩(wěn)壓管的工作條件（）必須工作在反向擊穿狀態(tài)。（）必須工作在反向擊穿狀態(tài)。（）電路中應(yīng)有限流電阻，以保證反向電流不（）電路中應(yīng)有限流電阻，以保證反向電流不超過允許范圍。超過允許范圍。例例2、已知、已知ui = 6sint，UZ =3V，畫輸出波形。，畫輸出波形。 VS uiuo6ui /Vt3uot3返回返回OO例例3、圖示電路中，穩(wěn)壓管、圖示電路中，穩(wěn)壓管VS1、VS2的穩(wěn)壓值分的穩(wěn)壓值分別

12、為別為UZ15V，UZ27V，正向壓降為，正向壓降為0.7，若，若輸入電壓輸入電壓Ui波形如圖所示，試畫出輸出電壓波波形如圖所示，試畫出輸出電壓波形。形。RRVS1VS2UiUoUit6V12V2VUi 經(jīng)電阻分壓經(jīng)電阻分壓 URUi/ /2 當當UR UR5V，VS1反向?qū)?，反向?qū)ǎ琕S2截止截止 ，Uo=UZ1 UR 1 IB 變化很小，與變化很小，與 UCE = 1 曲線曲線重合。重合。CE1U 返回返回O2輸出特性曲線輸出特性曲線BCCE()IIf U 衡衡量量飽和區(qū)飽和區(qū)截止區(qū)截止區(qū)放大區(qū)放大區(qū) 截止區(qū)截止區(qū)IB0 ，IC0 ，UBE0 發(fā)射結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。集電結(jié)

13、反偏。 放大區(qū)放大區(qū) ICIB 發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。 飽和區(qū)飽和區(qū) UCEUBE ，發(fā)射結(jié)、集電結(jié)正偏。，發(fā)射結(jié)、集電結(jié)正偏。IC/mAUCE /VIB0IB20AIB40AIB60AIB80A返回返回O2極間反向電流極間反向電流 ICBO：發(fā)射極開路，基極與集電極間的反向：發(fā)射極開路，基極與集電極間的反向飽和電流，受溫度影響大。飽和電流，受溫度影響大。 ICEO：基極開路，集電極與發(fā)射極間的穿透：基極開路，集電極與發(fā)射極間的穿透電流。電流。CBII CEOCBO(1)II 四、晶體管主要參數(shù)四、晶體管主要參數(shù)1 放大倍數(shù)放大倍數(shù)返回返回 集電極最大電流集電極最大電

14、流ICM IC ICM 集電極集電極發(fā)射極反向擊穿電壓發(fā)射極反向擊穿電壓UCEO 基極開路，加在集電極和發(fā)射極間的最大基極開路，加在集電極和發(fā)射極間的最大允許工作電壓。允許工作電壓。 UCE UCEO 集電極最大允許功耗集電極最大允許功耗PCM ICUCE VB VE PNP： VC UB 開啟電壓開啟電壓形成導(dǎo)電溝道形成導(dǎo)電溝道ID隨隨UGS的增加而增大的增加而增大 漏極特性曲線漏極特性曲線可變電可變電阻區(qū)阻區(qū)夾斷區(qū)夾斷區(qū)恒流區(qū)恒流區(qū)ID/mAUDS /VUGS2VUGS5VUGS6V場效應(yīng)管是一種電場效應(yīng)管是一種電壓控制電流的器件壓控制電流的器件OV返回返回轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線IDUG

15、SUGS（th）開啟電壓開啟電壓 固定一個固定一個UDS，ID和和UGS的關(guān)系曲線，稱為轉(zhuǎn)的關(guān)系曲線，稱為轉(zhuǎn)移特性曲線。移特性曲線。2GSDDOGSGS(th)GS(th)1UIIUUU IDO是是UGS(th)/2時的時的ID值值 在一定的漏源電壓在一定的漏源電壓UDS下，下，使管子由不導(dǎo)通變?yōu)閷?dǎo)通的臨界使管子由不導(dǎo)通變?yōu)閷?dǎo)通的臨界柵源電壓稱為開啟電壓柵源電壓稱為開啟電壓UGS(th）。O返回返回二、二、N溝道耗盡型溝道耗盡型MOS管管PN+N+GSDGSDBBN型溝道型溝道 耗盡型管子的柵源電壓，耗盡型管子的柵源電壓，在一定范圍內(nèi)正、負值均可在一定范圍內(nèi)正、負值均可控制漏極電流的大小?？刂?/p>

16、漏極電流的大小。 耗盡型場效應(yīng)管耗盡型場效應(yīng)管在制造時導(dǎo)電溝在制造時導(dǎo)電溝道就已形成道就已形成返回返回 特性曲線特性曲線ID(mA)UDS (V)UGS0.8VUGS0VUGS0.2VOUGS（off）IDUGS夾斷電壓夾斷電壓漏極特漏極特性曲線性曲線轉(zhuǎn)移特轉(zhuǎn)移特性曲線性曲線 當當UGS達到一定負達到一定負值時，值時，N型導(dǎo)電溝道型導(dǎo)電溝道消失，消失，ID= 0，稱場，稱場效應(yīng)晶體管處于夾效應(yīng)晶體管處于夾斷狀態(tài)。斷狀態(tài)。O返回返回三、三、MOS管的主要參數(shù)及使用注意事項管的主要參數(shù)及使用注意事項1直流參數(shù)直流參數(shù) 開啟電壓開啟電壓UGS（th）：在：在UDS為某一固定值時，為某一固定值時，形成

17、形成ID所需要的最小所需要的最小| |UGS| |值。值。 夾斷電壓夾斷電壓UGS（off）：在：在UDS為某一固定值時，為某一固定值時，使使ID為某一微小電流（便于測量）所需要的為某一微小電流（便于測量）所需要的UGS值。值。 飽和漏電流飽和漏電流IDSS：指在：指在UGS0 、 UDS10V時，時，使管子出現(xiàn)預(yù)夾斷時的漏極電流。使管子出現(xiàn)預(yù)夾斷時的漏極電流。 直流輸入電阻直流輸入電阻RGS（DC）：柵源電壓和柵極電：柵源電壓和柵極電流的比值，一般大于流的比值，一般大于109。返回返回2極限參數(shù)極限參數(shù) 最大漏極電流最大漏極電流IDM：管子在工作時允許的最大：管子在工作時允許的最大漏極電流。

18、漏極電流。 最大耗散功率最大耗散功率PDM：決定管子溫升的參數(shù)。：決定管子溫升的參數(shù)。如超過如超過PDM時，管子因過熱而損壞或引起性能時，管子因過熱而損壞或引起性能變壞。變壞。 漏源擊穿電壓漏源擊穿電壓U（BR）DS：指在：指在UDS增大過程中，增大過程中，使使ID出現(xiàn)急劇增加的電壓。出現(xiàn)急劇增加的電壓。 柵源擊穿電壓柵源擊穿電壓U（BR）GS：絕緣層擊穿電壓。：絕緣層擊穿電壓。管子擊穿后將出現(xiàn)短路，使管子損壞。管子擊穿后將出現(xiàn)短路，使管子損壞。返回返回3交流參數(shù)交流參數(shù) 低頻跨導(dǎo)低頻跨導(dǎo)gm：在：在UGS為某一固定值時，為某一固定值時，ID的的微小變化量和引起它變化的微小變化量和引起它變化的

19、UGS微小變化量之微小變化量之間的比值，單位為西門子（間的比值，單位為西門子（S） 極間電容極間電容: 場效應(yīng)晶體管的三個極之間均存場效應(yīng)晶體管的三個極之間均存在電容。通常柵源電容在電容。通常柵源電容CGS和柵漏電容和柵漏電容CGD約為約為13pF，而漏源電容，而漏源電容CDS約為約為0.11pF。 DmGSDS d=dIgUU返回返回4. 使用注意事項使用注意事項 管子保存和使用不當時，感應(yīng)電壓過高極易管子保存和使用不當時，感應(yīng)電壓過高極易造成管子擊穿。造成管子擊穿。 存放時應(yīng)使三個電極短接。存放時應(yīng)使三個電極短接。 在焊接時，烙鐵要有良好接地。在焊接時，烙鐵要有良好接地。 第第六六節(jié)節(jié) 晶

20、閘管晶閘管 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 工作原理工作原理 伏安特性伏安特性 主要參數(shù)主要參數(shù)返返 回回返回返回 晶閘管又稱可控硅（晶閘管又稱可控硅（SCR)（Silicon Controlled Rectifier）是）是一種一種大功率半導(dǎo)體器大功率半導(dǎo)體器件，它的出現(xiàn)使半導(dǎo)體器件由弱電領(lǐng)域擴展到件，它的出現(xiàn)使半導(dǎo)體器件由弱電領(lǐng)域擴展到強電領(lǐng)域。強電領(lǐng)域。 晶閘管具有晶閘管具有體積小、重量輕、無噪聲、壽體積小、重量輕、無噪聲、壽命長、命長、 容量大（正向平均電流達千安、正向耐容量大（正向平均電流達千安、正向耐壓達數(shù)千伏）等特點。壓達數(shù)千伏）等特點。返回返回螺旋式結(jié)構(gòu)螺旋式結(jié)構(gòu)平板式結(jié)構(gòu)平板式結(jié)構(gòu)返回返回

21、一、基本結(jié)構(gòu)一、基本結(jié)構(gòu)P1P2N1N2四四 層層 半半 導(dǎo)導(dǎo) 體體K（陰極）（陰極）G（控制極）（控制極）A（陽極）（陽極）三三 個個 PN結(jié)結(jié)AKG符號符號晶閘管不導(dǎo)通晶閘管不導(dǎo)通 無論控制極無論控制極G與陰極與陰極K之間是否加有電壓，晶閘之間是否加有電壓，晶閘管均不能導(dǎo)通。管均不能導(dǎo)通。返回返回二、工作原理二、工作原理P1P2N1N2N1P2AGK 控制極控制極G和陰極和陰極K之間不加正之間不加正向電壓向電壓 陽極陽極A和陰極和陰極K加反向電壓加反向電壓反偏反偏反偏反偏 陽極陽極A和陰極和陰極K加正向電壓加正向電壓正偏正偏正偏正偏反偏反偏 控制極控制極G和陰極和陰極K之間加正向之間加正向

22、電壓電壓 正向電壓足夠大時，三個正向電壓足夠大時，三個PN結(jié)都正偏，晶閘管導(dǎo)通。結(jié)都正偏，晶閘管導(dǎo)通。KAGVT1VT2返回返回KAGVT1VT2RLUGUAIG2IG2IG1正反饋正反饋 兩個晶體管進兩個晶體管進入飽和導(dǎo)通狀態(tài)。入飽和導(dǎo)通狀態(tài)。 晶閘管導(dǎo)通后，晶閘管導(dǎo)通后， UAK0.61.2VC22GII C112B212G III 此時即使去掉控此時即使去掉控制極與陰極之間的制極與陰極之間的電壓，由于本身的電壓，由于本身的正反饋作用晶閘管正反饋作用晶閘管仍能維持導(dǎo)通。仍能維持導(dǎo)通。控制極電壓控制極電壓UG的作用僅的作用僅僅是觸發(fā)晶閘管的導(dǎo)通僅是觸發(fā)晶閘管的導(dǎo)通 晶閘管的晶閘管的導(dǎo)通條件導(dǎo)通條件為：為：陽極和陰極間加正向電壓。陽極和陰極間加正向電壓?？刂茦O和陰極間加正向觸發(fā)電壓?？刂茦O和陰極間加正向觸發(fā)電壓。陽極電流不小于維持電流。陽極電流不小于維持電流。陽極陽極A加反向電壓，或不加觸發(fā)信號。加反向電壓，或不加觸發(fā)