PNP型三极管 (2)课件

第5章半导体器件５.1晶体二极管５.２晶体三极管５.３场效应管５.４晶闸管第5章半导体器件学习要点二极管的工作原理、伏安特性、主要参数三极管的放大作用、输入和输出特性曲线及主要参数晶体二极管、三极管的识别与简单測試场效应管和晶闸管的工作原理、伏安特性、主要参数5.1晶体二极管概述导体：很容易导电的物体，如金、银、铜、铁等。绝缘体：不容易导电或者完全不导电的物体，如塑料、橡胶、陶瓷、玻璃等。半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质，如硅(Si)、锗(Ge)、金属氧化物等。硅和锗是4价元素，原子的最外层轨道上有4个价电子。5.1.1半导体的特性在纯净半导体硅或锗（4价）中掺入磷、砷等5价元素，由于这类元素的原子最外层有5个价电子，故在构成的共价键结构中，由于存在一个多余的价电子而产生大量自由电子，这种半导体主要靠自由电子导电，称为电子半导体或N型半导体，其中自由电子为多数载流子，热激发形成的空穴为少数载流子。（1）N型半导体自由电子

多数载流子（简称多子）空穴少数载流子（简称少子）2、Ｐ型半导体和Ｎ型半导体（2）P型半导体在纯净半导体硅或锗（4价）中掺入硼、铝等3价元素，由于这类元素的原子最外层只有3个价电子，故在构成的共价键结构中，由于缺少价电子而形成大量空穴，这类掺杂后的半导体其导电作用主要靠空穴运动，称为空穴半导体或P型半导体，其中空穴为多数载流子，热激发形成的自由电子是少数载流子。自由电子

多数载流子（简称多子）空穴少数载流子（简称少子）无论是P型半导体还是N型半导体都是中性的，通常对外不显电性。掺入的杂质元素的浓度越高，多数载流子的数量越多。只有将两种杂质半导体做成PN结后才能成为半导体器件。

多子扩散

形成空间电荷区产生内电场

少子漂移促使阻止

扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的PN结①外加正向电压（也叫正向偏置）外加电场与内电场方向相反，内电场削弱，扩散运动大大超过漂移运动，N区电子不断扩散到P区，P区空穴不断扩散到N区，形成较大的正向电流，这时称PN结处于低阻导通状态。2．PN结的单向导电性.PN结加反向电压（反向偏置）外电场内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+（1）正向特性（导通）外加正向电压小于开启电压（阈值电压）时，外电场不足以克服内电场对多子扩散的阻力，PN结处于截止状态。正向电压大于阈值电压后，正向电流随着正向电压增大迅速上升。通常阈值电压硅管约为0.5V，导通时电压0.6V；锗管阈值电压约为0.2V，导通时电压0.3V。外加反向电压时，PN结处于截止状态。1、温升使反向电流增加很快；2、反向电流

很小且稳定。

（2）反向特性（截止）5.1.3晶体二极管的伏安特性（3）反向击穿反向电压大于击穿电压（UBR）时，反向电流急剧增加。原因为电击穿。1、强外电场破坏键结构；2、获得大能量的載流子碰撞原子产生新的电子空穴对。如无限流措施，会造成热击穿而损坏。（1）最大整流电流IM：指管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。（2）反向击穿电压UBR：指管子反向击穿时的电压值。（3）最大反向工作电压URM：二极管运行时允许承受的最大反向电压（约为UBR的一半）。（4）最大反向电流IRM：指管子未击穿时的反向电流，其值越小，则管子的单向导电性越好。（5）最高工作频率fm：主要取决于PN结结电容的大小。理想二极管：正向导通时为短路特性，正向电阻为零，正向压降忽略不计；反向截止时为开路特性，反向电阻为无穷大，反向漏电流忽略不计。5.1.4半导体二极管的主要参数电路如图，求：UABV阳=－6VV阴=－12VV阳>V阴二极管导通若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=－6V否则，UAB低于－6V一个管压降，为－6.3Ｖ或－6.7V例1：

取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。在这里，二极管起钳位作用。D6V12V3kBAUAB+–２、发光二极管（LED）当发光二极管的PN结加上正向电压时，电子与空穴复合过程以光的形式放出能量。不同材料制成的发光二极管会发出不同颜色的光。发光二极管具有亮度高、清晰度高、电压低（1.5～3V）、反应快、体积小、可靠性高、寿命长等特点，是一种很有用的半导体器件，常用于信号指示、数字和字符显示。6.1.7半导体二极管的主要参数 半导体器件品种繁多，特性不一，为了便于分类和识别， 对不同类型的半导体器件应用不同的符号来表示。 （按照国家标准GB249—74规定，国产二极管的型号由五部分组成，见表5.1）5.1.6晶体二极管的型号命名

表5.1晶体二极管的型号命名例如：２ＣＫ８４表示开关硅二极管NPN型PNP型基区：最薄，掺杂浓度最低发射区：掺杂浓度最高发射结集电结BECNNP基极发射极集电极结构特点：集电区：面积最大5.2.2晶体三极管三个电极间的电流关系和电流放大作用实验表明IC比IB大数十至数百倍，因而有IC近似等于IE。IB虽然很小，但对IC有控制作用，IC随IB的改变而改变，即基极电流较小的变化可以引起集电极电流较大的变化，表明基极电流对集电极具有小量控制大量的作用，这就是三极管的电流放大作用。5.2.3三极管的特性曲线（NPN）1．输入特性曲线与二极管加正向电压类似发射极是输入回路、输出回路的公共端共发射极电路输入回路输出回路测量晶体管特性的实验线路ICEBmAAVUCEUBERBIBECV++––––++2．输出特性曲线（1）放大区：发射极正向偏置，集电结反向偏置（2）截止区：发射结反向偏置，集电结反向偏置

（3）饱和区：发射结正向偏置，集电结正向偏置IB<0以下区域为截止区，有IC0

。

当UCEUBE时，晶体管工作于饱和状态。

在放大区有IC=IB

，也称为线性区，具有恒流特性。5.3场效应晶体管（FET）

场效应管也是一种由PN结组成的半导体，因是利用电场效应来控制电流的故称为场效应管。和TTL比較，其主要特点是：輸入电阻大；受温度影响小，热稳定性好；噪声低；易于集成化。因而获得广泛运用。

按内部结构的不同，分为结型场效应管（JFET）和绝缘栅型场效应管（IGFET）二大类。最常用的绝缘栅型场效应管是由金属-氧化物-半导体材料构成，简称MOS管。由P沟道、N沟道构造的PMOS和NMOS二种类型。其中每一类型又分增强型和耗尽型两种。(CMOS是由PMOS和NMOS管组成的互补对称的集成电路）增强型：UGS=0，不存在导电沟道，ID=0。耗尽型：UGS=0，存在导电沟道，ID=0。耗尽型GSDGSD增强型N沟道P沟道GSDGSDN沟道P沟道G、S之间加一定电压才形成导电沟道在制造时就具有原始导电沟道5.3.1

绝缘栅型场效应管(IGFET)的结构耗尽型：UGS=0时漏、源极之间已经存在原始导电沟道。增强型：UGS=0时漏、源极之间才能形成导电沟道。无论是N沟道MOS管还是P沟道MOS管，都只有一种载流子导电，均为单极型电压控制器件。MOS管的栅极电流几乎为零，输入电阻RGS高达1015Ω增强型场效应管不存在原始导电沟道，UGS=0时场效应管不能导通，ID=0。UGS>0时会产生垂直于衬底表面的电场。P型衬底与绝缘层的界面将感应出负电荷层，UGS增加，负电荷数量增多，积累的负电荷足够多时，两个N+区沟通，形成导电沟道，在一定的漏、源电压UDS下，漏、源极之1、N沟道增强型场效应管的特性曲线按场效应管的工作情况可将漏极特性曲线分为两个区域。在虚线左边的区域内，漏、源电压UDS相对较小，漏极电流ID随UDS的增加而增加，输出电阻ro较小，且可以通过改变栅、源电压UGS的大小来改变输出电阻ro的阻值，这一区域称为非饱和区（可变电阻区）。在虚线右边的区域内，当栅、源电压UGS为常数时，漏极电流ID几乎不随漏、源电压UDS的变化而变化，输出电阻ro很大，UGD使沟道夹断，曲线趋于与横轴平行，在栅、源电压UGS增大时，漏极电流ID随UGS线性增大，这一区域称为饱和区（放大区）。综上所述，场效应管的漏极电流ID受栅、源电压UGS的控制，即ID随UGS的变化而变化，所以场效应管是一种电压控制器件。场效应管栅、源电压UGS对漏极ID控制作用的大小用跨导gm表示：间有ID出现。使管子由不导通转为导通的临界栅、源电压称为开启电压UGS(th)。UGS<UGS(th)时，ID=0；UGS>UGS(th)时，随UGS的增加ID增大。2、N沟道耗尽型场效应管的特性曲线耗尽型场效应管存在原始导电沟道，UGS=0时漏、源极之间就可以导电。这时在外加电压UDS作用下的漏极电流称为漏极饱和电流IDSS。UGS>0时沟道内感应出的负电荷增多，沟道加宽，沟道电阻减小，ID增大。UGS<0时，在沟道内产生出的感应负电荷减小，沟道变窄，沟道电阻增大，ID减小。UGS达到一定负值时，沟道内载流子全部复合耗尽，沟道被夹断，ID=0，这时的UGS称为夹断电压UGS(off)。5.3.3

绝缘栅型场效应管的主要参数晶闸管（SiliconControlledRectifier）

晶闸管是在晶体管基础上发展起来的一种大功率半导体器件。它的出现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域。

晶闸管也像半导体二极管那样具有单向导电性，但它的导通时间是可控的，主要用于整流、逆变、调压及开关等方面。

体积小、重量轻、效率高、动作迅速、维修简单、操作方便、寿命长、容量大（正向平均电流达千安、正向耐压达数千伏）。

优点：

5.4晶闸管G控制极5.4.1基本结构K阴极G阳极

AP1P2N1N2四层半导体晶闸管是具有三个PN结的四层结构,其外形、结构及符号如图。(c)结构KGA(b)符号(a)外形晶闸管的外形、结构及符号三个

PN

结P1P2N1N2K

GA晶闸管相当于PNP和NPN型两个晶体管的组合+KA

T2T1_P2N1N2IGIAP1N1P2IKGPPNNNPAGK5.4.2晶闸管导通的条件：1.晶闸管阳极电路(阳极与阴极之间)施加正向电压。2.晶闸管控制电路(控制极与阴极之间)加正向电压或正向脉冲(正向触发电压)。

晶闸管导通后，控制极便失去作用。

依靠正反馈，晶闸管仍可维持导通状态。晶闸管关断的条件：

1.必须使可控硅阳极电流减小,直到正反馈效应不能维持。

2.将阳极电源断开或者在晶闸管的阳极和阴极间加反相电压。正向特性反向特性URRMUFRMIG2>IG1>IG0UBRIFUBO正向转折电压IHoUIIG0IG1IG2+_+_反向转折电压正向平均电流维持电流U5.4.3伏安特性5.4.4主要参数UFRM:正向重复峰值电压（晶闸管耐压值）晶闸管控制极开路且正向阻断情况下,允许重复加在晶闸管两端的正向峰值电压。一般取UFRM

=80%UB0

。普通晶闸管UFRM

为100V—3000V反向重复峰值电压控制极开路时,允许重复作用在晶闸管元件上的反向峰值电压。一般取URRM

=80%UBR

普通晶闸管URRM为100V—3000VURRM：正向平均电流环境温度为40C及标准散热条件下，晶闸管处于全导通时可以连续通过的工频正弦半波电流的平均值。

IF：IFt2如果正弦半波电流的最大值为Im,则普通晶闸管IF为1A—1000A。UF:

通态平均电压（管压降）在规定的条件下，通过正弦半波平均电流时，晶闸管阳、阴极间的电压平均值。一般为1V左右。IH:

维持电流在规定的环境和控制极断路时，晶闸管维持导通状态所必须的最小电流。一般IH为几十~一百多毫安。UG、IG：控制极触发电压和电流室温下，阳极电压为直流6V时，使晶闸管完全导通所必须的最小控制极直流电压、电流。一般UG为1到5V，IG为几十到几百毫安。晶闸管型号及其含义导通时平均电压组别共九级,用字母A~I表示0.4~1.2V额定电压,用百位或千位数表示取UFRM或URRM较小者额定正向平均电流(IF)（晶闸管类型）P--普通晶闸管K--快速晶闸管S--双向晶闸管

晶闸管KP普通型如KP5-7表示额定正向平均电流为5A,额定电压为700V。5.4.5晶闸管的保护

晶闸管承受过电压、过电流的能力很差，这是它的主要缺点。

晶闸管的热容量很小，一旦发生过电流时，温度急剧上升，可能将PN结烧坏，造成元件内部短路或开路。例如一只100A的晶闸管过电流为400A时，仅允许持续0.02秒，否则将因过热而损坏；

晶闸管耐受过电压的能力极差，电压超过其反向击穿电压时，即使时间极短，也容易损坏。若正向电压超过转折电压时，则晶闸管误导通，导通后的电流较大，使器件受损。

一、晶闸管的过流保护1.快速熔断器保护电路中加快速熔断器。当电路发生过流故障时，它能在晶闸管过热损坏之前熔断，切断电流通路，以保证晶闸管的安全。与晶闸管串联接在输入端~接在输出端快速熔断器接入方式有三种，如下图所示。2.过流继电器保护3.过流截止保护在输出端(直流侧)或输入端(交流侧)接入过电流继电器，当电路发生过流故障时，继电器动作，使电路自动切断。在交流侧设置电流检测电路，利用过电流信号控制触发电路。当电路发生过流故障时，检测电路控制触发脉冲迅速后移或停止产生触发脉冲，从而使晶闸管导通角减小或立即关断。2.硒堆保护二、晶闸管的过压保护1.阻容保护CR

利用电容吸收过压。其实质就是将造成过电压的能量变成电场能量储存到电容中，然后释放到电阻中消耗掉。RCRC硒堆保护(硒整流片)CR~RL晶闸管元件的阻容保护知识链接1.二极管、三极管的测量2.电子元件的识别1.1二极管的测量1.二极管、三极管的测量

根据二极管的单向导电性可知，二极管正向电阻小，反向电阻大。利用这一特点，可以用万用表的电阻挡大致测量出二极管的好坏和正负极性１、好坏判别

将万用表拨到Ω档的R×100或R×1K档，用万用表的两个表笔分别接到二极管的两个管脚，测其阻值，然后将表笔对换，再进行测试。

若前后两次所测阻值差别较大，则说明二极管是好的。

若前后两次所测阻值为无穷大，说明二极管内部已断路．若两次所测阻值都很小或为零，说明二极管内部已短路或被击穿

２、极性判断：

将万用表拨到Ω档的R×100或R×1K档，用万用表的两个表笔分别接到二极管的两个管脚，测其阻值，电阻较小时，黑表笔所接端是二极管正极，红表笔所接是二极管的负极；反之，如果测的电阻较大时，黑表笔所接端是二极管负极，红表笔所接是二极管的正极．

①基极及管型的判别：具体测试方法如图（a）所示。

②集电极和发射极的判别：具体测试方法如图（b）所示，在实际测试中，常用手指代替100kΩ的电阻。(a)基极的测试(b)集电极和发射极的测试三极管管脚的测试1.2

三极管的测量判别ICEO的大小对于NPN管，将万用表置于电阻档的R×100或R×1K档后，将黑表笔接c极，红表笔接e极，测量阻值，所测阻值越大，表明ICEO越小。PNP管的接法与之相反。(４)判别β的大小将万用表置于hFE档，将三极管的c、b、e管脚插入面板上相映的插孔中，利用表头读数即可。（5）管子好坏的粗略判别

根据三极管内ＰＮ结的单向导电性，可以分别测量Ｂ、Ｅ极间和Ｂ、Ｃ极间ＰＮ结正、反向电阻．如果两个测量值相差较大，说明管子基本是好的．如果两个测量值都很大说明管子内部有断路；如果两个测量值都很小或者为零，说明管子极间短路或击穿．

2.1电阻2.2电容2.3电感2.4二极管2.5三极管

2.6场效应晶体管2.电子元件的识别

2.1电阻电阻在电路中用“R”加数字表示，如：R1表示编号为1的电阻。电阻在电路中的主要作用为分流、限流、分压、偏置等。1、参数识别：电阻的单位为欧姆（Ω），倍率单位有：千欧（KΩ），兆欧（MΩ）等。换算方法是：1兆欧=1000千欧=1000000欧电阻的参数标注方法有3种，即直标法、色标法和数标法。a、数标法主要用于贴片等小体积的电路，如：472表示47×100Ω（即4.7K）；104则表示100Kb、色环标注法使用最多，现举例如下：四色环电阻五色环电阻（精密电阻）2、电阻的色标位置和倍率关系如下表所示：颜色有效数字倍率允许偏差（%）银色/x0.01±10

金色/x0.1±5

黑色0+0

棕色1x10±1红色2x100±2

橙色3x1000

黄色4x10000

绿色5x100000±0.5蓝色6x1000000±0.2

紫色7x10000000±0.1

白色9x1000000000/

2.

2电容

1、电容在电路中一般用“C”加数字表示（如C13表示编号为13的电容）。电容是由两片金属膜紧靠，中间用绝缘材料隔开而组成的元件。电容的特性主要是隔直流通交流。电容容量的大小就是表示能贮存电能的大小，电容对交流信号的阻碍作用称为容抗，它与交流信号的频率和电容量有关。容抗XC=1/2πfc(f表示交流信号的频率，C表示电容容量)电话机中常用电容的种类有电解电容、瓷片电容、贴片电容、独石电容、钽电容和涤纶电容等。2、识别方法：电容的识别方法与电阻的识别方法基本相同，分直标法、色标法和数标法3种。电容的基本单位用法拉（F）表示，其它单位还有：毫法（mF）、微法（uF）、纳法（nF）、皮法（pF）。其中：1法拉=103毫法=106微法=109纳法=1012皮法容量大的电容其容量值在电容上直接标明，如10uF/16V容量小的电容其容量值在电容上用字母表示或数字表示字母表示法：1m=1000uF1P2=1.2PF1n=1000PF数字表示法：一般用三位数字表示容量大小，前两位表示有效数字，第三位数字是倍率3、电容容量误差表符号FGJKLM允许误差±1%±2%±5%±10%±15%±20%如：一瓷片电容为104J表示容量为0.1uF、误差为±5%。1常见表示：电感在电路中常用“L”加数字表示，如：L6表示编号为6的电感。

2.3电感２电感结构：电感线圈是将绝缘的导线在绝缘的骨架上绕一定的圈数制成。３电感特点：直流可通过线圈，直流电阻就是导线本身的电阻，压降很小；当交流信号通过线圈时，线圈两端将会产生自感电动势，自感电动势的方向与外加电压的方向相反，阻碍交流的通过，所以电感的特性是通直流阻交流，频率越高，线圈阻抗越大。电感在电路中可与电容组成振荡电路。４电感标识：电感一般有直标法和色标法，色标法与电阻类似。如：棕、黑、金、金表示1uH（误差5%）的电感。电感的基本单位为：亨（H）换算单位有：1H=103mH=106uH。晶体二极管在电路中常用“D”加数字表示，如：D5表示编号为5的二极管。

2.4二极管1、作用：二极管的主要特性是单向导电性，也就是在正向电压的作用下，导通电阻很小；而在反向电压作用下导通电阻极大或无穷大。正因为二极管具有上述特性，无绳电话机中常把它用在整流、隔离、稳压、极性保护、编码控制、调频调制和静噪等电路中。电话机里使用的晶体二极管按作用可分为：整流二极管（如1N4004）、隔离二极管（如1N4148）、肖特基二极管（如BAT85）、发光二极管、稳压二极管等。2、识别方法：二极管的识别很简单，小功率二极管的N极（负极），在二极管外表大多采用一种色圈标出来，有些二极管也用二极管专用符号来表示P极（正极）或N极（负极），也有采用符号标志为“P”、“N”来确定二极管极性的。发光二极管的正负极可从引脚长短来识别，长脚为正，短脚为负。3、测试注意事项：用数字式万用表去测二极管时，红表笔接二极管的正极，黑表笔接二极管的负极，此时测得的阻值才是二极管的正向导通阻值，这与指针式万用表的表笔接法刚好相反。4、常用的1N4000系列二极管耐压比较如下：型号1N40011N40021N40031N40041N40051N40061N4007耐压（V）501002004006008001000电流（A）均为1

2.5三极管晶体三极管在电路中常用“Q”加数字表示，如：Q17表示编号为17的三极管。1、特点：晶体三极管（简称三极管）是内部含有2个PN结，并且具有放大能力的特殊器件。它分NPN型和PNP型两种类型，这两种类型的三极管从工作特性上可互相弥补，所谓OTL电路中的对管就是由PNP型和NPN型配对使用。电话机中常用的PNP型三极管有：A92、9015等型号；NPN型三极管有：A42、9014、9018、9013、9012等型号。2、晶体三极管主要用于放大电路中起放大作用，在常见电路中有三种接法。

2.6场效应管1、场效应晶体管具有较高输入阻抗和低噪声等优点，因而也被广泛应用于各种电子设备中。尤其用场效管做整个电子设备的输入级，可以获得一般晶体管很难达到的性能。2、场效应管分成结型和绝缘栅型两大类，其控制原理都是一样的。3、场效应