第1章 半导体二极管、三极管和场效应管 1.1 半导体的导电特性 1.2 PN结 1.3 半导体二极管 1.4 稳压管 1.5 半导体三极管 第1章 目录 第1章 半导体二极管、三极管和场效应管 1.1 半导体的导电特性 1.2 PN结 1.3 半导体二极管 1.4 稳压管 1.5 半导体三极管 1.6 绝缘栅场效应管

1.1 半导体的导电特性 1.1.1 本征半导体 +4 +4 +4 把纯净的没有结构缺陷的半导体单晶 称为本征半导体。 它是共价键结构。 1.1 半导体的导电特性 第1章 1.1 1.1.1 本征半导体 +4 +4 +4 把纯净的没有结构缺陷的半导体单晶 称为本征半导体。 它是共价键结构。 硅原子 +4 +4 +4 在热力学温度零度 和没有外界激发时, 本征半导体不导电。 价电子 +4 +4 +4 本征半导体的共价键结构

在常温下自由电子和空穴的形成 复合 本征激发 第1章 1.1 +4 +4 +4 成对消失 复合 +4 +4 +4 空穴 自由电子 本征激发 成对出现 +4 +4 +4

空穴导电的实质是共价键中的束缚电子依次填补空穴形成电流。故半导体中有电子和空穴两 第1章 1.1 在外电场作用下， 电子和空穴均能 参与导电。 +4 +4 +4 空穴导电的实质是共价键中的束缚电子依次填补空穴形成电流。故半导体中有电子和空穴两 种载流子。 +4 +4 +4 电子移动方向 价电子填补空穴 空穴移动方向 +4 +4 +4 外电场方向

1.1.2 P半导体和N型半导体 1 . N 型半导体 在硅或锗的晶体 中 掺入少量的 五价元 素,如磷, 则形成N型半导 正离子 体。 第1章 1.1 1 . N 型半导体 在硅或锗的晶体 中 掺入少量的 五价元 素,如磷, 则形成N型半导 体。 +4 +4 +4 正离子 磷原子 +5 +4 +4 +4 自由电子 多余价电子 +4 +4 +4

在N型半导中,电子是多数载流子, 空穴是少数载流子。 第1章 1.1 N 型半导体结构示意图 少数载流子 多数载流子 正离子 在N型半导中,电子是多数载流子, 空穴是少数载流子。

2. P型半导体 负离子 在硅或锗的晶体中 掺入少量的三价元 素,如硼,则形成P 型 半导体。 硼原子 空穴 填补空位 +4 +4 +4 第1章 1.1 2. P型半导体 在硅或锗的晶体中 掺入少量的三价元 素,如硼,则形成P 型 半导体。 +4 +4 +4 负离子 硼原子 +3 +4 +4 +4 空穴 填补空位 +4 +4 +4

第1章 1.1 空穴是多数载流子 负离子 电子是少数载流子 P 型半导体结构示意图

用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上,形成 P型半导体区域 和 N型半导体区域,在这两个区域的交界处就形成了一个PN 结。 第1章 1.2 1.2 PN 结 1.2.1 PN 结的形成 用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上,形成 P型半导体区域 和 N型半导体区域,在这两个区域的交界处就形成了一个PN 结。 P区的空穴向N区扩散并与电子复合 空间电荷区 P 区 N 区 内电场方向 N区的电子向P区扩散并与空穴复合

在一定的条件下，多子扩散与少子漂移达到动态平衡， 第1章 1.2 在一定的条件下，多子扩散与少子漂移达到动态平衡， 空间电荷区的宽度基本上稳定下来。 空间电荷区 P 区 N 区 多子扩散 内电场方向 少子漂移

1.2.2 PN 结的单向导电性 1. 外加正向电压 P 区 N 区 I 内电场方向 扩散运动增强，形 R 成较大的正向电流 外电场方向 E 第1章 1.2 1. 外加正向电压 外电场驱使P区的空穴进入空间 电荷区抵消一部分负空间电荷 N区电子进入空间电荷区 抵消一部分正空间电荷 空间电荷区变窄 P 区 N 区 I 内电场方向 扩散运动增强，形 成较大的正向电流 R 外电场方向 E

外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走 2. 外加反向电压 第1章 1.2 多数载流子的扩散运动难于进行 外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走 空间电荷区变宽 P 区 N 区 IR 内电场方向 R 少数载流子越过PN结形成很小的反向电流 外电场方向 E

1.2.3 PN结电容 1. 势垒电容 2. 扩散电容 势垒电容 PN结电容 扩散电容 成的电容称为势垒电容，用 Cb 来表示。势垒电 第1章 1.2 势垒电容 PN结电容 扩散电容 1. 势垒电容 PN结中空间电荷的数量随外加电压变化所形 成的电容称为势垒电容，用 Cb 来表示。势垒电 容不是常数，与PN结的面积、空间电荷区的宽度 和外加电压的大小有关。 2. 扩散电容 载流子在扩散过程中积累的电荷量随外加电压变化所形成的电容称为扩散电容，用 Cd 与来示。 PN正偏时，扩散电容较大，反偏时，扩散电容可以忽略不计。

1.3 半导体二极管 1.3.1 二极管的结构和符号 二氧化硅保护层 负极引线 面接触型二极管 PN结 二极管的符号 正极 负极 触丝 1.3 半导体二极管 第1章 1.3 1.3.1 二极管的结构和符号 正极引线 二氧化硅保护层 P型区 负极引线 面接触型二极管 N型硅 PN结 正极引线 二极管的符号 正极 负极 触丝 PN结 N型锗 支架 外壳 负极引线 点接触型二极管

1.3.2 二极管的伏安特性 锗管的伏安特性 正向特性 反向特性 反向特性 正向特性 硅管的伏安特性 I / mA I / mA U / V 1.3.2 二极管的伏安特性 第1章 1.3 I / mA U / V 0.4 0.8 – 40 – 80 2 4 6 –0.1 –0.2 锗管的伏安特性 正向特性 反向特性 I / mA 600 反向特性 正向特性 400 200 –100 –50 0.4 0.8 U / V – 0.1 反向击 穿特性 – 0.2 死区电压 硅管的伏安特性

1.3.3 二极管的主要参数 1. 最大整流电流IOM 2. 反向工作峰值电压URM 3. 反向峰值电流IRM 1.3.3 二极管的主要参数 第1章 1.3 1. 最大整流电流IOM 2. 反向工作峰值电压URM 3. 反向峰值电流IRM 二极管的应用范围很广,它可用与整流、检波、限幅、 元件保护以及在数字电路中作为开关元件。 例1：下图中，已知VA=3V， VB=0V， DA 、DB为锗管， 求输出端Y的电位并说明二极管的作用。 解： DA优先导通，则 DA –12V Y A B DB R VY=3–0.3=2.7V DA导通后, DB因反偏而截止, 起隔离作用, DA起钳位作用, 将Y端的电位钳制在+2.7V。

uR uD uo ui uo /V 例2：下图是二极管限幅电路，D为理想二极管，ui = 第1章 1.3 例2：下图是二极管限幅电路，D为理想二极管，ui = 6 sin t V, E= 3V,试画出 uo波形 。 ui / V R 6 3 uR D uD  t  uo 2 ui E 3V uo /V 3  t  2 –6

uR uD uo ui uo /V 例3：双向限幅电路  t  t ui / V R D E 3V E  3V D 2 第1章 1.3 例3：双向限幅电路 ui / V R uR D 6 uD E 3V uo 3 ui E 3V  t  2 D uo /V 3 –3  t

1.4 稳压管 IF 稳压管是一种特殊的 面接触型半导体二极管。 正极 UZ Imin DZ UF 负极 IZmax 正向特性 符号 1.4 稳压管 第1章 1.4 稳压管是一种特殊的 面接触型半导体二极管。 IF 正向特性 DZ 正极 负极 符号 UZ Imin IZmax UF 反向击穿区 伏安特性

稳压管的主要参数 IF UZ Imin UF RZ = IZ IZmax UZ 1. 稳定电压 2. 最小稳定电流 Imin 第1章 1.4 稳压管的主要参数 IF 1. 稳定电压 UZ 2. 最小稳定电流 Imin 3. 最大稳定电流 IZmax 4. 动态电阻 RZ Imin UF RZ =  IZ UZ 5. 电压温度系数 VZT IZ 6. 最大允许耗散功率PM IZmax UZ

1. 5 半导体三极管 1.5.1 半导体三极管的结构 E N+ B C E B 二氧化硅保护膜 铟球 N型锗 P N型硅 （b）合金型 C 1. 5 半导体三极管 第1章 1.5 1.5.1 半导体三极管的结构 B E N型锗 E C B 铟球 P P+ （b）合金型 二氧化硅保护膜 N+ P型硅 N型硅 C （a） 平面型

1. NPN 型三极管 C 三极管的结构 分类和符号 N B P E N 符号 集电极C 集电区 集电结 基极B 基区 发射结 发射区 第1章 1.5 三极管的结构 分类和符号 1. NPN 型三极管 集电极C 集电区 E C B 符号 N 集电结 基极B P 基区 发射结 N 发射区 发射极E

第1章 1.5 2. PNP型三极管 集电极C 集电区 C P N 集电结 基极B 基区 N N B 发射结 P E 发射区 发射极E

1.5.2 三极管的电流控制作用 三极管具有电流控 制作用的外部条件 : （1）发射结正向偏置； IC RC （2）集电结反向偏置。 IB 1.5.2 三极管的电流控制作用 第1章 1.5 三极管具有电流控 制作用的外部条件 : 共发射极接法放大电路 （1）发射结正向偏置； IC RC （2）集电结反向偏置。 IB C B EC 对于NPN型三极管应满足: UBE > 0 UBC < 0 即 VC > VB > VE UCE RB E UBE EB 对于PNP型三极管应满足: UEB > 0 UCB < 0 即 VC < VB < VE 输入 回路 输出 回路 公 共 端

三极管的电流控制原理 IB IE IC VCC RB RC VBB N P N 电子流向电源正极形成 IC EB正极拉走电 子，补充被复 第1章 1.5 IC 电子流向电源正极形成 IC EB正极拉走电 子，补充被复 合的空穴，形 成 IB N 集电区收集电子 电子在基区 扩散与复合 VCC P IB 发射区向基区 扩散电子 N RB RC 电源负极向发射 区补充电子形成 发射极电流IE IE VBB

由于基区很薄,掺杂浓度又很小,电子在基区扩散的数量 所以说三极管具有电流控制作用,也称之为电流放大作用。 第1章 1.5 由于基区很薄,掺杂浓度又很小,电子在基区扩散的数量 远远大于复合的数量。所以： IC>> IB 同样有:  IC>>  IB 所以说三极管具有电流控制作用,也称之为电流放大作用。 IB UBE 1.5.3 三极管的特性曲线 UCE ≥ 1V 1. 三极管的输入特性 IB = f (UBE ) UC E = 常数 死区电压

2. 三极管的输出特性 IB增加 IB 减小 IC = f (UCE ) IC UCE IB = 常数 IB =60µA IB =40µA 2. 三极管的输出特性 第1章 1.5 IB = 常数 IC = f (UCE ) UCE IC IB =60µA IB增加 IB =40µA IB 减小 IB = 20µA

三极管输出特性上的三个工作区 IC / mA 饱和区 UCE /V 放 大 区 IB= 0 µA 截止区 80 µA 60 µA 40 µA 第1章 1.5 三极管输出特性上的三个工作区 IC / mA 80 µA 放 大 区 60 µA 饱和区 40 µA 20µA IB= 0 µA UCE /V 截止区

1.5.4 三极管的主要参数 1. 电流放大系数  = IB  = 2. 穿透电流 ICEO 3. 集电极最大允许电流 ICM 1.5.4 三极管的主要参数 第1章 1.5 1. 电流放大系数  = IC IB (1) 直流电流放大系数  =  IC  IB (2) 交流电流放大系数 2. 穿透电流 ICEO 3. 集电极最大允许电流 ICM 极限参数 4. 集--射反相击穿电压 U(BR)CEO 5. 集电极最大允许耗散功率 PCM 使用时不允许超过!

在输出特性上求 IB IB  ,  设UCE=6V, IB由40µA加为60µA 。  = IC = 1.5mA 40µA 第1章 1.5 在输出特性上求  ,  设UCE=6V, IB由40µA加为60µA 。  = IC IB = 1.5mA 40µA = 37.5 IC / mA 60µA 2.3 IB =40µA 1.5  = IC IB = 2.3–1.5(mA) 60 –40(µA) = 40 20µA UCE /V 6

由三极管的极限参数确定安全工作区 PCM曲线 ICM 过 损 耗 区 U(BR)CEO ICEO 第1章 1.5 由三极管的极限参数确定安全工作区 IC / mA PCM曲线 ICM 80 µA 过 损 耗 区 安 全 工 作 区 60 µA 40 µA 20µA IB= 0 µA U(BR)CEO UCE /V ICEO

1.6 绝缘栅场效应管 1.6.1 N沟道增强型绝缘栅场效应管 1. 结构和符号 SiO2 N+ 源极S 栅极G 漏极D D B S G 1.6 绝缘栅场效应管 第1章 1.6 1.6.1 N沟道增强型绝缘栅场效应管 1. 结构和符号 源极S 栅极G 漏极D D B S G 符号 SiO2 P型硅衬底 N+ 衬底引线B 结构示意图

2. 工作原理 UDS (1) UGS =0 D与S之间是两个 PN结反向串联， 无论D与S之间加 ID = 0 什么极性的电压， 第1章 1.6 2. 工作原理 UDS (1) UGS =0 D与S之间是两个 PN结反向串联， 无论D与S之间加 什么极性的电压， 漏极电流均接近 于零。 ID = 0 S G D SiO2 P型硅衬底 N+ 耗尽层 衬底引线B 结构示意图

(2) 0 < UGS < UGS(th) 第1章 1.6 (2) 0 < UGS < UGS(th) UDS 由柵极指向衬底方 向的电场使空穴向 下移动,电子向上移 动,在P 型硅衬底的 上表面形成耗尽层。 仍然没有漏极电流。 ID = 0 。 UGS S G D N+ + N+ + N 耗尽层 P型硅衬底 B

(3) UGS >UGS(th) UDS ID UGS N+ N+ 第1章 1.6 栅极下P型半导 体表面形成N型导电 沟道，当D、S加上 正向电压后可产生 漏极电流ID 。 (3) UGS >UGS(th) UDS 。 ID UGS S G D N+ + N+ + N N型导电沟道 耗尽层 P型硅衬底 B

3. 特性曲线 ID /mA ID /mA UGs(th) 饱和区 击穿区 可变电阻区 UGS =5V UDS =10V UDS / V 第1章 1.6 3. 特性曲线 ID /mA 饱和区 击穿区 ID /mA 可变电阻区 6V 4 UGS =5V 3 3 4V 2 2 UDS =10V 3V 1 1 2V 5 10 15 UDS / V 2 4 6 UGs(th) UGS / V 输出特性 转移特性 增强型 NMOS 管的特性曲线

制造时,在二氧化硅绝缘层中掺入大量的正离子。 1.6.2 N沟道耗尽型绝缘栅场效应管 第1章 1.6 1. 结构特点和工作原理 制造时,在二氧化硅绝缘层中掺入大量的正离子。 源极S 栅极G 漏极D D B S G 符号 正离子 SiO2 N型沟道 N+ N+ 耗尽层 P型硅衬底 衬底引线B 结构示意图

2. 特性曲线 ID /mA ID /mA UGs(off) UGS =1V –1 UDS =10V ID –2V –3V UGS –3 第1章 1.6 2. 特性曲线 ID /mA UGS =1V ID /mA 4 0V 3 3 –1 2 UDS =10V 2 ID –2V 1 1 –3V UGS –3 –2 –1 4 8 12 UDS / V 1 2 UGS / V UGs(off) 输出特性 转移特性 耗尽型NMOS管的特性曲线

1.6.3 P沟道绝缘栅场效应管（PMOS） PMOS管与NMOS管 互为对偶关系，使用 时UGS 、UDS的极性 也与NMOS管相反。 第1章 1.6 1.6.3 P沟道绝缘栅场效应管（PMOS） UDS PMOS管与NMOS管 互为对偶关系，使用 时UGS 、UDS的极性 也与NMOS管相反。 。 ID G D S UGS + P+ P+ + N P沟道 耗尽层 N型硅衬底 B PMOS管结构示意图

1. P沟道增强型绝缘栅场效应管 2. P沟道耗尽型绝缘栅场效应管 第1章 1.6 ID /mA UGS / V UGS(th) 转移特性 开启电压UGS(th)为 负值，UGS< UGS(th) 时导通。 S G D B 符号 2. P沟道耗尽型绝缘栅场效应管 ID /mA UGS /V UGS(off) 转移特性 夹断电压UGS(off)为 正值， UGS < UGS(off) 时导通。 D B S G 符号

指在一定的UDS下，开始出现漏极电流所需的栅源电 压。它是增强型MOS管的参数，NMOS为正，PMOS为负。 1.6.4 绝缘栅场效应管的主要参数 第1章 1.6 1. 开启电压UGS(th) 指在一定的UDS下，开始出现漏极电流所需的栅源电 压。它是增强型MOS管的参数，NMOS为正，PMOS为负。 2. 夹断电压 UGS(off) 指在一定的UDS下，使漏极电流近似等于零时所需的 栅源电压。是耗尽型MOS管的参数，NMOS管是负值， PMOS管是正值。 3. 直流输入电阻 RGS（DC） 在UDS =0时，栅源电压与栅极电流的比值，其值很高。 4. 低频跨导 gm UDS为常数时，漏极电流的微变量与引起这个变化的 栅源电压的微变量之比称为跨导,即

gm=ID / UGS 跨导是衡量场效应管栅源电压对漏极电流控制能力的一个重要参数。 第1章 1.6 gm=ID / UGS UGS =常数 跨导是衡量场效应管栅源电压对漏极电流控制能力的一个重要参数。 另外，漏源极间的击穿电压U(BR)DS、栅源极间的击 穿电压U(BR)GS以及漏极最大耗散功率PDM是管子的极限 参数，使用时不可超过。