1 半导体二极管、三极管

14.1.2 N型半导体和 P 型半导体
Si Si
Si B–
Si
硼原子 接受一个 电子变为 负离子
掺入三价元素 空穴 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。 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。
动画
无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。
光电二极管（光敏二极管）：
是一种将光信号转换为电信号的半导体器件。 使用时，光电二极管是在反向电压下工作的。
在光的照射下，反向电流随光照强度的增加而上升， 这时的反向电流称为光电流。 用途：做传感器的光敏器件。 符号
光电流很小，一般只有几十微安， 应用时须进行放大。 光电二极管
14.5 半导体三极管
直流电流放大系数 ___ IC IB 注意：
交流电流放大系数
Δ IC ΔI B
和 的含义不同，但在特性曲线近于平行等
距并且ICE0 较小的情况下，两者数值接近。 常用晶体管的 值在几十~ 几百之间。
2. 集电极最大允许电流 ICM 集电极电流 IC上升会导致三极管的值的下降， 当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即 为 ICM。 3. 集-射极反向击穿电压U(BR)CEO 当集—射极之间的电压UCE 超过一定的数值时， 三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25C、 基极开路时的击穿电压U(BR) CEO。为了电路工作可 靠,应取集电极电源电压UCC=(1/2～2/3)U(BR)CEO 4. 集电极最大允许耗散功耗PCM PCM取决于三极管允许的温升，消耗功率过大， 温升过高会烧坏三极管。 PC PCM =IC UCE 硅管允许结温约为150C，锗管约为7090C。
14.4 稳压二极管
1. 符号 2. 伏安特性
I
_
+
UZ U
稳压管正常工作 时加反向电压
IZ 稳压管反向击穿 后，电流变化很大， IZ 但其两端电压变化 UZ IZM 很小，利用此特性， 使用时要加限流电阻 稳压管在电路中可 起稳压作用。
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
第14章 半导体器件
什么是半导体？
14.1.1 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。
价电子 Si Si
Si 共价健 晶体中原子的排列方式
Si
硅单晶中的共价健结构
共价键中的两个电子，称为价电子。
自由电子
本征半导体的导电机理 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）。
反向电流 在一定电压 范围内保持 常数。
P
–
+N
反向特性
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。
14.3.3 主要参数
1. 最大整流电流 IOM 二极管长期使用时，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 是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压， 一般是二极管反向击穿电压UBR的一半或三分之二。 二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。 3. 反向峰值电流IRM 指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反 向电流大，说明管子的单向导电性差，IRM受温度的 影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小， 锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。
整流、开关、限幅、钳位等
1.开关作用：
二极管在数字电路中应用时,常将其理想化为一个无触点开关器件。 二极管正向导通时，正向压降为0V，相当于开关闭合；二极管反向截止 时，视其反向电流为0，相当于开关断开。
2.限幅作用：
当输入信号幅度变化较大时，限制输出信号的幅度。
3.钳位作用:
将电路中某点电位值钳制在选定的数值上而不受负载变动影响。 如P12 [例14.3.2]
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。
14.1.2 N型半导体和 P 型半导体
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。 在常温下即可 变为自由电子 掺入五价元素 掺杂后自由电子数目 Si Si 多 余 大量增加，自由电子导电 电 成为这种半导体的主要导 p+ Si Si 子 电方式，称为电子半导体 动画 或N型半导体。 失去一个 电子变为 正离子 磷原子 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。
例2：有一晶体管处于放大状态。今测得它们管脚的电位（对 “地”）如下： 管脚 1 2 3 电位/V 3 2.4 8 试判断管子的三个管脚,并说明是硅管还是锗管?是PNP 型还是NPN型?
一.判断题：
1. 二极管的内部结构实质就是一个PN结。 2. 用万用表R×100欧姆挡，测量一只晶体二极管， 其正反向电阻，都呈现出很小的阻值，则这只二极管 的PN结被破坏。 3. NPN型和PNP型晶体管的区别是结构不同，且工作原 理也不同。 4. 晶体管具有两个PN结，二极管具有一个PN结，因此 可以把两个二极管反向连接起来当作一只晶体管使用。 5.某晶体管，其PCM=1W，ICM=300Ma，当集-射极间电 压UCE=4V，此晶体管可以在集电极电流为IC=270mA 的情况下工作。
例1：已知图中各晶体管均为硅管，测得各管脚的 电压值分别如图中所示值，试判别各晶体管 的工作状态。
例2 P21 例3 P24 [例14.5.1]
14.5.4 主要参数
表示晶体管特性的数据称为晶体管的参数，晶体 管的参数也是设计电路、选用晶体管的依据。 1. 电流放大系数， 当晶体管接成发射极电路时，
UBE(V)
2. 输出特性
I C f (UCE ) I
B 常数
输出特性曲线通常分三个工作区：
IC(mA )
4 100A
(1) 放大区
3
2
1
0
在放大区有 IC= IB ， 也称为线性区，具有恒 80A 流特性。 60A 放大区 在放大区，发射结处 40A 于正向偏置、集电结处 20A 于反向偏置，晶体管工 IB=0 3 6 9 12 U (V) 作于放大状态。 CE
对NPN型管:UBE＞0， UBC＜0。此时UCE＞UBE
（2）截止区 IB = 0 的曲线以下的区域为截止区。 在截止区发射结处于反向偏置，集电结处于反 向偏置，晶体管工作于截止状态。IC=0，UCE≈UCC
IC(mA )
饱 4 和 3 区
2 1 0 3
（3）饱和区 100A UCE＜UBE 80A 发射结处于正向偏置， 60A 集电结也处于正偏。 40A 在饱和区，IB IC， 20A 此时，UCE≈0V， IB=0 U CE IC 6 9 12 U (V) RC CE 截止区 可见，晶体管具有开关作用。
N EC
2. 各电极电流关系及电流放大作用 IB(mA) IE(mA) 结论: 0 0.02 0.04 1.50 1.54 0.06
IC(mA) <0.001 0.70
<0.001 0.72
2.30
2.36
0.08 3.10 3.18
0.10 3.95 4.05
1）三电极电流关系 I E = IB + IC 2） IC IB ， IC IE 3） IC IB 把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大变 化的特性称为晶体管的电流放大作用。 实质:用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的 变化。
ui 18V 8V
参考点
t
二极管阴极电位为 8 V 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
二极管的选用及测试 例：在某电路中，要求通过二极管的正向平均电流为80mA， 加在上面的最高反向电压为110V，试选用一合适的二极管。 解：查表（P410 附录B） 选2CZ52D 测试：（判断好坏及极性） P12 练习与思考
4.整流作用:
二极管电路分析举例
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
例1：
D + 3k
A
电路如图，求：UAB 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。
rZ

UZ IZ
rZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。
(4) 稳定电流 IZ 、最Baidu Nhomakorabea稳定电流 IZM (5) 最大允许耗散功率 例:P15 PZM = UZ IZM
发光二极管（LED）： 是一种把电能直接转换成光能的固体发光器件 有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目 前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的 电特性与一般二极管类似，正向电压较一般二极管 高。工作电压为1.5～3V，电流为几 ~ 几十mA 用途：做显示器件 例 发光二极管
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。 用途
由三个极限参数可画出三极管的安全工作区 IC
ICM
ICUCE=PCM
安全工作区 U(BR)CEO UCE
例4 P26 [例14.5.3] 课堂练习: P27[练习与思考] P31 14.5.1～14.5.7
例1：用直流电压表测量PNP型和NPN型晶体三极管电路， 晶体三极管各电极对地电位都是：UB=4.7V，UC=4.3V， UE=4V，则PNP型和NPN型晶体三极管的工作状态分别是 。
14.2 PN结及单向导电性
14.3 半导体二极管
二极管的构造 实物图片
P
符号： 阳极
D
N
阴极
14.3.2 伏安特性
特点：非线性 反向击穿 电压U(BR)
I
正向特性
P
+
–
N
硅0.6~0.8V, 导通压降 锗0.2~0.3V。 U 硅管0.5V, 死区电压 锗管0.1V。 外加电压大于死区 电压二极管才能导通。
Si
Si
Si
Si
这一现象称为本征激发。 空穴 温度愈高，晶体中产 价电子 生的自由电子便愈多。 在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子 来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当 于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。
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 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。
基极 B
发射结
E 发射极
emiter
发射区：掺 杂浓度最高
14. 5. 2 电流分配和放大原理
1. 三极管放大的外部条件 发射结正偏、集电结反偏 从电位的角度看： NPN 发射结正偏 VB>VE 集电结反偏 VC>VB
C N B RB E EB P RC
发射结正偏 集电结反偏
PNP VB<VE VC<VB
1. 输入特性 I B f (U BE ) U
特点:非线性 IB(A) 80 60 40
CE 常数
UCE1V
20
0.4 0.8 死区电压： 硅管0.5V， 锗管0.1V。
正常工作时发射结电压： NPN型硅管 UBE 0.6~0.7V PNP型锗管 UBE 0.2 ~ 0.3V
6V 12V
UAB
– B
V阳 =－6 V V阴 =－12 V V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 在这里，二极管起钳位作用。
例2：
+ ui –
R D + uo –
8V
已知： ui 18sin tV 二极管是理想的，试画 出 uo 波形。
实物图片
14.5.1 基本结构
集电极 C 符号：
C
NPN型
N P N
发射极 E
集电极
基极 B
NPN型三极管
IC B
发射极 P N P E C 基极 B PNP型三极管
C IC
PNP型
B E IE
IB
IB
E
IE
结构特点：
集电区： 面积最大 集电结
base collector
集电极 C N P N
基区：最薄， 掺杂浓度最低