第4章半导体二极管和三极管

第4章半导体二极管和三极管4.3半导体二极管4.4稳压二极管4.5半导体三极管4.2PN结4.1半导体的基本知识第4章半导体二极管和三极管本章要求：一、理解PN结的单向导电性，三极管的电流分配和电流放大作用；二、了解二极管、稳压管和三极管的基本构造、工作原理和特性曲线，理解主要参数的意义；三、会分析含有二极管的电路。4.1.1半导体基础知识导体:自然界中很容易导电的物质.例如金属。绝缘体：电阻率很高的物质，几乎不导电;如橡皮、陶瓷、塑料和石英等。半导体：导电特性处于导体和绝缘体之间的物质例如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等4.1半导体的基本知识半导体的导电特性：掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质（其他元素），导电能力明显改变光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强4.1.2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。原子的组成：带正电的原子核若干个围绕原子核运动的带负电的电子

且整个原子呈电中性。半导体器件的材料：

硅（Silicon-Si）：四价元素，硅的原子序数是14，外层有4个电子。

锗（Germanium-Ge）：也是四价元素，锗的原子序数是32，外层也是4个电子。原子核价电子简化原子结构模型图硅和锗的简化原子模型GeSi1）最外层四个价电子。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价电子共价键:由相邻两个原子各拿出一个价电子组成价电子对所构成的联系。

Si

Si

Si

Si价电子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，而在该原子中又产生新的空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。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）。BA空穴自由电子晶体共价键结构平面示意图+4+4+4+4+4+4+4+4+4C共价键

半导体材料在外电场的作用下，自由电子和空穴按相反方向运动。

(1)自由电子作定向运动电子流

(2)价电子递补空穴空穴流空穴的运动实质上是价电子填补空穴而形成的。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。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，另一方面，自由电子在运动过程中能量减少，又成为填补空穴恢复共价键，这个过程称为载流子的复合。在一定外界条件下，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。4.1.3N型半导体和P型半导体

掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。掺入五价元素

Si

Si

Si

Sip+多余电子磷原子在常温下即可变为自由电子失去一个电子变为正离子

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N

型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。

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。掺入三价元素

Si

Si

Si

Si

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。B–硼原子接受一个电子变为负离子空穴P型半导体归纳4、杂质半导体中起导电作用的主要是多子。2、N型半导体中电子是多子，空穴是少子；P型半导体中空穴是多子，电子是少子。1、杂质半导体中两种载流子浓度不同，分为多数载流子和少数载流子（简称多子、少子）。3、杂质半导体中多数载流子的数量取决于掺杂浓度，少数载流子的数量取决于温度。杂质半导体的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体(1)漂移运动（DriftMovement）

有电场力作用时，少数载流子（电子或空穴）便产生定向运动，称为漂移运动。

载流子的漂移运动产生的电流称为漂移电流。4.1.4载流子的漂移运动和扩散运动（2）扩散运动（DiffusionMovement）当半导体受光照射或有载流子从外界注入时，半导体内载流子浓度分布不均匀。这时载流子便会从浓度高的区域向浓度低的区域运动。

由于浓度差而引起的定向运动称为扩散运动，载流子扩散运动所形成的电流称为扩散电流。在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。4.2PN结4.2.1PN结的形成

由于两种半导体中的载流子浓度的差异，将产生相对扩散运动。若P区的空穴浓度大于N区，P区的空穴要穿过交界面向N区扩散；同样，N区的自由电子向P区扩散。

扩散的结果：交界面附近的P区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子；在N区一侧因失去电子而留下不能移动的正离子。这些带电离子在交界面两侧形成了一个空间电荷区，产生一个由N区指向P区的电场，称为内电场。

随着扩散的进行，空间电荷区加宽，内电场增强，由于内电场的作用是阻碍多子扩散，促使少子漂移，所以，当扩散运动与漂移运动达到动态平衡时，将形成稳定的空间电荷区，称为PN结。由于空间电荷区内缺少载流子，所以又称PN结为耗尽层或高阻区。4.2.2PN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IFPN结加正向电压时，电源向P区补充正电荷，向N区补充负电荷，形成较大的正向电流IF，PN结处于导通状态。内电场PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–P区的多子空穴向右移动，与空间电荷区里的负离子中和；同时N区的多子电子与正离子中和。这样使空间电荷数目减少，内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。①PN结外加正向电压PN结外加正向电压时（P正、N负），空间电荷区变窄。不大的正向电压，产生相当大的正向电流。外加电压的微小变化，扩散电流变化较大。PN结变宽2.PN结加反向电压（反向偏置）外电场内电场被加强，把P、N区的多子从PN结附近拉走，PN结加宽，多数载流子的扩散难于进行。少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。IRP接负、N接正温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。–+

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。内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－②PN结外加反向电压

PN结加反向电压时（P负、N正），空间电荷区变宽，内电场增强，多子的扩散电流近似为零。流过PN结的电流主要是少子的漂移决定的，称为PN结的反向电流。

PN结的反向电流很小，而且与反向电压的大小基本无关。PN结表现为很大的电阻，称之截止。温度升高时，少子值迅速增大，所以PN结的反向电流受温度影响很大。结论PN结的单向导电性：

PN结加正向电压产生大的正向电流，PN结导电。

PN结加反向电压产生很小的反向饱和电流，近似为零，PN结不导电。4.3半导体二极管在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有：点接触型、面接触型和平面型。金属触丝阳极引线N型锗片阴极引线外壳(

a)

点接触型PN结面积小，不能通过较大的电流（在几十毫安以下），结电容小（PN结的正负离子层），用于高频和小功率电路。通常为锗管。平面型面接触型通过较大的电流，结电容大，用于工作频率低，功率大的场合。通常为硅管。阳极阴极半导体二极管半导体二极管半导体二极管硅管0.5V,锗管0.2V。反向击穿电压U(BR)导通电压

外加电压不足以克服内电场的阻挡。外加电压大于死区电压二极管才能导通。正常工作电流范围内，电压基本稳定。

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0.3~0.5VUI死区电压PN+–PN–+

反向电流在一定电压范围内保持常数。4.3.1伏安特性（管两端的电压和通过管子的电流的关系曲线）4.3.2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容许的反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压UBR的一半或2/3。二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。点接触型二极管的反向工作峰值电压一般为数十伏，面接触型二极管的反向工作峰值电压可达数百伏。3.反向峰值电流IRM指二极管加反向工作峰值电压时的反向电流。反向电流小，说明管子的单向导电性好，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。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，反向电流急剧增加，从而失去单向导电性。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。

二极管电路分析举例定性分析：判断二极管的工作状态导通截止否则，正向管压降硅0.6~0.7V锗0.2~0.3V

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

若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零，反向截止时二极管相当于断开。4.3.3二极管的型号命名（国产）半导体器件的型号由五部分组成判断二极管的好坏正向电阻越小，反向电阻越大越好。若正向电阻无穷大，说明二极管内部断路；若反向电阻接近零，说明二极管已击穿。判断二极管的好坏将二极管负端接电池正极，二极管正端串接喇叭（或耳机）再接电池池负极，断续接通时，若喇叭发出较大的“咯咯”声，表明二极管已击穿；反之将二极管正向连续接通时，喇叭无一点响声，表明二极管内部断路。UZIZIZMUZIZ2.伏安特性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。UIO1.符号配合适当数值的电阻，把反向电流限制在一定数值范围内，使其工作在击穿状态，而PN结的温度不致损坏管子。4.4稳压二极管+-稳压值稳压误差(1)稳定电压UZ

稳压管正常工作(反向击穿状态下)时管子两端的电压。同一型号的稳压管，其稳定电压分布在一定的数值范围内。3.主要参数(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。例如2CW18型硅稳压管的电压温度系数是+0.095%,表示温度每升高1度，稳定电压要增加0.095%。(3)动态电阻rZ愈小，工作电流越大，反向伏安特性曲线愈陡，稳压性能愈好。rZ是稳压管在稳定工作范围内管子两端电压的变化量与相应电流变化量之比(4)稳定电流IZ、最大稳定电流IZM稳压管两端电压等于稳定电压Uz时通过稳压管中的电流值。它是稳压管正常工作时的最小电流值，为使稳压管工作在稳压区，稳压管中的工作电流应大于稳定电流Iz最大稳定电流IZM是稳压管允许通过的最大反向电流。4.稳压管与二极管的主要区别稳压管比二极管的反向特性更陡。稳压管运用在反向击穿区二极管运用在正向区电阻R的作用：①限流作用，以保护稳压管；②当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。UOVDZRRL+－稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。IZIL输入电压Ui的增量绝大部分降落在R上，使输出电压Uo基本不变。限幅元件二极管正向导通后，它的正向压降基本保持不变（硅管为0.7V，锗管为0.3V）。利用这一特性，在电路中作为限幅元件，可以把信号幅度限制在一定范围内。整流二极管利用二极管单向导电性，可以把方向交替变化的交流电变换成单一方向的脉动直流电。光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。IV照度增加光电二极管在设计和制作时尽量使PN结的面积相对较大，以便接收入射光。光电二极管是在反向电压作用下工作的，没有光照时，反向电流极其微弱，叫暗电流；有光照时，反向电流迅速增大到几十微安，称为光电流。光的强度越大，反向电流也越大。光的变化引起光电二极管电流变化，这就可以把光信号转换成电信号，成为光电传感器件。

发光二极管有正向电流流过时，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。4.5.1基本结构4.5半导体三极管（晶体三极管）一块半导体基片上制成两个PN结，再引出三个电极，然后用管封装而成。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型三极管中间部分称为基区，相连接电极称为基极（Base）一侧称为发射区，相连接电极称为发射极（Emitter）另一侧称为集电区，相连接电极称为集电极（Collector）E-B间的PN结称为发射结C-B间的PN结称为集电结基区：中间薄层半导体（几微米至几十微米）。掺入杂质最少，因而多数载流子浓度最低。基区两边为同型半导体，但两者掺入杂质的浓度不同，故多数载流子的浓度不同。发射区：多数载流子浓度大，发射多数载流子集电区：多数载流子浓度小，收集载流子集电结面积大于发射结，其目的在于保证集电区能有效地收集载流子。晶体管的结构和类型PNP型的发射极箭头向内，多为锗管；NPN型的发射极箭头向外，多为硅管。BECNNPEBRBEcRC放大的条件：发射结正偏，集电结反偏EB保证发射结正偏，EC>EB保证集电结反偏。4.5.2三极管的工作原理（1）发射区向基区扩散电子：

当发射结处于正向偏置，发射区的多数载流子（自由电子）不断扩散到基区；同时电源负极不断把电子送入发射区以补偿扩散电子，形成发射极电流IE，其方向与电子运动方向相反。

同时基区的多数载流子（空穴）也扩散到发射区而形成电流，但由于基区的空穴浓度比发射区的自由电子浓度低得多，故这部分空穴电流很小，可忽略不计。进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IB

，多数扩散到集电结。BECNNPEBRBEc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。IEIBRCIB（2）集电区收集从发射区扩散过来的电子：

由于集电结加了较大的反向电压，其内电场增强。内电场对多数载流子的扩散起阻挡作用，但对基区内的少数载流子（电子）则是一个加速电场。所以，从发射区进入基区并扩散到集电结边缘的大量电子，作为基区的少数载流子，几乎全部进入集电区，然后被电源Ec拉走，形成集电极电流IC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IC。BECNNPEBRBEcIEICIBICRCIB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<0.0010.721.542.363.184.051）三电极电流关系IE=IB+IC2）IC

IB

，

IC

IE

3）IC

IB

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。电流放大系数：集电极电流的变化量ΔIC与基极电流的变化量ΔIB的比值。4.5.3特性曲线

即管子各电极电压与电流的关系曲线，是管子内部载流子运动的外部表现，反映了晶体管的性能，是分析放大电路的依据。为什么要研究特性曲线：

1）直观地分析管子的工作状态

2）合理地选择偏置电路的参数，设计性能良好的电路发射极是输入回路、输出回路的公共端

共发射极电路输入回路输出回路

测量晶体管特性的实验线路ICEBmAAVUCEUBERBIBECV++––––++1.输入特性

输入特性曲线是指当集电极与发射极之间的电压UCE为常数时，输入电路中基极电流IB与基极——发射极电压UBE之间的关系曲线，用函数关系表示为：

死区电压硅管0.5V锗管0.2V输入特性IB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1VUBEIB工作压降：硅管UBE0.6~0.7V,锗管UBE0.2~0.3V2.输出特性

输出特性曲线是指当基极电流IB为常数时，晶体管输出电路（集电极电路）中集电极电流IC与集电极——发射极电压UCE之间的关系曲线，用函数关系表示为：在不同的基极电流IB下，可得出不同的曲线，故晶体管的输出特性曲线是一组曲线。输出特性曲线当基极电流IB一定时，从发射区扩散到基区的电子数大致是一定的。当集电极——发射极电压UCE大于1V后，集电结的电场足以使扩散到基区的电子绝大部分都被拉入集电区而形成集电极电流IC，以致于当UCE再继续增大时，IC也不再有明显的增加。这反映出晶体管的恒流特性。(1)放大区（线性区）在放大区有IC=IB

在放大区，发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置，晶体管工作于放大状态。当基极电流IB增大时，相应的集电极电流IC也增大，而且IC比IB增加的多得多，即晶体管的电流放大作用。根据工作状态，输出特性通常分三个工作区IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A放大区IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A（2）截止区截止区IB<0以下区域为截止区，有

IB

0,IC0

。

在截止区发射结、集电结均处于反向偏置，晶体管工作于截止状态。基极——发射极电压UBE小于死区电压三极管呈现高阻抗，类似于开关断开。

（3）饱和区IC上升部分与纵轴之间的区域。饱和区特性曲线的特点是固定IB不变时，IC随UCE的增加而迅速增大。当UCEUBE时，晶体管工作于饱和状态。IBIC，发射结、集电结均处于正偏。IB的变化对IC的影响较小IC称为集电极饱和电流ICS，集-射极电压UCE称为饱和电压UCES特性归纳输入特性同二极管的正向特性UBEIB输出特性一组曲线（一个IB对应一条曲线）UBE>0，UCE>UBE发射结正偏，集电结反偏IC=IB电流放大作用UBE<0，IB0

发射结反偏UBE>0，UCE<UBEIC=IB发射结、集电结均正偏无电流放大作用放大区截止区饱和区4.5.4主要参数1.电流放大系数，直流电流放大系数交流电流放大系数

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。常用晶体管的

值在20~200之间。值太小，放大能力差；值太大，热稳定性较差。

两者在特性曲线近于平行等距并且ICEO

较小的情况下，两者数值接近。在以后的计算中，一般作近似处理：=。IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)9120Q1Q2在Q1点，有由Q1和Q2点，得例：在UCE=6V时，在Q1

点IB=40A,IC=1.5mA；在Q2

点IB=60A,IC=2.3mA。2.集—基极反向截止电流ICBO

ICBO是由少数载流子的漂