项目五 半导体极其应用课件

项目五-半导体及其应用知识目标1．掌握PN结单向导电特性。2．掌握二极管的分类，型号和主要参数。3．了解常用的几种特殊二极管的功能和使用常识。4．了解三极管的结构。5．掌握三极管的分类和型号，掌握三极管的电流分配和放大作用，掌握三极管的输入输出特性曲线及其三个工作区域的划分。能力目标1．掌握二极管的伏安特性和简易测试。2．掌握三极管的主要参数，并掌握三极管的简易测试。3．掌握半导体器件手册的使用方法，能按要求选管。4．会用万用表测量三极管的静态工作点，并由此判断工作状态。项目五-半导体极其应用

半导体器件是现代电子技术的重要组成部分，它具有体积小、重量轻、使用寿命长、功率转换效率高等的优点，因而得到广泛应用。一.半导体知识与ＰＮ结的形成1．半导体半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。常用半导体材料有：硅、锗、砷化镓以及大多数金属氧化物。在半导体中存在两种导电的带电物体：一种是带负电的自由电子，另一种是带正电的空穴。自由电子和空穴在外电场的作用下，都有定向移动的效应，都能运载电荷形成电流，通常称为载流子。金属导体内的载流子只有自由电子一种，而且数量很多，远远超过半导体中载流子的数量，因而金属导体的导电性能比半导体好。

2.半导体的导电性能半导体的导电特性有：热敏性、光敏性、掺杂性。热敏性表现为：当环境温度变化时，半导体导电能力明显发生改变(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。光敏性表现为：当受到光照时，导电能力明显增强；无光照时，导电能力明显减弱(可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等)。半导体的掺杂性则表现为：在纯净的半导体中掺入某些杂质（微量元素），使其变成杂质半导体，它的导电能力会发生极大的变化(可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。

3．了解三极管的结构。活动一PN结和晶体二极管项目五-半导体极其应用半导体根据内部两种载流子数量的分布情况，可分为三种类型：（1）纯净半导体（又叫本征半导体）：内部的自由电子和空穴数量相等。如：硅、锗单晶体。（2）P型半导体（又叫空穴型半导体）：内部的空穴数量多于自由电子数量。如：硅、锗单晶体中加入3价的微量硼元素。（3）N型半导体（又叫电子型半导体）：内部的自由电子数量多于空穴数量。如：硅、锗单晶体中加入5价的微量磷元素。4.PN结的形成

利用特殊的工艺，将P型半导体和N型半导体进行有机的结合，会在两者的结合面形成一个薄层，这个薄层称为空间电荷区，也就是PN结。见图5-1。

图5-1PN结的形成

6、PN结的单向导电性活动一PN结和晶体二极管项目五-半导体极其应用

图5-3二极管的图形和符号三.二极管的伏安特性晶体二极管的特性用伏安特性曲线表示。普通硅二极管的伏安特性曲线如图5-4所示，反映了流过二极管的电流随着外加电压变化的规律。当所加电压在零值附近时，二极管中流过的电流为零。当所加正向电压上升为0.5V左右时，电流开始出现并明显增大；当电压超过0.7V时，正向电流急剧增大，此时二极管导通。这个0.5V左右的正偏电压值称为硅二极管的死区电压或阈值电压（锗二极管的死区电压为0.2V左右），而0.7V左右的正偏电压值称为硅二极管的正向压降，一般硅二极管的正向压降为0.6～0.8V（锗二极管的正向压降为0.2～0.4V）。若在普通二极管上加反偏电压，反向电流随电压增大而略微增加或不增加；但当反偏电压增大到一定值时，反向电流剧增，此时PN结被击穿，这个电压称为反向击穿电压。

图5-4普通硅二极管的伏安特性曲线活动一PN结和晶体二极管项目五-半导体极其应用四.二极管的分类、主要参数1．半导体二极管的分类（1）按材料分：可分为：锗二极管、硅二极管两大类。两者性能的区别：锗管正向压降小于硅管（锗管为0.2～0.4V，硅管为0.5～0.8V）；锗管反向漏电流大于硅管（锗管约为几百毫安，硅管小于1μA）；锗管PN结可承受的温度低于硅管（锗管约为100℃，硅管约为200℃）。（2）按用途分：可分为：普通二极管和特殊二极管两大类。普通二极管包括：整流二极管、检波二极管、开关二极管等；特殊二极管包括：稳压二极管、发光二极管、光电二极管、变容二极管、阻尼二极管等。

图5-5部分二极管图形符号(3）按结构特点分：可分为：点接触型二极管和面接触型二极管。（4）按外形封装分：可分为：玻璃、金属、塑料、环氧树脂等封装形式。活动一PN结和晶体二极管项目五-半导体极其应用2．二极管的型号命名（1）国产晶体管型号命名方法国标GB249-1974规定，国产半导体二极管和三极管的型号由五部分组成，前三部分符号及含义见表5-1。具体方法见图5-6。第一部分：用数字“2”表示二极管，用数字“3”表示三极管；第二部分：用字母表示器件的材料和极性；第三部分：用汉语拼音字母表示器件的类别；第四部分：用数字表示器件序号；第五部分：用汉语拼音字母表示规格号。例一：2AP9表示N型锗材料普通二极管；例二：2CK84表示N型硅材料开关二极管。

图5-6国产半导体分立元件型号命名方法

活动一PN结和晶体二极管项目五-半导体极其应用表5-1国产半导体分立元件的型号命名方法3．晶体二极管的主要参数描述二极管性能的技术参数较多，普通二极管的参数主要有以下几项。①最大整流电流：二极管长期工作时允许通过的最大正向电流值。②最高反向电压：二极管在工作中能承受的最大反向电压值，也称耐压。一般仅为反向击电压的1/3～1/2。③最高工作频率：二极管保持良好工作特性（单向导电性）的最高工作频率。活动一PN结和晶体二极管第一部分第二部分第三部分数字表示电极数字母表示材料和极性用汉语拼音字母表示器件类别2：二极管A：N型锗材料B：P型锗材料C：N型硅材料D：P型硅材料P：普通管V：微波管W：稳压管C：参量管Z：整流管L：整流堆S：隧道管N：阻尼管U：光电器件K：开关管X：低频小功率（fa＜3MHz,Pc＜1W）G：高频小功率管（fa≥3MHz,Pc＜1W）D：低频大功率管（fa＜3MHz,Pc≥1W）A：高频大功率管（fa≥3MHz,Pc≥1W）T：半导体闸流管（可控整流器）Y：体效应器件B：雪崩管J：阶跃恢复管CS：场效应器件BT：半导体特殊器件FH：复合管PIN：PIN管JG：激光器件3：三极管A：PNP型锗材料B：NPN型锗材料C：PNP型硅材料D：NPN型硅材料E：化合物材料项目五-半导体极其应用（2）二极管的检测判断根据二极管正向电阻小、反向电阻大的特点，可以利用万用表检测其单向导电性,判断其极性及质量好坏。①指针式万用表检测判断A、检测将指针式万用表欧姆档选在R×100或R×1K档位，测量二极管的正、反向电阻。若使用R×1档或R×1K档，会因电流过大或电压过高而损坏管子。用万用表的红、黑表棒接触二极管的两端，如万用表指示为几百欧姆或几千欧姆以下的小阻值，则接黑表棒的一端为二极管的正极；反之若万用表指示为几百千欧的大阻值，则接红表棒的一端为二极管的正极。见图5-10

图5-10二极管引脚极性的判别B、判断如正、反向电阻均为无穷大，则表明二极管已开路损坏；若正、反向电阻均为零，则表明二极管已短路损坏。②数字式万用表检测判断由于数字式万用表二极管档检测二极管是显示二极管的正向压降值，因此检测更加方便。

活动一PN结和晶体二极管

项目五-半导体极其应用

半导体三极管又称晶体三极管，或称双极型晶体管，通常简称晶体管，它是一种控制电流的半导体器件，可用来对微弱信号进行放大和作无触点开关。它具有结构牢固、寿命长、体积小、耗电省等优点，在各个领域得到广泛应用。一.三极管的基本结构和符号

晶体三极管由两个做在一起的PN结加上相应的电极引出线再封装而成，其结构如图5-12所示。三极管的两个PN结分别称为发射结和集电结；三极管的三个区分别叫发射区、基区、集电区；三个区各引出一个电极叫发射极（e极）、基极(b极)、集电极(c极)。按内部半导体极性的不同，三极管可组成PNP型管和NPN型管，它们在符号上的区别仅仅是发射极箭头的方向不同，箭头方向代表了三极管集电极电流的正方向。见图5-11。a)PNP型管b)NPN型管图5-11晶体三极管结构及图形符号活动二晶体三极管项目五-半导体极其应用

外部条件就是要给三极管加上合适的工作电压：发射结加正向偏置电压，集电结加反向电压。如果发射结和集电结同时处于正偏，则晶体三极管处于饱和状态；若同时反偏则截止。外部条件如图5-13所示。从电位的角度看：NPN型管发射结正偏VB＞VE，集电结反偏VC＞VB；PNP型管发射结正偏VB＜VE，集电结反偏VC＜VB。图5-14三极管放大状态电源的接法图5-14展示了三极管放大工作状态电源的接法：左图中V1为NPN型管、右图中V2为PNP型管，Gc为集电极电源，Gb为基极电源（偏置电源），Rb为基极偏置电阻，Rc为集电极电阻。2．三极管的电流放大作用晶体三极管作为一种电流控制器件，主要特点是具有电流放大作用，放大时只要改变基极电流Ib就可以控制输出电流Ic。晶体三极管各级电流分配关系如图5-15所示。Ie=Ic+Ib；Ic≈β×Ib。式中β为电流放大倍数。图5-15三极管电流分配及参考方向活动二晶体三极管项目五-半导体极其应用

晶体三极管可以构成放大器、振荡器等各种功能的电路。在实际放大电路中有三种连接方式（组态），如图5-16所示。图5-16三极管在电路中的三种基本连接方式三.三极管的输入、输出特性曲线三极管的特性曲线反映了三极管各电极间电压和各电极电流之间的关系，是具体分析放大电路的重要依据，也是三极管特性的主要表达形式，其中包括输入特性曲线和输出特性曲线。1．输入特性曲线输入特性是指当UC为某一固定值时，输入回路中IB和UBE之间的关系。特性曲线的测量电路如图5-17所示。输入特性曲线如图5-18所示。在输入回路中，发射极是一个正向偏置的PN结，因此输入特性就与二极管的正向伏安特性相似，不同的输出电压UCE对输入特性有不同的影响（1）当UCE增大时，曲线应右移；UCE≥2V时，UCE曲线重合。（2）当UBE0.3V时，曲线非常靠近。（3）当UBE大于发射结死区电压时，三极管产生IB，开始导通。导通后UBE的电压称为发射结正向电压或导通电压值，硅管为0.7V，锗管约为0.3V。图5-15三极管电流分配及参考方向活动二晶体三极管项目五-半导体极其应用

图5-17特性曲线测量线路

图5-18输入特性曲线

图5-19输出特性曲线活动二晶体三极管项目五-半导体极其应用1．输出特性曲线输出特性曲线是指当IB为某一固定值时，输出回路中IC和UCE之间的关系。输出特性曲线如图5-19所示。根据输出特性曲线，三极管的工作区域可以分为截止区、饱和区和放大区三种情况。（1）截止区：①IB=0，三极管截止，IB=0以下的区域。②IB=0，穿透电流IC≠0，即为ICEO。③三极管发射结反偏或两端电压为零时，三极管截止。（2）饱和区：①UCE较小的区域。②IC不随IB的增大而变化。③饱和时的UCE值为饱和压降：硅管为0.3V，锗管为0.1V。④发射结、集电结都正偏，三极管处于饱和。（3）放大区：①IC受IB控制，ΔIC=bΔIB，具有电流放大作用。②恒流特性：IB一定，IC不随VCB变化，IC恒定。③发射结正偏，集电结反偏，三极管处于放大状态。活动二晶体三极管表5-2放大截止饱和发射结正偏集电结反偏发射结反偏或零偏发射结正偏集电结正偏NPNUC＞UB＞UEVB≤UEUB＞UE，UC＞UEPNPUC＜UB＜UEVB≥UEUB＜UE，UC＜UE表5-2项目五-半导体极其应用四.三极管的分类和主要参数1．三极管的分类（1）按材料分类：可分为硅三极管和锗三极管。（2）按导电类型分类：可分为PNP型和NPN型，锗三极管多为PNP型、硅三极管多为NPN型。（3）按封装形式分类：可分为金属封装和塑料封装。（4）按用途分类按工作频率可分为：高频（fT＞3MHz）三极管、低频（fT＜3MHz）三极管和开关三极管；按工作功率可分为：大功率（Pc＞1W）三极管、中功率（0.5w＜Pc＜1W）三极管和小功率（Pc＜0.5W）三极管。三极管的外形及图形符号见图5-20所示。活动二晶体三极管图5-20部分常用三极管外形图及图形符号项目五-半导体极其应用

扩音机是应用非常广泛的电子设备。影剧院、会议场所等要用扩音机，家庭影院，电脑声卡音箱、激光唱片（CD）有源音箱、便携式高音喇叭等设备的核心也是扩音机。话筒把声音转换为微弱的电信号，经扩音机放大后，变成大功率的电信号，推动扬声器还原为强大的声音信号。这些都是电子技术在音频放大领域的应用典型。一.基本放大电路用三极管组成放大器时，根据公共端（电路中各点电位的参考点）的不同，可有三种连接方式，即共发射级电路，共集电极电路和共基极电路。图5-22所示是应用最广的共发射级基本放大器。图5-21共发射极基本放大器图5-21所示为阻容耦合式共发射极基本放大器。电路中各元件的作用分别如下所述。1．三极管T它是放大器的核心，起电流控制作用，可将微小的基极电流变化量转化成较大的集电极电流变化量。活动三三极管基本放大电路项目五-半导体极其应用2．基极偏置电阻RBEB经RB为三极管提供合适的基极电流IB（称基极偏置电流）。以后会看到，IB的大小直接影响放大器的工作状态。3．集电极负载电阻RC其作用是将集电极电流的变化量变化成集电极电压的变化量。4．耦合电容C1和C2其作用有两点：一是隔直流，使三极管中的直流电流与输入端之前的以及输出端之后的直流电路隔开，不受它们的影响；二是通交流，当C1、C2的电容量足够大时，它们对交流信号呈现的容抗很小，可近似认为短路，这样就可使交流信号顺利地通过。在低频范围内，C1和C2应选用容量较大的电解电容器，一般为几微法至几十微法。若信号频率较高，则可选用小容量的电容量。信号源和负载不是放大器的组成部分，但它们对放大器有影响。必须注意，电路中的负载电阻RL并不一定是一个实际的电阻器，而是表示某种用电设备，如仪表、扬声器、显像管、继电器或下一级放大电路等。二.射极输出器

共集电极放大电路也是一种基本放大电路，从其交流通路图可见，集电极是输入输出回路的公共端，所以是共集电极电路；又因为从发射极输出信号，亦被称为射极输出器。其电路结构如图5-22所示，交流电路图如图5-23所示。活动三三极管基本放大电路项目五-半导体极其应用

图5-24多级放大电路的组成方框图根据信号源和负载性质的不同，对各级放大电路的要求亦不尽相同。其第一级被称为输入级（或前置级），要求有尽可能高的输入电阻和低的静态工作电流；中间级主要提高电压放大倍数；推动级（或激励级）输出一定信号幅度去推动功率放大电路工作2、多级放大电路的耦合形式两个单管放大电路之间的连接称为耦合。目前在线性放大电路中常用以下三种耦合方式：(1)阻容耦合前后级通过耦合电容将两级放大电路连接起来，称为阻容耦合，如图5-25所示。图5-25阻容耦合多级放大电路活动三三极管基本放大电路项目五-半导体极其应用(2)变压器耦合由于变压器能传送交流信号，因此可以利用变压器进行耦合，如图5-26所示。

图5-26变压器耦合多级放大电路(3)直接耦合为了使直流信号能够顺利传输，必须消除耦合电路中的隔直作用，采用直接耦合方式就可以实现这一要求，如图5-27所示。由于它能够传输直流信号，所以直接耦合多级放大电路也被称为直流放大电路。图5-27直接耦合多级放大电路活动三三极管基本放大电路项目五-半导体极其应用（1） 较小的非线形失真功率放大电路往往在大的动态范围内工作，电压、电流变化幅度大。这样，就可能超越输出特性曲线的放大区，进入饱和区和截止区而造成非线性失真。因此必须将功率放大电路的非线性失真限制在允许的范围内。（2） 较好的散热装置功率放大管工作时，在功率放大管的集电结上将有较大的功率损耗，使管子温度升高，严重时可能毁坏三极管。因此多采用散热板或其他散热措施降低管子温度，保证足够大的功率输出。总之，只有在保证晶体管安全工作的条件下和允许失真的范围内，功率放大电路才能充分发挥其潜力，输出尽量大的功率，同时减小功率放大管的损耗以提高效率。2、功率放大电路的分类（1）根据晶体管的静态工作点的位置不同，放大电路可分成甲类、乙类、甲乙类。甲类、乙类和甲乙类功放电路的特点如表5-