页数：80页文件大小：4.01 MB来源： 电工电子技术项目ppt课件
本课件为项目4半导体器件，先讲半导体的掺杂、热敏与光敏特性及PN结的单向导电性，再展开二极管种类与参数、三极管放大原理、场效应管与晶闸管的工作特点，并配有电饭煲、灭蚊拍与调光灯三个实施任务。
半导体器件项目封面
集成运算放大器项目5晶体管放大电路项目4半导体器件模块2模拟电子技术电工电子技术项目教程
项目4 半导体器件任务导览
任务4.1认识电饭煲的工作原理任务4.2检修电子灭蚊拍任务4.3认识调光灯工作原理项目4半导体器件
任务4.1 电饭煲的工作原理
任务4.1电饭煲的工作原理
电饭煲电路组成引入：电饭煲任务引入页，源文件仅提取到电路组成图示，建议对照原课件图补充文字说明。
电路的组成
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认识半导体
认识半导体－
导体、半导体与绝缘体
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常用半导体材料
自然界中属于半导体的物质有很多种类，目前用来制造半导体器件的材料大多是提纯后的单晶型半导体，主要有硅(Si)、锗(Ge)和砷化镓（GaAs)等。
硅单晶认识半导体－
半导体的掺杂特性
一、半导体材料的特点
半导体的热敏与光敏性
②温度可明显地改变半导体的电导率--热敏性(temperaturesensitive).半导体和金属都能导电，但是，随着温度的上升二者变化情况不同。
作为导体的普通金属，温度上升其电阻增加，电流变小；而对于半导体，温度上升，电流变大。
半导体的特殊性质金属半导体光或热
半导体的种类
二、半导体的种类原子核核外电子电子轨道半导体根据其作用(如整流还是当光半导体使用)不同，材料也不相同。
用得最多的是硅(土、石、沙子的主要成份，化学元素符号Si)和锗(化学元素符号Ge)。
硅经过加工后，纯度可以达到99.999999999%
本征半导体
1.本征半导体完全纯净的、结构完整的半导体晶体。
共价键结构 晶体结构中的共价键具有很强的结合力，在热力学零度和没有外界能量激发时，价电子没有能力挣脱共价键束缚，这时晶体中几乎没有自由电子，因此不能导电。
纯度>11个9(99.999999999%)
本征激发与电子空穴对
N型与P型半导体
施主杂质与电子型半导体
P型半导体与电中性
半导体器件的分类
半导体器件一般半导体二极管三极管光学半导体发光二极管光敏二极管光耦数字IC模拟IC存储器半导体的应用分类
PN结的形成
三、PN结在一块半导体基片上通过适当的工艺技术可以形成Ｐ型区和Ｎ型区。
P型区和Ｎ型区连接起来成为PN结。
PN结的特性使用PN结的不同特性区可以制作出各种不同功能的晶体二极管。
PN结是构成各种半导体器件的基础。
内电场与阻挡层
扩散与漂移的动态平衡
空间电荷区PN结中的扩散和漂移是相互联系，又是相互矛盾的。
在一定条件（例如温度一定）下，多数载流子的扩散运动逐渐减弱，而少数载流子的漂移运动则逐渐增强，最后两者达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本稳定下来，PN结就处于相对稳定的状态。
－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++PN结的形成演示根据扩散原理，空穴要从浓度高的P区向N区扩散，自由电子要从浓度高的N区向P区扩散，并在交界面发生复合(耗尽），形成载流子极少的正负空间电荷区（如上图所示），也就是PN结，又叫耗尽层。
P区N区空间电荷区经典理论
扩散与漂移平衡示意
少子漂移扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的PN结多子扩散形成空间电荷区产生内电场促使阻止经典理论
动态平衡的条件
PN结的单向导电性
PN结的单向导电性PN结外加正向电压（也叫正向偏置）时，外加电场与内电场方向相反，内电场被削弱，多子的扩散运动大大超过少子的漂移运动，N区的电子不断扩散到P区，P区的空穴也不断扩散到N区，形成较大的正向电流，称PN结处于导通状态。
经典理论反向偏置时内、外电场方向相同，因此内电场增强，致使多子的扩散难以进行，即PN结对反向电压呈高阻特性；反偏时少子的漂移运动虽然被加强，但由于数量极小，反向电流一般情况下可忽略不计，此时称PN结处于截止状态。
半导体与金属的导电机理区别
半导体的导电机理与金属导体的导电机理有本质的区别：金属导体中只有一种载流子—自由电子参与导电，半导体中有两种载流子—自由电子和空穴参与导电，而且这两种载流子的浓度可以通过在纯净半导体中加入少量的有用杂质加以控制。
半导体导电机理和导体的导电机理有什么区别？
杂质半导体中的多子和少子性质取决于杂质的外层价电子。
若掺杂的是五价元素，则由于多电子形成N型半导体：多子是电子，少子是空穴；如果掺入的是三价元素，就会由于少电子而构成P型半导体。
P型半导体的共价键结构中空穴多于电子，且这些空穴很容易让附近的价电子跳过来填补，因此价电子填补空穴的空穴运动是主要形式，所以多子是空穴，少子是电子。
杂质半导体中的多数载流子和少数载流子是怎样产生的？
为什么P型半导体中的空穴多于电子？
N型半导体中具有多数载流子电子，同时还有与电子数量相同的正离子及由本征激发的电子—空穴对，因此整块半导体中正负电荷数量相等，呈电中性而不带电。
N型半导体中的多数载流子是电子，能否认为这种半导体就是带负电的？
为什么？
空间电荷区的电阻率为什么很高？
何谓PN结的单向导电性？
经典理论
本征激发与复合
晶体二极管的结构
各种各样的二极管：各种二极管实物图示页，展示不同封装与用途的二极管外形。
各种各样的二极管
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二极管的连接和构造：二极管构造图示页，展示点接触型与面接触型二极管的内部结构与连接方式。
二极管的连接和构造
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二极管的主要参数
1、主要参数与特性曲线
二极管的伏安特性曲线
反向耐压没有电流正向电压V>Vj时电流产生反向电流电流I电压V二极管的特性曲线二极管外加正向电压较小时，外电场不足以克服内电场对多子扩散的阻力，PN结仍处于截止状态。
反向电压大于击穿电压时，反向电流急剧增加。
正向电压大于死区电压后，正向电流随着正向电压增大迅速上升。
通常死区电压硅管约为0.5V，锗管约为0.2V。
外加反向电压时，PN结处于截止状态，反向电流很小；显然二极管的伏安特性不是直线，因此属于非线性电阻元件。
导通后二极管的正向压降变化不大，硅管约为0.6～0.8V，锗管约为0.2～0.3V。
温度上升，死区电压和正向压降均相应降低。
用指针万用表检测二极管
测量时，把万用表的“欧姆挡”调到R×100或R×1K位置，将红黑两支表笔分别接到二极管的两个电极。
若此时电表指示的电阻比较小(通常锗管为300~500，硅管为1000或更大些)；将红黑两表笔对换重复测量，电阻值若大于几百KΩ，说明二极管的单向导电性能较好。
在测得的阻值比较小时：黑表笔接的一端是二极管的正极，红表笔接的一端是二极管的负极(因为红表笔接的是表内电池负极，黑表笔接的是表内电池正极)。
如果测得的反向电阻很小，说明二极管已失去了单向导电的作用。
如果正向和反向的电阻均为无穷大，则说明二极管已经断路。
2、晶体二极管的测试
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数字万用表检测提示
用数字万用表二极管档测量二极管时，测得是二极管的正向电压值。
传统指针式万用表欧姆档测得是二极管正反向电阻值。
如果是在线测量二极管时：测量前必须要断开电源，并将相关的电容放电。
理想二极管电路例题
例:如图所示电路中，D1～D3为理想二极管，A、B、C白炽灯泡功率相同，其中最亮的灯是___。
+D1D2D3VSABC解：VS正半周时D1、D3导通，D2截止A、C被短路，VS的正半周电压全部加到B上。
VS负半周时D1、D3截止，D2导通B被短路，VS的正半周电压全部加到A、C上。
VS全周期加到A、C上的平均电压只有B的一半。
所以最亮的灯是B。
检波二极管：二极管种类讲解页，介绍检波二极管在信号检波中的用途。
3、晶体二极管的种类与应用1)检波二极管
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开关二极管：开关二极管讲解页，说明开关二极管用于组成各种逻辑电路。
2)开关二极管组成各种逻辑电路3、晶体二极管的种类与应用
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电力用二极管
3、晶体二极管的种类与应用3)电力用二极管（PowerDiode）
光电二极管
4)光电二极管光电二极管的管壳上有一个能射入光线的“窗口”，这个窗口用有机玻璃透镜进行封闭，入射光通过透镜正好射在管芯上。
发光二极管
5)发光二极管(LightEmittingDiode)伏安特性和普通二极管相似，死区电压0.9~1.1V，正向工作电压1.5~2.5V，工作电流5~15mA，反向击穿电压较低，一般小于10V。
阳极阴极阵列式七段式常用来作为数字电路的数码及图形显示的或器件；单个发光二极管常作为电子设备通断指示灯或快速光源以及光电耦合器中的发光元件等。
发光二极管的限流电阻
变容二极管
6)变容二极管 利用PN结电容与其反向偏置电压关系制成。
变容二极管上加的反偏电压愈大，其结电容愈小。
主要用于自动频率控制、扫描振荡、调频和调谐等用途
稳压二极管的稳压特性
一种特殊的面接触型二极管当反向电压加到某一数值时，反向电流剧增，管子进入反向击穿区。
稳压管特性和普通二极管类似，但其反向击穿是可逆的，而且其反向击穿后的特性曲线比较陡直，即反向电压基本不随反向电流变化而变化，这就是稳压二极管的稳压特性。
稳压管的稳压作用：电流增量ΔI很大，只会引起很小的电压变化ΔU。
曲线愈陡，动态电阻rz=ΔU/ΔI愈小，稳压管的稳压性能愈好。
稳压管的稳定电压UZ，低的为3V，高的可达300V，稳压二极管在工作时的正向压降约为0.6V。
I/mA40302010-5-10-15-20（μA）正向00.40.8－12－8－4反向ΔUZΔIZU/V7)稳压二极管
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稳压电路的限流措施
注意稳压管稳压电路中一般都要加限流电阻R，使稳压管电流工作在Izmax和Izmix的范围内。
稳压管在应用中要采取适当的措施限制通过管子的电流值，以保证管子不会造成热击穿。
讨论回顾二极管的反向击穿时特性：当反向电压超过击穿电压时，流过管子的电流会急剧增加。
击穿并不意味着管子一定要损坏，如果采取适当的措施限制通过管子的电流，就能保证管子不因过热而烧坏。
在反向击穿状态下，让流过管子的电流在一定的范围内变化，这时管子两端电压变化很小，利用这一点可以达到“稳压”的效果。
稳压管是怎么实现稳压作用的？
稳压管的主要参数
利用稳压管的正向压降，是否也可以稳压？
利用稳压管的正向压降一般是不能进行稳压的。
因为稳压管的正向特性与普通二极管相同，正向电阻非常小，工作在正向导通区时，正向电压一般为0.6V左右，此电压数值一般变化不大。
稳压管的主要参数：
二极管家族一览
| 划分方法 | 种类 | 常见二极管 |
|---|---|---|
| 按功能 | 整流 | 整流二极管 |
| 按功能 | 光电 | 光电二极管 |
| 按功能 | 调谐 | 变容二极管 |
| 按功能 | 指示及照明 | 发光二极管 |
| 按功能 | 直流稳压 | 稳压二极管 |
| 按材料 | 硅（常用） | 硅材料二极管 |
| 按材料 | 锗 | 锗材料二极管 |
任务4.2 电子灭蚊拍的工作原理与检修
任务4.2电子灭蚊拍的工作原理与检修
灭蚊拍工作原理引入：电子灭蚊拍任务引入页，源文件仅提取到工作原理图示，建议对照原课件图补充。
工作原理
本页源文件提取到的文字较少，内容以课件原图为准，建议对照原图补充要点说明。
双极型晶体管的结构
NPN管与PNP管
晶体管的电流分配与放大条件
1)晶体管的电流分配与放大作用发射区集电区基区发射结正偏、集电结反偏当B点电位高于E点电位零点几伏时，发射结处于正偏状态，而C点电位高于B点电位几伏时，集电结处于反偏状态
晶体管的电流放大作用
三极管是一种具有电流放大作用的模拟器件。
改变可调电阻RB，基极电流IB，集电极电流IC和发射极电流IE都会发生变化，由测量结果可得出以下结论：晶体管内部：a）发射区杂质浓度>>基区>>集电区；b）基区很薄。
晶体管外部：发射结正偏，集电结反偏。
1.IE＝IB＋IC（符合KCL定律）2.IC≈βIB，β为管子的电流放大系数，用来表征三极管的电流放大能力：3.△IC≈β△IB共射电路晶体管电流放大的条件：
晶体管内部载流过程
晶体管的电流放大原理：1、发射区向基区扩散电子的过程：由于发射结处于正向偏置，发射区的多数载流子自由电子将不断扩散到基区，并不断从电源补充进电子，形成发射极电流IE。
2、电子在基区的扩散和复合过程：由于基区很薄，其多数载流子空穴浓度很低，所以从发射极扩散过来的电子只有很少一部分和基区空穴复合，剩下的绝大部分都能扩散到集电结边缘。
实验表明：IC比IB大数十至数百倍，因而IB虽然很小，但对IC有控制作用，IC随IB的改变而改变，即基极电流较小的变化可以引起集电极电流较大的变化，表明基极电流对集电极电流具有小量控制大量的作用，这就是三极管的电流放大作用。
3、集电区收集从发射区扩散过来的电子过程：由于集电结反向偏置，可将从发射区扩散到基区并到达集电区边缘的电子拉入集电区，从而形成较大的集电极电流IC。
经典理论
晶体管类型与管脚判断例题
例:在晶体管放大电路中，测得三个晶体管的各个电极的电位如图。
试判断各晶体管的类型（是NPN管还是PNP管，是硅管还锗管），并区分e、b、c三个电极。
2V2.7V6V(a)90142.2V5.3V6V(b)90154V1.2V1.4V(c)9016
管脚与管型的判别方法
①中间电位对应管脚B；
晶体管判别例题解答
2V2.7V6V(a)90142.2V5.3V6V(b)90154V1.2V1.4V(c)9016解：(a)硅NPN管，
晶体管的特性曲线
2)晶体管的特性曲线与主要参数与二极管类似通常可以忽略UCE变化对IB的影响，认为UCE=1V时的曲线都重合在一起。
输入特性电流传递特性VCE固定时的IB和IC的关系
：本页源文件未提取到对应文字，位于「晶体管的特性曲线」与「输出特性曲线与三个工作区」之间。
本页源文件提取到的文字较少，内容以课件原图为准，建议对照原图补充要点说明。
输出特性曲线与三个工作区
（1）放大区：发射极正向偏置，集电结反向偏置
晶体管的主要参数
1、电流放大倍数β：iC=βiB2、极间反向电流iCBO、iCEO：iCEO=（1+β）iCBO3、极限参数
发射极与集电极的互换问题
晶体管的发射极和集电极是不能互换使用的。
因为发射区的掺杂质浓度很高，集电区的掺杂质浓度较低，这样才使得发射极电流等于基极电流和集电极电流之和，如果互换作用显然不行。
晶体管的发射极和集电极能否互换使用？
为什么?晶体管在输出特性曲线的饱和区工作时，UCE<UBE，集电结也处于正偏，这时内电场大大削弱，这种情况下极不利于集电区收集从发射区到达基区的电子，因此在相同的基极电流IB时，集电极电流IC比放大状态下要小很多，可见饱和区下的电流放大倍数不再等于β。
晶体管在输出特性曲线的饱和区工作时，其电流放大系数是否也等于β？
N型半导体中具有多数载流子电子，同时还有与电子数量相同的正离子及由本征激发的电子—空穴对，因此整块半导体中正负电荷数量相等，呈电中性而不带电。
为什么晶体管基区掺杂质浓度小？
而且还要做得很薄？
晶体管工作状态判断例题
例：测量到硅BJT管的三个电极对地电位如图，试判断三极管的工作状态。
放大截止饱和(a)8V3.7V3V(b)3V2V12V(c)3V3.7V3.3V
场效应晶体管
场效应管的三个电极
结型场效应晶体管
结型场效应N沟道管结构图及电路图符号结型场效应P沟道管结构图及电路图符号1)结型场效应晶体管反向电压电子通道N沟道(对应NPN)P沟道(对应PNP)耗尽层在PN接合处加上反向电压，利用产生的耗尽层实现电流的控制作用。
在N型区域两端加上直流电压，电子从源极流向漏极。
电子的通道宽度由两侧P型区加的反向电压大小决定——反向电压大，PN接合处的耗尽层会变宽，导电沟道宽度减小。
通过栅极的电压就控制了源极和漏极间电流。
MOS场效应管
2)MOS场效应管N沟道MOSFET漏极栅极源极P沟道N沟道漏极源极漏极栅极源极栅极Ｎ沟道MOSFET的Ｐ型基板中多数载流子(简称多子)是空穴，少数载流子(少子)是电子。
如果栅极电压是零的话，PN结把电流截断，源极和漏极间电流不能流动。
当栅极加上电压后，P型半导体的空穴把栅极氧化膜下P型半导体表面多数截流子空穴排斥开，形成空间耗尽层。
当电压不断升高后，作为少数载流子的电子被拉到近旁，在表面形成薄的N型导电沟道，源极和漏极间电流就可以流动了。
CMOS与BiMOS
CMOS和BiMOS漏极栅极源极氧化膜导电沟道漏极栅极源极氧化膜导电沟道P型区(well)漏极栅极源极氧化膜P区(well)漏极栅极源极氧化膜N沟道MOSN区(well)基极发射极集电极N区(well)P沟道MOSNPN晶体管CMOS的功耗非常低，很低的电压就可以动作，是当前半导体中应用最多的。
一般限于模拟信号处理中的语音带通滤波器等。
BiCMOS漏极栅极源极氧化膜导电沟道漏极栅极源极氧化膜导电沟道P型区(well)CMOS结构示意图
MOS场效应管的静电防护
MOS场效应管由于它的输入电阻很高，而栅一源极间电容又非常小，极易受外界电磁场或静电感应而带电，而少量电荷就可在极间电容上形成相当高的电压将管子损坏。
管子出厂时各管脚都绞合在一起或装在金属箔内，使G极与S极呈等电位，防止静电荷积累。
因此，管子取出后不用时，全部引线应短接；在测量时小也要格外小心，并尽可能采取相应的防静电措施。
MOS场效应晶体管在使用时要注意其分类，不能随意互换，而且：
场效应管与晶体管的比较
场效应管的源极S、栅极G、漏极D分别对应于晶体管的发射极e、基极b、集电极c，它们的作用相似。
场效应管是电压控制电流器件，场效应管栅极基本上不取电流，而晶体管工作时基极总要取一定的电流。
所以在只允许从信号源取极小量电流的情况下，应该选用场效应管；而在允许取一定量电流时，选用晶体管进行放大可以得到比场效应管较高的电压放大倍数。
场效应管是多子导电，而晶体管则是既利用多子，又利用少子。
由于少子的浓度易受温度、辐射等外界条件的影响，因而场效应管比晶体管的温度稳定性好、抗辐射能力强。
在环境条件（温度等）变化比较剧烈的情况下，选用场效应管比较合适。
与双极型晶体管相比，场效应管的噪声系数较小，所以在低噪声放大器的前级通常选用场效应管，也可以选特制的低噪声晶体管。
但总的来说，当信噪比是主要矛盾时，还应选用场效应管。
场效应管和晶体管都可以用于放大或可控开关，但场效应管还可以作为压控电阻使用，而且制造工艺便于集成化，具有耗电少，热稳定性好，工作电源电压范围宽等优点，因此在电子设备中得到广泛的应用。
单极型晶体管和双极型晶体管的性能比较
灭蚊拍检修任务实施
电蚊拍工作于直流高压，会产生一定强度火花，因此严禁在充满易燃气体的场所使用和检修，通电时忌用手或导电金属棒接触高压电网，以防意外。
1、电源开关2、升压变压器3、振荡晶体三极管4、倍压整流元件5、电池盒及电池6、高压金属网
任务4.3 调光灯工作原理
任务4.3调光灯工作原理
调光灯工作原理引入：调光灯任务引入页，源文件仅提取到工作原理图示，建议对照原课件图补充。
工作原理
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普通晶闸管SCR
一、普通晶闸管(SCR) 电流只能从A到K，但是一般情况下电流并不能通过。
SCR相当于两个二极管串联，有三个电极：阴极(K)、阳极(A)、控制极(G，又称门极)。
晶闸管的触发与维持
在控制极G和阴极K间加上触发电压(大于该器件特性表列出的最低触发电压)，在这个电压所产生电流的带动作用下，从A到K电流开始流动(这时可以当作二极管对待)；如果不加触发电压，不管阴极和阳极加的是直流还是交流电，都不会导通(不过有漏电流)一旦加上触发电压，如果从阳极到阴极的电流大于特性表上列出的维持电流，即使是触发电压去掉，电流也会持续。
只有阳极和阴极间的电流反向或过零，电流才会中断。
晶闸管工作原理
本页含表格内容，源文件未提取到规整的行列结构，为避免列数错配暂不还原，待人工对照原课件补充。
晶闸管的主要参数
1.晶闸管的主要参数
晶闸管的应用领域
2.晶闸管的应用大功率半导体器件出现于70年代。
它的出现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域；体积小、重量轻、无噪声、寿命长、容量大（正向平均电流达千安、正向耐压达数千伏）；应用领域：整流、交流调压、逆变、斩波等。
晶闸管可控整流
利用晶闸管的单向导电可控特性，把交流电变成大小能控制的直流电。
可控整流接通电源，在电压正半周开始时，对应在图的角范围内。
此时晶闸管T两端具有正向电压，但是由于控制极上没有触发电压uG，因此晶闸管不能导通。
经过角度后，在控制极上加上触发电压，晶闸管导通。
负载开始有电流通过，在负载两端出现电压。
进入负半周后，晶闸管两端承受反向电压而截止。
时，负载电阻RL上的直流平均电压负载电阻RL中的直流平均电流为
GTO可关断晶闸管
二、GTO晶闸管（GateTurnOffThyristor）在SCR电路中，有些情况下不能提供由K到A的停止电流，这时可以使用GTO简单地把Ａ－Ｋ间的电流切断。
GTO的关断原理
在从Ｇ到Ｋ的电流带动下，从Ａ到Ｋ开始有电流产生，这点和普通SCR相同。
和普通可控硅ＳＣＲ相比，GTO主要是Ａ－Ｋ间电流的切断方法不一样。
在ＧＴＯ中、为了切断Ａ－Ｋ间的电流，在电流流动时，从阴极（Ｋ）到控制极（Ｇ）加一个反向电流，在这个反向电流的作用下，从阳极（Ａ）到阴极（Ｋ）的电流就可以停止。
GTO工作原理
双向晶闸管TRIAC
三、双向晶闸管(TRIAC)普通晶闸管实质上属于直流器件。
要控制交流负载，必须要将两只晶闸管反极性并联，让每只SCR控制一个半波。
为此需两套独立的触发电路，在使用上有些不便。
双向晶闸管是在普通晶闸管的基础上发展起来的，它不仅能代替两只反极性并联的晶闸管，而且仅用一个触发电路，是目前比较理想的交流开关器件。
其英文名称TRIAC就是三端双向交流开关的意思双向晶闸管广泛用于工业、交通、家电领域，实现交流调压、交流调速、交流开关、灯光调光等多种功能。
此外，它还被用在固态继电器和固态接触器电路中。
TRIAC管脚的判别
1)判定T2极由于G极与T1极靠近，距T2极较远。
在用R×1档测任意两脚之间的电阻时，只有G-T1之间呈现低阻，如果测出某脚和其它两脚都不通，该脚肯定是T2极。
2)区分G极和T1极
大功率电器控制电路：晶闸管应用图示页，展示可控制更大功率电器的电路形式。
可以控制更大功率电器的电路
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晶体管的命名规则
晶体管的命名2SAxxxPNP型双极型高频用2SBxxxPNP型双极型低频用2SCxxxNPN型双极型高频用2SDxxxNPN型双极型低频用2SFxxx可控硅2SHxxx单结晶体管2SJxxxPch场效应晶体管2SKxxxNch场效应晶体管2SC1815小信号用双极型晶体管的代表
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