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1、第一章 半导体二极管、三极管,1.1 半导体二极管,1.2 特种二极管,1.3 双极型半导体三极管,1.1.1 半导体基础知识,1半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质。常用的半导体材料有硅（Si）、锗（Ge）、 硒（Se）和砷化镓（GaAs）等。,1.1 半导体二极管,5空穴产生：价电子获得能量挣脱原子核吸引和共价键束缚后留下的空位，空穴带正电。,2本征半导体： 纯净的不含任何杂质、晶体结构排列整齐的半导体。,3共价键：相邻原子共有价电子所形成的束缚。,4半导体中有自由电子和空穴两种载流子参与导电。,图1.1.1 共价健结构与空穴产生示意图,6半导体的特性,7杂质半导体的分类： (1)N
2、型半导体(N-type semiconductor)：在四价的本征半导体(硅)中掺入微量五价元素(磷)，就形成了N型半导体。 (2)P型半导体(P-type semiconductor)：在四价的本征半导体(硅)中掺入微量三价元素(硼)就形成P型半导体。,8杂质半导体中多数载流子的产生见图1.1.2。,图1.1.2 掺杂半导体共价健结构示意图 (a)N型半导体 (b)P型半导体,9总结： (1)N型半导体中自由电子为多数载流子，简称多子，空穴为少数载流子，简称少子。 (2)P型半导体中空穴为多子，自由电子为少子。 (3)杂质半导体中，多子的浓度主要由掺杂浓度决定，而少子只与温度有关。 (4)空
3、位与空穴：P型半导体形成共价键过程中所形成的空缺的位子为空位，而邻近共价键中电子填补这一空位而形成的空位称为空穴。,1.1.2 二极管的结构、类型、电路符号,1通过一定的生产工艺把半导体的P区和N区部分结合在一起，则它们的交界处就会形成一个具有单向导电性的薄层，称为PN结（PN Juntion）。,图1.1.3 二极管内部结构示意图和电路符号 (a)内部结构 (b)电路符号,2以PN结为管芯，在P区和N区均接上电极引线，并以外壳封装，就制成了半导体二极管，简称二极管（Diode）。,3二极管电路符号：箭头方向表示二极管导通时的电流方向。,4二极管的分类,(1)按所用材料不同划分：硅管和锗管；
4、(2)按制造工艺不同划分： 点接触型：结电容（Junction capacitance）很小，允许通过的电流也很小（几十毫安以下），适用于高频检波、变频、高频振荡等场合。2AP系列和2AK系列； 面接触型：允许通过的电流较大，结电容也大，工作频率较低，用作整流器件。如国产硅二极管2CP和2CZ系列；硅平面型，2CK系列开关管。,图1.1. 4 二极管结构 (a) 点接触型 (b)硅面接触型 (c)硅平面型,5国产半导体器件命名方法。,2AP9,“2”表示电极数为2,“A”表示N型锗材料,“P”表示普通管,“9”表示序号。 查附录表练习：说明半导体器件的型号2AP8A和2CZ82F各部分的含义。
5、,1.1.3 二极管的伏安特性,一、二极管的单向导电性 图(a)中的开关闭合，灯亮，大电流；图(b)开关闭合，灯不亮，电流几乎为零。,图1.1.5 半导体二极管单向导电性实验 （a)二极管正向偏置 （b)二极管反向偏置,二极管阳极电位高于阴极电位，称为二极管(PN结)正向偏置，简称正偏(Forward bias)；二极管阳极电位低于阴极电位，称为二极管(PN结)反向偏置，简称反偏(Reverse bias)。 二极管正偏导通，反偏截止的这种特性称为单向导电性(Onilateral conductivity)；,二、二极管的伏安特性(Volt-ampere characteristics),二极
6、管的伏安特性曲线如图1.1.6所示，分为三部分： (a)正向特性：OA段为死区，此时正偏电压称为死区电压Uth，硅管0.5V，锗管0.1V。AB段为缓冲区。BC段为正向导通区。当uUth时，二极管才处于完全导通状态，导通电压UF基本不变。硅管为0.70.8V,一般取0.7V，锗管为0.20.3V，通常取0.2V。当二极管为理想二极管时，UF=0。 (b)反向特性：如图OD段所示，二极管处于截止状态，在电路中相当于开关处于关断状态。 (c)反向击穿特性：如图所示，反向电流在E处急剧上升，这种现象称之为反向击穿（Reverse breakdown），此时所对应的电压为反向击穿电压UBR。对于非特殊
7、要求的二极管，反向击穿时会使二极管PN结过热而损坏。,图1.1.6 半导体二极管伏安特性,1.1.4 温度对二极管特性的影响 1、温度升高1，硅和锗二极管导通时的正向压降UF将减小2.5mv左右。 2、温度每升高10，反向电流增加约一倍。 3、温度升高UBR下降。,1.1.5 二极管主要参数,1最大整流电流IF IF为指二极管长期运行时允许通过的最大正向直流电流。IF与PN结的材料、面积及散热条件有关。大功率二极管使用时，一般要加散热片。在实际使用时，流过二极管最大平均电流不能超过IF，否则二极管会因过热而损坏。 2最高反向工作电压URM（反向峰值电压） URM为二极管在使用时允许外加的最大反
8、向电压。URM=UBR。在实际使用时，二极管所承受的最大反向电压值不应超过URM，以免二极管发生反向击穿。 3反向电流IR IR是指在室温下，二极管未击穿时的反向电流值。 4最高工作频率 二极管的工作频率若超过一定值，就可能失去单向导电性，这一频率称为最高工作频率。主要由PN结的结电容的大小来决定。点接触型二极管结电容较小，可达几百兆赫兹。面接触型二极管结电容较大，只能达到几十兆赫兹。,1.1.6 二极管的应用,一、二极管限幅电路 1.单向限幅电路,图1.1.7 单向限幅电路 （a）电路图 （b）波形图,2.双向限幅电路,图1.1.8 双向限幅电路 （a）电路图 （b）波形图,二、低电压稳压电
9、路,图1.1.9 二极管构成的稳压电路,利用半导体二极管在正偏导通时导通电压基本不变的特性 可组成低电压稳压电路，电路如图1.1.9所示。图中R为限流电阻， 防止二极管过流而损坏。若VD1、VD2为硅管，UO=1.4V。,附：二极管引脚识别及性能简易测试,二极管性能简易测试示意图,可使用万用表电阻档通过测量二极管的正、反向电阻值，来判别其阳极、阴极。 可使用万用表R1k、R100档对二极管性能进行简易测试。,1.2.1 稳压二极管（Voltage regulator diode）,稳压二极管就是通过半导体特殊工艺处理后，使它具有很陡峭的反向击穿特性的二极管。又称齐纳二极管（Zener diod
10、e），简称稳压管。稳压二极管的电路符号与其伏安特性如图1.2.1所示。常用稳压二极管有2CW和2DW系列。,1.2 特种二极管,图1.2.1 稳压二极管电路符号与伏安特性 （a)电路符号 （b)伏安特性,稳压二极管实物图,1稳压管的工作条件： (1)外加电压反偏且大于反向击穿电压，即工作在反向击穿区。 (2)工作电流I必须满足：IZIIZmax。,2稳压管主要参数 (1)稳定电压UZ 它是指稳压管中电流为规定值IZ时的反向击穿电压。 (2)稳定电流IZ 它是指保持稳定电压UZ时的电流。也就是管子的最小稳定电流IZminIZ。当反向击穿电流小于IZmin时，管子不能稳压或效果不好。 (3)最大耗
11、散功率PM和最大工作电流IZM PM为稳压管所允许的最大功率，IZM为稳压管允许流过的最大工作电流，超过PM或IZM时，管子因温度过高而损坏。 PMUZIZM,(4)动态内阻rZ 它是指稳压管两端电压变化量UZ与相应电流变化量IZ之比值。它反映管子的稳压性能，rZ越小，稳压性能越好。 (5)稳定电压的温度系数CTV 稳压管中流过的电流为IZ时，环境温度每变化1，稳定电压相对变化量（用百分数表示）称为稳定电压的温度系数。它表示温度变化对稳定电压UZ的影响程度。,通常UZ5V的稳压管具有负温度系数，UZ8V的稳压管具有正温度系数，而UZ在6V左右时稳压管（如2DW7型）的温度系数最小。,1.2.2
12、 变容二极管,1变容二极管原理、电路符号 变容二极管是利用PN结反偏时结电容大小随外加电压而变化的特性制成的。其电路符号如图1.2.2所示。,图1.2.2 变容二极管电路符号,2用途 它主要在高频电路中用作自动调谐、调频、调相等，例如在电视接收机的调谐回路中作可变电容等。,1.2.3 肖特基二极管,肖特基二极管是利用金属和N型或P型半导体接触形成具有单向导电性的二极管，因此也称金属半导体二极管。其电路符号如图1.2.3所示。,图1.2.3 变容二极管电路符号,它在数字集成电路中与晶体三极管做在一起，形成肖特基晶体管，以提高开关速度。还可用作高频检波和续流二极管等。,1.2.4 快速恢复二极管,
13、快速恢复二极管电路符号如图1.2.4所示，它与普通二极管相似，但制造工艺与普通二极管有所不同，在靠近PN结的掺杂浓度很低，以此获得较高开关速度和较低的正向压降。它的反向恢复时间为200750nS，高速的可达10nS，与肖特基二极管相比，其耐压值要高得多。 它主要用作高速整流元件，在开关电源和逆变电源中作整流二极管，以降低关断损耗，提高效率和减小噪声。,图1.2.4 变容二极管电路符号,1.2.5 SMT与微型二极管简介,图1.2.5 圆柱型微型二极管,图1.2.7 SOT-23封装型二极管内部结构,图1.2.6 SOT-23封装微型二极管,微型元器件实物图,半导体三极管分为双极型三极管(Bip
14、olar junction transistor，BJT)和单极型三极管。 双极型三极管又称为晶体三极管，简称三极管(或晶体管)，它是多数载流子与少数载流子均参与导电的三极管。 单极型三极管又称为场效应管(Field effect transistor，FET)，它工作时只有多数载流子参与导电。,1.3 半导体三极管,1三极管的分类 (1)按结构(导电类型)划分：NPN和PNP。 (2)按所用半导体材料划分：硅管和锗管。 (3)按用途划分：放大管和开关管。 (4)按工作频率划分：低频管和高频管。 (5)按功率大小划分：小功率管、中功率管、大功率管。,1.3.1 三极管的结构、电路符号及分类,2
15、三极管的结构、电路符号,三极管结构与符号如图1.3.1所示。它们有三区：集电区、基区、发射区；三极：各对应引出的电极分别称为集电极c（Collector）、基极b（Base）和发射极e（Emitter）；两结：发射区与基区之间的PN结称为发射结Je，基区与集电区之间的PN结称为集电结Jc。,图1.3.1 三极管的内部结构与符号 （a）NPN型 （b） PNP型,三极管实物图片,注意： (1)两种管子的电路符号用发射极箭头方向的不同以示区别，箭头方向表示发射结正偏时发射极电流的实际方向。 (2)三极管具有信号放大作用。 (3)保证放大的制造工艺：基区很薄且掺杂浓度低，发射区掺杂浓度高，集电结的面
16、积比发射结的面积大等。 (4)在使用时三极管的发射极和集电极不能互换。,3三极管命名方法参阅附录。 查表练习： 3AX85C、3DX200B、3AK10、3AG53E、3AD50A、3DD101C。,1.3.2 三极管的电流放大作用及其放大的基本条件,一、三极管各电极上的电流分配,NPN型三极管的电流分配实验电路如图1.3.2所示，图中，IB为基极电流，IC为集电极电流，IE为发射极电流，它们的方向如图中箭头所示。UBE为发射结的正偏压，UCE为集电极与发射极之间的电压。,图1.3.2 三极管电流分配实验电路,调节实验电路的电位器RP可以改变UBE并产生相应的基极电流IB，而IB的变化又将引起IC和IE的变化。每产生一个IB值，就有一组IC和IE值与之对应，该实验所得数据见表1.3.1。,由上表得出规律：I
