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 。

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1 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 。

2 【引例】 如何实现的？ 手机及内部电路

3 10.1半导体的导电特性

4 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

5 10.1半导体的导电特性 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。

6 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

7 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。

8 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

9 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 10.1半导体的导电特性 PN结 1．PN结的形成

11 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。

12 10.2半导体二极管 基本结构 整流二极管 发光二极管 稳压二极管 开关二极管

13 10.2半导体二极管 半导体的二极管型号说明： 举例

14 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
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

15 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。

16 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。
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。

17 10.2半导体二极管 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。

18 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。

19 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。

20 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。

21 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

22 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。

23 10.3 特殊二极管 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。

24 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。

25 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

26 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 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 。

27 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 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。

28 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 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）。

29 10.4 半导体三极管 基本结构 各种半导体三极管的外型图 按结构分类： PNP NPN

30 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
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

31 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

32 10.4 半导体三极管 半导体三极管内部载流子的运动：

33 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。

34 10.4 半导体三极管 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：

35 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

36 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 。

37 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。
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。

38 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。

39 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

40 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 = = 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。

41 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。

42 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

43 10.5 场效应晶体管 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

44 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；

45 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

46 10.5 场效应晶体管 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

47 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）

48 作 业