電工電子學（電子技術）

教學課件

模擬電子技術——半導體器件（9）；放大電路（10）；集成運算放大器（11）；直流電源（12）數字電子技術——數字電路基礎（13）；組合電路（14）；時序電路（15）；

模數轉換（16）第9章二極管和晶體管9.3半導體二極管9.4穩壓二極管9.5雙極晶體管9.2PN結9.1半導體的導電特性9.6光電器件本章要求：

1.理解PN結的單向導電性，三極管的電流分配和電流放大作用；

2.了解二極管、穩壓管和三極管的基本構造、工作原理和特性曲線，理解主要參數的意義；

3.會分析含有二極管的電路。第9章二極管和晶體管

學會用工程觀點分析問題，就是根據實際情況，對器件的數學模型和電路的工作條件進行合理的近似，以便用簡便的分析方法獲得具有實際意義的結果。

對電路進行分析計算時，只要能滿足技術指標，就不要過分追究精確的數值。器件是非線性的、特性有分散性、RC的值有誤差、工程上允許一定的誤差、采用合理估算的方法。

對于元器件，重點放在特性、參數、技術指標和正確使用方法，不要過分追究其內部機理。討論器件的目的在于應用。9.1

半導體的導電特性半導體的導電特性：(可做成溫度敏感元件，如熱敏電阻)。摻雜性：往純凈的半導體中摻入某些雜質，導電能力明顯改變(可做成各種不同用途的半導體器件，如二極管、三極管和晶閘管等）。光敏性：當受到光照時，導電能力明顯變化(可做成各種光敏元件，如光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管等)。熱敏性：當環境溫度升高時，導電能力顯著增強9.1.1

本征半導體完全純凈的、具有晶體結構的半導體，稱為本征半導體。晶體中原子的排列方式硅單晶中的共價健結構共價健共價鍵中的兩個電子，稱為價電子。

Si

Si

Si

Si價電子

Si

Si

Si

Si價電子

價電子在獲得一定能量（溫度升高或受光照）后，即可掙脫原子核的束縛，成為自由電子（帶負電），同時共價鍵中留下一個空位，稱為空穴（帶正電）。這一現象稱為本征激發。空穴溫度愈高，晶體中產生的自由電子便愈多。自由電子在外電場的作用下，空穴吸引相鄰原子的價電子來填補，而在該原子中出現一個空穴，其結果相當于空穴的運動（相當于正電荷的移動）。本征半導體的導電機理

當半導體兩端加上外電壓時，在半導體中將出現兩部分電流

(1)自由電子作定向運動電子電流

(2)價電子遞補空穴空穴電流注意：

(1)本征半導體中載流子數目極少,其導電性能很差；

(2)溫度愈高，載流子的數目愈多,半導體的導電性能也就愈好。所以，溫度對半導體器件性能影響很大。自由電子和空穴都稱為載流子。

自由電子和空穴成對地產生的同時，又不斷復合。在一定溫度下，載流子的產生和復合達到動態平衡，半導體中載流子便維持一定的數目。9.1.2N型半導體和P型半導體

摻雜后自由電子數目大量增加，自由電子導電成為這種半導體的主要導電方式，稱為電子半導體或N型半導體。摻入五價元素

Si

Si

Si

Sip+多余電子磷原子在常溫下即可變為自由電子失去一個電子變為正離子在本征半導體中摻入微量的雜質（某種元素）,形成雜質半導體。

在N

型半導體中自由電子是多數載流子，空穴是少數載流子。9.1.2N型半導體和P型半導體

摻雜后空穴數目大量增加，空穴導電成為這種半導體的主要導電方式，稱為空穴半導體或P型半導體。摻入三價元素

Si

Si

Si

Si

在P型半導體中空穴是多數載流子，自由電子是少數載流子。B–硼原子接受一個電子變為負離子空穴無論N型或P型半導體都是中性的，對外不顯電性。

1.在雜質半導體中多子的數量與

（a.摻雜濃度、b.溫度）有關。

2.在雜質半導體中少子的數量與（a.摻雜濃度、b.溫度）有關。

3.當溫度升高時，少子的數量

（a.減少、b.不變、c.增多）。abc

4.在外加電壓的作用下，P型半導體中的電流主要是

，N型半導體中的電流主要是。（a.電子電流、b.空穴電流）ba9.2PN結9.2.1

PN結的形成多子的擴散運動內電場少子的漂移運動濃度差P型半導體N型半導體內電場越強，漂移運動越強，而漂移使空間電荷區變薄。擴散的結果使空間電荷區變寬。空間電荷區也稱PN結擴散和漂移這一對相反的運動最終達到動態平衡，空間電荷區的厚度固定不變。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空間電荷區9.2.2PN結的單向導電性

1.PN結加正向電壓（正向偏置）PN結變窄

P接正、N接負外電場IF內電場被削弱，多子的擴散加強，形成較大的擴散電流。

PN結加正向電壓時，PN結變窄，正向電流較大，正向電阻較小，PN結處于導通狀態。內電場PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–PN結變寬2.PN結加反向電壓（反向偏置）外電場內電場被加強，少子的漂移加強，由于少子數量很少，形成很小的反向電流。IR

P接負、N接正溫度越高少子的數目越多，反向電流將隨溫度增加。–+

PN結加反向電壓時，PN結變寬，反向電流較小，反向電阻較大，PN結處于截止狀態。內電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－9.3

半導體二極管9.3.1基本結構(a)點接觸型(b)面接觸型

結面積小、結電容小、正向電流小。用于檢波和變頻等高頻電路。結面積大、正向電流大、結電容大，用于工頻大電流整流電路。(c)平面型

用于集成電路制作工藝中。PN結結面積可大可小，用于高頻整流和開關電路中。陰極引線陽極引線二氧化硅保護層P型硅N型硅(

c

)平面型金屬觸絲陽極引線N型鍺片陰極引線外殼(

a

)點接觸型鋁合金小球N型硅陽極引線PN結金銻合金底座陰極引線(

b

)面接觸型圖1–12半導體二極管的結構和符號9.3

半導體二極管二極管的結構示意圖陰極陽極(

d

)符號D9.3.2伏安特性硅管0.5V鍺管0.1V反向擊穿電壓U(BR)導通壓降

外加電壓大于死區電壓二極管才能導通。外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向導電性。正向特性反向特性特點：非線性硅0.6~0.8V鍺0.2~0.3VUI死區電壓PN+–PN–+反向電流在一定電壓范圍內保持常數。9.3.3主要參數1.

最大整流電流

IOM二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。2.

反向工作峰值電壓URWM是保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓，一般是二極管反向擊穿電壓UBR的一半或三分之二。二極管擊穿后單向導電性被破壞，甚至過熱而燒壞。3.

反向峰值電流IRM指二極管加最高反向工作電壓時的反向電流。反向電流大，說明管子的單向導電性差，IRM受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流較大，為硅管的幾十到幾百倍。二極管的單向導電性

1.二極管加正向電壓（正向偏置，陽極接正、陰極接負）時，二極管處于正向導通狀態，二極管正向電阻較小，正向電流較大。

2.二極管加反向電壓（反向偏置，陽極接負、陰極接正）時，二極管處于反向截止狀態，二極管反向電阻較大，反向電流很小。

3.外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向導電性。

4.二極管的反向電流受溫度的影響，溫度愈高反向電流愈大。

二極管電路分析舉例定性分析：判斷二極管的工作狀態導通截止否則，正向管壓降硅0.6~0.7V鍺0.2~0.3V分析方法：將二極管斷開，分析二極管兩端電位的高低或所加電壓UD的正負。若V陽

>V陰或UD為正(正向偏置)，二極管導通若V陽

<V陰或UD為負(反向偏置)，二極管截止若二極管是理想的，正向導通時正向管壓降為零，反向截止時二極管相當于斷開。電路如圖，求：UAB

V陽

=－6VV陰=－12VV陽>V陰二極管導通若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB=－6V否則，UAB低于－6V一個管壓降，為－6.3Ｖ或－6.7V例1：

取B點作參考點，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。在這里，二極管起鉗位作用。

D6V12V3kBAUAB+–兩個二極管的陰極接在一起取B點作參考點，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。V1陽

=－6V，V2陽=0V，V1陰

=V2陰=－12VUD1=6V，UD2=12V

∵

UD2>UD1

∴D2優先導通，D1截止。若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB

=0V例2:D1承受反向電壓為－6V流過D2

的電流為求：UAB在這里，D2起鉗位作用，D1起隔離作用。

BD16V12V3kAD2UAB+–ui>8V，二極管導通，可看作短路uo=8V

ui<8V，二極管截止，可看作開路uo=ui已知：二極管是理想的，試畫出uo

波形。8V例3：二極管的用途：

整流、檢波、限幅、鉗位、開關、元件保護、溫度補償等。ui18V參考點二極管陰極電位為8VD8VRuoui++––9.4

穩壓二極管1.符號UZIZIZMUZ

IZ2.伏安特性穩壓管正常工作時加反向電壓使用時要加限流電阻穩壓管反向擊穿后，電流變化很大，但其兩端電壓變化很小，利用此特性，穩壓管在電路中可起穩壓作用。_+UIO3.主要參數(1)

穩定電壓UZ

穩壓管正常工作(反向擊穿)時管子兩端的電壓。(2)

電壓溫度系數ｕ環境溫度每變化1C引起穩壓值變化的百分數。(3)

動態電阻(4)

穩定電流IZ、最大穩定電流IZM(5)

最大允許耗散功率PZM=UZIZMrZ愈小，曲線愈陡，穩壓性能愈好。9.5

半導體三極管9.5.1基本結構晶體管的結構(a)平面型；(b)合金型BEP型硅N型硅二氧化碳保護膜銦球N型鍺N型硅CBECPP銦球(a)(b)9.5

半導體三極管晶體管的結構示意圖和表示符號(a)NPN型晶體管；(a)NNCEBPCETBIBIEIC(b)BECPPNETCBIBIEIC(b)PNP型晶體管CE發射區集電區基區集電結發射結NNP基極發射極集電極BCE發射區集電區基區P發射結P集電結N集電極發射極基極B基區：最薄，摻雜濃度最低發射區：摻雜濃度最高發射結集電結BECNNP基極發射極集電極結構特點：集電區：面積最大9.5.2電流分配和放大原理1.三極管放大的外部條件BECNNP發射結正偏、集電結反偏

PNP發射結正偏

VB<VE集電結反偏VC<VB從電位的角度看：

NPN

發射結正偏VB>VE集電結反偏VC>VB

EBRBECRC晶體管電流放大的實驗電路設EC=6V，改變可變電阻RB,則基極電流IB、集電極電流IC和發射極電流IE都發生變化，測量結果如下表：2.各電極電流關系及電流放大作用mAAVVmAICECIBIERB+UBE+UCEEBCEB3DG100晶體管電流測量數據IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.10<0.0010.701.502.303.103.95<0.0010.721.542.363.184.05結論:(1)IE=IB+IC符合基爾霍夫定律(2)IC

IB

，

IC

IE

(3)IC

IB

把基極電流的微小變化能夠引起集電極電流較大變化的特性稱為晶體管的電流放大作用。

實質:

用一個微小電流的變化去控制一個較大電流的變化，是CCCS器件。+UBE

ICIEIB

CTEB+UCE(a)NPN型晶體管；+UBE

IBIEICCTEB+UCE電流方向和發射結與集電結的極性(4)要使晶體管起放大作用，發射結必須正向偏置，集電結必須反向偏置。(b)PNP型晶體管3.三極管內部載流子的運動規律BECNNPEBRBECIEIBEICEICBO

基區空穴向發射區的擴散可忽略。發射結正偏，發射區電子不斷向基區擴散，形成發射極電流IE。

進入P區的電子少部分與基區的空穴復合，形成電流IBE，多數擴散到集電結。從基區擴散來的電子作為集電結的少子，漂移進入集電結而被收集，形成ICE。集電結反偏，有少子形成的反向電流ICBO。3.三極管內部載流子的運動規律IC=ICE+ICBOICEICIBBECNNPEBRBECIEIBEICEICBOIB=IBE-ICBOIBE

ICE與IBE之比稱為共發射極電流放大倍數集－射極穿透電流,溫度ICEO(常用公式)若IB=0,則

ICICE09.5.3

特性曲線即管子各電極電壓與電流的關系曲線，是管子內部載流子運動的外部表現，反映了晶體管的性能，是分析放大電路的依據。為什么要研究特性曲線：

(1)直觀地分析管子的工作狀態(2)合理地選擇偏置電路的參數,設計性能良好的電路重點討論應用最廣泛的共發射極接法的特性曲線發射極是輸入回路、輸出回路的公共端共發射極電路輸入回路輸出回路

測量晶體管特性的實驗線路mAAVVICECIBRB+UBE+UCEEBCEB3DG1001.

輸入特性特點:非線性正常工作時發射結電壓：NPN型硅管

UBE0.6~0.7VPNP型鍺管

UBE0.2~0.3V3DG100晶體管的輸入特性曲線O0.40.8IB/AUBE/VUCE≥1V60402080死區電壓：硅管0.5V，鍺管0.1V。2.輸出特性共發射極電路ICEC=UCCIBRB+UBE+UCEEBCEBIC/mAUCE/V100μA80μA60μA40μA20μA

O3691242.31.5321IB=03DG100晶體管的輸出特性曲線在不同的IB下，可得出不同的曲線，所以晶體管的輸出特性曲線是一組曲線。2.輸出特性晶體管有三種工作狀態，因而輸出特性曲線分為三個工作區3DG100晶體管的輸出特性曲線IC/mAUCE/V100μA80μA60μA40μA20μA

O3691242.31.5321IB=0(1)放大區在放大區IC=

IB

，也稱為線性區，具有恒流特性。在放大區，發射結處于正向偏置、集電結處于反向偏置，晶體管工作于放大狀態。對NPN型管而言,應使

UBE

>0,UBC<

0，此時，

UCE

>UBE。Q2Q1大放區IC/mAUCE/V100μA80μA60μA40μA20μA

O3691242.31.5321IB=0(2)截止區對NPN型硅管，當UBE<0.5V時,即已開始截止,為使晶體管可靠截止,常使UBE

0。截止時,集電結也處于反向偏置(UBC<

0),此時,IC0,UCEUCC。IB=0的曲線以下的區域稱為截止區。IB=0時,IC=ICEO(很小)。(ICEO<0.001mA)截止區IC/mAUCE/V100μA80μA60μA40μA20μA

O3691242.31.5321IB=0(3)飽和區

在飽和區，IBIC，發射結處于正向偏置，集電結也處于正偏。

深度飽和時，硅管UCES0.3V，

鍺管UCES0.1V。

IC

UCC/RC。當UCE

<

UBE時，集電結處于正向偏置(UBC

>0)，晶體管工作于飽和狀態。飽和區晶體管三種工作狀態的電壓和電流(a)放大+UBE>0

ICIB+UCE

UBC<0+(b)截止IC0IB=0+UCEUCC

UBC<0++UBE

0

(c)飽和+UBE>

0

IB+UCE0

UBC>0+當晶體管飽和時，UCE

0，發射極與集電極之間如同一個開關的接通，其間電阻很小；當晶體管截止時，IC

0，發射極與集電極之間如同一個開關的斷開，其間電阻很大，可見，晶體管除了有放大作用外，還有開關作用。

0

0.1

0.5

0.1

0.6~0.70.2~0.3

0.30.1

0.7

0.3硅管(NPN)鍺管(PNP)可靠截止開始截止

UBE/V

UBE/VUCE/VUBE/V

截止

放大

飽和

工作狀態

管型晶體管結電壓的典型值14.5.4

主要參數表示晶體管特性的數據稱為晶體管的參數，晶體管的參數也是設計電路、選用晶體管的依據。9.5.4

主要參數1.電流放大系數，直流電流放大系數交流電流放大系數當晶體管接成發射極電路時，注意：和

的含義不同，但在特性曲線近于平行等距并且ICE0較小的情況下，兩者數值接近。常用晶體管的

值在20~200之間。由于晶體管的輸出特性曲線是非線性的，只有在特性曲線的近于水平部分，IC隨IB成正比變化，值才可認為是基本恒定的。例：在UCE=6V時，在Q1點IB=40A,IC=1.5mA；

在Q2點IB=60A,IC=2.3mA。在以后的計算中，一般作近似處理：=。IB=020A40A60A80A100A36IC/mA1234UCE/V9120Q1Q2在Q1點，有由Q1和Q2點，得2.集-基極反向截止電流ICBO

ICBO是由少數載流子的漂移運動所形成的電流，受溫度的影響大。溫度ICBOICBOA+–EC3.集-射極反向截止電流(穿透電流)ICEOAICEOIB=0+–

ICEO受溫度的影響大。溫度ICEO，所以IC也相應增加。三極管的溫度特性較差。4.集電極最大允許電流ICM5.集-射極反向擊穿電壓U(BR)CEO集電極電流IC上升會導致三極管的值的下降，當值下降到正常值的三分之二時的集電極電流即為ICM。當集—射極之間的電壓UCE超過一定的數值時，三極管就會被擊穿。手冊上給出的數值是25C、基極開路時的擊穿電壓U(BR)

CEO。6.集電極最大允許耗散功耗PCM

PCM取決于三極管允許的溫升，消耗功率過大，溫升過高會燒壞三極管。

PC

PCM=ICUCE

硅管允許結溫約為150C，鍺管約為7090C。ICMU(BR)CEO由三個極限參數可畫出三極管的安全工作區ICUCEOICUCE=PCM安全工作區晶體管參數與溫度的關系1.溫度每增加10C，ICBO增大一倍。硅管優于鍺管。2.溫度每升高1C，UBE將減小–(2~2.5)mV，

即晶體管具有負溫度系數。3.溫度每升高1C，

增加0.5%~1.0%。9.6

光電器件符號9.6.1發光二極管(LED)當發光二極管加上正向電壓并有足夠大的正向電流時，就能發出一定波長范圍的光。目前的發光管可以發出從紅外到可見波段的光，它的電特性與一般二極管類似。常用的有2EF等系列。發光二極管的工作電壓為1.5~3V，工作電流為幾~十幾mA。9.6.2光電二極管

光電二極管在反向電壓作用下工作。當無光照時,和普通二極管一樣,其反向電流很小,

稱為暗電流。當有光照時,產生的反向電流稱為光電流。照度E越強，光電流也越大。常用的光電二極管有2AU,2CU等系列。光電流很小,一般只有幾十微安,應用時必須放大。I/AU/VE=0E1E2(a)伏安特性(b)符號E2>E19.6.2光電晶體管

光電晶體管用入射光照度E的強弱來控制集電極電流。當無光照時,集電極電流ICEO很小,稱為暗電流。當有光照時,集電極電流稱為光電流。一般約為零點幾毫安到幾毫安。

常用的光電晶體管有3AU,3DU等系列。(b)輸出特性曲線(a)符號E=0E1E3E4iCuCEOE2ICEOPCMCE9.7

場效應管晶體管場效應晶體管是利用電場效應來控制電流的一種半導體器件，即是電壓控制元件。它的輸出電流決定于輸入電壓的大小，基本上不需要信號源提供電流，所以它的輸入電阻高，且溫度穩定性好。結型場效應管按結構不同場效應管有兩種:絕緣柵型場效應管本節僅介紹絕緣柵型場效應管按工作狀態可分為：增強型和耗盡型兩類每類又有N溝道和P溝道之分9.7.1

絕緣柵場效應管柵極和其它電極及硅片之間是絕緣的，稱絕緣柵型場效應管。(1)

N溝道增強型管的結構1.

增強型絕緣柵場效應管漏極金屬電極柵極源極

高摻雜N區DGSSIO2絕緣層P型硅襯底N+N+GSD符號：由于柵極是絕緣的，柵極電流幾乎為零，輸入電阻很高，最高可達1014。由于金屬柵極和半導體之間的絕緣層目前常用二氧化硅，故又稱金屬-氧化物-半導體場效應管，簡稱MOS場效應管。漏極金屬電極柵極源極

高摻雜N區DGSSIO2絕緣層P型硅襯底N+N+(2)N溝道增強型管的工作原理

由結構圖可見，N+型漏區和N+型源區之間被P型襯底隔開，漏極和源極之間是兩個背靠背的PN結。

當柵源電壓UGS=0時，不管漏極和源極之間所加電壓的極性如何，其中總有一個PN結是反向偏置的，反向電阻很高，漏極電流近似為零。SDP型硅襯底N+N+DS+GEG-UGS

當UGS>0時，P型襯底中的電子受到電場力的吸引到達表層，填補空穴形成負離子的耗盡層；當UGS>UGS（th）時，還在表面形成一個N型層，稱反型層，即勾通源區和漏區的N型導電溝道，將D-S連接起來。UGS愈高，導電溝道愈寬。(2)N溝道增強型管的工作原理P型硅襯底N溝道N+N+DGS----耗盡層EG+-UGSN型溝道增強型絕緣柵場效應管的導通P型硅襯底N+EGS–G+N+DN溝道–+EDID當UGS

UGS(th）后，場效應管才形成導電溝道，開始導通，若漏–源之間加上一定的電壓UDS，則有漏極電流ID產生。在一定的漏–源電壓UDS下，使管子由不導通變為導通的臨界柵源電壓稱為開啟電壓UGS(th）。在一定的UDS下漏極電流ID的大小與柵源電壓UGS有關。所以，場效應管是一種電壓控制電流的器件。(3)

特性曲線轉移特性曲線ID/mAUDS/VoUGS=1VUGS=2VUGS=3VUGS=4V漏極特性曲線恒流區可變電阻區截止區無溝道有溝道UGS/VUGS(th)UDS=常數ID/16mAO開啟電壓UGS(th）N型襯底P+P+GSD符號：結構(4)P溝道增強型SiO2絕緣層加電壓才形成

P型導電溝道增強型場效應管只有當UG