电子技术基础-半导体器件

图1.5 二极管的外形
二极管是由一个PN结构成的，从P区引出的电极为二极管 正极，从N区引出的电极为二极管负极，然后用管壳将其封装起 来。
二极管通常用塑料、玻璃或金属材料作为封装外壳，外壳 上印有标记以便区分正负电极。
2．二极管的图形符号 在电路图中并不需要画出二极管的结构，而是用统一规定
的图形符号和文字符号来表示。 二极管的图形符号如图1.6所示，箭头的一边代表正极，另
陈振源褚丽歆 主编 张连飞陈春霞副主编
第1章 半导体器件
本章首先介绍二极管的结构及单向导电性、二极管的主要 参数、特殊二极管的应用，然后介绍三极管的结构及电流放大 作用、三极管的特性和主要参数，最后介绍场效应管的分类、 特性以及晶闸管的结构和导电特性。
知识目标
Ø 熟识二极管器件的外形和电路符号。 Ø 掌握二极管的单向导电性和主要参数，了解伏安特性。 Ø 了解稳压二极管的功能及使用常识。 Ø 了解特殊二极管及应用。 Ø 了解三极管的结构，掌握三极管符号、电流分配关系及放大作用。 Ø 了解三极管的输入/输出特性、主要参数，掌握三极管的3种工作状态。
此后，反向电压只要稍有增加（如增加了ΔUZ），反向电流 就会增加很快（如图中的ΔIZ），这种现象就是电击穿，电压UZ 称为击穿电压。
通过稳压二极管的反向电流在很大范围内变化（IZmin～ IZmax），而稳压二极管两端电压变化则很小，仅为图中的ΔUZ。 据此，我们可以认为，稳压二极管两端的电压基本保持不变。
p知识探究
（1）正向特性（见图1.9中OAB段）。
①当二极管两端所加的正向电压由零开始增大时，在正向电压比 较小的范围内，正向电流很小，二极管呈现很大的电阻，如图中 OA段，通常把这个范围称为死区，相应的电压叫做死区电压。硅 二极管的死区电压约为0.5V，锗二极管的死区电压为0.1～0.2V。
图1.9 二极管的伏安特性曲线
图1.1所示的生活情景体现了计算机、手机、MP3等电子产 品的广泛使用。
而这些产品都离不开电子元器件，下面我们一起来学习讨 论构成这些产品的基本半导体器件—二极管、三极管等。
图1.1 生活情景
1.1 二极管
人们根据物质导电性能，通常将其分为导体、绝缘体和半导体3 大类。
导电性能良好的物质称为导体，如金、银、铜、铝等。几乎不导 电的物质称为绝缘体，如陶瓷、橡胶、塑料等。
2．二极管的主要参数
二极管有很多的参数，这些参数可以用来表示二极管的工 作性能，以整流二极管为例，最主要的参数有以下两个。
（1）最大整流电流（IFM）。IFM是指二极管长期工作时，允许 通过二极管的最大正向平均电流，通常称做额定工作电流。不 同型号的二极管其IFM差异很大，如果电路中实际工作电流超过 了IFM，那么二极管发热过多就可能烧坏PN结，使二极管永久损 坏。
PN结型光电二极管同普通二极管一样，也是PN结构造， 只是结面积较大，工作时加反向电压，在光照下产生光电流， 光电流随光照强度的增加而上升。
管壳上有光窗，从而使入射光容易注入PN结的耗尽区中进 行光电转换，结面积大增加了有效光面积，提高了光电转换效率。
在有光照时，光敏二极管在一定的反偏电压范围内（UR≥5V）， 其反向电流将随光照强度的增加而线性增加，这时的反向电流又叫 做光电流。
①当给二极管加反向电压时，所形成的反向电流是很小的，而 且在很大范围内基本不随反向电压的变化而变化，即保持恒定， 如曲线OC段，称其为反向截止区，此处的IR称为反向饱和电流。
②当反向电压大到一定数值（UBR）时，反向电流会急剧增大， 如图中CD段，这种现象称为反向击穿，相应的电压叫做反向击 穿电压。正常使用二极管时（稳压二极管除外），是不允许出 现这种现象的，因为击穿后电流过大将会损坏二极管。
5．二极管的简易测量
用万用表来检查二极管的质量或判别正、负极。
1.1.4 稳压二极管
1．稳压二极管的结构
稳压二极管是一种用特殊工艺制造的面接触硅材料二极管， 由于它具有稳定电压的功能，所以把这种类型的二极管称为稳压 管，在稳压设备和一些电子电路中经常用到。
小型稳压管与二极管外型相似，其图形符号和实物图如图1.11 所示。
导电性能介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体，如硅（Si）、 锗（Ge）等。
图1.2所示为用于制造半导体器件的硅单晶材料。
图1.2 硅单晶材料
纯净半导体也叫做本征半导体，这种半导体只含有一种原 子，且原子按一定规律整齐排列。
在常温下，半导体的导电能力很弱；在环境温度升高或有 光照时，其导电能力随之增强。
Ø 了解场效应管的分类、主要参数和工作特点。 Ø 了解晶ห้องสมุดไป่ตู้管的结构、导电特性及主要参数。
技能目标
Ø会使用万用表检测二极管的好坏和判别极性。 Ø会测量三极管的引脚及检测质量好坏。 Ø会查阅半导体器件手册，能按要求选用二极管、三极管。 Ø学会使用信号发生器、万用表和示波器。
科学技术的发展使我们的生活越来越丰富多彩，也越来越 方便。
一边代表负极，而箭头所指方向是正向电流的方向。二极管的 文字符号通常用VD表示。
图1.6 二极管的图形符号
3．二极管分类
①按材料分，有锗材料二极管和硅材料二极管两大类。 ②按结构分，有点接触型和面接触型结构。 ③按功能分，有整流管、变容管、开关管、雪崩管、光敏二极 管等。
1.1.2 二极管的单向导电性
4．二极管应用
二极管因具有单向导电性，所以成为整流电路（详见第5章）的 主要元器件，而整流电路是组成直流稳压电源的一部分。此外，二 极管还有其他应用，如钳位、限幅等。
在电子设备中较常用的二极管如下。 ①普通二极管：如2AP等系列，主要用于高频检波。 ②整流二极管：如2CZ、2DZ等系列，主要用于整流电路。 ③开关二极管：如2AK、2CK等系列，用于开关电路。 ④稳压二极管：如2CW、2DW等系列，用于各种稳压电路。
②外加正向电压超过死区电压以后，二极管呈现很小的电阻， 正向电流ID迅速增加，这时二极管处于正向导通状态，如图中 AB段为导通区，此时二极管两端电压降变化不大，该电压值称
为正向压降（或管压降）。常温下硅二极管的正向压降为0.6～
0.7V，锗二极管的正向压降为0.2～0.3V。
（2）反向特性（见图1.9中OCD段）。
（1）稳定电压（UZ）。该参数是指稳压二极管正常工作时其两端具有 的电压值。每个稳压二极管只有一个稳定电压，但即使同一型号的稳 压管，由于制造上的原因，难以使稳定电压为同一数值，而是有一定 的分散性，在使用时要注意。 （2）稳定电流（IZ）。该参数是指稳压二极管正常工作时稳定电流的 参考值。 （3）最大稳定电流（IZM）。该参数是指稳压二极管允许长期通过的最 大工作电流。 （4）额定功耗。该参数是由稳压二极管允许温升决定的。
图1.14 LED的典型应用
判别LED的好坏可用万用表的R10k挡，当正向电阻小于50k， 反向电阻大于200k为正常；如果正向、反向电阻均为无穷大，表
明此管已坏。
图1.15 光电二极管
2．光电二极管
光电二极管又称为光敏二极管，其PN结工作在反向偏置状 态。目前使用最多的是硅（Si）光电二极管。以下简介PN结型 光电二极管，其图形符号如图1.15（a）所示，图1.15（b）所示 为其实物图。
应用半导体的掺杂技术可在一块硅片上形成P型半导体和 N型半导体，在二者的交界面上会形成一个具有特殊导电性能 的薄层，这个薄层被称为PN结，如图1.4所示，二极管的核心正 是PN结。
图1.4 PN结
1.1.1 二极管的结构及符号
1．二极管的结构 图1.5所示为用于家用电器、稳压电源等电子产品中的各种不 同外形的二极管。
可见，稳压二极管能稳定电压正是利用其反向击穿后电流剧变，
而两端电压几乎不变的特性来实现的。
p归纳
稳压二极管工作在特性曲线的反向击穿区。这表明稳压二 极管在击穿状态下，流过稳压二极管的电流在较大范围内变化 （ΔIZ）时，而稳压二极管两端电压（ΔUZ）几乎不变，这就是 稳压二极管的稳压作用。
3．稳压二极管的主要参数
知识拓展——杂质半导体和半导体的奇妙特性
1．在硅或锗这些本征半导体中，掺入微量的杂质元素后所得 的半导体称为杂质半导体，它有N型半导体和P型半导体两种类 型。
在硅本征半导体中，掺入微量的五价元素（磷或砷），就 形成N型半导体。N型半导体中的自由电子数量多，空穴数量少， 参与导电的主要是带负电的自由电子，如图1.3（a）所示。
p知识探究
（1）加正向电压导通
在二极管的两端加电压是为给二极管以偏置。如果将电源 高电位与二极管的正极相连，电源低电位与二极管的负极相连， 称为正向偏置，简称正偏，如图1.8（a）所示。此时，二极管 内部呈现较小的电阻，有较大的电流通过，二极管的这种状态 为正向导通状态。实验表明在电源给二极管外加正向电压的情 况下，二极管的电阻很小容易导电，此时灯亮，即二极管正向 导通。
（2）加反向电压截止
如果将电源低电位与二极管的正极相连，电源高电位与二 极管的负极相连，称为给二极管外加反向偏置，简称反偏，如 图1.8（b）所示。此时，二极管内部呈现较大的电阻，几乎没 有电流通过，二极管的这种状态称为反向截止状态。实验表明 在电源给二极管外加反向电压的情况下，二极管的电阻很大， 与绝缘体相似几乎不导电，此时灯不亮，即二极管反向截止。
1.1.5 其他特殊二极管
1．发光二极管
发光二极管（LED）是将电信号变成 光信号的一种半导体器件，工作在正向偏 置状态，它具有功耗低、体积小、工作可 靠等特点。
图1.13（a）所示为发光二极管的图形 符号，图1.13（b）所示为实物图。
图1.13 发光二极管
LED在日常生活中无处不在，广泛应用在家用电器、照明、 显示屏等领域，如图1.14所示。
在硅本征半导体中，掺入微量的三价的元素（铟或硼）， 就形成P型半导体。P型半导体中的空穴数量多，自由电子数量 少，参与导电的主要是带正电的空穴，如图1.3（b）所示。