第10章 常用半导体器件 本章主要内容 本章主要介绍半导体二极管、半导体三极管和半导体场效晶体管的基本结构、工作原理和主要特征，为后面将要讨论的放大电路、逻辑电路等内容打下基础 。

【引例】 如何实现的？ 手机及内部电路

10.1半导体的导电特性

10.1半导体的导电特性 热敏性：对温度敏感，如热敏电阻 光敏性：对光照敏感，如光电管、光敏电阻、光电池 半导体的特性 光敏二极管 光敏电阻 半导体的特性 光敏性：对光照敏感，如光电管、光敏电阻、光电池 杂敏性：对杂质敏感，如半导体器件

10.1半导体的导电特性 10.1.1 本征半导体 半导体硅和锗的原子结构图 本征半导体：纯净的、晶格完整的半导体 。这样的半导体称为晶体，用这样的材料制成的管子称为晶体管。

10.1半导体的导电特性 自由电子 光照 空穴 本征半导体的共价键结构 价电子

10.1半导体的导电特性 填补 说明：半导体中有两种电流：自由电子电流和空穴电流，这是和导体导电本质区别。且由于自由电子和空穴成对出现，故对外不显电性。

10.1半导体的导电特性 10.1.2 N型半导体和P型半导体 1．N型半导体 自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子，故N型半导体也 称为电子型半导体，磷原子也称为施主杂质 1．N型半导体 在硅或锗的本征半导体中掺入微量的5价磷（P）元素，则形成N型半导体。 自由电子 掺入 +5 +5

10.1半导体的导电特性 2．P型半导体 在硅或锗的本征半导体中掺入微量的3价硼（B）元素，则形成P型半导体。 称为空穴型半导体，硼原子也称为受主杂质 在硅或锗的本征半导体中掺入微量的3价硼（B）元素，则形成P型半导体。 掺入 填补 +3 +3

10.1半导体的导电特性 10.1.3 PN结 1．PN结的形成

10.1半导体的导电特性 2．PN结的特性---单向导电性 总结：PN结外加正向电压时，PN结电阻很小，正向电流很大，PN结正向导通，电流方向从P型区流向N型区；PN结外加反向电压时，PN结电阻很大，反向电流很小，近似为零，PN结反向截止。PN结的这种特性称为单向导电性。

10.2半导体二极管 10.2.1 基本结构 整流二极管 发光二极管 稳压二极管 开关二极管

10.2半导体二极管 半导体的二极管型号说明： 举例

10.2半导体二极管 10.2.2 伏安特性 1.正向特性 （1）死区及死区电压 + - 硅管：0.5V 死区电压 锗管：0.1V 10.2.2 伏安特性 1.正向特性 （1）死区及死区电压 + - 当外加正向电压小于某值时，正向电流很小，几乎为零，此段称为死区，对应电压为死区电压。 硅管：0.5V 死区电压 锗管：0.1V （2）正向导通及导通电压 当外加正向电压大于死区电压时，正向电流增长很快，二极管正向导通，对应电压为导通电压。 硅管：0.6~0.7V 导通电压 二极管的伏安特性 锗管：0.2~0.3V

10.2半导体二极管 2.反向特性 （1）反向截止区 注意：反向电流的特点 一、它随温度的升高增长很快； - 当二极管加反向电压并小于某电压（击穿电压）时，由少数载流子的漂移运动形成很小的反向电流，硅管为nA级，锗管为μA级，故二极管反向截止。 注意：反向电流的特点 一、它随温度的升高增长很快； - + 二、反向电流与反向电压的大小无关，基本不变称它为反向饱和电流。 （2）反向击穿区 二极管的伏安特性 当反向电压增加到击穿电压时，反向电流将突然增大，二极管的单向导电性被破坏，二极管反向导通，造成不可恢复的损坏。

10.2半导体二极管 10.2.3 主要参数 为了正确使用二极管，除了理解其伏安特性之外，还要掌握其相应的参数，以便选择二极管。 10.2.3 主要参数 为了正确使用二极管，除了理解其伏安特性之外，还要掌握其相应的参数，以便选择二极管。 1．最大整流电流IFM IFM二极管长时间正向导通时，允许流过的最大正向平均电流。在使用时不能超过此值，否则将因二极管过热而损坏。 2．反向峰值电压URM URM是指二极管反向截止时允许外加的最高反向工作电压，URM的数值大约等于二极管的反向击穿电压UBR的一半，以确保管子安全工作。 3．反向峰值电流IFM IRM是指在常温下二极管加反向峰值电压URM时，流经管子的电流。它说明了二极管质量的好坏，反向电流大说明它的单向导电性差，而且受温度影响大 。硅管比锗管的反向电流小。

10.2半导体二极管 10.2.4 应用举例 由于半导体二极管具有单向导电性，因而得到了广泛应用。在电路中，常用来作为整流、检波、钳位、隔离、保护、开关等元件使用。 【例10.2-1】二极管电路如图 (a)和(b)所示，试分析二极管的工作状态和它们所起的作用。设二极管为理想二极管。

10.2半导体二极管 【例10.2-1】二极管电路如图 (a)和(b)所示，试分析二极管的工作状态和它们所起的作用。设二极管为理想二极管。 【解】 (1)在图(a)所示电路中，移开二极管，求两端电位，即 二极管阳极电位高于阴极电位，是正偏，二极管处于导通状态，相当短路，使Uo=12V，起钳位作用。

10.2半导体二极管 【例10.2-1】二极管电路如图 (a)和(b)所示，试分析二极管的工作状态和它们所起的作用。设二极管为理想二极管。 【解】 (2)在图(b)所示电路中，移开二极管，求两端电位，即 二极管阳极电位低于阴极电位，是反偏，二极管处于截止状态，相当开路，使Uo=6V，起隔离作用。

10.2半导体二极管 【例10.2-2】在如图所示电路中，试分析二极管VD1和VD2的工作状态，并求输出电压Uo之值。设二极管为理想二极管。 【解】 在如图所示电路中，移开两个二极管，并求它们两端阳极到阴极的电位差，即 由于VD2两端电压高于VD1，故其优先导通。使得Uo= -10V，使VD1反偏。故VD2起钳位作用，VD1起隔离作用，隔离了+10V电源。

10.2半导体二极管 【例10.2-3】在如图所示电路中，已知US = 5V，ui= 10sinωt V，试画出输出电压uo的波形。设二极管为理想二极管。 【解】 起限幅作用 VD导通 VD截止

10.2半导体二极管 【例10.2-4】如图所示是用二极管保护继电器线圈的原理电路，试分析该电路的工作原理。 实用电路 【解】 在如图所示电路中，若无二极管D1，则当三极管由导通到截止，在线圈两端产生很高的电动势，会击穿线圈并在开关两端产生火花。 为了保护线圈和和开关，则在线圈两端并一二极管，提供电流泄放回路。

10.3 特殊二极管 10.3.1 稳压二极管 稳压二极管是一种特殊的面接触型硅二极管，由于它在电路中与适当阻值的电阻配合后能起稳定电压的作用，故称稳压管。 比较陡 外型 符号 应用电路 伏安特性 主要参数 （1）UZ是稳定电压；（2）IZ是稳定电流 ；（3）IZm是最大稳定电流。

10.3 特殊二极管 【例10.3-1】试分析如图所示电路中稳压管VDZ的稳压作用。 10.3 特殊二极管 【例10.3-1】试分析如图所示电路中稳压管VDZ的稳压作用。 【解】 在电路的实际工作中，电源电压U的波动、负载的变化 都会引起输出电压UL的波动。 1．设电源电压波动（负载不变） 2．设负载变化（电源电压不变） 说明：稳压管稳压电路是通过稳压管电流IZ的调节作用和限流电阻R上电压降UR的补偿作用而使输出电压稳定的。

10.3 特殊二极管 【例10.3-2】试设计一个稳压管稳压电路，如图所示。已知：电源电压U = 20V，负载电阻RL = 0.8kΩ，负载所需稳定电压UL = 12V。选择稳压管VDZ和限流电阻R。 【解】 (1)负载电流IL为 (2)选择稳压管VDZ 稳压管的稳定电压UZ = UL = 12V，可选择2CW60型硅稳压管（见附录3），其UZ = 12V, IZ = 5mA, IZm = 19mA。 (3)选限流电阻R IZ = 5mA 取R = 300Ω IZm = 19mA

10.3 特殊二极管 10.3.2 发光二极管 发光二极管（常称为LED）也是由一个PN结组成的，常用的半导体材料是砷化镓和磷化镓。 10.3 特殊二极管 10.3.2 发光二极管 发光二极管（常称为LED）也是由一个PN结组成的，常用的半导体材料是砷化镓和磷化镓。 符号 工作电路 外型 说明：发光二极管的导通电压在2V左右，工作电流为几个毫安，管脚较长的为阳极。通常用做指示灯和各种仪表和设备的数字显示。发光二极管也可用于照明和装饰照明，以及可充电的便携式移动照明 。

10.3 特殊二极管 10.3.3 光电二极管 光电二极管是利用PN结的光敏特性制成的，它将接收到的光的变化转换为电流的变化。 10.3 特殊二极管 10.3.3 光电二极管 光电二极管是利用PN结的光敏特性制成的，它将接收到的光的变化转换为电流的变化。 外型 符号 工作电路 说明：当无光照时，其反向电流很小，称为暗电流。当有光照时，产生较大的反向电流，称为光电流。光照愈强，光电流也愈大。

10.3 特殊二极管 10.3.4 光耦合器 光耦合器是由发光器件和光敏器件组成的。 10.3 特殊二极管 10.3.4 光耦合器 光耦合器是由发光器件和光敏器件组成的。 原理电路 外型即内部电路 说明：光耦合器是用光传输电信号的电隔离器件（两管之间无电的联系）。

10.4 半导体三极管 10.4.1 基本结构 各种半导体三极管的外型图 按结构分类： PNP NPN

10.4 半导体三极管 10.4.2 载流子分配及电流放大原理 放大条件 ①发射区掺杂浓度最高 内部条件 ②基区很薄 ③集电结面积大 10.4.2 载流子分配及电流放大原理 ①发射区掺杂浓度最高 内部条件 ②基区很薄 ③集电结面积大 放大条件 输入 输出 ①发射结结正偏 外部条件 共射极放大电路 ②集电结反偏

10.4 半导体三极管 ③ 实验数据分析： ① IE = IC + IB ② 各极电流（mA） 测量结果 IB -0.001 0.02 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 IC 0.001 0.01 0.70 1.50 2.30 3.10 3.95 IE 0.72 1.54 2.36 3.18 4.05 ③ 实验数据分析： ① IE = IC + IB ②

10.4 半导体三极管 半导体三极管内部载流子的运动：

10.4 半导体三极管 半导体三极管内部载流子的运动 载流子运动过程： 三个结论： ①发射结正偏：发射区发射电子到基区 ②少量电子在基区与空穴复合，大部分运动到集电结； ③集电结反偏：集电区收集电子。 三个结论： (1)发射极电流IE、基极电流IB、集电极电流IC的关系是IE = IB + IC； (2)集电极电流IC、基极电流IB的关系是IC =βIB ； (3)晶体管的电流放大作用，实质上为晶体管的控制作用，即较小电流IB控制大电流IC。

10.4 半导体三极管 10.4.3 特性曲线 1．输入特性曲线 输入特性曲线是指当集-射极电压UCE为常数时，输入回路（基极回路）中基极电流IB与基-射极电压UBE之间的关系曲线，即 测试电路 特点： ① UCE≥1曲线重合； ② 当UBE小于死区电压时，IB=0，三极管截止；当UBE大于死区电压时，三极管导通，IB随UBE快速增大。发射结导通电压为 硅管： 输入特性曲线 锗管：

10.4 半导体三极管 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，输出电路（集电极回路）中集电极电流IC与集-射极电压UCE之间的关系曲线，即 测试电路 特点： ① 当IB一定时，在UCE = 0～1V区间，随着UCE的增大，IC线性增加。当UCE超过1V后，当UCE增高时，IC几乎不变，即具有恒流特性； ② 当IB增大时，IC线性增大，远大于IB，且IC受IB控制，这就是晶体管的电流放大作用的表现。 输出特性曲线

10.4 半导体三极管 ③ 通常把晶体管的输出特性曲线分为三个工作区： 放大区：IC与IB基本上成正比关系，即 IC= IB，发射结为正偏，集电结为反偏； 截止区：IB=0，即 IC=ICEO≈0，发射结为反偏，集电结为反偏；晶体管的C、E极之间相当于一个断开的开关； 输出特性曲线 输出特性曲线的三个工作区 饱和区：IB增加，IC小于 IB， IC ≠ IB， 晶体管失去电流放大作用。饱和时，电压∣UCE∣=0.2～0.3V（锗管为0.1～0.2V），数值很小，近似为零，晶体管的C、E极之间相当于一个闭合的开关 。

10.4 半导体三极管 10.4.4 主要参数 1．共射极电流放大系数β和β 说明： (2)晶体管的b 值在20～200之间。 10.4.4 主要参数 1．共射极电流放大系数β和β 共发射极静态（又称直流）电流放大系数 共发射极动态（又称交流）电流放大系数 说明： (2)晶体管的b 值在20～200之间。

10.4 半导体三极管 2．集-基极反向饱和电流ICBO ICBO是当发射极开路（IE = 0）时的集电流IC，是由少数载流子漂移运动（主要是集电区的少数载流子向基区运动）产生的，它受温度影响很大。 注意：在室温下，小功率锗管的ICBO约为几微安到几十微安，小功率硅管在1μA以下。 3．集-射极穿透电流ICEO ICEO是基极开路（IB = 0）时的集电极电流IC ，且 注意：温度升高时，ICBO增大，ICEO随着增加，集电极电流IC亦增加， 且β值亦不能太大，一般 为50~100。

10.4 半导体三极管 ICM 4．集电极最大允许电流ICM 集电极电流IC超过一定值时， 值要下降。ICM为晶体管 值下降到正常值2/3时的集电极电流。 5．集-射极击穿电压BUCEO BUCEO为基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压，当超过此值时，晶体管集电结会被击穿而损坏。 6．集电极最大允许耗散功率PCM ICM PCM为当晶体管因受热而引起的参数变化不超过允许值时，集电极所消耗的最大功率。PCM主要受晶体管的温升限制，一般来说锗管允许结温为70℃～90℃，硅管约为150℃。 由PCM 、ICM 和BUCEO 围成的区域称为三极管的安全工作区 BUCEO

10.4 半导体三极管 【例10.4-1】放大电路中的晶体管VT1和VT2如图所示，用直流电压表测得各点对地电位值是：V1 = 8V, V2 = 1.2V, V3 = 1.9V；V4 = -3.3V, V5 = -9V, V6 = -3.1V。(1)确定VT1的类型和各电极；(2)确定VT2的类型和各电极。 【解】 (1)VT1管： V3 - V2 =1.9 -1.2 = 0.7V 由于V1最高，故1为集电极，且为NPN型。 2是发射极 ，3是基极。 (2)VT2管： V4 - V6 = -3.3-(-3.1) = -0.2V 由于V5最低，故5为集电极，且为PNP型。 6是发射极 ，4是基极。

10.5 场效应晶体管 场效晶体管是又一种性能特殊的半导体三极管，外形也与普通晶体管相似。但其工作原理却截然不同。 ★区别： （1）晶体管发射结在放大时是正向偏置，故其输入阻抗小（103Ω的数量级）；场效应管输入回路PN结工作于反偏，或输入端完全处于绝缘状态，故其输入阻抗可高达107Ω～1012Ω 。 （2）晶体管有两种导电粒子参与导电：自由电子和空穴，故称为双极型。由于少数载流子参与导电，故工作点受温度影响大，不稳定；场效应管只有一种导电粒子-多子参与导电，故称为单极型，其噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强； （3）晶体管属于电流控制电流器件，场效应管属于电压控制电流器件。

10.5 场效应晶体管 ★分类： N沟道 结型场效应管(Junction Field Effect Transistor, JFET) P沟道 场效应管 N沟道 增强型 绝缘栅型场效应管（MOSFET） P沟道 N沟道 耗尽型 P沟道

10.5 场效应晶体管 10.5.1 N沟道增强型场效应管 1．基本结构 源极 栅极 漏极 N沟道增强型MOS管的结构和符号 外形图

10.5 场效应晶体管 2．工作原理 (1) uGS=0时，没有N型导电沟道，ID=0； 工作电路 (1) uGS=0时，没有N型导电沟道，ID=0； (2) 当uGS≥0时，SiO2绝缘层会产生垂直于衬底表面的强电场，吸引衬底P型半导体中的电子到达表层，形成一个电子薄层（N型层，因与P型衬底极性相反，也称为反型层）。 uGS较小时，导电沟道没形成， ID=0；

10.5 场效应晶体管 (3) 当uGS≥ UGS（th） （开启电压）时，导电沟道形成， ID随着UDD的增加而增大。此类MOS管称为N沟道增强型MOS管，简称NMOS管。 3．特性曲线 （1）转移特性 （2）输出特性 开启电压

10.5 场效应晶体管 10.5.1 N沟道耗尽型场效应管 耗尽型MOS管在制造时，就在二氧化硅绝缘层中掺入了大量正离子，形成强电场，使得在UGS = 0也能吸引足够的电子到硅表面，形成导电沟道。 夹断电压

10.5 场效应晶体管 ★两种MOS管的工作方式及符号 注意：表示场效晶体管放大能力的参数是跨导，用gm表示，即 单位是毫西门子（mS） 耗 尽 型 增 强 P M O S N 场 效 应 管 符号 工作方式 结 构 注意：表示场效晶体管放大能力的参数是跨导，用gm表示，即 单位是毫西门子（mS）

作 业 10-1 10-3 10-4 10-6 10-7 10-10