第6章 常用半导体器件

第三部分模拟电子电路第6章常用半导体器件第7章放大电路基础第8章反馈放大器和集成运算放大器第9章直流稳压电源

物质按导电能力的不同可分为导体、半导体和绝缘体3类。6.1

半导体的基本知识6.1.1半导体材料

（1）物质的分类导体——容易导电、电阻率小于10-4Ω·cm的物质，例如铜、铝、银等金属材料。绝缘体——很难导电、电阻率大于1010Ω·cm的物质，例如塑料、橡胶、陶瓷等材料。半导体——导电能力介于导体和绝缘体之间、电阻率在10-3～109Ω·cm范围内的物质，常用的半导体材料有硅（Si）和锗（Ge）等。半导体材料的最外层轨道上的电子是4个，根据其特性，可以将半导体材料分成以下五类：元素半导体（元素体本身）化合物半导体（两种或以上元素的化合物）固溶体半导体（元素化合物互溶而成）非晶态半导体（非纯正晶体结构）有机半导体（具有半导体性质的有机化合物）（2）半导体的基本特性

①热敏性——半导体的导电能力随着温度的升高而迅速增加。例如纯净的锗从20℃升高到30℃时，它的电阻率几乎减小为原来的1/2。②光敏性——半导体的导电能力随光照的变化有显著改变的特性叫做光敏性。自动控制中用的光电二极管和光敏电阻，就是利用光敏特性制成的。而金属导体在阳光下或在暗处，其电阻率一般没有什么变化。③掺杂性——半导体的导电能力因掺入适量杂质而发生很大的变化。在半导体硅中，只要掺入亿分之一的硼，电阻率就会下降到原来的几万分之一。而金属导体即使掺入千分之一的杂质，对其电阻率也几乎没有什么影响。

6.1.2本征半导体和掺杂半导体完全纯净的、具有晶体结构的半导体称为本征半导体。

1、本征半导体硅和锗的简化原子模型。

晶体结构中的共价键具有很强的结合力，在没有外界能量激发时，价电子没有能力挣脱共价键束缚，这时晶体中几乎没有自由电子，因此很难导电。在有外界能量激发时：当半导体的温度升高或受到光照等外界因素的影响时，某些共价键中的价电子因热激发而获得足够的能量，因而能脱离共价键的束缚成为自由电子，同时在原来的共价键中留下一个空位，称为“空穴”。本征半导体中产生电子—空穴对的现象称为本征激发。显然在外电场的作用下，半导体中将出现两部分电流：一是自由电子作定向运动形成的电子电流，一是由于价电子递补空穴，空穴也产生定向移动而形成的空穴电流。2、杂质半导体通过特殊的扩散工艺，在本征半导体中掺入微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著的改变。掺入杂质的半导体称为杂质半导体。杂质半导体可以分为N型和P型两大类。

（1）N型半导体——在纯净的硅（或锗）半导体晶体中，掺入微量的五价元素，如磷（P）。

在N型半导体中，自由电子的浓度大于空穴的浓度，故称自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子，简称前者为多子，后者为少子。N型半导体主要靠自由电子导电，因此也称为电子型半导体。（2）P型半导体——在纯净的硅（或锗）半导体晶体中，掺入微量的三价元素，如硼（B）。

P型半导体中，空穴为多子，自由电子为少子，主要靠空穴导电，因此也称为空穴型半导体。注意：不论是N型半导体还是P型半导体，虽然都有一种载流子占多数，但整个晶体仍然是不带电的，呈电中性。6.1.3PN结及其单向导电性（1）PN结的形成

采用不同的掺杂工艺，将P型半导体和N型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交界面就形成了PN结。PN结（2）PN结的单向导电性PN结处于平衡状态，称为平衡PN结。如果在PN结两端外加电压，就将破坏原来的平衡状态。当外加电压极性不同时，PN结表现出截然不同的导电性能，即呈现单向导电性。①PN结加正向电压时处于导通状态

PN结P端接高电位，N端接低电位，称PN结外加正向电压，又称PN结正向偏置，简称为正偏，这时电流I不为零，PN结处于导通状态。②PN结加反向电压时处于截止状态

PN结P端接低电位，N端接高电位，称PN结外加反向电压，又称PN结反向偏置，简称为反偏，这时回路中的反向电流非常小，几乎等于零，PN结处于截止状态

。PN结的“正偏导通，反偏截止”称为其单向导电性质，这正是PN结构成半导体器件的基础。

讨论题答：这种说法是错误的。因为，晶体在掺入杂质后，只是共价键上多出了电子或少了电子，从而获得了N型半导体或P型半导体，但整块晶体中既没有失电子也没有得电子，所以仍呈电中性。1、N型半导体中的多子是带负电的自由电子载流子，P型半导体中的多子是带正电的空穴载流子，因此说N型半导体带负电，P型半导体带正电。上述说法对吗？为什么？6.2半导体二极管6.2.1半导体二极管的结构和符号

将PN结用外壳封装起来，并加上电极引线就构成了半导体二极管，简称二极管。由P区引出的电极称为阳极，由N区引出来的电极为阴极。

常见的二极管有金属、塑料和玻璃三种封装形式

二极管的实物图稳压管实物图二极管的类型

按材料分按结构分按用途分：硅二极管锗二极管砷化镓二极管点接触型二极管面接触型二极管平面型二极管整流、检波、开关、稳压、发光、光电、快恢复和变容二极管等点接触型二极管——由一根金属丝经过特殊工艺与半导体表面相接，形成PN结。因而结面积小，不能通过较大的电流，但其结电容较小，一般在1pF以下，工作频率可达100MHz，因此适用于高频电路和小功率整流。面接触型二极管————采用合金法工艺制成的，结面积大，能够流过较大的电流，但其结电容大，因而只能在较低频率下工作，一般仅作为整流管。P平面型二极管——采用扩散法制成的，结面积较大的可用于大功率整流，结面积小的可作为脉冲数字电路中的开关管。6.2.2半导体二极管的单向导电性

二极管也具有单向导电性。即加正向电压（也叫正偏电压）导通；加反向电压（也叫反偏电压）截止。

(a)反偏截止；(b)正偏导通6.2.3半导体二极管的伏安特性

二极管的伏安特性是指二极管通过的电流与其端电压之间的关系。(1)正向特性

二极管外加正向电压较小时，即仍处于截止状态。当正向电压超过死区电压时，正向电流才明显地增大。此区域称为死区。硅二极管的死区电压约为0.5V，锗二极管的死区电压约为0.1V。

导通后二极管的正向压降变化不大，硅管约为0.6～0.8V，锗管约为0.2～0.3V。死区电压死区电压(2)反向特性

二极管外加反向电压时，反向电流很小，而且当反向电压超过零点几伏以后，反向电流不随着反向电压而增大，即达到了饱和，这个电流值称为二极管的反向饱和电流，用符号IS表示。

当反向电压的值增大到UBR（反向击穿电压）时，反向电流会急剧增大，二极管失去单向导电性，进入反向击穿区，称此现象为反向击穿，UBR为反向击穿电压。反向击穿电压

显然二极管的伏安特性不是直线，因此属于非线性电阻元件。发生击穿并不意味着二极管被损坏。实际上，当反向击穿时，只要注意控制反向电流的数值，不使其过大，以免因过热而烧坏二极管，则当反向电压降低时，二极管的性能可能恢复正常。利用二极管的反向击穿特性，可以做成稳压二极管，但一般的二极管不允许工作在反向击穿区，因为由于反向电流很大，一般会造成热击穿，不能恢复原来性能，也就是失效了。注意：6.2.4半导体二极管的主要参数

最大整流电流IFM——允许长期通过的最大正向平均电流，其值与PN结面积及外部散热条件等有关。有些电流较大的二极管必须按规定加装散热片，否则可能因过热而烧坏。(2)

最高反向工作电压URM——工作时允许承受的最大反向工作电压。实际使用时，其反向工作电压不要超过这一数值，以免造成二极管反向击穿而损坏。通常URM为击穿电压U(BR)的一半。(3)反向电流IR——指在室温条件下，在二极管两端加上规定的反向电压时，流过管子的反向电流。通常希望IR值越小越好。反向电流越小，说明二极管的单向导电性越好。(4)最高工作频率fM——工作的上限频率，超过这个频率，由于结电容的作用，二极管将失去单向导电性。小结：1、半导体的基本特性：热敏性、光敏性、掺杂性2、半导体本征半导体：纯净半导体

杂质半导体

(本征激发)

P型半导体（空穴型半导体）

N型半导体（电子型半导体）

3、半导体二极管的结构：PN结、外壳、电极引线4、半导体二极管的单向导电性（PN结的单向导电性）：正偏电压导通；反偏电压截止。

锗：0.1V锗：0.2～0.3V5、正向特性死区电压硅：0.5V正向导通电压硅：0.6～0.8V6、反向特性：反向击穿现象（热击穿）练习1、二极管电路如图所示，试判断各二极管是导通还是截止，并求出A、O端的电压UAO（设二极管为理想二极管）。二极管截止，UAO=-12VVD1截止，VD2导通UAO=-4.5VVD1截止，VD2截止UAO=12V+-（阳极）（阴极）DZ电路符号和文字符号2CW和2DW系列外形6.3稳压二极管

稳压二极管是一种特殊的面接触型硅二极管，它能在电路中能起稳定电压的作用，故称为稳压管。稳压管的最大特点在于它工作在反向击穿状态，而又不致损坏。6.3.1稳压管的结构6.3.2稳压管的伏安特性(1)正向特性曲线与普通硅二极管相似；（2）反向击穿特性较陡，反向击穿电压较低（一般稳压管为数伏至数十伏），容许通过的电流也比较大。稳压管通常工作在反向击穿区，当反向击穿电流在较大范围内变化时，其两端电压变化很小，因而具有稳定电压的作用。只要反向电流不超过允许范围，稳压管就不会发生热击穿而损坏。为此，在电路中，稳压管必须串联一个适当的限流电阻。6.3.3稳压管的主要参数

（1）稳定电压UZ稳定电压就是稳压二极管的反向击穿电压。它是稳压二极管正常工作时，所能提供的稳定电压。（2）稳定电流IZ稳定电流就是稳压二极管在反向击穿状态下的最小电流。当工作电流小于此值时，稳压管会退出击穿状态，失去稳压作用。（3）最大稳定电流IZmax最大稳定电流就是稳压二极管所允许的最大击穿电流。超过此值，管子会被烧毁。（4）最大允许功耗PZM最大允许功耗就是稳压二极管允许消耗的最大平均功率。超过此值，管子会被烧毁。PZM=UZ·IZmax问题讨论利用稳压管的正向压降，是否也可以稳压？

利用稳压管的正向压降是不能进行稳压的。因为稳压管的正向特性与普通二极管相同，正向电阻非常小，工作在正向导通区时，正向电压一般为0.6V左右，此电压数值一般变化不大。图所示电路中，硅稳压管DZ1的稳定电压为10V，DZ2的稳定电压为8V，正向压降均为0.7V，求各电路的输出电压U0。

习题a：U0=18Vb：U0=8Vc：U0=10.7Vd：U0=0.7V1、发光二极管发光二极管简称LED，是一种把电能直接转换成光能的固体发光元件。发光二极管和普通二极管一样，管芯是由PN结组成的，具有单向导电性。

发光二极管的发光颜色决定于所用材料，目前有红、绿、黄、橙等色，可以制成各种形状，如长方形、圆形等。补充内容：发光二极管的特点是：工作电压很低（有的仅一点几伏）；工作电流很小（有的仅零点几毫安即可发光）；抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长；通过调制电流强弱可以方便地调制发光的强弱。作用：主要应用在电路及仪器中作为指示灯和信号灯，或者组成文字或数字显示，如手机背光灯、液晶显示器背光灯、照明等领域。

把它的管心做成条状，用7条条状发光管还可以组成七段式半导体数码管，每个数码管可显示0~9十个数字。

2、光电二极管光电二极管又称为光敏二极管，也是由一个PN结组成的半导体器件，也具有单方向导电特性。在电路中通过它把光信号转换成电信号。

光电二极管是在反向电压作用下工作的，没有光照时，反向电流极其微弱，叫暗电流；有光照时，反向电流迅速增大到几十微安，称为光电流。光的强度越大，反向电流也越大。6.4晶体管6.4.1晶体管的基本结构晶体管是由两个背靠背、互有影响的PN结构成的。晶体管有三个引出电极，人们习惯上又称它为晶体三极管或简称三极管。

三极管是放大电路中的核心器件，它是通过一定的工艺措施，将两个PN结背靠背地有机结合起来构成的。按PN结的组合方式有PNP型和NPN型三极管两种，它们的工作原理是类似的。

它们所引出的三个电极分别为基极b、发射极e和集电极c，对应的每个区域称为发射区、基区和集电区。基区很薄且杂质浓度很低；发射区掺杂浓度很高；集电区结面积很大。虽然发射区和集电区都是N型半导体，但是发射区比集电区掺的杂质多。在几何尺寸上，集电区的面积比发射区的大。

晶体管有两个结晶体管有三个区晶体管有三个电极6.4.2晶体管的电流放大原理一般来说，从传感器获得的模拟信号通常都很微弱，只有经过放大后才能进一步处理，或者使之具有足够的能量来驱动执行机构，完成特定的工作。放大电路的核心器件是晶体管。要使三极管工作在放大状态，必须具备两个条件：

一是必须以正确的连接方式将三极管接入输入输出回路。

二是必须外加正确的直流偏置电压，即发射结正向偏置、集电结反向偏置。

按公共端的不同，可连接成三种基本组态：共发射极、共基极和共集电极。一是必须以正确的连接方式将三极管接入输入输出回路。

(a)共射极;(b)共基极;(c)共集极

二是必须外加正确的直流偏置电压，即发射结正向偏置、集电结反向偏置。

三个电极的电位关系为UC＞UB＞UE

三个电极的电位关系为UC<UB<UE

例:共发射极电路

(1)三极管各电极电流的关系满足

IE=IB+IC(IB很小，IC≈IE)

(2)IC与IB的比值基本保持不变，定义该比值为共射极电路的直流电流放大倍数，即

(3)IC与IB的变化量ΔIC与ΔIB的比值也基本保持不变，定义该比值为共射极电路的交流电流放大倍数，即

综上所述放大电路的最基本特点：①三极管工作在放大状态的条件是：发射结正偏，集电结反偏。②放大作用的实质是微小的基极电流变化量△IB控制较大的集电极电流变化量△IC。③三极管是一个电流控制器件。

三极管的伏安特性曲线包括输入特性曲线和输出特性曲线，通常是指三极管的各电极之间电流、电压之间的关系。

(1)输入特性曲线——指在集电极和发射极之间的管压降UCE一定时，

IB（基极电流）与UBE之间的关系曲线。

硅管的死区电压