第1章 半导体元件及其特性

从频率特性分，可分为高频管和低频管；
从功率大小分，可分为大功率管、中功率管和小 功率管。
2.
实验得出如下结论：
IE=IC+IB
IC≈IE
IC I B
三个电流之间的关系符合基尔霍夫电流定律，IB 虽然很小，但对IC有控制作用，IC随IB改变而改变。
β称为三极管的电流放大系数，它反映三极管的电 流放大能力，也可以说电流IB对IC的控制能力。
b. 基区中的电子进行扩散与复合。
电子进入基区后，先在靠近发射结的附近密集， 渐渐形成电子浓度差，在浓度差的作用下，促使电子 流在基区中向集电结扩散， 被集电结电场拉入集电区， 形成集电结电流IC。也有很小一部分电子与基区的空 穴复合，形成复合电子流。扩散的电子流与复合电子 流的比例决定了三极管的放大能力。
1）
稳压管正向偏压时，其特性和普通二极管一样； 反向偏压时，开始一段和二极管一样，当反向电压达 到一定数值以后，反向电流突然上升， 而且电流在一 定范围内增长时，管两端电压只有少许增加，变化很 小，具有稳压性能。这种“反向击穿”是可恢复的， 只要外电路限流电阻保障电流在限定范围内，就不致 引起热击穿而损坏稳压管。
3）最大反向电流IRM IRM 是 指 二 极 管 在 常 温 下 承 受 最 高 反 向 工 作 电 压 URM时的反向漏电流，一般很小，但其受温度影响较大。 当温度升高时，IRM显著增大。
4）最高工作频率fM
fM是指保持二极管单向导通性能时，外加电压允 许的最高频率。二极管工作频率与PN结的极间电容大 小有关，容量越小， 工作频率越高。
这是最常用的七段数码显示。要使它显示0~9的一 系列数字只要点亮其内部相应的显示段即可。七段数 码显示有共阳极(b)和共阴极 (c)之分。数码管的驱动方 式有直流驱动和脉冲驱动两种，应用中可任意选择。 数码管应用十分广泛，可以说，凡是需要指示或读数 的场合，都可采用数码管显示。
2.
硅稳压二极管简称稳压管，是一种特殊的二极管， 它与电阻配合具有稳定电压的特点。
若A点UA=0，二极管VD可正向导通，其压降 很小， 故F点的电位也被钳制在0V左右， 即UF≈0。
3．
利用二极管正向导通后其两端电压很小且基本不变 的特性， 可以构成各种限幅电路，使输出电压幅度限制 在某一电压值以内。
设输入电压ui=10sinωt(V), Us1=Us2=5V
当-Us2<ui<Us1时，VD1、VD2都处于反向偏置而截 止， 因此i=0, uo=ui。当ui>Us1时，VD1处于正向偏置而 导通，使输出电压保持在Us1。
综合载流子的运动规律，三极管内的电流分配如 图所示，图中的箭头表示电流方向。
由于三极管基区的杂质浓度很低，且厚度很薄，
这就减小了电子和空穴复合的机会，所以从发射区注
入到基区的电子只有很小一部分在基区复合掉，绝大
部分到达集电区。这就是说构成发射极电流IE的两部 分中，IBE部分是很小的，ICE部分所占百分比是大的， 若它们的比值用hFE本表示，则有
半导体二极管的应用
二极管是电子电路中最常用的半导体器件。利用 其单向导电性及导通时正向压降很小的特点，可用来 进行整流、检波、 钳位、 限幅、 开关以及元件保护 等各项工作。
1．
所谓整流, 就是将交流电变为单方向脉动的直流电。 利用二极管的单向导电性可组成单相、三相等各种形 式的整流电路。
2．
利用二极管正向导通时压降很小的特性， 可组成 钳位电路。
1）
当二极管承受正向电压小于某一数值时， 还不足以 克服PN结内电场对多数载流子运动的阻挡作用，这一区 段二极管正向电流IF很小，称为死区。死区电压的大小 与二极管的材料有关，并受环境温度影响。通常，硅材 料二极管的死区电压约为0.5 V，锗材料二极管的死区电 压约为0.2V。
当正向电压超过死区电压值时，外电场抵消了内电 场，正向电流随外加电压的增加而明显增大，二极管正 向电阻变得很小。当二极管完全导通后，正向压降基本 维持不变，称为二极管正向导通压降UF。一般硅管的UF 为0.7V，锗管的UF为0.3V。
二极管的特性及参数
1． 二极管伏安特性
理论分析指出， 半导体二极管电流I与端电压U之 间的关系可表示为
U
I=IS( eUT -1) 此式称为理想二极管电流方程。式中，IS称为反 向饱和电流，UT称为温度的电压当量，常温下UT≈26 mV。实际的二极管伏安特性曲线如图所示。图中，实 线对应硅材料二极管，虚线对应锗材料二极管。
当ui<-Us1时， VD2处于正向偏置而导通，输出电 压保持在-Us2。由于输出电压uo被限制在+Us1与-Us2之 间，即|uo|≤5V, 好像将输入信号的高峰和低谷部分削 掉一样, 因此这种电路又称为削波电路。
4．
在电子线路中，常用二极管来保护其他元器件免 受过高电压的损害。
在开关S接通时，电源E给线圈供电，L中有电流
当P型半导体和N型半导体接触以后，由于交界两 侧半导体类型不同，存在电子和空穴的浓度差。这样， P 区的空穴向N区扩散，N区的电子向P区扩散, 如图 1.1.1(a)所示。由于扩散运动， 在P 区和N区的接触面 就产生正负离子层。N区失掉电子产生正离子，P区得 到电子产生负离子。通常称这个正负离子层为PN结。
2．
二极管参数是反映二极管性能质量的指标。必 须根据二极管的参数来合理选用二极管。二极管的 主要参数有4项。
1）最大整流电流IFM
IFM是指二极管长期工作时允许通过的最大正向 平均电流值。工作时，管子通过的电流不应超过这 个数值，否则将导致管子过热而损坏。
2）最高反向工作电压URM URM是指二极管不击穿所允许加的最高反向电压。 超过此值二极管就有被反向击穿的危险。URM通常为反 向击穿电压的1/2~2/3，以确保二极管安全工作。
2)
电源通断指示发光二极管作为电源通断指示通常 称为指示灯，在实际应用中给人提供很大的方便。发 光二极管的供电电源既可以是直流的也可以是交流的， 但必须注意的是，发光二极管是一种电流控制器件， 应用中只要保证发光二极管的正向工作电流在所规定 的范围之内， 它就可以正常发光。
数码管是电子技术中应用的主要显示器件，是用 发光二极管经过一定的排列组成的。
特种二极管
1. 发光二极管
1)
是一种将电能直接转换成光能的固体器件，简称 LED。发光二极管和普通二极管相似，也由一个PN结 组成。发光二极管在正向导通时，由于空穴和电子的 复合而发出能量，发出一定波长的可见光。光的波长 不同，颜色也不同。常见的LED有红、 绿、 黄等颜色。 发光二极管的驱动电压低、 工作电流小，具有很强的 抗振动和抗冲击能力。由于发光二极管体积小、可靠 性高、 耗电省、 寿命长，被广泛用于信号指示等电路 中。
在ＰＮ结的Ｐ区一侧带负电，Ｎ区一侧带正电。 ＰＮ结便产生了内电场，内电场的方向从Ｎ区指向Ｐ 区。内电场对扩散运动起到阻碍作用， 电子和空穴的 扩散运动随着内电场的加强而逐步减弱，直至停止。 在界面处形成稳定的空间电荷区。
2.PN结的特性
1）
给PN结加正向电压，即P区接正电源，N区接负电 源，此时称PN结为正向偏置。
1-2 半导体三极管
三极管的结构及类型
三极管是由两个PN结、3个杂质半导体区域组成 的， 因杂质半导体有P、N型两种，所以三极管的组成 形式有NPN型和PNP型两种。
1. 三极管的结构及类型
不管是NPN型还是PNP型三极管，都有三个区： 基区、发射区、集电区，以及分别从这三个区引出的 电极：发射极e、 基极b和集电极c; 两个PN结分别为发 射区与基区之间的发射结和集电区与基区之间的集电 结。
rvDZ
Uv D源自文库 Iv DZ
d. 稳定电压的温度系数: 当温度变化1℃时稳压管 的稳压值UVDZ的相对变化量。
e. 稳压管额定功耗PVDZM: 保证稳压管安全工作所 允许的最大功耗。
PVDZM=UVDZIVDZmax
3）
UI是不稳定的可变直流电压，希望得到稳定的电 压UO ， 故在两者之间加稳压电路。它由限流电阻R 和稳压管VDZ构成， RL是负载电阻。
2）
a. 稳定电压值UVDZ: 稳压管在正常工作时管子的端 电压, 一般为3~25V，高的可达200 V。
b. 稳定电流IVDZ: 稳压管正常工作时的参考电流。 开始稳压时对应的电流最小，为最小稳压电流IVDZmin； 对应额定功耗时的稳压电流为最大稳压电流IVDZmax。
c. 动态电阻rVDZ:稳压管端电压的变化量ΔUVDZ与对 应电流变化量ΔIVDZ之比，
hFE本
ICE I BE
1
hFE本表示三极管的电流放大能力，称为本征电流 放大系数。它的大小取决于基区中载流子扩散与复合 的比例关系， 这种比例关系是由管子内部结构决定的， 一旦管子制成后，这种比例关系（h FE本值）也就确定 了。
第1章
1-1 半导体二极管 1-2 半导体三极管
1-1 半导体二极管
PN结的形成与特性
1．PN
在半导体材料(硅、锗)中掺入不同杂质可以分别形成 N型和P型两种半导体。N型半导体主要依靠自由电子导 电，称自由电子为多数载流子，而空穴数量远少于电子 数量，称空穴为少数载流子。P型半导体主要靠空穴导电， 称空穴为多数载流子，而自由电子远少于空穴的数量， 称自由电子为少数载流子。
三极管基区很薄，一般仅有1微米至几十微米厚， 发射区浓度很高，集电结截面积大于发射结截面积。
使用中要注意电源的极性，确保发射结永远加正 向偏置电压，三极管才能正常工作。
三极管根据基片的材料不同，分为锗管和硅管两 大类， 目前国内生产的硅管多为NPN型（3D系列）， 锗管多为PNP型（3A系列）；
1)
三极管电流之间为什么具有这样的关系呢？ 这可 以通过在三极管内部载流子的运动规律来解释。
a. 发射区向基区发射电子。
电源UBB经过电阻Rb加在发射结上， 发射结正偏， 发射区的多数载流子——自由电子不断地越过发射结而 进入基区，形成发射极电流IE。同时，基区多数载流子 也向发射区扩散，但由于基区很薄，可以不考虑这个 电流。因此， 可以认为三极管发射结电流主要是电子 流。
流过， 储存了磁场能量。在开关S由接通到断开的瞬
时，电流突然中断， L中将产生一个高于电源电压很
多倍的自感电动势eL，eL与E叠加作用在开关S的端子 上，在S的端子上产生电火花放电， 这将影响设备的
正常工作，使开关S寿命缩短。
VD后，
eL通过二极管VD产生放电电流i, 使L中储存的能量不
经过开关S放掉， 从而保护了开关S。
综上所述，PN结具有单向导电性，加正向电压 时，PN结电阻很小，电流IR较大，是多数载流子的 扩散运动形成的；加反向电压时，PN结电阻很大， 电流IR很小，是少数载流子运动形成的。
二极管的结构和类型
P 区的引出线称二极管的阳极，接 在N区的引出线称二极管的阴极。
二极管有许多类型。从工艺上分，有点接触型和 面接触型； 按用途分，有整流管、检波二极管、稳压 二极管、光电二极管和开关二极管等。
2）
当二极管承受反向电压时，外电场与内电场方 向一致， 只有少数载流子的漂移运动，形成的漏电 流IR极小，一般硅管的IR为几微安以下，锗管IR较大， 为几十到几百微安。这时二极管反向截止。
当反向电压增大到某一数值时，反向电流将随 反向电压的增加而急剧增大，这种现象称二极管反 向击穿。击穿时对应的电压称为反向击穿电压。普 通二极管发生反向击穿后，造成二极管的永久性损 坏，失去单向导电性。
c. 集电区收集电子。
由于集电结外加反向电压很大，这个反向电压产 生的电场力将阻止集电区电子向基区扩散，同时将扩 散到集电结附近的电子拉入集电区而形成集电结主电 流ICN。
另外集电区的少数载流子——空穴也会产生漂移运 动，流向基区，形成反向饱和电流ICBO，其数值很小， 但对温度却非常敏感。
2）
这时PN结外加电场与内电场方向相反，当外电场 大于内电场时，外加电场抵消内电场，使空间电荷区 变窄，有利于多数载流子运动，形成正向电流。 外加 电场越强，正向电流越大， 这意味着PN结的正向电阻 变小。
正向导通
反向截止
2）反向截止
给PN结加反向电压，称PN结反向偏置，如图所示。 这时外加电场与内电场方向相同，使内电场的作用增 强, PN结变厚，多数载流子运动难于进行，有助于少数 载流子运动，形成电流IR，少数载流子很少，所以电流 很小，接近于零，即PN结反向电阻很大。