第十一章 常用半导体器件

第11章 常用半导体器件 本章要求： 一、理解PN结的单向导电性，三极管的电流分配和 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。

第十一章 常用半导体器件 § 11.1 半导体的基础知识与PN结 § 11.2 半导体二极管 § 11.3 特殊二极管 § 11.4 晶体三极管 § 11.5 场效应晶体管

热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强 11.1 半导体的基础知识 半导体的导电特性： 热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强 (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、晶体管和晶闸管等）。

1.本征半导体（纯净半导体） 一、本征半导体的结构特点 Si Ge 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。 Ge Si

1 本征半导体 完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。 共价键中的两个电子，称为价电子。 Si 价电子 共价健 晶体中原子的排列方式 硅单晶中的共价健结构 共价键中的两个电子，称为价电子。

形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。 +4 共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。 共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。

二、本征半导体的导电机理 +4 空穴 自由电子 束缚电子 带电粒子（即载流子）

思考:空穴和自由电子的移动方向相反，所形成的电流方向是否也相反？ 2.本征半导体的导电机理 本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。 +4 思考:空穴和自由电子的移动方向相反，所形成的电流方向是否也相反？

温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。 本征半导体中电流由两部分组成： 1. 自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。 本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。 温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。

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。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。 N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。 negative P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。 positive

2 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。 在常温下即可变为自由电子 掺入五价元素 Si 掺入五价元素 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。 多余电子 p+ 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。 磷原子 失去一个电子变为正离子

2 N型半导体和 P 型半导体 Si 动画 掺入三价元素 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。 B– 硼原子 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。 接受一个电子变为负离子 无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。

a 1. 在杂质半导体中多子的数量与 （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。 b 2. 在杂质半导体中少子的数量与 （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。 3. 当温度升高时，少子的数量 （a. 减少、b. 不变、c. 增多）。 c 4. 在外加电压的作用下，P 型半导体中的电流 主要是 ，N 型半导体中的电流主要是 。 （a. 电子电流、b.空穴电流） a b

金属和半导体的导电机理有何不同？ 金属是自由电子的移动产生电流； 半导体的空穴和电子移动产生电流，但由于多子和少子的数量相差很大，起导电作用的主要是多子。

11.1.2 PN结的形成 空间电荷区也称 PN 结 少子的漂移运动 P 型半导体 内电场 N 型半导体 － － － － － + + + + + + 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。 浓度差 多子的扩散运动 形成空间电荷区

注意: 1、空间电荷区中没有载流子。 2、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、N区 中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。

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。 思考：正向偏置和反向偏置对内电场的作用有何不同？

一、PN 结正向偏置 _ + P N R E 变薄 内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。 － + － + － + － + 外电场 R E

二、PN 结反向偏置 变厚 _ + P N R E 内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。 － + _ + P N 内电场 外电场 R E

PN结的形成 扩散运动和漂移运动的动态平衡 扩散强 内电场增强 漂移运动增强 PN结宽度基本稳定 两者平衡 扩散强 PN结导通 外加电压 平衡破坏 漂移强 PN结截止

PN结的单向导电性 正向偏置和反向偏置时，流过PN结的电流有何不同？ 理想情况下，正向偏置和反向偏置时，PN结在电路中 的作用有何不同？

11.2 半导体二极管

11.2 半导体二极管 D P N 符号： 点接触型 面接触型 P N 集成电路中平面型 正极 引线 触丝 N 型锗片 外壳 负极 负极引线 正极引线 铝合金 小球 底座 金锑 合金 正极 引线 负极 引线 集成电路中平面型 P N P 型支持衬底 D 符号： P N

不同区域二极管在电路中的作用有何不同？ I 二、伏安特性 U 导通压降: 硅管0.6~0.7V,锗管0.2~0.3V。 反向击穿电压UBR 不同区域二极管在电路中的作用有何不同？

主要参数 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。 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。

二极管电路分析举例 导通截止 定性分析：判断二极管的工作状态 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 )，二极管导通 若 V阳 <V阴或 UD为负( 反向偏置 )，二极管截止

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。 例1： D 6V 12V 3k B A UAB + – 电路如图，求：UAB 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 =－6 V V阴 =－12 V 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。

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。 例2: B D1 6V 12V 3k A D2 UAB + – 求：UAB 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 =－6 V，V2阳=0 V，V1阴 = V2阴= －12 V 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 = 0 V 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－6 V

ui > 8V，二极管导通，可看作短路 uo = 8V ui < 8V，二极管截止，可看作开路 uo = ui D 8V R uo ui + – 例3： 已知： 二极管是理想的，试画出 uo 波形。 二极管的用途： 整流、检波、 限幅、钳位、开 关、元件保护、 温度补偿等。 ui 18V 参考点 8V 二极管阴极电位为 8 V ui > 8V，二极管导通，可看作短路 uo = 8V ui < 8V，二极管截止，可看作开路 uo = ui

二极管应用举例 主要利用二极管的单向导电性。可用于整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。 例: 图中电路，输入端A的电位VA=+3V，B的电位VB=0V，求输出端Y的电位VY。电阻R接负电源-12V。 （两个二极管均为锗二级管，正向压降0.3V） -12V A B +3V 0V DB DA Y 解： DA优先导通， DA导通后， DB上加的是反向电压，因而截止。 VY=+2.7V DA起钳位作用， DB起隔离作用。

11.3 特殊二极管 11.3.1 稳压二极管 I 曲线越陡，电压越稳定。 - + UZ 稳压误差 U IZ IZ UZ IZmax 动态电阻： rz越小，稳压性能越好。 IZ IZ UZ IZmax

稳压二极管的参数: 正向电压还是反向电压？ （1）稳定电压 UZ （2）电压温度系数U（%/℃） 稳压值受温度变化影响的的系数。 （3）动态电阻 （4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。 （5）最大允许功耗

i iL ui uo iZ 稳压二极管的应用举例 R 稳压管的技术参数: RL DZ 负载电阻 。 要求当输入电压由正常值发生20%波动时，负载电压基本不变。 求：电阻R和输入电压 ui 的正常值。 解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax 。 ——方程1

uo iZ DZ R iL i ui RL 令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin 。 ——方程2 联立方程1、2，可解得：

符号 11.3.2 发光二极管 当在发光二极管（LED）上加正向电压，并有足够大的正向电流时，就能发出可见的光。这是由于电子与空穴复合而释放能量的结果。 发光二极管 光的颜色视发光材料的波长而定。如采用磷砷化镓，可发出红光或黄光；如采用磷化镓，可发出绿光。它的电特性与一般二极管类似，正向电压较一般二极管高，1.5~3V，电流为几 ~ 几十mA。

11.3.3光电二极管 将光信号转换为电流信号。 I 符号 U 照度增加 光电二极管 发光二极管 光电二极管是在反向电压作用下工作。当无光照时，和普通二极管一样，其反向电流很小。当有光照时，其反向电流增大，称为光电流。

§11.4 晶体三极管

§11.4 晶体三极管 11.4.1 基本结构 C C NPN型 PNP型 N P B P N B E E 集电极 集电极 基极 基极 发射极 B C E NPN型 PNP型 N P 基极 发射极

B E C IB IE IC B E C IB IE IC NPN型三极管 PNP型三极管

结构特点： B E C N P 基极 发射极 集电极 集电区：面积较大 集电结 基区：较薄，掺杂浓度低 发射区：掺 杂浓度较高 发射结

11.4. 2 电流分配和放大原理 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 11.4. 2 电流分配和放大原理 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 B E C N P EB RB EC RC PNP 发射结正偏 VB<VE 集电结反偏 VC<VB

把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。 2. 各电极电流关系及电流放大作用 IB(mA) IC(mA) IE(mA) 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 <0.001 0.70 1.50 2.30 3.10 3.95 0.72 1.54 2.36 3.18 4.05 结论: 1）三电极电流关系 IE = IB + IC 2） IC  IB ， IC  IE 3）  IC   IB 把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 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。 集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。 B E C N P EB RB EC ICE ICBO 基区空穴向发射区的扩散可忽略。 IBE 　进入P 区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE ，多数扩散到集电结。 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

ICE与IBE之比称为静态电流（直流）放大倍数 要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。 4

IC 11.4.3 特性曲线 mA IB A EC V RB V UCE UBE EB 实验线路

一、输入特性 IB(A) UBE(V) 20 40 60 80 0.4 0.8 死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。 UCE =0.5V 工作压降： 硅管UBE0.6~0.7V,锗管UBE0.2~0.3V。 死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。

二、输出特性 当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB。 IC(mA ) 1 2 3 4 此区域满足IC=IB称为线性区（放大区）。 IB=0 20A 40A 60A 80A 100A UCE(V) 3 6 9 12

IC(mA ) 1 2 3 4 UCE(V) 6 9 12 IB=0 20A 40A 60A 80A 100A 此区域中UCEUBE,集电结正偏，IB>IC，UCE0.3V称为饱和区。

IC(mA ) 1 2 3 4 UCE(V) 6 9 12 IB=0 20A 40A 60A 80A 100A 此区域中 : IB=0,IC=ICEO,UBE< 死区电压，称为截止区。

三、主要参数 1. 电流放大倍数和  前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。 1. 电流放大倍数和  前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。 共射直流电流放大倍数： 工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为IB，相应的集电极电流变化为IC，则交流电流放大倍数为：

2.集-基极反向截止电流ICBO ICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流，受温度的变化影响。 A ICBO

ICEO=  IBE+ICBO C  IBE N B P N E ICEO受温度影响很大，当温度上升时，ICEO增加很快，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。 ICEO=  IBE+ICBO 集电结反偏有ICBO C  IBE ICBO N B P IBE N 根据放大关系，由于IBE的存在，必有电流IBE。 ICBO进入N区，形成IBE。 E

4.集电极最大电流ICM 5.集-射极反向击穿电压 集电极电流IC上升会导致三极管的值的下降，当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 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. 集电极最大允许功耗PCM IC ICM ICUCE=PCM PC =ICUCE PCPCM UCE U(BR)CEO 安全工作区 流过三极管， 所发出的焦耳 热为： IC UCE ICM ICUCE=PCM PC =ICUCE 必定导致结温 上升，所以PC 有限制。 U(BR)CEO PCPCM

例：UCE=6V时：IB = 40 A, IC =1.5 mA； IB = 60 A, IC =2.3 mA。 在以后的计算中，一般作近似处理： =

§11.5 场效应晶体管 场效应管与双极型晶体管不同，它是多子导电，输入阻抗高，温度稳定性好。 N沟道 （耗尽型） JFET P沟道 结型 增强型 MOSFET P沟道 绝缘栅型 N沟道 耗尽型 P沟道

11.5.1 结型场效应管: 一、结构 基底 ：N型半导体 D漏极 N 两边是P区 G(栅极) P 导电沟道 S源极

N P G(栅极) S源极 D漏极 N沟道结型场效应管 D G S D G S

P N G(栅极) S源极 D漏极 P沟道结型场效应管 D G S D G S

二、工作原理（以P沟道为例） UDS=0V时 P G S D UDS UGS N ID PN结反偏，UGS越大则耗尽区越宽，导电沟道越窄。

但当UGS较小时，耗尽区宽度有限，存在导电沟道。DS间相当于线性电阻。 UDS=0V时 UGS越大耗尽区越宽，沟道越窄，电阻越大。 P G S D UDS UGS N ID N

UGS达到一定值时（夹断电压VP）,耗尽区碰到一起，DS间被夹断，这时，即使UDS  0V，漏极电流ID=0A。 N G UGS S

UGS<Vp且UDS>0、UGD<VP时耗尽区的形状 越靠近漏端，PN结反压越大 P G S D UDS UGS ID N

UGS<Vp且UDS较大时UGD<VP时耗尽区的形状 沟道中仍是电阻特性，但是是非线性电阻。 P G S D UDS UGS ID N

UGS<Vp UGD=VP时 漏端的沟道被夹断，称为予夹断。 G S D UDS UGS ID UDS增大则被夹断区向下延伸。 N

此时，电流ID由未被夹断区域中的载流子形成，基本不随UDS的增加而增加，呈恒流特性。 UGS<Vp UGD=VP时 此时，电流ID由未被夹断区域中的载流子形成，基本不随UDS的增加而增加，呈恒流特性。 G S D UDS UGS ID N

三、特性曲线 转移特性曲线 一定UDS下的ID-UGS曲线 UGS ID IDSS VP 夹断电压 饱和漏极电流

输出特性曲线 夹断区 ID U DS 予夹断曲线 可变电阻区 2V UGS=0V 1V 3V 4V 5V 恒流区

N沟道结型场效应管的特性曲线 转移特性曲线 UGS ID IDSS VP

N沟道结型场效应管的特性曲线 输出特性曲线 ID U DS UGS=0V -1V -3V -4V -5V

结型场效应管的缺点： 绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题。 1. 栅源极间的电阻虽然可达107以上，但在某些场合仍嫌不够高。 2. 在高温下，PN结的反向电流增大，栅源极间的电阻会显著下降。 3. 栅源极间的PN结加正向电压时，将出现较大的栅极电流。 绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题。

11.5.2 绝缘栅场效应管: 一、结构和电路符号 P N G S D 金属铝 G S D 两个N区 P型基底 SiO2绝缘层 导电沟道 11.5.2 绝缘栅场效应管: 一、结构和电路符号 P N G S D 金属铝 G S D 两个N区 P型基底 SiO2绝缘层 导电沟道 N沟道增强型

P N G S D G S D 予埋了导电沟道 N 沟道耗尽型

G S D N P G S D P 沟道增强型

N P G S D G S D 予埋了导电沟道 P 沟道耗尽型

二、MOS管的工作原理 ID=0 以N 沟道增强型为例 UGS=0时 UDS UGS 对应截止区 P N G S D D-S 间相当于两个反接的PN结

UGS>0时 感应出电子 VT称为阈值电压 UGS足够大时（UGS>VT）感应出足够多电子，这里出现以电子导电为主的N型导电沟道。 UGS>0时 P N G S D UDS UGS 感应出电子 VT称为阈值电压

UGS较小时，导电沟道相当于电阻将D-S连接起来，UGS越大此电阻越小。 P N G S D UDS UGS

当UDS不太大时，导电沟道在两个N区间是均匀的。 P N G S D UDS UGS 当UDS较大时，靠近D区的导电沟道变窄。

UDS增加，UGD=VT 时，靠近D端的沟道被夹断，称为予夹断。 P N G S D UDS UGS ID 夹断后，即使UDS 继续增加，ID仍呈恒流特性。

三、增强型N沟道MOS管的特性曲线 转移特性曲线 ID UGS VT

输出特性曲线 ID U DS UGS>0

四、耗尽型N沟道MOS管的特性曲线 耗尽型的MOS管UGS=0时就有导电沟道，加反向电压才能夹断。 ID UGS VT 转移特性曲线

输出特性曲线 ID U DS UGS>0 UGS=0 UGS<0

电子技术 模拟电路部分 第11章 结束