電工電子技術(shù)_常用半導(dǎo)體器件

1、電工電子技術(shù)2第第7 7章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件1 1本征半導(dǎo)體、雜質(zhì)半導(dǎo)體、本征半導(dǎo)體、雜質(zhì)半導(dǎo)體、PNPN結(jié)。結(jié)。2 2二極管、三極管。二極管、三極管。3 3場效應(yīng)晶體管。場效應(yīng)晶體管。知識點：知識點：要求掌握：要求掌握：1 1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識。半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識。2 2 PN PN結(jié)單向?qū)щ娞匦浴＝Y(jié)單向?qū)щ娞匦浴? 3二極管的伏安特性二極管的伏安特性4 4穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓原理。穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓原理。5 5三極管的輸入和輸出特性曲線。三極管的輸入和輸出特性曲線。了解：了解：1 1發(fā)光二極管的發(fā)光原理。發(fā)光二極管的發(fā)光原理。2 2場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)和工作原理。場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)和工作

2、原理。3 半導(dǎo)體器件是組成電子電路的核心部件，它們的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、特性及參半導(dǎo)體器件是組成電子電路的核心部件，它們的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、特性及參數(shù)是學(xué)習(xí)電子技術(shù)和分析電子電路的基礎(chǔ)。本章首先介紹常用純凈半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)數(shù)是學(xué)習(xí)電子技術(shù)和分析電子電路的基礎(chǔ)。本章首先介紹常用純凈半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性及由兩種雜質(zhì)半導(dǎo)體構(gòu)成體的導(dǎo)電性及由兩種雜質(zhì)半導(dǎo)體構(gòu)成PNPN結(jié)的導(dǎo)電性。然后從結(jié)構(gòu)、工作原理和伏安特結(jié)的導(dǎo)電性。然后從結(jié)構(gòu)、工作原理和伏安特性等方面，介紹二極管、三極管、場效應(yīng)晶體管等常用器件。性等方面，介紹二極管、三極管、場效應(yīng)晶體管等常用器件。第第7 7章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器

3、件47.7.1 1 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識 銅、銀、鋁等金屬材料是很容易導(dǎo)電的，稱為導(dǎo)體；陶瓷、塑料、橡膠、玻銅、銀、鋁等金屬材料是很容易導(dǎo)電的，稱為導(dǎo)體；陶瓷、塑料、橡膠、玻璃等材料卻不容易導(dǎo)電，稱為絕緣體。導(dǎo)體的導(dǎo)電性能良好，電阻率很低，在璃等材料卻不容易導(dǎo)電，稱為絕緣體。導(dǎo)體的導(dǎo)電性能良好，電阻率很低，在1010-8-81010-6-6m m之間。例如，銅的電阻率為之間。例如，銅的電阻率為1.571.571010-8-8m m。絕緣體的導(dǎo)電能力很。絕緣體的導(dǎo)電能力很差，電阻率很高，在差，電阻率很高，在10108 8 10101616m m之間。例如，橡膠的電阻率為之間。例如，橡

4、膠的電阻率為10101616m m。 自然界除了導(dǎo)體和絕緣體外，還存在一類物質(zhì)，它的導(dǎo)電特性介于導(dǎo)體和絕自然界除了導(dǎo)體和絕緣體外，還存在一類物質(zhì)，它的導(dǎo)電特性介于導(dǎo)體和絕緣體之間，它既不像導(dǎo)體那樣容易導(dǎo)電，也不像絕緣體那樣很難導(dǎo)電，這類物質(zhì)緣體之間，它既不像導(dǎo)體那樣容易導(dǎo)電，也不像絕緣體那樣很難導(dǎo)電，這類物質(zhì)稱為半導(dǎo)體。半導(dǎo)體的電阻率介于導(dǎo)體和絕緣體之間，比較典型的數(shù)值為稱為半導(dǎo)體。半導(dǎo)體的電阻率介于導(dǎo)體和絕緣體之間，比較典型的數(shù)值為1010-5-5 10107 7m m。例如，純鍺在室溫時電阻率為。例如，純鍺在室溫時電阻率為0.470.47m m。 半導(dǎo)體之所以引起人們的注意，得到廣泛的應(yīng)用

5、，其主要原因不是由于電阻半導(dǎo)體之所以引起人們的注意，得到廣泛的應(yīng)用，其主要原因不是由于電阻率在數(shù)值上與導(dǎo)體和絕緣體有差別，而在于它的電阻率在受熱、光照、摻雜等作率在數(shù)值上與導(dǎo)體和絕緣體有差別，而在于它的電阻率在受熱、光照、摻雜等作用下將出現(xiàn)很大變化。主要表現(xiàn)在以下用下將出現(xiàn)很大變化。主要表現(xiàn)在以下3 3個方面：個方面：7.1.17.1.1 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體5 （1 1）熱敏性）熱敏性 半導(dǎo)體對溫度的反應(yīng)很靈敏，其電阻率隨著溫度的上升而明顯下降，例如，半導(dǎo)體對溫度的反應(yīng)很靈敏，其電阻率隨著溫度的上升而明顯下降，例如，半導(dǎo)體材料純鍺，當(dāng)溫度從半導(dǎo)體材料純鍺，當(dāng)溫度從2020上升到上升到3232

6、時，它的電阻率將減小一半左右。利時，它的電阻率將減小一半左右。利用這種特性很容易制成熱敏電阻或其他的溫度敏感的傳感器。用這種特性很容易制成熱敏電阻或其他的溫度敏感的傳感器。 （2 2）光敏性）光敏性 半導(dǎo)體對光的反應(yīng)也很靈敏，其電阻率因光照的不同而改變，光照愈強，電半導(dǎo)體對光的反應(yīng)也很靈敏，其電阻率因光照的不同而改變，光照愈強，電阻率愈低，例如，硫化鎘薄膜電阻，無光照時電阻為幾十兆歐姆，當(dāng)光照射后電阻率愈低，例如，硫化鎘薄膜電阻，無光照時電阻為幾十兆歐姆，當(dāng)光照射后電阻只有幾十千歐姆。利用這一性質(zhì)，可以做成各種光敏元器件，如光敏電阻、光阻只有幾十千歐姆。利用這一性質(zhì)，可以做成各種光敏元器件，如

7、光敏電阻、光敏二極管等。敏二極管等。 （3 3）摻雜性）摻雜性 半導(dǎo)體的電阻率受雜質(zhì)影響很大，這一點與導(dǎo)體及絕緣體截然不同。在純凈半導(dǎo)體的電阻率受雜質(zhì)影響很大，這一點與導(dǎo)體及絕緣體截然不同。在純凈的半導(dǎo)體中即使摻入極微量的雜質(zhì)，也能使其電阻率大大降低。例如，在純硅中的半導(dǎo)體中即使摻入極微量的雜質(zhì)，也能使其電阻率大大降低。例如，在純硅中加入百萬分之一的硼，它的電阻率就從約加入百萬分之一的硼，它的電阻率就從約2 210103 3m m降到降到4 41010-3-3m m左右。不僅如左右。不僅如此，選擇不同類型的雜質(zhì)，還可改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型。人們利用了半導(dǎo)體的這此，選擇不同類型的雜質(zhì)，還可改變半導(dǎo)

8、體的導(dǎo)電類型。人們利用了半導(dǎo)體的這一特點，通過各種工藝手段，控制半導(dǎo)體中的雜質(zhì)的數(shù)量和性質(zhì)，從而制成了各一特點，通過各種工藝手段，控制半導(dǎo)體中的雜質(zhì)的數(shù)量和性質(zhì)，從而制成了各種不同性能的半導(dǎo)體器件。種不同性能的半導(dǎo)體器件。7.7.1 1 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識6 一個硅原子由帶正電的原子核和圍繞它的一個硅原子由帶正電的原子核和圍繞它的1414個帶負(fù)電的電子組成，這些電子個帶負(fù)電的電子組成，這些電子按一定規(guī)律分布在按一定規(guī)律分布在3 3層電子軌道上，如層電子軌道上，如圖圖7.1(a)7.1(a)所示；所示；圖圖7.1(b)7.1(b)為鍺原子結(jié)構(gòu)。硅為鍺原子結(jié)構(gòu)。硅和鍺原子都是和鍺原子

9、都是4 4價元素，其最外層軌道上的價元素，其最外層軌道上的4 4個電子受原子核束縛力較小，叫做價個電子受原子核束縛力較小，叫做價電子，原子結(jié)構(gòu)簡化如電子，原子結(jié)構(gòu)簡化如圖圖7.27.2所示。所示。7.7.1 1 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識圖圖7.1 7.1 硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)圖圖7.2 7.2 原子結(jié)構(gòu)簡化圖原子結(jié)構(gòu)簡化圖77.7.1 1 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識 在硅單晶體中摻入微量在硅單晶體中摻入微量5 5價元素，如磷（或砷、銻）等，磷原子的最外層電價元素，如磷（或砷、銻）等，磷原子的最外層電子軌道上有子軌道上有5 5價電子，其中價電子，其中4 4個和周圍的硅原

10、子構(gòu)成共價鍵，還有一個電子多余，個和周圍的硅原子構(gòu)成共價鍵，還有一個電子多余，如如圖圖7.4(a)7.4(a)所示。這個多余的電子受原子核的束縛很微弱，在室溫下，容易受熱所示。這個多余的電子受原子核的束縛很微弱，在室溫下，容易受熱激發(fā)獲得能量擺脫磷原子核對它的束縛而成為自由電子。而每個磷原子都能提供激發(fā)獲得能量擺脫磷原子核對它的束縛而成為自由電子。而每個磷原子都能提供一個自由電子，磷原子失去一個電子，本身便成為一個帶正電離子。它固定在晶一個自由電子，磷原子失去一個電子，本身便成為一個帶正電離子。它固定在晶格中，不能移動，共價鍵中的電子也不可能來填補它，所以沒有空穴產(chǎn)生。而半格中，不能移動，共價

11、鍵中的電子也不可能來填補它，所以沒有空穴產(chǎn)生。而半導(dǎo)體中的自由電子的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于空穴的數(shù)量，這種半導(dǎo)體稱為電子型半導(dǎo)體或?qū)w中的自由電子的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于空穴的數(shù)量，這種半導(dǎo)體稱為電子型半導(dǎo)體或N N型半導(dǎo)體。在型半導(dǎo)體。在N N型半導(dǎo)體中，電子是傳遞電流的主要帶電粒子，被稱為多數(shù)載流型半導(dǎo)體中，電子是傳遞電流的主要帶電粒子，被稱為多數(shù)載流子；空穴被稱為少數(shù)載流子。子；空穴被稱為少數(shù)載流子。7.1.27.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體1. N1. N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很差，實際的用處不大。但是如果在本征半導(dǎo)體中有本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很差，實際的用處不大。但是如果在本征半導(dǎo)體中有選

12、擇地?fù)饺胛⒘康哪撤N雜質(zhì)元素，情況就不同了。雜質(zhì)可以改變半導(dǎo)體中載流子選擇地?fù)饺胛⒘康哪撤N雜質(zhì)元素，情況就不同了。雜質(zhì)可以改變半導(dǎo)體中載流子的濃度，從而達(dá)到人為控制半導(dǎo)體電阻率的目的。雜質(zhì)半導(dǎo)體分為的濃度，從而達(dá)到人為控制半導(dǎo)體電阻率的目的。雜質(zhì)半導(dǎo)體分為N N型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和P P型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。87.7.1 1 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識圖圖7.4 7.4 硅單晶體摻雜示意圖硅單晶體摻雜示意圖97.7.1 1 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識 在硅單晶體中摻入微量在硅單晶體中摻入微量3 3價元素，如硼元素（或鋁、銦）等，如價元素，如硼元素（或鋁、銦）等，如圖圖7.4(b)7.4

13、(b)所所示。由于硼的價電子只有示。由于硼的價電子只有3 3個，當(dāng)它和周圍的硅原子形成共價鍵時，缺少一個電個，當(dāng)它和周圍的硅原子形成共價鍵時，缺少一個電子，形成不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，硼原子很容易從鄰近的共價鍵中奪取一個電子，形成一子，形成不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，硼原子很容易從鄰近的共價鍵中奪取一個電子，形成一個帶負(fù)電的離子。而在失去電子的共價鍵中形成一個空穴。在這種半導(dǎo)體中，空個帶負(fù)電的離子。而在失去電子的共價鍵中形成一個空穴。在這種半導(dǎo)體中，空穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子。這種半導(dǎo)體稱為空穴型半導(dǎo)體或穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子。這種半導(dǎo)體稱為空穴型半導(dǎo)體或P P型型半導(dǎo)體。在半導(dǎo)體。在P P

14、型半導(dǎo)體中，空穴是傳遞電流的主要帶電粒子，被稱為多數(shù)載流子型半導(dǎo)體中，空穴是傳遞電流的主要帶電粒子，被稱為多數(shù)載流子；電子被稱為少數(shù)載流子。；電子被稱為少數(shù)載流子。 需要指出的是，需要指出的是，N N型和型和P P型半導(dǎo)體都屬于電中性，對外不顯電性。這是由于單型半導(dǎo)體都屬于電中性，對外不顯電性。這是由于單晶半導(dǎo)體和摻入的雜質(zhì)都是電中性的，而且摻入的過程中既不喪失電荷也不從外晶半導(dǎo)體和摻入的雜質(zhì)都是電中性的，而且摻入的過程中既不喪失電荷也不從外界獲取電荷，只是由于雜質(zhì)原子的價電子數(shù)目比晶體原子的價電子數(shù)目多一個或界獲取電荷，只是由于雜質(zhì)原子的價電子數(shù)目比晶體原子的價電子數(shù)目多一個或少一個，而使半

15、導(dǎo)體中出現(xiàn)了可以運動的電子或空穴，并沒有破壞整個半導(dǎo)體內(nèi)少一個，而使半導(dǎo)體中出現(xiàn)了可以運動的電子或空穴，并沒有破壞整個半導(dǎo)體內(nèi)正負(fù)電荷的平衡狀態(tài)。正負(fù)電荷的平衡狀態(tài)。2. P2. P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體107.7.1 1 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識 現(xiàn)在結(jié)合現(xiàn)在結(jié)合圖圖7.57.5來說明來說明PNPN結(jié)的形成。在一塊本征半導(dǎo)體的晶片上摻入不同的結(jié)的形成。在一塊本征半導(dǎo)體的晶片上摻入不同的雜質(zhì)形成不同類型的雜質(zhì)半導(dǎo)體，在雜質(zhì)形成不同類型的雜質(zhì)半導(dǎo)體，在P P型半導(dǎo)體中有多數(shù)的空穴和少數(shù)的電子，型半導(dǎo)體中有多數(shù)的空穴和少數(shù)的電子，而而N N型半導(dǎo)體中有多數(shù)的自由電子和少數(shù)的空穴。型半導(dǎo)體中有多數(shù)

16、的自由電子和少數(shù)的空穴。7.1.37.1.3 PN PN結(jié)的形成及特性結(jié)的形成及特性 1. PN1. PN結(jié)的形成結(jié)的形成 如上所述，在純凈的半導(dǎo)體材料中經(jīng)過摻入三價硼元素或五價磷元素可以形如上所述，在純凈的半導(dǎo)體材料中經(jīng)過摻入三價硼元素或五價磷元素可以形成兩種不同類型的雜質(zhì)半導(dǎo)體。當(dāng)摻入成兩種不同類型的雜質(zhì)半導(dǎo)體。當(dāng)摻入3 3價硼元素時，形成以空穴為多數(shù)載流子價硼元素時，形成以空穴為多數(shù)載流子的的P P型半導(dǎo)體；摻入型半導(dǎo)體；摻入5 5價磷元素時，形成以電子為多數(shù)載流子的價磷元素時，形成以電子為多數(shù)載流子的N N型半導(dǎo)體。如果型半導(dǎo)體。如果在一塊本征半導(dǎo)體的晶片上摻入不同的雜質(zhì)，使一邊成為在

17、一塊本征半導(dǎo)體的晶片上摻入不同的雜質(zhì)，使一邊成為P P型半導(dǎo)體，另一邊成型半導(dǎo)體，另一邊成為為N N型半導(dǎo)體，則在兩種不同類型的半導(dǎo)體的交界面處就會形成一個特殊的導(dǎo)電型半導(dǎo)體，則在兩種不同類型的半導(dǎo)體的交界面處就會形成一個特殊的導(dǎo)電薄層，稱為薄層，稱為PNPN結(jié)。結(jié)。117.7.1 1 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識圖圖7.5 7.5 硅單晶體摻雜示意圖硅單晶體摻雜示意圖127.7.1 1 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識 在了解了在了解了PNPN結(jié)的內(nèi)部載流子運動規(guī)律后，就不難解釋結(jié)的內(nèi)部載流子運動規(guī)律后，就不難解釋PNPN結(jié)在外部電源作用下結(jié)在外部電源作用下所反映出來的重要特性，即單向?qū)?/p>

18、電特性。所反映出來的重要特性，即單向?qū)щ娞匦浴?（1 1）PNPN結(jié)外加正向電壓結(jié)外加正向電壓 圖圖7.6(a)7.6(a)所示，給所示，給PNPN結(jié)加上正向電壓（也叫正向偏置），即外電源正極接結(jié)加上正向電壓（也叫正向偏置），即外電源正極接PNPN結(jié)結(jié)P P區(qū)，負(fù)極接區(qū)，負(fù)極接PNPN結(jié)結(jié)N N區(qū)。區(qū)。2. PN2. PN結(jié)的導(dǎo)電特性結(jié)的導(dǎo)電特性圖圖7.6 PN7.6 PN結(jié)單向?qū)щ娊Y(jié)單向?qū)щ?37.7.1 1 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識 （2 2）PNPN結(jié)外加反向電壓結(jié)外加反向電壓 如果給如果給PNPN結(jié)外加一個反向電壓，也叫做反向偏置，即外電源正極接結(jié)外加一個反向電壓，也叫做反向偏

19、置，即外電源正極接N N區(qū)，負(fù)區(qū)，負(fù)極接極接P P區(qū)，如區(qū)，如圖圖7.6(b)7.6(b)所示。這時，外電場所示。這時，外電場EFEF與內(nèi)電場與內(nèi)電場E Ei i的方向一致，加強了空的方向一致，加強了空間電荷區(qū)的電場強度。間電荷區(qū)的電場強度。PNPN結(jié)的厚度比平衡時加寬，使多數(shù)載流子的擴散運動更難結(jié)的厚度比平衡時加寬，使多數(shù)載流子的擴散運動更難進行。進行。 PN PN結(jié)加反向電壓使空間電荷區(qū)的電場加強，更加有利于少數(shù)載流子的漂移運結(jié)加反向電壓使空間電荷區(qū)的電場加強，更加有利于少數(shù)載流子的漂移運動。動。P P區(qū)的少數(shù)載流子區(qū)的少數(shù)載流子電子在電場作用下漂移到達(dá)電子在電場作用下漂移到達(dá)N N區(qū)，同

20、樣，區(qū)，同樣，N N區(qū)的少數(shù)載區(qū)的少數(shù)載流子流子空穴向空穴向P P區(qū)漂移，形成漂移電流為區(qū)漂移，形成漂移電流為I IR R。 由于少數(shù)載流子的濃度很小，即使它們?nèi)科疲淇偲齐娏鬟€是很小的由于少數(shù)載流子的濃度很小，即使它們?nèi)科?，其總漂移電流還是很小的，所以外加反向電壓時，所以外加反向電壓時，PNPN結(jié)的反向電阻很大，故稱結(jié)的反向電阻很大，故稱PNPN結(jié)反向截止。結(jié)反向截止。 （3 3）PNPN結(jié)的擊穿特性結(jié)的擊穿特性 當(dāng)反向電壓達(dá)到一定數(shù)值時，由于外電場過強，會使反向電流急劇增加，稱當(dāng)反向電壓達(dá)到一定數(shù)值時，由于外電場過強，會使反向電流急劇增加，稱為電擊穿。此時對應(yīng)的反向電壓值稱為擊穿

21、電壓，發(fā)生擊穿后，只要反向電壓略為電擊穿。此時對應(yīng)的反向電壓值稱為擊穿電壓，發(fā)生擊穿后，只要反向電壓略有增加，就會使反向電流急劇增大。有增加，就會使反向電流急劇增大。147.2 7.2 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管7.2.17.2.1 半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體二極管實際上是由一個半導(dǎo)體二極管實際上是由一個PNPN結(jié)加上電極引線與外殼制成的，在結(jié)加上電極引線與外殼制成的，在PNPN結(jié)的結(jié)的P P區(qū)和區(qū)和N N區(qū)分別用引線引出，區(qū)分別用引線引出，P P區(qū)的引線稱為陽極（或正極），區(qū)的引線稱為陽極（或正極），N N區(qū)的引線稱為陰極區(qū)的引線稱為陰極（或負(fù)極），將（或負(fù)極），將PNPN結(jié)

22、用外殼封裝起來，便構(gòu)成了晶體二極管，其結(jié)構(gòu)和圖形符號結(jié)用外殼封裝起來，便構(gòu)成了晶體二極管，其結(jié)構(gòu)和圖形符號如如圖圖7.77.7所示。二極管文字符號用字母所示。二極管文字符號用字母VDVD表示，圖形符號中箭頭所指的方向是正表示，圖形符號中箭頭所指的方向是正向?qū)ǖ姆较?。向?qū)ǖ姆较颉?根據(jù)根據(jù)PNPN結(jié)接觸面的大小不同，二極管有點接觸型和面接觸型兩種類型。點接結(jié)接觸面的大小不同，二極管有點接觸型和面接觸型兩種類型。點接觸型二極管的特點是觸型二極管的特點是PNPN結(jié)面積小，極間電容也小，不能承受較高的反向電壓和較結(jié)面積小，極間電容也小，不能承受較高的反向電壓和較大的正向電流，適用于高頻、小電流的情

23、況下。面接觸型二極管使用合金或擴散大的正向電流，適用于高頻、小電流的情況下。面接觸型二極管使用合金或擴散工藝制成工藝制成PNPN結(jié)，外加引線和管殼密封而成。它的特點是結(jié)，外加引線和管殼密封而成。它的特點是PNPN結(jié)面積大，可以承受比結(jié)面積大，可以承受比較大的電流，但是極間電容也大。適用于低頻條件下，如整流電路等。較大的電流，但是極間電容也大。適用于低頻條件下，如整流電路等。157.2 7.2 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管圖圖7.7 7.7 二極管的結(jié)構(gòu)和符號二極管的結(jié)構(gòu)和符號167.2 7.2 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管7.2.27.2.2 半導(dǎo)體二極管的伏安特性半導(dǎo)體二極管的伏安特性 利用如利用如

24、圖圖7.87.8所示的二極管兩端的電壓和流過二極管的電流的測試電路，可所示的二極管兩端的電壓和流過二極管的電流的測試電路，可以測試出半導(dǎo)體二極管的電壓與電流的關(guān)系，繪制成曲線如以測試出半導(dǎo)體二極管的電壓與電流的關(guān)系，繪制成曲線如圖圖7.97.9所示。該特性所示。該特性曲線叫做二極管的伏安特性曲線。曲線叫做二極管的伏安特性曲線。圖圖7.8 7.8 二極管伏安特性曲線測試電路二極管伏安特性曲線測試電路177.2 7.2 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管圖圖7.9 7.9 二極管的伏安特性曲線二極管的伏安特性曲線18 當(dāng)二極管的正極加高電位、負(fù)極加低電位時，稱為二極管正向偏置，當(dāng)二極管的正極加高電位、負(fù)極加

25、低電位時，稱為二極管正向偏置，此時二極管就產(chǎn)生正向電流，但當(dāng)正向電壓較小時，外電場不足以克服結(jié)此時二極管就產(chǎn)生正向電流，但當(dāng)正向電壓較小時，外電場不足以克服結(jié)內(nèi)電場對載流子擴散運動造成的阻力，這時正向電流很小，二極管呈現(xiàn)較內(nèi)電場對載流子擴散運動造成的阻力，這時正向電流很小，二極管呈現(xiàn)較大的電阻，通常稱這個區(qū)域為死區(qū)。大的電阻，通常稱這個區(qū)域為死區(qū)。1.1.正向偏置時的特性正向偏置時的特性7.2 7.2 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管 當(dāng)外加電壓使二極管的正極電位小于負(fù)極電位時，稱為二極管反向偏當(dāng)外加電壓使二極管的正極電位小于負(fù)極電位時，稱為二極管反向偏置。從置。從圖圖7.97.9第第4 4象限可以看

26、到，特性曲線分為兩部分。第象限可以看到，特性曲線分為兩部分。第1 1部分：鍺管的反部分：鍺管的反向漏電流有一定的數(shù)值，其大小與管子的具體型號以及溫度高低有關(guān)，圖向漏電流有一定的數(shù)值，其大小與管子的具體型號以及溫度高低有關(guān)，圖中所測到的漏電流約為中所測到的漏電流約為1.0A1.0A。第。第2 2部分：當(dāng)反向電壓高于一定數(shù)值時，部分：當(dāng)反向電壓高于一定數(shù)值時，特性曲線幾乎直線下降，這就是說當(dāng)電壓超過一定的數(shù)值時，二極管的反特性曲線幾乎直線下降，這就是說當(dāng)電壓超過一定的數(shù)值時，二極管的反向電流將會急劇增大，這種情況稱為向電流將會急劇增大，這種情況稱為“擊穿擊穿”。2.2.反向偏置時的特性反向偏置時的

27、特性197.2 7.2 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管7.2.37.2.3 半導(dǎo)體二極管的主要參數(shù)半導(dǎo)體二極管的主要參數(shù) 二極管的特性除用伏安特性曲線表示外，還可以用一些數(shù)據(jù)來說明，這二極管的特性除用伏安特性曲線表示外，還可以用一些數(shù)據(jù)來說明，這些數(shù)據(jù)就是二極管的參數(shù)，它反映了二極管性能的質(zhì)量指標(biāo)，工程上必須根些數(shù)據(jù)就是二極管的參數(shù)，它反映了二極管性能的質(zhì)量指標(biāo)，工程上必須根據(jù)二極管的參數(shù)，合理地選擇和使用管子，才能充分發(fā)揮每個管子的作用。據(jù)二極管的參數(shù)，合理地選擇和使用管子，才能充分發(fā)揮每個管子的作用。 最大整流電流是指二極管長期工作在不損壞的條件下，允許通過的最最大整流電流是指二極管長期工作在不

28、損壞的條件下，允許通過的最大正向平均電流。它同大正向平均電流。它同PNPN結(jié)的面積和所用材料及散熱條件有關(guān)。一般結(jié)的面積和所用材料及散熱條件有關(guān)。一般PNPN結(jié)結(jié)的面積越大，最大整流電流就越大。的面積越大，最大整流電流就越大。I IOMOM的數(shù)值可以從半導(dǎo)體器件手冊中查的數(shù)值可以從半導(dǎo)體器件手冊中查到，一般點接觸型二極管的到，一般點接觸型二極管的I IOMOM的數(shù)值在幾十毫安以下；而面接觸型二極管的數(shù)值在幾十毫安以下；而面接觸型二極管的的I IOMOM的數(shù)值可達(dá)數(shù)百安培以上。二極管在工作時，工作電流應(yīng)小于的數(shù)值可達(dá)數(shù)百安培以上。二極管在工作時，工作電流應(yīng)小于I IOMOM，否，否則二極管發(fā)熱甚

29、至燒壞。則二極管發(fā)熱甚至燒壞。1.1.最大整流電流最大整流電流I IOMOM207.2 7.2 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管 最高反向電壓是確保二極管不被反向擊穿的最高反向工作電壓，當(dāng)加最高反向電壓是確保二極管不被反向擊穿的最高反向工作電壓，當(dāng)加在二極管的反向電壓增至某一數(shù)值時，反向電流劇增，出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。最在二極管的反向電壓增至某一數(shù)值時，反向電流劇增，出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。最高反向工作電壓（峰值）通常是擊穿電壓的高反向工作電壓（峰值）通常是擊穿電壓的1/21/2或或2/32/3。一般點接觸型二極。一般點接觸型二極管的最高反向電壓數(shù)值在管的最高反向電壓數(shù)值在10V10V以下，而面接觸型二極管最高反向電壓

30、數(shù)值可以下，而面接觸型二極管最高反向電壓數(shù)值可達(dá)數(shù)百伏。達(dá)數(shù)百伏。2.2.最高反向電壓最高反向電壓U URMRM 最大反向電流是指給二極管加最高反向工作電壓時的最大反向電流值最大反向電流是指給二極管加最高反向工作電壓時的最大反向電流值。最大反向電流越小，說明單向?qū)щ娦阅茉胶?，如果二極管的實際反向電。最大反向電流越小，說明單向?qū)щ娦阅茉胶茫绻O管的實際反向電流超過流超過I IRMRM過多，就可能引起二極管的損壞。過多，就可能引起二極管的損壞。3.3.最大反向電流最大反向電流I IRMRM217.2 7.2 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管7.2.47.2.4 常用的幾種特殊二極管常用的幾種特殊二極管

31、 除普通二極管外，還有一些特殊二極管。下面介紹一下常用的穩(wěn)壓管、除普通二極管外，還有一些特殊二極管。下面介紹一下常用的穩(wěn)壓管、發(fā)光二極管。發(fā)光二極管。 （1 1）穩(wěn)壓二極管的伏安特性）穩(wěn)壓二極管的伏安特性 普通的二極管在工作時所承受的反向電壓應(yīng)該小于二極管的反向擊穿普通的二極管在工作時所承受的反向電壓應(yīng)該小于二極管的反向擊穿電壓。但是穩(wěn)壓二極管工作于反向擊穿區(qū)，在一定的反向工作電流范圍內(nèi)電壓。但是穩(wěn)壓二極管工作于反向擊穿區(qū)，在一定的反向工作電流范圍內(nèi)穩(wěn)壓二極管不會損壞。穩(wěn)壓二極管使用特殊工藝制造的面接觸型二極管，穩(wěn)壓二極管不會損壞。穩(wěn)壓二極管使用特殊工藝制造的面接觸型二極管，從外觀上看與普通二

32、極管沒有什么區(qū)別，穩(wěn)壓二極管的符號和伏安特性曲從外觀上看與普通二極管沒有什么區(qū)別，穩(wěn)壓二極管的符號和伏安特性曲線，如線，如圖圖7.107.10所示。所示。1.1.穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管227.2 7.2 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管圖圖7.10 7.10 穩(wěn)壓二極管符號和伏安特性曲線穩(wěn)壓二極管符號和伏安特性曲線237.2 7.2 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管 （2 2）穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)）穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù) 1 1）穩(wěn)壓電壓）穩(wěn)壓電壓U UZ Z。U UZ Z是穩(wěn)壓二極管反向擊穿后的穩(wěn)定工作電壓值，如穩(wěn)是穩(wěn)壓二極管反向擊穿后的穩(wěn)定工作電壓值，如穩(wěn)壓二極管壓二極管2CW12CW1的穩(wěn)定電壓是的穩(wěn)定電壓

33、是7 78.5V8.5V。由于制造工藝不易控制，同一型號的。由于制造工藝不易控制，同一型號的穩(wěn)壓二極管，穩(wěn)定電壓值也會有一定范圍的差異。但對每一只管子來說，穩(wěn)壓二極管，穩(wěn)定電壓值也會有一定范圍的差異。但對每一只管子來說，對應(yīng)于一定的工作電流卻有一個確定的穩(wěn)定電壓值。對應(yīng)于一定的工作電流卻有一個確定的穩(wěn)定電壓值。 2 2）穩(wěn)定電流）穩(wěn)定電流I IZ Z。I IZ Z是工作電壓等于穩(wěn)定電壓時的工作電流，是穩(wěn)壓二是工作電壓等于穩(wěn)定電壓時的工作電流，是穩(wěn)壓二極管工作時的電流值。如上極管工作時的電流值。如上圖圖7.117.11中中A A、B B間是間是I IZ Z正常的工作范圍正常的工作范圍IIZ Z，

34、IIZ Z不大，穩(wěn)壓作用有限。應(yīng)用時不要超過最大耗散功率，不大，穩(wěn)壓作用有限。應(yīng)用時不要超過最大耗散功率，I IZ Z偏大，穩(wěn)定性可以偏大，穩(wěn)定性可以高一些，但功率消耗也大一些。高一些，但功率消耗也大一些。 3 3）最大耗散功率）最大耗散功率P PM M。P PM M定義為管子不致產(chǎn)生熱擊穿的最大功率損耗，定義為管子不致產(chǎn)生熱擊穿的最大功率損耗，即即P PM M=U=UZ ZI IZMZM。根據(jù)。根據(jù)P PM M和和U UZ Z可以推算出最大穩(wěn)定電流可以推算出最大穩(wěn)定電流I IZMZM=P=PM M/U/UZ Z。247.2 7.2 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管 發(fā)光二極管發(fā)光二極管(light

35、emiting diode(light emiting diode，LEDLED）是一種固態(tài)）是一種固態(tài)PNPN結(jié)器件，常用結(jié)器件，常用砷化鎵、磷化鎵等材料制成，外形如砷化鎵、磷化鎵等材料制成，外形如圖圖7.117.11所示。當(dāng)所示。當(dāng)PNPN結(jié)有正向電流流過結(jié)有正向電流流過時即可發(fā)光，它是直接把電能轉(zhuǎn)換成光能的器件，沒有熱交換過程。其電時即可發(fā)光，它是直接把電能轉(zhuǎn)換成光能的器件，沒有熱交換過程。其電路符號如路符號如圖圖7.127.12所示。所示。2.2.發(fā)光二極管發(fā)光二極管圖圖7.12 7.12 發(fā)光二極管的電路符號發(fā)光二極管的電路符號圖圖7.12 7.12 發(fā)光二極管的外形發(fā)光二極管的外形

36、257.3 7.3 半導(dǎo)體三極管半導(dǎo)體三極管7.3.17.3.1 半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)和類型半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)和類型 半導(dǎo)體三極管也稱晶體管，它半導(dǎo)體三極管也稱晶體管，它的主體也是的主體也是PNPN結(jié)，這是它與半導(dǎo)體結(jié)，這是它與半導(dǎo)體二極管的共同點。半導(dǎo)體三極管的二極管的共同點。半導(dǎo)體三極管的類型很多，目前我國生產(chǎn)的三極管類型很多，目前我國生產(chǎn)的三極管，最常見的有硅平面管和鍺合金管，最常見的有硅平面管和鍺合金管兩種結(jié)構(gòu)。無論哪種結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體兩種結(jié)構(gòu)。無論哪種結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體三極管的基本原理都是相同的，每三極管的基本原理都是相同的，每個半導(dǎo)體三極管有兩個個半導(dǎo)體三極管有兩個PNPN結(jié)，發(fā)射結(jié)，發(fā)射結(jié)和

37、集電結(jié)。從結(jié)構(gòu)形式來看，根結(jié)和集電結(jié)。從結(jié)構(gòu)形式來看，根據(jù)據(jù)P P型和型和N N型半導(dǎo)體組合方式不同，型半導(dǎo)體組合方式不同，三極管可分為三極管可分為NPNNPN型和型和PNPPNP型兩種類型兩種類型。型。圖圖7.137.13所示是它們的結(jié)構(gòu)示意所示是它們的結(jié)構(gòu)示意圖和表示符號。圖和表示符號。圖圖7.13 7.13 半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)和符號半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)和符號267.3 7.3 半導(dǎo)體三極管半導(dǎo)體三極管7.3.27.3.2 半導(dǎo)體三極管的電流放大原理半導(dǎo)體三極管的電流放大原理 半導(dǎo)體三極管具有電流放大能力，要實現(xiàn)電流放大，必須在發(fā)射結(jié)上加半導(dǎo)體三極管具有電流放大能力，要實現(xiàn)電流放大，必須在發(fā)

38、射結(jié)上加正向電壓（正向偏置），在集電結(jié)加反向電壓（反向偏置）。對于正向電壓（正向偏置），在集電結(jié)加反向電壓（反向偏置）。對于NPNNPN型管，型管，必須必須U UB BUUE E，U UC CUUB B。如圖。如圖7.147.14所示，電路中基極電源所示，電路中基極電源E EB B、基極電阻、基極電阻R RB B、基極、基極B B和和發(fā)射極發(fā)射極E E組成輸入回路；集電極電源組成輸入回路；集電極電源E EC C、集電極電阻、集電極電阻R RC C、集電極、集電極C C和發(fā)射極和發(fā)射極E E組組成輸出回路。發(fā)射極是公共電極，這種電路稱為共發(fā)射極電路。成輸出回路。發(fā)射極是公共電極，這種電路稱為共發(fā)

39、射極電路。 半導(dǎo)體三極管內(nèi)部載流子運動與電流形成過程如下半導(dǎo)體三極管內(nèi)部載流子運動與電流形成過程如下: : （1 1）發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子）發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子 （2 2）電子在基區(qū)擴散與復(fù)合）電子在基區(qū)擴散與復(fù)合 （3 3）集電區(qū)收集電子）集電區(qū)收集電子277.3 7.3 半導(dǎo)體三極管半導(dǎo)體三極管圖圖7.14 7.14 三極管中載流子的運動三極管中載流子的運動287.3 7.3 半導(dǎo)體三極管半導(dǎo)體三極管7.3.37.3.3 半導(dǎo)體三極管的伏安特性曲線半導(dǎo)體三極管的伏安特性曲線 三極管的伏安特性曲線是表示三極管各極電壓和電流之間的關(guān)系曲線。三極管的伏安特性曲線是表示三極管各極電壓和電流之間的關(guān)

40、系曲線。描述三極管特性曲線有輸入特性曲線和輸出特性曲線。這兩種特性曲線都可描述三極管特性曲線有輸入特性曲線和輸出特性曲線。這兩種特性曲線都可以通過以通過圖圖7.157.15所示的電路，采用逐點法作出。所示的電路，采用逐點法作出。圖圖7.15 7.15 三極管中載流子的運動三極管中載流子的運動29 輸入特性曲線是指集輸入特性曲線是指集射極電壓射極電壓U UCECE為一定時，為一定時，I IB B與與U UBEBE之間的關(guān)系曲線，之間的關(guān)系曲線，即即I IB B=f(U=f(UBEBE)|U)|UCECE= =常數(shù)，如常數(shù)，如圖圖7.16(a)7.16(a)所示。所示。1.1.輸入特性曲線輸入特性

41、曲線7.3 7.3 半導(dǎo)體三極管半導(dǎo)體三極管圖圖7.16 7.16 三極管的特性曲線三極管的特性曲線30 輸出特性曲線是指當(dāng)基極電流輸出特性曲線是指當(dāng)基極電流IBIB為某一固定值時，集電極電流為某一固定值時，集電極電流I IC C與集與集射極電壓射極電壓U UCECE之間的關(guān)系曲線，即之間的關(guān)系曲線，即I IC C=f=f（U UCECE）I IB B= =常數(shù)。當(dāng)取不同的常數(shù)。當(dāng)取不同的I IB B值時，可值時，可得到一組曲線，如得到一組曲線，如圖圖7.16(b)7.16(b)所示。所示。 通常根據(jù)三極管工作狀態(tài)不同，可以把輸出特性曲線劃分成通常根據(jù)三極管工作狀態(tài)不同，可以把輸出特性曲線劃分

42、成3 3個區(qū)域。個區(qū)域。 （1 1）放大區(qū)）放大區(qū) 三極管處于放大區(qū)的工作狀態(tài)的條件是發(fā)射結(jié)正向偏置、集電結(jié)反向偏三極管處于放大區(qū)的工作狀態(tài)的條件是發(fā)射結(jié)正向偏置、集電結(jié)反向偏置，這時三極管的電流能夠正常流通，即置，這時三極管的電流能夠正常流通，即I IB B0 0，U UCECE1V1V的區(qū)域。的區(qū)域。 （2 2）飽和區(qū)）飽和區(qū) 對應(yīng)于曲線組靠近縱坐標(biāo)的部分，不同對應(yīng)于曲線組靠近縱坐標(biāo)的部分，不同I IB B的特性曲線迅速下降，并且逐的特性曲線迅速下降，并且逐漸合攏成一條直線。漸合攏成一條直線。 （3 3）截止區(qū)）截止區(qū) 指指I IB B=0=0曲線以下的區(qū)域。曲線以下的區(qū)域。2.2.輸出特

43、性曲線輸出特性曲線7.3 7.3 半導(dǎo)體三極管半導(dǎo)體三極管317.3 7.3 半導(dǎo)體三極管半導(dǎo)體三極管7.3.47.3.4 半導(dǎo)體三極管的主要參數(shù)半導(dǎo)體三極管的主要參數(shù) 三極管的參數(shù)是用來表征三極管的性能優(yōu)劣的數(shù)據(jù)。也是設(shè)計電子電路三極管的參數(shù)是用來表征三極管的性能優(yōu)劣的數(shù)據(jù)。也是設(shè)計電子電路、合理選用三極管的依據(jù)，三極管的參數(shù)很多，在此主要介紹三極管的主要、合理選用三極管的依據(jù)，三極管的參數(shù)很多，在此主要介紹三極管的主要參數(shù)。參數(shù)。1.1.共發(fā)射極電流放大系數(shù)共發(fā)射極電流放大系數(shù)（1 1）共發(fā)射極直流放大系數(shù)）共發(fā)射極直流放大系數(shù)（2 2）共發(fā)射極交流放大系數(shù)）共發(fā)射極交流放大系數(shù)2.2.極

44、間反向電流極間反向電流（1 1）集電結(jié)反向飽和電流）集電結(jié)反向飽和電流I ICBOCBO（2 2）穿透電流）穿透電流I ICEOCEO327.3 7.3 半導(dǎo)體三極管半導(dǎo)體三極管3.3.極限參數(shù)極限參數(shù) 三極管的極限參數(shù)是指三極管正常工作時，電流、電壓、功率等的極限三極管的極限參數(shù)是指三極管正常工作時，電流、電壓、功率等的極限值，是三極管安全工作的主要依據(jù)。三極管的主要極限參數(shù)有如下幾項。值，是三極管安全工作的主要依據(jù)。三極管的主要極限參數(shù)有如下幾項。 （1 1）集電極最大允許電流）集電極最大允許電流I ICMCM （2 2）集）集射極反向擊穿電壓射極反向擊穿電壓U U（B BR R）C CE

45、OEO （3 3）集電極最大允許耗散功率）集電極最大允許耗散功率P PCMCM圖圖7.17 7.17 三極管的安全工作區(qū)三極管的安全工作區(qū)337.4 7.4 場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管 前面介紹的三極管前面介紹的三極管( (雙極型器件雙極型器件) )是一種電流控制器件，在電子線路中經(jīng)是一種電流控制器件，在電子線路中經(jīng)常用到的另一種半導(dǎo)體器件是場效應(yīng)晶體管。它是利用電場效應(yīng)控制多數(shù)載常用到的另一種半導(dǎo)體器件是場效應(yīng)晶體管。它是利用電場效應(yīng)控制多數(shù)載流子運動的器件，因為只有一種載流子參與導(dǎo)電，故稱單極型晶體管。它輸流子運動的器件，因為只有一種載流子參與導(dǎo)電，故稱單極型晶體管。它輸入電阻高，受溫度影響小，制造工藝簡單，便于集成化，所以發(fā)展迅速，應(yīng)入電阻高，受溫度影響小，制造工藝簡單，便于