城市轨道交通电工电子技术单元6 常用半导体器件

单元6.常用半导体器件单元学习目标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一．半导体基础知识半导体——导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。由原子组成，具有晶体结构。

(a)硅晶体的空间排列(b)共价键结构平面示意图(c)1.本征半导体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2.杂质半导体

(1)N型半导体

(2)P型半导体

在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质后的本征半导体称为杂质半导体。(1).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(2).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。

P型半导体的结构示意图杂质半导体简化模型

3.PN结

PN结是半导体的核心。 将P型半导体和N型半导体使用特殊工艺连在一起时，N区中浓度高的自由电子会扩散到P区，并与P型半导体中的空穴复合。同时P区中浓度高的空穴会扩散到N区，并与N型半导体中的自由电子复合。在P型半导体和N型半导体的交界面上，可自由移动的空穴和自由电子相互中和形成了一个具有特殊电性能的薄层，称为空间电荷区，即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。(1).PN结的正向特性

外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响,PN结呈现低阻性。(2).PN结的反向特性

外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，由于漂移电流本身就很小，PN结呈现高阻性。在一定温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。

PN结外加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。

二.半导体二极管

1.半导体二极管的结构

半导体二极管就是由一个PN结加上相应的电极引线及管壳封装而成的。由Ｐ区引出的电极称为阳极，Ｎ区引出的电极称为阴极。因为PN结的单向导电性，二极管导通时电流方向是由阳极通过管子内部流向阴极。二极管的型号组成及其意义第一部分（数字）第二部分（拼音）第三部分（拼音）第四部分（数字）第五部分（拼音）电极数材料和极性类型序号规格号（表示反向峰值电压的档次）符号意义符号意义符号意义2二极管AN型锗材料P普通管BP型锗材料Z整流管CN型硅材料W稳压管DP型硅材料U光电管K开关管C参量管L整流堆S隧道管常见的二极管有2AP7、2DZ54C等，根据表可自行判断其意义。2.半导体二极管的伏安特性及其检测二极管的电流与电压的关系曲线，称为二极管的伏安特性。其伏安特性曲线如图所示。二极管的核心是一个PN结，具有单向导电性，其实际伏安特性与理论伏安特性略有区别。(1).正向特性位于图中第一象限。当外加正向电压很低时，管子内多数载流子的扩散运动没形成，正向电流几乎为零。当正向电压超过一定数值时，有明显的正向电流，这个电压值称为死区电压，硅管的死区电压约为0.5V，锗管的死区电压约为0.2V。当正向电压大于死区电压后，正向电流迅速增长，曲线接近上升直线，在伏安特性的这一部分，当电流迅速增加时，二极管的正向压降变化很小，硅管正向压降约为0.6～0.7V，锗管的正向压降约为0.2～0.3V。二极管的伏安特性对温度很敏感，温度升高时，正向特性曲线向左移，如图所示，这说明，对应同样大小的正向电流，正向压降随温升而减小。研究表明：温度每升高10C，正向压降减小2mV。(2).反向特性

位于图中第三象限。二极管加上反向电压时，形成很小的反向电流，且在一定温度下它的数量基本维持不变，因此，当反向电压在一定范围内增大时，反向电流的大小基本恒定，而与反向电压大小无关，故称为反向饱和电流，一般小功率锗管的反向电流可达几十μA，而小功率硅管的反向电流要小得多，一般在0.1μA以下，当温度升高时，少数载流子数目增加，使反向电流增大，特性曲线下移，研究表明，温度每升高100C，反向电流近似增大一倍。3.半导体二极管的主要参数

(1).最大整流电流IDM—二极管长期工作时，允许通过的最大的正向平均电流。

(2).反向工作峰值电压VRM—管子不被击穿所允许的最大反向电压。

(3).反向峰值电流IRM—二极管加反向电压VRM时的反向电流值。

(4).最高工作频率ƒM—二极管单向导电作用开始明显退化的交流信号的频率。

4.二极管的应用电路(1).整流所谓整流,就是将交流电变为单方向脉动的直流电。利用二极管的单向导电性可组成单相、三相等各种形式的整流电路。(2).钳位利用二极管正向导通时压降很小的特性，可组成钳位电路。若A点UA=0，二极管VD可正向导通，其压降很小，故F点的电位也被钳制在0V左右，即UF≈0(3).限幅利用二极管正向导通后其两端电压很小且基本不变的特性，可以构成各种限幅电路，使输出电压幅度限制在某一电压值以内。

设输入电压Ui=10sinωt(V),Us1=Us2=5V。当-Us2<Ui<Us1时，VD1、VD2都处于反向偏置而截止，因此I=0,Uo=Ui。当Ui>Us1时，VD1处于正向偏置而导通，使输出电压保持在Us1。Ui<-Us1时，VD2处于正向偏置而导通，输出电压保持在-Us2。由于输出电压uo被限制在+Us1与-Us2之间，即|Uo|≤5V,好像将输入信号的高峰和低谷部分削掉一样,因此这种电路又称为削波电路。(4).元件保护在电子线路中，常用二极管来保护其他元器件免受过高电压的损害。在开关S接通时，电源E给线圈供电，L中有电流流过，储存了磁场能量。在开关S由接通到断开的瞬时，电流突然中断，L中将产生一个高于电源电压很多倍的自感电动势eL，eL与E叠加作用在开关S的端子上，在S的端子上产生电火花放电，这将影响设备的正常工作，使开关S寿命缩短。接入二极管VD后，eL通过二极管VD产生放电电流i,使L中储存的能量不经过开关S放掉，从而保护了开关S。三.特殊二极管1.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。2.发光二极管是一种将电能直接转换成光能的固体器件，简称LED。发光二极管和普通二极管相似，也由一个PN结组成。发光二极管在正向导通时，由于空穴和电子的复合而发出能量，发出一定波长的可见光。光的波长不同，颜色也不同。常见的LED有红、绿、黄等颜色。发光二极管的驱动电压低、工作电流小，具有很强的抗振动和抗冲击能力。发光二极管的伏安特性和普通二极管相似，死区电压为0.9～1.1V，其正向工作电压为1.5～2.5V，工作电流为5～15mA。反向击穿电压较低，一般小于10V。不同半导体材料制造的发光二极管发出不同颜色的光，如磷砷化镓（GaAsP）材料发红光或黄光，磷化镓（GaP）材料发红光或绿光，氮化镓（GaN）材料发蓝光，碳化硅（SiC）材料发黄光，砷化镓（GaAs）材料发不可见的红外线。发光二极管的应用

电源通断指示发光二极管作为电源通断指示通常称为指示灯，在实际应用中给人提供很大的方便。发光二极管的供电电源既可以是直流的也可以是交流的，但必须注意的是，发光二极管是一种电流控制器件，应用中只要保证发光二极管的正向工作电流在所规定的范围之内，它就可以正常发光。数码管是电子技术中应用的主要显示器件，是用发光二极管经过一定的排列组成的。这是最常用的七段数码显示。要使它显示0—9的一系列数字只要点亮其内部相应的显示段即可。七段数码显示有共阳极(b)和共阴极(c)之分。数码管的驱动方式有直流驱动和脉冲驱动两种，应用中可任意选择。数码管应用十分广泛，可以说，凡是需要指示或读数的场合，都可采用数码管显示。3.光电二极管光电二极管又称光敏二极管。它的管壳上备有一个玻璃窗口，以便于接受光照。其特点是，当光线照射于它的PN结时，可以成对地产生自由电子和空穴，使半导体中少数载流子的浓度提高。这些载流子在一定的反向偏置电压作用下可以产生漂移电流，使反向电流增加。因此它的反向电流随光照强度的增加而线性增加，这时光电二极管等效于一个恒流源。光电二极管作为光控元件可用于各种物体检测、光电控制、自动报警等方面。当制成大面积的光电二极管时，可当作一种能源而称为光电池。此时它不需要外加电源，能够直接把光能变成电能。-+-+I

想一想利用特殊二极管的特性分析光电耦合器与遥控器。

四.半导体三极管1.三极管结构三极管基区很薄，一般仅有1微米至几十微米厚，发射区浓度很高，集电结截面积大于发射结截面积。使用中要注意电源的极性，确保发射结永远加正向偏置电压，三极管才能正常工作。三极管根据基片的材料不同，分为锗管和硅管两大类，目前国内生产的硅管多为NPN型（3D系列），锗管多为PNP型（3A系列）；从频率特性分，可分为高频管和低频管；从功率大小分，可分为大功率管、中功率管和小功率管。

常见三极管的外形2.三极管的电流分配与放大作用(1).三极管结构特点a.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。b.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。c.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。

上述的结构特点是三极管具有电流放大作用的内因。要使三极管具有电流的放大作用，除了三极管的内因外，还要有外部条件。三极管的发射极为正向偏置，集电结为反向偏置是三极管具有电流放大作用的外部条件。(2).三极管的电流分配关系和电流放大系数

实验得出如下结论：

IE=IC+IBIC≈IE

IC=βIB

三个电流之间的关系符合基尔霍夫电流定律，IB虽然很小，但对IC有控制作用，IC随IB改变而改变。β称为三极管的电流放大系数，它反映三极管的电流放大能力，也可以说电流IB对IC的控制能力。a.发射区向基区发射电子

电源UBB经过电阻Rb加在发射结上，发射结正偏，发射区的多数载流子——自由电子不断地越过发射结而进入基区，形成发射极电流IE。同时，基区多数载流子也向发射区扩散，但由于基区很薄，可以不考虑这个电流。因此，可以认为三极管发射结电流主要是电子流。

b.基区中的电子进行扩散与复合

电子进入基区后，先在靠近发射结的附近密集，渐渐形成电子浓度差，在浓度差的作用下，促使电子流在基区中向集电结扩散，被集电结电场拉入集电区，形成集电结电流IC。也有很小一部分电子与基区的空穴复合，形成复合电子流。扩散的电子流与复合电子流的比例决定了三极管的放大能力。

c.集电区收集电子

由于集电结外加反向电压很大，这个反向电压产生的电场力将阻止集电区电子向基区扩散，同时将扩散到集电结附近的电子拉入集电区而形成集电结主电流ICN。另外集电区的少数载流子——空穴也会产生漂移运动，流向基区，形成反向饱和电流ICBO，其数值很小，但对温度却非常敏感。各极电流满足下列分配关系：IB=IBE-ICBOIC=ICE+ICBO三极管的电流放大作用(3).三极管的特性曲线a.共射输入特性当UCE=0时的输入特性（图中曲线①）当UCE=0时，相当于集电极和发射极间短路，三极管等效成两个二极管并联，其特性类似于二极管的正向特性。

当UCE≥1V时的输入特性（图中曲线②）当UCE≥1V时，输入特性曲线右移（相对于UCE=0时的曲线），表明对应同一个UBE值，IB减小了，或者说，要保持IB不变，UBE需增加。这是因为集电结加反向电压，使得扩散到基区的载流子绝大部分被集电结吸引过去而形成集电极电流IC,只有少部分在基区复合，形成基极电流IB,所以IB减小而使曲线右移。

对应输入特性曲线某点切线斜率的倒数，称为三极管共射极接法（Q点处）的交流输入电阻，记作rbe,即b.输出特性曲线输出特性曲线是指当三极管基极电流IB为常数时，集电极电流IC与集电极、发射极间电压UCE之间的关系，即：IC=f(UCE)|IB输出特性曲线如图所示。截止区

IB=0持性曲线以下的区域称为截止区。此时晶体管的集电结处于反偏，发射结电压uBE＜0，也是处于反偏的状态。由于IB＝0，在反向饱和电流可忽略的前提下，IC也等于0，晶体管无电流的放大作用。处在截止状态下的三极管，发射极和集电结都是反偏，在电路中犹如一个断开的开关。实际的情况是：处在截止状态下的三极管集电极有很小的电流ICE0，该电流称为三极管的穿透电流，它是在基极开路时测得的集电极-发射极间的电流，不受IB的控制，但受温度的影响。饱和区在图6-21的三极管放大电路中，集电极接有电阻RC，如果电源电压UCC一定，当集电极电流iC增大时，uCE=UCC-iCRC将下降，对于硅管，当uCE降低到小于0.7V时，集电结也进入正向偏置的状态，集电极吸引电子的能力将下降，此时IB再增大，IC几乎就不再增大了，三极管失去了电流放大作用，处于这种状态下工作的三极管称为饱和。三极管截止和饱和的状态与开关断、通的特性很相似，数字电路中的各种开关电路就是利用三极管的这种特性来制作的。放大区三极管输出特性曲线饱和区和截止区之间的部分就是放大区。工作在放大区的三极管才具有电流的放大作用。此时三极管的发射结处在正偏，集电结处在反偏。由放大区的特性曲线可见，特性曲线非常平坦，当IB等量变化时，IC几乎也按一定比例等距离平行变化。由于IC只受IB控制，几乎与uCE的大小无关，说明处在放大状态下的三极管相当于一个