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作者：徐旻编

出版社：电子工业出版社

出版时间：2011-01-01

书籍编号：30466454

ISBN：9787121124341

正文语种：中文

字数：134867

版次：2

所属分类：教材教辅-中职/高职

版权信息

书名：电子技术及技能训练（第2版）

作者：徐旻

ISBN：9787121124341

版权所有 · 侵权必究

职业教育 继往开来（序）

自我国经济在新的世纪快速发展以来，各行各业都取得了前所未有的进步。随着我国工业生产规模的扩大和经济发展水平的提高，教育行业受到了各方面的重视。尤其对高等职业教育来说，近几年在教育部和财政部实施的国家示范性院校建设政策鼓舞下，高职院校以服务为宗旨、以就业为导向，开展工学结合与校企合作，进行了较大范围的专业建设和课程改革，涌现出一批示范专业和精品课程。高职教育在为区域经济建设服务的前提下，逐步加大校内生产性实训比例，引入企业参与教学过程和质量评价。在这种开放式人才培养模式下，教学以育人为目标，以掌握知识和技能为根本，克服了以学科体系进行教学的缺点和不足，为学生的顶岗实习和顺利就业创造了条件。

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中国电子教育学会

第2版前言

本书是在全国许多院校使用《电子基础与技能》（第1版）的经验和建议的基础上，根据教育部有关高职教育改革精神，参照近年来高职高专电子技术基础课程教学特点和改革要求，结合作者多年来的教学改革与实践经验编写而成。

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本书由南京交通职业技术学院徐主编；由绵阳师范学院彭仁明、南京交通职业技术学院陈艳、山西建筑职业技术学院程素平任副主编。其中，徐编写前言，第5、6、7、12章及第1～14章的实训内容；彭仁明编写第1、3、4章；陈艳编写第14章；程素平编写第8、9、10章；南京交通职业技术学院王宁编写第2、11章；江苏省六合职业教育中心校刘景霞编写第13章；南京交通职业技术学院郑莹编写第15章及第15章实训内容。

本教材在内容和风格上改革力度较大，难免会存在失误。欢迎读者提出批评和建议，也欢迎广大教师共同探讨，以共同推动电子技术基础类课程及教学方法的改革。

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编者

文前插图

第1章 基本半导体器件

本章介绍了半导体的基本知识，半导体二极管的结构、基本特点及其参数，半导体三极管的结构、放大作用及基本特性，场效应管的结构和基本特性等。

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1.1 半导体基础知识

半导体具有热敏性、光敏性和掺杂性。利用热敏性可制成各种热敏电阻；利用光敏性可制成光电二极管、光电三极管及光敏电阻；利用掺杂性可制成各种不同性能、不同用途的半导体器件，如二极管、三极管和场效应管等。

1.1.1 半导体

半导体可分为本征半导体和掺杂半导体两种。

1.本征半导体

本征半导体是一种纯净的、没有杂质的半导体晶体。常用的半导体材料是单晶硅（Si）和单晶锗（Ge）。半导体的原子结构如图1.1所示。

图1.1 半导体的原子结构示意图

本征半导体的各原子间整齐而有规则地排列着，每个原子的4个价电子不仅受所属原子核的吸引，而且还受相邻4个原子核的吸引，每一个价电子都为相邻原子核所共用，形成了稳定的共价键结构。每个原子核最外层等效有8个价电子，由于价电子不易挣脱原子核束缚而成为自由电子，因此，本征半导体导电能力较差。

如果从外界获得一定的能量（如光照、温升等），则有些价电子就会挣脱共价键的束缚而成为自由电子，在共价键中留下一个空位，称为“空穴”。空穴的出现使相邻原子的价电子离开它所在的共价键来填补这个空穴，同时又产生了一个新的空穴。这个空穴也会被相邻的价电子填补而产生新的空穴。这种电子填补空穴的运动相当于带正电荷的空穴在运动，并把空穴视为一种带正电荷的载流子。空穴越多，半导体的载流子数目就越多，这就是半导体的热敏性。

在本征半导体中，电子与空穴是成对出现的，称为电子-空穴对。其自由电子和空穴数目总是相等的，如图1.2所示。本征半导体在温度升高时产生电子-空穴对的现象称为本征激发。温度越高，产生的电子-空穴对数目就越多，这就是半导体的热敏性。

图1.2 单晶硅共价键结构与本征激发

小提示 虽然硅和锗同样是4价元素，但硅的电子轨道比锗少一层，价电子离原子核近。硅比锗更稳定。半导体器件中，硅基本取代了锗。

2.掺杂半导体

在本征半导体中掺入微量的杂质元素，就会使半导体的导电性能发生显著改变。根据掺入杂质元素的性质不同，掺杂半导体可分为P型半导体和N型半导体两大类。

P型半导体是在本征半导体硅中掺入微量的3价元素（如硼）而形成的。因杂质原子只有3个价电子，它与周围硅原子组成共价键时，缺少1个电子，因此在晶体中便产生一个空穴，如图1.3所示。

在P型半导体中，原来的晶体仍会产生电子-空穴对，杂质的掺入，使得空穴数目远大于自由电子数目，成为多数载流子（简称多子），而自由电子则为少数载流子（简称少子）。因而P型半导体以空穴导电为主。

N型半导体是在本征半导体硅中掺入微量的5价元素（如磷）而形成的，杂质原子有5个价电子与周围硅原子结合成共价键，多出1个价电子，这个多余的价电子易成为自由电子，如图1.4所示。N型半导体多子为自由电子，少子为空穴。

图1.3 P型半导体的共价键结构

1.4 N型半导体的共价键结构

综上所述，在掺入杂质后，载流子的数目都有相当程度的增加，半导体导电性能大大改善。多子主要是由掺杂产生的，少子是由本征激发产生的。

1.1.2 PN结及其单向导电性

1.PN结的形成

同一块半导体基片的两边分别形成N型和P型半导体，在它们的交界面附近会形成一个很薄的空间电荷区，称为PN结。PN结的形成过程如图1.5所示。

图1.5 PN结的形成过程

由图1.5（a）可知，界面两边明显存在载流子的浓度差，N区的多子（电子）必然向P区扩散，并与界面附近P区的空穴复合，在N区留下一层不能移动的正电荷离子。同样，P区的多子（空穴）也会向N区扩散，并与界面附近的N区电子复合而消失，在P区留下一层不能移动的负电荷离子。扩散的结果是使界面出现了空间电荷区，如图1.5（b）所示。空间电荷区形成了一个由N区指向P区的内电场。内电场的存在阻碍了扩散运动，但使P区少子（电子）向N区漂移，N区的少子（空穴）向P区漂移。多子的扩散运动使空间电荷区加厚，而少子的漂移运动使空间电荷区变薄。当扩散与漂移达到动态平衡时，便形成了一定厚度的空间电荷区，称为PN结。由于电荷区缺少能移动的载流子，故又称PN结为耗尽层或阻挡层。

2.PN结的单向导电性

给PN结加上电压，使电压的正极接P区，负极接N区（即正向连接或正向偏置），如图1.6（a）所示。由于PN结是高阻区，而P区与N区电阻很小，因而外加电压几乎全部落在PN结上。由图可见，外电场将推动P区多子（空穴）向右扩散，与原空间电荷区的负离子中和；推动N区的多子（电子）向左扩散，与原空间电荷区的正离子中和，这样空间电荷区变薄，打破了原来的动态平衡。同时电源不断地向P区补充正电荷，向N区补充负电荷，其结果是使电路中形成较大的正向电流，由P区流向N区。这时PN结对外呈现较小的阻值，处于正向导通状态。

图1.6 PN结的单向导电性

将PN结按图1.6（b）所示方式连接（称PN结反向偏置）。由图1.6（b）可见，外电场方向与内电场方向一致，它将N区的多子（电子）从PN结拉走，将P区的多子（空穴）从PN结拉走，使PN结变厚，呈现出很大的阻值，且打破了原来的动态平衡，使漂移运动增强。由于漂移运动是少子运动，因而漂移电流很小；若忽略漂移电流，则可以认为PN结截止。

综上所述，PN结正向偏置时，正向电流很大；PN结反向偏置时，反向电流很小。这就是PN结的单向导电性，也是PN结的最大特点。

小提示 PN结正偏时，外电场抵消内电场；PN结反偏时，外电场加强了内电场。

1.2 半导体二极管

1.2.1 半导体二极管的基本结构与特性

1.半导体二极管的结构

半导体二极管，简称二极管，其实质是由一个PN结封装而成的。二极管按其结构的不同可分为点接触型和面接触型两类。

点接触型二极管的结构，如图1.7（a）所示。这类管子的PN结面积和极间电容均很小，不能承受高的反向电压和大电流，适于制成高频检波和脉冲数字电路里的开关元件。

面接触型二极管的结构如图1.7（b）所示。这种二极管的PN结面积大，可承受较大的电流，其极间电容大，适用于整流，而不宜用于高频电路中。如图1.7（c）所示是硅工艺平面型二极管的结构图，是集成电路中常见的一种形式。二极管的图形符号如图1.7（d）所示。

图1.7 半导体二极管的结构及图形符号

2.半导体二极管的特性

半导体二极管由一个PN结构成，它同样具有单向导电性。理论分析指出，半导体二极管电流I与端电压U之间的关系可表示为I=I_S（e^UU_T-1），此式称为理想二极管电流方程。式中，I_S称为反向饱和电流；U_T称为温度的电压当量，表明电流I会受温度影响，常温下U_T≈26mV。实际的二极管伏安特性曲线如图1.8所示。

图1.8 二极管的伏安特性曲线

1）正向特性

OA段：称为“死区”。在这一区间，当正向电压增加时，正向电流增加得很小。在该区间，二极管呈现很大的正向电阻，对外电路截止。把A点对应的电压称为死区电压，记做U_th，其大小随管子材料和温度的不同而异，一般硅管约为0.5V，锗管为0.2V。

AB段：称为正向导通区。随着外加电压的继续增大，正向电流开始增大。当正向电压从0.6V增加到0.8V时，电流急剧增大，此时二极管电阻很小，对外呈现导通状态，在电路中相当于一个闭合的开关。

BC段：二极管导通后，管子两端的正向压降很小（硅管为0.7V，锗管为0.3V），而且很稳定，几乎不随电流而变化，表现出很好的恒压特性。所加的正向电压不能太大，否则会使PN结过热而烧坏。

2）反向特性

OD段：称为反向截止区。当反向电压增加时，反向电流增加极小。此电流称为反向饱和电流，记做I_S。I_S愈大，表明二极管的单向导电性能愈差。小功率硅管I_S小于1μA，锗管I_S在几微安到几十微安以上，这是硅管和锗管的一个显著区别。这时二极管呈现很高的电阻，在电路中相当于一个断开的开关，呈截止状态。

DE段：称为反向击穿区。当反向电压增加到一定值时，反向电流急剧加大，这种现象称为反向击穿。发生击穿时所加的电压称为反向击穿电压，记做U_B。这时电压的微小变化会引起电流很大的变化，表现出很好的恒压特性。同样，若对反向击穿后的电流不加以限制，PN结也会因过热而烧坏，这种情况称为热击穿。

3.温度特性

二极管对温度敏感，具有热敏特性。温度对二极管伏安特性的影响如图1.9所示。

（1）当温度升高时，二极管的正向特性曲线向左移动。这是因为温度升高时，扩散运动加强，产生同一正向电流所需的压降减小的缘故。

（2）当温度升高时，二极管的反向特性曲线向下移动。这是因为温度升高时，本征激发加强，半导体中少子数目增多，在同一反向电压下，漂移电流增大的缘故。

（3）当温度升高时，反向击穿电压减小。击穿现象是由于大的反向电流使少数载流子获得很大的动能，当它与PN结内的原子发生碰撞时，产生了很多的电子-空穴对，使PN结内载流子数目急剧增加，并在反向电压作用下形成很大的反向电流。温度升高时，反向击穿电压减小。

图1.9 温度对二极管伏安特性的影响

综上所述，温度升高时，二极管的导通压降U_F降低，反向击穿电压U_B减小，反向饱和电流I_S增大。

4.半导体二极管的主要参数

二极管的参数是定量描述二极管性能的质量指标，只有正确理解这些参数的意义，才能合理、正确地使用二极管。

（1）最大整流电流I_F。最大整流电流是指二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。电流通过PN结时会引起二极管发热。电流太大，发热量超过限度，就会使PN结烧坏。例如，2AP1的最大整流电流为16mA。

（2）反向击穿电压U_B。反向击穿电压是指反向击穿时的电压值。击穿时，反向电流剧增，使二极管的单向导电性被破坏，甚至会因过热而烧坏。一般手册上给出的最高反向工作电压约为击穿电压的一半，以确保二极管安全工作。例如，2AP1的最高反向工作电压规定为20V，而实际反向击穿电压可大于40V。

（3）反向饱和电流I_S。在室温下，二极管未击穿时的反向电流值称为反向饱和电流。该电流越小，二极管的单向导电性能就越好。由于温度升高，反向电流会增加，因而在使用二极管时要注意环境温度的影响。

二极管的参数是正确使用二极管的依据，一般半导体器件手册中都给出不同型号二极管的参数。在使用时，应特别注意不要超过最大整流电流和最高反向工作电压，否则二极管容易损坏。

1.2.2 硅稳压二极管

1.稳压特性

硅稳压二极管是一种特殊的面接触型硅二极管，其伏安特性曲线、图形符号及稳压管电路如图1.10所示，它的正向特性曲线与普通二极管相似。在正常情况下稳压管工作在反向击穿区，由于曲线很陡，反向电流在很大范围内变化时，端电压变化很小，因而具有稳压作用。图1.10中的U_Z表示反向击穿电压，当电流的增量ΔI_Z很大时，只引起很小的电压变化ΔU_Z。只要反向电流不超过其最大稳定电流，就不会形成破坏性的热击穿。在电路中应与稳压管串联一个具有适当阻值的限流电阻。

图1.10 硅稳压二极管的伏安特性曲线、图形符号及稳压管电路

2.基本参数

硅稳压二极管的基本参数如下。

（1）稳定电压U_Z。稳定电压U_Z是指在规定的测试电流下，稳压管工作在击穿区时的稳定电压。

（2）稳定电流 I_Z。稳压电流 I_Z是指稳压管在稳定电压时的工作电流，其范围为I_Zmin～I_Zmax。

（3）最大耗散功率P_M。最大耗散功率P_M是指管子工作时允许承受的最大功率。

（4）动态电阻r_Z。定义，r_Z值很小，约几欧到几十欧。r_Z越小，反向击穿特性曲线越陡，稳压性能就越好。

1.2.3 其他类型的二极管

1.光电二极管

光电二极管的结构与普通二极管的结构基本相同，只是在它的PN结处，通过管壳上的一个玻璃窗口能接收外部的光照。光电二极管的PN结在反向偏置状态下运行，其反向电流随光照强度的增加而上升。如图1.11（a）所示是光电二极管的图形符号，如图1.11（b）所示是它的等效电路，而如图1.11（c）所示是它的特性曲线。光电二极管的主要特点是其反向电流的大小与光照度成正比。

图1.11 光电二极管

2.发光二极管

发光二极管是一种能把电能转换为光能的特殊器件。发光二极管不仅具有普通二极管的正、反向特性，而且当给发光二极管施加正向偏压时，发光二极管还会发出可见光和不可见光（即电致发光）。目前应用的有红、黄、绿、蓝、紫等颜色的发光二极管。此外，还有变色发光二极管，即当通过二极管的电流改变时，发光颜色也随之改变。

发光二极管常用来作为显示器件，除单个使用外，也常做成七段式或矩阵式器件。发光二极管的另一个重要的用途是将电信号变为光信号，通过光缆传输，然后再用光电二极管接收，再现电信号。

新技术应用LED照明

LED日益成为多种现有照明应用的首选光源，这些照明应用包括汽车、交通和街道照明，以及手机、个人导航设备、数码相框和相机等产品中的小型LCD显示器及键盘背光。

市场也得益于新应用的出现，如电视机、笔记本电脑和个人计算机显示器的大尺寸LCD背光，以及个人照明。

目前LED灯泡发光效率已超过100 lm/W。新型LED的高效、节能特点突出，正在被主流普通照明市场所采用。如图1.12所示为LED路灯。

图1.12 LED路灯

3.变容二极管

二极管结电容的大小除了与本身的结构和工艺有关外，还与外加电压有关。结电容随反向电压的增加而减小，这种效应显著的二极管称为变容二极管，其图形符号如图1.13（a）所示，如图1.13（b）所示是某种变容二极管的特性曲线。

图1.13 变容二极管

1.3 半导体三极管

半导体三极管根据其结构和工作原理的不同可以分为双极型和单极型半导体三极管。双极型半导体三极管，又称为双极型晶体三极管或三极管、晶体管等。之所以称为双极型管，是因为它的空穴和自由电子两种载流子都参与导电。而单极型半导体三极管只有一种载流子导电。

1.3.1 半导体三极管的结构和类型

三极管是在一块半导体上用掺入不同杂质的方法制成两个紧挨着的PN结，并引出三个电极而构成的，如图1.14所示。三极管有3个区：发射区，发射载流子的区域；基区，载流子传输的区域；集电区，收集载流子的区域。各区引出的电极依次为发射极（E极）、基极（B极）和集电极（C极）。发射区和基区在交界处形成发射结，基区和集电区在交界处形成集电结。根据半导体各区的类型不同，三极管可分为NPN型和PNP型两大类，如图1.14（a）、（b）所示。

目前NPN型管多数为硅管，PNP型管一般为锗管（也有由平面工艺制成的硅PNP型管）。因硅NPN型三极管应用最为广泛，故本书以硅NPN型三极管为例来分析三极管及其放大电路的工作原理。

为使三极管具有电流放大作用，在制造过程中必须满足实现放大的内部结构条件：

图1.14 三极管的组成与符号

① 发射区掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度，以便于有足够的载流子供“发射”；

② 基区很薄，掺杂浓度很低，以减少载流子在基区的复合机会，这是三极管具有放大作用的关键所在；

③ 集电区比发射区体积大且掺杂少，以利于收集载流子。

由此可见，三极管并非两个PN结的简单组合，不能用两个二极管来代替，在放大电路中也不可将发射极和集电极对调使用。

1.3.2 半导体三极管的放大作用

1.三极管的工作电压和基本连接方式

为更好地理解半导体三极管的放大作用，先介绍三极管的工作电压和基本连接方式。

（1）工作电压。三极管要实现放大作用必须满足的外部条件：发射结加正向电压，集电结加反向电压，即发射结正偏，集电结反偏。如图1.15所示，其中V为三极管，U_CC为集电极电源电压，U_BB为基极电源电压，两类管子外部电路所接电源极性正好相反，R_B为基极电阻，R_C为集电极电阻。若以发射极电压为参考电压，则三极管发射结正偏，集电结反偏。这个外部条件也可用电压关系来表示：对于NPN型，U_C＞U_B＞U_E；对于PNP型，U_E＞U_B＞U_C。

图1.15 三极管电源的接法

（2）基本连接方式。三极管有3个电极，而在连成电路时必须由两个电极接输入回路，两个电极接输出回路，这样势必有一个电极作为输入回路和输出回路的公共端。根据公共端的不同，有三种基本连接方式。

① 共发射极接法（简称共射接法）。共射接法是以基极为输入端的一端，集电极为输出端的一端，发射极为公共端，如图1.16（a）所示。

② 共基极接法（简称共基接法）。共基接法是以发射极为输入端的一端，集电极为输出端的一端，基极为公共端，如图1.16（b）所示。

③ 共集电极接法（简称共集接法）。共集接法是以基极为输入端的一端，发射极为输出端的一端，集电极为公共端，如图1.16（c）所示。

无论采用哪种接法，都必须满足发射结正偏，集电结反偏。

2.电流放大原理

在图1.17中，U_BB为基极电源电压，用于向发射结提供正向电压，R_B为限流电阻。U_CC为集电极电源，要求U_CC＞U_BB。它通过R_C、集电结、发射结形成电路。由于发射结获得了正向偏置电压，其值很小（硅管约为0.7V），因而U_CC主要降落在电阻R_C和集电结两端，使集电结获得反向偏置电压。在图1.17中发射极为三极管输入回路和输出回路的公共端，这种连接方式就是前面介绍的共发射极电路。

图1.16 三极管电路的3种连接方式

图1.17 NPN型三极管中载流子的运动

在正向电压的作用下，发射区的多子（电子）不断向基区扩散，并不断地由电源得到补充，形成发射极电流I_E。基区多子（空穴）也要向发射区扩散，其数量很小，可忽略。到达基区的电子继续向集电结方向扩散，在扩散过程中，少部分电子与基区的空穴复合，形成基极电流I_B。由于基区很薄且掺杂浓度低，因而绝大多数电子都能扩散到集电结边缘。由于集电结反偏，所以这些电子全部漂移过集电结，形成集电极电流I_C。

若考虑集电区及基区少数载流子漂移运动形成的集电结反向饱和电流I_CBO（见图1.17），则I_C与I_B之间有关系：。式中，I_CBO为穿透电流，其计算公式为I_CEO=（1+β）I_CBO，单位为mA。

3.各极电流之间的关系

其中，β为共发射极直流电流放大系数，表明三极管具有放大作用。

1.3.3 半导体三极管的特性曲线及主要参数

1.三极管的特性曲线

三极管的特性曲线是指各极电压与电流之间的关系曲线。三极管的共射接法应用最广，故以NPN管共射接法为例来分析三极管的特性曲线。

1）输入特性曲线

（1）当U_CE不变时，输入回路中的电流I_B与电压U_BE之间的关系曲线被称为输入特性曲线。输入特性曲线如图1.18所示。

（2）当U_CE=0时，三极管的输入回路相当于两个PN结并联，如图1.19所示。三极管的输入特性是两个正向二极管的伏安特性。

（3）当UCE≥UBE时，B、E两极之间加上正向电压。与UCE=0时相比，在相同UBE条件下，IB要小得多，输入特性曲线向右移动；若UCE继续增大，

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