模拟电子技术教案

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第一章半导体二极管及其基本应用

教学目标1、掌握半导体二极管的基本概念及基本知识

2、掌握半导体二极管的特征和特性

3、了解半导体二极管的几个主要参数

4、掌握半导体二极管的两个模型及其应用

5、了解半导体二极管的应用电路及几种特殊的二极管。

6,掌握二极管应用电路的测试

教材分析重点：1、半导体二极管的几个特征及其它的特性

2、半导体二极管的两个模型及其应用，并会测试二极管应用电路。

课时安排8课时

1.1半导体的基础知识.....................2课时

1.2二极管的特性及主要参数...............2课时

1.3二极管的基本应用.....................1课时

1.4特殊二极管...........................1课时

1.5二极管应用电路的测试.................1课时

复习课...................................1课时

1.1半导体的基础知识

教学目标1、了解本征半导体和杂质半导体的基本概念及其形成。

2、了解PN结的形成

3、掌握PN结的两个特性。

教材分析重点：PN结的两个特性——单向导电性和击穿特性

授课类型新授课

教学方法讲授法

课时安排2课时

组织教学应到人，实到人

教学过程

导入：

什么是导体？什么是绝缘体？那么介入这两者之间的是什么呢？这就

是我们这章要学习的内容，半导体二极管及其基本应用，我们首先来学习一

下半导体的基础知识。

自然界中的物质，按其导电能力可分为三大类：导体、半导体和绝缘体。

半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体。

半导体材料如：硅Si错Ge和硅化线GaAs,其中硅应用得最广泛。

半导体的特点：

①热敏性

②光敏性

③掺杂性

1.1.1本征半导体

1、概念：纯净的单晶半导体称为本征半导体。

其中应于制造半导体器件的纯硅和楮都是晶体，它们同属于四价元素。共价

键内的两个电子由相邻的原子各用一个价电子组成，称为束缚电子。图1.1

所示为硅和楮的原子结构和共价键结构。

共价键

图1.1硅和楮的原子结构和共价键结构

2、本征激发和两种载流子——自由电子和空穴

温度越高，半导体材料中产生的自由电子便越多。束缚电子脱离共价

键成为自由电子后，在原来的位置留有一个空位，称此空位为空穴。

本征半导体中，自由电子和空穴成对出现，数目相同。图1.2所示

为本征激发所产生的电子空穴对。

图1.2本征激发所产生的空穴和自由电子

如图1.3所示，空穴（如图中位置1）出现以后，邻近的束缚电子（如

图中位置2）可能获取足够的能量来填补这个空穴，而在这个束缚电子的位置

又出现一个新的空位，另一个束缚电子（如图中位置3）又会填补这个新的空

位，这样就形成束缚电子填补空穴的运动。为了区别自由电子的运动，称此

束缚电子填补空穴的运动为空穴运动。

3、结论

（1）半导体中存在两种载流子，一种是带负电的自由电子，另一种是

带正电的空穴，它们都可以运载电荷形成电流。

（2）本征半导体中，自由电子和空穴相伴产生，数目相同。

（3）一定温度下，本征半导体中电子空穴对的产生与复合相对平衡，

电子空穴对的数目相对稳定。

（4）温度升高，激发的电子空穴对数目增加，半导体的导电能力增强。

空穴的出现是半导体导电区别导体导电的一个主要特征。

1.1.2杂质半导体

在本征半导体中加入微量杂质，可使其导电性能显著改变。根据掺入杂

质的性质不同，杂质半导体分为两类：电子型（N型）半导体和空穴型（P

型）半导体。

1、N型半导体

在硅（或错）半导体晶体中，掺入微量的五价元素，如磷（P）、神（As）

等，则构成N型半导体。

五价的元素具有五个价电子，它们进入由硅（或错）组成的半导体晶体

中，五价的原子取代四价的硅（或楮）原子，在与相邻的硅（或错）原子组

成共价键时，因为多一个价电子不受共价键的束缚，很容易成为自由电子，

于是半导体中自由电子的数目大量增加。自由电子参与导电移动后，在原来

的位置留下一个不能移动的正离子，称施主离子，其中自由电子为多数载流

子，空穴为少数载流子。半导体仍然呈现电中性，但与此同时没有相应的空

穴产生，如图1.4所示。

图1.4N型半导体的共价键结构

2、P型半导体

在硅（或错）半导体晶体中，掺入微量的三价元素，如硼（B）、锢（In）

等，则构成P型半导体。

三价的元素只有三个价电子，在与相邻的硅（或错）原子组成共价键时,

由于缺少一个价电子，在晶体中便产生一个空位，邻近的束缚电子如果获取

足够的能量，有可能填补这个空位，使原子成为一个不能移动的负离子，称

为受主离子。其中空穴为多子，自由电子为少子。半导体仍然呈现电中性，

但与此同时没有相应的自由电子产生，如图1.5所示。

图1.5P型半导体的共价键结构

P型半导体中，空穴为多数载流子（多子），自由电子为少数载流子（少

子）。P型半导体主要靠空穴导电。

注意：

杂质离子虽然带电荷，但不能移动，因此它不是载流子；杂质半导体中

虽然有一种载流子占多数，但整个半导体仍呈电中性。

杂质半导体的导电性能主要取决于多子浓度，多子浓度主要取决于掺杂

浓度。少子浓度与本征激发有关，因此对温度敏感，其大小随温度的升高而

增大。

1.1.3PN结

一、PN结的形成

多数载流子因浓度上的差异而形成的运动称为扩散运动，如图1.6所示。

P型半导体N型半导体

㊀㊀o㊀

㊀

㊀㊀©•©•

O

.©•©•

©•©•

图1.6P型和N型半导体交界处载流子的扩散

由于空穴和自由电子均是带电的粒子，所以扩散的结果使P区和N区原

来的电中性被破坏，在交界面的两侧形成一个不能移动的带异性电荷的离子

层，称此离子层为空间电荷区，这就是所谓的PN结，如图1.7所示。在空间

电荷区，多数载流子已经扩散到对方并复合掉了，或者说消耗尽了，因此又

称空间电荷区为耗尽层。

空间电荷区

P型半导体N型半导体

©°0°㊉•㊉.

e°o°

e°o0©i1

内电场

图1.7PN结的形成

空间电荷区出现后，因为正负电荷的作用，将产生一个从N区指向P区

的内电场。内电场的方向，会对多数载流子的扩散运动起阻碍作用。同时，

内电场则可推动少数载流子（P区的自由电子和N区的空穴）越过空间电荷

区，进入对方。少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为漂移运动。度

移运动和扩散运动的方向相反。无外加电场时，通过PN结的扩散电流等于

漂移电流，PN结中无电流流过，PN结的宽度保持一定而处于稳定状态。

二、PN结的单向导电性

如果在PN结两端加上不同极性的电压，PN结会呈现出不同的导电性能。

（1）PN结外加正向电压

PN结P端接高电位，N端接低电位，称PN结外加正向电压，又称

PN结正向偏置，简称为正偏，如图1.8所示。

㊀㊀©©•

㊀㊀㊉©•©•

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㊀㊀㊉・

㊉©•

内电场

外电场

图1.8PN结加正向电压

PN结正偏时，外电场使P区的多子空穴向PN结移动，并进入空间电荷

区和部分负离子中和；同样，N区的多子电子也向PN结移动，并进入空间电

荷区和部分正离子中和。因此空间电荷量减少，PN结变窄，这时内电场减弱,

扩散运动将大于漂移运动，多子的扩散电流通过回路形成正向电流。当外加

正向电压增加到一定值后，正向电流将显著增加，此时，PN结呈现很小的电

阻，称为导通。

（2）PN结外加反向电压

PN结P端接低电位，N端接高电位，称PN结外加反向电压，又

称PN结反向偏置，简称为反偏，如图1.9所示。

P区一I变宽N区

㊀o㊀o㊀a㊉•

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㊀oo㊀㊉•

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©°

内电场

外电场

图1.9PN结加反向电压

PN结反偏时，外电场使P区的空穴和N区的电子向离开PN结的方向移

动，空间电荷区变宽。反向电流几乎不随外加电压而变化，故又称为反向饱

课堂小结和电流。此时，PN结呈现很大的电阻，称为截止。

PN结的单向导电性是指PN结外加正向电压时处于导通状态，外加反向

布置作业电压时处于截止状态。

课后总结三、PN结的击穿特性

当加于PN结两端的反向电压增大到一定值时，PN结的反向电流将随反

向电压的增加而急剧增大，这种现象称为反向击穿。

PN结的反向击穿有雪崩击穿和齐纳击穿两种机理。雪崩击穿发生在掺杂

教学目标度较低的PN结中，这种PN结的阻挡层宽，因碰撞而电离的机会多。由高浓

度掺杂材料制成的PN结中耗尽区宽度很窄，即使反向电压不高也容易在很窄

的耗尽区中形成很强的电场，将价电子直接从共价键中拉出来产生电子一空

穴对，致使反向电流急剧增加，这种击穿称为齐纳击穿。

教材分析一般认为反向击穿电压超过6V主要为雪崩击穿，低于6V为齐纳击穿。

本节课重点掌握两个问题，一个是本征半导体的三个特征，一个是PN

授课类型结的两个特性。对于P型半导体和N型半导体的形成及其PN结的形成做了

教学方法解就可以。

课时安排P51.1.31.1.4

组织教学

教学过程

1.2二极管的特性及主要参数

1、掌握二极管的结构及其符号

2、了解半导体二极管的几种类型

3、了解二极管的伏安特性

4、掌握二极管的几个主要参数和温度对二极管特性的影响

重点：二极管的结构及符号，二极管的几个主要参数

难点：二极管的伏安特性

新授课

讲授法

2课时

应到人，实到人

1.2.1二极管的结构

在PN结两端各引出一根电极引线，然后用外壳封装起来就构成了半导

体二极管。由P区引出的电极称为正极（或阳极），由N区引出的电极称负极

（或阴极）。VD是二极管的文字符号，箭头方向表示正向电流的流通方向。

VD

O—-O

正极负极

图1.10二极管的符号

半导体二极管同PN结一样具有单向导电性。二极管按半导体材料的不

同可以分为硅二极管、楮二极管和碑化线二极管等。可分为点接触型、面接

触型和平面型二极管三类，如图1.11所示。

图1.11不同结构的各类二极管

上面是按照PN结的面积大小来分的。其中点接触型的不能承受大的电

流和高的反向电压，由于极间电容很小，所以这类管子适用于高频电路；面

接触型的PN结面积大，可承受较大的电流，但极间电容较大，这类器件适应

于低频电路，主要用于整流电路。

1.2.2二极管的伏安特性

二极管两端的电压U及其流过二极管的电流I之间的关系曲线，称为二

极管的伏安特性。

1）正向特性

二极管外加正向电压时，电流和电压的关系称为二极管的正向特性。如

图1.12所示，当二极管所加正向电压比较小时（0<U<Uth）,二极管上流经的

电流为0,管子仍截止，此区域称为死区，Uth称为死区电压（门坎电压）。

硅二极管的死区电压约为0.5V,错二极管的死区电压约为0.1V。

//m▲A

正

10-向

特

性

5-

5R-801-40

反

/sO0.40.8UN

向fa,

击反向特性---—―

穿死区

特

性

图1.12二极管的伏安特性曲线

2）反向特性

二极管外加反向电压时，电流和电压的关系称为二极管的反向特性。由

图1.12可见，二极管外加反向电压时，反向电流很小（I^-IS）,而且在相当

宽的反向电压范围内，反向电流几乎不变，因此，称此电流值为二极管的反

向饱和电流。

（3）反向击穿特性

从图1.12可见，当反向电压的值增大到时，反向电压值稍有增大，

反向电流会急剧增大，称此现象为反向击穿，U叫为反向击穿电压。利用二

极管的反向击穿特性，可以做成稳压二极管，但一般的二极管不允许工作在

反向击穿区。

1.2.3二极管的温度特性

二极管是对温度非常敏感的器件。实验表明，随温度升高，二极管的正

向压降会减小，正向伏安特性左移，即二极管的正向压降具有负的温度系数

（约为-2mV/℃）；温度升高，反向饱和电流会增大，反向伏安特性下移，温

度每升高10C,反向电流大约增加一倍。图1.13所示为温度对二极管伏安特

性的影响。

图1.13温度对二极管特性曲线的影响

1.2.4二极管的主要参数

（1）最大整流电流〃

最大整流电流0是指二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大正

课堂小结

布置作业向电流的平均值。

课后总结

（2）最高反向工作电压

允许加在二极管两端的最大反向电压，通常规定为击穿电压的一半。

（3）反向饱和电流。

教学目标

它是指管子没有击穿时的反向电流值。其值愈小，说明二极管的单向导

电性愈好。

教材分析

（4）最高工作频率九

授课类型

教学方法

指保证二极管单向导电作用的最高工作频率。当工作频率超过九时，二极管

课时安排

组织教学的单向导电性能就会变差，甚至失去单向导电性。

教学过程本节课重点掌握二极管的伏安特性和它的几个主要参数。

P81.2.3

1.3二极管的基本应用

1、掌握二极管的理想模型和恒压降模型

2、了解二极管的应用电路，包括门电路、整流电路和限幅电路

3、了解二极管的直流电阻和交流电阻

重点二极管的两个模型，并掌握解题方法

新授课

讲授法

1课时

应到人，实到人

在电路分析中，二极管常用模型来等效。二极管工作在大信号范围可用

理想模型或恒压降模型来等效，工作在小信号范围可用小信号模型来等效。

一、理想模型

二极管正向偏置时导通，电压降为零；反向偏置时截止，电流为零；反

向击穿电压为无穷大的理想特性，伏安特性可用下面的方法表示：

1M

图1.3.1理想二极管模型

（a）伏安特性曲线（b）符号（c）等效电路模型

二、恒压降模型

图1.3.2二极管恒压降模型

(a)特性曲线的折线近似(b)等效电路模型

当考虑二极管导通时正向压降的影响，二极管特性曲线用两端直线来逼

近，称为特性曲线折线近似。两端直线在处转折，为导通电压。

二极管两端电压小于时电流为零，大于后，二极管导通，管压降

为UD⑹，由此可得二极管的恒压降模型。通常对于硅管U。的)取0.7V,楮管

取0.2V。显然这种等效模型更接近于实际二极管的特性。

例1.3.1二极管电路如图所示，二极管为硅管，R=2KO,试用二极管的理

想模型和恒压降模型求出力。=2丫和％°=10V时回路电流/。和输出电压

解：将二极管用模型代入，可分别作出等效电路图。

⑴yDD=2V

Uo=%=2匕/。=勿%=2%长。=lmA

〃=%-US=(2-0.7)V=L3V

/。="/J3%KQ=665〃M

⑴％=10M

U。==1OV,/0=—=‘"'A

Uo=VDD-UD(on)=(10-0.7W=9.3V

1。="%=9.3%m=4.65mA

说明：勿。越大，的影响就越小。如果电压源远大于二极管的管压降时,

可采用理想二极管模型，将略去，直接进行电路的计算，所得到的结果

与实际值误差不大，如果是电源电压较低时，采用恒压降模型较为合理。

例1.3.2教复杂的硅二极管电路如图1.3.4所示，试求电路中电流3/2"。和输

出电压的值。

/v"畤°

吟2V

解：由于%所以，二极管承受正向偏置电压而导通，从而使得

〃。=%小一°a㈤=（15—0.7）=14.3V

由此不难求得

,Uo14.3V“

In=——==4.8mA

°RL3KQ

,U-V14.3-12c,

课堂小结/=_oo_DnDm2=------=2.3mA

2R1KQ

I}=4-/2=(4.8+2.3)=7.imA

布置作业1.3.2二极管应用电路举例

课后总结一、二极管门电路（略）

数字电路已讲

二、整流电路

利用二极管的单向导电性将交流电变为直流电，称为整流。

三、限幅电路

在电子电路中，为了限制输出电压的幅度，常利用二极管构成限幅电路。

教学目标

1.3.3二极管的直流电阻和交流电阻

（学生自学）

教材分析本节课重点掌握二极管的两个模型，并会利用模型进行电路的分析和

计算，了解二极管的应用电路，会分析即可。至于二极管的直流电阻和交流

授课类型电阻同学自学。

教学方法P241.4.1

课时安排

组织教学

教学过程

1.4特殊二极管

1、了解稳压二极管的特征及主要参数

2、会利用稳压二极管的电路进行计算

3、掌握稳压二极管、发光二极管和变容二极管的电路符号

重点：几种二极管的电路符号

难点：稳压电路的计算

新授课

讲授法

1课时

应到人，实到人

二极管种类很多，常用有普通二极管、稳压二极管、发光二极管、光电

二极管和变容二极管等。

1.4.1稳压二极管

一、稳压二极管的特性及主要参数

稳压二极管是一种特殊的面接触型硅二极管，正常情况下稳压二极管

工作在反向击穿区，由于曲线很陡，反向电流在很大范围内变化时，端电压

变化很小，因而具有稳压作用。

图1.4.1稳压二极管伏安特性曲线和符号

只要反向电流不超过其最大稳定电流，就不会形成破坏性的热击穿。

因此，在电路中应与稳压二极管串联适当阻值的限流电阻。

稳压二极管的主要参数有：

(1)稳定电压Uz。它是指当稳压管中的电流为规定值时，稳压管在电路中

其两端产生的稳定电压值。

(2)稳定电流/z。它是指稳压管工作在稳压状态时，稳压管中流过的电流，

有最小稳定电流和最大稳定电流，Zmax之分。

(3)最大耗散功率与M和最大工作电流/ZM。是保证管子不被热击穿而规定

的极限参数，由管子允许的最高温度决定，与M=/ZMUZ。

(4)动态电阻动态电阻是稳压范围内电压变化量与相应的电流变化量之

比，即

（5）电压温度系数C.

电压温度系数指温度每增加1度时，稳定电压的相对变化量，即

r7=--^xlOO%

zAT

二、稳压二极管稳压电路

课本例题141（略）

三、应用稳压管应注意的问题

①稳压管稳压时，一定要外加反向电压，保证管子工作在反向击穿区。

当外加的反向电压值大于或等于UZ时，才能起到稳压作用；若外加的电压

值小于UZ,稳压二极管相当于普通的二极管使用。

②在稳压管稳压电路中，一定要配合限流电阻的使用，保证稳压管中流

过的电流在规定的范围之内。

1.4.2发光二极管与光电二极管

一、发光二极管

发光二极管是一种光发射器件，英文缩写是LED。此类管子通常由钱

（Ga）、碑（As）、磷（P）等元素的化合物制成，管子正向导通，当导通电

流足够大时，能把电能直接转换为光能，发出光来。目前发光二极管的颜色

有红、黄、橙、绿、白和蓝6种，所发光的颜色主要取决于制作管子的材料,

例如用神化线发出红光，而用磷化钱则发出绿光。其中白色发光二极管是新

型产品，主要应用在手机背光灯、液晶显示器背光灯、照明等领域。

发光二极管工作时导通电压比普通二极管大，其工作电压随材料的不同

而不同，一般为L7V〜2.4V。普通绿、黄、红、橙色发光二极管工作电压约

为2V；白色发光二极管的工作电压通常高于2.4V；蓝色发光二极管的工作电

压一般高于3.3V。发光二极管的工作电流一般在2mA〜25mA的范围。

发光二极管应用非常广泛，常用作各种电子设备如仪器仪表、计算机、

电视机等的电源指示灯和信号指示等，还可以做成七段数码显示器等。发光

二极管的另一个重要用途是将电信号转为光信号。普通发光二极管的外形和

符号如图1.4.2所示。

图1.4.2发光二极管的符号和外形

二、光电二极管

光电二极管又称为光敏二极管，它是一种光接受器件，其PN结工作在反

偏状态，可以将光能转换为电能，实现光电转换。图143所示为光电二极管

的基本电路和符号。

夕

课堂小结-------

乐川&一­

布置作业符号

课后小结

U

教学目标

基本电路

图1.4.3光电二极管的基本电路和符号

教材分析

1.4.3变容二极管

授课类型此种管子是利用PN结的电容效应进行工作的，它工作在反向偏置状态，

教学方法当外加的反偏电压变化时，其电容量也随着改变。

课时安排-------->1--------

组织教学

教学过程-II-

图1.4.4变容二极管的电路符号

本节课重点学习几种特殊的二极管，需要掌握它们的电路符号，稳压二

极管的几个工作参数以及稳压二极管工作在反向击穿区，利用了二极管的反

向击穿特性。

例1.4.1和P161.4.1

1.5二极管应用电路的测试

1、掌握半导体器件型号命名方法

2、掌握二极管的选用知识

3、掌握二极管的识别与检测方法

重点：掌握二极管识别与检测方法和半导体器件型号命名方法

难点：二极管的识别与检测

新授课

讲授法、实验法

1课时

应到人，实到人

1.5.1二极管使用基本知识

一、半导体器件型号命名方法（摘自国家标准GB249-74）

1、半导体器件的型号由五个部分组成

第一部分第二部分第三部分第四部分第五部分

用汉语拼音字母表示

规格号

用阿拉伯数字表示序号

用汉语拼音字母表示器件的类型

用汉语拼音字母表示器件的材料和极性

用阿拉伯数字表示器件的电极数目

2、型号组成部分的符号及其意义

（略）

二、二极管参数选录

（略）

三、二极管选用知识

具体选用普通二极管时应注意以下几点：

（1）所选用二极管在使用时不能超过它的极限参数，特别注意不要超过最大

整流电流和最高反向工作电压，并留有适当的余量。

（2）尽量选用反向电流、正向压降小的管子。

（3）二极管的型号应根据使用场合不同来确定。

1.5.2技能训练项目

一、二极管的识别与检测

1.二极管极性的判定

将红、黑表笔分别接二极管的两个电极，若测得的电阻值很小（几千欧

以下），则黑表笔所接电极为二极管正极，红表笔所接电极为二极管的负极；

若测得的阻值很大（几百千欧以上），则黑表笔所接电极为二极管负极，红表

笔所接电极为二极管的正极，如图151所示。

课堂小结

课后作业

课后总结图1.5.1二极管的测试

测正向阻值时，黑表笔相连的是二极管的正极，红表笔接的是二极管的

负极（万用表内置电阻档时，黑表笔连接表内电池正极，红表笔连接表内电

池负极）。测反向电阻时，正好相反。

2.二极管好坏的判定

（1）若测得的反向电阻很大（几百千欧以上），正向电阻很小（几千欧

以下），表明二极管性能良好。

（2）若测得的反向电阻和正向电阻都很小，表明二极管短路，已损坏。

（3）若测得的反向电阻和正向电阻都很大，表明二极管断路，已损坏。

二极管的材料及二极管的质量好坏，也可以从其正反阻值中判断出来。

一般硅材料二极管的正向电阻为几千欧，而错材料二极管的正向电阻为几百

欧。判断二极管的好坏，关键是看它有无单向导电性能，正向电阻越小，反

向电阻越大的二极管质量越好。如果一个二极管正反电阻值相差不大，则必

为劣质管。如果正反阻值都是无穷大或是零，则二极管内部已断路或被击穿

断路。

本节课重点掌握二极管的测试方法，知道红黑表笔该如何接算是正接和

反接。并会识别二极管的型号。

P23、1.5.1

本章小结

1、半导体有自由电子和空穴两种载流子参与导电。本征半导体的载流子由本

征激发产生，电子和空穴成对出现，其浓度随温度升高而增加，在常温下，

其载流子浓度很低，导电能力很弱。杂质半导体的多子主要由掺杂产生，浓

度很大且基本不受温度影响，少子由本征激发产生。杂质半导体的导电性能

主要由多子浓度决定，因此比本征半导体大大改善。本征半导体中掺入五价

元素杂质，则称为N型半导体，N型半导体中电子是多子，空穴是少子。本

征半导体中掺入三价元素杂质，则称为P型半导体，P型半导体中空穴是多

子，电子是少子。

2、PN结也称耗尽层，它是构成半导体器件的核心，其主要特性是单向导电

性，即PN结正向偏置时导通，呈现很小的电阻，形成较大的正向电流；反向

偏置时截止，呈现很大的电阻，反向电流近似为零。当反偏电压超过反向击

穿电压值后，PN结被反向击穿，单向导电性被破坏。

3、硅二极管的导通电压是0.7V,错管是0.2V。普通二极管在大信号状态，

可将二极管等效为理想二极管，即正偏时导通，电压降为零，相当于理想开

关闭合；反偏时截止，电流为零，相当于理想开关断开。将这一特性称为二

极管的开关特性。实用中采用恒压降模型较为合理。利用二极管的单向导电

性可构成开关电路、整流电路、限幅电路等。

4、通过技能训练了解二极管的使用知识，学会二极管电路的测试技能非常重

要，特别注意自学能力和独立工作能力的提高。

标题第二章半导体三极管及其基本应用

教学目标1、掌握晶体管及其场效应管的电路符号及其工作原理

2、了解半导体三极管的伏安特性

3、掌握半导体三极管工作状态的判断：放大、截止、饱和

4、掌握晶体管的基本放大电路及其分析方法。

5、了解场效应管及其根据图示法判断其场效应管的类型。

6、了解三极管的几个基本参数

7、掌握晶体管应用电路的测试

教材分析重点：半导体三极管的工作状态的判断

难点：半导体三极管的伏安特性及其晶体管基本放大电路的分析方

法。

课时安排8课时

2.1晶体管的特性与参数.........................2课时

2.2晶体管的基本应用..........................2课时

2.3场效应管及其基本应用......................2课时

2.4晶体管基本应用电路的测试...................1课时

复习课.........................................1课时

教学目标2.1晶体管的特性与参数

1、掌握半导体三极管的分类和结构与符号。

2、了解电流放大原理一一内部条件和外部条件

3、掌握晶体管的伏安特性

4、掌握晶体管的输出特性：放大区、截止区和饱和区，并会分析电

路工作在哪种状态。

教材分析5、了解晶体管的几个主要参数。

重点：晶体管的伏安特性，并会判断工作在哪一种状态。

授课类型难点：晶体管的伏安特性

教学方法新授课

课时安排讲授法

组织教学2课时

教学过程应到人，实到人

半导体三极管具有开关和放大作用。分双极型和单极型两种类

型，其中，双极型半导体三极管称为晶住萱（BJT）,它有自由电子和

空穴两种载流子参与导电,所以称为双极型三极管;单极型半导体三

极管称场效应管,简称FET,是一种利用电场效应控制输出电流的半

导体器件，它由一种载流子（多子）参与导电,故称为单极型半导体

三极管。

晶体管是通过一定的工艺将两个PN结相结合所构成的器件。按

照制造材料的不同，分为硅管和褚管；按照结构不同，分为NPN型

管和PNP型管。

2.1.1晶体管的工作原理

集电区

集电结

Jc

发射结

Je

发射区

C

b—|^VT

e

NPN型三极管结构与符号

图2.1.1NPN型结构示意图及其电路符号

半导体由三层半导体制成，中间是一块很薄的P型半导体，称

为基区；两边各有一块N型半导体，其中高掺杂的一块（标N+）称

为发射区，另一块称为集电区；从各区引出的电极相应地称为基极、

发射极和集电极，分别用B、E、C表示。当两块不同类型的半导体

结合在一起时，其交界会形成PN结，因此晶体管有两个PN结：发

射区与基区之间的称为发射结，集电区与基区之间的称为集电结。

符号中发射极上的箭头方向，表示发射结正偏时电流的流向。

三极管制作时，通常它们的基区做得很薄（几微米到几十微米）,

且掺杂浓度低；发射区的杂质浓度则比较高；集电区的面积则比发射

区做得大，这是三极管实现电流放大的内部条件。

三极管可以是由半导体硅材料制成，称为硅三极管；也可以由情

材料制成，称为错三极管。

集电区

集电结

Jc

基极

b发射结

Je

发射区

b-|^VT

e

PNP型三极管结构与符号

图2.1.2PNP型晶体管的结构与符号

三极管从应用的角度讲，种类很多。根据工作频率分为高频管、

低频管和开关管；根据工作功率分为大功率管、中功率管和小功率管。

常见的三极管外形如图2.1.3所示。

图2.1.3晶体管的几种外形

结论：晶体管的发射区掺杂浓度很高，基区很薄且掺杂浓度很低，集

电区掺杂浓度较低但集电结面积很大。这是晶体管起到放大作用所必

须具备的内部条件。

二、电流放大原理

晶体管要起放大作用，除了内部条件，还必须满足发射结正偏、

集电结反偏的偏置条件。

1、实验结论

要实现三极管的电流放大作用，首先要给三极管各电极加上正

确的电压。三极管实现放大的外部条件是：其发射结必须加正向电压

（正偏），而集电结必须加反向电压（反偏）。为了了解三极管的电流

分配原则及其放大原理，首先做一个实验，实验电路如图2.1.4所示。

在电路中，要给三极管的发射结加正向电压，集电结加反向电压，保

证三极管能起到放大作用。改变可变电阻Rb的值，则基极电流〃、

集电极电流，C和发射极电流4都发生变化，电流的方向如图中所示。

图2.1.4三极管电流放大的实验电路

由实验及测量结果可以得出以下结论。

（1）实验数据中的每一列数据均满足关系：7£=/c+/e;此结果符

合基尔霍夫电流定律。

（2）每列数据都有小IB,而且有I,与〃的比值近似相等，大约等

于50。

（3）对表中任两列数据求心和人变化量的比值，结果仍然近似相等，

约等于50o

（4）从表中可知，当，=0（基极开路）时，集电极电流的值很小，

称此电流为三极管的穿透电流穿透电流/麾。越小越好。

2.三极管实现电流分配的原理

上述实验结论可以用载流子在三极管内部的运动规律来解释。

图2.1.5为三极管内部载流子的传输与电流分配示意图。

图2.1.5三极管内部载流子的传输与电流分配示意图

通常发射结所在的回路称为晶体管的输入回路，集电结所在的回

路称为晶体管的输出回路，图中发射极E为输入、输出回路的公共端,

这种连接方式称为共发射极接法，相应的电路称为共发射极电路。

（1）发射区向基区发射自由电子，形成发射极电流右。

（2）自由电子在基区与空穴复合，形成基极电流儿。

（3）集电区收集从发射区扩散过来的自由电子，形成集电极电流心。

Ic，〃的比值反映了晶体管的电流放大能力，通常用参数耳表示，即

万4

IB

万称为晶体管的共发射极直流电流放大系数，当晶体管制成后，》的

值也就确定了，7lo

B

1E=Q+0）IBBIC

上述分析中未考虑由集电区的少子空穴和基区少子电子漂移运动形

成的集电结反向饱和电流心8。，因为它很小，所以通常可以忽略不计。

I一/

‘C'CBO

B=

1B+【CBO

与〃的关系修正为

，c=BlB+(1+0)IcBO=BlB+【CEO

，CEO=(1+B)1CBO

3、结论

(1)要使三极管具有放大作用，发射结必须正向偏置，而集电结必

须反向偏置。

(2)一般有8>>1；通常认为夕

(3)三极管的电流分配及放大关系式为：

【E=+1B

【C—BlB

2.1.2晶体管的伏安特性

晶体管的伏安特性是指晶体管的极电流与极电压之间的函数关

系。

一、输入特性

输入特性描述uCE为某一常数时，晶体管的输入电流iB与输入电

压“踮之间的函数关系，即

ZB=/(“BE)J『常数

(1)晶体管输入特性与二极管特性类似，在发射结电压“即大于死区

电压时才导通，导通后"座近似为常数。

(2)当“BE从0增大为IV时，曲线要右移，而当“CENW后，曲线

重合为同一根线。在实际使用中，多数情况下满足“CE2IV,硅管的

死区电压为0.5V,导通电压约为0.6〜0.8V,通常取0.7V。

对于褚管，则死区电压约为0.1V,导通电压约为0.2〜0.3V,通常取

0.2Vo

UBE/V

2.1.6输入特性

二、输出特性

输出特性描述为某一常数，晶体管的输出电流法与输出电压“6

之间的函数关系，即

ZC=/(“CE)%=常数

通常划分为放大、饱和和截止三个工作区域。

图2.1.7输出特性

一般把三极管的输出特性分为3个工作区域，下面分别介绍。

①截止区

三极管工作在截止状态时，具有以下几个特点：

(a)发射结和集电结均反向偏置；

(b)若不计穿透电流，c£0，有及近似为°；

(c)三极管的集电极和发射极之间电阻很大，三极管相当于

一个开关断开。

②放大区

图2.1.7中，输出特性曲线近似平坦的区域称为放大区。三

极管工作在放大状态时，具有以下特点：

(a)三极管的发射结正向偏置，集电结反向偏置；

(b)基极电流〃微小的变化会引起集电极电流心较大的变

化，有电流关系式：Ic=/3IB；

(c)对NPN型的三极管，有电位关系：UC>UB>UE；

(d)对NPN型硅三极管，有发射结电压UBE；对NPN

型错三极管，有

③饱和区

三极管工作在饱和状态时具有如下特点：

(a)三极管的发射结和集电结均正向偏置；

(b)三极管的电流放大能力下降，通常有心<尸乙；

(c)UCE的值很小，称此时的电压为三极管的饱和压降，

用UCES表示。一般硅三极管的约为03V,褚三极管的约为

0.1V；

(d)三极管的集电极和发射极近似短接，三极管类似于一个

开关导通。

三极管作为开关使用时，通常工作在截止和饱和导通状态；

作为放大元件使用时，一般要工作在放大状态。

三、PNP型晶体管的伏安特性

PNP型管工作电压极性的接法和电流流向均与NPN型管电路的

相反；PNP型楮管的伏安特性曲线与NPN型硅管的曲线相似，差别

主要是导通电压大小不同、电压极性相反。

例221某晶体管处于放大状态，用万用表的直流电压档测得三个电

极对地电位为3V、2、3V、5V,试判断此管的三个电极，并说明是

NPN型管还是PNP型管，是硅管还是错管。

解：当晶体管处于放大状态时，必定满足发射结正偏、集电结反偏，

因此三个电极的电位大小对NPN型管为%>匕>%,对PNP型管为

匕■<%<%，所以中间电位者为基极B,故3V对应基极B。由

3-2.3=0.7V,可知，2.3V对应发射极E,5V则对应集电极C,为NPN

型硅管。

2.1.3晶体管的主要参数

晶体管的主要参数有电流放大系数、极间反向电流、极限参数

等，前两者反映了管子性能的优劣，后者表示了管子的安全工作范围，

它们是选用晶体管的依据。

一、电流放大系数

电流放大系数反映晶体管的电流放大能力，常用的是共发射极电

流放大系数。

下4

lB

共发射极交流电流放大系数

在目前的多数应用中，两者基本相等且为常数，因此一般可混用。

将基极作为输入和输出回路的公共端，称为共基极接法，其输出

电流变化量加。和输入电流变化量之比，称为共基极交流电流方法

系数，用a表示，即

M

a=--r

4

a值小于1而接近于1,一般在0.98以上。

二、极间反向电流

①集电极基极间的反向饱和电流/或。

是发射极开路时流过集电结的反向饱和电流。

②集电极发射极间的穿透电流/感。

/星。是基极开路，C、E之间加上正偏电压时，从集电极直通到发射

极的电流，称为穿透电流。ICEO=Q+B)1CBO

展0、/CB。均随温度的上升而增大，其值越小，受温度影响就越小，

晶体管的温度稳定性越好。硅管的/星。、/围。远小于错管的，因此实

用中多用硅管。

三、极限参数

①集电极最大允许电流

②集电极最大允许功率损耗不M

③反向击穿电压

U

当晶体管的工作点位于心<小，CE<5BRKEO，?<PCM时的区域

内时，管子能安全工作，因此称该区域为安全工作区。

图2.1.8晶体管的安全工作区

四、温度对晶体管特性的影响

同二极管一样，三极管也是一种对温度十分敏感的器