1、12.1半导体12.1.1半导体的基本知识l所有的物质由原子有序的排列而成。原子由三种基本粒子组成，分别是质子、中子和电子。质子和中子构成了原子核，电子围绕着原子核高速旋转。物质的导电性能由原子最外层的电子（价电子）决定，导体的价电子数目只有一至两个，而绝缘体的价电子数目往往较多，半导体的价电子数目均为4个。就半导体元素硅和锗而言，其原子序数分别为14和32，但它们有一个共同的特点：即原子最外层的电子（价电子）数均为4，其原子结构简图和晶体结构如图121所示。图121 半导体原子结构和晶体结构惯性核正离子惯性核负离子图12-2 掺杂半导体的共价键结构a)N型半导体b)P型半导体空穴12.1.1
2、半导体的基本知识l根据物体导电能力（电阻率）的不同，可以将物质划分为导体、绝缘体和半导体。导体的电阻率小于104cm，绝缘体的电阻率大于109cm，而半导体的电阻率介于中间。典型的半导体元素有硅（Si）和锗（Ge），此外，还有半导体化合物砷化镓（GaAs）等。在本征半导体中掺入微量的杂质可形成杂质半导体，杂质半导体分为P型（空穴型）半导体和N型（电子型）半导体。由于掺杂的影响，会使半导体的导电性能发生显著的改变。12.1.1半导体的基本知识lN型半导体是在本征半导体中掺入微量五价元素磷、砷和锑等的杂质形成的，其共价键结构如图122（a）所示，形成惯性核正离子，且周围多余了一个带负电的自由电子（
3、惯性核：是指原子核和它周围的全部电子，即离子，因体积大、重量重不能移动），自由电子的多少与掺杂的浓度有关。由于本征激发，也会出现一点空穴，但数量极少。所以在N型半导体中，自由电子为多数载流子，而空穴为少数载流子。见图123（a）电荷分布图。12.1.1半导体的基本知识lP型半导体是在本征半导体中掺入微量三价元素硼、铟等杂质形成的，其共价键结构如图122（b）所示，形成惯性核负离子，且在周围有了一个带正电的空穴，这个空穴是根 据电荷平衡原理人们假想的一个正带电体，它以电荷递补的形式进行导电。空穴的多少与掺杂的浓度有关。由于本征激发，也会出现一点自由电子，但数量极少。所以在P型半导体中，空穴为多数
4、载流子，自由电子为少数载流子。见图123（b）电荷分布图。l注意：不论注意：不论N型半导体还是型半导体还是P型半导体都是电中性，对型半导体都是电中性，对外不显电性。外不显电性。a)N型半导体 b)P型半导体 图12-3 电荷分布图12.1.2 PN结1PN结的形成结的形成l当P型半导体和N型半导体接触以后，由于交界两侧半导体类型不同，存在电子和空穴的浓度差。这样P区的空穴向N区扩散，N区的电子向P区扩散，由于扩散运动，在P区和N区的接触面就产生正负离子层。N区失掉电子产生正离子，P区得到电子产生负离子，这些离子固定在晶格上不能自由移动。称这个正负离子层为PN结。l在结的区一侧带负电，区一侧带正
5、电。结便产生了内电场，内电场的方向从区指向区。内电场对扩散运动起到阻碍作用，电子和空穴的扩散运动随着内电场的加强而逐步减弱，直至停止。在界面处形成稳定的空间电荷区。a）b）图124 PN结的形成12.1.2 PN结2.PN结的特性结的特性（1）PN结的正向导通特性l给PN结加正向电压，即P区接正电源，N区接负电源，此时称PN结为正向偏置，如图125所示。l这时PN结的外加电场与内电场方向相反，当外电场大于内电场时，外加电场抵消内电场，使空间电荷区变窄，有利于多数载流子的扩散运动，形成正向电流。外加电场越强，正向电流越大，这意味着PN结的正向电阻变小。图125 正偏图126 反偏12.1.2 P
6、N结（2）PN结的反向截止特性l给PN结加反向电压，即电源正极接N区，负极接P区，称PN结反向偏置，如图126所示。这时外加电场与内电场方向相同，使内电场的作用增强，PN结变厚，多数载流子扩散运动难以进行，但有助于少数载流子的漂移运动，少数载流子很少，所以电流很小，接近于零，即PN结反向电阻很大。l综上所述，PN结具有单向导电性，加正向电压时，PN结电阻很小，电流较大，是多数载流子的扩散运动形成的；加反向电压时，PN结电阻很大，电流很小，是少数载流子的漂移运动形成的。12.2二极管和整流电路12.2.1二极管1二极管的结构和外形二极管的结构和外形l将一个PN结，用塑料、玻璃或金属等材料做外壳封
7、装起来就成为最简单的二极管。其中，正极从P区引出，为阳极；负极从N区引出，为阴极。根据所用半导体材料的不同，二极管可分为锗管和硅管。l接在二极管P区的引出线称二极管的阳极，接在N区的引出线称二极管的阴极。常见的二极管如图127所示。二极管的电气符号如图128所示，其中三角箭头表示正向电流的方向，正向电流从二极管的阳极流入，阴极流出。二极管的文字符号为V。图127 二极管正偏 电流电压正向电流雪崩电流反向击穿反向电流（ma）反偏正偏反偏PN正极负极(a)负极正极(b)V图形符号和文字符号图12-8 二极管伏安特性和符号（a）12.2.1二极管2二极管的伏安特性二极管的伏安特性l二极管的伏安特性如
8、图128所示。当二极管承受正向电压小于某一数值(称为死区电压)时，还不足以克服PN结内电场对多数载流子运动的阻挡作用，这一区段二极管正向电流IF很小，称为死区。通常，硅材料二极管的死区电压约为0.5V，锗材料二极管的死区电压约为0.1V。当正向电压超过死区电压值时，外电场抵消了内电场，正向电流随外加电压的增加而明显增大，二极管正向电阻变得很小。当二极管完全导通后，正向压降基本维持不变，称为二极管正向导通压降UF。一般硅管的UF为0.7V，锗管的UF为0.3V。12.2.1二极管l当二极管承受反向电压时，外电场与内电场方向一致，只有少数载流子的漂移运动，形成的漏电流IR极小，一般硅管的IR为几微
9、安以下，锗管IR较大，为几十到几百微安。这时二极管反向截止。l当反向电压增大到某一数值时，反向电流将随反向电压的增加而急剧增大，这种现象称二极管反向击穿。击穿时对应的电压称为反向击穿电压。普通二极管发生反向击穿后，造成二极管的永久性损坏，失去单向导电性。12.2.1二极管3二极管的主要参数二极管的主要参数l最大整流电流IFM IFM是指二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流值，由PN结的面积和散热条件所决定。管子通过的电流不应超过这个数值。l最高反向工作电压URM URM是指二极管不击穿所允许施加的最高反向电压。超过此值二极管就有被反向击穿的危险。12.2.1二极管l最大反向电流IRM I
10、RM是指二极管在常温下承受最高反向工作电压URM时的反向漏电流，一般很小，但其受温度影响较大。当温度升高时，IRM显著增大。l最高工作频率fM fM是指保持二极管单向导通性能时，外加电压允许的最高频率。二极管工作频率与PN结的极间电容大小有关，电容量越小，工作频率越高。12.2.1二极管5二极管的检测二极管的检测（1）二极管的极性鉴别）二极管的极性鉴别l将模拟万用表置于将模拟万用表置于R100档或档或R1k档，两表档，两表笔分别接二极管的两个电极，测出一个结果后，笔分别接二极管的两个电极，测出一个结果后，对调两表笔，再测出一个结果。两次测量的结对调两表笔，再测出一个结果。两次测量的结果中，有一
11、次测量出的阻值较大（为反向电果中，有一次测量出的阻值较大（为反向电阻），一次测量出的阻值较小（为正向电阻）。阻），一次测量出的阻值较小（为正向电阻）。在阻值较小的一次测量中，黑表笔接的是二极在阻值较小的一次测量中，黑表笔接的是二极管的正极，红表笔接的是二极管的负极。管的正极，红表笔接的是二极管的负极。12.2.1二极管（2）单向导电性能的检测及好坏的判断l通常，使用万用表测量时，锗材料二极管的正向电阻值为1k左右，反向电阻值为300k左右。硅材料二极管的正向电阻值为5k左右，反向电阻值为（无穷大）。正向电阻越小越好，反向电阻越大越好。正、反向电阻值相差越悬殊，说明二极管的单向导电特性越好。l若
12、测得二极管的正、反向电阻值均接近0或阻值较小，则说明该二极管内部已击穿短路或漏电损坏。若测得二极管的正、反向电阻值均为无穷大，则说明该二极管已开路损坏。l也可以使用数字万用表的二极管档来测量二极管的好坏，好的二极管在施加正向电压时，可测出正向压降和导通电流，一般硅管的正常压降范围为：0.50.8V，锗管的正常压降范围为：0.20.3V。当万用表的表笔连接在二极管的两极时，实际是给二极管施加了一个很小的电压，此时万用表上显示的是二极管的管压降。测试步骤如下所示。关闭电源；将万用表调到二极管测试档；将红黑表笔连接到二极管的两极，红表笔连接二极管的正极，黑表笔连接二极管的负极，此时万用表显示的是二极
13、管的正向压降。如果正向压降在正常范围内则表示二极管的正向导通没问题；将红黑笔调换，即给二极管加反向电压，万用表应显示“1”，表示无穷大，表示二极管反向截止性能是正常的。l如果二极管有问题，可能两个方向都显示无穷大；或者两个方向均显示导通压降，一般为0.4V左右。关闭电源将万用表调到二极管测试档表笔连接到二极管的两极表笔正负极调换 图12-9（a）二极管测量12.2.1二极管（3）反向击穿电压的检测l二极管反向击穿电压（耐压值）可以用晶体管直流参数测试仪测量。方法是：将测试仪的“NPN/PNP”选择键设置为NPN状态，再将被测二极管的正极接测试仪的“C”插孔内，负极插入测试仪的“e”插孔，然后按
14、下“V（BR）”键，测试表即指示出二极管的反向击穿电压值。l用兆欧表和万用表来测量二极管的反向击穿电压、测量时被测二极管的负极与兆欧表的正极相接，正极与兆欧表的负极相连，同时用万用表（置于合适的直流电压档）监测二极管两端的电压。如图12-9（b）所示，摇动兆欧表手柄（应由慢逐渐加快），待二极管两端电压稳定而不再上升时，此电压值即是二极管的反向击穿电压。万用表兆欧表图12-9（b）测量二极管反向击穿电压12.2.2整流电路 利用PN结的特性，可以制作多种不同功能的晶体二极管，例如普通二极管、稳压二极管、变容二极管、光电二极管等。其中，具有单向导电特性的普通二极管应用最广，可实现整流、限幅及电平选
15、择等功能。把交流电变为直流电，称为整流。完成整流功能的电路就称为整流电路。按交流电的相数，可分为单相整流和三相整流；按整流后的输出电压波形，又可分为半波整流和全波整流。12.2.2整流电路1单相半波整流电路图单相半波整流电路图l二极管单相半波整流电路如图12-10(a)所示。若二极管为理想，当输入正弦波时，由图可知：正半周时，二极管导通(相当开关闭合)，uo=ui；负半周时，二极管截止(相当开关打开)，uo=0。其输入、输出波形见图12-10(b)。图12-10 二极管半波整流电路12.2.2整流电路l对于电源来自电网的整流电路而言，由于输入整流电路的交流电压频率是50Hz，所以半波整流电路输
16、出的单向脉动直流电压中的脉动频率也是50Hz。对于滤波电路而言，频率越低越不利于滤波。半波整流电路输出的单向脉动直流电压中的交流成分频率最低，所以最不利于滤波。12.2.2整流电路2单相全波整流电路单相全波整流电路l二极管单相全波整流电路如图1211所示。正半周时，二极管V1导通；负半周时，二极管V2导通，其输入、输出波形见图1211。全波整流电路输出的单向脉动直流电压中依然存在大量的交流成分，其脉动频率是交流输入频率的2倍，即100Hz。对于滤波电路，在滤波电容的容量一定时，脉动的频率越高，滤波效果越好。全波整流电路较半波整流电路更有利于滤波电路的工作，而且全波整流电路的输出整流电压高于半波
17、整流电路。图1211 单相全波整流电路12.2.2整流电路l图1211的单相全波整流电路必须使用有中心抽头的变压器，这样，不但使整流变压器的体积增大、重量增加、成本提高，而且二极管所承受的电压为桥式整流电路（如图12-12所示）的二倍。所以虽然此类整流电路只使用了两个二极管，但是其经济性还是无法与桥式整流电路相比，因此全波整流电路在实际应用上多为桥式电路。表12-2 单相全波整流电路故障分析名名 称称故故 障障 现现 象象故故 障障 原原 因因V1开路直流脉动输出电压只有正常时的一半。V1开路后，全波整流变成了半波整流V1短路输出电压为零，变压器的初级和次级线圈中电流增大很多，甚至使电源的熔断
18、器烧毁。V1使变压器次级线圈出现短路现象，次级线圈没有电压输出，造成整流电路无输出电压。V2故障V2故障分析同V1中心抽头断输出电压为0中心轴头断线后，二极管电路不能构成回路，所以负载上没有电流12.2.2整流电路3.桥式整流电路桥式整流电路l在电路中需要使用四个二极管。l在输入交流电源电压正半周期间，V2、V3导通，沿红色箭头方向电流回路是：变压器次级线圈上端二极管V2负载电阻R二极管V3变压器次级线圈下端。l在输入交流电源电压负半周期间，V1、V4导通，沿兰色箭头方向电流回路是：变压器次级线圈下端二极管V4负载电阻R二极管V1变压器次级线圈上端。l在电路中可以看出，桥式整流电路无需变压器中
19、心抽头，在每半周内，有两只二极管串联导通，另外两只二极管串联截止，每个二极管各承受一半的电源电压。图12-12 桥式整流电路表12-3 桥式全波整流电路故障分析名名 称称故故 障障 现现 象象故故 障障 原原 因因任意一直只二极管开路直流脉动输出电压只有正常时的一半。交流输入电压的正半周或负半周没有被整流成直流。蓝黄二组中各有一只二极管开路整流输出电压为零交流输入电压的正半周和负半周均没有被整流成直流。图12-13 整流模块的外形和电气符号桥式整流电路常常被做成模块，将四只整流二极管封装在一起，其外形和电气符号如图12-13所示。整流后的波形滤波后的波形纯直流的波形 图12-14 滤波4.4.
20、滤波滤波l经整流后的脉动直流电往往要经过滤波后才能使用，滤波后的波形如图12-14所示。常用的几种小功率滤波电路形式见表12-4所示。l一般直流稳压电源中的滤波电容取值为几十微法到几千微法，滤波电感的取值为几到几十亨。若要获得较好的滤波效果，滤波参数取大一些好，但是也会带来不利影响，例如设备体积大、成本高，而且串联的滤波电感会产生较大的直流压降。采用多级滤波是提高滤波效果的一种有效方法。表12-4 常用小功率滤波电路的比较和参数名名 称称电容电容滤波滤波电感电容电感电容滤波滤波型型RC滤波滤波型型滤波滤波滤波电路 滤波滤波 效果效果负载电流越大负载电流越大滤波效果越差滤波效果越差较好较好负载电
21、流越大负载电流越大滤波效果越差滤波效果越差好好 输出 电压高低较高高 输出 电流较小大小较小 负载 特性差较好差差 适用 场合输出电压较高，负载电流较小，平滑要求一般输出电压低，负载电流较大，平滑要求较高输出电压较高，负载电流小，平滑要求高输出电压较高，负载电流稍大，平滑要求高4.4.三相整流电路三相整流电路l三相整流电路如图12-15（a）所示，其输出波形见图12-15（b）。从图中可以看出三相整流电路的输出波形较单相全波整流电路要平滑得多。在一些要求不高的场合，可以直接使用而不进行滤波。其脉动频率为300Hz，容易滤波。（a）三相整流电路 （b）三相整流波形图12-15 三相整流电路12.
22、2.3稳压二极管（齐纳二极管）1.稳压二极管的特性稳压二极管的特性l稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊的面接触型硅晶体二极管。稳压二极管的特性曲线与普通二极管基本相似，只是稳压二极管的反向特性曲线比较陡。稳压二极管的正常工作范围，是在伏安特性曲线上的反向电流开始突然上升的部分。这一段的电流，对于常用的小功率稳压管来讲，一般为几毫安至几十毫安。I/mAU/VIZMINIZMAXUZUZ图12-16稳压二极管的伏安特性图12-17 稳压管在稳压管的正常工作范围内（反向击穿区），稳压管的电流急剧增大，但是稳压管两端的电压基本不变。稳压二极管的稳压值通常是一个范围，例如型号为2DW7A的稳压管的稳压范
23、围是：5.86.6V。2.2.稳压二极管的检测稳压二极管的检测 （1）正负极的判别：从外形上看，金属封装稳压二极管管体的正极一端为平面形，负极一端为半圆面形。塑封稳压二极管管体上印有彩色标记的一端为负极，另一端为正极。对标志不清楚的稳压二极管，也可以用万用表判别其极性，测量的方法与普通二极管相同，即用模拟万用表R1k档，将两表笔分别接稳压二极管的两个电极，测出一个结果后，再对调两表笔进行测量。在两次测量结果中，阻值较小那一次，黑表笔接的是稳压二极管的正极，红表笔接的是稳压二极管的负极。若测得稳压二极管的正、反向电阻均很小或均为无穷大，则说明该二极管已击穿或开路损坏。2.2.稳压二极管的检测稳压
24、二极管的检测 （2）稳压值的测量：对于13V以下的稳压二极管，可将稳压电源的输出电压调至15V，将电源正极串接1只1.5k限流电阻后与被测稳压二极管的负极相连接，电源负极与稳压二极管的正极相接，再用万用表测量稳压二极管两端的电压值，所测的读数即为稳压二极管的稳压值。若稳压二极管的稳压值高于15V，则应将稳压电源调至20V以上。也可用低于1000V的兆欧表为稳压二极管提供测试电源。其方法是：将兆欧表正端与稳压二极管的负极相接，兆欧表的负端与稳压二极管的正极相接后，按规定匀速摇动兆欧表手柄，同时用万用表监测稳压二极管两端电压值。若测量稳压二极管的稳压值忽高忽低，则说明该稳压管的性能不稳定。12.3
25、光电池（Photovoltaic cell）l光电池也是一种半导体元件。半导体PN结在受到光照射时能产生电动势效应，叫光伏打效应。根据所用材料的不同，太阳能电池可分为：硅太阳能电池、以无机盐如砷化镓III-V化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池、高分子材料制备的大阳能电池和纳米晶太阳能电池等。12.3光电池l其中硅太阳能电池、尤其是硅太阳能电池转换效率最高（达到23.3%）而成为最理想的电池品种，但缺点是硅材料供应紧缺、生产成本高。硅光电池就是利用光伏打效应将光能直接换成电能的半导体器件。硅光电池等效于一个PN结，在不同的光照条件下可以在PN结两端产生电动势。12.3光电池l硅光电池
26、的结构简单，核心部分是一个大面积的PN结。硅光电池的PN结面积要比二极管的PN结大得多，所以受到光照时产生的电动势和电流也大得多。例如，国产2CR型硅光电池在100mW/cm2的入射光强下，开路电压(需用高内阻的直流毫伏计测量)为450600mV，短路电流为1630mA，转换效率为612。图12-18 光电池1.1.光电池的工作原理光电池的工作原理l光照可以使半导体薄薄的P型区产生大量的光生载流子。这些光生电子和空穴，会向PN结方向扩散。扩散过程中，一部分电子和空穴复合消失，大部分扩散到PN结边缘。在结电场的作用下，大部分光生空穴被电场推回P型区而不能穿越PN结；大部分光生电子却受到结电场的加
27、速作用穿越PN结，到达N型区。随着光生电子在N型区的积累及光生空穴在P型区的积累，会在PN对的两侧产生一个稳定的电位差，这就是光生电动势。当光电池两端接有负载时，将有电流流过负载，起着电池的作用。光电池的工作原理和电气符号如图12-18所示。大部分光电池能提供的电压等级超过0.5V，电流一般为40mA。如果需要更高的电压可以将电池串联起来；如果要增加输出电流则要将电池并联起来，如图12-19所示。图12-19 光电池组a)光电池并联 b)光电池串联 2.光电池组光电池组3.3.光电池的应用光电池的应用主要用于下述几个方面：l硅光电池串联或并联组成电池组与镍镉电池配合，可作为人造卫星、宇宙飞船、
28、航标灯、无人气象站等设备的电源；l电子手表、电子计算器、小型汽车、游艇等的电源。l光电检测器件（红外探测器、光电耦合、激光校准等设备）的光感受器，以及光电控制器件（光电开关等）的转换器。图12-22 太阳能屋顶图12-21 太阳能路灯图12-20 太阳能汽车12.4 输入元件（热敏电阻、光敏电阻、霍尔元件）l由半导体材料制成的输入元件(传感器)如热敏电阻、光敏电阻和霍尔元件等能将多种非电参数（温度、流量、压力等）检测出来，变换成电参数进行控制。12.4.1热敏电阻（Thermistor）l热敏电阻是利用半导体的电阻随温度变化的特性制成的测温元件。与金属材料相比，半导体材料的电阻率温度系数为金属
29、材料的10100倍，甚至更高。因此利用半导体材料可以制作灵敏度高、体积小、适用于各种领域的热敏元件。热敏电阻按温度特性可分为：1.负温度系数热敏电阻（简称NTC），在工作温度范围内，电阻随温度上升而非线性下降；2.正温度系数热敏电阻（简称PTC），在工作温度范围内，其电阻值随温度上升而非线性增大。图12-23 热敏电阻图12-24 热敏电阻检测温度热敏电阻温度显示热敏电阻可用来检测液体、气体、固体表面温度，其检测范围从240到1742。如图12-24所示为热敏电阻检测温度。图12-25热敏电阻的测量热敏电阻在电路中必须正确的连接，如果接线松动或是接线端子表面氧化都会造成电阻值增大，测温不准确。
30、下面介绍一种测量热敏电阻好坏的简单方法，如图12-25所示。测试步骤如下：将热敏电阻从电路板上拆下；将热敏电阻投入冰水中，记录下温度计的温度值和万用表的电阻值；将热敏电阻投入热水（不要沸水）中，记录下温度计的温度值和万用表的电阻值。比较两次的读数，并与生产厂商的说明书对比，如果电阻值接近即表示热敏电阻是好的。图12-26 热敏电阻的电气符号12.4.2光敏电阻(Photoconductive cell)l光敏电阻又称为光电管，是一种半导体元件。光敏电阻没有极性，是一种纯可变电阻，可施加直流电压也可以施加交流电压。光敏电阻在不受光照时的阻值（暗电阻）很大，可达兆欧级，而在一定波长的光照射下，它的
31、阻值急剧减少，电路中的电流急剧增加，此时的电阻称为亮电阻，一般在几千欧以下。光敏电阻外形如图12-27所示。图12-27 光敏电阻图12-28 光敏电阻的电气符号光敏电阻一般是由硫化镉或是硒化镉等半导体材料制成，将它涂在玻璃底板上，两端安装有输出电极，为了防止周围介质的影响，在半导体光敏层上覆盖了一层漆膜，漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。光敏电阻器在电路中用字母“R”、“RL”或“RG”表示，图12-28是其电气图形符号。12.4.2光敏电阻根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种：1.紫外光敏电阻器：对紫外线较灵敏，包括硫化镉、硒化镉光敏电阻器等，用于探测紫外线。2.红外光敏
32、电阻器：主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅、锑化铟等光敏电阻器，广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测、红外线通信等国防、科学研究和工农业生产中。12.4.2 光敏电阻 3.可见光光敏电阻器：包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等。主要用于各种光电控制系统，如光电自动开关门，航标灯、路灯和其他照明系统的自动亮灭，自动给水和自动停水装置，机械上的自动保护装置和位置检测，极薄零件的厚度检测器，照相机自动曝光装置，光电计数器，烟雾报警器，光电跟踪系统等方面。12.4.2光敏电阻 光敏电阻的简单的测试方法如下：l将光敏电阻从电路中拆下；l将光敏电阻与万用表连接好；l
33、用手指将光敏电阻的感光面遮住，并记录此时的电阻值；l用手电筒照射光敏电阻的感光面，并记录此时的电阻值。l将两次测量的结果与生产厂家的说明书相对比，如果数值接近，即表示该光敏电阻工作正常。图12-29 光敏电阻的简单测试用手电照射光敏电阻，记录电阻值用手指遮住光敏电阻，记录电阻值将光敏电阻与万用表连接好将光敏电阻从电路中拆下12.4.3光敏二极管（0photoconductive diode）l光敏二极管与一般二极管相似，封装在玻璃外壳中，其PN结装在顶端，可经透镜接受光线照射。没有光照时等效电阻很高，有光照时等效电阻成比例下降。外形如图12-30所示。光敏二极管与普通二极管不同的是，一般在电路
34、中处于反向连接，其电气符号如图12-31（a）所示，常见的接法如图12-31（b）所示。图12-30 光敏二极管 （a）（b）图12-31 光敏二极管的符号和接法光敏二极管比光敏电阻反应要快，常常使用在电影放映设备上和传送带等需要快速反应的场合。可用于物体定位控制、外形检测等。使用光敏二极管检测传送带上的物料，所产生的信号经放大器放大后输入到PLC，PLC控制传送带停止，完成填料工序后，传送带才能继续启动。也可以利用光敏二极管进行计数或者传送带速度控制。图12-32 光敏二极管的应用光源 光敏二极管放大器12.4.4 霍尔元件l1879年霍尔发现：在通有电流的金属板上加一个强磁场，当电流方向与
35、磁场方向垂直时，在与电流和磁场都垂直的金属板的两表面间出现电位差，这个现象称为霍尔效应。由于导体的霍尔效应很弱，所以霍尔元件都是用半导体材料制成。霍尔元件是一种半导体四端薄片，一般为长方形，在薄片的相对两侧对称的焊上两对电极引出线，一对为激励电流端，另外一对为霍尔电动势输出端。（a）（b）霍尔元件通常有四个引脚，即两个电源端和两个电压输出端，其电路符号如图12-33（b）所示。国产常用的霍尔元件材料是N型硅，它的霍尔灵敏度系数高、温度特性和线性度好。也有锑化铟、砷化铟、N型锗等材料制成的霍尔元件。图12-33 霍尔元件和符号 安全门霍尔元件 转换环节门锁开关图12-34 磁卡安全门磁卡霍尔元件
36、在安全门锁上的应用如图12-34所示，整个系统由霍尔元件、磁卡、和门锁电气系统构成。当磁卡接近霍尔元件的检测面时，霍尔元件输出一个模拟电压信号，模拟信号经转换环节比较后，转换成开关量，输出到门锁开关的继电器，控制开门。12.4.4霍尔元件l霍尔元件的用途非常广泛，可用于检测转速、产品计数、物料定位、流量监测、磁卡读卡器等。霍尔传感器检测轮轴转速如图12-35所示。霍尔传感器检测多极磁铁转速见图12-36所示，被检设备与多极磁铁连接在一起，当设备运转时，多极磁铁跟随运转，N极和S极交替接近霍尔传感器的检测面，霍尔元件产生的霍尔电动势的极性也交替变换，通过整形电路变为方波，对方波计数或对周期测量即
37、可得到转速。图12-35 霍尔元件检 测轮轴转速 图12-36 霍尔元件检测 多极磁铁12.5放大器件和集成电路12.5.1三极管（Transistor）1三极管的结构及外形三极管的结构及外形l三极管是由两个PN结、3个杂质半导体区域组成的，因杂质半导体有P、N型两种，所以三极管的组成形式有NPN型和PNP型两种。其电路符号和结构示意如图12-37所示，文字符号为VT。l三极管有三个区：发射区、基区、集电区，从这三个区引出的电极：发射极e、基极b和集电极c；两个PN结分别为发射结（发射区与基区之间）和集电结（集电区与基区之间）。PNP型三极管NPN型三极管N型材料N型材料P型材料P型材料PNP
38、型NPN型图12-37 三极管的结构和符号三极管基区很薄，一般仅有1微米至几十微米厚，发射区浓度很高，集电结截面积大于发射结面积。三极管根据基片的材料不同，分为锗管和硅管两大类，目前国内生产的硅管多为NPN型（3D系列），锗管多为PNP型（3A系列），实际应用中采用NPN型三极管较多。图12-38 常用三极管常见的三极管外形如图12-38所示。12.5.1三极管2三极管的管脚识别三极管的管脚识别l目前使用的最多的是塑料封装三极管，其次是金属封装三极管。三极管的管脚有三个或是两个（金属封装的三极管一般将金属外壳作为为集电极使用）。三个管脚可以按等腰三角形分布，也可以一字排列分布，有的金属封装高频
39、放大管是四个引脚，第四个引脚接外壳，这一引脚不参与内部工作，接电路中的地线。三极管各极之间的距离也不相同，一般发射极和基极距离较近，而集电极较远，基极一般处于中间位置。具体管脚的排列应参照产品说明书。4 4三极管的检测三极管的检测l三极管损坏的原因很多，最常见的就是过电流。常见故障表现为短路和开路，我们可以通过检测各极间的电阻值来判断，图12-39所示为检测NPN型三极管的步骤：（1）将万用表调整到电阻挡，红黑表笔分别连接到基极和发射极，记录电阻值；（2）将万用表的红黑表笔颠倒极性再次连接到基极和发射极，记录电阻值，比较两次测量的电阻值，其比例应在100：1以上。如果两电阻值均很小说明短路，如
40、果均很大则说明开路；（3）将万用表的红黑表笔分别连接到基极和集电极，记录电阻值；4 4三极管的检测三极管的检测 （4）将万用表的红黑表笔颠倒极性再次连接到基极和集电极，记录电阻值，比较两次测量的电阻值，其比例应在100：1以上。如果两电阻值均很小说明短路，如果均很大则说明开路；（5）将万用表的红黑表笔分别连接到发射极和集电极，测量集电极和发射极的电阻值；（6）将万用表的红黑表笔颠倒极性再次连接到发射极和集电极，记录电阻值，比较两次测量的电阻值，均很大，为正常。此种方法也可以用来判断三极管的管脚。将表笔连接到B极和E极将表笔倒极性将表笔连接到B极和C极将表笔倒极性将表笔连接到E极和C极将表笔倒极
41、性E 发射结正常：一个方向阻值大，一个方向阻值小短路：两个方向电阻值均很小开路：两个方向电阻值均很大 集电结正常：一个方向阻值大，一个方向阻值小短路：两个方向电阻值均很小开路：两个方向电阻值均很大集电极和发射极正常：两个方向阻值均大短路：两个方向电阻值均很小开路：电阻值不确定图12-39 三极管检测步骤表12-5 塑料封装和金属封装三极管引脚示意图塑料封装三极管引脚分布示意图塑料封装三极管引脚分布示意图S-1A型S-1B型S-2型S-4型S-5型型S-6A型S-6B型S-7型S-8型金属封装三极管引脚分布示意图金属封装三极管引脚分布示意图B型C型D型F型表12-6三极管分类划分方法及名称划分方
42、法及名称说说 明明极性划分NPN型三极管常用三极管，电流从集电极流向发射极PNP型三极管电流从发射极流向集电极按材料划分硅三极管简称硅管，常用三极管，工作稳定性好锗三极管简称锗管，漏电流大，受温度影响较大按极性和材料组合划分PNP型硅管最常用的是NPN型硅管NPN型硅管PNP型锗管NPN型锗管按工作频率划分小功率三极管输出功率小，用于前级放大电路中功率三极管输出功率较大，用于功率放大器输出级或末级电路大功率三极管输出功率很大，用于功率放大器输出级按工作频率划分低频三极管工作频率较低，用于直流放大器、音频放大器电路高频三极管工作频率较高，用于高频放大器电路按封装材料划分塑料封装三极管小功率管常用
43、金属封装三极管一部分大功率管和高频三极管采用按安装形式划分普通三极管大部分三极管均为此种形式，三根引脚通过电路板上的引脚孔伸到背面铜箔线路上，用焊锡焊接贴片三极管三极管引脚非常短，三极管直接装在电路板铜箔线路一面，用焊锡焊接。按用途划分放大管、开关管、振荡管构成各种电路5 5三极管的三种放大电路三极管的三种放大电路（1）三极管内的电流分配关系l三极管内的电流分配如图12-40所示，图中的发射结正偏，集电结反偏，蓝箭头表示电子流方向。由于三极管基区的杂质浓度很低，且厚度很薄，所以从发射区注入到基区的电子（多数载流子）只有很小一部分在基区复合掉，绝大部分到达集电区。这就是说构成发射极电流IE的两部
44、分中，IB部分是很小的，IC部分所占百分比是大的。由三极管内部的载流子运动规律可知，集电极电流IC主要来源于发射极电流IE（IC受IE控制），而同集电极外电路几乎无关，只要加到集电结上的反向电压能够把从基区扩散到集电结附近的电子吸引到集电区即可。这就是三极管的电流放大作用，其本质就是IB对IC的控制作用。三极管能实现放大作用也是以此为基础的。l由图12-40中可知，三级管各级的电流有如下的关系：IC=IB （12-1）IE=IB+IC=（1+）IB （12-2）式12-1中的为三极管的放大系数，一般都在几十以上。可以看出，在三个电流中，IE最大，IC其次，IB最小，IE和IC相差不大，它们比I
45、B大得多。l 在发射结正偏、集电结反偏的条件下，晶体管三个电极上的电流不是孤立的，它们能够反映在基区扩散与复合的比例关系。这一比例关系主要由基区宽度、掺杂浓度等因素决定，管子做好后就基本确定了，所以放大系数也就确定了。反之，一旦知道了这个比例关系，就不难得到晶体管三个电极电流之间的关系，从而为定量分析晶体管电路提供方便。三极管的结构特点是它具有电流控制作用的内部条件，而发射结正向偏置、集电结反向偏置是它实现电流控制作用的外部条件。这是因为IC受IB（或IE）控制，是在满足上述外部条件下实现的，因此，三极管在作放大运用时的直流供电必须满足这个外部条件。NPNIEIBICCBEUBEUCEUCB复
46、合载流子传输方向（NPN型的多子是电子）电子空穴图12-40 三极管载流子的传输过程l当三极管工作在放大区时，对于NPN型三极管，有UCUBUE，对于PNP三极管，有UEUBUC。各极电压不满足这一关系时，三极管就不会工作在放大状态。因此可以通过测量各电极的直流工作电压就可以知道三极管是否处于放大状态。（2）三极管的截止、放大和饱和三种工作状态工作状态工作状态定定 义义电电 流流 特特 征征说说 明明截止状态集电极和发射极之间内阻很大IB=0，IE和IC也为零或很小利用电流为零或很小的特征，可以判断三极管已处于截止状态放大状态集电极和发射极之间内阻受基极电流控制，基极电流大，其内阻小。IC=I
47、BEIE=IB+IC=（1+）IB有一个基极电流就有一个对应的集电极电流和发射极电流，基极电流能够有效的控制集电极和发射极电流。饱和状态集电极与发射极之间内阻很小各电极电流均很大，基极电流已无法控制集电极和发射极电流。电流放大倍数很小，甚至等于1表12-8三极管三种工作状态的电压特征管 型工 作 状 态饱 和放 大截 止UBE（V）UCE（V）UBE（V）UBE（V）开始截止可靠截止NPN硅管0.70.20.60.70.50PNP锗管-0.3-0.1-0.2-0.3-0.10.1（3）三极管的基本放大电路(a)ceiEiCb(b)cebiBiC(c)输出回路输入回路ecbiBiE图12-41
48、三极管的三种基本电路l晶体三极管的一个基本应用就是构成放大器。所谓放大，是在保持信号不失真的前提下，使其由小变大、由弱变强。三极管的三个极通常以其中两个作为电路的输入、输出端，第三个为公共端，即可构成输入、输出两个回路。其放大电路的基本接法如图12-41所示，分别是（a）共发射极接法、（b）共集电极接法和（c）共基极接法接法。表12-9 三种放大电路的主要性能项项 目目共发射极电路共发射极电路共集电极电路共集电极电路共基极电路共基极电路电压放大倍数远大于1小于接近1远大于1电流放大倍数远大于1远大于1小于接近1输出、输入电压相位反相同相同相输入电阻一般大小输出电阻一般小大高频特性一般一般好带负
49、载特性一般好差6 6三极管作为直流开关使用三极管作为直流开关使用l三极管和二极管一样可以作为电子开关器件使用。当三极管用作开关时，工作在截止和饱和两种状态。三极管的集电极和发射极之间的内阻随基极电流的大小而变化，基极电流越大，这一内阻越小，反之内阻越大。三极管在饱和和截止时内阻相差很大，因此可以将三极管当作电子开关使用。l在三极管开关电路中，三极管的集电极和发射机之间相当于一个开关。当三极管截止时，集电极和发射极之间的电阻很大，相当于开关的断开状态；当三极管饱和时，其集电极和发射极之间的电阻很小，相当于开关的接通状态，如图12-42所示。三极管的开关特性受到基极电流的控制，基极电流足够大时，三
50、极管进入饱和状态；基极电流为零时，三极管即进入截止状态。负载负载得电 电源集电极和发射极无电流集电极和发射极有电流基极无电流 基极有电流图12-42 三极管电子开关 电源图12-43散热片7三极管的散热问题三极管的散热问题三极管的功耗和发热是不可忽略的问题。必须采用合适的散热措施保证三极管正常工作。如果出现超负荷，在短时间内就会导致半导体元件出现热失控。热失控是半导体元件一个独特的特性，即温度与电流之间相互增长的现象。为了保护三极管等半导体器件，常常需要使用铝或铜质散热器，如图12-43所示。对于大功率三极管还要考虑使用强迫风冷，甚至安装空调制冷。散热器的正确安装如图12-44所示。三极管绝缘
