第2章常用半导体器件.pptx

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1、在电子、空穴对产生的同时，运动中的自由电子也有可能去填补空穴，使电子和空穴成对消失，这种现象称为复合。在外电场作用下，一方面带负电荷的自由电子作定向移动，形成电子电流；另一方面价电子会按电场方向依次填补空穴，产生空穴的定向移动，形成空穴电流。能够运动的、可以参与导电的带点粒子称为载流子，因而自由电子和空穴是半导体中的两种载流子。由于它们所带电荷极性相反，所以电子电流和空穴电流的方向相反。第1页/共73页在一定温度下，电子、空穴对的产生和复合都在不停地进行，最终处于一种动态平衡状态，使半导体中载流子的浓度一定。当温度升高时，本征半导体中载流子浓度将增大。由于导电能力决定于载流子数目，因此半导体的

2、导电能力将随温度升高而增强。温度是影响半导体器件性能的一个重要的外部因素。2.1.2 PN结在常温下，本征半导体中载流子浓度很低，因而导电能力很弱。为了改善导电性能并使其具有可控性，需在本征半导体中掺入微量的其它元素（称为杂质）。这种掺入杂质的半导体称为杂质半导体。因掺入杂质的性质不同，可分为N型半导体和P型半导体。1.N型半导体在本征半导体硅（或锗，此处以硅为例）中掺入微量的5价元素磷（P），由于磷原子最外层的5个价电子中有4个与相邻硅原子组成共价键，如图1.2（a）所示，多余一个价电子受磷原子核的束缚力很小，很容易成为自由电子，而磷原子本身因失去电子成为不能移动的杂质正离子。当然，在杂质半

3、导体中，同本征半导体一样，由于热运动仍然产生自由电子空穴对，但这种热运动产生的载流子浓度远小于掺杂而产生的自由电子数，所以在这种半导体中，自由电子数远超过空穴数，它是以电子导电为主的杂质型半导体，因为电子带负电，所以称为N型半导体。N型半导体中，自由电子是多数载流子（简称多子），空穴是少数载流子（简称少子）。杂质离子带正电。第2页/共73页 2.P型半导体 在本征硅中掺入三价元素硼（B），由于硼有三个价电子，每个硼原子与相邻的4个硅原子组成共价键时，因缺少一个电子而产生一个空位（不是空穴，因为硼原子仍呈中性），如图1.2（b）所示。在室温或其它能量激发下，与硼原子相邻的的硅原子共价键上的电子就

4、可能填补这些空位，从而在电子原来所处的位置上形成带正电荷的空穴，硼原子本身则因获得电子而成为不能移动的杂质负离子。每个硼原子都能产生一个空穴，这种半导体的空穴数远大于自由电子数，它是以空穴导电为主的杂质型半导体，因为空穴带正电，所以成为P型半导体。P型半导第3页/共73页以后，为简单起见，通常只画出其中的正离子和等量的自由电子来表示N型半导体；同样地，只画出负离子和等量的空穴来表示P型半导体，分别如图1.3（a）和1.3（b）所示。综上所述，掺入杂质后，由于载流子的浓度提高，因而杂质半导体的导电性能将增强，而且掺入的杂质越多，多子浓度越高，导电性能也就越强，实现了导电性能的可控性。例如，在4价

5、的硅中掺入百分之一的3价杂质硼后，在室温时的电阻率与本征半导体相比，将下降到五十万分之一，可见导电能力大大提高了。当然，仅仅提高导电能力不是最终目的，因为导体的导电能力更强。杂质半导体的奇妙之处在于，掺入不同性质、不同浓度的杂质，并使P型半导体和N型半导体采用不同的方式组合，可以制造出形形色色、品种繁多、用途各异的半导体器件。第4页/共73页如果将一块半导体的一侧掺杂成为P型半导体，而另一侧掺杂成为N型半导体，则在二者的交界处将形成一个PN结。1.PN结的形成（1）多子的扩散运动将P型半导体和N型半导体制作在一起，在两种半导体的交界面就出现了电子和空穴的浓度差。物质总是从浓度高的地方向浓度低的

6、地方扩散，自由电子和空穴也不例外。因此，P区中的多子（即空穴）将向N区扩散，而N区中的多子（即自由电子）将向P区扩散。扩散运动的结果就使两种半导体交界面附近出现了不能移动的带电离子区，P区出现负离子区，N区出现正离子区。如图2.4所示。这些带电离子形成了一个很薄的空间电荷区，产生了内电场。第5页/共73页（2）少子的漂移运动一方面，随着扩散运动的进行，空间电荷区加宽使内电场增强；另一方面，内电场又将阻止多子的扩散运动，而使P区中的少子电子向N区运动，N区中的少子空穴向P区运动，这种在电场作用下少子的运动称为漂移运动。少子漂移运动的方向正好与多子扩散运动的方向相反。因而漂移运动的结果是使空间电荷

7、区变窄，使内电场减弱。当参与扩散运动的多子与参与少子漂移运动的少子数目相等时，即达到了动态平衡，此时，空间电荷区的宽度不再变化，PN结处于相对稳定状态。空间电荷区又称耗尽层。若无外加电压或其它激发因素作用时，流过PN结的电流为零。2.PN结的单向导电性在PN结两端外加电压，称为给PN加上偏置。当P区电位高于N区时称为正向偏置；反之，当N区电位高于P区时称为反向偏置。PN结最重要的特性就是单向导电性。（1）PN结正向偏置给PN结加正向偏置电压，如图1.5所示。这时外电场与内电场方向相反，削弱了内电场，空间电荷区变窄，正向电流I较大，PN结在正向偏置时呈现较小电阻，PN结变为导通状态。正向偏置电压

8、稍有增加，PN结的正向电流I急剧增加，为了防止大的正向电流把PN结烧毁，实际电路都要串接限流电阻R。第6页/共73页（2）PN结反向偏置给PN结加反向偏置电压，如图1.6所示。这时外电场与内电场方向相同，空间电荷区变宽，内电场增强，因而有利于少子的漂移而不利于多子的扩散。由于电源的作用，少子的漂移形成了反向电流IS。但是，少子的浓度非常低，使得反向电流很小，一般为微安（A）数量级。所以可以认为PN结反向偏置时基本不导电。综上所述，PN结正向偏置时导通，表现出的正向电阻很小，正向电流I较大；反向偏置时截止，表现出的反向电阻很大，反向电流IS几乎为零。第7页/共73页2.2 半导体二极管2.2.1

9、 二极管的结构和符号在PN结的两端引出两个电极并将其封装在金属或塑料管壳内，就构成二极管。二极管通常由管芯、管壳和电极三部分组成，管壳起保护管芯的作用，如图1.7所示。从P区引出的电极称为正极或阳极，从N区引出的电极称为负极或阴极。二极管的外形图和电路符号如图2.8所示。二极管一般用字母D表示。第8页/共73页二极管的种类很多，分类方法也不同。按制造所用材料分类，主要有硅二极管和锗二极管；按其结构分类，有点接触型和面接触型二极管。点接触型二极管的结面积小，极间电容小，不能承受高的反向电压和大的正向电流。这种类型的管子适于作高频检波和脉冲数字电路里的开关元件。面接触型二极管的结面积大，可承受较大

10、的电流，但极间电容也大，适合于低频整流。小电流二极管常用玻璃壳塑料壳封装，为便于散热，大电流二极管一般使用金属外壳。通过电流在1A以上的二极管常加散热片以帮助散热。2.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性是指二极管两端外加电压u和流过二极管的电流i之间的关系。以硅管为例，其伏安特性如图1.9所示。理论分析指出，理想情况下二极管电流i与其外加电压u之间的关系为：称为二极管的电流方程。式中IS为反向饱和电流；UT为温度电压当量，常温下，UT26mV。(2.1)第9页/共73页1.正向特性二极管两端不加电压时，其电流为零，故特性曲线从坐标原点开始，如图1.9（a）。当外加正向电压时，二极管内有正

11、向电流通过。正向电压较小，且小于Uon时，外电场不足以克服内电场，故多数载流子的扩散运动仍受较大阻碍，二极管的正向电流很小，此时二极管工作于死区，称Uon为死区的开启电压。硅管的Uon约为0.5V，锗管约为0.2V。当正向电压超过Uon后，内电场被大大削弱，电流将随正向电压的增大按指数规律增大，二极管呈现出很小的电阻。硅管的正向导通电压为0.60.8V（常取0.7V），锗管为0.10.3V。第10页/共73页2.反向特性当外加反向电压时，外电场和内电场方向相同，阻碍扩散运动进行，有利于漂移运动。二极管中由少子形成反向电流。反向电压增大时，反向电流随着稍有增加，当反向电压大到一定程度时，反向电流

12、将基本不变，即达到饱和，因而称该反向电流为反向饱和电流，用IS表示。通常硅管的IS可达10-9A数量级，锗管为10-6A数量级。反向饱和电流越小，管子的单向导电性越好。当反向电压增大到图中的UBR时，在外部强电场作用下，少子的数目会急剧增加，因而使得反向电流急剧增大。这种现象称为反向击穿，电压UBR称为反向击穿电压。各类二极管的反向击穿电压大小不同，通常为几十到几百伏，最高可达300伏以上。PN结被击穿后，常因功耗过大而造成永久性的损坏。前面已指出，半导体中的少子浓度受温度影响，因而二极管的伏安特性对温度很敏感。实验证明，当温度升高时，正向特性曲线向左移，反向特性曲线向下移。如图1.9（b）所

13、示。第11页/共73页需要指出的是，有时为了分析方便，将二极管理想化，忽略其正向导通电压和反向饱和电流，于是得到图1.10所示理想二极管的伏安特性。对于理想二极管，认为正偏导通时相当于开关闭合，反偏截止时相当于开关断开。2.2.3 二极管的主要参数每种半导体器件都有一系列表示其性能特点的参数，并汇集成器件手册，供使用者查找选择。半导体二极管的主要参数有：1.直流参数（1）最大整流电流IF指二极管长期运行时，允许通过管子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，否则可能使二极管过热而损坏。（2）最高反向工作电压UR工作时加在二极管两端的反向电压不得超过此值，否则二极管可能被击穿。为

14、了留有余地，通常将击穿电压UBR的一半定为UR。（3）反向电流IRIR是指在室温条件下，在二极管两端加上规定的反向电压时，流过管子的反向电流。通常希望IR值愈小愈好。反向电流愈小，说明二极管的单向导电性愈好。此时，由于反向电流是由少数载流子形成，所以IR受温度的影响很大。第12页/共73页 2.交流参数（1）微变电阻rD微变电阻是指二极管两端电压在某一直流值附近作微小变化时所呈现出的等效电阻，如图1.11所示。图中曲线为正向伏安特性，在Q点二极管的电流为直流量IDQ，rD可用Q点处切线斜率的倒数来表示，即(2.2)rD也可从二极管的电流方程求出，求i 对u的微分，即由于i在Q点附近变化很小，因

15、而可用IDQ取代之，所以(2.3)(2.4)第13页/共73页通常rD在几欧到几十欧之间。（2）极间电容极间电容分为势垒电容Cb和扩散电容Cd两种。势垒电容Cb在二极管外加电压变化时，空间电荷量发生变化，类似电容的充、放电，PN结这种电容效应等效为势垒电容Cb。扩散电容Cd当二极管正向偏置时，多子的扩散形成正向电流。在正向电压变化时，扩散路程中载流子的浓度和浓度差也产生变化，这种变化相当于电荷量的积累与释放，因而显示出电容效应，其所对应的电容称为扩散电容Cd。二极管的结电容C j=C b+C d，正向偏置时以扩散电容Cd为主；反向偏置时以势垒电容C b为主。C b和C d的取值取决于结面积、外

16、加电压、通过的电流等因素。（2）最高工作频率f M当二极管在高频条件下工作时，将受到极间电容的影响。fM主要决定于极间电容的大小。极间电容愈大，则二极管允许的最高工作频率愈低。当工作频率超过f M时，二极管将失去单向导电性。第14页/共73页2.2.4 二极管的应用电路在二极管的应用电路中，主要是利用二极管的单向导电性。在分析应用电路时，应当掌握一条基本原则，即判断二极管是处于导通状态还是截止状态，其方法是先将二极管断开，然后观察（或计算）阳、阴两极是正向电压还是反向电压，若为正向电压则二极管导通，否则截止。二极管导通时，一般用电压源UD=0.7V（硅管，若是锗管则用0.3V）代替，或近似用短

17、路线代替（理想二极管）；二极管截止时，一般将二极管断开，即认为二极管反向电阻无穷大。1.整流电路整流电路是直流稳压电源的组成部分。所谓整流，就是利用二极管的单向导电性，将交流电压变成单方向的脉动直流电压。在整流电路中，加在电路两端的交流电压远大于二极管的导通电压Uon，而整流输出电流远大于二极管的反向饱和电流IS，所以，在分析整流电路时，二极管均用理想模型代替。小功率整流电路形式有单向半波整流电路、单向全波整流电路和单向桥式整流电路三种。此处先以单向半波整流电路为例介绍整流电路的工作原理，后面稳压电源部分还会全面介绍。第15页/共73页 例2.1 图2.12（a）所示整流电路中，二极管D为理想

18、二极管。已知输入电压u i为图2.12（b）所示的正弦波，试画出输出电压uo的波形。解：因为D为理想二极管，所以当u i0时，二极管D正偏导通，相当于开关闭合，故uo=u i当u i0时，二极管D反偏截止，相当于开关断开，故uo=0由以上分析画出uo的波形，如图1.12（b）所示。从uo的波形可知，电阻R上得到了单向脉动直流电压。第16页/共73页 2.限幅电路当输入信号电压在一定范围内变化时，输出电压随输入电压相应变化；而当输入电压超出该范围时，输出电压保持不变，这种电路就是限幅电路。通常将输出电压uo保持不变的电压值称为限幅电平，当输入电压高于限幅电平时，输出电压保持不变的限幅称为上限幅；

19、当输入电压低于限幅电平时，输出电压保持不变的限幅称为下限幅。二极管限幅电路有串联、并联、双向限幅电路。在图2.13所示电路中，二极管与输出端并联，所以此电路叫做并联限幅电路。当输入正弦信号ui处于正半周，且其数值大于二极管的导通电压Uon时，二极管导通，uo=Uon。当u i处于负半周或其数值小于二极管的导通电压Uon时，二极管截止，此时u i的波形全部传送到输出端，即uo=u i，输出电压uo的波形如图1.14所示。并联限幅电路限制了信号的正半周。第17页/共73页下面再看一道双限幅电路的例子。例2-2 在图2.15（a）所示电路中，已知两只二极管的导通压降Uon均为0.7V，试画出输出电压

20、uo与输入电压ui的关系曲线（即电压传输特性）。解：此题中二极管不能视为理想二极管。图（a）中两只二极管D1、D2方向相反，所以当ui0.7V时，D1导通，D2截止，uo=Uon=0.7V；当ui-0.7V时，D1截止，D2导通，uo=-Uon=-0.7V；当-0.7Vui0.7V时，D1、D2均截止，相当于开关断开，uo=ui，uo与ui成正比例关系。由以上分析可画出uo与ui的关系曲线，如图2.15（b）所示。该电路为一个双向限幅电路，D1、D2的接法使uo的大小限在-0.7V+0.7V之内。第18页/共73页 3.逻辑运算（开关）电路在开关电路中，我们一般把二极管看成理想模型，即二极管导

21、通时两端电压为零，截止时两端电阻为无穷大。在图2.16（a）的电路中只要有一路输入信号为低电平，输出即为低电平，仅当全部输入为高电平时，输出才为高电平，这在逻辑运算中称为“与”逻辑运算。图（b）电路中，当只要有一路输入信号为高电平，输出即为高电平，仅当全部输入为低电平时，输出才为低电平，这种运算称为“或”逻辑运算。第19页/共73页 4.检波电路在电视、通信电路中，经常用二极管检波，现以广播系统为例来分析检波电路。为了使频率较低的语音信号能远距离传输，往往用表达语音信号的电压波形去控制频率一定的高频正弦波电压的幅度，称为调制。调制后的高频信号经天线可以发送到远方。这种幅度被调制的调幅波被收音机

22、输入调谐回路“捕获”后，经放大，可由检波电路检出调制的语音信号。图1.17为接收这种广播信号的示意图，并画出了由二极管组成的检波电路。第20页/共73页 2.2.5 特殊二极管 1.稳压二极管（1）伏安特性及电路符号由二极管的特性曲线可知，如果二极管工作在反向击穿区，则当反向电流的变化量I较大时，管子两端相应的电压变化量U却很小，说明其具有“稳压”特性。利用这种特性可以做成稳压管。所以，稳压管实质上就是一个二极管，但它通常工作在反向击穿区。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，必须在电路中串接一个限流电阻。反向击穿后，当流过稳压管的电流在很大范围内变化时，管子两

23、端的电压几乎不变，从而可以获得一个稳定的电压。综上所述，在使用稳压管组成稳压电路时，需要注意几个问题：首先，稳压二极管正常工作是在反向击穿状态，即外加电源正极接二极管的阴极，负极接阳极；其次，稳压管应与负载并联，由于稳压管两端电压变化量很小，因而使得输出电压比较稳定；最后，必须限制流过稳压管的电流，使其不超过规定值，以免因过热而烧毁二极管。同时，还应保证流过稳压管的电流大于某一数值（稳定电流），以确保稳压管有良好的稳压特性。稳压管的伏安特性及电路符号如图2.18（a）和（b）所示。第21页/共73页（2）主要参数稳定电压UZ当稳压管反向击穿，且使流过的电流为规定的测试电流时，稳压管两端的电压值

24、即为稳定电压UZ。对于同一种型号的稳压管，UZ有一定的分散性，因此一般都给出其范围。例如型号为2CW14的稳压管的UZ为6V7.5V，但对于某一只稳压管，UZ为一个确定值。第22页/共73页稳定电压的温度系数a稳定电压随温度变化而略有改变。温度每上升1oC时，稳定电压变化的百分数就称为稳定电压的温度系数。当UZ小于4V时，a一般为负，即UZ随温度上升而略有减小；当UZ大于7V时，a一般为正，即UZ随温度上升而略有增加；当UZ在4V7V之间时，则两种情况都有，但其数值较小。在稳压性能要求较高的情况下可选用温度补偿型稳压管。稳定电流IZ稳定电流IZ是保证稳压管正常稳压的最小工作电流，电流低于此值时

25、稳压效果不好。IZ一般为毫安数量级。如5mA或10mA。最大耗散功率PZM和最大稳定电流IZM当稳压管工作在稳压状态时，管子消耗的功率等于稳定电压UZ与流过稳压管电流的乘积，该功率将转化为PN结的温升。最大耗散功率PZM是在结温升允许的情况下的最大功率，一般为几十毫瓦至几百毫瓦。因PZM=UZIZM，由此即可确定最大稳定电流IZM。动态电阻rZ动态电阻rZ的定义为：稳压管两端的稳定电压UZ与相应的电流变化量IZ之比，即rZ=UZ/IZ。不同的稳压管，rZ各不相同。rZ越小，表明在电流变化时，稳定电压变化越小，即稳压效果越好。rZ一般为几欧到几十欧。第23页/共73页 例2.3 图2.19所示是

26、利用稳压管组成的稳压电路。其中U I为未经稳定的直流输入电压，R为限流电阻，UO为稳压电路的输出电压。试分析此电路的稳压原理。解：使UO不稳定的原因有两个：一是U I的变化，另一个是负载电阻RL的变化。下面分析当这两个因素变化时，电路是如何稳定输出电压的。U I不稳定时，设UI增加，这将使UO有增加的趋势，但UO增加使稳压管两端反向电压UZ增加。由于稳压管动态电阻极小，所以将使流过管子的电流IZ大大增加，限流电阻R上的电流IR=IZ+IL也跟着大大增加，限流电阻上的压降IRR也增加，其结果是UI的增加量绝大部分降在限流电阻R上，从而使输出电压基本维持恒定。当RL变化时，设RL减小，这将使UO有

27、降低的趋势，但UO减小使稳压管两端反向电压UZ减小。由于稳压管动态电阻极小，所以将使流过稳压管的电流IZ大大减小，限流电阻R上的电流IR=IZ+IL也跟着大大减小，其结果是限流电阻R上的电压减小，补偿了UO的下降，使输出电压UO几乎不减小，稳定在UZ的数值。第24页/共73页 例2.4 在图2.19所示电路中，已知输入电压UI=12V，稳压管DZ的稳定电压UZ=6V，稳定电流IZ=5mA，额定功耗PZM=90mW，试问输出电压Uo能否等于6V。解：稳压管正常稳压时，其工作电流IDZ应满足IZIDZIZmax，而即5mAI DZ15mA（2.5）设电路中DZ能正常稳压，则Uo=UZ=6V。由图中

28、可求出 I DZ不在式（2.5）的范围内，因此不能正常稳压，Uo将小于UZ。若要电路能够稳压，则应减小R的阻值。第25页/共73页2.发光二极管发光二极管是一种将电能转换成光能的半导体器件。其基本结构是一个PN结，采用砷化镓、磷化镓等半导体材料制造而成。它的伏安特性与普通二极管类似，但由于材料特殊，其正向导通电压较大，约为12V。当管子正向导通时将会发光。发光二极管简写为LED（LightEmittingDiode）。发光二极管具有体积小、工作电压低、工作电流小（1030mA）、发光均匀稳定、响应速度快和寿命长等优点。常用作显示器件，如指示灯、七段显示器、矩阵显示器等。常见的LED发光颜色有红

29、、黄、绿等，还有发出不可见光的红外发光二极管。发光二极管的电路符号和外形如图2.20所示。图2.21所示为七段数码管显示器的外形和电路图。第26页/共73页3.光电二极管光电二极管又叫光敏二极管，它是一种能将光信号转换为电信号的器件。光电二极管的基本结构也是一个PN结，但管壳上有一个窗口，使光线可以照射到PN结上。光电二极管工作在反偏状态下。当无光照时，与普通二极管一样，反向电流很小，称为暗电流。当有光照时，其反向电流随光照强度的增加而增加，称为光电流。图1.22所示为光电二极管的电路符号和特性曲线。第27页/共73页光电二极管与发光二极管可用于构成红外线遥控电路。图1.23所示为红外遥控电路

30、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。第28页/共73页4.变容二极管利用PN结的势垒电容随外加反向电压变化的特性可制成变容二极管。变容二极管工作在反偏状态下，此时，PN结结电容的数值随外加电压的大小而变化。因此，变容二极管可做可变电容使用。图1.24所示为变容二极管的电路符号和C-U关系曲线。第29页/共73页变容二极管

31、在高频电路中得到广泛应用，可用于自动调谐、调频、调相等。图2.25所示为变容二极管的一个应用电路，这是一个电调谐改变LC回路谐振频率的回路。变容二极管V与电感L组成LC谐振回路，当改变电位器的中心触点位置时，加在V上的反偏电压发生变化，其电容量相应改变，从而改变了LC回路的谐振频率。图中的C为隔直流电容器。第30页/共73页2.2.6 二极管的简易测试测试二极管一方面是测试其性能的好坏，即是否具有单向导电性，另一方面通过测试找出二极管的正、负极。二极管的测试方法很多，本节只介绍用万用表测试的方法。万用表及其欧姆档的内部等效电路如实验图1.26所示。图中E为表内电源，r为等效内阻，I为被测回路中

32、的实际电流。由图可见，黑表笔接表内电源正端，红表笔接表内电源的负端。进行测试时，将万用表的挡位选择开关打向R100或R1k（）档（R1挡电流太大，用R10k挡电压太大，都易损坏管子），并将两表笔分别接到二极管的两端，如图1.27所示，若测得阻值小，再将红黑表笔对调测试，若测得阻值大，则表明二极管是好的；在测得阻值小的那一次中，与黑表笔相连的管脚为二极管的正极，与红表笔相连的管脚为二极管的负极。若上述两次测得的阻值都很小，则表明管子内部已被短路；若两次测得的阻值都很大，则表明管子内部已经断路，出现短路和断路时，说明管子已损坏。第31页/共73页2.2.7 二极管使用注意事项二极管使用时，应注意以

33、下注意事项：（1）二极管应按照用途、参数及使用环境选择。（2）使用二极管时，正、负极不可接反。通过二极管的电流、承受的反向电压及环境温度等都不应超过手册中所规定的极限值。（3）更换二极管时，应用同类型或高一级的代替。（4）二极管的引线弯曲处距离外壳端面应不小于2mm，以免造成引线折断或外壳破裂。第32页/共73页（5）焊接时应选用35W以下的电烙铁，焊接要迅速，并用镊子夹住引线根部，以助散热，防止烧坏管子。（6）安装时，应避免靠近发热元件，对功率较大的二极管，应注意良好的散热。（7）二极管在容性负载电路中工作时，二极管整流电流应大于负载电流的20%。第33页/共73页2.3 半导体三极管晶体三

34、极管又称为半导体三极管、双极型晶体管，简称晶体管或三极管。它具有电流放大作用，是构成各种电子电路的基本元件。2.3.1 三极管的结构和符号三极管有NPN型和PNP型两种类型，它们的结构示意图及电路符号如图2.28所示。第34页/共73页三极管有三个区、三个电极和两个PN结：中间层称为基区，外面两层分别称为发射区和集电区；从三个区各引一个电极出来，分别称为基极（b）、发射极（e）和集电极（c）；基区与集电区之间的PN结称为集电结，基区与发射区之间的PN结称为发射结。三极管的内部结构在制造工艺上的特点如下：（1）发射区的掺杂浓度远大于集电区的掺杂浓度；（2）基区很薄，一般为1m至几m；（3）集电结

35、面积大于发射结面积。三极管按材料不同分为硅管和锗管。目前我国制造的硅管多为NPN型，锗管多为PNP型。不论是硅管还是锗管，NPN管还是PNP管，它们的基本工作原理是相同的。本结主要讨论NPN管。三极管的外形如图2.29所示。第35页/共73页2.3.2 三极管的电流放大原理通过改变加在三极管三个电极上的电压可以改变其两个PN结的偏置电压，从而使三极管有三种工作状态：当发射结和集电结均反偏时，处于截止状态；当发射结正偏、集电结反偏时，处于放大状态；当发射结和集电结均正偏时，处于饱和状态。模拟电子线路中，三极管主要工作在放大状态，是构成放大电路的核心元件；数字电子线路中，三极管则工作在截止和饱和状

36、态，充当开关使用。当三极管处于放大状态时，能将输入的小电流放大为输出端的大电流。下面以NPN型三极管为例来分析其放大原理。1.三极管内部载流子的运动图2.30所示电路中，当电源电压VCCVBB且各电源、电阻取值合适时，能保证发射结正偏、集电结反偏，即保证三极管处于放大状态。三极管的放大作用是通过载流子的运动体现出来的，其内部载流子的运动有三个过程：（1）发射区向基区注入电子由于发射结正向偏置，载流子的运动主要以多子的扩散运动为主。发射区的多子（电子）不断通过发射结扩散到基区，基区的多子（空穴）也通过发射结扩散到发射区，如图1.28所示。这两种多子的扩散运动形成的扩散电流即为发射极电流IE。由于

37、发射区的掺杂浓度远大于基区，因而IE主要以电子电流为主，空穴电流可以忽略不计。第36页/共73页（2）电子在基区的扩散和复合发射区的电子注入基区后，靠近发射结附近浓度很高，离结越远浓度越低。由于浓度差电子将继续向集电结方向扩散，又由于基区很薄、杂质浓度低，电子在扩散过程中只有很少一部分与基区的空穴复合掉，形成基极电流I Bn。（3）集电区收集电子由于集电结反向偏置，有利于少子的漂移运动。从发射区注入基区的电子便成为了基区的少子，它们扩散到集电结附近后很容易在集电结电场作用下漂移到集电区，被集电区收集，形成集电极电流I Cn。与此同时，由于集电结反向偏置，基区本身的少子（电子）与集电区的少子（空

38、穴）将在结电场的作用下形成漂移电流，即反向饱和电流，称为ICBO。ICBO数值很小，可以忽略不计，但由于它受温度影响大，将影响管子的性能。第37页/共73页由以上分析可知，三极管内部有两种载流子参与导电，故称为双极型晶体管。三极管三个电极电流IB、IC、IE分别为：IB=IBn-ICBO（2.6）IC=ICn+ICBO（2.7）IE=ICn+IBn=（ICn+ICBO）+（IBn-ICBO）=IC+IB（2.8）2.各极电流之间的关系在图2.30所示电路中，IB所在回路称为输入回路，IC所在回路称为输出回路，而发射极为两个回路的公共端，因此，该电路称为共射放大电路。该电路中电流IE主要是由发射

39、区扩散到基区的电子而产生的；IB主要是由发射区扩散过来的电子在基区与空穴复合而产生的；IC主要是由发射区注入基区的电子漂移到集电区而形成的。当管子制成以后，复合和漂移所占的比例就确定了，也就是说IC与IB的比值也接确定了，这个比值就称为共发射极直流电流放大系数 ，即由于IB远小于IC，因此1，一般NPN型三极管的为几十倍至一百多倍。(1.9)第38页/共73页实际电路中，三极管主要用于放大动态信号。当输入回路加上动态信号后，将引起发射结电压的变化，从而使发射极电流、基极电流变化，集电极电流也将随之变化。集电极电流的变化量与基极电流变化量的比值称为共发射极交流电流放大系数式（2.10）表明三极管

40、具有将基极电流变化量放大倍的能力，这就是三极管的电流放大作用。因为在近似分析中可以认为=，故在实际应用中不再加以区分。2.3.3 三极管的共射特性曲线 三极管的共射特性曲线是指三极管在共射接法下各电极电压与电流之间的关系曲线，分为输入特性曲线和输出特性曲线。1.输入特性输入特性是指当UCE不变时，基极电流iB与电压uBE之间的关系曲线，即IB=f（UBE）UCE=常数图1.31中给出了UCE在两种不同取值情况下的输入特性。输入特性有如下几个特点：（1）当UCE=0时，相当于两个PN结（发射结与集电结）并联，此时输入特性与二极管伏安特性相似。(2.10)第39页/共73页（2）当UCE0时，随着

41、UCE的增大，特性曲线右移，这时集电结由正偏逐渐转为反偏，集电结电场对发射区注入基区的电子的吸引力增强，因而使基区内与空穴复合的电子减少，表现为在相同UBE下对应的IB减少。当UCE大于某一数值（例如1V）以后，特性曲线右移很少。这是因为集电结反偏后，其反偏电压已足将注入基区的电子基本上都收集到集电极，即使UCE再增大，IB也不会减小很多。所以，常常用UCE1V的一条曲线（例如UCE=2V）来代表UCE更高的情况。2.输出特性输出特性是指当IB不变时，集电极电流IC与电压UCE之间的关系曲线，即IC=f（UCE）IB=常数三极管的输出特性如图2.32所示。从图中可以看出，三极管的输出特性为一组

42、曲线，对应不同的IB，输出特性不同，但它们的形状基本相同。在输出特性曲线上可以划分为三个区域：截止区、放大区和饱和区。下面分别进行介绍。第40页/共73页（1）截止区一般将IB0的区域称为截止区，在图中为IB=0的一条曲线以下部分。此时，集电结和发射结均处于反向偏置，IC也近似为零，三极管处于截止状态，没有放大作用。（2）放大区在放大区内，各条输出特性曲线比较平坦，近似为水平的直线，表示当IB一定时，IC的值基本上不随UCE而变化。而当基极电流有一个微小的变化量IB时，相应的集电极电流将产生较大的变化量IC，且满足IC=IB，体现出三极管的电流放大作用。第41页/共73页（3）饱和区图2.32

43、中靠近纵坐标的附近，各条输出特性曲线的上升部分属于三极管的饱和区。此时，集电结和发射结均处于正向偏置。由于集电结正偏，不利于少子漂移，因而不利于集电区收集从发射区注入基区的电子，使得在相同的IB下IC比放大区的小。在饱和区，不满足IC=IB。一般称UCE=UBE时三极管的工作状态为临界饱和状态。饱和时的UCE称为饱和管压降，记作UCES，一般小功率硅三极管的UCES0.4V。例2.5 图2.33中三极管各电极电位已标出，试判断三极管分别处于何种工作状态（饱和、放大、截止或已损坏），若处于放大或饱和状态，请判断是硅管还是锗管。第42页/共73页 解：判断三极管的工作状态主要是分析其两个PN结的偏

44、置状态；而判断管子的材料主要是看其导通时发射结的压降，若UBE=0.7V左右则为硅管，UBE=0.2V左右为锗管。（a）NPN型管，UBE=0.1-(-0.2)=0.3V，发射结正偏；UBC=0.1-6=-5.9V，集电结反偏，故该管工作在放大状态，且为锗管。（b）PNP型管，UBE=0.31=-0.7V，发射结正偏；UBC=0.3-（-2）=2.3V，集电结反偏，故该管工作在放大状态，且为硅管。（c）NPN型管，UBE=-3-(-2)=-1V，发射结反偏；UBC=-30=-3V，集电结反偏，该管工作在截止状态。（d）PNP型管，UBE=5.36=-0.7V，发射结正偏；UBC=5.3-5.5

45、=-0.2V，集电结正偏，该管工作在饱和状态，硅管。（e）NPN型管，UBE=44=0V，发射结压降为零；UBC=4-4=0V，集电结压降也为零，故该管可能被击穿，已损坏；也可能因电路连线问题而使之截止。例1.6 在图1.34（a）所示电路中，已知三极管发射结正偏时Uon=0.7V，深度饱和时其管压降UCES=0，=60。（1）试分析u I=0V和5V时，三极管处于何种工作状态，并求u O；（2）分析u I=1V时，三极管处于何种工作状态，并求电路中电流i C和输出电压u O。第43页/共73页 解：（1）当u I=0V时，发射结上压降也将为零，即uBE=0VUon，因而三极管处于截止状态，此

46、时，i B=i C=0，因而u O=VCC=10V。当u I=5V时，发射结将正偏，即u BE=0.7V，从输入回路可计算出第44页/共73页则i C=i B=12.9mA而i C最大只能为因而i Cmaxi B=12.9mA所以三极管处于饱和状态。此时，输出电压uO=UCES=0V。由以上分析可知，三极管就如同一只受u I控制的开关，如图2.34（b）所示，当u I=0时开关断开，uO=VCC=10V；当uI=5V时开关闭合，uO=UCES=0。（2）当u I=1V时，发射结正偏，uBE=0.7V，则由于iB=0.9mAiCmax=2mA，说明三极管处于放大状态。输出电压 uCE=uOuBE

47、，因而集电结反偏，从另一角度说明三极管处于放大状态。第45页/共73页2.3.4 三极管的主要参数 1.电流放大系数三极管的电流放大系数是表征管子放大作用大小的参数。综合前面的讨论，有以下几个参数：（1）共射交流电流放大系数它反映三极管在加动态信号时的电流放大特性，|UCE=常数。（2）共射直流电流放大系数该参数反映三极管在直流工作状态下集电极电流与基极电流之比，.在实际应用中可近似认为=。（3）共基交流电流放大系数体现共基接法时三极管的电流放大作用。共基接法指输入回路和输出回路的公共端为基极。的定义是集电极电流与发射极电流的变化量之比，即.第46页/共73页（4）共基直流电流放大系数该参数反

48、映三极管在直流工作状态下集电极电流与发射极电流之比，即。在实际应用中可近似认为=。和这两个参数不是独立的，而是互相联系，两者之间存在以下关系或 2.反向饱和电流（1）集电极-基极反向饱和电流ICBO：ICBO是指发射极e开路时集电极c和基极b之间的反向电流。一般小功率锗管的ICBO约为几微安几十微安；硅三极管的ICBO要小得多，有的可以达到纳安数量级。（2）集电极-发射极间的穿透电流ICEO：ICEO是指基极b开路时集电极c和发射e间加上一定电压时所产生的集电极电流。ICEO=（1+）ICBO。因为ICBO和ICEO都是少数载流子运动形成的，所以对温度非常敏感。ICBO和ICEO愈小，表明三极

49、管的质量愈高。3.极限参数三极管的极限参数是指使用时不得超过的限度。主要有以下几项：第47页/共73页（1）集电极最大允许电流ICM当集电极电流过大，超过一定值时，三极管的值就要减小，且三极管有损坏的危险，该电流值即为ICM。（2）集电极最大允许功耗PCM三极管的功率损耗大部分消耗在反向偏置的集电结上，并表现为结温升高，PCM是在管子温升允许的条件下集电极所消耗的最大功率。超过此值，管子将被烧毁。（3）反向击穿电压三极管的两个结上所加反向电压超过一定值时都将被击穿，因此，必须了解三极管的反向击穿电压。极间反向击穿电压主要有以下几项：U（BR）CEO：基极开路时，集电极和发射极之间的反向击穿电压

50、。U（BR）CBO：发射极开路时，集电极和基极之间的反向击穿电压。三极管正常工作时，其安全工作范围如图1.35所示。第48页/共73页2.3.5 三极管的判别及手册的查阅方法三极管的判别主要包括确定三极管的类型、性能和参数。可用专门的测量仪器进行测试，但一般粗略判别三极管的类型和管脚时，可直接通过三极管的型号简单判断，也可利用万用表测量方法判断。下面介绍其型号的意义及利用万用表的简单测量方法。1.三极管型号的意义三极管的型号一般由五大部分组成，如3AX31A、3DG12B、3CG14G等。下面以3DG110B为例说明各部分的命名意义。3DG110B（1）（2）（3）（4）（5）（1）第一部分由