电子技术(西交大版)教学教案

第1章半导体存器件

1.1学习要求

(1)了解半导体的特性和导电方式，理解PN结的单向导电特性。

(2)了解半导体二极管、三极管的结构。

(3)理解二极管的工作原理、伏安特性和主要参数。

(4)理解双极型三极管的放大作用、输入和输出特性及其主要参数。

(5)了解MOS场效应管的伏安特性、主要参数及其与双极型三极管的性能比较。

1.2学习指导

本章重点：

(1)PN结的工作原理。

(2)二极管的工作原理、伏安特性和主要参数。

(3)双极型三极管的放大作用、输入和输出特性及其主要参数。

本章难点：

(1)半导体二极管的限幅、钳位等作用。

(2)双极型三极管的电流分配与电流放大作用。

本章考点：

(1)本征半导体、杂质半导体的相关概念。

(2)PN结的单向导电特性。

(3)半导体二极管、稳压管的限幅、钳位等电路分析。

(4)双极型三极管的管脚、工作状态及放大条件的判别。

1.2.1PN结

1.半导体的导电特征

半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间。纯净的半导体称为本征半导体，其导

电能力在不同的条件下有着显著的差异。本征半导体在温度升高或受光照射时产生激

发，形成自由电子和空穴，使载流子数目增多，导电能力增强。

杂质半导体是在本征半导体中掺入杂质元素形成的，有N型半导体和P型半导体

2

两种类型。N型半导体是在本征半导体中掺入五价元素形成的，自由电子为多数载流

子，空穴为少数载流子。P型半导体是在本征半导体中掺入三价元素形成的，空穴为

多数载流子，自由电子为少数载流子。杂质半导体的导电能力比本征半导体强得多。

2.PN结及其单向导电性

在同一硅片两边分别形成N型半导体和P型半导体，交界面处就形成了PN结。

PN的形成是多数载流子扩散和少数载流子漂移的结果。PN结具有单向导电性：PN

结加正向电压（P区接电源正极，N区接电源负极）时，正向电阻很小，PN结导

通，可以形成较大的正向电流。PN结加反向电压（P区接电源负极，N区接电源正

极）时，反向电阻很大，PN结截止，反向电流基本为零。

1.2.2半导体二极管

在PN结的两端各引出一个电极便构成了半导体二极管。由P区引出的电极称为

阳极或正极，由N区引出的电极称为阴极或负极。二极管的核心实质是一个PN结。

1.二极管的伏安特性

（1）正向特性。正向电压小于死区电压（硅管约为0.5V,错管约为0.2V）时二

极管截止，电流几乎为零。正向电压大于死区电压后二极管导通，电流较大。导通后

的二极管端电压变化很小，基本上是一个常量，硅管约为0.7V,错管约为0.3V。

（2）反向特性。反向电压在一定范围内时二极管截止，电流几乎为零。反向电压

增大到反向击穿电压UBR时，反向电流突然增大，二极管击穿，失去单向导电性。

2.二极管的主要参数

（1）最大整流电流/OM。指二极管长期使用时允许通过的最大正向平均电流。

（2）反向工作峰值电压UDRM。指二极管使用时允许加的最大反向电压。

（3）反向峰值电流/RM。指二极管加上反向峰值电压时的反向电流值。

（4）最高工作频率加。指二极管所能承受的外施电压的最高频率。

二极管在电路中主要用于整流、限幅、钳位等。整流是将输入的交流电压变换为

单方向脉动的直流电压，限幅是将输出电压限制在某一数值以内，钳位是将输出电压

限制在某一特定的数值上。

3.特殊二极管

（1）稳压管。稳压管的反向击穿特性曲线比普通二极管陡，正常工作时处于反

向击穿区，且在外加反向电压撤除后又能恢复正常。稳压管工作在反向击穿区时，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，所以能起稳定电压的作

用。如果稳压管的反向电流超过允许值，将会因过热而损坏，所以与稳压管配合的电

阻要适当，才能起稳压作用。稳压管除用于稳压外，还可用于限幅、欠压或过压保

护、报警等。

（2）光电二极管。光电二极管用于将光信号转变为电信号输出，正常工作时处

于反向工作状态，没有光照射时反向电流很小，有光照射时就形成较大的光电流。

(3)发光二极管。发光二极管用于将电信号转变为光信号输出，正常工作时处

于正向导通状态，当有正向电流通过时，电子就与空穴直接复合而发出光来。

4.二极管应用电路的分析方法

(1)判断二极管是导通还是截止。判断方法是：假设将二极管开路，计算接二

极管阳极处的电位UA和接二极管阴极处的电位UK。当将二极管视为理想元件(即

忽略二极管正向压降和反向漏电流)时，若UA》UK，则接上二极管必然导通，其两

端电压为零。否则接上二极管必然截止，其反向电流为零。当计及二极管的正向压降

UD时，若UA-UK》UD，则接上二极管必然导通，其两端电压通常硅管取0.7V,倍

管取0.2V。否则接上二极管必然截止，其反向电流为零。

(2)由二极管的工作状态画出等效电路，由于在等效电路中不含二极管，故可

根据电路分析方法(如支路电流法、叠加定理、戴维南定理等)分析计算。

例如，在如图1.1(a)所示电路中，设二极管VD的正向电阻为零，反向电阻为

无穷大，试求A点电位UA。

将二极管断开，得电路如图1.1(b)所示，此时A、K两点的电位分别为:

=60x60=40(V)

30+60

60-2°X20-20=20(V)

20+20

因为UAO>UKO，所以如图1.1(a)所示电路中的二极管是导通的，可以用短路

线代替，如图1.1(c)所示，运用节点电压法即可求出A点电位为:

60-2060

一十------+一

U202030=40(V)

A1111

—十—+

20203060

-20V-20V-20V

(a)(b)(C)

图1.1二极管电路计算示例

4

1.2.3双极型三极管

1.结构与工作原理

双极型三极管简称晶体管或三极管，有NPN型和PNP型两种类型。晶体管有发

射区、基区和集电区3个区，从这3个区分别引出发射极E、基极B和集电极C,基

区和发射区之间的PN结称为发射结，基区与集电区之间的PN结称为集电结。

晶体管具有电流放大作用的内部条件是：

(1)发射区的掺杂浓度大，以保证有足够的载流子可供发射。

(2)集电区的面积大，以便收集从发射区发射来的载流子。

(3)基区很薄，且掺杂浓度低，以减小基极电流，即增强基极电流的控制作用。

晶体管实现电流放大作用的外部条件是：发射结正向偏置，集电结反向偏置。对

NPN型晶体管，电源的接法应使3个电极的电位关系为UC>UB>UE。对PNP型晶

体管，则应使UC<UB<UE。

工作于放大状态的晶体管，基极电流/B远小于集电极/c和发射极电流左，只要

发射结电压UBE有微小变化，造成基极电流/B有微小变化，就能引起集电极/c和发

射极电流/E大的变化，这就是晶体管的电流放大作用。

2.特性曲线

晶体管的输入特性曲线/B=/(UBE)|L=常熟与二极管的正向特性曲线相似，也有

同样的死区电压和管压降范围，如图1.2(a)所示。

晶体管的输出特性曲线/C=〃UCE)|/B=常熟是一簇曲线，如图L2(b)所示。根据

晶体管工作状态的不同，输出特性曲线分为放大区、截止区和饱和区3个工作区。晶

体管在不同工作状态下的特点如表1.1所示。

’的饱和区

4匕；80"

3£放\------------60uA

2A大区\—40uA

L___________12^=0

036^UCE(V)

截止区

(b)输出特性曲线

图1.2晶体管的特性曲线

3.主要参数

(1)电流放大系数「和

直流(静态)电流放大系数：下=上~

，B

交流(动态)电流放大系数：夕=△£

小功率晶体管/?“7=50~2()(),大功率管的£值一般较小。选用晶体管时应注

意，。太小的管子放大能力差，而£太大则管子的热稳定性较差，一般以£=100左

右为宜。

(2)反向饱和电流/cBO和穿透电流/cEO。二者的关系为/cEO=(1+尸),CBO，它

们随温度升高而增大，影响电路工作的稳定性。

(3)集电极最大允许电流/CM。集电极电流超过/CM时£值将明显下降。

(4)反向击穿电压U,BR,CEO。基极开路时集电极与发射极之间的最大允许电压。

(6)集电极最大允许耗散功率PcM。fcM=，C°CE。/CM、U<BR>CEO和「CM称为

晶体管的极限参数，由它们共同确定晶体管的安全工作区。

表1.1晶体管在不同工作状态下的特点

工作状态截止放大饱和

发射结反偏发射结正偏发射结正偏

偏置情况

集电结反偏集电结反偏集电结正偏

UBE=0-7V

UBEWO

"BE=0-7V，c=，cs

特点4=。

，C二/B2%s=蓍"

(NPN硅管)/c=o

UCC>UCE>UBE

“CE=Ucc

UcE=°.3V<UBE

4.晶体管工作状态、类型和管脚的判别方法

(1)晶体管的工作状态可根据发射结和集电结的偏置情况判断。对NPN型晶体

管，若UBEWO,则发射结反偏，晶体管工作在截止状态。若UBE>。，则发射结正

偏，这时可再根据集电结的偏置情况判断晶体管是工作在放大状态还是饱和状态，集

电结反偏为放大状态，集电结正偏为饱和状态；也可根据/B与/BS的关系判断，

/</为放大状态，/B2/BS=L■为饱和状态。

D0DO,

(2)晶体管的类型(NPN型还是PNP型，硅管还是错管)和管脚可根据各极

电位来判断。NPN型集电极电位最高，发射极电位最低，即UC>UB>UE，

UBE>。；PNP型集电极电位最低，发射极电位最高，即UC<UB<UE，UBE<。。硅

管基极电位与发射极电位大约相差0.6或0.7V；错管基极电位与发射极电位大约相

差0.2或0.3V。

此外，还可根据各极电流来判断晶体管的管脚以及是NPN型还是PNP型。根据

晶体管各极电流关系/E=/B+/C和/C=QB可知，发射极电流最大，基极电流最小，

6

并且发射极电流从晶体管流出的为NPN型，流入晶体管的为PNP型。

例如，在如图1.3所示的电路中，已知&=lkQ,/?B=l°kQ,Ucc=5V,晶体

管的£=50,C/BE=0.7V,UESMOJV。试分别计算q=—IV,q=iv以及y=3V

时的/B、/c和U。，并指出晶体管所处的工作状态。

当q=-iv时UBE<0，晶体管发射结反偏，工作在截止状态，故有:

，B=。

U°=UCE=UCC=5(V)

当q=iv时UBE>°，晶体管发射结正偏，因而导通，故有：

/S--BE=12122=0.03(mA)

RB10

/c=J3IR=50X0.03=1.5(mA)

UO=UCE=UCC-ICRC=5-1.5X1=3.5(V)

UBC="BE-/E=°”3.5=-2.8<0

计算结果表明，晶体管的发射结正偏，集电结反偏，处于放大状态。

或由：

,81CCCES15-0.33”,人、

/==—x—U.-..U.-=—x------=0.094(mA)

BB及501

得/B</BS，所以晶体管处于放大状态。

当q=3V时UBE>。，晶体管发射结正偏，因而导通，故有：

^-^=3-02=023(mA)

RB10

Ic=/3Ia=50x0.23=11.5(mA)

Uo=UCP=0a.-ICRC=5-11.5xl=-6.5(V)

UBC=UBE-UCE=0.7-(-6.5)=7.2>0

计算结果表明，晶体管的发射结正偏，集电结也正偏，处于饱和状态。因为UCE绝

不可能为负值，所以从计算结果U0=UCE<0也说明晶体管已不处于放大状态，故应处

于饱和状态。当然，也可由/B>/BS知晶体管处于放大状态。此时应为：

U。="CE="CES=°-3(V)

在饱和状态下，集电极电流/C和基极电流/B之间己不存在/c=〃B的关系，这时

的集电极电流/C为：

,Ucc-UCE5-0.3”/“、

Ic=--------=---------=4.7(mA)

Rc1

1.2.4场效应晶体管

绝缘栅型场效应管共有4种类型，它们的特性比较如表1.2所示。

表1.2绝缘栅型场效应管的特性比较

沟结

电源极性

道构符号及电流

转移特性漏极特性

类类方向

型型UDSUGS

,D/2V

D

。呼VT,%s=0V

耗

A，DSS

尽+±

型

SJA4s

0'AUDS

N

1D/D8V

D

j，UGS=6V

增

4V

强++Gf[

型

S

°IUG壶)C-V_________-___-___

AUDS

/D-2V

D

i，%s=0V

耗国

二°[2V

尽-+

型

S

GSv---

^GS(ofl)A°DS

P

【DP-8V

D

|,UGS=-6V

增户

强--Gf

型

S

点hR%5

0------------------------>"DS

8

晶体管与场效应管的区别如表1.3所示。

表1.3晶体管与场效应管比较

比较项目晶体管场效应管

两种不同极性的载流子(电子只有一种极性的载流子(电子

载流子与空穴)同时参与导电，故又或空穴)参与导电，故又称为

称为双极型晶体管单极型晶体管

控制方式电流控制电压控制

类型NPN型和PNP型两种N沟道和P沟道两种

放大参数夕=20~200gm=1~5mA/V

24714。很大

输入电阻=10-10Q较小^s=10~10

输出电阻rCe很大rds很大

热稳定性差好，

制造工艺较复杂简单，成本低，便于集成

对应电极基极-栅极，发射极-源极，集电极-漏极

1.3习题解答

1.1在如图1.4所示的各个电路中，己知直流电压5=3V,电阻R=lkQ,二

极管的正向压降为0.7V,求U。。

图1.4习题1.1的图

分析U。的值与二极管的工作状态有关，所以必须先判断二极管是导通还是截

止。若二极管两端电压为正向偏置则导通，可将其等效为一个0.7V的恒压源；若二

极管两端电压为反向偏置则截止，则可将其视为开路。

解对图1.4(a)所示电路，由于Q=3V,二极管VD承受正向电压，处于导

通状态，故：

=4=0.7(V)

对图1.4(b)所示电路，由于q=3V,二极管VD承受反向电压截止，故：

Ua=—^-t/：=lx3=1.5(V)

R+R2

对图1.4(c)所示电路，由于q=3V,二极管VD承受正向电压导通，故：

Uo=5-(7D=5-0.7=4.3(V)

1.2在如图1.5所示的各个电路中，己知输入电压、=10sin函V,二极管的正向

压降可忽略不计，试分别画出各电路的输入电压出和输出电压〃。的波形。

分析在川和5V电源作用下，分析出在哪个时间段内二极管正向导通，哪个时

间段内二极管反向截止。在忽略正向压降的情况下，正向导通时可视为短路，截止时

可视为开路，由此可画出各电路的输入、输出电压的波形。

图1.5习题1.2的图

解对图1.5(a)所示电路，输出电压“。为：

M

o="i一"R=UD+5

访》5V时二极管VD承受正向电压导通，UD=O，MO=5V；«i<5V时二极管VD

承受反向电压截止，电阻R中无电流，〃R=0,Uo-Ui„输入电压诙和输出电压"o的

波形如图1.6(a)所示。

图1.6习题1.2解答用图

对图1.5(b)所示电路，输出电压"。为：

%=%-UD="R+5

两、5V时二极管VD承受正向电压导通，UD=0，»i；“i<5V时二极管VD承

10

受反向电压截止，电阻R中无电流，"R=0,"o=5V。输入电压出和输出电压“°的波

形如图1.6(b)所示。

对图1.5(c)所示电路，输出电压”。为：

M

o="i_“R—5—t/D

"i》5V时二极管VD承受反向电压截止，电阻R中无电流，MR=0,UO=Ui；

"i<5V时二极管VD承受正向电压导通，UD=0，W0=5V。输入电压切和输出电压uo

的波形如图1.6(c)所示。

1.3在如图1.7所示的电路中，试求下列几种情况下输出端尸的电位UF及各元

件(R、VDA、VDB)中的电流，图中的二极管为理想元件。

(1)t/A=%=0VO

(2)〃=3，UR=0V«

(3)UA=/=3V。

+%c（+6V）

"AU3kQ

A°-----K|---------'------------°F

VDB

B。---笈-----

图1.7习题1.3的图

分析在一个电路中有多个二极管的情况下，一些二极管的电压可能会受到另一

些二极管电压的影响，所以，在判断各个二极管的工作状态时，应全面考虑各种可能

出现的因素。一般方法是先找出正向电压最高和(或)反向电压最低的二极管，正向

电压最高者必然导通，反向电压最低者必然截止，然后再根据这些二极管的工作状态

来确定其他二极管承受的是正向电压还是反向电压。

解(1)因为UA=UB=0V而Ucc=6V,所以两个二极管VDA、VDB承受同样

大的正向电压，都处于导通状态，均可视为短路，输出端尸的电位UF为：

%=/=%=0(V)

电阻中的电流为：

=£CCS£F=6-0=2/A)

RR3

两个二极管VDA、VDB中的电流为：

，DA='DB=54=3乂2=1(mA)

(2)因为UA=3,UB=0V而t/cc=6V,所以二极管VDB承受的正向电压最

高，处于导通状态，可视为短路，输出端产的电位UF为：

/=网=0(V)

电阻中的电流为:

UccUf=6-0=

(mA)

~~R一3一

VDB导通后，VDA上加的是反向电压，VDA因而截止，所以两个二极管VDA、

VDB中的电流为：

/DA=0(mA)

，DB=/R=2(mA)

(3)因为"A=UB=3V而Ucc=6V,所以两个二极管VDA、VDB承受同样大的

正向电压，都处于导通状态，均可视为短路，输出端下的电位UF为：

4=〃=4=3(V)

电阻中的电流为：

,U-U6-3,,人

I=—c^c---p-=---=1(mA)

aR3

两个二极管VDA、VDB中的电流为：

，DA=，DB=5/R=/x1=(mA)

1.4在如图1.8所示的电路中，试求下列几种情况下输出端尸的电位UF及各元

件(R、VDA、VDB)中的电流，图中的二极管为理想元件。

(1)〃=4=0丫。

(2)UA=3V,UB=0O

(3)UA=UB=3V。

VDB

B0——1>----'--------°F

图1.8习题1.4的图

分析本题与上题一样，先判断出两个二极管VDA、VDB的工作状态，从而确

定出输出端尸的电位，再根据输出端尸的电位计算各元件中的电流。

解(1)因为UA=UB=0V，所以两个二极管VDA、VDB上的电压均为0,都

处于截止状态，电阻R中无电流，故：

/DA=，DB=/R=°(mA)

输出端厂的电位UF为：

UF=UR=IRR=0(V)

(2)因为UA=3V,UB=0V，所以二极管VDA承受的正向电压最高，处于导

通状态，可视为短路，输出端/的电位UF为：

12

UF=UA=3(V)

电阻中的电流为:

,°cc-UF6-3,人、

/口=—-----=----=1(mA)

R3

VDA导通后，VDB上加的是反向电压，VDB因而截止，所以两个二极管VDA、

VDB中的电流为：

，DB=0(mA)

，DA=/R=1(mA)

(3)因为UA=UB=3V,所以两个二极管VDA、VDB承受同样大的正向电压,

都处于导通状态，均可视为短路，输出端F的电位小为:

UF=UA="B=3(V)

电阻中的电流为：

两个二极管VDA、VDB中的电流为：

X1=05

/DA=/DB=2/R=2-(mA)

1.5在如图1.9所示的电路中，已知E=10V,e=30sindV试用波形图表示

二极管上的电压«Do

分析设二极管为理想元件，则二极管导通时〃D=0,二极管截止时因电阻R中

无电流，“D=e+E,因此，判断出二极管VD在如和E作用下哪个时间段内导通，

哪个时间段内截止，即可根据“D的关系式画出其波形。

解设二极管为理想元件，则当e+E20,即e2-E=-10V时二极管导通，

HD=0：当e+E<0,即e<-E=—IOV时二极管截止，=e+E=30sinm+10V。由此

可画出“D的波形，如图1.10所示。

“D(V)

40

20

E

0

图L9习题1.5的图图1.10习题1.5解答用图

1.6在如图1.11所示的电路中，已知E=20V,R|=900Q,稳压

管VDz的稳定电压Uz=1。丫，最大稳定电流/ZM=8mA。试求稳压管中通过的电流

/z，并判断/z是否超过/ZM?如果超过，怎么办？

分析稳压管工作于反向击穿区时，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，所以能起稳压的作用。但与稳压管配合的电阻要适当，否则，要么

使稳压管的反向电流超过允许值而过热损坏，要么使稳压管因为没有工作在稳压区而

不能稳压。

KVD；

图1.11习题1.6的图

解设稳压管VDz工作正常，则电阻心和心中的电流分别为:

=------«9.09(mA)

1100

稳压管中通过的电流/z为：

/z=/1-7,»11.1-9.09=2.02(mA)

可见，Z＜，ZM。

如果/z超过/ZM，则应增大心,也可减小R2。但穴2一般是负载电阻，不能随意

改变，若以不能变，则应限制的最大值，或另选稳压管。

1.7有两个稳压管VDzi和VDZ2，其稳定电压分别为5.5V和8.5V,正向压降

都是0.5V,如果要得到0.5V、3V、6V、9V和14V几种稳定电压，这两个稳压

管(还有限流电阻)应该如何连接，画出各个电路。

分析稳压管工作在反向击穿区时，管子两端电压等于其稳定电压；稳压管工作

在正向导通状态时，管子两端电压等于其正向压降。因此，可通过两个稳压管的不同

组合来得到不同的稳定电压.

解应按如图11.12(a)〜(e)所示各个电路连接，可分别得到上述几种不同

的稳定电压，图中的电阻均为限流电阻。

-------O

VDzi本

(a)(b)

14

图1.12习题1.6的图

1.8在一放大电路中，测得某晶体管3个电极的对地电位分别为-6V、-3V、-3.2V,

试判断该晶体管是NPN型还是PNP型？错管还是硅管？并确定3个电极。

分析晶体管的类型(NPN型还是PNP型，硅管还是错管)和管脚可根据各极

电位来判断。NPN型集电极电位最高，发射极电位最低，即UC>UB>UE，

URE>0；PNP型集电极电位最低，发射极电位最高，即UC<UB<UE，"BE<0。硅

管基极电位与发射极电位大约相差0.6或0.7V；错管基极电位与发射极电位大约相

差0.2或0.3V。

解设晶体管3个电极分别为1、2、3,即U1=-6V、%=-3V、U3=-3.2V»

因为2、3两脚的电位差为0.2V,可判定这是一个错管，且1脚为集电极。由于集电

极电位最低，可判定这是一个PNP型管。又由于2脚电位最高，应为发射极，而3

脚为基极。因为发射极与基极之间的电压UBE=U3-4=-3.2-(-3)=-0.2V,基极与

集电极之间的电压UBC=U3-G=-3.2-(-6)=2.8V,可见发射结正偏，集电结反偏，

晶体管工作在放大状态•综上所述，可知这是