电子技术的主要知识

一、半导体

1、半导体的有关概念

1）半导体

半导体是导电能力介于导体与绝缘体之间的一种物体。纯净的半导体是四价元素，呈晶体结构，内部原子按一定规律整齐排列。在高温或光照下，其电子冲破束缚，成为自由电子。电子跑出后留下的空位称为空穴。半导体有电子导电和空穴导电两种形式。硅、锗、硒以及大多数金属氧化物和硫化物都是半导体。

2）晶体

凡是原子按照一定规律、连续整齐地排列着的物体都称为晶体。半导体一般都具有这种结构，所以半导体也被称为晶体。

3）本征半导体

本征半导体是完全纯净的(不含任何其它元素)、具有晶体结构的半导体。本征半导体内部电子和空穴的数量在任何情况下总是相等的。如锗单晶、硅单晶就是本征半导体。

4）半导体掺杂

掺杂是指在本征半导体中掺进一定类型和数量的其它元素（五价元素或三价元素），掺进去的其它元素为杂质。掺杂的目的是改善半导体的导电能力，即掺杂后使半导体在原有“电子-空穴对”的基础上，增加大量的电子或空穴。

5）N型半导体

如果本征半导体掺进某种（五价元素，如磷）微量的杂质后能获得大量电子，则掺有这种杂质的半导体就称为“电子型半导体”或“N型半导体”。在N型半导体中，除“电子-空穴对”提供的载流子外。主要的、大量的是电子载流子。因此电子称为多数载流子，而空穴则称为少数载流子。

6）P型半导体

如果本征半导体掺进某种（三价元素，如硼）微量的杂质后能获得大量空穴，则这种半导体就称为“空穴型半导体”或“P型半导体”。在P型半导体中，除“电子-空穴对”提供的载流子外，主要的、大量的是空穴载流子，所以空穴称为多数载流子，而电子则称为少数载流子。

7）PN结

将P型半导体和N型半导体用特殊工艺结合在一起时，由于P型半导体中的空穴多，N型半导体中的电子多，在交界面上，多数载流子就要分别向对方扩散，在交界处的两侧形成带电荷的薄层，称为空间电荷区，又称为PN结。

2、PN结的单向导电性

1）PN结空间电荷区的一边带正电，另一边带负电,产生了PN结的内电场，其方向为由N区的正电荷区指向P区的负电荷区，阻碍了P区空穴进一步向N区扩散和N区电子向P区继续扩散。

3、半导体的导电特性

1）在纯净的半导体内部，电子载流子(简称电子)和空穴载流子(简称空穴)是成对地存在的，称“电子-空穴对”。在外电场作用下，空穴沿电场方向移动，电子逆电场方向移动。

2）半导体内部的“电子-空穴对”会随外界温度升高或光照强度增加而明显增加，使导电能力增强。

3）绝对零度时，“电子-空穴对”消失，半导体失去导电能力，相当于绝缘体。

4）在纯净的半导体中掺入微量杂质，半导体的导电能力将成万倍增加。

二、二极管

1、二极管的结构和符号

晶体二极管简称二极管，是在本征半导体基片上利用掺杂生成一个P区和一个N区，并在P区和N区安上电极引线，再用外壳(管壳)封装加固后构成的。如下图所示，安于P区的电极称为阳极，安于N区的电极称为阴极。二极管的符号如下图中的4所示。

1）根据基片材料分类

根据基片材料不同，二极管分为锗二极管和硅二极管。锗二极管以本征锗材料为基片，硅二极管以本征硅材料为基片。

（1）锗管的阀电压或死区电压比硅管小。一般锗管在0.2V左右，硅管在0.5V左右，因此在二极管导通期间硅管的管压降比锗管大；

（2）锗管的反向电流要比硅管大几十甚至几百倍；

（3）锗管受温度的影响比硅管大；

（4）从PN结的允许工作温度来看，硅管可达150-200℃；而锗管只能在100℃左右的范围内使用。因此在同样的PN结面积条件下，硅管允许通过的电流比锗管大，所以大功率二极管都用硅制造。

2）根据用途分类

二极管根据用途来分，有普通二极管(作检波和小电流整流用)、稳压二极管、开关二极管、整流二极管、阻尼二极管、双基极二极管、温度补偿二极管、隧道二极管、体效应二极管、光电二极管等近20种。

3、二极管的型号组成

二极管的型号由四部分组成。

1）第一部分用数字表示。

“2”表示二极管(如是三极管，则用数字“3”)。

2）第二部分用字母表示所用的材料。

A为N型锗材料；B为P型锗材料；C为N型硅材料；D为P型硅材料。

3）第三部分用汉语拼音字母表示器件类型。

P为普通管；V为微波管；W为稳压管；Z为整流管；S为隧道管；U为光电管；K为开关管。

4）第四部分用数字表示器件序号。

2CP10为硅普通二极管；2AK1为锗开关二极管；2CZ12为硅整流二极管。

4、二极管的特性

二极管的主要特性是单向导电性，当阳极处于高电位，阴极处于低电位时，二极管正向导通，即处于低阻状态。当阳极处于低电位，阴极处于高电位时，二极管反向截止，即处于高阻状态。二极管的特性可用两种方式来说明，一种是用伏安特性曲线，另一种是二极管的额定参数。

1）二极管的伏安特性

用来描述加在二极管两个电极间的电压U和通过二极管的电流I之间的伏安特性曲线，如下图所示。

图片二极管实质上是一个PN结，它的基本特性是单向导电性，因此二极管的伏安特性分为正向连接和反向连接两种情况。

（1）二极管正向连接时如外加电压很低，电路中基本上没有电流通过，二极管的这种状态称为截止。但当外加电压增大到一定值时，二极管开始有电流通过，并且电流随外电压极微的增加而很快增长，二极管这种状态称为导通。正向连接时的伏安特性也称正向特性。

二极管由截止进入到导通所需的电压称二极管的阀电压，一般锗二极管在0.2V左右，硅二极管在0.5V左右。

（2）二极管反向连接时由少数载流子的漂移运动形成很小的反向电流。在反向电压很低时，反向电流随反向电压的增加而增加。但当反向电压增加到某一值(视不同的管子而不同)后的一段范围内，反向电压增加，反向电流基本不再增加，这是因为为数不多的少数载流子在电场作用下基本上都已参与了漂移运动的缘故。因此反向电流又称为反向饱和电流。但当反向电压增加到超过某一范围后，反向电流突然大增，二极管失去单向导电性，这种现象称为击穿。二极管一经击穿，便不能再恢复其单向导电性。使二极管击穿的电压称反向击穿电压。二极管反向连接时的伏安特性称为反向特性。

2）二极管的额定参数

不同类型的二极管因用途、工作条件或使用要求等的不同，额定参数也各不相同。普通二极管的主要额定参数有:

（1）最大整流电流ICM

最大整流电流是指二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流。

当工作电流超过此允许值时，PN结会因过热而使管子损坏(PN结因过热而损坏，称热击穿)。

（2）最高反向工作电压URM

最高反向工作电压是指二极管不被击穿所允许的最高反向电压，一般规定最高反向工作电压为反向击穿电压的1/2～1/3。

（3）最大反向电流

最大反向电流是指在规定温度下，二极管加上最高反向工作电压时的反向电流值。此值越小，二极管的单向导电性越好。温度升高时，反向电流会显著增加。

（4）最高工作频率

最高工作频率取决于PN结结电容的大小，结电容越大，二极管允许的最高频率越低。

除上述参数外，还有最大瞬时电流、最高使用温度等。

5、温度对二极管特性的影响

温度变化时，对二极管的正向电流、反向电流、阀电压、反向击穿电压等都有影响。

1）温度升高时，正、反向电流增大，阀电压降低、反向击穿电压降低。温度降低时，上述各项将作相反变化。

2）由于上述各项都反映在伏安特性曲线上，所以只要观察一下上图所示曲线就可看出温度变化对二极管特性和上述各项参数的影响。与硅二极管相比，锗二极管受温度变化的影响要大得多。

6、二极管的选用

1）要正确选用二极管，首先应根据用途决定管子的类型(例如作整流用时，根据功率大小选用普通管或整流管)、锗管还是硅管；

2）根据工作电路的实际参数(如电压、 电阻等)选用额定值合适的管子。由于半导体器件的离散性，在管子接入电路前要对管子的主要参数进行测试。

7、二极管使用注意事项

1）二极管使用中电流不能超过最大正向电流，电压不能超过最高反向工作电压（峰值），否则会损坏。

2）二极管在电路中的连接要可靠，焊接时宜使用45W以下的电烙铁，并且焊接速度要快，不能使二极管因过热而损坏。

8、二极管好坏和极性的判别

1）判别二极管的好坏

（1）将万用表置于Rx100或Rx1k档，黑表笔接二极管正极，红表笔接二极管负极，这时正向电阻值一般在几十欧到几百欧之间。红、黑表笔对调后，反向电阻的阻值应在几百千欧以上。测量结果符合上述情况，则可初步判断被测二极管是好的。

（2）如果测量结果阻值都很小，接近零欧姆，说明被测二极管内部PN结击穿或已短路；反之，如阻值都很大，接近无穷，说明被测二极管内部已断路。以上两种情况均说明被测二极管已损坏，不能使用。

2）判断二极管的极性

同上述方法，当阻值小时，即为二极管的正向电阻，黑表笔接的一端为二极管正极，红表笔接的一端为二极管负极；当阻值大时，即为二极管的反向电阻，黑表笔接的一端为二极管负极，红表笔接的一端为二极管正极。

3）注意事项

用万用表测量二极管时不能用Rx10k档，因为万用表高阻档使用的电池电压高，这个电压超过了某些检波二极管的最高反向电压，会将二极管击穿。测量时一般也不用Rx1或Rx10档，因为欧姆表的内阻很小，和二极管正向连接时电流很大，容易把二极管烧坏。

三、三极管

1、三极管的结构和符号

1）半导体三极管又称双极性晶体管（BJT）。它是在一块锗基片或硅基片上分别制作出两个P区、一个N区或两个N区、一个P区，然后再从这几个区分别引出电极而成。有两个P区的管子称PNP三极管，有两个N区的管子称NPN三极管。其结构示意图与对应的符号如下图所示。

图片从上图可以看出，无论是PNP三极管还是NPN三极管都有两个PN结，分别称为发射结与集电结。三个电极分别称发射极(e)、基极 (b)和集电极(c)。

2）三极管结构上的特点是基区的厚度极薄，掺杂很轻；发射区的尺寸比集电区小，但集电区的掺杂比发射区轻。一般NPN三极管以硅管居多，而PNP三极管以锗管居多。

2、三极管的功能

1）放大作用

三极管的主要功能是放大作用，根据不同需要，可组成电流放大、电压放大、功率放大、直流放大等不同电路。

三极管加上工作电压后有三个电流通过三极管，即发射极电流、基极电流和集电极电流。发射极电流等于基极电流和集电极电流之和。当基极电流有微小变化时，集电极电流相应有一较大的变化，这就是三极管的电流放大作用。

为说明三极管的电流放大作用，如下图所示，在NPN三极管的三个电极上加适当的电压。

图片（1）在上图所示的电压极性作用下，发射结处于正向连接(称正偏)，当电压Ube大于发射结阀电压时，PN结导通，发射极(N区)的大量电子载流子进入基区，由于基区掺杂轻，只有少量的空穴载流子，因此进入基区的电子只有很少一部分能与基区的空穴相复合，而大量的电子仍继续向前扩散(即向基区靠近集电区一侧扩散)。这些基区的电子在基区(P区)中充当着少数载流子的角色。由于集电结处于反偏，因此这些在基区中的电子以漂移运动的方式进入到集电区，并被集电区所收集。

（2）发射区电子进入基区后，与基区空穴复合掉一部分，这部分电子又被基极正电源Eb拉走，形成基极电流Ib；从发射区进入基区后又漂移到集电区的电子，被集电极正电源Ec拉走形成集电极电流Ic。这两部分电子被正电源拉走后，又回到发射区，从而形成发射极电流Ie。不难看出：Ie=Ic Ib。

（3）由于漂移到集电区的电子数比在基区复合掉的电子数多得多，因此形成的集电极电流Ie>>基极电流Ib。

Ib改变，使Ie随之而变的作用称三极管的电流控制作用。但被控量Ie的变化比控制量Ib的变化要大得多，工程上将这种以小控大的作用称之为放大。电子技术领域里把这种以小电流控制大电流的作用称为电流放大作用。

2）开关功能

利用三极管在饱和区和截止区的工作状态组成开关电路，这在脉冲数字电路中得到广泛应用。

3、三极管的主要参数

1）电流放大系数

电流放大系数用来表征三极管的电流放大能力，可分为静态电流放大系数和动态电流放大系数。由于特性曲线的非线性，所以只有在特性曲线近于水平的部分，Ic随Ib成正比的变化，β值才可认为基本恒定。常用的三极管，其β值约在20-100之间。

2）极间反向电流

在三极管中，除了多数载流子的运动以外，还有少数载流子的运动，这些少数载流子的运动所形成的电流称极间反向电流。由于少数载流子受温度的影响较大，因此极间反向电流对三极管的工作有一定的影响。影响较大的极间反向电流有以下两种。

（1）集电极反向电流(集-基极反向饱和电流)Icbo

当发射极开路时，如下图 (a)所示，由于Ec>>Eb，所以集电极处于反偏，集电区内的少数载流子空穴在反向电场作用下将向基区漂移。从而形成集-基极反向饱和电流Icbo。饱和电流Icbo的大小表征着三极管质量的好坏。良好的三极管，Icbo应该很小。在室温下，锗管的Icbo约几十微安；小功率硅管的Icbo则在IuA以下，从这点说明硅管的热稳定比锗管好。Icbo的大小几乎与外加电压无关，但受温度影响较大，温度升高时Icbo将增大。

（2）穿透电流(集-射极穿透电流)Iceo

基极开路时集电结处于反偏，发射结处于正偏，此时通过集电极的电流好似直接从发射区穿透到集电区的，故称其为穿透电流，如上图(b)所示。对这种情况下的载流子进行分析，可得到穿透电流Iceo与集-基极反向饱和电流Icbo的关系式

Iceo=Iceo βIcbo=(1 β)Icbo

由于Iceo的存在，所以集电极电流应为

Ic=βIb Iceo=βIb (1 β)Icbo

可见集电极电流Ic受Icbo、Iceo及β的影响。而这些量又受温度的影响，因此要使三极管的稳定性好，管子的极间反向电流应尽量小，而β也不宜过大。

3）极限参数

（1）集电极最大允许电流ICM

集电极电流超过一定值后，β值要下降。当β下降到正常值三分之二时的集电极电流称集电极最大允许电流ICM。当Ic>ICM时，管子虽不一定损坏，但β值下降得太多。