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课程名称:

电子技术任课教师:

死记硬背是一种传统的教学方式,在我国有悠久的历史。

但随着素质教育的开展,死记硬背被作为一种僵化的、阻碍学生能力发展的教学方式,渐渐为人们所摒弃;而另一方面,老师们又为提高学生的语文素养煞费苦心。

其实,只要应用得当,“死记硬背”与提高学生素质并不矛盾。

相反,它恰是提高学生语文水平的重要前提和基础。

第十四章二极管和晶体管计划学时:

5学时

家庭是幼儿语言活动的重要环境，为了与家长配合做好幼儿阅读训练工作，孩子一入园就召开家长会，给家长提出早期抓好幼儿阅读的要求。

我把幼儿在园里的阅读活动及阅读情况及时传递给家长，要求孩子回家向家长朗诵儿歌，表演故事。

我和家长共同配合，一道训练，幼儿的阅读能力提高很快。

教学目的和要求:

课本、报刊杂志中的成语、名言警句等俯首皆是,但学生写作文运用到文章中的甚少,即使运用也很难做到恰如其分。

为什么?

还是没有彻底“记死”的缘故。

要解决这个问题,方法很简单,每天花3-5分钟左右的时间记一条成语、一则名言警句即可。

可以写在后黑板的“积累专栏”上每日一换,可以在每天课前的3分钟让学生轮流讲解,也可让学生个人搜集,每天往笔记本上抄写,教师定期检查等等。

这样,一年就可记300多条成语、300多则名言警句,日积月累,终究会成为一笔不小的财富。

这些成语典故“贮藏”在学生脑中,自然会出口成章,写作时便会随心所欲地“提取”出来,使文章增色添辉。

一、理解PN结的单向导电性，晶体管的电流分配和电流放大作用；

二、了解二极管、稳压管和晶体管的基本构造、工作原理和特性曲线，理解主要参数的意义；

三、会分析含有二极管的电路。

四、了解一些特殊二极管。

重点:

二极管及晶体管的工作原理。

难点:

晶体管的输出特性及非线性失真的产生。

思考题:

14.3.2、14.3.5、14.4.1、14.4.2、14.5.1、14.5.3、14.5.4

河南科技大学教案首页

第十四章二极管和晶体管

二极管和晶体管是最重要的半导体器件，它们的基本结构、工作原理、特性和参数是学习电子技术和分析电子电路的基础，而PN结又是构成各种半导体器件的基础。

§14.1半导体的导电特性

1、什么是半导体？

导电特性介于导体和绝缘体之间的物质称半导体。

如硅、锗、硒以及大多数金属氧化物和硫化物，瓷器、木材等也是。

2、半导体的导电特性：

半导体的导电能力在不同条件下有很大差别。

热敏性：

当环境温度升高时，导电能力会显著增强（可做成温度敏感元件，如热敏电阻）。

光敏性：

当受到光照时，导电能力明显变化（可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等）。

掺杂性：

往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显改变（可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。

一、本征半导体

1、完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。

晶体中原子的排列方式如图所示：

硅单晶中的硅原子通过共价健结构与周围的四个硅原子结合在一起，共价键中的两个电子，称为价电子。

2、本征半导体的导电机理:

价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。

这一现象称为本征激发。

温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。

在晶体内部，空穴会吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。

当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流：

（1）自由电子作定向运动——电子电流；

（2）价电子递补空穴——空穴电流。

自由电子和空穴都称为载流子。

自由电子填充空穴，成对消失，称为复合。

自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。

在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。

注意：

（1）本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差；

（2）温度愈高，载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。

所以，温度对半导体器件性能影响很大。

二、N型半导体和P型半导体

在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成杂质半导体。

掺入五价元素磷：

磷原子取代硅原子位置后，与周围四个硅原子形成共价键，多余一个电子，极易成为自由电子。

因此，掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。

在N型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。

掺入三价元素硼:

由于硼原子取代硅原子位置后，与周围三个硅原子形成共价键，与另一个硅原子的共价键中少一个电子，成为空穴。

掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或P型半导体。

在P型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。

无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。

§14.2PN结及其单向导电性

一、PN结的形成：

利用特殊的半导体制造工艺，将P型半导体和N型半导体制做在同一块半导体晶片上，则在P型半导体与N型半导体的交界处形成的一种特殊结构，称PN结。

由于P型半导体与N型半导体中电荷浓度的不同，形成了多子的扩散运动和少子的漂移运动，即N区的自由电子向P区扩散（剩下正离子），在P区与空穴复合，而P区的空穴向N区扩散（剩下负离子），在N区与自由电子复合，这样，交界面处形成正负离子的空间电荷区，也叫耗尽层，形成由N区指向P区的电场，称内电场。

内电场的作用，又会导致少子的漂移运动。

漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄，扩散的结果使空间电荷区变宽。

扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变，PN结形成。

二、PN结的单向导电性

1、PN结加正向电压（正向偏置）

在P区接电源的正极、N区接电源的负极，称正向偏置。

在正向偏置作用下，外电场与内电场反向，内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。

为防止电流过大烧毁PN结，线路上要串限流电阻。

PN结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，称PN结处于导通状态。

2、PN结加反向电压（反向偏置）

将P区接电源的负极、N区接电源的正极，称反向偏置。

在反向偏置作用下，外电场与内电场同向，内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。

PN结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。

温度越高少子的数目越多，因此反向电流将随温度增加。

§14.3二极管

一、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，二极管有点接触型、面接触型和平面型三种。

点接触型：

结面积小、结电容小、正向电流小。

用于检波和变频等高频电路。

②面接触型：

结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。

③平面型：

用于集成电路制作工艺中。

PN结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。

二极管符号如图所示：

二、伏安特性：

二极管具有单向导电性，其导电性能可以用伏安特性来表示，它是指二极管两端的电压U与流经二极管的电流I之间的关系。

二极管的伏安特性可分为三个段：

①正向特性段：

正向电压较小时，外电场不足以克服PN结的内电场，正向电流几乎为零，只有外电压超过一定值后，才有明显的正向电流，该电压值称死区电压。

硅管约为0.5伏，锗管约为0.1伏。

当正向电压大于死区电压后，正向电流增长很快。

二极管的正向导通电压：

硅0.6~0.8V，锗0.2~0.3V。

②反向特性段：

在反向电压作用下，少数载流子形成反向饱和电流，由于少子数目很少，所以反向电流是很小的。

温度升高时，少子增多，反向电流增大。

③反向击穿特性段：

当反向电压增大到一定数值，反向电流剧增，这是由于外加电压在PN结中形成很强的电场，产生大量的电子、空穴，引起反向电流急剧增加，这种现象叫反向击穿。

外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。

三、主要参数

二极管的特性除用伏安特性来表示外，还可用一些数据来表示，这写数据就是二极管的参数。

1.最大整流电流IOM

二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。

点接触型的最大整流电流在几十毫安以下，面接触型的最大整流电流大。

当电流超过允许值时，将由于PN结过热而烧坏管子。

2.反向工作峰值电压URWM

是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压UBR的一半或三分之二。

二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。

3.反向峰值电流IRM

指二极管加最高反向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。

IRM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，锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。

总结：

二极管的单向导电性

①二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负）时，二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。

②二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正）时，二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。

③外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。

④二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。

四、二极管电路分析举例

定性分析：

判断二极管的工作状态——导通与截止。

若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零，反向截止时二极管相当于断开。

否则，正向管压降硅0.6~0.7V锗0.2~0.3V。

分析方法：

将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压UD的正负。

若V阳>V阴或UD为正（正向偏置），则二极管导通；

若V阳

例1：

电路如右图，求：

UAB

解：

取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。

V阳=－6VV阴=－12V

V阳>V阴二极管导通

若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=－6V

否则，UAB低于－6V一个管压降，为－6.3Ｖ或－6.7V

在这里，二极管起钳位作用。

例2:

电路如右图，求：

UAB

解：

两个二极管的阴极接在一起，取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。

V1阳=－6V，V2阳=0V，V1阴=V2阴=－12V

UD1=6V，UD2=12V

∵UD2>UD1∴D2优先导通，D1截止。

若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=0V，流过D2的电流为，

，在这里，D2起钳位作用，D1起隔离作用。

D1承受反向电压为－6V。

例3：

二极管是理想的，ui=18SINωtV，试画出uo波形。

解：

二极管阴极电位为8V，

当ui>8V，二极管导通，可看作短路，uo=8V；

当ui<8V，二极管截止，可看作开路，uo=ui。

其波形图如右：

二极管的用途：

整流、检波、限幅、钳位、开关温度补偿等。

14.4稳压二极管

稳压二极管是一种特殊的面接触型二极管，在电路中与适当的电阻配合后能起稳压作用。

一、符号：

二、伏安特性：

稳压二极管的伏安特性与普通二极管的伏安特性类似，所不同的是稳压二极管的反向特性曲线更陡。

稳压二极管工作于反向击穿区。

从反向特性曲线上可以看出，反向电压在一定范围内变化时，反向电流很小。

当反向电压增高到击穿电压时，反向电流陡增，稳压管反向击穿。

此后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。

稳压二极管的反向击穿是可逆的，当去掉反向电压后，稳压管恢复正常。

注意：

稳压二极管使用时要加限流电阻。

三、主要参数

（1）稳定电压UZ：

稳压管正常工作（反向击穿）时管子两端电压。

（2）电压温度系数aｕ：

环境温度每变化1°C引起稳压值变化的百分数。

这说明稳压值受温度变化的影响。

一般说，低于6V的稳压管；温度系数是负的，高于6V的稳压管，温度系数是正的；6V左右的稳压管，受温度影响较小。

（3）动态电阻：

稳压管端电压的变化量与相应的电流变化量的比值，

。

rZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。

（4）稳定电流IZ：

稳压管的稳定电流只是一个参考电流值，电流低于此值，稳压效果差，高于此值，只要不超过最大功耗，都可以正常工作，且电流越大，稳压效果越好。

最大稳定电流IZM

（5）最大允许耗散功率：

管子不致于发热损坏时的最大耗散功率。

PZM=UZIZM

四、稳压电路：

稳压电路如右图所示：

Ui=UR+UO=UR+UZ=IRR+UZ

式中，IR等于IZ。

若Ui增加，则UO有增加的趋势，IZ会大大增加，使IRR大大增加，则限制了UO的增加，维持不变，反之亦然。

若负载增加，其稳压原理一样。

例：

右图所示电路，UZ=8V，IZM=18mA，US=20V，问R=500Ω是否合适，应为多少？

解：

I=

=24mA＞18mA

不适合。

R≥

=667Ω

§14.6光电器件

一、发光二极管：

在发光二极管（LED）上加正向电压且正向电流足够大时，发出一定波长范围的光，这是电子于空穴复合的结果。

目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似，正向电压较一般二极管高，电流为几~几十mA。

所发出光的颜色由半导体中所掺杂质决定,常见的红、黄、绿色掺入了磷砷化镓和磷化镓。

发光二极管的工作电压为1.5-3V，工作电流为几豪安到几十豪安。

符号：

二、光电二极管：

光电二极管是利用PN结的光敏特性,将接收到的光的变化转变为电流的变化。

反向电流随光照强度的增加而上升。

光电流很小，一般只有几十微安，使用时需放大。

符号：

特性曲线：

三、光电晶体管：

普通晶体管是用基极电流IZ的大小来控制集电极电流，而光电晶体管是用入射光照度的强弱来控制集电极电流的。

符号如右：

将发光二极管和光电晶体管组合在一起可以做成光电耦合器，作为强电系统与弱电系统之间的接口器件。

光电耦合电路：

§14.5晶体管

晶体管又称半导体三极管，是最重要的一种半导体器件。

它的放大作用和开关作用促使电子技术飞跃发展。

我们首先从管子的内部结构开始，逐步了解它的特性及应用。

一、基本结构

晶体管的结构，最常见的有平面型和合金型，硅管主要是平面型，锗管都是合金型。

不论是平面型还是合金型，都分为NPN或PNP三个区，因此，又把晶体管分为NPN型和PNP型，其结构和符号分别如图所示。

三个分别称发射区、基区、集电区；引出三个极，称发射极（E）、基极（B）、集电极（C）；有两个PN结，发射区和基区之间的称发射结，集电区和基区之间的称集电结。

其结构特点是：

发射区掺杂浓度高，即多子浓度高；基区很薄且杂质浓度低；集电区体积大，掺杂浓度较低。

使用时，两种三极管的电源极性是相反的。

二、电流分配和放大原理

先看一个实验，把晶体管接成两个电路，基极电路和集电极电路，发射极是公共端，这种接法称晶体管的共发射极接法。

联接条件及实验结果如下：

1.三极管放大的外部条件：

发射结正偏、集电结反偏

从电位的角度看：

NPN：

发射结正偏VB>VE，集电结反偏VC>VB

PNP：

发射结正偏VB

2.各电极电流关系及电流放大作用

①三电极电流关系：

IE=IB+IC

②IC>>IB，IC≈IE

③IC>>βIB

基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大变化的特性称为晶体管的电流放大作用。

实质:

用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的变化，是CCCS器件。

3.三极管内部载流子的运动规律：

由于发射结正偏，发射区的自由电子进入基区，基区的空穴浓度低，只有少部分电子与基区的空穴复合，形成电流IBE，多数自由电子扩散到集电结，从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICE。

同时，集电区的少子空穴向基区漂移，形成电流ICBO，这个电流很小，但受温度影响大。

总结：

三极管内部载流子的运动规律

IC=ICE+ICBO≈ICE

IB=IBE-ICBO≈IBE

ICE与IBE之比称为共发射极电流放大倍数：

若IB=0,则IC≈ICE0，称集－射极穿透电流,当温度升高时，ICEO增大。

忽略ICEO，有

。

三、特性曲线

晶体管的特性区线即管子各电极电压与电流的关系曲线，是管子内部载流子运动的外部表现，反映了晶体管的性能，是分析放大电路的依据。

为什么要研究特性曲线：

1）直观地分析管子的工作状态

2）合理地选择偏置电路的参数，设计性能良好的电路

我们重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线，来看测量晶体管特性的实验线路：

发射极是输入回路、输出回路的公共端。

1、输入特性曲线：

是指当集-射极电压UCE为常数时，输入电路中基极电流IB与基-射极电压UBE之间的关系曲线。

，特点:

非线性。

对硅管而言，当UCE≥1V时，集电结已反向偏置，而基区又薄，可以把从发射区扩散到基区的电子几乎全部拉入集电区，此后，UCE对IB就不再有影响，就是说，UCE>1V后的特性曲线是重合的。

与二极管特性曲线一样，晶体管输入特性曲线也有一段死区，只有当发射结外加电压大于死区电压时，才有电流IB。

正常工作时发射结电压：

NPN型硅管UBE≈0.6~0.7V，PNP型锗管UBE≈－0.2~-－0.3V。

2、输出特性曲线：

是指当基极电流IB为常数时，输出电路（集电极电路）中集电极电流IC与集-射极电压UCE之间的关系曲线，

。

输出特性曲线通常分三个工作区：

（1）放大区：

在放大区有IC=βIB，也称为线性区，具有恒流特性。

在放大区，发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置，晶体管工作于放大状态。

（2）截止区：

IB<0以下区域为截止区，有IC≈0。

在截止区发射结处于反向偏置，集电结处于反向偏置，晶体管工作于截止状态。

（3）饱和区：

当UCE≤UBE时，晶体管工作于饱和状态（输出特性曲线上升段附近）。

在饱和区，βIB≥IC，发射结处于正向偏置，集电结也处于正偏。

此时，UCE≈0，

。

深度饱和时，硅管UCES≈0.3V，锗管UCES≈0.1V。

四、主要参数：

晶体管的特性除用特性曲线表示外，还可用一些数据表示，表示晶体管特性的数据称为晶体管的参数，晶体管的参数也是设计电路、选用晶体管的依据。

1.电流放大系数

，

：

当晶体管接成共发射极电路时，在静态时集电极电流IC与基极电流IB的比值称直流电流放大系数:

。

当晶体管工作在动态时，集电极电流变化量

与基极电流变化量

的比值称交流电流放大系数:

。

和

的含义不同，但在特性曲线近于平行等距并且ICEO较小的情况下，两者数值接近。

，

常用晶体管的

值在20~200之间。

例：

在UCE=6V时，在Q1点IB=40mA，IC=1.5mA；在Q2点IB=60mA，IC=2.3mA。

解：

在Q1点，有

由Q1和Q2点，得

在以后的计算中，一般作近似处理：

=

。

2.集-基极反向截止电流ICBO

ICBO是当发射极开路时由于集电极反向偏置，集电区和基区的少数载流子的漂移运动所形成的电流，受温度的影响大。

ICBO越小越好。

温度升高，ICBO增大。

3.集-射极反向截止电流（穿透电流）ICEO

当IB=0时，（将基极开路），集电结处于反向偏置和发射结处于正向偏置时的集电极电流ICEO，ICEO受温度的影响大。

温度升高，ICEO增大，所以IC也相应增加。

三极管的温度特性较差。

4.集电极最大允许电流ICM

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

5.集-射极反向击穿电压U（BR）CEO

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25°C、基极开路时的击穿电压U（BR）CEO。

6.集电极最大允许耗散功耗PCM

PCM取决于三极管允许的温升，消耗功率过大，温升过高会烧坏三极管。

PC≦PCM=ICUCE

硅管允许结温约为150°C，锗管约为70~90°C。

五、晶体管参数与温度的关系

1、温度每增加10°C，ICBO增大一倍。

硅管优于锗管。

2、温度每升高1°C，UBE将减小–（2~2.5）mV，即晶体管具有负温度系数。

3、温度每升高1°C，

增加0.5%~1.0%。

小结：

本章重点介绍了半导体的基础知识，以及两个重要的半导体器件：

二极管和晶体管。

半导体的基础知识是要求大家了解即可，对于二极管的伏安特性曲线以及晶体管的输入、输出特性曲线一定要牢记，对于其主要参数也要特别注意，在应用中十分有用。

对与二极管的应用，本章只是作了简单介绍，在后面直流稳压电源一章还要作具体的介绍。