《电工与电子技术》 课件 第8章 半导体器件

第8

章半导体器件8.1半导体基础知识8.2半导体二极管8.3稳压二极管8.4双极型晶体管8.5场效应晶体管8.6光电器件半导体器件本章通过学习半导体基础，了解PN结的形成即特点。在此基础上学习各类半导体器件，包括二极管、稳压管、双极型晶体管和场效应管的原理、结构、功能、特性、区别、特点和应用。

了解光电器件的基本常识。NNP第8

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半导体器件8.1半导体基础知识8.1.1半导体的导电性能

1.导体、绝缘体和半导体导体：导电能力强（电阻率极低），如金属等。绝缘体：导电能力差（电阻率极高），如塑料、橡胶等半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间的物质，常用的有硅（Si）和锗（Ge）。

见图8-1所示。硅Si锗Ge导体

绝缘体

半导体

图8-1导体、绝缘体和半导体2.本征半导体本征半导体即纯净的半导体，纯净的硅和锗为晶体结构，均为4价元素，即外层有4个价电子，相邻原子的价电子两两结合组成“共价键”，见图8-2a所示。共价键

原子

电子

在获得一定能量（光、热）时，少量价电子挣脱原子束缚称为自由电子，留下空位，称为“空穴”。自由电子和空穴统称为“载流子”，见图8-2b所示。

自由电子（负电）和空穴（正电）的运动形成电流。

因共价键比较稳定，缺少自由电子（及空穴），所以本征半导体导电能力很差，+4+4a）图8-2硅和锗的原子结构及载流子的运动a）原子结构及共价键b）载流子的运动b）自由电子的移动空穴的移动第8

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半导体器件8.1半导体基础知识在硅（Si）中掺入5价的元素，如磷（P），则可以增加自由电子，自由电子成为多数载流子，空穴为少数载流子。电子导电称为成为主要导电方式，这种半导体称为N

型半导体，见图8-3b所示。综上所述，得出以下结论：

纯净的半导体，在常温下几乎不导电。在光和热的作用下，产生少数载流子，有一定的导电能力。

掺入杂质可以提高导电能力，其中：掺入三价元素，可以增加空穴；掺入五价元素，可以增加自由电子。均可提高导电能力。如果在硅（Si）中掺入

3

价的元素，如硼（B），可以增加空穴，空穴为多数载流子，自由电子为少数载流子。空穴导电称为成为主要导电方式，这种半导体称为P

型半导体，见图8-3a所示。8.1.2P型半导体和N型半导体

SiP增加自由电子

SiB图8-3掺杂半导体a）硅掺入硼b）硅掺入磷增加空穴

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半导体器件8.1半导体基础知识8.1.3PN结及单向导电性1.PN结的形成

在本征半导体两边分别掺入三价和五价元素，分别形成

P型半导体和

N型半导体。由于

P区的空穴浓度大，N区的自由电子浓度大，所以，

P区的空穴向

N区扩散，与

N区的自由电子复合；而N区的自由电子向

P区扩散，并与

P区的空穴复合，见图8-4a所示。正离子负离子电子扩散空穴扩散

在

P区与

N区的交界面，多数载流子离去，在

N区一侧留下的是正离子，在

P区一侧留下的是负离子，产生一个由

N

区指向

P

区的内电场，如图8-4b所示。P、N交界处形成特殊的薄层，称为PN结，如图8-4c所示。图8-4PN结的形成a）载流子扩散b）正负离子形成内电场c）PN结载流子扩散运动PNa）++++++------内电场PNb）内电场PNc）PN结第8

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半导体器件8.2半导体二极管2.PN结的单向导电性

如给

PN结外加正向电压，即

P区接电源正极，N

区接电源负极，外电场与内电场方向相反，PN结变薄，正向电阻很低，如图8-5a所示。从P区到

N区的正向电流较大，即

PN结处于正向导通状态。在一定范围内，外加的正向电压越高，正向电流越大。

如给

PN结外加反向电压，即

P区接电源负极，N区接电源正极时，外电场与内电场方向相同，相当于

PN结变厚，电阻增大，如图8-3b所示。由

N区到

P区的反向电流很小，此时

PN结处于截止状态。

结论：PN结加正向电压时导通，反向电压时截止，即PN结具有单向导电性。PN结是构成各种半导体器件的重要基础。正向电流很大反向电流很小图8-5PN结的单向导电性a）外加正向电压b）外加反向电压PN结变薄内电场削弱PN外电场R+US

-ia）PN内电场增强PN结变宽R-US+i外电场b）第8

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半导体器件8.2半导体二极管8.2半导体二极管VD正极负极

半导体二极管由一个PN结，两端加上电极引线，外壳封装构成，图

8-6为二极管的外形和电路符号，VD为二极管的文字符号。P区接正极（阳极），N区接负极（阴极）。

8.2.1基本结构

二极管的几种结构：如图8-7所示，其中：

图8-7a为点接触型，PN结面积小，适用于高频、小功率。

图8-7b为面接触型，PN结面积大，适用于低频、大功率。

图8-7c为平面型，适用于大功率整流和数字开关。

正极负极触丝

外壳

PN结

PN结

正极负极底座

负极正极PNSiO2保护层

图8-7二极管的结构a）点接触型b）面接触型c）平面型正极负极图8-6二极管的外形和符号a）常见的外形b）电路与文字符号第8

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半导体器件8.2半导体二极管8.2.2伏安特性二极管的伏安特性即端电压与所通过电流的关系曲线，如图8-8所示。

当二极管外加正向电压时当二极管外加反向电压时UTUF导通电压死区电压UBRiR反向电流反向击穿电压uiO图8-8二极管的伏安特性正向特性反向特性第8

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半导体器件8.2半导体二极管8.2.3主要参数最高工作频率

fM

因PN结有电容效应（结电容），当二极管的工作频率超过最高工作频率时，二极管反向阻抗减小，反向电流增大，导致二极管单向导电性变差。最大整流电流

IFM

是指二极管长时间工作时，允许通过二极管的最大正向平均电流。超过此值，将使

PN结过热而烧坏。一般点接触型二极管的最大整流电流在几十mA以下，面接触型二极管的最大整流电流较大，可在100mA

以上。反向工作峰值电压

URM

是保证二极管不被击穿所容许的最高反向电压，通常为反向击穿电压

的1/2，即如2CZ52A硅二极管，其反向击穿电压UBR=50V，所以反向峰值工作电压URM=25V。反向峰值电流

IRM

是指在二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值，

越小，说明二极管的单向导电性越好。硅二极管一般在几个μA以下，锗二极管较大，是硅管的几十到几百倍。第8

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半导体器件8.2半导体二极管8.2.4二极管的基本应用

二极管的单向导电性被广泛用于整流、限幅、钳位、元件保护电路等，在数字电路中作为开关元件使用。

在分析电路时，一般可以假设二极管为理想二极管，即导通时正向电阻为零，导通电压UF

忽略不计，等效为开关接通。当管子加反向偏压截止时，反向电阻为无穷大，等效为开关断开。

【例8-1】图8-9a所示电路，输入电压ui为正弦交流电（图8-9b），VD为理想二极管，画出输出电压uo的波形，说明功能。ui增加时，VD导通，同时C充电至Uimui下降时，VD截止，电容不能放电，所以电容电压始终保持Uim,uo

为：

相当于给输入信号叠加了直流分量（-Uim），使输出电压被钳制在零电平以下，却不改变信号波形，见图8-9c所示。CVD+ui-+uo-a）图8-9例8-1电路及输入输出波形a）电路b）输入波形c）输出波形ttuiuoUim-Uimb）c）第8

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半导体器件8.2半导体二极管

【例8-2】图8-10a所示电路，输入电压ui为正弦交流电（图8-10b），U为直流电源，VD为理想二极管，画出输出电压uo

的波形，说明功能。解：如果ui

<U，则VD截止（相当于开路），输出电压为如果ui

>U，则VD导通（相当于短路），输出电压为将输出电压的幅值限制在U以下（图8-10c），称为限幅电路，又称削波电路。【例8-3】图8-11所示电路，VD的导通电压为0.7V，说明其功能。如果输入电压绝对值超过0.7V，一个二极管导通，输出限制在0.7V，即解：如果输入电压绝对值不超过0.7V，两个二极管都截止，输出=输入，即实现了双向限幅，称为双向限幅电路。同时避免了后续电路承受高电压，又称为双向保护电路。RVD+ui-+uo-RL图8-11例8-3电路图8-10例8-2电路及输入输出波形a）电路b）输入波形c）输出波形RVD+ui-+uo-+U-a）tuiUtuoUb）c）第8

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半导体器件8.3稳压二极管

稳压二极管是一种特殊的二极管，工作在反向击穿状态，其击穿状态可逆。与限流电阻配合后，能实现稳定电压的作用。稳压管的电路符号如图

8-12所示，文字符号为

VS。8.3.1伏安特性

稳压二极管正向工作时，与普通二极管相同。反向工作时的伏安特性曲线如图8-12所示，

工作在反向击穿状态时，当电流

IZ

变化（ΔIZ

）很大时，其两端电压的变化（ΔUZ

）很小，因而可以获得一个稳定的电压。8.3.2主要参数

稳定电压

UZ

:即反向击穿状态下两端的稳定工作电压。

电压

稳定系数

αU

:稳定电压随工作温度不同而有所变化，

是稳压管温度稳定性的系数。

稳定电流

IZF

和最大稳定电流

IZM：工作电流应介于

两者之间，如图8-13所示。

动态电阻

rZ

:稳压管端电压的变化量与相应的电流变化量的比值，即

最大允许耗散功率PZM:稳压管不致发生热击穿的最大功率损耗，表达式为VSIZ+UZ-图8-12稳压二极管符号IZFIZMΔUZΔIZUZOui图8-13稳压二极管伏安特性（反向）第8

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半导体器件8.3稳压管二极管8.3.3稳压管的基本应用

实用中，稳压管要和限流电阻配合使用，构成稳压电路，如图

8-14所示。其功能是：当输入电压UI波动，或负载变化时，保持输出电压UO基本稳定。稳压电路

稳压原理：选择稳压管的稳定电压等于负载上的输出电压，输入电压约为输出电压的（2~3）倍，输出电压等于输入电压减限流电阻上的电压，即当因输入电压Ui增加引起输出电压增加时，有如下自动稳压过程：当电压波动时，通过稳压管调节电流，通过限流电阻调节电压，补偿输入电压的波动，保证输出电压基本稳定。VSIZ+UZ-IORL+UO-+UI-RIR图8-14稳压二极管稳压电路第8

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半导体器件8.3稳压管二极管【例8-4】图8-15所示稳压电路参数为：（1）当UI

=16V时，稳压管能否正常工作？解：稳压管正常工作的条件是稳压管电流在工作范围内3mA<IZ<8mA，可以正常工作。

VSIZ+UZ-IORL+UO-+UI-RIR图8-15例8-4、例8-5电路（2）保证稳压管安全工作，输入电压允许的最大值UIM【例8-5】图8-15所示稳压电路参数为：要求当输入电压由正常值发生

20%波动时，负载电压基本不变。求：电阻

R和输入电压的正常值。解：输入电压向上波动20%，即1.2UI时，IZ=IZM输入电压向下波动20%，即0.8UI

时，IF=IZF第8

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半导体器件8.4.1基本结构

8.4双极型晶体管双极型晶体管（简称晶体管）是最重要的一种半导体器件。图8-16为几种常见的晶体管外形。因内部自由电子和空穴两种载流子都参与导电过程，故称为“双极型”。晶体管具有电流放大作用和开关作用，本节主要介绍双极型晶体管的结构组成和电流放大作用。

晶体管分为三个区（集电区、基区和发射区），各引出一个极，即集电极（C）、基极（B）和发射极（E），故又称为三极管，两个PN结

（集电结和发射结）。根据各区掺入杂质的不同，又分为NPN

和PNP两种，其中基区很薄。集电区和发射区同为一种半导体，但掺杂浓度不同，不能互换。其电路符号和结构，电流方向如图8-17

所示。晶体管的文字符号用VT表示。

图8-16常见晶体管外形图8-17晶体管的结构和符号a）NPN管结构b）NPN管符号c）PNP管结构d）PNP管符号NNPCBE集电结集电区发射结发射区基区a）VTCBEb）PPNCBE集电结集电区发射结发射区基区c）VTCBEd）第8

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半导体器件8.4双极型晶体管8.4.2电流放大作用

测量晶体管电流关系的电路如图8-18所示，为保证晶体管处于放大状态，在两个PN结所加的电压称为偏置电压（偏压）。要求：发射极正向偏压（正偏），即VB>VE，

UBE>0；集电结反向偏压（反偏），即VC>VB，UCE>UBE，这是晶体管处于电流放大状态的必要条件。

图中，UCC和UBB分别为基极回路和集电极回路的直流电源，分别提供偏置电压和电流。三个电流表分别测量三个极的电流。调节电位器RB，可以改变基极电流IB

的数值，而集电极电流IC

和发射极电流IE

也随之变化，记录数据填入表8-1中。电流第一组第二组第三组第四组第五组IB00.020.040.060.08IC<0.0011.503.014.556.20IE<0.0011.523.054.616.28表8-1晶体管电流测试数据单位：mA

VTCBEmAmAμA+UCC-+UBB-RBICIEIB图8-18晶体管电流测量电路第8

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半导体器件8.4双极型晶体管

电流测量结果分析（1）第一组，IB=0时，IC=ICEO

，称为“穿透电流”，如图8-19所示。（2）第一组~第五组，将晶体管看做一个结点，三个电流的关系符合基尔霍夫电流定律，即（3）IC和IB之比近似一个常数，如：（4）

IC和IB的变量之比也近似一个常数，如：（5）结论：晶体管有电流放大作用，相当于将IB放大β

倍成为IC，β

相当于放大倍数。实际是控制作用，用较小的基极电流IB通过晶体管控制较大的集电极电流IC，所以双极型晶体管是电流控制器件。CBEIB=0X

ICEO

穿透电流图8-19穿透电流第8

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半导体器件8.4双极型晶体管8.4.3伏安特性曲线

图8-20为测试伏安

特性的电路，左边为输入回路，其电压-电流关系又称为输入特性；右边为输出回路，其电压-电流关系称为输出特性。

1.输入特性

集电极-发射极电压UCE为常数时，基极-发射极电压UBE与基极电流IB的关系，即因晶体管的BE间为发射结且加正向偏压，所以其伏安特性类似于二极管的正向特性，如图8-21a所示。通常UCE>1V，如果是硅管，死区电压为0.5V左右，导通电压为0.7V左右。

2.输出特性

基极电流IB为常数时，集电极-发射极电压UCE与集电极电流IC

的关系，即例如，当IB=60μA时，画出一条输出特性曲线（图8-21b），对应的IC=3mA，所以β

=50。CBE+UCC-ICIB+UBB-RCRB图8-20晶体管伏安特性测量电路图8-21晶体管的伏安特性a）输入特性b）IB为某值的输出特性UBEIBUCE≥1UCE=0O

0.7V0.5Va）UCEICOIB=60μA3mAb）饱和区截止区第8

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半导体器件8.4双极型晶体管输出特性的分析

某高频小功率晶体管输出特性中，当IB=60μA时，可以确定一条输出特性曲线。当IB取不同值（0~100μA）时，可以确定无数条输出特性，构成完整的输出特性曲线，如图8-22所示。IB=0IB=40μAIB=80μAIB=100μAIB=20μA输出特性上分为三个区

（1）放大区

输出特性曲线近于平行的部分为放大区。晶体管工作在放大区的条件是发射结处于正偏、集电结处于反偏。

在放大区，IC与UCE基本无关，IC受IB

控制，具有电流放大能力，当IB一定时，IC

为恒流。

（2）截止区

IB=0以下的区域为截止区，发射结和集电结均处于反偏，IC≈0。

（3）饱和区

UCE<UBE的区域为饱和区，在饱和区，发射结和集电结均处于正偏，IB失去对IC

的控制，IC=

ICS（饱和集电极电流）

。放大区IB=60μAUCEIC/mAO32145图8-22晶体管输出特性第8

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半导体器件8.4双极型晶体管8.4.4主要参数

（1）电流放大系数（2）C、B

间反向饱和电流ICBO：E

极开路，C、B

间反向电流，如图8-23所示。

（3）C、E间反向饱和电流（穿透电流）ICEO：B极开路，C、E间反向电流。

（4）集电极最大允许电流

ICM：

IC过大时晶体管的放大系数β

会下降，

β

降为正常值1/3~1/2时的IC定义为ICM

（5）反向击穿电压

UBR（CEO）：基极开路时，集电极-发射极之间的最大允许电压，见图8-24所示，超过此值，晶体管会击穿损坏。

（6）集电极最大允许耗散

功率PCM：为集电极耗散功率，PCM是其最大值，超过此值，晶体管会损坏。

PCM和ICM、

UBR（CEO）都属于极限参数，在输出特性上可以确定安全工作区，见图8–25所示。CBEX

ICBO图8-23CE间反向饱和电流CBEIB=0X+UBR(CEO)-图8-24反向击穿电压UCEICOICMUBR（CEO）PCM安全工作区图8-25晶体管安全工作区第8

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半导体器件8.4双极型晶体管【例8-6】图8-26所示各晶体管均工作在放大状态，图中标注为所测量的电流大小和方向。

（1）求未知电流。（2）确定晶体管是NPN管还是PNP管？

（3）各极电流的大小。

（4）晶体管直流电流放大系数。

b）图8-26例8-6晶体管各极电流图aa）图b第8

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半导体器件8.4双极型晶体管【例8-7】图8-27所示各晶体管均工作在放大状态，根据所标注的各极对地电位（1）确定该晶体管是NPN管还是PNP管？（2）是硅管还是锗管？（3）根据电位区分各级。0V12V11.3V12V15V14.8Va）b）c）d）图8-27例8-7晶体管各极电位3V12V3.7V11.8V15V12V第8

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半导体器件8.5场效应晶体管

场效应晶体管是一种电压控制器件，利用改变电场的强弱来控制半导体的导电能力；因为只依靠多数载流子导电，所有属于单极型晶体管，这是与双极型晶体管的两项主要区别。8.5.1绝缘栅型场效应晶体管

1.分类与电路符号

绝缘栅型场效应晶体管又称金属-氧化物-半导体（MOS管），根据导电沟道的不同，可分为

N沟道和

P沟道两种，每一种又分为增强型和耗尽型两类。其电路符号和电流方向见图8-28所示。其中：D

为漏极、G为栅极、S为源极、B为衬底。图8-28绝缘栅型场效应管（MOS管）电路符号a）N沟道增强型b）P沟道增强型c）N沟道耗尽型d）P沟道耗尽型GSDBa）GSDBb）GSDBc）GSDBd）图8-30N沟道增强型场效应管结构第8

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半导体器件8.5场效应晶体管

2.增强型场效应管

场效应管是一种电压控制器件，即通过栅源间电压UGS控制漏极电流ID，图8-29为N沟道增强型场MOS

管的符号和电压、电流关系（衬底与源极连接）。图8-30为N沟道增强型MOS管的结构图，漏极（D）和源极（S）接

N

型半导体，中间为P

型衬底，交界处为两个PN结。当UGS=0时，D、S间并不相通，ID=0，MOS

管截止。

当UGS=UGS（th）

（开启电压）时，两N

区之间开始出现导电沟道（N沟道），ID

产生，称为临界导通，见图8-30所示。

UGS-+UDS-+如果UGS

继续增加，导电沟道加宽，ID

增加，

UGS与ID形成控制关系，如图8-30所示。

IDUGS=UGS（th）临界导通沟道场效应管导通产生漏极电流G、S间接UGS，作为输入控制电压；D、S间接电源UDS，提供漏极电流IDGSDID+UGS-图8-29N沟道增强型场效应管符号UGS

继续增加导通沟道加宽第8

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半导体器件8.5场效应晶体管

N沟道场效应管的转移特性

场效应管是通过栅源间电压UGS控制漏极电流ID，即输入电压控制输出电流，故称其伏安关系称为转移特性，即图8-31

为某N沟道增强型MOS管的转移特性，从特性中可以看到如下数据所以，定义输出电流的变化量与输入控制电压的变化量之比为跨导，即跨导表示输入电压对输出电流的控制能力，图中线性部分的跨导为UGS/VID/mA0234562420161284图8-31N沟道增强型场效应管转移特性开启电压

UGS（th）图8-33N沟道耗尽型场效应管结构a）UGS=0b）UGS=

UGS（off）

a）b）第8

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半导体器件8.5场效应晶体管耗尽型场效应管图8-32

为N沟道耗尽型场效应管的符号。

图8-33为耗尽型场效应管的结构，其特点是：

（1）即使输入控制电压UGS为零，因存在原始导电沟道，电流仍会ID导通。见图8-33a所示。GSDID+UGS-图8-32N沟道耗尽型场效应管符号（2）当输入控制电压UGS下降到UGS（off）时，原始导电沟道夹断，ID为0，MOS

管截止。UGS（off）称为“夹断电压”，见图8-33所示。夹断电压

UGS（off）（3）图8-34所示某耗尽型场效应管的转移特性，得到以下数据UGS=UGS（off）

IDUGS=0原始沟道沟道夹断UGS/VID/mA0246161284-3-1图8-34N沟道耗尽型场效应管转移特性第8

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半导体器件8.5场效应晶体管8.5.2场效应晶体管的主要参数（2）开启电压UGS（th）

：增强型场效应管临界导通，ID为微小电流时的栅-源电压UGS，为正值。

（5）最大漏-源击穿电压

UBR（DS）：漏极-源极之间允许的最大反向电压，超过会击穿损坏。

（6）漏极最大允许耗散

功率PDM：漏极耗散功率，PDM是其最大值，超过会损坏。（1）输入电阻：G、S

间直流输入电阻rGS，定义为（3）夹断电压UGS（off）

：耗尽型场效应管临界导通，ID为微小电流时的栅-源电压UGS，为负值。

（4）低频跨导gm：

漏极电流ID与栅-源电压UGS的变量之比，表示UGS对ID的控制作用。第8

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半导体器件8.5场效应晶体管双极型晶体管与绝缘栅型场效应管（MOS管）的比较（见表8-2）

表8-2双极型晶体管与绝缘栅场效应管的第8

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半导体器件8.6光电器件8.6.1发光二极管

发光二极管是一种将电能直接转换成光能的半导体器件，简称LED（LightEmittingDiode，发光二极管）。

LED多采用磷神化镓材料制作

PN结，在正向导通时，由于空穴和电子的复合而放出能量，发出一定波长的可见光。光的波长不同，颜色也不同，常见的

LED有红、绿、黄、蓝等颜色，根据三原色可以组合出其他各种颜色。

LED的PN结封装在透明塑料管壳内，外形有方形、矩形和圆形等。具有驱动电压低、工作电流小，具有很强的抗振动和抗冲击能力、体积小、可靠性高、耗电省和寿命长等优点，在现代社会具有广泛的用途，如信号指示和传递、照明、屏幕显示等。

图8-35为发光二极管的电路符号、外形及部分应用。图8-35发光二极管及应用a）电路符号b）

外形

（指示灯）c）照明灯d）屏幕显示a）b）c）d）第8

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半导体器件8.6

光电器件8.6.2光电器件1.光敏电阻

光敏电阻是一种电导率随吸收的光量子多少而变化的电子元件。在特定波长的光照射下，载流子浓度增加，从而电导率增加，电阻值明显变小，即电阻的阻值与光照有关，称为光敏电阻。光敏电阻的符号和外形见图

8-36所示。2.光电二极管

光电二极管又称光敏二极管，管壳上有透明聚光窗，有光线照射时，光电二极管在一定的反向偏压范围内，其反向电流将随光照强度的增加而线性地增加，这时光电二极管等效于一个理想电流源。当无光照时，光电二极管的伏安特性与普通二极管一样。光敏二极管的符号、外形和等效电路见图8-37所示。图8-37光电二极管a）电路符号b）