第六章

常用半導體元件及應用

第一節(jié)半導體二極管及應用

第二節(jié)半導體晶體管及應用

第三節(jié)場效應晶體管及應用

返回主目錄半導體：導電能力介于導體和絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導體。常用的半導體有硅、鍺等。本征半導體一種完全純凈的、結構完整的半導體晶體本征半導體雖有大量的價電子，但沒有自由電子，此時半導體是不導電的。第一節(jié)半導體二極管及應用一、PN結的形成半導體的基本知識

雜質(zhì)半導體—N型半導體N型+5+4+4+4+4+4磷原子自由電子載流子數(shù)

電子數(shù)多數(shù)載流子少數(shù)載流子正離子半導體的基本知識

雜質(zhì)半導體—Ｐ型半導體負離子多數(shù)載流子少數(shù)載流子+3+4+4+4+4+4載流子數(shù)

空穴數(shù)硼原子空穴P型半導體的基本知識

一、PN結的形成內(nèi)建電場P型N型PN結空間電荷區(qū)

PN結的單向?qū)щ娦酝饧诱螂妷赫珜?，呈低阻狀態(tài)，電流較大P區(qū)N區(qū)內(nèi)電場外電場IF

PN結的單向?qū)щ娦酝饧臃聪螂妷悍雌刂?，呈高阻狀態(tài)，電流近似為零P

區(qū)N

區(qū)內(nèi)電場外電場IRＰＮ結具有單向?qū)щ娦哉涸冢校谓Y上加正向電壓時，ＰＮ結電阻很低，正向電流較大，ＰＮ結處于導通狀態(tài)。反偏：加反向電壓時，ＰＮ結電阻很高，反向電流很小，ＰＮ結處于截止狀態(tài)。二、二極管的結構和符號圖6-1常見二極管外形圖

PN(陽極)外殼陰極引線陽極引線+-+-(陽極)(陰極)(陰極)a)b)VD圖6-2二極管的結構與圖形符號結構圖形符號三、二極管的伏安特性二極管的主要特性是單向?qū)щ娦?，其伏安特性曲線如圖6-3所示。（以正極到負極為參考方向）。

1）外加正向電壓很小時，二極管呈現(xiàn)較大的電阻，幾乎沒有正向電流通過。曲線段（或段）稱作死區(qū)，點（或）的電壓稱為死區(qū)電壓，硅管的死區(qū)電壓一般為0.5V，鍺管則約為0.1V。

2）二極管的正向電壓大于死區(qū)電壓后，二極管呈現(xiàn)很小的電阻，有較大的正向電流流過，稱為二極管導通，如段（或）特性曲線所示，此段稱為導通段。從圖中可以看出：硅管電流上升曲線比鍺管更陡。二極管導通后的電壓為導通電壓，硅管一般為0.7V，鍺管約為0.3V。1．正向特性

2．反向特性1）當二極管承受反向電壓時，其反向電阻很大，此時僅有非常小的反向電流（稱為反向飽和電流或反向漏電流），如曲線段（或段）所示。實際應用中二極管的反向飽和電流值越小越好，硅管的反向電流比鍺管小得多，一般為幾十微安，而鍺管為幾百微安。2）當反向電壓增加到一定數(shù)值時（如曲線中的點或點），反向電流急劇增大，這種現(xiàn)象稱為反向擊穿，此時對應的電壓稱為反向擊穿電壓，用表示，曲線中段（或段）稱為反向擊穿區(qū)。通常加在二極管上的反向電壓不允許超過擊穿電壓，否則會造成二極管的損壞（穩(wěn)壓管除外）。圖6-3二極管的伏安特性

四、二極管的主要參數(shù)（1）最大整流電流它是指二極管長期工作時所允許通過的最大正向平均電流。實際應用時，流過二極管的平均電流不能超過這個數(shù)值，否則，將導致二極管因過熱而永久損壞。（2）最高反向工作電壓指二極管工作時所允許加的最高反向電壓，超過此值二極管就有被反向擊穿的危險。通常手冊上給出的最高反向工作電壓約為擊穿電壓的一半。（3）反向電流指二極管未被擊穿時的反向電流值。越小，說明二極管的單向?qū)щ娦阅茉胶?。對溫度很敏感，溫度增加，反向電流會增加很大。五、特殊二極管

1．穩(wěn)壓二極管

穩(wěn)壓二極管簡稱穩(wěn)壓管，它是一種用特殊工藝制造的面結合型硅半導體二極管，其圖形符號和外形封裝如圖6-4所示。圖6-4穩(wěn)壓二極管的圖形符號與外形

外形

圖形符號～范圍內(nèi)變化。穩(wěn)壓管的伏安特性曲線工作區(qū)域圖6-5穩(wěn)壓管的應用使用時，陰極接外加電壓的正極，陽極接外加電壓負極，管子反向偏置，工作在反向擊穿狀態(tài)，利用它的反向擊穿特性穩(wěn)定直流電壓。二極管在反向擊穿狀態(tài)下，流過管子的電流變化很大，而兩端電壓變化很小，穩(wěn)壓管正是利用這一點實現(xiàn)穩(wěn)壓作用的。穩(wěn)壓管工作時，必須接入限流電阻，才能使其流過的反向電流在～范圍內(nèi)變化發(fā)光二極管是一種光發(fā)射器件，能把電能直接轉(zhuǎn)換成光能的固體發(fā)光器件，它是由鎵（Ga）、砷（As）、磷（P）等化合物制成的，其圖形符號如圖6-6a所示。由這些材料構成的ＰＮ結加上正偏電壓時，PN結便以發(fā)光的形式來釋放能量。發(fā)光二極管的種類按發(fā)光的顏色可分為紅、橙、黃、綠和紅外光二極管等多種，按外形可分為方形、圓形等。圖6-6b是發(fā)光二極管的外形，它的導通電壓比普通二極管高。2．發(fā)光二極管圖6-6發(fā)光二極管的圖形符號和外形圖形符號

外形

發(fā)光二極管的應用應用時，加正向電壓，并接入相應的限流電阻，它的正常工作電流一般為幾個毫安至幾十毫安。發(fā)光強度在一定范圍內(nèi)與正向電流大小近似成線性關系。發(fā)光二極管作為顯示器件，除單個使用外，也常做成七段式或矩陣式，如用作微型計算機、音響設備、數(shù)控裝置中的顯示器。發(fā)光二極管的檢測一般用萬用表R×10k(Ω)檔，通常正向電阻15kΩ左右，反向電阻為無窮大。1、單相半波整流電路圖6－10是單相半波整流電路，該電路由電源變壓器T、整流二極管VD及負載電阻RL組成。六、二極管整流電路圖6－10在u2的負半周，二極管因承受反向電壓而截止，

uo=0。

1．整流原理

u2的正半周，二極管因承受正向電壓而導通，忽略二極管正向壓降，

uo=u2。設u2=U2sinωt圖6－112．負載電壓及電流直流脈動電壓：整流電壓方向不變，但大小變化。平均電壓Uo：一個周期的平均值Uo表示直流電壓的大小。電阻性負載的平均電流為Io，即

(6－1)

(6－2)3．選用二極管的原則為了安全地使用二極管，選用二極管必須滿足以下原則：

IFM≥IV

URM≥UVM在交流電壓的負半周，二極管截止，u2電壓全部加在二極管上，二極管所承受的最高反向電壓UVM為u2的峰值，即UVM=U2

。

二極管導通時的電流為負載電流，所以二極管平均電流IV=Io。2、單相橋式整流電路單相橋式整流電路是由四個二極管接成電橋的形式構成。圖6－12單相橋式整流電路常用畫法簡化畫法(2)整流原理

u2

正半周，

u2的實際極性為

a正b負，二極管

VD1

和VD3導通，VD2

、VD4截止，uo=u2，如圖6－13a所示。波形如圖6－14b中的0～π段。圖6－13單相橋式整流原理圖6－13單相橋式整流原理

u2的負半周，u2實際極性為

a負b正，二極管VD2

、VD4導通，VD1

、VD3截止，uo=-u2。如圖6－13b所示。波形如圖9－14b中的π～2π段。圖6－14單相橋式整流波形(3)．負載電壓和電流

全波整流電路的整流電壓的平均值Uo比半波整流增加一倍，即

Io=0.9Uo=2×0.45U2=0.9U2(6－5)(6－6)選用二極管的原則二極管截止時所承受的反向電壓在圖6－14所示電路中可以看出。若VD1、VD3

兩只二極管導通時，就將u2加到了二極管VD2、VD4的兩端，使這兩只二極管因承受反向電壓而截止，波形如圖6－14d所示，即二極管承受的最高反向電壓UDM=U2

IFM≥IV

URM≥UVM

從圖6－12可知，每只二極管只在半個周期內(nèi)導通，所以在一個周期內(nèi)流過每個管子的平均電流只有負載電流的一半，即IV=Io/2。二極管的選擇原則：第二節(jié)半導體晶體管及應用一、晶體管的外形、結構和符號1．外形半導體三極管又稱晶體三極管或雙極型晶體管，簡稱晶體管。圖6-15幾種常見晶體管的外形和封裝晶體管的結構示意圖如圖6-16a所示，分為NPN型管和PNP型管。為了收集發(fā)射區(qū)發(fā)射過來的載流子以及便于散熱，要求集電結面積較大，發(fā)射區(qū)多數(shù)載流子的濃度比集電區(qū)大，因此使用時集電極與發(fā)射極不能互換。晶體管的圖形符號如圖6-16b所示，符號中的箭頭方向表示發(fā)射結正向偏置時的電流方向。圖6-16晶體管的結構和圖形符號結構圖形符號a）PNP型b）NPN型1．晶體管的工作電壓圖6-17晶體管的工作電壓NPNPNP二、晶體管電流分配關系和放大作用圖6-18晶體管演示實驗2．晶體管各個電極的電流分配實驗電路如圖6-18所示。此電路稱為晶體管的共發(fā)射極放大電路。4.053.182.361.540.72<0.01

/mA3.953.102.301.500.70<0.01

/mA0.100.080.060.040.020

/mA表6-1晶體管電流測量數(shù)據(jù)

從表6-1中的實驗數(shù)據(jù)可以找出晶體管各極電流分配關系（6-9）3．晶體管的電流放大作用

從表6-1中的實驗數(shù)據(jù)還可以看出：>，而且當調(diào)節(jié)電位器RP使有一微小變化時，會引起較大的變化，這表明基極電流（小電流）控制著集電極電流（大電流），所以晶體管是一個電流控制器件，這種現(xiàn)象稱為晶體管的電流放大作用。三、晶體管的特性曲線

1．輸入特性曲線圖6-19輸入特性曲線2.輸出特性曲線（圖6-20）（1）截止區(qū)發(fā)射結零偏或反偏，集電結也反向偏置。（2）放大區(qū)發(fā)射結正向偏置，集電結反向偏置。與成正比關系。（3）

飽和區(qū)

發(fā)射結和集電結均處于正向偏置。晶體管失去放大作用，處于“飽和”狀態(tài)。稱為晶體管的飽和壓降，此值很小，約為0.3V。

（4）擊穿區(qū)當大于某一值后，開始劇增，這個現(xiàn)象稱為一次擊穿。一次擊穿過程是可逆的。晶體管具有“開關”和“放大”功能。圖6-20輸出特性曲線四、晶體管的主要參數(shù)1．電流放大倍數(shù)（1）共發(fā)射極直流電流放大倍數(shù)靜態(tài)時與的比值稱為共發(fā)射極靜態(tài)電流放大倍數(shù)，即直流電流放大倍數(shù)（6-11）（2）共發(fā)射極交流電流放大倍數(shù)（）動態(tài)時，Δ與的比值稱為動態(tài)電流放大倍數(shù)，即交流電流放大倍數(shù)（6-12）估算時，。2．極間反向電流（1）集電極—基極反向飽和電流是晶體管的發(fā)射極開路時，集電極和基極間的反向漏電流，又叫反向飽和電流，小功率硅管的小于1μA，鍺管的約10μA。的測量電路如圖6-21a所示。（2）穿透電流為基極開路時，由集電區(qū)穿過基區(qū)流入發(fā)射區(qū)的穿透電流，它是的（1+）倍，即的測量電路如圖6-21b所示。圖6-21極間反向電流的測量電路的測量電路的測量電路3．極限參數(shù)（1）集電極最大允許電流當值下降到正常值的三分之二時的集電極電流，稱為。使用時，超過時晶體管并不一定會損壞，但值將降低。（2）集電極－發(fā)射極反向擊穿電壓指基極開路時，加于集電極與發(fā)射極間的反向擊穿電壓，一般為幾十伏至幾百伏以上。（3）發(fā)射極－基極反向擊穿電壓指集電極開路時，允許加在發(fā)射極－基極之間的最高反向電壓，一般為幾伏至幾十伏。（4）集電極最大允許功耗使用中應使<允許管耗線。五、

晶體管基本放大電路（1）放大器的功能放大器的功能是把微弱的電信號放大成較強的電信號。例如擴音機就是放大器的典型應用，如圖6-22所示圖6-22擴音機工作示意圖1、放大器的基本概念如圖6-23所示的簡易路燈自動開關裝置。圖6-23簡易路燈自動開關電路圖6-24晶體管在電路中的三種基本連接方式放大電路的核心是晶體管，晶體管的三個電極可分別作為輸入信號和輸出信號的公共端，所以就有共發(fā)射極、共集電極和共基極三種接法，如圖6-24所示。（2）放大電路的要求1）有一定的輸出功率2）具有足夠的放大倍數(shù)3）失真要小4）工作要穩(wěn)定（3）放大電路的電壓、電流符號規(guī)定1）直流分量用大寫字母和大寫下標表示，如、、、、。2）交流分量用小寫字母和小寫下標表示，如、、、、。3）總的值（瞬時值）用小寫字母和大寫下標表示，如、、、、。圖6-25共發(fā)射極基本放大電路

2、共射基本放大電路的工作原理（1）

各元件的作用

1）晶體管V放大電路的核心，起電流放大作用，反映晶體管的電流控制作用。

2）直流電源使晶體管的發(fā)射結正偏，集電結反偏，確保晶體管工作在放大狀態(tài)。它又是整個放大電路的能量提供者。3)集電極電阻將晶體管的集電極電流變換成集電極電壓（）。4）基極偏置電阻決定靜態(tài)基極電流的大小。也稱偏置電流，故稱為偏置電阻。5）電容和①隔斷直流，使靜態(tài)工作點不受信號源和輸出端負載的影響；②傳送交流信號，電容量足夠大時，容抗很小，近似為短路，故稱為耦合電容。電路（2）共射基本放大電路的靜態(tài)工作點放大器的工作狀態(tài)：靜態(tài)和動態(tài)。靜態(tài)工作點Q：放大電路在靜態(tài)時，晶體管各極電壓和電流值（主要指、、）。動態(tài)：放大電路有交流信號輸入，電路中的電壓、電流隨輸入信號作相應變化的狀態(tài)。靜態(tài)：無交流信號輸入時，電路中的電壓、電流都不變的狀態(tài)。圖6-26靜態(tài)工作點對波形的影響1）觀察靜態(tài)工作點對放大波形的影響2)不設置靜態(tài)工作點，波形產(chǎn)生失真的原因圖6-27不設置靜態(tài)工作點產(chǎn)生失真的原因a)未設置靜態(tài)工作點情況b)設置靜態(tài)工作點情況圖6-28放大器的電壓、電流波形（3）共射極放大器的工作原理（4）靜態(tài)工作點穩(wěn)定的分壓式偏置電路

基本共射極放大電路的特點：

優(yōu)點：結構簡單，電壓和電流放大作用都比較大，

缺點：靜態(tài)工作點不穩(wěn)定。

靜態(tài)工作點不穩(wěn)定原因：電源電壓波動、電路參數(shù)變化、晶體管老化等，但主要原因是晶體管特性參數(shù)（、β、）隨溫度變化造成的。

例如，當溫度升高時，對于同樣的，輸出特性曲線將上移。嚴重時，將使晶體管進入飽和區(qū)而失去放大能力。實用的分壓式偏置電路如圖6-29。圖6-29分壓式偏置電路分壓偏置電路的特點（1）基極電位穩(wěn)定。一般很小，>>，，（6-13）（2）工作點穩(wěn)定：利用發(fā)射極電阻來獲得反映電流變化的信號，反饋到輸入端，實現(xiàn)工作點的穩(wěn)定。其過程為(oC)↑→↑→↑→↓→↓→↓通常>>，所以發(fā)射極電流(6-14)式（6-13）、式(6-14)分別說明了和是穩(wěn)定的，基本上不隨溫度而變，而且也基本上與管子的參數(shù)β無關。第三節(jié)場效應晶體管及應用場效應晶體管，簡稱場效應管。場效應管和晶體管的特點：場效應管是一種電壓控制型器件。而晶體管是一種電流控制型器件。優(yōu)點：具有很高的輸入電阻、熱穩(wěn)定性好、低噪聲、抗輻射能力強、制造工藝簡單、便于集成等。分類：場效應管可分為結型和絕緣柵型兩類，其中絕緣柵型（簡稱MOS管）應用更廣泛。一、絕緣柵場效應管的結構及符號MOS管：絕緣柵型場效應管是由金屬、氧化物和半導體組成，因此又稱為金屬氧化物半導體場效應管，簡稱MOS管。MOS管的分類：可分為增強型與耗盡型兩種類型，每一種又分為N溝道和P溝道，即NMOS管和PMOS管。增強型MOS管：圖6-30為N溝道增強型MOS管結構示意圖和圖形符號，箭頭向內(nèi)表示N溝道。圖6-31為P溝道增強型MOS管結構示意圖和圖形符號，箭頭向外表示P溝道。導電溝道的特點是原先沒有導電溝道，在外電場的作用下才形成了導電溝道。耗盡型MOS管：導電溝道的特點是在制造時就有一個原始導電溝道。圖形符號如圖所示。圖6-30N溝道增強型絕緣柵場效應管a)結構b)圖形符號結構圖形符號圖6-31P溝道增強型絕緣柵場效應管結構圖形符號耗盡型MOS管符號二、絕緣柵場效應管的特性

1．N溝道增強型MOS管特性稱為NMOS管的開啟電壓（V）。（1）轉(zhuǎn)移特性圖6-32a為某增強型NMOS管的轉(zhuǎn)移特性曲線。當<時，，這相當于晶體管輸入特性曲線的死區(qū)；當時，導電溝道開始形成，隨著的增大，也增大，這說明開始受到的控制?！荩?）輸出特性圖6-32b為某增強型NMOS管的輸出特性曲線。3）截止區(qū)當<時，場效應管工作在截止區(qū)，此時，漏極電流極小，幾乎不隨變化。注意：

較大時，場效應管的會急劇增大，如無限流措施，管子將被損壞，該區(qū)域叫擊穿區(qū)，此時，場效應管已不能正常工作。1）可變電阻區(qū)在該區(qū)域，越大，溝道電阻越小，故曲線越陡。在這個區(qū)域中，溝道電阻由決定，故稱可變電阻區(qū)。2）恒流區(qū)（飽和區(qū)）該區(qū)的特點是已趨于飽和，具有恒流性質(zhì)，所以又稱飽和區(qū)。但受的控制。增大，溝道電阻減小，隨之增加。圖6-32增強型NMOS管的特性曲線轉(zhuǎn)移特性輸出特性2．N溝道耗盡型MOS管特性上述的增強型NMOS管只有當UGS＞UT時才能形成導電溝道，如果在制造時就使它具有一個原始導電溝道，這種MOS管稱為耗盡型場效應管。如圖6-33a、b所示是耗盡型NMOS管的特性曲線圖。由曲線圖可以看出，耗盡型NMOS管不論柵源電壓是正是負或零，都能控制漏極電流，這個特點使它的應用具有較大的靈活性。一般情況下，這類管子還是工作在負柵源電壓的狀態(tài)。圖6-33耗盡型NMOS管特性

夾斷電壓三、場效應管的主要參數(shù)（1）開啟電壓或夾斷電壓當為某固定值時，使漏極電流接近零時的柵—源電壓即為開啟電壓（增強型）或夾斷電壓（耗盡型）。（2）零偏漏極電流當為某固定值時，柵—源電壓為零時的漏極電流。（3）漏源擊穿電壓當增加，使開始劇增時的稱為。使用時，不允許超過此值，否則會燒壞管子。（4）柵源擊穿電壓使二氧化硅絕緣層擊穿時的柵—源電壓叫做柵源擊穿電壓，一旦絕緣層被擊穿將造成短路現(xiàn)象，使管子損壞。（6）漏極最大耗散功率