第五章 常用半导体器件 第一节 PN结及其单向导电性 第二节 半导体二极管 第三节 特殊二极管 第四节 晶体管 第五节 场效应晶体管 第五章 常用半导体器件 第一节 PN结及其单向导电性 第二节 半导体二极管 第三节 特殊二极管 第四节 晶体管 第五节 场效应晶体管 第六节 半导体器件在汽车中的应用

5.1 PN结及其单向导电性 Si 5.1.1 本征半导体 1. 半导体 硅原子 5.1.1 本征半导体 1. 半导体 半导体是四价元素，目前用得最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。 Si 硅原子 +4 返回

2. 本征半导体 (1) 纯净的、具有晶体结构的半导体称为本征 半导体。 (2) 特点： (空穴、电子)，且导电 能力微弱。 ＊有两种载流子参与导电 (空穴、电子)，且导电 能力微弱。 +4 ＊具有热敏、光敏特性 T↑ 导电能力↑ 光照↑导电能力 ↑ ＊ 掺入少量杂质导电能力会大大增强。

5.1.2 杂质半导体 N型硅表示 + 1. N型半导体 硅或锗 +少量磷 N型半导体 硅原子 多余电子 磷原子 5.1.2 杂质半导体 1. N型半导体 硅或锗 +少量磷 N型半导体 +4 +5 硅原子 多余电子 + N型硅表示 磷原子 N型半导体中电子为多数载流子，空穴为少数载流子。

2. P型半导体 硅或锗 +少量硼 P型半导体 +4 +3 硅原子 多余空穴 P型硅表示 硼原子 P型半导体中空穴为多子，电子为少子。

5.1.3 PN结的形成 电荷区空间 － P N 内电场 扩散运动 空间电荷区 内电场 削弱内电场 漂移运动 动态平衡 扩散运动 漂移运动

5.1.4. PN结的单向导电性 － 加正向电压（正偏） P（+） N（－） 外电场方向与内电场方向相反 空间电荷区(耗尽层)变薄 扩散＞漂移 导通电流很大 ,呈低阻态。 少子形成的电流，可忽略。

加反向电压（反偏）P（－） N（+） － 外电场与内电场相同 耗尽层加厚 漂移＞扩散 少子形成反向电流IR，很小，呈高阻态。 耗尽层加厚 漂移＞扩散 少子形成反向电流IR，很小，呈高阻态。 PN结正偏，导通；PN结反偏，截止

5.2 半导体二极管 P端－阳极(正极) N端－阴极(负极) 5.2.1 半导体二极管的结构 将PN结进行封装并接出引脚，就形成了二极管。 5.2.1 半导体二极管的结构 将PN结进行封装并接出引脚，就形成了二极管。 P端－阳极(正极) N端－阴极(负极) + (阳极) (阴极) VD 正极 负极 返回

5.2.2 半导体二极管的伏安特性 I - + E U - + E V mA V µA 反向击穿电压U(BR) 5.2.2 半导体二极管的伏安特性 E + - mA V U I 反向击穿电压U(BR) 导通压降: 硅管0.6~0.7V,锗管0.2~0.3V。 反向漏电流 (很小，A级) 死区电压 硅管0.5V,锗管0.1V。 E + - µA V

5.2.3 半导体二极管的主要参数 1. 最大整流电流 IF 二极管允许通过的最大正向平均电流。 2. 最高反向工作电压 URM 5.2.3 半导体二极管的主要参数 1. 最大整流电流 IF 二极管允许通过的最大正向平均电流。 2. 最高反向工作电压 URM 保证二极管不被击穿允许加的最大反向电压。 3. 最大反向饱和电流 IR 室温下，二极管加最高反向电压时的反向电流，与温度有关。

5.2.4 半导体二极管的应用 都是利用二极管的单向导电性(即开关特性) 二极管的等效电路 A B 正向 - 等效电路 + 5.2.4 半导体二极管的应用 都是利用二极管的单向导电性(即开关特性) 二极管的等效电路 (理想化) A B 正向 等效电路 - + 考虑导通 管压降 当UA>UB时 0.7或0.3V A B 反向 等效电路 当UB>UA时

～ a u1 u2 uo RL b uo= u2 u2 uo uo= 0 Uo=0.45 U2 正半周 (0～π) a (+) b (－) 1. 整流：把交流电变换为(单向脉动的)直流电的过程。 a (1) 单相半波整流电路 VD u1 u2 ～ uo 正半周 (0～π) a (+) b (－) VD导通； RL b uo= u2 u2 π 2π 3π ωt 负半周(π～２π) a (－) b (＋) VD截止； uo π 2π 3π uo= 0 ωt Uo=0.45 U2

～ (2) 单相桥式整流电路 a u1 u2 uo b u2 uo Uo=0.9 U2 正半周(０～π) a(＋) b(－) 电流方向 VD1 VD4 正半周(０～π) a(＋) b(－) u1 u2 ～ uo 电流方向 RL VD3 VD2 b u2 π 2π 3π 负半周(π～２π) a(－) b(＋) 电流方向 ωt uo π 2π 3π ωt Uo=0.9 U2

单相桥式整流电路其它画法 u2 uo +  – RL D1 D3 D2 D4 u2 uo ~+~- 集成硅 整流桥：  + –

滤波电路 RL C u2 t 加入滤波电容 时的波形 uO t 无滤波电容 时的波形

三端集成稳压器 内部电路：串联型晶体管稳压电路 类型：W7800系列 —— 稳定正电压 W7805 输出+5V

W7805 W7800系列稳压器外形及接线图 CI: 消除自激振荡 +10V UI Uo 1 3 2 +5V 1 2 3 CI _ W7805 UI Uo 1 3 2 +5V 1 2 3 CI 0.1~1F Co 1µF 1端:输入端 2端:公共端 3端:输出端 CI: 消除自激振荡 Co: 削弱高频噪声

直流稳压电源的组成： 整 流 电 路 滤 波 电 路 稳 压 电 路 u1 u2 u3 u4 uo 整 流 电 路 滤 波 电 路 W7812 1 2 W7912 + A B 整流电路: 将交流电压u2变为脉动的直流电压u3。 滤波电路: 将脉动直流电压u3转变为平滑的直流电压u4。 稳压电路: 清除电网波动及负载变化的影响,保持输出电压uo的稳定。

例、如图，E＝6V，二极管正向压降忽略不计，画出 uo波形。 2. 限幅：将输出电压限制在某一数值上。 例、如图，E＝6V，二极管正向压降忽略不计，画出 uo波形。 E VD1 ui VD2 R ui /V 10 ωt O uo 6 －6 ui <－E， VD2导通，VD1截止 uo=－E=－6V ui > E，VD1导通，VD2截止 uo=E=6V －E<ui < E ，VD1、VD2截止， uo=ui uo ωt 6 O

例、二极管组成电路如图，设二极管导通电压为0.3V，试求输出电压UF 。 3. 箝位：把某点的电位箝制在某一数值上。 例、二极管组成电路如图，设二极管导通电压为0.3V，试求输出电压UF 。 +3V UF －12V R 0V VD1 VD2 VD1受的正向电压高， VD1率先导通， UF＝3V－0.3V ＝2.7V(箝位) VD2截止(隔离)

4. 续流 二极管的续流保护 VT由截止到导通时 VT由导通到截止时

例1：已知ui = 10sinωtV，画输出波形。 ui /V 6 O ωt VD uo ωt ui uo O uo ωt ui uo VD O

ui /V 6 O ωt uo ωt ui uo O uo ωt ui uo O

例2：已知ui = 6sinωtV，E =3V，画输出波形。 VD ui uo E ui /V 6 3 ui≥E VD截止 uo = ui O ωt uo ωt ui < E VD导通 uo = E 3 O

5.3 特殊二极管 I UZ U IZmin IZ IZmax 5.3.1 稳压二极管的结构 它是一种特殊制造的硅平面二极管。 5.3.1 稳压二极管的结构 它是一种特殊制造的硅平面二极管。 稳压二极管符号 U I UZ IZ 稳压二极管特性曲线 稳定电压 正向同二极管 当稳压二极管工作在反向击穿状态下,当工作电流IZ在Izmax和 Izmin之间时,其两端电压近似为常数 IZmin 稳定电流 IZmax 返回

例1、如图，已知UZ=10V，负载电压UL（ ） （Ａ） 5Ｖ （Ｂ）10Ｖ （Ｃ）15Ｖ （Ｄ）20Ｖ A VS 20V 15kΩ 5kΩ UL 稳压管的工作条件 （１）必须工作在反向击穿状态。 （２）电路中应有限流电阻，以保证反向电流 不超过允许范围。

例2、已知ui = 6sinωt，UZ =3V，画输出波形。 ui /V ωt VS ui uo 3 O uo ωt 3 O

UI波动30％ UI波动10％ 则UI为(33~27)V 则UI为(39~21)V 能正常工作 例3：图示电路，UI＝30V，R1＝1kΩ， RL＝2kΩ，稳压管UZ＝10V,稳定电流范围IZmax＝20mA，IZmin＝5mA，试分析UI波动10％时，电路能否正常工作？若波动30％，能否正常工作？ UI波动30％ UO UI R1 RL 波动>－30%能正常工作，> +30%不能正常工作。 UI波动10％ 则UI为(33~27)V 则UI为(39~21)V 能正常工作

例4：稳压值分别为5V、7V的两个稳压管，组成图示电路输出电压是多少？稳压管正向电压0.7V。 UO 3V VS1、VS2都反向截止 UO＝3V 解： UO 20V VS1稳压、VS2正向导通 UO＝7V+0.7V＝7.7V VS1、VS2都稳压 UO＝5V+7V＝12V UO 20V UO 20V VS1率先稳压， 令UO＝5V VS2反向截止 VS1、VS2都正向导通 UO＝0.7V+0.7V＝1.4V 20V UO

5.3.2 发光二极管 发光二极管是一种将电能转换为光能的半导体器件，简称为LED。 符号 5.3.2 发光二极管 发光二极管是一种将电能转换为光能的半导体器件，简称为LED。 符号 当LED正向导通时，发光；反向截止不发光。发光二极管的发光颜色取决于使用的半导体材料。 发光二极管在正向偏置时导通管压降较大，通常为1.5V～2.5V。使用时，电路中必须串接限流电阻。

汽车中的高位刹车灯 +UB R R的选择使发光二极管电流小于20mA 发光二极管的正向工作电压一般在1.7～2.1V

5.3.3 光敏二极管 光敏二极管(或称光电二极管)是一种将光能转换成电流的器件。其PN结封装在具有透明聚光窗的管壳内。 符号

5.4 晶体管(双极型三极管) B E C B E C 5.4.1 晶体管的构造和分类 NPN型 PNP型 B E C N P 基极 发射极 5.4 晶体管(双极型三极管) 5.4.1 晶体管的构造和分类 NPN型 B E C N P 基极 发射极 集电极 P N 集电极 基极 发射极 B C E PNP型 B E C B E C 返回

集电极 特点： 集电区 集电结 发射区参杂 浓度很大， 基区 基极 基区薄且浓度低， 发射结 发射区 集电结体 积大。 发射极 NPN型

C Ec N B P RC RB E IE EB 5.4.2 晶体管的电流分配及放大作用 1. 晶体管内部载流子的运动规律 IB 5.4.2 晶体管的电流分配及放大作用 1. 晶体管内部载流子的运动规律 发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。 B E C N P 进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IB ，多数扩散到集电结。 Ec RC ＋ ＋ ＋ ＋ － － － － IB － － － － EB RB ＋ ＋ ＋ IE ＋

IC C IC N B Ec P RB E IE EB 从基区扩散来的电子漂移进入集电结而被收集，形成IC。 IB ＋ ＋ ＋ ＋ － － － － Ec － － － － ＋ ＋ ＋ IE ＋ RB EB 要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。

2. 晶体管的电流分配 基极电流很小的变化，将引起集电极电流一个很大的变化。 IB RB EB IC RC EC IE 直流电流 放大系数 重要 参数 通用 交流电流 放大系数

晶体管放大原理的小结： 1. 放大的实质是控制，是小控大，弱控强。 2. 放大的内因是晶体管的内部特点。 *发射区参杂浓度很大——有利于多子发射 *基区薄且浓度低——决定基区扩散》复合， 从而使IC 》 IB *集电结体积大——有利于收集 3. 放大的外因是正确的供电极性。 发射结正偏，集电结反偏。

5.4.3 晶体管的特性曲线 IB(A) UBE(V) 20 40 60 80 0.4 0.8 UCE1V 1. 输入特性曲线 5.4.3 晶体管的特性曲线 1. 输入特性曲线 IB 与UBE的关系曲线（同二极管） IB(A) UBE(V) 20 40 60 80 0.4 0.8 UCE1V 工作压降： 硅管UBE  0.7V 死区电压，硅管0.5V

2. 输出特性(IC与UCE的关系曲线) 1 2 3 4 60A 40A UCE(V) 3 6 9 12 IC(mA ) 1 2 3 4  =  IC /  IB =(3-2)mA/(60-40) A=50 60A Q’  = IC / IB =3 mA/ 60A=50 40A Q  = IC / IB =2 mA/ 40A=50 UCE(V) 3 6 9 12

输出特性 1 2 3 4 IB=0 20A 40A 60A 80A 100A UCE(V) 3 6 9 12 线性放大区： 发射结正偏，集电结反偏，IC只与IB有关，IC=IB , 且  IC =   IB 。 IC(mA ) 饱和区： 发射结正偏，集电结正偏，IB增加IC几乎不变，已达饱和，即无电流放大作用。小功率硅管的UCE0.3V， UBE 0.7V。 1 2 3 4 IB=0 20A 40A 60A 80A 100A 截止区 : 发射结反偏，集电结反偏。 UBE< 死区电压，IB=0 ， IC=ICEO  0， 无电流放大作用。 UCE(V) 3 6 9 12

3. 晶体管主要参数 ICBO ICEO (1) 电流放大系数 ：选 通常在30～80为宜 集基反向饱和电流ICBO (2) 极间反向电流 (1) 电流放大系数 ：选 通常在30～80为宜 集基反向饱和电流ICBO 集射间穿透电流 ICEO (2) 极间反向电流 ICBO ICEO 易受温度影响

(3) 极限参数 IC/mA ICM PCM UCE /V UCEO(BR) 5 4 3 2 1 10 20 30 40 IB＝100μA 10 20 30 40

(4) 温度对晶体管的影响 * 温度对ICEO、ICBO的影响 ICEO、 ICBO 随温度上升急剧增加，温度每升高10℃， ICBO约增加一倍。 温度对锗管的影响比较大。 * 温度对 β 的影响 温度增加， β 随之增加 。 * 温度对 UBE 的影响 温度增加， UBE 随之减少 。

例1：有三只晶体管，分别为 锗管β＝150，ICBO＝2μA； 硅管β＝100，ICBO＝1μA； 硅管β＝40，ICEO＝41μA；试从β和温度稳定性选择一只最佳的管子。 解： β 值大，但ICBO也大，温度稳定性较差；  β 值较大，ICBO＝1μA，ICEO＝101 μA ；  β 值较小，ICEO＝41μA， ICBO＝1μA。  、 ICBO相等，但 的β 较大，故 较好。

例2：由放大电路中的晶体管各管脚电位判定晶体管属性 (1)  A: 1V B：0. 3V C: 3V (2) A: －0. 2V B: 0V C: －3V 步骤：1. 区分硅管、锗管，并确定C极（以 相近两个电极的电压差为依据， UBE硅＝0.7V ／UBE锗＝0.2V～0.3 V） 2. 区分NPN、PNP管 （NPN：UC最高 ， PNP： UC最低 ） 3. 区分三极 （ NPN： UC> UB > UE PNP： UC< UB < UE） 如何区分硅管和锗管 如何区分NPN、PNP管 如何区分三个极 解： (1) 硅管 、NPN管 A：基极 ；B: 发射极； C: 集电极 (2) 锗管 、 PNP管 A: 基极； B: 发射极 ； C: 集电极 A. ︱UBE ︳≈0. 2V(锗管） ︱UBE ︳≈0. 7V(硅管） B.

例3：已知某放大电路中的晶体管三个电极的对 地电压，试判断它们的极性、材料、并确 定三个电极。 例3：已知某放大电路中的晶体管三个电极的对 地电压，试判断它们的极性、材料、并确 定三个电极。 ︱UBE ︳≈0. 3V(锗管） ︱UBE︳≈0. 7V(硅管） VT  6V  2V  2.7V （1）硅管 、NPN管 集电极 发射极基极

 0V （2）锗管 、 NPN管  5V  －0.3V 基极发射极集电极 ② ③ ①  6V  5.3V  2.7V VT  5V  －0.3V 基极发射极集电极 ② ③ ① VT  6V  5.3V  2.7V （3） 硅管 、 PNP管 发射极基极 集电极 ③ ② ①

例4：判断晶体管状态。 0.7V 5V 0V UBE＝0.7V， UCE＝5V 放大状态 －5.3V 0V －6V UBE＝0.7V， UCE＝6V 放大状态 10.75V 10.3V 10V UBE＝0.75V， UCE＝0.3V 饱和状态

0.3V －5V 0V UBE＝0.3V， UCE＝－5V 截止状态 4.7V 5V UBE＝－0.3V， UCE＝－0.3V 饱和状态 －1.3V －10V －1V UBE＝－0.3V， UCE＝－9V 放大状态

只要用Ui的高、低电平控制三 极管，使之工作在截止、饱和状 态，就可以控制它的开关状态， 并可在输出端得到高低电平。 例5：晶体管 B C E RC Uo ＋UCC RB Ui 当Ui < 0.5V时，VT截止 只要用Ui的高、低电平控制三 极管，使之工作在截止、饱和状 态，就可以控制它的开关状态， 并可在输出端得到高低电平。 iB ≈ iC= 0 VT Uo =UCC = UoH 当Ui > 0.5V ， B C E iB ≥ IBS= UCC/βRC BE、BC正偏，VT饱和 Uo = UoL ≈0.3V 当0 < iB < IBS ，VT 放大

0 < IB < IBS ，T 处于放大状态 IB > IBS ，VT 处于饱和状态 例6：三极管组成电路如图，已知β＝100， RB1= 500kΩ， RB2= 50kΩ， RC= 5kΩ，试求开关S合向a、b、c时三极管所处的状态。（UBE＝0） RC 15V a b c 5V －1.5V RB1 RB2 解： 开关合向a 开关合向b 开关合向c UB＞0 UB＞0 IB ≈ 0 IC≈ 0 VT处于截止状态 IB＝5V／RB2 ＝5V／50 mA ＝0.1mA IB＝5／RB1＝5／500 mA ＝0.01mA IBS＝15／ βRC =15／100×5 mA ＝0.03mA IBS＝15V／ βRC ＝0.03mA 0 < IB < IBS ，T 处于放大状态 IB > IBS ，VT 处于饱和状态

晶体管作用的小结：三个区域、两种作用。 1) 线性放大区——有放大作用 执行器 2) 饱和区或截止区——有开关作用 截止状态 开关断开 传感器 放大器 控制器 ECU 放大器 执行器 2) 饱和区或截止区——有开关作用 截止状态 开关断开 饱和状态 开关闭合

例：汽车中的全自动空调的鼓风机控制 大功率晶体管 取代多掷开关 手动空调控制鼓风机 30 F E9 2 N23 R3 R2 R1 3 4 1 1 30 M 手动空调控制鼓风机 大功率晶体管 取代多掷开关

电压调节器的基本原理 U U1 U2 UN n 他励 自励 UC 电压调节：利用三极管的 开关特性，控制磁场 电流的接通与切断。

5.5 场效应晶体管 场效应晶体管是用输入回路的电场效应来控制半导体中的多数载流子，使流过半导体内的电流大小随电场强弱而变化，形成电压控制其导电的一种半导体器件。 返回 返回

5.5.1 N沟道增强型MOS管 1. 结构 源极 栅极 漏极 S G D SiO2绝缘层 金属铝 N区 N＋ N＋ P G S D B B 1. 结构 源极 栅极 漏极 S G D SiO2绝缘层 金属铝 N区 N＋ N＋ P G S D B B P型衬底

2. 工作原理 V UGS＝0，ID＝0 UGS > 开启电压 形成导电沟道 场效应管是一种电压控制电流的器件 2. 工作原理 ID mA UDS UGS G S D RD V UGS＝0，ID＝0 UGS > 开启电压 形成导电沟道 ID随UGS的增加而增大 场效应管是一种电压控制电流的器件 特性曲线 漏极特性曲线 恒流区 ID/mA UDS /V UGS＝2V UGS＝5V UGS＝6V 可变电阻区 夹断区 O

固定一个UDS，ID和UGS的关系曲线，称为转移特性曲线。 UGS（th） 开启电压 固定一个UDS，ID和UGS的关系曲线，称为转移特性曲线。 在一定的漏－源电压UDS下，使管子由不导通变为导通的临界栅源电压称为开启电压UGS(th）。 O 式中IDO为漏极饱和电流

N型沟道 耗尽型场效应管在制造时导电沟道就已形成 S G D N型沟道 耗尽型场效应管在制造时导电沟道就已形成 ＋＋＋＋ N+ N+ P B G S D B 耗尽型管子的栅源电压，在一定范围内正、负值均可控制漏极电流的大小。

特性曲线 ID UGS O UGS（off） 夹断电压 漏极特 性曲线 ID(mA) UDS (V) UGS＝－0.8V UGS＝0V UGS＝0.2V 漏极特 性曲线 O O UGS（off） ID UGS 夹断电压 当UGS达到一定负值时，N型导电沟道消失，ID= 0，称场效应晶体管处于夹断状态。 转移特性曲线

5.5.3 主要参数及使用注意事项 1．主要参数 开启电压UGS（th）：在UDS为某一固定值时，形成ID所需要的最小|UGS|值。 夹断电压UGS（off）：在UDS为某一固定值时，使ID为某一微小电流（便于测量）所需要的UGS值。 饱和漏电流IDSS：指在UGS＝0 、 UDS＝10V时，使管子出现预夹断时的漏极电流。

低频跨导gm：在UGS为某一固定值时，ID的微小变化量和引起它变化的UGS微小变化量之间的比值，单位为西门子（S） 2. 使用注意事项 管子保存和使用不当时，感应电压过高极易造成管子击穿。 存放时应使三个电极短接。 在焊接时，烙铁要有良好接地。

场效应管与晶体管的对比 名称项目 晶 体 管 场 效 应 管 载流子 两种不同的极性的载流子（电子与空穴） 同时参与导电，故称双极型晶体管 晶 体 管 场 效 应 管 载流子 两种不同的极性的载流子（电子与空穴） 同时参与导电，故称双极型晶体管 只有一种极性的载流子（电子或空穴） 参与导电故称单极型晶体管 控制方式 电流控制 电压控制 对应电极 发射极 E 基 极 B 集电极 C 源 极 S 栅 极 G 漏 极 D 类 型 NPN型和PNP型 N沟道和P沟道 输入电阻 102~104 Ω 107~1014 Ω 热稳定性 较 差 好 制造工艺 较复杂 简 单