第14章半導(dǎo)體二極管和三極管14.3半導(dǎo)體二極管14.4穩(wěn)壓二極管14.5半導(dǎo)體三極管14.2PN結(jié)14.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性第14章半導(dǎo)體二極管和三極管本章要求：一、理解PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，三極管的電流分配和電流放大作用；二、了解二極管、穩(wěn)壓管和三極管的基本構(gòu)造、工作原理和特性曲線，理解主要參數(shù)的意義；三、會分析含有二極管的電路。

學(xué)會用工程觀點(diǎn)分析問題，就是根據(jù)實(shí)際情況，對器件的數(shù)學(xué)模型和電路的工作條件進(jìn)行合理的近似，以便用簡便的分析方法獲得具有實(shí)際意義的結(jié)果。

對電路進(jìn)行分析計算時，只要能滿足技術(shù)指標(biāo)，就不要過分追究精確的數(shù)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(diǎn)放在特性、參數(shù)、技術(shù)指標(biāo)和正確使用方法，不要過分追究其內(nèi)部機(jī)理。討論器件的目的在于應(yīng)用。14.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性半導(dǎo)體的導(dǎo)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(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，導(dǎo)電能力明顯改變(可做成各種不同用途的半導(dǎo)體器件，如二極管、三極管和晶閘管等）。光敏性：當(dāng)受到光照時，導(dǎo)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(dāng)環(huán)境溫度升高時，導(dǎo)電能力顯著增強(qiáng)14.1.1本征半導(dǎo)體完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體，稱為本征半導(dǎo)體。晶體中原子的排列方式硅單晶中的共價健結(jié)構(gòu)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(fù)電），同時共價鍵中留下一個空位，稱為空穴（帶正電）。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)?？昭囟扔撸w中產(chǎn)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(bǔ)，而在該原子中出現(xiàn)一個空穴，其結(jié)果相當(dāng)于空穴的運(yùn)動（相當(dāng)于正電荷的移動）。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理

當(dāng)半導(dǎo)體兩端加上外電壓時，在半導(dǎo)體中將出現(xiàn)兩部分電流

(1)自由電子作定向運(yùn)動電子電流

(2)價電子遞補(bǔ)空穴空穴電流注意：

(1)本征半導(dǎo)體中載流子數(shù)目極少,其導(dǎo)電性能很差；(2)溫度愈高，載流子的數(shù)目愈多,半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能也就愈好。所以，溫度對半導(dǎo)體器件性能影響很大。自由電子和空穴都稱為載流子。自由電子和空穴成對地產(chǎn)生的同時，又不斷復(fù)合。在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生和復(fù)合達(dá)到動態(tài)平衡，半導(dǎo)體中載流子便維持一定的數(shù)目。14.1.2N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體

摻雜后自由電子數(shù)目大量增加，自由電子導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式，稱為電子半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體。摻入五價元素

Si

Si

Si

Sip+多余電子磷原子在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮邮ヒ粋€電子變?yōu)檎x子在本征半導(dǎo)體中摻入微量的雜質(zhì)（某種元素）,形成雜質(zhì)半導(dǎo)體。

在N

型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。動畫14.1.2N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體

摻雜后空穴數(shù)目大量增加，空穴導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式，稱為空穴半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體。摻入三價元素

Si

Si

Si

Si

在P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子。B–硼原子接受一個電子變?yōu)樨?fù)離子空穴動畫無論N型或P型半導(dǎo)體都是中性的，對外不顯電性。14.1.1對半導(dǎo)體而言，正確的說法是（）（1）P型半導(dǎo)體由于多數(shù)載流子為空穴，所以帶正電。（2）N型半導(dǎo)體由于多數(shù)載流子為自由電子，所以帶負(fù)電。

（3）P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體本身都不帶電。14.2PN結(jié)14.2.1PN結(jié)的形成多子的擴(kuò)散運(yùn)動內(nèi)電場少子的漂移運(yùn)動濃度差P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體內(nèi)電場越強(qiáng)，漂移運(yùn)動越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。擴(kuò)散的結(jié)果使空間電荷區(qū)變寬。空間電荷區(qū)也稱PN結(jié)擴(kuò)散和漂移這一對相反的運(yùn)動最終達(dá)到動態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－動畫形成空間電荷區(qū)14.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.PN結(jié)加正向電壓（正向偏置）PN結(jié)變窄P接正、N接負(fù)外電場IF

PN結(jié)加正向電壓時，PN結(jié)變窄，產(chǎn)生較大的正向電流，呈現(xiàn)較小的正向電阻，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。內(nèi)電場PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++動畫+–PN結(jié)變寬2.PN結(jié)加反向電壓（反向偏置）外電場IRP接負(fù)、N接正溫度越高少子的數(shù)目越多，反向電流將隨溫度增加。動畫–+PN結(jié)加反向電壓時，PN結(jié)變寬，反向電流較小，反向電阻較大，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。內(nèi)電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－14.3半導(dǎo)體二極管14.3.1基本結(jié)構(gòu)(a)點(diǎn)接觸型(b)面接觸型

結(jié)面積小、結(jié)電容小、正向電流小。用于檢波和變頻等高頻電路。結(jié)面積大、正向電流大、結(jié)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(jié)結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。陰極引線陽極引線二氧化硅保護(hù)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(diǎn)接觸型鋁合金小球N型硅陽極引線PN結(jié)金銻合金底座陰極引線(

b)面接觸型圖1–12半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和符號14.3半導(dǎo)體二極管二極管的結(jié)構(gòu)示意圖陰極陽極(

d

)符號D反向電流在一定電壓范圍內(nèi)保持常數(shù)。14.3.2伏安特性硅管0.5V,鍺管0.1V。反向擊穿電壓U(BR)導(dǎo)通壓降

外加電壓大于死區(qū)電壓二極管才能導(dǎo)通。

外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦?。正向特性反向特性特點(diǎn)：非線性硅0.6~0.8V鍺0.2~0.3VUI死區(qū)電壓–+–+14.3.3主要參數(shù)——選擇管子的依據(jù)1.最大整流電流

IF指二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。2.最高反向工作電壓URM是保證二極管不被擊穿而給出的最高反向電壓。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值。反向電流大，說明管子的單向?qū)щ娦圆睿軠囟鹊挠绊懘?。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流較大?？偨Y(jié)1：二極管的單向?qū)щ娦?.二極管加正向電壓（正向偏置，陽極接正、陰極接負(fù)）時，二極管處于正向?qū)顟B(tài)，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(fù)、陰極接正）時，二極管處于反向截止?fàn)顟B(tài)，二極管反向電阻較大，反向電流很小。

3.外加反向電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦浴?.二極管的反向電流受溫度的影響，溫度愈高反向電流愈大。–++–

首先判斷二極管的工作狀態(tài),導(dǎo)通截止1.如何判斷二極管的工作狀態(tài)：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(fù)。若V陽>V陰或UD為正(正向偏置)，二極管導(dǎo)通若V陽<V陰或UD為負(fù)(反向偏置)，二極管截止然后將二極管替換為導(dǎo)通或截止的電路模型，再分析電路。V陽V陰–+UD總結(jié)2：二極管電路分析方法2.二極管的電路模型理想模型，恒管壓降模型V陽V陰–+UD正向管壓降硅0.6~0.7V鍺0.2~0.3V正向?qū)ǚ聪蚪刂估硐肽Ｐ秃愎軌航的Ｐ投O管相當(dāng)于短路UD=0二極管相當(dāng)于開路UD總結(jié)2：二極管電路分析方法電路如圖，求：UAB若忽略管壓降，二極管可看作短路，例1：步驟1：分析二極管狀態(tài)

V陽=－6VV陰=－12VV陽>V陰

二極管導(dǎo)通步驟2：將D替換為二極管導(dǎo)通模型D6V12V3kBAUAB+–+UD-若不忽略管壓降，

取B點(diǎn)作參考點(diǎn)，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。UAB=－6VUAB=V陽－UD=－6－0.3（或0.7V）分析：兩個二極管陰極連接在一點(diǎn)，取B

點(diǎn)作參考點(diǎn)，斷開所有二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。V1陽=－6V，V2陽=0V，V1陰=V2陰=－12V例2:D1承受反向電壓為流過D2

的電流為求：UABBD16V12V3kAD2UAB+–∵

UD2>UD1

∴D2優(yōu)先導(dǎo)通，D1截止。UD1

=6V，UD2=12V若忽略管壓降，二極管D2可看作短路，UAB

=0V－6VID2二極管共陰極或共陽極聯(lián)結(jié)時如何判斷二極管的狀態(tài)？BD16V12V3kAD2UAB+–共陰極連接D1-6V-12V3kAD20V簡化電路將所有二極管都斷開，正向壓降最大的優(yōu)先導(dǎo)通。共陰極聯(lián)結(jié)時，陽極電位最高的二極管先導(dǎo)通；共陽極聯(lián)結(jié)時，陰極電位最低的二極管先導(dǎo)通；或：ui>8V，二極管導(dǎo)通，

ui<8V，二極管截止，已知：二極管是理想的，試畫出uo

波形。例3：參考點(diǎn)選擇參考點(diǎn)D8VRuoui++––1.考慮傳輸特性即uo-ui關(guān)系假設(shè)二極管D斷開，二極管陰極電位為8V，陽極電位為ui→假設(shè)二極管斷開，分析二極管導(dǎo)通或截止時ui應(yīng)該滿足的條件。→分別寫出二極管導(dǎo)通或截止時uo與ui的關(guān)系思考步驟：可看作短路

uo=8V可看作開路

uo=ui二極管的用途：

整流、檢波、限幅、鉗位、開關(guān)、元件保護(hù)、溫度補(bǔ)償?shù)取?Vui18V動畫2.根據(jù)傳輸特性，由輸入ui波形畫出輸出uo波形傳輸特性：ui>8V，uo=8V

ui<8V，uo=uiuo限幅或削波14.3.1UO=（）（1）-12V（2）-9V

（3）-3VD12V9V3kUo+–+––++12VRD1D30V4VYD26V14.3.3二極管D1，D2，D3的工作狀態(tài)是（）（1）D1，D2截止，D3導(dǎo)通

（2）D1導(dǎo)通

，D2，D3截止（3）D1，D2，D3均導(dǎo)通

14.4穩(wěn)壓二極管1、符號_+2、伏安特性UIO+–正向_+反向穩(wěn)壓管正常工作時加反向電壓UZIZIZMUZIZ穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū)。穩(wěn)壓原理：IZ大→UZ小使用時要加限流電阻。是一種特殊的面接觸型的半導(dǎo)體硅二極管。3.主要參數(shù)rZ愈小，曲線愈陡，穩(wěn)壓性能愈好。UZIZIZMUZIZUIO穩(wěn)定電壓UZ電壓溫度系數(shù)ｕ動態(tài)電阻穩(wěn)定電流IZ最大穩(wěn)定電流IZM最大允許耗散功率

PZM=UZIZM4.工作電路使用時要加限流電阻UO=UZ+–UIRLILUO+–IRRDZIzUZ+–例4如圖所示電路，已知Ui=20V，R=1k，RL=2k，穩(wěn)壓管的UZ=10V，IZM=8mA。求電流IR、IZ和IL。UiRRLV+Uo+IRIZIL解:IZ≤IZM,穩(wěn)壓管正常工作14.4.2

電源UI=10V,穩(wěn)壓二極管DZ1和DZ2的穩(wěn)定電壓分別為5V和7V,正向壓降忽略不計，則Uo為（）。+–UIUO+–RDZ1DZ2+–UIUO+–RDZ1DZ2+–UIUO+–RDZ1DZ2例5：電源

UI=20V,UZ1=5V,UZ2=7V,正向壓降都為0.6V，求下列各圖中輸出電壓。UO=UZ1+UZ2=12VUO=0.6+UZ2=7.6V光電二極管反向電流隨光照強(qiáng)度的增加而上升。IU照度增加符號發(fā)光二極管有正向電流流過時，發(fā)出一定波長范圍的光，目前的發(fā)光管可以發(fā)出從紅外到可見波段的光，它的電特性與一般二極管類似，正向電壓較一般二極管高，電流為幾~幾十mA光電二極管發(fā)光二極管14.5半導(dǎo)體三極管14.5.1基本結(jié)構(gòu)NNP基極發(fā)射極集電極NPN型BECBECPNP型PPN基極發(fā)射極集電極符號：BECIBIEICBECIBIEICNPN型三極管PNP型三極管基區(qū)：最薄，摻雜濃度最低發(fā)射區(qū)：摻雜濃度最高發(fā)射結(jié)集電結(jié)BECNNP基極發(fā)射極集電極結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：集電區(qū)：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(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏VC<VB<VE+-+-BECNPNVC>VB>VEBECPNP+-+-UCE>UBE>0UCE<UBE<02.各電極電流關(guān)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(jié)論:1）三電極電流關(guān)系

IE=IB+IC2）IC

IB

，

IC

IE

3）IC

IB

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(nèi)部載流子的運(yùn)動規(guī)律IC=ICE+ICBOICEICIBBECNNPEBRBECIEIBEICEICBOIB=IBE-ICBOIBE集－射極穿透電流,溫度ICEO(常用公式)若IB=0,則

ICICE04、晶體管的連接方式共基極共發(fā)射極共集電極共什么極指哪個極為輸入回路和輸出回路的公共端。ECB共基極ECB共發(fā)射極ECB共集電極三、晶體管的特性曲線——用來表示晶體管各極電壓與電流的之間相互關(guān)系曲線。反映了晶體管的性能，是分析放大電路的依據(jù)。重點(diǎn)討論共射極放大電路。輸入回路輸出回路IBUCEBECEBRBuAVmAmAVECICIE+–UBE+–RC1.輸入特性特點(diǎn):PN結(jié)正向特性死區(qū)電壓Uon：硅管0.5V，鍺管0.1V。晶體管導(dǎo)通時發(fā)射結(jié)電壓：NPN型硅管

UBE0.6~0.7VPNP型鍺管

UBE0.2~0.3VIB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1VO2.輸出特性IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O放大區(qū)輸出特性曲線的三個工作區(qū)：截止區(qū)飽和區(qū)放大區(qū)：Je正偏，Jc反偏。uBE>Uon，硅管：0.6—0.8V，鍺管：0.2—0.3V。uCE>uBE,一般1V以上iC受iB的控制，iC=βiB.

截止區(qū)：Je反偏，Jc反偏。uBE≤Uon,IB=0,IC=ICEO,三極管幾乎不導(dǎo)通

飽和區(qū)：Je正偏，Jc正偏uBE>Uon，硅管：0.6—0.8V,鍺管：0.1—0.3V。uCE<uBE,iC<βiB。

深度飽和UCES=0.3V(硅管),UCES=0.1V(鍺管)。晶體管的三種工作狀態(tài)如下圖所示+

UBE>0

ICIB+UCE(a)放大

UBC<0+IC0IB=0+UCEUCC(b)截止

UBC<0++UBE

0

管型

工作狀態(tài)

飽和

放大

截止UBE/VUCE/V

UBE/V

UBE/V開始截止可靠截止硅管(NPN)鍺管(PNP)

0.7

0.3

0.30.1

0.6~0.70.2~0.30.5

0.1

0

≥0.1(c)飽和UBE>

0

IB+UCE0

UBC≥0測量三極管三個電極對地電位，試判斷三極管的工作狀態(tài)。

放大截止飽和例5：

管型

工作狀態(tài)

飽和

放大

截止UBE/VUCE/V

UBE/V

UBE/V開始截止可靠截止硅管(NPN)鍺管(PNP)

0.7

0.3

0.30.1

0.6~0.70.2~0.30.5

0.1

0

≥014.5.4主要參數(shù)1.電流放大系數(shù)直流電流放大系數(shù)交流電流放大系數(shù)當(dāng)晶體管接成發(fā)射極電路時，表示晶體管特性的數(shù)據(jù)稱為晶體管的參數(shù)，晶體管的參數(shù)也是設(shè)計電路、選用晶體管的依據(jù)。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(shù)值接近。常用晶體管的

值在20~200之間。2.集-基極反向截止電流ICBO

ICBO是由少數(shù)載流子的漂移運(yùn)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(yīng)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U(BR)CEO集電極電流IC上升會導(dǎo)致三極管的值的下降，當(dāng)值下降到正常值的三分之二時的集電極電流即為ICM。當(dāng)集—射極之間的電壓UCE超過一定的數(shù)值時，三極管就會被擊穿。手冊上給出的數(shù)值是25C、基極開路時的擊穿電壓U(BR)

CEO。6.集電極最大允許耗散功耗PCMPCM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=ICUCE

PCM

硅管允許結(jié)溫約為140C，鍺管約為7090C。ICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作區(qū)由三個極限參數(shù)可畫出三極管