城市轨道交通电工电子技术及应用课件 模块7 常用半导体器件

模块7常用半导体器件1.了解本征半导体、杂质半导体及PN结

2.掌握二极管的单向导电性

3.了解特殊二极管的特点及应用

4.掌握三极管放大作用、开关作用及所需条件单元7.1半导体的基本知识电子技术的发展历史：19世纪末、20世纪初开始发展起来的新兴技术。20世纪发展迅速，应用广泛，近代科学技术发展的一个重要标志。进入21世纪，以微电子技术（半导体和集成电路为代表）电子计算机和因特网为标志的信息社会。现代电子技术在各个领域起着重大作用。光敏性——半导体受光照后，其导电能力大大增强；热敏性——受温度的影响，半导体导电能力变化很大；掺杂性——在半导体中掺入少量特殊杂质，其导电能力极大地增强。

1.什么是半导体导电能力介于导体和绝缘体之间物质称为半导体。一、半导体2.半导体的导电特性(a)硅晶体的空间排列(b)共价键结构平面示意图(c)3.本征半导体不含杂质且具有完整晶体结构的半导体称为本征半导体。半导体中两种载流子：空穴和自由电子。最常用的半导体为硅(Si)和锗(Ge)、砷化镓（GaAs）。本征半导体是一种完全纯净的、结构完整的半导体晶体。本征半导体又称纯净半导体。当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自由电子。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。这一现象称为本征激发，也称热激发。

自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。

因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合。本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。

自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向运动也可形成空穴电流，它们的方向相反。只不过空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的，因此，空穴的导电能力不如自由电子。空穴的移动(1)P型半导体本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成P型半导体，也称为空穴型半导体。因三价杂质原子与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；电子是少数载流子，由热激发形成。4.杂质半导体(2)N型半导体在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成N型半导体,也称电子型半导体。因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。在N型半导体中自由电子是多数载流子,它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子,由热激发形成。N型半导体结构示意图二、PN结1.PN结

把P型半导体和N型半导体用特殊的工艺使其结合在一起，就会在交界处形成一个特殊薄层，该薄层称为“PN结”。PN结

最后多子扩散和少子的漂移达到动态平衡。对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为

PN结,在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。2.PN结的单向导电性（1）PN结加正向电压，PN结导通。（2）PN结加反向电压，PN结截止。PN结加正向电压导通，加反向电压截止，这就是PN结的“单向导电性”。单元7.2半导体二极管一、半导体二极管的结构1.二极管的结构和图形符号正极（阳极）负极（阴极）结构正极（阳极）负极（阴极）V电流方向图形符号外壳硅高频检波管开关管稳压管整流管发光二极管

电子工程实际中，二极管应用得非常广泛，上图所示即为各类二极管的部分产品实物图。2.分类分类方法种类说明按材料不同分硅二极管硅材料二极管，常用二极管锗二极管锗材料二极管按用途不同分普通二极管常用二极管整流二极管主要用于整流稳压二极管常用于直流电源开关二极管专门用于开关的二极管，常用于数字电路发光二极管能发出可见光，常用于指示信号光电二极管对光有敏感作用的二极管变容二极管常用于高频电路按外壳封装的材料不同分玻璃封装二极管检波二极管采用这种封装材料塑料封装二极管大量使用的二极管采用这种封装材料金属封装二极管大功率整流二极管采用这种封装材料3.型号二、二极管的伏安特性及其检测

加在二极管两端的电压与通过二极管的电流之间的关系称为二极管的伏安特性。二极管加正向电压二极管加反向电压IUUI硅管锗管死区导通区截止区反向击穿区

当二极管加正向电压时并不一定能导通，必须是正向电压达到和超过死区电压时，二极管才能导通。

当二极管加反向电压时不能导通，但反向电压达到反向击穿电压（很高的反向电压）时，二极管会反向击穿。

二极管正向电压未达到死区电压时，并不能导通，只有在正向电压达到或超过死区电压时，二极管才能导通。二极管的识别与检测识别：一般可根据二极管的外部标志来识别二极管的管脚极性。检测由于二极管正向特性曲线起始端的非线性，PN结的正向电阻是随外加电压的变化而变化的，所以同一只二极管用不同的电阻挡测得的正向电阻读数是不一样的。三、二极管的主要参数参数名称符号说明最大整流电流IDM允许通过二极管平均电流的最大值。正常工作时通过二极管的电流应该小于IDM，否则，二极管可能会因过热而损坏反向工作峰值电压URM允许加在二极管两端反向电压的最大值（一般情况下URM=1/2UBR），正常工作时二极管两端所加电压最大应小于URM，否则，二极管将会反向击穿损坏反向峰值电流IRM在规定的反向电压（<UBR）和环境温度下的反向电流。此值越小，二极管的单向导电性能越好，工作越稳定。IRM对温度很敏感，使用时应注意环境温度不宜过高最高工作频率fM二极管单向导电作用开始明显退化的交流信号的频率。

【例】二极管电路如下图所示，判断各电路中二极管V的工作状态，求二极管为理想管时UAB分别为多少？分析：首先分析二极管V在电路中的工作状态，然后再进行有关的计算。判断二极管是否导通时，先分析电压极性是否是正向电压，再判断电压大小是否足够。两个条件中有一个不满足二极管均不能导通。解：图a：设B点为参考点，假设断开二极管V，因

UE=6V，UF=0V，二极管正极的电位大于负极的电位，所以，二极管正偏导通，UAB=6V。

图b：设B点为参考点，假设断开二极管V，因UE=6V，UF=0V，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零，所以UAB=UR=0V。

图c：设B点为参考点，假设断开二极管V，因UE=6V，UF=12V，二极管正极的电位大于负极的电位，所以，二极管正偏导通，UAB=6V。单元7.3特殊二极管

一、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)稳压管的伏安特性稳压管正向偏压时，其特性和普通二极管一样；反向偏压时，开始一段和二极管一样，当反向电压达到一定数值以后，反向电流突然上升，而且电流在一定范围内增长时，管两端电压只有少许增加，变化很小，具有稳压性能。这种“反向击穿”是可恢复的，只要外电路限流电阻保障电流在限定范围内，就不致引起热击穿而损坏稳压管。

(2)稳压二极管的应用UI是不稳定的可变直流电压，希望得到稳定的电压UO，故在两者之间加稳压电路。它由限流电阻R和稳压管VDZ构成，RL是负载电阻。二、发光二极管（LED）将电能转换成光能的半导体器件正向电压工作电压：作用：符号：应用：广泛应用于仪表、仪器，计算机、电气设备作电源信号指示；音响设备调谐和电平指示；广告显示屏的文字、图形、符号显示等。作用：工作电压：符号：将光信号转化为电信号反向电压又称光敏二极管应用：常用于可见光接收、红外光接收及光电转换的自动控制、报警、计数等设备。三、光电二极管（LED）单元7.4半导体三极管一、三极管的结构NPN型三极管1.结构和符号PNP型三极管b基极e发射极c集电极集电结发射结N集电区N发射区P基区bceVb基极e发射极c集电极集电结发射结P集电区P发射区N基区Vbce注意：图中箭头方向为发射极电流的方向。大功率低频三极管小功率高频三极管中功率低频三极管

目前国内生产的双极型硅晶体管多为NPN型(3D系列)，锗晶体管多为PNP型(3A系列)，按频率高低有高频管、低频管之别；根据功率大小可分为大、中、小功率管。

分类方法种类应用按极性分NPN型三极管目前常用的三极管，电流从集电极流向发射极PNP型三极管电流从发射极流向集电极按材料分硅三极管热稳定性好，是常用的三极管锗三极管反向电流大，受温度影响较大，热稳定性差按工作频率分低频三极管工作频率比较低，用于直流放大、音频放大电路高频三极管工作频率比较高，用于高频放大电路按功率分小功率三极管输出功率小，用于功率放大器末前级大功率三极管输出功率较大，用于功率放大器末级（输出级）按用途分放大管应用在模拟电子电路中开关管应用在数字电子电路中2.类型1.三极管结构特点为了便于发射结发射电子，发射区半导体的掺杂溶度远高于基区半导体的掺杂溶度，且发射结的面积较小发射区和集电区虽为同一性质的掺杂半导体，但发射区的掺杂溶度要高于集电区的掺杂溶度，且集电结的面积要比发射结的面积大，便于收集电子。联系发射结和集电结两个PN结的基区非常薄，且掺杂溶度也很低。二、三极管的电流放大作用三极管的工作电压NPN型三极管UC>UB>UEPNP型三极管UC<UB<UE晶体管实现电流放大作用的外部条件发射结必须“正向偏置”集电结必须“反向偏置”三极管电流分配实验电路通过调节电位器RB的阻值，可调节基极的偏压，从而调节基极电流IB的大小。每取一个IB值，从毫安表可读取集电极电流IC和发射电流IE的相应值。2.三极管的电流放大作用

三极管的电流放大作用次数项目123456IB/mA00.010.020.030.040.05IC/mA0.010.561.141.742.332.91IE/mA0.010.571.161.772.372.96电流关系说明集电极与基极电流关系IC=βIB三个电极电流之间的关系IE=IB+IC=（1+β）IB三极管三个电极电流关系

三极管电流放大作用的条件是：发射结加正向电压，集电结加反向电压。三极管电流放大的实质是：用较小的基极电流控制较大的集电极电流，是“以小控大”。通过实验数据分析，三极管三个电极电流具有下表所示的关系。结论：

三极管特性曲线测试电路三、三极管的伏安特性1.输入特性锗管的输入特性曲线硅管的输入特性曲线三极管的输入特性曲线

三极管的输入特性曲线与二极管的正向特性曲线相似，只有当发射结的正向电压UBE大于死区电压（硅管0.5V，锗管0.2V）时才产生基极电流IB，这时三极管处于正常放大状态，发射结两端电压为UBE（硅管为0.7V，锗管为0.3V）。2.输出特性三极管的输出特性曲线

每条曲线可分为线性上升、弯曲、平坦三部分。对应不同IB值得不同的曲线，从而形成曲线簇。各条曲线上升部分很陡，几乎重合，平坦部分则按IB值从下往上排列，IB的取值间隔均匀，相应的特性曲线在平坦部分也均匀分布，且与横轴平行。在放大区内，有一个特定的基极电流，就有一个特定的集电极电流，实现基极对集电极电流的控制。名称截止区放大区饱和区范围IB=0曲线以下区域，几乎与横轴重合平坦部分线性区，几乎与横轴平行曲线上升和弯曲部分条件发射结反偏（或零偏），集电结反偏发射结正偏，集电结反偏发射结正偏，集电结正偏（或零偏）特征IB=0，IC=ICEO≈0（1）当IB一定时，IC的大小与UCE基本无关（但UCE的大小随IC的大小而变化），具有恒流特性；（2）IB不同，曲线也不同，IC受IB控制，具有电流放大特性，IC=hFEIB，△IC=β△IB各电极电流都很大，IC不受IB控制，三极管失去放大作用工作状态截止状态放大状态饱和状态输出特性曲线的三个区域UCE/VIC

/mA020AIB=040A60AIB=100A80A43211.52.3输出特性曲线上一般可分为三个区：饱和区。发射结和集电结均为正向偏置。截止区。发射结和集电结均为反向偏置。放大区

晶体管工作在放大状态时，发射结正偏，集电结反偏。PNP型：VC<VB<VENPN型:VC>VB>VEUBE=0.2~0.3V——锗UBE=0.6~0.7V——硅放大区。发射结正偏、集电结反偏。提示：对于NPN型三极管：工作于放大区时，UC﹥UB﹥UE；工作于截止区时，

UB≤UE；工作于饱和区时，UC≤UB。

PNP型三极管与之相反。

在模拟电子电路中三极管大多工作在放大状态，作为放大管使用；在数字电子电路中三极管工作在饱和或截止状态，作为开关管使用。

【例】已知三极管接在相应的电路中，测得三极管各电极的电位，如下图所示，试判断这些三极管的工作状态？在图a中，三极管为NPN型管，UB=2.7V，UC=8V，UE=2V，因UB＞UE，发射结正偏，UC＞UB，集电结反偏，所以图a中的三极管工作在放大状态。

在图b中，三极管为NPN型管，UB=3.7V，UC=3.3V，UE=3V，因UB＞UE，发射结正偏，UC＜UB，集电结正偏，所以图b中的三极管工作在饱和状态。

在图c中，三极管为NPN型管，

UB=2V，UC=8V，UE=2.7V，因UB＜UE，发射结反偏，所以图c中的三极管工作在截止状态。在图d中，三极管为PNP型，UB=-0.3V，UC=-5V，UE=0V，因UB＜UE，发射结正偏，UC＜UB，集电结反偏，所以图d中的三极管工作在放大状态。解：【例】若有一三极管工作在放大状态，测得各电极对地电位分别为U1＝2.7V，U2＝4V，U3＝2V。试判断三极管的管型、材料及三个管脚对应的电极。由放大条件的分析知，三个管脚中B极的电位介于C极和E极之间，所以要判断管型、材料及电极，可按下面四步进行。第一步找B极。管脚1为基极。第二步判断材料。U1-U2既不等于0.7V，也不等于0.3V，而

U1－U3=2.7－2＝0.7V所以该三极管为硅管。第三步判断发射极和管型。因U1－U3＝0.7V，管脚3为发射极，又因U2>U1>U3，所以该三极管为NPN型三极管。最后确定剩余的管脚为集电极。解：四、三极管的主要参数1.电流放大系数（1）共射极直流电流放大系数hFE

三极管集电极电流与基极电流的比值，即hFE=IC/IB。反映三极管的直流电流放大能力。（2）共射极交流电流放大系数β

三极管集电极电流的变化量与基极电流的变化量之比，即β=△IC/△IB。反映三极管的交流电流放大能力。

同一只三极管，在相同的工作条件下hFE≈β，应用中不再区分，均用β来表示。

选管时，β值应恰当，β太小，放大作用差；β太大，性能不稳定，通常选用30～100之间的管子。反映三极管的电流放大能力。基极开路时（IB=0），C-E极间的反向电流。好像是从集电极直接穿透三极管到达发射极的电流，故又叫“穿透电流”。

ICES＝（1＋β）IC