城市轨道交通电工电子课件项目七半导体器件

项目七 半导体器件
知识要点
1 半导体特性与二极管类型 2 晶体管及其输出特性曲线 3 晶闸管的工作条件 4 可关断晶闸管(GTO)的工作特性
学习目的与要求
了解本征半导体、P型和N型半导体的特 征；了解PN结的形成过程；熟悉二极管的 伏安特性及其种类、用途；深刻理解晶体 管的电流放大原理，掌握晶体管的输入和 输出特性。
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）。
四、二极管的主要参数
（1）最大整流电流IDM：指二极管长期运行时，允许通 过的最大正向平均电流。其大小由PN结的结面积和外界散 热条件决定。
（2）最高反向工作电压URM：指二极管长期安全运行时 所能承受的最大反向电压值。手册上一般取击穿电压的一半 作为最高反射工作电压值。
使用稳压二极管时应该注意的事项
(1)稳压二极管正负极的判别
+ DZ －
(2)稳压二极管使用时，应反向接入电路 UZ
(3)稳压管应接入限流电阻
DZ
－－ +
US
(4)电源电压应高于稳压二极管的稳压值 US UZ
(5)稳压管都是硅管。其稳定电压UZ最低为3V，高的可达 300V，稳压二极管在工作时的正向压降约为0.6V。
＋4
＋4
＋4
升影响，共价键
中其它一些价电
子直接跳进空穴
，使失电子的原
＋4
＋4
＋4
子重新恢复电中
性。
＋4
＋4
＋4
(2)杂质半导体
本征半导体虽然有自由电子和空穴两种载流子，但由于 数量极少导电能力仍然很低。如果在其中掺入某种元素的 微量杂质，将使掺杂后的杂质半导体的导电性能大大பைடு நூலகம்强。
＋4
＋4
＋4
掺入磷杂质的硅半
一、晶体管的结构和符号
晶体管分有NPN型和PNP型，虽然它们外形各异，品种繁多，但它
们的共同特征相同：都有三个分区、两个PN结和三个向外引出的电极：
c
c
集电区
基区
N
b
P
N 发射区
集电区
集电结 基区
P
b
N
发射结
P
发射区
集电结 发射结
e
e
a)
c
c
b
V
b
V
注意：图中箭头
e NPN 型
b)
e PNP 型
方向为发射结正 向偏置时电流的 方向。
7.1 半导体二极管
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。
半导体的导电能力虽然介于导体和绝缘体之间，但半导 体的应用却极其广泛，这是由半导体的独特性能决定的。
光敏性——半导体受光照后，其导电能力大大增强； 热敏性——受温度的影响，半导体导电能力变化很大； 掺杂性——在半导体中掺入少量特殊杂质，其导电
ＰＮ结是采用特定的制造工艺，使一块半导体的两边分别形 成Ｐ型半导体和Ｎ型半导体，它们的交界面就形成ＰＮ结。
空间电荷区
P区
－－－ － + + +
－ 在－一块晶－片的－两端分+别注入+ 三价+
－ 元－素硼和－五价－元素磷+
+
+
－－－ － + + +
+
+ N区
+
+
内电场
动画演示
PN结的单向导电性
PN结反向偏置时的情况
+
P
导体晶格中，自由 电子的数量大大增
＋4
＋4
＋4
加。因此自由电子
五价元素磷(P)
是这种半导体的导 电主流。
＋4
＋4
＋4
掺入五价元素的杂质半导体由于自由电子多而称为电子 型半导体，也叫做N型半导体。
＋4
＋－4
＋4
掺入硼杂质的硅半
+
B
导体晶格中，空穴 载流子的数量大大
＋4
＋4
＋4
增加。因此空穴是
三价元素硼(B)
1．晶体管的工作电压
Rb Rc
U Rb Rc CC
U CC
NP N V
PNP V
实现放大作用的条件： (1)发射结“正向偏置” (2)集电结“反向偏置”
1. 发射区向基区扩散电子的过程
由于发射结处正偏，发射区的多数载流子自由电子将不断扩散
到基区，并不断从电源补充进电子，形成发射极电流IE。
2. 电子在基区的扩散和复合过程
光敏二极管可用于光的测量，亦可作为一种能源使用， 称为光电池。
4．变容二极管
变容二极管是工作在反向偏置状态。二极管结电容大
小除了与本身工艺有关外，还与外加电压有关。由特性曲
线可知，改变变容二极管直流反偏电压就可以达到改变电
容量的目的。
50
40
Cj / pF
30
VD
20
10
-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0
二极管的反向击穿特性：当外加反向电压超过击穿电 压时，通过二极管的电流会急剧增加。
在反向击穿状态下，让通过管子的电流在一定范围内 变化，这时管子两端电压变化很小，利用这一点可以达 到“稳压”效果。稳压二极管就是工作在反向击穿区。
击穿并不意味着管子一定要损坏，如果我们采取适当 的措施限制通过管子的电流，如在稳压管稳压电路中加 限流电阻R，使稳压管工作电流在Izmax和Izmix的范围内， 就能保证管子不因过热而烧坏。
工作区
40
域
30
ΔUZ
20
10
－12 －8 －4
0 -5
正向特性与普 通二极管相似
U(V) 0.4 0.8
稳压二极管是一种特殊的 面接触型二极管，其反向击
ΔIZ
-10
反向 -15
穿可逆。
-20
(μA)
显然稳压管的伏安特性曲线比普通二极管的更加陡峭。
稳压二极管的反向电压几乎不随反向电流的变化而变化、 这就是稳压二极管的显著特性。
2.在右图所示电路中，发光二 极管导通电压UD＝1.5V，正 向电流在5~15mA时才能正常 工作。试问图中开关S在什么 位置时发光二极管才能发光
你会做吗？ ？R的取值范围又是多少？
7.2 半导体三极管
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。
大功率低频三极管 中功率低频三极管
小功率高频三极管
3．光敏二极管
光敏二极管也称光电二极管，是将光信号变成电信号的半 导体器件。
光电管管壳上有一个能射入光线的
D “窗口”，这个窗口用有机玻璃透
镜进行封闭，入射光通过透镜正好
图符号和
射在管芯上。
实物图
文字符号
光电二极管和稳压管类似，也是工作在反向电压下。无光
照时，反向电流很小；有光照射时，提高了半导体的导电性， 在反偏电压作用下产生反向电流。其强度与光照强度成正比。
VD
(阳极)
+
(阴极)
-
阳极引线
阴极引线
a)
b)
结构
二极管的结构与图形符号
图形符 号
把PN结用管壳封装，然后在P区和N区分别向外引出一 个电极，即可构成一个二极管。二极管是电子技术中最基本
的半导体器件之一。根据其用途分有检波管、开关管、稳压 管和整流管等。
硅高频检波管 开关管
稳压管 整流管 发光二极管
能力极大地增强；
半导体材料的独特性能是由其内部的导电机理所决定的。
半导体基础知识
(1)纯净的半导体（本征半导体） 最常用的半导体为硅(Si)和锗(Ge)。它们的共同特征是
四价元素，即每个原子最外层电子数为4个。
+
Si(硅原子)
Si
Ge
+4
+4
硅原子和锗原子的简化模型图
+
Ge(锗原子)
因为原子呈电中性，所 以简化模型图中的原子 核只用带圈的+4符号表 示即可。
会出现什么问题？
半导体二极管工作在 击穿区，是否一定被 损坏？为什么？
为什么二极管的反 向电流很小且具有 饱和性？当环境温 度升高时又会明显 增大 ？
你会做吗？
二极管的伏安特性曲线上 分为几个区？能否说明二 极管工作在各个区时的电
压、电流情况？
五、特殊二极管
1. 稳压二极管
I(mA)
实物图
D
图符号及文字符号
这种半导体的导电 主流。
＋4
＋4
＋4
掺入三价元素的杂质半导体，由于空穴载流子的数量大
大于自由电子载流子的数量而称为空穴型半导体，也叫做P 型半导体。
一、PN结的形成
杂质半导体的导电能力虽然比本征半导体极大增强，但它们 并不能称为半导体器件。在电子技术中，PN结是一切半导体器件 的“元概念”和技术起始点。
0 0.5 0.8
当外加正向电压很低时，二极管呈现较
20
大的电阻，几乎没有正向电流通过。 这一
40 (A)
区域称之为死区(硅管0.5V，锗管0.1V) 。
外加正向电压超过死区电压时，内电场大大削弱，正
向电流迅速增长，二极管进入正向导通区。该区电流上升 曲线很陡。
2．反向特性
I (mA) 60
当二极管承受反向电压时，其反向电阻很
天然的硅和锗是不能制作成半导体器件的。它们必须先 经过高度提纯，形成晶格结构完全对称的本征半导体。
＋4
＋4
晶格结构
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
共价键结构
在本征半导体的晶格结构中，每一个原子均与相邻的四个原 子结合，即与相邻四个原子的价电子两两组成电子对，构成 共价键结构。
从共价键晶格结 构来看，每个原
由于基区很薄，且多数载流子浓度又很低，所以从发射极扩散过
ＰＮ结具有单向导电性
正偏：在ＰＮ结上加正向电 压时，ＰＮ结电阻很低，正 向电流较大，ＰＮ结处于导 通状态。
反偏：加反向电压时，ＰＮ 结电阻很高，反向电流很小， ＰＮ结处于截止状态。
PN I大
PN IR 小
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5-1。
外壳
(阳极)
+
PN
(阴极)
-
U/V
a)
b)
应用：变容二极管可用于高频电路，例如用作电视接收调谐
回路中的可变电容器，用改变直流偏压的方法来选择频道。
1.利用稳压管或 普通二极管的正 向压降，是否也 可以稳压？
1. 现有两只稳压管，它们的稳定电压分 别为6V和8V，正向导通电压为0.7V。试 问：(1)若将它们串联相接，可得到几种 稳压值？各为多少？(2)若将它们并联相 接，又可得到几种稳压值？各为多少？
40
20 -50 -25
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）。进入反向截 U(V) 止区。实际应用中二极管的反向饱和电流
反向 0 0.5 0.8 反 截止区20 向
值越小越好，可近似视为零值。
击 穿
40 (A)
区
外加反向电压超过反向击穿电压时，反向
电流突然增大，二极管失去单向导电性，进入
2．发光二极管
发光二极管是一种能把电能直接转换成光能的固体发光元 件。一般使用砷化镓、磷化镓等材料制成。
D
实物图
图符号和 文字符号
发光管正常工作时应正向偏置， 因死区电压较普通二极管高，因此 其正偏工作电压一般在1.3V以上。
发光二极管现有的发光二极管能发出 红黄绿等颜色的光。
发光管常用来作为数字电路的数码及图形显 示的七段式或阵列器件。
（3）反向电流IR：指二极管未击穿时的反向电流。IR值 越小，二极管的单向导电性越好。对温度很敏感，温度增加， 反向电流会增加很大，这一点要特别加以注意。
二极管的应用举例
(1)二极管的开关作用
D
+
－
P
N
+－
D
－
P
+
N
+－
正向导通时相当 一个闭合的开关
+
D
－
UD=0
+－
反向阻断时相当 一个打开的开关
当输入电压ui= +5V时，二极管正偏导通，导通时 当二输极入管电管压压ui降=－近5似V时为，零二，极故管输反出偏电截压止u0≈，+此5V时。电路 可视为开路，输出电压u0=0V； 显然输出电压u0限幅在0~+5V之间。
何谓死区电压？硅管 和锗管死区电压的典 型值各为多少？为何
会出现死区电压？
把一个1.5V的干电池直接 正向联接到二极管的两端，
－
D
+
UD=∞
+－
注意：分析实际电路时为简单化，通常把二极管进行理想
化处理，即正偏时视其为“短路”，截止时视其为“开 路”。
(2)二极管的限幅作用
uS +5V
0 -5V
u0 t
iD
D IN4148
+
uS －
+
10KΩ
u0
－
图示为一限幅电路。电源uS是一个周期性的矩形脉冲， 高电平幅值为+5V，低电平幅值为-5V。试分析电路的输出 电压为多少。
＋4
子外层都具有8个
价电子。但价电
子是相邻原子共 用，所以稳定性
＋＋4
并不能象绝缘体
那样好。
＋4
在游离走的价电子原 位上留下一个不能移 动的空位，叫空穴。
＋＋4
＋4
＋4
＋4
受光照或温度上升
影响，共价键中价电
子的热运动加剧，一
些价电子会挣脱原子
核的束缚游离到空间
＋4
＋4 成为自由电子。
受光照或温度上
bec
基发集 极射电
极极
(1)发射区掺杂浓度很高，以便有 足够的载流子供“发射”。
发射区N 基区P
集电区N
晶体管芯结构剖面图
(2)为减少载流子在基区的复合机 会，基区做得很薄，一般为几个 微米，且掺杂浓度较发射极低。
(3)集电区体积较大，且为了顺利 收集边缘载流子，掺杂浓度很低。
可见，双极型三极管并非是两个PN 结的简单组合，而是 利用一定的掺杂工艺制作而成。因此，绝不能用两个二极管 来代替，使用时也决不允许把发射极和集电极接反。
电子工程实际中，二极管应用得非常广泛，上图所示即 为各类二极管的部分产品实物图。
三、二极管的伏安特性
I (mA) 60 40
二极管的伏安特性是指流过二极管
的电流与两端所加电压的函数关系。二 极管既然是一个PN结，其伏安特性当然 具有“单向导电性”。
20 死区导正通向区
-50 -25
U(V)
1．正向特性