1、5.1 半导体二极管 5.2 晶体管 5.3 晶闸管,第5章 半导体器件的基本知识,考试要求 1.了解半导体二极管单向导电性、伏安特性、主要参数。 2.会用万用表判别二极管的管脚极性及好坏。 3.理解三极管的电流放大作用。 4.会用万用表判别三极管的管脚及管脚极性。 5.掌握共发射极放大电路的工作原理。 6.理解三极管开关电路的工作原理。,5.1 半导体二极管,一、半导体材料 导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体。 主要材料是硅（Si）和锗（Ge）。 半导体具有某些特殊性质：如光敏、热敏及 掺杂特性。（导电能力）,1.1 半导体器件及其特性,二、半导体的类型 （一）本征半导体 完全纯净的半导体（纯度在99.999%） （二）杂质半导体 在本征半导体中惨入其他的微量元素,（一）本征半导体 结构特点,现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。,硅和锗的共价键结构,共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。,形成共价键后，每个原子的最外
2、层电子是八个，构成稳定结构。,共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。,(二)杂质半导体,在本征半导体中掺入微量的杂质元素，成为杂质半导体。 1.N型半导体 在本征半导体中掺入少量五价元素原子，称为电子型半导体或N型半导体。 多数载流子：自由电子 少数载流子：空穴 np,2.P型半导体 在本征半导体中掺入少量三价元素原子，称为空穴型半导体或P型半导体。 多数载流子：空穴 少数载流子：自由电子 pn,（三）PN结,1.PN结的形成,漂移运动：载流子在电场作用下的定向运动。 扩散运动：由于浓度差引起的非平衡载流子的运动。,将P型和N型半导体采用特殊工艺制造成半导体半导体内有一物理界面，界面附近形成一个极薄的特殊区域，称为PN结。,PN结形成过程分解：,2. PN结的单向导电性,无外接电压的PN结开路PN结，平衡状态PN结 PN结外加电压时 外电路产生电流 正向偏置（简称正偏） PN结： PN结外加直流电压V：P区接高电位（正电位）,N区接低电位（负电位）正偏正向电流 反向偏置（简称反偏） PN结反偏：P区接低电位（负电位），N区接高电位（正电位）。,PN结加正向电压的 情形,_,内
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3、电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。,PN 结反向偏置,N,P,+,_,内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。,R,E,三、二极管的构成及类型,1.构成,PN结+管壳+引线.类型,四、二极管的伏安特性,正向特性,Uth,死区 电压,iD = 0,Uth = 0.5 V,0.2 V,(硅管),(锗管),U Uth,iD 急剧上升,0 U Uth,正向压降硅管 (0.6 0.8) V,(0.1 0.3) V,锗管,反向特性,IS,U (BR),反向击穿,U(BR) U 0,iD = IS, 0.1 A(硅),几十 A (锗),U U(BR),反向电流急剧增大,(反向击穿),温度影响,T 升高时，由本征激发产生的少子浓度增加，导致PN结内建电位差UB减小。,第 1 章 半导体二极管,反向击穿类型：,电击穿,热击穿, PN 结未损坏，断电即恢复。, PN 结烧毁。,温度升高，正向特性向左移动，反向特性向下移动,二极管的主要参数,1. IF 最大整流电流(最大正向平均电流),2. URM 最高反向工作电压，为 U(BR) / 2
4、,3. IRM 反向电流(越小单向导电性越好),4. fM 最高工作频率(超过时单向导电性变差),第 1 章 半导体二极管,稳压二极管 1.符号和特性,符号,工作条件：反向击穿,特性,2.主要参数,1. 稳定电压 UZ 流过规定电流时稳压管两端的反向电压值。 2. 稳定电流 IZ 越大稳压效果越好，小于 Imin 时不稳压。 3. 最大工作电流 IZM 最大耗散功率 PZM P ZM = UZ IZM 4. 动态电阻 rZ几 几十 rZ = UZ / IZ 越小稳压效果越好。,5.2 晶体管,一. 基本结构,基极,发射极,集电极,NPN型,符号：,NPN,PNP,基区：最薄， 掺杂浓度最低,发射区：掺 杂浓度最高,发射结,集电结,结构特点：,集电区： 面积最大,二.电流分配和放大原理,1. 三极管放大的外部条件,发射结正偏、集电结反偏,PNP 发射结正偏 VBVE 集电结反偏 VCVB,从电位的角度看： NPN 发射结正偏 VBVE 集电结反偏 VCVB,2. 各电极电流关系及电流放大作用,结论:,1）三电极电流关系 IE = IB + IC 2） IC IB ， IC IE 3） I
5、C IB,把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大变化的特性称为晶体管的电流放大作用。 实质:用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的变化，是CCCS器件。,三.特性曲线,即管子各电极电压与电流的关系曲线，是管子内部载流子运动的外部表现，反映了晶体管的性能，是分析放大电路的依据。,为什么要研究特性曲线）直观地分析管子的工作状态 2）合理地选择偏置电路的参数，设计性能良好的电路,重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线,发射极是输入回路、输出回路的公共端,共发射极电路,输入回路,输出回路,测量晶体管特性的实验线. 输入特性,特点:非线V。,正常工作时发射结电压： NPN型硅管 UBE 0.60.7V PNP型锗管 UBE 0.2 0.3V,三极管是非线A,放大区,输出特性曲线通常分三个工作区：,(1) 放大区,在放大区有 IC= IB ，也称为线性区，具有恒流特性。,在放大区，发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置，晶体管工作于放大状态。 UC UB UE IE= IC +IB,（2）截止区
6、,IB 0 以下区域为截止区，有 IC 0 。,在截止区发射结处于反向偏置，集电结处于反向偏置，晶体管工作于截止状态。,饱和区,截止区,（3）饱和区,当UCE UBE时，晶体管工作于饱和状态。 在饱和区，IB IC，发射结处于正向偏置，集电结也处于正偏。 深度饱和时， 硅管UCES 0.3V， 锗管UCES 0.1V。,四.主要参数,1. 电流放大系数 ，,直流电流放大系数,交流电流放大系数,当晶体管接成发射极电路时，,表示晶体管特性的数据称为晶体管的参数，晶体管的参数也是设计电路、选用晶体管的依据。,注意：,和 的含义不同，但在特性曲线近于平行等距并且ICE0 较小的情况下，两者数值接近。,常用晶体管的 值在20 150之间。,例：在UCE= 6 V时， 在 Q1 点IB=40A, IC=1.5mA； 在 Q2 点IB=60 A, IC=2.3mA。,在以后的计算中，一般作近似处理： = 。,Q1,Q2,在 Q1 点，有,由 Q1 和Q2点，得,2.集-基极反向截止电流 ICBO,ICBO是由少数载流子的漂移运动所形成的电流，受温度的影响大。 温度ICBO,3.集-射极反向截止电流(
7、穿透电流)ICEO,ICEO受温度的影响大。 温度ICEO，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。,4. 集电极最大允许电流 ICM,5. 集-射极反向击穿电压U(BR)CEO,集电极电流 IC上升会导致三极管的值的下降，当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为 ICM。,基极开路时，集电极不致击穿，允许加在集射极之间的最高反向电压。U(BR)CBO,U(BR)EBO,6. 集电极最大允许耗散功耗PCM,PCM取决于三极管允许的温升，消耗功率过大，温升过高会烧坏三极管。 PC PCM =IC UCE,硅管允许结温约为150C，锗管约为7090C。,ICUCE=PCM,安全工作区,由三个极限参数可画出三极管的安全工作区,晶体管参数与温度的关系,1、温度每增加10C，ICBO增大一倍。硅管优 于锗管。,2、温度每升高 1C，UBE将减小 (22.5)mV， 即晶体管具有负温度系数。,3、温度每升高 1C， 增加 0.5%1.0%。,5.3 晶闸管(Thyrister),普通晶闸管-可控硅（晶体闸流管） SCR（Silicon Controlled Rectifier) 1956年美
8、国贝尔实验室发明 1957年美国通用电气公司开发出第一只产品 1958年商业化(16A/300V),一、概述,功率等级: 几KA/几 KV 新品种: 快速,双向,逆导,可关断,光激发 特点:体小,轻重,效率高,反应快,高压大容量, 弱电控制强电(几十毫安控制几百几千安) 应用:整流,逆变(尤其在大功率场合)，,一晶闸管的结构 符号：阳极A，阴极K，门极G（控制极）,外形：螺栓形和平板形两种,螺栓形： 螺栓阳极A， 粗引线 阴极K 细引线-门极G 特点： 安装方便,K,K,A,G,平板形： 两面分别为阳极A和阴极K 中间引出线-门极G 特点： 散热效果好，容量大,晶闸管的外形与符号图,1晶闸管的结构,晶闸管的内部管芯结构： 基本材料:硅单晶体 四层三端器件 (P1 N1 P2 N2） 钼片：导电材料，用于减小/缓冲相邻两种材料的热膨胀系数的差别，以保证在各种温度下接触可靠,K,G,A,P1,N1,P2,N2,N2,晶闸管内部管芯结构图,2晶闸管导通关断条件,实验步骤：1 2,实验步骤：3 4,实验步骤：5 4,IAIH,结论： 1 导通条件：UAK0 AND UGK0 (iG 0适当值) 关断条件： IA减小至维持电流以下。 UAK减小到零或加反压来达到 一旦导通，门极失去控制，故可用脉冲信号,
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