半导体器件基础

1、项目一 半导体器件基础模块一 二极管授课班级××××时间××年×月×日授课班级时 间年 月 日年 月 日年 月 日年 月 日年 月 日年 月 日年 月 日授课章节目的和要求掌握二极管工作原理及常用应用电路重点和难点二极管工作原理及常用应用电路1.1半导体与PN结自然界的物质，按导电能力的不同，可分为导体、绝缘体和半导体三大类。通常将电阻率小于10-4欧姆·厘米的物质称为导体，例如金、银、铜、铁等金属都是良好的导体。电阻率大于109欧姆·厘米的物质称为绝缘体，例如橡胶、塑料等。导电能力介于导体和绝

2、缘体之间的物质称为半导体。1.1.1半导体的基本知识常用的半导体材料有硅（Si）、锗（Ge）、砷化镓（GaAs）等。半导体除了与其他物质不同的导电能力之外，还有许多特点，如受到外界影响（光照、温度变化）或掺入杂质时，其电阻会显著变化。利用半导体的这些特性，人们可制造出各种半导体器件。图1.1 半导体原子结构图图1.2 本征半导体结构图1.本征半导体纯度很高、晶体结构完整的半导体称为本征半导体。理想的本征半导体是由单一元素构成的单晶硅。硅和锗的原子结构示意图如图1-1所示，它们的最外层电子数为4个，这层电子受原子核的束缚力较弱，称为价电子，所以硅和锗都是四价元素。如图1.1所示。在硅晶体中，价电

3、子不仅受到自身原子核的约束，同时还会受到相邻原子核的吸引。因此价电子一方面围绕自身原子核运动，另一方面又会出现在相邻原子核的轨道上，形成稳定的共价键结构。由于价电子不易摆脱原子核束缚成为自由电子，因此本征半导体导电能力较差。本征半导体晶体结构示意图如图1.2所示。(a)(b)图1.3 P型半导体结构图(a)P型半导体晶体结构图; (b)P型半导体示意图但是，如果能从外界获得能量，有少数价电子就会挣脱共价键的束缚成为自由电子。与此同时，在共价键上留下一个空位，称为空穴。由于存在空位，使附近共价键的价电子很容易过来填补，于是又留下一个新的空位。其他地方的电子又有可能来填补后一个空位。从效果上看，这

4、种电子填补空穴的运动，相当于带正电的空穴在运动一样。所以空穴是带正电的载流子。在本征半导体中，电子和空穴总是成对出现的，称为电子-空穴对。这时电子和空穴的数目总是相等的。随着温度升高，电子-空穴的数量增多，半导体的导电性增强。2.杂质半导体如果在本征半导体中掺入微量的杂质，其导电能力会显著变化。根据掺入杂质的不同，可以分为P型半导体和N型半导体。(1)P型半导体在本征半导体硅中掺入微量的三价元素硼（B），就形成P型半导体，如图1.3所示。硅原子与硼原子组成共价键时少一个电子，即产生一个空穴。每掺入一个硼原子就提供一个空穴，而相邻硅原子中的价电子有可能过来填补这个空穴，使硼原子多出一个电子，成为

5、带负电的离子。P型半导体中空穴的浓度比电子的浓度高得多，它主要靠空穴导电。(a)(b)图1.4 N型半导体结构图(a)N型半导体晶体结构图; (b)N型半导体示意图 (2)N型半导体图1.5 PN结的形成在本征半导体中掺入微量的五价元素磷（P）就形成N型半导体，如图1.4所示。拥有5个价电子的磷原子与周围的硅原子组成共价键时，会多出一个价电子，这个电子很容易成为自由电子，所以N型半导体中电子的浓度比空穴的浓度高得多，它主要靠电子导电。1.1.2 PN结及单向导电性1PN结的形成当采用某种方法使半导体中一部分区域成为P型，另一部分区域成为N型半导体时，其交界上就会形成一个很薄的空间电荷区，如图1

6、.5所示。由于交界面两侧存在载流子浓度差，P区中的多数载流子（空穴）就要向N区扩散；同样，N区的多数载流子（电子）也向P区扩散。在扩散中，电子与空穴复合，因此在交界面上，靠N区一侧就留下不可移动的正电荷离子，而靠P区一侧就留下不可移动的负电荷离子，从而形成空间电荷区。在空间电荷区产生一个从N区指向P区的内电场(自建电场)。随着扩散的进行，内电场不断增强。内电场的加强又反过来阻碍扩散运动，但却使P区的少数载流子电子向N区漂移，N区的少数载流子空穴向P区漂移。当扩散和漂移达到动态平衡时，即扩散运动的载流子数等于漂移运动的载流子数时，就形成一定厚度的空间电荷区，称其为PN结。在这个空间电荷区内，能移

7、动的载流子极少，故又称为耗尽层或阻挡层。2PN结的单向导电性PN结外加正向电压（称为正向偏置），即电源正极接P区，负极接N区，如图1.6（a）所示。这时，外电场方向与内电场方向相反，内电场被削弱，空间电荷区变薄，多数载流子的扩散运动大大超过少数载流子的漂移运动。同时电源的不断向P区补充空穴，向N区补充电子，其结果使电路中形成较大的正向电流，PN结处于正向导通状态。PN结外加反向电压（称为反向偏置），就是将电源的正极接N区，负极接P区，如图1.6(b)所示。这时外电场方向与内电场方向一致，空间电荷区变厚，多数载流子的扩散运动受到阻碍，但少数载流子的漂移运动得到加强。由于少数载流子的数目很少，故只

8、有很小的电流通过，PN处于几乎不导电的截止状态。综上所述，PN结正向偏置时，处于导通状态，有较大电流通过；PN结反向偏置时，处于截止状态，反向电流很少，这就PN结的单向导电性。图1.6 PN结的单向导电性(a)正向导通;(b)反向截止1.2 半导体二极管半导体二极管简称二极管，是一种非线性半导体器件。它具有单向导电特性，可用于整流、稳压、检波、限幅等场合。1.2.1二极管的结构二极管是在PN结的外面装上管壳，再引出两个电极而做成的。从P区引出的电极称为阳极（正极）；从N区引出的电极称为阴极（负极）。常见二极管的外形如图1.7(a) 所示，二极管的结构，图形符号如图1.7(b) 所示。二极管的类

9、型很多，按制造二极管的材料来分，有硅二极管和锗二极管；按用途来分，有整流二极管，开关二极管，稳压二极管等；按结构来分，主要有点接触型和面接触。点接触型二极管的PN结面积小，结电容也小，因而不允许通过较大的电流，但可在大高频下工作。而面接触型的二极管由于PN结面积大，可以通过较大的电流，但只在较低频率下工作。(a)(b)(c)（d）图1.7 二极管的结构类型及外形（a） 二极管的实物图 （b）二极管的点接触型结构（c）二极管的面接触型结构 (d) 二极管的图形符号1.2.2二极管的特性二极管两端电压与通过二极管电流之间的关系曲线称为二极管的伏安特性，如图1.8 所示。伏安特性表明二极管具有单向导

10、电特性。图1.8 二极管伏安特性曲线1.正向特性当加在二极管的正向电压数值较小时，由于外电场不足以克服内电场对多数载流子扩散运动的阻力，正向电流几乎为零，二极管不导通。在特性曲线上对应的这部分区域称为“死区”。死区电压的大小与材料的类型有关，一般硅二极管为0.5伏左右；锗二极管为0.1伏左右。当正向电压大于死区电压时，外电场削弱了内电场对扩散运动的阻力，正向电流增大，二极管导通。这时，正向电压稍有增大，电流会迅速增加，电压与电流的关系呈现指数关系。图中曲线显示，管子正向导通后其管压降很小（硅管为0.60.7V，锗管为0.20.3V），相当于开关闭合。2.反向特性当二极管加反向电压时，外电场增强

11、了内电场对扩散运动的阻力，扩散运动很难进行，但少数载流子在这两个电场的作用下很容易通过PN结，形成很小的反向电流。由于少数载流子的数目很少，即使增加反向电压，反向电流仍基本保持不变，故称此电流为反向饱和电流。所以，如果给二极管加反向电压，二极管将处于截止状态，这时相当于开关断开。如果继续增加反向电压，当超过UB时，反向电流急剧增大，这种现象称为反向击穿。UB为反向击穿电压。反向击穿后，如果不对反向电流的数值加以限制，将会烧坏二极管。所以普通二极管不允许工作在反向击穿区。1.2.3二极管的参数为了正确、合理地使用二极管，必须了解二极管的主要参数。1.最大整流电流IF最大整流电流是指二极管长期运行

12、时，允许通过管子的最大正向平均电流。因为电流通过PN结要引起管子发热，电流太大，发热量超过限度，就会使PN结烧坏。2.反向击穿电压URM指允许加在二极管上的反向电压的最大值。一般手册上给出的最高反向工作电压约为击穿电压的一半，以确保管子安全运行。3.反向饱和电流IS指在室温下，二极管两端加上规定反向电压时的反向电流。其数值愈小，说明二极管的单向导电性愈好。硅材料二极管的反向电流比锗材料二极管的反向电流要小。另外，二极管受温度的影响较大，当温度增加时，反向电流会急剧增加，在使用需要加以注意。二极管参数还有最高工作频率、正向压降、结电容等，此处不再说明。表1.1 国外1N系列普通二极管和主要技术参

13、数 主要技术参数 型号最高反向工作电压（V）最大整流电流（A）最在正向压降（V）反向电流（A）1N40015011101N400210011101N400440011101N4007100011101N540110031.2101N540440031.2101N540780031.2101N5408100031.2101.2.4特殊二极管电子设备中除广泛使用整流二极管、开关二极管外，还常常使用一些特殊功能的二极管，下面分别予以介绍。1.硅稳压二极管稳压二极管是一种能稳定电压的二极管，如图1.9为它的伏安特性及符号图。其正向特性曲线与普通二极管相似，反向特性段比普通二极管更陡些，稳压管正常工作在

14、反向击穿区AB段内。在此区段，反向电流在IZminIZmin变化时，管子两端电压变化很小，起到稳压作用。若反向电流小于IZmin时，管子将工作在特性曲线的弯曲部分，管子两端电压不能保持稳定；若反向电流大于IZman时，管子可能过热而损坏，所以在应用中，稳压管通常串联一个电阻来限制电流。图1.9 稳压管的伏安特性稳压管有以下几个主要参数（1）稳定电压UZ 是指在规定测试条件下，稳压管工作在击穿区时的稳定电压值。由于制造工艺的原因，同型号稳压管的稳压值不可能都相等。但对每一个稳压管来说，对应一定的工作电流只有一个确定值，选用时应以实际测量为准。例如2CW53型硅稳压二极管,在测试电流IZ=10mA

15、时稳定电压UZ为4.05.8V。（2）最小稳定电流Izmix 指稳压管进入反击穿区时的转折点电流。稳压管工作时，反向电流必须大于Izmin，否则不能稳压。（3）最大稳定电流Izmax 指稳压管长期工作时，允许通过的最大反向电流。例如2CW53型稳压管的Izmax=41mA。在使用稳压二极管时，工作电流不允许超过Izmax，否则可能会过热烧坏管子。（4）稳定电流IZ 指稳压管在稳定电压下的工作电流，其范围在IzminIzmix之间。（5）耗散功率PZM 指稳压管稳定电压UZ与最大稳定电流Izmax的乘积。在使用中若超过这个数值，管子将被烧坏。（6）动态电阻rZ 是指稳压管工作在稳压区时，两端电压

16、变化量与电流变化量之比，即rZ=UZ/IZ，动态电阻愈小，稳压性能愈好。如图1.10为最简单的硅稳压管稳压电路，稳压管的作为稳压元件与负载RL并联，R为限流电阻。电路在正常工作时，负载RL两端的直流电压UO就等于稳压管的稳定电压。图1.10 简单的稳压管稳压电路2发光二极管发光二极管(LED)是一种能把电能转换成光能的半导体器件。它由磷砷化镓(GaAsP)、磷化镓（GaP）等半导体材料制成。当PN结加正向电压时，多数载流子在进行扩散运动的过程相遇而复合，其过剩的能量以光子的形式释放出来，从而产生一定波长的光。发光的颜色取决于所采用的半导体材料。目前使用的有红、绿、黄、蓝、紫等颜色的发光二极管。

17、发光二极管的实物图和符号如图1.11所示。(a)(b)图1.11 发光二极管(a)实物图 (b)图形符号发光二极管与指示灯相比，具有体积小、工作电压低、工作电流小、发光均匀稳定、响应速度快和寿命长等优点，因而LED是一种优良的发光器件，在各种电子设备、家用电器以及显示装置中得到广泛应用。发光二极管的正向工作电压比普通二级管高，约1V2V；反向击穿电压比普通二极管低，约5V左右。一般发光亮度与工作电流有关。发光二极管有电流驱动型和电压驱动型两类。对于电流驱动型，使用时必须加限流电阻RS，RS阻值的大小按Rs=(UUF)IF来选择。图1.12为直流电流驱动电路。在发光二极管的产品说明或相关手册中，

18、有的给出其正向电流，有的给出管子的最大电流IFM。一般IF为IFM的60%。在实际使用时，为确保发光管长期稳定工作、防止老化，管子的平均工作电流不能高于手册给出的正向电流值IF。图1.12发光二极管直流电流驱动电路表1-2 部分发光二极管的主要技术参数技术参数型号发光颜色波长(nm)最大耗散功率(mW)最大工作电流(mA)正向电压(V)反向电压(V)反向电流(A)材料封装形式BT102红70050202.5550GaPD,W,C,TBT103绿56550202.5550GaPBT104黄58550202.5550GaPBT111红65050202550GaAsPBT116-X(高亮)红6601

19、00202.55100GaAlAs3光敏二极管光敏二极管的PN结与普通二极管不同，其P区比N区薄得多。另外，为了获得光照，在其管壳上设有一个玻璃窗口。光敏二极管在反向偏置状态下工作。无光照时，光敏二极管在反向电压作用下，通过管子的电流很小；受到光照时，PN结将产生大量的载流子，反向电流明显增大。这种由于光照射而产生的电流称为光电流，它的大小与光照度有关。光敏二极管的符号和应用电路如图1.13所示图1.13光敏二极管的符号和应用电路小知识二极管器件的种类很多，了解器件的命名规律和方法，就能快速识别器件的类别及大致性能，给器件的选购，代换和使用带来很大的方便。按照国家标准的规定，国产二极管的规定由

20、五部分组成。第一部分用数额表示器件的电极数目，“2”表示二极管第二部分的拼音字表示器件的材料和极性，“A”为N型锗管，“B”为P型锗管，“C”为N型硅管，“D”为P型硅管。第三部分拼音字母表示器件类型，“P”表示普通管，“Z”表示整流管，“W”表示稳压管。第四部分的数字表示器件序号，序号不同的二极管特性不同，第五部分的拼音字母表示规格号。例如2AP1是N型锗材料普通二极管，2CZ55是N型硅材料整流二极管。小技能用万用表可以测量二极管的极性和好坏（1）用万用表的R×1K或R×100挡，分别接二极管的两个电极，在测得一个数据后，对调两表笔，再测出另一个数据。阻值小的为正向电阻

21、，从而可判断出黑表笔接的是二极管的正极，红表笔的接的是负极。（2）分别用万用表的R×1K或R×100挡测量二极管的正反向电阻，如果正向电阻较小（几千欧以下），而反向电阻较大（几百千欧以上），则说明二极管是好的；如果正反电阻都很小，说明二极管已被击穿；如果正反电阻都很大，说明二极管已断路。1.3 二极管整流电路电子设备需要稳定的直流电源供电，才能正常工作，而电网供给的都是交流电，因此必须将交流电变换成直流电，这一过程称为整流。本节主要介绍单相半波整流电路和单相桥式整流电路。1.3.1单相半波整流电路1.电路组成及工作原理图1.14为单相半波整流电路，T为电源变压器，V为整流二

22、极管，RL1为负载电阻。设变压器副边电压为 U2变压器副边电压有效值。(a)(b)图1.14 单相半波整流电路及波形在u2的正半周（0）期间，变压器副边绕组的极性是上正下负，二极管V承受正向电压导通，此时有电流i0（i0=iV）流过负载RL1 ，其压降为UL= i0RL1 ，如果忽略V的管压降uV ，则uLu2 ，负载上的电压uL与u2基本相等。在u2的负半周（2）期间，变压器副边绕组的极性变为上负下正，二极管V承受反向电压截止，此时电流i00，负载上的电压uO 0，变压器上的电压u2全部加到二极管上。从电流的第二个周期开始又重复上述过程。尽管电源变压器侧是交流电压u2，但经二极管变换后，负载

23、RL上的电压极性始终不变（上正下负），也就是负载得到的电压是直流电压。由于在一个周期内，二极管导电半个周期，负载RL只获得半个周期的电压，故称为半波整流。经半波整流后获得的是波动较大的脉动直流电。2.电压和电流计算负载上获得的是脉动直流电压，其大小用平均值Uo来衡量。流过负载电流的平均值为流过二极管的平均电流与负载电流相等。故二极管反向截止期承受的最高反向电压等于变压器副边电压的最大值，所以单相半波整流电路简单，元件少，但输出电流脉动很大，变压器利用率低。因此半波整流仅适用于要求不高的场合。1.3.2单相桥式整流电路1电路组成和工作管理图1.15为单相桥式整流电路的三种画法。它由整流变压器，四

24、个二极管和负载电阻组成。图1.15桥式整流电路的三种画法在u2的正半周（0）时，二极管V1、V3承受正向电压导通，V2、V4承受反向电压而截止，电流i0从变压器副边a端经V1、RL、V3回到b端，电流在电阻RL上产生压降UO 。如果忽略V1、V3的管压降，则UOU2 。在U2的负半周（2）时，V1、V3反向截止，V2、V4承受正向电压而导通，电流i0从变压副边b端开发经V4、RL、V2 回到a端。忽略V2、V4的管压降，负载的电压UO U2。可见，在U2的一个周期内，V1 、V3 和V2 、V4轮流导通，流过负载RL的电流i0的方向始终不变，负载的电压为单方向的脉动直流电压。波形如图1.16所

25、示。2.电流和电流计算负载的平均电压图1.16桥式整流电路波形图 =负载的平均电流在每个周期内，两组二极管轮流导通，各导电半个周期，所以每只二极管的平均电流应为负载电流的一半，即 在一组二极管正向导通期间，另一组二极管反向截止，其承受的最高反向电压变变压器副边电压的峰值桥式整流比半波整流电路复杂，但输出电压脉动比半波整流小一倍，变压器的利用率也较高，因此桥式整流电路得到广泛的应用。【例1-1】 已知单相桥式整流电路中的负载电阻RL =200，变压器副边电压有效值U2=36，试求：（1）负载上的平均电压和平均电流；（2）二极管随的最高反压和通过的平均电话，并选择二极管。解：(1) 负载上的平均电

26、压 负载上的平均电流(2)二极管承受的最高反压 二极管的平均电流选择整流二极管1N4002，其参数为IF=1A，URM=100V，满足要求。 1.4滤波电路整流电路把交流电变成脉动的直流电。这种直流电波动很大，主要是含有许多不同幅值和频率的交流成份。为了获得平稳的直流电，必须利用滤波器将交流成分滤掉。常用滤波电路有电容滤波、电感滤波和复合式滤波等。1.4.1电容滤波电路利用电容器对直流开路，对交流短路的特点，将电容与负载并联，交流成份被电容滤掉，负载便得到平滑的直流电压。图1.17为带电容滤波的单相半波整流电路。图1.17电容滤波电路当u2的正半周从零开始上升时，二极管V正向导通，电源通过二极

27、管对电容充电，电容的电压uc逐渐上升。当电源电压达到最大值，电容电压也充电到最大值。随后电源电压开始下降，由于电容电压不能突变，结果u2小于uc,二极管V承受反向电压截止。这时已充电的电容便向负载电阻放电，电容电压逐渐下降。在整个负半周期间，二极管V仍加反压截止，电容继续放电。当u2的第二个周期正半周开始时，u2小于uc，二极管V仍未导通。随着电容放电，uc逐渐下降，到曲线B点后，u2大于uc，V重新导通。如此不断重复，负载上就得一个比较平稳的直流电压。显然，时间常数RLC越大，放电越慢，负载得到的电压越平稳，滤波效果越好。因此，实用上通常选择容量较大的电解电容作为滤波电容。滤波电容按以下公式

28、估算：T为交流电周期电路接入滤波电容后，输出的平均电压增大，通常按下式估算图1.18 为桥式整流电容滤波电路。它的工作原理与半波整流相同。差别在于桥式电路每半个周期电容有一次充放电过程，因此输出电压的脉动更小，更平滑。滤波电容和输出电压按下式估算 图1.18 桥式整流电容滤波电路电容滤波电路虽然简单,但输出直流电压的平滑程度与负载有关。当负载减小时，时间常数RLC减小，输出电压的纹波增大，所以它不适用于负载变化较大的场合。电容滤波也不适用于负载电流较大的场合，因为负载电流大（RL较小），这时只有增大电容的容量，才能取得好滤波效果。但电容容量太大，会使电容体增大，成本上升，而且大的充电电流也容易

29、引起二极管损坏。【例1-2】 已知单相桥式整流电容滤波电路中的负载电阻RL=100，输出电压UO=12V，交流电源频率f =50HZ，试确定整流变压器的副边电压，并选择整流二极管和滤波电容。解： 由UO=1.2U2 得变压器副边电压有效值二极管的平均电流二极管承受的最高反压选用1N4001，其参数为IF =1A，URM =50V滤波电容由式RLC=（35）T/2估算，取5倍系数选择容易为680F，耐压为50V的电解电容，1.4.2电感滤波电路图1.19电感滤波电路利用电感线圈交流阻抗很大，直流电阻很小的特点，将电感线圈与负载电阻R串联，就组成电感滤波电路。如图1.19 所示。整流电路输出的脉动

30、直流电压中的直流成份在电感线圈上形成的压降很小，而交流成份却几乎全都降落在电感上，负载电阻上得平稳的直流电压。电感量越大，电压越平稳，滤波效果越好。但电感量大会引起电感的体积过大，成本增加，输出电压下降。电感滤波适用于输出电流大、负载经常变动的场合，其缺点是体积大、易引起电磁干扰。1.4.3复式滤波电路将电容滤波和电感滤波组合起来，可获得比单个滤波器更好的滤波效果，这就复式滤波器。常见有型和型两类复合滤波器。(a)(b)图1.20复合滤波器(a)型滤波器 (b)型滤波器1型滤波器为了减小负载电压的脉动程度，在电感线圈后面再接电容，如图1.20（a）所示，这样先经过电感滤波，去掉大部分交流成份，

31、然后再经电容滤波，滤除剩余的交流成分，使负载电阻得到一个更平滑的直流电压，这种电路性能与电感滤波电路基本相同。2型滤波器图1.20(b)为型滤波器，它是在电感的前后各并联一个电容。整流器输出的脉动直流电先经过C1滤波，再经过电感L和电容C2滤波，使交流成分大大降低，在负载得到平滑的直流电压。模块二 三极管授课班级××××时间××年×月×日授课班级时 间年 月 日年 月 日年 月 日年 月 日年 月 日年 月 日年 月 日授课章节目的和要求掌握三极管基本工作原理、种类及其应用；掌握三极管的识别、检测及使用方法。重点和

32、难点三极管工作原理及常用应用电路2.1 半导体三极管半导体三极管又称晶体三极管，简称三极管，是1946年由美国科学家肖克利等人发明的，这是二十世纪最重要的成就之一。三极管内部有两种载流子（自由电子和空穴）参加导电，故属于双极型半导体器件。图2.1为三极管实物图。2.1.1三极管的结构和类型1.结构三极管是由两个PN结组成的，按结构分为NPN型和PNP型两种，如图2.2所示。图2.1 三极管实物图 （a） (b)图2.2 三极管的结构示意图和符号（a）NPN型；(b) PNP型不管是PNP型还是NPN型三极管，都有发射区、基区和集电区。从三个区引出的电极分别称为发射极e、基极b、集电极c。在三个

33、区的两两交界处形成两个PN结，分别称为发射结和集电结。三极管并不是两个PN结的简单组合，它是在一块半导体基片上制造出三个掺杂区，形成两个有内在联系的PN结。为此，在制造三极管时，应使发射区的掺杂浓度较高；基区很薄，且掺杂浓度较低；集电区掺杂浓度最低而且面积大。2.分类（1）按管芯所用的半导体材料不同，分为硅管和锗管。硅管受温度影响小，工作较稳定。（2）按三极管内部结构分为NPN型和PNP型两类，我国生产的硅管多为NPN型，锗管多为PNP型。（3）按使用功率分，有大功率管(Pc1W),中功率（Pc在0.51W），小功率(Pc0.5W)。（4）按照工作频率分，有高频管（fr3MHZ ）和低频管（f

34、r3MHZ）。（5）按用途不同，分为普通放大三极管和开关三极管。（6）按封装形式不同，分为金属壳封装管和塑料封装管、陶瓷环氧封装管。2.1.2三极管的电流放大原理1.工作电压要使三极管起放大作用，必须外接直流工作电源。外接电源应使三极管的发射结加正向偏置电压，集电结加反向偏置电压。图2.3（a）、（b）分别为NPN型和PNP型三极管电路的双电源接法。采用双电源供电，在实际使用中很不方便，这时可将两个电源合并成一个电源UCC，再将Rb阻值增大并改接到UCC上。图2.3 三极管的电源接法(a) NPN型管电源接法；(b) PNP型管电源接法2.放大原理下面以NPN型三极管为例讨论三极管的电流放大原

35、理。如图2.4所示，当发射结处于正向偏置，发射区的大量电子因扩散运动而越过发射结进入基区。同时基区的空穴也会向发射区扩散，但是数量很少，可以忽略。所以发射极电流IE主要是由发射区电子扩散运动形成的。电子进入基区后，有少数与基区的空穴复合，为了维持基区空穴数目不变，电源将不断地向基区提供空穴（实际上是抽走电子），从而在基极形成基极电流IB。进入基区的大多数电流继续向集电极扩散，在集电结反向电压的作用下很容易越过集电结到达集电极，形成集电极电流IC。发射极电流IE、基极电流 IB、集电极电流IC的关系是IE = IB + IC在三极管在制成后，三个区的厚薄及掺杂浓度便确定，因此发射区所发射的电子在

36、基区复合的百分数和到达集电极的百分数大体确定，即IC与IB存在固定的比例关系，用公式表示为IC= IB 共发射极电流放大系数如果基极电流IB增大，集电极电流IC 也按比例相应增大；反之，IB减少时，IC也按比例减小，通常基极电流IB的值为几十微安，而集电极电流为毫安级，两者相差几十倍以上。因此用很小的基极电流就可以控制很大的集电极电流，这就是三极管电流放大原理。图2.4 三极管内部载流子运动示意图2.1.3三极管的特性曲线三极管的特性曲线是指三极管各电极电压与电流的关系曲线，它是内部载流子运动的外部表现，在分析三极管放大电路时要使用特性曲线。三极管的特性曲线分为输入特性和输出特性曲线。用三极管

37、组成电路时，信号从一个电极输入，另一个电极输出，第三个极作为公共端。因为可以选用不同的电极作为公共端，所以三极管电路就有共发射极、共集电极和共基极三种不同的接法，如图2.5所示。这里以共发射极接法为例讨论电路的输入和输出特性曲线。图2.5 三极管的三种接法(a) 共发射极接法 （b）共集电极接法 （c）共基极接法1.共发射极输入特性曲线输入特性曲线是指三极管集电极与发射极之间电压UCE 一定时，基极电流IB与基极、发射极之间电压U BE的关系曲线，即IB = f(U BE)| UCE = 常数（a）（b）图2.6 三极管的特性曲线（a）输入特性；（b）输出特性当UCE =0（C、E极短接），发

38、射结和集电结相当于两个正向接法的二极管相并联，这时得到的特性曲线和二极管的正向伏安曲线很相似，如图2.6(a)所示。当UCE 0时，曲线将向右移。这是因为集电结加反向电压后，集电结吸引电子的能力增强，使得从发射区进入基区的电子更多地流向集电区，所以在相同的U BE下IB 要减小，曲线也就相应地向右移动了。UCE不同，对应的输入特性曲线应有所不同，但实际上UCE 1V以后，所有的特性曲线几乎是重合的。这是因为UCE1V后，集电结已将发射区发射的电子中的大部份拉到集电结，UCE再增加，IB也不会再明显增加了。从输入特性曲线可以看出，只有当发射结电压U BE大于死区电压时，输入回路才会产生电流IB，

39、通常硅管死区电压为0.5V，锗管为0.1V。当三极管导通后，其发射结电压与二极管的管压降相同，硅管电压为0.60.7V，锗管为0.20.3V。2.共发射极输出特性曲线输出特性曲线是指在基极电流IB一定的情况下集电极电流IC与集电极、发射极之间电压UCE之间的关系，即IC = f(U CE)| IB = 常数固定IB值，每改变一个UCE值得到对应的IC值，由此绘出一条输出特性曲线。IB值不同，特性曲线也不同，所以特性曲线是一族与曲线。如图2.6(b)所示。输出特性曲线可能划分为放大区、饱和区和截止区。（1）放大区：发射结电压正向偏置且大于死区电压，集电结反向偏置，IC完全受IB控制，与UCE无关

40、。IB增值大（或减小），IC也按照比例增大（或减小），三极管具有电流放大作用，所以称这个区域为放大区。（2）截止区：IB = 0的特性曲线与横轴之间的区域称为截止区。其特点是三极管的发射结电压小于死区电压或反向偏置，基极电流IB =0，集电极电流IC等于一个很小的穿透电流ICEO。在截止区，三极管是不导通的。（3）饱和区：发射结和集电结都处于正向偏置，IC不受IB影响的控制，三极管失去电流放大作用。理想状态下，UCE = 0。【例2-1】测得电路中三极管各电极的电位如下所示，判断其工作状态。（1）NPN型管 1V、0.3V、3V(2) PNP型管 0.2V、0V、0V解：多数NPN型三极管由硅

41、材料制成，PN结的导通压降为0.60.7V；而多数PNP型三极管由锗材料制成，PN结的导通压降为0.20.3V，由此可以判断（1）题的三极管处于放大状态，（2）题的三极管处于饱和状态。2.1.4三极管的主要参数三极管的参数是用来表征其性能和适用范围的，了解这些参数是合理选用三极管的前提。三极管的主要参数有以下几个。1.共发射极电流放大系数交流电流放大系数 直流电流放大系数 它是集电极电流与基极电流之比，它表示三极管的电流放大能力。通常有交流电流放大系数和直流电流放大系数之分。由于它们在数值上比较接近，为了使用方便，常认为两者相等。值可以用仪器测量，也可以直接从输出特性曲线上求取，其数值在201

42、50之间。太小放大能力差，太大了管子性能不稳定。2.极间反向电流(1)集电极反向饱和电流ICBO 指发射极开路时，集电结加反向电压时形成的反向电流。ICBO越小，管子性能越好。另外，ICBO受温度影响较大，使用时必须注意。(2）穿透电流ICEO 是指基极开路时，集电极与发射极之间的反向电流。ICEO对放大不起作用，还会消耗无用功率，引起管子工作不稳定，因此，希望ICEO越小越好。ICEO与ICBO关系如下：ICEO =（1+）ICBO3极限参数(1）集电极最大允许电流ICM 指三极管的参数变化不超过允许值时集电极允许的最大电流。当管子的集电极电流超过ICM时，管子性能将显著下降，甚至可能烧坏管

43、子。(2)集电极最大允许损耗PCM 指三极管长期工作时最大允许损耗的功率。由于PCM = UCEIC ，三极管工作时，大部功率消耗在集电结上，引起集电结温度升高。过高的结温将损坏三极管，PCM就是根据最高允许结温度定出的，使用中三极管的实际功率损耗PC不应超过PCM。需要指出的是PCM与管子的散热条件和环境温度有关，通过散热片改善散热条件或降低环境温度均可以提高PCM。(3)极间反向击穿电压 三极管各电极间的反向电压超过一定值，都会引起管子击穿。最常用的三极管的反向击穿电压是BUCEO和BUCBO。BUCEO是指基极开路时，集电极与发射极之间的反向击穿电压。BUCBO是指当发射极开路时，集电极

44、与基极之间的反向击穿电压。BUCEO和BUCBO均可在手册中查到。ICM、PCM、BUCEO三个极限参数决定了三极管的安全工作区，如图2.7所示。在使用管子时，不能超过上述三个极限数值，也不允许其中两个参数同时达到极限值。图2.7 三极管的安全工作区需要指出的是，温度对三极管的所有参数都有影响，尤其对ICBO，UBE和三个参数。（1）ICBO随温度升高而急剧增加。当温度升高时，基区和集电区产生的电子空穴对增多，导致ICBO上升，温度硅管的ICBO受温度影响比锗管大，但硅管的ICBO在数值上较小，因此硅管工作比锗管稳定。（2）UBE随温度升高而减小。当温度升高时，大多管的UBE减小2.5mV。（

45、3）随温度升高而增大。温度每升高10C，要增加0.5%1.0%左右。表2.1列出常用小功率三极管的参数主要技术参数型号PCM/mWBUCEO/VBUCBO/VBUEBO/VICM/mAUCESfT/MHz类型9012500253055001200.6100PNP9013500253055001200.6100NPN9014400455051002000.3150NPN9015400455051002000.3150PNP90183000530530800.51100NPN805010002540615001200.6100NPN805510002540615001200.6100PNPC181

46、5400506061501000.3100NPNA1015400506061501000.3100PNP2N55516251601806600800.2100NPN2N54016251601806600800.2100PNP2.1.5特殊三极管1.光电三极管光电三极管也称为光敏三极管。当光照到三极管的PN结时，在PN结附近产生的电子空穴对数量随之增加，集电极电流增大，集电极电阻减小，其等效电路和电路符号如图2.8所示。2.达林顿三极管达林顿三极管又称复合管。这种复合管是由两只输出功率大小不等的三极管按一定接线规律复合而成。根据内部两只三极管复合的不同，有四种形式的达林顿三极管。复合以后的极性取

47、决于第一只三极管，例如若第一只三极管是NPN型三极管，则复合以后的极性为NPN型。达林顿三极管主要作为功率放大管和电源调整管，如图2.9所示。3.带阻尼管的行输出三极管这种三极管是将阻尼二极管和电阻封装在管壳内。在基极与发射极之间接入一只小电阻，可提高管子的高反向耐压值。将阻尼二极管装在三极管的内部，减小了引线电阻，有利于改善行扫描线性和减小行频干扰。带阻尼管的三极管主要用作为电视机行输出三极管。图2.8 光电三极管的等效电路与符号(a)等效电路;(b)符号图2.9 达林顿三极管图2.10 带阻尼管三极管小知识1中国的半导体三极管是按国家标准（GB249-74）命名的，分立器件型号由五部分组成

48、：第一部分表示器件电极数目；第二部分表示器件的材料和极性；第三部分表示器件的类型；第四和第五部分表示器件序号和规格号。例如3DG100A的前三位数分别表示三极管、NPN型硅材料、高频小功率管，100和A分别表示序号和规格号。2从国外进口的三极管大多数来自北美、日本、韩国和欧盟等国家和地区。常见有2N××××、2SC×××、2SD×××等系列。小技能1三极管类型的判断将万用表拨到R×100或R×1K挡上。红笔表任意接触三极管的一个电极，黑笔表依次接触另外两个电极，分别测量它们之

49、间的电阻值。若红表笔接触某个电极时，其余两个电极与该电极之间均为低电阻时，则该管为PNP型，而且红表笔接触的电极为B极。与此相反，若同时出现几十至上百千欧大电阻时，则该管为NPN型，这时红表笔所接触的电极为B极。当然也可以黑笔表为基准，重复上述测量过程。若同时出现低电阻的情况，则管子为NPN型；若同时出现高阻的情况，则该管为PNP型。2电极判断在判断出管型和基极的基础上，任意假定一个电极为C极，另一个为E极。对于PNP型管，令红表笔接C极，黑表笔接E极，再用手碰一下B、C极，观察一下万用表指针摆动的幅度。然后将假设的C、E极对调，重复上述的测试步骤，比较两次测量中指针的摆动幅度，测量时摆动幅度

50、大，则说明假定的C、E极是对的。对于NPN型管，则令黑表笔接C极，红表笔接E极，重复上述过程。模块三 场效应管授课班级××××时间××年×月×日授课班级时 间年 月 日年 月 日年 月 日年 月 日年 月 日年 月 日年 月 日授课章节目的和要求掌握场效应管基本工作原理、种类及其应用；掌握场效应管的识别、检测及使用方法。重点和难点场效应管工作原理及常用应用电路3.1场效应管场效应是指半导体材料的导电能力随电场的改变而变化的效应。前面介绍的半导体三极管是通过基极电流控制输出电流的器件，为电流控制型器件。场效应管则是利

51、用输入电压产生电场效应来控制输出电流的，属于电压控制型器件。3.1.1 场效应管的特点和分类三极管在工作时，有两种载流子参与导电（电子与空穴），称为双极型晶体管；而场效应管工作时，只有一种载流子参与导电（电子或空穴），所以称为单极型晶体管。场效应管的外形与三极管相似，如图3.1所示。图3.1场效应管实物图图3.2场效应管分类根据场效应管的结构不同，可以分为结型场效应管（JFET）和绝缘栅型场效应管（MOSFET）两种。结型场效应管是利用半导体内电场效应工作的。根据其体内的导电沟道所用的材料不同，分为N沟道和P沟道两种，它的输入阻抗高达10M。绝缘栅型场效应管又称为金属氧化物半导体场效应管（简称

52、MOS管），它是利用半导体表面的电场效应工作的。绝缘栅场效应管分为增强型和耗尽型，而每一种根据其导电沟道的不同又分为N沟和P沟道两类，如图3.2所示。3.1.2 N沟道耗尽型绝缘栅场效应管1结构及符号图3.3为N沟道耗尽型绝缘栅场效应管的结构示意图，它以一块低掺杂浓度的P型硅片作衬底，用扩散的办法形成两个高掺杂浓度的N型区（用N+表示），并引出两个电极分别作为漏极D和源极S。在P型硅表面上生长一层很薄的SiO2绝缘层，再覆盖一层金属薄层，并引出一个电极作为场效应管的栅极G。另外，从衬底引出一个引线B，引线B一般在制造时就与源极S相连。由于栅极G与源极S、漏极D及P型衬底之间是完全绝缘的，故称为

53、绝缘栅器件。(a)(b)(c)图3.3 绝缘栅场效应管的结构示意图和符号（a）结构 （b）N沟道图形符号 (c) P沟道图形符号2工作原理制造管子时，预先在SiO2绝缘层中掺入大量的正离子。在正离子产生的正向电场作用下，P型衬底中的空穴被排斥并移到衬底的下方，电子则被吸引到衬底与SiO2绝缘层的交界面上来，形成N型薄层，称为反型层。反型层将两个N+区连通，形成漏极与源极之间的导电沟道如图3.4所示。此时，若在漏、源极之间加上正向电压UDS，则电子便从源极经N沟道（反型层）向漏极漂移，形成漏极饱和电流IDSS。当UGS0，即栅、源极之间加上正向电压时，由于管子存在SiO2绝缘层，不会形成栅极电流IG，但会从沟道中感应出更多的负电荷，导电沟道变宽，漏极电流ID大于漏极饱和电流IDSS。当UGS0，即栅、源极之间加上负电压时，N沟道的负电荷减少，导电沟道变窄，从而使ID减少。当UGS负电压增大到某一固定值时，沟道被夹断，ID=0，此时的UGS电压称为夹断电压，用UGS(off)或UP表示。图3.4 N沟道耗尽型绝缘栅管的工作原理3特性曲线（1）转移特性曲线转移特性表示漏极电压UDS为一定值时，漏极电流ID与栅源电压UGS之间的关系，即转移特性表示UGS对ID的控制能力，反映了管子的放大作用。如图3.5（a）所示