第四章半導(dǎo)體器件主要內(nèi)容

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半導(dǎo)體二極管§4-3半導(dǎo)體晶體管

★本章小結(jié)★§4-4晶閘管

§4-5場效應(yīng)晶體管

§4-6絕緣柵雙極晶體管

職業(yè)教育機(jī)械類專業(yè)“互聯(lián)網(wǎng)+”新形態(tài)教材§4-7光電器件§4-1半導(dǎo)體的基本知識§4-1半導(dǎo)體的基本知識一、半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性半導(dǎo)體是指導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。

（一）本征半導(dǎo)體完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。在本征半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)中，每一個(gè)原子與相鄰的四個(gè)原子結(jié)合。每一個(gè)原子的一個(gè)價(jià)電子與另一個(gè)原子的一個(gè)價(jià)電子組成一個(gè)電子對。這對價(jià)電子是兩個(gè)相鄰原子所共有的，它們把相鄰的原子結(jié)合在一起，構(gòu)成共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。共價(jià)鍵具有較強(qiáng)的結(jié)合力，束縛著價(jià)電子。當(dāng)價(jià)電子獲得外界能量（如溫度、光照或輻射等），某些價(jià)電子就會(huì)掙脫原子核的束縛而成為自由電子（又稱電子載流子）。在§4-1半導(dǎo)體的基本知識電子掙脫共價(jià)健的束縛成為自由電子后，共價(jià)鍵中就會(huì)留下一個(gè)空位，稱為空穴，如圖4-1所示。自由電子和空穴都稱為載流子。在電場作用下，半導(dǎo)體中自由電子和空穴將作定向運(yùn)動(dòng)，參與導(dǎo)電，分別形成電子電流和空穴電流。在半導(dǎo)體中，同時(shí)存在著電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電，這是半導(dǎo)體導(dǎo)電方式的最大特點(diǎn)，也是半導(dǎo)體和金屬導(dǎo)電原理上的本質(zhì)差別。在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生和復(fù)合達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。溫度愈高，載流子數(shù)目愈多，導(dǎo)電性能也就愈好，但因常溫下本征半導(dǎo)體中的自由電子和空穴濃度很低，因此導(dǎo)電能力很弱。§4-1半導(dǎo)體的基本知識圖4-1形成空穴示意圖§4-1半導(dǎo)體的基本知識（二）雜質(zhì)半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體為了提高半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力，可在本征半導(dǎo)體中摻入微量雜質(zhì)元素，摻雜后的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。按摻入的雜質(zhì)不同，雜質(zhì)半導(dǎo)體可分為兩大類。★雜質(zhì)半導(dǎo)體中電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子，導(dǎo)電以電子為主，故稱為電子半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體?！镌诎雽?dǎo)體中有大量空穴載流子，這種雜質(zhì)半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，電子是少數(shù)載流子，導(dǎo)電以空穴為主，故稱為空穴半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體?！?-1半導(dǎo)體的基本知識（1）PN結(jié)的形成當(dāng)通過一定的生產(chǎn)工藝，將P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體緊密結(jié)合在一起，如圖4-2所示。則在P型和N型半導(dǎo)體交界處，由于空穴和電子濃度差引起載流子運(yùn)動(dòng)，即擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。這樣，在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體交界面的兩側(cè)就形成了一個(gè)空間電荷區(qū)，這個(gè)空間電荷區(qū)就是PN結(jié)。正負(fù)空間電荷在交界面兩側(cè)形成了一個(gè)電場，稱為內(nèi)電場，其方向從帶正電的N區(qū)指向帶負(fù)電的P區(qū)。二、PN結(jié)及其單向?qū)щ娦浴?-1半導(dǎo)體的基本知識圖4-2PN結(jié)的形成§4-1半導(dǎo)體的基本知識圖4-3PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕?）PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)加上如圖4-3a所示正偏電壓，即P端為正，N端為負(fù)。此時(shí)，外電場與PN結(jié)內(nèi)電場方向相反，削弱了內(nèi)電場，使空間電荷區(qū)變窄，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，形成了較大的正向電流（擴(kuò)散電流）。PN結(jié)正向?qū)?，其正向?qū)娮韬苄?，相?dāng)于開關(guān)閉合，此時(shí)，稱之為PN結(jié)正向偏置。相反，如果給PN結(jié)外加反偏電壓，即P端為負(fù)，N端為正，如圖4-3b所示。這時(shí)，外電場與PN結(jié)內(nèi)電場的方向一致，使空間電荷區(qū)變寬，內(nèi)電場增強(qiáng)，使擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)難以進(jìn)行。少數(shù)載流子在電場作用下移動(dòng)，形成極少量的反向電流。反映出其反向電阻很大，相當(dāng)于開關(guān)斷開，稱為PN結(jié)反向截止。此時(shí)，稱之為PN結(jié)反向偏置?！?-1半導(dǎo)體的基本知識PN結(jié)正向偏置時(shí)導(dǎo)通，反向偏置時(shí)截止，因此，PN結(jié)具有單向?qū)щ娞匦?。繼續(xù)返回§4-1半導(dǎo)體的基本知識§4-2半導(dǎo)體二極管圖4-4半導(dǎo)體二極管

a）點(diǎn)接觸型b）面接觸型c）表示符號d）常見二極管的外形圖§4-2半導(dǎo)體二極管一、基本結(jié)構(gòu)§4-2半導(dǎo)體二極管二、伏安特性伏安特性是描述二極管端電壓與通過電流之間的關(guān)系特性曲線。二極管伏安特性如圖4-5所示。（1）正向特性（2）反向特性圖4-5硅二極管的典型伏安特性§4-2半導(dǎo)體二極管三、主要參數(shù)（1）最大整流電流指二極管長時(shí)間使用時(shí)，允許流過二極管的最大正向平均電流。（2）反向工作峰值電壓它是保證二極管不被擊穿而給出的方向峰值電壓，一般是反向擊穿電壓的一半或三分之二。四、穩(wěn)壓管1．穩(wěn)壓管的工作特性穩(wěn)壓管在電路中與適當(dāng)數(shù)值的電阻配合后能起穩(wěn)定電壓的作用，故稱為穩(wěn)壓管。穩(wěn)壓管的伏安特性曲線與普通二極管的類似?！?-2半導(dǎo)體二極管2．穩(wěn)壓管的主要參數(shù)

（1）穩(wěn)定電壓即反向擊穿電壓，手冊中所列的都是在一定條件（工作電流、溫度）下的數(shù)值。（2）穩(wěn)定電流指穩(wěn)壓管保持穩(wěn)定電壓時(shí)的工作電流。（3）動(dòng)態(tài)電阻動(dòng)態(tài)電阻是指穩(wěn)壓管端電壓的變化量與相應(yīng)的電流變化量的比值。（4）最大允許耗散功率穩(wěn)壓管所允許的最大功耗。

繼續(xù)返回§4-3半導(dǎo)體晶體管§4-3半導(dǎo)體晶體管晶體管是由兩個(gè)PN結(jié)構(gòu)成的三端半導(dǎo)體元件。一、晶體管的結(jié)構(gòu)晶體管的外形及管腳極性如圖4-6所示。晶體管可分為NPN型和PNP型兩種類型，結(jié)構(gòu)和圖形符號見圖4-7所示。分為三個(gè)區(qū)域：發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)。引出三個(gè)管腳分別為發(fā)射極E、基極B和集電極C。靠近集電區(qū)的PN結(jié)稱為集電結(jié)，靠近發(fā)射區(qū)的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)。發(fā)射極箭頭方向代表三極管中電流的方向。§4-3半導(dǎo)體晶體管圖4-6晶體管的外形圖4-7晶體管結(jié)構(gòu)和圖形符號§4-3半導(dǎo)體晶體管圖4-8晶體管電流放大作用的測試電路§4-3半導(dǎo)體晶體管二、晶體管的電流放大作用

三極管電流放大作用可用圖4-8所示。（1）§4-3半導(dǎo)體晶體管（4）晶體管的放大作用源自于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和必要的外部條件。這個(gè)外部條件是指外加電源使三極管的發(fā)射結(jié)處于正向偏置，集電結(jié)處于反向偏置。（5）基極開路時(shí)，微小的集電極電流稱為穿透電流，用表示。該值越小，晶體管質(zhì)量越好。三、晶體管的主要參數(shù)1．極限參數(shù)（1）集電極最大允許電流它是指晶體管正常工作時(shí)，集電極所允許的最大電流。（2）集電極反向擊穿電壓基極開路時(shí)，集電極-發(fā)射極允許施加的最大電壓。超過此值，晶體管會(huì)被擊穿而損壞?！?-3半導(dǎo)體晶體管（3）集電極最大允許耗散功率集電極電流流過集電結(jié)時(shí)。使結(jié)溫升高，導(dǎo)致晶體管發(fā)熱，引起晶體管參數(shù)變化。2．靜態(tài)參數(shù)靜態(tài)參數(shù)表明晶體管的直流特性。（1）直流電流放大系數(shù)表征晶體管電流放大能力的參數(shù)。根據(jù)用途不同常在20～200之間選用。（2）穿透電流為基極開路時(shí)，集電極-發(fā)射極間加上規(guī)定電壓時(shí)，從集電極到發(fā)射極之間的電流，稱穿透電流。其值受環(huán)境溫度影響較大，它是衡量晶體管溫度特性的最重要參數(shù)。其值越小，晶體管的溫度特性越好。§4-3半導(dǎo)體晶體管3．動(dòng)態(tài)參數(shù)描述晶體管在交流量激勵(lì)控制下或脈沖驅(qū)動(dòng)時(shí)的特性。動(dòng)態(tài)參數(shù)有結(jié)電容、開關(guān)時(shí)間等。

繼續(xù)返回§4-4晶閘管§4-4晶閘管晶閘管是硅晶體閘流管的簡稱，又稱可控硅。它是一種大功率變流器件，包括普通晶閘管、雙向晶閘管、快速晶閘管、可關(guān)斷晶閘管、光控晶閘管和逆導(dǎo)晶閘管等。一、晶閘管的結(jié)構(gòu)及工作原理晶閘管的內(nèi)部原理結(jié)構(gòu)如圖4-9所示。管芯由四層半導(dǎo)體（P1N1P2N2）、三個(gè)PN結(jié)J1、J2、J3組成，三個(gè)引出端分別為陽極A、陰極K和門極（又稱控制極）G。圖4-9晶閘管內(nèi)部原理結(jié)構(gòu)圖a）結(jié)構(gòu)b）符號§4-4晶閘管二、晶閘管的主要參數(shù)（1）正向阻斷峰值電壓又稱正向重復(fù)峰值電壓，是在額定結(jié)溫（100℃）、控制極斷路和晶閘管正向阻斷的條件下，允許重復(fù)加在晶閘管陽極和陰極之間的正向電壓值。圖4-10晶閘管的外形結(jié)構(gòu)圖a）螺栓式b）平板式c)塑料封裝式§4-4晶閘管（2）反向阻斷峰值電壓又稱反向重復(fù)峰值電壓，是在額定結(jié)溫、控制極斷路時(shí)，允許重復(fù)加在晶閘管陽極和陰極之間的反向電壓。（3）額定通態(tài)平均電流指在環(huán)境溫度不超過40℃和規(guī)定的散熱及全導(dǎo)通條件下，晶閘管允許正向連續(xù)通過的工頻正弦半波電流在一個(gè)周期內(nèi)的平均值。（4）門極電壓室溫下，在晶閘管陽、陰極之間加正向直流電壓為6V時(shí)，能使晶閘管導(dǎo)通的最小觸發(fā)電壓值。繼續(xù)返回§4-5場效應(yīng)晶體管§4-5場效應(yīng)晶體管一、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)MOS管的結(jié)構(gòu)如圖4-11所示，它是由一個(gè)摻雜濃度低的P型（或N型）硅片做為襯底，在襯底上擴(kuò)散兩個(gè)摻雜濃度高的N型區(qū)（或P型區(qū)），并引出圖4-11N溝道場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)兩個(gè)電極分別稱為源極S和漏極D。兩個(gè)N（或P）區(qū)中間的半導(dǎo)體表面上有一層二氧化硅薄膜，叫絕緣柵，其上再覆蓋一層金屬薄膜，構(gòu)成柵極G。§4-5場效應(yīng)晶體管N溝道P溝道增強(qiáng)型耗盡型增強(qiáng)型耗盡型

表4-1場效應(yīng)管的圖形符號MOS管的圖形符號見表4-1。圖4-12N溝道場效應(yīng)管的工作原理§4-5場效應(yīng)晶體管二、導(dǎo)電原理如圖4-12a所示，在漏極D和源極S之間加上正向電壓，當(dāng)時(shí)，由于漏極與襯底之間的PN結(jié)處于反向偏置，漏源極間無導(dǎo)電溝道，漏極電流，場效應(yīng)管處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)時(shí)，P型襯底界面（靠絕緣柵一側(cè)）就會(huì)感應(yīng)出一層電子，即為N型層（或反型層）。當(dāng)增加到某一臨界電壓時(shí)，兩個(gè)分離的N型區(qū)便會(huì)接通，形成N型導(dǎo)電溝道，便產(chǎn)生漏極電流，MOS管此時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)，這個(gè)臨界電壓即為開啟電壓?！?-5場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管是一種電壓控制器件，即利用柵極電壓

控制漏極電流，實(shí)質(zhì)上就是控制導(dǎo)電溝道電阻的

大小。繼續(xù)返回§4-6絕緣柵雙極晶體管§4-6絕緣柵雙極晶體管一、絕緣柵雙極晶體管的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)結(jié)構(gòu)：絕緣柵雙極晶體管（以下簡稱IGBT）是由場效應(yīng)晶體管和雙極型晶體管復(fù)合而成的一種器件。IGBT也是三端器件：柵極，集電極和發(fā)射極。特點(diǎn)及應(yīng)用：它融和了這兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，既具有場效應(yīng)晶體管器件驅(qū)動(dòng)簡單和快速的優(yōu)點(diǎn)，又具有雙極型器件容量大的優(yōu)點(diǎn)，因此，在現(xiàn)代電力電子技術(shù)中已逐步取代晶閘管或晶體管，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。多使用在工業(yè)用電機(jī)、民用小容量電機(jī)、變換器（逆變器）、照相機(jī)的頻閃觀測器、感應(yīng)加熱電飯鍋等領(lǐng)域?！?-6絕緣柵雙極晶體管二、絕緣柵雙極晶體管的工作原理IGBT的等效電路如圖4-13所示。由圖可知，若在IGBT的柵極和發(fā)射極之間加上驅(qū)動(dòng)正電壓，則場效應(yīng)管導(dǎo)通，這樣PNP晶體管的集電極與基極之間成低阻狀態(tài)而使得晶體管導(dǎo)通；若IGBT的柵極和發(fā)射極之間電壓為0V，則場效應(yīng)管截止，切斷PNP晶體管基極電流的供給，使得晶體管截止。圖4-13IGBT的等效電路§4-6絕緣柵雙極晶體管繼續(xù)返回由此可知，IGBT的安全可靠與否主要由以下因素決定：1）IGBT柵極與發(fā)射極之間的電壓；2）IGBT集電極與發(fā)射極之間的電壓；3）流過IGBT集電極－發(fā)射極的電流；4）IGBT的結(jié)溫?！?-7光電器件§4-7光電器件一、光電三極管光電三極管又稱光敏三極管，也是一種能將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的半導(dǎo)體器件(受光器件)。一般光電三極管只引出兩個(gè)引腳(E、C)極，基極B不引出，管殼上也開有方便光線射入的窗口。電路符號如圖4-23所示。圖4-23光電三極管的符號與普通三極管一樣，光電三極管也有兩個(gè)PN結(jié)，且有PNP和NPN之分。使用時(shí)，必須使發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，以保證管子工作在放大狀態(tài)。在無光照時(shí)，流過管子的電流為iC=iCEO=(1+β)iCBO(4-5)式中，iCBO為集電結(jié)反向飽和電流，iCEO為穿透電流。當(dāng)有光照時(shí)，流過集電結(jié)的反向