中职-电工电子技术第七章-常用半导体器件.ppt

杨杨 凌凌 电电 工工 电电 子子 技技 术术 第第7 7章章 常用半导体器件常用半导体器件化学工业出版社化学工业出版社 7.1 半导体二极管半导体二极管 自自1948年美国贝尔实验室发明晶体管以来，半导体器件年美国贝尔实验室发明晶体管以来，半导体器件在电子学领域获得了极为广泛的应用。在此基础上发展起来在电子学领域获得了极为广泛的应用。在此基础上发展起来的集成电路技术，使电子技术的发展跨入了微电子时代，并的集成电路技术，使电子技术的发展跨入了微电子时代，并且成为当代信息技术的重要组成部分。本章扼要介绍几种常且成为当代信息技术的重要组成部分。本章扼要介绍几种常用的半导体器件。用的半导体器件。7.1 半导体二极管半导体二极管 将将PN结加上相应的电极引线和管壳，便构成了半导体二结加上相应的电极引线和管壳，便构成了半导体二极管。下图示出了几种常见二极管的外形。极管。下图示出了几种常见二极管的外形。7.1 半导体二极管半导体二极管一、二极管的分类、结构和符号一、二极管的分类、结构和符号 二极管的种类很多，可按不同的方式分类。二极管的种类很多，可按不同的方式分类。根据结构的不同，二极管可分为点接触型、面接触型和平根据结构的不同，二极管可分为点接触型、面接触型和平面型。点接触型二极管是由一根金属细丝和一块半导体的表面面型。点接触型二极管是由一根金属细丝和一块半导体的表面接触，并熔结在一起构成接触，并熔结在一起构成PN结，外加引线和管壳密封而成，见结，外加引线和管壳密封而成，见下图（下图（a）。由于其）。由于其PN结面积很小，所以结电容很小，适用于结面积很小，所以结电容很小，适用于7.1 半导体二极管半导体二极管阴极引线阳极引线金锑合金底座PN结铝合金小球阳极引线NP阴极引线P型支持衬底阳极 A K 阴极（a）点接触型点接触型 （b）面接触型面接触型（c）平面型平面型 （d）电路符号电路符号7.1 半导体二极管半导体二极管在高频（几百兆赫）和小电流（几十毫安以下）条件下工作。在高频（几百兆赫）和小电流（几十毫安以下）条件下工作。面接触型二极管是用合金或扩散工艺制成面接触型二极管是用合金或扩散工艺制成PN结，外加引线和结，外加引线和管壳密封而成管壳密封而成,见上图见上图(b)。其。其PN结面积大，故结电容也大结面积大，故结电容也大,适适宜在低频条件下工作宜在低频条件下工作,可允许通过较大电流（可达上千安培）。可允许通过较大电流（可达上千安培）。上图（上图（c）所示是硅工艺平面型二极管的结构图，是集成电路）所示是硅工艺平面型二极管的结构图，是集成电路中常见的一种形式。中常见的一种形式。根据半导体材料的不同，二极管可分为硅管、锗管、砷化根据半导体材料的不同，二极管可分为硅管、锗管、砷化镓管等。镓管等。根据用途，二极管可分为整流、检波、开关及特殊用途根据用途，二极管可分为整流、检波、开关及特殊用途二极管等。二极管等。7.1 半导体二极管半导体二极管 上图（上图（d）是二极管的电路符号，其中）是二极管的电路符号，其中P区引线称为阳极区引线称为阳极（A），），N区引线称为阴极（区引线称为阴极（K），箭头方向表示正向电流方向。），箭头方向表示正向电流方向。二、二、二极管的特性和主要参数二极管的特性和主要参数 二极管既然是一个二极管既然是一个PN结，结，它当然具有单向导电性，其详它当然具有单向导电性，其详细特性可根据伏安特性和性能细特性可根据伏安特性和性能参数来说明。参数来说明。1.伏安特性伏安特性 实际二极管的伏安特性实际二极管的伏安特性如右上图所示，由该图可以看出二极管的主要特性如下。如右上图所示，由该图可以看出二极管的主要特性如下。锗管U/VUth40201015200硅管I/mAUBR5I/A2040040.87.1 半导体二极管半导体二极管 正向特性正向特性 当正向电压超过某一数值时，才有明显的正当正向电压超过某一数值时，才有明显的正向电流，该电压称为门坎电压（又称死区电压）向电流，该电压称为门坎电压（又称死区电压）Uth。在室。在室温下，硅管的温下，硅管的Uth约为约为0.5V，锗管约为，锗管约为0.1V。正向导通时，。正向导通时，硅管的压降约为硅管的压降约为0.60.8V，锗管约为，锗管约为0.10.3V。正向特性。正向特性对应于图中的对应于图中的段。段。反向特性反向特性 对应于图中的对应于图中的段，此时反向电流极小（硅段，此时反向电流极小（硅管约在管约在0.1A以下，锗管约为几十微安），可认为二极管处以下，锗管约为几十微安），可认为二极管处于截止状态。于截止状态。反向击穿反向击穿 当反向电压增大到一定数值时，反向电流急当反向电压增大到一定数值时，反向电流急剧增大，如图中的剧增大，如图中的段，二极管被段，二极管被“反向击穿反向击穿”，此时所加，此时所加的的7.1 半导体二极管半导体二极管反向电压称为反向击穿电压反向电压称为反向击穿电压UBR。UBR因管子的结构、材料因管子的结构、材料的不同而存在很大的差异，一般在几十伏以上，有的甚至的不同而存在很大的差异，一般在几十伏以上，有的甚至可达千伏以上。可达千伏以上。2.主要参数主要参数 器件参数是定量描述器件性能质量和安全工作范围的重器件参数是定量描述器件性能质量和安全工作范围的重要数据，是合理选择和正确使用器件的依据。要数据，是合理选择和正确使用器件的依据。二极管的主二极管的主要参数如下。要参数如下。（1）最大整流电流）最大整流电流IF 指二极管长期运行时允许通过的最指二极管长期运行时允许通过的最大正向平均电流，其值与大正向平均电流，其值与PN结的结面积和外界散热条件等结的结面积和外界散热条件等有关。在规定散热条件下，二极管正向平均电流若超过此有关。在规定散热条件下，二极管正向平均电流若超过此7.1 半导体二极管半导体二极管值，它会因结温升高而被烧坏。值，它会因结温升高而被烧坏。（2）最高反向工作电压）最高反向工作电压URM 指二极管不被击穿所容许的反指二极管不被击穿所容许的反向电压的峰值，一般取反向击穿电压的一半或三分之二。向电压的峰值，一般取反向击穿电压的一半或三分之二。（3）最大反向电流）最大反向电流IRM 指二极管加最高反向工作电压时的指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流。IRM越小，说明二极管的单向导电性越好，并且越小，说明二极管的单向导电性越好，并且受温度的影响也越小。由受温度的影响也越小。由P6页图可以看出，锗管的反向电流页图可以看出，锗管的反向电流比硅管的大，其值约为硅管的几十到几百倍。比硅管的大，其值约为硅管的几十到几百倍。除上述主要参数外二极管还有结电容和最高工作频率等除上述主要参数外二极管还有结电容和最高工作频率等参数。参数。7.1 半导体二极管半导体二极管三、三、特殊二极管特殊二极管1.稳压二极管稳压二极管 稳压二极管简称稳压管，它是利用特殊工艺制造的面稳压二极管简称稳压管，它是利用特殊工艺制造的面结合型硅二极管，在电路中可以实现限幅、稳压等功能。结合型硅二极管，在电路中可以实现限幅、稳压等功能。其伏安特性及电路符号其伏安特性及电路符号如右图所示。如右图所示。负极 正极 +UZI/mAUZU/VIZO（a）伏安特性（b）电路符号 稳压管工作在反向击稳压管工作在反向击穿区，穿区，由图（由图（a）可以看）可以看出，此时尽管反向电流出，此时尽管反向电流有很大的变化（有很大的变化（IZ），），7.1 半导体二极管半导体二极管而反向电压的变化（而反向电压的变化（UZ）极小，利用这一特性可以实现稳）极小，利用这一特性可以实现稳压。反向击穿特性曲线愈陡，稳压性能愈好。需要说明的一压。反向击穿特性曲线愈陡，稳压性能愈好。需要说明的一点是，只要在外电路上采取限流措施，使反向击穿不致引起点是，只要在外电路上采取限流措施，使反向击穿不致引起热击穿，稳压管就不会损坏，当外加反偏压撤除后，稳热击穿，稳压管就不会损坏，当外加反偏压撤除后，稳压管仍可恢复其单向导电性。压管仍可恢复其单向导电性。稳压管的参数主要有以下几个。稳压管的参数主要有以下几个。（1）稳定电压）稳定电压UZ 指稳压管正常工作时，稳压管两端的反向指稳压管正常工作时，稳压管两端的反向击穿电压。由于制作工艺的原因，即使同一型号的稳压管，击穿电压。由于制作工艺的原因，即使同一型号的稳压管，其其UZ值的分散性也较大。使用时可根据需要测试挑选。值的分散性也较大。使用时可根据需要测试挑选。7.1 半导体二极管半导体二极管（2）稳定电流）稳定电流IZ 指稳压管正常工作时的参考电流。工作电指稳压管正常工作时的参考电流。工作电流小于此值时，稳压效果差，大于此值时，稳压效果好。流小于此值时，稳压效果差，大于此值时，稳压效果好。（3）最大稳定电流）最大稳定电流IZM 指稳压管的最大允许工作电流，若指稳压管的最大允许工作电流，若超过此值，稳压管可能因过热而损坏。超过此值，稳压管可能因过热而损坏。（4）动态电阻）动态电阻rZ 定义为稳压管的电压变化量与电流变化量定义为稳压管的电压变化量与电流变化量之比，即之比，即 rZ越小，表明稳压管的稳压性能越好。越小，表明稳压管的稳压性能越好。稳压管常用于提供基准电压或用于电源设备中，国产稳稳压管常用于提供基准电压或用于电源设备中，国产稳7.1 半导体二极管半导体二极管压管的常见型号为压管的常见型号为2CW和和2DW。2.发光二极管（发光二极管（LED）发光二极管发光二极管LED（Light-Emitting Diode）是将电能转换）是将电能转换为光能的一种半导体器件。它是用砷化镓、磷化镓、磷砷化为光能的一种半导体器件。它是用砷化镓、磷化镓、磷砷化镓等半导体发光材料所制成的。其电路符号如下图所示。按镓等半导体发光材料所制成的。其电路符号如下图所示。按发光类型的不同，发光类型的不同，LED可分为可见光可分为可见光LED，红外线，红外线LED和激和激光光LED。下面介绍常用的可见光。下面介绍常用的可见光LED。7.1 半导体二极管半导体二极管 当发光二极管的当发光二极管的PN结正向偏置时，载流子复合释放能量结正向偏置时，载流子复合释放能量并以光子的形式放出。其发光的颜色决定于所用的半导体材并以光子的形式放出。其发光的颜色决定于所用的半导体材料，常见的发光颜色有红、绿、黄、橙等，主要用于家用电料，常见的发光颜色有红、绿、黄、橙等，主要用于家用电器、电子仪器、电子仪表中作指示用。器、电子仪器、电子仪表中作指示用。发光二极管的主要参数可分为光参数和电参数两类。电发光二极管的主要参数可分为光参数和电参数两类。电参数与普通二极管相同参数与普通二极管相同,不过其正向导通电压较高，约为不过其正向导通电压较高，约为26V,具体数值与材料有关。光参数有发光强度、发光波长等。具体数值与材料有关。光参数有发光强度、发光波长等。国产常见的发光二极管有国产常见的发光二极管有FG、BT、2EF、LD等系列可等系列可供选择。供选择。7.1 半导体二极管半导体二极管 发光二极管除单作显示外，还常作为七段式或矩阵式显发光二极管除单作显示外，还常作为七段式或矩阵式显示器件。与其他显示器件相比，它具有体积小、重量轻、示器件。与其他显示器件相比，它具有体积小、重量轻、寿命长、光度强、工作稳定等优点，缺点是功耗较大。寿命长、光度强、工作稳定等优点，缺点是功耗较大。7.2 半导体三极管半导体三极管 半导体三极管又称双极型三极管（半导体三极管又称双极型三极管（BJT），简称三极管，），简称三极管，是一种应用很广泛的半导体器件。是一种应用很广泛的半导体器件。一、一、三极管的分类、结构、符号三极管的分类、结构、符号 三极管的种类很多。按照工作频率分，有高频管、低频三极管的种类很多。按照工作频率分，有高频管、低频管；按照功率分，有大、中、小功率管；按照制作材料分，管；按照功率分，有大、中、小功率管；按照制作材料分，有硅管、锗管等；按照管子内部有硅管、锗管等；按照管子内部PN结组合方式的不同，可结组合方式的不同，可分为分为NPN型管和型管和PNP型管两种。其中硅管多为型管两种。其中硅管多为NPN型管，型管，锗管几乎全是锗管几乎全是PNP型管。虽然种类繁多，但从其外形来看，型管。虽然种类繁多，但从其外形来看，它都有三个电极，常见的三极管外形如下页图所示。它都有三个电极，常见的三极管外形如下页图所示。7.2 半导体三极管半导体三极管下图是三极管的结构示意图和相应的电路符号。下图是三极管的结构示意图和相应的电路符号。发射结基极BNPN集电结发射区基区集电区C集电极E发射极CBE发射结基极BPNP集电结发射区基区集电区C集电极E发射极CBE7.2 半导体三极管半导体三极管 由图可以看出，三极管由三层半导体构成的，形成了三个由图可以看出，三极管由三层半导体构成的，形成了三个区，分别是发射区、基区和集电区；由三个区引出了三个电极区，分别是发射区、基区和集电区；由三个区引出了三个电极,即发射极即发射极E(Emitter)、基极、基极B(Base)和集电极和集电极C(Collector);在三在三个区的交界面形成了两个个区的交界面形成了两个PN结：即发射结和集电结。结：即发射结和集电结。为了保证三极管具有电流放大作用，其结构工艺上应具备为了保证三极管具有电流放大作用，其结构工艺上应具备以下特点。以下特点。1.发射区重掺杂，其掺杂浓度远远高于基区和集电区的掺发射区重掺杂，其掺杂浓度远远高于基区和集电区的掺杂浓度；杂浓度；2.基区很薄（几微米）且为轻掺杂；基区很薄（几微米）且为轻掺杂；3.集电区的面积比发射区大。集电区的面积比发射区大。7.2 半导体三极管半导体三极管三极管在结构上不具备电对称性，其三极管在结构上不具备电对称性，其C、E极不能互换使用。极不能互换使用。二、二、三极管的电流分配与放大作用三极管的电流分配与放大作用 三极管的电流放大作用是由内、外两种因素决定的，其三极管的电流放大作用是由内、外两种因素决定的，其结构工艺特点是实现放大的内部物质基础，而外部条件是必结构工艺特点是实现放大的内部物质基础，而外部条件是必须给三极管加合适的直流电压，须给三极管加合适的直流电压，即给发射结加正向偏置，而集即给发射结加正向偏置，而集电结加反向偏置，如右图所示。电结加反向偏置，如右图所示。由该电路的实验数据可得由该电路的实验数据可得出如下关系。出如下关系。+UCC+UBBRCRBVTAmAmAIEICIB7.2 半导体三极管半导体三极管1.IE=IB+IC 发射极电流发射极电流IE等于基极电流等于基极电流IB和集电极电流和集电极电流IC之和之和。三。三个电流之间的关系符合基尔霍夫定律。个电流之间的关系符合基尔霍夫定律。2.共发射极直流电流放大系数 表示基极电流表示基极电流IB对集电极电流对集电极电流IC的控制作用。的控制作用。3.当基极电流发生微小变化时，集电极电流将有较大的变化。当基极电流发生微小变化时，集电极电流将有较大的变化。共发射极交流电流放大系数 7.2 半导体三极管半导体三极管三、三、三极管的特性曲线和工作状态三极管的特性曲线和工作状态 三极管的特性曲线描述了各电极电压与电流之间的关系，三极管的特性曲线描述了各电极电压与电流之间的关系，全面反映了三极管的性能。全面反映了三极管的性能。1.输入特性曲线输入特性曲线 当集当集-射极间的电压为某一常数射极间的电压为某一常数UCE时，基极电流时，基极电流IB与基与基-射电压射电压UBE之间的关系称为三极管的输入特性曲线，即之间的关系称为三极管的输入特性曲线，即 IB=f(UBE)UCE=常数常数 通常可利用晶体管特性测试仪测出。下页图是通常可利用晶体管特性测试仪测出。下页图是NPN型硅型硅三极管的输入特性曲线。三极管的输入特性曲线。7.2 半导体三极管半导体三极管IB/AUCE1V20 40 60 80 UBE/V0 0.2 0.4 0.6 0.8由图可见，它与二极管的正向由图可见，它与二极管的正向特性曲线相似，也有一段死区特性曲线相似，也有一段死区电压，硅管约为电压，硅管约为0.5V，锗管约，锗管约为为0.1V。正常工作时，硅管的。正常工作时，硅管的发射结电压约为发射结电压约为0.60.7V，锗，锗管约为管约为0.20.3V。2.输出特性曲线和工作状态输出特性曲线和工作状态 输出特性是指基极电流输出特性是指基极电流IB为常数时，集电极电流为常数时，集电极电流IC与与集集-射电压射电压UCE的关系，即的关系，即IC=f(UCE)IB=常数常数 7.2 半导体三极管半导体三极管截止区0 2 4 6 8 10 40A80A60AIB=0放 大 区IC/mA1 2 3 4 UCE/V饱和区20A 上图是三极管的输出特性曲线。由图可见，当上图是三极管的输出特性曲线。由图可见，当IB不同时，不同时，输出特性可用一族曲线表示。根据三极管工作状态的不同，输出特性可用一族曲线表示。根据三极管工作状态的不同，输出特性可分为以下几个区域。输出特性可分为以下几个区域。7.2 半导体三极管半导体三极管（1）截止区）截止区 一般把一般把IB=0那条曲线以下的区域称为截止区，那条曲线以下的区域称为截止区，此时，此时，IC0。为了使三极管可靠截止，通常在发射结上加。为了使三极管可靠截止，通常在发射结上加反向电压，这样，三极管截止时，发射结和集电极均处于反向电压，这样，三极管截止时，发射结和集电极均处于反向偏置。反向偏置。（2）放大区）放大区 特性曲线平坦的区域叫放大区，此时特性曲线平坦的区域叫放大区，此时IB0，UCE1V,IC=IB,IC=IB,IC的变化基本与的变化基本与UCE无关，无关，主要受主要受IB的控制，管子相当于一个受控的电流源。的控制，管子相当于一个受控的电流源。（3）饱和区）饱和区 特性曲线靠近纵轴的区域是饱和区。此时，特性曲线靠近纵轴的区域是饱和区。此时，发射结和集电极均处于正向偏置，三极管失去了电流放大发射结和集电极均处于正向偏置，三极管失去了电流放大作用。饱和时集作用。饱和时集射极间的饱和压降射极间的饱和压降UCES值很小，硅管约值很小，硅管约7.2 半导体三极管半导体三极管为为0.3V，锗管约为，锗管约为0.1V。四、四、三极管的主要参数三极管的主要参数 三极管的参数是用来表征管子性能优劣和适应范围的，它三极管的参数是用来表征管子性能优劣和适应范围的，它是选用三极管的依据。了解这些参数的意义，对于合理使用是选用三极管的依据。了解这些参数的意义，对于合理使用和充分利用三极管以达到设计电路的经济性和可靠性是十分和充分利用三极管以达到设计电路的经济性和可靠性是十分必要的。三极管的参数很多，大致可分为以下几类。必要的。三极管的参数很多，大致可分为以下几类。1.表征放大性能的参数表征放大性能的参数（1）共射极直流电流放大系数）共射极直流电流放大系数 （hFE）（2）共射极交流电流放大系数）共射极交流电流放大系数（hfe）7.2 半导体三极管半导体三极管 虽然虽然和和 的含义不同，但当输出特性曲线平行等距且忽略的含义不同，但当输出特性曲线平行等距且忽略ICEO时，则时，则 工程上常利用这一关系进行近似估算。工程上常利用这一关系进行近似估算。2.表征稳定性能的参数表征稳定性能的参数（1）ICBO 指发射极开路时，集电极指发射极开路时，集电极基极之间的反向饱和电流。基极之间的反向饱和电流。（2）ICEO 指基极开路时，集电极指基极开路时，集电极发射极之间的穿透电流。发射极之间的穿透电流。7.2 半导体三极管半导体三极管ICEO=(1+)ICBO 选用三极管时，一般希望极间反向电流越小越好，以减选用三极管时，一般希望极间反向电流越小越好，以减小温度的影响，硅管的小温度的影响，硅管的ICBO比锗管小比锗管小23个数量级，所以在个数量级，所以在要求较高的场合常选硅管。要求较高的场合常选硅管。3.表征安全极限性能的参数表征安全极限性能的参数（1）集电极最大允许电流）集电极最大允许电流ICM 三极管工作时，三极管工作时，值基本不变。值基本不变。但当但当IC超过一定值时，超过一定值时，值将明显降低。值将明显降低。ICM是指是指值下降到正常值下降到正常值的值的2/3时所对应的集电极电流时所对应的集电极电流IC值。值。（2）集电极最大允许耗散功率）集电极最大允许耗散功率PCM 指集电结上允许损耗功指集电结上允许损耗功率的最大值，率的最大值，PCM与管子的散热条件和环境温度有关，三极与管子的散热条件和环境温度有关，三极7.2 半导体三极管半导体三极管管不能超温使用，否则其性能将恶化，甚至损坏。管不能超温使用，否则其性能将恶化，甚至损坏。（3）反向击穿电压）反向击穿电压 UBR(EBO)指集电极开路时，发射结的反向击穿电压，此指集电极开路时，发射结的反向击穿电压，此值较小，一般只有几伏，有的甚至不到值较小，一般只有几伏，有的甚至不到1V。UBR(CBO)指发射极开路时，集电结的反向击穿电压。此指发射极开路时，集电结的反向击穿电压。此值较大，一般为几十伏，有的可达几百伏甚至上千伏。值较大，一般为几十伏，有的可达几百伏甚至上千伏。UBR(CEO)指基极开路时，集电极指基极开路时，集电极发射极之间的反向击发射极之间的反向击穿电压。其大小与三极管的穿透电流有直接的关系，一般为穿电压。其大小与三极管的穿透电流有直接的关系，一般为几伏至几十伏。几伏至几十伏。7.2 半导体三极管半导体三极管安全工作区0IC/mAUCE/VICMUBR（CEO）PCM 通常将通常将ICM、PCM、UBR(CEO)三个参数所限定的区域称为三个参数所限定的区域称为三极管的安全工作区，如图所示。为了确保管子正常、安全三极管的安全工作区，如图所示。为了确保管子正常、安全工作，使用时不应超出这个范围。工作，使用时不应超出这个范围。7.2 半导体三极管半导体三极管五、温度对三极管参数的影响五、温度对三极管参数的影响 严格来讲，温度对三极管的所有参数几乎都有影响，但受严格来讲，温度对三极管的所有参数几乎都有影响，但受影响最大的是以下三个参数。影响最大的是以下三个参数。1.三极管的三极管的值会随温度的升高而增大，温度每升高值会随温度的升高而增大，温度每升高1oC，2.值约增大值约增大0.5%1%。2.UBE 三极管的三极管的UBE值具有负的温度系数，温度每升高值具有负的温度系数，温度每升高1oC，UBE值约减小（值约减小（22.5）mV。3.ICBO 实验表明，实验表明，ICBO随温度按指数规律变化，温度每升高随温度按指数规律变化，温度每升高10oC，ICBO值约增加一倍，即值约增加一倍，即ICBO(T2)=ICBO(T1)2(T2T1)/10。7.3 场效应管场效应管 场效应管场效应管(FET)是一种较新型的半导体器件，其外形与普是一种较新型的半导体器件，其外形与普通三极管相似，但两者的控制特性却截然不同。普通三极管通三极管相似，但两者的控制特性却截然不同。普通三极管是电流控制器件，通过控制基极电流达到控制集电极电流或是电流控制器件，通过控制基极电流达到控制集电极电流或发射极电流的目的，即信号源必须提供一定的电流才能工作，发射极电流的目的，即信号源必须提供一定的电流才能工作，因此它的输入电阻较低，仅有因此它的输入电阻较低，仅有102104。场效应管则是电。场效应管则是电压控制器件，其输出电流决定于输入电压的大小，基本上不压控制器件，其输出电流决定于输入电压的大小，基本上不需要信号源提供电流，所以它的输入阻抗很高，可达需要信号源提供电流，所以它的输入阻抗很高，可达1091014，这是它的突出优点。此外，它还具有噪声低、热稳，这是它的突出优点。此外，它还具有噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、制造工艺简单、集成度高等优点，定性好、抗辐射能力强、制造工艺简单、集成度高等优点，已经成为当今集成电路的主流器件。已经成为当今集成电路的主流器件。7.3 场效应管场效应管一、一、场效应管的分类、结构、符号、特性曲线场效应管的分类、结构、符号、特性曲线 根据结构的不同，场效应管可分为两大类：结型场效应根据结构的不同，场效应管可分为两大类：结型场效应管（管（JFET）和金属）和金属-氧化物氧化物-半导体场效应管（半导体场效应管（MOSFET）。）。结型场效应管（结型场效应管（Junction Field Effect Transistor）是利用）是利用半导体内的电场效应进行工作的，半导体内的电场效应进行工作的，所以又称体内场效应器件，它有所以又称体内场效应器件，它有N沟道和沟道和P沟道之分，右图示出了沟道之分，右图示出了N沟道结型场效应管的结构及工沟道结型场效应管的结构及工作原理示意图。作原理示意图。ID+UDS UGS +DSNP+P+G7.3 场效应管场效应管 在一块在一块N型半导体材料两边高浓度扩散制造两个重掺杂的型半导体材料两边高浓度扩散制造两个重掺杂的P+区，形成了两个区，形成了两个PN结。两个结。两个P+区接在一起引出栅极区接在一起引出栅极G，两个，两个PN结之间的结之间的N型半导体构成导电沟道，在型半导体构成导电沟道，在N型半导体的两端分型半导体的两端分别引出源极别引出源极S和漏极和漏极D。由于。由于N型区结构对称，所以其型区结构对称，所以其源极和漏源极和漏极可以互换使用。极可以互换使用。N沟道结型场效应管工作时，为了保证其高输入电阻的特沟道结型场效应管工作时，为了保证其高输入电阻的特性，栅性，栅-源之间需加一负电压源之间需加一负电压UGS。使栅极与沟道之间的。使栅极与沟道之间的PN结结反偏。在漏反偏。在漏-源之间加一正电压源之间加一正电压UDS，N沟道中的多数载流子沟道中的多数载流子（电子）将源源不断地由源极向漏极运动，从而形成漏极电流（电子）将源源不断地由源极向漏极运动，从而形成漏极电流ID。UGS和和UDS的大小直接影响着导电沟道的变化的大小直接影响着导电沟道的变化，因而影响着因而影响着 7.3 场效应管场效应管漏极电流的变化。漏极电流的变化。UGS控制沟道的宽窄，当控制沟道的宽窄，当UGS由零向负值增由零向负值增大时，沟道由宽变窄，沟道电阻由小变大，当大时，沟道由宽变窄，沟道电阻由小变大，当UGS增大到增大到“夹断电压夹断电压”UGS(off)时时,沟道被全部沟道被全部“夹断夹断”,沟道电阻趋于无穷。沟道电阻趋于无穷。UDS控制沟道的形状，在控制沟道的形状，在UGS为一固定值时，若为一固定值时，若UDS=0，沟道由，沟道由漏极到源极呈等宽性漏极到源极呈等宽性,ID=0;当当UDS0时时,由于由于UGDUGS,沟道不再呈等宽性沟道不再呈等宽性.而呈楔形而呈楔形,此时，此时，ID随随UDS的增大而增大；的增大而增大；当当UDS增大到使增大到使UGD=UGS(off)时时,沟道首先在靠近漏极处被夹断沟道首先在靠近漏极处被夹断,此后，若继续增大此后，若继续增大UDS，夹断点由漏极向源极移动，夹断点由漏极向源极移动，ID基本不基本不再增加，趋于饱和。再增加，趋于饱和。MOS场效应管简称场效应管简称MOS管，它是利用半导体表面的电场管，它是利用半导体表面的电场7.3 场效应管场效应管效应进行工作的，也称表面场效应管。由于其栅极处于绝缘状效应进行工作的，也称表面场效应管。由于其栅极处于绝缘状态，故又称绝缘栅场效应管。态，故又称绝缘栅场效应管。MOS管可分为增强型与耗尽型两管可分为增强型与耗尽型两种类型，每类又有种类型，每类又有N沟道和沟道和P沟道之分，所以共有四类沟道之分，所以共有四类MOS管。管。下图为增强型下图为增强型NMOS管的结构及工作原理示意图。管的结构及工作原理示意图。UDS +UGS +N+P型硅衬底 D S G半导体N+绝缘层(SiO2)金属电极B 7.3 场效应管场效应管它以它以P型硅片作为衬底，其上扩散两个重掺杂的型硅片作为衬底，其上扩散两个重掺杂的N+区，分别区，分别作为源区和漏区，并引出源极作为源区和漏区，并引出源极S和漏极和漏极D，在源区和漏区之，在源区和漏区之间的衬底表面覆盖一层很薄（约间的衬底表面覆盖一层很薄（约0.1m）的绝缘层（）的绝缘层（SiO2）,并在其上蒸铝引出栅极并在其上蒸铝引出栅极G。从垂直衬底的角度看，这种场效。从垂直衬底的角度看，这种场效应管由金属应管由金属(铝铝)-氧化物氧化物(SiO2)-半导体构成，故称为半导体构成，故称为MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）。）。由上页图可以看出，当由上页图可以看出，当UGS=0时，源区和漏区之间被时，源区和漏区之间被P型型衬底所隔开衬底所隔开,形成了两个背靠背的形成了两个背靠背的PN结结,不论不论UDS的极性如何的极性如何,其中总有一个其中总有一个PN结是反偏的，电流总为零，管子处于截止状结是反偏的，电流总为零，管子处于截止状态。当态。当UGS0时，栅极与衬底之间以时，栅极与衬底之间以SiO2为介质构成的电容器为介质构成的电容器7.3 场效应管场效应管被充电，产生垂直于半导体表面的电场，该电场吸引被充电，产生垂直于半导体表面的电场，该电场吸引P型衬底型衬底的电子并排斥空穴，当的电子并排斥空穴，当UGS达到一定值（称为开启电压）时，达到一定值（称为开启电压）时，在栅极附近的在栅极附近的P型硅表面便形成了一个型硅表面便形成了一个N型（电子）薄层，沟型（电子）薄层，沟通了源区和漏区，形成了沿半导体表面的导电沟道。漏源电压通了源区和漏区，形成了沿半导体表面的导电沟道。漏源电压UDS将使导电沟道产生不等宽性，靠近源极处沟道较宽，靠近将使导电沟道产生不等宽性，靠近源极处沟道较宽，靠近漏极处沟道较窄。显然，漏极处沟道较窄。显然，UGS越高，电场越强，导电沟道越宽越高，电场越强，导电沟道越宽,漏极电流漏极电流ID越大，因此通过改变越大，因此通过改变UGS的大小便可控制的大小便可控制ID的大小。的大小。下图为耗尽型下图为耗尽型NMOS管的结构及工作原理示意图。这种器管的结构及工作原理示意图。这种器件在制造过程中，在件在制造过程中，在SiO2绝缘层中掺入了大量正离子绝缘层中掺入了大量正离子，即使即使7.3 场效应管场效应管在在UGS=0时，半导体表面也有垂直电场作用，并形成时，半导体表面也有垂直电场作用，并形成N型导电型导电沟道。因为它有原始导电沟道，故称为耗尽型管。沟道。因为它有原始导电沟道，故称为耗尽型管。UDS +UGS+N+P型硅衬底 D S GN+B 7.3 场效应管场效应管当当UGS0时，指向衬底的电场增强，沟道变宽，漏极电流时，指向衬底的电场增强，沟道变宽，漏极电流ID将将会增大；当会增大；当UGS50A)、中功率、中功率(550A)、小功率、小功率(00断开灭截止图（b）001闭合亮导通2断开亮导通图（c）01闭合灭截止2断开灭截止实验结果如右上表所示。实验结果如右上表所示。从上述实验可总结出晶闸管的工作特点如下。从上述实验可总结出晶闸管的工作特点如下。1.晶闸管的导通必须同时具备两个条件，即晶闸管阳极电路晶闸管的导通必须同时具备两个条件，即晶闸管阳极电路2.加正向电压，控制极也加正向电压（实际中，控制极加正触发加正向电压，控制极也加正向电压（实际中，控制极加正触发7.4 晶闸管晶闸管脉冲信号）；脉冲信号）；2.控制极的作用仅仅是触发晶闸管使其导通，管子导通之后，控制极的作用仅仅是触发晶闸管使其导通，管子导通之后，控制极就失去控制作用了；控制极就失去控制作用了；3.要想关断晶闸管，应在晶闸管的阳极和阴极之间加反向电要想关断晶闸管，应在晶闸管的阳极和阴极之间加反向电压或者控制极加反向电压。压或者控制极加反向电压。三、三、晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 下页图为晶闸管的伏安特性曲线。由图可以看出，曲线分下页图为晶闸管的伏安特性曲线。由图可以看出，曲线分为四个工作区，既正向导通区、正向阻断区、反向阻断区和为四个工作区，既正向导通区、正向阻断区、反向阻断区和反向导通区。反向导通区。7.4 晶闸管晶闸管BIG=0IDRUBOIA/AUBRUAK/VOAIHC1.正向阻断区正向阻断区当控制极电流当控制极电流IG=0，阳，阳极和阴极间的正向电压较极和阴极间的正向电压较小时，晶闸管只流过很小小时，晶闸管只流过很小的漏电流的漏电流IDR，此时的晶，此时的晶闸管处于正向阻断状态。闸管处于正向阻断状态。2.正向导通区正向导通区 当正向电压增大到正向转折电压当正向电压增大到正向转折电压UBO时，漏电流突然增大，时，漏电流突然增大，晶闸管由阻断状态突然导通，即由图中的晶闸管由阻断状态突然导通，即由图中的A点跳到点跳到B点，沿点，沿BC段曲线变化。晶闸管导通后，可通过很大的电流，而它本身的段曲线变化。晶闸管导通后，可通过很大的电流，而它本身的7.4 晶闸管晶闸管管压降只有管压降只有1V左右，所以曲线靠近纵轴而且陡直。左右，所以曲线靠近纵轴而且陡直。需要说明的一点是，当控制极加有电流需要说明的一点是，当控制极加有电流IG时，晶闸管由时，晶闸管由阻断变为导通所需要的正向电压阻断变为导通所需要的正向电压UAK要小于要小于UBO，而且，而且IG愈大，愈大，所需的所需的UAK愈小。愈小。3.反向阻断区反向阻断区 当晶闸管的阳极和阴极之间加反向电压，且其值较小时，当晶闸管的阳极和阴极之间加反向电压，且其值较小时，反向漏电流很小，晶闸管处于反向阻断状态。反向漏电流很小，晶闸管处于反向阻断状态。4.反向导通区反向导通区 当反向电压增大到反向转折电压当反向电压增大到反向转折电压UBR时时,反向漏电流急剧增反向漏电流急剧增大大,使晶闸管反向导通，此时晶闸管的功耗很大，可能被损坏。使晶闸管反向导通，此时晶闸管的功耗很大，可能被损坏。7.4 晶闸管晶闸管四、四、晶闸管的主要参数和型号命名方法晶闸管的主要参数和型号命名方法1.晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数（1）正向重复峰值电压）正向重复峰值电压UFRM 指控制极开路，晶闸管正向阻指控制极开路，晶闸管正向阻断条件下，允许重复加在晶闸管两端的正向峰值电压。规定断条件下，允许重复加在晶闸管两端的正向峰值电压。规定UFRM为为UBO的的80%。（2）反向重复峰值电压）反向重复峰值电压URRM 指控制极开路时，允许重复加指控制极开路时，允许重复加在晶闸管两端的反向峰值电压。规定在晶闸管两端的反向峰值电压。规定URRM为为UBR的的80%。晶闸管的额定电压应取晶闸管的额定电压应取UFRM和和URRM中较小的那个电压值中较小的那个电压值。（3）额定正向平均电流）额定正向平均电流IF 指在环境温度不大于指在环境温度不大于40oC和标准散和标准散热条件下，允许连续通过晶闸管的工频（热条件下，允许连续通过晶闸管的工频（50Hz）正弦半波电流）正弦半波电流7.4 晶闸管晶闸管的平均值。通常所说的多少安的晶闸管，就是指这个电流。的平均值。通常所说的多少安的晶闸管，就是指这个电流。IF值并不是一成不变的，它要受冷却条件、环境温度、元件值并不是一成不变的，它要受冷却条件、环境温度、元件导通角等因素的影响，这一点在实际使用中应加以注意。导通角等因素的影响，这一点在实际使用中应加以注意。（4）维持电流）维持电流IH 指在规定的环境温度和控制极开路的情况指在规定的环境温度和控制极开路的情况下，维持晶闸管导通状态所需的最小阳极电流。当晶闸管下，维持晶闸管导通状态所需的最小阳极电流。当晶闸管的正向电流小于的正向电流小于IH时，晶闸管将自动关断。时，晶闸管将自动关断。2.晶闸管的型号晶闸管的型号 目前，我国生产的晶闸管的型号及其含义如下。目前，我国生产的晶闸管的型号及其含义如下。7.4 晶闸管晶闸管普通型导通时平均电压组别（小于100A不标），共九级，用AI字母表示0.41.2V额定电压，用其百位数或千位数表示额定正向平均电流（A）晶闸管K P 例如例如KP57表示额定正向平均电流为表示额定正向平均电流为5A，额定电压为，额定电压为700V的晶闸管。的晶闸管。近年来，晶闸管在制造技术上已有很大的提高，在电流、电近年来，晶闸管在制造技术上已有很大的提高，在电流、电压等指标上有了重大突破，已制造出电流在