人民邮电出版社电子教案-7

1、第第7章章 常见半导体器件常见半导体器件7.1 半导体的基本知识半导体的基本知识7.2 晶体二极管晶体二极管7.3 晶体三极管晶体三极管7.4 其他常见主要半导体器件其他常见主要半导体器件7.5 技能训练：二极管和三极管的万用表检技能训练：二极管和三极管的万用表检测测内内 容容7.1 半导体的基本知识半导体的基本知识7.1.1 半导体及其特性半导体及其特性7.1.2 PN结及其单向导电性结及其单向导电性7.1.1 半导体及其特性半导体及其特性 1物质的种类物质的种类 （1）导体：能导电的物质）导体：能导电的物质 （2）绝缘体：不能导电的物质）绝缘体：不能导电的物质 （3）半导体：导电能力介于导

2、体和绝缘体之间的物质）半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间的物质 2半导体的特性半导体的特性 （1）导电特性半导体是由负电荷（自由电子）和正）导电特性半导体是由负电荷（自由电子）和正电荷（空穴）同时参与导电。电荷（空穴）同时参与导电。 （2）敏感特性半导体的导电能力对环境变化很敏感。）敏感特性半导体的导电能力对环境变化很敏感。 （3）掺杂特性）掺杂特性 纯净的半导体导电能力很弱，如果人纯净的半导体导电能力很弱，如果人为地掺入某种微量的元素（这个过程称为掺杂），半导为地掺入某种微量的元素（这个过程称为掺杂），半导体的导电性能将明显地变化。体的导电性能将明显地变化。7.1.2 PN结及其单向导电性

3、结及其单向导电性 1N型半导体型半导体 以负电荷（自由电子）导电为主的半导体，称为以负电荷（自由电子）导电为主的半导体，称为N型半导体。型半导体。 2P型半导体型半导体 以正电荷（空穴）导电为主的半导体，称为以正电荷（空穴）导电为主的半导体，称为P型半导体。型半导体。 3PN结结 通过特殊工艺所形成的通过特殊工艺所形成的P型和型和N型半导体交界面，称为型半导体交界面，称为PN结。结。PN结具有单向导电的特性，它是制造晶体二极管、晶体三极管结具有单向导电的特性，它是制造晶体二极管、晶体三极管和场效应管等半导体器件的基础。和场效应管等半导体器件的基础。7.2 晶体二极管晶体二极管7.2.1 二极管

4、的结构、符号和分类二极管的结构、符号和分类7.2.2 二极管的导电特性二极管的导电特性7.2.1 二极管的结构、符号和分类二极管的结构、符号和分类 1二极管的结构和符号二极管的结构和符号 晶体二极管也称半导体二极管，简称二极管。二极管实质上就是一个晶体二极管也称半导体二极管，简称二极管。二极管实质上就是一个PN结，在结，在PN结的结的P区引出一个电极称为正极，又叫阳极；在区引出一个电极称为正极，又叫阳极；在N区引出一个电区引出一个电极称为负极，又叫阴极。再将这个极称为负极，又叫阴极。再将这个PN结封装起来就形成了一个二极管，用结封装起来就形成了一个二极管，用字母字母VD表示。箭头的指向为表示。

5、箭头的指向为PN结加正向电压时电流的方向。结加正向电压时电流的方向。 2二极管的分类二极管的分类 （1）按半导体材料分，有硅二极管、锗二极管、砷）按半导体材料分，有硅二极管、锗二极管、砷化镓二极管等。化镓二极管等。 （2）按二极管制造工艺不同分，有点接触型、面接）按二极管制造工艺不同分，有点接触型、面接触型、平面型等。触型、平面型等。7.2.2 二极管的导电特性二极管的导电特性 1二极管的伏安特性二极管的伏安特性 二极管的伏安特性是指二极管两端所加电压与通过它的电流之间的关系，二极管的伏安特性是指二极管两端所加电压与通过它的电流之间的关系，用于定量描述这两者关系的曲线叫伏安特性曲线。用于定量描

6、述这两者关系的曲线叫伏安特性曲线。 （1）二极管的电压与电流变化不呈线性关系，其内）二极管的电压与电流变化不呈线性关系，其内阻不是常数，故二极管属于非线性器件。阻不是常数，故二极管属于非线性器件。 （2）二极管具有单向导电性，即外加正向电压大于）二极管具有单向导电性，即外加正向电压大于死区电压时，二极管导通；外加反向电压时，二极管截死区电压时，二极管导通；外加反向电压时，二极管截止。止。 （3）二极管正向导通后，正向电压变化范围很小，）二极管正向导通后，正向电压变化范围很小，近似恒压特性。近似恒压特性。 （4）锗二极管比硅二极管的正向电流上升快，正向）锗二极管比硅二极管的正向电流上升快，正向电

7、压降小，但锗管比硅管的反向电流大得多，受温度影电压降小，但锗管比硅管的反向电流大得多，受温度影响明显。响明显。 2二极管的主要参数二极管的主要参数 （1）最大整流电流（额定工作电流）（）最大整流电流（额定工作电流）（IFM） 指二极管长时间正常工作时允许通过的最大正向平均电流。指二极管长时间正常工作时允许通过的最大正向平均电流。 （2）最大反向工作电压（额定工作电压）（）最大反向工作电压（额定工作电压）（URM） 指二极管正常使用时所允许加的最高反向电压。其值通常取二指二极管正常使用时所允许加的最高反向电压。其值通常取二极管反向击穿电压极管反向击穿电压UBR的一半左右。的一半左右。 使用时如果

8、超过此值，二极管将有被击穿的危险。使用时如果超过此值，二极管将有被击穿的危险。 （3）最大反向电流（）最大反向电流（IRM） 最大反向电流是指最大反向工作电压下的反向电流。最大反向电流是指最大反向工作电压下的反向电流。 此值越小，表示二极管的单向导电性越好。此值越小，表示二极管的单向导电性越好。【案例【案例7.1】验证二极管的单向导电性】验证二极管的单向导电性【操作步骤【操作步骤】（1）按图连接好电路。）按图连接好电路。 （2）观察指示灯的变化情况。）观察指示灯的变化情况。 结论：二极管加正向电压（正偏）时导通，加反向电压（反偏）时截结论：二极管加正向电压（正偏）时导通，加反向电压（反偏）时截

9、止，即二极管具有单向导电性。止，即二极管具有单向导电性。 【例【例7.1】硅二极管电路如图】硅二极管电路如图7.5所示，判断各电路中二极管的工作状态，所示，判断各电路中二极管的工作状态，并确定各电路的输出电压并确定各电路的输出电压UAB。若二极管为理想管时，。若二极管为理想管时，UAB是多少？是多少？ 解：（解：（1）如图）如图7.5（a）所示，设）所示，设B点为参考点，假设断开二极管点为参考点，假设断开二极管VD，则，则 0FV,6VVE 所以所以VVVVUFEEF5 . 0606VUEUVAB3 . 57 . 06 此时二极管正偏导通，而二极管两端电压此时二极管正偏导通，而二极管两端电压

10、,7 . 0 VUV故故 若二极管为理想管，由于若二极管为理想管，由于 , 0VU故故 VUEUVAB606 （2）如图）如图7.5（b）所示，设）所示，设B点为参考点，假设断开二极管点为参考点，假设断开二极管VD，则，则 此时二极管负极的电位大于正极的电位，二极管反偏截止，通过二极此时二极管负极的电位大于正极的电位，二极管反偏截止，通过二极管的电流为管的电流为0，故，故0FV,6VVE0RABUU 若二极管为理想管，同理若二极管为理想管，同理 0ABU 【例【例7.2】图】图7.6所示电路中，所示电路中，VD1、VD2为硅管，电源电动势为硅管，电源电动势E为为10V，电阻电阻R为为1 k，求

11、流过二极管的电流，求流过二极管的电流I为多少？为多少？ 解：由于硅管的正向压降解：由于硅管的正向压降 VUUVV7 . 021 故流过二极管的正向电流故流过二极管的正向电流RUUERUIVV21mAA6 . 8106 . 81017 . 07 . 010337.3 晶体三极管晶体三极管7.3.1 三极管的结构、符号和分类三极管的结构、符号和分类7.3.2 三极管的电流放大作用三极管的电流放大作用7.3.3 三极管的特性曲线三极管的特性曲线7.3.4 三极管的主要参数三极管的主要参数 7.3.1 三极管的结构、符号和分类三极管的结构、符号和分类 1三极管（三极管（VT）的结构和符号）的结构和符号

12、 三极管是在一块半导体材料上制成两块掺杂浓度不同的三极管是在一块半导体材料上制成两块掺杂浓度不同的N型半导体区中间型半导体区中间夹一块夹一块P型半导体区，或两块掺杂浓度不同的型半导体区，或两块掺杂浓度不同的P型半导体区中间夹一块型半导体区中间夹一块N型半导型半导体区。体区。 三极管根据三个区半导体材料性质不同，可分为三极管根据三个区半导体材料性质不同，可分为NPN型和型和PNP型两种类型。型两种类型。 2三极管的分类三极管的分类（1）根据制造材料不同，分为硅管和锗管。）根据制造材料不同，分为硅管和锗管。（2）根据内部结构不同，分为）根据内部结构不同，分为NPN型和型和PNP型，目前市场上销售的

13、硅管型，目前市场上销售的硅管多数是多数是NPN型，锗管多数是型，锗管多数是PNP型。型。（3）根据三极管工作频率不同，分为高频管（工作频率）根据三极管工作频率不同，分为高频管（工作频率3MHz）和低）和低频管（工作频率频管（工作频率3MHz）。）。（4）根据功率不同，分为小功率管（耗散功率）根据功率不同，分为小功率管（耗散功率1W）和大功率（耗散）和大功率（耗散功率功率1W）。）。（5）根据用途不同，分为普通管和开关管。）根据用途不同，分为普通管和开关管。7.3.2 三极管的电流放大作用三极管的电流放大作用 三极管有三个电极，用它组成放大器时，一个电极作为信号三极管有三个电极，用它组成放大器时

14、，一个电极作为信号输入端，另一个电极作为信号输出端，则第三个电极势必成为输输入端，另一个电极作为信号输出端，则第三个电极势必成为输入和输出信号的公共端。根据公共端选用发射极、基极或集电极入和输出信号的公共端。根据公共端选用发射极、基极或集电极的不同，三极管有共发射极、共基极和共集电极三种不同的连接的不同，三极管有共发射极、共基极和共集电极三种不同的连接方式。方式。 1三极管的工作电压三极管的工作电压 三极管具有放大作用是由它的内部结构决定的，但是还要满足外部三极管具有放大作用是由它的内部结构决定的，但是还要满足外部电路条件，这个条件是：发射结加正向偏置电压，集电结加反向偏置电电路条件，这个条件

15、是：发射结加正向偏置电压，集电结加反向偏置电压。压。（1）NPN型三极管：型三极管：VCVBVE （2）PNP型三极管：型三极管：VCVBVE 2三极管内部电流分配关系三极管内部电流分配关系 根据基尔霍夫第一定律，有根据基尔霍夫第一定律，有CBEIII 3三极管的电流放大作用三极管的电流放大作用（1）共发射极直流电流放大系数）共发射极直流电流放大系数 )( 集电极电流与基极电流之比称为三极管的共发射极直流电流放大系数。集电极电流与基极电流之比称为三极管的共发射极直流电流放大系数。BCII（2）共发射极交流电流放大系数）共发射极交流电流放大系数 )( 集电极电流的变化量与基极电流的变化量之比称为

16、三极管的共发射极交集电极电流的变化量与基极电流的变化量之比称为三极管的共发射极交流电流放大系数。流电流放大系数。BCII 通过控制基极回路很小的电流，便可以实现对集电极较大电流的控制，通过控制基极回路很小的电流，便可以实现对集电极较大电流的控制，这就是三极管的电流放大作用。这就是三极管的电流放大作用。7.3.3 三极管的特性曲线三极管的特性曲线 三极管各个电极上的电压和电流之间的关系曲线称为三极管的三极管各个电极上的电压和电流之间的关系曲线称为三极管的伏安特性曲线。三极管的特性曲线主要有输入特性曲线和输出特性伏安特性曲线。三极管的特性曲线主要有输入特性曲线和输出特性曲线两种。曲线两种。 1输入

17、特性曲线输入特性曲线 输入特性曲线是指集电极到发射极之间的电压为某一常数时，基极电输入特性曲线是指集电极到发射极之间的电压为某一常数时，基极电流与基极到发射极之间的电压的关系曲线。流与基极到发射极之间的电压的关系曲线。 从输入特性曲线可以看出，只有当发射结的正向电压从输入特性曲线可以看出，只有当发射结的正向电压UBE大于死大于死区电压时，才产生基极电流区电压时，才产生基极电流IB，这时三极管处于正常放大状态。，这时三极管处于正常放大状态。 2输出特性曲线输出特性曲线 输出特性曲线是指当基极电流输出特性曲线是指当基极电流 BI为某一常数时，集电极电流为某一常数时，集电极电流 CI与集电极到与集电

18、极到发射极之间的电压发射极之间的电压 CEU的关系曲线。的关系曲线。 从三极管的输出特性曲线可知，三极管的工作状态可以分成三个区域：从三极管的输出特性曲线可知，三极管的工作状态可以分成三个区域：截止区、放大区和饱和区。截止区、放大区和饱和区。（1）截止区）截止区把把 0BI的那条曲线与横坐标之间所夹的区域称为截止区。的那条曲线与横坐标之间所夹的区域称为截止区。 （2）放大区）放大区输出特性曲线的平直部分组成的区域称为放大区。输出特性曲线的平直部分组成的区域称为放大区。受受 三极管放大状态的特征是：三极管放大状态的特征是： CIBI控制，控制， BI改变时，改变时， CI也随着改变，也随着改变，

19、 CI的大小与的大小与 CEU基本无关，此时有基本无关，此时有 。BCII（3）饱和区）饱和区 在输出特性曲线中，所有曲线拐点的连线与纵坐标所夹的区域称为饱和区。在输出特性曲线中，所有曲线拐点的连线与纵坐标所夹的区域称为饱和区。不受不受 三极管饱和状态的特征是：三极管饱和状态的特征是： CEU很低，很低， CIBI控制，三极管失去放大作用，控制，三极管失去放大作用，集电极和发射极之间相当于一个接通的开关。集电极和发射极之间相当于一个接通的开关。 三极管截止状态的特征是三极管截止状态的特征是： 0BI0CI，集电极和发射极之间相当于断路。，集电极和发射极之间相当于断路。 ，7.3.4 三极管的主

20、要参数三极管的主要参数 1电流放大系数电流放大系数电流放大系数有共发射极直流放大系数电流放大系数有共发射极直流放大系数 和共发射极交流放大系数和共发射极交流放大系数 对于性良好的三极管，对于性良好的三极管， ,二者不再严格区分。二者不再严格区分。 2穿透电流穿透电流 )(CEOI基极开路基极开路 )0(BI时，集电极和发射极之间的反向电流称为穿透电流。时，集电极和发射极之间的反向电流称为穿透电流。 3集电极最大允许电流集电极最大允许电流 )(CMI 三极管正常工作时，集电极所允许的最大电流称为集电极最大允许电流。三极管正常工作时，集电极所允许的最大电流称为集电极最大允许电流。 4反向击穿电压反

21、向击穿电压 )()(CEOBRU基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压称为反向击穿电压。基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压称为反向击穿电压。 三极管正常工作时，集电极所允许的最大平均功率称为集电极最大耗散功率。三极管正常工作时，集电极所允许的最大平均功率称为集电极最大耗散功率。 5集电极最大耗散功率集电极最大耗散功率 )(CMP7.4 其他常见主要半导体器件其他常见主要半导体器件7.4.1 晶闸管晶闸管7.4.2 稳压二极管和发光二极管稳压二极管和发光二极管7.4.1 晶闸管晶闸管 晶闸管是硅晶体闸流管的简称，俗称可控硅，常用晶闸管有单向和双向晶闸管是硅晶体闸流管的简称

22、，俗称可控硅，常用晶闸管有单向和双向两大类。两大类。 1晶闸管（晶闸管（VS）的结构和符号）的结构和符号 晶闸管外部有三个电极，内部是由晶闸管外部有三个电极，内部是由PNPN四层半导体构成，最外层的四层半导体构成，最外层的P层层和和N层分别引出阳极层分别引出阳极A和阴极和阴极K，中间的，中间的P层引出门极（或称控制极）层引出门极（或称控制极）G，内，内部有三个部有三个PN结。结。晶闸管的外形有螺栓式、平板式、塑封管式等。晶闸管的外形有螺栓式、平板式、塑封管式等。2晶闸管的工作特性晶闸管的工作特性（1）反向阻断性）反向阻断性（2）正向阻断性）正向阻断性（3）正向触发导通）正向触发导通（4）持续导通）持续导通（5）重新关断）重新关断 结论：结论：（1）晶闸管具有单向导电性；）晶闸管具有单向导电性；（2）晶闸管的导通是通过门极控制的。）晶闸管的导通是通过门极控制的。7.4.2 稳压二极管和发光二极管稳压二极管和发光二极管 1稳压二极管（稳压二极管（VDZ） 稳压二极管简称稳压管，是一种用特殊工艺制造的面结型半导体硅二稳压二极管简称稳压管，是一种用特殊工艺制造的面结型半导体硅二极管。极管。 （1）稳压二极管的工作特性）稳压二极管的工作特性 稳压管工作于反向击穿状态，这时尽管流经稳压管的电流可以在很大范稳压管工作于反向击穿状态