第 1章
1-1 半导体二极管
1-2 半导体三极管
1-1 半导体二极管
1,PN
在半导体材料 (硅, 锗 )中掺入不同杂质可以分别形成
N型和 P型两种半导体 。 N型半导体主要依靠自由电子导
电, 称自由电子为多数载流子, 而空穴数量远少于电子
数量, 称空穴为少数载流子 。 P型半导体主要靠空穴导电,
称空穴为多数载流子, 而自由电子远少于空穴的数量,
称自由电子为少数载流子 。
?PN结的形成与特性
当 P型半导体和 N型半导体接触以后, 由于交界两
侧半导体类型不同, 存在电子和空穴的浓度差 。 这样,
P 区的空穴向 N区扩散, N区的电子向 P区扩散,如图
1.1.1(a)所示 。 由于扩散运动, 在 P 区和 N区的接触面
就产生正负离子层 。 N区失掉电子产生正离子, P区得
到电子产生负离子 。 通常称这个正负离子层为 PN结 。
在ＰＮ结的Ｐ区一侧带负电, Ｎ区一侧带正电 。
ＰＮ结便产生了内电场, 内电场的方向从Ｎ区指向Ｐ
区 。 内电场对扩散运动起到阻碍作用, 电子和空穴的
扩散运动随着内电场的加强而逐步减弱, 直至停止 。
在界面处形成稳定的空间电荷区 。
2.PN结的特性
1）
给 PN结加正向电压, 即 P区接正电源, N区接负电
源, 此时称 PN结为正向偏置 。
这时 PN结外加电场与内电场方向相反, 当外电场
大于内电场时, 外加电场抵消内电场, 使空间电荷区
变窄, 有利于多数载流子运动, 形成正向电流 。 外加
电场越强, 正向电流越大, 这意味着 PN结的正向电阻
变小 。
正向导通 反向截止
2） 反向截止
给 PN结加反向电压, 称 PN结反向偏置, 如图所示 。
这时外加电场与内电场方向相同, 使内电场的作用增
强,PN结变厚, 多数载流子运动难于进行, 有助于少数
载流子运动, 形成电流 IR,少数载流子很少, 所以电流
很小, 接近于零, 即 PN结反向电阻很大 。
综上所述,PN结具有单向导电性，加正向电压
时,PN结电阻很小，电流 IR较大，是多数载流子的
扩散运动形成的；加反向电压时,PN结电阻很大，
电流 IR很小，是少数载流子运动形成的。
P 区的引出线称二极管的阳极, 接
在 N区的引出线称二极管的阴极 。
二极管有许多类型 。 从工艺上分, 有点接触型和
面接触型； 按用途分, 有整流管, 检波二极管, 稳压
二极管, 光电二极管和开关二极管等 。
?二极管的结构和类型
1,二极管伏安特性
理论分析指出, 半导体二极管电流 I与端电压 U之
间的关系可表示为
I=IS( -1)
此式称为理想二极管电流方程 。 式中, IS称为反
向饱和电流, UT称为温度的电压当量, 常温下 UT≈26
mV。 实际的二极管伏安特性曲线如图所示 。 图中, 实
线对应硅材料二极管, 虚线对应锗材料二极管 。
TU
U
e
?二极管的特性及参数
1）
当二极管承受正向电压小于某一数值时, 还不足以
克服 PN结内电场对多数载流子运动的阻挡作用, 这一区
段二极管正向电流 IF很小, 称为死区 。 死区电压的大小
与二极管的材料有关, 并受环境温度影响 。 通常, 硅材
料二极管的死区电压约为 0.5 V,锗材料二极管的死区电
压约为 0.2V。
当正向电压超过死区电压值时, 外电场抵消了内电
场, 正向电流随外加电压的增加而明显增大, 二极管正
向电阻变得很小 。 当二极管完全导通后, 正向压降基本
维持不变, 称为二极管正向导通压降 UF。 一般硅管的 UF
为 0.7V,锗管的 UF为 0.3V。
2）
当二极管承受反向电压时, 外电场与内电场方
向一致, 只有少数载流子的漂移运动, 形成的漏电
流 IR极小, 一般硅管的 IR为几微安以下, 锗管 IR较大,
为几十到几百微安 。 这时二极管反向截止 。
当反向电压增大到某一数值时, 反向电流将随
反向电压的增加而急剧增大, 这种现象称二极管反
向击穿 。 击穿时对应的电压称为反向击穿电压 。 普
通二极管发生反向击穿后, 造成二极管的永久性损
坏, 失去单向导电性 。
2．
二极管参数是反映二极管性能质量的指标 。 必
须根据二极管的参数来合理选用二极管 。 二极管的
主要参数有 4项 。
1） 最大整流电流 IFM
IFM是指二极管长期工作时允许通过的最大正向
平均电流值 。 工作时, 管子通过的电流不应超过这
个数值, 否则将导致管子过热而损坏 。
2） 最高反向工作电压 URM
URM是指二极管不击穿所允许加的最高反向电压。
超过此值二极管就有被反向击穿的危险。 URM通常为反
向击穿电压的 1/2~2/3，以确保二极管安全工作。
3） 最大反向电流 IRM
IRM是指二极管在常温下承受最高反向工作电压
URM时的反向漏电流, 一般很小, 但其受温度影响较大 。
当温度升高时, IRM显著增大 。
4）最高工作频率 fM
fM是指保持二极管单向导通性能时，外加电压允
许的最高频率。二极管工作频率与 PN结的极间电容大
小有关，容量越小,工作频率越高。
二极管是电子电路中最常用的半导体器件 。 利用
其单向导电性及导通时正向压降很小的特点, 可用来
进行整流, 检波, 钳位, 限幅, 开关以及元件保护
等各项工作 。
1．
所谓整流,就是将交流电变为单方向脉动的直流电 。
利用二极管的单向导电性可组成单相, 三相等各种形
式的整流电路 。
2．
利用二极管正向导通时压降很小的特性,可组成
钳位电路。
?半导体二极管的应用
若 A点 UA=0，二极管 VD可正向导通，其压降
很小,故 F点的电位也被钳制在 0V左右,即 UF≈0。
3．
利用二极管正向导通后其两端电压很小且基本不变
的特性, 可以构成各种限幅电路, 使输出电压幅度限制
在某一电压值以内 。
设输入电压 ui=10sinωt(V),Us1=Us2=5V
当 -Us2<ui<Us1时,VD1,VD2都处于反向偏置而截
止,因此 i=0,uo=ui。当 ui>Us1时,VD1处于正向偏置而
导通，使输出电压保持在 Us1。
当 ui<-Us1时, VD2处于正向偏置而导通, 输出电
压保持在 -Us2。 由于输出电压 uo被限制在 +Us1与 -Us2之
间, 即 |uo|≤5V,好像将输入信号的高峰和低谷部分削
掉一样,因此这种电路又称为削波电路 。
4．
在电子线路中，常用二极管来保护其他元器件免
受过高电压的损害。
在开关 S接通时, 电源 E给线圈供电, L中有电流
流过, 储存了磁场能量 。 在开关 S由接通到断开的瞬
时, 电流突然中断, L中将产生一个高于电源电压很
多倍的自感电动势 eL,eL与 E叠加作用在开关 S的端子
上, 在 S的端子上产生电火花放电, 这将影响设备的
正常工作, 使开关 S寿命缩短 。 VD后,
eL通过二极管 VD产生放电电流 i,使 L中储存的能量不
经过开关 S放掉, 从而保护了开关 S。
1,发光二极管
1)
是一种将电能直接转换成光能的固体器件, 简称
LED。 发光二极管和普通二极管相似, 也由一个 PN结
组成 。 发光二极管在正向导通时, 由于空穴和电子的
复合而发出能量, 发出一定波长的可见光 。 光的波长
不同, 颜色也不同 。 常见的 LED有红, 绿, 黄等颜色 。
发光二极管的驱动电压低, 工作电流小, 具有很强的
抗振动和抗冲击能力 。 由于发光二极管体积小, 可靠
性高, 耗电省, 寿命长, 被广泛用于信号指示等电路
中 。
?特种二极管
2)
电源通断指示发光二极管作为电源通断指示通常
称为指示灯, 在实际应用中给人提供很大的方便 。 发
光二极管的供电电源既可以是直流的也可以是交流的,
但必须注意的是, 发光二极管是一种电流控制器件,
应用中只要保证发光二极管的正向工作电流在所规定
的范围之内, 它就可以正常发光 。
数码管是电子技术中应用的主要显示器件, 是用
发光二极管经过一定的排列组成的 。
这是最常用的七段数码显示 。 要使它显示 0~9的一
系列数字只要点亮其内部相应的显示段即可 。 七段数
码显示有共阳极 (b)和共阴极 (c)之分 。 数码管的驱动方
式有直流驱动和脉冲驱动两种, 应用中可任意选择 。
数码管应用十分广泛, 可以说, 凡是需要指示或读数
的场合, 都可采用数码管显示 。
2,
硅稳压二极管简称稳压管，是一种特殊的二极管，
它与电阻配合具有稳定电压的特点。
1）
稳压管正向偏压时, 其特性和普通二极管一样；
反向偏压时, 开始一段和二极管一样, 当反向电压达
到一定数值以后, 反向电流突然上升, 而且电流在一
定范围内增长时, 管两端电压只有少许增加, 变化很
小, 具有稳压性能 。 这种, 反向击穿, 是可恢复的,
只要外电路限流电阻保障电流在限定范围内, 就不致
引起热击穿而损坏稳压管 。
2）
a,稳定电压值 UVDZ,稳压管在正常工作时管子的端
电压,一般为 3~25V,高的可达 200 V。
b,稳定电流 IVDZ,稳压管正常工作时的参考电流 。
开始稳压时对应的电流最小, 为最小稳压电流 IVDZmin；
对应额定功耗时的稳压电流为最大稳压电流 IVDZmax。
c,动态电阻 rVDZ:稳压管端电压的变化量 ΔUVDZ与对
应电流变化量 ΔIVDZ之比,
DZ
DZ
v Iv
Uvr
DZ ?
??
d,稳定电压的温度系数, 当温度变化 1℃ 时稳压管
的稳压值 UVDZ的相对变化量 。
e,稳压管额定功耗 PVDZM,保证稳压管安全工作所
允许的最大功耗 。
PVDZM=UVDZIVDZmax
3）
UI是不稳定的可变直流电压, 希望得到稳定的电
压 UO, 故在两者之间加稳压电路 。 它由限流电阻 R
和稳压管 VDZ构成, RL是负载电阻 。
1-2 半导体三极管
三极管是由两个 PN结, 3个杂质半导体区域组成
的, 因杂质半导体有 P,N型两种, 所以三极管的组成
形式有 NPN型和 PNP型两种 。
1,三极管的结构及类型
不管是 NPN型还是 PNP型三极管, 都有三个区：
基区, 发射区, 集电区, 以及分别从这三个区引出的
电极：发射极 e,基极 b和集电极 c; 两个 PN结分别为发
射区与基区之间的发射结和集电区与基区之间的集电
结 。
?三极管的结构及类型
三极管基区很薄, 一般仅有 1微米至几十微米厚,
发射区浓度很高, 集电结截面积大于发射结截面积 。
使用中要注意电源的极性, 确保发射结永远加正
向偏置电压, 三极管才能正常工作 。
三极管根据基片的材料不同, 分为锗管和硅管两
大类, 目前国内生产的硅管多为 NPN型 （ 3D系列 ）,
锗管多为 PNP型 （ 3A系列 ） ；
从频率特性分, 可分为高频管和低频管；
从功率大小分, 可分为大功率管, 中功率管和小
功率管 。
2.
实验得出如下结论：
IE=IC+IB
IC≈IE
三个电流之间的关系符合基尔霍夫电流定律, IB
虽然很小, 但对 IC有控制作用, IC随 IB改变而改变 。
β称为三极管的电流放大系数, 它反映三极管的电
流放大能力, 也可以说电流 IB对 IC的控制能力 。
B
CII????
1)
三极管电流之间为什么具有这样的关系呢？ 这可
以通过在三极管内部载流子的运动规律来解释 。
a,发射区向基区发射电子 。
电源 UBB经过电阻 Rb加在发射结上, 发射结正偏,
发射区的多数载流子 ——自由电子不断地越过发射结而
进入基区, 形成发射极电流 IE。 同时, 基区多数载流子
也向发射区扩散, 但由于基区很薄, 可以不考虑这个
电流 。 因此, 可以认为三极管发射结电流主要是电子
流 。
b,基区中的电子进行扩散与复合 。
电子进入基区后, 先在靠近发射结的附近密集,
渐渐形成电子浓度差, 在浓度差的作用下, 促使电子
流在基区中向集电结扩散, 被集电结电场拉入集电区,
形成集电结电流 IC。 也有很小一部分电子与基区的空
穴复合, 形成复合电子流 。 扩散的电子流与复合电子
流的比例决定了三极管的放大能力 。
c,集电区收集电子 。
由于集电结外加反向电压很大, 这个反向电压产
生的电场力将阻止集电区电子向基区扩散, 同时将扩
散到集电结附近的电子拉入集电区而形成集电结主电
流 ICN。
另外集电区的少数载流子 ——空穴也会产生漂移运
动, 流向基区, 形成反向饱和电流 ICBO,其数值很小,
但对温度却非常敏感 。
2）
综合载流子的运动规律，三极管内的电流分配如
图所示，图中的箭头表示电流方向。
由于三极管基区的杂质浓度很低，且厚度很薄，
这就减小了电子和空穴复合的机会，所以从发射区注
入到基区的电子只有很小一部分在基区复合掉，绝大
部分到达集电区。这就是说构成发射极电流 IE的两部
分中,IBE部分是很小的,ICE部分所占百分比是大的，
若它们的比值用 hFE本表示，则有
1???
BE
CE
FE I
Ih
本
hFE本 表示三极管的电流放大能力, 称为本征电流
放大系数 。 它的大小取决于基区中载流子扩散与复合
的比例关系, 这种比例关系是由管子内部结构决定的,
一旦管子制成后, 这种比例关系 （ h FE本 值 ） 也就确定
了 。
各极电流满足下列分配关系：
IB=IBE-ICBO
IC=ICE+ICBO
=h FE本 IBE+ICBO
=h FE本 (IB+ICBO)+Ｉ CBO
=hFE本 IB+(1+hFE本 )ICBO
=hFE本 IB+ICEO
ICEO=(1+hFE本 )I CBO
IE=I CE+I BE
=(IC-ICBO)+(IB+ICBO)
=IC+IB
由三极管内部的载流子运动规律可知, 集电极电
流 IC主要来源于发射极电流 IE,而同集电极外电路几
乎无关, 只要加到集电结上的反向电压能够把从基区
扩散到集电结附近的电子吸引到集电区即可 。 这就是
三极管的电流控制作用 。 三极管能实现放大作用也是
以此为基础的, 这也是三极同二极管一个质的区别所
在 。
IE的大小是由发射结上的外加正向电压 UBE的大
小决定的, UBE的变化将引起 IE的变化, IE的变化再
引起 IB和 IC的变化, 所以, 实质上是发射结上的正向
电压 UBE对各极电流有控制作用 。
UBE变化能引起 IC变化的现象, 本应理解为电压控
制, 但二者的关系是非线性的, 表达起来很不方便,
当 ICBO（ 或 ICEO） 可忽略时, 则有 IC≈h FE本 IB,表明 IC同
IB（ 或 IE） 有一个比例关系, 使用起来很方便, 所以通
常说 IC受 IB（ 或 IE） 控制, 或者说, IC随 IB（ 或 IE） 成正
比变化 。
这里还需指出, 三极管的结构特点是它具有电流
控制作用的内部依据, 而发射结正向偏置, 集电结反
向偏置是它实现电流控制作用的外部条件 。 这是因
为 IC受 IB（ 或 IE） 控制, 是在满足上述外部条件下实
现的, 因此, 三极管在作放大运用时的直流供电必须
满足这个外部条件 。
3）
在基极回路（ b,e间）加入一个待放大的信号电
压 us; 在集电极回路（ c,e间）串入一个负载电阻 RL，
RL两端电压变量为 Δuo。基极接信号称输入端，集电极
接负载，称之为输出端，发射极既接信号又接负载，
称之为公共端。这种连接方式称为共发射极接法。
1,共射输入特性
1) 当 UCE =0时的输入特性 （ 图中曲线 ① ）
当 UCE=0时, 相当于集电极和发射极间短路, 三
极管等效成两个二极管并联, 其特性类似于二极管的
正向特性 。
?三极管的特性曲线
2) 当 UCE ≥1V时的输入特性 （ 图中曲线 ② ） 当
UCE≥1V 时, 输入特性曲线右移 （ 相对于 UCE =0时的
曲线 ）, 表明对应同一个 UBE值, IB减小了, 或者说,
要保持 IB不变, UBE需增加 。 这是因为集电结加反向电
压, 使得扩散到基区的载流子绝大部分被集电结吸引
过去而形成集电极电流 IC,只有少部分在基区复合, 形
成基极电流 IB,所以 IB减小而使曲线右移 。
对应输入特性曲线某点 （ 例如图 1.2.8的 Q点 ） 切
线斜率的倒数, 称为三极管共射极接法 （ Q点处 ） 的
交流输入电阻, 记作 rbe,
B
BEbe IUr ???? ?t an1
2,输出特性曲线
输出特性曲线是指当三极管基极电流 IB为常数时,
集电极电流 IC与集电极, 发射极间电压 UCE之间的关系,
IC=f(UCE)|IB =
。
1）
2） 放大区
a,对应同一个 IB值, |UCE|增加时, IC基本不变
（ 曲线基本与横轴平行 ） 。
b,对应同一个 UCE值, IB增加, IC显著增加, 并
且 IC的变量 ΔIC与 IB的变量 ΔIB基本为正比关系 （ 曲线
簇等间距 ） 。
3）
1,电流放大系数 β
动态 （ 交流 ） 电流放大系数 β：当集电极电压 UCE
为定值时, 集电极电流变化量 ΔIC与基极电流变化量
ΔIB之比, 即
BI
Ic
?
???
静态 （ 直流 ） 电流放大系数, 三极管为共发
射极接法, 在集电极 -发射极电压 UCE一定的条件下,
由基极直流电流 IB所引起的集电极直流电流与基极电
流之比, 称为共发射极静态 （ 直流 ） 电流放大系数,
记作
?
?三极管的主要参数
B
C
B
C E OC
I
I
I
II ????
2.
１ ) 发射极开路, 集电极－基极反向截止电流 ICBO。
２ )基极开路, 集电极－发射极反向截止电流 ICEO是
当三极管基极开路而集电结反偏和发射结正偏时的集
电极电流 。
3.
集电极最大允许电流 ICM：当 IC超过一定数值时 β
下降, β下降到正常值的 2/3时所对应的 IC值为 ICM,当
IC>ICM时, 可导致三极管损坏 。
反向击穿电压 U（ BR） CEO：基极开路时, 集电
极, 发射极之间最大允许电压为反向击穿电压 U（ BR）
CEO,当 UCE >U（ BR） CEO时, 三极管的 IC,IE剧增,
使三极管击穿 。 为可靠工作, 使用中取
C E OBRCE UU )()3
2~
2
1(?
复合三极管是把两个三极管的管脚适当的连接起
来使之等效为一个三极管, 典型结构如图所示 。
ic=ic1+ic2=β1ib1+β2ib2
=β1ib1+β2(1+β1) ib1
≈β1ib1 + β2β1 ib1
= β1ib1 （ 1+ β2 ）
≈β1β2 i b1
?复合三极管
即
β=
说明复合管的电流放大系数 β近似等于两个管子电
流放大系数的乘积 。
ICEO=ICEO2+ β2ICEO1
表明复合管具有穿透电流大的缺点 。
1b
c
i
i
