第14章 二极管和晶体管 14.1 半导体的导电特性 14.2 PN结 14.3 半导体二极管 14.4 稳压二极管 14.5 半导体三极管

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1 第14章 二极管和晶体管 14.1 半导体的导电特性 14.2 PN结 14.3 半导体二极管 14.4 稳压二极管 14.5 半导体三极管
半导体的导电特性 PN结 半导体二极管 稳压二极管 半导体三极管 光电器件

2 第14章 二极管和晶体管 本章要求： 1. 理解PN结的单向导电性，三极管的电流分配和 电流放大作用；
2. 了解二极管、稳压管和三极管的基本构造、工 作原理和特性曲线，理解主要参数的意义； 3. 会分析含有二极管的电路。

3 对于元器件，重点放在特性、参数、技术指标和正确使用方法，不要过分追究其内部机理。讨论器件的目的在于应用。
学会用工程观点分析问题，就是根据实际情况，对器件的数学模型和电路的工作条件进行合理的近似，以便用简便的分析方法获得具有实际意义的结果。 对电路进行分析计算时，只要能满足技术指标，就不要过分追究精确的数值。 器件是非线性的、特性有分散性、RC 的值有误差、工程上允许一定的误差、采用合理估算的方法。

4 热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强
14.1 半导体的导电特性 半导体的导电特性： 热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强 (可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。 光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化 (可做 成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极 管、光敏三极管等)。 掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电 能力明显改变(可做成各种不同用途的半导 体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。

5 14.1.1 本征半导体 完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。 共价键中的两个电子，称为价电子。 Si 价电子 共价健
晶体中原子的排列方式 硅单晶中的共价健结构 共价键中的两个电子，称为价电子。

6 在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。
自由电子 本征半导体的导电机理 价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。 Si 这一现象称为本征激发。 空穴 温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。 价电子 在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。

7 本征半导体的导电机理 当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流 (1)自由电子作定向运动 电子电流 (2)价电子递补空穴 空穴电流 自由电子和空穴都称为载流子。 自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。 注意： (1) 本征半导体中载流子数目极少, 其导电性能很差； (2) 温度愈高， 载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。

8 14.1.2 N型半导体和 P 型半导体 在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成杂质半导体。 在常温下即可变为自由电子 掺入五价元素
Si 掺入五价元素 掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。 多余电子 p+ 在N 型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。 磷原子 失去一个电子变为正离子

9 N型半导体和 P 型半导体 Si 掺入三价元素 空穴 掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或 P型半导体。 B– 硼原子 在 P 型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。 接受一个电子变为负离子 无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。

10 a 1. 在杂质半导体中多子的数量与 （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。 b 2. 在杂质半导体中少子的数量与 （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。 3. 当温度升高时，少子的数量 （a. 减少、b. 不变、c. 增多）。 c 4. 在外加电压的作用下，P 型半导体中的电流 主要是 ，N 型半导体中的电流主要是 。 （a. 电子电流、b.空穴电流） a b

11 14.2 PN结 14.2.1 PN结的形成 空间电荷区也称 PN 结 内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。 少子的漂移运动
－ + 扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。 浓度差 多子的扩散运动 形成空间电荷区 扩散的结果使空间电荷区变宽。

12 14.2.2 PN结的单向导电性 P N IF – + P接正、N接负 1. PN 结加正向电压（正向偏置）
内电场 P N － + 内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。 + – IF 外电场 PN 结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。

13 2. PN 结加反向电压（反向偏置） P接负、N接正 内电场 P N + － – + 外电场

14 – + IR 2. PN 结加反向电压（反向偏置） P接负、N接正
内电场 P N + － 内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。 – + 外电场 IR PN 结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。 温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。

15 14.3 半导体二极管 14.3.1 基本结构 (a) 点接触型 (b)面接触型 结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路。
基本结构 (a) 点接触型 (b)面接触型 结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路。 结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。 (c) 平面型 用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。

16 二极管的结构示意图 ( c ) 平面型 ( a ) 点接触型 ( b ) 面接触型 ( d ) 符号 D
阴极引线 阳极引线 二氧化硅保护层 P 型硅 N ( c ) 平面型 金属触丝 阳极引线 N 型锗片 阴极引线 外壳 ( a ) 点接触型 铝合金小球 N 型硅 阳极引线 PN 结 金锑合金 底座 阴极引线 ( b ) 面接触型 阴极 阳极 ( d ) 符号 D 图 1 – 12 半导体二极管的结构和符号

17 14.3.2 伏安特性 正向特性 U I 特点：非线性 P N – + 反向击穿 电压U(BR) 硅0.6~0.8V锗0.2~0.3V
伏安特性 U I 特点：非线性 P N – + 反向击穿 电压U(BR) 硅0.6~0.8V锗0.2~0.3V 导通压降 反向电流 在一定电压 范围内保持 常数。 P N + – 硅管0.5V锗管0.1V 死区电压 反向特性 外加电压大于死区电压二极管才能导通。 外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。

18 14.3.3 主要参数 1. 最大整流电流 IOM 二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。 2. 反向工作峰值电压URWM
主要参数 1. 最大整流电流 IOM 二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。 2. 反向工作峰值电压URWM 是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压UBR的一半或三分之二。二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。 3. 反向峰值电流IRM 指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，IRM受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。

19 二极管的单向导电性 1. 二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负 ）时， 二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。
2. 二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正 ）时， 二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。 3.外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。 4.二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。

20 二极管电路分析举例 导通截止 定性分析：判断二极管的工作状态 若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零，反向截止时二极管相当于断开。 否则，正向管压降 硅0.6~0.7V锗0.2~0.3V 分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位 的高低或所加电压UD的正负。 若 V阳 >V阴或 UD为正( 正向偏置 )，二极管导通 若 V阳 <V阴或 UD为负( 反向偏置 )，二极管截止

21 取 B 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。
例1： D 6V 12V 3k B A UAB + – 电路如图，求：UAB 取 B 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。 V阳 =－6 V V阴 =－12 V V阳>V阴 二极管导通 若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB =－ 6V 否则， UAB低于－6V一个管压降，为－6.3Ｖ或－6.7V 在这里，二极管起钳位作用。

22 取 B 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。
例2: B D1 6V 12V 3k A D2 UAB + – 求：UAB 两个二极管的阴极接在一起 取 B 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。 V1阳 =－6 V，V2阳=0 V，V1阴 = V2阴= －12 V UD1 = 6V，UD2 =12V ∵ UD2 >UD1 ∴ D2 优先导通， D1截止。 若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 0 V 流过 D2 的电流为 在这里， D2 起钳位作用， D1起隔离作用。 D1承受反向电压为－6 V

23 ui > 8V，二极管导通，可看作短路 uo = 8V ui < 8V，二极管截止，可看作开路 uo = ui
D 8V R uo ui + – 例3： 已知： 二极管是理想的，试画出 uo 波形。 二极管的用途： 整流、检波、 限幅、钳位、开 关、元件保护、 温度补偿等。 ui 18V 参考点 8V 二极管阴极电位为 8 V ui > 8V，二极管导通，可看作短路 uo = 8V ui < 8V，二极管截止，可看作开路 uo = ui

24 14.4 稳压二极管 I _ + UZ U IZ  IZ  UZ IZM 1. 符号 2. 伏安特性 稳压管正常工作时加反向电压
O 1. 符号 2. 伏安特性 _ + 稳压管正常工作时加反向电压 UZ 稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。 IZ  IZ  UZ IZM 使用时要加限流电阻

25 rZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。 3. 主要参数 (1) 稳定电压UZ 稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。
3. 主要参数 (1) 稳定电压UZ 稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。 (2) 电压温度系数ｕ 环境温度每变化1C引起稳压值变化的百分数。 (3) 动态电阻 rZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。 (4) 稳定电流 IZ 、最大稳定电流 IZM (5) 最大允许耗散功率 PZM = UZ IZM

26 14.5 半导体三极管 14.5.1 基本结构 晶体管的结构 (a)平面型； (b)合金型 B E P型硅 N型硅 二氧化硅保护膜 铟球
14.5 半导体三极管 基本结构 晶体管的结构 (a)平面型； (b)合金型 B E P型硅 N型硅 二氧化硅保护膜 铟球 N型锗 C P (a) (b)

27 晶体管的结构示意图和表示符号 IC IC IB IB IE IE (a) (b) (b)PNP型晶体管 (a)NPN型晶体管； C E
发射区 集电区 基区 集电结 发射结 N P 基极 发射极 集电极 B C E 发射区 集电区 基区 P 发射结 集电结 N 集电极 发射极 基极 B (b) B E C P N T IB IE IC (a) N C E B P T IB IE IC 晶体管的结构示意图和表示符号 (a)NPN型晶体管； (b)PNP型晶体管

28 结构特点： 集电区： 面积最大 B E C N P 基极 发射极 集电极 基区：最薄， 掺杂浓度最低 集电结 发射结 发射区：掺 杂浓度最高

29 14. 5. 2 电流分配和放大原理 1. 三极管放大的外部条件 发射结正偏、集电结反偏 从电位的角度看： NPN
电流分配和放大原理 1. 三极管放大的外部条件 发射结正偏、集电结反偏 从电位的角度看： NPN 发射结正偏 VB>VE 集电结反偏 VC>VB B E C N P EC RC EB RB PNP 发射结正偏 VB<VE 集电结反偏 VC<VB

30 设 EC = 6 V，改变可变电阻 RB, 则基极电流 IB、集电极电流 IC 和发射极电流 IE 都发生变化，测量结果如下表：
2. 各电极电流关系及电流放大作用 mA A V IC EC IB IE RB + UBE  UCE EB C E B 3DG100 晶体管电流放大的实验电路  设 EC = 6 V，改变可变电阻 RB, 则基极电流 IB、集电极电流 IC 和发射极电流 IE 都发生变化，测量结果如下表：

31 把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大 变化的特性称为晶体管的电流放大作用。
晶体管电流测量数据 IB(mA) IC(mA) IE(mA) 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 <0.001 0.70 1.50 2.30 3.10 3.95 0.72 1.54 2.36 3.18 4.05 结论: (1) IE = IB + IC 符合基尔霍夫定律 (2) IC  IB ， IC  IE (3)  IC   IB 把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大 变化的特性称为晶体管的电流放大作用。 实质: 用一个微小电流的变化去控制一个较大电流 的变化，是CCCS器件。

32 (4) 要使晶体管起放大作用，发射结必须正向 偏置，集电结必须反向偏置。
+ UBE  IC IE IB C T E B   UCE + UBE  IB IE IC C T E B   UCE 电流方向和发射结与集电结的极性 (a) NPN 型晶体管； (b) PNP 型晶体管

33 3.三极管内部载流子的运动规律 从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICE。
集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。 B E C N P EB RB EC ICE ICBO 基区空穴向发射区的扩散可忽略。 IBE 　进入P 区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE ，多数扩散到集电结。 发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。 IE

34 IC = ICE+ICBO  ICE IB = IBE- ICBO  IBE 3. 三极管内部载流子的运动规律 IC IB
3. 三极管内部载流子的运动规律 IC B E C N P EB RB EC IE IBE ICE ICBO IC = ICE+ICBO  ICE IB = IBE- ICBO  IBE IB ICE 与 IBE 之比称为共发射极电流放大倍数 若IB =0, 则 IC ICE0 集－射极穿透电流, 温度ICEO (常用公式)

35 14.5.3 特性曲线 即管子各电极电压与电流的关系曲线，是管子内部载流子运动的外部表现，反映了晶体管的性能，是分析放大电路的依据。
为什么要研究特性曲线： (1)直观地分析管子的工作状态 (2)合理地选择偏置电路的参数,设计性能良好的电路 重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线

36 测量晶体管特性的实验线路 输入回路 输出回路 共发射极电路 发射极是输入回路、输出回路的公共端 IC IB C B EC E UCE +
mA A V IC EC IB RB + UBE  UCE EB C E B 3DG100 输入回路 输出回路 共发射极电路 　发射极是输入回路、输出回路的公共端

37 1. 输入特性 特点:非线性 正常工作时发射结电压： NPN型硅管 UBE  0.6 ~ 0.7V PNP型锗管
O 0.4 0.8 IB/A UBE/V UCE≥1V 60 40 20 80 正常工作时发射结电压： NPN型硅管 UBE  0.6 ~ 0.7V PNP型锗管 UBE  0.2 ~  0.3V 死区电压：硅管0.5V，锗管0.1V。 3DG100晶体管的 输入特性曲线

38 在不同的 IB下，可得出不同的曲线，所以晶体管 的输出特性曲线是一组曲线。
2. 输出特性 在不同的 IB下，可得出不同的曲线，所以晶体管 的输出特性曲线是一组曲线。 IC/mA UCE/V 100 µA 80µA 60 µA 40 µA 20 µA O 4 2.3 1.5 3 2 1 IB =0 IC EC=UCC IB RB + UBE  UCE EB C E B 共发射极电路 3DG100晶体管的输出特性曲线

39 晶体管有三种工作状态，因而输出特性曲线分为三个工作区 (1) 放大区 在放大区 IC =  IB ，也称为线性区，具有恒流特性。
2. 输出特性 晶体管有三种工作状态，因而输出特性曲线分为三个工作区 (1) 放大区 在放大区 IC =  IB ，也称为线性区，具有恒流特性。 IC/mA UCE/V 100 µA 80µA 60 µA 40 µA 20 µA O 4 2.3 1.5 3 2 1 IB =0 在放大区，发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置，晶体管工作于放大状态。 大 放 区 Q2 Q1 对 NPN 型管而言, 应使 UBE > 0, UBC< 0，此时， UCE > UBE。 3DG100晶体管的输出特性曲线

40 IB = 0 时, IC = ICEO(很小)。(ICEO<0.001mA)
(2) 截止区 IB = 0 的曲线以下的区域称为截止区。 IB = 0 时, IC = ICEO(很小)。(ICEO<0.001mA) IC/mA 对NPN型硅管，当 UBE<0.5V时, 即已 开始截止, 为使晶体 管可靠截止 , 常使 UBE 0。截止时, 集 电结也处于反向偏 置(UBC< 0),此时, IC 0, UCE UCC 。 4 100 µA 80µA 60 µA 40 µA 20 µA 3 2.3 2 1.5 1 IB =0 O UCE/V 截止区

41 当 UCE < UBE 时， 集电结处于正向偏置(UBC > 0)， 晶体管工作于饱和状态。
(3) 饱和区 当 UCE < UBE 时， 集电结处于正向偏置(UBC > 0)， 晶体管工作于饱和状态。 在饱和区，IB IC，发射结处于正向偏置，集电结也处于正偏。 深度饱和时， 硅管UCES  0.3V， 锗管UCES  0.1V。 IC  UCC/RC 。 IC/mA 4 100 µA 80µA 60 µA 40 µA 20 µA 饱和区 3 2.3 2 1.5 1 IB =0 O UCE/V

42 晶体管三种工作状态的电压和电流 (a)放大 (b)截止 (c)饱和
当晶体管饱和时， UCE  0，发射极与集电极之间如同一个开关的接通，其间电阻很小；当晶体管截止时，IC  0 ，发射极与集电极之间如同一个开关的断开，其间电阻很大，可见，晶体管除了有放大作用外，还有开关作用。 晶体管三种工作状态的电压和电流 + UBE > 0  IC IB UCE UBC < 0 IC  0 IB = 0 + UCE  UCC  UBC < 0 UBE  0 + UBE > 0  IB UCE  0 UBC > 0 (a)放大 (b)截止 (c)饱和

43 14.5.4 主要参数 晶体管结电压的典型值 表示晶体管特性的数据称为晶体管的参数，晶体管的参数也是设计电路、选用晶体管的依据。 0
0.1 0.5 0.1 0.6 ~ 0.7 0.2 ~ 0.3 0.3 0.7 0.3 硅管(NPN) 锗管(PNP) 可靠截止 开始截止 UBE/V UCE/V 截 止 放大 饱和 工 作 状 态 管 型 主要参数 表示晶体管特性的数据称为晶体管的参数，晶体管的参数也是设计电路、选用晶体管的依据。

44 14.5.4 主要参数 1. 电流放大系数有  当晶体管接成发射极电路时， 直流电流放大系数 交流电流放大系数 注意：
1. 电流放大系数有  当晶体管接成发射极电路时， 直流电流放大系数 交流电流放大系数 注意： 和 的含义不同，但在特性曲线近于平行等距并且ICE0 较小的情况下，两者数值接近。 由于晶体管的输出特性曲线是非线性的，只有 在特性曲线的近于水平部分，IC随IB成正比变化，  值才可认为是基本恒定的。 常用晶体管的 值在20 ~ 200之间。

45 例：在UCE= 6 V时， 在 Q1 点IB=40A, IC=1.5mA； 在 Q2 点IB=60 A, IC=2.3mA。
9 12 Q1 Q2 由 Q1 和Q2点，得 在以后的计算中，一般作近似处理： = 。

46 ICBO是由少数载流子的漂移运动所形成的电流，受温度的影响大。
A + – EC ICBO 3.集-射极反向截止电流(穿透电流)ICEO A ICEO IB=0 + – ICEO受温度影响大。 温度ICEO，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。

47 4.集电极最大允许电流 ICM 集电极电流 IC上升会导致三极管的值的下降，当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为 ICM。 5.集-射极反向击穿电压U(BR)CEO 当集—射极之间的电压UCE 超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿电压U(BR) CEO。 6.集电极最大允许耗散功耗PCM PCM取决于三极管允许的温升，消耗功率过大，温升过高会烧坏三极管。 PC  PCM =IC UCE 硅管允许结温约为150C，锗管约为7090C。

48 UCE ICM ICUCE = PCM U(BR)CEO
由三个极限参数可画出三极管的安全工作区 IC UCE O ICM ICUCE = PCM U(BR)CEO 安全工作区

49 晶体管参数与温度的关系 1. 温度每增加10C，ICBO增大一倍。硅管优于 锗管。 2.温度每升高1C，UBE将减小–(2~2.5)mV， 即晶体管具有负温度系数。 3. 温度每升高 1C， 增加 0.5%~1.0%。

50 14. 6 光电器件 14.6.1 发光二极管(LED) 当发光二极管加上正向电压并有足够大的正向电流时，就能发出一定波长范围的光。
光电器件 发光二极管(LED) 当发光二极管加上正向电压并有足够大的正向电流时，就能发出一定波长范围的光。 目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。 常用的有2EF等系列。 发光二极管的工作电压为1.5 ~ 3V，工作电流为几 ~十几mA。 符号

51 光电二极管在反向电压作用下工作。当无光照时, 和普通二极管一样, 其反向电流很小, 称为暗电流。
光电二极管 光电二极管在反向电压作用下工作。当无光照时, 和普通二极管一样, 其反向电流很小, 称为暗电流。 当有光照时, 产生的反向电流称为光电流。照度E越 强，光电流也越大。 常用的光电二极管有2AU, 2CU等系列。 光电流很小, 一般只有几十微安, 应用时必须放大。 I/A U/ V E=0 E1 E2 (b) 符号 E2> E1 (a) 伏安特性

52 光电晶体管用入射光照度E的强弱来控制集电极 电流。当无光照时, 集电极电流 ICEO很小, 称为暗
光电晶体管 光电晶体管用入射光照度E的强弱来控制集电极 电流。当无光照时, 集电极电流 ICEO很小, 称为暗 电流。当有光照时, 集电极电流称为光电流。一般 约为零点几毫安到几毫安。 常用的光电晶体管有3AU, 3DU等系列。 E=0 E1 E3 E4 iC uCE O E2 ICEO PCM C E (a) 符号 (b) 输出特性曲线