《电工与电子技术》半导体二极管和晶体管

第一节

半导体的基本知识第二节

半导体二极管第三节

特殊二极管第四节

晶体管本章小结课后作业半导体二极管和晶体管半导体二极管和晶体管

1．了解本征半导体和杂质半导体的导电特性，掌握PN结的单向导电性。

2．掌握半导体二极管结构、符号、工作原理、特性曲线和主要参数，会分析二极管的简单应用电路。3．掌握晶体管结构、符号、工作原理、特性曲线和主要参数。自然界中的物质，按照导电能力的强弱可分为导体、半导体和绝缘体三大类。半导体导电能力介于导体和绝缘体之间。它具有热敏性、光敏性和掺杂性。

常用电子器件都是由半导体制成的，

例如：利用光敏性可制成光敏二极管、光敏三极管及光敏电阻；利用热敏性可制成各种热敏电阻；利用掺杂性可制成各种不同性能的半导体器件，例如二极管、晶体管、场效应管等。第一节

半导体的基本知识第一节

半导体的基本知识一、本征半导体本征半导体是一种完全纯净、具有完整晶体结构的半导体。常用的本征半导体是硅（Si）和锗（Ge）。它们都是4价元素，即在原子最外层轨道上各有4个价电子。其原子结构如图所示。第一节

半导体的基本知识下面以硅晶体为例来说明本征半导体的导电特性。本征半导体硅晶体各原子间整齐而有规则地排列着，使每个原子最外层的4个价电子不仅受所属原子核的吸引，而且还受相邻4个原子核的吸引，每一个价电子都为相邻原子核所共用，形成了共价键结构，结构示意图如图所示。每个原子核最外层等效有8个价电子，满足了稳定条件。第一节

半导体的基本知识本征半导体是一种完全纯净、结构完整的半导体晶体。在温度为零开尔文（0K,相当于-273.15℃）时,每一个原子的外围电子被共价键所束缚,不能自由移动。这样,本征半导体中虽有大量的价电子,但没有自由电子,此时半导体是不导电的。第一节

半导体的基本知识但本征半导体在获得一定能量（温度增高或受光照）后，共价键中的有些价电子就会挣脱原子核的束缚，成为自由电子。同时价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子后，在共价键中就留下一个空位，称为“空穴”。显然自由电子和空穴是成对出现的，所以称他们为电子空穴对。在本征半导体中，电子与空穴的数量总是相等的。我们把在热或光的作用下，本征半导体中产生电子空穴对的现象，称为本征激发，又称为热激发。温度愈高，晶体中产生的自由电子愈多，在共价键中就留下的空位也愈多。第一节

半导体的基本知识自由电子是本征半导体中一种可以参与导电的带电粒子，叫做载流子。中性的原子因失去一个电子而带正电，同时形成了一个空穴，故也可以认为空穴带正电。空穴的出现将吸引相邻原子的价电子离开它所在的共价键来填补这个空穴，因而这个相邻原子也因失去价电子而产生新的空穴。这个空穴又会被相邻的价电子填补而产生新的空穴，这种电子填补空穴的运动相当于带正电荷的空穴在运动。实际上，空穴是不动的，移动的只是价电子。于是空穴就可以被看做带正电荷的载流子。第一节

半导体的基本知识

自由电子与空穴的移动第一节

半导体的基本知识在有外电场作用时，带负电的自由电子将逆着电场的方向作定向运动，形成电子电流；带正电的空穴则顺着电场方向作定向运动（实际上是共价键中的价电子在运动），形成空穴电流。两部分电流方向相同，总电流为电子电流和空穴电流之和，如图所示。第一节

半导体的基本知识已知外界的温度和光照变化将影响半导体内部载流子的数量，因此温度越高或光照越强，半导体的导电能力就越强。在常温时，本征半导体虽然存在着自由电子和空穴两种载流子，但数目很少，因此导电能力很差。但如果在本征半导体中掺入微量的某种杂质后，其导电能力就可以增加几十万乃至几百万倍。第一节

半导体的基本知识二、N型半导体和P型半导体不含有杂质的半导体称为本征半导体（亦称纯净半导体）。在本征半导体中掺入微量的杂质元素，会使半导体的导电能力发生显著的变化。根据掺入杂质元素不同，可形成两种不同的杂质半导体，即N型半导体和P型半导体。1.N型半导体在纯净的半导体硅（或锗）中掺入微量五价元素（如磷）后,就可成为N型半导体。由于五价的磷原子同相邻四个硅（或锗）原子组成共价键时,有一个多余的价电子不能构成共价键,这个价电子只受杂质原子核的束缚，因此，在常温下，这个价电子很容易脱离原子核的束缚而成为自由电子。因此在这种半导体中,自由电子数远大于空穴数,导电以电子为主,故此类半导体亦称电子型半导体。N型半导体自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子。

第一节

半导体的基本知识2.P型半导体在硅（或锗）的晶体内掺入少量三价元素杂质,如硼（或铟）等，就可成为P型半导体。硼原子只有3个价电子,它与周围硅原子组成共价键时,因缺少一个电子,很容易吸引相邻硅原子上的价电子而产生一个空穴。这个空穴与本征激发产生的空穴都是载流子,具有导电性能。一个硼原子就增加一个空穴，由于掺入硼原子的绝对数量很多，因此空穴的数量很多，这种半导体以空穴导电为主，因而称为空穴导电型半导体。

P型半导体空穴为多数载流子，自由电子为少数载流子。第一节

半导体的基本知识N型半导体和P型半导体第一节

半导体的基本知识三、PN结及其单向导电性N型或P型半导体的导电能力虽然比本征半导体大大增强，但仅用其中一种材料还不能直接制成半导体器件。通常是在一块晶片上，采取一定的掺杂工艺措施，在两边分别形成P型半导体和N型半导体，在两者的交界处就形成一个特殊的薄层，这个薄层就称为PN结。PN结是构成各种半导体器件的基础。

1.PN结的形成在一块完整的晶片上，通过一定的掺杂工艺，一边形成P型半导体，另一边形成N型半导体。在P型和N型半导体交界面的两侧，由于载流子浓度的差别，N区的电子必然向P区扩散，而P区的空穴要向N区扩散。第一节

半导体的基本知识P区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子，N区一侧则因失去电子而留下不能移动的正离子，这些离子被固定排列在晶格上，不能自由运动，所以并不参与导电，这样，在交界面两侧形成一个带异性电荷的离子层，称为空间电荷区，并产生内电场，其方向是从N区指向P区，内电场的建立阻碍了多数载流子的扩散运动，随着内电场的加强，多子的扩散运动逐步减弱，直至停止，使交界面形成一个稳定的特殊的薄层，即PN结。第一节

半导体的基本知识PN结的内电场的电位差约为零点几伏，宽度一般为几微米到几十微米。因为在空间电荷区内多数载流子已扩散到对方并复合掉了，或者说消耗尽了，因此空间电荷区又称为耗尽层。2.PN结的单向导电性在PN结两端外加电压，称为给PN结以偏置电压。

（1）PN结正向偏置——导通给PN结加正向偏置电压，即P区接电源正极，N区接电源负极，此时称PN结为正向偏置（简称正偏），如图所示。由于外加电源产生的外电场的方向与PN结产生的内电场方向相反，削弱了内电场，使PN结变薄，有利于两区多数载流子向对方扩散，形成正向电流，此时PN结处于正向导通状态。第一节

半导体的基本知识PN结加正向电压第一节

半导体的基本知识（2）PN结反向偏置——截止给PN结加反向偏置电压，即N区接电源正极，P区接电源负极，称PN结反向偏置（简称反偏），如图所示。第一节

半导体的基本知识由于外加电场与内电场的方向一致，因而加强了内电场，使PN结加宽，阻碍了多子的扩散运动。在外电场的作用下，只有少数载流子形成的很微弱的电流，称为反向电流。若忽略反向电流，则可以认为PN结截止。应当指出，少数载流子是由于热激发产生的，因而PN结的反向电流受温度影响很大。综上所述,PN结具有单向导电性,即加正向电压时导通,加反向电压时截止。一、二极管的结构1.结构、符号和外形半导体二极管又称晶体二极管，简称二极管。在PN结两端接上相应的电极引线，外面用金属（或玻璃、塑料）管壳封装起来，就制成了二极管，基本结构、符号、常见外形如图。其中从P区引出的线为正极（或阳极），从N区引出的线为负极（或阴极）。第二节

半导体二极管第二节

半导体二极管

2．类型（1）按材料分类，有硅二极管、锗二极管和砷化镓二极管等。（2）按结构分类，根据PN结面积大小，有点接触型二极管、面接触型二极管。（3）按用途分类，有整流二极管、稳压二极管、开关二极管、发光二极管、光敏二极管、变容二极管、阻尼二极管等。（4）按封装形式分类，有塑封二极管及金属封二极管等。（5）

按功率分类，

有大功率二极管、

中功率二极管及小功率二极管。

第二节

半导体二极管二、二极管的伏安特性半导体二极管的核心是PN结，它的特性就是PN结的特性——单向导电性。为了形象地描述二极管的单向导电性，常利用伏安特性曲线来表示。二极管的伏安特性就是加在二极管两端的电压与流过二极管的电流之间的关系。二极管的伏安特性是非线性的，如图所示。第二节

半导体二极管第二节

半导体二极管二极管的伏安特性曲线1.正向特性当外加正向电压很低时，由于外电场还不能克服PN结内电场对多数载流子扩散运动的阻力，故正向电流很小，几乎为零。当正向电压超过一定值后，电流急剧上升，二极管处于正向导通。这个定值正向电压叫做死区电压

。一般硅管的死区电压约为0.5V，锗管的死区电压约为0.1V。对理想二极管，认为

。当正向电压超过死区电压后，正向电流就会急剧增大，二极管呈现很小电阻而处于导通状态，二极管正向导通后，其压降很小，一般硅管的正向压降约为0.6～0.7V，锗管的正向压降约为0.2～0.3V。对理想二极管，认为正向压降为0。第二节

半导体二极管2.反向特性二极管两端加上反向电压时，在开始很大范围内，二极管相当于非常大的电阻，反向电流很小，且不随反向电压的变化而变化。此时的电流称之为反向饱和电流。对理想二极管，认为反向饱和电流为零。二极管处于反向截止状态。第二节

半导体二极管

3.反向击穿特性二极管反向电压加到一定数值时，反向电流急剧增大，二极管失去单向导电性，这种现象称为反向击穿。产生反向击穿时加在二极管上的反向电压称为反向击穿电压

。反向击穿包括电击穿和热击穿，电击穿指反向电压去除后，二极管能恢复原来的性能；热击穿指反向电压去除后，二极管不能恢复原来的性能。1.最大整流电流

——它是指二极管长时间使用时，允许通过二极管的最大正向平均电流。使用时二极管正向平均电流不能超过此值，否则会烧坏二极管。2.最高反向工作电压

——它是指二极管不被击穿所允许的最高反向电压（峰值），通常手册上给出的最大反向工作电压是击穿电压的一半左右。3.最大反向电流

——指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流越小，表明管子的单向导电性越好。硅管的反向电流较小，一般只有几微安；锗管的反向电流较大，一般在几十至几百微安之间。

第二节

半导体二极管三、二极管的参数：第二节

半导体二极管例题分析二极管的应用范围很广，主要都是利用它的单向导电性。它可用于整流、检波、元件保护以及在数字电子电路中作为开关元件。【例6-1】在图示电路中，判断二极管是导通还是截止？并求输出电压

。（假设二极管为理想二极管）解：比较二极管阳极与阴极的电位高低，若阳极电位高，则二极管导通；反之截止。设两电源公共端c点电位为0V。图（a）中二极管阳极a点电位为3V，阴极b点电位为0V，阳极电位高于阴极电位，故二极管VD导通，输出电压=3V；第二节

半导体二极管

图（b）中二极管阳极b点电位为－5V，阴极a点电位为5V，阳极电位低于阴极电位，故二极管VD截止，输出电压=5V。第二节

半导体二极管

【例6-2】如图（a）所示电路中，已知

，输入电压

，试画出输出电压

的波形图（假设二极管VD为理想二极管）。

第二节

半导体二极管

解：如图（b）画出输入电压

和

的波形。

当

的值高于5V时，VD正偏导通，V；

当

的值小于5V时，VD反偏截止，

。

由此画出输出电压的波形图如图（c）所示。从分析可以看出，例6-2是由二极管组成的单向限幅电路。在电子电路中，为了降低信号的幅度以满足电路工作的需要，或者为了保护某些器件不受大的信号电压作用而损坏，往往利用二极管的导通和截止限制信号的幅度，这就是所谓的限幅。一、稳压二极管1.结构和符号稳压管是一种特殊的半导体二极管，其结构和普通二极管一样，实质上也是一个PN结。特殊之处在于它工作在反向击穿状态。应用时它在电路中反向偏置，与适当数值的电阻R配合（见图（a））后能起稳定电压的作用，故称为稳压管。其符号如图（b）所示。第三节

特殊二极管第三节

特殊二极管第三节

特殊二极管2.

稳压二极管的伏安特性稳压二极管的伏安特性与普通二极管类似，其主要差别是稳压管的反向特性曲线比较陡。如图（c）所示。由反向特性曲线可以看出，反向电压在一定范围内变化时，反向电流很小。当反向电压增高到击穿电压时，反向电流突然剧增，稳压管反向击穿。此时，反向电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压变化很小。利用这一特性，稳压管在电路中能起稳压作用。第三节

特殊二极管3.稳压二极管的主要参数

（2）稳定电流

：指稳压管在稳定电压时的工作电流，其范围在

～

之间。最小稳定电流

是指稳压管进入反向击穿区时的转折点电流。最大稳定电流

是指稳压管长期工作时允许通过的最大反向电流。（3）最大耗散功率

：是指管子工作时允许承受的最大功率。和是为了保证管子不被热击穿而规定的极限参数，由管子允许的最高结温决定，其值为。

（4）动态电阻

：是指稳压管在正常工作时，其电压的变化量与相应的电流变化量的比值。即。如果稳压管的反向特性曲线比较陡，则动态电阻就愈小，稳压性能就愈好。（1）稳定电压

：就是稳压管的反向击穿电压。

第三节

特殊二极管几个稳压管串联后，可获得多个不同的稳压值，故稳压管串联使用较常见。几个稳压管并联后，稳压值将由最低（包括正向导通后的电压值）的一个来决定。故除非特殊情况，稳压二极管都不并联使用。二、发光二极管1.结构、类型和符号第三节

特殊二极管发光二极管（LightEmittingDiode，简称LED），也是由PN结构成的，同样具有单向导电性，但在正向导通时能发光，所以它是一种把电能转换成光能的半导体器件。由于构成它的材料、封装形式、外形等不同，因而它的类型很多，如单色发光二极管、变色发光二极管、闪烁发光二极管、电压型发光二极管、红外发射二极管、激光二极管等。发光二极管其外形和电路符号分别如下图（a）、（b）所示。发光二极管的两根引脚中，长引脚是发光二极管的正极，短引脚是发光二极管的负极。第三节

特殊二极管发光二极管外形和电路符号第三节

特殊二极管发光二极管应用很广，可作电器和仪器的指示灯，数字、字符显示器件，高亮度的大屏幕等。发光二极管还可作为光源器件将电信号转变为光信号，广泛应用于光电检测技术领域中。2.应用大功率发光二极管还可用作舞台照明灯、道路照明灯、室内照明灯和LED水下灯、射灯等等。大功率LED作为第四代电光源，被赋有“绿色照明光源”之称，其具有体积小、安全低电压、寿命长、电光转换效率高、响应速度快、节能、环保等优良特性，必将取代传统的白炽灯、卤钨灯和荧光灯新一代光源。三、光敏二极管1.结构和符号第三节

特殊二极管光敏二极管是一种很常用的光敏元件。与普通二极管相似，它也是具有一个PN结的半导体器件，但二者在结构上有着显著不同。普通二极管的PN结是被严密封装在管壳内部的，光线的照射对其特性不产生任何影响；而光电二极管的管壳上则开有一个透明的窗口，光线能透过此照射到PN结上，以改变其工作状态。光敏二极管的外形（实物图）与电路符号如下图所示。第三节

特殊二极管光敏二极管外形和电路符号2.应用：光敏二极管工作在反偏状态，它的反向电流随光照强度的增加而上升，用于实现光电转换功能。光敏二极管广泛用于遥控接收器、激光头中。当制成大面积的光电二极管时，能将光能直接转换成电能，可当作一种能源器件，即光电池。第四节

晶体管晶体管常称为半导体三极管，是电子电路中一种重要的半导体器件。一、晶体管的结构常见晶体管的外形结构第四节

晶体管晶体管是通过一定的工艺在一块半导体基片上制成三层半导体两个PN结，再从三层半导体引出三个电极，然后用管壳封装而成。按半导体的组合方式不同，晶体管可分为NPN型和PNP型两种类型。晶体管结构示意图第四节

晶体管晶体管各区的主要特点是：发射区的掺杂浓度高；基区做得很薄，且掺杂浓度低；集电结面积大于发射结面积，因此三极管发射极与集电极不能互换。NPN型和PNP型的电路图形符号如图所示。晶体管的电路图形符号第四节

晶体管二、晶体管的电流分配与放大原理1．晶体管放大的条件晶体管的基本放大电路晶体管实现放大作用的外部条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置。这种电路称为共发射极电路，电路中

，电源极性如图所示，这样就保证了发射结加的是正向电压（正向偏置），集电结加的是反向电压（反向偏置），满足三极管实现电流放大作用的外部条件。第四节

晶体管为了实现放大作用，NPN型晶体管三个电极的电位关系必须满足

PNP型晶体管三个电极的电位关系必须满足2．晶体管的电流分配关系及电流放大作用

晶体管各电极电流分配关系可用上图所示电路进行测试，测试可得如下结论：（1）

（2）

为电流放大倍数（也称放大系数）

晶体管实现放大作用的实质：通过改变基极电流

的大小，达到控制集电极电流

的目的。因此晶体三极管是一种电流控制型器件。第四节

晶体管晶体管三电极电流分配关系可用下图表示晶体管的电流分配关系第四节

晶体管三、晶体管的特性曲线晶体管的特性曲线是指各电极间电压和电流之间的关系曲线。它能直观、全面地反映晶体管各电极电流与电压之间的关系。它反映晶体管的性能，是分析晶体管电路的重要依据。由于晶体管有三个电极，它的伏安特性曲线比二极管更复杂一些，常用到的是它的输入特性和输出特性。下面以NPN管为例，其测试电路如下图所示，通过调节电路中的

和，便可测得其特性曲线。第四节

晶体管晶体管的特性曲线的测试电路第四节

晶体管1.输入特性曲线当不变时，输入回路中的基极电流

与基-射极电压

之间的关系曲线被称为输入特性，即晶体管的输入特性曲线与二极管正向特性曲线相似，也有一段死区，发射结的正向电压

大于死区电压（硅管约为0.5V，锗管约为0.1V），输入回路才有基极电流

产生。另外，当发射结完全导通时，三极管也具有恒压特性。常温下硅管的导通电压为0.6～0.7V，锗管的导通电压为0.2～0.3V。第四节

晶体管2.输出特性曲线当

不变时，输出回路中的电流

与电压

之间的关系曲线称为输出特性曲线，即

。给定一个基极电流

，就对应一条特性曲线，所以晶体管的输出特性曲线是个曲线族。第四节

晶体管由输出特性曲线看出，它可以划分三个区：放大区、截止区、饱和区。（1）放大区

。此时，晶体管的发射结正向偏置，集电结反向偏置。根据曲线特征，可总结放大区有如下重要特性：①受控特性：指

随着的变化而变化，即；②恒流特性：指当输入回路中有一个恒定的

，输出回路便对应一个不受

影响的恒定的

；③各曲线间的间隔大小可体现

值大小

第四节

晶体管晶体管工作在截止区的外部条件是发射结零偏置或反向偏置，集电结反向偏置。这时

，

很小，近似为0，，

晶体管的C、E之间相当于开路状态，类似于开关断开。（2）截止区。的曲线以下的

约为零的区域称为截止区。（3）饱和区。将

时的区域称为饱和区。此时，晶体管发射结和集电结均处于正向偏置，这时

由外电路决定，而与无关，，晶体管失去了基极电流对集电极电流的控制作用。将此时所对应的

值称为饱和压降

，一般，小功率管的

小于0.4V（硅管约为0.3V，锗管约为0.1V），大功率管的

约为1～3V。在理想条件下，

，晶体管C、E之间相当于短路状态，类似于开关闭合。由以上分析可知，晶体管在电路中既可以作为放大元件，又可以作为开关元件。第四节

晶体管四、晶体管的主要参数1.电流放大系数：电流放大系数的大小反映了三极管放大能力的强弱。

（1）共发射极直流电流放大系数

为晶体管集电极电流

与基极电流之比，即（2）共发射极交流电流放大系数

指集电极电流变化量与基极电流变化量之比，其大小体现了共射接法时，三晶体管的放大能力，即因

与的值几乎相等，故在应用中不再区分，均用

表示。

第四节

晶体管2.极间反向电流：（1）集电极--基极间的反向电流（2）集电极-发射极间的反向电流

是指发射极开路时，集电结在反向电压作用下，形成的反向饱和电流，也称为集电结反向饱和电流。选管时应选

小且受温度影响小的晶体管。

是指基极开路时，集电极-发射极间加上一定数值的反偏电压时，流过集电极和发射极之间的电流，也称为集电结穿透电流。穿透电流的大小是衡量晶体管质量的重要参数，它反映了晶体管的稳定性，其值越小，受温度影响也越小，晶体管