數(shù)電模電課件全集匯總

第一章

半導(dǎo)體器件

軟件學(xué)院

侯剛

1第一章半導(dǎo)體器件軟件學(xué)院侯剛1主要內(nèi)容

??????1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識

1.2二極管

1.3穩(wěn)壓二極管

1.4其它類型二極管

1.5半導(dǎo)體三極管

1.6場效應(yīng)管

2主要內(nèi)容??????1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識1.2二極管???1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識

導(dǎo)體：自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體，金屬一般都是導(dǎo)體。

絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。

半導(dǎo)體：另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱為半導(dǎo)體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。

3???1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識導(dǎo)體：自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識

半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理不同于其它物質(zhì)，所

以它具有不同于其它物質(zhì)的特點。

半導(dǎo)體的特點：

①熱敏性

②光敏性

③摻雜性

41.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理不同于??1.1.1本征半導(dǎo)體

完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體材料稱為本征半導(dǎo)體。

本征半導(dǎo)體的原子結(jié)構(gòu)及共價鍵。

共價鍵內(nèi)的兩個電子

由相鄰的原子各用一

個價電子組成，稱為

束縛電子。

5??1.1.1本征半導(dǎo)體完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體材料1.1.1本征半導(dǎo)體

?本征激發(fā)和兩種載流子——自由電子和空穴

溫度越高，半導(dǎo)體材料中產(chǎn)生的自由電子便越多。束

縛電子脫離共價鍵成為自由電子后，在原來的位置留有一個

空位，稱此空位為空穴。本征半導(dǎo)體中，自由電子和空穴成

對出現(xiàn)，數(shù)目相同。

61.1.1本征半導(dǎo)體?本征激發(fā)和兩種載流子——自由電子和1.1.1本征半導(dǎo)體

空穴出現(xiàn)以后，鄰近的束縛電子可能獲取足夠的能量來

填補(bǔ)這個空穴，而在這個束縛電子的位置又出現(xiàn)一個新的空

位，另一個束縛電子又會填補(bǔ)這個新的空位，這樣就形成束

縛電子填補(bǔ)空穴的運動。為了區(qū)別自由電子的運動，稱此束

縛電子填補(bǔ)空穴的運動為空穴運動。

71.1.1本征半導(dǎo)體空穴出現(xiàn)以后，鄰近的束1.1.1本征半導(dǎo)體

?結(jié)

論

(1)半導(dǎo)體中存在兩種載流子，一種是帶負(fù)電的自由電子，

另一種是帶正電的空穴，它們都可以運載電荷形成電流。

(2)本征半導(dǎo)體中，自由電子和空穴結(jié)伴產(chǎn)生，數(shù)目相同。

(3)一定溫度下，本征半導(dǎo)體中電子空穴對的產(chǎn)生與復(fù)合相

對平衡，電子空穴對的數(shù)目相對穩(wěn)定。

(4)溫度升高，激發(fā)的電子空穴對數(shù)目增加，半導(dǎo)體的導(dǎo)電

能力增強(qiáng)?？昭ǖ某霈F(xiàn)是半導(dǎo)體導(dǎo)電區(qū)別導(dǎo)體導(dǎo)電的一個主

要特征。

81.1.1本征半導(dǎo)體?結(jié)論(1)半導(dǎo)體中存在兩種1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中加入微量雜質(zhì)，可使其導(dǎo)電性

能顯著改變。根據(jù)摻入雜質(zhì)的性質(zhì)不同，雜質(zhì)半導(dǎo)體分為兩類：電子型（N型）半導(dǎo)體和空穴型（P型）半導(dǎo)體。

N型半導(dǎo)體：自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)

體，也稱為電子半導(dǎo)體。

P型半導(dǎo)體：空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱為空穴半導(dǎo)體。

9

1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中加入微量1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體

1、

N型半導(dǎo)體

在硅（或鍺）半導(dǎo)體晶體中，摻入微量的五價元素，如

磷（P）、砷（As）等，則構(gòu)成N型半導(dǎo)體。

五價的元素具有五個價電子，它們進(jìn)入由硅（或鍺）組

成的半導(dǎo)體晶體中，五價的原子取代四價的硅（或鍺）原

子，在與相鄰的硅（或鍺）原子組成共價鍵時，因為多一個

價電子不受共價鍵的束縛，很容易成為自由電子，于是半導(dǎo)

體中自由電子的數(shù)目大量增加。自由電子參與導(dǎo)電移動后，

在原來的位置留下一個不能移動的正離子。每個五價原子給

出一個電子，稱為施主原子。

101.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體1、N型半導(dǎo)體在硅1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體

N型半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)

N型半導(dǎo)體中的載流子：

(1)由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。

(2)本征半導(dǎo)體中成對產(chǎn)生的電子和空穴。

摻雜濃度遠(yuǎn)大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度。自由電子稱為多數(shù)載流子(多子)，空穴稱為少數(shù)載流子(少子)。

111.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)N型半導(dǎo)體1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體

2、P型半導(dǎo)體

在硅（或鍺）半導(dǎo)體晶體中，摻入微量的三價元素，

如硼（B）、銦（In）等，則構(gòu)成P型半導(dǎo)體。

三價的元素只有三個價電子，在與相鄰的硅（或鍺）原

子組成共價鍵時，由于缺少一個價電子，在晶體中便產(chǎn)生一

個空位，鄰近的束縛電子如果獲取足夠的能量，有可能填補(bǔ)

這個空位，使原子成為一個不能移動的負(fù)離子。由于三價原

子接受電子，所以稱為受主原子。

121.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體2、P型半導(dǎo)體在硅（1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體

?P型半導(dǎo)體中的共價鍵結(jié)構(gòu)

型半導(dǎo)體中空穴是

13P多子，電子是少子。

1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體?P型半導(dǎo)體中的共價鍵結(jié)構(gòu)型半導(dǎo)1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體

?雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示

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P型半導(dǎo)體

++++++++++++++++++++++++N型半導(dǎo)體

雜質(zhì)型半導(dǎo)體多子和少子的移動都能形成電流。但由于數(shù)量的關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是多子。近似認(rèn)為多子與雜質(zhì)濃度相等。

141.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體?雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示－－－??1.1.3PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?/p>

利用半導(dǎo)體的制作工藝，在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，經(jīng)過載流子的擴(kuò)散，在它們的交界面處就形成了PN結(jié)。

PN結(jié)具有單一型半導(dǎo)體所不具有的新特性，利用這種新特性可以制造出各種半導(dǎo)體器件。如二極管、三極管和場效應(yīng)管等。

15??1.1.3PN結(jié)及其單向?qū)щ娦岳冒雽?dǎo)體的制作工藝，1.1.3PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?/p>

1、PN結(jié)的形成

多數(shù)載流子因濃度上的差異而形成的運

動稱為擴(kuò)散運動。

161.1.3PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?、PN結(jié)的形成??1.1.3PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?/p>

擴(kuò)散運動的結(jié)果，在交界面P區(qū)一側(cè)因失去了空穴而出現(xiàn)負(fù)離子區(qū)；而N區(qū)一側(cè)因失去自由電子出現(xiàn)了正離子區(qū)。

正負(fù)離子都被束縛在晶格內(nèi)不能移動，于是在交界面兩側(cè)形成了正、負(fù)空間電荷區(qū)。在空間電荷區(qū)內(nèi)可以認(rèn)為載流子已被“耗盡”，故又稱耗盡區(qū)或耗盡層。

17??1.1.3PN結(jié)及其單向?qū)щ娦詳U(kuò)散運動的結(jié)果，在交界1.1.3PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?/p>

空間電荷區(qū)出現(xiàn)后，因為正負(fù)電荷的作用，將

產(chǎn)生一個從N區(qū)指向P區(qū)的內(nèi)電場。內(nèi)電場的方向，

會對多數(shù)載流子的擴(kuò)散運動起阻礙作用。同時，內(nèi)

電場則可推動少數(shù)載流子（P區(qū)的自由電子和N區(qū)的

空穴）越過空間電荷區(qū)，進(jìn)入對方。少數(shù)載流子在

內(nèi)電場作用下有規(guī)則的運動稱為漂移運動。漂移運

動和擴(kuò)散運動的方向相反。無外加電場時，通過PN結(jié)的擴(kuò)散電流等于漂移電流，PN結(jié)中無電流流過，

PN結(jié)的寬度保持一定而處于穩(wěn)定狀態(tài)。

181.1.3PN結(jié)及其單向?qū)щ娦钥臻g電荷區(qū)出1.1.3PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?/p>

2、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

處于平衡狀態(tài)下的PN結(jié)沒有實用價值。

如果在PN結(jié)兩端加上不同極性的電壓，PN結(jié)會呈現(xiàn)出不同的導(dǎo)電性能。

當(dāng)PN結(jié)在一定的電壓范圍內(nèi)外加正向電

壓時，處于低電阻的導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)外加反向

電壓時，處于高電阻的截止?fàn)顟B(tài)，這種導(dǎo)電

特性，就是PN結(jié)單向?qū)щ娦浴?/p>

191.1.3PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.1.3PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?/p>

(1)PN結(jié)外加正向電壓：

PN結(jié)P端接高電

位，N端接低電位，稱PN結(jié)外加正向電壓，又稱PN結(jié)正向偏置，簡稱為正偏。

201.1.3PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?1)PN結(jié)外加正向電壓1.1.3PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?/p>

(2)PN結(jié)外加反向電壓：

PN結(jié)P端接低電

位，N端接高電位，稱PN結(jié)外加反向電壓，又稱PN結(jié)反向偏置，簡稱為反偏。

211.1.3PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?2)PN結(jié)外加反向電壓1.2二極管

1.2.1二極管的結(jié)構(gòu)及符號

?半導(dǎo)體二極管是由一個PN結(jié)加上相應(yīng)的電極和引線及管殼封裝而成的。

?由P區(qū)引出的電極稱為陽極（正極），N區(qū)引出的為陰極（負(fù)極）。

?因為PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕O管導(dǎo)通時的電流方向是由陽極通過管子內(nèi)部流向陰極。

電流方向

221.2二極管1.2.1二極管的結(jié)構(gòu)及符號?半導(dǎo)體二極1.2.1二極管的結(jié)構(gòu)及符號

?二極管按半導(dǎo)體材料的不同可以分為硅二極管、鍺二極管和砷化鎵二極管等。

?按結(jié)構(gòu)不同可分為點接觸型、面接觸型和平面型二極管等。

231.2.1二極管的結(jié)構(gòu)及符號?二極管按半導(dǎo)體材料的不同可1.2.1二極管的結(jié)構(gòu)及符號

常見的二極管有金屬、塑料和玻璃三種

封裝形式。按照應(yīng)用的不同，二極管分為整

流、檢波、開關(guān)、穩(wěn)壓、發(fā)光、光電、快恢

復(fù)和變?nèi)荻O管等。根據(jù)使用的不同，二極

管的外形各異。

241.2.1二極管的結(jié)構(gòu)及符號常見的二極管有1.2.2伏安特性及主要參數(shù)

1、二極管的伏安特性曲線

二極管兩端的電壓U及其流過二極管的電流I之間的關(guān)

系曲線，稱為二極管的伏安特性曲線。用實驗的方法，在二

極管的正極和負(fù)極加上不同極性和不同數(shù)值的電壓，同時測

量流過二極管的電流值，就得到二極管的伏安特性。

251.2.2伏安特性及主要參數(shù)1、二極管的伏安特性曲線1.2.2伏安特性及主要參數(shù)

伏安特性曲線

261.2.2伏安特性及主要參數(shù)伏安特性曲線261.2.2伏安特性及主要參數(shù)

(1)正向特性

二極管外加正向電壓時，電流和電壓的關(guān)系稱

為二極管的正向特性。當(dāng)二極管所加正向電壓比較

小時（0<U<Uth），二極管上流經(jīng)的電流為0，管子

仍截止，此區(qū)域稱為死區(qū)，Uth稱為死區(qū)電壓（門坎

電壓）。硅二極管的死區(qū)電壓約為0.5V，鍺二極管

的死區(qū)電壓約為0.1V。當(dāng)正向電壓超過死區(qū)電壓

時，二極管才呈現(xiàn)低電阻值，處于正向?qū)顟B(tài)。

271.2.2伏安特性及主要參數(shù)(1)正向特性1.2.2伏安特性及主要參數(shù)

(2)反向特性

二極管外加反向電壓時，電流和電壓的

關(guān)系稱為二極管的反向特性。二極管外加反

向電壓時，反向電流很小（I≈-IS），而且在

相當(dāng)寬的反向電壓范圍內(nèi)，反向電流幾乎不

變，因此，稱此電流值為二極管的反向飽和

電流。

281.2.2伏安特性及主要參數(shù)(2)反向特性1.2.2伏安特性及主要參數(shù)

(3)擊穿特性

當(dāng)反向電壓的值增大到UBR時，反向電壓值

稍有增大，反向電流會急劇增大，稱此現(xiàn)象為

反向擊穿，UBR為反向擊穿電壓。利用二極管的

反向擊穿特性，可以做成穩(wěn)壓二極管，但一般

的二極管不允許工作在反向擊穿區(qū)。

291.2.2伏安特性及主要參數(shù)(3)擊穿特性1.2.2伏安特性及主要參數(shù)

2、二極管的溫度特性

二極管是對溫度非常敏感的器件。實驗

表明，隨溫度升高，二極管的正向壓降會減

小，正向伏安特性左移，即二極管的正向壓

降具有負(fù)的溫度系數(shù)（約為-2mV/℃）；溫

度升高，反向飽和電流會增大，反向伏安特

性下移，溫度每升高10℃，反向電流大約增

加一倍。

301.2.2伏安特性及主要參數(shù)2、二極管的溫度特性1.2.2伏安特性及主要參數(shù)

溫度對二極管的影響

311.2.2伏安特性及主要參數(shù)溫度對二極管的影響311.2.2伏安特性及主要參數(shù)

3、二極管的電流方程

UUTI?Is(e?1)式中

I——通過二極管的電流；

U——加在二極管兩端的電壓；

Is——二極管的反向飽和電流；

?23

UT——溫度的電壓當(dāng)量UT=kT/q。k是玻爾茲曼常數(shù)，

k?1.38?10J/KqT是熱力學(xué)溫度；Q是電子電荷量，

?1.6?10；

?19C當(dāng)外加正向電壓U>>UT時：

eUUT??1??1當(dāng)外加反向電壓|U|>>UT時

e?UUTI=–Is

321.2.2伏安特性及主要參數(shù)3、二極管的電流方程UUT1.2.2伏安特性及主要參數(shù)

4、主要參數(shù)

（1）最大整流電流IF

最大整流電流IF是指二極管長期連續(xù)工作時，

允許通過二極管的最大正向電流的平均值。

（2）反向擊穿電壓UBR

反向擊穿電壓是指二極管擊穿時的電壓值。

（3）反向飽和電流IS

它是指管子沒有擊穿時的反向電流值。其值愈

小，說明二極管的單向?qū)щ娦杂谩?/p>

331.2.2伏安特性及主要參數(shù)4、主要參數(shù)（1）最大整流1.2.3二極管電路的分析方法及應(yīng)用

（1）二極管理想模型

如果二極管正向壓降遠(yuǎn)小于和它串聯(lián)的

電路的電壓，反向電流遠(yuǎn)小于和它并聯(lián)的電

路的電流，則可忽略二極管的正向壓降和反

向電流對電路的影響，即認(rèn)為二極管具有理

想的伏安特性。理想的二極管可以用一個理

想的開關(guān)來等效，正偏時開關(guān)閉合，反偏時

開關(guān)斷開。

341.2.3二極管電路的分析方法及應(yīng)用（1）二極管理想模型1.2.3二極管電路的分析方法及應(yīng)用

（2）二極管恒壓源模型

若二極管的工作電流處于伏安特性曲線的近似指數(shù)部

分，即使電流變化，二極管的端電壓也基本不變。因此可用

一條與實際伏安特性曲線基本重合的垂直曲線來代替原特性

曲線。相應(yīng)的電路模型叫恒壓源模型。電路模型中UD(on)是

二極管的恒定導(dǎo)通電壓，對硅管可取0.7V，對鍺管可取

0.3V。利用二極管的恒壓源模型時，只有當(dāng)二極管兩端正向

電壓大于UD(on)時，二極管才有電流流過，小于UD(on)時，二

極管截止。這個模型與二極管的伏安特性較為接近。

351.2.3二極管電路的分析方法及應(yīng)用（2）二極管恒壓源模1.2.3二極管電路的分析方法及應(yīng)用

?

例1-1361.2.3二極管電路的分析方法及應(yīng)用?例1-131.2.3二極管電路的分析方法及應(yīng)用

?例1-2371.2.3二極管電路的分析方法及應(yīng)用?例1-2371.2.3二極管電路的分析方法及應(yīng)用

381.2.3二極管電路的分析方法及應(yīng)用38??1.3穩(wěn)壓二極管

穩(wěn)壓管是利用半導(dǎo)體特殊工藝制成，實質(zhì)上也是一個半導(dǎo)體二極管，外形也相似，因為具有穩(wěn)定電壓的作用，稱它為穩(wěn)壓管。

在電子電路中，穩(wěn)壓管工作于反向擊穿狀態(tài)。擊穿電壓從幾伏到幾十伏，反向電流也較一般二極管大。在反向擊穿狀態(tài)下正常工作而不損壞，是穩(wěn)壓管的特點。

39??1.3穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓管是利用半導(dǎo)體特殊工藝制成，實質(zhì)1.3穩(wěn)壓二極管

1、穩(wěn)壓管的伏安特性和符號

401.3穩(wěn)壓二極管1、穩(wěn)壓管的伏安特性和符號401.3穩(wěn)壓二極管

2、穩(wěn)壓管的主要參數(shù)

①

穩(wěn)定電壓UZ：它是指當(dāng)穩(wěn)壓管中的電流為規(guī)定值時，穩(wěn)壓管在電路中其兩端產(chǎn)生的穩(wěn)定電壓值。

②

穩(wěn)定電流IZ：它是指穩(wěn)壓管工作在穩(wěn)壓狀態(tài)時，穩(wěn)壓管中流過的電流，有最小穩(wěn)定電流IZmin和最大穩(wěn)定電流IZmax之分。

③

動態(tài)電阻rZ：指穩(wěn)壓管在正常的工作范圍內(nèi)，管子兩端電壓UZ的變化量和管中電流IZ的變化量之比，穩(wěn)壓管反向特性曲線越陡，

rZ越小穩(wěn)壓性能越好。

rZ=△

UZ/△

IZ

411.3穩(wěn)壓二極管2、穩(wěn)壓管的主要參數(shù)①穩(wěn)定電壓UZ：1.3穩(wěn)壓二極管

3、穩(wěn)壓管的典型穩(wěn)壓電路

421.3穩(wěn)壓二極管3、穩(wěn)壓管的典型穩(wěn)壓電路421.3穩(wěn)壓二極管

i

iLR

4、例題：

RLuui穩(wěn)壓管的技術(shù)參數(shù):oDZiZUzW?10V,

Izmax?20mA,

負(fù)載電阻

RL?2k?

Izmin?5mA要求當(dāng)輸入電壓由正常值發(fā)生?20%波動時，負(fù)載電壓基本不變。

求：電阻R和輸入電壓

ui的正常值。

解：令輸入電壓達(dá)到上限時，流過穩(wěn)壓管的電流為Izmax。

UZWi?Izmax??25mARL1.2ui?iR?UzW?25R?10——方程1431.3穩(wěn)壓二極管iiLR4、例題：RLuui1.3穩(wěn)壓二極管

令輸入電壓降到下限時，流過穩(wěn)壓管的電流為Izmin。

i

uiR

DZiLiZRLUZWi?Izmin??10mARLuo0.8ui?iR?UzW?10R?10聯(lián)立方程1、2，可解得：

——方程2ui?18.75V,R?0.5k?441.3穩(wěn)壓二極管令輸入電壓降到下限時，流過穩(wěn)壓管的電流為1.4其它類型二極管

1、發(fā)光二極管

?發(fā)光二極管是一種光發(fā)射器件，英文縮寫是LED。此類管子通常由鎵（Ga）、砷（As）、磷（P）等元素的化合物制成，管子正向?qū)?，?dāng)導(dǎo)通電流足夠大時，能把電能直接轉(zhuǎn)換為光能，發(fā)出光來。目前發(fā)光二極管的顏色有紅、黃、橙、綠、白和藍(lán)6種，所發(fā)光的顏色主要取決于制作管子的材料。

?發(fā)光二極管應(yīng)用非常廣泛，常用作各種電子設(shè)備如儀器儀表、計算機(jī)、電視機(jī)等的電源指示燈和信號指示等，還可以做成七段數(shù)碼顯示器等。發(fā)光二極管的另一個重要用途是將電信號轉(zhuǎn)為光信號。

451.4其它類型二極管1、發(fā)光二極管?發(fā)光二極管是一種光1.4其它類型二極管

LED461.4其它類型二極管LED461.4其它類型二極管

2、光電二極管

?光電二極管又稱為光敏二極管，它是一種光接受器件，其PN結(jié)工作在反偏狀態(tài)，可以將光能轉(zhuǎn)換為電能，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。

471.4其它類型二極管2、光電二極管?光電二極管又稱為光1.4其它類型二極管

3、激光二極管

?激光二極管是在發(fā)光二極管的PN結(jié)間安置一層具有光活性的半導(dǎo)體，構(gòu)成一個光諧振腔。工作時接正向電壓，可發(fā)射出激光。

?激光二極管的應(yīng)用非常廣泛，在計算機(jī)的光盤驅(qū)動器，激光打印機(jī)中的打印頭，激光唱機(jī)，激光影碟機(jī)中都有激光二極管。

481.4其它類型二極管3、激光二極管?激光二極管是在發(fā)光1.5半導(dǎo)體三極管

半導(dǎo)體三極管又稱晶體三極管（下稱三

極管），一般簡稱晶體管，或雙極型晶體

管。它是通過一定的制作工藝，將兩個PN結(jié)

結(jié)合在一起的器件，兩個PN結(jié)相互作用，使

三極管成為一個具有控制電流作用的半導(dǎo)體

器件。

491.5半導(dǎo)體三極管半導(dǎo)體三極管又稱晶體三極1.5.1基本結(jié)構(gòu)和類型

?三極管可以是由半導(dǎo)體硅材料制成，稱為硅三極管；也可以由鍺材料制成，稱為鍺三極管。

?三極管從應(yīng)用的角度講，種類很多。根據(jù)工作頻率分為高頻管、低頻管和開關(guān)管；根據(jù)工作功率分為大功率管、中功率管和小功率管。

501.5.1基本結(jié)構(gòu)和類型?三極管可以是由半導(dǎo)體硅材料制成?1.5.1基本結(jié)構(gòu)和類型

三極管從結(jié)構(gòu)上來講分為兩類：NPN型三極管和PNP型三極管。

51?1.5.1基本結(jié)構(gòu)和類型三極管從結(jié)構(gòu)上來講分為兩類：N??1.5.1基本結(jié)構(gòu)和類型

52符號中發(fā)射極上的箭頭方向，表示發(fā)射結(jié)正偏時電流的流向。三極管制作時，通常它們的基區(qū)做得很薄（幾微米到幾十微米），且摻雜濃度低；發(fā)射區(qū)的雜質(zhì)濃度則比較高；集電區(qū)的面積則比發(fā)射區(qū)做得大，這是三極管實現(xiàn)電流放大的內(nèi)部條件。??1.5.1基本結(jié)構(gòu)和類型52符號中發(fā)射極上的箭1.5.2電流分配與放大

要實現(xiàn)三極管的電流放大作用，首先要給三極管各電

極加上正確的電壓。三極管實現(xiàn)放大的外部條件是：其發(fā)射

結(jié)必須加正向電壓（正偏），而集電結(jié)必須加反向電壓（反

偏）。

1、實驗

在電路中，要給三極管的發(fā)射結(jié)加正向電壓，集電結(jié)加

反向電壓，保證三極管能起到放大作用。改變可變電阻Rb的

值，則基極電流IB、集電極電流IC和發(fā)射極電流IE都發(fā)生變

化，電流的方向如圖中所示。

531.5.2電流分配與放大要實現(xiàn)三極管的電流1.5.2電流分配與放大

?實驗電路圖

541.5.2電流分配與放大?實驗電路圖541.5.2電流分配與放大

?由實驗及測量結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

（1）實驗數(shù)據(jù)中的每一列數(shù)據(jù)均滿足關(guān)系：IE=IC+IB；

（2）IE≈IC＞＞IB，而且有IC與IB的比值近似相等，設(shè)為β

，則β

為電流放大系數(shù)；

（3）

IB的的微小變化會引起IC較大的變化；

551.5.2電流分配與放大?由實驗及測量結(jié)果可以得出以下結(jié)1.5.2電流分配與放大

2、三極管實現(xiàn)電流分配的原理

上述實驗結(jié)論可以用載流

1）發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射自由電子，形成發(fā)射極電流IE。

2）自由電子在基區(qū)與空穴復(fù)合，形成基極電流IB。

3）集電區(qū)收集從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散過來的自由電子，形成集電極電流IC。

56

子在三極管內(nèi)部的運動規(guī)律來解釋。（（（1.5.2電流分配與放大2、三極管實現(xiàn)電流分配的原理上1.5.2電流分配與放大

?結(jié)論：

（1）要使三極管具有放大作用，發(fā)射結(jié)必須正向偏置，而集電結(jié)必須反向偏置。

（2）一般有β>>1；

（3）三極管的電流分配及放大關(guān)系式為：

IE=IC+IB

IC=βIB

571.5.2電流分配與放大?結(jié)論：（1）要使三極管具有放1.5.3三極管的特性曲線及主要參數(shù)

1.三極管的特性曲線

三極管的特性曲線是指三極管的各電極

電壓與電流之間的關(guān)系曲線，它反映出三極

管的特性。它可以用專用的圖示儀進(jìn)行顯

示，也可通過實驗測量得到。以NPN型硅三

極管為例，其常用的特性曲線有以下兩種。

581.5.3三極管的特性曲線及主要參數(shù)1.三極管的特性曲線1.5.3三極管的特性曲線及主要參數(shù)

(1)輸入特性曲線：它是指一定集電極和發(fā)射極電壓UCE下，三極管的基極電流IB與發(fā)射結(jié)電壓UBE之間的關(guān)系曲線。

591.5.3三極管的特性曲線及主要參數(shù)(1)輸入特性曲線1.5.3三極管的特性曲線及主要參數(shù)

(2)輸出特性曲線：它是指一定基極電流IB下，三極管的集電極電流IC與電壓UCE之間的關(guān)系曲線。

601.5.3三極管的特性曲線及主要參數(shù)(2)輸出特性曲線1.5.3三極管的特性曲線及主要參數(shù)

一般把三極管的輸出特性分為3個工作區(qū)域，

下面分別介紹。

①

截止區(qū)

三極管工作在截止?fàn)顟B(tài)時，具有以下幾個特點：

（a）發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均反向偏置；

（b）UC>UE>UB，有IB、IC近似為0；

（c）三極管的集電極和發(fā)射極之間電阻很大，三極管相當(dāng)于一個開關(guān)斷開。

611.5.3三極管的特性曲線及主要參數(shù)一般把1.5.3三極管的特性曲線及主要參數(shù)

②

放大區(qū)：輸出特性曲線近似平坦的區(qū)域稱為放大區(qū)。三極管工作在放大狀態(tài)時，具有以下特點：

（a）三極管的發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置；對NPN型的三極管，有電位關(guān)系：UC>UB>UE；

（b）基極電流IB微小的變化會引起集電極電流IC較大的變化，有電流關(guān)系式：IC=βIB；

621.5.3三極管的特性曲線及主要參數(shù)②放大區(qū)：輸出特性1.5.3三極管的特性曲線及主要參數(shù)

③

飽和區(qū)

三極管工作在飽和狀態(tài)時具有如下特點：

（a）三極管的發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均正向偏置，有電位關(guān)系UB>UC>UE（b）三極管的電流放大能力下降，通常有IC<βIB；

（c）UCE的值很小，稱此時的電壓UCE為三極管的飽和壓降，用UCES表示。一般硅三極管的UCES約為0.3V，鍺三極管的UCES約為0.1V；

（d）三極管的集電極和發(fā)射極近似短接，三極管類似于一個開關(guān)導(dǎo)通。

三極管作為開關(guān)使用時，通常工作在截止和飽和導(dǎo)通狀

態(tài)；作為放大元件使用時，一般要工作在放大狀態(tài)。

631.5.3三極管的特性曲線及主要參數(shù)③飽和區(qū)1.5.3三極管的特性曲線及主要參數(shù)

3、主要參數(shù)：

（1）共發(fā)射極電流放大系數(shù)β(交流放大系數(shù))和β(直流放大系數(shù))

它是指從基極輸入信號，從集電極輸出信號，此種接法（共發(fā)射極）下的電流放大系數(shù)。

（2）極間反向電流

①

集電極基極間的反向飽和電流ICBO

②

集電極發(fā)射極間的穿透電流ICEO(衡量管子質(zhì)量的指標(biāo))

64

1.5.3三極管的特性曲線及主要參數(shù)3、主要參數(shù)：（11.5.3三極管的特性曲線及主要參數(shù)

（3）極限參數(shù)

①

集電極最大允許電流ICM②

集電極最大允許功率損耗PCM③

反向擊穿電壓U(BR)CEO

651.5.3三極管的特性曲線及主要參數(shù)（3）極限參數(shù)①1.5.3三極管的特性曲線及主要參數(shù)

（4）溫度對三極管參數(shù)的影響：

①

對β的影響：β隨溫度的升高而增大。

②

對反向飽和電流ICBO的影響：

ICBO隨溫度上升會急劇增加。

③

對發(fā)射結(jié)UBE的影響：溫度升高，

UBE將下降。

661.5.3三極管的特性曲線及主要參數(shù)（4）溫度對三極管參1.6場效應(yīng)管

???場效應(yīng)管是比較新型的半導(dǎo)體器件，利用電場效應(yīng)來控制晶體管的電流，因而得名。

場效應(yīng)管具有很高的輸入電阻，幾乎不取信號源的輸出電流，因而功耗小，體積小，易于集成化。

場效應(yīng)管被廣泛應(yīng)用于模擬集成電路和數(shù)字集成電路中。

671.6場效應(yīng)管???場效應(yīng)管是比較新型的半導(dǎo)體器件，利用1.6場效應(yīng)管

????場效應(yīng)管按其結(jié)構(gòu)可分為結(jié)(J)型和絕緣柵(MOS)型場效應(yīng)管；

從工作性能可分為耗盡型和增強(qiáng)型兩類；

根據(jù)所用基片(襯底)材料不同，又可分P溝道和N溝道兩種導(dǎo)電溝道；

因此，有結(jié)型P溝道和N溝道，絕緣柵耗盡型P溝道和N溝道，及增強(qiáng)型P溝道和N溝道六種類型場效應(yīng)管。

681.6場效應(yīng)管????場效應(yīng)管按其結(jié)構(gòu)可分為結(jié)(J)型和?1.6.1結(jié)型場效應(yīng)管

N溝道結(jié)型管和P溝道結(jié)3個電極：柵極、源極和

69結(jié)型場效應(yīng)管分為型管，它們都具有漏極，分別與三極管的基極、發(fā)射極和集電極相對應(yīng)。

?1.6.1結(jié)型場效應(yīng)管N溝道結(jié)型管和P溝道結(jié)3個電極：1.6.1結(jié)型場效應(yīng)管

1、結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)與符號(以N溝道為例)漏極

場效應(yīng)管電路符號上的箭頭總是P指向N的。

柵極

源極

701.6.1結(jié)型場效應(yīng)管1、結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)與符號(以N1.6.1結(jié)型場效應(yīng)管

2、N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理

（1）當(dāng)柵源電壓UGS=0時，兩個PN結(jié)的耗盡層比較窄，中間的N型導(dǎo)電溝道比較寬，溝道電阻小。

711.6.1結(jié)型場效應(yīng)管2、N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理1.6.1結(jié)型場效應(yīng)管

（2）當(dāng)UGS<0時，兩個PN結(jié)反向偏置，PN結(jié)的耗盡層變寬，中間的N型導(dǎo)電溝道相應(yīng)變窄，溝道導(dǎo)通電阻增大。

721.6.1結(jié)型場效應(yīng)管（2）當(dāng)UGS<0時，兩個PN結(jié)反1.6.1結(jié)型場效應(yīng)管

UGS＜UP時的導(dǎo)電溝道

731.6.1結(jié)型場效應(yīng)管UGS＜UP時的導(dǎo)電溝道731.6.1結(jié)型場效應(yīng)管

（3）當(dāng)UP<UGS≤0且UDS>0時，可產(chǎn)生漏極電流ID。

ID的大小將隨柵源電壓UGS的變化而變化，從而實現(xiàn)電

壓對漏極電流的控制作用。

UDS的存在，使得漏極附近的電位高，而源極

附近的電位低，即沿N型導(dǎo)電溝道從漏極到源極形

成一定的電位梯度，這樣靠近漏極附近的PN結(jié)所加

的反向偏置電壓大，耗盡層寬；靠近源極附近的PN結(jié)反偏電壓小，耗盡層窄，導(dǎo)電溝道成為一個楔形。

741.6.1結(jié)型場效應(yīng)管（3）當(dāng)UP<UGS≤0且UDS>1.6.1結(jié)型場效應(yīng)管

UGS和UDS共同作用的情況

751.6.1結(jié)型場效應(yīng)管UGS和UDS共同作用的情況7?1.6.1結(jié)型場效應(yīng)管

為實現(xiàn)場效應(yīng)管柵源電壓對漏極電流的控制作用，結(jié)型場效應(yīng)管在工作時，柵極和源極之間的PN結(jié)必須反向偏置。

76?1.6.1結(jié)型場效應(yīng)管為實現(xiàn)場效應(yīng)管柵源電壓對漏極電流1.6.1結(jié)型場效應(yīng)管

3.結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線及主要參數(shù)

（1）輸出特性曲線

輸出特性曲線是指柵源電壓UGS一定時，漏極電流ID與漏

源電壓UDS之間的關(guān)系曲線

771.6.1結(jié)型場效應(yīng)管3.結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線及主要參1.6.1結(jié)型場效應(yīng)管

①

可變電阻區(qū)：在UDS較小靠近特性曲線縱軸處，

ID幾乎隨著UDS線性增加。隨著UGS的改變，ID隨UDS線性增加的比值也相應(yīng)改變，因此，此區(qū)可把場效應(yīng)管的漏、源極之間看作受UGS控制的可變電阻。

②

恒流區(qū)(飽和區(qū))：此區(qū)的特點是ID只受UGS的控制而幾乎與UDS無關(guān)，具有恒流特點。因為ID不隨UDS增大而增大，達(dá)到飽和狀態(tài)，故又稱飽和區(qū)。

③

擊穿區(qū)：當(dāng)UDS增大到某一值時，柵、漏間PN結(jié)會發(fā)生反向擊穿，

ID急劇增加，如不加限制會造成管子損壞。

④

截止區(qū)：當(dāng)UGS

＜

UP靠近特性曲線橫軸處為夾斷區(qū)，此時管子處于截止?fàn)顟B(tài)。

781.6.1結(jié)型場效應(yīng)管①可變電阻區(qū)：在UDS較小靠近特1.6.1結(jié)型場效應(yīng)管

（2）轉(zhuǎn)移特性曲線

在場效應(yīng)管的UDS一定時，ID與UGS之間的關(guān)系曲線稱為場效

應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲

線，它反映了場效應(yīng)

管柵源電壓對漏極電

流的控制作用。

79

1.6.1結(jié)型場效應(yīng)管（2）轉(zhuǎn)移特性曲線在??1.6.1結(jié)型場效應(yīng)管

UGS=0時，導(dǎo)電溝道電阻最小，ID最大，IDSS。

當(dāng)UGS=UP時，導(dǎo)電溝道被完全夾斷，溝道ID=0，稱UP為夾斷電壓。

80當(dāng)稱此電流為場效應(yīng)管的飽和漏極電流

電阻最大，此時??1.6.1結(jié)型場效應(yīng)管UGS=0時，導(dǎo)電溝道電阻最小??

1.6.2絕緣柵型場效應(yīng)管

絕緣柵場效應(yīng)管是由金屬（Metal）、氧化物（Oxide）和半導(dǎo)體（Semiconductor）材料構(gòu)成的，因此又叫MOS管。

絕緣柵場效應(yīng)管分為增強(qiáng)型和耗盡型兩種，每一種又包括N溝道和P溝道兩種類型。

81??1.6.2絕緣柵型場效應(yīng)管絕緣柵場效應(yīng)管是由金屬（1.6.2絕緣柵型場效應(yīng)管

1、結(jié)構(gòu)與符號

以N溝道增強(qiáng)型MOS管為例，它是以P型半導(dǎo)

體作為襯底，用半導(dǎo)體工藝技術(shù)制作兩個高濃度的

N型區(qū)，兩個N型區(qū)分別引出一個金屬電極，作為

MOS管的源極S和漏極D；在P形襯底的表面生長一

層很薄的SiO2絕緣層，絕緣層上引出一個金屬電極

稱為MOS管的柵極G。B為從襯底引出的金屬電

極，一般工作時襯底與源極相連。

821.6.2絕緣柵型場效應(yīng)管1、結(jié)構(gòu)與符號1.6.2絕緣柵型場效應(yīng)管

?N溝道增強(qiáng)型MOS管的結(jié)構(gòu)與符號

符號中的箭頭表示從P區(qū)（襯底）指向N區(qū)（N溝道），虛線表示增強(qiáng)型。

831.6.2絕緣柵型場效應(yīng)管?N溝道增強(qiáng)型MOS管的結(jié)構(gòu)與1.6.2絕緣柵型場效應(yīng)管

2、N溝道增強(qiáng)型MOS管的工作原理

在柵極G和源極S之間加電壓UGS，漏極D和源極

S之間加電壓UDS，襯底B與源極S相連。

形成導(dǎo)電溝道所需要的最小柵源電壓UGS，稱為開啟電壓UT。

841.6.2絕緣柵型場效應(yīng)管2、N溝道增強(qiáng)型MOS管的工作1.6.2絕緣柵型場效應(yīng)管

3、特性曲線

①

輸出特性（漏極特性）曲線

851.6.2絕緣柵型場效應(yīng)管3、特性曲線①輸出特性（漏1.6.2絕緣柵型場效應(yīng)管

②

轉(zhuǎn)移特性曲線

861.6.2絕緣柵型場效應(yīng)管②轉(zhuǎn)移特性曲線861.6.2絕緣柵型場效應(yīng)管

?耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管

（1）結(jié)構(gòu)、符號與工作原理

87

1.6.2絕緣柵型場效應(yīng)管?耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管（1）1.6.2絕緣柵型場效應(yīng)管

（2）特性曲線

耗盡型MOS管工作時，其柵源電壓UGS可以為0，也可以取正值或負(fù)值，這個特點使其在應(yīng)用中具有更大的靈活性。

881.6.2絕緣柵型場效應(yīng)管（2）特性曲線耗盡型MOS管1.6.2絕緣柵型場效應(yīng)管

?與晶體管的比較

(1)場效應(yīng)管是電壓控制器件，基本不取信號電流，在只允許向信號源索取極小電流的情況下，應(yīng)采用場效應(yīng)管；而三極管是電流控制器件，取用一定的信號電流。

(2)場效應(yīng)管為單極型器件，只有多子參與導(dǎo)電；三極管既有多子參與導(dǎo)電也有少子參與導(dǎo)電，因此為雙極型器件。場效應(yīng)管具有較好的溫度穩(wěn)定性，且輸入電阻高，抗輻射、抗干擾能力強(qiáng)。

(3)由于場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)對稱，源極和漏極可互換，且耗盡型的MOS管的控制電壓UGS可正、可負(fù)，具有一定靈活性。

(4)場效應(yīng)管還具有工藝簡單、易集成和占用芯片面積小的優(yōu)點，尤其適用于大規(guī)模的集成電路。

891.6.2絕緣柵型場效應(yīng)管?與晶體管的比較(1)場效作業(yè)

書后習(xí)題：

1.1、1.2、、、、、、901.31.41.61.71.81.9作業(yè)書后習(xí)題：1.1、1.2、、、、、、901.31.第一章

半導(dǎo)體器件

軟件學(xué)院

侯剛

1第一章半導(dǎo)體器件軟件學(xué)院侯剛1主要內(nèi)容

??????1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識

1.2二極管

1.3穩(wěn)壓二極管

1.4其它類型二極管

1.5半導(dǎo)體三極管

1.6場效應(yīng)管

2主要內(nèi)容??????1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識1.2二極管???1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識

導(dǎo)體：自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體，金屬一般都是導(dǎo)體。

絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。

半導(dǎo)體：另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱為半導(dǎo)體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。

3???1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識導(dǎo)體：自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識

半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理不同于其它物質(zhì)，所

以它具有不同于其它物質(zhì)的特點。

半導(dǎo)體的特點：

①熱敏性

②光敏性

③摻雜性

41.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理不同于??1.1.1本征半導(dǎo)體

完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體材料稱為本征半導(dǎo)體。

本征半導(dǎo)體的原子結(jié)構(gòu)及共價鍵。

共價鍵內(nèi)的兩個電子

由相鄰的原子各用一

個價電子組成，稱為

束縛電子。

5??1.1.1本征半導(dǎo)體完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體材料1.1.1本征半導(dǎo)體

?本征激發(fā)和兩種載流子——自由電子和空穴

溫度越高，半導(dǎo)體材料中產(chǎn)生的自由電子便越多。束

縛電子脫離共價鍵成為自由電子后，在原來的位置留有一個

空位，稱此空位為空穴。本征半導(dǎo)體中，自由電子和空穴成

對出現(xiàn)，數(shù)目相同。

61.1.1本征半導(dǎo)體?本征激發(fā)和兩種載流子——自由電子和1.1.1本征半導(dǎo)體

空穴出現(xiàn)以后，鄰近的束縛電子可能獲取足夠的能量來

填補(bǔ)這個空穴，而在這個束縛電子的位置又出現(xiàn)一個新的空

位，另一個束縛電子又會填補(bǔ)這個新的空位，這樣就形成束

縛電子填補(bǔ)空穴的運動。為了區(qū)別自由電子的運動，稱此束

縛電子填補(bǔ)空穴的運動為空穴運動。

71.1.1本征半導(dǎo)體空穴出現(xiàn)以后，鄰近的束1.1.1本征半導(dǎo)體

?結(jié)

論

(1)半導(dǎo)體中存在兩種載流子，一種是帶負(fù)電的自由電子，

另一種是帶正電的空穴，它們都可以運載電荷形成電流。

(2)本征半導(dǎo)體中，自由電子和空穴結(jié)伴產(chǎn)生，數(shù)目相同。

(3)一定溫度下，本征半導(dǎo)體中電子空穴對的產(chǎn)生與復(fù)合相

對平衡，電子空穴對的數(shù)目相對穩(wěn)定。

(4)溫度升高，激發(fā)的電子空穴對數(shù)目增加，半導(dǎo)體的導(dǎo)電

能力增強(qiáng)?？昭ǖ某霈F(xiàn)是半導(dǎo)體導(dǎo)電區(qū)別導(dǎo)體導(dǎo)電的一個主

要特征。

81.1.1本征半導(dǎo)體?結(jié)論(1)半導(dǎo)體中存在兩種1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中加入微量雜質(zhì)，可使其導(dǎo)電性

能顯著改變。根據(jù)摻入雜質(zhì)的性質(zhì)不同，雜質(zhì)半導(dǎo)體分為兩類：電子型（N型）半導(dǎo)體和空穴型（P型）半導(dǎo)體。

N型半導(dǎo)體：自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)

體，也稱為電子半導(dǎo)體。

P型半導(dǎo)體：空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱為空穴半導(dǎo)體。

9

1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中加入微量1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體

1、

N型半導(dǎo)體

在硅（或鍺）半導(dǎo)體晶體中，摻入微量的五價元素，如

磷（P）、砷（As）等，則構(gòu)成N型半導(dǎo)體。

五價的元素具有五個價電子，它們進(jìn)入由硅（或鍺）組

成的半導(dǎo)體晶體中，五價的原子取代四價的硅（或鍺）原

子，在與相鄰的硅（或鍺）原子組成共價鍵時，因為多一個

價電子不受共價鍵的束縛，很容易成為自由電子，于是半導(dǎo)

體中自由電子的數(shù)目大量增加。自由電子參與導(dǎo)電移動后，

在原來的位置留下一個不能移動的正離子。每個五價原子給

出一個電子，稱為施主原子。

101.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體1、N型半導(dǎo)體在硅1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體

N型半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)

N型半導(dǎo)體中的載流子：

(1)由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。

(2)本征半導(dǎo)體中成對產(chǎn)生的電子和空穴。

摻雜濃度遠(yuǎn)大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度。自由電子稱為多數(shù)載流子(多子)，空穴稱為少數(shù)載流子(少子)。

111.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)N型半導(dǎo)體1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體

2、P型半導(dǎo)體

在硅（或鍺）半導(dǎo)體晶體中，摻入微量的三價元素，

如硼（B）、銦（In）等，則構(gòu)成P型半導(dǎo)體。

三價的元素只有三個價電子，在與相鄰的硅（或鍺）原

子組成共價鍵時，由于缺少一個價電子，在晶體中便產(chǎn)生一

個空位，鄰近的束縛電子如果獲取足夠的能量，有可能填補(bǔ)

這個空位，使原子成為一個不能移動的負(fù)離子。由于三價原

子接受電子，所以稱為受主原子。

121.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體2、P型半導(dǎo)體在硅（1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體

?P型半導(dǎo)體中的共價鍵結(jié)構(gòu)

型半導(dǎo)體中空穴是

13P多子，電子是少子。

1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體?P型半導(dǎo)體中的共價鍵結(jié)構(gòu)型半導(dǎo)1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體

?雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示

－

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－

－

P型半導(dǎo)體

++++++++++++++++++++++++N型半導(dǎo)體

雜質(zhì)型半導(dǎo)體多子和少子的移動都能形成電流。但由于數(shù)量的關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是多子。近似認(rèn)為多子與雜質(zhì)濃度相等。

141.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體?雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示－－－??1.1.3PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?/p>

利用半導(dǎo)體的制作工藝，在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，經(jīng)過載流子的擴(kuò)散，在它們的交界面處就形成了PN結(jié)。

PN結(jié)具有單一型半導(dǎo)體所不具有的新特性，利用這種新特性可以制造出各種半導(dǎo)體器件。如二極管、三極管和場效應(yīng)管等。

15??1.1.3PN結(jié)及其單向?qū)щ娦岳冒雽?dǎo)體的制作工藝，1.1.3PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?/p>

1、PN結(jié)的形成

多數(shù)載流子因濃度上的差異而形成的運

動稱為擴(kuò)散運動。

161.1.3PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?、PN結(jié)的形成??1.1.3PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?/p>

擴(kuò)散運動的結(jié)果，在交界面P區(qū)一側(cè)因失去了空穴而出現(xiàn)負(fù)離子區(qū)；而N區(qū)一側(cè)因失去自由電子出現(xiàn)了正離子區(qū)。

正負(fù)離子都被束縛在晶格內(nèi)不能移動，于是在交界面兩側(cè)形成了正、負(fù)空間電荷區(qū)。在空間電荷區(qū)內(nèi)可以認(rèn)為載流子已被“耗盡”，故又稱耗盡區(qū)或耗盡層。

17??1.1.3PN結(jié)及其單向?qū)щ娦詳U(kuò)散運動的結(jié)果，在交界1.1.3PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?/p>

空間電荷區(qū)出現(xiàn)后，因為正負(fù)電荷的作用，將

產(chǎn)生一個從N區(qū)指向P區(qū)的內(nèi)電場。內(nèi)電場的方向，

會對多數(shù)載流子的擴(kuò)散運動起阻礙作用。同時，內(nèi)

電場則可推動少數(shù)載流子（P區(qū)的自由電子和N區(qū)的

空穴）越過空間電荷區(qū)，進(jìn)入對方。少數(shù)載流子在

內(nèi)電場作用下有規(guī)則的運動稱為漂移運動。漂移運

動和擴(kuò)散運動的方向相反。無外加電場時，通過PN結(jié)的擴(kuò)散電流等于漂移電流，PN結(jié)中無電流流過，

PN結(jié)的寬度保持一定而處于穩(wěn)定狀態(tài)。

181.1.3PN結(jié)及其單向?qū)щ娦钥臻g電荷區(qū)出1.1.3PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?/p>

2、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

處于平衡狀態(tài)下的PN結(jié)沒有實用價值。

如果在PN結(jié)兩端加上不同極性的電壓，PN結(jié)會呈現(xiàn)出不同的導(dǎo)電性能。

當(dāng)PN結(jié)在一定的電壓范圍內(nèi)外加正向電

壓時，處于低電阻的導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)外加反向

電壓時，處于高電阻的截止?fàn)顟B(tài)，這種導(dǎo)電

特性，就是PN結(jié)單向?qū)щ娦浴?/p>

191.1.3PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.1.3PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?/p>

(1)PN結(jié)外加正向電壓：

PN結(jié)P端接高電

位，N端接低電位，稱PN結(jié)外加正向電壓，又稱PN結(jié)正向偏置，簡稱為正偏。

201.1.3PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?1)PN結(jié)外加正向電壓1.1.3PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?/p>

(2)PN結(jié)外加反向電壓：

PN結(jié)P端接低電

位，N端接高電位，稱PN結(jié)外加反向電壓，又稱PN結(jié)反向偏置，簡稱為反偏。

211.1.3PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?2)PN結(jié)外加反向電壓1.2二極管

1.2.1二極管的結(jié)構(gòu)及符號

?半導(dǎo)體二極管是由一個PN結(jié)加上相應(yīng)的電極和引線及管殼封裝而成的。

?由P區(qū)引出的電極稱為陽極（正極），N區(qū)引出的為陰極（負(fù)極）。

?因為PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，二極管導(dǎo)通時的電流方向是由陽極通過管子內(nèi)部流向陰極。

電流方向

221.2二極管1.2.1二極管的結(jié)構(gòu)及符號?半導(dǎo)體二極1.2.1二極管的結(jié)構(gòu)及符號

?二極管按半導(dǎo)體材料的不同可以分為硅二極管、鍺二極管和砷化鎵二極管等。

?按結(jié)構(gòu)不同可分為點接觸型、面接觸型和平面型二極管等。

231.2.1二極管的結(jié)構(gòu)及符號?二極管按半導(dǎo)體材料的不同可1.2.1二極管的結(jié)構(gòu)及符號

常見的二極管有金屬、塑料和玻璃三種

封裝形式。按照應(yīng)用的不同，二極管分為整

流、檢波、開關(guān)、穩(wěn)壓、發(fā)光、光電、快恢

復(fù)和變?nèi)荻O管等。根據(jù)使用的不同，二極

管的外形各異。

241.2.1二極管的結(jié)構(gòu)及符號常見的二極管有1.2.2伏安特性及主要參數(shù)

1、二極管的伏安特性曲線

二極管兩端的電壓U及其流過二極管的電流I之間的關(guān)

系曲線，稱為二極管的伏安特性曲線。用實驗的方法，在二

極管的正極和負(fù)極加上不同極性和不同數(shù)值的電壓，同時測

量流過二極管的電流值，就得到二極管的伏安特性。

251.2.2伏安特性及主要參數(shù)1、二極管的伏安特性曲線1.2.2伏安特性及主要參數(shù)

伏安特性曲線

261.2.2伏安特性及主要參數(shù)伏安特性曲線261.2.2伏安特性及主要參數(shù)

(1)正向特性

二極管外加正向電壓時，電流和電壓的關(guān)系稱

為二極管的正向特性。當(dāng)二極管所加正向電壓比較

小時（0<U<Uth），二極管上流經(jīng)的電流為0，管子

仍截止，此區(qū)域稱為死區(qū)，Uth稱為死區(qū)電壓（門坎

電壓）。硅二極管的死區(qū)電壓約為0.5V，鍺二極管

的死區(qū)電壓約為0.1V。當(dāng)正向電壓超過死區(qū)電壓

時，二極管才呈現(xiàn)低電阻值，處于正向?qū)顟B(tài)。

271.2.2伏安特性及主要參數(shù)(1)正向特性1.2.2伏安特性及主要參數(shù)

(2)反向特性

二極管外加反向電壓時，電流和電壓的

關(guān)系稱為二極管的反向特性。二極管外加反

向電壓時，反向電流很小（I≈-IS），而且在

相當(dāng)寬的反向電壓范圍內(nèi)，反向電流幾乎不

變，因此，稱此電流值為二極管的反向飽和

電流。

281.2.2伏安特性及主要參數(shù)(2)反向特性1.2.2伏安特性及主要參數(shù)

(3)擊穿特性

當(dāng)反向電壓的值增大到UBR時，反向電壓值

稍有增大，反向電流會急劇增大，稱此現(xiàn)象為

反向擊穿，UBR為反向擊穿電壓。利用二極管的

反向擊穿特性，可以做成穩(wěn)壓二極管，但一般

的二極管不允許工作在反向擊穿區(qū)。

291.2.2伏安特性及主要參數(shù)(3)擊穿特性1.2.2伏安特性及主要參數(shù)

2、二極管的溫度特性

二極管是對溫度非常敏感的器件。實驗

表明，隨溫度升高，二極管的正向壓降會減

小，正向伏安特性左移，即二極管的正向壓

降具有負(fù)的溫度系數(shù)（約為-2mV/℃）；溫

度升高，反向飽和電流會增大，反向伏安特

性下移，溫度每升高10℃，反向電流大約增

加一倍。

301.2.2伏安特性及主要參數(shù)2、二極管的溫度特性1.2.2伏安特性及主要參數(shù)

溫度對二極管的影響

311.2.2伏安特性及主要參數(shù)溫度對二極管的影響311.2.2伏安特性及主要參數(shù)

3、二極管的電流方程

UUTI?Is(e?1)式中

I——通過二極管的電流；

U——加在二極管兩端的電壓；

Is——二極管的反向飽和電流；

?23

UT——溫度的電壓當(dāng)量UT=kT/q。k是玻爾茲曼常數(shù)，

k?1.38?10J/KqT是熱力學(xué)溫度；Q是電子電荷量，

?1.6?10；

?19C當(dāng)外加正向電壓U>>UT時：

eUUT??1??1當(dāng)外加反向電壓|U|>>UT時

e?UUTI=–Is

321.2.2伏安特性及主要參數(shù)3、二極管的電流方程UUT1.2.2伏安特性及主要參數(shù)

4、主要參數(shù)

（1）最大整流電流IF

最大整流電流IF是指二極管長期連續(xù)工作時，

允許通過二極管的最大正向電流的平均值。

（2）反向擊穿電壓UBR

反向擊穿電壓是指二極管擊穿時的電壓值。

（3）反向飽和電流IS

它是指管子沒有擊穿時的反向電流值。其值愈

小，說明二極管的單向?qū)щ娦杂谩?/p>

331.2.2伏安特性及主要參數(shù)4、主要參數(shù)（1）最大整流1.2.3二極管電路的分析方法及應(yīng)用

（1）二極管理想模型

如果二極管正向壓降遠(yuǎn)小于和它串聯(lián)的

電路的電壓，反向電流遠(yuǎn)小于和它并聯(lián)的電

路的電流，則可忽略二極管的正向壓降和反

向電流對電路的影響，即認(rèn)為二極管具有理

想的伏安特性。理想的二極管可以用一個理

想的開關(guān)來等效，正偏時開關(guān)閉合，反偏時

開關(guān)斷開。

341.2.3二極管電路的分析方法及應(yīng)用（1）二極管理想模型1.2.3二極管電路的分析方法及應(yīng)用

（2）二極管恒壓源模型

若二極管的工作電流處于伏安特性曲線的近似指數(shù)部

分，即使電流變化，二極管的端電壓也基本不變。因此可用

一條與實際伏安特性曲線基本重合的垂直曲線來代替原特性

曲線。相應(yīng)的電路模型叫恒壓源模型。電路模型中UD(on)是

二極管的恒定導(dǎo)通電壓，對硅管可取0.7V，對鍺管可取

0.3V。利用二極管的恒壓源模型時，只有當(dāng)二極管兩端正向

電壓大于UD(on)時，二極管才有電流流過，小于UD(on)時，二

極管截止。這個模型與二極管的伏安特性較為接近。

351.2.3二極管電路的分析方法及應(yīng)用（2）二極管恒壓源模1.2.3二極管電路的分析方法及應(yīng)用

?

例1-1361.2.3二極管電路的分析方法及應(yīng)用?例1-131.2.3二極管電路的分析方法及應(yīng)用

?例1-2371.2.3二極管電路的分析方法及應(yīng)用?例1-2371.2.3二極管電路的分析方法及應(yīng)用

381.2.3二極管電路的分析方法及應(yīng)用38??1.3穩(wěn)壓二極管

穩(wěn)壓管是利用半導(dǎo)體特殊工藝制成，實質(zhì)上也是一個半導(dǎo)體二極管，外形也相似，因為具有穩(wěn)定電壓的作用，稱它為穩(wěn)壓管。

在電子電路中，穩(wěn)壓管工作于反向擊穿狀態(tài)。擊穿電壓從幾伏到幾十伏，反向電流也較一般二極管大。在反向擊穿狀態(tài)下正常工作而不損壞，是穩(wěn)壓管的特點。

39??1.3穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓管是利用半導(dǎo)體特殊工藝制成，實質(zhì)1.3穩(wěn)壓二極管

1、穩(wěn)壓管的伏安特性和符號

401.3穩(wěn)壓二極管1、穩(wěn)壓管的伏安特性和符號401.3穩(wěn)壓二極管

2、穩(wěn)壓管的主要參數(shù)

①

穩(wěn)定電壓UZ：它是指當(dāng)穩(wěn)壓管中的電流為規(guī)定值時，穩(wěn)壓管在電路中其兩端產(chǎn)生的穩(wěn)定電壓值。

②

穩(wěn)定電流IZ：它是指穩(wěn)壓管工作在穩(wěn)壓狀態(tài)時，穩(wěn)壓管中流過的電流，有最小穩(wěn)定電流IZmin和最大穩(wěn)定電流IZmax之分。

③

動態(tài)電阻rZ：指穩(wěn)壓管在正常的工作范圍內(nèi)，管子兩端電壓UZ的變化量和管中電流IZ的變化量之比，穩(wěn)壓管反向特性曲線越陡，

rZ越小穩(wěn)壓性能越好。

rZ=△

UZ/△

IZ

411.3穩(wěn)壓二極管2、穩(wěn)壓管的主要參數(shù)①穩(wěn)定電壓UZ：1.3穩(wěn)壓二極管

3、穩(wěn)壓管的典型穩(wěn)壓電路

421.3穩(wěn)壓二極管3、穩(wěn)壓管的典型穩(wěn)壓電路421.3穩(wěn)壓二極管

i

iLR

4、例題：

RLuui穩(wěn)壓管的技術(shù)參數(shù):oDZiZUzW?10V,

Izmax?20mA,

負(fù)載電阻

RL?2k?

Izmin?5mA要求當(dāng)輸入電壓由正常值發(fā)生?20%波動時，負(fù)載電壓基本不變。

求：電阻R和輸入電壓

ui的正常值。

解：令輸入電壓達(dá)到上限時，流過穩(wěn)壓管的電流為Izmax。

UZWi?Izmax??25mARL1.2ui?iR?UzW?25R?10——方程1431.3穩(wěn)壓二極管iiLR4、例題：RLuui1.3穩(wěn)壓二極管

令輸入電壓降到下限時，流過穩(wěn)壓管的電流為Izmin。

i

uiR

DZiLiZRLUZWi?Izmin??10mARLuo0.8ui?iR?UzW?10R?10聯(lián)立方程1、2，可解得：

——方程2ui?18.75V,R?0.5k?441.3穩(wěn)壓二極管令輸入電壓降到下限時，流過穩(wěn)壓管的電流為1.4其它類型二極管

1、發(fā)光二極管

?發(fā)光二極管是一種光發(fā)射器件，英文縮寫是LED。此類管子通常由鎵（Ga）、砷（As）、磷（P）等元素的化合物制成，管子正向?qū)?，?dāng)導(dǎo)通電流足夠大時，能把電能直接轉(zhuǎn)換為光能，發(fā)出光來。目前發(fā)光二極管的顏色有紅、黃、橙、綠、白和藍(lán)6種，所發(fā)光的顏色主要取決于制作管子的材料。

?發(fā)光二極管應(yīng)用非常廣泛，常用作各種電子設(shè)備如儀器儀表、計算機(jī)、電視機(jī)等的電源指示燈和信號指示等，還可以做成七段數(shù)碼顯示器等。發(fā)光二極管的另一個重要用途是將電信號轉(zhuǎn)為光信號。

451.4其它類型二極管1、發(fā)光二極管?發(fā)光二極管是一種光1.4其它類型二極管

LED461.4其它類型二極管LED461.4其它類型二極管

2、光電二極管

?光電二極管又稱為光敏二極管，它是一種光接受器件，其PN結(jié)工作在反偏狀態(tài)，可以將光能轉(zhuǎn)換為電能，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。

471.4其它類型二極管2、光電二極管?光電二極管又稱為光1.4其它類型二極管

3、激光二極管

?激光二極管是在發(fā)光二極管的PN結(jié)間安置一層具有光活性的半導(dǎo)體，構(gòu)成一個光諧振腔。工作時接正向電壓，可發(fā)射出激光。

?激光二極管的應(yīng)用非常廣泛，在計算機(jī)的光盤驅(qū)動器，激光打印機(jī)中的打印頭，激光唱機(jī)，激光影碟機(jī)中都有激光二極管。

481.4其它類型二極管3、激光二極管?激光二極管是在發(fā)光1.5半導(dǎo)體三極管

半導(dǎo)體三極管又稱晶體三極管（下稱三

極管），一般簡稱晶體管，或雙極型晶體

管。它是通過一定的制作工藝，將兩個PN結(jié)

結(jié)合在一起的器件，兩個PN結(jié)相互作用，使

三極管成為一個具有控制電流作用的半導(dǎo)體

器件。

491.5半導(dǎo)體三極管半導(dǎo)體三極管又稱晶體三極1.5.1基本結(jié)構(gòu)和類型

?三極管可以是由半導(dǎo)體硅材料制成，稱為硅三極管；也可以由鍺材料制成，稱為鍺三極管。

?三極管從應(yīng)用的角度講，種類很多。根據(jù)工作頻率分為高頻管、低頻管和開關(guān)管；根據(jù)工作功率分為大功率管、中功率管和小功率管。

501.5.1基本結(jié)構(gòu)和類型?三極管可以是由半導(dǎo)體硅材料制成?1.5.1基本結(jié)構(gòu)和類型

三極管從結(jié)構(gòu)上來講分為兩類：NPN型三極管和PNP型三極管。

51?1.5.1基本結(jié)構(gòu)和類型三極管從結(jié)構(gòu)上來講分為兩類：N??1.5.1基本結(jié)構(gòu)和類型

52符號中發(fā)射極上的箭頭方向，表示發(fā)射結(jié)正偏時電流的流向。三極管制作時，通常它們的基區(qū)做得很?。◣孜⒚椎綆资⒚祝?，且摻雜濃度低；發(fā)射區(qū)的雜質(zhì)濃度則比較高；集電區(qū)的面積則比發(fā)射區(qū)做得大，這是三極管實現(xiàn)電流放大的內(nèi)部條件。??1.5.1基本結(jié)構(gòu)和類型52符號中發(fā)射極上的箭1.5.2電流分配與放大

要實現(xiàn)三極管的電流放大作用，首先要給三極管各電

極加上正確的電壓。三極管實現(xiàn)放大的外部條件是：其發(fā)射

結(jié)必須加正向電壓（正偏），而集電結(jié)必須加反向電壓（反

偏）。

1、實驗

在電路中，要給三極管的發(fā)射結(jié)加正向電壓，集電結(jié)加

反向電壓，保證三極管能起到放大作用。改變可變電阻Rb的

值，則基極電流IB、集電極電流IC和發(fā)射極電流IE都發(fā)生變

化，電流的方向如圖中所示。

531.5.2電流分配與放大要實現(xiàn)三極管的電流1.5.2電流分配與放大

?實驗電路圖

541.5.2電流分配與放大?實驗電路圖541.5.2電流分配與放大

?由實驗及測量結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

（1）實驗數(shù)據(jù)中的每一列數(shù)據(jù)均滿足關(guān)系：IE=IC+IB；

（2）IE≈IC＞＞IB，而且有IC與IB的比值近似相等，設(shè)為β

，則β

為電流放大系數(shù)；

（3）

IB的的微小變化會引起IC較大的變化；

551.5.2電流分配與放大?由實驗及測量結(jié)果可以得出以下結(jié)1.5.2電流分配與放大

2、三極管實現(xiàn)電流分配的原理

上述實驗結(jié)論可以用載流

1）發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射自由電子，形成發(fā)射極電流IE。

2）自由電子在基區(qū)與空穴復(fù)合，形成基極電流IB。

3）集電區(qū)收集從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散過來的自由電子，形成集電極電流IC。

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