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３、 PN结及其单向导电性
（1）．PN结的形
半导体中载流成子有扩散运动和漂移运动两 种运动方式。载流子在电场作用下的定向 运动称为漂移运动。 在半导体中，如果载流子浓度分布不均匀， 因为浓度差，载流子将会从浓度高的区域 向浓度低的区域运动，这种运动称为扩散 运动。 将一块半导体的一侧掺杂成P型半导体， 另一侧掺杂成N型半导体，在两种半导体
第5章 半导体器件
５.1 晶体二极管 ５.２晶体三极管 ５.３场效应管 ５.４晶闸管
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第5章 半导体器件
学习要点
二极管的工作原理、伏安特性、 主要参数 三极管的放大作用、输入和输出 特性曲线及主要参数 晶体二极管、三极管的识别与简 单測試 场效应管和晶闸管的工作原理、 伏安特性、主要参数
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5.1 晶体二极管
最常用的绝缘栅型场效应管是由金属-氧化物-半导体材料构成， 简称MOS管。由P沟道、N沟道构造的PMOS和NMOS二种类型。 其中每一类型又分增强型和耗尽型两种。(CMOS是由PMOS和 NMOS管组成的互补对称的集成电路）
热敏性：当环境温度升高时，导电能力明显 増强。 光敏性：当受到光照时，其导电能力明显 变化。(可制成各种光敏元件，如光敏电阻、 光敏二极管、光敏三极管、光电池等)。
掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质， 使其导电能力明显改变。
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2、Ｐ型半导体和Ｎ型半导体
（1） N型半导体 在纯净半导体硅或锗（4价）中掺入磷、砷等5价元素，由于这类元素 的原子最外层有5个价电子，故在构成的共价键结构中，由于存在一 个多余的价电子而产生大量自由电子，这种半导体主要靠自由电子导 电，称为电子半导体或N型半导体，其中自由电子为多数载流子，热 激发形成的空穴为少数载流子。
符号：
阳极
PZ=UZIZM
阴极
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２、发光二极管（LED）
当发光二极管的PN结加上正向电压时，电子与空穴复合过程以光 的形式放出能量。 不同材料制成的发光二极管会发出不同颜色的光。 发光二极管具有亮度高、清晰度高、电压低（1.5～3V）、反应快、 体积小、可靠性高、寿命长等特点，是一种很有用的半导体器件， 常用于信号指示、数字和字符显示。
Байду номын сангаас
10
0 0.4 0.8 UBE /V
三极管的输入特性曲线
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1. 各电极电流关系
IB(mA) IC(mA) IE(mA)
0
<0.001 <0.001
0.02 0.70 0.72
0.04 0.06 0.08 0.10 1.50 2.30 3.10 3.95 1.54 2.36 3.18 4.05
结论:
5.1.4 半导体二极管的主要参数
（1）最大整流电流IM：指管子长期运行时，允许通过的最大正向平均 电流。 （2）反向击穿电压UBR：指管子反向击穿时的电压值。 （3）最大反向工作电压URM：二极管运行时允许承受的最大反向电压 （约为UBR 的一半）。 （4）最大反向电流IRM：指管子未击穿时的反向电流，其值越小，则管 子的单向导电性越好。 （5）最高工作频率fm：主要取决于PN结结电容的大小。
集电区： 面积最大
集电结 基极 B
集电极 C
N P N
基区：最薄， 掺杂浓度最低
发射结
E 发射极
发射区：掺 杂浓度最高
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5.2.2 晶体三极管三个电极间的电流关系和电流放大作用
IC mA
IB μA
+ UCE
RC
RB
+
－V
V UBE
UCC
UBB
－
测量三极管特性的实验电路
IB /mA
40
30 20
UCE≥1V
压）时，外电场不足以克服内电场对
I /mA
多子扩散的阻力，PN结处于截止状
40
态 。正向电压大于阈值电压后，正向
30
电流 随着正向电压增大迅速上升。通
20
常阈值电压硅管约为0.5V，导通时电 -60 -40 -20 10
压0.6V；锗管阈值电压约为0.2V，导 通时电压0.3V 。
0 0.4 反向特性
（1）集电极最大允许电流 ICM：下降到额定值的2/3时所允许的最大集电极电 流，电路不能正常工作。
（2）反向击穿电压U（BR）CEO：基极开路时，集电极、发射极间的最大允许反 向电压，大了可能烧坏管子。
（3）集电极最大允许功耗PCM =IC UCE：决定了管子的温升极限。在輸出特性 曲线上是一条双曲线，划定了安全区。
表示同型号中的档
数上的差别
别
例如：２ＣＫ８４表示开关硅二极管
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5.2 晶体三极管
5.2.1 三极管的结构原理
半导体三极管是由两个背靠背的PN结构成的。重 要特性是具有电流放大作用和开关作用，常见的有 平面型和合金型两类。在工作过程中，两种载流子 （电子和空穴）都参与导电，故又称为双极型晶体 管，简称晶体管或三极管。
IB < 0 以下区域为截止区，有 IC 0 。
（3）饱和区：发射结正向偏置，集电结正向偏置
当UCE UBE时，晶体管工作于饱和状态。
截止区
IC /mA 4 3
2 1
饱和区 100μA
80μA
放
60μA
大
40μA
区 20μA
IB=0
0
36
9 12 UCE /V
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5.2.4 三极管的主要参数
1、电流放大系数β：iC= β iB 有直流和交流之分，在小功率范围內认为相等。 （有的用hfe表示） 2、极间反向电流iCBO、iCEO： iCEO也叫穿透电流，与ICBO、 β及温度有关。 iCEO=（1+ β ）iCBO 3、极限参数
理想二极管：正向导通时为短路特性，正向电阻为零，正向压降忽略 不计；反向截止时为开路特性，反向电阻为无穷大，反向漏电流忽略 不计。
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例1： D A +
3k
6V
UAB
12V
–
B
电路如图，求：UAB
取 B 点作参考点， 断开二极管，分析二 极管阳极和阴极的电 位。
V阳 =－6 V V阴 =－12 V V阳>V阴 二极管导通 若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB =－ 6V 否则， UAB低于－6V一个管压降，为－6.3Ｖ或－6.7V
流放大作用。
5.2.3 三极管的特性曲线（NPN）
1．输入特性曲线
与二极管加正向电压类似
IC
mA
IB μA
+ UCE
RC
RB
+
－V
V UBE
UCC
UBB
－
IB /mA
40
30 20
UCE≥1V
10
0 0.4 0.8 UBE /V
测量三极管特性的实验电课路 件
三极管的输入特性曲线
测量晶体管特性的实验线路
（2）反向特性（截止）
正向特性 0.8 U /V
外加反向电压时， PN结处于截止状态。 1、温升使反向电流增加很快；2、反向电流 很小且稳定。
（3）反向击穿
反向电压大于击穿电压（UBR）时，反向电流急剧增加。原因为电击 穿。1、强外电场破坏键结构；2、获得大能量的載流子碰撞原子产 生新的电子空穴对。如无限流课措件施，会造成热击穿而损坏。
激发形成的自由电子是少数载流子。
空穴 自由电子
多数载流子（简称多子） 少数载流子（简称少子）
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＋＋＋ ＋
＋＋＋ ＋ ＋＋＋ ＋
N 型半导体
P 型半导体
无论是P型半导体还是N型半导体都是中性的， 通常对外不显电性。
掺入的杂质元素的浓度越高，多数载流子的数 量越多。
只有将两种杂质半导体做成PN结后才能成为 半导体器件。
在这里，二极管起钳位作用。
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5.1.5稳压管和发光二极管
１、稳压管
稳压管是一种用特殊工艺制造的半导体二极管，稳压管的稳定电压
就是反向击穿电压。稳压管的稳压作用在于：电流增量很大，只引起很
小的电压变化。稳压管的反向击穿应是可逆的，工作电流能控制在一定
范稳围压内管。的主要参数： （1）稳定电压UZ。反向击穿后稳定工作的电压。 （2）稳定电流IZ。工作电压等于稳定电压时的电流。 （3）动态电阻rZ。稳定工作范围内，管子两端电压的变化量与相应电流 的变化量之比。即：rZ=ΔUZ/ΔIZ （4）额定功率PZ和最大稳定电流IZM。额定功率PZ是在稳压管允许结温 下的最大功率损耗。最大稳定电流IZM是指稳压管允许通过的最大电流。 它们之间的关系是：
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扩散与漂移达到动态平衡 形成一定宽度的PN结
多子
形成空间电荷
扩散
区产生内电场
阻止
促使 少子
漂移
P区
N区
＋ ＋＋
＋ ＋＋
＋ ＋＋
载流子的扩散运动
P 区 空间电荷区 N 区
＋＋ ＋ ＋＋ ＋ ＋＋ ＋
内电场方向 PN 结及其内电场
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2．PN结的单向导电 ①外性加正向电压（也叫正向偏置）
外加电场与内电场方向相反，内电场削弱，扩散 运动大大超过漂移运动，N区电子不断扩散到 P区，P区空穴不断扩散到N区，形成较大的正 向电流，这时称PN结处于低阻导通状态。
两个PN结，把半导体分成三个区域（三区二 结）。这三个区域的排列，可以是N-P-N，也可以 是P-N-P。因此，双极型三极管有两种类型：NPN 型和PNP型。
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C
NPN型
集电结
N
集电区
C
B
P 基区 B
发射结 N
发射区
E
E
C
集电区
C
PNP型