《电工电子学》课件第9章

第9章半导体二极管和晶体管

9.1

PN结

9.2半导体二极管

9.3特殊二极管

9.4双极晶体管

9.5场效应晶体管

9.1

PN结

9.1.1半导体的基本知识

自然界的物质按照其导电能力的大小可分为导体、绝缘体和半导体三类。9.1.2本征半导体

不含任何杂质、纯净晶体结构的半导体称为本征半导体。以硅(Si)和锗(Ge)为例，它们都是四价的元素，原子结构的简化模型如图9-1所示。最外层的四个价电子受原子核

的束缚力较小，容易与相邻原子中的价电子构成共价键。这样硅与锗的晶体结构是每一个原子与相邻四个原子结合构成的共价键结构，如图9-2所示。图9-1硅和锗原子结构简化模型图9-2本征半导体晶体结构示意图由空穴的成因可知，空穴和自由电子是成对出现的，即在本征半导体中，自由电子数和空穴数相等。空穴由于失去一个价电子而带正电，自由电子带负电，如图9-3所示。图9-3本征半导体中的自由电子和空穴9.1.3杂质半导体

1.N型半导体

在硅或锗的晶体中，掺入微量的五价杂质元素，如磷、锑、砷等，则晶体点阵中某些位置上的硅原子将被杂质原子代替。由于杂质原子有5个价电子，它们以4个价电子和相

邻的硅原子组成共价键后，还多余一个电子，这个多余的电子不受共价键束缚，只受自身原子核的吸引，由于这个吸引力很微弱，因此这个多余的价电子在常温下就成为自由电

子，如图9-4所示。图9-4

N型半导体的共价键结构

2.P型半导体

与N型半导体相反，在本征半导体中掺入少量的三价杂质元素，如硼、镓、铟等，因杂质原子只有三个价电子，它与周围的硅或锗原子组成共价键时，因缺少一个电子，在

晶体中便产生一个空穴，如图9-5所示，从而使半导体中空穴的数目大大增加，这时空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，故这种半导体称为空穴型半导体或P型半导体。图9-5

P型半导体的共价键结构9.1.4

PN结的形成及特性

1.PN结的形成

物质总是由浓度高的地方向浓度低的地方运动，这种由于浓度差产生的运动称为扩散运动。当把P型半导体和N型半导体制作在一起时，在它们的交界处，由于电子和空穴的浓度差悬殊，因而会产生扩散运动，如图9-6所示。图9-6多数载流子的扩散运动在交界面附近，N区中的电子向P区扩散，与P区中的多子空穴复合，在N区留下带正电的五价杂质离子；同时P区中的空穴向N区扩散，与N区中的电子复合，在P区留下一些带负电的三价杂质离子。交界面载流子浓度下降，P区出现负离子区，N区出现正离子区，由于正、负离子是不能移动的，故称之为空间电荷区。扩散运动越强，空间电荷区越宽。同时，正、负离子形成一个电场方向由N区指向P区的内电场，如图9-7所示。图9-7内电场的形成当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，空间电荷区的宽度就稳定下来了，处于相对稳定的状态，这时，空间电荷区的宽度一般为几微米至几十微米，该空间电荷区称为PN结，如图9-8所示。图9-8平衡状态下的PN结

2.PN结的单向导电性

(1)PN结外加正向电压。若外加电压从P区指向N区(如图9-9所示)，这时外电场与内电场方向相反，外电场削弱内电场，PN结的动态平衡被破坏，在外电场的作用下，P区中的空穴进入空间电荷区，与一部分负离子中和，N区中的自由电子进入空间电荷区与一部分正离子中和，于是整个空间电荷区变窄，从而使多子的扩散运动增强，形成较大的扩散电流，这个电流称为正向电流，其方向是从P区指向N区。这种外加电压接法称为正向偏置。图9-9

PN结外加正向电压

(2)PN结外加反向电压。若外加电压从N区指向P区(如图9-10所示)，这种情况称为PN结反向偏置。这时外电场与内电场方向相同，因而增强了内电场的作用。在外电场的作用下，P区中的空穴和N区中的自由电子各自背离空间电荷区运动，使整个空间电荷区变宽，从而抑制了多子的扩散运动，加强了少子的漂移运动，形成反向电流。图9-10

PN结外加反向电压

9.2半导体二极管

9.2.1二极管的基本结构

将PN结加上相应的电极引线和管壳，就成为二极管。按结构分类，二极管有点接触型、面接触型和平面型三类。点接触型二极管(一般为锗管)如图9-11(a)所示，它的PN结结面积很小，因此不能通过较大的电流，但其高频性能好，故一般适用于高频和小功率的工作，也可用做数字电路中的开关元件。面接触型二极管(一般为硅管)如图9-11(b)

所示，它的PN结结面积很大，所以可通过较大的电流，

但其工作频率较低，一般用做整流。平面型二极管如图

9-11(c)所示，可用做大功率整流管和数字电路中的开关管。图9-11(d)是二极管的表示符号。图9-11半导体二极管的结构与符号9.2.2二极管的伏安特性与温度特性

二极管是由PN结加上引线和管壳构成的，实质上就是一个PN结。但是真正的二极管要考虑到引线的电阻等因素的影响，二极管和PN结的特性略有差异。二极管的伏安特性曲线

如图9-12所示。图9-12二极管的伏安特性

(1)正向特性。

(2)反向特性。

从二极管的伏安特性曲线可以看出，二极管的电流电压关系不是线性关系，因此，二极管是非线性元件。根据半导体物理的理论分析，二极管的伏安关系为

(9-1)

(3)温度特性。9.2.3二极管的主要参数

在使用二极管时，主要考虑以下几个参数：

(1)最大整流电流IF：

(2)最大反向工作电压UR：

(3)反向电流IR：

(4)最高工作频率fM：

【例9-1】单限幅电路如图9-13(a)所示，已知ui=

5sinωt，E=3V，试画出输出电压uo的波形图。图9-13例9-1图

解当0≤ui<3V时，二极管外加电压uD=ui－3V<0，二

极管截止，相当于开路，输出端电压uo等于输入电压ui。

当3V<ui≤5V时，二极管端电压uD=ui－3V>0，二极管

导通，相当于短路，输出端电压uo=E=3V。

当ui≤0V时，二极管端电压uD=ui－3V<0，二极管截止，相当于开路，输出端电压uo等于输入电压ui。

综上分析，可画出输出电压uo的波形图，如图9-13(b)

所示。

【例9-2】单向半波整流电路如图9-14(a)所示，试画出输出电压uo的波形图。

解当ui≥0V时，即在正半周，二极管导通，则负载上的电压uo=ui；

当ui≤0V时，即在负半周，二极管截止，则负载上的电压uo=0。

由上述分析可画出输出波形图，如图9-14(b)所示。图9-14例9-2图

9.3特殊二极管

9.3.1稳压二极管

1.稳压二极管的伏安特性

稳压二极管的伏安特性曲线及符号如图9-15所示，其正向特性为指数曲线。图9-15稳压二极管的伏安特性与符号2.稳压二极管的主要参数

(1)稳定电压UZ。

(2)稳定电流IZ。

(3)额定功耗PZM。

(4)动态电阻rZ。

(5)温度系数α。9.3.2发光二极管

发光二极管是一种将电能直接转换成光能的固体器件，简称LED。图9-16所示为发光二极管的符号。发光二极管包括可见光、不可见光、激光等不同类型。图9-16发光二极管的符号9.3.3光电二极管

光电二极管又称光敏二极管，其符号如图9-17所示。它的管壳上有透明的聚光窗，由于PN结的光敏特性，当有光线照射时，光敏二极管在一定的反向偏压范围内，其反向电流将随光射强度的增加而线性地增加，这时光敏二极管等效于一个恒流源。当无光照时，光敏二极管的伏安特性与普通二极管一样。光电二极管可用来作为光的测量，是将光信号

转换为电信号的常用器件。图9-17光电二极管的符号

【例9-3】如图9-18所示电路,已知UZ=30V,Ui=60V，R=3kΩ，分别求当RL=30kΩ、3kΩ和1kΩ时，流过稳压管的电流IDZ的值。图9-18例9-3图

解

(1)当RL=30kΩ时，稳压管VDZ工作在击穿区，所以稳压管端电压等于

30V。则

(2)当RL=3kΩ时，即稳压管VDZ端电压等于30V，则有

(3)当RL=1kΩ时，

所以稳压管VDZ不能被击穿，IDZ=0。

9.4双极晶体管

9.4.1双极晶体管的结构

采用平面工艺制成的NPN型硅材料双极晶体管的结构如图9-19所示，位于中间的P区称为基区，它很薄且杂质浓度很低，该区引出基极b；位于上层的N区是发射区，掺杂浓度很高，引出发射极e；位于下层的N区是集电区，集电结面积很大，引出集电极c；双极晶体管的外特性与三个区域的上述特点紧密相关。图9-19

NPN型三极管结构示意图按PN结的组合方式分类，双极晶体管有NPN和PNP两种类型，其结构示意图和符号如图9-20、图9-21所示。图9-20

NPN型三极管结构示意图与符号图9-21

PNP型三极管结构示意图与符号*9.4.2双极晶体管的工作原理

1.双极晶体管的三种连接方式

由于双极晶体管有三个电极，而放大电路一般是四端网络，所以双极晶体管在组成放大电路时，势必有一个电极作为输入与输出信号的公共端。根据所选择的公共端电极的不同，双极晶体管有共发射极、共基极和共集电极三种不同的连接方式(指对交流信号而言)，共哪个极是指哪个极作为电路输入和输出的公共点。

2.双极晶体管的电流分配关系

为了使双极晶体管实现放大作用，从双极晶体管的内部结构来看，应具有以下三点：

(1)发射区进行重掺杂，因而多数载流子电子浓度远大于基区多数载流子空穴浓度；

(2)基区做得很薄，通常只有几微米到几十微米，而且是低掺杂；

(3)集电区面积大，以保证尽可能收集发射区发射的电子。如图9-22所示的NPN型双极晶体管电路中，对于加有正向电压的发射结，通过它的发射极正向电流IE由两部分构成：一是发射区中的多子自由电子通过发射结扩散注入到基区形成的IEN；二是基区中的多子空穴通过发射结扩散注入到发射区，形成的空穴电流IEP，它们的实际方向都是从发射结流出，因而：

IE=IEN+IEP

(9-2)图9-22三极管内部载流子运动与外部电流对于加有反向电压的集电结，通过它的集电极电流IC中，除了基区中少子通过集电结形成的电子电流ICN2和集电区中少子通过集电结形成的空穴电流ICP所组成的反相饱和电流ICBO以外，还有发射区扩散注入到基区的自由电子在基区通过，边扩散边复合达到集电结边界，而后由集电结阻挡层内电场促使它们漂移到集电区而形成的电子传输电流ICN1。ICN1和ICN2共同构成集电结电子电流ICN，即

IC=ICN1+ICN2+ICP=ICN1+ICBO(9-3)

式中：

ICBO=ICN2+ICP(9-4)由图9-22可知，双极晶体管中的基极电流IB由以下成分构成：通过发射结的空穴电流IEP，通过集电结的反向饱和电流ICBO及IEN扩散到集电结附近转化为ICN1过程中，在基区复合的电流IEN－ICN1，即

IB=IEP－ICBO+(IEN－ICN1)

(9-5)

由以上各式可得

IE=IB+IC(9-6)

3.双极晶体管的电流放大作用

为了衡量发射极电流IE转化为受控集电极电流ICN1的能力，引入参数，称为共基极直流电流传输系数。其定义为

(9-7)

利用式(9-7)，式(9-3)可写成

(9-8)对于共发射极的放大电路，将式IB=IE－IC代入式(9-8)，经整理可得

令

(9-9)称为共发射极直流电流放大倍数，则上式可以改写为

(9-10)

式(9-10)就是共发射极连接时的电流传输方程，它描述了输出集电极电流IC与输入基极电流IB之间的依存关系。式中：

(9-11)

表示基极开路(IB=0)时，从集电极流向发射极的电流，称为双极晶体管共发射极连接时的穿透电流。若输入电压变化ΔuI，则双极晶体管的基极电流将变化ΔiB，集电极电流也将变化ΔiC，我们定义这两个变化电流之比为共发射极交流电流放大系数，即

(9-12)

相应地，将集电极电流与发射极电流的变化量之比定义为共基极交流电流放大系数，即

(9-13)9.4.3双极晶体管的特性曲线

用图形描述双极晶体管外部各极电压电流的相互关系，即为双极晶体管的特性曲线。特性曲线与参数是选用双极晶体管的主要依据，特性曲线通常用晶体管特性图示仪显示出来。本书以共发射极放大电路为例，讨论NPN双极晶体管的共发射极输入特性和输出特性。其测试电路如图9-23所示。图9-23

NPN双极晶体管共发射极特性曲线测试电路

1.输入特性

输入特性描述双极晶体管在管压降uCE一定的情况下，基极电流iB与发射结压降uBE之间的函数关系，即

(9-14)

如图9-24所示，当uCE=0时，相当于集电极与发射极短路，即发射结与集电结这两个PN结并联。因此，输入特性曲线与PN结的正向特性相类似，呈指数关系。图9-24三极管输入特性曲线

2.输出特性

当IB不变时，输出回路中的电流iC与电压之uCE间的关系曲线称为双极晶体管的输出特性，即

(9-15)

可以看出，对应每一个固定的IB值，都可以得到一条

输出特性曲线，改变IB值后可得到另一条输出特性曲线，

因此，双极晶体管的输出特性曲线是一组曲线，如图9-25

所示。图9-25三极管输出特性曲线9.4.4双极晶体管的主要参数

1.电流放大系数

(1)共发射极交流电流放大系数β。该系数表示共发射极接法时电路的电流放大作用。

(2)共基极交流电流放大系数α。该系数表示共基极接法时电路的电流放大作用。

(3)共发射极直流电流放大系数。

当IB>>ICBO时，

(4)共基极直流电流放大系数。当忽略反向饱和电流ICBO时，

近似分析时，可以认为

2.极间反向电流

(1)集电极-基极反向饱和电流ICBO，它表示发射极开路时，集电结的反向饱和电流。

(2)集电极-发射极穿透电流ICEO，它表示基极开路时，集电极与发射极间的穿透电流。

3.特征频率fT

由于双极晶体管中PN结结电容的存在，因此双极晶体管的交流电流放大系数β是所加信号频率f的函数。信号频率高到一定程度时，集电极电流与基极电流之比数值不但下降，且产生相移。使β的数值下降到1的信号频率称为特征频率fT。

4.极限参数

极限参数是指为使保证双极晶体管安全工作与其工作性能，而对它的电压、电流和功率损耗所作的限制，如图9-26所示。图9-26三极管的极限参数9.4.5温度对参数的影响

1.温度对UBE的影响

如图9-27所示，双极晶体管输入特性曲线随温度的升高而左移，当iB不变时，随着温度的升高uBE将下降。其变化规律为：温度每升高1℃，uBE减小2~2.5mV，uBE具有负的温度系数；反之，若uBE不变，随着温度的升高iB将增大，iB具有正的温度系数。图9-27温度对晶体管输入特性的影响

2.温度对ICBO的影响

ICBO是集电结外加反向电压时，由少数载流子的漂移运动形成的。我们在前面讲过，少数载流子的浓度取决于温度，且随着温度的升高而提高。因此，当温度升高时，少数载流子增加，ICBO也上升。其变化规律为：温度每上升10℃，ICBO上升约1倍。

3.温度对β的影响

图9-28所示为某双极晶体管在温度变化时输出特性变化的示意图，实线所示为20℃时的特性曲线，虚线所示为40℃时的特性曲线。可见，当温度从20℃升高到40℃时，相同值的IB与IB′所对应的IC不同，温度越高IC越大。说明温度升高时β随之增大。其变化规律为：温度每升高1℃，β增大0.5%~1%。在输出特性曲线上，表现为曲线间距随温度的

升高而增大。图9-28温度对晶体管输出特性曲线的影响

9.5场效应晶体管

9.5.1结型场效应管

1.结型场效应管的结构

结型场效应管有N型沟道和P型沟道两种结构形式如图

9-29(a)、(b)所示。其电路符号如图9-29(c)、(d)所示。图9-29结型场效应管的结构示意图与符号

2.结型场效应管的工作原理

1)uGS对导电沟道的影响

为便于讨论，先假设uDS=0。当uGS由零向负值增大时，PN结的阻挡层加厚，沟道变窄，电阻增大，如图9-30(a)、(b)所示。若uGS的负值再进一步增大，当uGS≤UGS(off)时，则两个PN结的阻挡层相遇，沟道消失，我们称之为沟道被“夹断”了，UGS(off)称为夹断电压，此时iD=0，如图9-30(c)所示。图9-30

uDS=0时uGS对导电沟道的影响

2)iD与uDS、uGS之间的关系

当uGS为UGS(off)~0中某一固定值时，若uDS=0，则虽然存在由uGS所确定的一定宽度的导电沟道，但由于D-S间电压为零，多子不会产生定向移动，因而漏极电流iD为零。若uDS>0，则有电流iD从漏极流向源极，此电流将沿着沟道的方向产生一个电压降，这样沟道上各点的电位就不同，因而沟道内各点与栅极之间的电位差也就不相等。漏极端与栅极之间的反向电压最高，如沿着沟道向下逐渐降低，使源极端为最低，两个PN结的阻挡层将出现楔形，使得靠近源极端沟道较宽，而靠近漏极端的沟道较窄。如图9-31(a)所示。图9-31

uDS对导电沟道和iD的影响在uGD=uGS－uDS<uGS(off)时，若uDS为一常量，则对应确定的uGS就有确定的iD。此时，可以通过改变uGS来控制iD的大小。由于漏极电流受栅-源电压的控制，故称场效应管为电压控制元件。与晶体管用来描述动态情况下基极电流对集电极电流的控制作用相类似，场效应管用gm来描述动态的栅-源电压对漏极电流的控制作用。gm称为低频跨导，可表示为

(9-16)

3.结型场效应管的特性曲线

1)输出特性曲线

输出特性曲线描述当栅-源电压uGS为常量时，漏极电流iD与漏-源电压uDS之间的函数关系，即

(9-17)

对应每个不同的uGS都有一条曲线，因此输出特性为一组曲线，如图9-32所示。输出特性分为四个区域，即可变电阻区、恒流区、击穿区和夹断区。图9-32场效应管输出特性曲线

2)转移特性曲线

转移特性曲线描述当漏-源电压uDS为常量时，漏极电流iD与栅-源电压uGS之间的函数关系，即

(9-18)

如图9-33所示，当uGS=0时，iD=IDSS称为饱和漏极电流。图9-33场效应管转移特性曲线随着uGS反向增大，iD随之减小，当uGS=UGS(off)时，iD=0。UGS(off)称为夹断电压。结型场效应管的转移特性在0~UGS(off)范围内可用下式来表示：

(9-19)9.5.2绝缘栅型场效应管

绝缘栅场效应管通常由金属、氧化物和半导体制成，所以又称为金属-氧化物-半导体场效应管，简称为MOS场效应管(MOSFET)。由于这种场效应管的栅极被绝缘层SiO2隔离，因此其输入电阻更高，可达1010Ω以上。从导电沟

道来区分，绝缘栅场效应管也有N沟道和P沟道两种类型。此外，无论是N沟道或P沟道，又都有增强型和耗尽型两种类型。表9-1中给出了各种场效应管的符号和特性曲线。9.5.3场效应管的主要参数

1.直流参数

(1)开启电压UGS(th)：UGS(th)是在UDS为一常量时，使iD大于零所需的最小|uGS|值。手册中给出的是在iD为规定的微小电流时的uGS。UGS(th)是增强型MOS管的参数。

(2)夹断电压UGS(off)：与UGS(th)相类似，UGS(off)是在uDS为常量情况下，iD为规定的微小电流时的uGS，它是结型场效应管和耗尽型MOS管的参数。

(3)饱和漏极电流IDSS：对于耗尽型管，在uGS=0的情况下产生预夹断时的漏极电流定义为IDSS。

(4)直流输入电阻RGS(DC)：RGS(DC)等于栅-源电压与栅-极电流之比。结型管的RGS(DC)大于107Ω，而MOS管的RGS(DC)大于109Ω。

2.交流参数

(1)低频跨导gm：gm数值的大小表示uGS控制作用的强弱。当管子工作在恒流区且uDS为常量的条件下，iD的变化量ΔiD与引起它变化的ΔuGS之比，称为低频跨导，即

(9-20)

gm的单位是S(