二极管和晶体管

1电工电子学II

陈彩蓉

crchen@21）试卷卷面：70分2）实验+作业+出勤：30分总学时：32（16周）理论学时：26学时实验3个，共6学时。考试形式：具体实验时间另行安排3主要教学环节习题独立完成作业，按时交作业。紧跟老师讲课思路，搞清基本概念，注意解题方法和技巧。课堂教学实验注意理论联系实际，掌握常用仪器、仪表的使用方法，验证与探索相结合。4课程主要内容16集成运算放大器17电子电路中的反馈18直流稳压电源15基本放大电路☆14半导体器件19电力电子技术（*）20门电路和组合逻辑电路21触发器和时序逻辑电路模拟电路数字电路5电子技术的发展史信号电子电路绪论

61.电子电路的发展史。

二极管、三极管的发明：爱迪生发明了热二极管、英国科学家弗莱明在爱迪生发明的热二极管的基础上发明了实用的真空二极管，1907年，美国人福斯特(L．D．Forst)发明了真空三极管,从而使电子电路技术进入了实际应用阶段。1936年，黑白电视机正式问世了绪论

计算机研制成功：1946年，世界又—个奇迹出现了，第一台电子计算机在美国研制成功。这台计算机是以美国数学家冯.诺依曼(JohnVonNeumann)为首设计的。7

固态电子学时代：1947年，贝尔实验室的布拉丁、巴丁和肖克利发明了一种点接触晶体管。这是一种全新的固态器件，它体积小、电性能稳定、功耗低。这项发明自从1948年公布于世起，很快就应用于通信、电视、计算机等领域，促进了电气和电子工程技术的飞速发展绪论

集成电路诞生：1958年，利用单晶硅材料，世界上第一片集成电路(IntegratedCircuit，IC)在美国诞生，1961年福查德公司生产出了第一片商用IC。

20世纪60年代末，在大约1/4英寸见方的小硅片上可以集成68000个晶体管和数千个其它元件。今后，单片集成度将以什么样的速度发展，摩尔定律做出的回答是：今后几十年内，单片可集成的晶体管数目将以每14个月翻一番的速度递增。8上一节下一节上一页绪论

信号数字信号：模拟信号：“模拟”物理量的变化(如声音、温度等的变化)而所得出信号。随时间连续变化。

周期信号和非周期信号离散的，不连续的信号。对于数字信号，我们只能考虑它的有无或出现次数，而对信号的大小并无严格的要求。

9返回一节下一节上一页绪论

几种常见的模拟信号

正弦波矩齿波上数字信号10绪论

3.电子电路电子电路数字电路：模拟电路：用于传递和处理模拟信号的电子电路称为模拟电路。

对数字信号进行传递、处理的电子电路称为数字电路。

11第14章半导体器件14.3二极管☆14.4稳压二极管14.5双极型晶体管（三极管）☆☆14.2PN结及单向导电性☆14.1半导体的导电特性12第14章二极管和晶体管本章重点讨论以下几个问题：1）半导体的导电特性；2）PN结的形成及其导电特性；3）半导体二极管的工作原理及其特性曲线、主要参数及应用；4）特殊二极管；5）晶体管的结构、工作原理、特性曲线和主要参数。学习的重点是半导体器件的工作原理、特性曲线、主要参数及其应用。1314.1半导体和本征半导体半导体的三个特性：(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，导电能力显著增强半导体：这中材料导电能力介于导体和绝缘体之间。1414.1.1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15

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

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）。☆16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。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。17第14章二极管和晶体管14.1.2N

型半导体和P

型半导体图14.1.5磷原子的结构图14.1.6硅晶体中掺磷出现自由电子本征半导体中掺入5价的元素形成N

型半导体。N

型半导体中，自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。

Si

Si

Si

Sip+多余电子磷原子失去一个电子变为正离子18第14章二极管和晶体管图14.1.7硼原子的结构图14.1.8硅晶体中掺硼出现空穴本征半导体中掺入3价的元素形成P

型半导体。P

型半导体中，空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。

Si

Si

Si

SiB–硼原子接受一个电子变为负离子空穴19思考1.当温度升高时，少数载流子的数量（a.减少、b.不变、c.增多）。c2.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）ba3。N型半导体中自由电子多于空穴，而P型半导体的空穴多于自由电子，是否N型半导体带负电，而P型半导体带正电？无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。2014.2PN结多数载流子的扩散运动内电场少数载流子的漂移运动浓度差P型半导体N型半导体内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。扩散的结果使空间电荷区变宽。PN结：P型半导体和N型半导体的交界面处形成的一个特殊的薄层。

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21扩散运动空间电荷区削弱内电场漂移运动内电场动态平衡－－－－－－－－－－－－－－－－P内电场电荷区空间扩散运动漂移运动N2214.2.2PN结的单向导电性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，多数载流子的扩散加强，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－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–23外电场方向与内电场方向相反空间电荷区(耗尽层)变薄扩散＞漂移导通电流很大,呈低阻态。－－－－－－－－－－－－－－－－PN内电场外电场

加正向电压（正偏）P（+）N（－）少数载流子形成的电流，可忽略。2414.2.2PN结的单向导电性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，多数载流子的扩散加强，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－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–252.PN结加反向电压（反向偏置）外电场与内电场相同耗尽层加厚漂移＞扩散少数载流子形成反向电流IR，很小，呈高阻态。N－－－－－－－－－－－－－－－－P内电场外电场

加反向电压（反偏）P（－）N（+）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。26将PN结加上相应的电极引线和管壳，就成为二极管。按结构分，二极管有点接触型、面接触型和平面型三类。（1）点接触型(一般为锗管)二极管适用于高频和小功率工作；（2）面接触型(一般为硅管)二极管一般用作整流；（3）平面型二极管可用作大功率整流管和数字电路中的开关管。二极管的符号14.3半导体二极管27(a)(b)(c)(a)点接触型；(b)面接触型；(c)平面型。14.3半导体二极管2814.3.2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。291.最大整流电流IOM2.反向工作峰值电压URWMURWM

一般为反向击穿电压的一半或三分之二。3.反向峰值电流IRMIRM

是二极管加上反向工作峰值电压时的反向电流值。14.3.3主要参数允许流过二极管的最大正向平均电流。30二极管的单向导电性1.二极管加正向电压（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（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。310t0tEEt1t2时,二极管截止,（0～t1与t2以后）时,二极管导通,（t1～t2）练习3233电路如图，求：UAB例：

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+–V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=－6V34两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=－12V二极管上压降：UD1=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：UABBD16V12V3kAD2UAB+–35稳压二极管：工作在反向击穿状态的一种特殊的面接触型半导体硅二极管。它在电路中和适当的电阻配合能够起到稳压的作用。稳压二极管的表示符号+_14.4稳压二极管36注意：稳压二极管的反向击穿是可逆的。2.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。14.4稳压二极管UZIZIZMUZIZUIO37稳压二级管的主要参数1.稳定电压UZ2.电压温度系数稳定工作时管子两端的电压，同一型号的稳压二极管的UZ

有一定的分散性。比如2CW59的UZ为10～11.8V。温度每升高一度，UZ

升高的百分比。，则，则14.5双极型晶体管☆384.动态电阻rZrZ

越小，稳压性能越好。3.稳定电流IZ最大稳定电流IZM14.5双极型晶体管☆39例14.4.1计算下图中通过稳压二极管的电流IZ

等于多少？R

是限流电阻，其值是否合适？解：如果稳压二极管处于正常工作状态，则管子上的压降为12V，所以此时R

上的电压为因此，电流为因为。所以，限流电阻的阻值是合适的。14.5双极型晶体管☆4014.5双极型晶体管☆14.5.1基本结构NNP基极发射极集电极NPN型BECBECPNP型PPN基极发射极集电极符号：BECIBIEICBECIBIEICNPN型三极管PNP型三极管41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：面积最大结构：三区，两结，三层4214.5.2电流分配和放大原理晶体管电流放大的实验电路(共发射极接法)14.5双极型晶体管☆43发射结正偏、集电结反偏☆

发射结正偏UBE>0集电结反偏UBC<0

1.三极管放大的外部条件14.5双极型晶体管☆NPN型三极管442.各电极电流关系及电流放大作用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结论:1）三电极电流关系IE=IB+IC2）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:是CCCS器件。453.三极管内部载流子的运动规律BECNNPEBRBECIEIBEICEICBO

基区空穴向发射区的扩散可忽略。发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICE。集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。

进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE，多数扩散到集电结。46晶体管电流放大作用的原理图ICICEICBOIBIBEIEIC=ICE+ICBOICEIB=IBE-ICBOIBEICE与IBE之比称为共发射极电流放大倍数14.5双极型晶体管☆47图14.5.6电流方向和发射结与集电结的极性(起放大作用时)(a)NPN型晶体管；(b)PNP型晶体管三极管极性及类型判别14.5双极型晶体管☆4814.5.3特性曲线特性曲线用来表示晶体管各极电压与电流之间的关系。14.5双极型晶体管☆491.输入特性曲线输入特性曲线是UCE为常数时IB和UBE之间的关系。对于硅管而言，的输入特性曲线变化不大。硅管的死区电压约为

晶体管导通后，其发射结电压UBE变化范围很小NPN硅管:NPN型锗管UBE0.2~0.3V14.5双极型晶体管☆输入特性曲线是UCE为常数时IB和UBE之间的关系。对于硅管而言，的输入特性曲线变化不大。502．输出特性曲线定义(1)截止区外部特征：三极管相当于开路。外部（偏置）条件：发射结反向偏置，集电结反向偏置。外部特征：三极管相当于短路。外部（偏置）条件：发射结正向偏置，集电结正向偏置。:是IB为常数时,Ic和UCE之间的关系。(2)饱和区IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O饱和区截止区14.5双极型晶体管☆放大区51（3）放大区外部（偏置）条件：③

电流恒定①电流放大②电流控制电压在很大范围内变化，电流几乎不变iB大iC也大，iB等于0

iC也等于0－－iB控制iC发射结正向偏置，集电结反向偏置。IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O放大区14.5双极型晶体管☆52放大截止饱和图14.5.10晶体管三种工作状态的电压和电流14.5双极型晶体管☆53例14.5.1在下图的电路中当输入电压分别取3V，1V和-1V时，试问晶体管处于何种工作状态？解：饱和时集电极电流和此IC

对应的IB

刚刚能使晶体管处于饱和状态。将这一大小的IB

命名为，则14.5双极型晶体管☆54(1)当UI=3V时此时，晶体管处于