第二篇 电子技术基础第 6章 电子技术中常用半导体器件第 7章 基本放大电路第 8章 集成运算放大器第 9章 组合逻辑电路第 10章 触发器和时序逻辑电路第 11章 存储器第 12章 数 /模和模 /数转换器第一篇
2004年 9月制作 曾令琴主编 曾令琴第 5章
6.1 半导体的基本知识
6.3 特殊二极管
6.4 双极型二极管
6.5 单极型三极管
6.2 半导体二极管第 1页物质按导电能力的不同可分为导体、半导体和绝缘体 3类。日常生活中接触到的金、银、铜、铝等金属都是良好的导体，它们的电导率在 105S·cm-1
量级；而像塑料、云母、陶瓷等几乎不导电的物质称为绝缘体，它们的电导率在 10-22~10-14S·cm-1量级；导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体，它们的电导率在 10-9~102S·cm-1量级。自然界中属于半导体的物质有很多种类，目前用来制造半导体器件的材料大多是提纯后的单晶型半导体，主要有硅 (Si)、锗 (Ge)和砷化镓（ GaAs)等。
6.1 半导体的基本知识第 3页
（ 1）通过掺入杂质可明显地改变半导体的电导率。
例如，室温 30° C时，在纯净锗中掺入一亿分之一的杂质（称掺杂），其电导率会增加几百倍。
（ 2）温度可明显地改变半导体的电导率。利用这种热敏效应可制成热敏器件，但另一方面，热敏效应使半导体的热稳定性下降。因此，在半导体构成的电路中常采用温度补偿及稳定参数等措施。
（ 3）光照不仅可改变半导体的电导率，还可以产生电动势，这就是半导体的光电效应。利用光电效应可制成光敏电阻、光电晶体管、光电耦合器和光电池等。
光电池已在空间技术中得到广泛的应用，为人类利用太阳能提供了广阔的前景。
半导体之所以得到广泛的应用，是因为它具有以下特性。
1,半导体的独特性能第 3页由此可以看出：半导体不仅仅是电导率与导体有所不同，而且具备上述特有的性能，正是利用这些特性，
使今天的半导体器件取得了举世瞩目的发展。
2,本征半导体与杂质半导体
（ 1）天然的硅和锗提纯后形成单晶体，称为 本征半导体一般情况下，本征半导体中的载流子浓度很小，其导电能力较弱，且受温度影响很大，不稳定，因此其用途还是很有限的。
硅和锗的简化原子模型。
这是硅和锗构成的共价键结构示意图晶体结构中的共价键具有很强的结合力，在热力学零度和没有外界能量激发时，价电子没有能力挣脱共价键束缚，这时晶体中几乎没有自由电子，因此不能导电第 3页当半导体的温度升高或受到光照等外界因素的影响时，某些共价键中的价电子 因热激发 而获得足够的能量，因而能脱离共价键的束缚成为 自由电子,同时在原来的共价键中留下一个空位，称为,空穴,。
空穴自由电子本征半导体中产生电子 —空穴对的现象称为 本征激发。
显然在外电场的作用下，半导体中将出现两部分电流：一是自由电子作定向运动形成的 电子电流,一是仍被原子核束缚的价电子（不是自由电子）递补空穴形成的 空穴电流 。
共价键中失去电子出现空穴时，相邻原子的价电子比较容易离开它所在的共价键填补到这个空穴中来，使该价电子原来所在的共价键中又出现一个空穴，这个空穴又可被相邻原子的价电子填补，再出现空穴，如右图所示。
在半导体中同时存在 自由电子 和 空穴 两种 载流子参与导电，这种导电机理和金属导体的导电机理具有本质上的区别。
第 3页在纯净的硅（或锗）中掺入微量的磷或砷等 五价元素,杂质原子就替代 了共价键中 某些硅原子的位置,杂质原子的四个价电子与周围的硅原子结成共价键，剩下的一个价电子处在共价键之外，很容易挣脱杂质原子的束缚被激发成自由电子。同时杂质原子由于失去一个电子而变成带正电荷的离子，这个正离子固定在晶体结构中，不能移动，所以它不参与导电 。
杂质离子产生的自由电子不是共价键中的价电子，
因此与本征激发不同，它不会产生空穴 。
由于多余的电子是杂质原子提供的，故将杂质原子称为 施主原子 。
掺入五价元素的杂质半导体，其 自由电子的浓度远远大于空穴的浓度,因此称为 电子型 半导体,也叫做 N型 半导体 。
在 N型 半导体中,自由电子为多数 载流子 （简称多子）,空穴为少数 载流子 （简称少子）；不能移动的 离子带正电 。
（ 2）杂质半导体相对金属导体而言，本征半导体中载流子数目极少，因此导电能力仍然很低。
在如果在其中掺入微量的杂质，将使半导体的导电性能发生显著变化，我们把这些掺入杂质的半导体称为 杂质半导体 。 杂质半导体可以分为 N型 和 P型 两大类。
N型半导体第 3页不论是 N型半导体还是 P型半导体，虽然都有一种载流子占多数，但晶体中带电粒子的正、负电荷数相等，仍然呈电中性而不带电。
应注意：
P型半导体在 P型半导体中，由于杂质原子可以 接收一个价电子 而成为 不能移动 的负离子，故称为受主原子 。
掺入三价元素的杂质半导体，其空穴的浓度远远大于自由电子的浓度，因此称为 空穴型半导体,也叫做 P型 半导体 。
在硅（或锗）晶体中掺入微量的 三价元素 杂质硼（或其他），硼原子在取代原晶体结构中的原子并构成共价键时，将因缺少一个价电子而形成一个空穴。当相邻共价键上的电子受到热振动或在其他激发条件下获得能量时，就有可能填补这个空穴，使硼原子 得电子 而成为 不能移动的负离子 ；而原来的硅原子共价键则因 缺少 一个电子，出现一个 空穴 。
于是半导体中的空穴数目大量增加。 空穴成为多数载流子，而自由电子则成为少数载流子 。
第 3页正负空间电荷在交界面两侧形成一个由 N区指向 P区的电场，称为 内电场,它 对多数载流子的扩散运动起阻挡作用,所以空间电荷区又称为 阻挡层 。同时，内电场对少数载流子起推动作用，把 少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为 漂移运动 。
3,PN结
P型和 N型半导体并不能直接用来制造半导体器件。通常是在 N型或
P型半导体的局部再掺入浓度较大的三价或五价杂质，使其变为 P型或 N
型半导体，在 P型和 N型半导体的交界面就会形成 PN结。
PN结是构成各种半导体器件的基础 。
左图所示的是一块晶片，两边分别形成 P
型和 N型半导体。为便于理解，图中 P区仅画出空穴（多数载流子）和得到一个电子的三价杂质负离子,N区仅画出自由电子（多数载流子）和失去一个电子的五价杂质正离子。根据扩散原理，空穴要从浓度高的 P区向 N区扩散，自由电子要从浓度高的 N区向 P
区扩散，并在交界面发生复合 (耗尽），形成载流子极少的正负空间电荷区如图中间区域，这就是 PN结,又叫 耗尽层 。
第 3页空间电荷区
PN结中的扩散和漂移是相互联系，又是相互矛盾的 。在一定条件（例如温度一定）下，多数载流子的扩散运动逐渐减弱，而少数载流子的漂移运动则逐渐增强，最后两者达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本稳定下来,PN结就处于相对稳定的状态。
－
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+
+
+
PN结的形成演示根据扩散原理，空穴要从浓度高的 P区向 N区扩散，自由电子要从浓度高的 N区向 P区扩散，并在交界面发生复合 (耗尽），形成载流子极少的正负空间电荷区（如上图所示），也就是 PN结,又叫 耗尽层 。
P区 N区空间电荷区第 3页少子漂移扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的 PN结
P 区 N 区载流子的扩散运动
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
多子扩散形成空间电荷区产生内电场促使阻止
P 区 空间电荷区 N 区
PN 结及其内电场内电场方向
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
第 3页扩散运动和漂移运动相互联系又相互矛盾,扩散使空间电荷区加宽，促使内电场增强,同时 对多数载流子的继续扩散阻力增大,但 使少数载流子漂移增强 ； 漂移使空间电荷区变窄，电场减弱,又 促使多子的扩散容易进行 。
继续讨论当漂移运动达到和扩散运动相等时,PN结便处于 动态平衡 状态。可以想象，在平衡状态下，电子从 N区到 P区扩散电流必然等于从 P区到 N
区的漂移电流，同样，空穴的扩散电流和漂移电流也必然相等。即 总的多子扩散电流等于总的少子漂移电流，且二者方向相反 。
在无外电场或其他因素激发时,PN结处于平衡状态，没有电流通过，
空间电荷区的宽度一定。
由于空间电荷区内，多数载流子或已扩散到对方，或被对方扩散过来的多数载流子复合掉了，即多数载流子被耗尽了，所以空间电荷区又称为耗尽层，其电阻率很高，为高阻区 。扩散作用越强，耗尽层越宽。
PN结具有电容效应。结电容是由耗尽层引起的。耗尽层中有不能移动的正、负离子，各具有一定的电量，当外加电压使耗尽层变宽时，
电荷量增加，反之，外加电压使耗尽层变窄时，电荷量减小。这样耗尽层中的电荷量随外加电压变化而改变时，就形成了电容效应。
第 3页
3,PN结的单向导电性
PN结具有单向导电的特性，也是由 PN结构成的半导体器件的主要工作机理。
PN结外加正向电压（也叫正向偏置）时，如左下图所示：
正向偏置时外加电场与内电场方向相反，内电场被削弱，多子的扩散运动大大超过少子的漂移运动,N区的电子不断扩散到 P
区,P区的空穴也不断扩散到 N区，形成较大的 正向电流,这时称 PN结处于 导通 状态 。
空间电荷区 变窄
R
内电场外电场
P N
I 正向
U S
＋ －
第 3页
E R
内电场外电场空间电荷区变宽
P N
I R
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
P端引出极接电源负极,N端引出极电源正极的接法称为反向偏置；
反向偏置时内、外电场方向相同，因此内电场增强，致使多子的扩散难以进行，即 PN结对反向电压呈高阻特性；反偏时少子的漂移运动虽然被加强，但由于数量极小，反向电流 IR
一般情况下可忽略不计，此时称 PN结处于 截止 状态。
PN结的“正偏导通，反偏阻断”称为其单向导电性质，这正是 PN结构成半导体器件的基础。
第 3页讨论题 半导体的导电机理与金属导体的导电机理有本质的区别,金属导体中只有一种载流子 —自由电子参与导电，半导体中有两种载流子 —自由电子和空穴参与导电,而且这两种载流子的浓度可以通过在纯净半导体中加入少量的有用杂质加以控制。
半导体导电机理和导体的导电机理有什么区别？
杂质半导体中的多子和少子性质取决于杂质的外层价电子。
若掺杂的是五价元素，则由于多电子形成 N型半导体：多子是电子，少子是空穴；如果掺入的是三价元素，就会由于少电子而构成 P型半导体。 P型半导体的共价键结构中 空穴多于电子，且这些空穴很容易让附近的价电子跳过来填补，因此价电子填补空穴的空穴运动是主要形式，所以多子是空穴，少子是电子。
杂质半导体中的多数载流子和少数载流子是怎样产生的？为什么 P型半导体中的空穴多于电子？
N型半导体中具有多数载流子电子，同时还有与电子数量相同的正离子及由本征激发的电子 —空穴对，因此整块半导体中正负电荷数量相等，呈电中性而不带电。
N型半导体中的多数载流子是电子，能否认为这种半导体就是带负电的？为什么？
空间电荷区的电阻率为什么很高？
何谓 PN结的单向导电性？
第 3页
2,半导体在热（或光照等 ）作用下产生电子、空穴对，这种现象称为本征激发；电子、空穴对不断激发产生的同时，运动中的电子又会,跳进
”另一个空穴，重新被共价键束缚起来，这种现象称为复合，即复合中电子空穴对被“吃掉”。 在一定的温度下，电子、空穴对的产生和复合都在不停地进行，最终处于一种平衡状态，平衡状态下半导体中载流子浓度一定 。
1,半导体中的少子虽然浓度很低,但少子对温度非常敏感，即 温度对半导体器件的性能影响很大 。而多子因浓度基本上等于杂质原子的浓度，所以基本上不受温度影响。
4,PN结的单向导电性是指,PN结的正向电阻很小，因此正向偏置时电流极易通过；同时 PN结的反向电阻很大，反向偏置时电流基本为零。
问题探讨
3,空间电荷区的电阻率很高，是指它的内电场总是阻碍多数载流子（电流）的扩散运动作用，由于这种阻碍作用，使得扩散电流难以通过，也就是说,空间电荷区对扩散电流呈现高阻 。
第 3页
6.2 半导体二极管
1,二极管的结构和类型一个 PN结加上相应的电极引线并用管壳封装起来,就构成了半导体二极管,简称二极管,接在 P型半导体一侧的引出线称为阳极；接在 N型半导体一侧的引出线称为阴极 。
半导体二极管按其结构不同可分为 点接触型 和 面接触型 两类 。
点接触型二极管 PN结面积很小,因而结电容小,适用于高频几百兆赫兹下工作,但不能通过很大的电流 。 主要应用于小电流的整流和高频时的检波,混频及脉冲数字电路中的开关元件等 。
面接触型二极管 PN结面积大,因而能通过较大的电流,但其结电容也小,只适用于较低频率下的整流电路中 。
参看二极管的实物图第 3页阳极 阴极
2,二极管的伏安特性二极管的电路图符号如右图所示：
- 60 - 40 - 20
0,4 0,8 U /V
40
30
20
10
I / m A
0
正向特性反向特性死区电压
（ 1）正向特性二极管外加正向电压较小时，外电场不足以克服内电场对多子扩散的阻力,PN结仍处于截止状态 。
反向电压大于击穿电压时，反向电流急剧增加。
正向电压大于死区电压后，正向电流 随着正向电压增大迅速上升。通常死区电压硅管约为 0.5V
,锗管约为 0.2V。
（ 2）反向特性外加反向电压时,PN结处于截止状态，反向电流很小；
显然二极管的伏安特性不是直线，因此属于非线性电阻元件。
导通后二极管的正向压降变化不大，硅管约为 0.6
～ 0.8V，锗管约为 0.2～ 0.3V。温度上升，死区电压和正向压降均相应降低。
第 3页普通二极管被击穿后，由于反向电流很大，一般都会造成“热击穿”,热击穿不同于齐纳击穿和雪崩击穿,这两种击穿不会从根本上损坏二极管，而 热击穿将使二极管永久性损坏
。
热击穿问题
3,二极管的主要参数
1）最大整流电流 IDM,指管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。
2）最高反向工作电压 URM,二极管运行时允许承受的最高反向电压。
3）反向电流 IR,指管子未击穿时的反向电流，其值越小，则管子的单向导电性越好。
4,二极管的应用举例二极管应用范围很广，主要是利用它的单向导电性，常用于整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中用作开关元件等。
DT
r
u1 RLu2 ＋U
L
－
二极管半波整流电路
＋ u
－ u
D
A
U＋
F
二极管钳位电路
R uOui D1 D2
二极管限幅电路第 3页讨论
PN结击穿现象包括哪些？击穿是否意味着二极管的永久损坏？
反向电压增加到一定大小时，通过二极管的反向电流剧增，这种现象称为二极管的 反向击穿 。
反向击穿电压一般在几十伏以上（高反压管可达几千伏）。反向击穿现象分有雪崩击穿和齐纳击穿两种类型。
雪崩击穿,PN结反向电压增加时，空间电荷区内电场增强。通过空间电荷区的电子和空穴，在内电场作用下获得较大能量，它们运动时不断地与晶体中其它 原子发生碰撞，通过碰撞使其它共价键产生本征激发又出现电子 –空穴对，这种现象称为碰撞电离。新产生的电子 —空穴对与原有的电子和空穴一样，在电场作用下，也向相反的方向运动，重新获得能量，再通过碰撞其它原子，又产生电子 –空穴对，从而 形成载流子的倍增效应 。当反向电压增大到某一数值,载流子的倍增情况就像在陡峻的山坡上积雪发生雪崩一样，突然使反向电流急剧增大，发生二极管的 雪崩击穿 。
齐纳击穿,在加有较高的反向电压下,PN结空间电荷区中存一个强电场，它能够破坏共价键将束缚电子分离出来造成电子 –空穴对，形成较大的反向电流。发生齐纳击穿需要的电场强度约为 2× 10V/cm，这只有在杂质浓度特别大的 PN结中才能达到，因为 杂质浓度大，空间电荷区内电荷密度也大，因而空间电荷区很窄，电场强度可能很高，致使 PN结产生 雪崩击穿 。
齐纳击穿和雪崩击穿都不会造成二极管的永久性损坏。第 3页稳压二极管是一种特殊的面接触型二极管，其实物图、图符号及伏安特性如图所示,当反向电压加到某一数值时，反向电流剧增，管子进入反向击穿区。
图中 UZ稳压管的稳定电压值 。
6.3 特殊二极管
1,稳压管稳压管实物图 由图可见，稳压管特性和普通二极管类似，但其 反向击穿是可逆的，
不会发生“热击穿”,而且其反向击穿后的特性曲线比较陡直，即 反向电压基本不随反向电流变化而变化,这就是稳压二极管的稳压特性 。
阳极 阴极稳压管图符号稳压管的稳压作用,电流增量 Δ I 很大，只会引起很小的电压变化 Δ U。
曲线愈陡，动态电阻 rz=Δ U/Δ I愈小，稳压管的稳压性能愈好 。一般地说,UZ
为 8V左右的稳压管的动态电阻较小，低于这个电压时,rz随齐纳电压的下降迅速增加，使低压稳压管的稳压性能变差。
稳压管的稳定电压 UZ，低的为 3V，高的可达 300V，稳压二极管在工作时的正向压降约为 0.6V。
I/mA
40
30
20
10
-5
-10
-15
-20 （ μ A）
正向
0 0.4 0.8
－ 12 － 8 － 4
反向
Δ UZ
Δ IZ
U/V
第 3页注意：
稳压管稳压电路中一般都要加限流电阻 R，使稳压管电流工作在 Izmax
和 Izmix的范围内。稳压管在应用中要采取适当的措施限制通过管子的电流值，以保证管子不会造成 热击穿 。
稳压管的主要参数：
（ 1） 稳定电压 UZ：反向击穿后稳定工作的电压 。
（ 2） 稳定电流 IZ：工作电压等于稳定电压时的电流 。
（ 3） 动态电阻 rZ：稳定工作范围内,管子两端电压的变化量与相应电流的变化量之比 。 即,rZ=ΔUZ/ΔIZ
（ 4） 耗散功率 PZM和最大稳定电流 IZM。 额定耗散功率 PZM是在稳压管允许结温下的最大功率损耗 。 IZM是指稳压管允许通过的最大电流 。 二者关系可写为,PZM=UZIZM
讨论回顾二极管的反向击穿时特性,当反向电压超过击穿电压时，流过管子的电流会急剧增加。
击穿并不意味着管子一定要损坏，如果我们采取适当的措施限制通过管子的电流，就能保证管子不因过热而烧坏。
在反向击穿状态下,让流过管子的电流在一定的范围内变化，这时管子两端电压变化很小,利用这一点可以达到,稳压”
的效果。
稳压管是怎么实现稳压作用的？
第 3页
2,发光二极管单个发光二极管实物发光二极管图符号发光二极管是一种能把电能直接转换成光能的固体发光元件。发光二极管和普通二极管一样，管芯由 PN结构成，具有单向导电性。左图所示为发光二极管的实物图和图符号。
发光二极管是一种功率控制器件，常用来作为数字电路的数码及图形显示的七段式或阵列式器件；单个发光二极管常作为电子设备通断指示灯或快速光源以及光电耦合器中的发光元件等。
3,光电二极管光电二极管也和普通二极管一样，管芯由 PN结构成，具有单向导电性。光电二极管的管壳上有一个能射入光线的“
窗口”，这个窗口用有机玻璃透镜进行封闭，入射光通过透镜正好射在管芯上。问题讨论利用稳压管的正向压降，是否也可以稳压？
利用稳压管的正向压降是不能进行稳压的。
因为稳压管的正向特性与普通二极管相同，正向电阻非常小，工作在正向导通区时，正向电压一般为 0.6V左右，此电压数值一般变化不大。
第 3页
6.4 双极型三极管
6.4.1 双极型晶体管的基本结构和类型双极型晶体管是由两个背靠背、互有影响的 PN结构成的。在工作过程中两种载流子都参与导电，所以全名称为双极结型晶体管。
双极结型晶体管有三个引出电极，人们习惯上又称它为晶体三极管或简称晶体管。
晶体管的种类很多,按照频率分，有高频管、低频管；按照功率分，
有小、中、大功率管；按照半导体材料分，有硅管、锗管等等。但是从它的外形来看，晶体管都有三个电极，常见的晶体管外形如图所示：
从晶体管的外形可看出，其共同特征就是具有三个电极，这就是“三极管”简称的来历。
第 3页由两块 N型半导体中间夹着一块 P型半导体的管子称为 NPN管。 还有一种与它成对偶形式的，即 两块 P型半导体中间夹着一块 N型半导体的管子，称为 PNP管。 晶体管制造工艺上的特点是,发射区是高浓度掺杂区,基区很薄且杂质浓度底，集电结面积大。 这样的结构才能 保证晶体管具有 电流放大作用 。
基极发射极集电极 晶体管有两个结晶体管有三个区晶体管有三个电极第 6章结论：
三极管是一种具有电流放大作用的模拟器件。
6.4.2 晶体管的电流分配与放大作用
μ A
mA
mA
IC
IB
IE
UBB
UCCRB
3DG6
NPN型晶体管电流放大的实验电路
RC
C
E
B
左图所示为验证三极管电流放大作用的实验电路，这种电路接法称为共射电路。其中，直流电压源 UCC应大于 UBB，从而使电路满足放大的外部条件：发射结正向偏置，集电极反向偏置。改变可调电阻 RB，基极电流 IB，
集电极电流 IC和发射极电流 IE都会发生变化，由测量结果可得出以下结论：
晶体管电流放大的条件：
晶体管内部：
a） 发射区杂质浓度 >>基区 >>集电区；
b） 基区很薄。
晶体管外部：
发射结正偏，集电结反偏。
1,IE ＝ IB ＋ IC （符合 KCL定律）
2,IC ≈ β IB,β 为管子的流放大系数，
用来表征三极管的电流放大能力：
3,△ IC ≈ β △ IB BCI I?
第 6章晶体管的电流放大原理：
N
I C
I E
I B
R B
U BB
U CC
R C
N
P
1、发射区向基区扩散电子的过程：
由于发射结处于正向偏置，发射区的多数载流子自由电子将不断扩散到基区，并不断从电源补充进电子，形成发射极电流 IE。
2、电子在基区的扩散和复合过程：
由于基区很薄，其多数载流子空穴浓度很低，所以从发射极扩散过来的电子只有很少一部分和基区空穴复合，剩下的绝大部分都能扩散到集电结边缘。
实验表明：
IC比 IB大数十至数百倍，因而 IB虽然很小，但对 IC有控制作用,IC随 IB
的改变而改变，即基极电流较小的变化可以引起集电极电流较大的变化，
表明 基极电流对集电极电流具有小量控制大量的作用,这就是三极管的 电流放大作用 。
3、集电区收集从发射区扩散过来的电子过程：
由于集电结反向偏置，可将从发射区扩散到基区并到达集电区边缘的电子拉入集电区，从而形成较大的集电极电流 IC。
第 6章
6.4.3 晶体管的特性曲线
I
C
I
B
R
B
U
BB
U
CC
R
C
V
V
μ A
mA
+
U
CE
－
+
U
BE
－ 0,4 0,8 U BE / V
40
30
20
10
I
B
/ m A
0
U
CE
≥ 1V
测量三极管特性的实验电路 三极管的输入特性曲线
1．输入特性曲线 晶体管的输入特性与二极管类似死区电压
UCE ≥1V，原因是 b,e间加正向电压。这时集电极的电位比基极高，集电结为反向偏置，发射区注入基区的电子绝大部分扩散到集电结，只有一小部分与基区中的空穴复合，形成 IB。
与 UCE=0V时相比,在 UBE相同的条件下,IB要小的多。从图中可以看出，导通电压约为 0.5V。严格地说，当 UCE逐渐增加 时,IB逐渐减小，曲线逐渐向右移。这是因为
UCE增加时，集电结的耗尽层变宽，减小了基区的有效宽度，不利于空穴的复合，所以
IB减小。不过 UCE超过 1V以后再增加,IC增加很少，因为 IB的变化量也很小，通常可以忽略 UCE变化对 IB的影响，认为 UCE 1V时的 曲线都重合在一起。
第 6章
4
3
2
1
I B =0
0
3 6 9 12 U CE /V
20 μ A
4 0 μ A
6 0 μ A
8 0 μ A
10 0 μ A 饱和区截止区放大区
I C / m A
（ 1）放大区：发射极正向偏置，集电结反向偏置
（ 2）截止区：发射结反向偏置，集电结反向偏置
（ 3）饱和区：发射结正向偏置，集电结正向偏置
2．输出特性曲线
BC ii
0 0 CB ii ；
iB>0,uBE>0,uCE≤uBE
BC ii
第 6章
6.4.4 晶体管的主要参数
1、电流放大倍数 β,iC= β iB
2、极间反向电流 iCBO,iCEO,iCEO=（ 1+ β ） iCBO
3、极限参数
（ 1）集电极最大允许电流 ICM,?下降到额定值 的
2/3时所允许的最大集电极电流。
（ 2）反向击穿电压 U（ BR） CEO,基极开路时，集电极
、发射极间的最大允许电压：基极开路时、集电极与发射极之间的最大允许电压。为保证晶体管安全工作
，一般应取：
（ 3）集电极最大允许功耗 PCM,晶体管的参数不超过允许值时，集电极所消耗的最大功率。
( B R ) C E OCC )3
2~
2
1( UU?
第 6章学习与探讨晶体管的发射极和集电极是不能互换使用的。因为发射区的掺杂质浓度很高，集电区的掺杂质浓度较低，这样才使得发射极电流等于基极电流和集电极电流之和，如果互换作用显然不行。
晶体管的发射极和集电极能否互换使用？为什么?
晶体管在输出特性曲线的饱和区工作时,UCE<UBE，集电结也处于正偏，这时内电场大大削弱，这种情况下极不利于集电区收集从发射区到达基区的电子，
因此在相同的基极电流 IB时，集电极电流 IC比放大状态下要小很多，可见饱和区下的电流放大倍数不再等于 β 。
晶体管在输出特性曲线的饱和区工作时，其电流放大系数是否也等于 β？
N型半导体中具有多数载流子电子，同时还有与电子数量相同的正离子及由本征激发的电子 —空穴对
，因此整块半导体中正负电荷数量相等，呈电中性而不带电。
为什么晶体管基区掺杂质浓度小？而且还要做得很薄？
第 6章
6.5 单极型三极管单极型三极管只有一种载流子（多数载流子）参与导电而命名之。单极型三极管又是 利用电场控制半导体中载流子运动的一种有源器件,因此又称之为 场效应管 。目前场效应管应用得最多的是 以二氧化硅作为绝缘介质的金属 —氧化物 —半导体绝缘栅型场效应管,这种场效应管简称为 CMOS管 。
与双极型晶体管相比，单极型三极管除了具有双极型晶体管体积小、重量轻、寿命长等优点外，还具有输入阻抗高、动态范围大、热稳定性能好、抗辐射能力强、制造工艺简单、便于集成等优点。近年来场效应管的发展得非常迅速，很多场合取代了双极型晶体管，特别时大规模集成电路，大都由场效应管构成。
场效应管实物图第 6章
1,MOS管的基本结构
N 沟道
P 型硅衬底
N + N +
源极 S 栅极 G 漏极 D Si O 2
绝缘层 金属铝
D
S
G
衬底
D
S
G
衬底
N 沟道绝缘栅型场效应管的结构
N 沟道耗尽型场效应管的符号
N 沟道增强型场效应管的符号根据场效应管结构和工作原理的不同，一般可分为两大类：结型场效应管和绝缘栅场效应管。
结型场效应 N沟道管结构图及电路图符号结型场效应 P沟道管结构图及电路图符号第 6章绝缘栅型场效应管中，目前常用的是以二氧化硅 SiO2作为金属铝栅极和半导体之间的绝缘层，简称 MOS管 。它有 N沟道 和 P沟道 两类
，而每一类又分 增强型 和 耗尽型 两种。所谓增强型就是 UGS＝ 0时，
漏源之间没有导电沟道，即使在漏源之间加上一定范围内的电压，
也没有漏极电流；反之,在 UGS=0时，漏源之间存在有导电沟道的称为耗尽型 。
左图是 N沟道增强型 MOS管的结构图：一块杂质浓度较低的
P型硅片作为衬底 B，在其中扩散两个 N+区作为电极，分别称为源极 S和漏极 D。半导体表面覆盖一层很薄的二氧化硅（ SiO2）绝缘层，在漏源极间的绝缘层上再制造一层金属铝，称为栅极 G。这就构成了一个 N沟道增强型 MOS
管。显然 它的栅极与其它电极间是绝缘的。
栅极 漏极源极二氧化硅绝缘层
P型硅衬底铝第 6章
N沟道增强型
MOS管图符号
P沟道增强型
MOS管图符号
2,MOS管的工作原理
MOS管的源极和衬底通常是接在一起的 (大多数管子在出厂前已连接好 )，且 N沟道增强型 MOS管不存在原始沟道 。因此，当 UGS=0 时，增强型 MOS管的漏源之间相当于有 两个背靠背的 PN结,所以即使在 D,S间加上电压，无论 UDD的极性如何，总有一个 PN结处于反偏状态，因此 场效应管不能导通,ID=0。
PＮ ＋ 结
UDD－ ＋
P型硅衬底
P
DS
G
N＋ N＋
PＮ ＋ 结
UGS
怎样才能产生导电沟道呢？
++++++++
耗尽层导电沟道在 G,S间加正电压，即栅极、衬底间加 UGS（与源极连在一起），由于二氧化硅绝缘层的存在，故没有电流。但是金属栅极被充电而聚集正电荷。
P型衬底中的多子空穴被正电荷构成的电场排斥向下运动，在表面留下带负电的受主离子，形成耗尽层。随着 G,S间正电压的增加，耗尽层加宽。
当 UGS增大到一定值时，衬底中的少子电子被正电荷吸引到表面，在耗尽层和绝缘层之间形成了一个 N型薄层，这个反型层构成了漏源之间的导电沟道，这时的 UGS称为开启电压 UT。 UGS继续增加，衬底表面感应电子增多，导电沟道加宽，但耗尽层的宽度却不再变化。即用 UGS的大小可以控制导电沟道的宽度。
第 6章由上述分析可知,N沟道增强型 MOS管在 UGS＜ UT时，导电沟道不能形成,ID=0，这时管子处于 截止状态 ； 当 UGS=UT时，导电沟道开始形成，
此时若在漏源极间 加正向电压 UDD,就会有漏极电流 ID产生,管子开始 导通 ； UGS>UT时，随着 UGS的增大，导电沟道逐渐变宽，沟道电阻渐小，漏极电流 ID渐大 。这种漏极电流 ID随栅极电位 UGS的变化而变化的关系，称为 MOS管的 压控特性 。
MOS管输出电流受输入电压控制的特性
3,MOS管使用注意事项显然,MOS管是一种受电压控制的电流放大部件。
P衬底应接低电位,N衬底应接高电位；当源极电位很高或很低时，应与衬底相连通常漏极和源极可以互换，若出厂时源极和衬底相连，应注意漏、源极则不能对调
MOS管的栅源电压不能接反，但可在开路状态下保存。 MOS管的衬底应与电路中最低电位相连。应特别注意,MOS在不使用时栅极不能悬空，务必将各电极短接！
焊接 MOS管时，应断电后再焊。
第 6章
场效应管的源极 S、栅极 G、漏极 D分别对应于晶体管的发射极 e、基极 b、
集电极 c，它们的作用相似。
场效应管是电压控制电流器件，场效应管栅极基本上不取电流，而晶体管工作时基极总要取一定的电流。所以在只允许从信号源取极小量电流的情况下，应该选用场效应管；而在允许取一定量电流时，选用晶体管进行放大可以得到比场效应管较高的电压放大倍数。
场效应管是多子导电，而晶体管则是既利用多子，又利用少子。由于少子的浓度易受温度、辐射等外界条件的影响，因而场效应管比晶体管的温度稳定性好、抗辐射能力强。在环境条件（温度等）变化比较剧烈的情况下，
选用场效应管比较合适。
场效应管的源极和衬底通常是连在一起时，源极和漏极可以互换使用，耗尽型绝缘栅型管的栅极电压可正可负，灵活性比晶体管强；而晶体管的集电极与发射极互换使用时，其特性差异很大,值将减小很多。
与双极型晶体管相比，场效应管的噪声系数较小，所以在低噪声放大器的前级通常选用场效应管，也可以选特制的低噪声晶体管。但总的来说，当信噪比是主要矛盾时，还应选用场效应管。
场效应管和晶体管都可以用于放大或可控开关，但场效应管还可以作为压控电阻使用，而且制造工艺便于集成化，具有耗电少，热稳定性好，工作电源电压范围宽等优点，因此在电子设备中得到广泛的应用。
单极型晶体管和 双极型晶体管的性能比较第 6章
1,双极型三极管和单极型三极管的导电机理有什么不同？为什么称晶体管为电流控件而称 MOS管为电压控件？
检验学习结果
2,当 UGS为何值时，增强型 N沟道 MOS管导通？
3,在使用 MOS管时，为什么栅极不能悬空？
4,晶体管和 MOS管的输入电阻有何不同？
双极型三极管有多子和少子两种载流子同时参与导电；
单极型三极管只有多子参与导电。
晶体管的输出电流 IC受基极电流 IB的控制而变化，因此称之为电流控件； MOS管的输出电流 ID受栅极电位 UGS
的控制而变化，所以称为电压控件。
当 UGS=UT时，增强型 N沟道
MOS管开始导通，随着 UGS
的增加，沟道加宽,ID增大
。
由于二氧化硅层的原因，使 MOS管具有很高的输入电阻
。在外界电压影响下，栅极易产生相当高的感应电压，
造成管子击穿，所以 MOS管在不使用时应避免栅极悬空
，务必将各电极短接。
晶体管的输入电阻
rbe一般在几百欧～
千欧左右，相对较低；而 MOS管的输入电阻极高，一般认为栅极电流通不过为零。
第 6章
2004年 9月制作 曾令琴主编 曾令琴第 5章
6.1 半导体的基本知识
6.3 特殊二极管
6.4 双极型二极管
6.5 单极型三极管
6.2 半导体二极管第 1页物质按导电能力的不同可分为导体、半导体和绝缘体 3类。日常生活中接触到的金、银、铜、铝等金属都是良好的导体，它们的电导率在 105S·cm-1
量级；而像塑料、云母、陶瓷等几乎不导电的物质称为绝缘体，它们的电导率在 10-22~10-14S·cm-1量级；导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体，它们的电导率在 10-9~102S·cm-1量级。自然界中属于半导体的物质有很多种类，目前用来制造半导体器件的材料大多是提纯后的单晶型半导体，主要有硅 (Si)、锗 (Ge)和砷化镓（ GaAs)等。
6.1 半导体的基本知识第 3页
（ 1）通过掺入杂质可明显地改变半导体的电导率。
例如，室温 30° C时，在纯净锗中掺入一亿分之一的杂质（称掺杂），其电导率会增加几百倍。
（ 2）温度可明显地改变半导体的电导率。利用这种热敏效应可制成热敏器件，但另一方面，热敏效应使半导体的热稳定性下降。因此，在半导体构成的电路中常采用温度补偿及稳定参数等措施。
（ 3）光照不仅可改变半导体的电导率，还可以产生电动势，这就是半导体的光电效应。利用光电效应可制成光敏电阻、光电晶体管、光电耦合器和光电池等。
光电池已在空间技术中得到广泛的应用，为人类利用太阳能提供了广阔的前景。
半导体之所以得到广泛的应用，是因为它具有以下特性。
1,半导体的独特性能第 3页由此可以看出：半导体不仅仅是电导率与导体有所不同，而且具备上述特有的性能，正是利用这些特性，
使今天的半导体器件取得了举世瞩目的发展。
2,本征半导体与杂质半导体
（ 1）天然的硅和锗提纯后形成单晶体，称为 本征半导体一般情况下，本征半导体中的载流子浓度很小，其导电能力较弱，且受温度影响很大，不稳定，因此其用途还是很有限的。
硅和锗的简化原子模型。
这是硅和锗构成的共价键结构示意图晶体结构中的共价键具有很强的结合力，在热力学零度和没有外界能量激发时，价电子没有能力挣脱共价键束缚，这时晶体中几乎没有自由电子，因此不能导电第 3页当半导体的温度升高或受到光照等外界因素的影响时，某些共价键中的价电子 因热激发 而获得足够的能量，因而能脱离共价键的束缚成为 自由电子,同时在原来的共价键中留下一个空位，称为,空穴,。
空穴自由电子本征半导体中产生电子 —空穴对的现象称为 本征激发。
显然在外电场的作用下，半导体中将出现两部分电流：一是自由电子作定向运动形成的 电子电流,一是仍被原子核束缚的价电子（不是自由电子）递补空穴形成的 空穴电流 。
共价键中失去电子出现空穴时，相邻原子的价电子比较容易离开它所在的共价键填补到这个空穴中来，使该价电子原来所在的共价键中又出现一个空穴，这个空穴又可被相邻原子的价电子填补，再出现空穴，如右图所示。
在半导体中同时存在 自由电子 和 空穴 两种 载流子参与导电，这种导电机理和金属导体的导电机理具有本质上的区别。
第 3页在纯净的硅（或锗）中掺入微量的磷或砷等 五价元素,杂质原子就替代 了共价键中 某些硅原子的位置,杂质原子的四个价电子与周围的硅原子结成共价键，剩下的一个价电子处在共价键之外，很容易挣脱杂质原子的束缚被激发成自由电子。同时杂质原子由于失去一个电子而变成带正电荷的离子，这个正离子固定在晶体结构中，不能移动，所以它不参与导电 。
杂质离子产生的自由电子不是共价键中的价电子，
因此与本征激发不同，它不会产生空穴 。
由于多余的电子是杂质原子提供的，故将杂质原子称为 施主原子 。
掺入五价元素的杂质半导体，其 自由电子的浓度远远大于空穴的浓度,因此称为 电子型 半导体,也叫做 N型 半导体 。
在 N型 半导体中,自由电子为多数 载流子 （简称多子）,空穴为少数 载流子 （简称少子）；不能移动的 离子带正电 。
（ 2）杂质半导体相对金属导体而言，本征半导体中载流子数目极少，因此导电能力仍然很低。
在如果在其中掺入微量的杂质，将使半导体的导电性能发生显著变化，我们把这些掺入杂质的半导体称为 杂质半导体 。 杂质半导体可以分为 N型 和 P型 两大类。
N型半导体第 3页不论是 N型半导体还是 P型半导体，虽然都有一种载流子占多数，但晶体中带电粒子的正、负电荷数相等，仍然呈电中性而不带电。
应注意：
P型半导体在 P型半导体中，由于杂质原子可以 接收一个价电子 而成为 不能移动 的负离子，故称为受主原子 。
掺入三价元素的杂质半导体，其空穴的浓度远远大于自由电子的浓度，因此称为 空穴型半导体,也叫做 P型 半导体 。
在硅（或锗）晶体中掺入微量的 三价元素 杂质硼（或其他），硼原子在取代原晶体结构中的原子并构成共价键时，将因缺少一个价电子而形成一个空穴。当相邻共价键上的电子受到热振动或在其他激发条件下获得能量时，就有可能填补这个空穴，使硼原子 得电子 而成为 不能移动的负离子 ；而原来的硅原子共价键则因 缺少 一个电子，出现一个 空穴 。
于是半导体中的空穴数目大量增加。 空穴成为多数载流子，而自由电子则成为少数载流子 。
第 3页正负空间电荷在交界面两侧形成一个由 N区指向 P区的电场，称为 内电场,它 对多数载流子的扩散运动起阻挡作用,所以空间电荷区又称为 阻挡层 。同时，内电场对少数载流子起推动作用，把 少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为 漂移运动 。
3,PN结
P型和 N型半导体并不能直接用来制造半导体器件。通常是在 N型或
P型半导体的局部再掺入浓度较大的三价或五价杂质，使其变为 P型或 N
型半导体，在 P型和 N型半导体的交界面就会形成 PN结。
PN结是构成各种半导体器件的基础 。
左图所示的是一块晶片，两边分别形成 P
型和 N型半导体。为便于理解，图中 P区仅画出空穴（多数载流子）和得到一个电子的三价杂质负离子,N区仅画出自由电子（多数载流子）和失去一个电子的五价杂质正离子。根据扩散原理，空穴要从浓度高的 P区向 N区扩散，自由电子要从浓度高的 N区向 P
区扩散，并在交界面发生复合 (耗尽），形成载流子极少的正负空间电荷区如图中间区域，这就是 PN结,又叫 耗尽层 。
第 3页空间电荷区
PN结中的扩散和漂移是相互联系，又是相互矛盾的 。在一定条件（例如温度一定）下，多数载流子的扩散运动逐渐减弱，而少数载流子的漂移运动则逐渐增强，最后两者达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本稳定下来,PN结就处于相对稳定的状态。
－
－
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+
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+
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+
+
+
+
+
PN结的形成演示根据扩散原理，空穴要从浓度高的 P区向 N区扩散，自由电子要从浓度高的 N区向 P区扩散，并在交界面发生复合 (耗尽），形成载流子极少的正负空间电荷区（如上图所示），也就是 PN结,又叫 耗尽层 。
P区 N区空间电荷区第 3页少子漂移扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的 PN结
P 区 N 区载流子的扩散运动
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
多子扩散形成空间电荷区产生内电场促使阻止
P 区 空间电荷区 N 区
PN 结及其内电场内电场方向
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
第 3页扩散运动和漂移运动相互联系又相互矛盾,扩散使空间电荷区加宽，促使内电场增强,同时 对多数载流子的继续扩散阻力增大,但 使少数载流子漂移增强 ； 漂移使空间电荷区变窄，电场减弱,又 促使多子的扩散容易进行 。
继续讨论当漂移运动达到和扩散运动相等时,PN结便处于 动态平衡 状态。可以想象，在平衡状态下，电子从 N区到 P区扩散电流必然等于从 P区到 N
区的漂移电流，同样，空穴的扩散电流和漂移电流也必然相等。即 总的多子扩散电流等于总的少子漂移电流，且二者方向相反 。
在无外电场或其他因素激发时,PN结处于平衡状态，没有电流通过，
空间电荷区的宽度一定。
由于空间电荷区内，多数载流子或已扩散到对方，或被对方扩散过来的多数载流子复合掉了，即多数载流子被耗尽了，所以空间电荷区又称为耗尽层，其电阻率很高，为高阻区 。扩散作用越强，耗尽层越宽。
PN结具有电容效应。结电容是由耗尽层引起的。耗尽层中有不能移动的正、负离子，各具有一定的电量，当外加电压使耗尽层变宽时，
电荷量增加，反之，外加电压使耗尽层变窄时，电荷量减小。这样耗尽层中的电荷量随外加电压变化而改变时，就形成了电容效应。
第 3页
3,PN结的单向导电性
PN结具有单向导电的特性，也是由 PN结构成的半导体器件的主要工作机理。
PN结外加正向电压（也叫正向偏置）时，如左下图所示：
正向偏置时外加电场与内电场方向相反，内电场被削弱，多子的扩散运动大大超过少子的漂移运动,N区的电子不断扩散到 P
区,P区的空穴也不断扩散到 N区，形成较大的 正向电流,这时称 PN结处于 导通 状态 。
空间电荷区 变窄
R
内电场外电场
P N
I 正向
U S
＋ －
第 3页
E R
内电场外电场空间电荷区变宽
P N
I R
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
P端引出极接电源负极,N端引出极电源正极的接法称为反向偏置；
反向偏置时内、外电场方向相同，因此内电场增强，致使多子的扩散难以进行，即 PN结对反向电压呈高阻特性；反偏时少子的漂移运动虽然被加强，但由于数量极小，反向电流 IR
一般情况下可忽略不计，此时称 PN结处于 截止 状态。
PN结的“正偏导通，反偏阻断”称为其单向导电性质，这正是 PN结构成半导体器件的基础。
第 3页讨论题 半导体的导电机理与金属导体的导电机理有本质的区别,金属导体中只有一种载流子 —自由电子参与导电，半导体中有两种载流子 —自由电子和空穴参与导电,而且这两种载流子的浓度可以通过在纯净半导体中加入少量的有用杂质加以控制。
半导体导电机理和导体的导电机理有什么区别？
杂质半导体中的多子和少子性质取决于杂质的外层价电子。
若掺杂的是五价元素，则由于多电子形成 N型半导体：多子是电子，少子是空穴；如果掺入的是三价元素，就会由于少电子而构成 P型半导体。 P型半导体的共价键结构中 空穴多于电子，且这些空穴很容易让附近的价电子跳过来填补，因此价电子填补空穴的空穴运动是主要形式，所以多子是空穴，少子是电子。
杂质半导体中的多数载流子和少数载流子是怎样产生的？为什么 P型半导体中的空穴多于电子？
N型半导体中具有多数载流子电子，同时还有与电子数量相同的正离子及由本征激发的电子 —空穴对，因此整块半导体中正负电荷数量相等，呈电中性而不带电。
N型半导体中的多数载流子是电子，能否认为这种半导体就是带负电的？为什么？
空间电荷区的电阻率为什么很高？
何谓 PN结的单向导电性？
第 3页
2,半导体在热（或光照等 ）作用下产生电子、空穴对，这种现象称为本征激发；电子、空穴对不断激发产生的同时，运动中的电子又会,跳进
”另一个空穴，重新被共价键束缚起来，这种现象称为复合，即复合中电子空穴对被“吃掉”。 在一定的温度下，电子、空穴对的产生和复合都在不停地进行，最终处于一种平衡状态，平衡状态下半导体中载流子浓度一定 。
1,半导体中的少子虽然浓度很低,但少子对温度非常敏感，即 温度对半导体器件的性能影响很大 。而多子因浓度基本上等于杂质原子的浓度，所以基本上不受温度影响。
4,PN结的单向导电性是指,PN结的正向电阻很小，因此正向偏置时电流极易通过；同时 PN结的反向电阻很大，反向偏置时电流基本为零。
问题探讨
3,空间电荷区的电阻率很高，是指它的内电场总是阻碍多数载流子（电流）的扩散运动作用，由于这种阻碍作用，使得扩散电流难以通过，也就是说,空间电荷区对扩散电流呈现高阻 。
第 3页
6.2 半导体二极管
1,二极管的结构和类型一个 PN结加上相应的电极引线并用管壳封装起来,就构成了半导体二极管,简称二极管,接在 P型半导体一侧的引出线称为阳极；接在 N型半导体一侧的引出线称为阴极 。
半导体二极管按其结构不同可分为 点接触型 和 面接触型 两类 。
点接触型二极管 PN结面积很小,因而结电容小,适用于高频几百兆赫兹下工作,但不能通过很大的电流 。 主要应用于小电流的整流和高频时的检波,混频及脉冲数字电路中的开关元件等 。
面接触型二极管 PN结面积大,因而能通过较大的电流,但其结电容也小,只适用于较低频率下的整流电路中 。
参看二极管的实物图第 3页阳极 阴极
2,二极管的伏安特性二极管的电路图符号如右图所示：
- 60 - 40 - 20
0,4 0,8 U /V
40
30
20
10
I / m A
0
正向特性反向特性死区电压
（ 1）正向特性二极管外加正向电压较小时，外电场不足以克服内电场对多子扩散的阻力,PN结仍处于截止状态 。
反向电压大于击穿电压时，反向电流急剧增加。
正向电压大于死区电压后，正向电流 随着正向电压增大迅速上升。通常死区电压硅管约为 0.5V
,锗管约为 0.2V。
（ 2）反向特性外加反向电压时,PN结处于截止状态，反向电流很小；
显然二极管的伏安特性不是直线，因此属于非线性电阻元件。
导通后二极管的正向压降变化不大，硅管约为 0.6
～ 0.8V，锗管约为 0.2～ 0.3V。温度上升，死区电压和正向压降均相应降低。
第 3页普通二极管被击穿后，由于反向电流很大，一般都会造成“热击穿”,热击穿不同于齐纳击穿和雪崩击穿,这两种击穿不会从根本上损坏二极管，而 热击穿将使二极管永久性损坏
。
热击穿问题
3,二极管的主要参数
1）最大整流电流 IDM,指管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。
2）最高反向工作电压 URM,二极管运行时允许承受的最高反向电压。
3）反向电流 IR,指管子未击穿时的反向电流，其值越小，则管子的单向导电性越好。
4,二极管的应用举例二极管应用范围很广，主要是利用它的单向导电性，常用于整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中用作开关元件等。
DT
r
u1 RLu2 ＋U
L
－
二极管半波整流电路
＋ u
－ u
D
A
U＋
F
二极管钳位电路
R uOui D1 D2
二极管限幅电路第 3页讨论
PN结击穿现象包括哪些？击穿是否意味着二极管的永久损坏？
反向电压增加到一定大小时，通过二极管的反向电流剧增，这种现象称为二极管的 反向击穿 。
反向击穿电压一般在几十伏以上（高反压管可达几千伏）。反向击穿现象分有雪崩击穿和齐纳击穿两种类型。
雪崩击穿,PN结反向电压增加时，空间电荷区内电场增强。通过空间电荷区的电子和空穴，在内电场作用下获得较大能量，它们运动时不断地与晶体中其它 原子发生碰撞，通过碰撞使其它共价键产生本征激发又出现电子 –空穴对，这种现象称为碰撞电离。新产生的电子 —空穴对与原有的电子和空穴一样，在电场作用下，也向相反的方向运动，重新获得能量，再通过碰撞其它原子，又产生电子 –空穴对，从而 形成载流子的倍增效应 。当反向电压增大到某一数值,载流子的倍增情况就像在陡峻的山坡上积雪发生雪崩一样，突然使反向电流急剧增大，发生二极管的 雪崩击穿 。
齐纳击穿,在加有较高的反向电压下,PN结空间电荷区中存一个强电场，它能够破坏共价键将束缚电子分离出来造成电子 –空穴对，形成较大的反向电流。发生齐纳击穿需要的电场强度约为 2× 10V/cm，这只有在杂质浓度特别大的 PN结中才能达到，因为 杂质浓度大，空间电荷区内电荷密度也大，因而空间电荷区很窄，电场强度可能很高，致使 PN结产生 雪崩击穿 。
齐纳击穿和雪崩击穿都不会造成二极管的永久性损坏。第 3页稳压二极管是一种特殊的面接触型二极管，其实物图、图符号及伏安特性如图所示,当反向电压加到某一数值时，反向电流剧增，管子进入反向击穿区。
图中 UZ稳压管的稳定电压值 。
6.3 特殊二极管
1,稳压管稳压管实物图 由图可见，稳压管特性和普通二极管类似，但其 反向击穿是可逆的，
不会发生“热击穿”,而且其反向击穿后的特性曲线比较陡直，即 反向电压基本不随反向电流变化而变化,这就是稳压二极管的稳压特性 。
阳极 阴极稳压管图符号稳压管的稳压作用,电流增量 Δ I 很大，只会引起很小的电压变化 Δ U。
曲线愈陡，动态电阻 rz=Δ U/Δ I愈小，稳压管的稳压性能愈好 。一般地说,UZ
为 8V左右的稳压管的动态电阻较小，低于这个电压时,rz随齐纳电压的下降迅速增加，使低压稳压管的稳压性能变差。
稳压管的稳定电压 UZ，低的为 3V，高的可达 300V，稳压二极管在工作时的正向压降约为 0.6V。
I/mA
40
30
20
10
-5
-10
-15
-20 （ μ A）
正向
0 0.4 0.8
－ 12 － 8 － 4
反向
Δ UZ
Δ IZ
U/V
第 3页注意：
稳压管稳压电路中一般都要加限流电阻 R，使稳压管电流工作在 Izmax
和 Izmix的范围内。稳压管在应用中要采取适当的措施限制通过管子的电流值，以保证管子不会造成 热击穿 。
稳压管的主要参数：
（ 1） 稳定电压 UZ：反向击穿后稳定工作的电压 。
（ 2） 稳定电流 IZ：工作电压等于稳定电压时的电流 。
（ 3） 动态电阻 rZ：稳定工作范围内,管子两端电压的变化量与相应电流的变化量之比 。 即,rZ=ΔUZ/ΔIZ
（ 4） 耗散功率 PZM和最大稳定电流 IZM。 额定耗散功率 PZM是在稳压管允许结温下的最大功率损耗 。 IZM是指稳压管允许通过的最大电流 。 二者关系可写为,PZM=UZIZM
讨论回顾二极管的反向击穿时特性,当反向电压超过击穿电压时，流过管子的电流会急剧增加。
击穿并不意味着管子一定要损坏，如果我们采取适当的措施限制通过管子的电流，就能保证管子不因过热而烧坏。
在反向击穿状态下,让流过管子的电流在一定的范围内变化，这时管子两端电压变化很小,利用这一点可以达到,稳压”
的效果。
稳压管是怎么实现稳压作用的？
第 3页
2,发光二极管单个发光二极管实物发光二极管图符号发光二极管是一种能把电能直接转换成光能的固体发光元件。发光二极管和普通二极管一样，管芯由 PN结构成，具有单向导电性。左图所示为发光二极管的实物图和图符号。
发光二极管是一种功率控制器件，常用来作为数字电路的数码及图形显示的七段式或阵列式器件；单个发光二极管常作为电子设备通断指示灯或快速光源以及光电耦合器中的发光元件等。
3,光电二极管光电二极管也和普通二极管一样，管芯由 PN结构成，具有单向导电性。光电二极管的管壳上有一个能射入光线的“
窗口”，这个窗口用有机玻璃透镜进行封闭，入射光通过透镜正好射在管芯上。问题讨论利用稳压管的正向压降，是否也可以稳压？
利用稳压管的正向压降是不能进行稳压的。
因为稳压管的正向特性与普通二极管相同，正向电阻非常小，工作在正向导通区时，正向电压一般为 0.6V左右，此电压数值一般变化不大。
第 3页
6.4 双极型三极管
6.4.1 双极型晶体管的基本结构和类型双极型晶体管是由两个背靠背、互有影响的 PN结构成的。在工作过程中两种载流子都参与导电，所以全名称为双极结型晶体管。
双极结型晶体管有三个引出电极，人们习惯上又称它为晶体三极管或简称晶体管。
晶体管的种类很多,按照频率分，有高频管、低频管；按照功率分，
有小、中、大功率管；按照半导体材料分，有硅管、锗管等等。但是从它的外形来看，晶体管都有三个电极，常见的晶体管外形如图所示：
从晶体管的外形可看出，其共同特征就是具有三个电极，这就是“三极管”简称的来历。
第 3页由两块 N型半导体中间夹着一块 P型半导体的管子称为 NPN管。 还有一种与它成对偶形式的，即 两块 P型半导体中间夹着一块 N型半导体的管子，称为 PNP管。 晶体管制造工艺上的特点是,发射区是高浓度掺杂区,基区很薄且杂质浓度底，集电结面积大。 这样的结构才能 保证晶体管具有 电流放大作用 。
基极发射极集电极 晶体管有两个结晶体管有三个区晶体管有三个电极第 6章结论：
三极管是一种具有电流放大作用的模拟器件。
6.4.2 晶体管的电流分配与放大作用
μ A
mA
mA
IC
IB
IE
UBB
UCCRB
3DG6
NPN型晶体管电流放大的实验电路
RC
C
E
B
左图所示为验证三极管电流放大作用的实验电路，这种电路接法称为共射电路。其中，直流电压源 UCC应大于 UBB，从而使电路满足放大的外部条件：发射结正向偏置，集电极反向偏置。改变可调电阻 RB，基极电流 IB，
集电极电流 IC和发射极电流 IE都会发生变化，由测量结果可得出以下结论：
晶体管电流放大的条件：
晶体管内部：
a） 发射区杂质浓度 >>基区 >>集电区；
b） 基区很薄。
晶体管外部：
发射结正偏，集电结反偏。
1,IE ＝ IB ＋ IC （符合 KCL定律）
2,IC ≈ β IB,β 为管子的流放大系数，
用来表征三极管的电流放大能力：
3,△ IC ≈ β △ IB BCI I?
第 6章晶体管的电流放大原理：
N
I C
I E
I B
R B
U BB
U CC
R C
N
P
1、发射区向基区扩散电子的过程：
由于发射结处于正向偏置，发射区的多数载流子自由电子将不断扩散到基区，并不断从电源补充进电子，形成发射极电流 IE。
2、电子在基区的扩散和复合过程：
由于基区很薄，其多数载流子空穴浓度很低，所以从发射极扩散过来的电子只有很少一部分和基区空穴复合，剩下的绝大部分都能扩散到集电结边缘。
实验表明：
IC比 IB大数十至数百倍，因而 IB虽然很小，但对 IC有控制作用,IC随 IB
的改变而改变，即基极电流较小的变化可以引起集电极电流较大的变化，
表明 基极电流对集电极电流具有小量控制大量的作用,这就是三极管的 电流放大作用 。
3、集电区收集从发射区扩散过来的电子过程：
由于集电结反向偏置，可将从发射区扩散到基区并到达集电区边缘的电子拉入集电区，从而形成较大的集电极电流 IC。
第 6章
6.4.3 晶体管的特性曲线
I
C
I
B
R
B
U
BB
U
CC
R
C
V
V
μ A
mA
+
U
CE
－
+
U
BE
－ 0,4 0,8 U BE / V
40
30
20
10
I
B
/ m A
0
U
CE
≥ 1V
测量三极管特性的实验电路 三极管的输入特性曲线
1．输入特性曲线 晶体管的输入特性与二极管类似死区电压
UCE ≥1V，原因是 b,e间加正向电压。这时集电极的电位比基极高，集电结为反向偏置，发射区注入基区的电子绝大部分扩散到集电结，只有一小部分与基区中的空穴复合，形成 IB。
与 UCE=0V时相比,在 UBE相同的条件下,IB要小的多。从图中可以看出，导通电压约为 0.5V。严格地说，当 UCE逐渐增加 时,IB逐渐减小，曲线逐渐向右移。这是因为
UCE增加时，集电结的耗尽层变宽，减小了基区的有效宽度，不利于空穴的复合，所以
IB减小。不过 UCE超过 1V以后再增加,IC增加很少，因为 IB的变化量也很小，通常可以忽略 UCE变化对 IB的影响，认为 UCE 1V时的 曲线都重合在一起。
第 6章
4
3
2
1
I B =0
0
3 6 9 12 U CE /V
20 μ A
4 0 μ A
6 0 μ A
8 0 μ A
10 0 μ A 饱和区截止区放大区
I C / m A
（ 1）放大区：发射极正向偏置，集电结反向偏置
（ 2）截止区：发射结反向偏置，集电结反向偏置
（ 3）饱和区：发射结正向偏置，集电结正向偏置
2．输出特性曲线
BC ii
0 0 CB ii ；
iB>0,uBE>0,uCE≤uBE
BC ii
第 6章
6.4.4 晶体管的主要参数
1、电流放大倍数 β,iC= β iB
2、极间反向电流 iCBO,iCEO,iCEO=（ 1+ β ） iCBO
3、极限参数
（ 1）集电极最大允许电流 ICM,?下降到额定值 的
2/3时所允许的最大集电极电流。
（ 2）反向击穿电压 U（ BR） CEO,基极开路时，集电极
、发射极间的最大允许电压：基极开路时、集电极与发射极之间的最大允许电压。为保证晶体管安全工作
，一般应取：
（ 3）集电极最大允许功耗 PCM,晶体管的参数不超过允许值时，集电极所消耗的最大功率。
( B R ) C E OCC )3
2~
2
1( UU?
第 6章学习与探讨晶体管的发射极和集电极是不能互换使用的。因为发射区的掺杂质浓度很高，集电区的掺杂质浓度较低，这样才使得发射极电流等于基极电流和集电极电流之和，如果互换作用显然不行。
晶体管的发射极和集电极能否互换使用？为什么?
晶体管在输出特性曲线的饱和区工作时,UCE<UBE，集电结也处于正偏，这时内电场大大削弱，这种情况下极不利于集电区收集从发射区到达基区的电子，
因此在相同的基极电流 IB时，集电极电流 IC比放大状态下要小很多，可见饱和区下的电流放大倍数不再等于 β 。
晶体管在输出特性曲线的饱和区工作时，其电流放大系数是否也等于 β？
N型半导体中具有多数载流子电子，同时还有与电子数量相同的正离子及由本征激发的电子 —空穴对
，因此整块半导体中正负电荷数量相等，呈电中性而不带电。
为什么晶体管基区掺杂质浓度小？而且还要做得很薄？
第 6章
6.5 单极型三极管单极型三极管只有一种载流子（多数载流子）参与导电而命名之。单极型三极管又是 利用电场控制半导体中载流子运动的一种有源器件,因此又称之为 场效应管 。目前场效应管应用得最多的是 以二氧化硅作为绝缘介质的金属 —氧化物 —半导体绝缘栅型场效应管,这种场效应管简称为 CMOS管 。
与双极型晶体管相比，单极型三极管除了具有双极型晶体管体积小、重量轻、寿命长等优点外，还具有输入阻抗高、动态范围大、热稳定性能好、抗辐射能力强、制造工艺简单、便于集成等优点。近年来场效应管的发展得非常迅速，很多场合取代了双极型晶体管，特别时大规模集成电路，大都由场效应管构成。
场效应管实物图第 6章
1,MOS管的基本结构
N 沟道
P 型硅衬底
N + N +
源极 S 栅极 G 漏极 D Si O 2
绝缘层 金属铝
D
S
G
衬底
D
S
G
衬底
N 沟道绝缘栅型场效应管的结构
N 沟道耗尽型场效应管的符号
N 沟道增强型场效应管的符号根据场效应管结构和工作原理的不同，一般可分为两大类：结型场效应管和绝缘栅场效应管。
结型场效应 N沟道管结构图及电路图符号结型场效应 P沟道管结构图及电路图符号第 6章绝缘栅型场效应管中，目前常用的是以二氧化硅 SiO2作为金属铝栅极和半导体之间的绝缘层，简称 MOS管 。它有 N沟道 和 P沟道 两类
，而每一类又分 增强型 和 耗尽型 两种。所谓增强型就是 UGS＝ 0时，
漏源之间没有导电沟道，即使在漏源之间加上一定范围内的电压，
也没有漏极电流；反之,在 UGS=0时，漏源之间存在有导电沟道的称为耗尽型 。
左图是 N沟道增强型 MOS管的结构图：一块杂质浓度较低的
P型硅片作为衬底 B，在其中扩散两个 N+区作为电极，分别称为源极 S和漏极 D。半导体表面覆盖一层很薄的二氧化硅（ SiO2）绝缘层，在漏源极间的绝缘层上再制造一层金属铝，称为栅极 G。这就构成了一个 N沟道增强型 MOS
管。显然 它的栅极与其它电极间是绝缘的。
栅极 漏极源极二氧化硅绝缘层
P型硅衬底铝第 6章
N沟道增强型
MOS管图符号
P沟道增强型
MOS管图符号
2,MOS管的工作原理
MOS管的源极和衬底通常是接在一起的 (大多数管子在出厂前已连接好 )，且 N沟道增强型 MOS管不存在原始沟道 。因此，当 UGS=0 时，增强型 MOS管的漏源之间相当于有 两个背靠背的 PN结,所以即使在 D,S间加上电压，无论 UDD的极性如何，总有一个 PN结处于反偏状态，因此 场效应管不能导通,ID=0。
PＮ ＋ 结
UDD－ ＋
P型硅衬底
P
DS
G
N＋ N＋
PＮ ＋ 结
UGS
怎样才能产生导电沟道呢？
++++++++
耗尽层导电沟道在 G,S间加正电压，即栅极、衬底间加 UGS（与源极连在一起），由于二氧化硅绝缘层的存在，故没有电流。但是金属栅极被充电而聚集正电荷。
P型衬底中的多子空穴被正电荷构成的电场排斥向下运动，在表面留下带负电的受主离子，形成耗尽层。随着 G,S间正电压的增加，耗尽层加宽。
当 UGS增大到一定值时，衬底中的少子电子被正电荷吸引到表面，在耗尽层和绝缘层之间形成了一个 N型薄层，这个反型层构成了漏源之间的导电沟道，这时的 UGS称为开启电压 UT。 UGS继续增加，衬底表面感应电子增多，导电沟道加宽，但耗尽层的宽度却不再变化。即用 UGS的大小可以控制导电沟道的宽度。
第 6章由上述分析可知,N沟道增强型 MOS管在 UGS＜ UT时，导电沟道不能形成,ID=0，这时管子处于 截止状态 ； 当 UGS=UT时，导电沟道开始形成，
此时若在漏源极间 加正向电压 UDD,就会有漏极电流 ID产生,管子开始 导通 ； UGS>UT时，随着 UGS的增大，导电沟道逐渐变宽，沟道电阻渐小，漏极电流 ID渐大 。这种漏极电流 ID随栅极电位 UGS的变化而变化的关系，称为 MOS管的 压控特性 。
MOS管输出电流受输入电压控制的特性
3,MOS管使用注意事项显然,MOS管是一种受电压控制的电流放大部件。
P衬底应接低电位,N衬底应接高电位；当源极电位很高或很低时，应与衬底相连通常漏极和源极可以互换，若出厂时源极和衬底相连，应注意漏、源极则不能对调
MOS管的栅源电压不能接反，但可在开路状态下保存。 MOS管的衬底应与电路中最低电位相连。应特别注意,MOS在不使用时栅极不能悬空，务必将各电极短接！
焊接 MOS管时，应断电后再焊。
第 6章
场效应管的源极 S、栅极 G、漏极 D分别对应于晶体管的发射极 e、基极 b、
集电极 c，它们的作用相似。
场效应管是电压控制电流器件，场效应管栅极基本上不取电流，而晶体管工作时基极总要取一定的电流。所以在只允许从信号源取极小量电流的情况下，应该选用场效应管；而在允许取一定量电流时，选用晶体管进行放大可以得到比场效应管较高的电压放大倍数。
场效应管是多子导电，而晶体管则是既利用多子，又利用少子。由于少子的浓度易受温度、辐射等外界条件的影响，因而场效应管比晶体管的温度稳定性好、抗辐射能力强。在环境条件（温度等）变化比较剧烈的情况下，
选用场效应管比较合适。
场效应管的源极和衬底通常是连在一起时，源极和漏极可以互换使用，耗尽型绝缘栅型管的栅极电压可正可负，灵活性比晶体管强；而晶体管的集电极与发射极互换使用时，其特性差异很大,值将减小很多。
与双极型晶体管相比，场效应管的噪声系数较小，所以在低噪声放大器的前级通常选用场效应管，也可以选特制的低噪声晶体管。但总的来说，当信噪比是主要矛盾时，还应选用场效应管。
场效应管和晶体管都可以用于放大或可控开关，但场效应管还可以作为压控电阻使用，而且制造工艺便于集成化，具有耗电少，热稳定性好，工作电源电压范围宽等优点，因此在电子设备中得到广泛的应用。
单极型晶体管和 双极型晶体管的性能比较第 6章
1,双极型三极管和单极型三极管的导电机理有什么不同？为什么称晶体管为电流控件而称 MOS管为电压控件？
检验学习结果
2,当 UGS为何值时，增强型 N沟道 MOS管导通？
3,在使用 MOS管时，为什么栅极不能悬空？
4,晶体管和 MOS管的输入电阻有何不同？
双极型三极管有多子和少子两种载流子同时参与导电；
单极型三极管只有多子参与导电。
晶体管的输出电流 IC受基极电流 IB的控制而变化，因此称之为电流控件； MOS管的输出电流 ID受栅极电位 UGS
的控制而变化，所以称为电压控件。
当 UGS=UT时，增强型 N沟道
MOS管开始导通，随着 UGS
的增加，沟道加宽,ID增大
。
由于二氧化硅层的原因，使 MOS管具有很高的输入电阻
。在外界电压影响下，栅极易产生相当高的感应电压，
造成管子击穿，所以 MOS管在不使用时应避免栅极悬空
，务必将各电极短接。
晶体管的输入电阻
rbe一般在几百欧～
千欧左右，相对较低；而 MOS管的输入电阻极高，一般认为栅极电流通不过为零。
第 6章
