第 第 4 4 章 章 半导体二极管、三极管和场效应管

4.1 　 PN 结4.2 　半导体二极管4.3 　双极型晶体管

一 半导体

（一）半导体基本知识1. 导体、绝缘体、半导体：物质导电能力的强弱——可用电阻率（ ρ ）表示

① 导体：导电能力强的物质（ ρ<10-3Ω*cm ） 利用自由电子导电② 绝缘体：导电能力弱的物质（ ρ> 106Ω*cm ）③ 半导体：常温下 (27℃) 导电能力居于导体及绝缘体之间的物质如，纯硅（ Si ）、纯锗 (Ge) 。

（二）半导体的晶体结构 制作半导体件最常用的材料：硅（ Si ）、锗（ Ge ）

① 晶体：原子按一定规律整齐排列的物质单晶体：原子与原子之间通过共价键连接起来

第一节　第一节　 PNPN 结结

GeSi

通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。

现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。

硅 ( 锗 ) 的原子结构

简化模型

惯性核

硅 ( 锗 ) 的共价键结构

价电子

自由电子

( 束缚电子 )

空穴

空穴

空穴可在共价键内移动

（一）本征半导体：纯净的单晶结构的半导体受惯性核束缚的价电子在绝对温度零度 (0°K) 即 -273℃ 之下→ 本征半导体硅（锗）的全部价电子都为束缚电子 与理想绝缘体一样不能导电。自由电子：价电子获得足够的能量挣脱惯性核的束缚 ( 温度 >0 ° K 时 )带负电荷的物质——又称电子载流，这是由热激发而来的空穴：价电子成为自由电子时 , 原共价键留下了一个空位—— 带正电荷的物质，即空穴载流子。

二半导体的导电原理

本征激发：共价键分裂产生电子空穴对的过程本征激发：共价键分裂产生电子空穴对的过程

复 合：复 合：　　自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程。

平 衡：平 衡：在一定条件下，激发与复合的过程达到动态平衡——本征半导体的自由电子和空穴的数目保持平衡。

　　在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位 ( 空穴 ) 的过程。

载流子浓度：单位体积半导体中载流子的数目（个 /m3 ） 本征半导体内电子载流子浓度（ Ni ） = 空穴载流子浓度（ Pi ） 本征载流子浓度 =Ni+Pi （其值甚微）——即载流子浓度甚低 本征半导体内的载流子浓度很低→导电能力很弱， 故不能用来直接制作半导体器件

两种载流子电子 ( 自由电子 )

空穴

两种载流子的运动自由电子 ( 在共价键以外 ) 的运动 空穴 ( 在共价键以内 ) 的运

动

结论：1. 本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少； 2. 半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电； 3. 本征半导体导电能力弱，并与温度有关。

（二） 杂质半导体1 、 N 型半导体：在本征半导体中掺入五价元素（磷）——增大自由电子浓度N

型

+5

+4 +4+4

+4+4

磷原子 自由电子

电子为多数载流子

空穴为少数载流子

载流子数 电子数

2 、 P 型半导体：在本征半导体中掺入三价元素（硼）——增大空穴浓度

P 型

+3

+4 +4+4

+4+4

硼原子 空穴

空穴 — 多子

电子 — 少子

载流子数 空穴数

① 漂移运动：——漂移电流

载流子在电场作用下定向运动所形成的电流。自由电子：从低→高电位漂移形成电流 ( 方向与电场方向相反 )

空穴：从高→低电位漂移形成电流（方向与电场方向相同）电场强 、漂移速度高、载流子浓度大 = 总漂移电流大。

② 扩散电流：物质由高浓度的地方向低浓度的地方运动所形成的电流。浓度差越大→扩散能力越强→扩散电流越大扩散电流大小→同载流子浓度差或扩散运动快慢成正比

（三）载流子的漂移运动和扩散运动

3. 扩散和漂移达到动态平衡

扩散电流 等于漂移电流，

总电流 I = 0 。

三、 PN 结 (PN Junction) 的形成P 型、 N 型半导体的简化图示

负离子

多数载流子 少数载流子（电子）

正离子

多数载流子 少数载流子

P 型

N 型

1. 载流子的浓度差引起多子的扩散

2. 复合使交界面形成空间电荷区( 耗尽层 ) 空间电荷区特点 :无载流子， 阻止扩散进行，利于少子的漂移。

内建电场

P N

P 区 N 区内电场外电场

外电场使多子向 PN 结移动 ,中和部分离子使空间电荷区变窄。

IF

限流电阻

扩散运动加强形成正向电流 IF 。IF = I 多子 I 少子 I 多子

2. 外加反向电压 ( 反向偏置 ) — reverse bias

P 区 N 区内电场外电场

外电场使少子背离 PN 结移动， 空间电荷区变宽。

IR

PN 结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大 ; 反偏截止，电阻很大，电流近似为零。

漂移运动加强形成反向电流 IR

IR = I 少子 0

四、 PN 结的特性（一） PN 结的单向导电性 1. 外加正向电压 ( 正向偏置 )

1 、 PN 结加正向电压

当 P 区接“ +” ，N 区接“ -” ，称为 PN 结正向偏置（正偏）。

PN 结呈导通状态，电阻很小。

2 、 PN结加反向电压 当N区接“ +”，P区接“ -”，称为 PN 结反向偏置（反偏）。 PN结呈截止状态，只有反向饱和电流流过，电阻很大。

结论：

（二） PN 结的伏安特性

)1e( /S TUuII

反向饱和电流

温度的电压当量

q

kTUT

电子电量

玻尔兹曼常数

当 T = 300(27C) ：

UT = 26 mV

Ou /V

I /mA

正向特性反向击穿

加正向电压时

加反向电压时 i≈–IS

( 四） PN 结的极间电容电容由两部分组成：势垒电容 CB 和扩散电容 CD 。势垒电容：是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压使 PN 结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当 PN 结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。

扩散电容：是由多子扩散后，在PN 结的另一侧面积累而形成的。因 PN 结正偏时，由 N 区扩散到P 区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在 P 区内紧靠 PN 结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。

P

+ -N

第二节　第二节　半导体二极管半导体二极管

2.1 半导体二极管的结构和类型

2.2 二极管的伏安特性2.3 二极管的主要参数

2.4 二极管的等效电路及应用

2.5 稳压二极管

一、半导体二极管的结构和类型

构成：PN 结 + 引线 + 管壳 = 二极管 (Diode)

符号：D 阳极 阴极

分类：

按材料分硅二极管锗二极管

按结构分点接触型面接触型平面型

点接触型

正极引线

触丝

N 型锗片

外壳

负极引线

负极引线 面接触型

N 型锗

PN 结

正极引线铝合金小球

底座

金锑合金

正极引线

负极引线

集成电路中平面型

PN

P 型支持衬底

二、二极管的伏安特性

OuD /V

iD /mA

正向特性

Uth

死区电压

iD = 0

Uth = 0.5 V 0.1 V

( 硅管 )( 锗管 )

U Uth iD 急剧上升

0 U Uth

UD(on) = (0.6 1) V 硅管 0.7 V(0.2 0.5) V 锗管 0.2 V

反向特性

ISU (BR)

反向击穿

U(BR) U 0 iD = IS < 0.1 A( 硅 ) 几十 A ( 锗 )

U < U(BR)反向电流急剧增大 ( 反向击穿 )

反向击穿类型：电击穿热击穿反向击穿原因： 齐纳击穿：(Zener)

反向电场太强，将电子强行拉出共价键。 (击穿电压 < 6 V ，负温度系数 )

雪崩击穿：反向电场使电子加速，动能增大，撞击使自由电子数突增。

— PN 结未损坏，断电即恢复。— PN 结烧毁。反向电流过大， PN 结温度升高

(击穿电压 > 6 V ，正温度系数)特点：随着反向电流急剧增加， PN 结的反向电压值增加很少。

电击穿电击穿

硅管的伏安特性 锗管的伏安特性

60

40

20

– 0.02

– 0.04

0 0.4 0.8–25–50

iD / mA

uD / V

iD / mA

uD / V0.2 0.4

– 25– 505

10

15

–0.01

–0.02

0

温度对二极管特性的影响

60

40

20

– 0.02

0 0.4

–25–50

iD / mA

uD / V

20C90C

T 升高时，UD(on) 以 (2 2.5) mV/ C 下降

三、 二极管的主要参数

1. IF — 最大整流电流 ( 最大正向平均电流 )2. URM — 最高反向工作电压，为 U(BR) / 2 3. IR — 反向电流 ( 越小单向导电性越好 )4. fM — 最高工作频率 (超过时单向导电性变差 )

iD

uD

U (BR)

I F

URMO

1. 最大整流电流 IF

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. 反向击穿电压 UBR

二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压 UR 一般是 UBR 的一半。

3. 反向电流 IR

指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是

主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。下面介绍两个交流参数。

四、二极管的等效电路及应用

（一）、理想二极管特性

uD

iD

符号及等效模型 S S

正偏导通， uD = 0 ；反偏截止， iD = 0 U(BR) =

（二）、二极管正向压降等效电路

uD

iD

UD(on)

uD = UD(on)

0.7 V (Si)

0.2 V (Ge)

（三）二极管电路的分析方法

构成的桥式整流电路在 ui = 15sint (V) 作用下输出 uO 的波形。

(按理想模型 )

O t

ui / V

15

RL

D1

D4

D2

D3

ui BA uO

O t

uO/ V15

3. 参数估算1) 整流输出电压平均值

)(d)sin(21

0 O ttUU

UU 9.022

2) 二极管平均电流

L

OOD 22

1

R

UII

L

45.0R

U

3) 二极管最大反向压UUDR 2

to

to

to

to

2 3

2 3

Im

2

2

3

3

uO

u2

uD

iD = iO

22U

22U

U2

负载电阻 RL中流过的电流 iO的平均值 IO为

LL

OO R

U

R

UI 9.0

二极管组成的限幅电路：当 U 》 0 且 U 》 UR+UD 时，二极管 D 导通，

开关闭合，输出电压 U0=UD+UR 。当 U 《 UR+UC 时，二极管 D 截

止，开关断开，输出电压 U0=U 。波形图如下：

五、稳压二极管

U

I

IZ

IZmaxUZ

IZ

稳压误差

曲线越陡，电压越稳定。

+

-

UZ

动态电阻：

Z

Z

IU

Zr

rz 越小，稳压性能越好。

一、结构二、特性

利用 PN 结的反向击穿特性实现稳压作用

稳压管反向击穿后：反向电流变化很大、反向击穿电压变化很小

稳压管反向击穿后：反向电流变化很大、反向击穿电压变化很小

主要参数1. 稳定电压 UZ 流过规定电流时稳压管 两端的反向电压值。2. 稳定电流 IZ 越大稳压效果越好， 小于 Imin 时不稳压。

3. 最大工作电流 IZM

最大耗散功率 PZM

P ZM = UZ IZM

4. 动态电阻 rZ

rZ = UZ / IZ 越小稳压效果越好。

几 几十

5. 稳定电压温度系数 CT

%100Z

Z

T

T

UU

C一般，

UZ < 4 V ， CTV < 0 ( 为齐纳击穿 )具有负温度系数；

UZ > 7 V ， CTV > 0 ( 为雪崩击穿 )具有正温度系数；

4 V < UZ < 7 V ， CTV 很小。

稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。若正向偏置可作为理想二极管正向偏置工作，当反向偏置电压小于UZ 时，稳压管截止。

(c)

当 U>UZ 时，稳压管 DZ 击穿稳压。流过

稳压管的电流为： 。

适当选择参数 RZ 的阻值，使流过稳压

——管的电流在稳压管参数 稳定电流 IZ

和最大电流 IZM 之间

ZZ RUUI /）（

U

电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管；其次是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，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。

第三节　双极型晶体第三节　双极型晶体管管

3.1 晶体管的结构和类型

3.3 晶体管的特性曲线

3.4 晶体三极管的主要参数

3.2 晶体管的电流分配关系和放大作用

3.5 温度对晶体管参数的影响

晶体三极管一、结构、符号和分类

N

N

P

发射极 E

基极 B

集电极 C

发射结

集电结— 基区

— 发射区

— 集电区

emitter

base

collector

NPN 型

P

P

N

E

B

C

PNP 型E

C

B

E

C

B

分类：

按材料分： 硅管、锗管

按功率分： 小功率管 < 500 mW

按结构分： NPN 、 PNP

按使用频率分： 低频管、高频管

大功率管 > 1 W

中功率管 0.5 1 W

二、晶体管电流分配关系和放大作用

三极管放大的条件

内部条件

发射区掺杂浓度高于集电区，集电区掺杂浓度高于基区基区薄且掺杂浓度低集电结面积大

外部条件

发射结正偏集电结反偏

（一）晶体管内部载流子的运动1) 发射区向基区注入多子电子， 形成发射极电流 IE 。I CN

多数向 BC 结方向扩散形成 ICN 。

IE

少数与空穴复合，形成 IBN 。I BN

基区空穴来源

基极电源提供 (IB)集电区少子漂移 (ICBO)

I CBO

IB

IBN IB + ICBO即：IB = IBN – ICBO

2) 电子到达基区后(基区空穴运动因浓度低而忽略 )

I CN

IE

I BN

I CBO

IB

3) 集电区收集扩散过 来的载流子形成集 电极电流 IC

IC

I C = ICN + ICBO

（二）晶体管的电流分配关系

　　当管子制成后，发射区载流子浓度、基区宽度、集电结面积等确定，故电流的比例关系确定，即：

IB = I BN ICBO IC = ICN + ICBO

BN

CN

I

I

CEOBCBOBC )1( IIIII 穿透电流

CBOB

CBOC

II

II

IE = IC + IB

CEOBC III

BCE III

BC II

BE )1( II

CEOBE )1( III

1. 满足放大条件的三种电路

uiuo

CE

B E

CB

ui

uo

E

C

B

ui

uo

共发射极 共集电极共基极

（三） 晶体管的放大作用

（四）关于 PNP 型晶体管要保证发射结正偏，集电结反偏，外加电 源极性应与 NPN 管相反。

VCCVCC

+

-

P

P

N

VBBVBB

+

-

P N

N

图 三极管外加电源的极性

若规定 PNP 中各极电流 IB 、 IC 、 IE 的方向与实际方向一致，而电压 UBE仍为 b e,UCE仍为 c e,则 UBE 与 UCE 与实际方向相反。此时有 IB 、 IC 、 IE 为正值， UBE 和UCE 将为负值。（—）

（—）

（ + ）

（ + ）

UCE

UBE

IB

IC

IE

UCE

UBE

IB

IC

IE

+

+

——

（实际方向） （规定正方向）

NPN 管 PNP 管 截止区 放大区 饱和区

结的偏置 发射结反偏集电结反偏

发射结正偏集电结正偏集电结反偏发射结正偏

电流关系

IB 、 IC 、IE

IE= IB + IC

=•IB 0

=•IC 0

电位关系

UB 、 UC 、UE

UB < UE

UB > UE

UB < UC

UB > UC

UB > UE

UB < UE

UB > UC

UB < UC

UC>UB > UE

UC<UB < UE

=•IC β IB

IC = β IB+

(1+β) ICEO

IC= βIB

IB > IBS

IBS=ICS

β

NPN 与 PNP 管的情况如下：

( 一 ) 、输入特性

输入回路

输出回路常数

CE

)( BEB uufi

0CE u

与二极管特性相似

三、晶体管的特性曲线电流： I c+I B=I E

电压： U CE=UBE -UBC

i

BEu

Bi

O

0CE uV 1CE u

0CE u

V 1CE u 特性基本重合 ( 电流分配关系确定 )

特性右移 (因集电结开始吸引电子 )

导通电压 UBE(on)硅管： (0.6 0.8) V锗管： (0.2 0.3) V

取 0.7 V取 0.2 V

特点：增加 UCE ，曲线右移、 ib减小、继续增大 UCE ，曲线和 ib 不变

（二）、输出特性

常数

B)( CEC i

ufi

iC / mA

uCE /V

50 µA

40 µA

30 µA

20 µA

10 µA

IB = 0O 2 4 6 8

4

3

2

1

1. 截止区： IB 0 IC = ICEO 0

条件：两个结反偏截止区ICEO

2. 饱和区：

uCE （饱和压降） u B

EuBE> 0 、 u BC >0

条件：两个结正偏特点： IC IB

临界饱和时： uCE = uBE

深度饱和时：

0.3 V ( 硅管 )UCE(SAT)=

0.1 V ( 锗管 )

放大区

截止区

饱和区

ICEO

固定 iB 不变时， iC随 uCE 的增大而迅速增加

固定 iB 不变时， iC随 uCE 的增大而迅速增加

iC / mA

uCE /V

50 µA

40 µA

30 µA

20 µA

10 µA

IB = 0O 2 4 6 8

4

3

2

1

3. 放大区：

CEOBC III 放大区

截止区

条件： 发射结正偏 集电结反偏特点：

ICEO

I B >0, UCE > UBE

uBE> 0 、 u BC >0

固定 iB 不变情况下： iC基本不随uCE 的变化，而随 iB 的变化而变化

固定 iB 不变情况下： iC基本不随uCE 的变化，而随 iB 的变化而变化

iC / mA

uCE /V

50 µA

40 µA

30 µA

20 µA

10 µA

IB = 0O 2 4 6 8

4

3

2

1

四、晶体管的主要参数（一）、电流放大系数

1. 共发射极电流放大系数

— 直流电流放大系数

B

C

CBOB

CBOC

BN

CN

I

I

II

II

I

I

— 交流电流放大系数

Bi

iC 一般为几十 几百

Q

82A1030

A1045.26

3

8010

8.0

A1010

A10)65.145.2(6

3

iC / mA

uCE /V

50 µA

40 µA

30 µA

20 µA

10 µA

IB = 0O 2 4 6 8

4

3

2

1

2. 共基极电流放大系数

11BC

C

E

C

II

I

I

I

1 一般在 0.98 以上。

988.0180

80

（二）、极间反向电流

CB 极间反向饱和电流 ICBO ，CE 极间反向饱和电流 ——穿透电流： ICEO 。

c

μA

ICBO

b e

c

e

μA

ICEO

b

ICBO

1 、集电极和基极之间的反向饱和电流 ICEO

2 、集电极和发射极之间的穿透电流

发射极开路

基极开路

（三）、极限参数

1. ICM — 集电极最大允许电流，超过时 值明显降低。

2. PCM — 集电极最大允许功率损耗 PC = iC uCE 。

iC

ICM

U(BR)CEOuCE

PCM

OICEO

安全

工 作

区

U(BR)CBO — 发射极开路时 C 、 B 极间反向击穿电压。

3. U(BR)CEO — 基极开路时 C 、 E 极间反向击穿电压。

U(BR)EBO — 集电极极开路时 E 、 B 极间反向击穿电压。

U(BR)CBO> U(BR)CEO > U(BR)EBO

集电极最大电流 ICM

集电极电流 IC上升会导致三极管的值的下降，当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为 ICM 。

集 -射极反向击穿电压当集 ---射极之间的电压 UCE超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25C 、基极开路时的击穿电压 U(BR)CEO 。

注意：

五、温度对特性曲线的影响

1. 温度对 ICBO 的影响 温度升高，输入特性曲线向左移。

温度每升高 1C ， UBE (2 2.5) mV 。

温度每升高 10C ， ICBO 约增大 1 倍。

BEu

Bi

O

T2 >T1

100

0

2)()(TT

CBOCBO TITI

2. 温度对 的影响 温度升高，输出特性曲线向上移。iC

uCE

T1

iB = 0

T2 >

iB = 0iB = 0

温度每升高 1C ， (0.5 1)% 。

输出特性曲线间距增大。

O

CTc

00

/)%15.0(25

1

）（

3. 温度对基极、射极间正向电压 UBE 的影响

))()(5.28.1()()( 00 mVTTTuTu BEBE

温度升高、 NPN 管子的 uBE 减小，输入曲线左移

国家标准对半导体三极管的命名如下 :3 D G 110 B

第二位： A 锗 PNP 管、 B 锗 NPN 管、 C 硅 PNP 管、 D 硅 NPN 管

第三位： X 低频小功率管、 D 低频大功率管、 G 高频小功率管、 A 高频大功率管、 K 开关管

用字母表示材料 用字母表示器件的种类 用数字表示同种器件型号的序号 用字母表示同一型号中的不同规格

三极管

半导体三极管的型号

例如： 3AX31D 、 3DG123C、 3DK100B

- 第四章 完