半导体二极管和三极管讲解
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第十五章 半导体二极管和三极管
§15.1 半导体的导电特性
半导体：导电能力介乎导体和绝缘体之间，如 锗、硅、硒以及大多数金属氧化物和硫化物都 是半导体。
半导体的导电机理不同于其它物质，所 以它具有不同于其它物质的特点。比如：
当受外界热和光的作用时，它的导 电能力明显变化。
往纯净的半导体中掺入某些杂质， 会使它的导电能力明显改变。
ICBO - A +
+
EC -
ICBO是集 电结反偏 由少子的 漂移形成 的反向电 流，受温 度的变化 影响。
3.集-射极反向截止电流ICEO
- A +
T ICEO
+ EC
-
4.集电极最大电流ICM 5.集电极-发射极反向击穿电压U(BR)CEO 6.集电极最大允许功耗PCM
C 集电极
N
B
P
基极
N
E 发射极
集电结
P
发射结
B 基极
N P
E 发射极
集电结 发射结
C NPN型
N
B
P
N
E
C IC B
IB E
IE
C PNP型
P
B
N
P
E
C IC B
IB E
IE
15.5.2 电流分配和放大原理
IC
பைடு நூலகம்
mA
IB A
RB EB
+-
BC E
mA IE
EC + 6v
-
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
PN结正向偏置
变窄
内电场被削弱， 多子的扩散加强
－+
能够形成较大的
+ P
－+ －+
扩散电流。_ N
－+
I
外电场方向
内电场方向
R
PN结反向偏置
_ P
I 0
变宽
－+ －+ －+ －+
内电场被被加强， 多子的扩散受抑 制。少子漂移加 强，但少子数量
N有较限小，的只反能向形电成流+。
内电场方向 外电场方向
P型半导 体
－－－－ － － －－－－ － －
－－－－ － －
－－－－ － －
N型半导 体 + +++++ + +++++ + +++++
+ +++++
空穴
自由电子
P型半导体
空间电荷区
N型半导体
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
晶体管中的电流 C
IC
C
B
RB
+
E
EB-
N+
ICBO
IB B
ICE
N
+
P
Ec
N
RB
P
IBE
N -Ec
EB+-
E IE
载流子运动
电流分配
15.5.3 特性曲线
IB A
RB
V UBE
IC mA
EC V UCE
EB 测量晶体管特性的实验数据
（1）输入特性 IB(A)
80 60 40 20
0.4
UCE1V 0.8 UBE(V)
P
N
－1 + －2 + 1 － +2
内电场E方向 空间电荷区的性质：
内电场方向
1.多数载流子因扩散复合而消耗了，所以又称为耗尽层。 2.空间电荷区中的正负离子不能移动，但在交界面处形成了一个电 场，这个电场将阻挡多数载流子的进一步复合，所以又称为阻挡层。
3.扩散与漂移达到动态平衡。
15.2.2 PN结的单向导电性
自由电子
+4
+4
束缚电子
在获得一定能量（温度升高或光照）后，最外 层电子可挣脱原子核的束缚而成为自由电子。 失去一个电子就留下一个子空穴，从而使原子 呈现为正离子，并吸引邻近的电子。
本征半导体的导电机理
在无外电压的情况下，自由电子与空穴 是成对出现的且无规则移动的。
在外电场的作用下，自由电子作定向移 动，空穴则反向移动，形成电流。
（2）输出特性 IC(mA )
4
饱和区
3 2.3
放 Q2
2 1.5
大 Q1
1
区
3 69
截止区
100A
80A 60A 40A 20A IB=0 12 UCE(V)
（3）主要参数 ___ 1.电流放大倍数
___
直流电流放大倍数：
=
IC
IB
交流电流放大倍数：
=
IC IB
2.集-基极反向截止电流ICBO
R
半导体二极管符号 P
N
伏安特性
I mA
80
60 40 死区 20 电压 -50 -25
0.4 0.8 U（V）
反向击穿电 压U(BR)
-20
-40
-60
I A
二极管的主要参数
1. 最大整流电流IOM 2. 反向工作峰值电压URWM 3. 反向峰值电流IRM
例：二极管的应用：
C +-
D
+
+
+
u ui tp 0 uR
15.1.1 本征半导体
现代电子学中，用的最多的半导体是硅和 锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。
Ge
Si
本征半导体：完全纯净的、具有晶体结构 的半导体。
晶体中原子排列的方式
硅单晶中的共价键结构
+4表示除 去价电子 后的原子
+4
+4
+4
+4
共价键共 用电子对
本征半导体的导电机理
空穴
+4
+4
自由电子和空穴都称为载流子，温度越 高，载流子越多，半导体的导电性也越好， 因此温度对半导体的性能影响很大。
15.1.2 N型半导体和P型半导体
N型半导体 ：在硅或锗晶体中掺入微量杂质 （磷元素）后形成半导体。
磷原子
Si
Si
P+
Si
自由电子
P型半导体 ：在硅或锗晶体中掺入微量杂质 （硼元素）后形成半导体。
t
ui R uR RL uo
-
-
-
0
t
uo
0
t
符号：
伏安特 性曲线
UZ
§15.4 稳压管
主要参数：
+
I(mA)
1. 稳定电压UZ
2. 电压温度系数U
3. 动态电阻rZ 4. 稳定电流IZ 5. 最大允许耗散功率PZM
U(v)
IZ IZ
UZ
IZM
§15.5 半导体三极管
15.5.1 基本结构
C 集电极
空穴 硼原子
Si
Si
B-
Si
总结
N型半导体：自由电子 1、多数载流子
P型半导体：空穴
N型半导体：空穴 2、少数载流子
P型半导体：自由电子 3、由于载流子的运动方向是无规则的，因此宏观上 半导体是不带电的。但掺杂后的半导体的自由电子或 空穴剧增，所以导电性也大大提高。
§15.2 PN结 15.2.1 PN结的形成
§15.1 半导体的导电特性
半导体：导电能力介乎导体和绝缘体之间，如 锗、硅、硒以及大多数金属氧化物和硫化物都 是半导体。
半导体的导电机理不同于其它物质，所 以它具有不同于其它物质的特点。比如：
当受外界热和光的作用时，它的导 电能力明显变化。
往纯净的半导体中掺入某些杂质， 会使它的导电能力明显改变。
ICBO - A +
+
EC -
ICBO是集 电结反偏 由少子的 漂移形成 的反向电 流，受温 度的变化 影响。
3.集-射极反向截止电流ICEO
- A +
T ICEO
+ EC
-
4.集电极最大电流ICM 5.集电极-发射极反向击穿电压U(BR)CEO 6.集电极最大允许功耗PCM
C 集电极
N
B
P
基极
N
E 发射极
集电结
P
发射结
B 基极
N P
E 发射极
集电结 发射结
C NPN型
N
B
P
N
E
C IC B
IB E
IE
C PNP型
P
B
N
P
E
C IC B
IB E
IE
15.5.2 电流分配和放大原理
IC
பைடு நூலகம்
mA
IB A
RB EB
+-
BC E
mA IE
EC + 6v
-
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
PN结正向偏置
变窄
内电场被削弱， 多子的扩散加强
－+
能够形成较大的
+ P
－+ －+
扩散电流。_ N
－+
I
外电场方向
内电场方向
R
PN结反向偏置
_ P
I 0
变宽
－+ －+ －+ －+
内电场被被加强， 多子的扩散受抑 制。少子漂移加 强，但少子数量
N有较限小，的只反能向形电成流+。
内电场方向 外电场方向
P型半导 体
－－－－ － － －－－－ － －
－－－－ － －
－－－－ － －
N型半导 体 + +++++ + +++++ + +++++
+ +++++
空穴
自由电子
P型半导体
空间电荷区
N型半导体
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
晶体管中的电流 C
IC
C
B
RB
+
E
EB-
N+
ICBO
IB B
ICE
N
+
P
Ec
N
RB
P
IBE
N -Ec
EB+-
E IE
载流子运动
电流分配
15.5.3 特性曲线
IB A
RB
V UBE
IC mA
EC V UCE
EB 测量晶体管特性的实验数据
（1）输入特性 IB(A)
80 60 40 20
0.4
UCE1V 0.8 UBE(V)
P
N
－1 + －2 + 1 － +2
内电场E方向 空间电荷区的性质：
内电场方向
1.多数载流子因扩散复合而消耗了，所以又称为耗尽层。 2.空间电荷区中的正负离子不能移动，但在交界面处形成了一个电 场，这个电场将阻挡多数载流子的进一步复合，所以又称为阻挡层。
3.扩散与漂移达到动态平衡。
15.2.2 PN结的单向导电性
自由电子
+4
+4
束缚电子
在获得一定能量（温度升高或光照）后，最外 层电子可挣脱原子核的束缚而成为自由电子。 失去一个电子就留下一个子空穴，从而使原子 呈现为正离子，并吸引邻近的电子。
本征半导体的导电机理
在无外电压的情况下，自由电子与空穴 是成对出现的且无规则移动的。
在外电场的作用下，自由电子作定向移 动，空穴则反向移动，形成电流。
（2）输出特性 IC(mA )
4
饱和区
3 2.3
放 Q2
2 1.5
大 Q1
1
区
3 69
截止区
100A
80A 60A 40A 20A IB=0 12 UCE(V)
（3）主要参数 ___ 1.电流放大倍数
___
直流电流放大倍数：
=
IC
IB
交流电流放大倍数：
=
IC IB
2.集-基极反向截止电流ICBO
R
半导体二极管符号 P
N
伏安特性
I mA
80
60 40 死区 20 电压 -50 -25
0.4 0.8 U（V）
反向击穿电 压U(BR)
-20
-40
-60
I A
二极管的主要参数
1. 最大整流电流IOM 2. 反向工作峰值电压URWM 3. 反向峰值电流IRM
例：二极管的应用：
C +-
D
+
+
+
u ui tp 0 uR
15.1.1 本征半导体
现代电子学中，用的最多的半导体是硅和 锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。
Ge
Si
本征半导体：完全纯净的、具有晶体结构 的半导体。
晶体中原子排列的方式
硅单晶中的共价键结构
+4表示除 去价电子 后的原子
+4
+4
+4
+4
共价键共 用电子对
本征半导体的导电机理
空穴
+4
+4
自由电子和空穴都称为载流子，温度越 高，载流子越多，半导体的导电性也越好， 因此温度对半导体的性能影响很大。
15.1.2 N型半导体和P型半导体
N型半导体 ：在硅或锗晶体中掺入微量杂质 （磷元素）后形成半导体。
磷原子
Si
Si
P+
Si
自由电子
P型半导体 ：在硅或锗晶体中掺入微量杂质 （硼元素）后形成半导体。
t
ui R uR RL uo
-
-
-
0
t
uo
0
t
符号：
伏安特 性曲线
UZ
§15.4 稳压管
主要参数：
+
I(mA)
1. 稳定电压UZ
2. 电压温度系数U
3. 动态电阻rZ 4. 稳定电流IZ 5. 最大允许耗散功率PZM
U(v)
IZ IZ
UZ
IZM
§15.5 半导体三极管
15.5.1 基本结构
C 集电极
空穴 硼原子
Si
Si
B-
Si
总结
N型半导体：自由电子 1、多数载流子
P型半导体：空穴
N型半导体：空穴 2、少数载流子
P型半导体：自由电子 3、由于载流子的运动方向是无规则的，因此宏观上 半导体是不带电的。但掺杂后的半导体的自由电子或 空穴剧增，所以导电性也大大提高。
§15.2 PN结 15.2.1 PN结的形成