1、第七章 二极管和三极管,7.1 半导体基础知识,自然界中的物质，按其导电能力可分为三大类：导体、半导体和绝缘体。,掺杂性 ：通过掺入杂质可明显改变半导体的电导率，（在30的纯锗中掺入一亿分之一的杂质，电导率增加几百倍）,导电能力介于导体与绝缘体之间。,热敏性：温度可明显改变半导体的电导率。,光敏性：光照可改变半导体的电导率，还可产生电动势，这是BJT的光电效应。,一、半导体的特点：,二、本征半导体,完全纯净的、结构完整的半导体材料称为本征半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。,现代电子学中，用的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。,本征半导体晶体,价电子,共价键,二、杂质半
2、导体,在本征半导体中加入微量杂质（百万分之一），可使其导电性能显著改变。根据掺入杂质的性质不同，杂质半导体分为两类：电子型（N型）半导体和空穴型（P型）半导体。,1、N型半导体（电子型）,在硅（或锗）半导体晶体中，掺入微量的五价元素，如磷、砷、锑，则构成N型半导体。见下图。,N型半导体的共价键结构,2、P型半导体（空穴型）在硅（或锗）半导体晶体中，掺入微量的三价元素，如硼、铝、铟，则构成P型半导体。,P型半导体共价键结构,受主原子,空穴,三、PN结,在一块半导体单晶上一侧掺杂成为 P 型半导体，另一侧掺杂成为 N 型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层(不能移动的正、负离子)，称为
3、PN 结。,1、PN结的形成,2、PN结的单向导电性,（1）正向偏置：P“+”，N“-”,电路中有较大的正向电流，PN结导通，相当于导线。,I,（2）反向偏置：P“-”，N“+”,电路中有很小的反向电流，PN结截止，相当于断路。,IS,反向电流又称反向饱和电流，数值非常小（A级）。对温度十分敏感，随着温度升高， IS 将急剧增大。,3. PN结的反向击穿,反向击穿：当反向电压达到一定数值时，反向电流急剧增加的现象称为反向击穿（电击穿）。若不加限流措施，PN结将过热而损坏，此称为热击穿。电击穿是可逆的，而热击穿是不可逆的，应该避免。,7.2 半导体二极管,半导体二极管本质上就是一个PN结，具有单
4、向导电性。二极管按半导体材料的不同可以分为硅二极管、锗二极管和砷化镓二极管等。可分为点接触型、面接触型和平面型二极管三类，如下图所示。,点接触型管子中不允许通过较大的电流，因结电容小，可用在检波和变频等高频电路中。面接触型二极管 PN 结的面积大，允许流过的电流大，但只能在较低频率下工作，可用作工频大电流整流电路。,+,-,阴极,阳极,一、符号,常见的二极管有金属、塑料和玻璃三种封装形式。按照应用的不同，二极管分为整流、检波、开关、稳压、发光、光电、快恢复和变容二极管等。根据使用的不同，二极管的外形各异，下图所示为几种常见的二极管外形。,二、 伏安特性,二极管两端的电压u及其流过二极管的电流i
5、之间的关系曲线，称为二极管的伏安特性。,1、正向特性,二极管外加正向电压时，电流和电压的关系称为二极管的正向特性。如下图所示，当二极管所加正向电压比较小时（0uVth），二极管上流经的电流为0，管子仍截止，此区域称为死区，Vth称为死区电压（门坎电压）。硅二极管的死区电压约为0.5V，锗二极管的死区电压约为0.1V。,正向特性,硅管的伏安特性2CP31,反向特性,二极管的伏安特性,导通电压：Si:0.60.8V；Ge:0.20.3V,2、反向特性,二极管外加反向电压时，电流和电压的关系称为二极管的反向特性。由上图可见，二极管外加反向电压时，反向电流很小（Si管10-1510-10A，Ge管 1
6、0-1010-7A），而且在相当宽的反向电压范围内，反向电流几乎不变，因此，称此电流值为二极管的反向饱和电流IS。,3、反向击穿特性,从上图可见，当反向电压的值增大到VBR时，反向电压值稍有增大，反向电流会急剧增大，称此现象为反向击穿， VBR为反向击穿电压。利用二极管的反向击穿特性，可以做成稳压二极管，但一般的二极管不允许工作在反向击穿区。,二、二极管的温度特性,二极管是对温度非常敏感的器件。实验表明，随温度升高，二极管的正向压降会减小，正向伏安特性左移，即二极管的正向压降具有负的温度系数（约为-2mV/）；温度升高，反向饱和电流会增大，反向伏安特性下移，温度每升高10，反向电流大约增加一倍
7、。下图所示为温度对二极管伏安特性的影响。,温度对二极管伏安特性的影响,三、二极管的主要参数,1、最大整流电流IF最大整流电流IF是指二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大正向电流的平均值。,2、反向击穿电压VBR反向击穿电压是指二极管击穿时的电压值。,3、反向饱和电流IS它是指管子没有击穿时的反向电流值。其值越小，说明二极管的单向导电性越好。,4、最高工作频率fm决定于极间电容，当工作频率fm，二极管的单向导电性降低。,四、二极管的测试,1、二极管极性的判定,（1）目测判别极性,（2）用万用表检测二极管,在 R 100或 R 1 k 挡测量,红表笔是(表内电源)负极， 黑表笔是(表内电源)
8、正极。,正反向电阻各测量一次，测量时手不要接触引脚。,a. 用指针式万用表检测,一般硅管正向电阻为几千欧，锗管正向电阻为几百欧；反向电阻为几百千欧。正反向电阻相差不大为劣质管。,b. 用数字式万用表检测,红表笔是(表内电源)正极， 黑表笔是(表内电源)负极。,2、二极管好坏的判定,（1）若测得的反向电阻很大（几百千欧以上），正向电阻很小（几千欧以下），表明二极管性能良好。,（2）若测得的反向电阻和正向电阻都很小，表明二极管短路，已损坏。,（3）若测得的反向电阻和正向电阻都很大，表明二极管断路，已损坏。,半导体器件的命名方式,第一部分,数字 字母 字母(汉拼) 数字 字母(汉拼),电极数 材料和
9、极性 器件类型 序号 规格号,2 二极管,3 三极管,第二部分,第三部分,A 锗材料 N 型,B 锗材料 P 型,C 硅材料 N 型,D 硅材料 P 型,A 锗材料 PNP,B 锗材料 NPN,C 硅材料 PNP,D 硅材料 NPN,P 普通管,W 稳压管,Z 整流管,K 开关管,U 光电管,X 低频小功率管,G 高频小功率管,D 低频大功率管,A 高频大功率管,第四部分,第五部分,例：,2CP 2AP 2CZ 2CW普通硅二极管 普通锗二极管 硅整流二极管 硅稳压二极管,二极管的一般符号,二极管的符号,发光二极管,稳压二极管,光电二极管,变容二极管,隧道二极管,温度效应 二极管,双向击穿二极
10、管,磁敏二极管,体效应二极管,双向二极管 交流开关二极管,普通二极管的应用范围很广，可用于开关、稳压、整流、限幅等电路。,五、二极管应用电路举例,六、特殊二极管,1、稳压二极管,稳压二极管又名齐纳二极管，简称稳压管，是一种用特殊工艺制作的面接触型硅半导体二极管，这种管子的杂质浓度比较大，容易发生击穿，其击穿时的电压基本上不随电流的变化而变化，从而达到稳压的目的。稳压管工作于反向击穿区。,（1）稳压管的伏安特性和符号,稳压二极管的伏安特性和符号,（2）稳压管的主要参数,稳定电压UZ它是指当稳压管中的电流为规定值时，稳压管在电路中其两端产生的稳定电压值。,稳定电流IZ它是指稳压管工作在稳压状态时，
11、稳压管中流过的电流，有最小稳定电流IZmin和最大稳定电流IZmax之分。,耗散功率PM它是指稳压管正常工作时，管子上允许的最大耗散功率。,（3）应用稳压管应注意的问题,稳压管稳压时，一定要外加反向电压，保证管子工作在反向击穿区。当外加的反向电压值大于或等于UZ时，才能起到稳压作用；若外加的电压值小于UZ，稳压二极管相当于普通的二极管使用。,在稳压管稳压电路中，一定要配合限流电阻的使用，保证稳压管中流过的电流在规定的范围之内。,2、发光二极管,发光二极管是一种光发射器件，英文缩写是LED。此类管子通常由镓（Ga）、砷（As）、磷（P）等元素的化合物制成，管子正向导通，当导通电流足够大时，能把电
12、能直接转换为光能，发出光来。目前发光二极管的颜色有红、黄、橙、绿、白和蓝6种，所发光的颜色主要取决于制作管子的材料，例如用砷化镓发出红光，而用磷化镓则发出绿光。其中白色发光二极管是新型产品，主要应用在手机背光灯、液晶显示器背光灯、照明等领域。,发光二极管工作时导通电压比普通二极管大，其工作电压随材料的不同而不同，一般为1.7V2.4V。普通绿、黄、红、橙色发光二极管工作电压约为2V；白色发光二极管的工作电压通常高于2.4V；蓝色发光二极管的工作电压一般高于3.3V。发光二极管的工作电流一般在2mA25mA的范围。,发光二极管应用非常广泛，常用作各种电子设备如仪器仪表、计算机、电视机等的电源指示
13、灯和信号指示等，还可以做成七段数码显示器等。发光二极管的另一个重要用途是将电信号转为光信号。普通发光二极管的外形和符号如下图所示。,发光二极管的外形和符号,3、光电二极管,光电二极管又称为光敏二极管，它是一种光接受器件，其PN结工作在反偏状态，可以将光能转换为电能，实现光电转换。,光电二极管的基本电路和符号,4、变容二极管,当外加的反偏电压变化时，其电容量也随着改变。,5、激光二极管,激光二极管工作时接正向电压，可发射出激光。激光二极管的应用非常广泛，在计算机的光盘驱动器，激光打印机中的打印头，激光唱机，激光影碟机中都有激光二极管。,7.3 半导体三极管（BJT）,半导体三极管又称晶体三极管（
14、简称三极管），一般简称晶体管，或双极型晶体管。它是通过一定的制作工艺，将两个PN结结合在一起的器件，两个PN结相互作用，使三极管成为一个具有控制电流作用的半导体器件。三极管可以用来放大微弱的信号和作为无触点开关。,三极管从结构上来讲分为两类：NPN型三极管和PNP型三极管。下图为三极管的结构示意图和符号。,一、结构和符号,符号中发射极上的箭头方向，表示发射结正偏时电流的流向。,常用的三极管的结构有硅平面管和锗合金管两种类型。各有PNP型和NPN型两种结构。,(a)平面型(NPN),(b)合金型(PNP),e 发射极，b 基极， c 集电极。,集电区,基区,发射区,集电区,发射区,基区,一、结构
15、和符号,平面型(NPN)三极管制作工艺,在 N 型硅片(集电区)氧化膜上刻一个窗口，将硼杂质进行扩散形成 P 型(基区)，再在 P 型区上刻窗口，将磷杂质进行扩散形成N型的发射区。引出三个电极即可。,合金型三极管制作工艺：在 N 型锗片(基区)两边各置一个铟球，加温铟被熔化并与 N 型锗接触，冷却后形成两个 P 型区，集电区接触面大，发射区掺杂浓度高。,三极管的结构示意图和符号,三极管从应用的角度讲，种类很多。根据工作频率分为高频管、低频管和开关管；根据工作功率分为大功率管、中功率管和小功率管。常见的三极管外形如图所示。,常见的三极管外形,部分三极管的外型,半导体器件的命名方式,第一部分,数字
16、 字母 字母(汉拼) 数字 字母(汉拼),电极数 材料和极性 器件类型 序号 规格号,2 二极管,3 三极管,第二部分,第三部分,A 锗材料 N 型,B 锗材料 P 型,C 硅材料 N 型,D 硅材料 P 型,A 锗材料 PNP,B 锗材料 NPN,C 硅材料 PNP,D 硅材料 NPN,P 普通管 W 稳压管 K 开关管 Z 整流管 U 光电管,X 低频小功率管,G 高频小功率管,D 低频大功率管,A 高频大功率管,第四部分,第五部分,例：,3AX31 3DG12B 3DD6 PNP低频小功率锗三极管 NPN高频小功率硅三极管 NPN低频大功率硅三极管3CG 3AD 3DK PNP高频小功率
17、硅三极管 PNP低频大功率锗三极管 NPN硅开关三极管,以 NPN 型三极管为例讨论,三极管中的两个 PN 结,三极管若实现放大，必须从三极管内部结构和外部所加电源的极性来保证。,不具备放大作用,二、电流分配原则及放大作用,1、放大条件,（1）内部条件：,发射区高掺杂；,基区做得很薄。通常只有几微米到几十微米，而且掺杂较少；,集电结面积大。,（2）外部条件：,发射结必须加正向电压（正偏）；,集电结必须加反向电压（反偏）。,三极管的电流分配及放大关系式为：,IE=IB+IC,IC=IB,为电流放大倍数，其范围约为：20200。,NPN,PNP,IE=(1+)IB,一组三极管电流关系典型数据,1.
18、 任何一列电流关系符合 IE = IB + IC，IB IC IE, IC IE。,2. 当 IB 有微小变化时， IC 较大。说明三极管具有电 流放大作用。,3. 在表的第一列数据中，IE = 0 时，IC = 0.001 mA = ICBO，ICBO 称为反向饱和电流。,4.在表的第二列数据中， I B = 0时，IC = 0.01 mA = ICEO， 称为穿透电流。,三、特性曲线及主要参数,1、特性曲线,三极管的特性曲线是指三极管的各电极电压与电流之间的关系曲线，它反映出三极管的特性。它可以用专用的图示仪进行显示，也可通过实验测量得到。以NPN型硅三极管为例，其常用的特性曲线有以下两种
19、。,（1）输入特性曲线IB=f (UBE),它是指一定集电极和发射极电压UCE下，三极管的基极电流IB与发射结电压UBE之间的关系曲线。实验测得三极管的输入特性曲线如下图所示。,(b) 当uCE1V时， uCB= uCE - uBE0，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，基区复合减少，同样的uBE下IB减小，特性曲线右移。,(a) 当uCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。,工作压降： 硅管UBE0.60.8V,锗管UBE0.20.3V。,死区电压:硅管0.5-0.7V，锗管0.1-0.3V。,（2）输出特性曲线IC=f (UCE),它是指一定基极电流IB下，三极管的集电极电流IC与集
20、电结电压UCE之间的关系曲线。实验测得三极管的输出特性曲线如下图所示。,动画,输出特性,IC(mA ),当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB , 且 IC = IB 。此区域称为线性放大区。,此区域中UCEUBE,集电结正偏，IBIC，UCE0.3V称为饱和区。,此区域中 : IB=0 , IC=ICEO , UBE 死区电压,，称为截止区。,输出特性三个区域的特点:,(1) 放大区发射结正偏，集电结反偏， IC=IB 。 对NPN型的三极管，有电位关系：UCUBUE；有发射结电压UBE0.7V；对NPN型锗三极管，有UBE0.2V。,(2) 饱和区发射结正偏，集电结正偏 ，
21、即UCEUBE ， IBIC，UCE的值很小；称此时的电压UCE为三极管的饱和压降，用UCES表示。一般硅三极管的UCES约为0.3V，锗三极管的UCES约为0.1V；三极管的集电极和发射极近似短接，三极管类似于一个开关导通。,(3) 截止区UBE 死区电压， IB=0 ， IC=ICEO 0 ，三极管的集电极和发射极之间电阻很大，三极管相当于一个开关断开。,三极管作为开关使用时，通常工作在截止和饱和导通状态；作为放大元件使用时，一般要工作在放大状态。,小结：BJT工作状态的判断,（1）PN结偏置判断法：,状态,PN结,偏置,截止,放大,饱和,发射结,集电结,正偏,反偏,零偏或反偏,反偏,正偏
22、,零偏或正偏,（2）电流判断法：,状态,电流,截止,放大,饱和,IB,IC,IE,0,0,0,A,IB,（1+）IB,0,IB,（1+）IB,2.三极管的主要参数,三极管的参数有很多，如电流放大系数、反向电流、耗散功率、集电极最大电流、最大反向电压等，这些参数可以通过查半导体手册来得到。三极管的参数是正确选定三极管的重要依据，下面介绍三极管的几个主要参数。,（1）共发射极电流放大系数它是指从基极输入信号，从集电极输出信号，此种接法（共发射极）下的电流放大系数。,（2）极间反向电流,集电极基极间的反向饱和电流ICBO,集电极发射极间的穿透电流ICEO,（3）极限参数,集电极最大允许电流ICM 集
23、电极最大允许功率损耗PCM 反向击穿电压,3.温度对三极管特性的影响,同二极管一样，三极管也是一种对温度十分敏感的器件，随温度的变化，三极管的性能参数也会改变。下面两图为三极管的特性曲线受温度的影响情况。,温度对三极管输入特性的影响,温度升高1oC，UBE 减小约22.5mV，具有负的温度系数。若UBE 不变，则当温度升高时，iB将增大，正向特性将左移；反之亦然。,温度对三极管输出特性的影响,温度升高，IC增大， 增大。温度每升高1oC ， 要增加 0.5% 1.0%,温度上升时，输出特性曲线上移,温度对ICBO 的影响,(a) ICBO是集电结外加反向电压平衡少子的漂移运动形成的； (b)
24、温度升高10oC，ICBO增加约一倍; (c) 硅管的ICBO 比锗管小得多，所以受温度的影响也小得多。,思考：如何判断三极管的极性？,1.目测判别三极管极性,B,E,C,当黑（红）表笔接触某一极，红（黑）表笔分别接触另两个极时，万用表指示为低阻，则该极为基极，该管为NPN（PNP）。,2.实验判别三极管极性,（1）判定基极和管型,判别三极管c、e电极的原理图,基极确定后，比较B与另外两个极间的正向电阻，较大者为发射极E，较小者为集电极C。,（2）判定集电极c和发射极e,四、特殊三极管,1.光电三极管光电三极管又叫光敏三极管，是一种相当于在三极管的基极和集电极之间接入一只光电二极管的三极管，光
25、电二极管的电流相当于三极管的基极电流。从结构上讲，此类管子基区面积比发射区面积大很多，光照面积大，光电灵敏度比较高，因为具有电流放大作用，在集电极可以输出很大的光电流。,光电三极管有塑封、金属封装（顶部为玻璃镜窗口）、陶瓷、树脂等多种封装结构，引脚分为两脚型和三脚型。一般两个管脚的光电三极管，管脚分别为集电极和发射极，而光窗口则为基极。下图所示为光电三极管的等效电路、符号和外形。,光电三极管的符号、等效电路和外形,2.光耦合器,光耦合器是把发光二极管和光电三极管组合在一起的光电转换器件。图所示为光耦合器的一般符号。,光耦合器的一般符号,3.达林顿管（复合管）达林顿管是指两个或两个以上的三极管按一定方式连接而成的管子，电流放大系数及输入阻抗都比较大。 达林顿管分为普通达林顿管和大功率达林顿管，主要用于音频功率放大、电源稳压、大电流驱动、开关控制等电路。,四种常见的复合管结构,
