电工电子第5章

第5章半导体基础知识实用汽车电工电子技术知识目标技能目标1.了解PN结的单向导电性，掌握二极管的电压、电流和主要参数；理解稳压二极管的特性。2.了解三极管的结构和主要参数、晶闸管的工作特性和主要参数。3.理解三极管的电流放大作用、三种工作状态（放大、饱和、截止）。1.会使用常用仪器、仪表。2.学会识别与检测常见电子元器件如二极管、三极管、晶闸管。3.掌握焊接电子元件的技能。4.认识半导体热敏电阻、发光二极管、光电晶体管。5.1半导体基础知识

物质按导电能力的不同可分为导体、半导体和绝缘体三大类。金属导体的电导率一般在105s/cm量级；塑料、云母等绝缘体的电导率通常是10-22～10-14s/cm量级；半导体的电导率则在10-9～102s/cm量级。

半导体的导电能力虽然介于导体和绝缘体之间，但半导体的应用却极其广泛，这是由半导体的独特性能决定的。1.半导体及其特性光敏性——半导体受光照后，其导电能力大大增强；热敏性——受温度的影响，半导体导电能力变化很大；掺杂性——在半导体中掺入少量特殊杂质，其导电能力极大地增强。半导体材料的独特性能是由其内部的导电机理所决定的。

半导体的导电机理与金属导体的导电机理有本质上的区别：金属导体中只有自由电子一种载流子参与导电；而半导体中则是本征激发下的自由电子和复合运动形成的空穴两种载流子同时参与导电。两种载流子电量相等、符号相反，即自由电子载流子和空穴载流子的运动方向相反。＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4

自由电子载流子运动可以形容为没有座位的人的移动；空穴载流子运动则可形容为有座位的人依次向前挪动座位的运动。半导体内部的这两种运动总是共存的，且在一定温度下达到动态平衡。半导体的导电机理＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4三价元素硼(B)B+掺入硼杂质的硅半导体晶格中，空穴载流子的数量大大增加。因此空穴是这种半导体的导电主流。

掺入三价元素的杂质半导体，由于空穴载流子的数量大于自由电子载流子的数量而称为空穴型半导体，也叫做P型半导体。在P型半导体中，多数载流子是空穴，少数载流子是自由电子，而不能移动的离子带负电。－2.P型半导体和N型半导体

本征半导体虽然有自由电子和空穴两种载流子，但由于数量极少导电能力仍然很低。如果在其中掺入某种元素的微量杂质，将使掺杂后的杂质半导体的导电性能大大增强。+五价元素磷(P)＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4P掺入磷杂质的硅半导体晶格中，自由电子的数量大大增加。因此自由电子是这种半导体的导电主流。

在室温情况下，本征硅中的磷杂质等于10-6数量级时，电子载流子的数目将增加几十万倍。掺入五价元素的杂质半导体由于自由电子多而称为电子型半导体，也叫做N型半导体。

一般情况下，杂质半导体中的多数载流子的数量可达到少数载流子数量的1010倍或更多，因此，杂质半导体比本征半导体的导电能力可增强几十万倍。

不论是N型半导体还是P型半导体，其中的多子和少子的移动都能形成电流。但是，由于多子的数量远大于少子的数量，因此起主要导电作用的是多数载流子。注意：掺入杂质后虽然形成了N型或P型半导体，但整个半导体晶体仍然呈电中性。一般可近似认为多数载流子的数量与杂质的浓度相等。P型半导体中的空穴多于自由电子，是否意味着带正电？自由电子导电和空穴导电的区别在哪里？空穴载流子的形成是否由自由电子填补空穴的运动形成的？何谓杂质半导体中的多子和少子

？N型半导体中的多子是什么？少子是什么？想想练练3.PN结及其单向导电性PN结的形成

杂质半导体的导电能力虽然比本征半导体极大增强，但它们并不能称为半导体器件。在电子技术中，PN结是一切半导体器件的“元概念”和技术起始点。在一块晶片的两端分别注入三价元素硼和五价元素磷

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+－－－－－－－－－－－－－－－－P区N区空间电荷区内电场动画演示

PN结形成的过程中，多数载流子的扩散和少数载流子的漂移共存。开始时多子的扩散运动占优势，扩散运动的结果使PN结加宽，内电场增强；另一方面，内电场又促使了少子的漂移运动：P区的少子电子向N区漂移，补充了交界面上N区失去的电子，同时，N区的少子空穴向P区漂移，补充了原交界面上P区失去的空穴，显然漂移运动减少了空间电荷区带电离子的数量，削弱了内电场，使PN结变窄。最后，扩散运动和漂移运动达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本稳定，即PN结形成。

PN结内部载流子基本为零，因此导电率很低，相当于介质。但PN结两侧的P区和N区导电率很高，相当于导体，这一点和电容比较相似，所以说PN结具有电容效应。

PN结的单向导电性当PN结外加正向电压，即P区接电源正极，N区接电源负极，此时灯亮，说明PN结处于导通状态

当PN结外加反向电压，即P区接电源负极，N区接电源正极，此时灯不亮，说明PN结处于截止状态

PN结的上述“正向导通，反向阻断”作用，说明它具有单向导电性，PN结的单向导电性是它构成半导体器件的基础。

由于常温下少数载流子的数量不多，故反向电流很小，而且当外加电压在一定范围内变化时，反向电流几乎不随外加电压的变化而变化，因此反向电流又称为反向饱和电流。反向饱和电流由于很小一般可以忽略，从这一点来看，PN结对反向电流呈高阻状态，也就是所谓的反向阻断作用。

PN结中反向电流的讨论值得注意的是，反向电流将随温度的升高而成倍增长。反向电流是造成电路噪声的主要原因之一，因此在设计电路时必须考虑温度补偿问题。1.结构与类型

在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分为点接触型、面接触型和平面型。例如：点接触型二极管5.2晶体二极管二极管符号为了满足汽车交流发电机整流电路的需要，专门设计了汽车用整流二极管。正极管

负极管

车用二极管的外形及表示符号开启电压Uon

硅管0.5V,锗管0.1V。工作电压UD:硅管0.6~1V,锗管0.2~0.5V。反向击穿电压U(BR)2.伏安特性和主要参数uDiDISIFuD正向特性反向特性（1）最大整流电流IFM（2）最大反向工作电压URM

（3）反向饱和电流IR3.主要参数

二极管电路分析举例

正向管压降硅0.6~0.7V锗0.2~0.3V

分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压UD的正负。若V阳

>V阴或UD为正(正向偏置)，二极管导通;若V阳

<V阴或UD为负(反向偏置)，二极管截止。

若二极管是理想的，导通时正向管压降为零，截止时二极管相当于断开,电流为零。电路如图，求：UAB

V阳

=－6V，

V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例

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。D6V12V3k

BAUAB+–UIUZIZIZmax

UZ

IZ稳压误差曲线越陡，电压越稳定。+-主要参数1.稳定电压UV2.稳定电流IV、最大、最小稳定电流IVmax、IVmian3.最大允许功耗4.硅稳压二极管硅稳压二极管在汽车电路中的应用

并联在电子式电压调节器两端的稳压二极管，当电路产生瞬间高压时，稳压管反向击穿导通，将电压限制在一定范围内，避免了瞬间高压损坏电压调节器。在汽车电子点火系中，将稳压二极管串接在点火控制器的输入级，对磁感应式点火信号发生器产生的交变脉冲信号起到削波（即限幅）作用，以防止输入的点火信号波形峰值过大，烧坏输入级的晶体三极管。案例5.1利用万用表电阻挡判别二极管的极性，检测二极管普通万用表1只、二极管若干

（1）万用表置于电阻挡时，表内电池的正极与黑表笔相连，负极与红表笔相连，与万用表面板上用来表示测量直流电压或电流的“+”、“-”号相反。（2）由于R×1挡内部电流较大，容易烧坏二极管，R×10挡内部电压较高，可能将二极管击穿，所以一般不用这两挡检测二极管。器材：【注意事项】【操作步骤】（1）将万用表拨到“Ω”挡（选用R×100或R×1k挡）；

（2）将万用表的红、黑表笔分别接二极管的两端，观察测得的电阻值；（3）若测得的阻值在几百欧到几千欧，将二极管两个电极对调继续测量。若测得的阻值在几十千欧或几百千欧，则表明二极管是正常的；（4）若测得的正反向电阻均较小，说明二极管内部短路，若测得的正、反向电阻值都很大，说明二极管开路或接触不良。5.3晶体三极管NPN型PNP型箭头方向表示发射结加正向电压时的电流方向1.三极管的结构和类型2.三极管的电流放大作用iC=F(uCE)IB=常数iB=F(uBE)UCE=常数iCiBuCEuBEVBBRw1RbRw2VCCmAVV输入特性输出特性iB=F(uBE)UCE=常数iB(

A)uBE(V)204060800.40.8UCE1V（1）输入特性iC=F(uCE)IB=常数iC(mA)1234uCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域满足IC=IB称为线性区（放大区）。当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB。（2）输出特性CEB三极管的主要参数（1）电流放大系数β（2）集电极最大允许电流ICM（3）集电极最大允许耗散功率PCM（4）集电极、发射极之间反向击穿电压U（BR）CEO3、三极管的工作状态iC(mA)uCE(V)IB=0截止区饱和区放大区截止区：放大区：饱和区：IBICCEBJe反偏Je正偏Je正偏案例5.2利用万用表欧姆挡判别三极管的管型和管脚普通万用表1只、三极管若干、变阻器若干

（1）将万用表转换开关置于“Ω”挡，选择R×100或R×1K挡，用黑表笔（内接表内电池的正极）接三极管的任意一只管脚，再用红表笔（内接表内电池的负极）接触其余两只管脚。①若两次测量的电阻值都很小，则黑表笔接的管脚是基极，且该三极管是NPN型三极管。②若两次测量的电阻值都很大，则黑表笔接的管脚是基极，且该三极管是PNP型三极管器材：【操作步骤】（2）若测试结果不符合两次电阻均很小或很大的条件，则黑表笔接的不是基极，更换一个管脚进行测试，直到确定基极为止

（3）对于NPN型三极管，测定基极后，假设其余的两只管脚中的一只为集电极C，在B、C之间接入一个电阻RB=10-100kΩ，或用手指捏住基极B和假定的集电极C，注意两极不能接触，用黑表笔接触C极，红表笔接触E极，读出阻值，然后将假定的C、E对调一下，再测一次阻值，比较两次