第10章半導體的基本知識

《電工電子技術》第10章電子電路中的常用器件目錄半導體的基本知識PN結二極管穩(wěn)壓二極管發(fā)光二極管晶體管10.1半導體的基本知識半導體：指導電能力介于導體與絕緣體之間的物質。常用的半導體材料有硅（Si）和鍺（Ge），硒和許多金屬氧化物、硫化物都是半導體。圖10.1.1

鍺、硅原子結構物體的導電性：（1）導體（2）絕緣體（3）半導體（1）熱敏性大部分半導體的導電能力隨溫度的升高而增強，有些對溫度反應敏感?！鸁崦粼雽w材料的三個特點：（2）光敏性半導體的導電能力隨光照強度的變化而變化。例如硫化鎘薄膜，無光照時，電阻是幾十兆歐姆，是絕緣體；受光照時，電阻只有幾十千歐姆?！饷粼?）摻雜性如果在純凈半導體中摻入微量其它元素（稱為摻雜），半導體的導電能力隨著摻雜能力的變化而發(fā)生顯著變化?！景雽w器件本征半導體:完全純凈的具有晶體結構的半導體。圖10.1.1鍺、硅原子結構

典型的半導體材料有硅（Si）和鍺（Ge），它們都是四價元素，每個原子的外層有四個價電子，原子結構如圖10.1.1所示。四價元素10.1.1半導體的導電特征本征半導體SiSiSiSi共價鍵共價鍵：在晶體結構的半導體中，相鄰兩個原子的一對最外層電子成為共用電子，形成共價鍵結構。價電子電子、空穴：在常溫下由于分子的熱運動，少量價電子掙脫原子核的束縛成為自由電子，同時在原位留下的空位稱空穴。結論：在本征半導體中電子空穴成對產(chǎn)生，當溫度和光照增加時，其數(shù)目增加。自由電子空穴本征硅示意圖本征半導體SiSiSiSi在外電場作用下，自由電子定向運動，價電子填補空穴。自由電子定向運動價電子填補空穴在半導體中，同時存在著自由電子導電和空穴導電。這就是半導體導電方式的最大特點。自由電子和空穴都被稱為載流子。本征硅示意圖本征半導體:完全純凈的具有晶體結構的半導體。圖10.1.1鍺、硅原子結構

典型的半導體材料有硅（Si）和鍺（Ge），它們都是四價元素，每個原子的外層有四個價電子，原子結構如圖10.1.1所示。四價元素10.1.2N型半導體和P型半導體電子型（N型）半導體空穴型（P型）半導體雜質半導體有兩大類SiSiSiSi本征硅示意圖SiP

N型半導體：在本征硅或鍺中摻入五價元素，如磷、砷、銻，則自由電子數(shù)目大大增加，形成多數(shù)載流子?？昭樯贁?shù)載流子。在外電場作用下，自由電子導電占主導地位，故稱電子型半導體。簡稱N型半導體空穴自由電子自由電子數(shù)增加SiSiSiSi本征硅示意圖

P型半導體：在本征硅或鍺中摻入三價元素，如硼、鋁、銦，則空穴數(shù)目大大增加，形成多數(shù)載流子。自由電子為少數(shù)載流子。在外電場作用下，空穴導電占主導地位，故稱空穴型半導體。簡稱P型半導體空穴自由電子SiB空穴數(shù)增加

不論N型半導體還是P型半導體，雖然它們都有一種載流子占多數(shù)，但是整個晶體仍然是不帶電的。10.1.2N型半導體和P型半導體10.2PN結10.2.1PN結的形成用專門的制造工藝在同一塊半導體單晶上，形成P型半導體和N型半導體，在兩種半導體的交界面附近，由于多數(shù)載流子濃度的差別，引起多數(shù)載流子的擴散運動。圖10.2.1

PN結的形成P區(qū)空穴向N區(qū)擴散N區(qū)電子向P區(qū)擴散PN結形成擴散運動在交界面附近形成一個很薄的空間電荷區(qū)，這就是PN結。圖10.2.2PN結的形成P區(qū)空穴向N區(qū)擴散N區(qū)電子向P區(qū)擴散阻擋層阻擋多子擴散耗盡區(qū)PN結PN結的形成擴散運動和漂移運動的動態(tài)平衡擴散強漂移運動增強內電場增強兩者平衡PN結寬度基本穩(wěn)定外加電壓平衡破壞擴散強漂移強PN結導通PN結截止10.2.2PN結的單向導電性在PN結兩端加上不同極性的外電壓，PN結呈不同的導電性。圖10.2.3

PN

結加正向電壓P區(qū)接電源正極，N區(qū)接電源負極，如圖10.2.3。外電場削弱內電場，空間電荷區(qū)變窄，利于多子擴散運動。PN結的正向電流由多數(shù)載流子形成，比較大，PN結呈現(xiàn)較小的正向電阻，稱PN結正向導通。PN結加正向電壓：10.2.2PN結的單向導電性在PN結兩端加上不同極性的外電壓，PN結呈不同的導電性。圖2.1.4PN

結加反向電壓P區(qū)接電源負極，N區(qū)接電源正極，如圖10.2.4。外電場加強內電場，空間電荷區(qū)變寬，阻止多子擴散運動，只有少數(shù)載流子越過空間電荷區(qū)形成反向電流。PN結的反向電流由少數(shù)載流子形成，反向電流非常小，PN結呈現(xiàn)極高的反向電阻，稱PN結反向截止。PN結加反向電壓：結論

PN結具有單向導電性

（1）PN結加正向電壓時，處在導通狀態(tài)，結電阻很低，正向電流較大。（2）PN結加反向電壓時，處在截止狀態(tài)，結電阻很高，反向電流很小。10.3二極管10.3.1二極管的結構常用二極管圖片普通小功率二極管大功率二極管各種發(fā)光二極管半導體二極管結構由一個PN結加電極引線與外殼制成。D圖10.3.1

二極管符號PN陽極或正極陰極或負極陽極或正極陰極或負極D

根據(jù)PN結接觸面的大小，二極管可分點接觸型與面接觸型。PN結接觸面小點接觸型：PN結接觸面小，不能通過大電流但其結電容小，常用于高頻檢波及小電流整流，使用時不能承受較高的反向電壓和大電流。面接觸型：PN結接觸面積大，通過的正向電流比點接觸型大，常用作整流管，但結電容大，適用于低頻電路。PN結接觸面大PN結陰極引線鋁合金小球金銻合金底座N型硅陽極引線面接觸型引線外殼觸絲N型鍺片點接觸型表示符號

半導體二極管的型號國家標準對半導體器件型號的命名舉例10.3.2二極管的伏安特性伏安特性：

二極管的端電壓與電流之間的關系。伏安特性曲線：

描述二極管的端電壓與電流之間的關系曲線。圖10.3.1為典型硅管的伏安特性曲線。注意：正、反向電壓和電流的單位是不同的。圖10.3.1

二極管的伏安特性曲線正向伏安特性測試電路mAVDERU+–WI正向特性說明：O~A正向死區(qū)A~B正向導通區(qū)硅0.5V鍺0.2V硅0.6V-0.7V鍺0.2V-0.3V二極管正向伏安特性曲線反向伏安特性測試電路反向特性說明：O~C反向截止區(qū)C~D反向擊穿區(qū)硅＜幾微安鍺＞幾十微安二極管正向伏安特性曲線mAVDERU+–WI反向飽和電流伏安特性理想化：死區(qū)電壓、導通壓降、反向電流等于零。擊穿電壓1、最大整流電流IOM：二極管長期使用時，允許流過的最大正向平均電流。2、最大反向電壓URM：

確保二極管安全使用所允許施加的最大反向電壓。3、最大反向電流（飽和電流）IRM：當二極管加反向工作電壓時的反向電流，此值越小，則二極管的單向導電性越好。10.3.3二極管的主要參數(shù)二極管應用舉例二極管的應用范圍很廣，主要是利用它的單向導電性。圖2.1.6

例1.2.1題圖【例1.2.1

】

如圖2.1.6所示電路中，已知電路中的二極管為硅管，電源電壓及電阻值如圖所示，問二極管D是否能導通，Uab為多少？流過電阻的電流各為多少？先假設二極管不導通判斷加在二極管兩端的正向電壓是否導通電壓？二極管導通，二極管兩端電壓等于導通電壓；二極管截止，這條電路中無電流。是【例1.2.1

】分析方法：【解

】否圖2.1.6

例1.2.1題圖二極管應用舉例（a）圖中，假設D不導通，以b為參考點，二極管的正極電位為－12V，負極電位為－6V，正向電壓為【例1.2.1

】分析方法：【解

】所以二極管截止，Uab＝－6V，流過電阻的電流為零。－12－（－6）=－6V＜0.6V圖2.1.6

例1.2.1題圖二極管的正向電壓為6V＞0.6V，所以二極管導通，導通電壓為0.6V，Uab＝－12＋0.6V＝－11.4V，流過電阻的電流【例1.2.1

】分析方法：【解

】（b）圖中，假設D不導通，以b為參考點，則二極管的正極電位為－6V，負極電位為－12V，正向電壓為－6－（－12）=

6V＞0.6V

I=(－12＋0.6＋6)／3000=－0.0018A負號表示電流方向從b流向a。圖2.1.6

例1.2.1題圖【例1.2.2

】

如圖2.1.7所示，已知E＝5V，輸入信號為正弦波ui＝10sinωtV，二極管的正向導通電壓為0.6V，畫出輸出電壓信號的波形圖。這個電路仍是分析二極管的導通與否，圖中二極管的正極接信號電壓ui，二極管的負極接電源E的正極，兩個量進行比較，確定二極管的導通與否。分析方法：【解

】圖2.1.7

例1.2.2題圖當ui

＜E＋0.6V（導通電壓）時，二極管截止，此時二極管無電流通過，uo＝ui【例1.2.2

】分析方法：【解

】當ui

＞E＋0.6V（導通電壓）時，二極管導通，uo＝E＋0.6V＝5.6V。圖2.1.8

輸出電壓波形圖虛線為輸入電壓波形。ui＜

E＋0.6Vui

＞E＋0.6V【例1.2.3

】

在圖2.1.9所示電路中，已知輸入端A的電位VA＝＋3.6V，輸入端B的電位VB＝＋0.3V，電阻R＝10k

，電源E＝－9V，二極管的導通電壓為0.2V，求輸出端F的電位和流過R的電流I。圖2.1.9

例1.2.3題圖分析方法：【解

】先假設兩個二極管均不導通，根據(jù)已知條件，UDA＝3.6－(－9)=12.6V，故DA導通，VF＝3.6－0.2=3.4V。再看DB，

UDB＝0.3－3.4=－3.1V，故DB截止。先討論DB這個結論也成立。流過R中的電流為

結論：當數(shù)個二極管的負極（正極）并聯(lián)在一點，而加在這些二極管的正極（負極）電位各不相同，且都高于負極（低于正極）電位時，正極最高（負極最低）的二極管導通?！纠?.2.3】分析方法：【解

】穩(wěn)壓管是一種特殊的面接觸型半導體硅二極管。專為在電路中穩(wěn)定電壓設計，故稱為穩(wěn)壓管。10.4穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓管的圖形符號:DZ圖10.4.1

穩(wěn)壓管符號10.4.1穩(wěn)壓二極管的伏安特性特點：穩(wěn)壓管工作于反向擊穿區(qū)。穩(wěn)壓管擊穿時，電流雖然在很大范圍內變化，但穩(wěn)壓管兩端的電壓變化很小。利用這一特性，穩(wěn)壓管在電路中能起穩(wěn)壓作用。穩(wěn)壓二極管又稱齊納二極管，簡稱穩(wěn)壓管。10.4.1穩(wěn)壓二極管的伏安特性正向+-反向+-IZUZ反向擊穿是可逆的。

U/VI/mA0IZIZMUZ

特點：1、正向特性曲線同二極管；2、反向擊穿電壓較低，反向特性曲線比較陡；UZ為穩(wěn)壓值。3、正常的工作區(qū)域為反向擊穿區(qū)，且可逆。1、穩(wěn)定電壓UZ：穩(wěn)壓管在正常工作時，管子兩端的電壓。一般由電子器件手冊給出。DZ2、穩(wěn)定電流IZ：

正常工作時的電流。10.4.2穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)3、最大穩(wěn)定電流IZM：

穩(wěn)壓管在正常工作時，允許通過的最大反向電流，一般不應超出此值。4、動態(tài)電阻rZ：穩(wěn)壓管動態(tài)電阻越小，反向伏安特性曲線越陡，穩(wěn)壓性能越好。5、最大允許耗散功率PZM：不發(fā)生熱擊穿而損壞的最大功率損耗，等于最大穩(wěn)定電流與相應穩(wěn)定電壓的乘積。DZ10.4.2穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的工作原理

電路通過自動調節(jié)穩(wěn)壓管電流的大小，以調整電阻R上的壓降，使UO基本穩(wěn)定。根據(jù)電路圖可知穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的工作原理(1)當輸入電壓變化時UI↑→UO↑→VZ↑→IZ↑→IR↑→UR↑→UO↓在穩(wěn)壓二極管的調節(jié)下，使UO的增加沒有那么大而已。UO還是要增加一點的，這是一個有差調節(jié)系統(tǒng)。

輸入電壓UI增加穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的工作原理(1)當負載電流變化負載電流IO的增加

IO↑→IR↑→VR↑→VZ↓（UO↓）→IZ↓→IR↓→UR↓→UO↑注意：穩(wěn)壓二極管在使用時一定要串入限流電阻，不能使它的功耗超過規(guī)定值，否則會造成損壞！穩(wěn)壓電阻的計算穩(wěn)壓二極管的動態(tài)電阻越小，穩(wěn)壓電阻R越大，穩(wěn)壓性能越好。穩(wěn)壓電阻

R

的作用將穩(wěn)壓二極管電流的變化轉換為電壓的變化，從而起到調節(jié)作用，同時R也是限流電阻。顯然R的數(shù)值越大，較小IZ的變化就可引起足夠大的VR變化，就可達到足夠的穩(wěn)壓效果。但R的數(shù)值越大，就需要較大的輸入電壓VI值，損耗就要加大。

穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓性能與穩(wěn)壓二極管擊穿特性的動態(tài)電阻有關，與穩(wěn)壓電阻R的阻值大小有關。穩(wěn)壓電阻的計算如下（1）當輸入電壓最小，負載電流最大時，計算出穩(wěn)壓電阻的最大值，實際選用的穩(wěn)壓電阻應小于最大值。即（2）當輸入電壓最大，負載電流最小時，流過穩(wěn)壓二極管的電流最大。此時IZ不應超過IZmax，由此可計算出穩(wěn)壓電阻的最小值。即例1:圖示穩(wěn)壓電路中，已知穩(wěn)壓管參數(shù)為UZ=12V，I

Z=5mA，I

ZM=50mA，試分析：（1）若UI=3V，RL=R，求UO；（2）若UI=20V，其允許變化量為±2V，I

O的變化范圍為0～15mA，試選擇限流電阻R的阻值與功率。解：（1）當UI=3V

時，穩(wěn)壓管反偏截止例1:圖示穩(wěn)壓電路中，已知穩(wěn)壓管參數(shù)為UZ=12V，I

Z=5mA，I

ZM=50mA，試分析：（1）若UI=3V，RL=R，求UO；（2）若UI=20V，其允許變化量為±2V，I

O的變化范圍為0～15mA，試選擇限流電阻R的阻值與功率。解：(2)當UI=20V時，只要R值合適，電路可穩(wěn)壓工作。例1:圖示穩(wěn)壓電路中，已知穩(wěn)壓管參數(shù)為UZ=12V，I

Z=5mA，I

ZM=50mA，試分析：（1）若UI=3V，RL=R，求UO；（2）若UI=20V，其允許變化量為±2V，I

O的變化范圍為0～15mA，試選擇限流電阻R的阻值與功率。解：(2)當UI=20V時故

200Ω≤R≤300Ω若取R=270Ω，則：發(fā)光二極管LightEmitingDiode（LED）：是一種將光能轉換成電能的器件，采用不同的材料，可分別得到紅、黃、綠、橙色光和紅外光。常用元素周期表中III、V族元素的化合物如砷化鎵、磷化鎵等制成。制作材料決定光的顏色（光譜的波長)。10.5發(fā)光二極管發(fā)光二極管的圖形符號:U

可以是直流、交流或脈沖信號。對交流信號為有效值，對脈沖信號則為高電平值。LED的驅動電路如：光電二極管的伏安特性：伏安特性：光電二極管的反向電流與光照度成正比。特點：1、工作電壓1.5~3v，工作電流為幾毫安到十幾毫安；2、耗電少；3、可以通過調節(jié)電流或電壓來調節(jié)發(fā)光亮度；4、容易與集成電路配合使用5、體積小、重量輕、抗沖擊、壽命長特性：無光照時與普通二極管一樣具有單向導電性。使用時，光電二極管的PN結應工作在反向偏置狀態(tài)，在光信號的照射下，反向電流隨光照強度的增加而上升(這時的反向電流叫光電流)。光電流也與入射光的波長有關。用途：用于測量光照強度、做光電池。

光電二極管光電耦合器光電耦合器（簡稱光耦）是由發(fā)光二極管等構成的光電器件。常用光電耦合器的輸入級由發(fā)光二極管構成，輸出級由光電三極管構成，輸入、輸出之間相互絕緣隔離，通過光線實現(xiàn)信號的線性傳輸，所以有時候也俗稱光隔。1234光電耦合器光電耦合器的引腳1、2組成輸入端口，引腳3、4組成輸出端口。當電信號送入光電耦合器的輸入端時，發(fā)光二極管導通，產(chǎn)生電流而發(fā)光，光電器件受到光照后，在外加工作電壓作用下產(chǎn)生電流，引腳3、4導通；當輸入端無信號，發(fā)光二極管不發(fā)光，光電三極管截止，引腳3、4之間截止。1234光電耦合器結構圖半導體三極管（亦稱晶體管）是通過一定工藝，將兩個PN結結合在一起的器件。由于兩個PN結的相互影響，使半導體三極管具有電流放大作用，從而使PN結的應用發(fā)生了質的飛躍。10.6晶體管10.6.1晶體管的基本結構PPNEBC按材料分：硅管、鍺管按結構分：NPN、PNP按使用頻率分：

低頻管、高頻管按功率分：小功率管<500mW中功率管0.51W大功率管>1WECBPNP型N型硅BECN型硅P型硅（a）平面型二氧化硅保護膜N型鍺ECBPP（b）合金型銦球銦球NPN型管：NPN型三極管由兩個PN結的三層半導體組成。特點：中間的P型半導體特別薄，兩邊各為一層N型半導體。E區(qū)摻雜濃度高，B區(qū)摻雜濃度低且薄，C區(qū)面積大。10.6.1晶體管的基本結構NNP發(fā)射極E基極B集電極C發(fā)射結集電結—基區(qū)—發(fā)射區(qū)—集電區(qū)emitterbasecollectorNPN型ECB各區(qū)主要作用及結構特點：發(fā)射區(qū)：作用：發(fā)射載流子

特點：摻雜濃度高基區(qū)：作用：傳輸載流子特點：薄、摻雜濃度低集電區(qū)：作用：接收載流子

特點：面積大10.6.1晶體管的基本結構NPN型三極管和PNP型三極管的電路符號。箭頭表示發(fā)射結正向導通時電流的方向。共同點：電極名稱、符號相同；內部結構相同。不共同點：P—集電極N—基極型P—發(fā)射極箭頭方向10.6.2

晶體管的電流放大作用一、晶體管放大的條件1.內部條件發(fā)射區(qū)摻雜濃度高基區(qū)薄且摻雜濃度低集電結面積大2.外部條件發(fā)射結正偏集電結反偏二、晶體管的電流分配和放大作用電路條件:

EC>EB

發(fā)射結正偏

集電結反偏(發(fā)射結加正向電壓；集電結加反向電壓。)mAmAICECIBIERBEBCEB3DG6A測量結果結論：（4）基極電流少量的變化可以引起集電極電流較大的變化。電流放大系數(shù)基本不變（1）基極電流與集電極電流之和等于發(fā)射極電流。（2）基極電流與集電極電流小很多，發(fā)射極電流約等于集電極電流。（3）半導體三極管有電流放大作用，表2.1.2三列、四列ICIB的比值為：結論：共發(fā)射極電路使三極管具有放大作用。mAmAICECIBIERBEBCEB3DG6A用載流子在晶體管內部的運動規(guī)律來解釋工作原理。

外部條件：發(fā)射結加正向電壓；集電結加反向電壓。UBE>0,UBC<0,UBC=UBE-UCE,UBE<UCERBEC++__EBEBCNNP發(fā)射結正偏擴散強E區(qū)多子（自由電子）到B區(qū)B區(qū)多子（空穴）到E區(qū)穿過發(fā)射結的電流主要是電子流形成發(fā)射極電流IEIE是由擴散運動形成的1發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴散電子，形成發(fā)射極電流IE。2電子在基區(qū)中的擴散與復合，形成基極電流IBE區(qū)電子到基區(qū)B后，有兩種運動擴散IEC復合IEB同時基區(qū)中的電子被EB拉走形成IBIEB=IB時達到動態(tài)平衡形成穩(wěn)定的基極電流IBIB是由復合運動形成的RBEC++__EBEBC3集電極收集電子，形成集電極電流IC集電結反偏阻礙C區(qū)中的多子（自由電子）擴散，同時收集E區(qū)擴散過來的電子有助于少子的漂移運動，有反向飽和電流ICBO形成集電極電流ICRBEC++__EBEBCRBEC++__EBEBCICIBIEICBOIBEIEC總結：1.晶體管在發(fā)射結正向偏置、集電結反向偏置的條件下具有電流放大作用。

2.晶體管的電流放大作用，實質上是基極電流對集電極電流的控制作用。10.6.3

特性曲線1、輸入特性曲線指集電極-發(fā)射極之間的電壓UCE為常數(shù)時，輸入回路中基極電流IB與基極-發(fā)射極的電壓UBE之間的關系曲線。特性曲線可以用晶體管圖示儀直觀顯示，也可以通過實驗電路測繪。1、輸入特性曲線指集電極-發(fā)射極之間的電壓UCE為常數(shù)時，輸入回路中基極電流IB與基極-發(fā)射極的電壓UBE之間的關系曲線。圖10.6.1

3DG6的輸入特性曲線

特點：①與二極管伏安特性類似；②死區(qū)電壓：硅管約0.5V,鍺管約0.2V;③導通壓降UBE:硅管約0.6V,鍺管約0.2V;④當UCE＞1后，輸入特性基本與UCE無關。2、輸出特性曲線指當基極電流IB為常數(shù)時，輸出回路中集電極電流IC與集電極-發(fā)射極電壓UCE之間的關系曲線。在不同的IB下，可得到一組曲線。圖10.6.1

輸出特性曲線

三個工作區(qū)：（1）放大區(qū)（線性區(qū)）：輸出特性曲線近于水平的部分；發(fā)射結正向偏置，集電結反向偏置時（硅管UBE＞0.6V，鍺管UBE＞0.2V,且UCE＞1V時）IC與IB成簡單的線性關系；圖10.6.2

輸出特性曲線

三個工作區(qū)：（2）截止區(qū)：IB=0曲線以下的區(qū)域為截止區(qū)當發(fā)射結反向偏置，集電結也反向偏置時

IB=0時，IC=ICEO（ICEO為穿透電流）。對NPN型硅管而言，當UBE〈0.5V時，即已開始截止，為了截止可靠，常使UBE小于等于零。圖10.6.2

輸出特性曲線

三個工作區(qū)：（3）飽和區(qū)：當UCE＜UBE時，集電結正向偏，發(fā)射結也正向偏置時；IB的變化對IC的影響較小，三極管無電流放大作用?！纠?.

】

已知圖1中各三極管均為硅管，測得各管腳的電壓值分別為圖1中所示值，則問各三極管工作在什么區(qū)？圖1

例1.題圖（b）圖中，滿足三極管在放大區(qū)的工作條件，它工作在放大區(qū)。分析方法：【解

】這類問題主要根據(jù)Ube和Uc