模拟电子技术(第三版)第1章-半导体元件及其特性.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第1章 半导体元件及其特性,实训1常用半导体元件的识别与性能测试,1.1半导体二极管,1.2半导体三极管,1.3场效应管,1.4晶闸管,第,1,章 半导体元件及其特性,实训1常用半导体元件的识别与性能测试,方法1用万用表简易判别二极管、三极管(一)实训目的,(1)认识常用晶体二极管和三极管的外形特征。(2)学会使用万用表判别晶体二极管的极性和三极管的管脚。(3)熟悉用万用表判别二极管和三极管的质量。,(二)预习要求,(1)预习PN结外加正、反向电压的工作原理和三极管电流放大原理。(2)预习万用表电阻挡的使用方法。,(三)实训原理1.二极管的外形特征,(1)二极管共有两根引脚，两根引脚有正、负之分，在使用中两根引脚不能接反，否则会损坏二极管或损坏电路中的其它元件。(2)二极管的两根引脚由轴向伸出。(3)有一部分二极管外壳上标出了二极管的电路符号，以便识别二极管的正负极引脚。,2 万用表测试二极管的原理,晶体二极管内部实质上是一个PN结。当外加正向电压，也即P端电位高于N端电位时，二极管导通呈低电阻；当外加反向电压，也即N端电位高于P端电位时，二极管截止呈高电阻。因此可应用万用表的电阻挡鉴别二极管的极性和判别其质量的好坏。,实图 1.1万用表电阻挡等效测试电路,测试时，可由指针偏转角占全量程刻度的百分比,(可通过指针所处直流电压刻度位置估算之)估算流经被测元器件的直流电流。可用下式计算：(1.1)在测试小功率二极管时一般使用,R,100()或,R,1 k()挡，不致损坏管子。,3.万用表测试三极管的原理,1)基极和管型的判断三极管内部有两个PN结，即集电结和发射结，实图1.2(a)所示为NPN型三极管。与二极管相似，三极管内的PN结同样具有单向导电性。因此可用万用表电阻挡判别出基极b和管型。,实图 1.2三极管及其电极辨别,(a)NPN型三极管内部PN结；(b)辨别三极管电极,2)集电极和发射极的判别这可根据三极管的电流放大作用进行判别。,实图 1.3用万用表判别三极管c、e极,3)反向穿透电流,I,CEO,的检查,I,CEO,的大小是衡量三极管质量的一个重要指标，要求越小越好。,4)共发射极直流电流放大系数的性能测试 测试方法与2)中判别c、e极方法的相似。由三极管电流放大系数原理可知，在接,R,b,时测得阻值比未接,R,b,时为小，因此，测得的,角百分比越大，则表明三极管的电流放大系数越大。,(四)实训设备和器件 万用表一只；二极管：2AP型、2CP型各一只；三极管：3AX31、3DG6各一只；电阻：100 k一只；坏的二极管、三极管若干只。,(五)实训内容,1 测试二极管的正、负极性和正、反向电阻,用万用表电阻挡(,R,100()或,R,1 k()挡)判别二极管的正、负极和测试正、反向电阻。,2 判别三极管的管脚和管型(NPN型和PNP型),(1)用万用表电阻挡(,R,100()或,R,1 k()挡)先判别基极b和管型。(2)判别出集电极c和发射极e，测定,I,CEO,和,的大小。(3)用万用表测试坏的二极管和三极管，鉴别分析管子质量和损坏情况。,(六)实训报告,(1)将测得的数据进行分析整理，填入实表1.1中。(2)根据测量结果，总结出一般晶体二极管正向电阻、反向电阻的范围。,(七)思考题,通过实训，你能否回答下列问题：(1)能否用万用表测量大功率三极管？测量时使用哪一挡，为什么？(2)为什么用万用表不同电阻挡测二极管的正向(或反向)电阻值时，测得的阻值不同?(3)用万用表测得的晶体二极管的正、反向电阻是直流电阻还是交流电阻？用万用表的,R,10()挡和,R,1 k()挡去测量同一个二极管的正向电阻时，所得的结果是否相同？为什么？,(4)我们知道，二极管的反向电阻较大，需用万用表的,R,1 k()或,R,10k()挡去测量。有人在测量二极管的反向电阻时，为了使表笔和管脚接触良好，用两手分别把两个接触处捏紧，结果发现管子的反向电阻比实际值小很多，这是为什么？,方法 2用逐点法测试二极管和三极管的特性曲线(一)实训目的,(1)通过用普通万用表测试二极管和三极管的特性曲线，加深理解其特性曲线的物理意义。(2)了解被测管子各极间的电压和电流在数值上的关系和特点。,(二)预习要求,(1)测量二极管的正向和反向伏安特性对电源的连接和数值有什么要求？在测试同一条伏安特性过程中，为什么不要变更万用表的量程？(2)共发射极直流与交流电流放大系数在概念上有什么区别？(3)三极管的输入特性和输出特性应在什么条件下进行测量？对测量电表有什么要求？(4)测试锗材料三极管的伏安特性时，若测试时间过长，为什么会影响测量结果？,(三)实训原理1.二极管伏安特性测试,用逐点法测试二极管正、反向伏安特性。逐点改变加在二极管两端电压,，测出各点电压,和与,相对应的电流,，即可描绘出伏安特性曲线。,2.三极管共发射极组态伏安特性测试,三极管共发射极组态的伏安特性有输入特性和输出特性。输入特性可用函数式来表示，即在,U,CE,电压保持不变的情况下，基极输入回路中,U,BE,和,I,B,之间的关系。一般当,U,CE,2 V后，输入特性基本重合。,输出特性可用函数式来表示，即在基极电流,I,B,保持不变的情况下，在集电极输出回路中,U,CE,和,I,C,之间的关系。,3.实训电路,实训电路如实图 1.4 和实图 1.5 所示。,实图 1.4二极管特性测试电路图,实图 1.5三极管特性测试电路图,(四)实训内容,1.测量二极管正、反向特性,按实图1.4接线。(1)测正向伏安特性时，将S、S各与1、1相接，电源U=3 V，电流用直流毫安表挡测量。(2)测反向伏安特性时，S、S各与2、2相接，电源,U,=32 V，电流用直流微安挡测量。测量时，调节电位器RP使二极管两端电压从零开始逐点增加，并测出各点电压相对应的电流值 ,填入实表1.2和实表1.3中。,2.测量三极管的输入特性,(1)按实图1.5接线，在开启电源前，将,U,BB,调至3 V，,U,CC,置于零位，然后开启电源，仍使,U,CC,=0 V，并维持不变，即,U,CE,=0 V，然后调节RP，使,U,BE,由0 V开始逐渐增大，读测并记录与,U,BE,各点相对应的,I,B,，填入实表1.4中。(2)调节电源,U,CC,=2 V，并维持不变，即,U,CE,=2 V。再调节RP，仍使,U,BE,由0 V开始增大，记下与各点,U,BE,相对应的,I,B,，填入实表1.4中。,3.测量三极管的输出特性,连接线路不变，调节RP使,I,B,=0 A，并维持不变，再调节稳压电源，使,U,CC,由0 V逐点增大，读测相应,I,C,，填入实表1.5中。调节RP使,I,B,分别为实表 1.5 中其它各值，重复上述测量。,(五)实训报告,(1)整理数据，填好表格。(2)根据测试结果，用方格坐标描绘二极管正、反向特性曲线和三极管输入、输出特性曲线。(3)通过输出特性曲线，在,U,CE,=6 V,I,B,=60 A的工作点上求取共发射极直流电流放大系数和交流电流放大系数,。,(六)思考题,(1)如果要测试硅二极管的正向特性，应如何较合理地安排测试点，为什么？(2)测试PNP型三极管时，电源应如何连接？,1.1半导体二极管,1.1.1PN结的形成与特性1 PN结的形成,在半导体材料(硅、锗)中掺入不同杂质可以分别形成N型和P型两种半导体。N型半导体主要靠自由电子导电，称自由电子为多数载流子，而空穴(带正电荷的载流子)数量远少于电子数量，称空穴为少数载流子。P型半导体主要靠空穴导电，称空穴为多数载流子，而自由电子远少于空穴的数量，称自由电子为少数载流子。,图 1.1.1PN结的形成,(a)多数载流子的扩散；(b)PN结的形成,2 PN结的特性,1)PN结的正向导通特性给PN结加正向电压，即P区接正电源，N区接负电源，此时称PN结为正向偏置，如图1.1.2(a)所示。,图 1.1.2PN结的导电特性,(a),正向偏置；,(b),反向偏置,2)PN结的反向截止特性给PN结加反向电压，即电源正极接N 区，负极接P区，称PN结反向偏置，如图1.1.2(b)所示。这时外加电场与内电场方向相同，使内电场的作用增强,PN结变厚，多数载流子运动难于进行，有助于少数载流子运动，形成电流IR，少数载流子很少，所以电流很小，接近于零，即PN结反向电阻很大。,1.1.2二极管的结构和类型1 点接触型二极管,如图1.1.3(c)所示。这是用一根含杂质元素的金属丝压在半导体晶片上，经特殊工艺、方法，使金属丝上的杂质掺入到晶体中，从而形成导电类型与原晶体相反的区域而构成的PN结。因而其结面积小，允许通过的电流小，但结电容小，工作频率高，适合用作高频检波器件。,2 面接触型二极管,如图1.1.3(d)所示。由于面接触型二极管的PN结接触面积较大，PN结电容较大，一般适用于在较低的频率下工作；由于接触面积大，允许通过较大电流和具有较大功率容量，适用于做整流器件。,图 1.1.3二极管的结构和符号,(a)结构示意图；(b)符号；(c)点接触型；(d)面接触型,1.1.3二极管的特性及参数1 二极管伏安特性,理论分析指出，半导体二极管电流,I,与端电压,U,之间的关系可表示为 (1.1.1),图 1.1.4二极管伏安特性曲线,1)正向特性当二极管承受正向电压小于某一数值(称为死区电压)时，还不足以克服PN结内电场对多数载流子运动的阻挡作用，这一区段二极管正向电流,I,F,很小，称为死区。死区电压的大小与二极管的材料有关，并受环境温度影响。通常，硅材料二极管的死区电压约为0.5 V，锗材料二极管的死区电压约为0.1 V。,2)反向特性当二极管承受反向电压时，外电场与内电场方向一致，只有少数载流子的漂移运动，形成的漏电流,I,R,极小，一般硅管的,I,R,为几微安以下，锗管,I,R,较大，为几十到几百微安。这时二极管反向截止。,2 二极管的主要参数,1)最大整流电流,I,FM,I,FM,是指二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流值，由PN结的面积和散热条件所决定。工作时，管子通过的电流不应超过这个数值，否则将导致管子过热而损坏。2)最高反向工作电压,U,RM,U,RM,是指二极管不击穿所允许加的最高反向电压。超过此值二极管就有被反向击穿的危险。,U,RM,通常为反向击穿电压的1/22/3，以确保二极管安全工作。,3)最大反向电流,I,RM,I,RM,是指二极管在常温下承受最高反向工作电压,U,RM,时的反向漏电流，一般很小，但其受温度影响较大。当温度升高时，,I,RM,显著增大。4)最高工作频率,f,M,f,M,是指保持二极管单向导通性能时，外加电压允许的最高频率。二极管工作频率与PN结的极间电容大小有关，容量越小，工作频率越高。,1.1.4半导体二极管的应用1.整流,所谓整流,就是将交流电变为单方向脉动的直流电。利用二极管的单向导电性可组成单相、三相等各种形式的整流电路，然后再经过滤波、稳压，便可获得平稳的直流电。,2.钳位,利用二极管正向导通时压降很小的特性，可组成钳位电路，如图1.1.5所示。,图 1.1.5二极管钳位电路,3.限幅,利用二极管正向导通后其两端电压很小且基本不变的特性，可以构成各种限幅电路，使输出电压幅度限制在某一电压值以内。,图 1.1.6二极管限幅电路及波形,(a)限幅电路；(b)波形,4.元件保护,在电子线路中，常用二极管来保护其他元器件免受过高电压的损害，如图1.1.7所示电路，,L,和,R,是线圈的电感和电阻。,图 1.1.7二极管保护电路,1.1.5特种二极管1.发光二极管及其应用,1)发光二极管的符号及特性发光二极管的符号如图1.1.8(a)所示。发光二极管的伏安特性如图1.1.8(b)所示。,图 1.1.8发光二极管符号和伏安特性曲线,(a)符号；(b)伏安特性曲线,2)发光二极管的应用(1)电源通断指示。发光二极管作为电源通断指示的电路(如图1.1.9 所示)时，通常称其为指示灯，在实际应用中给人提供很大的方便。,图 1.1.9发光二极管电路,(2)数码管是电子技术中应用的主要显示器件，其就是用发光二极管经过一定的排列组成的，如图1.1.10(a)所示。这是某型号的七段数码显示。要使它显示09的一系列数字，只要点亮其内部相应的显示段即可。七段数码显示有共阳极(图1.1.10(b)和共阴极(图1.1.10(c)之分。,图 1.1.10七段型数码管,(a)笔段编码；(b)共阳极LED分布；(c)共阴极LED分布,2.稳压二极管,硅稳压二极管简称稳压管，是一种特殊的二极管，它与电阻配合具有稳定电压的特点。1)稳压管的伏安特性通过实验测得稳压管伏安特性曲线如图1.1.11所示。,图 1.1.11稳压二极管伏安特性及符号,2)稳压管的主要参数(1)稳定电压值:稳压管在正常工作时管子的端电压,一般为325 V，高的可达200 V。(2)稳定电流:稳压管正常工作时的参考电流。开始稳压时对应的电流最小，为最小稳压电流；对应额定功耗时的稳压电流为最大稳压电流。正常工作电流取间某个值。,(3)动态电阻:稳压管端电压的变化量与对应电流变化量之比，即其值为几欧至十几欧。,(4)稳定电压的温度系数:当温度变化1时稳压管的稳压值的相对变化量。例如,2CW17的电压温度系数为910,4,/。稳压值低于4 V的稳压管，电压温度系数为负(表现为齐纳击穿)；高于7 V的稳压管，系数为正(表现为雪崩击穿)；而6 V左右的管子(呈现两种击穿)，稳压值受温度影响较小。(5)稳压管额定功耗:保证稳压管安全工作所允许的最大功耗。其大小为,3)稳压二极管的应用用稳压二极管构成的稳压电路如图1.1.12所示。,图 1.1.12稳压管稳压电路,例 1.1,在图1.1.13中，已知稳压二极管的当,U,I,=20 V，,R,=1 k时，求,U,O,。已知稳压二极管的正向导通压降,U,F,=0.7 V。,解,当,U,I,=+20 V,V,DZ1,反向击穿稳压，V,DZ2,正向导通，,U,F2,=0.7 V，则,U,O,=+7 V；同理，,U,I,=20 V,U,O,=7 V。,1.2半导体三极管,1.2.1三极管的结构及类型,三极管是由两个PN结、3个杂质半导体区域组成的，因杂质半导体有P、N型两种，所以三极管的组成形式有NPN型和PNP型两种。结构和符号如图1.2.1所示。,图 1.2.1三极管结构示意图和表示符号,1.三极管的结构及类型,不管是NPN型还是PNP型三极管，都有三个区：基区、发射区、集电区，以及分别从这三个区引出的电极：发射极e、基极b和集电极c;两个PN结分别为发射区与基区之间的发射结和集电区与基区之间的集电结。三极管基区很薄，一般仅有1微米至几十微米厚，发射区多数载流子的浓度很高，集电结截面积大于发射结截面积。,2.三极管电流分配和放大作用,为了定量地了解三极管的电流分配关系和放大原理，我们先做一个试验，试验电路如图1.2.2所示。,图 1.2.2三极管试验电路,将表中数据进行比较分析，可得出如下结论：,I,E,=,I,C,+,I,B,，三个电流之间的关系符合基尔霍夫电流定律。,I,C,I,E,，,I,B,虽然很小，但对,I,C,有控制作用，,I,C,随,I,B,改变而改变。例如,I,B,由40 A增加到50 A，,I,C,从3.2 mA增加到4 mA,即,1)三极管内部载流子的运动规律三极管电流之间为什么具有这样的关系呢？这可以通过在三极管内部载流子的运动规律来解释。(1)发射区向基区发射电子。(2)基区中的电子进行扩散与复合。(3)集电区收集电子。,图 1.2.3三极管内部载流子运动规律,2)三极管的电流分配关系综合载流子的运动规律，三极管内的电流分配如图1.2.4所示，图中的箭头表示电流方向。,图 1.2.4电流分配关系,由于三极管基区的杂质浓度很低，且厚度很薄，这就减小了电子和空穴复合的机会，所以从发射区注入到基区的电子只有很小一部分在基区复合掉，绝大部分到达集电区。这就是说，构成发射极电流,I,E,的两部分中，,I,BE,部分是很小的，,I,CE,部分所占百分比是大的，若它们的比值用,h,FE本,表示，则有,(1.2.1),对照图1.2.4并结合式(1.2.1)，各极电流满足下列分配关系：(1.2.2),3)放大作用将图1.2.4 所示的三极管模型用其符号表示重绘于图1.2.5上。,图 1.2.5放大作用原理图,(1)电流放大作用。在图1.2.5中，通过信号源(,u,s,)的电流为,i,B,(基极总输入电流)，流过负载电阻,R,L,的电流为,i,C,(集电极总输出电流)，二者变量的比值，称为共射极小信号短路电流放大系数(交流电流放大系数)，记作,即,(2)电压放大作用。在图1.2.5中，设三极管由基极向发射极看过去的等效交流电阻为,r,be,。根据叠加原理，输入信号电压,u,s,=,i,B,r,be,，负载,R,L,上的电压变量,u,O,=,i,C,R,L,，于是,1.2.2三极管的特性曲线,三极管的特性曲线全面反映了三极管各极电压与电流之间的关系，是分析三极管各种电路的重要依据。由于三极管有三个电极，输入、输出各占一个电极，一个公共电极，因此要用两种特性曲线来表示，即输入特性曲线和输出特性曲线。图1.2.6是测试三极管共射极接法特性的电路图。,图 1.2.6三极管共射极的测试电路,1.共射输入特性,共射输入特性是指集电极和发射极之间的电压,U,CE,为某一常数时，加在三极管基极和发射极之间的电压,U,BE,和由它所产生的基极电流,i,B,之间的关系，即输入端电压和电流关系。函数关系表示为图1.2.7给出了某三极管的输入特性。下面，我们分两种情况进行讨论。,图 1.2.7某三极管的输入特性,1)当,U,CE,=0时的输入特性(图中曲线)当,U,CE,=0时，相当于集电极和发射极间短路，三极管等效成两个二极管并联，其特性类似于二极管的正向特性。,2)当,U,CE,1 V时的输入特性(图中曲线)当,U,CE,1 V时，输入特性曲线右移(相对于,U,CE,=0时的曲线)，表明对应同一个,U,BE,值，,I,B,减小了，或者说，要保持,I,B,不变，,U,BE,需增加。这是因为集电结加反向电压，使得扩散到基区的载流子绝大部分被集电结吸引过去而形成集电极电流,I,C,只有少部分在基区复合，形成基极电流,I,B,所以,I,B,减小而使曲线右移。,对应输入特性曲线某点(例如图1.2.8的,Q,点)切线斜率的倒数，称为三极管共射极接法(,Q,点处)的交流输入电阻，记作,r,be,即,图 1.2.8从输入特性上求,r,be,2.输出特性曲线,输出特性曲线是指当三极管基极电流,I,B,为常数时，集电极电流,I,C,与集电极、发射极间电压,U,CE,之间的关系，即在图1.2.6中，先调节,U,BB,为一定值，例如,I,B,=40 A，然后调节,U,CC,使,U,CE,由零开始逐渐增大，就可作出,I,B,=40 A时的输出特性。同样做法，把,I,B,调到0 A,20 A,60 A，就可以得一组输出特性曲线。如图1.2.9所示。,图 1.2.9三极管输出特性曲线,1)截止区在,I,B,=0 曲线以下的区域称为截止区，这时,I,C,=,I,CEO,0。集电极到发射极只有很微小的电流，称其为穿透电流。三极管集电极与发射极之间接近开路，类似开关断开状态，无放大作用，呈高阻状态。此时,U,BE,低于死区电压或,U,CE,0 V，三极管可靠截止，发射结和集电结都处于反向偏置。,2)放大区在,I,B,=0的特性曲线上方，各条输出特性曲线近似平行于横轴的曲线簇部分。,U,CE,在1 V以上，,I,C,不随着,U,CE,变化，呈现恒流特性。在放大区，,I,C,的大小随,I,B,变化，,I,C,=,I,B,。此时发射结处于正向偏置，集电结处于反向偏置，三极管处于放大状态。,3)饱和区输出特性曲线近似直线上升部分称饱和区，,U,CE,1 V，三极管饱和时,U,CE,值称为饱和压降，用,U,CES,来表示。因,U,CES,值很小，三极管的c、e两极之间接近短路，此时发射结和集电结都处于正偏。,1.2.3三极管的主要参数1.电流放大系数,动态(交流)电流放大系数,：当集电极电压,U,CE,为定值时，集电极电流变化量,I,C,与基极电流变化量,I,B,之比，即,静态(直流)电流放大系数 ：三极管为共发射极接法，在集电极-发射极电压,U,CE,一定的条件下，由基极直流电流,I,B,所引起的集电极直流电流与基极电流之比，称为共发射极静态(直流)电流放大系数，记作。,2.极间反向截止电流,1)发射极开路，集电极基极反向截止电流,I,CBO,I,CBO,可以通过图1.2.10所示电路进行测量。,图 1.2.10,I,CBO,测试电路,2)基极开路，集电极发射极反向截止电流,I,CEO,I,CEO,是当三极管基极开路而集电结反偏和发射结正偏时的集电极电流。测试电路如图1.2.11所示。,图 1.2.11,I,CEO,测试电路,3.极限参数,集电极最大允许电流,I,CM,：当,I,C,超过一定数值时,下降，,下降到正常值的2/3时所对应的,I,C,值为,I,CM,，当,I,C,I,CM,时，可导致三极管损坏。反向击穿电压,U,(BR)CEO,：基极开路时，集电极、发射极之间最大允许电压为反向击穿电压,U,(BR)CEO,，当,U,CE,U,(BR)CEO,时，三极管的,I,C,、,I,E,剧增，使三极管击穿。为可靠工作，使用中取,集电极最大耗散功率,P,CM,：集电极电流流过集电极时，产生的功耗使结温升高，结温太高时会使三极管烧毁，因此规定,P,C,=,I,C,U,CE,P,CM,。根据给定的,P,CM,值可以作出一条,P,CM,曲线如图1.2.12所示，由,P,CM,、,I,CM,和,U,(BR)CEO,包围的区域为三极管安全工作区。,图 1.2.12三极管安全工作区,例1.2.1,在图1.2.6所示电路中，若选用3DG6D型号的三极管，(1)电源电压,U,CC,最大不得超过多少伏？(2)根据,I,C,I,CM,的要求，,R,c,电阻最小不得小于多少千欧姆？,解,查表，3DG6D参数是：,(1)(2),其中,，,U,CE,最低一般为,0.5 V,，故可略。由,I,C,I,CM,，所以 故,1.2.4,复合三极管,复合三极管是把两个三极管的管脚适当地连接起来使之等效为一个三极管，典型结构如图1.2.13所示。,图 1.2.13复合三极管,以图1.2.13(a)为例分析。即,说明复合管的电流放大系数,近似等于两个管子电流放大系数的乘积。同时有表明复合管具有穿透电流大的缺点。,1.3场 效 应 管,场效应管是一种利用电场效应来控制其电流大小的半导体三极管。它具有输入电阻高(最高可达1015)、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、耗电省等优点，因此得到广泛应用。,1.3.1结型场效应管1.结构及符号,结型场效应管也是具有PN结的半导体器件，图1.3.1(a)绘出了N沟道结型场效应管的结构(平面)示意图。它是一块N型半导体材料作衬底，在其两侧作出两个杂质浓度很高的P+型区，形成两个PN结。从两边的P型区引出两个电极并联在一起，称为栅极(G)；在N型衬底材料的两端各引出一个电极，分别称为漏极(D)和源极(S)。两个PN结中间的N型区域，称为导电沟道，它是漏、源极之间电子流通的途径。这种结构的管子被称为N型沟道结型场效应管，它的代表符号如图1.3.1(b)所示。,图 1.3.1结型场效应管结构及符号,(a)N沟道结构示意图；(b)N沟道符号；(c)P沟道符号,2.基本工作原理,研究场效应管的工作原理，主要是讲输入电压对输出电流的控制作用。在图1.3.2中，绘出了当漏源电压,U,DS,=0时，栅源电压,U,GS,大小对导电沟道影响的示意图。,图 1.3.2,U,DS,0时，栅源电压,U,GS,大小对导电沟道的影响,(a),U,GS,=0时；(b),U,GS(off),U,GS,0时；(c),U,GS,U,GS(off),时,3.特性曲线,1)转移特性曲线转移特性是指在漏源电压,U,DS,一定时，漏极电流,i,D,同栅源电压,U,GS,的关系，函数表示式为,图1.3.3给出了某N沟道结型场效应管的转移特性。从图中可以看出,U,GS,对,I,D,的控制作用。,U,GS,=0时的,I,D,，称为栅源短路时漏极电流，记为,I,DSS,。使,I,D,0时的栅源电压就是栅源截止电压,U,GS(off),。,图 1.3.3N沟道结型场效应管的转移特性,此外，图1.3.3中的转移特性，可以用一个近似公式来表示：这样，只要给出,I,DSS,和,U,GS(off),就可以把转移特性中其它点估算出来。,2)输出特性曲线输出特性曲线(也叫漏极特性)是指在栅源电压,U,GS,一定时，漏极电流,I,D,与漏源电压,U,DS,之间的关系，函数表示式为图1.3.4给出了某N沟道结型场效应管的输出特性。从图中可以看出，管子的工作状态可分为可变电阻区、恒流区和击穿区这三个区域。,图 1.3.4N沟道结型场效应管的输出特性,(1)可变电阻区：特性曲线上升的部分称为可变电阻区。在此区内，,U,DS,较小，,I,D,随,U,DS,的增加而近于直线上升，管子的工作状态相当于一个电阻，而且这个电阻的大小又随栅源电压,U,GS,的大小变化而变(不同,U,GS,的输出特性的切线斜率不同)，所以把这个区域称为可变电阻区。,(2)恒流区：曲线近于水平的部分称为恒流区(又称饱和区)。在此区内，,U,DS,增加，,I,D,基本不变(对应同一,U,GS,)，管子的工作状态相当于一个“恒流源”，所以把这部分区域称为恒流区。,恒流区产生的物理原因，是由于漏源电压,U,DS,在N沟道的纵向产生电位梯度，使得从漏极至源极沟道的不同位置上，沟道-栅极间的电压不相等，靠近漏端最大，耗尽层也最宽，而靠近源端的耗尽层最窄。这样，在,U,GS,和,U,DS,的共同作用下，导电沟道呈楔型，如图1.3.5所示。,图 1.3.5,U,DS,对沟道的影响,从上面的分析，可以得到N沟道结型场效应管产生夹断(即出现恒流)的条件为,U,GD,U,GS(off),U,GS(off),0,或,U,GS,U,DS,U,GS(off),即,U,DS,U,GS,U,GS(off),(3)击穿区:特性曲线快速上翘的部分称为击穿区。在此区内，,U,DS,较大，,I,D,剧增，出现了击穿现象。场效应管工作时，不允许进入这个区域。,1.3.2绝缘栅场效应管1.N沟道增强型绝缘栅场效应管的结构,N沟道增强型绝缘栅场效应管的结构如图1.3.6(a)所示。它的制作过程是：以一块杂质浓度较低的P型硅半导体薄片作衬底，利用扩散方法在上面形成两个高掺杂的N,+,区，并在N,+,区上安置两个电极，分别称为源极(S)和漏极(D)；然后在半导体表面覆盖一层很薄的二氧化硅绝缘层，并在二氧化硅表面再安置一个金属电极，称为栅极(G)；栅极同源极、漏极均无电接触，故称“绝缘栅极”。,图 1.3.6增强型绝缘栅场效应管的结构和符号,(a)N沟道结构示意图；(b)N沟道符号；(c)P沟道符号,如果以N型硅作衬底，可制成P沟道增强型绝缘栅场效应管。N沟道和P沟道增强型绝缘栅场效应管的符号分别如图1.3.6(b)和(c)所示，它们的区别是衬底的箭头方向不同。,2.N沟道增强型绝缘栅场效应管的工作原理,在图1.3.6(a)中，如果将栅、源极短路，那么不论漏、源极间加的电压极性如何，总会有一个PN结呈反向偏置，漏、源极间将无电流。,图 1.3.7N沟道增强型绝缘栅场效应管工作原理,上述这种在,U,GS,=0时没有导电沟道，而必须依靠栅源正电压的作用才能形成导电沟道的场效应管，称为增强型场效应管。N沟道增强型绝缘栅场效应管的特性曲线(示意图)如图1.3.8所示。,图 1.3.8N沟道增强型绝缘栅场效应管伏安特性(a)转移特性；(b)输出特性,3.N沟道耗尽型绝缘栅场效应管的工作原理,N沟道耗尽型绝缘栅场效应管的结构和增强型基本相同，只是在制作这种管子时，预先在二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子。这样，即使在,U,GS,=0时，由于正离子的作用，也能在P型衬底表面形成感生沟道，将源区和漏区连接起来，如图1.3.9所示。,图 1.3.9N沟道耗尽型绝缘栅场效应管结构示意图,耗尽型绝缘栅场效应管的符号如图1.3.10所示。图(a)为沟道耗尽型绝缘栅场效应管的符号，图(b)为沟道耗尽型绝缘栅场效应管的符号。二者的区别只是衬底的箭头方向不同。,图 1.3.10耗尽型绝缘栅场效应管符号,(a)N沟道符号;(b)P沟道符号,某,沟道耗尽型绝缘栅场效应管的特性曲线如图1.3.11所示。,图 1.3.11某沟道耗尽型绝缘栅场效应管特性曲线,现在，我们对MOS管的符号再作进一步说明。在图1.3.6(b)、(c)和图1.3.10(a)、(b)中画出了四种类型MOS管各自的符号。在N沟道MOS管符号中，衬底上的箭头是向内的(由P型衬底指向N型沟道)；而在P沟道MOS管的符号中，衬底上的箭头是向外的，(由P型沟道指向N型衬底)。在增强型MOS管的符号中，S、D和衬底U之间是断开的，表示,U,GS,时导电沟道没有形成；在耗尽型MOS管的符号中，S、D和U是连在一起的，表示,U,GS,=0时导电沟道业已存在。此外，在集成电路中，如无需区别沟道类型、工作型式时，MOS管亦有用图1.3.12所示的简化符号。,图 1.3.12MOS管在集成电路中的简化符号,1.3.3场效应管的主要参数,(1)开启电压,U,GS(th),:当,U,DS,为常数时，形成,I,D,所需的最小|,U,GS,|值，称开启电压。(2)夹断电压,U,GS(off),:在,U,DS,固定时，使,I,D,为某一微小电流(如1 A、10 A)所需的,U,GS,值。(3)低频跨导,g,m,:,U,DS,为定值时，漏极电流,I,D,的变化量,I,D,与引起这个变化的栅源电压,U,GS,的变化量,U,GS,的比值，即,(4)漏源击穿电压,U,(BR)DS,:管子发生击穿，,I,D,急剧上升时的,U,DS,值；,U,DS,U,(BR)DS,。(5)最大耗散功率,P,DM,:,P,D,=,I,D,U,DS,P,DM,。,P,D,不能超过,P,DM,，否则要烧坏管子。(6)最大漏极电流,I,DM,：管子工作时，,I,D,不允许超过这个值。,1.3.4场效应管与三极管的比较,(1)场效应管是电压控制器件，而三极管是电流控制器件，但都可获得较大的电压放大倍数。(2)场效应管温度稳定性好，三极管受温度影响较大。(3)场效应管制造工艺简单，便于集成化，适合制造大规模集成电路。(4)场效应管存放时，各个电极要短接在一起，防止外界静电感应电压过高时击穿绝缘层使其损坏。焊接时电烙铁应有良好的接地线，防止感应电压对管子的损坏。,1.4晶闸管,1.4.1晶闸管的基本结构,晶闸管是在晶体管的基础上发展起来的一种大功率半导体器件，由四层半导体P,1,、N,1,、P,2,、N,2,制成，形成三个PN结J,1,、J,2,、J,3,，如图1.4.1(a)所示。由最外的P,1,层引出的电极为阳极A，最外的N,2,层引出的电极为阴极K，由中间的P,2,层引出的电极为控制极G，然后用外壳封装起来，图1.4.1(b)为示意图。图1.4.1(C)是晶闸管的表示符号。,图 1.4.1晶闸管内部结构示意图,普通型晶闸管常有螺栓式、平板式和压模塑封式三种，其外形如图1.4.2所示。,图 1.4.2晶闸管外形图,(a)螺栓式；(b)平板式；(c)压膜塑封式,1.4.2晶闸管的工作原理,为了说明晶闸管的工作原理，把晶闸管看成由一个NPN型晶体管V,1,和一个PNP型晶体管V,2,两个晶体管联接而成，阴极K相当于V,1,的发射极，阳极A相当于V,2,的发射极，中间的P,2,层和N,1,层为两管共用，一个晶体管的基极与另一个晶体管的集电极相联接，如图1.4.3所示。,图 1.4.3晶闸管等效为晶体管示意图,(1)控制极不加电压(开路)，当阳极A和阴极K之间加正向电压(A为高电位，K为低电位)时，由图1.4.3可知，PN结J,1,和J,3,处于正向偏置，J,2,处于反向偏置，且,I,G,=0，故V,1,不能导通，晶闸管处于截止状态(称阻断状态)；当阳极A和阴极K之间加反向电压时，则J,2,处于正向偏置，而J,1,和J,3,处于反向偏置，V,1,仍不能导通，故晶闸管还是处于阻断状态。可见，当控制极不加电压时，无论阳极和阴极之间所加电压极性如何，晶闸管都处于阻断状态。,(2)当控制极G和阴极K之间加正向电压(G为高电位，K为低电位)，阳极和阴极之间加正向电压，如图1.4.4所示，当控制极电流,I,G,达到一定数值时，晶闸管导通。,图 1.4.4晶闸管工作原理电路,晶闸管的导通和阻断这两个工作状态是由阳极电压,U,AK,、阳极电流,I,A,及控制极电流,I,G,等决定的，这几个量又是互相有联系的，在实际应用时常用实验曲线来表示它们之间的关系，这就是晶闸管的伏安特性曲线，如图1.4.5所示。,图 1.4.5晶闸管伏安特性曲线,1.4.3晶闸管的主要参数1.正向断态重复峰值电压,U,FRM,在控制极开路、元件处于额定结温、晶闸管正向阻断的条件下，可以重复加在晶闸管两端的正向峰值电压(允许每秒重复50次，每次持续时间不大于10 ms)称为正向断态重复峰值电压(,U,FRM,)。此电压为正向转折电压的80%。,2.反向重复峰值电压,U,RRM,在控制极开路、元件处于额定结温条件下，阳极和阴极间允许重复加的反向峰值电压称为反向重复峰值电压(,U,RRM,)。此电压为反向转折电压的80%。一般将,U,FRM,和,U,RRM,中数值较小的定为晶闸管的额定电压。选择晶闸管额定电压时，考虑瞬间过电压可能会损坏晶闸管，因此，额定电压一般为晶闸管工作峰值电压的23倍。,3.正向平均电流,I,F,在规定的环境温度标准散热及全导通的条件下，晶闸管允许通过的工频正弦半波电流在一个周期内的平均值，称正向平均电流,I,F,。通常所说多少安的晶闸管就是指这个电流，有时也称额定通态平均电流。如果正弦半波电流的最大值为,I,m,，则,电流的有效值,I,t,为因此,电流有效值和平均值之比为,所以，在使用时，对于全导通的晶闸管，流过管子电流的有效值,I,t,应不超过平均电流IF的1.57倍。选择晶闸管时，要留有一定的安全余量，一般情况下，取,4.通态平均电压,U,F,在规定条件下，当通过正弦半波额定通态平均电流时，元件阳极和阴极间电压降的平均值即为通态平均电压(,U,F,)。其数值一般为0.61 V。通态平均电压与通态平均电流的乘积称为正向损耗，它是造成元件发热的主要原因。,5.维持电流,I,H,在规定的环境温度和控制极开路时，维持晶闸管继续导通的最小电流称为维持电流(,I,H,)。当晶闸管的正向电流小于这个电流时，将自动关断。,6.擎住电流,I,L,使晶闸管刚从断态转入通态并在去掉触发信号之后，能维持导通所需要的最小电流称为擎住电流(,I,L,)。对于同一晶闸管，一般,I,L,=(24),I,H,。,7.控制极触发电压,U,G,和触发电流,I,G,在规定的环境温度下，晶闸管阳极与阴极之间加6 V正向直流电压的条件下，使晶闸管由阻断状态转变为导通状态的控制极最小直流电压和电流，称为控制极的触发电压和触发电流。由于制造工艺上的原因，即使是同一批的晶闸管的触发电压和触发电流也不尽相同。如果触发电压太低，则晶闸管容易受干扰电压的作用而造成误触发；如果触发电压过高，又会造成触发电路设计上的困难。因此，规定了在常温下各种规格的晶闸管的触发电压和触发电流的范围。目前，我国生产的晶闸管的型号及其含义如图1.4.6所示。,图 1.4.6晶闸管型号及其含义,1.4.4晶闸管的应用1.晶闸管开关电路,1)晶闸管直流开关电路图1.4.7是晶闸管直流开关电路。V,1,管作为供电开关，V,2,管是用来关