第二章半导体基本器件第二章半导体基本器件
2.1 半导体二极管
PN结的单向导电原理，二极管的伏安特性
2.2 半导体三极管
⑴ 三极管输出特性中的截止区、放大区和饱和区等概念。
⑵ 三极管共发射极电流放大系数的概念
⑶ 三极管开关电路工作状态的分析方法
2.3 MOS场效应管
⑴ MOS场效应管的分类及符号
⑵ 增强型 NMOS管的特性曲线
2.1 半导体二极管
2.1.1 半导体基本知识
1.半导体的载流子
──电子和空穴半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质，如硅 (Si),锗 (Ge)。
硅和锗的原子结构简化模型硅和锗都是四价元素,原子的最外层轨道上有四个价电子。
可运动的带电粒子
2.1 半导体二极管
2.1.1 半导体基本知识
1.半导体的载流子 ──电子和空穴本征半导体（纯净的半导体晶体）
热激发产生自由电子和空穴室温下，由于热运动少数价电子挣脱共价键的束缚成为自由电子，同时在共价键中留下一个空位这个空位称为
“空穴”。失去价电子的原子成为正离子，就好象空穴带正电荷一样。
2.1 半导体二极管
2.1.1 半导体基本知识
1.半导体的载流子 ──电子和空穴空穴运动（与自由电子运动不同）
有了空穴，邻近共价键中的价电子很容易过来填补这个空穴，这样空穴便转移到邻近共价键中。新的空穴又会被邻近的价电子填补。带负电荷的价电子依次填补空穴的运动，
从效果上看，相当于带正电荷的空穴作相反方向的运动。
2.1 半导体二极管
2.1.1 半导体基本知识
1.半导体的载流子 ──电子和空穴结论：
本征半导体中有两种载流子
① 带负电荷的自由电子
② 带正电荷的空穴热激发产生的自由电子和空穴是成对出现的，
电子和空穴又可能重新结合而成对消失，称为
“复合”。
2.1 半导体二极管
2.1.1 半导体基本知识
2,N型和 P型半导体
(1)N型半导体在硅晶体中掺入五价元素磷,多出的一个电子不受共价键的束缚,室温下很容易成为自由电子。
磷原子失去一个电子成为正离子（在晶体中不能移动）。
每个磷原子都提供一个自由电子，自由电子数目大大增加，远远超过空穴数。这种半导体主要依靠电子导电，
称为电子型或 N型半导体。
2.1 半导体二极管
2.1.1 半导体基本知识
2,N型和 P型半导体
(1)N型半导体自由电子：多数载流子（简称多子）
空 穴：少数载流子（简称少子）
2.1 半导体二极管
2.1.1 半导体基本知识
2,N型和 P型半导体
(2)P型半导体在硅晶体中掺入三价元素硼,硼原子与相邻硅原子组成共价键时由于缺少一个价电子而产生一个空位，这个空位很容易被邻近共价键中的价电子填补。
硼原子得到一个电子成为负离子（在晶体中不能移动），失去价电子的共价键中出现一个空穴，每个硼原子都产生一个空穴，空穴数目大大增加，远远超过自由电子数。这种半导体主要依靠空穴导电，称为空穴型或 P型半导体。
2.1 半导体二极管
2.1.1 半导体基本知识
2,N型和 P型半导体
(2)P型半导体的特点空 穴：多数载流子（简称多子）
自由电子：少数载流子（简称少子）
2.1 半导体二极管
2.1.1 半导体基本知识
3,PN结的形成半导体中载流子有扩散运动和漂移运动两种运动方式。
载流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动。半导体中，如果载流子浓度分布不均匀，因为浓度差，载流子将会从浓度高的区域向浓度低的区域运动，这种运动称为扩散运动。
将一块半导体的一侧掺杂成 P型半导体，另一侧掺杂成 N型半导体，在两种半导体的交界面处将形成一个特殊的薄层,PN结
2.1 半导体二极管
2.1.1 半导体基本知识
3,PN结的形成
① 多子扩散运动形成空间电荷区由于浓度差，电子和空穴扩散的结果，在交界面处出现由数量相等的正负离子组成的空间电荷区（ PN结），
并产生由 N区指向 P区的内电场 EIN。
② 内电场 EIN阻止多子扩散，促使少子漂移。
③ 扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的 PN结。
2.1 半导体二极管
2.1.1 半导体基本知识
4,PN结的单向导电性
① 外加正向电压（正向偏置）
外加电场与内电场方向相反，内电场削弱，扩散运动大大超过漂移运动,N区电子不断扩散到 P区,P区空穴不断扩散到 N区，形成较大的正向电流，这时称 PN
结处于“导通”状态。
2.1 半导体二极管
2.1.1 半导体基本知识
4,PN结的单向导电性
② 外加反向电压（反向偏置）
外加电场与内电场方向相同，内电场增强，多子扩散难以进行，少子在电场作用下形成反向电流 IR，因为是少子漂移运动产生的,IR很小，这时称 PN结处于
“截止”状态。
2.1 半导体二极管
2.1.1 半导体基本知识
4,PN结的单向导电性
③ PN结伏安特性
a,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
b,正向电压大于“导通电压 UON”后,i 随着 u 增大迅速上升。
Uon≈0.5V( 硅 )
Uon≈0.1V( 锗 )
2.1 半导体二极管
2.1.1 半导体基本知识
4,PN结的单向导电性
③ PN结伏安特性
c,外加反向电压时,PN结处于截止状态，反向电流
IR 很小。
d,反向电压大于“击穿电压 U（ BR）,时，反向电流
IR 急剧增加。
2.1 半导体二极管
2.1.2 二极管符号及主要参数二极管主要参数：
1.最大正向电流 IF
2.反向击穿电压 U（ BR）
A阳极 K阴极
IN4148
IN4007
2.1 半导体二极管
2.1.3 二极管应用举例二极管的伏安特性是一个非线性的曲线，在电路计算中，导通时管压降近似估算为：
UD≈0.7V（硅） UD≈0.3V（锗） p42
或视为一个理想开关，即导通时视为“短路”，截止时视为“开路”。 p44
2.2 半导体三极管
NPN型和 PNP型三极管的结构示意图及电路符号
2.2 半导体三极管
NPN型和 PNP型三极管的结构示意图及电路符号
C 集电极
B
E 发射极
P
集电结发射结
N
N
C 集电极
B
E 发射极基极
N
集电结发射结
P
P
C
E
B
C
E
B
TO-220晶体管 TO-92晶体管
TO-126晶体管教材 100－ 113页 TTL－ Transister Transister Logic
2.2 半导体三极管
2.2.1 三极管的符号及其特性曲线
1.三极管的放大原理条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置电流的分配关系
BC II
β称为电流放大系数 β
值通常 在 20～ 200之间
2.2 半导体三极管
2.2.1 三极管的符号及其特性曲线
1.三极管的放大原理条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置电流的分配关系
BC II
β称为电流放大系数 β
值通常 在 20～ 200之间
2.2 半导体三极管
2.2.1 三极管的符号及其特性曲线
2,三极管的特性曲线及三个工作区
2.2 半导体三极管
2.2.1 三极管的符号及其特性曲线
2,三极管的特性曲线及三个工作区截止条件：
特点：
c ~ e 之间相当于断开的开关
)5.0( VUu ONBE?
00 CB II
2.2 半导体三极管
2.2.1 三极管的符号及其特性曲线
2,三极管的特性曲线及三个工作区放大条件：
特点：
c ~ e 之间相当于受控电流源
)5.0( VUu ONBE?
BC II?＝
BECE Uu?
2.2 半导体三极管
2.2.1 三极管的符号及其特性曲线
2,三极管的特性曲线及三个工作区饱和条件：
特点：
c ~ e 之间相当于闭合的开关
ONBE Uu?
BC II
BECE Uu?
VUu C E SCE 3.0?＝
2.2 半导体三极管截止和饱和两个状态通称为开关状态。
截止条件：
特点：
c ~ e 之间相当于断开的开关。
饱和条件：
特点：
c ~ e 之间相当于闭合的开关。
ONBE Uu? BECE Uu?
BC II VUu C E SCE 3.0?＝
)5.0( VUu ONBE?
00 CB II
Ib
Ic
最大电流 ICM,最大功率 PCM
Icm=600mA; PcM=625mW
设工作电流 Ic = 200mA Uce < 625/200 = 3V
共发射极电流放大系数?
B
C
I
I
2.2.2 三极管的主要参数及应用电路如图所示，已知 β＝ 50,UCES = 0.3 V,
uBE = 0.7 V,试计算 uI 分别为 － 1V，＋ 1V，
＋ 3V时三极管的工作状态。
3KΩR c
＋ 6V
Rb
10KΩ
u I
2.3 MOS场效应管
MOS场效应管是利用半导体表面的电场效应来控制输出电流的，输入端不需要供给电流。
P型硅片作衬底，表面制作两个 N型区，引出源极 (s)
和漏极 (d)，覆盖一层 SiO2，在漏源之间绝缘层上再制作一层金属铝，引出栅极 (g) 。
金属 -氧化物 -半导体场效应管（ Metal-Oxide-semiconductor)
电路符号
g
d
s
2.3 MOS场效应管
uGS= 0 时，漏源之间相当于两个背靠背的 PN结，无论漏源之间加何种极性的电压，都不能导电。
uGS 为正时，产生一个电场，
把 P型衬底少子电子吸引到衬底表面，当 uGS增大到一定值时，电子在衬底表面形成一个 N型层即 N型导电沟道。
2.3 MOS场效应管小结,MOS管是一个受栅源电压 uGS控制的器件
① uGS＜ UGS(th)时,D-S间无导电沟道,MOS管截止。
② uGS＞ UGS(th)时,D-S间才会形成导电沟道,故称为
N沟道增强型 MOS管。 uGS增大，导电沟道变宽。即改变 uGS可以控制 iD的大小。 ΔI
D=gm× ΔUGS
IG=0
UGS(th):开启电压转移特性输出特性
uGS＜ UGS(th),管子处于截止状态,D,S之间相当于断开的开关
uGS＞ UGS(th),uDS较小。 iD与 uDS之间近似为线性关系,D,S
之间相当于一个由 uGS控制的可变电阻。
uGS＞ UGS(th),uDS较大,iD取决于 uGS。 ΔID=gm× ΔUGS
转移特性输出特性在夹断区，管子处于截止状态
,D,S之间相当于断开的开关。
在可变电阻区,D,S之间导通电阻 rDS(ON)很小，约为几百欧姆。只要 RD远大于这个导通电阻，漏源之间可以看作闭合的开关。
MOS管的开关特性
n
pp
P沟道增强型 MOS管 S＋ D－
电流从 S流入,D流出
P沟道增强型 MOS管
2.1 半导体二极管
PN结的单向导电原理，二极管的伏安特性
2.2 半导体三极管
⑴ 三极管输出特性中的截止区、放大区和饱和区等概念。
⑵ 三极管共发射极电流放大系数的概念
⑶ 三极管开关电路工作状态的分析方法
2.3 MOS场效应管
⑴ MOS场效应管的分类及符号
⑵ 增强型 NMOS管的特性曲线
2.1 半导体二极管
2.1.1 半导体基本知识
1.半导体的载流子
──电子和空穴半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质，如硅 (Si),锗 (Ge)。
硅和锗的原子结构简化模型硅和锗都是四价元素,原子的最外层轨道上有四个价电子。
可运动的带电粒子
2.1 半导体二极管
2.1.1 半导体基本知识
1.半导体的载流子 ──电子和空穴本征半导体（纯净的半导体晶体）
热激发产生自由电子和空穴室温下，由于热运动少数价电子挣脱共价键的束缚成为自由电子，同时在共价键中留下一个空位这个空位称为
“空穴”。失去价电子的原子成为正离子，就好象空穴带正电荷一样。
2.1 半导体二极管
2.1.1 半导体基本知识
1.半导体的载流子 ──电子和空穴空穴运动（与自由电子运动不同）
有了空穴，邻近共价键中的价电子很容易过来填补这个空穴，这样空穴便转移到邻近共价键中。新的空穴又会被邻近的价电子填补。带负电荷的价电子依次填补空穴的运动，
从效果上看，相当于带正电荷的空穴作相反方向的运动。
2.1 半导体二极管
2.1.1 半导体基本知识
1.半导体的载流子 ──电子和空穴结论：
本征半导体中有两种载流子
① 带负电荷的自由电子
② 带正电荷的空穴热激发产生的自由电子和空穴是成对出现的，
电子和空穴又可能重新结合而成对消失，称为
“复合”。
2.1 半导体二极管
2.1.1 半导体基本知识
2,N型和 P型半导体
(1)N型半导体在硅晶体中掺入五价元素磷,多出的一个电子不受共价键的束缚,室温下很容易成为自由电子。
磷原子失去一个电子成为正离子（在晶体中不能移动）。
每个磷原子都提供一个自由电子，自由电子数目大大增加，远远超过空穴数。这种半导体主要依靠电子导电，
称为电子型或 N型半导体。
2.1 半导体二极管
2.1.1 半导体基本知识
2,N型和 P型半导体
(1)N型半导体自由电子：多数载流子（简称多子）
空 穴：少数载流子（简称少子）
2.1 半导体二极管
2.1.1 半导体基本知识
2,N型和 P型半导体
(2)P型半导体在硅晶体中掺入三价元素硼,硼原子与相邻硅原子组成共价键时由于缺少一个价电子而产生一个空位，这个空位很容易被邻近共价键中的价电子填补。
硼原子得到一个电子成为负离子（在晶体中不能移动），失去价电子的共价键中出现一个空穴，每个硼原子都产生一个空穴，空穴数目大大增加，远远超过自由电子数。这种半导体主要依靠空穴导电，称为空穴型或 P型半导体。
2.1 半导体二极管
2.1.1 半导体基本知识
2,N型和 P型半导体
(2)P型半导体的特点空 穴：多数载流子（简称多子）
自由电子：少数载流子（简称少子）
2.1 半导体二极管
2.1.1 半导体基本知识
3,PN结的形成半导体中载流子有扩散运动和漂移运动两种运动方式。
载流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动。半导体中，如果载流子浓度分布不均匀，因为浓度差，载流子将会从浓度高的区域向浓度低的区域运动，这种运动称为扩散运动。
将一块半导体的一侧掺杂成 P型半导体，另一侧掺杂成 N型半导体，在两种半导体的交界面处将形成一个特殊的薄层,PN结
2.1 半导体二极管
2.1.1 半导体基本知识
3,PN结的形成
① 多子扩散运动形成空间电荷区由于浓度差，电子和空穴扩散的结果，在交界面处出现由数量相等的正负离子组成的空间电荷区（ PN结），
并产生由 N区指向 P区的内电场 EIN。
② 内电场 EIN阻止多子扩散，促使少子漂移。
③ 扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的 PN结。
2.1 半导体二极管
2.1.1 半导体基本知识
4,PN结的单向导电性
① 外加正向电压（正向偏置）
外加电场与内电场方向相反，内电场削弱，扩散运动大大超过漂移运动,N区电子不断扩散到 P区,P区空穴不断扩散到 N区，形成较大的正向电流，这时称 PN
结处于“导通”状态。
2.1 半导体二极管
2.1.1 半导体基本知识
4,PN结的单向导电性
② 外加反向电压（反向偏置）
外加电场与内电场方向相同，内电场增强，多子扩散难以进行，少子在电场作用下形成反向电流 IR，因为是少子漂移运动产生的,IR很小，这时称 PN结处于
“截止”状态。
2.1 半导体二极管
2.1.1 半导体基本知识
4,PN结的单向导电性
③ PN结伏安特性
a,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
b,正向电压大于“导通电压 UON”后,i 随着 u 增大迅速上升。
Uon≈0.5V( 硅 )
Uon≈0.1V( 锗 )
2.1 半导体二极管
2.1.1 半导体基本知识
4,PN结的单向导电性
③ PN结伏安特性
c,外加反向电压时,PN结处于截止状态，反向电流
IR 很小。
d,反向电压大于“击穿电压 U（ BR）,时，反向电流
IR 急剧增加。
2.1 半导体二极管
2.1.2 二极管符号及主要参数二极管主要参数：
1.最大正向电流 IF
2.反向击穿电压 U（ BR）
A阳极 K阴极
IN4148
IN4007
2.1 半导体二极管
2.1.3 二极管应用举例二极管的伏安特性是一个非线性的曲线，在电路计算中，导通时管压降近似估算为：
UD≈0.7V（硅） UD≈0.3V（锗） p42
或视为一个理想开关，即导通时视为“短路”，截止时视为“开路”。 p44
2.2 半导体三极管
NPN型和 PNP型三极管的结构示意图及电路符号
2.2 半导体三极管
NPN型和 PNP型三极管的结构示意图及电路符号
C 集电极
B
E 发射极
P
集电结发射结
N
N
C 集电极
B
E 发射极基极
N
集电结发射结
P
P
C
E
B
C
E
B
TO-220晶体管 TO-92晶体管
TO-126晶体管教材 100－ 113页 TTL－ Transister Transister Logic
2.2 半导体三极管
2.2.1 三极管的符号及其特性曲线
1.三极管的放大原理条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置电流的分配关系
BC II
β称为电流放大系数 β
值通常 在 20～ 200之间
2.2 半导体三极管
2.2.1 三极管的符号及其特性曲线
1.三极管的放大原理条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置电流的分配关系
BC II
β称为电流放大系数 β
值通常 在 20～ 200之间
2.2 半导体三极管
2.2.1 三极管的符号及其特性曲线
2,三极管的特性曲线及三个工作区
2.2 半导体三极管
2.2.1 三极管的符号及其特性曲线
2,三极管的特性曲线及三个工作区截止条件：
特点：
c ~ e 之间相当于断开的开关
)5.0( VUu ONBE?
00 CB II
2.2 半导体三极管
2.2.1 三极管的符号及其特性曲线
2,三极管的特性曲线及三个工作区放大条件：
特点：
c ~ e 之间相当于受控电流源
)5.0( VUu ONBE?
BC II?＝
BECE Uu?
2.2 半导体三极管
2.2.1 三极管的符号及其特性曲线
2,三极管的特性曲线及三个工作区饱和条件：
特点：
c ~ e 之间相当于闭合的开关
ONBE Uu?
BC II
BECE Uu?
VUu C E SCE 3.0?＝
2.2 半导体三极管截止和饱和两个状态通称为开关状态。
截止条件：
特点：
c ~ e 之间相当于断开的开关。
饱和条件：
特点：
c ~ e 之间相当于闭合的开关。
ONBE Uu? BECE Uu?
BC II VUu C E SCE 3.0?＝
)5.0( VUu ONBE?
00 CB II
Ib
Ic
最大电流 ICM,最大功率 PCM
Icm=600mA; PcM=625mW
设工作电流 Ic = 200mA Uce < 625/200 = 3V
共发射极电流放大系数?
B
C
I
I
2.2.2 三极管的主要参数及应用电路如图所示，已知 β＝ 50,UCES = 0.3 V,
uBE = 0.7 V,试计算 uI 分别为 － 1V，＋ 1V，
＋ 3V时三极管的工作状态。
3KΩR c
＋ 6V
Rb
10KΩ
u I
2.3 MOS场效应管
MOS场效应管是利用半导体表面的电场效应来控制输出电流的，输入端不需要供给电流。
P型硅片作衬底，表面制作两个 N型区，引出源极 (s)
和漏极 (d)，覆盖一层 SiO2，在漏源之间绝缘层上再制作一层金属铝，引出栅极 (g) 。
金属 -氧化物 -半导体场效应管（ Metal-Oxide-semiconductor)
电路符号
g
d
s
2.3 MOS场效应管
uGS= 0 时，漏源之间相当于两个背靠背的 PN结，无论漏源之间加何种极性的电压，都不能导电。
uGS 为正时，产生一个电场，
把 P型衬底少子电子吸引到衬底表面，当 uGS增大到一定值时，电子在衬底表面形成一个 N型层即 N型导电沟道。
2.3 MOS场效应管小结,MOS管是一个受栅源电压 uGS控制的器件
① uGS＜ UGS(th)时,D-S间无导电沟道,MOS管截止。
② uGS＞ UGS(th)时,D-S间才会形成导电沟道,故称为
N沟道增强型 MOS管。 uGS增大，导电沟道变宽。即改变 uGS可以控制 iD的大小。 ΔI
D=gm× ΔUGS
IG=0
UGS(th):开启电压转移特性输出特性
uGS＜ UGS(th),管子处于截止状态,D,S之间相当于断开的开关
uGS＞ UGS(th),uDS较小。 iD与 uDS之间近似为线性关系,D,S
之间相当于一个由 uGS控制的可变电阻。
uGS＞ UGS(th),uDS较大,iD取决于 uGS。 ΔID=gm× ΔUGS
转移特性输出特性在夹断区，管子处于截止状态
,D,S之间相当于断开的开关。
在可变电阻区,D,S之间导通电阻 rDS(ON)很小，约为几百欧姆。只要 RD远大于这个导通电阻，漏源之间可以看作闭合的开关。
MOS管的开关特性
n
pp
P沟道增强型 MOS管 S＋ D－
电流从 S流入,D流出
P沟道增强型 MOS管
