第14章二極管和晶體管

14.1半導體的導電特性

14.2PN結及其單向導電性

14.3二極管

14.4穩壓二極管

14.5晶體管

14.6光電器件主要內容：本章要求：一、半導體(semiconductor)的基本概念1。了解半導體導電的特點2。了解半導體的分類；掌握N型和P型半導體的特點；二、理解PN結的單向導電性三、二極管(Diode)1。掌握二極管的結構、符號、特性曲線、主要參數、極性及好壞的判別、應用；2。掌握穩壓管的結構、符號、主要參數3。掌握發光二極管的使用四、三極管(Transistor)1。掌握三極管的分類、基本結構及符號2。掌握三極管的電流放大作用；3。掌握三極管的輸入、輸出特性曲線：三極管工作在三個不同工作區的條件和特點4。理解主要參數的意義；5。掌握三極管的管型及管腳的判別1。對于元器件，重點放在特性、參數、技術指標和正確使用方法，不要過分追究其內部機理。討論器件的目的在于應用。2。學會用工程觀點分析問題，就是根據實際情況，對器件的數學模型和電路的工作條件進行合理的近似，以便用簡便的分析方法獲得具有實際意義的結果。強調幾點：3。對電路進行分析計算時，只要能滿足技術指標，就不要過分追究精確的數值。器件是非線性的、特性有分散性、RC的值有誤差、工程上允許一定的誤差、采用合理估算的方法。14.1

半導體的導電特性一、半導體(semiconductor)的概念半導體的導電能力介于導體(conductor)和絕緣體(insulator)之間。常用的半導體材料有硅(Si)和鍺(Ge)。二、半導體的導電特性：1。熱敏性：

當環境溫度升高時，導電能力顯著增強。

(可做成溫度敏感元件，如熱敏電阻)2。光敏性：當受到光照時，導電能力明顯變化。

(可做成各種光敏元件，如光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管等)。3。摻雜性：往純凈的半導體中摻入某些雜質，導電能力明顯改變。

(可做成各種不同用途的半導體器件，如二極管、三極管和晶閘管等）。三、半導體的分類

1。本征半導體(Intrinsicsemiconductor)：

完全純凈的、具有晶體結構的半導體，稱為本征半導體。

2。雜質半導體(Extrinsicsemiconductor)：

在本征半導體中摻入微量的雜質（某種元素）,

形成雜質半導體。四、N型半導體和P型半導體

1。N型半導體在本征半導體中摻入磷或其他五價元素：

摻雜后自由電子數目大量增加，自由電子導電成為這種半導體的主要導電方式，稱為電子半導體或N型半導體。在N

型半導體中自由電子是多數載流子(Majoritycarriers)，空穴是少數載流子(Minoritycarriers)。

2。P型半導體在本征半導體中摻入硼或其他三價元素摻雜后空穴數目大量增加，空穴導電成為這種半導體的主要導電方式，稱為空穴半導體或P型半導體。在P型半導體中空穴是多數載流子，自由電子是少數載流子。

在半導體中，同時存在著電子導電和空穴導電，這是半導體導電方式的最大特點，也是半導體和金屬在導電原理上的本質差別。無論N型或P型半導體，雖然它們都有一種載流子占多數，但整個晶體仍然是中性的，對外不顯電性。

1.在雜質半導體中多子的數量與

（a.摻雜濃度、b.溫度）有關。

2.在雜質半導體中少子的數量與（a.摻雜濃度、b.溫度）有關。

3.當溫度升高時，少子的數量

（a.減少、b.不變、c.增多）。abc

4.在外加電壓的作用下，P型半導體中的電流主要是

，N型半導體中的電流主要是。（a.電子電流、b.空穴電流）ba14.2PN結及其單向導電性1。PN結的形成多子的擴散運動內電場濃度差P型半導體N型半導體擴散的結果使空間電荷區變寬?？臻g電荷區(Spacechargerregion)也稱PN結、耗盡層擴散和漂移這一對相反的運動最終達到動態平衡，空間電荷區的厚度固定不變。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－動畫形成空間電荷區2.PN結的單向導電性（1）PN結加正向電壓（正向偏置）PN結變窄

P接正、N接負外電場IF內電場被削弱，多子的擴散加強，形成較大的擴散電流。

PN結加正向電壓時，PN結變窄，正向電流較大，正向電阻較小，PN結處于導通狀態。內電場PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++動畫+–PN結變寬（2）PN結加反向電壓（反向偏置）外電場內電場被加強，少子的漂移加強，由于少子數量很少，形成很小的反向電流。IR

P接負、N接正溫度越高少子的數目越多，反向電流將隨溫度增加。動畫–+

PN結加反向電壓時，PN結變寬，反向電流較小，反向電阻較大，PN結處于截止狀態。內電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－14.3

二極管將一個PN結加上相應的兩根外引線，然后用塑料、玻璃或鐵皮等材料做外殼封裝就成為最簡單的二極管。硅管：可通過較大電流，但其工作頻率較低，一般用于整流鍺管：不能通過較大電流，但其高頻性能好，一般用于高頻和小功率的工作，也用作數字電路中的開關元件。4.二極管符號：PN陽極陰極D整流二極管發光二極管普通二極管穩壓二極管14.3.1基本結構(a)點接觸型(b)面接觸型

結面積小、結電容小、正向電流小。用于檢波和變頻等高頻電路。結面積大、正向電流大、結電容大，用于工頻大電流整流電路。(c)平面型

用于集成電路制作工藝中。PN結結面積可大可小，用于高頻整流和開關電路中。PN陽極(Anode)陰極(Cathode)D二極管的符號14.3.2二極管的伏安特性一、伏安特性曲線硅管0.5V,鍺管0.1V。反向擊穿電壓U(BR)導通壓降

外加電壓大于死區電壓二極管才能導通。外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向導電性。正向特性反向特性特點：非線性硅0.6~0.8V,鍺0.2~0.3V。UI死區電壓PN+–PN–+反向電流在一定電壓范圍內保持常數。14.3.3主要參數1.最大整流電流

IOM二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。2.反向工作峰值電壓URWM是保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓，一般是二極管反向擊穿電壓UBR的一半或三分之二。二極管擊穿后單向導電性被破壞，甚至過熱而燒壞。3.反向峰值電流IRM指二極管加最高反向工作電壓時的反向電流。反向電流大，說明管子的單向導電性差，IRM受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流較大，為硅管的幾十到幾百倍。選擇元件和使用時，重點依據前二項半導體二極管的型號國家標準對半導體器件型號的命名舉例如下：2AP9用數字代表同類器件的不同規格。代表器件的類型，P為普通管，Z為整流管，K為開關管。代表器件的材料，A為N型Ge，B為P型Ge，C為N型Si，D為P型Si。2代表二極管，3代表三極管。小結：二極管的單向導電性

1.二極管加正向電壓（正向偏置，陽極接正、陰極接負）時，二極管處于正向導通狀態，二極管正向電阻較小，正向電流較大。

2.二極管加反向電壓（反向偏置，陽極接負、陰極接正）時，二極管處于反向截止狀態，二極管反向電阻較大，反向電流很小。

3.外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿(breakdown)，失去單向導電性。

4.二極管的反向電流受溫度的影響，溫度愈高反向電流愈大。二極管極性及好壞的判別把萬用表歐姆檔的量程撥到Rχ100或Rχ1K位置，用接在萬用表上的紅、黑兩根表棒，分別正接和反接測量二極管的兩端，即可測出大小兩個阻值。大的是反向電阻，小的是正向電阻。特別提示：萬用表紅表筆和表內電池的負極相連萬用表黑表筆和表內電池的正極相連如果測出的正向電阻是幾百歐，反向電阻是幾百千歐，則說明被測二極管是好的。當測得正向電阻時，黑表筆所接的一端即為二極管的正極。如果反向電阻太小，說明二極管失去單向導電作用；如果正、反向電阻均為無限大，表明二極管已斷路。半導體二極管的應用一、整流(rectification)：應用最多二、鉗位三、限幅四、元件保護五、檢波六、穩壓：穩壓二極管(Zenerdiode)七、發光：發光二極管(Light-emittingdiodeLED)八、光敏：光敏二極管

二極管電路分析舉例定性分析：判斷二極管的工作狀態導通截止否則，正向管壓降硅0.6~0.7V鍺0.2~0.3V分析方法：將二極管斷開，分析二極管兩端電位的高低或所加電壓UD的正負。若V陽

>V陰或UD為正(正向偏置)，二極管導通若V陽

<V陰或UD為負(反向偏置)，二極管截止若二極管是理想的，正向導通時正向管壓降為零，反向截止時二極管相當于斷開。電路如圖，求：UAB

V陽

=－6VV陰=－12VV陽>V陰二極管導通若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB=－6V否則，UAB低于－6V一個管壓降，為－6.3Ｖ或－6.7V例1：取B點作參考點，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。在這里，二極管起鉗位作用。

D6V12V3kBAUAB+–直流電路舉例1。教材P33習題14.3.7圖a交流電路舉例課堂討論及仿真練習：1。教材P33習題14.3.7圖b2.教材P31習題14.3.3和14.3.4ui>8V，二極管導通，可看作短路uo=8V

ui<8V，二極管截止，可看作開路uo=ui已知：二極管是理想的，試畫出uo

波形。8V例3：二極管的用途：

整流、檢波、限幅、箝位、開關、元件保護、溫度補償等。ui18V參考點二極管陰極電位為8VD8VRuoui++––作業30頁習題14.1.114.3.114.3.214.4穩壓二極管(ZenerDiode)1.符號UZIZIZMUZ

IZ2.伏安特性穩壓管正常工作時加反向電壓使用時要加限流電阻穩壓管反向擊穿后，電流變化很大，但其兩端電壓變化很小，利用此特性，穩壓管在電路中可起穩壓作用。UI_+

穩壓二極管的主要參數

(1)穩定電壓UZ——(2)動態電阻rZ——

在規定的穩壓管反向工作電流IZ下，所對應的反向工作電壓。

rZ=U

/I

rZ愈小，反映穩壓管的擊穿特性愈陡，穩壓性能越好。

(3)最小穩定工作電流IZmin——

保證穩壓管擊穿所對應的電流，若IZ＜IZmin則不能穩壓。

(4)最大穩定工作電流IZmax——

超過Izmax穩壓管會因功耗過大而燒壞。(5)電壓溫度系數ｕ環境溫度每變化1C引起穩壓值變化的百分數。(6)最大允許耗散功率PZM=UZIZM14.5

晶體管（transistor)

晶體管又稱半導體三極管，是最重要的一種半導體器件。它的放大作用用在模擬電路中；它的開關作用用在數字電路中。14.5.1結構及類型NNP基極發射極集電極NPN型BECBECPNP型PPN基極發射極集電極符號：BECIBIEICBECIBIEICNPN型三極管PNP型三極管基區：最薄，摻雜濃度最低發射區：摻雜濃度最高發射結集電結BECNNP基極發射極集電極結構特點：集電區：面積最大CollectorBaseEmitter14.5.2電流分配和放大作用1.三極管放大的外部條件BECNNPEBRBECRC發射結正偏、集電結反偏

PNP發射結正偏

VB<VE集電結反偏VC<VB從電位的角度看：

NPN

發射結正偏VB>VE集電結反偏VC>VB

2.各電極電流關系及電流放大作用IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.10<0.0010.701.502.303.103.95<0.0010.721.542.363.184.05結論:1）三電極電流關系IE=IB+IC2）IC

IB

，

IC

IE

3）IC

IB

把基極電流的微小變化能夠引起集電極電流較大變化的特性稱為晶體管的電流放大作用。

實質:用一個微小電流的變化去控制一個較大電流的變化，是CCCS器件。3.三極管的電流放大系數

IC與IB之比稱為電流放大倍數集－射極穿透電流,溫度ICEO(常用公式)若IB=0,則

ICICE014.5.3

三極管的特性曲線即管子各電極電壓與電流的關系曲線，是管子內部載流子運動的外部表現，反映了晶體管的性能，是分析放大電路的依據。為什么要研究特性曲線：

1）直觀地分析管子的工作狀態

2）合理地選擇偏置電路的參數，設計性能良好的電路重點討論應用最廣泛的共發射極接法的特性曲線發射極是輸入回路、輸出回路的公共端共發射極電路輸入回路輸出回路

測量晶體管特性的實驗線路ICEBmAAVUCEUBERBIBECV++––––++1.

輸入特性IB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1V特點:非線性死區電壓：硅管0.5V，鍺管0.1V。正常工作時發射結電壓：NPN型硅管

UBE0.6~0.7VPNP型鍺管

UBE0.2~0.3V2.輸出特性IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)9120放大區輸出特性曲線通常分三個工作區：(1)放大區在放大區有IC=IB

，也稱為線性區，具有恒流特性。在放大區，發射結處于正向偏置、集電結處于反向偏置，晶體管工作于放大狀態。IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)9120（2）截止區Cut-offmodeIB<0以下區域為截止區，有IC0

。在截止區發射結處于反向偏置，集電結處于反向偏置，晶體管工作于截止狀態。飽和區截止區（3）飽和區

當UCEUBE時，晶體管工作于飽和狀態Saturationmode)。

在飽和區，IBIC，發射結處于正向偏置，集電結也處于正偏。

深度飽和時，硅管UCES0.3V，

鍺管UCES0.1V。14.5.4

三極管的主要參數1.電流放大系數，直流電流放大系數交流電流放大系數當晶體管接成發射極電路時，表示晶體管特性的數據稱為晶體管的參數，晶體管的參數也是設計電路、選用晶體管的依據。注意：和

的含義不同，但在特性曲線近于平行等距并且ICE0較小的情況下，兩者數值接近。常用晶體管的

值在20~200之間。例：在UCE=6V時，在Q1點IB=40A,IC=1.5mA；

在Q2點IB=60A,IC=2.3mA。在以后的計算中，一般作近似處理：

=。IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)9120Q1Q2在Q1點，有由Q1和Q2點，得2.集-基極反向截止電流ICBO

ICBO是由少數載流子的漂移運動所形成的電流，受溫度的影響大。溫度ICBOICBOA+–EC3.集-射極反向截止電流(穿透電流)ICEOAICEOIB=0+–

ICEO受溫度的影響大。溫度ICEO，所以IC也相應增加。三極管的溫度特性較差。4.集電極最大允許電流ICM5.集-射極反向擊穿電壓U(BR)CEO集電極電流IC上升會導致三極管的值的下降，當值下降到正常值的三分之二時的集電極電流即為ICM。當集—射極之間的電壓UCE超過一定的數值時，三極管就會被擊穿。手冊上給出的數值是25C、基極開路時的擊穿電壓U(BR)

CEO。6.集電極最大允許耗散功耗PCM

PCM取決于三極管允許的溫升，消耗功率過大，溫升過高會燒壞三極管。

PC

PCM=ICUCE

硅管允許結溫約為150C，鍺管約為7090C。ICUCEICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作區由三個極限參數可畫出三極管的安全工作區晶體管參數與溫度的關系1、溫度每增加10C，ICBO增大一倍。硅管優于鍺管。2、溫度每升高1C