半導(dǎo)體器件及其應(yīng)用電路

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1、第10章半導(dǎo)體器件及其應(yīng)用電路10.1半導(dǎo)體及二極管特性10.2二極管應(yīng)用電路10.3二極管的選用與代換10.4半導(dǎo)體三極管的特性10.5三極管放大電路10.6場(chǎng)效應(yīng)管10.7晶閘管及其應(yīng)用電路本章內(nèi)容提要重點(diǎn)：（1）二極管的單向?qū)щ娦?；?）三極管的三種工作狀態(tài)；（3）絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的測(cè)試方法；（4）晶閘管的伏安特性；難點(diǎn)：（1）整流電路的特點(diǎn)及應(yīng)用；（6）放大器的靜態(tài)分析及動(dòng)態(tài)分析；（7）晶閘管的整流、逆變和調(diào)壓等大功率電子應(yīng)用電路。10.1半導(dǎo)體及二極管特性一、半導(dǎo)體本證半導(dǎo)體（1）定義：純凈的晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。（2）特性：熱敏性、光敏性和摻雜型。2.雜質(zhì)半導(dǎo)體（1）

2、N型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體硅（或鍺，此處以硅為例）中摻入微量的5價(jià)元素磷（P），由于磷原子最外層的5個(gè)價(jià)電子中有4個(gè)與相鄰硅原子組成共價(jià)鍵，多余一個(gè)價(jià)電子受磷原子核的束縛力很小，很容易成為自由電子，而磷原子本身因失去電子成為不能移動(dòng)的雜質(zhì)正離子。所以在這種半導(dǎo)體中，自由電子數(shù)遠(yuǎn)超過(guò)空穴數(shù)，它是以電子導(dǎo)電為主的雜質(zhì)型半導(dǎo)體，因?yàn)殡娮訋ж?fù)電（negativeelectricity），所以稱為N型半導(dǎo)體。（2）P型半導(dǎo)體在本征硅中摻入三價(jià)元素硼（B），由于硼有三個(gè)價(jià)電子，每個(gè)硼原子與相鄰的4個(gè)硅原子組成共價(jià)鍵時(shí)，因缺少一個(gè)電子而產(chǎn)生一個(gè)空穴。這種半導(dǎo)體的空穴數(shù)遠(yuǎn)大于自由電子數(shù)，它是以空穴導(dǎo)電為主的雜

3、質(zhì)型半導(dǎo)體，因?yàn)榭昭◣д姡╬ositiveelectricity），所以稱為P型半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體中，空穴是多數(shù)載流子（多子），自由電子是少數(shù)載流子（少子）。雜質(zhì)離子帶負(fù)電。注意：不論N型還是P型半導(dǎo)體，雖然都有一種載流子占多數(shù)，但它們都是電中性的，對(duì)外不顯電性。以后，為簡(jiǎn)單起見，通常只畫出正離子和等量的自由電子來(lái)表示N型半導(dǎo)體；同樣，只畫出負(fù)離子和等量的空穴來(lái)表示P型半導(dǎo)體。小結(jié)：摻入雜質(zhì)后，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)電性能的可控性。雜質(zhì)半導(dǎo)體的奇妙之處在于，只要摻入不同性質(zhì)、不同濃度的雜質(zhì)，并使P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體采用不同的方式組合，就可以制造出形形色色、品種繁多、用途各異的半導(dǎo)體器件。3.PN結(jié)如

4、果將一塊半導(dǎo)體的一側(cè)摻雜成為P型半導(dǎo)體，而另一側(cè)摻雜成為N型半導(dǎo)體，則在二者的交界處將形成一個(gè)PN結(jié)。（1）PN結(jié)的形成將P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體制作在一起，在兩種半導(dǎo)體的交界面就出現(xiàn)了電子和空穴的濃度差。P區(qū)中的多子（即空穴）將向N區(qū)擴(kuò)散，而N區(qū)中的多子（即自由電子）將向P區(qū)擴(kuò)散，如圖10-1（a）所示。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的結(jié)果就使兩種半導(dǎo)體交界面附近出現(xiàn)了不能移動(dòng)的帶電離子區(qū)，P區(qū)出現(xiàn)負(fù)離子區(qū)，N區(qū)出現(xiàn)正離子區(qū)，如圖10-1（b）所示。這些帶電離子形成了一個(gè)很薄的空間電荷區(qū)，產(chǎn)生了內(nèi)電場(chǎng)。一方面，隨著擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，空間電荷區(qū)加寬使內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)；另一方面，內(nèi)電場(chǎng)又將阻止多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)少子的漂移

5、運(yùn)動(dòng)，而少子的漂移運(yùn)動(dòng)方向正好與多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的方向相反。電場(chǎng)力越大，漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)。最后，漂移運(yùn)動(dòng)與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，使空間電荷區(qū)的載流子耗盡，成為耗盡層，這個(gè)耗盡層（空間電荷區(qū)）就是PN結(jié)。（2）PN結(jié)的單向?qū)щ娦匀粼赑N結(jié)上加以正向電壓，即P區(qū)接電源正極，N區(qū)接電源負(fù)極，稱PN結(jié)處于正向偏置狀態(tài)，簡(jiǎn)稱正偏。這時(shí)外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向相反，削弱了內(nèi)電場(chǎng)，空間電荷區(qū)變窄，正向電流I較大，PN結(jié)在正向偏置時(shí)呈現(xiàn)較小電阻，PN結(jié)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)。若在PN結(jié)上加以反向電壓，即P區(qū)接電源負(fù)極，N區(qū)接電源正極，稱PN結(jié)處于反向偏置狀態(tài)，簡(jiǎn)稱反偏。這時(shí)外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向相同，空間電荷區(qū)變寬，內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)，因而

6、有利于少子的漂移而不利于多子的擴(kuò)散。由于電源的作用，少子的漂移形成了反向電流IS。結(jié)論：綜上所述，PN結(jié)正偏時(shí)導(dǎo)通，表現(xiàn)出的正向電阻很小，正向電流I較大；反偏時(shí)截止，表現(xiàn)出的反向電阻很大，正向電流幾乎為零，只有很小的反向飽和電流IS。這就是PN結(jié)最重要的特性——單向?qū)щ娦?。二極管、三極管及其他各種半導(dǎo)體器件的工作特性，都是以PN結(jié)的單向?qū)щ娦詾榛A(chǔ)的。二、半導(dǎo)體二極管基本結(jié)構(gòu)在PN結(jié)的兩端引出兩個(gè)電極并將其封裝在金屬或塑料管殼內(nèi)，就構(gòu)成二極管（Diode）。二極管通常由管芯、管殼和電極三部分組成，管殼起保護(hù)管芯的作用，如圖10-3所示。從P區(qū)引出的電極稱為正極或陽(yáng)極，從N區(qū)引出的電極稱為負(fù)

7、極或陰極。二極管的外形圖和電路符號(hào)如圖10-4所示。二極管一般用字母D表示。2.伏安特性（1）正向特性二極管兩端不加電壓時(shí)，其電流為零，故特性曲線從坐標(biāo)原點(diǎn)開始，如圖10-5（a）。當(dāng)外加正向電壓時(shí)，若正向電壓小于死區(qū)的開啟電壓Uon，此時(shí)，外電場(chǎng)不足以克服內(nèi)電場(chǎng)，多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)仍受較大阻礙，二極管的正向電流很小。硅管的Uon約為0.5V，鍺管約為0.2V。當(dāng)正向電壓超過(guò)Uon后，內(nèi)電場(chǎng)被大大削弱，電流將隨正向電壓