电工电子技术与技能第3版第10章

第10章常用半导体器件

学习目标【知识目标】1.了解二极管的结构、符号、特性和主要参数

2.了解稳压管、发光二极管、光电二极管及变容二极管的实际应用

3.了解三极管的结构、符号、特性和主要参数

4.了解晶闸管的结构、符号、特性【技能目标】1.会用万用表判别二极管的极性和好坏，并合理应用。

2.会用万用表判别三极管的类型、引脚及好坏。主要内容10.1半导体的基本知识

10.1.1半导体的基本概念

10.1.2PN结及单向导电性10.2半导体二极管

10.2.1二极管的基本特征与分类

10.2.2二极管的特性

10.2.3二极管的主要参数

10.2.4特殊二极管10.3晶体管

10.3.1晶体管的基本特征与分类

10.3.2晶体管的电流放大作用

10.3.3晶体管的特性

10.3.4晶体管的主要参数10.4场效应晶体管

10.4.1

场效应晶体管的基本特性

10.4.2场效应晶体管的结构和工作原理

10.4.3场效应晶体管与晶体管的比较10.5晶闸管

10.4.1单向晶闸管的基本特征

10.4.2单向晶闸管的特性

10.4.3双向晶闸管10.1半导体的基本知识10.1.1半导体的基本概念常见的半导体材料有硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓等。其中硅和锗是4价元素，原子的最外层轨道上有4个价电子。

纯净半导体也叫本征半导体，这种半导体只含有一种原子，且原子按一定规律整齐排列。如常用半导体材料硅(Si)和锗(Ge)。在常温下，其导电能力很弱;在环境温度升高或有光照时，其导电能力随之增强。

常常在本征半导体中掺人杂质，其目的不单纯是为了提高半导体的导电能力，而是通过控制杂质掺人量的多少，来控制半导体的导电能力的强弱。

在硅本征半导体中，掺人微量的五价元素(磷或砷)，就形成N型半导体。

在硅本征半导体中，掺人微量的三价元素(钢或硼)，就形成P型半导体。10.1.2PN结及单向导电性

[PN结]当把一块P型半导体和一块N型半导体用特殊工艺紧密结合时，在二者的交界面上会形成一个具有特殊现象的薄层，这个薄层被称为PN结，如图10-1所示。

[PN结的单向导电性]

1)PN结加正向电压一正向导通。电源正极接P区,负极接N区，称正向偏置或正偏。

2)PN结加反向电压一反向截止。电源负极接P区，正极接N区，称PN结加正向电压导通，加反向电压截止，即PN结的单向导电性。反向偏置或反偏。10.2半导体二极管10.2.1二极管的特征与分类

【基本特征】半导体二极管简称二极管，常见的二极管外形如图10-3a所示，从结构上看有两个电极，一端称为正极（或阳极），另一端称为负极（或阴极），二极管也由此得名。二极管在电路中用文字符号用VD表示，电路符号如图10-3b所示。(a)常见二极管10-3二极管(b)电路符号【分类】二极管的类型很多，按材料来分，最常用的有硅管和锗管两种；按用途来分，有普通二极管、整流二极管、稳压二极管等多种；按结构来分，有点接触型，面接触型和平面型等多种。10.2.2二极管的特性二极管最主要的特性是单向导电性，要认识二极管的单向导电性，可动手做一做下面的实验：

（a）正偏导通（b）反偏截止图10-4二极管单向导电实验【课堂实验】二极管单向导电实验如图10-4a所示，二极管正极接电源的正极，二极管负极接电源的负极（称二极管外加正偏电压），此时灯亮，表明有较大的电流通过二极管，二极管导通。如图10-4b所示，二极管正极接电源的负极，二极管负极接电源的正极（称二极管外加反偏电压），此时灯不亮，表明无电流通过二极管，二极管截止。结论：二极管加正向电压时导通，加反向电压时截至，即正偏导通，反偏截止。

在上述实验中二极管正偏导通，反偏截止，这一导电特性称为二极管的单向导电性，它是二极管一个非常重要的特性。

除此之外，在使用二极管时，还需要注意以下特性：

1)二极管正向电压只有大于某一值时二极管才导通，这个电压值称为死区电压VT。通常硅管的死区电压约为0.5V，锗管的死区电压约为0.2V。

2)导通后二极管两端的电压稳定，硅管约为0.6～0.7V，锗管约为0.2～0.3V。

3)二极管能承受一定量的反向电压，即在达到某一反向电压值时，二极管都能保持不导通状态。当达到一定极限值（定义为反向击穿电压）后，二极管反向电流就突然急剧增加，这一现象称为二极管反向击穿。10.2.3二极管的主要参数二极管的参数是合理选择和使用二极管的重要依据，因此了解并掌握以下二极管的主要参数是非常重要的。

【最大整流电流IF】是指二极管长期工作时，允许通过的最大正向平均电流值。在实际使用时，要注意流过二极管最大电流不能超过这个数值，否则二极管会因过热而损坏。

【最高反向工作电压VRM】是指二极管在正常工作时所能承受的最高反向电压值。通常以二极管反向击穿电压的一半作为二极管最大的反向工作电压，使用中如果超过此值，二极管就有发生反向击穿的危险。10.2.4特殊二极管

【稳压管】

稳压二极管（简称稳压管）电路符号如图11-4所示，是一种特殊的面接触型半导体硅二极管，它是工作在反向击穿区，具有稳压作用的一类特殊二极管，广泛应用于稳压电源和限幅电路中。

【发光二极管】

发光二极管简写为LED，外形和电路符号如图11-5所示，是一种光发射器件，能把电能直接转化成光能。目前市场上发光二极管的颜色有红、橙、黄、绿、蓝等多种颜色。发光二极管因其工作电压低(1.5V～3V)、工作电流小(5mA～10mA)、体积小、可靠性高、耗电省和寿命长等优点，广泛用于计算机、电视机、音响设备、仪器仪表中的电源和信号的指示电路中。图11-4稳压二极管的电路符号(a)外形(b)电路符号图11-5发光二极管【光敏二极管】

光敏二极管是一种光能与电能转换的器件，它能将收到的光信号转换成电信号，在实际应用中，主要用来接收可见光或红外线，外形和电路符号如图11-6所示。光敏二极管作广泛应用于遥控、报警及光电传感器中。另外，当制成大面积的光电二极管时，能将光能直接转换为电能，可作为一种能源，称为光电池。

图11-6光电二极管【变容二极管】

变容二极管是利用PN结之间结电容可变的原理制成的半导体器件，在高频调谐、通信等电路中作可变电容器使用。变容二极管被广泛应用于谐振回路中。例如，在电视机中就使用它作为调谐回路的可变电容器，实现电视频道的选择。在高频电路中，变容二极管作为变频器的核心元件，是信号发射机中不可缺少的器件。10.3晶体管10.3.1晶体管的基本特征与分类

【基本特征】常见的三极管外形如图11-8所示，从结构上看有三个电极，分别称为发射极（E）、基极（B）和集电极（C），三极管也由此得名。三极管在电路中用文字符号VT表示，电气符号分两种，一种是NPN型三极管，一种是PNP型三极管，如图11-8所示，其中箭头表示发射极电流的方向。图10-8常见三极管【分类】

按三极管所用半导体材料来分，有硅管和锗管两种；按三极管的导电极性来分，有PNP型和NPN型两种；按功率大小来分，有小功率管、中功率管和大功率管；按频率来分，有低频管和高频管两种；按结构工艺来分，主要有合金管和平面管；按用途分，有放大管和开关管等。另外，从三极管的封装材料来分，有金属封装、塑料封装。根据耗散功率不同，其体积和封装形式也不同，中、小功率管多采用塑料封装，大功率管采用金属封装。

（a）NPN型（b）PNP型图10-9三极管的电路符号

三极管有三个区，分别为集电区、基区和发射区；基区与集电区交界处的PN结为集电结，基区与发射区之间的PN结为发射结；10.3.2晶体管的电流放大作用

【课堂实验】三极管电流放大实验图10-10三极管的电流放大作用实验电路

【实验内容及现象】如图10-10所示，VBB是基极电源，通过基极电阻RB和电位器RP接将正向电压加到基极和发射极之间（发射结），使发射结有正向偏置电压UBE。集电极电源VCC通过集电极电阻RC将电压加到集电极与发射极之间（集电结），以提供UCE。实验电路中，VCC电压应高于VBB电压，即发射结正偏，集电结反偏。电路接通后，流过三极管各极的电流分别为：IB、IC和IE，电流方向如图所示。

实验中，改变可变电阻Rp的阻值，就会改变基极电流IB的值，同时集电极电流IC和发射极电流IE的值也跟着改变，从而得到一组IB、IC和IE的值，具体测量结果如表10-1。

分析上述数据可得以下结论：

1.电流分配关系：三极管各电极间的电流分配关系满足：IE=IB+IC。无论是NPN型还是PNP型三极管，均符合这一规律。

2.基极电流变化引起集电极电流变化，但集电极与基极电流之比保持不变，为一常数，用公式表示：

称为直流电流放大系数。

3.基极电流有一微小的变化量时，集电极电流就会有一个较大的变化量，且与之比保持不变，为一常数，用公式表示：

称为交流电流放大系数。对于多数三极管估算时可认为=

【实验结论】

三极管基极电流IB的微小变化使集电极电流IC发生了更大的变化，也就是说基极电流IB的微小变化控制了集电极电流IC较大的变化，实现了电流放大的作用。

10.3.3.晶体管的特性三极管的特性主要表现为三种工作状态，即截止、放大和饱和。

【截止】当三极管发射结和集电结均为反向偏置时，集电极和发射极之间呈现很大的电阻，这时的三极管相当于一个断开的开关，这种状态称为截止。

【放大】当三极管发射结正偏、集电结反偏时，三极管具有电流放大作用，iC受iB控制,只要iB有一个微小的变化，iC将按比列发生较大的变化，即：iC=iB

，=。

【饱和】当三极管发射结和集电结都处于正向偏置时，三极管饱和导通，IC不受IB的控制，基本保持不变，这种工作状态相当于开关闭合。除此之外，与二极管的特性相似，三极管也存在着死区电压（硅管约为0.5V，锗管约为0.2V），只有当输入电压大于死区电压时，三极管才出现基极电流。同时，三极管导通时，发射结电压UBE

变化不大，硅管约为（0.6～0.7）V，锗管约为（0.2～0.3）V。这也是检测三极管是否正常工作的重要依据。10.3.4三极管主要参数

【共发射极电流放大倍数β】

它是在三极管正常放大状态下分析，设计电路的一个重要参数，通常β在几十到几百之间。

【集电极最大允许耗散功率PCM】

三极管电流iC与电压uCE的乘积称为集电极耗散功率，三极管在使用时，应保证PC<PCM，这样三极管在使用时才能保证安全。

【反向击穿电压V(BR)CEO】

V(BR)CEO是指基极开路时，加于集电极—发射极之间的最大允许电压。

【集电极最大允许电流ICM】

iC在相当大的范围内β值是基本不变的，但当iC的数值大到一定程度时β将减小。使β明显减小iC即为iCM

。10.4场效应晶体管

场效应晶体管(FieldEffectTransisor,FET)简称场效应管。一般的晶体管是由两种极性的载流子，即多数载流子和反极性的少数载流子参与导电，因此称为双极性晶体管,而FET仅由多数载流子参与导电，它与双极性晶体管相反，也称为单极性晶体管。它属于电压控制型半导体器件，具有输人电阻高、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、无二次击穿现象、安全工作区域宽等优点，现已成为双极性晶体管和功率晶体管的强大竞争者。场效应晶体管可应用于放大、阻抗变换、电子开关，也可以方便地用作恒流源。10.4.1场效应晶体管的基本特性

场效应晶体管的种类很多，按结构可分为两大类:结型场效应管(JFET)和绝缘栅场效应晶体管(IGFET)。结型场效应管又分为N沟道和P沟道两种。绝缘栅场效应晶体管主要指金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)。MOSFET又分为耗尽型和增强型两种,而每一种又分为N沟道和P沟道。场效应晶体管外形及符号如图10-14所示。10.4.2结型场效应晶体管的结构和工作原理

以N沟道结型场效应晶体管为例说明其结构和工作原理。如图10-15所示，场效应晶体管有三个区域：一个N型区,两个P型区；三个电极:源极S，漏极D,栅极G；两个PN结：一个导电沟道；N型导电沟道。外部工作条件:UDS为正值，UGS

为负值。

当UGS=0时，PN结最窄，导电沟道最宽。在正向电压UDS的作用下，产生较大的漏极电流IDSS,IDSS称为饱和漏极电流。

当UGS<0时，PN结反偏，PN结变宽，导电流道变窄。在正向电压UDS的作用下，漏极电流减小。

当UGS≤Up(Up<0)时，PN结变得更宽且把导电沟道夹断，漏极电流iD为零。10.4.3场效应晶体管与晶体管的比较

1)场效应晶体管是电压控制器件，而晶体管是电流控制器件。在只允许从信号源取较少电流的情况下，应选用场效应晶体管;而在信号电压较低，又允许从信号源取较多电流的条件下，应选用晶体管。

2)晶体管与场效应晶体管工作原理完全不同，但是各极可以近似对应以便于理解和设计:晶体管:基极发射极集电极场效应晶体管:栅极源极漏极3)要注意的是，晶体管(NPN型)设计发射极电位比基极电位低(约0.6V)，场效应晶体管源极电位比栅极电位高(约0.4V)。

4)场效应晶体管是利用多数载流子导电，所以称之为单极性器件，而晶体管是既有多数载流子，也有少数载流子导电，被称之为