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电 子 技 术. 哈尔滨工业大学 ( 威海 ) 信息科学与工程学院基础教学部. 第 14 章 二极管和晶体管. 14.1 半导体的导电特性 14.2 PN 结 14.3 半导体二极管 14.4 稳压管 14.5 半导体三极管. 14.1 半导体的导电特性. 半导体： 导电能力介乎于导体和绝缘体之 间的 物质。. 半导体特性： 热敏特性、光敏特性、掺杂特性. 本征半导体就是完全纯净的半导体。. 应用最多的本征半导体为锗和硅，它们各有四个价电子，都是四价元素. 硅的原子结构. 价电子. Si. Si. 共价键.
E N D
电 子 技 术 哈尔滨工业大学(威海) 信息科学与工程学院基础教学部
第14章 二极管和晶体管 14.1半导体的导电特性 14.2 PN结 14.3 半导体二极管 14.4 稳压管 14.5 半导体三极管
14.1 半导体的导电特性 半导体：导电能力介乎于导体和绝缘体之 间的 物质。 半导体特性：热敏特性、光敏特性、掺杂特性
本征半导体就是完全纯净的半导体。 应用最多的本征半导体为锗和硅，它们各有四个价电子，都是四价元素. 硅的原子结构
价电子 Si Si 共价键 Si Si 14.1.1本征半导体 本征半导体晶体结构中的共价健结构 纯净的半导体其所有的原子基本上整齐排列，形成晶体结构，所以半导体也称为晶体 ——晶体管名称的由来
空穴 Si Si Si Si 自由 电子 14.1.1 本征半导体 自由电子与空穴 共价键中的电子在获得一定能量后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子 同时在共价键中 留下一个空穴。
空穴 Si Si Si Si 自由电子 14.1.1 本征半导体 热激发与复合现象 由于受热或光照产生自由电子和空穴的现象----- 热激发 自由电子在运动中遇到空穴后，两者同时消失，称为复合现象
空穴 Si Si Si Si 价电子 14.1.1 本征半导体 半导体导电方式 载流子 自由电子和空穴 当半导体两端加上外电压时，自由电子作定向运动形成电子电流；而空穴的运动相当于正电荷的运动 温度对半导体器件性能的影响很大。
Si Si 多余电子 P+ Si 14.1.2 N型半导体和P型半导体 N型半导体 在硅或锗的晶体中掺入微量的磷（或其它五价元素）。 电子型半导体或N型半导体 自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。
Si Si 空穴 B- Si 14.1.2 N型半导体和P型半导体 P型半导体 在硅或锗晶体中掺入硼（或其它三价元素）。 空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。 空穴型半导体或P型半导体。
14.1.2 N型半导体和P型半导体 不论N型半导体还是P型半导体，虽然它们都有一种载流子占多数，但是整个晶体仍然是不带电的。 返回
14.2 PN结 P N 空穴 自由电子 14.2.1 PN结的形成
14.2.1 PN结的形成 空间电荷区 P N 内电场方向 空穴 自由电子 PN结是由扩散运动形成的
14.2.1 PN结的形成 扩散运动和漂移运动的动态平衡 内电场增强 扩散强 漂移运动增强 PN结宽度基本稳定 两者平衡 扩散强 PN结导通 外加电压 平衡破坏 漂移强 PN结截止
14.2.2 PN结的单向导电性 变窄 P N I 内电场 方向 R 外电场方向 – + 1 外加正向电压使PN结导通 PN结呈现低阻导通状态，通过PN结的电流基本是多子的扩散电流——正向电流
15.2.2 PN结的单向导电性 变 宽 P N I=0 内电场 方向 R 外电场方向 - + 2 外加反向电压使PN结截止 PN结呈现高阻状态，通过PN结的电流是少子的漂移电流 ----反向电流 特点: 受温度影响大 原因: 反向电流是靠热激发产生的少子形成的
14.2.2 PN结的单向导电性 结 论 PN结具有单向导电性 （1） PN结加正向电压时，处在导通状态，结电阻很低，正向电流较大。 （2）PN结加反向电压时，处在截止状态，结电阻很高，反向电流很小。 返回
14.3 半导体二极管 外壳 触丝 N型锗片 引线 阳极引线 铝合金小球 PN结 点接触型 N型硅 金锑合金 面接触型 表示符号 底座 阴极引线 14.3.1 基本结构 14.3.2 伏安特性 14.3.3 伏安特性的折线化 14.3.4 二极管的主要参数
14.3.2 伏安特性 I/mA 80 正向 60 40 死区电压 20 -50 -25 O 0.4 0.8 U/V 击穿电压 -20 -40 反向 I/µA 半导体二极管的伏安特性是非线性的。
14.3.2 伏安特性 I/mA 80 正向 60 40 死区电压 20 -50 -25 O 0.4 0.8 U/V 击穿电压 -20 -40 I/µA 反向 1 正向特性 死区电压： 硅管：0.5伏左右，锗管： 0.1伏左右。 正向压降： 硅管：0.7伏左右，锗管： 0.2~ 0.3伏。
14.3.2 伏安特性 I/mA 80 正向 60 40 死区电压 20 -50 -25 O 0.4 0.8 U/V 击穿电压 -20 -40 I/µA 反向 2 反向特性 反向电流： 反向饱和电流： 反向击穿电压U（BR）
14.3.4 伏安特性的折线化 U U 0 0 US
14.3.4 主要参数 1 最大整流电流IOM： 二极管长时间使用时，允许流过的最大正向平均电流。 2 反向工作峰值电压URWM: 保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压。 3 反向峰值电流IRM: 二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。
14.3.5 应用举例 +3V DA A 0V DB B Y -12V 主要利用二极管的单向导电性。可用于整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。 例: 图中电路，输入端A的电位VA=+3V，B的电位VB=0V，求输出端Y的电位VY。电阻R接负电源-12V。 解： DA优先导通， DA导通后， DB上加的是反向电压，因而截止。 VY=+2.7V DA起钳位作用， DB起隔离作用。 返回
14.4 稳压管 一种特殊的面接触型半导体硅二极管。它在电路中与适当数值的电阻配合后能起稳定电压的作用。 1 稳压管表示符号：
I/mA - + 正向 UZ U/V 0 - + IZ IZM IZ 反向 UZ 2 稳压管的伏安特性： 稳压管的反向特性曲线比较陡。 3 稳压管稳压原理： 稳压管工作于反向击穿区。稳压管击穿时，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压变化很小。利用这一特性，稳压管在电路中能起稳压作用。 反向击穿 是可逆的。
14.4 稳压管 （1）稳定电压 UZ （2）电压温度系数 4 主要参数 稳压管在正常工作下管子两端的电压。 说明稳压管受温度变化影响的系数
14.4 稳压管 （3）动态电阻 rZ 稳压管端电压的变化量与相应的电流变化量的比值 （4）稳定电流 IZ （5）最大允许耗散功率 PZM 管子不致发生热击穿的最大功率损耗。 PZM=UZIZM
14.4 稳压管 R + U UZ U0 _ 例题 稳压管的稳压作用 当U<UZ时,电路不通；当U>UZ大于时,稳压管击穿 此时 选R，使IZ<IZM 返回
14.5 半导体三极管 平面型 NPN 合金型 PNP 14.5.1 基本结构 14.5.2 电流分配和放大原理 14.5.3 特性曲线 14.5.4 主要参数 结构
14.5.1 基本结构 集电结 发射结 E C N P N C C 基区 集电区 N 发射区 B P B B N E E
14.5.1 基本结构 集电结 发射结 E C P N P C C 基区 集电区 P 发射区 B B N B P E E
14.5.2 电流分配和放大原理 mA C B µA 3DG6 IC EC IB E + RB _ mA IE EB _ + 共发射极接法
14.5.2 电流分配和放大原理 IB/mA 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 IC/mA <0.001 0.70 1.50 2.30 3.10 3.95 IE/mA <0.001 0.72 1.54 2.36 3.18 4.05 晶体管电流测量数据 由此实验及测量结果可得出如下结论： （1） IE=IC+IB 符合基尔霍夫电流定律。 （2） IE和IC比IB 大的多。 （3）当IB=0（将基极开路）时， IE=ICEO， ICEO<0.001mA
14.5.2 电流分配和放大原理 C N P + B EC N RB _ E EB _ + 用载流子在晶体管内部的运动规律来解释上述结论。 外部条件：发射结加正向电压；集电结加反向电压。 UBE>0,UBC<0,UBC=UBE-UCE,UBE<UCE
14.5.2 电流分配和放大原理 1 发射区向基区扩散电子，形成发射极电流IE。 E区多子（自由电子）到B区 发射结正偏 扩散强 B区多子（空穴）到E区 穿过发射结的电流主要是电子流 形成发射极电流IE IE是由扩散运动形成的
14.5.2 电流分配和放大原理 C 扩散IEC 复合IEB B EC + RB _ E EB _ + 2 电子在基区中的扩散与复合，形成基极电流IB E区电子到基区B后，有两种运动 IEB=IB时达到动态平衡 同时基区中的电子被EB拉走形成 IB 形成稳定的基极电流IB IB是由复合运动形成的
14.5.2 电流分配和放大原理 C B EC + RB _ E EB _ + 3 集电极收集电子，形成集电极电流IC 阻碍C区中的多子（自由电子）扩散，同时收集E区扩散过来的电子 集电结反偏 有助于少子的漂移运动，有反向饱和电流ICBO 形成集电极电流IC
14.5.2 电流分配和放大原理 IBE ICBO IC IB C IEC B EC + RB _ E IE EB _ +
14.5.3 特性曲线 mA B µA 3DG6 + IC EC IB + + E C RB _ V V UBE UCE _ _ EB _ + 用来表示该晶体管各极电压和电流之间相互关系、反映晶体管的性能，是分析放大电路的重要依据。 以共发射极接法时的输入特性和输出特性曲线为例。
14.5.3 特性曲线 IB/µA 80 60 UCE>1 40 20 0 0.4 0.8 UBE/V 1输入特性曲线： 死区电压： 硅管：0.5伏左右，锗管0.1伏左右。 正常工作时，发射结的压降： NPN型硅管UBE=0.6~0.7V; PNP型锗管UBE=-0.2~-0.3V。
14.5.3 特性曲线 IC/mA 100 4 80 3 60 2 40 1 20µA IB=0 UCE/V 0 3 6 9 12 2 输出特性曲线 晶体管的输出特性曲线是一组曲线。
14.5.3 特性曲线 IC/mA 100 4 放大区 80 3 60 2 40 1 20µA IB=0 UCE/V 3 6 9 12 0 晶体管的输出特性曲线分为三个工作区： （1）放大区（线性区） （1）放大区 （2）截止区 （3）饱和区 输出特性曲线的近似水平部分。 发射结处于正向偏置；集电结处于反向偏置
14.5.3 特性曲线 IC/mA 100 4 80 3 60 2 40 截止区 1 20µA IB=0 UCE/V 0 3 6 9 12 （2）截止区 IB=0曲线以下的区域为截止区 IB=0 时，IC=ICEO〈0.001mA 对NPN型硅管而言，当UBE〈0.5V时，即已开始截止，为了截止可靠，常使UBE小于等于零。
14.5.3 特性曲线 IC/mA 100 4 饱和区 80 3 60 2 40 1 20µA IB=0 UCE/V 0 3 6 9 12 （3）饱和区 在饱和区，IB的变化对IC的影响较小，两者不成比例 当UCE〈UBE时，集电结处于正向偏置，晶体管工作处于饱和状态
14.5.4 主要参数 1 电流放大系数 ：静态电流（直流）放大系数 ：动态电流（交流）放大系数 两者的含义是不同的，但在特性曲线近于平行等距并且ICEO较小的情况下，两者数值较为接近。在估算时，常用 （1） 近似关系 （2） 对于同一型号的晶体管， 值有差别，常用晶体管的 值在20-100之间。 注意：
14.5.4 主要参数 ICB0 _ + + T µ A EC _ 2 集—基极反向截止电流ICBO ICBO=IC|IE=0 ICBO受温度的影响大。在室温下，小功率锗管的ICBO约为几微安到几十微安，小功率硅管在一微安以下。ICBO越小越好。
14.5.4 主要参数 ICBO愈大， 愈高的管子，稳定性愈差。因此，在选管子 时，要求ICBO尽可能小些，而 以不超过100为宜。 3 集—射极反向截止电流ICEO ICEO=IC|IB=0 穿透电流ICEO与ICBO的关系：
14.5.4 主要参数 集电极电流IC超过一定值时，晶体管的 值要下降。当 值下降到正常值的三分之二时的集电极电流。 在使用晶体管时，IC超过ICM并不一定会使晶体管损坏，但以降低 为代价。 4 集电极最大允许电流ICM 5 集—射极反向击穿电压U（BR）CEO 基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压。
14.5.4 主要参数 6 集电极最大允许耗散功PCM 由于集电极电流在流经集电结时将产生热量，使结温升高，从而会引起晶体管参数变化。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。 PCM=ICUCE
