半导体晶体管基础知识

（一）PN结

1.P型、N型半导体

四价元素硅、锗、硒等都是常用的半导体材料，这些纯净的半导体在常温下导电能力很差。若将五价元素如锑、铅等渗入上述纯净半导体中，会大大增强其导电能力。由于原子外层是五个电子，在其与外层只有四个电子的邻近半导体原子形成共价键时，就会多出一个电子不能结合在共价键内，这个多余的电子就容易挣脱出来，成为自由电子，形成了以自由电子导电为主的半导体，称为N型半导体。若掺入的是三价元素如硼等，在形成共价键时，又缺少一个电子，共价键中多出一个空位，这个空位称“空穴”，形成了以空穴导电为主的半导体，称为P型半导体。

自由电子带负电，空穴带正电，它们的存在极大地增强了半导体的导电能力。自由电子和空穴同时参与导电，是半导体导电的基本特征。

图3-26 PN结的结构

2.PN结及其单向导电性

任意一种半导体基片，无论是P型还是N型，只要通过适当的工艺就可以形成P型和N型两种半导体的结合面。这个结合面上形成的一个特殊结构薄层，称为PN结，如图3-26所示。

PN结具有单向导电性，可通过在PN结两端加正向或反向电压实验证实。

图3-27a所示电路表示在PN结上加正向电压（或叫正向偏置），即P区接电源正极，N区接电源负极。此时PN结处于正向导通状态，呈现低阻性，电路上有较大电流通过，串联在电路中的小电灯发光。反之，当加入反向电压时，电流则很难通过，小电灯不亮，此时PN结处于反向截止状态，如图3-27b所示。

图3-27 PN结的单向导电性

（二）晶体二极管

1.晶体二极管的结构和分类

（1）晶体二极管的结构 晶体二极管（简称二极管）是由2个PN结加上相应的电极引线和管壳做成。常用的二极管结构及符号如图3-28所示，箭头所指方向是其正向导通方向，二极管用V表示。

（2）晶体二极管的分类

1）按基片材料分，可分为硅二极管和锗二极管。

2）按结构分，可分为点接触和面接触两类。点接触二极管PN结接触面积小，不能通过很大的正向电流和承受较高的反向工作电压，但工作效率高，常用来作为检波器件。而面接触二极管的PN结接触面积大，能允许通过较大的电流，可用作整流器件。

3）按用途分，可分为检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关二极管等。

2.晶体二极管的伏安特性

二极管的伏安特性是指通过二极管的电流I与加在二极管两端的电压U之间的关系，可用伏安特性曲线表示，如图3-29所示。

图3-28 二极管的结构示意图和符号

图3-29 二极管伏安特性曲线

（1）正向特性 当给二极管加正向电压时，有电流通过二极管。当外加电压很小时，电流很小，近似为零，称为不导通区。只有当外加电压增大到大于一定数值后（此电压值对硅管约为0.5V，锗管约为0.2V），电流随电压增大而迅速增大，此时二极管导通。只要电流值不超过规定范围，二极管的正向电压几乎维持不变，该电压值称二极管正向电压。

（2）反向特性 当二极管两端加反向电压时，由于二极管的反向电阻很大，只有极小的电流（小功率硅管小于0.1μA，锗管为几十微安）。当反向电压不超过某一限度时，反向电流几乎与反向电压无关，这个电流值称为反向饱和电流。当反向电压超过一定数值时反向电流突然增大，此后二极管的伏安特性非常陡，二极管失去单向导电性，这种现象称为反向击穿，此时的电压值称为反向击穿电压。

晶体二极管加一定的正向电压时导通，加反向电压时截止，这一导电特性，称为晶体二极管的单向导电性。

3.晶体管主要参数

（1）最大整流电流I_m 二极管长期工作时，允许通过的最大正向平均电流叫做最大整流电流。当电流超过该值时，将使二极管因过热而损坏。

（2）最高反向工作电压U_m 二极管长期工作时，允许加到二极管两端的最高反向电压。一般取反向击穿电压的1/2～1/3数值作为最高反向工作电压，以确保二极管的安全使用。

4.硅稳压二极管

稳压二极管与普通二极管一样，也是由一个PN结构成，不同的是制造时经过特殊工艺制作，工作区域不同。稳压二极管的工作区在反向击穿区，在电路中稳压二极管的两端应加反向电压。(www.xing528.com)

5.汽车用整流二极管

汽车交流发电机用硅整流二极管，具有一个引出极，另一个是外壳，如图3-30所示。

汽车用二极管分为正向二极管和反向二极管两种。正向二极管的引出端为正极，外壳为负极；反向二极管的引出端为负极，外壳为正极，如图3-31所示。通常在正向二极管上涂有红点，反向二极管上涂有黑点。

图3-30 汽车用整流二极管

图3-31 用万用表检测二极管

6.晶体二极管的简易判别

使用二极管时，需要辨别其正、负极性和粗略判断二极的好坏。利用万用表测量时，先把万用表拨到“欧姆”档，一般采用R×100或R×1k这两档。然后用表棒分别正向和反向测量二极管的两端，如图3-31所示。由于指针式万用表欧姆档内接有电池，红表棒内接电池的负极，黑表棒内接电池的正极，所以红表棒带负电，黑表棒带正电。在图3-31a所示情况下，加在二极管上的是正向电压，测量出来的是正向电阻，一般约为几十到几百欧。在图3-31b所示的情况下，加在二极管上的反向电压，测量出来的是反向电阻，一般小功率晶体二极管反向电阻约为几十千欧到几百千欧。正、反向电阻相差越大，表明二极管的单向导电性越好。若测得二极管的正、反向电阻值相近，表示二极管已坏；若正、反向电阻值都很小或为零，则表示二极管已被击穿，两极已短路；若正、反向电阻都很大，则说明二极管内部已断路。

在测量二极管的正、反向阻值时，当测得的阻值较小时，黑表棒与之相接的那个电极就是二极管的正极、与红表棒相接的那个电极为二极管的负极。反之，当测得阻值较大时，与红表棒相接的那个电极为管子的正极，与黑表棒相接的那个电极就是负极。

（三）晶体管

晶体管是电子电路中的重要元件，具有电流放大的作用。

1.晶体管的结构

晶体管是由两个PN结构成的一种半导体器件。根据PN结的组合方式不同，晶体管可分为PNP型和NPN型两种类型，其外形、结构和电路符号如图3-32所示。可见，晶体管有两个结和三个区，中间为基区，两边分别为发射区和集电区。从这三个区引出相应的电极称为基极、发射极和集电极，简称b极、e极和c极。在三个区的交界处形成了两个PN结，发射区与基区分界处的PN结叫做发射结，集电区与基区分界处的PN结叫集电结。图形符号中的箭头表示PN结在正向电压下晶体管的电流方向，对于PNP型晶体管发射极箭头向里，NPN型晶体管的发射极箭头向外。

图3-32 晶体管的外形、结构和电路符号

按制造晶体管的基片材料不同，又可分为硅晶体管和锗晶体管两大类，硅管和锗管又都有NPN和PNP两种管型。

2.晶体管的工作状态

晶体管有三种工作状态：放大、截止和饱和。它们的特点分别是：

（1）放大状态 发射结正向偏置，集电结反向偏置。I_b、I_c、I_e的关系为I_e=I_b+I_c。当I_b有微小变化时，会引起I_c作较大的变化。I_c的变化基本上与U_ce无关，I_c只受I_b的控制。

（2）截止状态 发射结和集电结均处于反向偏置。此时，由于晶体管内基本上没有电流通过，所以管子呈现高阻状态。

（3）饱和状态 发射结和集电结均正向偏置。集电极和发射极之间的电压值很小（硅管约为0.3V，锗管约为0.7V），集电极电流I_c较大，晶体管呈现低阻状态，集电极和发射极之间几乎短路。

3.晶体管的简易判别

（1）管脚和类型判别

1）确定基极和类型。NPN型和PNP型晶体管都包含有两个PN结，因此可以根据PN结的正向电阻小，反向电阻大的特点，用欧姆挡（R×100或R×1k）来判别。晶体管的简易判别如图3-33所示。

图3-33 晶体管的简易判别

任意假设一个极是基极，用万用表任一表棒与假设基极相接，另一表棒分别与其余两个电极依次相接，如图3-33a所示。若测得的电阻都很大（或很小），再将两表棒对调测量，若电阻都很小（或很大），则上述假设的基极是正确的。如果测得的电阻是一大一小，则假设的基极不对，可换一个管脚做基极再测试，直到符合上面的正确结果为止。

基极确定后，用万用表的黑表棒接基极，红表棒分别和另外两电极相接，若测得电阻都很小，则为NPN型管；反之，则为PNP型管。

2）集电极和发射极的判别。基极确定之后，对于NPN型管可以用万用表两表棒任意接在其余两管脚上，并在基极与黑表棒（负极）之间接一只100k的电阻，如图3-33b所示。然后观察电阻值，之后再将两表棒对调，按上法重测一次，最后比较两次测得的电阻值，以电阻值较小的一次为准，此时黑表棒（负极）所接的管脚是集电极，红表棒（正极）接的是发射极。

对于PNP型管，仍以电阻小的一次为准，此时红表棒（正极）接的是集电极，黑表棒（负极）接的是发射极。

（2）晶体管好坏的粗略判别 根据晶体管内PN结的单向导电特性，可用万用表分别测量b，e极间和b，c极间PN结的正、反向电阻。如果测得正、反向电阻相差较大，说明晶体管基本上是好的；如果测得正、反向电阻都很大，说明晶体管内部已经断路；如果测得正、反向电阻都很小或为零，说明晶体管极间短路或击穿。