第 9 章 半导体二极管和三极管

第9章半导体二极管和三极管9.2

半导体二极管

9.3

稳压管9.4

半导体三极管9.1

半导体的导电特性退出

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。第9章二极管和晶体管9.1

半导体的导电特性半导体的导电特性：(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。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）。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)。热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强9.1.1

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。晶体中原子的排列方式硅单晶中的共价健结构共价健共价键中的两个电子，称为价电子。

Si

Si

Si

Si价电子

Si

Si

Si

Si价电子

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）。本征半导体的导电机理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。自由电子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。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。9.1.2N型半导体和P型半导体

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。掺入五价元素

Si

Si

Si

Sip+多余电子磷原子在常温下即可变为自由电子失去一个电子变为正离子

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N

型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。9.1.2N型半导体和P型半导体

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。掺入三价元素

Si

Si

Si

Si

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。B–硼原子接受一个电子变为负离子空穴无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。1.在杂质半导体中多子的数量与

（a.掺杂浓度、b.温度）有关。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）。abc4.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）ba9.1.3

PN结及其单向导电性多子的扩散运动内电场少子的漂移运动浓度差P型半导体N型半导体空间电荷区也称PN结

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。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空间电荷区

用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上，形成P型半导体区域和N型半导体区域，在这两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为PN结。1.PN结加正向电压（正向偏置）PN结变窄P接正、N接负外电场IF

内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。

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。内电场PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–PN结变宽2.PN结加反向电压（反向偏置）外电场

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。IRP接负、N接正温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。–+

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。内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－9.2半导体二极管9.2.1基本结构

将PN结加上相应的电极引线和管壳，就成为半导体二极管。按结构分，有点接触型和面接触型两类。点接触型表示符号正极负极金锑合金面接触型N型锗

正极引线负极引线PN结底座铝合金小球引线触丝N型锗外壳9.2.2伏安特性硅管0.5V锗管0.1V反向击穿电压U(BR)导通压降

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。正向特性反向特性特点：非线性硅0.6~0.8V锗0.2~0.3VUI死区电压PN+–PN–+

反向电流在一定电压范围内保持常数。

在二极管上加反向电压时，反向电流很小。但当反向电压增大至某一数值时，反向电流将突然增大。这种现象称为击穿，二极管失去单向导电性。产生击穿时的电压称为反向击穿电压U(BR)。9.2.3主要参数

1.最大整流电流

IOM

最大整流电流是指二极管长时间使用时，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

它是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是反向击穿电压的一半或三分之二。3.反向峰值电流IRM它是指二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。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。[例1]

在图中，输入电位VA=+3V，VB=0V，电阻R接负电源–12V。求输出端电位VY。

[解]

因为VA高于VB

，所以DA优先导通。如果二极管的正向压降是0.3V，则VY=+2.7V。当DA导通后,DB因反偏而截止。

在这里，DA起钳位作用，将输出端电位钳制在+2.7V。

二极管的应用范围很广，主要都是利用它的单向导电性。它可用与整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。DA–12VYVAVBDBR返回

二极管电路分析举例定性分析：判断二极管的工作状态导通截止否则，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

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。电路如图，求：UABV阳

=－6VV阴=－12VV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例1：

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。

在这里，二极管起钳位作用。D6V12V3kBAUAB+–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

=－6V，V2阳=0V，V1阴

=V2阴=－12VUD1=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

=0V例2:D1承受反向电压为－6V流过D2

的电流为求：UAB

在这里，D2起钳位作用，D1起隔离作用。BD16V12V3kAD2UAB+–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已知：二极管是理想的，试画出uo

波形。8V例3：二极管的用途：

整流、检波、限幅、钳位、开关、元件保护、温度补偿等。ui18V参考点二极管阴极电位为8VD8VRuoui++––用以前的限幅flash下一节上一页下一页返回上一节[补充例题]当Us分别为2V、4V，而ui

分别为3V、3V时，试画出uo

的波形。半导体二极管图片9.2.3半导体二极管的测量与选用1.二极管的测量

通常使用万用表欧姆档，黑表笔对应管脚为正极，红表笔为负极。（1）两次测量正反向电阻相差最大，质量最好；（2）两次测量正反向电阻接近或相等，失效；（3）两次测量正反向电阻无穷大，断路；（4）两次测量正反向电阻等于零，短路；2.选用二极管应注意：

9.3

稳压二极管1.符号UZIZIZMUZIZ2.伏安特性

稳压管正常工作时加反向电压使用时要加限流电阻

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。_+UIO

稳压管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。其表示符号如下图所示。

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1C引起稳压值变化的百分数。(3)

动态电阻(4)

稳定电流IZ、最大稳定电流IZM(5)

最大允许耗散功率PZM=UZIZMrZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。

[例1]

图中通过稳压管的电流IZ等于多少？R是限流电阻，其值是否合适？IZDZ+20R=1.6k

UZ=12V

IZM=18mAIZ例

1的图IZ

<IZM

，电阻值合适。[解]【课堂练习】

电路如图左，设DZ1的稳定电压为5V，DZ2的稳定电压为7V，两管正向压降均为0V，在正常输入Ui下，输出Uo的值为（）。（1）5V（2）7V（3）12V（4）0V【课堂练习】

电路如图右，设DZ1的稳定电压为5V，DZ2的稳定电压为7V，两管正向压降均为0V，在正常输入Ui下，输出Uo的值为（）。（1）5V（2）7V（3）6V（4）0V1.半导体三极管：双极性三极管，简称晶体管（BJT）2.分类：（1）按频率分高频管低频管（2）按结构分NPN型PNP型（3）按材料分Si管Ge

管

（4）按功率分大功率管中功率管小功率管Si

管多是NPN型，（3D系列）Ge管多是PNP型，（3A系列）9.4

半导体三极管9.4.1基本结构晶体管的结构(a)平面型；(b)合金型BEP型硅N型硅二氧化硅保护膜铟球N型锗N型硅CBECPP铟球(a)(b)1.NPN型三极管集电区集电结基区发射结发射区NN集电极C基极B发射极EP

不论平面型或合金型，都分成NPN或PNP三层，因此又把晶体管分为NPN型和PNP型两类。ECB符号T集电区集电结基区发射结发射区N集电极C发射极E基极BNPPN2.PNP型三极管

CBET符号(a)NPN型晶体管；NNCEBPCETBIBIEICBECPPNETCBIBIEIC(b)PNP型晶体管CE发射区集电区基区集电结发射结NNP基极发射极集电极BCE发射区集电区基区P发射结P集电结N集电极发射极基极B基区：最薄，掺杂浓度最低发射区：掺杂浓度最高发射结集电结BECNNP基极发射极集电极结构特点：集电区：面积最大9.4.2电流分配和放大原理1.三极管放大的外部条件BECNNP发射结正偏、集电结反偏PNP发射结正偏VB<VE集电结反偏VC<VB从电位的角度看：

NPN

发射结正偏VB>VE集电结反偏VC>VB

EBRBECRC9.3.2电流分配和放大原理1.三极管放大的外部条件BECNNP发射结正偏、集电结反偏PNP发射结正偏VB<VE集电结反偏VC<VB从电位的角度看：

NPN

发射结正偏VB>VE集电结反偏VC>VB

EBRBECRCNPN型:VC>VB>VEPNP型:VC<VB<VE

设EC=6V，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mAAVVmAICECIBIERB+UBE+UCEEBCEB3DG100晶体管电流放大的实验电路IB/mA00.020.040.060.080.10IC/mA<0.0010.701.502.303.103.95IE/mA<0.0010.721.542.363.184.05晶体管电流测量数据结论：(1)符合基尔霍夫定律(2)IC和IE比IB大得多。从第三列和第四列的数据可得

这就是晶体管的电流放大作用。称为共发射极静态电流(直流)放大系数。电流放大作用还体现在基极电流的少量变化IB可以引起集电极电流较大的变化IC。

式中，称为动态电流(交流)放大系数+UBE

ICIEIB

CTEB+UCE+UBE

IBIEICCTEB+UCE(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。(3)当IB=0(将基极开路)时，IC=ICEO，表中ICEO<0.001mA=1A。对于NPN型三极管应满足:UBE

>0UBC

<

0即

VC>

VB>

VE对于PNP型三极管应满足:UEB>0UCB

<0即

VC

<VB<

VE1.

输入特性特点:非线性正常工作时发射结电压：

NPN型硅管

UBE0.6~0.7VPNP型锗管

UBE0.2~0.3V3DG100晶体管的输入特性曲线O0.40.8IB/AUBE/VUCE≥1V60402080死区电压：硅管0.5V，锗管0.1V。9.4.3特性曲线2.输出特性

共发射极电路ICEC=UCCIBRB+UBE+UCEEBCEBIC/mAUCE/V100µA80µA60µA40µA20µA

O3691242.31.5321IB=03DG100晶体管的输出特性曲线

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

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3DG100晶体管的输出特性曲线IC/mAUCE/V100µA80µA60µA40µA20µA

O3691242.31.5321IB=0(1)放大区

在放大区IC=

IB

，也称为线性区，具有恒流特性。

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。

对NPN型管而言,应使

UBE

>0,UBC<

0，此时，

UCE

>UBE。Q2Q1大放区IC/mAUCE/V100µA80µA60µA40µA20µA

O3691242.31.5321IB=0(2)截止区对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,IC0,UCEUCC。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)截止区IC/mAUCE/V100µA80µA60µA40µA20µA

O3691242.31.5321IB=0(3)饱和区

在饱和区，IBIC，发射结处于正向偏置，集电结也处于正偏。

深度饱和时，硅管UCES0.3V，

锗管UCES0.1V。

IC

UCC/RC。

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。饱和区

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。晶体管的三种工作状态如下图所示+

UBE>0

ICIB+UCE(a)放大

UBC<0+IC0IB=0+UCEUCC(b)截止

UBC<0++UBE

0

+UBE>

0

IB+UCE0

(c)饱和

UBC>0+

管型

工作状态

饱和

放大

截止UBE/VUCE/V

UBE/V

UBE/V

开始截止

可靠截止硅管(NPN)锗管(PNP)

0.7

0.3

0.30.1

0.6~0.70.2~0.30.5

0.1

0

0.1晶体管结电压的典型值9.4.4主要参数1.电流放大系数，

当晶体管接成共发射极电路时，在静态(无输入信号)时集电极电流与基极电流的比值称为静态电流(直流)放大系数

当晶体管工作在动态(有输入信号)时，基极电流的变化量为IB，它引起集电极电流的变化量为IC。IC与IB的比值称为动态电流(交流)放大系数

在输出特性曲线近于平行等距并且ICEO较小的情况下,可近似认为，但二者含义不同。常用晶体管的

值在20~200之间。2.集—基极反向截止电流ICBOICBO是当发射极开路时流经集电结的反向电流，其值很小。3.集—射极反向截止电流ICEOICEO是当基极开路(IB=0)时的集电极电流，也称为穿透电流，其值越小越好。4.集电极最大允许电流ICM

当值下降到正常数值的三分之二时的集电极电流，称为集电极最大允许电流ICM。5.集—射反相击穿电压U(BR)CEO6.集电极最大允许耗散功率PCM

基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压，称为集—射反相击穿电压U(BR)CEO。

当晶体管因受热而引起的参数变化不超过允许值时，集电极所消耗的最大功率，称为集电极最大允许耗散功率PCM。ICICMU(BR)CEOUCEPCMOICEO安全工作区

由ICM、

U(BR)CEO、PCM三者共同确定晶体管的安全工作区。返回半导体三极管图片【课堂练习1】

用直流电压表测某电路三只晶体管的三个电极对地的电压分别如图所示。试指出每只晶体管的C、B、E极。T1管：NPN硅管①为C极，②为B极，③为E极。T2管：NPN硅管①为B极，②为E极，③为C极。T3管：