常用晶体管课件

7.1晶体二极管

晶体管是二十世纪四十年代出现的半导体器件，以其体积小、重量轻、功耗小、寿命长、可靠性高等优点，获得了迅猛发展，在工业自动测检、计算机、通信、航天等方面获得了广泛的应用。

7.1.1半导体材料导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体，如硅、锗、硒以及大多数金属氧化物和硫化物都是半导体。纯净半导体（本征半导体）的导电能力差，绝缘性能也不强，但当温度、光照、掺杂质等条件变化时，能引导半导体导电能力的显著变化，也就是说半导体材料具有热敏性、光敏性和掺杂性。1．本征半导体

纯净的半导体材料称为本征半导体。将硅或锗(四价元素)材料提纯并拉制成单晶后，使所有原子整齐排列，每一个原子与相邻四个原子结合，处于较为稳定状态，形成共价键结构如图7-1。当本征半导体获得一定能量（热、光、电场）后，形成电子—空穴对。在外电场作用下，自由电子逆电场、空穴顺电场运动，因而都称载流子。在一定温度下，电子—空穴对产生和复合达到动态平衡，载流子数目便基本维持一定数目。热、光、电场等能量SiSiSiSiSiSiSiSi空穴被吸引自由电子图7-1本征半导体的模型Si2．掺杂半导体

(1)N型半导体

单晶硅(或锗)通过某种工艺掺入微量磷P元素(或其它五元素价)，晶体结构中磷原子参于共价键结构时需四个价电子，多余的一个价电子很容易挣脱原子核束缚而成为自由电子，同时本征半导体中存在电子—空穴对；于是自由电子数目多，称为多数载流子；而空穴数目少，称为少数载流子，这种半导体称为N型半导体，如图7-2所示。

SiSiSiSiPSiSiSiSi自由电子图7-2N型半导体的形成Pa)b)电子—空穴对（2）P型半导体单晶硅(或锗)中掺入微量的硼B元素（或其它三价元素），因硼只有三个价电子，因共价键结构中因缺少一个价电子而形成一个空穴；同时由于本征半导体中存在电子—空穴对。于是导体中的空穴数目多，称为为，多数载流子；而自由电子数目少，称为少数载流子，这种半导体称为P型半导体如图7-3所示。SiSiSiSiBSiSiSiSi空穴图7-.3P型半导体的形成

Ba)b)电子—空穴对7.1.2PN结1．PN结的形成通过一定的工艺使一块单晶片两边分别形成P型和N型半导体。在P型和N型半导体的交界处存在着空穴和自由电子的浓度差，于是P区的空穴向N区扩散，N区的自由电子向P区扩散，如图7-4a所示，扩散到对方的载流子成为少数载流子，并与对方的多数载流子复合，使自由电子和空穴同时消失。这样就在它们的交界处留下不能移动的正负离子组成的空间电荷区(内建电场)，也就是PN结，如图7-4b所示。这个内建电场的方向是从带正电的N区指向带负电的P区，它阻止载流子的扩散直至交界面两边的电荷不再增加，达到动态平衡，称阻挡层，又由于空间电荷区缺少可以自由移动的载流子，所以称为耗尽层。

PN结中载流子的扩散运动只是多数载流子的运动，还有少数载流子的漂移运动。内建电场对P区和N区的少数载流子具有吸引作用，只要少数载流子靠近耗尽层，就会被内建电场拉到对方的区域中去，这就是漂移运动。扩散和漂移这两种运动在PN结形成后达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本上稳定下来，PN结就处于相对稳定的状态。内电场方向图7-4PN结的形成空间电荷区自由电子空穴+PN––––––––––––––––+++++++++++++++自由电子空穴+PN––––––––––––––––+++++++++++++++2．PN结的单向导电性

(1)当给PN结加正向电压，即P区接外加电源的正极，N区接负极，如图7-5所示，PN结的导通状态，电流方向称为正向电流，且电流较大。++++––––PN内电场方向外电场方向–+I图7-5PN结加正向电压变窄

mA(2)当给PN结加反向电压，即P区接外加电源的负极，N区接正极，如图7-6所示，PN结处于截止状态，反向电流很小电流，受环境温度影响较大。++++––––PN内电场方向外电场方向+–I图7-6PN结加反向电压

变宽

μA––––++++7.1.3晶体二极管1．二极管的结构把PN结封装在管壳内，并引出两个金属电极，就构成一个二极管。其外型和图形符号如图7-7a、b所示，文字符号用VD表示。P区引出的电极叫阳极(正极)，N区引出的电极叫阴极(负极)。

阳极阴极VD-a）b）图7-7晶体二极管2．二极管的特性曲线

二极管的特性曲线是用来表示二极管两端的电压和流过它的电流之间的关系曲线。硅二极管的特性曲线如图7-8。

I(mA)80604020-50–250.40.8OU(V)死区击穿电压正向反向图7=8二极管特性曲线–20–40(µA)(1)死区正向电压从0~0.5V正向电流几乎为零，称它为死区，死区电压硅管约为0.5V，锗管约为0.2V。

(2)正向导通区正向电压大于0.5V以后，I增长很快，称VD导通。但导通电压几乎不变，硅二极管约为0.7V，锗管的导通压降约为0.3V。(3)反向截止区

反向电压从0~-50V这部分的反向电流很小，几乎为零，把该区域称反向截止区，反向截止区的范围因管子不同而不同。

(4)反向击穿区

当反向电压大于50V以后，由图可见，反向电流突然增大，二极管失去单向导电性，称为击穿。50V时的反向电压称为二极管的反向击穿电压。二极管被击穿后，一般不能恢复性能，在使用二极管时，反向电压一定要小于反向击穿电压。

3．二极管的主要参数

(1)最大整流电流IOM

指二极管长期运行时，允许通过二极管的最大正向平均电流。使用时，管子的平均电流不得超过此值，否则很容易烧坏管子。

(2)反向工作峰值电压URM

指二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是反向击穿电压的一半或三分之二。

(3)反向峰值电流IRM

指在二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。反向峰值电流IRM越大，说明二极管的单向导电性能差，且受温度影响大。

4．常用二极管及应用

(1)普通二极管VD型号的第二个字母用“P”表示，适用于高频检波、鉴频限幅和小电流整流等。

(2)整流二极管VD型号的第二个字母用“Z”表示，可实现不同功率的整流。

(3)开关二极管VD型号的第二个字母用表示“K”，，用于电子计算机、脉冲控制及开关电路中。

(4)稳压管稳压管是一种工作在反向击穿区特殊二极管，工作时和一个合适的R串联，可起到稳定电压的作用。第二个字母用“W”表示，符号图7-9所示，用于直流电路中的稳压或电子线路中的箝位。+–图7-9稳压管的图形符号(5)光电二极管

光电二极管的结构和一般二极管相似，只是它的外壳是透明的玻璃，它的符号如图7-10所示，其型号为2CU1等。光电二极管在电路中一般是处于反向工作，在没有光照时，其反向电阻很大，管子中只有很小的电流；当有光照时，其反向电阻大大减小，反向电流也随之增加，显然电流的大小和光照强度有关，光照越强，电流也越大。用于光电继电器、触发器及光电转换的自动测控系统中。

+–图7-10

光电二极管的图形符号7.2晶体三极管

晶体三极管，即半导体三极管，简称晶体管或三极管。它具有电流放大和“开关”这两个特殊本领，所以广泛用于电信号的放大、振荡、脉冲技术和数字技术。

7.2.1三极管的结构

三极管由两种类型的三块掺杂半导体按一定的方式构成两个PN结，并分别从三块掺杂半导体上引出三个电极，最后用金属或塑料封装而成，其外型如图7-11所示。

(a)3AX81(b)3DG6(c)3AD10图7-11

半导体三极管的外形图

三极管可分为NPN型和PNP型两种类型。它们都有三个区，两个PN结和三个电极。结构示意图和符号如图7-12a、b。

图7-12

半导体三极管C集电极CBE发射极E集电区基区发射区发射结集电结基极BPPPNNNa)结构Eb）符号CBNPNECBPNP7.2.2三极管的电流放大作用由实验验证，三极管在满足发射结加正向电压，正向偏置，集电结加反向电压，称反向偏置时，三极管具有电流放大作用。以3DG6为例，实验电路如图7-13。当改变RB时，测得IB、IC和IE，测量的数据，如表7.2.1。–C3DG6μAmABE–++UCCUBBRBIBIC图7-13

三极管电流放大实验电路IEmARP电流

实验次数

123456IB(μA)01020304050IC(mA)≈00.561.141.742.332.91IE(mA)≈00.571.161.772.372.96表7-1三极管电流放大实验测试数据由表7-1分析可得出如下结论：

(1)IE＝IC＋IB(2)直流电流放大系数

(3)交流电流放大系数

(4)β≈

，用β表示，则有IC＝βIBIE＝IB＋IC

＝（1＋β）IB7.2.3三极管的特性曲线三极管的特性曲线是用来表示该三极管各极电压和电流之间相互关系的。最常用的是共发射极接法的输入特性曲线和输出特性曲线。1．输入特性曲线输入特性曲线是指当UCE为常数时，输入电路中IB与UBE之间的关系曲线。图7-14所示。

UBE

(V)806020400.40.8UCE≥1VIB

(μA)0图7-143DG6晶体管的输入特性曲线

当UCE≥1V时，即就是UCE改变时，各条输入特性曲线基本上重合，则在UCE≥1V时画该一条输入特性曲线。

它与二极管的伏安特性相似，有死区，电压死区硅管约为0.5V，锗管约为0.2V。

2．输出特性曲线

输出特性曲线是指当基极电流IB为常数时，输出回路中集电极电流IC与集—射极电压UCE之间的关系曲线。在不同的IB下，可得到不同的曲线，所以三极管的输出特性是一组曲线。图7-15所示为3DG6管的输出特性曲线

9UCE(V)IC(mA)80μA60μA20μA40μAIB=032.321.5103612截止区放大区饱和区图7.-153DG6晶体管的输出特性曲线输出特性曲线分为三个区。

(1)截止区曲线IB＝0以下的区域称为截止区。要使三极管可靠截止，BE结和BC结都应处于反向偏置。工作于截止区时，IC≈0，CE之间相当于断开的开关。

(2)饱和区当UCE＜UBE时，BC结就处于正向偏置，V工作于饱和状态，在输出特性曲线UCE＜UBE部分称为饱和区。在饱和区，IB和IC不成比例，β≈0即无电流放大作用，UCE电压称为饱和压降UCES

，硅管约为0.3V，锗管约为0.1V。饱和时，CE之间相当于闭合的开关。

(3)放大区输出特性曲线较为平坦的那个区域称为放大区。放大区中有IC＝βIB，即IC受IB的控制。要使V工作于放大区，必须满足BE结正偏，BC结反偏的条件。总之，三极管工作在放大区时，具有电流放大作用；工作在截止区和饱和区时，具有“开关”作用。

7.2.4三极管的主要参数

三极管的参数表示性能的指标，是选择三极管的主要依据。介绍除β外的几个常用参数。

1．极间反向电流

(1)集—基极反向漏电流ICBO

当E开路时，由C流向B的CB结的反向电流称集一基极反向漏电流ICBO。在室温下，小功率锗管的ICBO约为10μA；硅管则<1μA。

(2)集—射极反向截止电流ICEO

当B开路时，由C流向E的反向电流称集一射极反向截止电流ICEO，也称为穿透电流。

ICEO＝(1+β)ICBO则硅管ICEO也是越小越好。2．极限参数

(1)集电极最大允许电流ICM

三极管的集电极电流IC如果超过一定数值时，它的电流放大倍数β将显著下降。当β下降到正常值的三分之二时所对应的集电极电流值，称为集电极最大允许电流ICM。

(2)集—射极击穿电压BUCEO

基极开路时，允许加在集电极和发射极之间的最大电压称为集—射极击穿电压BUCEO。当UCE超过BUCEO集电极电流大幅度上升，说明管子已被击穿。

(3)集电极最大允许耗散功率PCM

集电极最大允许耗散功率PCM是指集电结最大允许的功率。由于三极管工作时，电流经集电结而产生热量，使结温升高，会将损坏管子，则在使用时应保证UCEIC＜PCM，但当晶体管加散热片使用时，可使PCM提高很多。7.3绝缘栅场效应管

场效应管也是三个电极的晶体管，但它具有输入电阻低(102~104Ω)、输入电阻很高(109~1014Ω)、热稳性好、噪声低、抗干扰能力强的特点。是一种电压控制电流，只有一种载流子导电的器件，又叫单极型晶体管。场效应管可分为两大类，一类是结型场效应管，另一类是绝缘栅场效应管，又叫金属一氧化物—半导体绝缘栅场效应管，简称MOS。MOS管的制造工艺简单，且具有极高的输入电阻，广泛应用于集成电路中。

MOS管按其工作原理可分为增强型和耗尽型；接其导电沟道（电流的通路）采用的半导体类型可分为N型沟道和P型沟道。即MOS管可分为N沟道增强型、N沟道耗尽型、P沟道增强型和P沟道耗尽型。这里重点介绍N型沟道MOS管。7.3.1N沟道增强型MOS管1．N沟道增强型MOS管的结构

如图7-16a、b所示为N沟道增强型绝缘栅场效应管的结构示意图及电路符号。它是用一块掺杂浓度较低的P型硅片作衬底，并在其上扩散两个相距很近的高掺杂N型半导体，各引出两个电极，分别称为源极S和漏极D，在S和D间的P型硅片上生成一层二氧化硅(SiO2)绝缘层，在其上沉积出金属层引出电极作为栅极G。由于G、S、D和衬底互相绝缘，故称为绝缘栅场效应管。

(a)N+N+SiO2绝缘层SSDDGGP型硅衬底图7-16N沟道增强型绝缘栅场效应管(b)2．N沟道增强型MOS管的工作原理

由图7-16a可见，源极S和漏极D之间是两个反向串联的PN结，不论漏极、源极之间电压如何，总有一个PN结处于反向偏置，则漏极、源极处于高阻状态，即ID≈0。当G和S之间加上电压UGS

，同时衬底与S短接，即UGS加到G与衬底之间，便产生一个垂直于P型衬底表面的电场，此电场使P型硅片中的多数载流子空穴受到排斥，而少数载流子电子受到吸引，在P型衬底表面形成一个电子占绝对多数的N型表面层，称反型层，于是在漏区和源区之间形成了N型导电沟道，简称N沟道，如图7-17所示。

当漏极、源极间加一定正向电压后，就会形成漏极电流ID，管子导通。通常，把开始出现反型层时的电压UGS值称为开启电压，用UGS(th)表示。显然，UGS越高，导电沟道就越宽，ID也就会越大，即ID的大小受UGS的控制，可见它是电压控制电流的半导体器件。–––––N+N+N沟道耗尽层P型硅衬底图7-17

MOS管N沟道的形成UGS+–SGD

绝缘栅场效应管的主要参数是跨导，即当漏—源电压UDS一定时，漏极电流的增量△ID与柵—源电压的增量△UGS的比值，即

其单位是μА/V或mA/V。它是衡量场效应管柵—源电压UGS对漏极电流ID控制能力的一个重要参数。

7.3.2N沟道耗尽型MOS管1．N沟道耗尽型MOS管结构耗尽型MOS管在结构上和增强型有一点区别，它在二氧化硅绝缘层中预先掺入大量碱金属正离子（如Na+或K+），则在

UGS＝0时，便在P型硅衬底表面形成N型反型层，称为原始导电沟道，如图7-18所示。

图7-18

N沟道耗尽型MOS管+++++DDGGSSP型硅衬底N+N+N沟道（a）（b）2．N沟道耗尽型MOS管的工作原理

由于UGS＝0时就有导电沟道，只要UDS＞0就会有漏极电流，即管子导通。当UGS＞0时，其自建电场被加强，吸引了更多的电子，使沟道变宽，则ID随UGS的增大而增大。当UGS＜0时，电场减弱，使沟道变窄，漏极电流减小。当UGS小到某一值时，原始沟道消失，漏极电流趋于零，管子截止。该负电压称为夹断电压，用UGS(off)表示，可见，耗尽型MOS管的UGS不论是正是负，都能控制漏极电流ID。图7-19a、b为P沟道增强型、P沟道耗尽型符号。

DDGGSS(a)(b)图7-19

P沟道MOS管的图形符号7.4晶闸管

晶闸管是一种大功率的半导体器件，具有体积小，重量轻、效率高、使用和维护方便等优点，它既具有单向导电的整流作用，又具有以弱电控制强电的开关作用。也就是说，晶闸管的出现，使半导体器件的应用进入了强电领域，应用于整流、逆变、调压和开关等方面。应用最多的是整流。但过载能力和抗干扰能力较差，控制电路复杂。

7.4.1晶闸管的结构

晶闸管是用硅材料制成的半导体器件，具有四层半导体(P1N1P2N2)构成。有三个PN结：J1、J2和J3；P1引出脚作阳极A，N2引出脚作阴极K，P2引出脚作控制极G。其结构示意图和图形符号，如图7-20a、b所示。普通晶闸管的外形如图7-21所示，螺栓一端为阳极A，可用它固定散热片；另一端粗的引线是阴极K，细的一条引线是控制极G。

GKA图7-21

晶闸管的外形N2P2

N1P1GKAJ1J2J3GKA(a)(b)图7-20

晶闸管AKG7.4.2晶闸管的工作原理1．晶闸管的导电特点

晶闸管的导电特性，可由先图7-22所示电路的实验分析：––++UAKUGKAGKS图7-22

晶闸管的实验电路

(1)当开关S未合上时，灯泡不亮，表明晶闸管不导通。说明晶闸管具有“正向阻断”能力。

(2)当合上开关S时，往控制极里送入适当的控制电流(通常叫触发)，灯泡就亮，表明晶闸管已导通，称触发导通。此时阳极和阴极之间的管压降只有1V左右。

(3)晶闸管导通后，再断开开关S，灯泡仍然亮着，说明晶闸管触发导通后，可以自行维持导通状态，称维持导通。

(4)降低电源电压UAA，晶闸管电流IA逐渐减小，灯泡的亮度逐渐变暗，当电流减