《夺命深渊》：人性的深渊

第 5 章 常用半导体器件 5.1 半导体基础知识 5.3 稳压二极管及基本应用电路 5.4 晶体三极管 5.5 绝缘栅型场效应晶体管 5.2 半导体二极管 5.6 其它半导体器件 5.1 半导体基础知识 导 体：自然界中很容易导电的物质，例如金属。 绝缘体：电阻率很高的物质，几乎不导电，如橡皮、陶瓷、塑料和石英等。 半导体：导电特性处于导体和绝缘体之间的物质， 例如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等 半导体的特点 1. 本征半导体 本征半导体的导电机理 纯净的半导体。如：硅和锗 1）最外层四个价电子。 2）共价键结构 共价键共用电子对 +4表示除去价电子后的原子 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。 3）在绝对0度和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为0，相当于绝缘体。 4）在热或光激发下，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。 空穴 束缚电子 自由电子 在其它力的作用下，空穴吸引临近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。 5）自由电子和空穴的定向运动形成电流 2. 杂质半导体 杂质半导体使某种载流子浓度大大增加。 在本征半导体中掺入某些微量杂质。 1）N型半导体 在硅或锗晶体（四价）中掺入少量的五价元素磷，使自由电子浓度大大增加。 多数载流子（多子）：电子。取决于掺杂浓度； 少数载流子（少子）：空穴。取决于温度。 N型半导体 多余电子 磷原子 2）P型半导体 在硅或锗晶体（四价）中掺入少量的三价元素硼，使空穴浓度大大增加。 多数载流子（多子）：空穴。取决于掺杂浓度； 少数载流子（少子）：电子。取决于温度。 空穴 硼原子 杂质半导体的示意表示法 一、 PN 结的形成 在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散和漂移，在它们的交界面处就形成了PN结。 因浓度差  多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区  空间电荷区形成内电场  内电场促使少子漂移  内电场阻止多子扩散 3. PN结 P型半导体 N型半导体 空间电荷区 PN结处载流子的运动 扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽。 内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。 所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。 空间电荷区 N型区 P型区 PN结 1） PN结加正向电压时的导电情况 外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是,内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。 2. PN结加反向电压时的导电情况 外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相同，加 强了内电场。内电场对多 子扩散运动的阻碍增强， 扩散电流大大减小。此时 PN结区的少子在内电场的 作用下形成的漂移电流大 于扩散电流，可忽略扩散 电流，PN结呈现高阻性。 在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。 二、PN结的单向导电性 PN结加正向电压（正向偏置）： P区接电源的正极、N区接电源的负极。 PN结加反向电压（反向偏置）： P区接电源的负极、N区接电源的正极。 PN结呈现低电阻，处于导通状态。 PN结呈现高电阻，处于截止状态。 PN结正向偏置 P N + _ 内电场被削弱， 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。 5.2 半导体二极管 一、 基本结构 PN结 + 管壳和引线 阳极 阴极 符号： D 死区电压 硅管0.5V,锗管0.1V。 导通压降: 硅管0.6~0.8V,锗管0.2~0.3V。 反向击穿电压UBR 正向特性： 反向特性： U<死区电压，不通；U>死区电压，导通；UI I反很小，与温度有关；U击穿电压，击穿导通；I  二、伏安特性 三、 主要参数 1.最大整流电流 IOM 2.最大反向工作电压URM 二极管长时间使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。 二极管正常工作时允许承受的最大反向工作电压。手册上给出的最高反向工作电压URM一般是UBR的一半。 3. 最大反向电流 IRM 指二极管加反向工作峰值电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要大几十到几百倍。 理想二极管 U >0，D导通；UD=0，I取决于外电路；相当于一个闭合的开关 U 0，D截止；I=0， UD（负值）取决于外电路；相当于一个断开的开关 四、 二极管的等效电路 五、二极管的应用举例 电路如图示：已知E=5V， ui=10sint V 解： 此类电路的： 当D的阳极电位高于阴极电位时，D导通，将D作为一短路线； 当D的阳极电位低于阴极电位时，D截止，将D作为一断开的开关； 将二极管看成理想二极管 5V 削波 求： uO的波形 5.3 稳压二极管 UZ IZ 曲线越陡，电压越稳定。 1、结构和符号：结构同二极管 2、伏安特性： 稳压值 同二极管 DZ 稳压误差 3.主要参数 1）稳定电压 UZ：正常工作时管子两端的电压。 4）动态电阻 2）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。 3）最大允许功耗 UZ IZmin IZmax 5）电压温度系数： 稳压值受温度变化影响 的系数。数值上等于温度每升高1。C时稳定电压的相对变化量。 4.稳压管与二极管的主要区别 稳压管比二极管的反向特性更陡。 稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。 电阻的作用：一是起限流作用，以保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。 5.4 晶体三极管 由两个PN结构成的 具有电流放大作用和开关作用 的半导体器件 晶体管的分类 5.4.1 基本结构 由三层半导体、两个PN结组成 基区：较薄，掺杂浓度低 集电区：面积较大 1. 基区很薄 2. 发射区掺杂浓度>>基区掺杂浓度 3. 集电区尺寸>发射区尺寸，集电区掺杂浓度<发射区掺杂浓度 发射结 集电结 发射区：掺 杂浓度较高 放大的条件：发射结正偏，集电结反偏 VC>VB >VE VCEB保证集电结反偏。 进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE ，多数扩散到集电结。 IBE基本上等于基极电流IB。 EB RB Ec 发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。 从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICE，基本上等于IE。 EB RB Ec IC 很小的基极电流IB，就可以控制较大的集电极电流IC，从而实现了放大作用。 IC与IB之比称为电流放大倍数 静态电流放大系数： 动态电流放大系数： 通常： 5.4.3 特性曲线 测试线路 （共发射极电路） 输入特性： 输出特性： 发射结电压uBE与基极电流iB的关系； 集电极电流iC与管压降uCE的关系。 一、输入特性曲线 开启电压与导通电压的概念同二极管 uBE   iB 二、输出特性曲线 ①取IB=IB2，起始部分很陡， UCE≥1V后，较平坦。 原因：UCE较小时， UCE增加，集电区收集能力增强，使IC增强；UCE≥1V后，集电区收集能力足够大，IC不再增强。 ②IB取不同的值，可得到一组曲线。 原因： 相同UCE下，IB增加， IC增加，曲线上移。 晶体管的三个工作区域 ②放大区：发射结正偏，集电结反偏 特点：iC受IB的控制，iC=βIB； uCE增加，iC基本不变 ①截止区：发射结电压小于开启电 压Uon ,集电结反偏。 特点：IB=0， IC=0 ③饱和区：发射结正偏，集电结正偏 因为uCE很小，有uCE〈uBE，集电结处于正向偏置，集电极吸引电子的能力大大削弱。这时即使IB增加，IC也很少增加，甚至不变。破坏IB对IC的控制作用，成为晶体管饱和。 特点：集电结正偏，集电极收集能力弱，集电极漂移电流小，故iC≦βIB。 饱和压降：UCE(sat)≈0.1V 5.4.4 晶体管 主要参数 直流电流放大倍数： 交流电流放大倍数： 两者非常接近，通常用作： 一般为 20 ~ 200 2.集-射极反向截止电流ICEO 基极开路时的集电极电流。 （又称穿透电流）。 随温度变化。 所以集电极电流应为： IC=  IB+ICEO 而ICEO受温度影响很大，当温度上升时，ICEO增加很快，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 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。 3.集-基极反向截止电流ICBO 发射极开路时的基极电流。 随温度变化。 硅管在温度稳定性方面胜于锗管。 所以基极电流应为： IB= IBE-ICBO 5.集-射极反向击穿电压U(BR)CEO 当集---射极之间的电压UCE超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿电压U(BR)CEO。 6.集电极最大允许功耗PCM 集电极电流IC流过三极管，所发出的焦耳热为： PC=ICUCE 必定导致结温上升，所以PC有限制。 PCPCM ICUCE=PCM 安全工作区 过流区 过压区 过损耗区 5.4.5 温度对晶体管特性及参数的影响 温度增加，输出曲线上移。 4.温度对输出曲线的影响。 2.温度对ICEO的影响。 原因：少数载流子增加。 温度增加，使ICBO增加ICEO增加。 温度增加， β增加。 3.温度对β的影响。 关于PNP型管子及其电路 要满足发射结正偏，集电结反偏的条件，VBB、VCC的极性应如图所示 电流实际方向如图所示 电位高低如图所示 放大、开关。 电流控制器件， 有电流放大作用。 三极管的主要特点 三极管的应用 NPN型三极管 PNP型三极管 只有：发射结正偏，集电结反偏，晶体管才能工作在放大状态。 5.5 绝缘栅型场效应晶体管 场效应管是一种利用电场效应来控制电流的半导体器件。 其作用有放大、开关、可变电阻。 特点：输入电流很小，耗能小；输入电阻很大；便于集成 场效应管的结构及符号 绝缘栅型 绝缘栅场效应管(MOS管) 一、N沟道增强型MOS管 1．工作原理 uGS对iD的影响：uGS↑→沟道宽度↑→iD↑ 2．特性曲线与电流方程 输出特性曲线与结型类似，分为三个区。不同之处在于开启电压>0。 转移特性曲线与结型形状类似，但在第一象限，因开启电压>0。 方程： ★ ★ 二、N沟道耗尽型绝缘栅场效应管 情况与增强型类似。不同的只是开启电压不同。 增强型UGS(th)>0，耗尽型UGS(off)<0。 uGS<0的某个值UGS(off)时，反型层消失，沟道夹断。 故在uGS>UGS(off)时，在ds间加正压，有电流iD产生。 特性曲线 输出特性曲线 转移特性曲线 三、P沟道场效应管 开启电压：增强型MOS管UGS(th)<0， 耗尽型MOS管，UGS(off)>0。 特性曲线：将N沟道对应曲线旋转180度 即得 例：P沟道绝缘栅型场效应管的特性曲线 P沟道 UGS(th) <0 ，iD<0 N沟道UGS(th) > 0， iD>0 同样可得增强型MOS管，耗尽型MOS管的特性曲线如图 场效应管的主要参数 一、直流参数 1.开启电压UGS(th)：是增强型MOS管的参数 2.夹断电压UGS(off)：是结型场效应管和耗尽型MOS管的参数 3.饱和漏极电流IDSS ：是结型场效应管和耗尽型MOS管的参数 二、交流参数 1.低频跨导gm 2.极间电容：场效应管三个电极之间存在的等效电容 4.直流输入电阻RGS(DC) ：栅源电压与栅极电流的之比。很大 三、极限参数 1.最大漏极电流IDM 2.击穿电压u(BR)DS 3.最大耗散功率PDM 1）发光二极管 LED 发光器件 结构：由能发光的化合物半导体材料制作成PN结 功能：将电能转换成光能。 导通电压：1 ~ 2V 导通电流：几 ~ 几十毫安，须接限流电阻 5.6 其它半导体器件 注意：光电二极管工作在反向状态！ 2）光电二极管 受光器件 功能：将光能转换成电能。 注意：光电三极管工作时，发射结正偏，集电结反偏！ 3）光电三极管 受光器件 功能：将光能转换成电能，且有电流放大作用。 特点：输入输出电气隔离，抗干扰能力强； 传输信号失真小，工作稳定可靠。 4）光电耦合器 功能：由光将输入端的电信号传递到输出端。 本章要点 1. 理解电子和空穴两种载流子及扩散运动和漂移运动的概念。 2. 掌握PN结的单向导电性。 3. 掌握二极管的伏安特性、主要参数及基本应用。 4. 掌握稳压管的稳压作用、主要参数及应用。 5. 理解三极管的工作原理、特性曲线、主要参数、放大作用和开关作用。 6. 会分析三极管的三种工作状态。 7.理解场效应管的恒流、夹断、变阻三种工作状态，了解场效应管的应用。 END