第1章半導體器件

電子技術基礎第一章半導體基礎1.1半導體基礎知識1.2半導體二極管1.3半導體三極管1.4絕緣柵場效應管

電子技術基礎課程是一門技術基礎課，其任務是學習電子技術的基本理論、基本知識和基本技能，培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力，是學習后續(xù)課程的基礎。電子技術應用非常廣泛，在電力行業(yè)，電力系統(tǒng)自動化是系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行的保證，它包括兩方面內容：電力系統(tǒng)自動裝置和電力系統(tǒng)調度自動化。電力系統(tǒng)自動裝置包括備用電源和備用設備自動投入、輸電線路自動重合閘、同步發(fā)電機自動并列、同步發(fā)電機勵磁自動調節(jié)及強行勵磁、自動低頻減負荷、電力系統(tǒng)頻率和有功功率自動調節(jié)、故障錄波裝置、自動解列等。電子技術、計算機技術等學科的發(fā)展成就了電力系統(tǒng)自動化水平的提高。緒論變電站的控制室控制室內的自動控制和自動保護設備需要電子技術！變電站綜合自動化系統(tǒng)電力系統(tǒng)的保護設備電子技術的應用舉例：電力系統(tǒng)自動裝置中的同步發(fā)電機自動并列裝置，用以保證同步發(fā)電機并列操作的正確性和安全性，圖1-1是ZZQ-5型自動準同步裝置框圖，其中的方框由電子電路組成。圖1-2ZZQ-5中鑒別頻差方向的邏輯電路框圖圖1-3ZZQ-5中的合閘部分邏輯電路框圖A/D式模擬量輸入通道框圖模擬輸入中的采樣保持器的基本電路變電站綜合自動化系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的典型硬件結構圖開關量采集電路中的中斷申請電路電動機轉速自動檢測裝置原理框圖總之：電子技術在電力系統(tǒng)自動化中有著廣泛的用途。（1）抓住重點。電子器件和電子電路種類繁多，而且新器件、新電路不斷地涌現(xiàn)，學習過程中必須抓住共性，把重點放在掌握基本概念、基本的分析方法上面，對器件和電路，以功能特性和正確的使用方法為重點。各章中有很多電子系統(tǒng)應用實例，目的是介紹該章知識在電力行業(yè)的應用，讓學生明確學習的必要性，不一定弄懂整個系統(tǒng)工作情況。（2）重視實踐。電子技術是實踐性很強的課程，注意通過對實用電路的組裝、測試和調整，培養(yǎng)理論聯(lián)系實際，解決工程實際問題的能力，提高職業(yè)技能。（3）主動學習，培養(yǎng)自學能力。電子產(chǎn)品更新?lián)Q代很快，需要自己不斷地學習，所以注意培養(yǎng)自己的自學能力。（4）歸納總結。把已學的知識及時進行歸納總結，理清思路。電子技術課程學習過程中請注意以下幾點：第一章半導體器件1.1概述1.2半導體二極管進入1.3晶體三極管進入1.4絕緣柵場效應管進入1.1半導體基礎知識1.1.1本征半導體進入1.1.2雜質半導體進入1.1.3PN結及其導電性能進入自然界中的各種物質,按導電能力可分為導體、絕緣體、半導體。本征半導體是純凈的半導體，典型的半導體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。

半導體之所以得到廣泛的應用，是因為它特殊的導電性能：熱敏性、光敏性和雜敏性。1.1.1本征半導體1．熱敏性

當環(huán)境溫度變化時導體、絕緣體電阻率的變化很小，而半導體的電阻率會隨溫度的變化而顯著地變化。利用熱敏性可制成各種熱敏電阻，常用于自動檢測、自動控制電路中。3.雜敏性在半導體材料中摻入微量的某種雜質元素，可以顯著地改變其導電性能，這是半導體最突出的特性。利用雜敏性可制成各種不同性能、不同用途的半導體器件，例如二極管、三極管、場效應管等。

2．光敏性

光照的強弱會使半導體導電性能發(fā)生顯著的變化。利用光敏性可制成光電二極管、光電三極管及光敏電阻等，用于自動檢測、自動控制。

半導體具有特殊的導電特性是由其原子結構決定的。超鏈接：半導體的原子結構和共價鍵*

1.1.2雜質半導體

在本征半導體中摻入微量的三價或五價元素作為雜質，可使半導體的導電性能發(fā)生顯著變化。摻入雜質的半導體稱為雜質半導體。

1.N型半導體在本征半導體硅（或鍺）中摻入微量的3價元素（如硼、銦等），形成的雜質半導體稱為P型半導體。在本征半導體硅（或鍺）中摻入微量的5價元素（如磷、砷、鎵等），形成的雜質半導體稱為N型半導體。

2.P型半導體超鏈接：半導體的原子結構1.1.3PN結及其導電性能一、PN結進入二、PN結的單向導電性進入一、PN結在P型和N型半導體結合的交界面會形成一個特殊的薄層，稱其為PN結。PN結是構成多種半導體器件的基礎。PN結內部載流子的運動決定了它特定的性質。動畫PN結的形成

二、

PN結的單向導電性

當外加電壓使PN結中P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；反之稱為加反向電壓，簡稱反偏。1.PN結加正向電壓時導通PN結加正向電壓時的導電情況較低的正向電阻較大的正向電流動畫：PN結正向導通2.PN結加反向電壓時截止PN結加反向電壓時的導電情況動畫：PN結反向截止很高的反向電阻很小的反向電流

反偏時的電流，稱為反向飽和電流，反向電流幾乎與所加反向電壓的大小無關，而受溫度影響很大。

總之：PN結加正向電壓時，正向電流較大且隨外加電壓的變化而變化，即正向導通；PN結加反向電壓時，電流很?。s等于0），且?guī)缀醪浑S外加電壓變化，即反向截止。由此可以得出結論：PN結具有單向導電特性。三、PN結兩端有等效電容PN結表面有電荷積累，所以PN結有電容。PN結是組成各種半導體器件的基礎！二極管組成的與門電路uouAR0D2D1+VCCFuB二極管、三極管是最基本的半導體器件，下圖是二極管組成的與門電路，與門是各種自動化系統(tǒng)中常用的一種邏輯電路。1.2半導體二極管

1.2.1二極管的結構、符號和特點進入

1.2.2二極管的伏安特性進入實物圖片1.2.3二極管的主要參數(shù)進入

1.2.1二極管的結構、符號和特點

在PN結上加上引線和封裝，就成為一個二極管。二極管按結構分有點接觸型、面接觸型和平面型三大類。點接觸型

二極管的結構示意圖半導體二極管圖片安裝電子仿真軟件，可運行仿真程序后，照圖連接電路，然后運行仿真，通過測試中看到的實驗現(xiàn)象，知道二極管性能特點。仿真1.2.2二極管的伏安特性1.2.2二極管的伏安特性一、二極管的伏安特性曲線硅二極管2CP10的V-I特性鍺二極管2AP15的V-I特性正向特性反向特性反向擊穿特性（1）正向特性

外加正向電壓較小時，PN結仍處于截止狀態(tài)---死區(qū)。鍺二極管2AP15的V-I特性正向導通特性

正向電壓大于死區(qū)電壓后，正向電流隨著正向電壓增大迅速上升---正向導通。

通常正向導通電壓變化范圍很小，常取硅管0.7V，鍺管0.3V。外加反向電壓不超過擊穿電壓UBR時，反向電流

很?。s等于0）----反向截止（2）反向特性反向電壓大于擊穿電壓UBR時，反向電流急劇增加---反向擊穿反向擊穿時電流在一定范圍內變化，電壓卻變化很小---穩(wěn)壓。鍺二極管2AP15的V-I特性反向截止特性反向擊穿特性總之：整體來看，二極管是非線性的，其分析方法常用圖解法或近似計算法。近似計算法是工程中常用的一種方法，分析二極管電路的關鍵是先確定其工作狀態(tài)。[例1-1]電路如圖1-6所示，設圖中二極管為2AP8A，試求各電路中二極管VD端壓UVD、電阻的電壓UR和電流I。解：（1）通過半導體器件手冊查得，2AP8A是鍺管，允許的最大正向電流平均值為35mA，反向擊穿電壓20V（反向擊穿時穩(wěn)定電流范圍200μA至800μA），截止時反向電流約為0。圖1-6例題1-1圖圖(c)中，二極管是反向擊穿狀態(tài)，所以UVD=-20V，UR=-（30+UVD）=-（30-20）=-10V，I未超過正向最大允許電流，管子能正常工作。（2）設電壓極性和電流方向如圖所示，則：圖(a)中，二極管正向導通，所以取UVD=0.3V，則UR=3-0.3UR=2.7V，圖(b)中，二極管是反向截止狀態(tài)，所以：電流I≈0，UR≈0，UVD≈-3V。I在穩(wěn)定范圍內，管子能正常工作。

1.2.3二極管的主要參數(shù)(1)最大整流電流IFM(2)反向擊穿電壓U(BR)和最大反向工作電壓URM(3)反向電流IR半導體器件命名方法(4)正向壓降UF(5)極間電容CB(6)最高工作頻率fM圖1-10萬用表簡易測試二極管示意圖1.2.4二極管的簡易測試1.2.5二極管的用途二極管常用作開關、檢波、整流、限幅、穩(wěn)壓等等。圖1-4自鎖控制中的開關控制電路VD1起限幅作用，使AB間電壓不超過0.7V。VD2當開關，為續(xù)流二極管。VD3是穩(wěn)壓二極管。應用舉例：二極管組成的單相橋式整流電路應用舉例：把交流電變成直流電特殊二極管（1）穩(wěn)壓二極管（2）光電二極管和發(fā)光二極管光電二極管的ＰＮ結在反向偏置狀態(tài)下運行，其反向電流隨光照強度的增加而上升。發(fā)光二極管在正向導通時能發(fā)光。穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū)，起穩(wěn)壓作用。在電路中應給穩(wěn)壓管串聯(lián)一個阻值適當?shù)南蘖麟娮琛?VCCRcRaT+-+-uIuOAF三極管非門電路Rb三極管常作放大器件或開關，如下圖是三極管組成的非門電路，非門是各種自動化系統(tǒng)中常用的一種邏輯電路。三極管在其中當開關使用。1.3晶體三極管1.3.1三極管的結構、符號和特點1.3晶體三極管1.3.2三極管的電流分配與放大進入1.3.3三極管共射極伏安特性曲線進入1.3.4三極管的主要參數(shù)進入三極管外形幾種常見三極管實物圖大功率三極管功率三極管普通塑封三極管—基區(qū)—發(fā)射區(qū)—集電區(qū)NPN型ecbPPNebcecbPNP型1.3.1三極管的結構、符號和特點NNP發(fā)射極e基極b集電極c發(fā)射結集電結結構特點：三個電極對應的區(qū)結構不同，所以三個電極不能調換使用。?基區(qū)很薄，且摻雜濃度很低；發(fā)射區(qū)的摻雜濃度最高；集電區(qū)面積最大。三極管的分類：三極管的種類很多,按其結構類型分為NPN管和PNP管;按其制作材料分為硅管和鍺管;按工作頻率分為高頻管和低頻管;按功率大小分為大功率管和小功率管;按封裝形式分為塑封和金屬封。

三極管內有兩種載流子(自由電子和空穴)參與導電，故稱為雙極型三極管。半導體器件命名方法1.3.2三極管的電流分配與放大三極管的放大作用是在一定的外部條件控制下，通過內部載流子的運動體現(xiàn)出來的。（1）內部條件：發(fā)射區(qū)雜質濃度遠大于基區(qū)雜質濃度，且基區(qū)很薄。（2）外部條件：發(fā)射結正向偏置，集電結反向偏置。實現(xiàn)放大的兩個條件是：一、三種基本連接方式

二.三極管共射極放大電路的電流分配IE=IB+ICNPN和PNP三極管共射放大電路的直流電源接法

由實驗測得△IE=△IC+△IB

三極管的電流分配關系符合節(jié)點電流定律三極管內部載流子運動輸入回路輸出回路RCVCCiBIERB+uBE+uCEVBBCEBiC+++仿真三、三極管的電流放大實驗證明：IC>>IB，即較小的輸入回路電流（IB）使電路獲得了較大的輸出回路電流（IC），說明三極管有直流電流放大作用。而△IE=△IC+△IB，其中△IC>>△IB，即基極電流較小的變化能引起集電極電流較大的變化，說明三極管有交流電流放大作用。內部載流子的運動特點決定了三極管的放大特性。1.3.3三極管共射極伏安特性

iB=f(uBE)UCE=常數(shù)1.輸入特性曲線iC共射極放大電路輸入特性VVmAμA輸入回路VCCRCiBIERB+uBE+uCEVBBCEB++-仿真①死區(qū) ②正向導通區(qū)1.輸入特性曲線1.3.3三極管共射極電路的特性曲線

三極管的輸入特性曲線是非線性的，可分為死區(qū)和正向導通區(qū)，當管子正向導通時，發(fā)射結壓降變化不大，對于硅管約為0.6~0.8V，對于鍺管約為0.2~0.3V。工程上發(fā)射結導通時常取UBE為常數(shù)：硅管UBE≈0.7V，鍺管UBE≈0.2V。iC=f(uCE)

IB=常數(shù)2.輸出特性曲線輸出特性曲線的三個區(qū)域:

放大區(qū)、截止區(qū)、飽和區(qū)。1.3.3三極管共射極電路的特性曲線三極管輸出特性測試動畫輸出回路RCIEiCVCCiBRB+uBE+uCEVBBCEB+++仿真截止區(qū)：條件：發(fā)射結反偏，集電結反偏。三極管輸出特性測試RCIEiCVCCiBRB+uBE+uCEVBBCEB++++-uI＜0.5VRbRcVccuO+-截止狀態(tài)等效電路cbe特點：各極電流約等于0，相當于開關“關斷”。由圖知截止區(qū)：IB=0即發(fā)射結反偏，所以UBE≤0，而UCE約幾伏，UCE>UBE，即VC>VB集電結反偏。飽和區(qū)：條件：發(fā)射結正偏，集電結正偏。RCIEiCVCCiBRB+uBE+uCEVBBCEB+++特點：uCE很小，用飽和壓降UCES表示，小功率硅管UCES≈0.3V≈0，此時三極管相當于開關”閉合”由圖知飽和區(qū)：UCE很小約0.3V，而基極電流說明發(fā)射結導通，即UBE=0.7V，所以UCE<UBE，即VC<VB集電結正偏。放大區(qū)：RCIEiCVCCiBRB+uBE+uCEVBBCEB+++（2）且iB一定時，iC與uCE幾乎無關，具有恒流特性。條件:發(fā)射結正偏，集電結反偏。NPN管，VC>VB>VE。特點：（1）iC=βiB，具有電流放大作用；由圖知放大區(qū)：UCE約為幾伏，發(fā)射結導通（正偏）UBE=0.7V，所以UCE>UBE即VC>VB集電結反偏。

三種狀態(tài)的集電極電流比較：截止時電流最?。ù蠹s為0）；飽和時電流最大。

三種狀態(tài)的集射間電壓比較：截止時UCE最大（UCE約等于電源電壓）；飽和時，UCE最小（大約為0）?？傊喝龢O管有截止、放大、飽和三種工作狀態(tài)，工作在放大區(qū)時作放大器件，工作于截止和飽和區(qū)則作開關。

三極管的用途：三極管通常作為放大器件和電子開關，在自動化設備中得到廣泛的應用。[例1-2]如圖1-18所示，電路中的三極管VT1工作在放大狀態(tài)，現(xiàn)不知其性質，用萬用表測得電路中三個電極的電位分別是V1=3.6V，V2=3V，V3=8V試判斷三極管的電極和類型。第三步，因③是集電極且電位最高，可知這是NPN管（NPN管放大條件：VC>VB>VE）；0.7V或0.3V，由此可判斷出①、②分別是基極或發(fā)射極，則③一定是集電極；解：第一步，由于放大電路中的三極管=0.6V，說明第二步，此電路該管是硅材料管；第四步，根據(jù)NPN管放大條件可知，①是基極，②是發(fā)射極?？傊孩佟ⅱ?、③三端分別對應基極、發(fā)射極和集電極，三極管是NPN硅管。(1)共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)b1.3.4三極管的主要參數(shù)1.電流放大系數(shù)

如圖中b點的約等于b點對應的IC與Ib之比值bUCE一定(2)共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)

約為20---200UCE一定1.3.4三極管的主要參數(shù)ICEO

(2)集電極發(fā)射極間的穿透電流ICEO愈小愈好

ICEO=（1+）ICBO

b(1)集電極基極間反向飽和電流ICBO

愈小愈好2.極間反向電流1.3.4三極管的主要參數(shù)集電極最大允許電流ICM

Ic超過允許值后首先是β值急速下降(2)集電極最大允許功率損耗PCM

PC=ICUCE

功耗太大會燒壞管子

3.極限參數(shù)1.3.4三極管的主要參數(shù)

U(BR)CEO——基極開路時集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓。

反向電壓太大會擊穿PN結(3)反向擊穿電壓4.溫度對三極管參數(shù)的影響

溫度升高，發(fā)射結導通所需電壓UBE（th）減小。溫度比室溫升高10C則UBE（th）約下降2～2.5mV。

（1）溫度對反向電流的影響溫度升高，反向電流增大。硅管溫度比室溫升高約80C反向電流增大一倍，鍺管溫度比室溫升高約120C反向電流增大一倍。（2）溫度對β值的影響（3）溫度對UBE（th）的影響溫度升高，β值減小。溫度比室溫升高10C則β約增加0.5％～1.0％。1.4絕緣柵場效應管（MOS管）場效應管是單極型三極管，它只有一種載流子（多子）導電，輸入阻抗高，溫度穩(wěn)定性好。（耗盡型）N溝道P溝道增強型耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道FET場效應管JFET結型MOSFET絕緣柵型(IGFET)分類：1.4.1N溝道增強型絕緣柵場效應管結構與符號：漏極DG柵極S源極符號N溝道增強型MOS管結構SiO2絕緣層金屬鋁P型襯底（摻雜濃度低）N+N+SDGB耗盡層特點：1.單極性器件(一種載流子導電)3.工藝簡單、易集成、功耗小、體積小、成本低2.輸入電阻高(1071015，IGFET可高達1015)

MOS有晶體三極管一樣的功能，可以作放大器件，還可以做開關。動畫：增強型NMOS管工作原理MOS管符號柵極漏極DGS源極N溝道增強型DGSP溝道增強型DGSN溝道