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　　新澳门新葡萄娱乐电子技术基础常用半导体器件ppt第二篇 电子技术基础 第3章 常用半导体器件 本 章 要 点: 1. 半导体二极管 2. 半导体三极管 3. 场效应管 4. 晶闸管  教 学 要 求本章以半导体硅(Si)、锗(Ge)为例，介绍半导体二极管、半导体三极管、场效应管和晶闸管等半导体器件。通过对本章的学习，要求掌握半导体器件的结构分类、基本特性、参数、温度特性和型号命名等内容，为今后分析电子线路和选用电子元件打下基础。 3.1 半导体二极管 1.半导体导电性能介于导体和绝缘体之间的物质，如硅(Si)、锗(Ge)。硅和锗是4价元素，原子的最外层轨道上有4个价电子。 2.半导体器件是用半导体材料制成的电子器件。常用的半导体器件有二极管、三极管、场效应管等。 3.半导体二极管是半导体器件中最基本的一种器件。一个PN结加上相应的电极引线并用管壳封装起来，就构成了半导体二极管，简称二极管,具有单向导电性能。从P型半导体引出的极为正极，从N型半导体引出的极为负极。 半导体二极管用图3-1a所示的符号来表示。导通方向 正极 P 负极 N图3-1a半导体二极管符号 3.1.1 半导体二极管的基本结构和分类 1．半导体二极管的基本结构 二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。它们的结构示意图如图3-2（a）、（b）、（c）所示。 （1）点接触型二极管——PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。 （2）面接触型二极管——PN结面积大，用于工频大电流整流电路。 （3）平面型二极管—往往用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。 2．半导体二极管的基本分类 （4）稳压二级管：稳压二极管的正向曲线与普通二极管相仿，但反向曲线比普通二极管低的多。其击穿点处，曲线弯折特别尖锐，反向电流剧增， 但电压几乎保持不便，只要在外电路中设置限流措施，使稳压管始终保持在允许功耗内，就不会损坏管子，稳压管的反向击穿是可逆的，而普通二极管的击穿是不可逆的。稳压二极管多采用硅材料制成。（5）发光二级管：(LED)是在半导体p-n结或类似的结构中通以正向电流，以高效率发出可见光或红外辐射的器件。由于它发射准单色光、尺寸小、寿命长和廉价，因此被广泛用作仪表的指示器、光电耦合器和光学仪器的光源等领域（6）变容二级管：变容二极管是利用PN结电容随外加反向偏压变化的特性制成。在零偏压时，结电容最大， 临近击穿时，结电容最小。 两者之比则为其结电容变化比。从导通曲线可以看出，结电容变化呈现非线性。变容二极管一般总是接在谐振回路使用，以取代传统的可变电容，因此必须要有足够的Q值，显然，随着频率的升高，Q降低，因此定义为Q=1时为截止频率。使用时必须低于截止频率。 3.1.2 半导体二极管的特性 半导体二极管的伏安特性曲线所示。处于第一象限的是正向伏安特性曲线，处于第三象限的是反向伏安特性曲线。根据理论推导，二极管的伏安特性曲线可用下式表示 式中IS 为反向饱和电流，V 为二极管两端的电压降，VT =kT/q 称为温度的电压当量，k为玻耳兹曼常数，q 为电子电荷量，T 为热力学温度。对于室温（相当T=300 K），则有VT=26 mV。 图3-3 二极管的伏安特性曲线 半导体二极管的参数 半导体二极管的参数包括最大整流电流IF、反向击穿电压VBR、最大反向工作电压VRM、反向电流IR、最高工作频率fmax和结电容Cj等。几个主要的参数介绍如下： （1）最大整流电流IF——二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大整流电流的平均值。 （2）反向击穿电压VBR和最大反向工作电压VRM——二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压VBR。为安全计，在实际工作时，最大反向工作电压VRM一般只按反向击穿电压VBR的一半计算。 （3）反向电流IR——指管子末击穿时的反向电流， 其值愈小，则管子的单向导电性愈好。由于温度增加，反向电流会急剧增加，所以在使用二极管时要注意温度的影响。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(mA)级。 （4）正向压降VD——在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。小电流硅二极管的正向压降在中等电流水平下，约0.7V；锗二极管约0.3 V。 （5）动态电阻rd——反映了二极管正向特性曲线斜率的倒数。显然，rd与工作电流的大小有关，即?rd =△VD /△ID （6）极间电容 CJ——二极管的极间电容包括势垒电容和扩散电容，在高频运用时必须考虑结电容的影响。二极管不同的工作状态，其极间电容产生的影响效果也不同。 3.1.4 半导体二极管的温度特性 温度对二极管的性能有较大的影响，温度升高时，反向电流将呈指数规律增加，如硅二极管温度每增加8℃，反向电流将约增加一倍；锗二极管温度每增加12℃，反向电流大约增加一倍新澳门新葡萄娱乐。另外，温度升高时，二极管的正向压降将减小，每增加1℃，正向压降VD大约减小2 mV，即具有负的温度系数。这些可以从图3-4所示二极管的伏安特性曲线 半导体二极管的型号命名方法 国产二极管的命名规定由五部分组成? ? ????????□ □ □ □ □?? ???第五部分：规格 第四部分：产品序号 第三部分：管子类型P普通管，W稳压管，Z整流管，L整流堆，N阻尼管，U光电管 第二部分：材料及极性，A锗N型，B锗P型，C硅N型，D硅P型 第一部分：2表示二极管 例1．试判断图中二极管是导通还是截止？并求出AO两端电压ＶA0。设二极管为理想的。 思考与练习 1、半导体二极管的基本结构 2、半导体二极管的型号命名方法 3、半导体二极管有那些基本参数 3.2 半导体三极管 半导体三极管又称晶体三极管，通常称晶体管或三极管。是电子电路的核心元件。三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把正块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区新澳门新葡萄娱乐，排列方式有PNP和NPN两种，三个区引出相应的电极，分别为基极b发射极e和集电极c。半导体三极管的主要特性是对电信号进行放大或组成开关电路。 3.2.1 三极管的结构及符号 三极管的结构示意图如图3-5所示。它有两种类型：NPN型和PNP型。中间部分称为基区，相连电极称为基极，用B或b表示（Base）；一侧称为发射区，相连电极称为发射极，用E或e表示（Emitter）；另一侧称为集电区和集电极，用C或c表示（Collector）。E-B间的PN结称为发射结（Je），C-B间的PN结称为集电结（Jc）。 3.2.2 三极管的分类及型号命名方法 1．三极管的分类 半导体三极管的种类很多，按半导体材料和导电极性分有硅材料的NPN管、PNP管和锗材料的NPN管、PNP管；按半导体三极管耗散功率来分，有小功率三极管、率三极管、大功率三极管；按半导体三极管的功能及用途可分为放大管、开关管、高压管等；按半导体三极管的工作频率来分有低频管、高频管、超高频管等。管、开关管、高压管等； 2． 三极管的型号命名方法 第五部分：规格 第四部分：产品序号 第三部分：管子类型 第二部分：材料及极性 第一部分：3表示电极的数目 3.2.3 三极管的电流分配与放大作用 1．半导体三极管的电流分配 导体三极管在工作时一定要加上适当的直流偏置电压。若工作在放大状态，发射结加正向电压，集电结加反向电压。现以 NPN型三极管为例，当它导通时三个电极上的电流必然满足节点电流定律，即流入三极管的基极电流IB和集电极电流IC等于流出三极管的发射极电流IE。即 IE ＝ IC ＋ IB 下面用载流子在三极管内部的运动规律来说明上述电流关系，见图3-6 (a)载流子运动 ????? ? ?? ?(b)电流分配 图3-6 三极管的电流传输关系 （1）发射极电流IE的形成 发射结加正偏时，从发射区将有大量的电子向基区扩散，形成的电为IEN。并不断从电源补充进电子。与PN结中的情况相同。从基区向发射区也有空穴的扩散运动，但其数量小，形成的电流为IEP。这是因为发射区的掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度。 （2）基极电流IB的形成 进入基区的电子流将有少数的电子不断与基区中的空穴复合。因基区中的空穴浓度低，被复合的空穴自然很少。复合掉的空穴将由电源不断的予以补充，形成电流 IBN它基本上等于基极电流IB。 （3）集电极电流IC的形成 进入基区的电子流因基区的空穴浓度低，被复合的机会较少。又因基区很薄，在集电结反偏电压的作用下，电子在基区停留的时间很短，很快就运动到集电结的边缘，进入集电结的结电场区域，被集电极所收集，形成电流ICN，它基本上等于集电极电流IC。 另外，因集电结反偏，在内电场的作用下，集电区的少子（空穴）与基区的少子（电子）将发生漂移运动，形成电流ICBO，由此可得 IC = ICN ＋ ICBO ICBO是集电极电流和基极电流的一小部分，它受温度影响较大，而与外加电压的关系不大。 于是可得如下电流关系式： IE= IEN＋ IEP 且有IENIEP IEN=ICN+ IBN 且有IEN IBN ， ICNIBN IC=ICN+ ICBO IB=IEP+ IBN－ICBO IE=IEP+IEN=IEPICN+IBN=(ICN+ICBO)+(IBN+IEP－ICBO)=IC+IB 由以上分析可知，发射区掺杂浓度高，基区很薄，是保证三极管能够实现电流放大的关键。若两个PN结对接，相当基区很厚，所以没有电流放大作用，基区从厚变薄，两个PN结演变为三极管。 （2）三极管的电流放大系数 对于集电极电流IC和发射极电流IE之间的关系可以用系数来说明，定义： α＝ ICE/IE 称为共基极直流电流放大系数。它表示最后达到集电极的电子电流ICE与总发射极电流IE的比值。ICE与IE相比，仅相差基极电流，所以α的值小于1, 但接近1。由此可得： IC＝ICE＋ICBO＝ αIE＋ICBO＝α(IC＋IB)＋ICBO 得 α≈1, ∴ β1 （3）三极管的放大作用 图3-8为共射接法的三极管放大电路。待放大的输入信号ui接在基极回路，负载电阻RC接在集电极回路，RC两端的电压uo就是输出电压。由于发射结电压增加了ui（由uBE 变成uBE ＋ ui）引起基极电流增加了ΔIB，集电极电流随之增加了ΔIC ，ΔIc ＝βΔIB，它在Rc形成输出电压vo＝ΔIcRc＝βΔIB Rc。只要Rc取值较大，便有uo vi，从而实现了放大。 3.2.4 三极管的特性曲线 本节介绍共发射极接法三极管的特性曲线，即输入特性曲线-- iB=f(vBE)vce=const(常数)，输出特性曲线-- iC=f(vCE)ia=const(常数)。这里，B表示输入电极，C表示输出电极，E表示公共电极。所以这两条曲线是共发射极接法的特性曲线。iB是输入电流，vBE是输入电压，加在B、E两电极之间。iC是输出电流，vCE是输出电压，从C、E两电极取出。 共发射极接法的供电电路和电压-电流关系如图3-9所示 1．输入特性曲线 输入特性曲线类似于发射结的伏安特性曲线，现讨论iB和vBE之间的函数关系。因为有集电结电压的影响，它与一个单独的PN结的伏安特性曲线不同。为了排除vCE的影响，在讨论输入特性曲线时，应使vCE=const(常数)。共发射极接法的输入特性曲线V的那一条相当于发射结的正向特性曲线V时，vCB= vCE -?vBE0，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，且基区复合减少，IC / IB增大，特性曲线将向右稍微移动一些。但vCE再增加时，曲线右移很不明显。曲线的右移是三极管内部反馈所致，及VCE对IB的影响，右移不明显说明内部反馈很小。 输入特性曲线的分为三个区域：死区、非线．输出特性曲线 共发射极接法的输出特性曲线所示，它是以iB为参变量的一族特性曲线。现以其中任何一条加以说明,当vCE=0 V时,因集电极无收集作用,iC=0。当vCE微微增大时，发射结虽处于正向电压之下,但集电结反偏电压很小，如vCE 1 V；vBE=0.7 V；?vCB= vCE- vBE≤0.7 V 。电区收集电子的能力很弱，iC主要由vCE决定。当vCE增加到使集电结反偏电压较大时，如vCE ≥1 V， vBE ≥0.7 V，运动到集电结的电子基本上都可以被集电区收集，此后vCE再增加，电流也没有明显的增加，特性曲线进入与vCE轴基本平行的区域 (这与输入特性曲线随vCE增大而右移的原因是一致的) 。 ?输出特性曲线可以分为三个区域： （1）饱和区--iC受vCE显著控制的区域，该区域内vCE的数值较小，一般vCE＜0.7 V(硅管)。此时发射结正偏，集电结正偏。 （2）截止区--iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时，发射结反偏，集电结反偏。 （3）放大区--iC平行于vCE轴的区域，曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏，电压大于0.7 V左右(硅管) 3.2.5 三极管的主要参数 半导体三极管的参数分为直流参数、交流参数和极限参数三大类。 1．直流参数 （1）直流电流放大系数β（或hEF） 这是指共发射接法，没有交流信号输入时，集电极输出的直流电流与基极输入的直流电流的比值，即：β=（IC－ICEO）/IB≈IC / IB ucE=const。在放大区基本不变。在共发射极输出特性曲线上，通过垂直于X轴的直线来求取IC / IB ，如图3-12a所示。在IC较小时和IC较大时，会有所减小。 在IC较小时和IC较大时，会有所减小，这一关系见图3-12b。 若门极电流为Ig,则晶闸管阴极电流为Ik=Ia+Ig 从而可以得出晶闸管阳极电流为：I=(Ic0+Iga2)/（1-（a1+a2）） （1—1） 硅PNP管和硅NPN管相应的电流放大系数a1和a2随其发射极电流的改变而急剧变化如图3-26图三所示。 当晶闸管承受正向阳极电压，而门极未受电压的情况下，式（1—1）中，Ig=0，(a1+a2)很小，故晶闸管的阳极电流Ia≈Ic0 晶闸关处于正向阻断状态。当晶闸管在正向阳极电压下，从门极G流入电流Ig,由于足够大的Ig流经NPN管的发射结，从而提高起点流放大系数a2，产生足够大的极电极电流Ic2流过PNP管的发射结，并提高了PNP管的电流放大系数a1,产生更大的极电极电流Ic1流经NPN管的发射结。这样强烈的正反馈过程迅速进行。从图3-26图三知，当a1和a2随发射极电流增加而（a1+a2）≈1时，式（1—1）中的分母1-（a1+a2）≈0，因此提高了晶闸管的阳极电流Ia。这时，流过晶闸管的电流完全由主回路的电压和回路电阻决定。晶闸管已处于正向导通状态。 在式（1—1）中，晶闸管导通后，1-（a1+a2）≈0，即使此时门极电流Ig=0，晶闸管仍能保持原来的阳极电流Ia而继续导通。晶闸管在导通后，门极已失去作用。 在晶闸管导通后，如果不断的减小电源电压或增大回路电阻，使阳极电流Ia减小到维持电流IH以下时，由于a1和a2迅速下降，当1-（a1+a2）≈1时，晶闸管恢复阻断状态。 3.4.3 晶闸管的伏安特性 晶闸管的伏安特性：是指阳极与阴极间的电压ＵAC与阳极电流IA之间的关系曲线晶闸管基本伏安特性 （1）反向特性 当控制极开路，阳极加上反向电压时（见图3-28），J2结正偏，但J1、J3结反偏。此时只能流过很小的反向饱和电流，当电压进一步提高到J1结的雪崩击穿电压后，接差J3结也击穿，电流迅速增加，图3-27的特性开始弯曲，如特性OR段所示，弯曲处的电压URO叫“反向转折电压”。此时，可控硅会发生永久性反向击穿。 图3-28 阳极加反向电压 （2）正向特性 当控制极开路，阳极上加上正向电压时（见图3-29），J1、J3结正偏，但J2结反偏，这与普通PN结的反向特性相似，也只能流过很小电流，这叫正向阻断状态，当电压增加，图3-27的特性发生了弯曲，如特性OA段所示，弯曲处的是UBO叫：正向转折电压?。 图3-29 阳极加正向电压 由于电压升高到J2结的雪崩击穿电压后，J2结发生雪崩倍增效应，在结区产生大量的电子和空穴，电子时入N1区，空穴时入P2区。进入N1区的电子与由P1区通过J1结注入N1区的空穴复合，同样，进入P2区的空穴与由N2区通过J3结注入P2区的电子复合，雪崩击穿，进入N1区的电子与进入P2区的空穴各自不能全部复合掉，这样，在N1区就有电子积累，在P2区就有空穴积累，结果使P2区的电位升高，N1区的电位下降，J2结变成正偏，只要电流稍增加，电压便迅速下降，出现所谓负阻特性，见图3-27的虚线三个结均处于正偏，可控硅便进入正向导电状态---通态，此时，它的特性与普通的PN结正向特性相似，见图3-27中的BC段。 图3-11共发射极接法输出特性曲线）共基极直流电流放大系数 =（IC－ICBO）/IE≈IC/IE 3）极间反向电流 ①集电极一基极反向饱和电流ICBO：发射极开路（IE=0)时，基极和集电极之间加上规定的反向电压VCB时的集电极反向电流，它只与温度有关，在一定温度下是个常数，所以称为集电极一基极的反向饱和电流。良好的三极管，ICBO很小，小功率锗管的ICBO约为1～10微安，大功率锗管的 ICBO可达数毫安，而硅管的ICBO则非常小，是毫微安级。 ②集电极一发射极反向电流ICEO：(穿透电流）基极开路（IB=0）时，集电极和发射极之间加上规定反向电压VCE时的集电极电流。ICEO 大约是ICBO的β倍即ICEO=(1+β)ICBO 。 ICBO和ICEO受温度影响极大，它们是衡量管子热稳定性的重要参数，其值越小，性能越稳定，小功率锗管的ICEO比硅管大。 ③发射极---基极反向电流IEBO ：集电极开路时，在发射极与基极之间加上规定的反向电压时发射极的电流，它实际上是发射结的反向饱和电流。 2．交流参数 （1）交流电流放大系数 ①共发射极交流电流放大系数β（或hfe） 这是指共发射极接法，集电极输出电流的变化量△IC与基极输入电流的变化量△IB之比，即：β=△IC/△IB，一般晶体管的β大约在10-200之间，如果β太小，电流放大作用差，如果β太大，电流放大作用虽然大，但性能往往不稳定。 在放大区，β值基本不变，可在共射接法输出特性曲线上，通过垂直于X轴的直线求取△IC/△IB。具体方法如图3-13所示 图3-13 在输出特性曲线上求取β ②共基极交流放大系数α（或hfb） 这是指共基接法时，集电极输出电流的变化是△IC与发射极电流的变化量△IE之比，即： α=△IC/△IE 因为△IC＜△IE，故α＜1。高频三极管的α＞0.90就可以使用 α与β之间的关系： α= β/（1+β） β= α/（1-α）≈1/（1-α） 。 （2）截止频率fβ、fα 当β下降到低频时0.707倍的频率，就是共发射极的截止频率fβ；当α下降到低频时的0.707倍的频率，就是共基极的截止频率fα。 fβ、fα是表明管子频率特性的重要参数，它们之间的关系为：fβ≈（1-α）fα。 （3）特征频率fT 因为频率f上升时，β就下降，当β下降到1时，对应的fT是全面地反映晶体管的高频放大性能的重要参数。 3．极限参数 （1）集电极最大允许电流ICM 当集电极电流增加时，β 就要下降，当β值下降到线％时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM。至于β值下降多少，不同型号的三极管，不同的厂家的规定有所差别。可见，当IC＞ICM时，并不表示三极管会损坏。 （2）反向击穿电压（三极管电极间承受反向电压的能力） ①集电极----基极击穿电压V(BR)CBO：发射极开路时的集电结击穿电压。下标BR代表击穿之意，是Breakdown的字头，C、B代表集电极和基极，O代表第三个电极E开路。 ②发射极-----基极V(BR)EBO：集电极开路时发射结的击穿电压。 ③集电极-----发射V(BR)CEO：基极开路时集电极和发射极间的击穿电压。 对于V(BR)CER表示BE间接有电阻，V(BR)CES表示BE间是短路的。几个击穿电压在大小上有如下关系： V(BR)CBO≈V(BR)CES＞V(BR)CER＞V(BR)CEO＞V(BR)EBO 由最大集电极功率损耗PCM、ICM和击穿电压V(BR)CEO，在输出特性曲线上还可以确定过损耗区、过电流区和击穿区，见图3-14。 图3-14 3.2.6 温度对三极管特性的影响 温度升高使： （1）输入特性曲线）ICBO增大，输出特性曲线）β增大。 例题 分析下图所示电路在输入电压Ui为以下各值时，判断晶体管的工作状态（放大、截止或饱和状态）。 (l)Ui= 0； (2)Ui= 3V； (3)Ui= 5V。  提示：把图中虚线框内的电路用戴维南定理化简后再分析。 解 求图中虚线框内的电路用戴维南等效电路表示： UOC= Ui*40/(10+40)+USB*10/(10+40)=0.8 Ui+0.2 USB (迭加定理) R0 =40∥10 =40*10/(40+10) =8kΩ； (1)Ui= 0, UOC=0.8*0+0.2*(-5)=-1V＜UON(硅管为0.5V) ,三极管截止； (2)Ui= 3V, UOC=0.8*3+0.2*(-5)=1.4V＞UON,三极管工作在放大或饱和状态, 求ICS=(USC-UCES)/RC≈USC/RC=10/1=10mA, 则 ICS/β=10/50=0.2mA, 求IB=( UOC-UBE)/R0=(1.4-0.7)/8=0.0875mA＜ICS/β,故 工作在放大状态； (3)Ui= 5V, UOC=0.8*5+0.2*(-5)=3V＞UON , 求IB=(3-0.7)/8=0.2875mA＞ICS/β,故 工作在饱和状态。 思考与练习 1、三极管的结构 2、三极管有那些主要参数 3、三极管有放大原理 3.3 场效应管 场效应管(缩写FET)是一种带有PN结的新型半导体器件,场效应管是只有一种载流子参与导电的半导体器件，是一种用输入电压控制输出电流的半导体器件。与半导体三极管相比，场效应管具有输入阻抗高、制造工艺简单、噪声系数小、热稳定性好及动态范围大等优点，没有二次击穿现象。特别适合做成大规模集成电路，在高频、中频、低频、直流、开关及阻抗变换电路中有广泛应用。 3.3.1 场效应管的分类 从参与导电的载流子来划分，它有电子作为载流子的N沟道器件和空穴作为载流子的P沟道器件。从场效应管的结构来划分，它有结型场效应管JFET(Junction type Field Effect Transister)和绝缘栅型场效应管IGFET( Insulated Gate Field Effect Transister) 之分。IGFET也称金属-氧化物-半导体管MOSFET （Metal Oxide Semicon-ductor FET），通常简称 MOS场效应管。 1．绝缘栅场效应管 绝缘栅场效应三极管(MOSFET)分为：增强型 →N沟道、P沟道； 耗尽型 →N沟道、P沟道。 （1）N沟道增强型MOSFET N沟道增强型MOSFET的结构示意图和符号见图3-15所示。电极D(Drain)称为漏极，相当双极型三极管的集电极；G(Gate)称为栅极，相当于基极； S(Source)称为源极，相当于发射极。 1）结构 根据图3-15所示，N沟道增强型MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在P型半导体上生成一层SiO2 薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从N型区引出电极，一个是漏极D，一个是源极S。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。P型半导体称为衬底，用符号B表示。 图3-15 N沟道增强型MOSFET的结构示意图和符号 2）工作原理 ??①栅源电压VGS的控制作用：当VGS=0 V时，漏源之间相当两个背靠背的二极管，在D、S之间加上电压不会在D、S间形成电流。当栅极加有电压时，若0＜VGS＜VGS(th)时，通过栅极和衬底间的电容作用，将靠近栅极下方的P型半导体中的空穴向下方排斥，出现了一薄层负离子的耗尽层。耗尽层中的少子将向表层运动，但数量有限，不足以形成沟道，将漏极和源极沟通，所以仍然不足以形成漏极电流ID。进一步增加VGS，当VGS＞VGS(th)时（VGS(th) 称为开启电压），由于此时的栅极电压已经比较强，在靠近栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子，可以形成沟道，将漏极和源极沟通。如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流ID。在栅极下方形成的导电沟道中的电子，因与P型半导体的载流子空穴极性相反，故称为反型层。随着VGS的继续增加，ID将不断增加。在VGS=0V时ID=0，只有当VGS＞VGS(th)后才会出现漏极电流，这种MOS管称为增强型MOS管。 VGS对漏极电流的控制关系可用iD=f(vGS)VDS=const这一曲线描述，称为转移特性曲线b。 转移特性曲线的斜率gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。gm 的量纲为mA/V，所以gm也称为跨导。跨导的定义式如下： gm=△ID/△VGS? (单位mS) ②漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用：当VGS＞VGS(th)，且固定为某一值时，来分析漏源电压VDS对漏极电流ID的影响。根据V DS的不同变化对沟道的影响，有如下关系： VDS=VDG＋VGS= -VGD＋VGS????VGD=VGS-VDS 当VDS为0或较小时，相当VGD＞VGS(th)，沟道分布如图3-16 (a) 所示。此时VDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。在紧靠漏极处，沟道达到开启的程度以上，漏源之间有电流通过。 当VDS增加到使VGD=VGS(th)时，沟道如图3-16 (b)所示。这相当于VDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断，此时的漏极电流ID基本饱和。当VDS增加到VGDVGS(th)时，沟道如图3-16(c)所示。此时预夹断区域加长，伸向S极。VDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，ID 基本趋于不变新澳门新葡萄娱乐。 (a) ?????????????? (b)??? ? ??? ? ???????? (c) 当VGS＞VGS(th)，且固定为某一值时，VDS对ID的影响，即iD=f(vDS)VGS=const这一关系曲线a所示。这一曲线称为漏极输出特性曲线。 (a) 输出特性曲线???? (b)转移特性曲线 漏极输出特性曲线和转移特性曲线）N沟道耗尽型MOSFET N沟道耗尽型MOSFET的结构和符号如图3-18 (a)所示，它是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子。所以当VGS=0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。于是，只要有漏源电压，就有漏极电流存在。当VGS＞0时，将使ID进一步增加。VGS＜0时，随着VGS的减小漏极电流逐渐减小，直至ID=0。对应ID=0的VGS称为夹断电压，用符号VGS(off)表示，有时也用VP表示。N沟道耗尽型MOSFET的转移特性曲线(b)所示。 (a) 结构示意图????????? (b) 转移特性曲线 N沟道耗尽型MOSFET的结构和转移特性曲线）P沟道耗尽型MOSFET P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。 （4）伏安特性曲线 场效应三极管的特性曲线类型比较多，根据导电沟道的不同以及是增强型还是耗尽型可有四种转移特性曲线和输出特性曲线，其电压和电流方向也有所不同。如果按统一规定的正方向，特性曲线就要画在不同的象限。为了便于绘制，将P沟道管子的正方向反过来设定。有关曲线各类场效应三极管的特性曲线．结型场效应三极管 （1）结型场效应三极管的结构 结型场效应三极管的结构与绝缘栅场效应三极管相似，工作机理也相同。结型场效应三极管的结构如图3-20所示，它是在N型半导体硅片的两侧各制造一个PN结，形成两个PN结夹着一个N型沟道的结构。两个P区即为栅极，N型硅的一端是漏极，另一端是源极。 图3-20 结型场效应三极管的结构 （2）结型场效应三极管的工作原理 根据结型场效应三极管的结构，因它没有绝缘层，只能工作在反偏的条件下，对于N沟道结型场效应三极管只能工作在负栅压区，P沟道的只能工作在正栅压区，否则将会出现栅流。现以N沟道为例说明其工作原理。 ①栅源电压对沟道的控制作用：当VGS=0时，在漏、源之间加有一定电压时，在漏源间将形成多子的漂移运动，产生漏极电流。当VGS＜0时，PN结反偏，形成耗尽层，漏源间的沟道将变窄，ID将减小，VGS继续减小，沟道继续变窄，ID继续减小直至为0。当漏极电流为零时所对应的栅源电压VGS称为夹断电压VGS(off)。? ②漏源电压对沟道的控制作用：在栅极加有一定的电压，且VGS＞VGS(off)，若漏源电压VDS从零开始增加，则VGD=VGS-VDS将随之减小。使靠近漏极处 的耗尽层加宽，沟道变窄，从左至右呈楔形分布，如图3-16(a)所示。当VDS增加到使VGD=VGS-VDS=VGS(off)时，在紧靠漏极处出现预夹断，如图3-16 (b)所示。当VDS继续增加，漏极处的夹断继续向源极方向生长延长。以上过程与绝缘栅场效应三极管的十分相似。 ③结型场效应三极管的特性曲线：结型场效应三极管的特性曲线有两条，一是转移特性曲线，即 我们根据这个特性关系可得出它的特性曲线 (b)所示。它描述了栅、源之间电压对漏极电流的控制作用。输出特性曲线根据工作特性我们把它分为四个区域，即：可变电阻区、放大区、击穿区、截止区。它与绝缘栅场效应三极管的特性曲线基本相同，只不过绝缘栅场效应管的栅压可正、可负，而结型场效应三极管的栅压只能是P沟道的为正或N沟道的为负。N沟道结型场效应三极管的特性曲线所示。 a漏极输出特性曲线 N沟道结型场效应三极管的特性曲线 场效应管的参数和型号 1．场效应三极管的参数 （1）开启电压VGS(th) (或VT)：开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值，场效应管不能导通。 （2）夹断电压VGS(off) (或VP)：夹断电压是耗尽型FET的参数，当VGS=VGS(off) 时，漏极电流为零。 （3）饱和漏极电流IDSS：耗尽型场效应三极管，当VGS=0时所对应的漏极电流。 （4）输入电阻RGS：场效应三极管的栅源输入电阻的典型值，对于结型场效应三极管，反偏时RGS约大于1MΩ，对于绝缘栅场型效应三极管，RGS约是1M～100MΩ。 （5）低频跨导gm?：低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用，这一点与电子管的控制作用十分相像。gm可以在转移特性曲线上求取，单位是mS(毫西门子)。 （6）最大漏极功耗PDM：最大漏极功耗可由PDM= VDS ID决定，与双极型三极管的PCM相当。 2．场效应三极管的型号 场效应三极管的型号，现行有两种命名方法。 其一是与双极型三极管相同，第三位字母J代表结型场效应管，O代表绝缘栅场效应管。第二位字母代表材料，D是P型硅，反型层是N沟道；C是N型硅P沟道。例如，3DJ6D是结型N沟道场效应三极管，3DO6C是绝缘栅型N沟道场效应三极管。 其二命名方法是CS××#，CS代表场效应管，××以数字代表型号的序号，#用字母代表同一型号中的不同规格。例如，CS14A、CS45G等。 3.3.3 半导体三极管和场效应型三极管的比较 ????? ? 双极型三极管?????????????????????????? 场效应三极管 结构????? NPN型?????????????????????? 结型耗尽型?????? N沟道 P沟道 ??????? PNP型?????????????????????? 绝缘栅增强型???? N沟道 P沟道 ???????????????????????????????????????? 绝缘栅耗尽型???? N沟道 P沟道 ? C、E一般不可倒置使用???????????????D、S一般可倒置使用 载流子???? 多子扩散、少子漂移??????????????? 多子漂移 输入量???? 电流输入??????????????????????? 电压输入 控制??? 电流控制电流源CCCS(β)????????? 电压控制电流源VCCS(gm) 噪声???????? 较大????????????????????????? 较小 温度特性??? 受温度影响较大???????????????? 较小，并有零温度系数点 输入电阻??? 几十到几千欧姆??????????????????? 几兆欧姆以上 静电影响??? 不受静电影响????????????????????? 易受静电影响 集成工艺??? 不易大规模集成?????????????? 适宜大规模和超大规模集成 思考与练习 1、场效应管的分类 2、场效应管的优点与用途 3、场效应管的主要参数 3.4 晶闸管 晶闸管是晶体闸流管(Thyristor)的简称，又称可控硅，它是一种大功率开关型半导体器件，在电路中用文字符号为“V”、“VT”表示（旧标准中用字母“SCR”表示）。一种以硅单晶为基本材料的P1N1P2N2四层三端器件，创制于1957年，由于它特性类似于真空闸流管，所以国际上通称为硅晶体闸流管，简称晶闸管T。又由于晶闸管最初应用于可控整流方面所以又称为硅可控整流元件，简称为可控硅SCR。 在性能上，可控硅不仅具有单向导电性，而且还具有比硅整流元件（俗称“死硅”）更为可贵的可控性。它只有导通和关断两种状态。 可控硅能以毫安级电流控制大功率的机电设备，如果超过此频率，因元件开关损耗显著增加，允许通过的平均电流相降低，此时，标称电流应降级使用。 可控硅的优点很多，例如：以小功率控制大功率，功率放大倍数高达几十万倍；反应极快，在微秒级内开通、关断；无触点运行，无火花、无噪音；效率高，成本低等等。 可控硅具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。 可控硅的弱点是静态及动态的过载能力较差；容易受干扰而误导通。 3.4.1 晶闸管的分类、外形、结构 1．晶闸管的分类 晶闸管有多种分类方法。 （1）按关断、导通及控制方式分类 ????晶闸管按其关断、导通及控制方式可分为普通晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、门极关断晶闸管（GTO）、BTG晶闸管、温控晶闸管和光控晶闸管等多种。 （2）按引脚和极性分类 ???? 晶闸管按其引脚和极性可分为二极晶闸管、三极晶闸管和四极晶闸管。 （3）按封装形式分类 晶闸管按其封装形式可分为金属封装晶闸管、塑封晶闸管和陶瓷封装晶闸管三种类型。 ????其中，金属封装晶闸管又分为螺栓形、平板形、圆壳形等多种；塑封晶闸管又分为带散热片型和不带散热片型两种。 （4）按电流容量分类 ???晶闸管按电流容量可分为大功率晶闸管、率晶闸管和小功率晶闸管三种。 ???通常，大功率晶闸管多采用金属壳封装，而中、小功率晶闸管则多采用塑封或陶瓷封装。 （5）按关断速度分类 晶闸管按其关断速度可分为普通晶闸管和高频（快速）晶闸管。 图3-22晶闸管的分类图 2．晶闸管的外形 图3-23晶闸管的外形 图3-24晶闸管的电路图形符号 3．晶闸管的结构 不管晶闸管的外形如何，它们的管芯都是由P型硅和N型硅组成的四层P1N1P2N2结构。见图3-25。它有三个PN结（J1、J2、J3），从J1结构的P1层引出阳极A，从N2层引出阴级K，从P2层引出控制极G，所以它是一种四层三端的半导体器件。 图3-25晶闸管结构示意图和符号图? 3.4.2 晶闸管的工作原理 图3-26晶闸管工作原理 晶闸管的工作条件： （1）晶闸管承受反向阳极电压时，不管门极承受和种电压，晶闸管都处于关短状态。 （2）晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。 （3）晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论门极电压如何，晶闸管保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用。 （4）晶闸管在导通情况下，当主回路电压（或电流）减小到接近于零时，晶闸管关断。 晶闸管是四层三端器件，它有J1、J2、J3三个PN结见图3-26图一，可以把它中间的NP分成两部分，构成一个PNP型三极管和一个NPN型三极管的复合管。 当晶闸管承受正向阳极电压时，为使晶闸管导通，必须使承受反向电压的PN结J2失去阻挡作用。图3-26图二中每个晶体管的集电极电流同时就是另一个晶体管的基极电流。因此，两个互相复合的晶体管电路，当有足够的门机电流Ig流入时，就会形成强烈的正反馈，造成两晶体管饱和导通，晶体管饱和导通。 设PNP管和NPN管的集电极电流相应为IC1和IC2；发射极电流相应为Ia和Ik；电流放大系数相应为a1=Ic1/Ia和a2=Ic2/Ik，设流过J2结的反相漏电电流为Ic0，晶闸管的阳极电流等于两管的集电极电流和漏电流的总和： Ia=Ic1+Ic2+Ic0 或Ia=a1Ia+a2Ik+Ic0 * * 半导体二极管常见外形如图3-1b所示 图3-1b半导体二极管外形 图3-2 半导体二极管的结构示意图 二级管按用途分有整流二级管、检波二级管、开关二级管、稳压二级管、发光二级管、变容二级管等。 （1）整流二级管：整流管因为其正向工作电流较大，工艺上多采用面结型结构，结电容大， 因此整流二极管工作频率一般小于3KHz。 （2）检波二级管：一般检波二极管采用锗材料点接触型结构，要求正向压降小，检波效率高，结电容小，频率特性好，其外形一般采用玻璃封装EA结构。 （3）开关二级管：二极管从截止到导通称为开通时间，从开通到截止称为反向恢复时间，两者之和称为开关时间。开通时间较短，一般可以忽略，反向恢复时间较长，他反应了二极管的特性好坏，trr定义为从加反向偏压开始到反向电流下降到初始值的1/10所用的时间。 （1）正向特性：?当V＞0，即处于正向特性区域。 正向区又分为两段：?当0＜V＜Vth时，正向电流为零，Vth称为死区电压或开启电压。当V＞Vth时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。硅二极管的死区电压Vth=0.5 V左右，?锗二极管的死区电压Vth=0.1 V左右。 （2）反向特性?：当V＜0时，即处于反向特性区域。 反向区分两个区域：?当VBR＜V＜0时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流IS。当V≥VBR时，反向电流急剧增加，VBR称为反向击穿电压。在反向区，硅二极管和锗二极管的特性有所不同。硅二极管的反向击穿特性比较硬、比较陡，反向饱和电流也很小；锗二极管的反向击穿特性比较软，过渡比较圆滑，反向饱和电流较大。从击穿的机理上看，硅二极管若VBR≥7 V时，主要是雪崩击穿；若VBR≤4 V则主要是齐纳击穿，当在4 V～7 V之间两种击穿都有，有可能获得零温度系数点。 图3-4温度对二极管伏安特性曲线的影响 解： 分析方法 ： （1）将D1、D2从电路中断开，以O点为参照点分别得出D1、D2两端的电压； （2）根据二极管的单向导电性，二极管承受正向电压则导通，反之则截止。若两管都承受正向电压，则正向电压大的管子优先导通，忽略管压降。然后再按分析另一管子工作情况。 本题中：D2优先导通，此时D1管子截止。ＶA0 = -4V。 图3-5 两种极性的双极型三极管 图3-7三极管的三种组态 必须注意，无论那种接法，为了使三极管具有正常的电流放大作用，都必须外加大小和极性适当的电压。即必须给发射结加正向偏置电压，发射区才能起到向基区注入载流子的作用；必须给集电结加反向偏置电压（一般几～几十伏），在集电结才能形成较强的电场，才能把发射区注入基区，并扩散到集电结边缘的载流子拉入集电区，使集电区起到收集载流子的作用。 定义： 称为共发射极接法直流电流放大系数。 图3-8三极管放大原理图 图3-9共发射极接法的电压-电流关系 图3-10共发射极接法输入特性曲线ae;

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