第10章半导体的基本知识

《电工电子技术》第10章电子电路中的常用器件目录半导体的基本知识PN结二极管稳压二极管发光二极管晶体管10.1半导体的基本知识半导体：指导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。常用的半导体材料有硅（Si）和锗（Ge），硒和许多金属氧化物、硫化物都是半导体。图10.1.1

锗、硅原子结构物体的导电性：（1）导体（2）绝缘体（3）半导体（1）热敏性大部分半导体的导电能力随温度的升高而增强，有些对温度反应敏感。→热敏元件半导体材料的三个特点：（2）光敏性半导体的导电能力随光照强度的变化而变化。例如硫化镉薄膜，无光照时，电阻是几十兆欧姆，是绝缘体；受光照时，电阻只有几十千欧姆。→光敏元件（3）掺杂性如果在纯净半导体中掺入微量其它元素（称为掺杂），半导体的导电能力随着掺杂能力的变化而发生显著变化。→基本半导体器件本征半导体:完全纯净的具有晶体结构的半导体。图10.1.1锗、硅原子结构

典型的半导体材料有硅（Si）和锗（Ge），它们都是四价元素，每个原子的外层有四个价电子，原子结构如图10.1.1所示。四价元素10.1.1半导体的导电特征本征半导体SiSiSiSi共价键共价键：在晶体结构的半导体中，相邻两个原子的一对最外层电子成为共用电子，形成共价键结构。价电子电子、空穴：在常温下由于分子的热运动，少量价电子挣脱原子核的束缚成为自由电子，同时在原位留下的空位称空穴。结论：在本征半导体中电子空穴成对产生，当温度和光照增加时，其数目增加。自由电子空穴本征硅示意图本征半导体SiSiSiSi在外电场作用下，自由电子定向运动，价电子填补空穴。自由电子定向运动价电子填补空穴在半导体中，同时存在着自由电子导电和空穴导电。这就是半导体导电方式的最大特点。自由电子和空穴都被称为载流子。本征硅示意图本征半导体:完全纯净的具有晶体结构的半导体。图10.1.1锗、硅原子结构

典型的半导体材料有硅（Si）和锗（Ge），它们都是四价元素，每个原子的外层有四个价电子，原子结构如图10.1.1所示。四价元素10.1.2N型半导体和P型半导体电子型（N型）半导体空穴型（P型）半导体杂质半导体有两大类SiSiSiSi本征硅示意图SiP

N型半导体：在本征硅或锗中掺入五价元素，如磷、砷、锑，则自由电子数目大大增加，形成多数载流子。空穴为少数载流子。在外电场作用下，自由电子导电占主导地位，故称电子型半导体。简称N型半导体空穴自由电子自由电子数增加SiSiSiSi本征硅示意图

P型半导体：在本征硅或锗中掺入三价元素，如硼、铝、铟，则空穴数目大大增加，形成多数载流子。自由电子为少数载流子。在外电场作用下，空穴导电占主导地位，故称空穴型半导体。简称P型半导体空穴自由电子SiB空穴数增加

不论N型半导体还是P型半导体，虽然它们都有一种载流子占多数，但是整个晶体仍然是不带电的。10.1.2N型半导体和P型半导体10.2PN结10.2.1PN结的形成用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上，形成P型半导体和N型半导体，在两种半导体的交界面附近，由于多数载流子浓度的差别，引起多数载流子的扩散运动。图10.2.1

PN结的形成P区空穴向N区扩散N区电子向P区扩散PN结形成扩散运动在交界面附近形成一个很薄的空间电荷区，这就是PN结。图10.2.2PN结的形成P区空穴向N区扩散N区电子向P区扩散阻挡层阻挡多子扩散耗尽区PN结PN结的形成扩散运动和漂移运动的动态平衡扩散强漂移运动增强内电场增强两者平衡PN结宽度基本稳定外加电压平衡破坏扩散强漂移强PN结导通PN结截止10.2.2PN结的单向导电性在PN结两端加上不同极性的外电压，PN结呈不同的导电性。图10.2.3

PN

结加正向电压P区接电源正极，N区接电源负极，如图10.2.3。外电场削弱内电场，空间电荷区变窄，利于多子扩散运动。PN结的正向电流由多数载流子形成，比较大，PN结呈现较小的正向电阻，称PN结正向导通。PN结加正向电压：10.2.2PN结的单向导电性在PN结两端加上不同极性的外电压，PN结呈不同的导电性。图2.1.4PN

结加反向电压P区接电源负极，N区接电源正极，如图10.2.4。外电场加强内电场，空间电荷区变宽，阻止多子扩散运动，只有少数载流子越过空间电荷区形成反向电流。PN结的反向电流由少数载流子形成，反向电流非常小，PN结呈现极高的反向电阻，称PN结反向截止。PN结加反向电压：结论

PN结具有单向导电性

（1）PN结加正向电压时，处在导通状态，结电阻很低，正向电流较大。（2）PN结加反向电压时，处在截止状态，结电阻很高，反向电流很小。10.3二极管10.3.1二极管的结构常用二极管图片普通小功率二极管大功率二极管各种发光二极管半导体二极管结构由一个PN结加电极引线与外壳制成。D图10.3.1

二极管符号PN阳极或正极阴极或负极阳极或正极阴极或负极D

根据PN结接触面的大小，二极管可分点接触型与面接触型。PN结接触面小点接触型：PN结接触面小，不能通过大电流但其结电容小，常用于高频检波及小电流整流，使用时不能承受较高的反向电压和大电流。面接触型：PN结接触面积大，通过的正向电流比点接触型大，常用作整流管，但结电容大，适用于低频电路。PN结接触面大PN结阴极引线铝合金小球金锑合金底座N型硅阳极引线面接触型引线外壳触丝N型锗片点接触型表示符号

半导体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例10.3.2二极管的伏安特性伏安特性：

二极管的端电压与电流之间的关系。伏安特性曲线：

描述二极管的端电压与电流之间的关系曲线。图10.3.1为典型硅管的伏安特性曲线。注意：正、反向电压和电流的单位是不同的。图10.3.1

二极管的伏安特性曲线正向伏安特性测试电路mAVDERU+–WI正向特性说明：O~A正向死区A~B正向导通区硅0.5V锗0.2V硅0.6V-0.7V锗0.2V-0.3V二极管正向伏安特性曲线反向伏安特性测试电路反向特性说明：O~C反向截止区C~D反向击穿区硅＜几微安锗＞几十微安二极管正向伏安特性曲线mAVDERU+–WI反向饱和电流伏安特性理想化：死区电压、导通压降、反向电流等于零。击穿电压1、最大整流电流IOM：二极管长期使用时，允许流过的最大正向平均电流。2、最大反向电压URM：

确保二极管安全使用所允许施加的最大反向电压。3、最大反向电流（饱和电流）IRM：当二极管加反向工作电压时的反向电流，此值越小，则二极管的单向导电性越好。10.3.3二极管的主要参数二极管应用举例二极管的应用范围很广，主要是利用它的单向导电性。图2.1.6

例1.2.1题图【例1.2.1

】

如图2.1.6所示电路中，已知电路中的二极管为硅管，电源电压及电阻值如图所示，问二极管D是否能导通，Uab为多少？流过电阻的电流各为多少？先假设二极管不导通判断加在二极管两端的正向电压是否导通电压？二极管导通，二极管两端电压等于导通电压；二极管截止，这条电路中无电流。是【例1.2.1

】分析方法：【解

】否图2.1.6

例1.2.1题图二极管应用举例（a）图中，假设D不导通，以b为参考点，二极管的正极电位为－12V，负极电位为－6V，正向电压为【例1.2.1

】分析方法：【解

】所以二极管截止，Uab＝－6V，流过电阻的电流为零。－12－（－6）=－6V＜0.6V图2.1.6

例1.2.1题图二极管的正向电压为6V＞0.6V，所以二极管导通，导通电压为0.6V，Uab＝－12＋0.6V＝－11.4V，流过电阻的电流【例1.2.1

】分析方法：【解

】（b）图中，假设D不导通，以b为参考点，则二极管的正极电位为－6V，负极电位为－12V，正向电压为－6－（－12）=

6V＞0.6V

I=(－12＋0.6＋6)／3000=－0.0018A负号表示电流方向从b流向a。图2.1.6

例1.2.1题图【例1.2.2

】

如图2.1.7所示，已知E＝5V，输入信号为正弦波ui＝10sinωtV，二极管的正向导通电压为0.6V，画出输出电压信号的波形图。这个电路仍是分析二极管的导通与否，图中二极管的正极接信号电压ui，二极管的负极接电源E的正极，两个量进行比较，确定二极管的导通与否。分析方法：【解

】图2.1.7

例1.2.2题图当ui

＜E＋0.6V（导通电压）时，二极管截止，此时二极管无电流通过，uo＝ui【例1.2.2

】分析方法：【解

】当ui

＞E＋0.6V（导通电压）时，二极管导通，uo＝E＋0.6V＝5.6V。图2.1.8

输出电压波形图虚线为输入电压波形。ui＜

E＋0.6Vui

＞E＋0.6V【例1.2.3

】

在图2.1.9所示电路中，已知输入端A的电位VA＝＋3.6V，输入端B的电位VB＝＋0.3V，电阻R＝10k

，电源E＝－9V，二极管的导通电压为0.2V，求输出端F的电位和流过R的电流I。图2.1.9

例1.2.3题图分析方法：【解

】先假设两个二极管均不导通，根据已知条件，UDA＝3.6－(－9)=12.6V，故DA导通，VF＝3.6－0.2=3.4V。再看DB，

UDB＝0.3－3.4=－3.1V，故DB截止。先讨论DB这个结论也成立。流过R中的电流为

结论：当数个二极管的负极（正极）并联在一点，而加在这些二极管的正极（负极）电位各不相同，且都高于负极（低于正极）电位时，正极最高（负极最低）的二极管导通。【例1.2.3】分析方法：【解

】稳压管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。专为在电路中稳定电压设计，故称为稳压管。10.4稳压二极管稳压管的图形符号:DZ图10.4.1

稳压管符号10.4.1稳压二极管的伏安特性特点：稳压管工作于反向击穿区。稳压管击穿时，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压变化很小。利用这一特性，稳压管在电路中能起稳压作用。稳压二极管又称齐纳二极管，简称稳压管。10.4.1稳压二极管的伏安特性正向+-反向+-IZUZ反向击穿是可逆的。

U/VI/mA0IZIZMUZ

特点：1、正向特性曲线同二极管；2、反向击穿电压较低，反向特性曲线比较陡；UZ为稳压值。3、正常的工作区域为反向击穿区，且可逆。1、稳定电压UZ：稳压管在正常工作时，管子两端的电压。一般由电子器件手册给出。DZ2、稳定电流IZ：

正常工作时的电流。10.4.2稳压二极管的主要参数3、最大稳定电流IZM：

稳压管在正常工作时，允许通过的最大反向电流，一般不应超出此值。4、动态电阻rZ：稳压管动态电阻越小，反向伏安特性曲线越陡，稳压性能越好。5、最大允许耗散功率PZM：不发生热击穿而损坏的最大功率损耗，等于最大稳定电流与相应稳定电压的乘积。DZ10.4.2稳压二极管的主要参数稳压管稳压电路的工作原理

电路通过自动调节稳压管电流的大小，以调整电阻R上的压降，使UO基本稳定。根据电路图可知稳压管稳压电路的工作原理(1)当输入电压变化时UI↑→UO↑→VZ↑→IZ↑→IR↑→UR↑→UO↓在稳压二极管的调节下，使UO的增加没有那么大而已。UO还是要增加一点的，这是一个有差调节系统。

输入电压UI增加稳压管稳压电路的工作原理(1)当负载电流变化负载电流IO的增加

IO↑→IR↑→VR↑→VZ↓（UO↓）→IZ↓→IR↓→UR↓→UO↑注意：稳压二极管在使用时一定要串入限流电阻，不能使它的功耗超过规定值，否则会造成损坏！稳压电阻的计算稳压二极管的动态电阻越小，稳压电阻R越大，稳压性能越好。稳压电阻

R

的作用将稳压二极管电流的变化转换为电压的变化，从而起到调节作用，同时R也是限流电阻。显然R的数值越大，较小IZ的变化就可引起足够大的VR变化，就可达到足够的稳压效果。但R的数值越大，就需要较大的输入电压VI值，损耗就要加大。

稳压二极管稳压电路的稳压性能与稳压二极管击穿特性的动态电阻有关，与稳压电阻R的阻值大小有关。稳压电阻的计算如下（1）当输入电压最小，负载电流最大时，计算出稳压电阻的最大值，实际选用的稳压电阻应小于最大值。即（2）当输入电压最大，负载电流最小时，流过稳压二极管的电流最大。此时IZ不应超过IZmax，由此可计算出稳压电阻的最小值。即例1:图示稳压电路中，已知稳压管参数为UZ=12V，I

Z=5mA，I

ZM=50mA，试分析：（1）若UI=3V，RL=R，求UO；（2）若UI=20V，其允许变化量为±2V，I

O的变化范围为0～15mA，试选择限流电阻R的阻值与功率。解：（1）当UI=3V

时，稳压管反偏截止例1:图示稳压电路中，已知稳压管参数为UZ=12V，I

Z=5mA，I

ZM=50mA，试分析：（1）若UI=3V，RL=R，求UO；（2）若UI=20V，其允许变化量为±2V，I

O的变化范围为0～15mA，试选择限流电阻R的阻值与功率。解：(2)当UI=20V时，只要R值合适，电路可稳压工作。例1:图示稳压电路中，已知稳压管参数为UZ=12V，I

Z=5mA，I

ZM=50mA，试分析：（1）若UI=3V，RL=R，求UO；（2）若UI=20V，其允许变化量为±2V，I

O的变化范围为0～15mA，试选择限流电阻R的阻值与功率。解：(2)当UI=20V时故

200Ω≤R≤300Ω若取R=270Ω，则：发光二极管LightEmitingDiode（LED）：是一种将光能转换成电能的器件，采用不同的材料，可分别得到红、黄、绿、橙色光和红外光。常用元素周期表中III、V族元素的化合物如砷化镓、磷化镓等制成。制作材料决定光的颜色（光谱的波长)。10.5发光二极管发光二极管的图形符号:U

可以是直流、交流或脉冲信号。对交流信号为有效值，对脉冲信号则为高电平值。LED的驱动电路如：光电二极管的伏安特性：伏安特性：光电二极管的反向电流与光照度成正比。特点：1、工作电压1.5~3v，工作电流为几毫安到十几毫安；2、耗电少；3、可以通过调节电流或电压来调节发光亮度；4、容易与集成电路配合使用5、体积小、重量轻、抗冲击、寿命长特性：无光照时与普通二极管一样具有单向导电性。使用时，光电二极管的PN结应工作在反向偏置状态，在光信号的照射下，反向电流随光照强度的增加而上升(这时的反向电流叫光电流)。光电流也与入射光的波长有关。用途：用于测量光照强度、做光电池。

光电二极管光电耦合器光电耦合器（简称光耦）是由发光二极管等构成的光电器件。常用光电耦合器的输入级由发光二极管构成，输出级由光电三极管构成，输入、输出之间相互绝缘隔离，通过光线实现信号的线性传输，所以有时候也俗称光隔。1234光电耦合器光电耦合器的引脚1、2组成输入端口，引脚3、4组成输出端口。当电信号送入光电耦合器的输入端时，发光二极管导通，产生电流而发光，光电器件受到光照后，在外加工作电压作用下产生电流，引脚3、4导通；当输入端无信号，发光二极管不发光，光电三极管截止，引脚3、4之间截止。1234光电耦合器结构图半导体三极管（亦称晶体管）是通过一定工艺，将两个PN结结合在一起的器件。由于两个PN结的相互影响，使半导体三极管具有电流放大作用，从而使PN结的应用发生了质的飞跃。10.6晶体管10.6.1晶体管的基本结构PPNEBC按材料分：硅管、锗管按结构分：NPN、PNP按使用频率分：

低频管、高频管按功率分：小功率管<500mW中功率管0.51W大功率管>1WECBPNP型N型硅BECN型硅P型硅（a）平面型二氧化硅保护膜N型锗ECBPP（b）合金型铟球铟球NPN型管：NPN型三极管由两个PN结的三层半导体组成。特点：中间的P型半导体特别薄，两边各为一层N型半导体。E区掺杂浓度高，B区掺杂浓度低且薄，C区面积大。10.6.1晶体管的基本结构NNP发射极E基极B集电极C发射结集电结—基区—发射区—集电区emitterbasecollectorNPN型ECB各区主要作用及结构特点：发射区：作用：发射载流子

特点：掺杂浓度高基区：作用：传输载流子特点：薄、掺杂浓度低集电区：作用：接收载流子

特点：面积大10.6.1晶体管的基本结构NPN型三极管和PNP型三极管的电路符号。箭头表示发射结正向导通时电流的方向。共同点：电极名称、符号相同；内部结构相同。不共同点：P—集电极N—基极型P—发射极箭头方向10.6.2

晶体管的电流放大作用一、晶体管放大的条件1.内部条件发射区掺杂浓度高基区薄且掺杂浓度低集电结面积大2.外部条件发射结正偏集电结反偏二、晶体管的电流分配和放大作用电路条件:

EC>EB

发射结正偏

集电结反偏(发射结加正向电压；集电结加反向电压。)mAmAICECIBIERBEBCEB3DG6A测量结果结论：（4）基极电流少量的变化可以引起集电极电流较大的变化。电流放大系数基本不变（1）基极电流与集电极电流之和等于发射极电流。（2）基极电流与集电极电流小很多，发射极电流约等于集电极电流。（3）半导体三极管有电流放大作用，表2.1.2三列、四列ICIB的比值为：结论：共发射极电路使三极管具有放大作用。mAmAICECIBIERBEBCEB3DG6A用载流子在晶体管内部的运动规律来解释工作原理。

外部条件：发射结加正向电压；集电结加反向电压。UBE>0,UBC<0,UBC=UBE-UCE,UBE<UCERBEC++__EBEBCNNP发射结正偏扩散强E区多子（自由电子）到B区B区多子（空穴）到E区穿过发射结的电流主要是电子流形成发射极电流IEIE是由扩散运动形成的1发射区向基区扩散电子，形成发射极电流IE。2电子在基区中的扩散与复合，形成基极电流IBE区电子到基区B后，有两种运动扩散IEC复合IEB同时基区中的电子被EB拉走形成IBIEB=IB时达到动态平衡形成稳定的基极电流IBIB是由复合运动形成的RBEC++__EBEBC3集电极收集电子，形成集电极电流IC集电结反偏阻碍C区中的多子（自由电子）扩散，同时收集E区扩散过来的电子有助于少子的漂移运动，有反向饱和电流ICBO形成集电极电流ICRBEC++__EBEBCRBEC++__EBEBCICIBIEICBOIBEIEC总结：1.晶体管在发射结正向偏置、集电结反向偏置的条件下具有电流放大作用。

2.晶体管的电流放大作用，实质上是基极电流对集电极电流的控制作用。10.6.3

特性曲线1、输入特性曲线指集电极-发射极之间的电压UCE为常数时，输入回路中基极电流IB与基极-发射极的电压UBE之间的关系曲线。特性曲线可以用晶体管图示仪直观显示，也可以通过实验电路测绘。1、输入特性曲线指集电极-发射极之间的电压UCE为常数时，输入回路中基极电流IB与基极-发射极的电压UBE之间的关系曲线。图10.6.1

3DG6的输入特性曲线

特点：①与二极管伏安特性类似；②死区电压：硅管约0.5V,锗管约0.2V;③导通压降UBE:硅管约0.6V,锗管约0.2V;④当UCE＞1后，输入特性基本与UCE无关。2、输出特性曲线指当基极电流IB为常数时，输出回路中集电极电流IC与集电极-发射极电压UCE之间的关系曲线。在不同的IB下，可得到一组曲线。图10.6.1

输出特性曲线

三个工作区：（1）放大区（线性区）：输出特性曲线近于水平的部分；发射结正向偏置，集电结反向偏置时（硅管UBE＞0.6V，锗管UBE＞0.2V,且UCE＞1V时）IC与IB成简单的线性关系；图10.6.2

输出特性曲线

三个工作区：（2）截止区：IB=0曲线以下的区域为截止区当发射结反向偏置，集电结也反向偏置时

IB=0时，IC=ICEO（ICEO为穿透电流）。对NPN型硅管而言，当UBE〈0.5V时，即已开始截止，为了截止可靠，常使UBE小于等于零。图10.6.2

输出特性曲线

三个工作区：（3）饱和区：当UCE＜UBE时，集电结正向偏，发射结也正向偏置时；IB的变化对IC的影响较小，三极管无电流放大作用。【例1.

】

已知图1中各三极管均为硅管，测得各管脚的电压值分别为图1中所示值，则问各三极管工作在什么区？图1

例1.题图（b）图中，满足三极管在放大区的工作条件，它工作在放大区。分析方法：【解

】这类问题主要根据Ube和Uc