海南风光
10.1半导体的基础知识,P型硅,N型硅
10.2 PN结及半导体二极管
10.3 稳压二极管
10.4 三极管第 10章 半导体器件清华大学电机系电工学教研室 唐庆玉 编
10.1.1 本征半导体现代电子学中，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。
Si
硅原子
Ge
锗原子
§ 10.1 半导体的基本知识硅和锗的共价键结构共价键共用电子对
+4 +4
+4 +4
+4表示除去价电子后的原子完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为 本征半导体 。 本征半导体的导电能力很弱。
10.1.2杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，
就会使半导体的导电性能发生显著变化。
N型半导体 （主要载流子为电子，电子半导体）
P型半导体 （主要载流子为空穴，空穴半导体）
N型半导体多余电子磷原子硅原子
+
N型硅表示
Si
P Si
Si
硅或锗 +少量磷? N型半导体空穴
P型半导体硼原子 P型硅表示
Si
SiSi
B
硅原子空穴被认为带一个单位的正电荷，并且可以移动硅或锗 +少量硼? P型半导体杂质半导体的示意表示法
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
P型半导体
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
N型半导体
10.2.1 PN 结的形成在同一片半导体基片上，分别制造 P型半导体和 N型半导体，经过载流子的扩散，
在它们的交界面处就形成了 PN结。
§ 10.2 PN结及半导体二极管
P型半导体
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
N型半导体
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
扩散运动内电场 E
漂移运动空间电荷区
PN结处载流子的运动扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。
漂移运动
P型半导体
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
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－
－
－
－
－
－
N型半导体
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
扩散运动内电场 E
PN结处载流子的运动内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。
漂移运动
P型半导体
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
N型半导体
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
扩散运动内电场 E
PN结处载流子的运动所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，
空间电荷区的厚度固定不变。
10.2.2 PN结的单向导电性
PN结 加上正向电压,正向偏置 的意思都是,P区加正,N区加负电压。
PN结 加上反向电压,反向偏置 的意思都是,P区加负,N区加正电压。
PN结正向偏置
－
－
－
－
+
+
+
+
内电场减弱，使扩散加强，
扩散?飘移，正向电流大空间电荷区变薄
P N
+ _
正向电流
PN结反向偏置
－
－
－
－
+
+
+
+
空间电荷区变厚
NP
+_
+
+
+
+
－
－
－
－
内电场加强，使扩散停止，
有少量飘移，反向电流很小反向饱和电流很小,?A级
10.2.3 半导体二极管
(1)、基本结构
PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。
P
N
P
N
符号阳极阴极
(2)、伏安特性
U
I
导通压降,硅管 0.6~0.7V,锗管 0.2~0.3V。
反向击穿电压 U(BR)
死区电压 硅管
0.5V,锗管 0.2V。
UI
E
+ -
反向漏电流
（很小,?A级）
（ 3）静态电阻 Rd,动态电阻 rD
UQIQ
US
+ -
R
静态工作点 Q（ UQ,IQ ）
（ 3）静态电阻 Rd,动态电阻 rD
静态电阻,Rd=UQ/IQ
（非线性）
动态电阻：
rD =?UQ/? IQ
在工作点 Q附近，动态电阻近似为线性，故动态电阻又称为 微变等效电阻
i
u
IQ
UQ
Q?IQ
UQ
例 1：二极管：死区电压 =0,5V，正向压降
＝ 0.7V(硅二极管 )
理想二极管：死区电压 =0,正向压降 =0
RLui uO
ui
uo
t
t
二极管半波整流例 2：二极管的应用 (设 RC时间常数很小）
R RLui uR uo
t
t
t
ui
uR
uo
C
§ 10.3 稳压二极管
IZmax
稳压二极管符号
U
I
UZ
IZ
稳压二极管特性曲线
IZmin
当稳压二极管工作在反向击穿状态下,
当工作电流 IZ在
Izmax和 Izmin之间时,
其两端电压近似为常数正向同二极管稳定电流稳定电压例：稳压二极管的应用
RLui uO
R
DZ
i
iz
iL
UZ
稳压二极管技术数据为：稳压值 UZW=10V，
Izmax=12mA,Izmin=2mA，负载电阻 RL=2k?，输入电压 ui=12V，限流电阻 R=200? 。若 负载电阻 变化范围为 1.5 k? ~4 k?,是否还能稳压？
RLui uO
R
DZ
i
iz
iL
UZ
UZW=10V ui=12V
R=200?
Izmax=12mA
Izmin=2mA
RL=2k? (1.5 k? ~4 k?)
iL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5（ mA）
i= （ ui - UZ） /R=（ 12-10） /0.2=10 （ mA）
iZ = i - iL=10-5=5 （ mA）
RL=1.5 k?,iL=10/1.5=6.7（ mA）,iZ =10-6.7=3.3（ mA）
RL=4 k?,iL=10/4=2.5（ mA）,iZ =10-2.5=7.5（ mA）
负载变化,但 iZ仍在 12mA和 2mA之间,
所以稳压管仍能起稳压作用
§ 10.4 半导体三极管
10.4.1 基本结构
B
E
C
N
N
P
基极发射极集电极NPN型
P
N
P
集电极基极发射极
B
C
E
PNP型
B
E
C
NPN型三极管
B
E
C
PNP型三极管三 极管符号
N
P
N
C
B
E
P
N
P
C
B
E
B
E
C
N
N
P
基极发射极集电极基区：较薄，
掺杂浓度低集电区：
面积较大发射区：掺杂浓度较高发射结集电结B
E
C
N
N
P
基极发射极集电极
+ + + + + + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
+ + + + + + + + + + + + +
10.4.2 电流放大原理
B
E
C
N
N
P
EB
RB
Ec
发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流 IE。
IE
1
进入 P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流 IB,多数扩散到集电结。
IB＋ ＋ ＋
－ ＋－ － －
＋ ＋ ＋ ＋
－ － － －
B
E
C
N
N
P
EB
RB
Ec
IE
从基区扩散来的电子漂移进入集电结而被收集，
形成 IC。
IC
2
IC
IB
要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。
＋ ＋ ＋
－ ＋－ － －
＋ ＋ ＋ ＋
－ － － －
静态电流放大倍数静态电流放大倍数，动态电流放大倍数
= IC / IB IC =?IB
动态电流放大倍数
IB,IB +? IB IC,IC +? IC
=? IC /?IB
一般认为,? =?=?，近似为一常数，
值范围,20~100
IC =IB
10.4.3 特性曲线 I
C
mA
A
V V UCEUBERB
IB
USC
USB 实验线路 (共发射极接法 )
C
B
E
RC
IB 与 UBE的关系曲线（同二极管）
（ 1）输入特性
IB(?A)
UBE(V)
20
40
60
80
0.4 0.8
UCE?1V
死区电压，
硅管 0.5V
工作压降,硅管
UBE? 0.7V
（ 2）输出特性 (IC与 UCE的关系曲线 )
IC(mA )
1
2
3
4
UCE(V)3 6 9 12
40?A
60?A
Q
Q’
= IC / IB =2 mA/ 40?A=50
=? IC /?IB
=(3-2)mA/(60-40)?A=50
= IC / IB =3 mA/ 60?A=50
输出特性
IC(mA )
1
2
3
4
UCE(V)3 6 9 12
IB=0
20?A
40?A
60?A
80?A
100?A
当 UCE大于一定的数值时,IC只与 IB有关，
IC=?IB,且? IC =
IB 。 此区域 称为线性放大区。
此区域中 UCE?UBE,集电结正偏,?IB>IC，
UCE?0.3V称为饱和区。
此区域中,
IB=0,IC=ICEO,
UBE< 死区电压,，称为截止区。
输出特性三个区域的特点,
(1) 放大区
IC=?IB,且? IC =IB,BE结正偏,BC结反偏
(2) 饱和区
IC达饱和,IC与 IB不是?倍 的关系,?IB>IC 。 BE结正偏，
BC结正偏,即 UCE?UBE （ UCE?0.3V,UBE?0.7V）
(3) 截止区
UBE< 死区电压,IB=0,IC=ICEO?0
（ ICEO穿透电流，很小,?A级）
例,?=50,USC =12V，
RB =70k?,RC =6k?
当 USB = -2V,2V,5V时，
晶体管的静态工作点 Q位于哪个区？
USB =-2V,IB=0,IC=0，
Q位于截止区
USB =2V,IB= (USB -UBE)/ RB =(2-0.7)/70=0.019 mA
IC=?IB =50?0.019=0.95 mA< ICS =2 mA,Q位于放大区
IC最大饱和电流 ICS = (USC -UCE)/ RC =(12-0)/6=2mA
IC
UCE
IB
USC
RB
USB
CB
E
RC
UBE
IC
UCE
IB
USC
RB
USB
CB
E
RC
=50,USC =12V，
RB =70k?,RC =6k?
当 USB = -2V,2V,5V时，
晶体管的静态工作点 Q位于哪个区？
USB =5V,IB= (USB -UBE)/ RB =(5-0.7)/70=0.061 mA
IC=?IB =50?0.061=3.05 mA> ICS =2 mA,Q位于饱和区 (实际上，此时 IC和 IB 已不是?的关系）
三极管的技术数据：（自学）
（ 1）电流放大倍数?
（ 2）集 -射间穿透电流 ICEO
（ 3）集 -射间反向击穿电压 UCEO (BR)
（ 4）集电极最大电流 ICM
（ 5）集电极最大允许功耗 PCM
10.1半导体的基础知识,P型硅,N型硅
10.2 PN结及半导体二极管
10.3 稳压二极管
10.4 三极管第 10章 半导体器件清华大学电机系电工学教研室 唐庆玉 编
10.1.1 本征半导体现代电子学中，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。
Si
硅原子
Ge
锗原子
§ 10.1 半导体的基本知识硅和锗的共价键结构共价键共用电子对
+4 +4
+4 +4
+4表示除去价电子后的原子完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为 本征半导体 。 本征半导体的导电能力很弱。
10.1.2杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，
就会使半导体的导电性能发生显著变化。
N型半导体 （主要载流子为电子，电子半导体）
P型半导体 （主要载流子为空穴，空穴半导体）
N型半导体多余电子磷原子硅原子
+
N型硅表示
Si
P Si
Si
硅或锗 +少量磷? N型半导体空穴
P型半导体硼原子 P型硅表示
Si
SiSi
B
硅原子空穴被认为带一个单位的正电荷，并且可以移动硅或锗 +少量硼? P型半导体杂质半导体的示意表示法
－
－
－
－
－
－
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－
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－
－
－
P型半导体
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
N型半导体
10.2.1 PN 结的形成在同一片半导体基片上，分别制造 P型半导体和 N型半导体，经过载流子的扩散，
在它们的交界面处就形成了 PN结。
§ 10.2 PN结及半导体二极管
P型半导体
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
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－
－
－
－
－
－
N型半导体
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
扩散运动内电场 E
漂移运动空间电荷区
PN结处载流子的运动扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。
漂移运动
P型半导体
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
N型半导体
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
扩散运动内电场 E
PN结处载流子的运动内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。
漂移运动
P型半导体
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
N型半导体
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
扩散运动内电场 E
PN结处载流子的运动所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，
空间电荷区的厚度固定不变。
10.2.2 PN结的单向导电性
PN结 加上正向电压,正向偏置 的意思都是,P区加正,N区加负电压。
PN结 加上反向电压,反向偏置 的意思都是,P区加负,N区加正电压。
PN结正向偏置
－
－
－
－
+
+
+
+
内电场减弱，使扩散加强，
扩散?飘移，正向电流大空间电荷区变薄
P N
+ _
正向电流
PN结反向偏置
－
－
－
－
+
+
+
+
空间电荷区变厚
NP
+_
+
+
+
+
－
－
－
－
内电场加强，使扩散停止，
有少量飘移，反向电流很小反向饱和电流很小,?A级
10.2.3 半导体二极管
(1)、基本结构
PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。
P
N
P
N
符号阳极阴极
(2)、伏安特性
U
I
导通压降,硅管 0.6~0.7V,锗管 0.2~0.3V。
反向击穿电压 U(BR)
死区电压 硅管
0.5V,锗管 0.2V。
UI
E
+ -
反向漏电流
（很小,?A级）
（ 3）静态电阻 Rd,动态电阻 rD
UQIQ
US
+ -
R
静态工作点 Q（ UQ,IQ ）
（ 3）静态电阻 Rd,动态电阻 rD
静态电阻,Rd=UQ/IQ
（非线性）
动态电阻：
rD =?UQ/? IQ
在工作点 Q附近，动态电阻近似为线性，故动态电阻又称为 微变等效电阻
i
u
IQ
UQ
Q?IQ
UQ
例 1：二极管：死区电压 =0,5V，正向压降
＝ 0.7V(硅二极管 )
理想二极管：死区电压 =0,正向压降 =0
RLui uO
ui
uo
t
t
二极管半波整流例 2：二极管的应用 (设 RC时间常数很小）
R RLui uR uo
t
t
t
ui
uR
uo
C
§ 10.3 稳压二极管
IZmax
稳压二极管符号
U
I
UZ
IZ
稳压二极管特性曲线
IZmin
当稳压二极管工作在反向击穿状态下,
当工作电流 IZ在
Izmax和 Izmin之间时,
其两端电压近似为常数正向同二极管稳定电流稳定电压例：稳压二极管的应用
RLui uO
R
DZ
i
iz
iL
UZ
稳压二极管技术数据为：稳压值 UZW=10V，
Izmax=12mA,Izmin=2mA，负载电阻 RL=2k?，输入电压 ui=12V，限流电阻 R=200? 。若 负载电阻 变化范围为 1.5 k? ~4 k?,是否还能稳压？
RLui uO
R
DZ
i
iz
iL
UZ
UZW=10V ui=12V
R=200?
Izmax=12mA
Izmin=2mA
RL=2k? (1.5 k? ~4 k?)
iL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5（ mA）
i= （ ui - UZ） /R=（ 12-10） /0.2=10 （ mA）
iZ = i - iL=10-5=5 （ mA）
RL=1.5 k?,iL=10/1.5=6.7（ mA）,iZ =10-6.7=3.3（ mA）
RL=4 k?,iL=10/4=2.5（ mA）,iZ =10-2.5=7.5（ mA）
负载变化,但 iZ仍在 12mA和 2mA之间,
所以稳压管仍能起稳压作用
§ 10.4 半导体三极管
10.4.1 基本结构
B
E
C
N
N
P
基极发射极集电极NPN型
P
N
P
集电极基极发射极
B
C
E
PNP型
B
E
C
NPN型三极管
B
E
C
PNP型三极管三 极管符号
N
P
N
C
B
E
P
N
P
C
B
E
B
E
C
N
N
P
基极发射极集电极基区：较薄，
掺杂浓度低集电区：
面积较大发射区：掺杂浓度较高发射结集电结B
E
C
N
N
P
基极发射极集电极
+ + + + + + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
+ + + + + + + + + + + + +
10.4.2 电流放大原理
B
E
C
N
N
P
EB
RB
Ec
发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流 IE。
IE
1
进入 P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流 IB,多数扩散到集电结。
IB＋ ＋ ＋
－ ＋－ － －
＋ ＋ ＋ ＋
－ － － －
B
E
C
N
N
P
EB
RB
Ec
IE
从基区扩散来的电子漂移进入集电结而被收集，
形成 IC。
IC
2
IC
IB
要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。
＋ ＋ ＋
－ ＋－ － －
＋ ＋ ＋ ＋
－ － － －
静态电流放大倍数静态电流放大倍数，动态电流放大倍数
= IC / IB IC =?IB
动态电流放大倍数
IB,IB +? IB IC,IC +? IC
=? IC /?IB
一般认为,? =?=?，近似为一常数，
值范围,20~100
IC =IB
10.4.3 特性曲线 I
C
mA
A
V V UCEUBERB
IB
USC
USB 实验线路 (共发射极接法 )
C
B
E
RC
IB 与 UBE的关系曲线（同二极管）
（ 1）输入特性
IB(?A)
UBE(V)
20
40
60
80
0.4 0.8
UCE?1V
死区电压，
硅管 0.5V
工作压降,硅管
UBE? 0.7V
（ 2）输出特性 (IC与 UCE的关系曲线 )
IC(mA )
1
2
3
4
UCE(V)3 6 9 12
40?A
60?A
Q
Q’
= IC / IB =2 mA/ 40?A=50
=? IC /?IB
=(3-2)mA/(60-40)?A=50
= IC / IB =3 mA/ 60?A=50
输出特性
IC(mA )
1
2
3
4
UCE(V)3 6 9 12
IB=0
20?A
40?A
60?A
80?A
100?A
当 UCE大于一定的数值时,IC只与 IB有关，
IC=?IB,且? IC =
IB 。 此区域 称为线性放大区。
此区域中 UCE?UBE,集电结正偏,?IB>IC，
UCE?0.3V称为饱和区。
此区域中,
IB=0,IC=ICEO,
UBE< 死区电压,，称为截止区。
输出特性三个区域的特点,
(1) 放大区
IC=?IB,且? IC =IB,BE结正偏,BC结反偏
(2) 饱和区
IC达饱和,IC与 IB不是?倍 的关系,?IB>IC 。 BE结正偏，
BC结正偏,即 UCE?UBE （ UCE?0.3V,UBE?0.7V）
(3) 截止区
UBE< 死区电压,IB=0,IC=ICEO?0
（ ICEO穿透电流，很小,?A级）
例,?=50,USC =12V，
RB =70k?,RC =6k?
当 USB = -2V,2V,5V时，
晶体管的静态工作点 Q位于哪个区？
USB =-2V,IB=0,IC=0，
Q位于截止区
USB =2V,IB= (USB -UBE)/ RB =(2-0.7)/70=0.019 mA
IC=?IB =50?0.019=0.95 mA< ICS =2 mA,Q位于放大区
IC最大饱和电流 ICS = (USC -UCE)/ RC =(12-0)/6=2mA
IC
UCE
IB
USC
RB
USB
CB
E
RC
UBE
IC
UCE
IB
USC
RB
USB
CB
E
RC
=50,USC =12V，
RB =70k?,RC =6k?
当 USB = -2V,2V,5V时，
晶体管的静态工作点 Q位于哪个区？
USB =5V,IB= (USB -UBE)/ RB =(5-0.7)/70=0.061 mA
IC=?IB =50?0.061=3.05 mA> ICS =2 mA,Q位于饱和区 (实际上，此时 IC和 IB 已不是?的关系）
三极管的技术数据：（自学）
（ 1）电流放大倍数?
（ 2）集 -射间穿透电流 ICEO
（ 3）集 -射间反向击穿电压 UCEO (BR)
（ 4）集电极最大电流 ICM
（ 5）集电极最大允许功耗 PCM
