《电工电子技术简明教程》 课件 12 半导体电子元件的认识与应用

知识目标与技能目标1、学习二极管、三极管和集成电路的种类、作用与标识方法，了解二极管、三极管和集成电路的主要参数。2、能用目视法判断识别常见二极管、三极管和集成电路的种类，能正确叫出各种器件的名称。3、会用万用表对各种二极管、三极管进行正确测量，并对其质量做出评价。4、了解不同类型集成电路的作用。返回主目录项目5半导体电子元件的认识与应用

知识要点一、本征半导体纯净的半导体被称为本征半导体。本征半导体需要用复杂的工艺和技术才能制造出来，半导体器件的制造首先要有本征半导体，这也是半导体材料没有导体和绝缘体材料应用早的原因。目前用于制造半导体器件的材料主要有硅（Si）、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、碳化硅(SiC)和磷化铟(InP)等，其中以硅和锗最为常用。硅和锗都是四价元素。1．本征半导体中的两种载流子—电子和空穴在室温下，本征半导体中的少数价电子因受热而获得能量，摆脱原子核的束缚，从共价键中挣脱出来，成为自由电子。与此同时，失去价电子的硅或锗原子在该共价键上留下了一个空位，这个空位称为空穴。电子与空穴是成对出现的，所以称为电子-空穴对。在室温下，本征半导体内产生的电子-空穴对数目很少。当本征半导体处在外界电场中，其内部自由电子逆外电场方向作定向运动，形成漂移电子流；空穴顺外电场方向作定向运动，形成漂移空穴流。自由电子带负电荷，空穴带正电荷，它们都对形成电流做出贡献，因此称自由电子为电子载流子，称空穴为空穴载流子。本征半导体在外电场的作用下，其电流为电子流与空穴流之和。2．本征半导体的热敏特性和光敏特性实验发现，本征半导体受热或光照后其导电能力大大增强。当温度升高或光照增强时，本征半导体内的原子运动加剧，有较多的电子获得能量成为自由电子，即电子-空穴对增多，所以本征半导体中电子-空穴对的数目与温度或光照有密切关系。温度越高或光照越强，本征半导体内的载流子数目越多，导电性能越强，这就是本征半导体的热敏特性和光敏特性。利用这种特性就可以做成各种热敏元件和光敏元件，在自动控制系统中有广泛的应用。3．本征半导体的掺杂特性实验发现，在本征半导体中掺入微量的其他元素，会使其导电能力大大加强。例如，在硅本征半导体中掺入百万分之一的其它元素，它的导电能力就会增加一百万倍。这就是半导体的掺杂特性。掺入的微量元素称为杂质，掺入杂质后的本征半导体称为杂质半导体。杂质半导体有P型半导体和N型半导体两大类。(1)P型半导体如果在本征半导体中掺入三价元素，如硼（B）、铟（Iｎ）等，在半导体内就产生了大量空穴，这种半导体叫做P型半导体。在P型半导体中，空穴是多数载流子，简称“多子”，电子是少数载流子，简称“少子”。但整个P型半导体是呈现电中性的。P型半导体在外界电场作用下，空穴电流远大于少子电流。P型半导体是以空穴导电为主的半导体，所以它又称为空穴型半导体。(2)N型半导体如果在本征半导体中掺入微量五价元素，如磷（P），砷（As）等，在半导体内会产生许多自由电子，这种半导体叫做Ｎ型半导体。在N型半导体中，电子载流子数远大于空穴数，所以电子是N型半导体中的多子，空穴是N型半导体中的少子。但整个N型半导体是呈现电中性的。N型半导体在外界电场作用下，电子电流远大于空穴电流。N型半导体是以电子导电为主的半导体，所以它又称为电子型半导体。半导体中多子的浓度取决于掺入杂质的多少，少子的浓度与温度有密切的关系。二、PN结单纯的一块P型半导体或N型半导体，只能作为一个电阻元件来使用。但是如果把P型半导体和N型半导体通过一定的制作工艺结合起来就形成了PN结。PN结是构成半导体二极管、半导体三极管、晶闸管、集成电路等众多半导体器件的基础。1．PN结的形成在一块完整的本征硅（或锗）片上，用不同的掺杂工艺使其一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体，在这两种杂质半导体的交界面附近就会形成一个具有特殊性质的薄层，这个特殊的薄层就是PN结。如图12.1所示。

图12.1PN结的形成2.PN结的单向导电特性

如图12.2所示，是演示PN结单向导电特性的实验电路图。图12.2（a）PN结加正向电压灯泡亮图12.2（b）PN结加反向电压灯泡不亮在PN结上加正向偏置在PN结两端加上电压，称为给PN结偏置。如果将P区接电源的正极，N区接电源的负极，称为加正向偏置，简称正偏，如图12.2（a）所示。实验表明：此时在电路中形成较大的电流，电流由P区流向N区，PN结呈现导通状态，电灯泡发出亮光。这种现象称为PN结的正向导通。PN结加反向偏置如果将P区接电源的负极，N区接电源的正极，则称为加反向偏置，简称反偏，如图12.2（b）所示所示。实验表明：此时在电路中只有很小很小的电流，PN结呈现截止状态，电灯泡不发出亮光，这种现象称为PN结的反偏截止。结论：PN结加正向电压时导通，PN结加反向电压时截止，所以PN结具有单向导电性。三、二极管及其应用在PN结的两端引出金属电极，外加玻璃、金属或用塑料封装，就做成了半导体二极管。二极管的结构和图形符号由于使用的用途不同，二极管的外形各异，几种常见的二极管外形和通用图形符号如图12.3所示。图12.3

常见二极管的外形和通用符号二极管的结构按PN结的制造工艺方式可分为点接触型、面接触型和平面型几种。点接触型二极管PN结的接触面积小，不能通过很大的正向电流和承受较高的反向电压，但它的高频性能好，适宜于在高频检波电路和小功率电路中使用；面接触型二极管PN结的接触面积大，可以通过较大电流，能承受较高的反向电压，适宜于在整流电路中使用。平面型二极管适宜用作大功率开关管，在数字电路中有广泛的应用。二极管结构的示意图和外形如图12.4所示。图12.4

二极管结构的示意图2.二极管的电极和文字符号二极管有两个电极，由P区引出的电极是正极，由N区引出的电极是负极。在二极管符号中的三角箭头方向表示二极管中正向电流的方向，正向电流只能从二极管的正极流入，从负极流出。二极管的文字符号在国际标准中用VD表示。3.二极管的伏安特性二极管的主要特点是单向导电性，可以通过实验来认识二极管两端的电压和流过二极管电流的关系。由实验所得到的一组数据，见表12.1所示。表12.12CP31型二极管的实验数据(加正向电压时)电压(mV)000100500550600650700750800电流（mA）000000000010060085100180300电压（V）0―1―2―6―9―12―12.5―12.8―13.0电流（μA）00010．010.010.010.025.040.01503002CP31型二极管的实验数据(加反向电压时)将实验数据在坐标纸上标出，并连成线，就得到了2CP31二极管的伏安特性曲线。伏安特性是表示二极管两端的电压和流过二极管电流之间的关系。如图12.5所示，为标准硅二极管和锗二极管的伏安特性曲线。图12.5

二极管的伏安特性曲线（1）正向特性（二极管加正向电压时的电流—电压关系）OA段：当外加正向电压较小时，正向电流非常小，近似为零。在这个区域内二极管实际上还没有导通，二极管呈现的电阻很大，该区域常称为“死区”。硅二极管的死区电压约为0.5Ｖ，锗管的死区电压约为0.1Ｖ。过A点后：当外加正向电压超过死区电压后，正向电流开始增加，但电流与电压不成比例。当正向电压大于0.6Ｖ以后（对锗二极管，此值约为0.2V），正向电流随正向电压增加而急速增大，基本上是线性关系。这时二极管呈现的电阻很小，可以认为二极管是处于充分导通状态。在该区域内，硅二极管的导通压降约为0.7V，锗二极管的导通压降约为0.3V。但是流过二极管的正向电流需要加以限制，不能超过规定值，否则会使PN结过热而烧坏二极管。(2)反向特性（二极管加反向电压时的电流—电压关系）OD段：在所加反向电压下，反向电流的值很小，且几乎不随电压的增加而增大，此电流值被叫做反向饱和电流。此时二极管呈现很高的电阻，近似处于截止状态。硅管的反向电流比锗管的反向电流小，约在1µA以下，锗管的反向电流达几十微安甚至几毫安以上。这也是现在硅管应用比较多的原因之一。过D点以后：反向电压稍有增大，反向电流就急剧增大，这种现象称为反向击穿。二极管发生反向击穿时所加的电压叫做反向击穿电压。一般的二极管是不允许工作在反向击穿区的，因为这将导致PN结的反向导通而失去单向导电的特性。结论：二极管的伏安特性是非线性的，二极管是一种非线性元件。在外加电压取不同值时，就可以使二极管工作在不同的区域。二极管的伏安特性对温度很敏感。实验发现，随着温度升高，二极管的正向压降将减小，即二极管正向压降有负的温度系数，负温度系数约为-2mV/℃左右；二极管的反向饱和电流随温度的升高而增加，温度每升高10℃，二极管的反向电流约增加一倍。实验还发现，二极管的反向击穿电压随着温度升高而降低。二极管的温度特性对电路的稳定是不利的，在实际应用中要加以克服。但人们却可以利用二极管的温度特性，对温度的变化进行检测，从而实现对温度的自动控制。5.二极管的实际应用二极管是电子电路中最常用的器件。利用其单向导电性及导通时正向压降很小的特点，可用来进行整流、检波、对其它元件进行保护等，在数字电路中则将二极管当做开关来使用。整流检波限幅电子开关6.特殊二极管（1）稳压二极管（2）发光二极管（LED）（3）光电二极管（4）变容二极管（5）激光二极管四、二极管桥式整流、电容滤波电路的测量凡是电子仪器，必须使用直流电才能工作。在生活中用到的许多家用电器，都是采取把交流电变成直流电再供给电路工作的。利用二极管的单向导电性，就可以把交流电变成直流电，供给电子仪器和许多家用电器使用。把单相交流电变成直流电的电路叫做单相整流电路。单相整流电路又有半波整流、全波整流、桥式整流和倍压整流电路四种方式。电路连接电路连接如图12.17所示。图12.17

二极管桥式整流电容滤波的电路图

2.各部分电路作用（1）变压部分（2）整流部分（3）滤波部分【工程经验】在计算出电容器的容量和耐压值后，还要遵从“系列取值、宁高勿低”的选取原则。即：在电容器的容量和额定耐压上应选取电容器的系列生产值，而不能单纯按照计算值来选取。2.单相桥式整流电路桥式整流电路的组成(2)负载上直流电压和电流的估算图12.20桥式整流电路六、滤波电路单相半波和桥式整流电路的输出电压中都含有较大的脉动成分，除了在一些特殊场合（如电镀、电解和充电电路）可以直接应用外，不能作为电源为电子电路供电，必须得采取措施减小输出电压中的交流成分，使输出电压接近于理想的直流电压，这种措施就是要采用滤波电路。构成滤波器的主要元件是电容器和电感器。由于电容器和电感器对交流电和直流电呈现的电抗不同，如果把它们合理地安排在电路中，就可以达到减小交流成分，保留直流成分的目的，实现滤波的作用。常见的几种滤波器如图12.22所示。

图12.22常见的几种滤波器1.电容滤波电路电容滤波电路的特点是：输出电压高、脉动成分小、可提供的负载电流比较小。2.电感滤波电路图12.23单相桥式整流电容滤波电路

图12.25桥式整流电感滤波电路

电感滤波电路的特点是：输出电压低、脉动成分小、可提供的负载电流比较大。3.π型滤波电路图12.27π型LC滤波电路七、半导体三极管的认识图12.29

各种三极管的照片半导体三极管是近60年来发展起来的新型电子器件，具有体积小、重量轻、耗电省、寿命长、工作可靠等一系列优点，应用十分广泛。常用半导体三极管的外型和封装形式如图12.30所示。f图12.30

常用半导体三极管的外型和封装形式1.

三极管的结构。如图12.31所示，是三极管的结构示意图及图形符号。一个三极管由两个PN结组成，从而形成了三个区域：集电区、基区和发射区。基区和集电区之间的PN结称为集电结，基区和发射区之间的PN结称为发射结。由集电区、基区和发射区各引出一个电极，分别称为集电极、基极和发射极，依次用字母c、b和e来表示。

图12.31

三极管结构示意图及图形符号三极管的文字符号是VT，图形符号如图12.31中所示。发射极箭头的方向表示发射结正偏时发射极电流的流向。2.三极管的类型。三极管按制作的材料不同，可分为锗三极管和硅三极管。根据三个区的半导体导电类型的不同，三极管可分为PNP型和NPN型两大类。基区为P型半导体的称为NPN型三极管，基区为N型半导体的称为PNP型三极管。PNP型三极管和NPN型三极管的工作原理相同，只是工作电压的极性和电流的流向相反。3.三极管的识别与测量

（1）用指针式万用表检测三极管的管型（2）用指针式万用表判别三极管的集电极与发射极（3）用指针式万用表判别三极管的材料（4）用指针式万用表判别三极管是高频管还是低频管4.三极管的电流放大作用

（1）三极管具有放大作用的条件（2）三极管各个极间电流关系的实验数据（3）三极管电流放大的实质5.三极管的伏安特性（1）三极管的伏安特性三极管的伏安特性分为输入特性曲线和输出特性曲线两种。三极管的伏安特性曲线可根据实验数据绘出，也可以由晶体管图示仪直接测量得到。②三极管的输出特性曲线①三极管的输入特性曲线【重要结论】*三极管不仅具有电流放大作用，而且还具有开关特性。*当三极管作为放大器件使用时，应该工作在放大区。*当三极管作为开关器件使用时，应该工作在截止区和饱和区。*改变加在三极管的各个极间的电压，就可以控制三极管的工作状态。（2）三极管的主要参数①电流放大系数和②三极管极间反向电流③三极管的极限参数八、三极管在电路中的应用三极管是电子电路的核心器件，基本上可以归纳为放大应用和开关应用两大类。1.三极管的放大应用如图12.35所示，是一个实用的耳聋助听器实际电路，三极管将人的说话声音加以放大，可以满足耳聋患者和一些老年人的需要。2.三极管的开关应用3.特殊三极管及其应用（1）光敏三极管（2）光耦合器光敏三极管是一种相当于