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1、电工电子技术2第第7 7章章 常用半导体器件常用半导体器件1 1本征半导体、杂质半导体、本征半导体、杂质半导体、PNPN结。结。2 2二极管、三极管。二极管、三极管。3 3场效应晶体管。场效应晶体管。知识点：知识点：要求掌握：要求掌握：1 1半导体的基础知识。半导体的基础知识。2 2 PN PN结单向导电特性。结单向导电特性。3 3二极管的伏安特性二极管的伏安特性4 4稳压二极管的稳压原理。稳压二极管的稳压原理。5 5三极管的输入和输出特性曲线。三极管的输入和输出特性曲线。了解：了解：1 1发光二极管的发光原理。发光二极管的发光原理。2 2场效应晶体管的结构和工作原理。场效应晶体管的结构和工作
2、原理。3 半导体器件是组成电子电路的核心部件，它们的基本结构、工作原理、特性及参半导体器件是组成电子电路的核心部件，它们的基本结构、工作原理、特性及参数是学习电子技术和分析电子电路的基础。本章首先介绍常用纯净半导体和杂质半导数是学习电子技术和分析电子电路的基础。本章首先介绍常用纯净半导体和杂质半导体的导电性及由两种杂质半导体构成体的导电性及由两种杂质半导体构成PNPN结的导电性。然后从结构、工作原理和伏安特结的导电性。然后从结构、工作原理和伏安特性等方面，介绍二极管、三极管、场效应晶体管等常用器件。性等方面，介绍二极管、三极管、场效应晶体管等常用器件。第第7 7章章 常用半导体器件常用半导体器
3、件47.7.1 1 半导体的基础知识半导体的基础知识 铜、银、铝等金属材料是很容易导电的，称为导体；陶瓷、塑料、橡胶、玻铜、银、铝等金属材料是很容易导电的，称为导体；陶瓷、塑料、橡胶、玻璃等材料却不容易导电，称为绝缘体。导体的导电性能良好，电阻率很低，在璃等材料却不容易导电，称为绝缘体。导体的导电性能良好，电阻率很低，在1010-8-81010-6-6m m之间。例如，铜的电阻率为之间。例如，铜的电阻率为1.571.571010-8-8m m。绝缘体的导电能力很。绝缘体的导电能力很差，电阻率很高，在差，电阻率很高，在10108 8 10101616m m之间。例如，橡胶的电阻率为之间。例如，橡
4、胶的电阻率为10101616m m。 自然界除了导体和绝缘体外，还存在一类物质，它的导电特性介于导体和绝自然界除了导体和绝缘体外，还存在一类物质，它的导电特性介于导体和绝缘体之间，它既不像导体那样容易导电，也不像绝缘体那样很难导电，这类物质缘体之间，它既不像导体那样容易导电，也不像绝缘体那样很难导电，这类物质称为半导体。半导体的电阻率介于导体和绝缘体之间，比较典型的数值为称为半导体。半导体的电阻率介于导体和绝缘体之间，比较典型的数值为1010-5-5 10107 7m m。例如，纯锗在室温时电阻率为。例如，纯锗在室温时电阻率为0.470.47m m。 半导体之所以引起人们的注意，得到广泛的应用
5、，其主要原因不是由于电阻半导体之所以引起人们的注意，得到广泛的应用，其主要原因不是由于电阻率在数值上与导体和绝缘体有差别，而在于它的电阻率在受热、光照、掺杂等作率在数值上与导体和绝缘体有差别，而在于它的电阻率在受热、光照、掺杂等作用下将出现很大变化。主要表现在以下用下将出现很大变化。主要表现在以下3 3个方面：个方面：7.1.17.1.1 本征半导体本征半导体5 （1 1）热敏性）热敏性 半导体对温度的反应很灵敏，其电阻率随着温度的上升而明显下降，例如，半导体对温度的反应很灵敏，其电阻率随着温度的上升而明显下降，例如，半导体材料纯锗，当温度从半导体材料纯锗，当温度从2020上升到上升到3232
6、时，它的电阻率将减小一半左右。利时，它的电阻率将减小一半左右。利用这种特性很容易制成热敏电阻或其他的温度敏感的传感器。用这种特性很容易制成热敏电阻或其他的温度敏感的传感器。 （2 2）光敏性）光敏性 半导体对光的反应也很灵敏，其电阻率因光照的不同而改变，光照愈强，电半导体对光的反应也很灵敏，其电阻率因光照的不同而改变，光照愈强，电阻率愈低，例如，硫化镉薄膜电阻，无光照时电阻为几十兆欧姆，当光照射后电阻率愈低，例如，硫化镉薄膜电阻，无光照时电阻为几十兆欧姆，当光照射后电阻只有几十千欧姆。利用这一性质，可以做成各种光敏元器件，如光敏电阻、光阻只有几十千欧姆。利用这一性质，可以做成各种光敏元器件，如
7、光敏电阻、光敏二极管等。敏二极管等。 （3 3）掺杂性）掺杂性 半导体的电阻率受杂质影响很大，这一点与导体及绝缘体截然不同。在纯净半导体的电阻率受杂质影响很大，这一点与导体及绝缘体截然不同。在纯净的半导体中即使掺入极微量的杂质，也能使其电阻率大大降低。例如，在纯硅中的半导体中即使掺入极微量的杂质，也能使其电阻率大大降低。例如，在纯硅中加入百万分之一的硼，它的电阻率就从约加入百万分之一的硼，它的电阻率就从约2 210103 3m m降到降到4 41010-3-3m m左右。不仅如左右。不仅如此，选择不同类型的杂质，还可改变半导体的导电类型。人们利用了半导体的这此，选择不同类型的杂质，还可改变半导
8、体的导电类型。人们利用了半导体的这一特点，通过各种工艺手段，控制半导体中的杂质的数量和性质，从而制成了各一特点，通过各种工艺手段，控制半导体中的杂质的数量和性质，从而制成了各种不同性能的半导体器件。种不同性能的半导体器件。7.7.1 1 半导体的基础知识半导体的基础知识6 一个硅原子由带正电的原子核和围绕它的一个硅原子由带正电的原子核和围绕它的1414个带负电的电子组成，这些电子个带负电的电子组成，这些电子按一定规律分布在按一定规律分布在3 3层电子轨道上，如层电子轨道上，如图图7.1(a)7.1(a)所示；所示；图图7.1(b)7.1(b)为锗原子结构。硅为锗原子结构。硅和锗原子都是和锗原子
9、都是4 4价元素，其最外层轨道上的价元素，其最外层轨道上的4 4个电子受原子核束缚力较小，叫做价个电子受原子核束缚力较小，叫做价电子，原子结构简化如电子，原子结构简化如图图7.27.2所示。所示。7.7.1 1 半导体的基础知识半导体的基础知识图图7.1 7.1 硅和锗的原子结构硅和锗的原子结构图图7.2 7.2 原子结构简化图原子结构简化图77.7.1 1 半导体的基础知识半导体的基础知识 在硅单晶体中掺入微量在硅单晶体中掺入微量5 5价元素，如磷（或砷、锑）等，磷原子的最外层电价元素，如磷（或砷、锑）等，磷原子的最外层电子轨道上有子轨道上有5 5价电子，其中价电子，其中4 4个和周围的硅原
10、子构成共价键，还有一个电子多余，个和周围的硅原子构成共价键，还有一个电子多余，如如图图7.4(a)7.4(a)所示。这个多余的电子受原子核的束缚很微弱，在室温下，容易受热所示。这个多余的电子受原子核的束缚很微弱，在室温下，容易受热激发获得能量摆脱磷原子核对它的束缚而成为自由电子。而每个磷原子都能提供激发获得能量摆脱磷原子核对它的束缚而成为自由电子。而每个磷原子都能提供一个自由电子，磷原子失去一个电子，本身便成为一个带正电离子。它固定在晶一个自由电子，磷原子失去一个电子，本身便成为一个带正电离子。它固定在晶格中，不能移动，共价键中的电子也不可能来填补它，所以没有空穴产生。而半格中，不能移动，共价
11、键中的电子也不可能来填补它，所以没有空穴产生。而半导体中的自由电子的数量远远多于空穴的数量，这种半导体称为电子型半导体或导体中的自由电子的数量远远多于空穴的数量，这种半导体称为电子型半导体或N N型半导体。在型半导体。在N N型半导体中，电子是传递电流的主要带电粒子，被称为多数载流型半导体中，电子是传递电流的主要带电粒子，被称为多数载流子；空穴被称为少数载流子。子；空穴被称为少数载流子。7.1.27.1.2 杂质半导体杂质半导体1. N1. N型半导体型半导体 本征半导体的导电能力很差，实际的用处不大。但是如果在本征半导体中有本征半导体的导电能力很差，实际的用处不大。但是如果在本征半导体中有选
12、择地掺入微量的某种杂质元素，情况就不同了。杂质可以改变半导体中载流子选择地掺入微量的某种杂质元素，情况就不同了。杂质可以改变半导体中载流子的浓度，从而达到人为控制半导体电阻率的目的。杂质半导体分为的浓度，从而达到人为控制半导体电阻率的目的。杂质半导体分为N N型半导体和型半导体和P P型半导体。型半导体。87.7.1 1 半导体的基础知识半导体的基础知识图图7.4 7.4 硅单晶体掺杂示意图硅单晶体掺杂示意图97.7.1 1 半导体的基础知识半导体的基础知识 在硅单晶体中掺入微量在硅单晶体中掺入微量3 3价元素，如硼元素（或铝、铟）等，如价元素，如硼元素（或铝、铟）等，如图图7.4(b)7.4
13、(b)所所示。由于硼的价电子只有示。由于硼的价电子只有3 3个，当它和周围的硅原子形成共价键时，缺少一个电个，当它和周围的硅原子形成共价键时，缺少一个电子，形成不稳定的结构，硼原子很容易从邻近的共价键中夺取一个电子，形成一子，形成不稳定的结构，硼原子很容易从邻近的共价键中夺取一个电子，形成一个带负电的离子。而在失去电子的共价键中形成一个空穴。在这种半导体中，空个带负电的离子。而在失去电子的共价键中形成一个空穴。在这种半导体中，空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。这种半导体称为空穴型半导体或穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。这种半导体称为空穴型半导体或P P型型半导体。在半导体。在P P
14、型半导体中，空穴是传递电流的主要带电粒子，被称为多数载流子型半导体中，空穴是传递电流的主要带电粒子，被称为多数载流子；电子被称为少数载流子。；电子被称为少数载流子。 需要指出的是，需要指出的是，N N型和型和P P型半导体都属于电中性，对外不显电性。这是由于单型半导体都属于电中性，对外不显电性。这是由于单晶半导体和掺入的杂质都是电中性的，而且掺入的过程中既不丧失电荷也不从外晶半导体和掺入的杂质都是电中性的，而且掺入的过程中既不丧失电荷也不从外界获取电荷，只是由于杂质原子的价电子数目比晶体原子的价电子数目多一个或界获取电荷，只是由于杂质原子的价电子数目比晶体原子的价电子数目多一个或少一个，而使半
15、导体中出现了可以运动的电子或空穴，并没有破坏整个半导体内少一个，而使半导体中出现了可以运动的电子或空穴，并没有破坏整个半导体内正负电荷的平衡状态。正负电荷的平衡状态。2. P2. P型半导体型半导体107.7.1 1 半导体的基础知识半导体的基础知识 现在结合现在结合图图7.57.5来说明来说明PNPN结的形成。在一块本征半导体的晶片上掺入不同的结的形成。在一块本征半导体的晶片上掺入不同的杂质形成不同类型的杂质半导体，在杂质形成不同类型的杂质半导体，在P P型半导体中有多数的空穴和少数的电子，型半导体中有多数的空穴和少数的电子，而而N N型半导体中有多数的自由电子和少数的空穴。型半导体中有多数
16、的自由电子和少数的空穴。7.1.37.1.3 PN PN结的形成及特性结的形成及特性 1. PN1. PN结的形成结的形成 如上所述，在纯净的半导体材料中经过掺入三价硼元素或五价磷元素可以形如上所述，在纯净的半导体材料中经过掺入三价硼元素或五价磷元素可以形成两种不同类型的杂质半导体。当掺入成两种不同类型的杂质半导体。当掺入3 3价硼元素时，形成以空穴为多数载流子价硼元素时，形成以空穴为多数载流子的的P P型半导体；掺入型半导体；掺入5 5价磷元素时，形成以电子为多数载流子的价磷元素时，形成以电子为多数载流子的N N型半导体。如果型半导体。如果在一块本征半导体的晶片上掺入不同的杂质，使一边成为在
17、一块本征半导体的晶片上掺入不同的杂质，使一边成为P P型半导体，另一边成型半导体，另一边成为为N N型半导体，则在两种不同类型的半导体的交界面处就会形成一个特殊的导电型半导体，则在两种不同类型的半导体的交界面处就会形成一个特殊的导电薄层，称为薄层，称为PNPN结。结。117.7.1 1 半导体的基础知识半导体的基础知识图图7.5 7.5 硅单晶体掺杂示意图硅单晶体掺杂示意图127.7.1 1 半导体的基础知识半导体的基础知识 在了解了在了解了PNPN结的内部载流子运动规律后，就不难解释结的内部载流子运动规律后，就不难解释PNPN结在外部电源作用下结在外部电源作用下所反映出来的重要特性，即单向导
18、电特性。所反映出来的重要特性，即单向导电特性。 （1 1）PNPN结外加正向电压结外加正向电压 图图7.6(a)7.6(a)所示，给所示，给PNPN结加上正向电压（也叫正向偏置），即外电源正极接结加上正向电压（也叫正向偏置），即外电源正极接PNPN结结P P区，负极接区，负极接PNPN结结N N区。区。2. PN2. PN结的导电特性结的导电特性图图7.6 PN7.6 PN结单向导电结单向导电137.7.1 1 半导体的基础知识半导体的基础知识 （2 2）PNPN结外加反向电压结外加反向电压 如果给如果给PNPN结外加一个反向电压，也叫做反向偏置，即外电源正极接结外加一个反向电压，也叫做反向偏
19、置，即外电源正极接N N区，负区，负极接极接P P区，如区，如图图7.6(b)7.6(b)所示。这时，外电场所示。这时，外电场EFEF与内电场与内电场E Ei i的方向一致，加强了空的方向一致，加强了空间电荷区的电场强度。间电荷区的电场强度。PNPN结的厚度比平衡时加宽，使多数载流子的扩散运动更难结的厚度比平衡时加宽，使多数载流子的扩散运动更难进行。进行。 PN PN结加反向电压使空间电荷区的电场加强，更加有利于少数载流子的漂移运结加反向电压使空间电荷区的电场加强，更加有利于少数载流子的漂移运动。动。P P区的少数载流子区的少数载流子电子在电场作用下漂移到达电子在电场作用下漂移到达N N区，同
20、样，区，同样，N N区的少数载区的少数载流子流子空穴向空穴向P P区漂移，形成漂移电流为区漂移，形成漂移电流为I IR R。 由于少数载流子的浓度很小，即使它们全部漂移，其总漂移电流还是很小的由于少数载流子的浓度很小，即使它们全部漂移，其总漂移电流还是很小的，所以外加反向电压时，所以外加反向电压时，PNPN结的反向电阻很大，故称结的反向电阻很大，故称PNPN结反向截止。结反向截止。 （3 3）PNPN结的击穿特性结的击穿特性 当反向电压达到一定数值时，由于外电场过强，会使反向电流急剧增加，称当反向电压达到一定数值时，由于外电场过强，会使反向电流急剧增加，称为电击穿。此时对应的反向电压值称为击穿
21、电压，发生击穿后，只要反向电压略为电击穿。此时对应的反向电压值称为击穿电压，发生击穿后，只要反向电压略有增加，就会使反向电流急剧增大。有增加，就会使反向电流急剧增大。147.2 7.2 半导体二极管半导体二极管7.2.17.2.1 半导体二极管的结构半导体二极管的结构 半导体二极管实际上是由一个半导体二极管实际上是由一个PNPN结加上电极引线与外壳制成的，在结加上电极引线与外壳制成的，在PNPN结的结的P P区和区和N N区分别用引线引出，区分别用引线引出，P P区的引线称为阳极（或正极），区的引线称为阳极（或正极），N N区的引线称为阴极区的引线称为阴极（或负极），将（或负极），将PNPN结
22、用外壳封装起来，便构成了晶体二极管，其结构和图形符号结用外壳封装起来，便构成了晶体二极管，其结构和图形符号如如图图7.77.7所示。二极管文字符号用字母所示。二极管文字符号用字母VDVD表示，图形符号中箭头所指的方向是正表示，图形符号中箭头所指的方向是正向导通的方向。向导通的方向。 根据根据PNPN结接触面的大小不同，二极管有点接触型和面接触型两种类型。点接结接触面的大小不同，二极管有点接触型和面接触型两种类型。点接触型二极管的特点是触型二极管的特点是PNPN结面积小，极间电容也小，不能承受较高的反向电压和较结面积小，极间电容也小，不能承受较高的反向电压和较大的正向电流，适用于高频、小电流的情
23、况下。面接触型二极管使用合金或扩散大的正向电流，适用于高频、小电流的情况下。面接触型二极管使用合金或扩散工艺制成工艺制成PNPN结，外加引线和管壳密封而成。它的特点是结，外加引线和管壳密封而成。它的特点是PNPN结面积大，可以承受比结面积大，可以承受比较大的电流，但是极间电容也大。适用于低频条件下，如整流电路等。较大的电流，但是极间电容也大。适用于低频条件下，如整流电路等。157.2 7.2 半导体二极管半导体二极管图图7.7 7.7 二极管的结构和符号二极管的结构和符号167.2 7.2 半导体二极管半导体二极管7.2.27.2.2 半导体二极管的伏安特性半导体二极管的伏安特性 利用如利用如
24、图图7.87.8所示的二极管两端的电压和流过二极管的电流的测试电路，可所示的二极管两端的电压和流过二极管的电流的测试电路，可以测试出半导体二极管的电压与电流的关系，绘制成曲线如以测试出半导体二极管的电压与电流的关系，绘制成曲线如图图7.97.9所示。该特性所示。该特性曲线叫做二极管的伏安特性曲线。曲线叫做二极管的伏安特性曲线。图图7.8 7.8 二极管伏安特性曲线测试电路二极管伏安特性曲线测试电路177.2 7.2 半导体二极管半导体二极管图图7.9 7.9 二极管的伏安特性曲线二极管的伏安特性曲线18 当二极管的正极加高电位、负极加低电位时，称为二极管正向偏置，当二极管的正极加高电位、负极加
25、低电位时，称为二极管正向偏置，此时二极管就产生正向电流，但当正向电压较小时，外电场不足以克服结此时二极管就产生正向电流，但当正向电压较小时，外电场不足以克服结内电场对载流子扩散运动造成的阻力，这时正向电流很小，二极管呈现较内电场对载流子扩散运动造成的阻力，这时正向电流很小，二极管呈现较大的电阻，通常称这个区域为死区。大的电阻，通常称这个区域为死区。1.1.正向偏置时的特性正向偏置时的特性7.2 7.2 半导体二极管半导体二极管 当外加电压使二极管的正极电位小于负极电位时，称为二极管反向偏当外加电压使二极管的正极电位小于负极电位时，称为二极管反向偏置。从置。从图图7.97.9第第4 4象限可以看
26、到，特性曲线分为两部分。第象限可以看到，特性曲线分为两部分。第1 1部分：锗管的反部分：锗管的反向漏电流有一定的数值，其大小与管子的具体型号以及温度高低有关，图向漏电流有一定的数值，其大小与管子的具体型号以及温度高低有关，图中所测到的漏电流约为中所测到的漏电流约为1.0A1.0A。第。第2 2部分：当反向电压高于一定数值时，部分：当反向电压高于一定数值时，特性曲线几乎直线下降，这就是说当电压超过一定的数值时，二极管的反特性曲线几乎直线下降，这就是说当电压超过一定的数值时，二极管的反向电流将会急剧增大，这种情况称为向电流将会急剧增大，这种情况称为“击穿击穿”。2.2.反向偏置时的特性反向偏置时的
27、特性197.2 7.2 半导体二极管半导体二极管7.2.37.2.3 半导体二极管的主要参数半导体二极管的主要参数 二极管的特性除用伏安特性曲线表示外，还可以用一些数据来说明，这二极管的特性除用伏安特性曲线表示外，还可以用一些数据来说明，这些数据就是二极管的参数，它反映了二极管性能的质量指标，工程上必须根些数据就是二极管的参数，它反映了二极管性能的质量指标，工程上必须根据二极管的参数，合理地选择和使用管子，才能充分发挥每个管子的作用。据二极管的参数，合理地选择和使用管子，才能充分发挥每个管子的作用。 最大整流电流是指二极管长期工作在不损坏的条件下，允许通过的最最大整流电流是指二极管长期工作在不
28、损坏的条件下，允许通过的最大正向平均电流。它同大正向平均电流。它同PNPN结的面积和所用材料及散热条件有关。一般结的面积和所用材料及散热条件有关。一般PNPN结结的面积越大，最大整流电流就越大。的面积越大，最大整流电流就越大。I IOMOM的数值可以从半导体器件手册中查的数值可以从半导体器件手册中查到，一般点接触型二极管的到，一般点接触型二极管的I IOMOM的数值在几十毫安以下；而面接触型二极管的数值在几十毫安以下；而面接触型二极管的的I IOMOM的数值可达数百安培以上。二极管在工作时，工作电流应小于的数值可达数百安培以上。二极管在工作时，工作电流应小于I IOMOM，否，否则二极管发热甚
29、至烧坏。则二极管发热甚至烧坏。1.1.最大整流电流最大整流电流I IOMOM207.2 7.2 半导体二极管半导体二极管 最高反向电压是确保二极管不被反向击穿的最高反向工作电压，当加最高反向电压是确保二极管不被反向击穿的最高反向工作电压，当加在二极管的反向电压增至某一数值时，反向电流剧增，出现击穿现象。最在二极管的反向电压增至某一数值时，反向电流剧增，出现击穿现象。最高反向工作电压（峰值）通常是击穿电压的高反向工作电压（峰值）通常是击穿电压的1/21/2或或2/32/3。一般点接触型二极。一般点接触型二极管的最高反向电压数值在管的最高反向电压数值在10V10V以下，而面接触型二极管最高反向电压
30、数值可以下，而面接触型二极管最高反向电压数值可达数百伏。达数百伏。2.2.最高反向电压最高反向电压U URMRM 最大反向电流是指给二极管加最高反向工作电压时的最大反向电流值最大反向电流是指给二极管加最高反向工作电压时的最大反向电流值。最大反向电流越小，说明单向导电性能越好，如果二极管的实际反向电。最大反向电流越小，说明单向导电性能越好，如果二极管的实际反向电流超过流超过I IRMRM过多，就可能引起二极管的损坏。过多，就可能引起二极管的损坏。3.3.最大反向电流最大反向电流I IRMRM217.2 7.2 半导体二极管半导体二极管7.2.47.2.4 常用的几种特殊二极管常用的几种特殊二极管
31、 除普通二极管外，还有一些特殊二极管。下面介绍一下常用的稳压管、除普通二极管外，还有一些特殊二极管。下面介绍一下常用的稳压管、发光二极管。发光二极管。 （1 1）稳压二极管的伏安特性）稳压二极管的伏安特性 普通的二极管在工作时所承受的反向电压应该小于二极管的反向击穿普通的二极管在工作时所承受的反向电压应该小于二极管的反向击穿电压。但是稳压二极管工作于反向击穿区，在一定的反向工作电流范围内电压。但是稳压二极管工作于反向击穿区，在一定的反向工作电流范围内稳压二极管不会损坏。稳压二极管使用特殊工艺制造的面接触型二极管，稳压二极管不会损坏。稳压二极管使用特殊工艺制造的面接触型二极管，从外观上看与普通二
32、极管没有什么区别，稳压二极管的符号和伏安特性曲从外观上看与普通二极管没有什么区别，稳压二极管的符号和伏安特性曲线，如线，如图图7.107.10所示。所示。1.1.稳压二极管稳压二极管227.2 7.2 半导体二极管半导体二极管图图7.10 7.10 稳压二极管符号和伏安特性曲线稳压二极管符号和伏安特性曲线237.2 7.2 半导体二极管半导体二极管 （2 2）稳压二极管的主要参数）稳压二极管的主要参数 1 1）稳压电压）稳压电压U UZ Z。U UZ Z是稳压二极管反向击穿后的稳定工作电压值，如稳是稳压二极管反向击穿后的稳定工作电压值，如稳压二极管压二极管2CW12CW1的稳定电压是的稳定电压
33、是7 78.5V8.5V。由于制造工艺不易控制，同一型号的。由于制造工艺不易控制，同一型号的稳压二极管，稳定电压值也会有一定范围的差异。但对每一只管子来说，稳压二极管，稳定电压值也会有一定范围的差异。但对每一只管子来说，对应于一定的工作电流却有一个确定的稳定电压值。对应于一定的工作电流却有一个确定的稳定电压值。 2 2）稳定电流）稳定电流I IZ Z。I IZ Z是工作电压等于稳定电压时的工作电流，是稳压二是工作电压等于稳定电压时的工作电流，是稳压二极管工作时的电流值。如上极管工作时的电流值。如上图图7.117.11中中A A、B B间是间是I IZ Z正常的工作范围正常的工作范围IIZ Z，
34、IIZ Z不大，稳压作用有限。应用时不要超过最大耗散功率，不大，稳压作用有限。应用时不要超过最大耗散功率，I IZ Z偏大，稳定性可以偏大，稳定性可以高一些，但功率消耗也大一些。高一些，但功率消耗也大一些。 3 3）最大耗散功率）最大耗散功率P PM M。P PM M定义为管子不致产生热击穿的最大功率损耗，定义为管子不致产生热击穿的最大功率损耗，即即P PM M=U=UZ ZI IZMZM。根据。根据P PM M和和U UZ Z可以推算出最大稳定电流可以推算出最大稳定电流I IZMZM=P=PM M/U/UZ Z。247.2 7.2 半导体二极管半导体二极管 发光二极管发光二极管(light
35、emiting diode(light emiting diode，LEDLED）是一种固态）是一种固态PNPN结器件，常用结器件，常用砷化镓、磷化镓等材料制成，外形如砷化镓、磷化镓等材料制成，外形如图图7.117.11所示。当所示。当PNPN结有正向电流流过结有正向电流流过时即可发光，它是直接把电能转换成光能的器件，没有热交换过程。其电时即可发光，它是直接把电能转换成光能的器件，没有热交换过程。其电路符号如路符号如图图7.127.12所示。所示。2.2.发光二极管发光二极管图图7.12 7.12 发光二极管的电路符号发光二极管的电路符号图图7.12 7.12 发光二极管的外形发光二极管的外形
36、257.3 7.3 半导体三极管半导体三极管7.3.17.3.1 半导体三极管的结构和类型半导体三极管的结构和类型 半导体三极管也称晶体管，它半导体三极管也称晶体管，它的主体也是的主体也是PNPN结，这是它与半导体结，这是它与半导体二极管的共同点。半导体三极管的二极管的共同点。半导体三极管的类型很多，目前我国生产的三极管类型很多，目前我国生产的三极管，最常见的有硅平面管和锗合金管，最常见的有硅平面管和锗合金管两种结构。无论哪种结构，半导体两种结构。无论哪种结构，半导体三极管的基本原理都是相同的，每三极管的基本原理都是相同的，每个半导体三极管有两个个半导体三极管有两个PNPN结，发射结，发射结和
37、集电结。从结构形式来看，根结和集电结。从结构形式来看，根据据P P型和型和N N型半导体组合方式不同，型半导体组合方式不同，三极管可分为三极管可分为NPNNPN型和型和PNPPNP型两种类型两种类型。型。图图7.137.13所示是它们的结构示意所示是它们的结构示意图和表示符号。图和表示符号。图图7.13 7.13 半导体三极管的结构和符号半导体三极管的结构和符号267.3 7.3 半导体三极管半导体三极管7.3.27.3.2 半导体三极管的电流放大原理半导体三极管的电流放大原理 半导体三极管具有电流放大能力，要实现电流放大，必须在发射结上加半导体三极管具有电流放大能力，要实现电流放大，必须在发
38、射结上加正向电压（正向偏置），在集电结加反向电压（反向偏置）。对于正向电压（正向偏置），在集电结加反向电压（反向偏置）。对于NPNNPN型管，型管，必须必须U UB BUUE E，U UC CUUB B。如图。如图7.147.14所示，电路中基极电源所示，电路中基极电源E EB B、基极电阻、基极电阻R RB B、基极、基极B B和和发射极发射极E E组成输入回路；集电极电源组成输入回路；集电极电源E EC C、集电极电阻、集电极电阻R RC C、集电极、集电极C C和发射极和发射极E E组组成输出回路。发射极是公共电极，这种电路称为共发射极电路。成输出回路。发射极是公共电极，这种电路称为共发
39、射极电路。 半导体三极管内部载流子运动与电流形成过程如下半导体三极管内部载流子运动与电流形成过程如下: : （1 1）发射区向基区注入电子）发射区向基区注入电子 （2 2）电子在基区扩散与复合）电子在基区扩散与复合 （3 3）集电区收集电子）集电区收集电子277.3 7.3 半导体三极管半导体三极管图图7.14 7.14 三极管中载流子的运动三极管中载流子的运动287.3 7.3 半导体三极管半导体三极管7.3.37.3.3 半导体三极管的伏安特性曲线半导体三极管的伏安特性曲线 三极管的伏安特性曲线是表示三极管各极电压和电流之间的关系曲线。三极管的伏安特性曲线是表示三极管各极电压和电流之间的关
40、系曲线。描述三极管特性曲线有输入特性曲线和输出特性曲线。这两种特性曲线都可描述三极管特性曲线有输入特性曲线和输出特性曲线。这两种特性曲线都可以通过以通过图图7.157.15所示的电路，采用逐点法作出。所示的电路，采用逐点法作出。图图7.15 7.15 三极管中载流子的运动三极管中载流子的运动29 输入特性曲线是指集输入特性曲线是指集射极电压射极电压U UCECE为一定时，为一定时，I IB B与与U UBEBE之间的关系曲线，之间的关系曲线，即即I IB B=f(U=f(UBEBE)|U)|UCECE= =常数，如常数，如图图7.16(a)7.16(a)所示。所示。1.1.输入特性曲线输入特性
41、曲线7.3 7.3 半导体三极管半导体三极管图图7.16 7.16 三极管的特性曲线三极管的特性曲线30 输出特性曲线是指当基极电流输出特性曲线是指当基极电流IBIB为某一固定值时，集电极电流为某一固定值时，集电极电流I IC C与集与集射极电压射极电压U UCECE之间的关系曲线，即之间的关系曲线，即I IC C=f=f（U UCECE）I IB B= =常数。当取不同的常数。当取不同的I IB B值时，可值时，可得到一组曲线，如得到一组曲线，如图图7.16(b)7.16(b)所示。所示。 通常根据三极管工作状态不同，可以把输出特性曲线划分成通常根据三极管工作状态不同，可以把输出特性曲线划分
42、成3 3个区域。个区域。 （1 1）放大区）放大区 三极管处于放大区的工作状态的条件是发射结正向偏置、集电结反向偏三极管处于放大区的工作状态的条件是发射结正向偏置、集电结反向偏置，这时三极管的电流能够正常流通，即置，这时三极管的电流能够正常流通，即I IB B0 0，U UCECE1V1V的区域。的区域。 （2 2）饱和区）饱和区 对应于曲线组靠近纵坐标的部分，不同对应于曲线组靠近纵坐标的部分，不同I IB B的特性曲线迅速下降，并且逐的特性曲线迅速下降，并且逐渐合拢成一条直线。渐合拢成一条直线。 （3 3）截止区）截止区 指指I IB B=0=0曲线以下的区域。曲线以下的区域。2.2.输出特
43、性曲线输出特性曲线7.3 7.3 半导体三极管半导体三极管317.3 7.3 半导体三极管半导体三极管7.3.47.3.4 半导体三极管的主要参数半导体三极管的主要参数 三极管的参数是用来表征三极管的性能优劣的数据。也是设计电子电路三极管的参数是用来表征三极管的性能优劣的数据。也是设计电子电路、合理选用三极管的依据，三极管的参数很多，在此主要介绍三极管的主要、合理选用三极管的依据，三极管的参数很多，在此主要介绍三极管的主要参数。参数。1.1.共发射极电流放大系数共发射极电流放大系数（1 1）共发射极直流放大系数）共发射极直流放大系数（2 2）共发射极交流放大系数）共发射极交流放大系数2.2.极
44、间反向电流极间反向电流（1 1）集电结反向饱和电流）集电结反向饱和电流I ICBOCBO（2 2）穿透电流）穿透电流I ICEOCEO327.3 7.3 半导体三极管半导体三极管3.3.极限参数极限参数 三极管的极限参数是指三极管正常工作时，电流、电压、功率等的极限三极管的极限参数是指三极管正常工作时，电流、电压、功率等的极限值，是三极管安全工作的主要依据。三极管的主要极限参数有如下几项。值，是三极管安全工作的主要依据。三极管的主要极限参数有如下几项。 （1 1）集电极最大允许电流）集电极最大允许电流I ICMCM （2 2）集）集射极反向击穿电压射极反向击穿电压U U（B BR R）C CE
45、OEO （3 3）集电极最大允许耗散功率）集电极最大允许耗散功率P PCMCM图图7.17 7.17 三极管的安全工作区三极管的安全工作区337.4 7.4 场效应晶体管场效应晶体管 前面介绍的三极管前面介绍的三极管( (双极型器件双极型器件) )是一种电流控制器件，在电子线路中经是一种电流控制器件，在电子线路中经常用到的另一种半导体器件是场效应晶体管。它是利用电场效应控制多数载常用到的另一种半导体器件是场效应晶体管。它是利用电场效应控制多数载流子运动的器件，因为只有一种载流子参与导电，故称单极型晶体管。它输流子运动的器件，因为只有一种载流子参与导电，故称单极型晶体管。它输入电阻高，受温度影响
46、小，制造工艺简单，便于集成化，所以发展迅速，应入电阻高，受温度影响小，制造工艺简单，便于集成化，所以发展迅速，应用广泛。用广泛。 场效应晶体管分为绝缘栅型和结型两大类。本节只介绍场效应晶体管分为绝缘栅型和结型两大类。本节只介绍N N构道增强型绝缘构道增强型绝缘栅场效应晶体管。栅场效应晶体管。 图图7 7. .18(a)18(a)是这种场效应晶体管结构图，它的符号如是这种场效应晶体管结构图，它的符号如图图7 7. .18(b)18(b)所示。所示。7.4.17.4.1 构道增强型绝缘栅场效应晶体管的结构和原理构道增强型绝缘栅场效应晶体管的结构和原理 1. 1. N N构道增强型绝缘栅场效应晶体管
47、的结构构道增强型绝缘栅场效应晶体管的结构347.4 7.4 场效应晶体管场效应晶体管图图7.18 7.18 N N沟道增强型场效应晶体管结构和符号沟道增强型场效应晶体管结构和符号 由由图图7 7. .1818可以看出，源极可以看出，源极S S和漏极和漏极D D之间是两个背靠背的之间是两个背靠背的PNPN结，仅在漏极结，仅在漏极D D和源极和源极S S之间加电压是不会导通的。之间加电压是不会导通的。 2.2.工作原理工作原理357.4 7.4 场效应晶体管场效应晶体管 图图7 7. .2020所示为所示为N N沟道增强型绝缘栅场效应晶体管的特性曲线。沟道增强型绝缘栅场效应晶体管的特性曲线。 1
48、1）转移特性表示的是漏极电流与栅源电压之间的关系。）转移特性表示的是漏极电流与栅源电压之间的关系。 2 2）输出特性表示的是当）输出特性表示的是当U UGSGS为大于开启电压为大于开启电压U UT T的某一数值时，漏极电流与漏的某一数值时，漏极电流与漏源电压之间的关系。输出特性分为源电压之间的关系。输出特性分为3 3个区域：可变电阻区、饱和区和击穿区。个区域：可变电阻区、饱和区和击穿区。7.4.27.4.2 N N沟道增强型绝缘栅场效应晶体管的伏安特性和主要参数沟道增强型绝缘栅场效应晶体管的伏安特性和主要参数 1.1.伏安特性曲线伏安特性曲线图图7.20 7.20 N N沟道增强型绝缘栅场效应
49、晶体管的特性曲线沟道增强型绝缘栅场效应晶体管的特性曲线367.4 7.4 场效应晶体管场效应晶体管 1)1)开启电压开启电压U UT T。增强型绝缘栅场效应晶体管在。增强型绝缘栅场效应晶体管在U UDSDS为某一固定值时，为使管为某一固定值时，为使管子由截止变为导通，形成子由截止变为导通，形成I ID D，栅源之间所需的最小电压为，栅源之间所需的最小电压为U UGSGS。 2)2)击穿电压击穿电压U U（BRBR）DSDS。漏极和源极间允许的最大电压。漏极和源极间允许的最大电压。 3)3)直流输入电阻直流输入电阻R RGSGS。栅极和源极之间的直流电阻。场效应晶体管的直流输。栅极和源极之间的直
50、流电阻。场效应晶体管的直流输入电阻入电阻R RGSGS远远大于三极管的基极与发射极之间的等效输入电阻远远大于三极管的基极与发射极之间的等效输入电阻r rbebe，这是场效应，这是场效应晶体管最大的优点，能够满足高内阻的微弱信号源对后级电路输入阻抗的要求晶体管最大的优点，能够满足高内阻的微弱信号源对后级电路输入阻抗的要求。 4)4)跨导跨导g gm m。漏极电流的变化量与引起这个变化的栅源电压变化量之比，即。漏极电流的变化量与引起这个变化的栅源电压变化量之比，即g gm m=I=ID D/U/UGSGS，其单位为，其单位为A/VA/V或或mA/VmA/V。2.2.主要参数主要参数37小小 结结详