第1章半導體存器件

1.1學習要求

(1)了解半導體的特性和導電方式，理解PN結的單向導電特性。

(2)了解半導體二極管、三極管的結構。

(3)理解二極管的工作原理、伏安特性和主要參數。

(4)理解雙極型三極管的放大作用、輸入和輸出特性及其主要參數。

(5)了解MOS場效應管的伏安特性、主要參數及其與雙極型三極管的性能比較。

1.2學習指導

本章重點：

(1)PN結的工作原理。

(2)二極管的工作原理、伏安特性和主要參數。

(3)雙極型三極管的放大作用、輸入和輸出特性及其主要參數。

本章難點：

(1)半導體二極管的限幅、鉗位等作用。

(2)雙極型三極管的電流分配與電流放大作用。

本章考點：

(1)本征半導體、雜質半導體的相關概念。

(2)PN結的單向導電特性。

(3)半導體二極管、穩壓管的限幅、鉗位等電路分析。

(4)雙極型三極管的管腳、工作狀態及放大條件的判別。

1.2.1PN結

1.半導體的導電特征

半導體的導電能力介于導體和絕緣體之間。純凈的半導體稱為本征半導體，其導

電能力在不同的條件下有著顯著的差異。本征半導體在溫度升高或受光照射時產生激

發，形成自由電子和空穴，使載流子數目增多，導電能力增強。

雜質半導體是在本征半導體中摻入雜質元素形成的，有N型半導體和P型半導體

2

兩種類型。N型半導體是在本征半導體中摻入五價元素形成的，自由電子為多數載流

子，空穴為少數載流子。P型半導體是在本征半導體中摻入三價元素形成的，空穴為

多數載流子，自由電子為少數載流子。雜質半導體的導電能力比本征半導體強得多。

2.PN結及其單向導電性

在同一硅片兩邊分別形成N型半導體和P型半導體，交界面處就形成了PN結。

PN的形成是多數載流子擴散和少數載流子漂移的結果。PN結具有單向導電性：PN

結加正向電壓（P區接電源正極，N區接電源負極）時，正向電阻很小，PN結導

通，可以形成較大的正向電流。PN結加反向電壓（P區接電源負極，N區接電源正

極）時，反向電阻很大，PN結截止，反向電流基本為零。

1.2.2半導體二極管

在PN結的兩端各引出一個電極便構成了半導體二極管。由P區引出的電極稱為

陽極或正極，由N區引出的電極稱為陰極或負極。二極管的核心實質是一個PN結。

1.二極管的伏安特性

（1）正向特性。正向電壓小于死區電壓（硅管約為0.5V,錯管約為0.2V）時二

極管截止，電流幾乎為零。正向電壓大于死區電壓后二極管導通，電流較大。導通后

的二極管端電壓變化很小，基本上是一個常量，硅管約為0.7V,錯管約為0.3V。

（2）反向特性。反向電壓在一定范圍內時二極管截止，電流幾乎為零。反向電壓

增大到反向擊穿電壓UBR時，反向電流突然增大，二極管擊穿，失去單向導電性。

2.二極管的主要參數

（1）最大整流電流/OM。指二極管長期使用時允許通過的最大正向平均電流。

（2）反向工作峰值電壓UDRM。指二極管使用時允許加的最大反向電壓。

（3）反向峰值電流/RM。指二極管加上反向峰值電壓時的反向電流值。

（4）最高工作頻率加。指二極管所能承受的外施電壓的最高頻率。

二極管在電路中主要用于整流、限幅、鉗位等。整流是將輸入的交流電壓變換為

單方向脈動的直流電壓，限幅是將輸出電壓限制在某一數值以內，鉗位是將輸出電壓

限制在某一特定的數值上。

3.特殊二極管

（1）穩壓管。穩壓管的反向擊穿特性曲線比普通二極管陡，正常工作時處于反

向擊穿區，且在外加反向電壓撤除后又能恢復正常。穩壓管工作在反向擊穿區時，電

流雖然在很大范圍內變化，但穩壓管兩端的電壓變化很小，所以能起穩定電壓的作

用。如果穩壓管的反向電流超過允許值，將會因過熱而損壞，所以與穩壓管配合的電

阻要適當，才能起穩壓作用。穩壓管除用于穩壓外，還可用于限幅、欠壓或過壓保

護、報警等。

（2）光電二極管。光電二極管用于將光信號轉變為電信號輸出，正常工作時處

于反向工作狀態，沒有光照射時反向電流很小，有光照射時就形成較大的光電流。

(3)發光二極管。發光二極管用于將電信號轉變為光信號輸出，正常工作時處

于正向導通狀態，當有正向電流通過時，電子就與空穴直接復合而發出光來。

4.二極管應用電路的分析方法

(1)判斷二極管是導通還是截止。判斷方法是：假設將二極管開路，計算接二

極管陽極處的電位UA和接二極管陰極處的電位UK。當將二極管視為理想元件(即

忽略二極管正向壓降和反向漏電流)時，若UA》UK，則接上二極管必然導通，其兩

端電壓為零。否則接上二極管必然截止，其反向電流為零。當計及二極管的正向壓降

UD時，若UA-UK》UD，則接上二極管必然導通，其兩端電壓通常硅管取0.7V,倍

管取0.2V。否則接上二極管必然截止，其反向電流為零。

(2)由二極管的工作狀態畫出等效電路，由于在等效電路中不含二極管，故可

根據電路分析方法(如支路電流法、疊加定理、戴維南定理等)分析計算。

例如，在如圖1.1(a)所示電路中，設二極管VD的正向電阻為零，反向電阻為

無窮大，試求A點電位UA。

將二極管斷開，得電路如圖1.1(b)所示，此時A、K兩點的電位分別為:

=60x60=40(V)

30+60

60-2°X20-20=20(V)

20+20

因為UAO>UKO，所以如圖1.1(a)所示電路中的二極管是導通的，可以用短路

線代替，如圖1.1(c)所示，運用節點電壓法即可求出A點電位為:

60-2060

一十------+一

U202030=40(V)

A1111

—十—+

20203060

-20V-20V-20V

(a)(b)(C)

圖1.1二極管電路計算示例

4

1.2.3雙極型三極管

1.結構與工作原理

雙極型三極管簡稱晶體管或三極管，有NPN型和PNP型兩種類型。晶體管有發

射區、基區和集電區3個區，從這3個區分別引出發射極E、基極B和集電極C,基

區和發射區之間的PN結稱為發射結，基區與集電區之間的PN結稱為集電結。

晶體管具有電流放大作用的內部條件是：

(1)發射區的摻雜濃度大，以保證有足夠的載流子可供發射。

(2)集電區的面積大，以便收集從發射區發射來的載流子。

(3)基區很薄，且摻雜濃度低，以減小基極電流，即增強基極電流的控制作用。

晶體管實現電流放大作用的外部條件是：發射結正向偏置，集電結反向偏置。對

NPN型晶體管，電源的接法應使3個電極的電位關系為UC>UB>UE。對PNP型晶

體管，則應使UC<UB<UE。

工作于放大狀態的晶體管，基極電流/B遠小于集電極/c和發射極電流左，只要

發射結電壓UBE有微小變化，造成基極電流/B有微小變化，就能引起集電極/c和發

射極電流/E大的變化，這就是晶體管的電流放大作用。

2.特性曲線

晶體管的輸入特性曲線/B=/(UBE)|L=常熟與二極管的正向特性曲線相似，也有

同樣的死區電壓和管壓降范圍，如圖1.2(a)所示。

晶體管的輸出特性曲線/C=〃UCE)|/B=常熟是一簇曲線，如圖L2(b)所示。根據

晶體管工作狀態的不同，輸出特性曲線分為放大區、截止區和飽和區3個工作區。晶

體管在不同工作狀態下的特點如表1.1所示。

’的飽和區

4匕；80"

3￡放\------------60uA

2A大區\—40uA

L___________12^=0

036^UCE(V)

截止區

(b)輸出特性曲線

圖1.2晶體管的特性曲線

3.主要參數

(1)電流放大系數「和

直流(靜態)電流放大系數：下=上~

，B

交流(動態)電流放大系數：夕=△￡

小功率晶體管/?“7=50~2()(),大功率管的￡值一般較小。選用晶體管時應注

意，。太小的管子放大能力差，而￡太大則管子的熱穩定性較差，一般以￡=100左

右為宜。

(2)反向飽和電流/cBO和穿透電流/cEO。二者的關系為/cEO=(1+尸),CBO，它

們隨溫度升高而增大，影響電路工作的穩定性。

(3)集電極最大允許電流/CM。集電極電流超過/CM時￡值將明顯下降。

(4)反向擊穿電壓U,BR,CEO?；鶚O開路時集電極與發射極之間的最大允許電壓。

(6)集電極最大允許耗散功率PcM。fcM=，C°CE。/CM、U<BR>CEO和「CM稱為

晶體管的極限參數，由它們共同確定晶體管的安全工作區。

表1.1晶體管在不同工作狀態下的特點

工作狀態截止放大飽和

發射結反偏發射結正偏發射結正偏

偏置情況

集電結反偏集電結反偏集電結正偏

UBE=0-7V

UBEWO

"BE=0-7V，c=，cs

特點4=。

，C二/B2%s=蓍"

(NPN硅管)/c=o

UCC>UCE>UBE

“CE=Ucc

UcE=°.3V<UBE

4.晶體管工作狀態、類型和管腳的判別方法

(1)晶體管的工作狀態可根據發射結和集電結的偏置情況判斷。對NPN型晶體

管，若UBEWO,則發射結反偏，晶體管工作在截止狀態。若UBE>。，則發射結正

偏，這時可再根據集電結的偏置情況判斷晶體管是工作在放大狀態還是飽和狀態，集

電結反偏為放大狀態，集電結正偏為飽和狀態；也可根據/B與/BS的關系判斷，

/</為放大狀態，/B2/BS=L■為飽和狀態。

D0DO,

(2)晶體管的類型(NPN型還是PNP型，硅管還是錯管)和管腳可根據各極

電位來判斷。NPN型集電極電位最高，發射極電位最低，即UC>UB>UE，

UBE>。；PNP型集電極電位最低，發射極電位最高，即UC<UB<UE，UBE<。。硅

管基極電位與發射極電位大約相差0.6或0.7V；錯管基極電位與發射極電位大約相

差0.2或0.3V。

此外，還可根據各極電流來判斷晶體管的管腳以及是NPN型還是PNP型。根據

晶體管各極電流關系/E=/B+/C和/C=QB可知，發射極電流最大，基極電流最小，

6

并且發射極電流從晶體管流出的為NPN型，流入晶體管的為PNP型。

例如，在如圖1.3所示的電路中，已知&=lkQ,/?B=l°kQ,Ucc=5V,晶體

管的￡=50,C/BE=0.7V,UESMOJV。試分別計算q=—IV,q=iv以及y=3V

時的/B、/c和U。，并指出晶體管所處的工作狀態。

當q=-iv時UBE<0，晶體管發射結反偏，工作在截止狀態，故有:

，B=。

U°=UCE=UCC=5(V)

當q=iv時UBE>°，晶體管發射結正偏，因而導通，故有：

/S--BE=12122=0.03(mA)

RB10

/c=J3IR=50X0.03=1.5(mA)

UO=UCE=UCC-ICRC=5-1.5X1=3.5(V)

UBC="BE-/E=°”3.5=-2.8<0

計算結果表明，晶體管的發射結正偏，集電結反偏，處于放大狀態。

或由：

,81CCCES15-0.33”,人、

/==—x—U.-..U.-=—x------=0.094(mA)

BB及501

得/B</BS，所以晶體管處于放大狀態。

當q=3V時UBE>。，晶體管發射結正偏，因而導通，故有：

^-^=3-02=023(mA)

RB10

Ic=/3Ia=50x0.23=11.5(mA)

Uo=UCP=0a.-ICRC=5-11.5xl=-6.5(V)

UBC=UBE-UCE=0.7-(-6.5)=7.2>0

計算結果表明，晶體管的發射結正偏，集電結也正偏，處于飽和狀態。因為UCE絕

不可能為負值，所以從計算結果U0=UCE<0也說明晶體管已不處于放大狀態，故應處

于飽和狀態。當然，也可由/B>/BS知晶體管處于放大狀態。此時應為：

U。="CE="CES=°-3(V)

在飽和狀態下，集電極電流/C和基極電流/B之間己不存在/c=〃B的關系，這時

的集電極電流/C為：

,Ucc-UCE5-0.3”/“、

Ic=--------=---------=4.7(mA)

Rc1

1.2.4場效應晶體管

絕緣柵型場效應管共有4種類型，它們的特性比較如表1.2所示。

表1.2絕緣柵型場效應管的特性比較

溝結

電源極性

道構符號及電流

轉移特性漏極特性

類類方向

型型UDSUGS

,D/2V

D

。呼VT,%s=0V

耗

A，DSS

盡+±

型

SJA4s

0'AUDS

N

1D/D8V

D

j，UGS=6V

增

4V

強++Gf[

型

S

°IUG壺)C-V_________-___-___

AUDS

/D-2V

D

i，%s=0V

耗國

二°[2V

盡-+

型

S

GSv---

^GS(ofl)A°DS

P

【DP-8V

D

|,UGS=-6V

增戶

強--Gf

型

S

點hR%5

0------------------------>"DS

8

晶體管與場效應管的區別如表1.3所示。

表1.3晶體管與場效應管比較

比較項目晶體管場效應管

兩種不同極性的載流子(電子只有一種極性的載流子(電子

載流子與空穴)同時參與導電，故又或空穴)參與導電，故又稱為

稱為雙極型晶體管單極型晶體管

控制方式電流控制電壓控制

類型NPN型和PNP型兩種N溝道和P溝道兩種

放大參數夕=20~200gm=1~5mA/V

24714。很大

輸入電阻=10-10Q較小^s=10~10

輸出電阻rCe很大rds很大

熱穩定性差好，

制造工藝較復雜簡單，成本低，便于集成

對應電極基極-柵極，發射極-源極，集電極-漏極

1.3習題解答

1.1在如圖1.4所示的各個電路中，己知直流電壓5=3V,電阻R=lkQ,二

極管的正向壓降為0.7V,求U。。

圖1.4習題1.1的圖

分析U。的值與二極管的工作狀態有關，所以必須先判斷二極管是導通還是截

止。若二極管兩端電壓為正向偏置則導通，可將其等效為一個0.7V的恒壓源；若二

極管兩端電壓為反向偏置則截止，則可將其視為開路。

解對圖1.4(a)所示電路，由于Q=3V,二極管VD承受正向電壓，處于導

通狀態，故：

=4=0.7(V)

對圖1.4(b)所示電路，由于q=3V,二極管VD承受反向電壓截止，故：

Ua=—^-t/：=lx3=1.5(V)

R+R2

對圖1.4(c)所示電路，由于q=3V,二極管VD承受正向電壓導通，故：

Uo=5-(7D=5-0.7=4.3(V)

1.2在如圖1.5所示的各個電路中，己知輸入電壓、=10sin函V,二極管的正向

壓降可忽略不計，試分別畫出各電路的輸入電壓出和輸出電壓〃。的波形。

分析在川和5V電源作用下，分析出在哪個時間段內二極管正向導通，哪個時

間段內二極管反向截止。在忽略正向壓降的情況下，正向導通時可視為短路，截止時

可視為開路，由此可畫出各電路的輸入、輸出電壓的波形。

圖1.5習題1.2的圖

解對圖1.5(a)所示電路，輸出電壓“。為：

M

o="i一"R=UD+5

訪》5V時二極管VD承受正向電壓導通，UD=O，MO=5V；?i<5V時二極管VD

承受反向電壓截止，電阻R中無電流，〃R=0,Uo-Ui?輸入電壓詼和輸出電壓"o的

波形如圖1.6(a)所示。

圖1.6習題1.2解答用圖

對圖1.5(b)所示電路，輸出電壓"。為：

%=%-UD="R+5

兩、5V時二極管VD承受正向電壓導通，UD=0，?i；“i<5V時二極管VD承

10

受反向電壓截止，電阻R中無電流，"R=0,"o=5V。輸入電壓出和輸出電壓“°的波

形如圖1.6(b)所示。

對圖1.5(c)所示電路，輸出電壓”。為：

M

o="i_“R—5—t/D

"i》5V時二極管VD承受反向電壓截止，電阻R中無電流，MR=0,UO=Ui；

"i<5V時二極管VD承受正向電壓導通，UD=0，W0=5V。輸入電壓切和輸出電壓uo

的波形如圖1.6(c)所示。

1.3在如圖1.7所示的電路中，試求下列幾種情況下輸出端尸的電位UF及各元

件(R、VDA、VDB)中的電流，圖中的二極管為理想元件。

(1)t/A=%=0VO

(2)〃=3，UR=0V?

(3)UA=/=3V。

+%c（+6V）

"AU3kQ

A°-----K|---------'------------°F

VDB

B。---笈-----

圖1.7習題1.3的圖

分析在一個電路中有多個二極管的情況下，一些二極管的電壓可能會受到另一

些二極管電壓的影響，所以，在判斷各個二極管的工作狀態時，應全面考慮各種可能

出現的因素。一般方法是先找出正向電壓最高和(或)反向電壓最低的二極管，正向

電壓最高者必然導通，反向電壓最低者必然截止，然后再根據這些二極管的工作狀態

來確定其他二極管承受的是正向電壓還是反向電壓。

解(1)因為UA=UB=0V而Ucc=6V,所以兩個二極管VDA、VDB承受同樣

大的正向電壓，都處于導通狀態，均可視為短路，輸出端尸的電位UF為：

%=/=%=0(V)

電阻中的電流為：

=￡CCS￡F=6-0=2/A)

RR3

兩個二極管VDA、VDB中的電流為：

，DA='DB=54=3乂2=1(mA)

(2)因為UA=3,UB=0V而t/cc=6V,所以二極管VDB承受的正向電壓最

高，處于導通狀態，可視為短路，輸出端產的電位UF為：

/=網=0(V)

電阻中的電流為:

UccUf=6-0=

(mA)

~~R一3一

VDB導通后，VDA上加的是反向電壓，VDA因而截止，所以兩個二極管VDA、

VDB中的電流為：

/DA=0(mA)

，DB=/R=2(mA)

(3)因為"A=UB=3V而Ucc=6V,所以兩個二極管VDA、VDB承受同樣大的

正向電壓，都處于導通狀態，均可視為短路，輸出端下的電位UF為：

4=〃=4=3(V)

電阻中的電流為：

,U-U6-3,,人

I=—c^c---p-=---=1(mA)

aR3

兩個二極管VDA、VDB中的電流為：

，DA=，DB=5/R=/x1=(mA)

1.4在如圖1.8所示的電路中，試求下列幾種情況下輸出端尸的電位UF及各元

件(R、VDA、VDB)中的電流，圖中的二極管為理想元件。

(1)〃=4=0丫。

(2)UA=3V,UB=0O

(3)UA=UB=3V。

VDB

B0——1>----'--------°F

圖1.8習題1.4的圖

分析本題與上題一樣，先判斷出兩個二極管VDA、VDB的工作狀態，從而確

定出輸出端尸的電位，再根據輸出端尸的電位計算各元件中的電流。

解(1)因為UA=UB=0V，所以兩個二極管VDA、VDB上的電壓均為0,都

處于截止狀態，電阻R中無電流，故：

/DA=，DB=/R=°(mA)

輸出端廠的電位UF為：

UF=UR=IRR=0(V)

(2)因為UA=3V,UB=0V，所以二極管VDA承受的正向電壓最高，處于導

通狀態，可視為短路，輸出端/的電位UF為：

12

UF=UA=3(V)

電阻中的電流為:

,°cc-UF6-3,人、

/口=—-----=----=1(mA)

R3

VDA導通后，VDB上加的是反向電壓，VDB因而截止，所以兩個二極管VDA、

VDB中的電流為：

，DB=0(mA)

，DA=/R=1(mA)

(3)因為UA=UB=3V,所以兩個二極管VDA、VDB承受同樣大的正向電壓,

都處于導通狀態，均可視為短路，輸出端F的電位小為:

UF=UA="B=3(V)

電阻中的電流為：

兩個二極管VDA、VDB中的電流為：

X1=05

/DA=/DB=2/R=2-(mA)

1.5在如圖1.9所示的電路中，已知E=10V,e=30sindV試用波形圖表示

二極管上的電壓?Do

分析設二極管為理想元件，則二極管導通時〃D=0,二極管截止時因電阻R中

無電流，“D=e+E,因此，判斷出二極管VD在如和E作用下哪個時間段內導通，

哪個時間段內截止，即可根據“D的關系式畫出其波形。

解設二極管為理想元件，則當e+E20,即e2-E=-10V時二極管導通，

HD=0：當e+E<0,即e<-E=—IOV時二極管截止，=e+E=30sinm+10V。由此

可畫出“D的波形，如圖1.10所示。

“D(V)

40

20

E

0

圖L9習題1.5的圖圖1.10習題1.5解答用圖

1.6在如圖1.11所示的電路中，已知E=20V,R|=900Q,穩壓

管VDz的穩定電壓Uz=1。丫，最大穩定電流/ZM=8mA。試求穩壓管中通過的電流

/z，并判斷/z是否超過/ZM?如果超過，怎么辦？

分析穩壓管工作于反向擊穿區時，電流雖然在很大范圍內變化，但穩壓管兩端

的電壓變化很小，所以能起穩壓的作用。但與穩壓管配合的電阻要適當，否則，要么

使穩壓管的反向電流超過允許值而過熱損壞，要么使穩壓管因為沒有工作在穩壓區而

不能穩壓。

KVD；

圖1.11習題1.6的圖

解設穩壓管VDz工作正常，則電阻心和心中的電流分別為:

=------?9.09(mA)

1100

穩壓管中通過的電流/z為：

/z=/1-7,?11.1-9.09=2.02(mA)

可見，Z＜，ZM。

如果/z超過/ZM，則應增大心,也可減小R2。但穴2一般是負載電阻，不能隨意

改變，若以不能變，則應限制的最大值，或另選穩壓管。

1.7有兩個穩壓管VDzi和VDZ2，其穩定電壓分別為5.5V和8.5V,正向壓降

都是0.5V,如果要得到0.5V、3V、6V、9V和14V幾種穩定電壓，這兩個穩壓

管(還有限流電阻)應該如何連接，畫出各個電路。

分析穩壓管工作在反向擊穿區時，管子兩端電壓等于其穩定電壓；穩壓管工作

在正向導通狀態時，管子兩端電壓等于其正向壓降。因此，可通過兩個穩壓管的不同

組合來得到不同的穩定電壓.

解應按如圖11.12(a)?(e)所示各個電路連接，可分別得到上述幾種不同

的穩定電壓，圖中的電阻均為限流電阻。

-------O

VDzi本

(a)(b)

14

圖1.12習題1.6的圖

1.8在一放大電路中，測得某晶體管3個電極的對地電位分別為-6V、-3V、-3.2V,

試判斷該晶體管是NPN型還是PNP型？錯管還是硅管？并確定3個電極。

分析晶體管的類型(NPN型還是PNP型，硅管還是錯管)和管腳可根據各極

電位來判斷。NPN型集電極電位最高，發射極電位最低，即UC>UB>UE，

URE>0；PNP型集電極電位最低，發射極電位最高，即UC<UB<UE，"BE<0。硅

管基極電位與發射極電位大約相差0.6或0.7V；錯管基極電位與發射極電位大約相

差0.2或0.3V。

解設晶體管3個電極分別為1、2、3,即U1=-6V、%=-3V、U3=-3.2V?

因為2、3兩腳的電位差為0.2V,可判定這是一個錯管，且1腳為集電極。由于集電

極電位最低，可判定這是一個PNP型管。又由于2腳電位最高，應為發射極，而3

腳為基極。因為發射極與基極之間的電壓UBE=U3-4=-3.2-(-3)=-0.2V,基極與

集電極之間的電壓UBC=U3-G=-3.2-(-6)=2.8V,可見發射結正偏，集電結反偏，

晶體管工作在放大狀態?綜上所述，可知這是