电工与电子技术 教学课件 ppt 作者 孙立坤 等 第7章 半导体器件基础
电工与电子技术,主编,第7章 半导体器件基础,7.1 半导体的基础知识 7.2 半导体二极管 7.3 晶体管 7.4 晶闸管,7.1 半导体的基础知识,1)热敏性：半导体对温度很敏感，随着温度的升高，其导电能力大大增强。 2)光敏性：半导体对光照也很敏感，当受光照射时其导电能力大大增强。 3)掺杂性：半导体对“杂质”很敏感，掺杂以后导电能力大大增强。 7.1.1 本征半导体,图7-1 硅和锗的原子结构,7.1 半导体的基础知识,图7-2 硅晶体的结构与电子-空穴的产生,7.1.2 N型和P型半导体,7.1 半导体的基础知识,本征半导体中由于载流子（自由电子和空穴）数目有限，所以导电能力不强，而且导电能力也无法控制。 1.N型半导体 2.P型半导体,图7-3 硅中掺磷形成N型半导体,7.1 半导体的基础知识,图7-4 硅中掺硼形成P型半导体,7.1.3 PN结的形成及特性,7.1 半导体的基础知识,PN结是构成半导体二极管、晶体管、场效应晶体管、晶闸管和半导体集成电路等多种半导体器件的基础。 1.PN结的形成,图7-5 PN结的形成过程,2.PN结的单向导电特性,7.1 半导体的基础知识,图7-6 PN结的单向导电特性,7.2 半导体二极管,7.2.1 二极管的结构 在PN结的P区和N区分别用引线引出，P区的引线称为阳极，N区的引线称为阴极，将PN结用外壳封装起来，便构成二极管，其结构和电气符号如图77所示。,图7-7 二极管,7.2 半导体二极管,7.2.2 二极管的伏安特性,图7-8 二极管的伏安特性曲线,7.2 半导体二极管,1.正向特性 1)当二极管的外加正向电压很小时，呈现较大的电阻，几乎没有正向电流通过。 2)当二极管的正向电压大于死区电压后，二极管呈现很小的电阻，有较大的正向电流流过，称为二极管导通，如AB段(或AB)特性曲线所示，此段称为导通段。 2.反向特性 1)当二极管承受反向电压时，其反向电阻很大，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)，如曲线OC段(或OC段)所示。,7.2 半导体二极管,2)反向电压增加到一定数值时(如曲线中的C点或C点)，反向电流急剧增大，这种现象称为反向击穿，此时对应的电压称为反向击穿电压，用UBR表示，曲线中CD段(或段)称为反向击穿区。 7.2.3 二极管的主要参数 二极管的参数是反映二极管性能的质量指标，工程上必须根据二极管的参数，合理地选择和使用二极管。 (1)最大正向整流电流IFM 它是指二极管长期工作时所允许通过的最大正向平均电流。 (2)最高反向工作电压UFM 它是指二极管工作时所允许加的最高反向电压，超过此值二极管就有被反向电压击穿的危险。 (3)反向电流IR 它是指二极管未被击穿时的反向电流值。 (4)最高工作频率fM 主要由PN结电容大小决定。,7.2 半导体二极管,7.2.4 稳压二极管 稳压二极管是一种用特殊工艺制造的面接触型硅半导体二极管，其图形符号和外形封装如图79所示。,图7-9 稳压二极管的图形符号与外形,7.2 半导体二极管,图7-10 稳压二极管的伏安特性曲线,7.3 晶体管,7.3.1 晶体管的结构和类型 晶体管的种类很多，按工作频率不同可分为低频管和高频管；按功率大小可分为小功率管、中功率管和大功率管；按所用半导体材料不同可分为硅管和锗管；按结构和工艺不同可分为合金型和平面型等。,图7-11 晶体管的结构和符号,7.3 晶体管,1)发射区杂质浓度远大于基区的杂质浓度。 2)基区很薄，杂质浓度很低。 3)集电结的面积比发射结的面积要大。 7.3.2 晶体管的电流分配关系及放大能力 晶体管实现放大作用的外部条件是：发射结正向偏置，集电结反向偏置。,图7-12 晶体管电流的实验电路,7.3 晶体管,1)发射极电流等于基极电流和集电极电流之和，即IE=IB+IC。,表7-1 测量结果,2)集电极电流IC是基极电流IB的倍，称为直流放大倍数，即 3)很小的IB变化可以引起很大的IC变化，也就是说基极电流对集电极电流具有小量控制大量的作用，这就是晶体管的电流放大作用(实质是控制作用)。 7.3.3 晶体管的特性曲线,7.3 晶体管,图7-13 测量晶体管特性的实验电路,1.输入特性曲线,7.3 晶体管,2.输出特性曲线,图7-14 晶体管的输入特性曲线,7.3 晶体管,图7-15 晶体管的输出特性曲线,(1)放大区 输出特性曲线的近于水平部分是放大区，,7.3 晶体管,在放大区内IC=IB,放大区也称线性区，因为IC和IB成正比关系。 (2) 截止区 IB=0时的曲线的以下区域称为截止区，IB=0，IC=ICEO。 (3) 饱和区 当UBEUCE时，发射结、集电结都处于正向偏置，晶体管处于饱和工作状态。 7.3.4 晶体管的主要参数 1.共发射极电流放大倍数 (1)直流电流放大倍数 (2)交流电流放大倍数 在动态时，基极电流的变化增量为IB，它引起的集电极电流的变化增量为IC。 2.极间反向电流 (1)集电极-基极反向饱和电流ICBO ICBO是指晶体管发射极开路，集电极和基极之间加反向电压时流过集电结的反向电流。,7.3 晶体管,(2)穿透电流ICEO ICEO是指基极开路时，由集电区穿过基区流入到发射区的电流，所以称为穿透电流。 3.极限参数 (1) 集电极最大允许电流ICM 当IC过大时，电流放大系数将下降，使下降到正常值的2/3时的IC值定义为集电极最大允许电流。 (2) 反向击穿电压 1)发射极-基极反向击穿电压U(BR)EBO，是指当集电极开路时，发射极-基极间允许加的最高反向电压，一般在5V左右。 2)集电极-基极反向击穿电压U(BR)CBO，是指当发射极开路时，集电极-基极间允许加的最高反向电压，一般在几十伏以上。,7.3 晶体管,图7-16 晶体管的安全工作区,3)集电极-发射极反向击穿电压U（BR)CEO，是指当基极开路时，,7.3 晶体管,集电极-发射极间允许加的最高反向电压，通常比U(BR)CBO小一些。 (3) 集电极最大允许耗散功率PCM 由于集电极电流在流经集电结时将产生热量，使结温升高，从而引起晶体管参数变化。,图7-17 从真空管到芯片,7.4 晶闸管,7.4.1 晶闸管的结构 晶闸管是由三个PN结组成的半导体器件，其外形、结构和图形符号如图718所示。,图7-18 晶闸管的外形、结构和图形符号,7.4.2 晶闸管的导电实验与工作原理,7.4 晶闸管,1.晶闸管的导电实验 1) 如图7-19a所示，晶闸管阳极接直流电源的正端，阴极经灯接电源的负端，此时晶闸管承受正向电压。 2) 如图7-19b所示，晶闸管的阳极和阴极之间加正向电压，控制极相对于阴极也加正向电压，这时灯亮，说明晶闸管导通。,图7-19 晶闸管的导电实验,7.4 晶闸管,3)晶闸管导通后，如果去掉控制极上的电压(将图7-19b中的开关S断开)，灯仍然亮，这表明晶闸管继续导通，即晶闸管一旦导通后，控制极就失去了控制作用。 4)如图7-19c所示，晶闸管的阳极和阴极间加反向电压，无论控制极加不加电压，灯都不亮，晶闸管截止。 5)如果控制极加反向电压，晶闸管阳极回路无论加正向电压还是反向电压，晶闸管都不导通。 1)晶闸管阳极和阴极间加正向电压。 2)控制极电路加适当的正向电压(实际工作中加正触发脉冲信号)。 2.晶闸管的工作原理,7.4 晶闸管,图7-20 晶闸管电路模型,7.4 晶闸管,图7-21 晶闸管工作原理,1)晶闸管阳极加正电压EA时(即阳极接电源正极，,7.4 晶闸管,阴极接电源负极)，若控制极不加电压，且其中有一个PN结反偏截止，则晶闸管截止。 2)晶闸管阳极加正电压EA，同时控制极也加正电压EG(即控制极接电源的正极，阴极接电源的负极)，则VT1、VT2两个晶体管都满足放大条件。 3)晶闸管阳极加负电压-EA时，(即阳极接电源负极，阴极接电源正极)，因为至少有一个PN结反偏截止，只能通过很小的反向漏电流，所以晶闸管截止。 本 章 小 结 1.半导体二极管的核心是一个PN结，其主要特性是单向导电性，它的伏安特性体现了这种单向导电性。 2.晶体管有NPN型和PNP型两大类。,7.4 晶闸管,3.晶体管输入输出特性曲线反映晶体管的性能。 4.晶闸管是一种大功率可控整流器件，晶闸管阳极加正电压，同时控制极也加正电压晶闸管导通，晶闸管一旦导通，控制极即失去控制作用。 习题与思考题,图7-22 习题7-8图,7.4 晶闸管,图7-23 习题7-10图,
