情境9半导体器件的识别与检测综述.docx

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情境9半导体器件的识别与检测综述

辽宁装备制造职业技术学院

课时授课计划

06机电专业电工与电子技术学科序号

课题

情境10半导体器件的识别与检测

班级

周

星期

月、日

课节

06机电

2

教学方法

讲授

教具准备

教学目的

1．会识别二极管、三极管的型号。

2．能用万用表测量二极管的极性和好坏。

能用万用表测量，确定三极管的管脚。

教学难重点

半导体器件的基本理论

教学过程设计

一、组织教学：

掌握学生的出勤情况。

二、引入项目

识别与检测半导体器件，提出问题，布置任务。

三、具体实施

学生以组为单位选择元器件、检查元器件、测量线路。

四、项目检查

学生分组检查完成工作任务情况，共同分析问题、解释结果。

遇到无法解决的问题时请求老师帮助解决。

五、分析评价

小组向教师演示测量过程，教师进行评价并提出改进意见，师生展开讨论。

小结本节主要内容并了解学生学习情况，给预指导。

布置课后思考题

课后体会

6.1PN结的单向导电性

PN结是构成各种半导体器件的基础与核心。

一、半导体的导电特性

根据物体导电能力（电阻率）的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。

导电性能介于导体与绝缘体之间材料，我们称之为半导体。

在电子器件中，常用的半导体材料有：

元素半导体，如硅（Si）、锗（Ge）等；化合物半导体，如砷化镓（GaAs）等；以及掺杂或制成其它化合物半导体材料，如硼（B）、磷（P）、锢（In）和锑（Sb）等。

其中硅是最常用的一种半导体材料。

半导体有以下特点：

1．半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间

2．半导体受外界光和热的刺激时，其导电能力将会有显著变化。

3．在纯净半导体中，加入微量的杂质，其导电能力会急剧增强。

（一）本征半导体

在电子器件中，用得最多的半导体材料是硅和锗，它们的简化原子模型如下所示。

硅和锗都是四价元素，在其最外层原子轨道上具有四个电子，称为价电子。

由于原子呈中性，故在图中原子核用带圆圈的+4符号表示。

本征半导体——化学成分纯净的半导体。

它在物理结构上呈单晶体形态。

硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构

（二）本征激发和两种载流子

在室温下，本征半导体共价键中的价电子获得足够的能量，挣脱共价键的束缚进入导带，成为自由电子，在晶体中产生电子-空穴对的现象称为本征激发.

空穴——共价键中的空位。

电子空穴对——由热激发而产生的自由电子和空穴对。

空穴的移动——空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。

由于共价键出现了空穴，在外加电场或其他的作用下，邻近价电子就可填补到这个空位上，而在这个电子原来的位置上又留下新的空位，以后其他电子双可转移到这个新的空位。

这样就使共价键中出现一定的电荷迁移。

空穴的移动方向和电子移动的方向是相反的。

本征半导体中的自由电子和空穴数总是相等的。

二、两种杂质半导体

在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。

掺入的杂质主要是三价或五价元素。

掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。

N型半导体——掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。

P型半导体——掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。

（一）N型半导体

仍以硅材料本征半导体为例，在其中掺入微量5价元素，如磷（P），就形成了N型半导体。

因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。

在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子,由热激发形成。

提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。

（二）P型半导体

如果在硅材料本征半导体中掺人微量3价元素，如硼（B），就形成了P型半导体。

因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。

在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子，由热激发形成。

空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。

三价杂质因而也称为受主杂质。

三、PN结的单向导电性

（一）PN结的形成：

在P型半导体和N型半导体结合后，由于N型区内电子很多而空穴很少，而P型区内空穴很多电子很少，在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差别。

这样，电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。

于是，有一些电子要从N型区向P型区扩散，也有一些空穴要从P型区向N型区扩散。

它们扩散的结果就使P区一边失去空穴，留下了带负电的杂质离子,N区一边失去电子，留下了带正电的杂质离子。

半导体中的离子不能任意移动，因此不参与导电。

这些不能移动的带电粒子在P和N区交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，就是所谓的PN结。

扩散越强，空间电荷区越宽。

在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。

在出现了空间电荷区以后，由于正负电荷之间的相互作用，在空间电荷区就形成了一个内电场，其方向是从带正电的N区指向带负电的P区。

显然，这个电场的方向与载流子扩散运动的方向相反它是阻止扩散的。

另一方面，这个电场将使N区的少数载流子空穴向P区漂移，使P区的少数载流子电子向N区漂移，漂移运动的方向正好与扩散运动的方向相反。

从N区漂移到P区的空穴补充了原来交界面上P区所失去的空穴，从P区漂移到N区的电子补充了原来交界面上N区所失去的电子，这就使空间电荷减少，因此，漂移运动的结果是使空间电荷区变窄。

当漂移运动达到和扩散运动相等时，PN结便处于动态平衡状态。

内电场促使少子漂移，

阻止多子扩散。

最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。

（二）PN结的单向导电性

当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。

1、PN结外加正偏电压

正偏电压产生的外电场与PN结的内电场方向相反，即内电场被消弱，从而有利于多子的扩散，少子的运动则被消弱。

于是，P区中的大量空穴和N区中的大量电子越过PN结，形成很大的扩散电流。

这时，在半导体内部是从P区流向N区。

这时空间电荷区变窄。

PN结呈低阻、导通状态，

2、PN结加反向电压时：

外加反偏电压所产生的外电场与内电场的方向相同，内电场被加强，认而加大了对于多子打散运动的阻碍，使其更加难以进行。

同时，进一步促使少于向对方一侧运动，即P区的少子———电子向N区运动、N区的少子——空穴向P区运动。

所形成电流的方向是从N区流向P区，相对于前者，是一个反向电流。

此时PN结呈现高阻状态．反偏截止。

总结：

PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；

PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。

由此可以得出结论：

PN结具有单向导电性。

小结：

本节主要介绍了PN结的形成及基本特性。

6-2半导体二极管

一、半导体二极管的结构

在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。

其中P区一侧的电极称为阳极，N区一侧的电极称为阴极。

二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。

（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艺中。

PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。

二、二极管的伏安特性

二极管是一个二端元件，通过它的电流与其两端电压之间的关系即为伏安特性。

（一）正向特性：

正向特性表现为图中的①段。

当正向电压较小，正向电流几乎为零。

此工作区域称为死区。

Uth称为门坎电压或死区电压（该电压硅管约为0.4-0.5V，锗管约为0.2V）。

当正向电压大于Uth时，内电场削弱，电流因而迅速增长,呈现的很小正向电阻。

（二）反向特性：

反向特性表现为如图中的②段。

由于是少数载流形成反向饱和电流，所以其数值很小，当温度升高时，反向电流将随之急剧

增加。

（3）反向击穿特性：

反向击穿特性对应于图中③段，当反向电压增加到一定大小时，反向电流剧增，二极管的反向击穿。

三、理想二极管

伏安特性曲线直观、形象地表示了二极管的基本特性——单向导电性在工程实际问题中，为了简化分析和计算，经常把二极管理想化，称为理想二极管。

理想二极管的导电特性与简单的开关等效。

”

四、二极管的主要参数

（1）最大整流电流IF：

二极管长时间通电运行所允许的最大平均正向电流。

使用时如果超过该值，将会烧毁二极管。

（2）最大反向工作电压VRM：

保证二极管正常工作、不被反向击穿所能承受的反向电压。

一般取反向击穿电压的一半左右作为最高反向工作电压。

（3）反向电流IRM：

二极管反向运用，承受最高反向工作电压时的反向电流。

IRM越小越好。

例题6-2：

利用假定状态分析法知：

设D1导通，则：

vo=0V，D2截止，无矛盾。

设D2导通，则：

vo=3V，D1亦导通，vo=0V，矛盾。

故vo=0V。

小结：

本节主要介绍了二极管的结构和伏安特性。

6-3稳压二极管

稳压管又称齐纳二极管。

利用二极管反向击穿特性实现稳压。

半导体二极管的伏安特性曲线显示，反向击穿后，反向电流在一较大范围内变化，其端电压却基本不变。

稳压二极管就是利用这一特点，实现“稳定电压”作用的。

使用稳压二极管的关键是要在电路中加人阻值适当的电阻，限制反向电流，使反向电流的大小在允许范围内，使稳压二极管的功率损耗不致过大。

烧坏。

这样，当反向电压的数值减小后，稳压二极管即可恢复到原先的正常状态，重复使用。

稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。

稳压二极管的符号及伏安特性

一、稳压二极管的主要参数

1、稳定电压UZ：

在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。

2、最大耗散功率PZM和最大稳定工作电流IZmax

3、动态电阻RZ

4、稳定电压温度系数U

稳压管的稳压作用原理在于，电流有很大增量时，只引起很小的电压变化。

反向击穿曲线愈陡，动态电阻愈小，稳压管的稳压性能愈好。

在稳压管稳压电路中一般都加限流电阻R，使稳压管电流工作在IZmax和IZmix的稳压范围。

另外，在应用中还要采取适当的措施限制通过管子的电流，以保证管子不会因过热而烧坏。

小结：

本节主要介绍了稳压二极管主要特点和简单应用。

作业：

6-4双极型晶体管

二极管仅由一个PN结构成，有两个电极，是双端器件，基本特性是单向导电性。

如果在一块硅或锗半导体材料上，用专门的工艺方法制作出三个掺杂区，在这三个掺杂区之间形成两个PN结，就构成了双极型晶体管。

由一个PN结过渡到两个PN结，使半导体器件的特性有了质的飞跃——具有电流放大作用。

双极型晶体管的英文缩写是BJT，一般简称晶体管，又由于有三个电极，也简称三极管。

一、晶体管的基本结构

晶体管有三个掺杂区，是一种三层半导体器件，根据组成结构的不同，分为NPN和PNP两

种类型。

三极管的三个电极分别称为基极B、发射极E和集电极C。

在这三个区之间形成两个PN结，分别是发射结和集电结。

按照国家标准，晶体管型号的命名主要由4部分组成。

即

第一部分是阿拉伯数字3，表示三极管。

第二部分是用汉语拼音字母表示晶体管的材料和极性：

A——PNP型、锗材料；B——NPN型、锗材料；C——PNP型、硅材料；D——NPN型、硅材料。

第三部分是用汉语拼音字母表示晶体管的类别：

二——低频小功率管；C——高频小功率符D——低频大功率管ZA——高频大功率管。

第四部分是用阿拉伯数字表示的该晶体管的序号。

晶体管型号举例：

3AX51、3BX81、3CG14、3DG6、3AD50等。

二、晶体管的电流放大作用

晶体管内部结构组成的特点是其具有电流放大作用的内因，而要实现电流放大作用，还必须具备一定的外部工作条件，即外因。

外部工作条件是：

晶体管的发射结加正向偏压、集电结加反向偏压

由实验数据分析，三个电流的关系符合基尔霍夫电流定律，即

（

数值很小，可忽略）

故

结论：

晶体管基极电流

的微小变化会引起集中极电流

的较大变化。

这就是晶体管的

电流放大作用。

利用晶体管的电流放大作用可以把微弱的电信号放大到所需要的数值。

三、晶体管的特性曲线

表示晶体管各极电流和极间电压关系的曲线称为晶体管的特性曲线，它是了解晶体管外部性能和分析晶体管工作状态的重要依据。

（一）共射极组态输人特性曲线

共射极组态输人特性曲线表示的是输人回路中基极电流

与发射结电压

之间的关系。

这种关系还要受到输出回路电量的影响，为此规定晶体管的集电极一发射极之间的电压

保持某一恒定值不变。

与二极管的伏安特性相似，晶体管的输入特性也有一段死区电压。

当发射结正偏电压

小于死区电压时，

＝0，只有在

大于死区电压后，才会出现

。

硅管的死区电压约为0.4－0.5V，锗管的死区电压约为0.2V。

高于死区电压后，是输人特性的起始段，

增加，

上升缓慢。

过了起始段，

随着

的增加迅速增加，且近似有线性关系。

正常情况下晶体管就工作在特性曲线的这一线性范围，对应的发射结正偏电压是：

硅管0.6－0.7V，锗管0.2－0.3V。

（二）共射极组态输出特性曲线

放大区：

iC平行于vCE轴的区域，曲线基本平行等距。

条件：

发射结正偏，集电结反偏。

截止区：

iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。

此时，vBE小于死区电压，集电结反偏。

条件：

发射结反偏，集电结反偏。

饱和区：

iC明显受vCE控制的区域，该区域内，一般vCE＜0.7V（硅管）。

条件：

发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。

四、晶体管的主要参数

晶体管的参数表示其性能优劣和适用范围，是合理选择及正确使用晶体管的依据。

晶体管在共射极组态下的主要参数有

1、电流放大系数

直流电流放大系数

=

交流电流放大系数

2、集电极发射极间的反向饱和电流ICEO：

即输出特性曲线IB=0那条曲线所对应的Y坐标的数值。

ICEO也称为集电极发射极间穿透电流。

3、集电极最大允许电流ICM

4、集电极最大允许功率损耗PCM=ICUCE

5、反向击穿电压U（BR）CEO——基极开路时集电极和发射极间的击穿电压。

6-5绝缘栅场效晶体管

场效应晶体管简称场效晶体管，英文缩写FET，也是一种有三个电极的半导体器件，与前面介绍的双极型晶体管BJT一样，它对电流有控制作用，可对微弱电信号进行放大。

但是两者有重要的区别。

首先，BJT是通过基极电流j。

实现对集电极电流人的控制，是一种电流控制型器件。

FET则是用电场效应实现对电流的控制，其输入端只需要控制电压，而不需要电流，是一种电压控制型器件。

BJT称为双极型晶体管，FET则称为单极型晶体管。

作为电压控制型器件，FET具有输人电阻高。

抗辐射能力强、温度稳定性好等优点。

此外，功耗小、制造工艺比较简单，也使其更加适合于制作大规模集成电路。

场效晶体管按照结构的不同，分为两大类：

结型场效晶体管和绝缘栅场效晶体管。

本章小结：

半导体中有两种载流子：

电子和空穴。

载流子有两种运动方式：

扩散运动和漂移运动。

本征激发使半导体中产生电子-空穴对，但它们的数目很少，并与温度有密切关系。

在纯半导体中掺入不同的有用杂质，可分别形成P型和N型两种杂质半导体。

它们是各种半导体器件的基本材料。

PN结是各种半导体器件的基本结构，如二极管由一个PN结加引线组成。

因此，掌握PN结的特性对于了解和使用各种半导体器件有着十分重要的意义。

PN结的重要特性是单向导电性。

为合理选择和正确使用各种半导体器件，必须熟悉它们各自的一整套参数。

这些对数大至可分为两类，一类是性能参数，如稳压管的稳定电压VZ、稳定电流IZ、温度系数等；另一类是极限参数，如二极管的最大整流电流、最高反向工作电压等。

必须结合PN结特性及应用电路，逐步领会这些参数的意义。

二极管的伏安特性是非线性的，所以它是非线性器件。

在稳压二极管和绝缘栅场效晶体管重点学习参数和应用。