电工电子技术 第6章 半导体器件基础.ppt

第第7 7章章 交流放大电路交流放大电路第第9 9章章 直流稳压电源直流稳压电源第第8 8章章 集成运算放大器集成运算放大器第第6 6章章 半导体器件基础半导体器件基础电子电子技术是19世纪末、20世纪初开始发展起来的新兴技术，是20世纪发展最迅速，应用最广泛的技术之一，成为近代科学技术发展的一个重要标志。进入21世纪，人们面临的是以微电子技术为基础的，以（半导体和集成电路为代表）电子计算机和因特网为标志的信息社会。高科技的广泛应用使社会生产力和经济获得了空前的发展。现代电子技术在国防、科学、工业、医学、通信（信息处理、传输和交流）及文化生活等各个领域中都发挥着巨大的作用。现在的世界，电子技术无处不在：收音机、彩电、音响、VCD、DVD、电子手表、数码相机、微电脑、大规模生产的工业流水线、因特网、机器人、航天飞机、宇宙探测仪，可以说，人们现在生活在电子世界中，一天也离不开它。第一代电子产品以电子管为核心。20世纪40年代末世界上诞生了第一只半导体三极管，它以小巧、轻便、省电、寿命长等特点，很快地被各国应用起来，在很大范围内取代了电子管；50年代末期，世界上出现了第一块集成电路，它把许多晶体管等电子元件集成在一块硅芯片上，使电子产品向更小型化发展。集成电路从小规模集成电路迅速发展到大规模集成电路和超大规模集成电路，从而使电子产品向着高效能低消耗、高精度、高稳定、智能化的方向发展。电子技术基础篇包括半导体基础知识，共射放大电路、共集电极放大电路、功率放大器、差分放大电路等基本放大电路、集成运放电路的线性和非线性应用、稳压电源、集成门电路、组合逻辑电路 时序逻辑电路、模/数和数/模转换器等。在学习本课程时，应注意以下几方面的特点：（1）规律性。电子电路是由电子器件和电阻、电容等电路元件按照一定的规律组合而成的，各种复杂的电子电路也都是由若干种基本电子电路组合而成，因此学习时要求熟记一些基本电子电路的结构和特性，主要器件特性，并掌握它们的组合规律。（2）非线性。由于电子线路具有非线性特性，所以必须采用非线性电路的分析方法来分析电子线路。常用的有图解分析法和等效电路模型分析法等。（3）工程性。对于电子线路的分析与设计，采用精确的分析计算难度较大，往往不必要。因为电子器件的特性和参数分散性较大，而电路元件的参数也 有一定的误差，因此工程上通常是先采用近似计算法对电路进行粗略的估算，然后通过实验调试来达到预定的设计要求。（4）实践性。电子技术是一门实践性很强的课程，要多找机会做实验。这主要是因为影响电子电路工作的因素往往非常复杂，难以用简单的模型加以全面而精确的模拟。电子线路实验是学生的重要实践性环节，对于培养和提高独立工作、解决实际问题的能力起着十分重要的作用。通过实验的学习，不仅能使学生具有进行科学实验的动手能力，而且还能培养出一丝不苟、严谨求实的科学研究作风。电子技术中最常用的半导体器件是用半导体材料制成的电子器件。常用的半导体器件有二极管、三极管、特殊晶体管等。学习中首先应掌握常用电子器件的基本知识，这是深入学习电子电路的基础。本章将学习半导体的基本知识和半导体二极管、三极管等器件的结构、工作原理、特性曲线、主要参数等，要求理解掌握，并学会合理地选用器件型号。学习目的与要求 导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。自然界中不同的物质，由于其原子结构不同，因而导电能力也各不相同。根据导电能力的强弱，可以把物质分成导体、半导体和绝缘体。半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间，如硅、锗、砷化镓以及金属氧化物和硫化物等都是半导体。6.1.1 本征半导体 本征半导体是化学成分纯净、物理结构完整的半导体。半导体在物理结构上有多晶体和单晶体两种形态，制造半导体器件必须使用单晶体，即整个一块半导体材料是由一个晶体组成的。制造半导体器件的半导体材料纯度要求很高，要达到99.9999%以上。1.结构特点 自然界的一切物质都是由原子组成的，而原子又是由一个带正电的原子核与若干个带负电的电子所组成的。电子分层围绕原子核作不停的旋转运动，其中内层的电子受原子核的吸引力较大,外层电子受原子核的吸引力较 小，外层电子的自由度较大，因此外层的电子如果获得外来的能量，就容易挣脱原子核的束缚而成为自由电子。我们把最外层的电子叫做价电子。在电子器件中，用得最多的半导体材料是硅和锗，它们的原子结构如图6.1所示。硅和锗都是四价元素，其原子最外层轨道上都具有4个价电子。+Si(Si(硅原子硅原子)硅原子和锗原子的简化模型图硅原子和锗原子的简化模型图SiSi+4+4GeGe+4+4Ge(Ge(锗原子锗原子)图图6.1 6.1 原子结构示意图原子结构示意图价电子的数目越接近8个，物质的化学结构也就越稳固。对于金属材料，其价电子一般较少，因此金属中的价电子很容易变成自由电子，所以金属是良导体；对于单质绝缘体，其价电子数一般多于4个，因此绝缘体中的价电子均被原子核牢牢地吸引着，很难形成自由电子，所以不能导电；对于半导体来说，原子的价电子数为4个，其原子的外层电子既不像金属那样容易挣脱出来，也不像绝缘体那样被原子核紧紧束缚住，因此半导体的导电性能就比较特殊，具备可变性。当硅或锗被制成单晶体时，其原子有序排列，每个原子最外层的4个价电子不仅受自身原子 核的束缚，而且还与周围相邻的4个原子发生联系。这时，每两个相邻原子之间都共用一对电子，使相邻两原子紧密地连在一起，形成共价键结构，如图6.2所示。444444444正离子核正离子核两个电子两个电子的共价键的共价键大块晶体中大块晶体中的局部结构的局部结构图图6.2 6.2 硅和锗的共价键结构硅和锗的共价键结构2半导体的导电机理 当本征半导体的温度升高或受到光线照射时，其共价键中的价电子就从外界获得能量。由于半导体原子外层的电子不像绝缘体那样被原子核紧紧地束缚着，因此就有少量的价电子在获得足够能量后，挣脱原子核的束缚而成为自由电子，同时在原来共价键上留下了相同数量的空位，这种现象称为本征激发。在本征半导体中，每激发出来一个自由电子，就必然在共价键上留下一空位，我们把该空位称为空穴，由于空穴失去电子，因而带正电。可见自由电子和空穴总是成对出现的，我们称之为电子-空穴对，如图6.3所示。自由电子移走后自由电子移走后留下的空穴留下的空穴由于热激发而产由于热激发而产生的自由电子生的自由电子图图6.3 热激发产生电子空穴对热激发产生电子空穴对444444444 在产生电子空穴对的同时，有的自由电子在杂乱的热运动中又会不断地与空穴相遇，重新结合，使电子空穴对消失，这称为复合。在一定温度下载流子的产生过程和复合过程是相对平衡的，载流子的浓度是一定的。在常温下，本征半导体受热激发所产生的自由电子和空穴数量很少，同时本征半导体的导电能力远小于导体的导电能力，导电能力很差。温度越高，所产生的电子空穴对也越多，半导体的导电能力也就越强。在外电场的作用下，一方面自由电子产生定向移动，形成电子电流；另一方面价电子也按一定方向依次填补空穴，即空穴流在键位上产生移动，形成空穴电流。由于电子和空穴所带电荷的极性相反，它们的运动方向也是相反的，因此形成的电流方向是一致的，流过外电路的电流等于两者之和。综上所述，在半导体中不仅有自由电子一种载流子，而且还有另一种载流子空穴。这是半导体导电的一个重要特性。在本征半导体内，自由电子和空穴总是成对出现的，任何时候本征半导体中的自由电子数和空穴数总是相等的。本征半导体中虽然存在两种载流子，但因本征半导体内载流子的浓度很低，所以导电能力很差。在本征半导体中，人为有控制地掺入某种微量杂质，即可大大改变它的导电性能。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。按照掺入杂质的不同，可获得N型和P型两种掺杂半导体。1 1P P型半导体型半导体6.1.2 杂质半导体 在本征半导体（硅或锗的晶体）中掺入三价元素杂质，如硼、镓、铟等，因杂质原子的最外层只有3个价电子，它与周围硅（锗）原子组成共价键时，缺少一个电子，于是在晶体中便产生一个穴位。当相邻共价键上的电子受到热振动或在其他激发条件下获得能量时，就有可能填补这个穴位，使硼原子成为不能移动的负离子，而原来硅原子的共价键则因缺少一个电子，形成空穴，如图6.4（a）所示。444444434受主原子由受主获得一个电子而形成一个负离子可移动的空穴邻近的电子落入受主的空位，留下可移动的空穴 （a a）共价键结构）共价键结构 可由硼提共的空穴电子空穴对P型硼离子（b b）电子空穴对）电子空穴对 图图6.4 P型半导体的共价键结构型半导体的共价键结构 这样，掺入硼杂质的硅半导体中就具有数量相当的空穴，空穴浓度远大于电子浓度，这种半导体主要靠空穴导电，称为P型半导体。掺入的三价杂质原子，因在硅晶体中接受电子，故称受主杂质。受主杂质都变成了负离子，它们被固定在晶格中不能移动，也不参与导电，如图6.4（b）所示。此外，在P型半导体中由于热运动还产生少量的电子空穴对。总之，在P型半导体中，不但有数量很多的空穴，而且还有少量的自由电子存在，空穴是多数载流子，电子是少数载流子。2 2N N型半导体型半导体 在本征半导体中掺入五价元素杂质，如磷、锑、砷等。掺入的磷原子取代了某处硅原子的位置，它同相邻的4个硅原子组成共价键时，多出了一个电子，这个电 子不受共价键的束缚，因此在常温下有足够的能量使它成为自由电子，如图6.5所示。这样，掺入杂质的硅半导体就具有相当数量的自由电子，且自由电子的浓度远大于空穴的浓度。显然，这种掺杂半导体主要靠电子导电，称为N型半导体。施主正离子施主正离子由施主原子提供由施主原子提供的多余电子的多余电子图图6.5 N型半导体的共价键结构型半导体的共价键结构444444454 由于掺入的五价杂质原子可提供自由电子，故称为施主杂质。每个施主原子给出一个自由电子后都带上一个正电荷，因此杂质原子都变成正离子，它们被固定在晶格中不能移动，也不参与导电。此外，在N型半导体中热运动也会产生少量的电子空穴对。总之，在N型半导体中，不但有数量很多的自由电子，而且也有少量的空穴存在，自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。必须指出，虽然N型半导体中有大量带负电的自由电子，P型半导体中有大量带正电的空穴，但是由于带有相反极性电荷的杂质离子的平衡作用，无论N型半导体还是P型半导体，对外表现都是电中性的。3 3半导体的其他主要特性半导体的其他主要特性 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：光敏性光敏性半导体受光照后，其导电能力大大增强；热敏性热敏性受温度的影响，半导体导电能力变化很大；掺杂性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内部的导电机理所决定的。6.1.3 PN结及其特性1.PN结的形成结的形成 当P型半导体和N型半导体通过一定的工艺结合在一起时，由于P型半导体的空穴浓度高，电子浓度低，而N型半导体的自由电子浓度高，空穴浓度低，所以交界面附近两侧的载流子形成了浓度差。浓度差将引起载流子的扩散运动，如图6.6（a）所示。在一块晶片的两端分别注在一块晶片的两端分别注入三价元素硼和五价元素入三价元素硼和五价元素磷磷+P P区区N N区区空间电荷区内电场方向+（b）（a）在一块晶片的两端分别注在一块晶片的两端分别注入三价元素硼和五价元素入三价元素硼和五价元素磷磷+P P区区N N区区+图6.6 PN结的形成动画演示 空间电荷形成了一个由右侧指向左侧的内电场，如图6.6（b）所示。内电场的这种方向，将对载流子的运动带来两种影响：一是内电场阻碍两区多子的扩散运动；二是内电场在电场力的作用下使P区和N区的少子产生与扩散方向相反的漂移运动。PN结形成的最初阶段，载流子的扩散运动占优势，随着空间电荷区的建立，内电场逐渐增强，载流子的漂移运动也在加强，最终漂移运动将与扩散运动达到动态平衡。PN结上外加电压的方式通常称为偏置方式，如果在PN结上加正向电压（也称正向偏置），即P区接电源正极，N区接电源负极，这时电源产生的外电场与PN结的内电场方向相反，内电场被削弱，使阻挡层变薄，多子的扩散运动大于漂移运动，形成较大的扩散电流，即正向电流。这时PN结的正向电阻很低，处于正向导通状态。正向导通时，外部电源不断向半导体供给电荷，使电流得以维持。2.PN结的单向导电性结的单向导电性 如果给PN结加反向电压（也称反向偏置），即N区接电源正极，P区接电源负极，这时外电场与内电场方向一致，增强了内电场，使阻挡层变厚。这就削弱了多子的扩散运动，增强了少子的漂移运动，从而形成微小的漂移电流，即反向电流。这时PN结呈现的电阻很高，处于反向截止状态。反向电流由少子漂移运动形成，少子的数量随温度升高而增多，所以温度对反向电流的影响很大。在一定温度下，反向电流不仅很小，而且基本上不随外加反向电压变化，故称其为反向饱和电流。由此可见，PN结在正向电压作用下，电阻很小，PN结导通，电流可顺利流过；而在反向电压作用下，电阻很大，PN结截止，阻止电流通过。这种现象称作PN结的单向导电性。学习与归纳学习与归纳PN结的单向导电性 把PN结用管壳封装，然后在P区和N区分别向外引出一个电极，即可构成一个二极管。二极管是电子技术中最基本的半导体器件之一。根据其用途分有检波管、开关管、稳压管和整流管等。c硅高频检波管开关管稳压管整流管发光二极管 电子工程实际中，二极管应用得非常广泛，上图所示即为各类二极管的部分产品实物图。6.2.1 二极管的结构和类型二极管的基本结构和类型点接触型点接触型：结面积小，适用于 高频检波、脉冲电路及计算机中的开关元件。外壳触丝N型锗片正极引线负极引线N型锗型锗面接触型：面接触型：结面积大，适用于 低频整流器件。负极引线底座金锑合金PN结铝合金小球正极引线普通二极管图符号稳压二极管图符号发光二极管图符号DDZD 使用二极管时，必须注意极性不能接反，否则电路非但不能正常工作，还有毁坏管子和其他元件的可能。6.2.2 二极管的伏安特性1二极管的伏安特性 实际的二极管伏安特性如图6.9所示。它主要包括三个区域。（a a）硅二极管）硅二极管2CZ522CZ52的特性曲线的特性曲线（b b）锗二极管）锗二极管2AP152AP15的特性曲线的特性曲线 图图6.9 二极管伏安特性曲线二极管伏安特性曲线（1）正向特性:当外加正向电压时，正极（阳极）接电源正极，二极管将导通，产生正向电流。如图6.9中曲线段所示。从图中可以看出：当正向电压数值较小时，由于外电场较小，尚不足以克服内电场对多数载流子扩散运动的阻力，正向电流几乎为零，这个区域称为“死区”。当正向电压增大超过某一数值后，二极管导通，正向电流随正向电压增加而迅速增大。这个电压称为门坎电压或阈值电压。二极管导通后，在正常使用的电流范围内，其正向电压数值很小，且基本上恒定。对于小功率硅管约为0.60.8V（典型值取0.7V），对于锗管，约为0.20.3V（典型值取0.3V）。（2）反向特性:当外加反向电压时，正极（阳极）接电源负极，由少数载流子产生反向饱和电流；其数值很小，在小于反向击穿电压的范围内。一般硅管的反向饱和电流比锗管的要小得多。小功率硅管的反向饱和电流约为几百nA，锗管约为几十。如图6.9中曲线所示。（3）反向击穿特性:当外加反向电压增大至某一数值时，反向电流急剧增大，这种现象称为二极管的反向击穿。称为反向击穿电压。如图6.9中曲线所示。二极管的反向击穿电压一般在几十伏至几千伏之间。在反向击穿时，只要反向电流不是很大，PN结未被损坏；当反向电压降低后，二极管将退出击穿状态，仍恢复单向导电性。这种击穿也称为PN结的电击穿。如果在反向击穿时，流过PN结的电流过大，使PN结温度过高而烧毁，就会造成二极管的永久损坏。这称为PN结的热击穿。在反向击穿时，只要反向电流不是很大，PN结未被损坏；当反向电压降低后，二极管将退出击穿状态，仍恢复单向导电性。这种击穿也称为PN结的电击穿。如果在反向击穿时，流过PN结的电流过大，使PN结温度过高而烧毁，就会造成二极管的永久损坏。这称为PN结的热 击穿。2温度对二极管特性的影响 当温度变化时，二极管的反向饱和电流与正向压降将会随之变化。当正向电流一定时，温度每增加1，二极管的正向压降约减少22.5mV。温度每增高10，反向电流约增大一倍。6.2.3 二极管的使用常识1二极管的主要参数 （1）最大整流电流IDM：指二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。其大小由PN结的结面积和外界散热条件决定。（2）最高反向工作电压URM：指二极管长期安全运行时所能承受的最大反向电压值。手册上一般取击穿电压的一半作为最高反射工作电压值。（3）反向电流IR：指二极管未击穿时的反向电流。IR值越小，二极管的单向导电性越好。反向电流随温度的变化而变化较大，这一点要特别加以注意。（4）最大工作频率fM：此值由PN结的结电容大小决定。若二极管的工作频率超过该值，则二极管的单向导电性将变差。2二极管的应用 二极管在使用时，应考虑不超过、等极限参数，以保证二极管不致于损坏。一般地，硅管适用于正向电流大、反向电压高、反向电流小的应用场合。锗管适用于正向压降小、工作频率高的场合。下面介绍几种常见的二极管应用电路，如表6.1所示。普通二极管 整流二极管 开关二极管 稳压二极管 2AP12AP92CP82CP60 2CZ502CZ602DZ22DZ20 2AK12AK202CK702CK86 2CW502CW192DW12DW19 高频检波，鉴频限幅，小功率整流等 大小功率的整流 电子计算机，脉冲控制，开关电路等 各种稳压电路 用途 型号列举种类 （1）整流电路。利用二极管的单向导电性，将交流电变换为单向脉动直流电的电路，称为整流电路。常见的有单相半波、全波和桥式整流电路等。如图6.10所示为常见的半波整流电路。表表6.1 常用半导体二极管的种类和用途常用半导体二极管的种类和用途表6.1 常用半导体二极管的种类和用途 （2）限幅电路。利用二极管正向导通后其两端电压很小且基本不变的特性，可以构成各种限幅电路，使输出电压幅度限制在某一电压值内。【例6.1】画出下列电路的输出波形。解：图6.11（a）的分析：输入电压ui为正弦波，根据（a）整流电路（b）波形 二极管的单向导电性，将输入ui与-3伏叠加，看看是二极管两端否正向压降，据此判断二极管是否导通。VD1导通时，二极管上压降为0，uo1等于-3伏；VD1不导通时，二极管截止，相当于断开，故uo1等于ui，得出输出电压uo1的波形，见图6.12（a）。从波形图中可以看出，输出电压幅度在一定范围被限制在-3伏上。图6.11（b）的分析：正半周时，VD2一直承受反向电压截止，这一路视为断开。当ui大于3V时，二极管VD1承受正向电压，导通，相当于短路，uo2=3V；当ui小于3V时，二极管VD1承受反向电压，截止，相当于断路，uo2=ui。uo2波形如图6.12（b）所示。负半周分析同理。二极管在该电路中起的是限幅作用。图6.11 例6.1的电路图图6.12 例6.1输出波形图6.3.1 稳压二极管 稳压管是一种用特殊工艺制造的面接触型硅二极管。它在电路中能起稳定电压的作用。稳压管的电路符号与伏安特性曲线如图6.13所示。由图6.13可知，稳压管的正向特性曲线与普通硅二极管相似；但是，它的反向击穿特性较陡。稳压管通常工作于反向击穿区。只要击穿后的反向电流不超过允许范围，稳压管就不会发生热击穿损坏。为此，可以在电路中串接入一个限流电阻。反向击穿后，当流过稳压管的电流在很大范围内变化时，电流吞吐调节能力很强。管子两端的电压几乎不变，从而可以获得一个稳定的电压。多个可以串联起来工作，组合成1稳压管及其伏安特性不同的稳压值。I(mA)40302010 0-5-10-15-20 (A)0.4 0.812 8 4U(V)正向特性与普正向特性与普通二极管相似通二极管相似反向反向IZUZ图图6.13 稳压管的电路符号与伏安特性曲线稳压管的电路符号与伏安特性曲线D（1）稳定电压UZ，指稳压管通过规定的测试电流时管子两端的电压值。由于制造工艺的原因，同一型号的管子的稳定电压有一定的分散性。例如2CW55型稳压管的UZ为6.27.5V（测试电流10mA）。目前常见的稳压管的UZ分布在几伏至几百伏。2稳压管的主要参数（2）稳定电流IZ，指稳压管正常工作时的参考电流值。稳压管的工作电流越大，其稳压效果越好。实际应用中只要工作电流不超过最大工作电流IZM均可正常工作。（3）动态电阻rZ，定义为稳压管两端电压变化量与相应电流变化的比值，即稳压管的反向特性曲线越陡，则动态电阻越小，稳压性能越好。（4）最大工作电流IZM和最大耗散功率PZM。最大工作电流IZM指管子允许流过的最大电流。最大耗散功率PZM指管子允许耗散的最大功率为 发光二极管是一种能把电能直接转换成光能的固体发光元件。发光二极管和普通二极管一样，管芯由PN结构成，具有单向导电性。实物图实物图图符号和图符号和文字符号文字符号D 单个发光二极管常作为电子设备通断指示灯或快速光源及光电耦合器中的发光元件等。发光二极管一般使用砷化镓、磷化镓等材料制成。现有的发光二极管能发出红黄绿等颜色的光。发光管正常工作时应正向偏置，因死区电压较普通二极管高，因此其正偏工作电压一般在1.3V以上。发光管属功率控制器件，常用来作为数字电路的数码及图形显示的七段式或阵列器件。6.3.2 发光二极管1结构和工作原理 光电二极管也称光敏二极管，是将光信号变成电信号的半导体器件，其核心部分也是一个PN结。光电二极管PN结的结面积较小、结深很浅，一般小于一个微米。D 光电二极管和稳压管类似，也是工作在反向电压下。无光照时，反向电流很小，称为暗电流；有光照射时，携带能量的光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分价电子挣脱共价键的束缚，产生电子空穴对，称为光生载流子。光生载流子在反向电压作用下形成反向光电流，其强度与光照强度成正比。光电二极管也称光敏二极管，同样具有单向导电性，光电管管壳上有一个能射入光线的“窗口”，这个窗口用有机玻璃透镜进行封闭，入射光通过透镜正好射在管芯上。实物图实物图图符号和图符号和文字符号文字符号6.3.3 光电二极管1结构与工作原理3应用举例 图6.16是红外线遥控电路的部分示意图。当按下发射电路中的按钮时，编码器电路产生出调制的脉冲信号，由发光二极管将电信号转换成光信号发射出去。接收电路中的光电二极管将光脉冲信号转换为电信号，经放大、解码后，由驱动电路驱动负载动作。当按下不同按钮时，编码器产生相应不同的脉冲信号，以示区别。接收电路中的解码器可以解调出这些信号，并控制负载做出不同的动作响应。图图6.16 红外线遥控电路红外线遥控电路6.4.1 三极管的结构和符号 三极管又称为晶体管，是放大电路中的核心元件。其种类很多，按照工作频率分，有高频管和低频管；按照功率分，有小功率管和大功率管；按照半导体材料分，有硅管和锗管等等。但是从它的外形来看，三极管都有三个电极，常见的三极管外形如图6.17所示。图图6.17 常见的三极管外形图常见的三极管外形图 根据结构不同，三极管可分为NPN型和PNP型，图6.18是其结构示意图和符号。它由三层半导体两个PN结组成，从三块半导体上各自引出一个电极，它们分别是发射极e（emitter）、基极b（base）和集电极c（collector），对应的每块半导体称为发射区、基区和集电区。三极管有两个PN结，发射区与基区交界处的PN结称为发射结，集电区与基区交界处的PN结称为集电结。发射极的箭头表示三极管正常工作时的实际电流方向。使用时应注意，由于内部结构的不同，发射区为高掺杂浓度,集电极和发射极不能互换。NPN型与PNP型三极管的工作原理相同，不同之处在于使用时所加电源的极性不同。在实际应用中，采用NPN型三极管较多，所以下面以NPN型三极管为例进行分析讨论。6.4.2 三极管的电流分配与放大作用1三极管内部载流子的传输过程N NN NP P发射极发射极e发射结发射结集电结集电结基区基区发射区发射区集电区集电区集电极集电极c基极基极bNPNNPN型型型型PNPPNP型型型型P PP PN N发射极发射极e发射结发射结集电结集电结基区基区发射区发射区集电区集电区集电极集电极c基极基极b图图6.18 三极管的结构示意图和符号三极管的结构示意图和符号 要使三极管能正常工作，三极管外加电压必须满足“发射结加正向电压，集电结加反向电压”这两个外部放大条件，电源UCC和UBB正是为满足这两个条件而设置的。将晶体管接成两条电路，一条是由电源电压UBB的正极经过电阻RB（通常为几百千欧的可调电阻）、基极、发射极到电源电压UCC的负极，称为基极回路。另一条是由电源电压UCC的正极经过电阻RC、集电极、发射极再回到电源电压UCC的负极，称为集电极回路。见图6.19。图图6.19 三极管内部载流子的传输过程三极管内部载流子的传输过程 （1）发射区向基区注入电子，形成发射极电流IE。由于发射结正偏，因此，高掺杂浓度的发射区多子（自由电子）越过发射结向基区扩散，形成发射极电流IE，发射极电流的方向与电子流动方向相反，是流出三极管发射极的。（2）电子在基区中的扩散与复合，形成基极电流IB。发射区来的电子注入基区后，由于浓度差的作用继续向集电结方向扩散。但因为基区多子为空穴，所以在扩散过程中，有一部分自由电子要和基区的空穴复合。（3）大部分从发射区“发射”来的自由电子很快扩散到了集电结。由于集电结反偏，在这个较强的从N区（集电区）指向P区（基区）的内电场的作用下，自由电子很快就被吸引、漂移过了集电结，到达集电区，形成集电极电流IC。集电极电流的方向是流入集电极的。集电区收集扩散过来的电子，形成集电极电流IC。为方便起见，上述过程暂时忽略了一些少子形成的很小的漂移电流。由图6.19可见，三极管电流分配关系为2三极管的电流分配与放大作用 为了说明三极管的电流分配与放大作用，我们先看下面的实验，实验电路如图6.20所示。实验时，改变RB，基极电流IB、集电极电流IC和发射极电流IE都随之发生变化，表6.2列出了一组实验数据。图6.20 测量三极管电流分配实验电路电流（mA）实 验 次 数 1 2 3 4 5 6 IB 00.020.040.060.080.10 IC 0.001 0.70 1.502.303.103.95 IE lV以后的输入特性与UCE=1V的一条特性曲线基本重合，所以半导体器件手册中通常只给出一条UCE1V时的输入特性曲线。由图6.22可见，三极管的输入特性曲线与二极管的伏安特性曲线很相似，也存在一段死区，硅管的死区电压约为0.5V，锗管的死区电压约为0.2V。导通后，硅管的UBE约为0.7V，锗管的UBE约为0.3V。（2）输出特性曲线。输出特性是在基极电流IB一定的情况下，集电极与发射极之间的电压UCE与集电极电流iC之间的关系，即图6.23示出了小功率三极管的输出特性曲线。由图可见，对于不同的，所得到的输出特性曲线也不同，所以，三极管的输出特性曲线是一族曲线。三极管的输出特性曲线分为三个区域：放大区，截止区，饱和区。放大区：放大区是输出特性曲线中基本平行于横坐标的曲线族部分。当uCE超过一定值后（1V左右），iC的大小基本上与uCE无关，呈现恒流特性。在放大区，发射结正偏和集电结反偏，iC与iB成比例关系，即 ，三极管具有电流放大作用。uBE/V0UCE=0ViB/A00.40.820406080uCE iC 0IB4饱和区饱和区截止区截止区放放放放 大大大大 区区区区IB5IB3IB2IB1IB=0i iC CuCE i iB B图6.22 三极管的输入特性曲线 图6.23 三极管的输出特性曲线 截止区：对应IB=0以下的区域，在该区域 ，集、射极间只有微小的反向饱和电流，近似于开关的断开状态。为了使三极管可靠截止，通常给发射结加上反向电压，即uBE U(BR)CEO时，三极管的ICEO急剧增加，表示三极管已被反向击穿，造成三极管损坏。使用时，应根据电源电压UCC选取U(BR)CEO，一般应使U(BR)CEO（23）UCC。集电极最大允许功率损耗PCM：表示三极管允许功率损耗的最大值。超过此值就会使管子性能变坏或烧毁。三极管功率损耗的计算公式为 PCM与环境温度有关，温度越高，则PCM越小。因此，半导体三极管使用时受环境温度的限制，锗管的上限温度约70，硅管可达150。对于大功率管，为了提高PCM，常采用加散热装置的办法，手册中给出的PCM值是在常温（25）下测得的，对于大功率管则是在常温下加规定尺寸的散热片的情况下测得的。根据三极管的PCM，可在输出特性曲线上画出管子的允许功率损耗PCM曲线，如图6.25所示。由PCM、ICM和U(BR)CEO三条曲线所包围的区域为三极管的安全工作区。uCE/VIC /mA0ICM过损耗区过损耗区PCM=iCuCEU BR(CEO)图6.25 三极管的安全工作区【例6.2】若测得放大电路中工作在放大状态的三个三极管的三个电极对地电位U1、U2、U3分别为下述数值，试判断它们是硅管还是锗管？是NPN型还是PNP型？并确定c、b、e极。（1）U1=2.5V U2=6V U3=1.8V（2）U1=-6V U2=-3V U3=-2.7V（3）U1=-1.7V U2=-2V U3=0V解：（1）由于U13=U1-U3=0.7V，故该管为硅管，且1、3管脚中一个是e极，一个是b极，则2脚为c极。又因为2脚电位最高，故该管为NPN型，从而得出1脚为b极，3脚为e极。（2）由于U23=0.3V，故该管为锗管，且2、3管脚中一个是e极，一个是b极，则1脚为c极。又因为1脚电位最低，故该管为PNP型，从而得出2脚为b极，3脚为e极。（3）由于U12=0.3V，故该管为锗管，且1、2管脚中一个是e极，一个是b极，则3脚为c极。又因为3脚电位最高，故该管为NPN型，从而得出1脚为b极，2脚为e极。【例6.3】在图6.26所示的输出特性曲线给定点上计算三极管的电流放大系数。解：由图中可见：A点，UCE1=6V，IB1=40mA，IC1=1.7mA B点，UCE2=6V，IB2=60mA，IC2=2.6mAUCE/VIC /mA020 AIB=040 A60 A100 A80 A4312AB26912图6.26 三极管的输出特性结果表明：放大区的和b是近似 相等的。一、填空题1N型半导体是在本征半导体中掺入极微量的_价元素组成的。这种半导体内的多数载流子为_，