实用电工学 李源生 第九章33

实用电工学李源生主编第九章

半导体器件和传感器

常用的半导体器件有二极管、三极管和场效应管，本章重点介绍常用半导体器件的结构，伏安特性和主要参数。半导体器件是构成电子电路的最基本单元。掌握半导体器件的特征是分析电子电路的基础。第一节半导体

导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。9.1.1半导体的三个特性1.热敏特性和光敏特性在加热或光照加强时，半导体的阻值显著下降，导电能力增强类似于导体。半导体具有热敏特性和光敏特性是由半导体的内部结构所决定的。如图9-1所示。第一节半导体2.掺杂特性如果在半导体里掺入少量外层电子只有三个的硼元素，和外层电子数是四个的硅或锗原子组成共价键时，就自然形成一个空穴，这就使半导体中的空穴载流子增多，叫空穴型半导体，简称P型半导体。如果在半导体中掺入少量外层电子为五个的磷元素，在和半导体原子组成共价键时，就多出一个电子。这种电子为多数载流子的半导体叫电子型半导体，简称N型半导体。9.1.2PN结1.PN结的形成在一块纯净的半导体晶片上,采用特殊的掺杂工艺，在两侧分别掺入三价元素和五价元素。一侧形成P型半导体，另一侧形成N型半导体，如图9-2所示。

在结合面的两侧分别留下了不能移动的正负离子，呈现出一个空间电荷区。这个空间电荷区就称为PN结。2.PN结的单向导电性

PN结正偏（P＋N－）导通，反偏（P－N＋）载止，具有单向导电性。

第一节半导体第二节半导体二极管9.2.1结构和分类二极管内部就是一个PN结，PN结具有单向导电性，所以二极管也具有单向导电性。按PN结的接触面大小，二极管可分为点接触型和面接触型。按制造所用的半导体材料，二极管可分为硅管和锗管。按不同的用途，二极管可分为普通管，整流管和开关管等。第二节半导体二极管9.2.2伏安特性和主要参数1.伏安特性一般硅管导通压降约为0.7伏,锗管导通压降约为0.3伏。除稳压二极管外，反向击穿都将使二极管损坏。2.主要参数（1）最大整流电流IF

超过IF,，二极管的PN结将过热而烧断。（2）最高反向工作电压URM

二极管一旦过压击穿损坏，失去了单向导电性。（3）最大反向电流IRM

这个电流愈小二极管的单向导电性愈好。温升时，IRM增大。第二节半导体二极管9.2.3二极管的应用利用二极管的单向导电性，可实现整流、限幅、钳位、检波、保护、开关等。1.整流电路整流电路是利用二极管的单向导电作用，将交流电变成直流电的电路。第二节半导体二极管2.限幅电路限幅电路是限制输出信号幅度的电路。第二节半导体二极管3.钳位电路钳位电路是使输出电位钳制在某一数值上保持不变的电路。设二极管为理想元件，当输入UA＝UB＝3V时，二极管VD1，VD2正偏导通，输出被钳制在UA和UB上，即UF＝3V；当UA＝0V，UB＝3V，则VD1导通，输出被钳制在UF＝UA＝0V，VD2反偏截止。第二节半导体二极管4.检波电路检波电路是把信号从已调波中检出来的电路。第二节半导体二极管9.2.4特殊二极管1.发光二极管发光二极管正偏导通时发光，反偏截止，具有单向导电并发光的特点。2.光电二极管光电二极管光照增强时，外加反偏压作用下，反向电流增加。3.光电耦合器第二节半导体二极管如果把发光二极管和光电二极管组合构成二极管型光电耦合器件。4.稳压二极管具有稳定电压的作用，工作在反向击穿区。稳压管的主要参数：（1）稳定电压UZ（2）稳定电流IZ（3）动态电阻rZ第三节晶体管三极管在模拟电子电路中其主要作用是构成放大电路。9.3.1三极管的结构和分类

结构：三个区、二个结、三个电极。分类：三极管如按结构可分为NPN型和PNP型；按所用的半导体材料可分为硅管和锗管；按功率可分为大、中、小功率管；按频率特性可分为低频管和高频管等。第三节晶体管9.3.2电流分配和放大作用三极管放大条件：发射结正偏，集电结反偏。1.发射区发射电子形成IE

2.基区复合电子形成IB3.集电区收集电子形成ICIE＝IB＋IC

IC＝IB

IE＝IB＋IC＝IB＋IB＝(1＋

)IB

三极管的电流放大作用的实质是以很小的IB控制较大的IC

。9.3.3伏安特性和主要参数第三节晶体管1.伏安特性（1）输入特性在放大区，硅管的发射结压降UBE一般取0.7V，锗管的发射结压降UBE一般取0.3V。（2）输出特性①放大区条件：发射结正偏，集电结反偏。特点：IC＝IB

，IC仅由IB决定。②截止区条件：两个PN结均反偏。特点是IB＝0、IC＝ICEO≈0，无放大作用。第三节晶体管③饱和区条件：两个PN结均正偏。特点：UCE≤1V，有IB和IC

，但IC≠IB。IC已不受IB控制，无放大作用。第三节晶体管【例9-1】在收音机的放大电路中，如果测得如图9-17中所示各管脚的电压值，问各三极管分别工作在哪个区？解：图9-17（a）UB＞UE，UB＞UC，两个PN结均正偏，三极管工作在饱和区。图9-17（b）UB＞UE，UB＜UC，发射结正偏，集电结反偏，三极管工作在放大区。图9-17（c）UB＜UE，UB＜UC，两个PN结均反偏，三极管工作在截止区。（1）电流放大系数和β

直流放大系数

交流放大系数β＝△IC／△IB≈（2）穿透电流ICEO（3）集电极最大允许电流ICM（4）集电极最大允许耗散功率PCM

P＝UCEIC

（5）反向击穿电压U(BR)CEO第三节晶体管2.主要参数第三节晶体管9.3.4光敏晶体管与霍尔元件1．光敏晶体管光敏晶体管具有两个PN结,大多数光敏晶体管基极无引线。当有光照时,一个反向偏PN结能产生几µA电流，即该PN结中激发的光电流将被放大β倍而使其导通。一般光敏晶体管壳体的顶部都用透明材料做成的集光镜,当有光照射时就会导通。

a)b)

图9-18光敏管及其符号

a）光敏二极管b）光敏晶体管第三节晶体管2．霍尔元件（1）霍尔效应金属或半导体薄片置于磁场中,当有电流流过时,在垂直于电流和磁场方向上将产生电动势,这种物理现象称为霍尔效应。（2）霍尔元件具有霍尔效应的元件称为霍尔元件，它是由霍尔片、四根引线和壳体组成的

a)b)c)d)

图9-19霍尔元件

a）外形b)结构c)符号d)基本电路第四节场效应晶体管三极管称电流控制元件；场效应管称电压控制元件。场效应管具有输入电阻高（最高可达1015Ω）、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、耗电省等优点。9.4.1绝缘栅场效应管的结构和符号第四节场效应晶体管第四节场效应晶体管9.4.2场效应管的伏安特性和主要参数使场效应管刚开始形成导电沟道的临界电压UGS（th），称为开启电压。当UGS的负值达到某一数值UGS（off）时，导电沟道消失，这一临界电压UGS（off）称为夹断电压。场效应管的主要参数：增强型MOS管的开启电压UGS（th），耗尽型MOS管的夹断电压UGS（off）低频跨导第四节场效应晶体管1．结构9.4.3结型场效应管（JFET）第四节场效应晶体管第四节场效应晶体管2．工作原理使ID≈0时的UGS反偏电压，称为该管的夹断电压，用UGS（off）表示。管子的输入电阻就是反偏的P+N结的结电阻，它可达107Ω数量级。第四节场效应晶体管9.4.4

场效应管与三极管的比较1.场效应管是以UGS控制ID，称电压控制元件；三极管是以IB控制IC

，称电流控制元件。2.场效应管的放大系数为gm，三极管的放大系数为β。3.场效应管与三极管电极的对应关系为G—B、D—C、S—E。4.绝缘栅场效应管存放时，三个电极应短接在一起，防止外界静电感应电压过高时击穿绝缘层使其损坏。焊接时，烙铁应有良好的接地，最好拔下烙铁电源插头再焊。传感器由传感元件和转换电路构成.在非电量的测量中,通常将非电量(如温度、压力、速度、位移、应变、流量、液位等)变换为电量，然后进行测量。传感器是能把这些非电量变换为电量的电器。传感器的种类繁多，常用的有电阻式、电感式和电容式。第五节感应器1、电阻式传感器电阻式传感器的基本工作原理是将被测量的变化转换成传感器元件（电阻值）的变化，再经过转换电路变成电信号输出电阻式传感器中的传感元件有应变片，半导体膜片、电位器等。图9-25金属电阻丝应变片第五节感应器2、电感式传感器电感式传感器是利用自感（自感式传感器）或互感的变化实现测量的一类传感器，它由线圈、铁心、衔铁等构成。差动式传感器是把被测量的变化转换成互感系数的变化。差动式传感器的结构和转换电路。a)