1.3 电子器件的基本特性

1.3.1　物体的导电性

例 1-22 导体

导体是指电阻率很小且易于传导电流的物质。导体中存在大量可自由移动的带电粒子称为载流子。在外电场作用下，载流子作定向运动，形成明显的电流。

金属是最常见的一类导体。金属之所以能导电，是因为金属的结构形式是金属键，金属原子最外层的价电子很容易挣脱原子核的束缚，而成为自由电子，这些自由电子在外电场力的作用下，可脱离原子束缚力进行定向运动而形成电流。留下的正离子（原子核）形成规则的点阵。金属中自由电子的浓度很大，所以金属导体的电导率通常比其他导体材料的大。金属导体的电阻率一般随温度降低而减小。在极低温度下，某些金属与合金的电阻率将消失而转化为“超导体”。金、银、铜、铁、铝等金属都具有良好的导电性。

例 1-23 绝缘体

绝缘体是指在通常情况下不传导电流的物质，又称电介质。绝缘体的特点是分子中正负电荷束缚得很紧，可以自由移动的带电粒子极少，在绝缘体上加上电压不会有电子的定向运动，也就是说绝缘体施加电压后不会形成电流。其电阻率很大，所以一般情况下可以忽略在外电场作用下自由电荷移动所形成的宏观电流，而认为是不导电的物质。橡胶、陶瓷、色料等，都是绝缘体。

绝缘体在一般电压下是绝缘的，当电压增加到一定限度时，将发生电介质被击穿，绝缘状态破坏，绝缘体转化为导体。

例 1-24 半导体

半导体指一种导电性可受控制，常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。如二极管就是采用半导体制作的器件。常见的半导体材料有硅、锗、硒以及一些硫化物和金属氧化物（如砷化镓）等。

半导体的原子有四个价电子，原子与原子之间的结合点也是共价键，如图1-17（a）所示。但是半导体的价电子受原子束缚力较小，能够脱离共价键，成为一个自由电子，自由电子带负电；脱离了一个电子的共价键留下一个空穴，它是带正电的，如图1-17（b）所示。由于自由电子和空穴是成对出现的，因此整个半导体仍呈中性。

当电压施加于半导体时，在外电场力的作用下，脱离了共价键的电子因前面邻近的空穴所吸引而填入空穴，而后面的自由电子又填充刚留下的空穴，半导体中的自由电子和空穴也称之为载流子。电子在电场力的作用下不断地向前移动，形成电子的定向运动称为电子电流；而空穴的位置发生了与电子运动方向相反的变化，可以把它看成是空穴的移动，并称为空穴电流。

① 本征半导体　纯的半导体称为本征半导体，它的自由电子和空穴数量是很有限的，所以其导电能力很低，但其具有两个特点。第一，当半导体受热而温度升高时，共价键上的一些电子会脱出，自由电子和空穴的数量会增加，使其导电能力有明显提高，根据半导体的这一特性，可以用半导体材料制成热敏元件。第二，当半导体受光照射后，一些电子获得能量而脱出共价键，也会使自由电子和空穴的数量增加，其导电能力得以提高，根据半导体的这一特性，可以将其制成光敏元件。

② N型半导体　将硅、锗等半导体材料掺入磷等五价元素，使自由电子的数目大增，导电能力得以提高。此类半导体称为N型半导体，其中电子是多数载流子，空穴是少数载流子，N型半导体如图1-18所示。

③ P型半导体　将硅、锗等半导体材料中掺入硼等三价元素，这样就使空穴的数目大增，导电能力也得以增强，此类半导体称为P型半导体，其中空穴是多数载流子，电子是少数载流子，P型半导体如图1-19所示。

1.3.2　PN结

例 1-25 PN结

（1）PN结的形成

如果将P型半导体和N型半导体结合，在其交界之处，N型半导体中的自由电子浓度大，会向P区运动，并与P型半导体的空穴复合，这种电子自发的运动称为扩散运动［图1-20（a）］，N区少了电子而形成带正电的离子，P区则得到电子形成带负电的离子，N型半导体和P型半导体在交界处的正负离子形成了一个空间电荷区［图1-20（b）］，空间电荷区随着N区电子扩散运动的进行而扩大。

形成的空间电荷区会建立一个内电场，内电场对电子的扩散运动起到阻碍作用，并使P区少量的电子越过空间电荷区进入N区。这种内电场对P区内原有的少数电子的作用，使其穿过空间电荷区的运动称为漂移运动，漂移运动会使空间电荷区减小。随着空间电荷区的扩大，其内电场增大，使扩散运动减弱，漂移运动加强，但扩散运动和漂移运动的速率达到动态平衡时，空间电荷区的宽度就稳定下来，这个稳定的空间电荷区就称为PN结，也被称为阻挡层。

（2）PN结的单向导电性

对PN结加正向电压时，如图1-21（a）所示，外电场的方向与PN结的内电场方向相反，削弱了内电场，阻挡层变薄，这时电子的扩散运动占主导。由于扩散运动是N区的电子（多数载流子）向P区运动，因而所形成的电流大，这时PN结呈现电阻很小。

对PN结加反向电压时，如图1-21（b）所示，外电场的方向与PN结的内电场方向相同，使内电场得以加强，阻挡层变厚，这时，电子的漂移占主导。由于漂移运动是P区的电子（少数载流子）向N区运动，因而所形成的电流很小，PN结呈现的电阻很大。

1.3.3　二极管

例 1-26 二极管

（1）二极管的构成

二极管的核心是PN结，一个PN结再加上引线和管壳就构成了各种形式、不同用途的二极管。二极管的PN结有点接触型和面接触型等不同的结构形式，二极管的构成示意图及符号如图1-22所示。

（2）二极管的特性

由于二极管实际上就是一个PN结，因而具有单向导电性。二极管的伏安特性如图1-23所示。根据二极管的伏安特性曲线可总结如下特性。

① 当加在二极管的正向电压小于Ur时，正向电流几乎为零。这是因为电压太低时，其电场力还不足以克服二极管PN结的内电场，内电场仍阻挡着电子的扩散运动，因而呈现出很大的电阻（不通）。Ur称为二极管正向导通的死区电压，或叫作门限电压。硅二极管的门限电压一般为0.5V，锗管为0.2V左右。当温度变化时，Ur也会有所变化。

② 当加在二极管上的正向电压超过Ur，但还在较低的范围内，随着电压的上升，电流也相应增大，但在不同电压下其曲线的斜率不同，这说明二极管在较低的电压范围内其正向电阻呈现非线性。

③ 当正向电压较高时，PN结的内电场已被削弱，N型半导体中数量很大的电子扩散运动得以进行，且电压增加时电流的增长很快。这时二极管正向呈现很小的电阻，其导电性能如同金属导体一样。

④ 当二极管加反向电压时，电压增高但电流很小且上升缓慢，呈现很大的电阻，这是因为所加电压形成的电场与PN结的内电场方向一致，此时，只是P区少数载流子的漂移运动，由少数电子的漂移运动所形成的电流IR称为反向饱和电流，由于二极管的反向饱和电流很小，因而可以近似地看成二极管反向断路。

⑤ 二极管的反向电压超过UR，二极管的PN结在外电场的作用下被击穿，反相电流会突然增大，二极管就失去了单向导电的特性，这种现象称为二极管反向击穿。

1.3.4　稳压管

例 1-27 稳压管

（1）稳压管的构成和特点

稳压管的核心也是一个PN结，但稳压管是特殊的面接触型二极管，给稳压管的PN结施加反向电压，当电压升至二级管反向击穿电压（UR）时，PN结被击穿，此时很小的电压变化就会导致很大的电流变化。稳压管与普通二极管不同的是，普通二极管反向击穿后就失去了作用，而稳压管反向击穿是可逆的，即去掉电压后稳压管又可恢复正常。稳压管具有反向击穿可恢复，且反向击穿时，在很小的电压变化范围内电流有很大的变化，这一特点被用来稳定电路中的电压。

（2）稳压管的伏安特性与稳压电路

稳压管的伏安特性与稳压电路如图1-24所示。

当电源电压Ui上升或负载电阻RL增大而使电压Uo稍有上升时，通过稳压管的电流会有较大的增加，使限流电阻R的电压将随之增加，从而使负载两端的电压Uo基本保持不变；当电源电压Ui下降和负载电阻RL减小而使电压稍有下降时，通过稳压管的电流会有较大的减小，限流电阻R上的电压将随之减小，从而使负载两端电压Uo基本保持不变。

1.3.5　晶体管

例 1-28 晶体管

（1）晶体管的构成

晶体管是由两个PN结构成的，有两种形式，如图1-25所示。

为使晶体管具有电流放大作用，采取了如下结构措施。

① 基区很薄，掺杂的浓度低，使其电子（N型）或空穴（P型）的数量很少。

② 发射区掺杂浓度高，一般高于集电区，比基区高很多倍。比如NPN型晶体管发射区的电子浓度可比基区的空穴浓度高100倍以上。

（2）晶体管的电流放大原理

以NPN型晶体管为例说明晶体管的电流放大原理，如图1-26所示，发射结加正向电压，而集电结加反向电压。发射结施加正向电压后，发射结的内电场被削弱了，PN结的阻挡层变薄。于是发射区浓度很高的电子就越过发射结向基区扩散，进入基区的自由电子，少量的与基区为数不多的空穴复合，其余的自由电子继续向电子浓度低的集电结处扩散。发射结加正向电压，形成了多数载流子的扩散运动。

集电结加反向电压后，其内电场加强空间电荷区加宽，扩散到集电结附近的自由电子在集电结内电场力的作用下，越过集电结进入集电区。集电结的反向电压形成了电子漂移运动。由于基区聚集了从发射区扩散而来的大量电子，因此，集电结的漂移运动成了“多数载流子”的运动。

进入集电区的自由电子被电源EC拉走，形成集电极电流IC，电源不断地向发射区注入电子，形成发射极电流IE，电源EB从基区拉走电子形成基极电流IB。

由于基区的空穴数量很少，从发射区进入基区的自由电子与基区的空穴复合的很少，而大量的电子是被集电结的内电场拉到了集电区，因此IBIC。IC与IB的比值就是晶体管的电流放大倍数β。即。因此，对基区很薄，掺杂浓度低，使其载流子数量少，而发射区掺杂浓度高，使载流子数量比基区大许多倍的结构措施就很好理解了。这是为了形成的基极电流IB小，使集电极电流IC能比基极电流IB大β倍。

（3）晶体管的特性

① 晶体管的放大特性　当加在基极与发射极之间的电压UBE达到了晶体管导通电压Ur（发射结门限电压）后的一定电压范围内，晶体管处于放大状态，如图1-27所示。这时，发射区与基区之间的PN结阻挡层已被减薄，形成了多数载流子的扩散运动，UBE一个小小的变化就会引起集电极电流大的改变，而基极电流的变化只是集电极电流的（）。正是有这一特性，晶体管被广泛应用在电压放大、电流放大和功率放大的电路中。

② 晶体管的开关特性　晶体管除了上述放大工作状态外，还有截止工作状态（相当于开关断开）和饱和导通工作状态（相当于开关闭合），即晶体管还具有开关特性。

a.晶体管的截止状态。当加在基极与发射极之间的电压低于发射极的导通电压（UBE<Ur）时，发射区大量的自由电子不能扩散到基区，就形不成集电极电流，此时的晶体管工作状态称为截止状态，如图1-28（a）所示。晶体管处于截止状态时，发射区与基区之间的PN结阻挡层较宽，只有少数载流子（电子）的漂移运动。少数电子通过基区到达集电区，使晶体管的基电极与发射极之间形成很小的“穿透电流”。通常情况下晶体管截止状态的穿透电流可忽略不计，因而晶体管的集电极和发射极之间可以看成是断开的，即

b.晶体管的饱和导通状态。当基极与发射极之间电压足够大，IB的增加使IC增加到了极限时，再增大IB，IC也不再增加，此时，晶体管处于饱和导通状态，如图1-28（b）所示。晶体管处于饱和导通状态时，可以把晶体管的集电极与发射极之间看成是通路，即UBE≈0。IC达到极限值ICM(ICM=UCC/RC)，这时，电源的电压都降在集电极负载电阻RL上了。

晶体管的开关特性被用作有电信号控制的无触点开关，在汽车电气系统中的应用很多。例如，无触点电子点火装置的电子点火器、电子式电压调节器、无触点电喇叭等，都是利用晶体管开关特性的电子元件。

1.3.6　晶闸管

例 1-29 晶闸管

（1）晶闸管的构成

晶闸管是由三个PN结构成的，如图1-29所示。

（2）晶闸管的导通原理

晶闸管实际上可看成是由PNP型和NPN型的两个晶体管连接而成，如图1-30所示。每一个晶体管的基极与另一个晶体管的集电极相连，晶闸管的阳极A相当于PNP型晶体管的发射极，阴极K相当于NPN型晶体管的发射极。

当阳极A和阴极K之间加正向电压，门极G也加正向电压时，VT2就开始导通。VT2导通后，其集电极电流IC2给VT1提供了基极电流，使VT1导通，于是VT2和VT1之间就形成了如下的正反馈。

这一正反馈过程使VT2和VT1很快达到饱和导通。晶闸管导通后其压降很小，可近似看成开关接通，电源电压几乎全部加在负载上。

晶闸管导通后，由自身的正反馈作用维持其导通状态，因此，门极G就失去了控制作用。要想关断晶闸管的导通，可用如下方法。

① 减小正向电压，使之不能维持正反馈过程。

② 阳极和阴极之间加反向电压。

③ 切断阳极电流。

从晶闸管的导通可知其导通条件如下。

① 必须是加正向电压，即晶闸管的阳极接电源的正端，阴极接电源的负端。

② 门极必须施加正向电压。一旦晶闸管导通，则门极电压不起作用。

（3）晶闸管的特点

从晶闸管的结构原理的分析可以总结出晶闸管的如下特点。

① 晶闸管具有单向导电性，并受控于门极，由于门极使晶闸管导通后就失去控制作用，故在实际应用中，门极控制信号往往是一个尖脉冲电压的形式。

② 晶闸管与二极管的异同点是，都具有单向导电性，但晶闸管的导通除阳极和阴极之间，必须有正向电压外，还受门极控制。

③ 晶闸管与晶体管的异同点是，都有三个电极，但晶闸管只有通路和断路两种状态，其门极电流无放大作用。