第14章半導體二極管和三極管（下）電工技術與電子技術中國礦業大學信電學院返回第14章半導體二極管和三極管14.3半導體二極管14.4穩壓二極管14.5半導體三極管14.2PN結及其單向導電性14.1半導體的導電特性14.6

光電二極管第14章半導體二極管和三極管本章要求：一、理解PN結的單向導電性，三極管的電流分配和電流放大作用；二、了解二極管、穩壓管和三極管的基本構造、工作原理和特性曲線，理解主要參數的意義；三、會分析含有二極管的電路。

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。

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。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。14.1

半導體的導電特性半導體的導電特性：(可做成溫度敏感元件，如熱敏電阻)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。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)。熱敏性：

當環境溫度升高時，導電能力顯著增強。(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）。光敏電阻

(1)光控大門裝置1、光敏電阻的外形及符號

2、光敏電阻應用光敏電阻

2、光敏電阻應用(2)天明報知裝置蜂鳴器。蜂鳴器內裝有發聲電路，外邊有兩極引線，一根負極，一根正極。使用時正極接電池正極，負極接電池負極。當有電流通過時，能發出悅耳的蜂鳴聲。早晨天明時，蜂鳴器就會自動發聲。14.1.1

本征半導體完全純凈的、具有晶體結構的半導體，稱為本征半導體。晶體中原子的排列方式硅單晶中的共價健結構共價健共價鍵中的兩個電子，稱為價電子。

Si

Si

Si

Si價電子

Si

Si

Si

Si價電子

價電子在獲得一定能量（溫度升高或受光照）后，即可掙脫原子核的束縛，成為自由電子（帶負電），同時共價鍵中留下一個空位，稱為空穴（帶正電）。本征半導體的導電機理這一現象稱為本征激發?？昭ㄗ杂呻娮?/p>

Si

Si

Si

Si價電子空穴溫度愈高，晶體中產生的自由電子便愈多。自由電子在外電場的作用下，空穴吸引相鄰原子的價電子來填補，而在該原子中出現一個空穴，其結果相當于空穴的運動（相當于正電荷的移動）。本征半導體的導電機理本征半導體的導電機理

當半導體兩端加上外電壓時，在半導體中將出現兩部分電流：

1）自由電子作定向運動電子電流

2）價電子遞補空穴空穴電流

自由電子和空穴都稱為載流子。

自由電子和空穴成對地產生的同時，又不斷復合。在一定溫度下，載流子的產生和復合達到動態平衡，半導體中載流子便維持一定的數目。本征半導體的導電機理

當半導體兩端加上外電壓時，在半導體中將出現兩部分電流：

1）自由電子作定向運動電子電流

2）價電子遞補空穴空穴電流注意：

1.本征半導體中載流子數目極少，其導電性能很差；

2.溫度愈高，載流子的數目愈多，半導體的導電性能也就愈好。所以，溫度對半導體器件性能影響很大。14.1.2N型半導體和P型半導體

Si

Si

Si

Sip+多余電子磷原子在常溫下即可變為自由電子失去一個電子變為正離子

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。在單晶硅中摻入五價元素的磷原子14.1.2N型半導體和P型半導體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。摻入五價元素

Si

Si

Si

Sip+在N型半導體中自由電子是多數載流子，空穴是少數載流子。14.1.2N型半導體和P型半導體

Si

Si

Si

SiB–硼原子接受一個電子變為負離子空穴在單晶硅中摻入三價元素的硼原子14.1.2N型半導體和P型半導體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。摻入三價元素

Si

Si

Si

Si

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。B–無論N型或P型半導體都是中性的，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14.2.1PN結的形成P型半導體N型半導體取一塊硅，一半用三價摻雜，一半用五價摻雜－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++－－－－－－－－++++++++14.2.1PN結的形成多子的擴散運動內電場少子的漂移運動濃度差P型半導體N型半導體內電場越強，漂移運動越強，而漂移使空間電荷區變薄。

擴散的結果使空間電荷區變寬。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。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空間電荷區空間電荷區也稱PN結動畫14.2.1PN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－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–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接正內電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－溫度越高少子的數目越多，反向電流將隨溫度增加。–+

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。14.3

半導體二極管PN金屬觸點和引線PN陽極(A)陰極(K)AnodeCathode14.3

半導體二極管14.3

半導體二極管14.3.1基本結構(a)點接觸型結面積小、結電容小、不能通過較大正向的電流，但他的高頻性能好。用于檢波和變頻等高頻電路，也可以作數字電路中的開關元件。14.3

半導體二極管14.3.1基本結構(b)面接觸型結面積大、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。14.3

半導體二極管二極管的結構示意圖14.3.2伏安特性硅管0.5V,鍺管0.1V。外加電壓大于死區電壓二極管才能導通。特點：非線性UI死區電壓14.3.2伏安特性導通壓降正向特性特點：非線性硅0.6~0.8V,鍺0.2~0.3V。UIPN–+14.3.2伏安特性反向擊穿電壓U(BR)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。反向擊穿特性特點：非線性UIPN+–反向電流在一定電壓范圍內保持常數。14.3.2伏安特性硅管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U(BR)的一半或三分之一。二極管擊穿后單向導電性被破壞，甚至過熱而燒壞。14.3.3主要參數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。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，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。定性分析：判斷二極管的工作狀態導通截止分析方法：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

二極管電路分析舉例

電路如圖，求：UAB

V陽

=－6VV陰=－12V

例1：解：分析：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。D6V12V3kBAUAB+–

解：V陽

=－6VV陰=－12V

在這里，二極管起鉗位作用。

V陽>V陰二極管導通若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB=－6V電路如圖，求：UAB例1：D6V12V3kBAUAB+–否則，UAB低于－6V一個管壓降，為－6.3Ｖ或－6.7V解：分析：兩個管的陰極接在一起取B點作參考點，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。V1陽

=－6V，V2陽=0V，V1陰

=V2陰=－12VUD1=6V，UD2=12V

例2:電路如圖，求UABBD16V12V3kAD2UAB+–∵

UD2>UD1

∴D2優先導通，D1截止。若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB

=0VD1承受反向電壓為－6V流過D2

的電流為在這里，D2起鉗位作用，D1起隔離作用。

例2:電路如圖，求UABBD16V12V3kAD2UAB+–解：V1陽

=－6V，V2陽=0V，

V1陰

=V2陰=－12VUD1=6V，UD2=12V

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：u218V二極管陰極電位為8VD8VRuoui++––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。ui>8V，二極管導通，可看作短路uo=8V

補充：二極管的測試1數字萬用表的二極管測試擋將電表轉到測試二極管擋的位置時，電表內部就會提供給二極管以足夠的正向偏置電壓和反向偏置電壓。這個內部電壓會隨著各種萬用表的機型不同而有所變化，但是一般范圍從2.5V~3.5V。電表會提供電壓值或以其他的方式，顯示出待測二極管的測試結果。2正常二極管的測試結果(a)紅表筆（正極）接二極管的陽極，黑表筆解二極管的陰極若二極管正常,表的讀數大約在0.5V~0.9V之間，典型值為0.7V(b)將二極管倒置，若二極管正常,表的讀數就是表內提供的給二極管的正向偏置電壓。表示二極管有極高的反向電阻。3損壞二極管的測試結果(a)二極管損壞并呈現開路，在正偏和反偏下，所得讀數相同為2.6V，或直接顯示OL(overload)。(b)二極管損壞并呈現短路，在正偏和反偏下，所得讀數相同為0V。有時候，損壞的二極管在正偏和反偏下，呈現小阻抗而不是單純的短路，表顯示的讀數要比正常開路電壓小很多，比如會呈現1.1V。而非正常二極管正偏.07V，反偏2.6V4歐姆擋測試二極管若使用的萬用表沒有測試二極管的專用擋，可以將電表切換到歐姆擋，也可以測試二極管。許多表在歐姆擋是，無法提供充足的電壓對二極管進行正向偏置測試。所測阻值會從幾百歐到幾千歐。對于反向偏置下測試正常的二極管，你會得到幾種超出范圍的表示方法。例如大部分表會顯示“OL”字樣。這是因為反向電阻大于表的測試范圍，所以表無法測量。14.4

穩壓二極管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。UI3.主要參數(1)穩定電壓UZ

穩壓管正常工作(反向擊穿)時管子兩端的電壓。(2)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。由于工藝等原因即使同一型號的穩壓管的穩壓值也具有一定得分散型例如一個12V的穩壓管正溫度系數0.01%。當界面溫度上升一攝氏度時，穩定電壓會上升1.2mV什么叫正溫度系數和負溫度系數？3.主要參數(4)穩定電流IZ、最大穩定電流IZM(5)最大允許耗散功率PZM=UZIZM管子不致發生熱擊穿所允許的做大功率損耗每一種型號的穩壓管，都規定有一個最大穩定電流(3)動態電阻rZ愈小，曲線愈陡，穩壓性能愈好。14.5半導體三極管14.5.1基本結構NNP基極發射極集電極BEC符號：BECIBIEICNPN型三極管集電區：collector發射區：emitter基區：base14.5

半導體三極管14.5.1基本結構BECPPN基極發射極集電極符號：BECIBIEICBECIBIEICPNP型三極管NNP基極發射極集電極BECNPN型三極管14.5

半導體三極管一般用途小信號塑料外殼晶體管14.5

半導體三極管一般用途小信號金屬外殼晶體管14.5

半導體三極管一般多晶體管封裝14.5

半導體三極管一般功率晶體管基區：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14.5.2電流分配和放大原理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

IBBECIBIEIC2.各電極電流關系及電流放大作用結論:1）三電極電流關系IE=IB+IC2）IC

IB

，

IC

IE

3）IC

IB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。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。3.三極管內部載流子的運動規律BECNNPEBRBECIEIBEICEICBO基區空穴向發射區的擴散可忽略。發射結正偏，發射區電子不斷向基區擴散，形成發射極電流IE。進入P區的電子少部分與基區的空穴復合，形成電流IBE，多數擴散到集電結。從基區擴散來的電子作為集電結的少子，漂移進入集電結而被收集，形成ICE。集電結反偏，有少子形成的反向電流ICBO。3.三極管內部載流子的運動規律IC=ICE+ICBO

ICEICIBIB=IBE-ICBOIBEBECNNPEBRBECIEICEICBOIBE

IC

與IB之比稱為共發射極電流放大倍數3.三極管內部載流子的運動規律IC=ICE+ICBOICEICIBIB=IBE-ICBOIBE集－射極穿透電流,溫度ICEO(常用公式)若IB=0,則

ICICE0BECNNPEBRBECIEICEICBOIBE14.5.3

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

UBE

0.6~0.7VPNP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IB<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。截止區2.輸出特性IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)9120飽和區（3）飽和區當UCEUBE時，晶體管工作于飽和狀態。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。2.輸出特性IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)9120飽和區（3）飽和區

深度飽和時，硅管UCES0.3V，

鍺管UCES0.1V。理想情況下，一個飽和的晶體管起的作用是從集電極到發射極短路。RB+VCCRCVin1S例：晶體管開關的一個簡單的應用一個周期為2秒的方波作為以下電路的輸入信號，分析LED發光的規律。結論：得到一個閃爍的LED，它按照亮一秒暗一秒的規律變化。14.5.4

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ICBOICBO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BU(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BU(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，UBE將減小–(2~2.5)mV，

即晶體管具有負溫度系數。3、溫度每升高1C，

增加0.5%~1.0%。14.6.1發光二極管（LED：light-emittingdiode）14.6光電器件早期的第一只發光二極管是紅色的，由于材料的發展，允許制造出橘黃色的LED，后來又產生淺綠色的。在20實際90年代運用磷鋁化鎵銦實現紅色、桔黃色、黃色和綠色高亮LDE.有正向電流