第十四章二極管和晶體管第一頁，共三十四頁，2022年，8月28日第十四章二極管和晶體管⒈理解PN結的單向導電性；⒉了解二極管、穩壓二極管和晶體管的基本構造、工作原理和主要特性曲線，理解主要參數的意義；⒊理解晶體管的電流分配和放大作用。基本要求第二頁，共三十四頁，2022年，8月28日半導體的導電特性：摻雜性：在純凈的半導體中摻入某些雜質，導電能力增加幾十萬乃至幾百萬倍；（可做成各種不同用途的半導體器件，如二極管、晶體管和晶閘管等）。光敏性：當受到光照時，導電能力顯著增強；（可做成各種光敏元件，如光敏電阻、光敏二極管、光敏晶體管等）熱敏性：當環境溫度增高時，導電能力顯著增強；（可做成各種熱敏元件，如熱敏電阻）14.1

半導體的導電特性第三頁，共三十四頁，2022年，8月28日本征半導體

完全純凈的、具有晶體結構的半導體，稱為本征半導體。共價健價電子：共價鍵中的兩個電子。硅原子14.1半導體的導電特性價電子硅單晶中的共價健結構

Si

Si

Si

Si共價鍵：每一原子的一個價電子與另一原子的一個價電子組成一個電子對。第四頁，共三十四頁，2022年，8月28日

價電子獲得一定能量（溫度增高或受光照）后，即可掙脫原子核的束縛（電子受到激發），成為自由電子，本征半導體的導電機理空穴

溫度愈高，晶體中產生的自由電子便愈多。自由電子14.1半導體的導電特性

Si

Si

Si

Si中性的原子顯出帶正電，同時在共價鍵中留下一個空位，稱為空穴。第五頁，共三十四頁，2022年，8月28日

在外電場的作用下，有空穴的原子吸引相鄰原子中的價電子來填補這個空穴，于是失去一個價電子的相鄰原子的共價鍵中出現另一個空穴，如此繼續下去，好似空穴的運動（相當于正電荷的運動）。

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形成電子電流；②價電子遞補空穴形成空穴電流。自由電子空穴統稱載流子14.1半導體的導電特性第六頁，共三十四頁，2022年，8月28日①本征半導體中的載流子數目極少，其導電性能很差；②溫度愈高，載流子數目愈多，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。

本征半導體中的自由電子和空穴總是成對出現，同時又不斷復合。在一定的溫度下，載流子的產生和復合達到動態平衡，于是半導體中的載流子便維持一定的數目。14.1半導體的導電特性注意第七頁，共三十四頁，2022年，8月28日

Si

Si

Si

Si14.1.2N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。在單晶硅中摻入微量磷元素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半導體的導電特性Pp+第八頁，共三十四頁，2022年，8月28日SiSiSiSi

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。

在單晶硅中摻入微量硼元素

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。獲得一個電子變為負離子空穴無論N型或P型半導體都是中性的，對外不顯電性。14.1半導體的導電特性硼原子BB–第九頁，共三十四頁，2022年，8月28日14.2PN結及其單向導電性PN結的形成濃度差形成多數載流子的擴散運動內電場少數載流子的漂移運動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空間電荷區也稱PN結

擴散和漂移這一對相反的運動最終達到動態平衡，空間電荷區的寬度固定不變。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空間電荷區第十頁，共三十四頁，2022年，8月28日內電場PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++⒈PN結加正向電壓（正向偏置）PN結變窄

P接正、N接負

外電場I多數載流子的擴散運動加強，而內電場被削弱，從而形成較大的擴散電流（正向電流）。PN結加正向電壓，PN結變窄，形成較大的正向電流，PN結呈現低電阻，處于導通狀態。+–14.2.2PN結的單向導電性14.2PN結及其單向導電性第十一頁，共三十四頁，2022年，8月28日PN結變寬外電場外電場有助于少數載流子的漂移，內電場被加強，由于少子數量很少，形成很小的反向電流。I

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。–+PN結加反向電壓，PN結變寬，反向電流極小，PN結呈現高電阻，處于截止狀態。2.PN結加反向電壓（反向偏置）14.2PN結及其單向導電性內電場PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++第十二頁，共三十四頁，2022年，8月28日14.3二極管14.3.1基本結構(a)點接觸型一般為鍺管(b)面接觸型一般為硅管結面積小、結電容小、正向電流小，適用于高頻和小功率工作。結面積大、結電容大、正向電流大，適用于低頻整流電路。(c)平面型

用于大功率整流管和開關電路中。第十三頁，共三十四頁，2022年，8月28日陰極引線陽極引線二氧化硅保護層P型硅N型硅(

c

)平面型金屬觸絲陽極引線N型鍺片陰極引線外殼(

a)點接觸型鋁合金小球N型硅陽極引線PN結金銻合金底座陰極引線(

b)面接觸型二極管的結構示意圖陰極陽極(

d

)符號D14.3二極管第十四頁，共三十四頁，2022年，8月28日伏安特性硅管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0.6~0.7V鍺0.2~0.3VUI死區電壓PN+–PN–+反向電流在一定電壓范圍內為常數14.3二極管第十五頁，共三十四頁，2022年，8月28日主要參數⒈最大整流電流IOM⒉反向工作峰值電壓URWM⒊反向峰值電流IRM14.3二極管二極管長時間使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓，一般是反向擊穿電壓的一半或三分之二。指在二極管上加反向工作峰值電壓時的反向電流值。反向電流大，說明二極管的單向導電性差，且受溫度的影響大。硅管的反向電流較小。第十六頁，共三十四頁，2022年，8月28日分析方法：將二極管斷開若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。實際二極管，考慮其正向管壓降（硅管0.6～0.7V，鍺管0.2～0.3V）；理想二極管，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。14.3二極管二極管的應用：利用其單向導電性。用于整流、檢波、限幅、鉗位、開關、元件保護、溫度補償等。第十七頁，共三十四頁，2022年，8月28日ui>5V時，二極管導通，視作短路，uo=5V；ui<5V時，二極管截止，視作開路，uo=ui。5V已知，試畫出uo

波形。例3：ui10V將二極管斷開，則其陰極電位為5V。D5VRuoui++––14.3二極管（二極管為理想二極管）解：uo第十八頁，共三十四頁，2022年，8月28日14.4穩壓二極管⒈符號

UZIZIZMUZIZ⒉伏安特性穩壓管正常工作時加反向電壓。穩壓管反向擊穿后，電流變化很大，但其兩端電壓變化很小，利用這一特性，穩壓管在電路中能起穩壓作用。_+UIO

穩壓二極管是一種面接觸型半導體硅二極管，使用時要加限流電阻。第十九頁，共三十四頁，2022年，8月28日⒊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。③動態電阻④穩定電流IZ（最大穩定電流IZM）⑤最大允許耗散功率PZM=UZIZMrZ愈小，反向伏安特性曲線愈陡，穩壓性能愈好。14.4穩壓二極管管子不致發生熱擊穿的功率。第二十頁，共三十四頁，2022年，8月28日14.5晶體管基本結構基極發射極集電極符號：BECIBIEICBECIBIEICNPN型晶體管PNP型晶體管BECNPN集電結集電區發射結發射區基區BEC基極發射極集電極NPP集電結集電區發射結發射區基區第二十一頁，共三十四頁，2022年，8月28日⒈三極管放大的條件發射結正偏、集電結反偏NPN型晶體管：VC>VB>VE

14.5.2電流分配和放大原理14.5晶體管⑴外部條件PNP型晶體管：VC<VB<VE

⑵內部條件基區很薄，摻雜濃度很低；發射區摻雜濃度很高；集電區結面積大。第二十二頁，共三十四頁，2022年，8月28日集電結反偏，有少子形成的反向電流ICBO。進入基區的自由電子少部分與基區的空穴復合，形成電流IBE（基本上等于基極電流IB），多數擴散到集電結。發射結正偏，發射區向基區擴散自由電子（多數載流子），形成發射極電流IE。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，基本上等于集電極電流IC基區空穴（很少）向發射區的擴散可忽略。⒉三極管內部載流子的運動規律BECNNPEBRBECIEIBEICEICBO14.5晶體管IBIC第二十三頁，共三十四頁，2022年，8月28日⒊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

②（靜態電流放大系數）14.5晶體管（動態電流放大系數）第二十四頁，共三十四頁，2022年，8月28日用來表示晶體管各極電壓和電流之間相互關系的曲線，它反映出晶體管的性能，是分析放大電路的重要依據。共發射極放大電路輸入電路輸出電路測量晶體管特性的實驗線路ICEBmAAVUCEUBERBIBECV++––––++特性曲線14.5晶體管第二十五頁，共三十四頁，2022年，8月28日正常工作情況下的發射結電壓：NPN型（硅管）

UBE

0.6~0.7VPNP型（鍺管）

UBE

-0.2~-0.3V死區電壓：硅管0.5V，鍺管0.1V。IB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE≥1VO⒈輸入特性曲線14.5晶體管第二十六頁，共三十四頁，2022年，8月28日放大區截止區飽和區IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O⑴放大區（線性區）①IC=IB，具有恒流特性；⒉輸出特性14.5晶體管②發射結正偏、集電結反偏，晶體管工作于放大狀態。第二十七頁，共三十四頁，2022年，8月28日截止區飽和區IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O⑵截止區①IB=0的曲線以下的區域；②發射結與集電結均反偏，晶體管工作于截止狀態；

⑶飽和區①當UCE<UBE時，晶體管工作于飽和狀態；②發射結與集電結均正偏；

③UCE≈0，發射極與集電極之間如同一個開關的接通。14.5晶體管③IC≈0，發射極與集電極之間如同一個開關的斷開。第二十八頁，共三十四頁，2022年，8月28日靜態電流（直流）放大系數：動態電流（交流）放大系數：當晶體管接成發射極電路時，有

和

的含義不同，但在輸出特性曲線近于平行等距且ICEO較小的情況下，兩者數值較為接近。常用晶體管的

值在20~200之間主要參數14.5晶體管⒈電流放大系數，第二十九頁，共三十四頁，2022年，8月28日⒉集-基極反向截止電流ICBO⒊集-射極反向截止電流（穿透電流）ICEOICBO是由集電區和基區中的少數載流子向對方運動所形成的電流，受溫度的影響大。ICBO越小越好。

ICEO受溫度的