常用半导体元器件及应用

IF P 区
外电场
N区 内电场
▪ PN结的单向导电性
外加反向电压
▪ 反偏截止，呈高阻状态，电流近似为零
IR P 区
N区 内电场 外电场
ＰＮ结具有单向导电性
正偏：在ＰＮ结上加正向 电压时，ＰＮ结电阻很 低，正向电流较大，Ｐ Ｎ结处于导通状态。
PN I大
反偏：加反向电压时，ＰＮ 结电阻很高，反向电流很小， ＰＮ结处于截止状态。
三、晶体管的特性曲线
1．输入特性曲线
100
U 0 CE
U CE
1V
iB / A
80
250 C
60
40
20
0
0.2
0.4
0.6
0.8
uBE / V
图5-19 输入特性曲线
2. 输出特性曲线（图5-20）
工作电压
（1）截止区 发射结零偏或反偏，集电结也反向偏置。
（2）放大区 发射结正向偏置，集电结反向偏置。I C 与 I B
流值越小越好，硅管的反向电流比锗管小得多，一般为几十 微安，而锗管为几百微安。
2）当反向电压增加到一定数值时（如曲线中的 C 点或 C '
点），反向电流急剧增大，这种现象称为反向击穿，此时对
应的电压称为反向击穿电压，用 U BR表示，曲线中CD 段
（或CD'段）称为反向击穿区。通常加在二极管上的反向电
（4）集电极最大允许功耗 PCM
允许管耗线，如图5-22所示。
使用中应使 U CE I C <PCM
应用实例 如图5-23所示的简易路灯自动开关装置。
图5-23 简易路灯自动开关电路
3．光敏二极管
光敏二极管又称光电二极管，其ＰＮ结工作在反偏状 态。光敏二极管是一种光接收器件。它的管壳上有一个玻璃 窗口以便接受光照，当光线辐射于ＰＮ结时，提高了半导体 的导电性，在反偏电压作用下产生反向电流。反向电流随光 照强度的增加而上升。其主要特点是反向电流与照度成正比。 光敏二极管的图形符号和外形如图5-7 所示。
Uo

1 2π
π 0
2U2sinωtdωt
2U π
2

0.45U2
(5-1)
电阻性负载的平均电流为Io，即
Io

Uo RL
0.45 U2 RL
(5-2)
2、单相桥式整流电路
单相桥式整流电路是由四个二极管接成电桥的形式构成。
常用画法
简化画法
图5-12 单相桥式整流电路
(1)．整流原理
IE IC IB
（5-5）
3．晶体管的电流放大作用
从表5-1中的实验数据还可以看出：I C >
I
，
B
而且当调节电位器RP使 I B 有一微小变化时，会
引起
I
较大的变化，这表明基极电流
C
I
（小电
B
I 流）控制着集电极电流 （大电流），所以晶体 C
管是一个电流控制器件，这种现象称为晶体管的
电流放大作用。
2．极间反向电流
（1）集电极—基极反向饱和电流 I CBO ICBO 是晶体管的发射
极开路时，集电极和基极间的反向漏电流，又叫反向饱和电流，
小功率硅管的
I小CB于O 1μA，锗管的
I约CB1O0μA。
ICBO 的测量电路如图5-21a所示。
（2）穿透电流 I CEO ICEO为基极开路时，由集电区穿过基区
图5-10是单相半波整流电路，该电路由电源变压器T、整
流二极管VD及负载电阻RL组成。
T a iD VD
+
+ + uD -
iO +
ui
u2
RL uO
-
-
-
b
图5-10 单相半波整流电路
(1)．整流原理 设u2= 2U2sinωt
u2 2U2
a) o
2U2
u2的正半周，二极 管因承受正向电压而导
1．电流放大倍数
（1）共发射极直流电流放大倍数
静态时 I C与 I B 的比
值称为共发射极静态电流放大倍数，即直流电流放大倍数
IC
IB
（2）共发射极交流电流放大倍数 （ hef） 动态时，Δ I C
与 I B 的比值称为动态电流放大倍数，即交流电流放大倍数
IC
I B
估算时， 。
体管并不一定会损坏，但 值将降低。
（2）集电极－发射极反向击穿电压 U (BR)CEO 指基极开路 时，加于集电极与发射极间的反向击穿电压，一般为几十伏 至几百伏以上。
（3）发射极－基极反向击穿电压 U (BR)EBO 指集电极开路
时，允许加在发射极－基极之间的最高反向电压，一般为几 伏至几十伏。
uo io
通，忽略二极管正向压
降， uo=u2。
b) o
uD
在u2的负半周，二极 C) o
管因承受反向电压而截 2U2 止， uo=0 。
t
uo io iD
t t 图5-11单相半波整流波形
(2)．负载电压及电流 直流脉动电压：整流电压方向不变，但大小变化。 平均电压Uo：一个周期的平均值Uo表示直流电压的大小。
在 Izmin ～Izmax 范围内变化
2．发光二极管
发光二极管是一种光发射器件，能把电能直接转换成光 能的固体发光器件，它是由镓（Ga）、砷（As）、磷（P） 等化合物制成的，其图形符号如图5-6a所示。由这些材料构 成的ＰＮ结加上正偏电压时，PN结便以发光的形式来释放能 量。
发光二极管的种类按发光的颜色可分为红、橙、黄、绿 和红外光二极管等多种，按外形可分为方形、圆形等。图56b是发光二极管的外形，它的导通电压比普通二极管高。
3 应用实例
第二节 晶体管
一、晶体管的结构和符号
1 ．结构和符号 晶体管的结构示意图如图5-15a所示，分为NPN型管和
PNP型管。为了收集发射区发射过来的载流子以及便于散热， 要求集电结面积较大，发射区多数载流子的浓度比集电区大， 因此使用时集电极与发射极不能互换。晶体管的图形符号如 图5-14b所示，符号中的箭头方向表示发射结正向偏置时的电 流方向。
（或 A'B'）特性曲线所示，此段称为导通段。从图中可以看
出：硅管电流上升曲线比锗管更陡。二极管导通后的电压为 导通电压，硅管一般为0.7V，锗管约为0.3V。
2．反向特性 图5-3
1）当二极管承受反向电压时，其反向电阻很大，此时仅有非 常小的反向电流（称为反向饱和电流或反向漏电流），如曲
线段 OC（或OC'段）所示。实际应用中二极管的反向饱和电
（3）反向电流 I R 指二极管未被击穿时的反向电流值。I R 越小，说明二极管的单向导电性能越好。 I R 对温度很敏感，
温度增加，反向电流会增加很大。
五、特殊二极管
1．稳压二极管
稳压二极
管简称稳压管，
它是一种用特
殊工艺制造的
面结合型硅半
导体二极图管形，符 其图形符号号和
外形
外形封装如图5-
4所示。
Ta
iD4
c
+
பைடு நூலகம்
+
-
+
VD4
uD1
-
iO
u1
u2
+
-
uD3
+ RL uO
-
+
-
VD2
-
b
iD2
d
b)
(2)．负载电压和电流
全波整流电路的整流电压的平均值Uo比半波整流增加一 倍，即
Uo=2×0.45U2=0.9U2
(8-3)
Io=0.9
U2 RL
(8-4)
(3) 二极管承受的最高反向电压
由桥式整流电容滤波电路图5-12可知，二极管承受的最高反 向电压UDM= 2 U2。
压不允许超过击穿电压，否则会造成二极管的损坏（稳压管 除外）。
四、二极管的主要参数
（1）最大整流电流 I FM 它是指二极管长期工作时所允许通过 的最大正向平均电流。实际应用时，流过二极管的平均电流不 能超过这个数值，否则，将导致二极管因过热而永久损坏。
（2）最高反向工作电压U RM 指二极管工作时所允许加的最 高反向电压，超过此值二极管就有被反向击穿的危险。通常 手册上给出的最高反向工作电压 U RM 约为击穿电压U BR 的一半。
2 ．外形 图5-16 几种常见的晶体管的外形结构
1．晶体管的工作电压
Rb Rc
U Rb Rc CC
U CC
NP N V
PNP V
NPN
PNP
图5-17 晶体管的工作电压
2 ．晶体管各个电极的电流分配
实验电路如图5-18所示。此电路称为晶体管的共发射极 放大电路。
RB mA
RP
IB
IC
A
IE
PN IR 小
二、二极管的结构和符号
半导体二极管，其结构与图形符号如图5-1，常见外形如 图5-2。
外壳
(阳极)
+
PN
(阴极)
-
A
VD
(阳极)
+
K
(阴极)
-
阳极引线
阴极引线
a)
b)
结构
图5-1 二极管的结构与图形符号
图形符 号
三、二极管的伏安特性
二极管的主要特性是单向导电性，其伏安特性曲线如图53所示。（以正极到负极为参考方向）。
图5-4 稳压二极管的图形符号与外形
稳压管的伏安特性曲线
I / mA
工作区域
UZ
UB
UA
UZ O
A
IA(IZmin)
IZ
IZ
B
IB(IZmax)
U/V
稳压管的应用
使用时，阴极接外加电压的正极，阳极接外加电压负极， 管子反向偏置，工作在反向击穿状态，利用它的反向击穿特性 稳定直流电压。
二极管在反向击穿状态下，流过管子的电流变化很大，而 两端电压变化很小，稳压管正是利用这一点实现稳压作用的。 稳压管工作时，必须接入限流电阻，才能使其流过的反向电流
成正比关系。
（3） 饱和区 发射结和集电结均处于正向偏置。晶体管失去
I 放大作用， C处于“饱和”状态U。CEO 称为晶体管的饱和
压降，此值很小，约为0.3V。
（4）击穿区 当U CE大于某一值后，ICEO 开始剧 增，这个现
象称为一次击穿。一次击穿过程是可逆的。
晶体管具有“开关”和“放大”功能。
四、晶体管的主要参数
+4
+4
+4
正离子
+4
+5
磷原子 N型
+4
少数载流子
自由电子
载流子数 电子数
▪ 杂质半导体—Ｐ型半导体
+4
+4
+4
负离子
+4
+3
+4
硼原子 P型
空穴
多数载流子 少数载流子 载流子数 空穴数
PN结的形成
▪
PN结
P型
内建电场
N型
空间电荷区
▪ PN结的单向导电性
外加正向电压
▪ 正偏导通，呈低阻状态，电流较大
mA
U CC
图5-18 晶体管电流的实验电路
表5-1 晶体管电流测量数据
I B/mA 0
0.02 0.04 0.06 0.08 0.10
IC/mA <0.01 0.70 1.50 2.30 3.10 3.95
IE/mA <0.01 0.72 1.54 2.36 3.18 4.05
从表5-1中的实验数据可以找出晶体管各极电流分配关系
流入发射区的穿透电流，它是ICBO 的（1+ ）倍，即
ICEO (1 )ICBO
而集电极电流 I C 为
IC IB ICEO
ICEO 的测量电路如图5-21b所示。
3．极限参数
（1）集电极最大允许电流 I CM 当 值下降到正常值的三分
之二时的集电极电流，称为 I CM 。使用时，I C 超过 I CM 时晶
1．正向特性 1）外加正向电压很小时，二极管呈现较大的电阻，几乎没有
正向电流通过。曲线 OA 段（或OA' 段）称作死区，点A
（或 A' ）的电压称为死区电压，硅管的死区电压一般为0.5V，
锗管则约为0.1V。
2）二极管的正向电压大于死区电压后，二极管呈现很小的
电阻，有较大的正向电流流过，称为二极管导通，如 AB 段
发光二极管的应用
应用时，加正向电压，并接入相应的限流电阻，它的正 常工作电流一般为几个毫安至几十毫安。发光强度在一定范 围内与正向电流大小近似成线性关系。
发光二极管作为显示器件，除单个使用外，也常做成七 段式或矩阵式，如用作微型计算机、音响设备、数控装置中 的显示器。
发光二极管的检测一般用万用表R×10k(Ω)档，通常正 向电阻15kΩ左右，反向电阻为无穷大。
光敏二极管的应用
光敏二极管可用于光的测量。 当制成大面积光电二极管时，能将光能直接转换成电能， 可作为一种能源使用，称为光电池。 光敏二极管的检测 通常用万用表R×1k(Ω)档检测，要 求无光照时反向电阻大，有光照时反向电阻小，若电阻差别 小，则表明光敏二极管的质量不好。
六、 二极管的应用
1、单相半波整流电路
u2 正半周， u2的实际极性为 a 正b 负，二极管 VD1 和 VD3 导通，VD2 、VD4截止，uo=u2。波形如图5-13b中的0～ π段。
+ u1
-
Ta + +
u2
-
-
b
iD1
- VD1
+uD4
VD 3
+ uD2
iD3
a)
c
iO + RL uO -
d
u2的负半周，u2实际极性为 a 负b 正，二极管VD2 、 VD4导通，VD1 、VD3截止，uo= - u2。波形如图5-13b中的 π～2π段。
常用半导体元器件
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第一节 半导体二极管及应用
一 、半导体
半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间 的物质称为半导体。常用的半导体有硅、锗等。
本征半导体
一种完全纯净的、结构完整的半导体晶体 本征半导体虽有大量的价电子，但没有自由 电子，此时半导体是不导电的。
▪ 杂质半导体—N型半导体 多数载流子