(1-1)
电子技术第一章半导体器件模拟电路部分
(1-2)
第一章 半导体器件
§ 1.1 半导体的基本知识
§ 1.2 PN 结及半导体二极管
§ 1.3 特殊二极管
§ 1.4 半导体三极管
§ 1.5 场效应晶体管
(1-3)
1.1.1 导体、半导体和绝缘体导体,自然界中很容易导电的物质称为 导体,金属一般都是导体。
绝缘体,有的物质几乎不导电，称为 绝缘体,如橡皮、陶瓷、塑料和石英。
半导体,另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为 半导体,如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。
§ 1.1 半导体的基本知识
(1-4)
半导体 的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：
当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。
往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。
(1-5)
1.1.2 本征半导体一、本征半导体的结构特点
Ge Si
通过一定的工艺过程，可以将半导体制成 晶体 。
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。
(1-6)
本征半导体,完全纯净的、结构完整的半导体晶体。
在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，
而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成 共价键,共用一对价电子。
硅和锗的晶体结构：
(1-7)
硅和锗的共价键结构共价键共用电子对
+4 +4
+4 +4
+4表示除去价电子后的原子
(1-8)
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。
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。
共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。
+4 +4
+4 +4
(1-9)
二、本征半导体的导电机理在绝对 0度 （ T=0K） 和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即 载流子 ），它的导电能力为 0，相当于绝缘体。
在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为 自由电子,同时共价键上留下一个空位，称为 空穴 。
1.载流子、自由电子和空穴
(1-10)
+4 +4
+4 +4
自由电子空穴束缚电子
(1-11)
2.本征半导体的导电机理
+4 +4
+4 +4
在其它力的作用下，
空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，
而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。
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 。
(1-12)
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。
本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。
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。
(1-13)
1.1.3 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。
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）。
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）。
(1-14)
一,N 型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷
（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，
其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，
必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，
很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为 施主原子 。
(1-15)
+4 +4
+5 +4
多余电子磷原子
N 型半导体中的载流子是什么？
1.由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。
2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。
掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为 多数载流子 （ 多子 ），空穴称为 少数载流子 （ 少子 ）。
(1-16)
二,P 型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼
（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，
产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，
使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子 。
+4 +4
+3 +4
空穴硼原子
P 型半导体中空穴是多子，电子是少子 。
(1-17)
三、杂质半导体的示意表示法
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
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－
－
－
－
P 型半导体
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
N 型半导体杂质 型半导体多子和少子的移动都能形成电流。
但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子 。
近似认为多子与杂质浓度相等。
(1-18)
2.1.1 PN 结的形成在同一片半导体基片上，分别制造 P 型半导体和 N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了 PN 结。
§ 1.2 PN结及半导体二极管
(1-19)
P型半导体
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
N型半导体
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
扩散运动内电场 E
漂移运动扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。
内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。
空间电荷区，
也称耗尽层。
(1-20)
漂移运动
P型半导体
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
N型半导体
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
扩散运动内电场 E
所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，
相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。
(1-21)
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
空间电荷区
N型区P型区电位 V V0
(1-22)
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 ）。
3.P 区中的电子和 N区中的空穴（ 都是少 ），
数量有限，因此由它们形成的电流很小。
注意,
(1-23)
2.1.2 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。
PN 结 加上反向电压,反向偏置 的意思都是,P区加负,N 区加正电压。
(1-24)
－
－
－
－
+
+
+
+
R E
一,PN 结正向偏置内电场外电场变薄
P N
+ _
内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。
(1-25)
二,PN 结反向偏置
－
－
－
－
+
+
+
+
内电场外电场变厚
NP +
_
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。
R E
(1-26)
2.1.3 半导体二极管一、基本结构
PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。
引线 外壳线触丝线基片点接触型
PN结面接触型
P N二极管的电路符号：
(1-27)
二、伏安特性
U
I
死区电压 硅管
0.6V,锗管 0.2V。
导通压降,
硅管 0.6~0.7V,
锗管 0.2~0.3V。
反向击穿电压 UBR
(1-28)
三、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,反向击穿电压 UBR
二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压 UWRM一般是 UBR的一半。
(1-29)
3,反向电流 IR
指二极管加反向峰值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，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。
以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、
保护等等。下面介绍两个交流参数。
(1-30)
4,微变电阻 rD
iD
uD
ID
UD
Q?i
D
uD
rD 是二极管特性曲线上工作点 Q 附近电压的变化与电流的变化之比：
D
D
D i
ur
显然,rD是对 Q附近的微小变化区域内的电阻。
(1-31)
5,二极管的极间电容二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：
势垒电容 CB和 扩散电容 CD。
势垒电容,势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，
就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是 势垒电容 。
扩散电容,为了形成正向电流
（扩散电流），注入 P 区的少子
（电子）在 P 区有浓度差，越靠近 PN结浓度越大，即在 P 区有电子的积累。同理，在 N区有空穴的积累。正向电流大，积累的电荷多。 这样所产生的电容就是扩散电容 CD。
P+ -N
(1-32)
CB在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置时，由于载流子数目很少，扩散电容可忽略。
PN结高频小信号时的等效电路：
势垒电容和扩散电容的综合效应
rd
(1-33)
二极管,死区电压 =0,5V，正向压降?0.7V(硅二极管 )
理想二极管,死区电压 =0,正向压降 =0
RLui uo
ui
uo
t
t
二极管的应用举例 1,二极管半波整流
(1-34)
二极管的应用举例 2：
t
t
t
ui
uR
uo
R RLui uR
uo
(1-35)
1.3.1 稳压二极管
U
I
IZ
IZmax?UZ
IZ
稳压误差曲线越陡，
电压越稳定。+
-
UZ
动态电阻：
Z
Z
I
U
Zr?
rz越小，稳压性能越好。
§ 1.3 特殊二极管
(1-36)
（ 4） 稳定电流 IZ,最大、最小稳定电流 Izmax,Izmin。
（ 5）最大允许功耗
m a xZZZM IUP?
稳压二极管的参数,
（ 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
Z
Z
I
U
Zr?
(1-37)
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。
稳压二极管的应用举例
uoi
ZDZ
R
iLi
ui RL
5 m A
2 0 m A,V,10
m i n
m a x
z
zzW
I
IU
稳压管的技术参数,
k2LR
解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为 Izmax 。
求,电阻 R和输入电压 ui 的正常值。
mA25m a x
L
ZW
z R
UIi
102521 RUiRu,zWi —— 方程 1
(1-38)
令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为 Izmin 。
mA10m i n
L
ZW
z R
UIi
101080 RUiRu,zWi —— 方程 2
uoi
ZDZ
R
iLi
ui RL
联立方程 1,2，可解得：
k50V7518,R,.u i
(1-39)
1.3.2 光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。
I
U
照度增加
(1-40)
1.3.3 发光二极管有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。
(1-41)
1.4.1 基本结构
B
E
C
N
N
P
基极发射极集电极NPN型
P
N
P
集电极基极发射极
B
C
E
PNP型
§ 1.4 半导体三极管
(1-42)
B
E
C
N
N
P
基极发射极集电极基区：较薄，
掺杂浓度低集电区：
面积较大发射区：掺杂浓度较高
(1-43)
B
E
C
N
N
P
基极发射极集电极发射结集电结
(1-44)
1.4.2 电流放大原理
B
E
C
N
N
P
EB
RB
EC
IE
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。
(1-45)
B
E
C
N
N
P
EB
RB
EC
IE
集电结反偏，
有少子形成的反向电流 ICBO。 ICBO
IC=ICE+ICBO?ICE
IBE
ICE
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。
(1-46)
IB=IBE-ICBO?IBE
IB
B
E
C
N
N
P
EB
RB
EC
IE
ICBO ICE
IC=ICE+ICBO?ICE
IBE
(1-47)
ICE与 IBE之比称为电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。
B
C
C B OB
C B OC
BE
CE
I
I
II
II
I
I?
(1-48)
B
E
C
IB I
E
IC
NPN型三极管
B
E
C
IB I
E
IC
PNP型三极管
(1-49)
1.4.3 特性曲线 IC
mA
A
V V UCEUBERB
IB
EC
EB 实验线路
(1-50)
一,输入特性
UCE?1V
IB(?A)
UBE(V)
20
40
60
80
0.4 0.8
工作压降,硅管
UBE?0.6~0.7V,锗管 UBE?0.2~0.3V。
UCE=0V
UCE =0.5V
死区电压，硅管
0.5V，锗管 0.2V。
(1-51)
二,输出特性
IC(mA )
1
2
3
4
UCE(V)3 6 9 12
IB=0
20?A
40?A
60?A
80?A
100?A此区域满足 IC=?IB
称为线性区（放大区）。
当 UCE大于一定的数值时，
IC只与 IB有关，
IC=?IB。
(1-52)
IC(mA )
1
2
3
4
UCE(V)3 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。
(1-53)
IC(mA )
1
2
3
4
UCE(V)3 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。
(1-54)
输出特性三个区域的特点,
(1)放大区,发射结正偏，集电结反偏。
即,IC=?IB,且?IC = IB
(2) 饱和区,发射结正偏，集电结正偏。
即,UCE?UBE,?IB>IC,UCE?0.3V
(3) 截止区,UBE< 死区电压,IB=0,IC=ICEO?0
(1-55)
例,?=50,USC =12V，
RB =70k?,RC =6k?
当 USB = -2V,2V,5V时，
晶体管的静态工作点 Q位于哪个区？
当 USB =-2V时：
IC
UCE
IB
USC
RB
USB
C
B
E
RC
UBE
mA2612m a x
C
SC
C R
UI
IB=0,IC=0
IC最大饱和电流：
Q位于截止区
(1-56)
例,?=50,USC =12V，
RB =70k?,RC =6k?
当 USB = -2V,2V,5V时，
晶体管的静态工作点 Q位于哪个区？
IC< ICmax (=2mA),Q位于放大区 。
IC
UCE
IB
USC
RB
USB
C
B
E
RC
UBE
USB =2V时：
9 m A01070 702,.R UUI
B
BESB
B?
0,9 5 m A9 m A01050,II BC?
(1-57)
USB =5V时,
例,?=50,USC =12V，
RB =70k?,RC =6k?
当 USB = -2V,2V,5V时，
晶体管的静态工作点 Q位于哪个区？
IC
UCE
IB
USC
RB
USB
C
B
E
RC
UBE
Q 位于饱和区，此时 IC 和 IB 已不是? 倍的关系。
mA0 6 1070 705,.R UUI
B
BESB
B?
c m a xB I..I 5m03mA0 6 1050?
mA2 c m a xc II
(1-58)
三、主要参数前面的电路中，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,
B
C
I
I?_ _ _?
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：
BI
I C
1,电流放大倍数?___?
(1-59)
例,UCE=6V时,IB = 40?A,IC =1.5 mA；
IB = 60?A,IC =2.3 mA。
5.3704.0 5.1
_ _ _
B
C
I
I?
4004.006.0 5.13.2
B
C
I
I?
在以后的计算中，一般作近似处理,?=?
(1-60)
2.集 -基极反向截止电流 ICBO
A
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。
(1-61)
B
E
C
N
N
P
ICBO
ICEO=? IBE+ICBO
IBE
IBE
ICBO进入 N
区，形成
IBE。
根据放大关系，
由于 IBE的存在，必有电流
IBE。
集电结反偏有 ICBO
3,集 -射极反向截止电流 ICEO
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 。
(1-62)
4.集电极最大电流 ICM
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。
(1-63)
6,集电极最大允许功耗 PCM
集电极电流 IC
流过三极管，
所发出的焦耳热为：
PC =ICUCE
必定导致结温上升，所以 PC
有限制。
PC?PCM
IC
UCE
ICUCE=PCM
ICM
U(BR)CEO
安全工作区
(1-64)
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。
结型场效应管 JFET
绝缘栅型场效应管 MOS
场效应管有两种,
§ 1.5 场效应晶体管
(1-65)
N
基底,N型半导体
P P
两边是 P区G(栅极 )
S源极
D漏极一、结构
1.5.1 结型场效应管,
导电沟道
(1-66)
N
P 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
(1-67)
P
N 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
(1-68)
二、工作原理（以 P沟道为例） U
DS=0V时
P
G
S
D
UDS
UGS
N N
IDPN结反偏,UGS
越大则耗尽区越宽，导电沟道越窄。
(1-69)
P
G
S
D
UDS
UGS
N N
ID
UDS=0V时
UGS越大耗尽区越宽，
沟道越窄，电阻越大。
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。
(1-70)
P
G
S
D
UDS
UGS
N N
UDS=0时
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。
ID
(1-71)
P
G
S
D
UDS
UGS
UGS<Vp且 UDS>0,UGD<VP时耗尽区的形状
N N
越靠近漏端,PN
结反压越大
ID
(1-72)
P
G
S
D
UDS
UGS
UGS<Vp且 UDS较大时 UGD<VP
时耗尽区的形状
N N
沟道中仍是电阻特性，但是是非线性电阻。 ID
(1-73)
G
S
D
UDS
UGS
UGS<Vp UGD=VP时
N N
漏端的沟道被夹断，
称为 予夹断。
UDS增大则被夹断区向下延伸。
ID
(1-74)
G
S
D
UDS
UGS
UGS<Vp UGD=VP时
N 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。
ID
(1-75)
三、特性曲线
UGS0
ID
IDSS
VP
饱和漏极电流夹断电压转移特性曲线一定 UDS下的 ID-UGS曲线
(1-76)
予夹断曲线
ID
U DS
2V
UGS=0V
1V
3V
4V
5V
可变电阻区夹断区恒流区输出特性曲线
0
(1-77)
N沟道结型场效应管的特性曲线转移特性曲线
UGS
0
ID
IDSS
VP
(1-78)
输出特性曲线
ID
U DS0
UGS=0V
-1V
-3V
-4V
-5V
N沟道结型场效应管的特性曲线
(1-79)
结型场效应管的缺点：
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。
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。
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。
(1-80)
1.5.2 绝缘栅场效应管,
一、结构和电路符号
P
N N
GS D
P型基底两个 N区
SiO2绝缘层导电沟道金属铝
G
S
D
N沟道增强型
(1-81)
N 沟道耗尽型
P
N N
GS D
予埋了导电沟道
G
S
D
(1-82)
N
P P
GS D
G
S
D
P 沟道增强型
(1-83)
P 沟道耗尽型
N
P P
GS D
G
S
D
予埋了导电沟道
(1-84)
二,MOS管的工作原理以 N 沟道增强型为例
P
N N
GS D
UDSUGS
UGS=0时
D-S 间相当于两个反接的
PN结
ID=0
对应截止区
(1-85)
P
N N
GS D
UDSUGS
UGS>0时
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。
感应出电子
VT称为阈值电压
(1-86)
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 N
GS D
UDSUGS
(1-87)
P
N N
GS D
UDSUGS
当 UDS不太大时，导电沟道在两个 N区间是均匀的。
当 UDS较大时，靠近 D
区的导电沟道变窄。
(1-88)
P
N N
GS D
UDSUGS
夹断后，即使 UDS 继续增加,ID仍呈恒流特性 。
ID
UDS增加,UGD=VT 时，
靠近 D端的沟道被夹断，
称为予夹断。
(1-89)
三、增强型 N沟道 MOS管的特性曲线转移特性曲线
0
ID
UGS
VT
(1-90)
输出特性曲线
ID
U DS0
UGS>0
(1-91)
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。
转移特性曲线
0
ID
UGS
VT
(1-92)
输出特性曲线
ID
U DS0
UGS=0
UGS<0
UGS>0
(1-93)
电子技术第一章结束模拟电路部分
电子技术第一章半导体器件模拟电路部分
(1-2)
第一章 半导体器件
§ 1.1 半导体的基本知识
§ 1.2 PN 结及半导体二极管
§ 1.3 特殊二极管
§ 1.4 半导体三极管
§ 1.5 场效应晶体管
(1-3)
1.1.1 导体、半导体和绝缘体导体,自然界中很容易导电的物质称为 导体,金属一般都是导体。
绝缘体,有的物质几乎不导电，称为 绝缘体,如橡皮、陶瓷、塑料和石英。
半导体,另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为 半导体,如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。
§ 1.1 半导体的基本知识
(1-4)
半导体 的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：
当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。
往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。
(1-5)
1.1.2 本征半导体一、本征半导体的结构特点
Ge Si
通过一定的工艺过程，可以将半导体制成 晶体 。
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。
(1-6)
本征半导体,完全纯净的、结构完整的半导体晶体。
在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，
而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成 共价键,共用一对价电子。
硅和锗的晶体结构：
(1-7)
硅和锗的共价键结构共价键共用电子对
+4 +4
+4 +4
+4表示除去价电子后的原子
(1-8)
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。
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。
共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。
+4 +4
+4 +4
(1-9)
二、本征半导体的导电机理在绝对 0度 （ T=0K） 和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即 载流子 ），它的导电能力为 0，相当于绝缘体。
在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为 自由电子,同时共价键上留下一个空位，称为 空穴 。
1.载流子、自由电子和空穴
(1-10)
+4 +4
+4 +4
自由电子空穴束缚电子
(1-11)
2.本征半导体的导电机理
+4 +4
+4 +4
在其它力的作用下，
空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，
而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。
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 。
(1-12)
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。
本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。
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。
(1-13)
1.1.3 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。
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）。
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）。
(1-14)
一,N 型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷
（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，
其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，
必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，
很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为 施主原子 。
(1-15)
+4 +4
+5 +4
多余电子磷原子
N 型半导体中的载流子是什么？
1.由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。
2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。
掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为 多数载流子 （ 多子 ），空穴称为 少数载流子 （ 少子 ）。
(1-16)
二,P 型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼
（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，
产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，
使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子 。
+4 +4
+3 +4
空穴硼原子
P 型半导体中空穴是多子，电子是少子 。
(1-17)
三、杂质半导体的示意表示法
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
P 型半导体
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
N 型半导体杂质 型半导体多子和少子的移动都能形成电流。
但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子 。
近似认为多子与杂质浓度相等。
(1-18)
2.1.1 PN 结的形成在同一片半导体基片上，分别制造 P 型半导体和 N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了 PN 结。
§ 1.2 PN结及半导体二极管
(1-19)
P型半导体
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
N型半导体
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
扩散运动内电场 E
漂移运动扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。
内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。
空间电荷区，
也称耗尽层。
(1-20)
漂移运动
P型半导体
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
N型半导体
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
扩散运动内电场 E
所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，
相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。
(1-21)
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
空间电荷区
N型区P型区电位 V V0
(1-22)
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 ）。
3.P 区中的电子和 N区中的空穴（ 都是少 ），
数量有限，因此由它们形成的电流很小。
注意,
(1-23)
2.1.2 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。
PN 结 加上反向电压,反向偏置 的意思都是,P区加负,N 区加正电压。
(1-24)
－
－
－
－
+
+
+
+
R E
一,PN 结正向偏置内电场外电场变薄
P N
+ _
内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。
(1-25)
二,PN 结反向偏置
－
－
－
－
+
+
+
+
内电场外电场变厚
NP +
_
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。
R E
(1-26)
2.1.3 半导体二极管一、基本结构
PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。
引线 外壳线触丝线基片点接触型
PN结面接触型
P N二极管的电路符号：
(1-27)
二、伏安特性
U
I
死区电压 硅管
0.6V,锗管 0.2V。
导通压降,
硅管 0.6~0.7V,
锗管 0.2~0.3V。
反向击穿电压 UBR
(1-28)
三、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,反向击穿电压 UBR
二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压 UWRM一般是 UBR的一半。
(1-29)
3,反向电流 IR
指二极管加反向峰值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，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。
以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、
保护等等。下面介绍两个交流参数。
(1-30)
4,微变电阻 rD
iD
uD
ID
UD
Q?i
D
uD
rD 是二极管特性曲线上工作点 Q 附近电压的变化与电流的变化之比：
D
D
D i
ur
显然,rD是对 Q附近的微小变化区域内的电阻。
(1-31)
5,二极管的极间电容二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：
势垒电容 CB和 扩散电容 CD。
势垒电容,势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，
就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是 势垒电容 。
扩散电容,为了形成正向电流
（扩散电流），注入 P 区的少子
（电子）在 P 区有浓度差，越靠近 PN结浓度越大，即在 P 区有电子的积累。同理，在 N区有空穴的积累。正向电流大，积累的电荷多。 这样所产生的电容就是扩散电容 CD。
P+ -N
(1-32)
CB在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置时，由于载流子数目很少，扩散电容可忽略。
PN结高频小信号时的等效电路：
势垒电容和扩散电容的综合效应
rd
(1-33)
二极管,死区电压 =0,5V，正向压降?0.7V(硅二极管 )
理想二极管,死区电压 =0,正向压降 =0
RLui uo
ui
uo
t
t
二极管的应用举例 1,二极管半波整流
(1-34)
二极管的应用举例 2：
t
t
t
ui
uR
uo
R RLui uR
uo
(1-35)
1.3.1 稳压二极管
U
I
IZ
IZmax?UZ
IZ
稳压误差曲线越陡，
电压越稳定。+
-
UZ
动态电阻：
Z
Z
I
U
Zr?
rz越小，稳压性能越好。
§ 1.3 特殊二极管
(1-36)
（ 4） 稳定电流 IZ,最大、最小稳定电流 Izmax,Izmin。
（ 5）最大允许功耗
m a xZZZM IUP?
稳压二极管的参数,
（ 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
Z
Z
I
U
Zr?
(1-37)
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。
稳压二极管的应用举例
uoi
ZDZ
R
iLi
ui RL
5 m A
2 0 m A,V,10
m i n
m a x
z
zzW
I
IU
稳压管的技术参数,
k2LR
解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为 Izmax 。
求,电阻 R和输入电压 ui 的正常值。
mA25m a x
L
ZW
z R
UIi
102521 RUiRu,zWi —— 方程 1
(1-38)
令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为 Izmin 。
mA10m i n
L
ZW
z R
UIi
101080 RUiRu,zWi —— 方程 2
uoi
ZDZ
R
iLi
ui RL
联立方程 1,2，可解得：
k50V7518,R,.u i
(1-39)
1.3.2 光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。
I
U
照度增加
(1-40)
1.3.3 发光二极管有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。
(1-41)
1.4.1 基本结构
B
E
C
N
N
P
基极发射极集电极NPN型
P
N
P
集电极基极发射极
B
C
E
PNP型
§ 1.4 半导体三极管
(1-42)
B
E
C
N
N
P
基极发射极集电极基区：较薄，
掺杂浓度低集电区：
面积较大发射区：掺杂浓度较高
(1-43)
B
E
C
N
N
P
基极发射极集电极发射结集电结
(1-44)
1.4.2 电流放大原理
B
E
C
N
N
P
EB
RB
EC
IE
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。
(1-45)
B
E
C
N
N
P
EB
RB
EC
IE
集电结反偏，
有少子形成的反向电流 ICBO。 ICBO
IC=ICE+ICBO?ICE
IBE
ICE
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。
(1-46)
IB=IBE-ICBO?IBE
IB
B
E
C
N
N
P
EB
RB
EC
IE
ICBO ICE
IC=ICE+ICBO?ICE
IBE
(1-47)
ICE与 IBE之比称为电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。
B
C
C B OB
C B OC
BE
CE
I
I
II
II
I
I?
(1-48)
B
E
C
IB I
E
IC
NPN型三极管
B
E
C
IB I
E
IC
PNP型三极管
(1-49)
1.4.3 特性曲线 IC
mA
A
V V UCEUBERB
IB
EC
EB 实验线路
(1-50)
一,输入特性
UCE?1V
IB(?A)
UBE(V)
20
40
60
80
0.4 0.8
工作压降,硅管
UBE?0.6~0.7V,锗管 UBE?0.2~0.3V。
UCE=0V
UCE =0.5V
死区电压，硅管
0.5V，锗管 0.2V。
(1-51)
二,输出特性
IC(mA )
1
2
3
4
UCE(V)3 6 9 12
IB=0
20?A
40?A
60?A
80?A
100?A此区域满足 IC=?IB
称为线性区（放大区）。
当 UCE大于一定的数值时，
IC只与 IB有关，
IC=?IB。
(1-52)
IC(mA )
1
2
3
4
UCE(V)3 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。
(1-53)
IC(mA )
1
2
3
4
UCE(V)3 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。
(1-54)
输出特性三个区域的特点,
(1)放大区,发射结正偏，集电结反偏。
即,IC=?IB,且?IC = IB
(2) 饱和区,发射结正偏，集电结正偏。
即,UCE?UBE,?IB>IC,UCE?0.3V
(3) 截止区,UBE< 死区电压,IB=0,IC=ICEO?0
(1-55)
例,?=50,USC =12V，
RB =70k?,RC =6k?
当 USB = -2V,2V,5V时，
晶体管的静态工作点 Q位于哪个区？
当 USB =-2V时：
IC
UCE
IB
USC
RB
USB
C
B
E
RC
UBE
mA2612m a x
C
SC
C R
UI
IB=0,IC=0
IC最大饱和电流：
Q位于截止区
(1-56)
例,?=50,USC =12V，
RB =70k?,RC =6k?
当 USB = -2V,2V,5V时，
晶体管的静态工作点 Q位于哪个区？
IC< ICmax (=2mA),Q位于放大区 。
IC
UCE
IB
USC
RB
USB
C
B
E
RC
UBE
USB =2V时：
9 m A01070 702,.R UUI
B
BESB
B?
0,9 5 m A9 m A01050,II BC?
(1-57)
USB =5V时,
例,?=50,USC =12V，
RB =70k?,RC =6k?
当 USB = -2V,2V,5V时，
晶体管的静态工作点 Q位于哪个区？
IC
UCE
IB
USC
RB
USB
C
B
E
RC
UBE
Q 位于饱和区，此时 IC 和 IB 已不是? 倍的关系。
mA0 6 1070 705,.R UUI
B
BESB
B?
c m a xB I..I 5m03mA0 6 1050?
mA2 c m a xc II
(1-58)
三、主要参数前面的电路中，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,
B
C
I
I?_ _ _?
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：
BI
I C
1,电流放大倍数?___?
(1-59)
例,UCE=6V时,IB = 40?A,IC =1.5 mA；
IB = 60?A,IC =2.3 mA。
5.3704.0 5.1
_ _ _
B
C
I
I?
4004.006.0 5.13.2
B
C
I
I?
在以后的计算中，一般作近似处理,?=?
(1-60)
2.集 -基极反向截止电流 ICBO
A
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。
(1-61)
B
E
C
N
N
P
ICBO
ICEO=? IBE+ICBO
IBE
IBE
ICBO进入 N
区，形成
IBE。
根据放大关系，
由于 IBE的存在，必有电流
IBE。
集电结反偏有 ICBO
3,集 -射极反向截止电流 ICEO
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 。
(1-62)
4.集电极最大电流 ICM
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。
(1-63)
6,集电极最大允许功耗 PCM
集电极电流 IC
流过三极管，
所发出的焦耳热为：
PC =ICUCE
必定导致结温上升，所以 PC
有限制。
PC?PCM
IC
UCE
ICUCE=PCM
ICM
U(BR)CEO
安全工作区
(1-64)
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。
结型场效应管 JFET
绝缘栅型场效应管 MOS
场效应管有两种,
§ 1.5 场效应晶体管
(1-65)
N
基底,N型半导体
P P
两边是 P区G(栅极 )
S源极
D漏极一、结构
1.5.1 结型场效应管,
导电沟道
(1-66)
N
P 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
(1-67)
P
N 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
(1-68)
二、工作原理（以 P沟道为例） U
DS=0V时
P
G
S
D
UDS
UGS
N N
IDPN结反偏,UGS
越大则耗尽区越宽，导电沟道越窄。
(1-69)
P
G
S
D
UDS
UGS
N N
ID
UDS=0V时
UGS越大耗尽区越宽，
沟道越窄，电阻越大。
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。
(1-70)
P
G
S
D
UDS
UGS
N N
UDS=0时
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。
ID
(1-71)
P
G
S
D
UDS
UGS
UGS<Vp且 UDS>0,UGD<VP时耗尽区的形状
N N
越靠近漏端,PN
结反压越大
ID
(1-72)
P
G
S
D
UDS
UGS
UGS<Vp且 UDS较大时 UGD<VP
时耗尽区的形状
N N
沟道中仍是电阻特性，但是是非线性电阻。 ID
(1-73)
G
S
D
UDS
UGS
UGS<Vp UGD=VP时
N N
漏端的沟道被夹断，
称为 予夹断。
UDS增大则被夹断区向下延伸。
ID
(1-74)
G
S
D
UDS
UGS
UGS<Vp UGD=VP时
N 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。
ID
(1-75)
三、特性曲线
UGS0
ID
IDSS
VP
饱和漏极电流夹断电压转移特性曲线一定 UDS下的 ID-UGS曲线
(1-76)
予夹断曲线
ID
U DS
2V
UGS=0V
1V
3V
4V
5V
可变电阻区夹断区恒流区输出特性曲线
0
(1-77)
N沟道结型场效应管的特性曲线转移特性曲线
UGS
0
ID
IDSS
VP
(1-78)
输出特性曲线
ID
U DS0
UGS=0V
-1V
-3V
-4V
-5V
N沟道结型场效应管的特性曲线
(1-79)
结型场效应管的缺点：
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。
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。
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。
(1-80)
1.5.2 绝缘栅场效应管,
一、结构和电路符号
P
N N
GS D
P型基底两个 N区
SiO2绝缘层导电沟道金属铝
G
S
D
N沟道增强型
(1-81)
N 沟道耗尽型
P
N N
GS D
予埋了导电沟道
G
S
D
(1-82)
N
P P
GS D
G
S
D
P 沟道增强型
(1-83)
P 沟道耗尽型
N
P P
GS D
G
S
D
予埋了导电沟道
(1-84)
二,MOS管的工作原理以 N 沟道增强型为例
P
N N
GS D
UDSUGS
UGS=0时
D-S 间相当于两个反接的
PN结
ID=0
对应截止区
(1-85)
P
N N
GS D
UDSUGS
UGS>0时
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。
感应出电子
VT称为阈值电压
(1-86)
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 N
GS D
UDSUGS
(1-87)
P
N N
GS D
UDSUGS
当 UDS不太大时，导电沟道在两个 N区间是均匀的。
当 UDS较大时，靠近 D
区的导电沟道变窄。
(1-88)
P
N N
GS D
UDSUGS
夹断后，即使 UDS 继续增加,ID仍呈恒流特性 。
ID
UDS增加,UGD=VT 时，
靠近 D端的沟道被夹断，
称为予夹断。
(1-89)
三、增强型 N沟道 MOS管的特性曲线转移特性曲线
0
ID
UGS
VT
(1-90)
输出特性曲线
ID
U DS0
UGS>0
(1-91)
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。
转移特性曲线
0
ID
UGS
VT
(1-92)
输出特性曲线
ID
U DS0
UGS=0
UGS<0
UGS>0
(1-93)
电子技术第一章结束模拟电路部分
