半导体器件及其应用电路

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1、第10章半导体器件及其应用电路10.1半导体及二极管特性10.2二极管应用电路10.3二极管的选用与代换10.4半导体三极管的特性10.5三极管放大电路10.6场效应管10.7晶闸管及其应用电路本章内容提要重点：（1）二极管的单向导电性；（2）三极管的三种工作状态；（3）绝缘栅型场效应管的测试方法；（4）晶闸管的伏安特性；难点：（1）整流电路的特点及应用；（6）放大器的静态分析及动态分析；（7）晶闸管的整流、逆变和调压等大功率电子应用电路。10.1半导体及二极管特性一、半导体本证半导体（1）定义：纯净的晶体结构的半导体称为本征半导体。（2）特性：热敏性、光敏性和掺杂型。2.杂质半导体（1）

2、N型半导体在本征半导体硅（或锗，此处以硅为例）中掺入微量的5价元素磷（P），由于磷原子最外层的5个价电子中有4个与相邻硅原子组成共价键，多余一个价电子受磷原子核的束缚力很小，很容易成为自由电子，而磷原子本身因失去电子成为不能移动的杂质正离子。所以在这种半导体中，自由电子数远超过空穴数，它是以电子导电为主的杂质型半导体，因为电子带负电（negativeelectricity），所以称为N型半导体。（2）P型半导体在本征硅中掺入三价元素硼（B），由于硼有三个价电子，每个硼原子与相邻的4个硅原子组成共价键时，因缺少一个电子而产生一个空穴。这种半导体的空穴数远大于自由电子数，它是以空穴导电为主的杂

3、质型半导体，因为空穴带正电（positiveelectricity），所以称为P型半导体。P型半导体中，空穴是多数载流子（多子），自由电子是少数载流子（少子）。杂质离子带负电。注意：不论N型还是P型半导体，虽然都有一种载流子占多数，但它们都是电中性的，对外不显电性。以后，为简单起见，通常只画出正离子和等量的自由电子来表示N型半导体；同样，只画出负离子和等量的空穴来表示P型半导体。小结：掺入杂质后，实现了导电性能的可控性。杂质半导体的奇妙之处在于，只要掺入不同性质、不同浓度的杂质，并使P型半导体和N型半导体采用不同的方式组合，就可以制造出形形色色、品种繁多、用途各异的半导体器件。3.PN结如

4、果将一块半导体的一侧掺杂成为P型半导体，而另一侧掺杂成为N型半导体，则在二者的交界处将形成一个PN结。（1）PN结的形成将P型半导体和N型半导体制作在一起，在两种半导体的交界面就出现了电子和空穴的浓度差。P区中的多子（即空穴）将向N区扩散，而N区中的多子（即自由电子）将向P区扩散，如图10-1（a）所示。扩散运动的结果就使两种半导体交界面附近出现了不能移动的带电离子区，P区出现负离子区，N区出现正离子区，如图10-1（b）所示。这些带电离子形成了一个很薄的空间电荷区，产生了内电场。一方面，随着扩散运动的进行，空间电荷区加宽使内电场增强；另一方面，内电场又将阻止多子的扩散运动，促进少子的漂移

5、运动，而少子的漂移运动方向正好与多子扩散运动的方向相反。电场力越大，漂移运动越强。最后，漂移运动与扩散运动达到动态平衡，使空间电荷区的载流子耗尽，成为耗尽层，这个耗尽层（空间电荷区）就是PN结。（2）PN结的单向导电性若在PN结上加以正向电压，即P区接电源正极，N区接电源负极，称PN结处于正向偏置状态，简称正偏。这时外电场与内电场方向相反，削弱了内电场，空间电荷区变窄，正向电流I较大，PN结在正向偏置时呈现较小电阻，PN结变为导通状态。若在PN结上加以反向电压，即P区接电源负极，N区接电源正极，称PN结处于反向偏置状态，简称反偏。这时外电场与内电场方向相同，空间电荷区变宽，内电场增强，因而

6、有利于少子的漂移而不利于多子的扩散。由于电源的作用，少子的漂移形成了反向电流IS。结论：综上所述，PN结正偏时导通，表现出的正向电阻很小，正向电流I较大；反偏时截止，表现出的反向电阻很大，正向电流几乎为零，只有很小的反向饱和电流IS。这就是PN结最重要的特性——单向导电性。二极管、三极管及其他各种半导体器件的工作特性，都是以PN结的单向导电性为基础的。二、半导体二极管基本结构在PN结的两端引出两个电极并将其封装在金属或塑料管壳内，就构成二极管（Diode）。二极管通常由管芯、管壳和电极三部分组成，管壳起保护管芯的作用，如图10-3所示。从P区引出的电极称为正极或阳极，从N区引出的电极称为负

7、极或阴极。二极管的外形图和电路符号如图10-4所示。二极管一般用字母D表示。2.伏安特性（1）正向特性二极管两端不加电压时，其电流为零，故特性曲线从坐标原点开始，如图10-5（a）。当外加正向电压时，若正向电压小于死区的开启电压Uon，此时，外电场不足以克服内电场，多数载流子的扩散运动仍受较大阻碍，二极管的正向电流很小。硅管的Uon约为0.5V，锗管约为0.2V。当正向电压超过Uon后，内电场被大大削弱，电流将随正向电压