第1章常用半導體器件 本章要點 本章導讀 半導體二極管 三極管 場效應管是電子電路中的重要元件 本章將討論它們的結構 工作原理 特性 主要參數(shù)及檢測方法 為以后學習各種電路打下基礎 1 1半導體和PN結 1 1 1半導體 導體 半導體和絕緣體 按導電能力的大小劃分 半導體的導電能力介于導體和絕緣體之間 半導體之所以得到廣泛的應用 是因為人們發(fā)現(xiàn)半導體具有三個奇妙且可貴的特性 摻雜性 熱敏性 光敏性 1 1 2N型半導體和P型半導體 摻入雜質后的半導體稱為雜質半導體 雜質半導體分為N型半導體和P型半導體兩類 若在純凈的四價元素硅中采用一定的制造工藝 摻入微量五價元素 例如磷 N型半導體 若在純凈的四價元素硅中采用一定的制造工藝摻入微量的三價元素 例如硼 P型半導體 1 1 3PN結及其單向導電性 1 PN結的形成用特定的制造工藝使P型半導體和N型半導體相結合 在其交界面上將形成一個特殊的薄層 這個薄層就是PN結 圖1 2為PN結的結構示意圖 其中字母P代表P型半導體 字母N代表N型半導體 中間劃有虛線的部分代表PN結 2 PN結的單向導電性 PN結加正向電壓導通 加反向電壓截止 這種導電特性就稱為PN結的單向導電性 1 2半導體二極管 1 2 1二極管的結構與符號PN結加上引出線和管殼就構成半導體二極管 簡稱二極管 二極管的結構示意圖 二極管的符號 1 2 2二極管的伏安特性和參數(shù) 1 觀察二極管的導電性 a 觀察指示燈是否發(fā)亮 b 再觀察指示燈的亮暗情況 2 二極管的主要特性 1 加正向電壓導通在二極管的兩電極加上電壓 稱為給二極管以偏置 2 加反向電壓截止與正向偏置相反 如果將電源負極與二極管的正極相連 電源正極與二極管的負極相連 稱為反向偏置 簡稱反偏 綜上所述 二極管具有 加正向偏壓導通 加反向偏壓截止 的導電特性 即單向導電性 它是二極管最重要的特性 小知識二極管為什么具有單向導電性 二極管的核心是PN結 因此二極管的單向導電性是由PN結的特性所決定的 1 PN結加上正向電壓的情況將PN結的P區(qū)接電源正極 N區(qū)接電源負極 此時外加電壓對PN結產生的電場與PN結內電場方向相反 削弱了PN結內電場 使得多數(shù)載流子能順利通過PN結形成正向電流 并隨著外加電壓的升高而迅速增大 即PN結加正向電壓時處于導通狀態(tài) 2 PN結加上反向電壓的情況將PN結的P區(qū)接電源的負極 N區(qū)接電源正極 此時外加電壓對PN結產生的電場與PN結內電場方向相同 加強了PN結內電場 多數(shù)載流子在電場力的作用下難于通過PN結 反向電流非常微小 即PN結加反向電壓時處于截止狀態(tài) 3 二極管的伏安特性曲線 1 正向特性曲線 2 反向特性曲線 3 反向擊穿特性曲線 4 二極管的主要參數(shù) 1 最大整流電流 2 最高反向工作電壓 3 反向電流 1 2 3二極管的應用 二極管限幅電路 二極管限幅電路可用作保護電路 以防止半導體器件由于過壓而被損壞 也可用來產生數(shù)字信號中的恒幅波 思考題 1 畫出二極管的符號和文字符號 并說明二極管的主要特性 2 二極管伏安特性的物理意義是什么 3 選用二極管時主要考慮哪些參數(shù) 并說明參數(shù)的含義 4 鍺二極管與硅二極管的主要差異是什么 各適用于哪些場合 5 有一只二極管 測得正向電阻1 2k 反向電阻520k 該管子能使用嗎 1 2 4特殊二極管及其應用 1 穩(wěn)壓二極管 以下稱穩(wěn)壓管 1 工作特性及應用 它是一種用特殊工藝制造的硅二極管 只要反向電流不超過極限電流 管子工作在擊穿區(qū)并不會損壞 屬可逆擊穿 這與普通二極管破壞性擊穿是截然不同的 穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū)域時 利用其陡峭的反向擊穿特性在電路中起穩(wěn)定電壓作用 穩(wěn)壓管主要用于恒壓源 輔助電源和基準電源電路 在數(shù)字邏輯電路中還常用作電平轉移等 穩(wěn)壓管的伏安特性曲線 穩(wěn)壓管的應用 2 穩(wěn)壓管的主要參數(shù)穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電流最大穩(wěn)定電流耗散功率動態(tài)電阻溫度系數(shù)k反映由溫度變化而引起的穩(wěn)定電壓變化 2 發(fā)光二極管發(fā)光二極管是一種把電能變成光能的半導體器件 由磷化鎵 砷化鎵等半導體材料制成 符號如圖1 14 a 所示 發(fā)光二極管的種類按外形可分為 圓形 方形等 如圖1 14 b 所示 3 光電二極管光電二極管又稱為光敏二極管 其符號和元件外形如圖1 16所示 光電二極管也是由一個PN結構成 但是它的PN結面積較大 通過管殼上的一個玻璃窗口來接收入射光 光電二極管常用作傳感器的光敏元件 可將光信號轉換為電信號 大面積的光電二極管可用來作電源 即光電池 4 無引線片狀二極管無引線片狀二極管在目前的電子產品中得到了廣泛應用 它的特點是體積小 重量輕 高頻性能好 形狀簡單 尺寸標準化 焊點處于元件的兩端 便于自動化裝配 片狀元件尺寸很小 其表面已無法詳細標出元件的名稱和規(guī)格 因而通常用縮減的符號來表示元件的基本參數(shù) 常見的片狀二極管器件有 肖特基二極管 穩(wěn)壓二極管 開關二極管 復合二極管和變容二極管五種類型 分類 重點 1 肖特基二極管 常見的肖特基二極管封裝形式 2 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓值在2 30V 額定功率為0 5W的片狀穩(wěn)壓二極管的封裝多采用SOT 23形式 額定功率為1W的多采用SOT 89 1W 形式封裝 3 開關二極管該類管子用于數(shù)字脈沖電路及電子開關電路 片狀開關管分為單開關二極管和復合開關二極管兩大類 4 復合二極管所謂 復合二極管 是指在一個封裝內 包含有2個以上的二極管 以滿足不同的電路工作要求 同時可減小元器件的數(shù)量和體積 復合二極管的組合形式有共陰極式 共陽極式 串聯(lián)式和獨立輸出式等類型 復合二極管的組合形式 復合二極管的常見封裝形式 1 3半導體三極管 1 3 1三極管的結構半導體三極管又稱為晶體三極管 三極管的管芯由三層半導體構成 三層半導體形成兩個背靠背的PN結 三層半導體分別稱為發(fā)射區(qū) 基區(qū)和集電區(qū) 各區(qū)引出一個電極依次稱為發(fā)射極E 基極B和集電極C 兩個PN結分別稱為發(fā)射結和集電結 三極管符號中箭頭的方向表示發(fā)射結加正向電壓時 發(fā)射極電流的方向 發(fā)射區(qū)摻雜濃度高 基區(qū)很薄且摻雜濃度低 集電結面積大 制造三極管時應具備的結構特點 1 3 2三極管的電流放大作用 1 三極管的工作條件二極管的主要性能是單向導電性 三極管的主要性能是具有電流放大作用 三極管具有放大作用的外部條件是必須外加合適的偏置電壓 使三極管的發(fā)射結處于正向偏置 集電結處于反向偏置 2 三極管的電流放大作用 三極管電流放大作用測試電路 若把圖中的三極管看做一個廣義的結點 則以上關系符合基爾霍夫電流定律 1 3 3三極管在放大電路中的三種連接方式 發(fā)射極接法 共基極接法和共集電極接法 無論哪種接法 要想使三極管有放大作用 都必須保證發(fā)射結正向偏置 集電結反向偏置這個工作條件 1 3 4三極管的伏安特性曲線 1 三極管輸入特性曲線 輸入特性曲線與二極管的伏安特性曲線形狀相似 因為三極管的基極與發(fā)射極之間也是一個PN結 三極管輸入特性曲線也有死區(qū) 硅管死區(qū)電壓約為0 5V 鍺管約為0 1V 1 3 4三極管的伏安特性曲線 2 三極管輸出特性曲線 根據(jù)三極管的不同工作狀態(tài) 輸出特性曲線可分為三個工作區(qū) 即放大區(qū) 截止區(qū)和飽和區(qū) 1 3 5三極管的主要參數(shù) 1 電流放大系數(shù) 電流放大系數(shù) 表明管子的電流放大能力 常用三極管的 值通常在20 200之間 在一般放大電路中 采用 為30 80的三極管為宜 值太小放大作用差 但 太大易使管子性能不穩(wěn)定 2 極間反向電流 1 集電極 基極反向飽和電流 2 集電極 發(fā)射極反向飽和電流3 極限參數(shù) 1 集電極最大允許電流 2 集電極 發(fā)射極間反向擊穿電壓 3 集電極最大允許管耗 1 3 6片狀三極管器件 1 片狀三極管外形額定功率在100 200mW的小功率三極管采用SOT 23形式封裝 大功率三極管多采用SOT 89形式封裝 1 3 6片狀三極管器件 2 帶阻片狀三極管帶阻片狀三極管是指在三極管的管芯內加入一只電阻或兩只電阻 1 3 6片狀三極管器件 3 組合雙三極管組合雙三極管是指一個封裝內包含有兩只三極管 有些還帶有偏置電阻 1 4場效應管 1 4 1結型場效應管1 結構和符號 N溝道結型場效應管 P溝道結型場效應管 2 工作原理 三極管與場效應管工作原理對比示意圖 3 特性曲線 N溝道結型場效應管的特性曲線 討論 可變電阻區(qū)可變電阻區(qū)位于特性曲線的起始上升部分 恒流區(qū) 放大區(qū) 恒流區(qū)位于輸出特性曲線的近似水平部分 擊穿區(qū)恒流區(qū)的右邊 曲線向上彎曲的部分是擊穿區(qū) 4 主要參數(shù) 1 直流參數(shù) 夾斷電壓 飽和漏極電流 直流輸入電阻 2 交流參數(shù) 3 極限參數(shù) 最大漏源電壓 最大柵源電壓 最大耗散功率 1 4 2絕緣柵場效應管 1 N溝道增強型絕緣柵場效應管 1 結構和符號 N溝道增強型MOS管結構示意圖 1 4 2絕緣柵場效應管 1 N溝道增強型絕緣柵場效應管 2 工作原理 N溝道增強型MOS管工作原理示意圖 1 4 2絕緣柵場效應管 1 N溝道增強型絕緣柵場效應管 3 特性曲線 N溝道增強型MOS管的特性曲線 1 4 2絕緣柵場效應管 2 N溝道耗盡型MOS管 1 結構和符號 耗盡型MOS管的結構和符號 1 4 2絕緣柵場效應管 2 N溝道耗盡型MOS管 2 工作原理 工作條件 放大作用 1 4 2絕緣柵場效應管 2 N溝道耗盡型MOS管 3 特性曲線 N溝道耗盡型MOS管的特性曲線 1 4 3場效應管使用注意事項 1 結型場效應管的柵源電壓不能接反 因為它工作在反偏狀態(tài) 2 MOS管因柵極與其他部分絕緣 柵極極易感應而產生高電壓致使管子擊穿損壞 所以柵極不能懸空 3 單極型晶體管與雙極型晶體管使用上的比較場效應管參與導電的只有一種載流子 多數(shù)載流子 例如N溝道的場效應管參與導電的是電子載流子 因此場效應管又稱為單極型晶體管 半導體三極管中兩種極性的載流子 多數(shù)載流子和少數(shù)載流子 都參與導電 所以也稱為雙極型晶體管 本章小結 1 半導體具有熱敏性 光敏性和摻雜性 因而成為制造電子元器件的關鍵材料 2 二極管是由一個PN結構成 其最主要的特性是具有單向導電性 該特性可由伏安特性曲線準確描述 3 特殊二極管主要有穩(wěn)壓二極管 發(fā)光二極管 光電