常用半导体基础知识，二极管，三极管，场效应管

半导体基础知识

本征半导体：

纯净的、不含杂质的半导体称为本征半导体，硅（Si）和锗（Ge）是两种最常用的本征半导体。

但在常温下，由于热运动价电子被激活，有些获得足够能量的价电子会征脱共价键成为自由电子，与此同时共价键中就流下一个空位，称为空穴。这种现象称为本征激发。能够运动的、可以参与导电的带电粒子称为载流子。本征半导体有两种载流子参与导电，即自由电子和空穴。半导体材料具有热敏性、光敏性、压敏性、磁敏性和掺杂性。

杂质半导体：

N型半导体

在本征半导体硅（或锗，此处以硅为例）中掺入微量的5价元素磷（P），如图（a）所示。

这时的半导体中，自由电子数远超过空穴数，因此它是以电子导电为主的杂质型半导体。因为电子带负电（negative electricity），所以称为N型半导体。N型半导体中，自由电子是多数载流子（简称多子），空穴是少数载流子（简称少子）。杂质离子带正电。

2. P型半导体

在本征硅中掺入三价元素硼（B），如图（b）所示。这时半导体中的空穴数远大于自由电子数，因此它是以空穴导电为主的杂质型半导体，因为空穴带正电（positive electricity），所以称为P型半导体。P型半导体中，空穴是多数载流子（多子），自由电子是少数载流子（少子）。杂质离子带负电。

今后，为简单起见，通常只画出其中的正离子和等量的自由电子来表示N型半导体；同样，只画出负离子和等量的空穴来表示P型半导体，分别如下图（a）和（b）所示。

PN结:

如果将本征半导体的一侧掺杂成为P型半导体，而另一侧掺杂成为N型半导体，则在二者的交界处将形成一个PN结。

PN结的形成

将P型半导体和N型半导体制作在一起，在两种半导体的交界面就出现了电子和空穴的浓度差。P区中的多子（即空穴）将向N区扩散，而N区中的多子（即自由电子）将向P区扩散。扩散运动的结果就使两种半导体交界面附近出现了不能移动的带电离子区，P区出现负离子区，N区出现正离子区，如图所示。这些带电离子形成了一个很薄的空间电荷区，产生了内电场。这个空间电荷区就是PN结。资讯配图

2. PN结的单向导电性

在PN结两端外加电压，称为给PN加上偏置。当P区电位高于N区时称为正向偏置；反之，当N区电位高于P区时称为反向偏置。PN结最重要的特性就是单向导电性。

（1）PN结正向偏置。给PN结加正向偏置电压，如图（a）所示。这时正向电流I较大，PN结在正向偏置时呈现较小电阻，PN结变为导通状态。

（2）PN结反向偏置。给PN结加反向偏置电压，如图（b）所示。这时内电场增强，有利于少子的漂移而不利于多子的扩散。由于电源的作用，少子的漂移形成了反向电流IS。但是，少子的浓度非常低，使得反向电流很小，一般为微安数量级。所以可以认为PN结反向偏置时基本不导电。

半导体二极管

二极管的结构和符号：

二极管的伏安特性:

1. 正向特性

当外加正向电压时，二极管内有正向电流通过。正向电压较小，且小于Uon时，二极管的正向电流很小，此时二极管工作于死区，称Uon为死区的开启电压。硅管的Uon约为0.5V，锗管约为0.2V。当正向电压超过Uon后，电流将随正向电压的增大按指数规律增大，二极管呈现出很小的电阻。硅管的正向导通电压UD为0.6V～0.8V（常取0.7V），锗管为0.1V～0.3V。正向导通电压通常也称为二极管的正向钳位电压。

2. 反向特性

当外加反向电压时，二极管中由少子形成反向电流。反向电压增大时，反向电流稍有增加，当反向电压增大到一定程度时，反向电流将基本不变，即达到饱和，因而称该反向电流为反向饱和电流，用IS表示。反向饱和电流越小，管子的单向导电性越好。

当反向电压增大到图中的UBR时，在外部强电场作用下，少子的数目会急剧增加，因而使得反向电流急剧增大。这种现象称为反向击穿，电压UBR称为反向击穿电压。

实验证明，当温度升高时，正向特性曲线向左平移，反向特性曲线向下平移，如图（b）所示。

二极管的主要参数:

（1）最大整流电流IF。指二极管长期运行时，允许通过管子的最大正向平均电流。使用时，管子的平均电流不得超过此值，否则可能使二极管过热而损坏。
（2）最高反向工作电压UR。工作时加在二极管两端的反向电压不得超过此值，否则二极管可能被击穿。为了留有余地，通常将击穿电压UBR的一半定为UR。
（3）反向电流IR。IR是指在室温条件下，在二极管两端加上规定的反向电压时，流过管子的反向电流。通常希望IR值越小越好。反向电流越小，说明二极管的单向导电性越好。此时，由于反向电流是由少数载流子形成，所以IR受温度的影响很大。
（4）最高工作频率fM。当二极管在高频条件下工作时，将受到极间电容的影响。fM主要决定于极间电容的大小。极间电容越大，则二极管允许的最高工作频率越低。当工作频率超过fM时，二极管将失去单向导电性。

限幅电路:

当输入电压在一定范围内变化时，输出电压随输入电压做相应变化；而当输入电压超出该范围时，输出电压保持不变，这种电路就是二极管的限幅电路。图（a）所示为一个双向限幅电路的例子，图（b）是其输入/输出电压传输特性曲线。

通常，将保持输出电压uo不变的输入电压值称为限幅电压。当输入电压高于限幅电压时，保持输出电压不变的限幅称为上限幅；当输入电压低于限幅电压时，保持输出电压不变的限幅称为下限幅。二极管的限幅电路有串联、并联、双向限幅电路。

检波电路：

无线电技术中经常要进行信号的远距离输送，这就需要把低频信号（如声频信号）装载到高频振荡信号上并由天线发射出去。电路分析中，将低频信号称为调制信号，高频振荡信号称为载波，受低频信号控制的高频振荡称为已调波，控制的过程称为调制。在接收地点，接收机天线接收到的已调波信号，经放大后再设法还原成原来的低频信号，这一过程称为解调或检波。图（a）所示为已调波，图（b）为由二极管组成的检波电路，其中VD用于检波，称为检波二极管，一般为点接触型二极管；C为检波器负载电容，用来滤除检波后的高频成分；RL为检波器负载，用来获取检波后所需的低频信号。

由于二极管的单向导电性，已调波经二极管检波后，负半波被截去，如图（c）所示。负载电容将高频成分滤除，在RL两端得到的输出电压就是原来的低频信号，如图（d）所示。

二极管“续流”保护电路：

二极管也可用作保护器件，如图所示。当开关S闭合时，直流电压源Us接通大电感L，二极管VD因反偏而截止，全部电流流过电感。当开关S断开时，电感中的电流将迅速降到零，电感两端会产生很大的负瞬时电压。如果没有提供另外的电流通路，该暂态电压将在开关两端产生电弧，损坏开关。若在电路中接有图所示的二极管，二极管为电感的放电提供了通路，使uL的负峰值限制在二极管的正向压降范围内，开关两端的电弧被消除，同时电感中的电流将平稳地减少。

逻辑运算（开关）电路：

在开关电路中，一般把二极管看成理想模型，即二极管导通时两端电压为零，截止时两端电阻无穷大。在图（a）所示的逻辑运算电路中只要有一路输入为低电平，输出即为低电平，仅当全部输入为高电平时，输出才为高电平，这种逻辑运算称为与逻辑运算。图（b）中，只要有一路输入为高电平，输出即为高电平，仅当全部输入为低电平时，输出才为低电平，这种运算称为或逻辑运算。

特殊二极管：

二极管工作在反向击穿区时，反向电流的变化量较大时，管子两端相应的电压变化量却很小，说明其具有“稳压”特性。

利用这种特性可以做成稳压二极管，简称稳压管。所以，稳压管实质上就是一个二极管，但它通常工作在反向击穿区。但要注意：必须在电路中串接一个限流电阻。

在使用稳压管组成稳压电路时，需要注意几个问题：

首先，稳压二极管正常工作是在反向击穿状态，即外加电源正极接二极管的阴极，负极接阳极；其次，稳压管应与负载并联，由于稳压管两端电压变化量很小，因此使得输出电压比较稳定；最后，必须给稳压管加一个限流电阻，限制流过稳压管的电流，保证流过稳压管的电流在IZmin和IZM之间，以确保稳压管有良好的稳压特性。下图所示为稳压管构成的稳压电路结构图。

发光二极管：

发光二极管，缩写为LED（Light Emitting Diode），它是一种将电能转换成光能的半导体器件。

其基本结构是一个PN结，采用砷化镓、磷化镓等半导体材料制造而成。它的伏安特性与普通二极管类似，但由于材料特殊，其正向导通电压较大，约为1V～2V，当管子正向导通时将会发光。

发光二极管具有工作电压低、工作电流小（10mA～30mA）、发光均匀稳定、响应速度快等优点，常用作显示器件，如指示灯、七段显示器、矩阵显示器等。常见的LED发光颜色有红、黄、绿等，还有发出不可见光的红外发光二极管。下图所示为发光二极管的电路符号。

光电二极管：

光电二极管又叫光敏二极管，它是一种能将光信号转换为电信号的器件。光电二极管的基本结构也是一个PN结，但管壳上有一个窗口，使光线可以照射到PN结上。光电二极管工作在反偏状态下，当无光照时，与普通二极管一样，反向电流很小，称为暗电流；当有光照时，其反向电流随光照强度的增加而增加，称为光电流。光电二极管与发光二极管可用于构成红外线遥控电路。图（b）所示为光电二极管的电路符号。

变容二极管：

利用PN结的势垒电容随外加反向电压变化的特性可制成变容二极管。变容二极管工作在反偏状态下，此时，PN结结电容的数值随外加电压的大小而变化。因此，变容二极管可做可变电容使用。图（c）所示为变容二极管的电路符号。

半导体三极管

三极管的结构及外形：

对照上图可以看出，三极管内部有三个区，中间层称为基区，外面两层分别称为发射区和集电区；从三个区各引一个电极出来，分别称为基极b（base）、发射极e（emitter）和集电极c（collector），因此三极管属于三端器件；三极管内部有两个PN结，基区与集电区之间的PN结称为集电结，基区与发射区之间的PN结称为发射结。

为保证三极管具有放大电流的作用，其内部结构在制造工艺上应具有以下特点：

① 发射区的掺杂浓度远大于集电区的掺杂浓度；
② 基区很薄，一般为1微米至几微米；
③ 集电结面积大于发射结面积。

三极管的电流放大原理：

当发射结和集电结均反偏时，三极管工作于截止状态；当发射结正偏、集电结反偏时，工作于放大状态；当发射结和集电结均正偏时，工作于饱和状态。

当三极管处于放大状态时，能将输入的小电流放大为输出端的大电流。

1. 三极管内部载流子的运动

上图所示电路中，电源电压VCC＞VBB且各电阻取值合适时，能保证发射结正偏、集电结反偏，即保证三极管处于放大状态。

（1）发射区向基区注入电子，形成发射极电流IE。
（2）电子在基区的扩散和复合，形成基极电流IB。
（3）集电区收集电子，形成集电极电流IC 。

集电区的少子（空穴）将在结电场的作用下形成漂移电流，即反向饱和电流，称为ICBO。ICBO数值很小，可以忽略不计，但由于它受温度影响大，将影响三极管的性能。

2. 各电极电流之间的关系

共射放大电路中，三个电极电流的大小关系为：发射极电流IE最大，其方向是流出三极管；其次是集电极电流IC，其方向是流入三极管；基极电流IB最小，其方向与集电极电流一样，也是流入三极管，且满足IC≈βIB。

三极管共射放大电路中的三个电极电流关系可完整表示为：

对于由PNP型三极管构成的共射放大电路，如下图所示，其工作原理与NPN型近似，区别主要有以下两点。

（1）三个电极电流的实际方向正好相反：对于PNP型三极管，电流从发射极流入，从基极和集电极流出。可以看出，无论NPN型还是PNP型三极管，其三个电极电流方向的特点是，基极和集电极电流方向始终一致，要么都流入三极管，要么都流出三极管；并且其二者方向始终与发射极电流方向相反。

（2）外加电源的极性和NPN电路也相反。在PNP型三极管构成的放大电路中，发射极电位VE最高，基极电位VB次之，集电极电位VC最低。

三极管的伏安特性：

从输出特性曲线可以看出，三极管有三个不同的工作区域：

三极管的型号及判别:

三极管的型号及判别：三极管的型号一般包含五部分，如3AX31A、3DG110B、3CG14G等，下面以3DG110B为例说明各部分的含义：

① 由数字组成，代表电极数。3代表三极管。

② 由字母组成，表示三极管的材料与类型。例如，A表示PNP型锗管，B表示NPN型锗管，C表示PNP型硅管，D表示NPN型硅管。

③ 由字母组成，表示三极管的功能，例如，G表示高频小功率管，X为低频小功率管，A为高频大功率管，D为低频大功率管，K为开关管等。

④ 由数字组成，表示三极管的序号。
⑤ 由字母组成，表示三极管的规格号。

判别三极管的管型和管脚:

用万用表判别三极管的管型及管脚方法如下：

① 基极的判别。因为基极对集电极和发射极的PN结方向相同，所以，首先确定基极比较容易。具体方法：将万用表的欧姆挡拨至R×1k挡，并调零，用黑（红）表笔接三极管的某一电极，用红（黑）表笔接另外两个电极中的一个，轮流测试，直到测出的两个电阻都很小时为止，则该电极为基极。这时，若黑表笔接基极，则该管为NPN型管；若红表笔接基极，则该管为PNP型管。

② 集电极和发射极的判别。将上述测出的基极开路，将万用表欧姆挡拨至R×1k挡，调零后，用万用表的黑、红表笔分别接触另外两个电极，测得一阻值，再将黑、红表笔对调，又测得一阻值，比较两个阻值的大小。综合分析可知，对于NPN型管，在测得阻值略小的那一次，黑表笔所接电极为集电极，则另一电极为发射极；对于PNP型管，可在基极与黑表笔之间接上一个100Ω的电阻，用上述同样的方法再测量，在测得阻值略小的那一次中，红表笔所接电极为集电极，另一电极为发射极。

场效应管

结型场效应管：

在N型半导体两边用扩散法或其他工艺形成两个高浓度的P型区（用P+）表示，并将它们连接在一起，所引出的电极称为栅极G；在N型半导体的两端各引出一个电极，分别称为源极S和漏极D。两个P+区与N型半导体之间形成了两个PN结，PN结中间的N型区域称为导电沟道。

N沟道JFET的电路符号如图（b）所示。其中箭头表示栅结（PN结）的方向，从P指向N，P沟道JFET的栅结方向与N沟道的相反。

N沟道JFET的电路符号如图（b）所示。其中箭头表示栅结（PN结）的方向，从P指向N，P沟道JFET的栅结方向与N沟道的相反。因此可根据箭头方向识别管子属于N沟道管还是P沟道管。

工作原理：改变JFET栅极和源极之间的电压uGS，即可改变导电沟道的宽度，从而改变通过漏极和源极的电流iD的大小。JFET工作时，常接成如图所示的共源接法，以源极为公共端。

图中VDD为正电源，保证D、S间电压足够大，而VGG应为负电源。当VGG = 0时，uGS = 0，漏极与源极之间存在导电沟道，因此存在漏极电流iD。当VGG逐渐增大时，uGS逐渐减小，使导电沟道变窄，沟道电阻增大，因此电流iD减小。当VGG的数值继续增大到某一个值时，两个PN结的耗尽层将彼此相遇，使导电沟道被夹断，iD = 0，此时的栅-源电压称为夹断电压UGS(off)。

可见，输出端漏极电流iD是受输入电压uGS的控制，因此，场效应管是一种电压控制型元件。由于栅极为两个反向偏置的PN结，栅极几乎没有电流，因此JFET的输入电阻很高，可达106Ω～109Ω。

在使用中，结型管的漏极D和源极S可以互换。资讯配图

绝缘栅场效应管：

N沟道增强型MOS管：

图（a）所示为N沟道增强型MOS管的结构图。它是用一块掺杂浓度较低的P型硅片作为衬底，在其上扩散出两个高掺杂的N型区，然后在半导体表面覆盖一层很薄的二氧化硅绝缘层。从两个N区表面及它们之间的二氧化硅表面分别引出三个铝电极：源极S、漏极D和栅极G。因为栅极是和衬底完全绝缘的，所以称其为绝缘栅型场效应管。衬底B也有引极，通常在管子内部和源极相连。图（b）所示为N沟道增强型MOS管的电路符号。

工作原理：

MOS管工作时常接成下图所示的共源接法。

与JFET工作原理有所不同，JFET是利用uGS来控制PN结耗尽层的宽窄，从而改变导电沟道的宽度，以控制漏极电流iD。而MOS管则是利用uGS来控制“感应电荷”的多少，来改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，然后达到控制漏极电流iD的目的。

若uGS = 0时漏源之间已存在导电沟道，称为耗尽型MOS管；若uGS = 0时漏源之间不存在导电沟道，称为增强型MOS管。

资讯配图

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