1
第一章 半导体器件基础
?教学时数,8学时
?重点与难点,
?1,PN结的原理和二极管的等效电路 。
?2,半导体内部载流子运动规律 。
?3,晶体二极管, 晶体三极管, 结型场效应
管, 绝缘栅型场应管的工作原理和特性曲
线 。
2
§ 1.1 半导体基础知识
1.1 半导体基础知识
1.1.1 本征半导体
根据物体导电能力 (电阻率 )的不同，来划分导体、绝
缘体和半导体。
1,导体：容易导电的物体。
2,绝缘体：几乎不导电的物体。
3
3,半导体
３．半导体是导电性能介于导体和绝缘体之间
的物体。在一定条件下可导电。
半导体的电阻率为 10-3～ 109 ??cm。典型的半导
体有 硅 Si和 锗 Ge以及 砷化镓 GaAs等。
半导体特点,
1) 在外界能源的作用下，导电性能显著变
化。光敏元件、热敏元件属于此类。
2) 在纯净半导体内掺入杂质，导电性能显
著增加。二极管、三极管属于此类。
4
1.1.2 本征半导体
1,本征半导体 —— 化学成分纯净的半导体。 制造半
导体器件的半导体材料的纯度要达到 99.9999999%，
常称为“九个 9” 。 它在物理结构上呈单晶体形态。
电子技术中用的最多的是 硅 和 锗 。
硅 和 锗 都是 4价元素，它们的外层电子都是 4个。其
简化原子结构模型如下图,
锗 硅
电子 外层电子受原子核的束缚
力最小，成为价电子。物
质的性质是由价电子决定
的 。
5
2.本征半导体的共价键结构
本征晶体中各原子之间靠得很近，使原分属于各
原子的四个价电子同时受到相邻原子的吸引，分别与
周围的四个原子的价电子形成 共价键 。共价键中的价
电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形
成排列有序的晶体。如下图所示,
硅晶体的空间排列 共价键结构平面示意图
6
共价键性质
共价键上的两个电子是由相邻原子各用一个电
子组成的，这两个电子被成为 束缚电子 。
束缚电子同时受两个原子的约束，如果没有足够
的能量，不易脱离轨道。
因此，在绝对温度 T=0?K（ -273 ?C） 时，由于共
价键中的电子被束缚着，本征半导体中没有自由电子，
不导电。只有在激发下，本征半导体才能导电。
7
3,电子与空穴
+4 +4
+4 +4
自由电子
空穴 束缚电子
共
价
键
当导体处于热
力学温度 0?K时,
导体中没有自由电
子 。 当温度升高或
受到光的照射时,
价电子能量增高,
有的价电子可以挣
脱原子核的束缚,
而参与导电, 成为
自由电子 。
这一现象称为 本征激发, 也称 热激发 。
8
４．电子与空穴
自由电子产生的同时，在其原来的共价键
中就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，
呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等
，人们常称呈现正电性的这个空位为 空穴 。
9
５．电子与空穴的复合
可见因热激发而出现的自由电子和空穴是
同时成对出现的，称为 电子空穴对 。游离的部分自
由电子也可能回到空穴中去，称为 复合,如图所示
。本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。
本征激发和复合的过程（动画）
10
６．空穴的移动
由于共价键中出现了空穴，在外加能源的激发
下，邻近的价电子有可能挣脱束缚补到这个空位上，
而这个电子原来的位置又出现了空穴，其它电子又
有可能转移到该位置上。这样一来在共价键中就出
现了 电荷迁移 — 电流。
空穴在晶体中的移动（动画）
电流的方向与电子移动的
方向相反，与空穴移动的
方向相同。本征半导体中，
产生电流的根本原因是由
于共价键中出现了空穴。
由于空穴数量有限，所以
其电阻率很大。
11
1.1.3 杂质半导体
在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂
质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂
质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体
称为 杂质半导体 。
(1) N型半导体
(2) P型半导体
12
1,N型半导体
在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷
可形成 N型半导体,也称 电子型半导体 。因五价杂质
原子中只有 四个价电子 能与周围四个半导体原子中的
价电子形成共价键，而多余的 一个价电子 因无共价键
束缚而很容易形成自由电子。 自由电子
在 N型半导体
中 自由 电子是多数载
流子,它主要由 杂质原
子提供； 另外，硅晶
体 由于热激发 会产生
少量的电子空穴对，
所以 空穴是少数载流
子。
13
N型半导体结构
提供自由电子的五价杂质原子因失去一个电子而带
单位正电荷而成为 正离子,因此五价杂质原子也称为
施主杂质 。 N型半导体的结构示意图如下图所示。
磷原子核
自由电子
所以,N型半导体中的导电粒子有两种,
自由电子 —多数载流子（由两部分组成）
空穴 ——少数载流子
14
2,P型半导体
在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、
铟等形成了 P型半导体, 也称为 空穴型半导体 。
因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一
个价电子而在共价键中留下一个空穴。当相邻共价键上
的电子因受激发获得能量时，就可能填补这个空穴，而
产生新的空穴。空穴是其主要载流子。
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P型半导体结构
在 P型半导体中，硼原子很容易由于俘获一个电
子而成为一个带单位负电荷的 负离子,三价杂质 因而
也称为 受主杂质 。 而硅原子的共价键由于失去一个电
子而形成空穴。所以 P型半导体的结构示意图如图所
示。
硼原子核
空穴
P型半导体中,空穴是多数载流子, 主要由掺杂形成；
电子是少数载流子,由热激发形成。
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本节中的有关概念
? 本征半导体、杂质半导体
? 自由电子、空穴
? N型半导体,P型半导体
? 多数载流子、少数载流子
? 施主杂质、受主杂质
17
2.2 PN结及其特性
PN结的形成
PN结的单向导电性
PN结的电容效应
18
PN结的形成
当扩散和漂移运动达到平衡后，空间电荷区的
宽度和内电场电位就相对稳定下来。此时，有多少个
多子扩散到对方，就有多少个少子从对方飘移过来，
二者产生的电流大小相等，方向相反。因此，在相对
平衡时，流过 PN结的电流为 0。
内电场
空间电荷区 耗尽层 电子 空穴
P区 N区
19
PN结的形成
对于 P型半导体和 N型半导体结合面，离子薄层形
成的 空间电荷区 称为 PN结 。在空间电荷区，由于缺少
多子，所以也称 耗尽层 。由于耗尽层的存在,PN结的
电阻很大。
PN结的形成过程（动画）
PN结的形成过程中
的两种运动,
多数载流子扩散
少数载流子飘移
20
PN结的单向导电性
PN结具有单向导电性,若外加电压使电流从 P
区流到 N区,PN结呈低阻性，所以电流大；反之
是高阻性，电流小。
如果外加电压使 PN结中,
P区的电位高于 N区的电位，称为加 正向电压,
简称 正偏 ；
P区的电位低于 N区的电位，称为加 反向电压,
简称 反偏 。
21
(1) PN结加正向电压时的导电情况
外加的正向电压有一部分降落在 PN结区，方向与 PN结
内电场方向相反，削弱了内电场。于是,内电场对多子扩散
运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电
流，可忽略漂移电流的影响,PN结呈现低阻性。
PN结加正向电压
时的导电情况 （动画）
内电场方向
i D / mA
1, 0
0,5
– 0,5– 1, 0 0,50 1,0 ? D /V
PN结的伏安特性
? 低电阻
? 大的正向扩散电流
22
(2) PN结加反向电压时的导电情况
外加的反向电压方向与 PN结内电场方向相同，加强了内
电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小
。此时 PN结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩
散电流，可忽略扩散电流,PN结呈现高阻性。
PN结加反向电压时的导电
情况（动画）
内电场方向
i D / mA
1, 0
0,5
i D = – I S
– 0,5– 1, 0 0,50 1,0 ? D /V
PN结的伏安特性
在一定的温度条件下,
由本征激发决定的少子浓
度是一定的，故少子形成
的漂移电流是恒定的，基
本上与所加反向电压的大
小无关，这个电流也称为
反向饱和电流 。
? 高电阻
? 很小的反向漂移电流
23
（ 3） PN结的伏安特性
PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正
向扩散电流； PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有
很小的反向漂移电流。由此可以得出结论,PN结具有
单向导电性。
V
I
F
F
O
A
B
C
24
3,PN结方程
根据理论分析,PN结两端的电压
V与流过 PN结的电流 I之间的关系为,
)(eII TU
U
S 1-?
其中,
IS为 PN结的反向饱和电流；
UT称 为温度电压当量，在温度为 300K(27° C)
时,UT约为 26mV；
所以上式常写为,
)1-(= 26 mV
V
S eII
25
PN结方程
PN结正偏时，如果 V> VT 几倍以上，上式可改写为,
即 I随 V按指数规律变化。
mV
V
S eII
26?
PN结反偏时，如果 │V │> VT几倍以上,上
式可改写为,
其中负号表示为反向。
SII ??
26
4,PN结的击穿特性
如图所示，当加在 PN结上的反向电压增加到一定数值时，
反向电流突然急剧增大,PN结产生电击穿 —这就是 PN结的
击穿特性。
发生击穿时的反偏电压称为 PN结的反向击穿电压 VBR。
PN结被击穿后,PN结上的
压降高，电流大，功率大。当 PN
结上的功耗使 PN结发热，并超过
它的耗散功率时,PN结将发生 热
击穿 。这时 PN结的电流和温度之
间出现恶性循环，最终将导致 PN
结烧毁。
热击穿 ——不可逆 雪崩击穿 齐纳击穿 电击穿 ——可逆
27
5, PN结的电容效应
PN结除了具有单向导电性外，还有一定的
电容效应。按产生电容的原因可分为,
势垒电容 CB,
扩散电容 CD 。
28
(1) 势垒电容 CB
势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。
当外加电压使 PN结上压降发生变化时，离子薄层
的厚度也相应地随之改变，这相当 PN结中存储的
电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。势垒电容
的示意图如下图。
势垒电容示意图
29
(2) 扩散 电容 CD
扩散电容是由多子扩
散后，在 PN结的另一侧面
积累而形成的。因 PN结正
偏时，由 N区扩散到 P区的
电子，与外电源提供的空
穴相复合，形成正向电流
。刚扩散过来的电子就堆
积在 P 区内紧靠 PN结的附
近，形成一定的多子浓度
梯度分布曲线。 扩散电容示意图
反之，由 P区扩散到 N区的空穴，在 N区内也形成类似
的浓度梯度分布曲线。扩散电容的示意图如图所示。
30
扩散 电容 CD
当外加正向电压不同时，
扩散电流即外电路电流
的大小也就不同。所以
PN结两侧堆积的多子的
浓度梯度分布也不同，
这就相当电容的充放电
过程。势垒电容和扩散
电容均是非线性电容。
扩散电容示意图 PN结在反偏时主要考虑 势垒电容。
PN结在正偏时主要考虑扩散 电容。
31
1.2.1 半导体二极管的结构类型
在 PN结上加上引线和封装，就成为一个二极
管。二极管按结构分有 点接触型、面接触型和平面
型 三大类。它们的结构示意图如下图所示。
(1) 点接触型二极管 —
PN结面积小，结电容小,
用于检波和变频等高频电路。
点接触型 二极管的结构示意图
32
二极管的结构
平面型
(3) 平面型二极管 —
往往用于集成电路制造工
艺中。 PN 结面积可大可小，用
于高频整流和开关电路中。
(2) 面接触型二极管 — PN结面积大，用
于工频大电流整流电路。
面接触型
33
1.2.2 半导体二极管的伏安特性曲线
半导体二
极管的伏安
特性曲线如
图所示。处
于第一象限
的是正向伏
安特性曲线
，处于第三
象限的是反
向伏安特性
曲线。
34
二极管的伏安特性曲线
根据理论推导，二极管的伏安特性曲线可用下式表示
式中 IS 为反向饱和电流,V 为二极管两端的
电压降,VT =kT/q 称为温度的电压当量,k为玻
耳兹曼常数,q 为电子电荷量,T 为热力学温度
。对于室温（相当 T=300 K），则有 VT=26 mV。
)1(e TS ?? V
V
II
35
硅 二极管的开启电压
Von=0.5 V左右,
锗 二极管的开启电压
Von=0.1 V左右。
当 0＜ V＜ Von时，正向电流为零,Von称为死区电压
或开启电压。
当 V＞ 0即处于正向特性区域。正向区又分为两段,
当 V＞ Von时，开始出现正向
电流，并按指数规律增长。
(1) 正向特性
36
当 V＜ 0时，即处于反向特性区域。反向区也分
两个区域,
当 VBR＜ V＜ 0时，反向电流很小，且基本不随反
向电压的变化而变化，此时的反向电流也称 反向饱
和电流 IS 。
当 V≥VBR时，反向
电流急剧增加,VBR
称为 反向击穿电压 。
(2) 反向特性
37
反向特性
在反向区，硅二极管和锗二极管的特性有所不同。
硅二极管 的反向击穿特性比较硬、比较陡，反向饱
和电流也很小； 锗二极管 的反向击穿特性比较软，过
渡比较圆滑，反向饱和电流较大。
从击穿的机理上
看，硅二极管若
|VBR|≥7V时,主要是雪
崩击穿；若 |VBR|≤4V
时,则主要是齐纳击穿
。当在 4V～ 7V之间两
种击穿都有，有可能
获得零温度系数点。
38
2.3.4 半导体二极管的温度特性
温度对二极管的性能有较大的影响，温度升高时，
反向电流将呈指数规律增加，如硅二极管温度每增加
8℃,反向电流将约增加一倍；锗二极管温度每增加
12℃,反向电流大约增加一倍。近似认为 二极管管温
度每增加 10℃,反向电流大约增加一倍
另外，温度升高时，
二极管的正向压降将
减小，每增加 1℃,正
向压降大约减小 2mV，
即具有负的温度系数。
这些可以从所示二极
管的伏安特性曲线上
看出。
39
1.2.3 半导体二极管的参数
半导体二极管的参数包括最大整流电流 IF,反向
击穿电压 UBR,最大反向工作电压 UR,反向电流 IR,最
高工作频率 fmax和结电容 Cj等 。 几个主要的参数介绍
如下,
(1) 最大整流电流 IF——
二极管长期连续工
作时，允许通过二
极管的最大整流
电流的平均值。
(2) 反向击穿电压 UBR———
和最大反向工作电压 UR
二极管反向电流
急剧增加时对应的反向
电压值称为反向击穿
电压 UBR。
为安全计，在实际
工作时，最大反向工作电压
UR一般只按反向击穿电压
UBR的一半计算。
40
半导体二极管的参数
(3) 反向电流 IR, 在室温下，在规定的反向电压下，
一般是最大反向工作电压下的反向电流值。硅二
极管的反向电流一般在纳安 (nA;10-9A)级；锗二极
管在微安 (?A)级。
(4) 正向压降 UF：在规定的正向电流下，二极管
的正向电压降。小电流硅二极管的正向压降在
中等电流水平下，约 0.6～ 0.8V；锗二极管约 0.2
～ 0.3V。
(5) 动态电阻 rd：反映了二极管正向特性曲线斜
率的倒数。显然,rd与工作电流的大小有关，
即 rd =?VF /?IF
41
2.3.6 二极管电路及其分析方法
简单的二极管电路如图所示，由二极管、电阻和
电压源组成，其分析方法一般有两种,
图解法、模型法（等效电路法）。
D
R
V I
A B
+
_
V
D
42
I
O VBR
IS
1,图解法
图示电路可分为 A,B两部分。
D
R
V I
A B
+
_
V
D
A部分的电压与电流关系,VD=V - IR
B部分的电压与电流关系就是二极管的伏安特性。
在二极管的伏安特性上画出 VD=V - IR,如图所示,
(V,0)
R V (0,)
Q I
D
VD
最后得出二极管两端的电压 VD和流过二极管的
电流 I，如图所示。
43
2,模型分析法
(1) 二极管的大信号模型,
根据二极管伏安特性，可把它分成导通和截
止两种状态。
如图所示,
VD<0.7V 截止
VD>0.7V 导通
VD<0.2V 截止
VD>0.2V 导通
这就是二极管的大
信号模型。
硅管
锗管
44
大信号模型
所以二极管导通时，其上的电压和流过它的电流
可表示为,
一般硅二极管正向导通压降为 0.6V~0.8V
锗二极管正向导通压降为 0.1V~0.3V
以 0.7或 0.2计算将引入 10%的误差。但如果 V足够大，
则 VD实际引入的误差并不大。
R
V
I
VV D
7.0
7.0
?
?
? 硅管
R
V
I
VV D
2.0
2.0
?
?
? 锗管
R
V
R
VVI D ???如果 V >>0.7V(0.3V),
45
理想模型
I D
O
0.7V
理想二极管
大信号模型
0.7V
46
1.2.4 二极管及二极管特性的折线近似
一、理想二极管
特性
uD
iD 符号及
等效模型 S S
正偏导通,uD = 0；反偏截止,iD = 0 U(BR) = ?
二、二极管的恒压降模型
uD
iD
UD(on)
uD = UD(on) 0.7 V (Si)
0.2 V (Ge) UD(on)
三、二极管的折线近似模型
uD
iD
UD(on) ?U
?I
I
Ur
?
??
D
斜率 1/ rD rD U
D(on)
47
小信号模型
(2) 二极管的小信号模型,
从二极管伏安特性上看出，
二极管导通后，其电压变化量与
电流变化量之比近似于常数,
此时的二极管相当于一个动态电
阻，其阻值是正向特性曲线在工
作点上的斜率的倒数，如图所示。
dI
dV
I
V
D
DDr ≈
?
??
48
2.3.7 二极管基本应用
1.利用伏安特性的非线性构成（限幅电路）
例 1：如图所示,
D2
D1
R
+
_
Vi
+
_
Vo
D1
D2
vi vo
1,4 V
vo
vi
49
二极管基本应用
|vi |<0.7V时,D1,D2截止，所以 vo=vi
| vi |>0.7V时,D1,D2中有一个导通，所以 vo =0.7V
D1
D2
R+
_
+
_
例 2：如图所示,
vo vi
D2
D1
0,7 V
-0,7 V
vo
vi
50
二极管基本应用
2,利用单向导电性构成整流和开关电路
不管输入信号处于正或负半周，负载上得到
的都是正向电压。
全波整流电路,
RL
R1D1
D2D3
D4+
_
Vi+
_
Vo
vi
vo D
3
D4
D2
D1
vi
vo
51
2.4 稳压二极管
稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊硅二极管。稳压
二极管的伏安特性曲线与硅二极管的伏安特性曲线完全一样
，稳压二极管伏安特性曲线的反向区、符号和典型应用电路
如图所示。
符号 应用电路
伏
安
特
性
52
2.4.1 稳压二极管参数
从稳压二极管的伏安特性曲线上可以确定稳压二极管的
参数。
(1) 稳定电压 VZ —— 在规定的稳压管反向工作电流 IZ下，所
对应的反向工作电压。
(2) 动态电阻 rZ —— 其概念与一般二极管的动态电阻相同，
只不过稳压二极管的动态电阻是从它的反向特性上求取的。
rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。
rZ =?VZ /?IZ
(3)稳定电压温度系数 —— ?VZ。 温度的变化将使 VZ改变，在稳
压管中当 ?VZ? ＞ 7 V时,VZ具有正温度系数，反向击穿是雪崩
击穿。当 ?VZ?＜ 4 V时,VZ具有负温度系数，反向击穿是齐纳
击穿。当 4 V＜ ?VZ? ＜ 7 V时，稳压管可以获得接近零的温度
系数。这样的稳压二极管可以作为标准稳压管使用。
53
稳压二极管参数
(4) 最大耗散功率 PZM ——稳压管的最大功率损耗取决于
PN结的面积和散热等条件。反向工作时 PN结的功率损耗为
PZ= VZ IZ，由 PZM和 VZ可以决定 IZmax。
(5) 最大稳定工作电流
IZmax 和最小稳定工作电
流 IZmin ——
稳压管的最大稳定工作电
流取决于最大耗散功率,
即 PZmax =VZIZmax 。而
Izmin对应 VZmin。 若 IZ＜
IZmin则不能稳压。
54
2.4.2 稳压管应用
稳压管正常工作的两个条件,a,必须工作在反
向击穿状态（利用其正向特性除外）； b,流过管子的
电流必须介于稳定电流和最大电流之间。
典型应用如图所示,
当输入电压 vi和负载电阻
RL在一定范围内变化时，
流过稳压管的电流发生变
化，而稳压管两端的电压
Vz变化很小，即输出电压
vo基本稳定。
R
I
R v
R
z L
I I
+
_
+
_
+
_
v Li oV
z
问题：不加 R可以吗？
稳压条件是什么？
电阻 R的作用一是起限流作用，
以保护稳压管；其次是当输入电压
或负载电流变化时，通过该电阻上
电压降的变化，以调节稳压管的工
作电流，从而起到稳压作用。
55
稳压管应用
如果输入电压 Vi （ Vi >VZ）
确定，稳压管处于稳压状态。
R
I
R v
R
z L
I I
+
_
+
_
+
_
v Li oV
z
负载电阻 RL太大,IL减小,IZ增大，只要 IZ < IZmax,稳
压管仍能正常工作。
负载电阻 RL太小,IL增大,IZ减小，只要 IZ > IZmin，稳
压管仍能正常工作。
ZoRLZ
Zi
R
VvIII
R
VV
I
???
?
? 不变
56
1.3 双极型 半导体
三极管
1.3.1 晶体三极管
1.3.2 晶体三极管 的特性曲线
1.3.3 晶体三极管 的主要参数
57
(Semiconductor Transistor) 1.3.1 晶体三极管
一、结构、符号和分类
N
N
P
发射极 E
基极 B
集电极 C
发射结
集电结
— 基区
— 发射区
— 集电区
emitter
base
collector
NPN 型
P
P
N
E
B
C
PNP 型
分类,
按材料分,
硅管、锗管
按结构分,
NPN,PNP
按使用频率分,
低频管、高频管
按功率分,
小功率管 < 500 mW
中功率管 0.5 ?1 W
大功率管 > 1 W E
C
B
E
C
B
58
二、电流放大原理
1,三极管放大的条件
内部
条件
发射区掺杂浓度高
基区薄且掺杂浓度低
集电结面积大
外部
条件
发射结正偏
集电结反偏
2,满足放大条件的三种电路
ui uo
C E
B E
C B
ui uo
E
C
B
ui uo
共发射极 共集电极 共基极
实现电路
ui
uo
RB R
C u
o ui RC RE
59
3,三极管内部载流子的传输过程
1) 发射区向基区注入多子 电子,
形成发射极电流 IE。 I CN
多数向 BC 结方向扩散形成 ICN。
IE
少数与空穴复合，形成 IBN 。
I BN 基区空
穴来源
基极电源提供 (IB)
集电区少子漂移 (ICBO)
I CBO
IB
IBN ? IB + ICBO 即,
IB = IBN – ICBO
3) 集电区收集扩散过来的载流子形成集电极电流 IC
IC
I C = ICN + ICBO
2)电子到达基区后
三极管内载流子运动
60
4,三极管的电流分配关系
当管子制成后, 发射区载流子浓度, 基区宽度, 集
电结面积等确定, 故电流的比例关系确定, 即,
IB = I BN ? ICBO IC = ICN + ICBO
BN
CN
I
I??
C E OBC B OBC )1( IIIII ????? ???
IE = IC + IB
穿透电流
C E OBC III ?? ?
BCE III ??
BC II ??
BE )1( II ??? C E OBE )1( III ??? ?
C B OB
C B OC
II
II
?
??
61
1.3.2 晶体三极管的特性曲线
一、输入特性
输入
回路
输出
回路 常数?? CE)( BEB uufi
0CE ?u 与二极管特性相似
RC
VCC
iB
IE
RB + u
BE
?
+
uCE
?
VBB
C
E
B
iC
+
?
+
?
iB
RB + u
BE
? VBB
+
?
BEu
Bi
O
0CE ?u
V 1CE ?u
0CE ?u
V 1CE ?u 特性基本 重合 (电流分配关系确定 )
特性右移 (因集电结开始吸引电子 )
导通电压 UBE(on) 硅管,(0.6 ? 0.8) V 锗管,(0.2 ? 0.3) V 取 0.7 V 取 0.2 V
VBB
+
?
RB
62
二、输出特性
常数?
?
B
)( CEC iufi
iC / mA
uCE /V
50 μA
40 μA
30 μA
20 μA
10 μA
IB = 0
O 2 4 6 8
4
3
2
1
1,截止区,IB ? 0
IC = ICEO ? 0
条件,两个结反偏
2,放大区,
C E OBC III ?? ?
3,饱和区,
uCE ? u BE
uCB = uCE ? u BE ? 0
条件,两个结正偏
特点,IC ? ? IB
临界饱和时,uCE = uBE
深度饱和时,
0.3 V (硅管 ) U
CE(SAT)= 0.1 V (锗管 )
放大区
截止区
饱
和
区
条件,发射结正偏
集电结反偏
特点,水平、等间隔
ICEO
输 出 特 性
63
三、温度对特性曲线的影响
1,温度升高，输入特性曲线 向左移。
温度每升高 1?C,UBE ? (2 ? 2.5) mV。
温度每升高 10?C,ICBO 约增大 1 倍。
2,温度升高，输出特性曲线 向上移。
BEu
Bi
O
T1 T2 >
iC
uCE
T1
iB = 0
T2 >
iB = 0 i
B = 0
温度每升高 1?C,? ?(0.5 ? 1)%。
输出特性曲线间距增大。
O
64
1.3.3 晶体三极管的主要参数
一、电流放大系数
1,共发射极电流放大系数
iC / mA
uCE /V
50 μA
40 μA
30 μA
20 μA
10 μA
IB = 0
O 2 4 6 8
4
3
2
1
? — 直流电流放大系数
B
C
C B OB
C B OC
BN
CN
I
I
II
II
I
I ?
?
????
? — 交流电流放大系数
?? ????
Bi
i C 一般为几十 ? 几百
2,共基极电流放大系数
?
?
?
??
?
?
?
?
?
??
11BC
C
E
C
II
I
I
I? ? 1 一般在 0.98 以上。
Q
82A1030 A1045.2 6
3
???? ?
?
8010 8.0A1010 A10)65.145.2( 6
3
??? ??? ?
?
98 8.0180 80 ???
二、极间反向饱和电流
CB 极 间反向饱和电流 ICBO,CE 极 间反向饱和电流 ICEO。
65
三、极限参数
1,ICM — 集电极最大允许电流，超过时 ? 值明显降低。
U(BR)CBO — 发射极开路时 C,B 极 间反向击穿电压。
2,PCM — 集电极最大允许功率损耗 PC = iC ? uCE。
3,U(BR)CEO — 基极开路时 C,E 极 间反向击穿电压。
U(BR)EBO — 集电极极开路时 E,B 极 间反向击穿电压。
U(BR)CBO > U(BR)CEO > U(BR)EBO
(P34 2.1.7)已知,
ICM = 20 mA,PCM = 100 mW，
U(BR)CEO = 20 V,
当 UCE = 10 V 时,IC < mA
当 UCE = 1 V，则 IC < mA
当 IC = 2 mA，则 UCE < V
10
20
20
iC
ICM
U(BR)CEO uCE
PCM
O
ICEO
安
全
工
作
区
66
1.4 单极型 半导体
三极管
引 言
1.4.1 结型场效应管
1.4.3 场效应管的主要参数
1.4.2 MOS 场效应管
67
引 言
场效应管 FET (Field Effect Transistor)
类型,
结型 JFET (Junction Field Effect Transistor)
绝缘栅型 IGFET(Insulated Gate FET)
特点,
1,单极性器件 (一种载流子导电 )
3,工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低
2,输入电阻高 (107 ? 1015 ?,IGFET 可高达 1015 ?)
68
1.4.1 结型场效应管
1,结构与符号
N 沟道 JFET P 沟道 JFET
69
2,工作原理
uGS ? 0,uDS > 0
此时 uGD = UGS(off)；
沟道楔型
耗尽层刚相碰时称 预夹断。
预夹断
当 uDS ?,预夹断 点 下移。
3,转移特性和输出特性
UGS(off)
当 UGS(off) ? uGS ? 0 时,
2
G S ( o ff )
GS
D S SD )1( U
uIi ??
uGS
iD I
DSS
uDS
iD
uGS = – 3 V
– 2 V
– 1 V
0 V
– 3 V O
O
70
一、增强型 N 沟道 MOSFET
(Mental Oxide Semi— FET)
1.4.2 MOS 场效应管
1,结构与符号
P 型衬底
(掺杂浓度低 )
N+ N+ 用扩散的方法
制作两个 N 区
在硅片表面生一
层薄 SiO2 绝缘层
S D
用金属铝引出
源极 S 和漏极 D
G
在绝缘层上喷金
属铝引出栅极 G
B
耗尽层
S — 源极 Source
G — 栅极 Gate
D — 漏极 Drain S G
D
B
71
2,工作原理
1)uGS 对导电沟道的影响 (uDS = 0)
a,当 UGS = 0, DS 间为两个背对背的 PN 结；
b,当 0 < UGS < UGS(th)(开启电压 )时,GB 间的垂直电
场吸引 P 区中电子形成离子区 (耗尽层 )；
c,当 uGS ? UGS(th) 时，衬底中电子被吸引到表面，形
成导电沟道。 uGS 越大 沟道越厚。
反型层
(沟道 )
72
2) uDS 对 iD的影响 (uGS > UGS(th))
DS 间的电位差使
沟道呈楔形, uDS?，
靠近漏极端的沟道厚
度变薄 。
预夹断 (UGD = UGS(th)),漏极附近反型层消失。
预夹断发生之前,uDS? iD?。
预夹断发生之后,uDS? iD 不变。
73
3,转移特性曲线
DS)( GSD Uufi ?
2 4 6
4
3
2
1
uGS /V
iD /mA
UDS = 10 V
UGS (th)
当 uGS > UGS(th) 时,
2
G S ( t h )
GSDOD )1( ??
U
uIi
uGS = 2UGS(th) 时的 iD 值
4,输出特性曲线
GS)( DSD Uufi ?
可变电阻区 uDS < uGS ? UGS(th)
uDS?? iD ?，直到预夹断
饱和 (放大区 ) uDS?,iD 不变
?uDS 加在耗尽层上，沟道电阻不变
截止区 uGS ? UGS(th) 全夹断 iD = 0
开启电压
iD /mA
uDS /V
uGS = 2 V
4 V
6 V
8 V
截止区
饱和区
可 变
电 阻
区
放大区 恒流区
O
O
74
二、耗尽型 N 沟道 MOSFET
S
G
D
B
Sio2 绝缘层中掺入正离子
在 uGS = 0 时已形成沟道；
在 DS 间加正电压时形成 iD,
uGS ? UGS(off) 时，全夹断。
输出特性
uGS /V
iD /mA
转移特性
IDSS
UGS(off)
夹断
电压
饱和漏
极电流
当 uGS ? UGS(off) 时,2
( o f f )
)1(
GS
GS
D S SD U
uIi ??
uDS /V
iD /mA
uGS = ? 4 V
? 2 V
0 V
2 V
O O
75
三,P 沟道 MOSFET
增强型 耗尽型
S
G
D
B
S
G
D
B
76
N 沟道 增强型 S
G
D
B
iD
P 沟道 增强型
S
G
D
B
iD
2 – 2 O uGS /V
iD /mA
UGS(th)
O uDS /V
iD /mA
– 2 V
– 4 V
– 6 V
– 8 V uGS = 8 V
6 V
4 V
2 V
S
G
D
B
iD
N 沟道耗尽 型
iD
S
G
D
B
P 沟道耗尽 型
UGS(off)
IDSS
uGS /V
iD /mA
– 5 O 5 O uDS /V
iD /mA
5 V
2 V
0 V
–2 V uGS = 2 V
0 V
– 2 V
– 5 V
N 沟道结 型 S
G
D
iD
S G
D
iD
P 沟道结 型
uGS /V
iD /mA
5 – 5 O
IDSS UGS(off)
O uDS /V
iD /mA
5 V
2 V
0 V uGS = 0 V
– 2 V
– 5 V
FET 符号、特性的比较
77
1.6.3 场效应管的主要参数
1,开启电压 UGS(th)(增强型 )
夹断电压 UGS(off)(耗尽型 )
指 uDS = 某值，使漏极电流 iD
为某一小电流时的 uGS 值。 UGS(th) UGS(off)
2,饱和漏极电流 IDSS
耗尽型场效应管，当 uGS = 0 时所对应的漏极电流。
3,直流输入电阻 RGS
指漏源间短路时，栅、源间加反向电压呈现的直
流电阻。
JFET,RGS > 107 ?
MOSFET,RGS = 109 ? 1015 ?
IDSS
uGS /V
iD /mA
O
78
4,低频跨导 gm
常数??
??
DSGS
D
m Uu
ig
反映了 uGS 对 iD 的控制能力,
单位 S(西门子 )。一般为几 毫西 (mS)
uGS /V
iD /mA
Q
PDM = uDS iD，受温度限制。
5,漏源动态电阻 rds
常数??
??
GSd
DS
ds ui
ur
6,最大漏极功耗 PDM
O
第一章 半导体器件基础
?教学时数,8学时
?重点与难点,
?1,PN结的原理和二极管的等效电路 。
?2,半导体内部载流子运动规律 。
?3,晶体二极管, 晶体三极管, 结型场效应
管, 绝缘栅型场应管的工作原理和特性曲
线 。
2
§ 1.1 半导体基础知识
1.1 半导体基础知识
1.1.1 本征半导体
根据物体导电能力 (电阻率 )的不同，来划分导体、绝
缘体和半导体。
1,导体：容易导电的物体。
2,绝缘体：几乎不导电的物体。
3
3,半导体
３．半导体是导电性能介于导体和绝缘体之间
的物体。在一定条件下可导电。
半导体的电阻率为 10-3～ 109 ??cm。典型的半导
体有 硅 Si和 锗 Ge以及 砷化镓 GaAs等。
半导体特点,
1) 在外界能源的作用下，导电性能显著变
化。光敏元件、热敏元件属于此类。
2) 在纯净半导体内掺入杂质，导电性能显
著增加。二极管、三极管属于此类。
4
1.1.2 本征半导体
1,本征半导体 —— 化学成分纯净的半导体。 制造半
导体器件的半导体材料的纯度要达到 99.9999999%，
常称为“九个 9” 。 它在物理结构上呈单晶体形态。
电子技术中用的最多的是 硅 和 锗 。
硅 和 锗 都是 4价元素，它们的外层电子都是 4个。其
简化原子结构模型如下图,
锗 硅
电子 外层电子受原子核的束缚
力最小，成为价电子。物
质的性质是由价电子决定
的 。
5
2.本征半导体的共价键结构
本征晶体中各原子之间靠得很近，使原分属于各
原子的四个价电子同时受到相邻原子的吸引，分别与
周围的四个原子的价电子形成 共价键 。共价键中的价
电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形
成排列有序的晶体。如下图所示,
硅晶体的空间排列 共价键结构平面示意图
6
共价键性质
共价键上的两个电子是由相邻原子各用一个电
子组成的，这两个电子被成为 束缚电子 。
束缚电子同时受两个原子的约束，如果没有足够
的能量，不易脱离轨道。
因此，在绝对温度 T=0?K（ -273 ?C） 时，由于共
价键中的电子被束缚着，本征半导体中没有自由电子，
不导电。只有在激发下，本征半导体才能导电。
7
3,电子与空穴
+4 +4
+4 +4
自由电子
空穴 束缚电子
共
价
键
当导体处于热
力学温度 0?K时,
导体中没有自由电
子 。 当温度升高或
受到光的照射时,
价电子能量增高,
有的价电子可以挣
脱原子核的束缚,
而参与导电, 成为
自由电子 。
这一现象称为 本征激发, 也称 热激发 。
8
４．电子与空穴
自由电子产生的同时，在其原来的共价键
中就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，
呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等
，人们常称呈现正电性的这个空位为 空穴 。
9
５．电子与空穴的复合
可见因热激发而出现的自由电子和空穴是
同时成对出现的，称为 电子空穴对 。游离的部分自
由电子也可能回到空穴中去，称为 复合,如图所示
。本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。
本征激发和复合的过程（动画）
10
６．空穴的移动
由于共价键中出现了空穴，在外加能源的激发
下，邻近的价电子有可能挣脱束缚补到这个空位上，
而这个电子原来的位置又出现了空穴，其它电子又
有可能转移到该位置上。这样一来在共价键中就出
现了 电荷迁移 — 电流。
空穴在晶体中的移动（动画）
电流的方向与电子移动的
方向相反，与空穴移动的
方向相同。本征半导体中，
产生电流的根本原因是由
于共价键中出现了空穴。
由于空穴数量有限，所以
其电阻率很大。
11
1.1.3 杂质半导体
在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂
质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂
质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体
称为 杂质半导体 。
(1) N型半导体
(2) P型半导体
12
1,N型半导体
在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷
可形成 N型半导体,也称 电子型半导体 。因五价杂质
原子中只有 四个价电子 能与周围四个半导体原子中的
价电子形成共价键，而多余的 一个价电子 因无共价键
束缚而很容易形成自由电子。 自由电子
在 N型半导体
中 自由 电子是多数载
流子,它主要由 杂质原
子提供； 另外，硅晶
体 由于热激发 会产生
少量的电子空穴对，
所以 空穴是少数载流
子。
13
N型半导体结构
提供自由电子的五价杂质原子因失去一个电子而带
单位正电荷而成为 正离子,因此五价杂质原子也称为
施主杂质 。 N型半导体的结构示意图如下图所示。
磷原子核
自由电子
所以,N型半导体中的导电粒子有两种,
自由电子 —多数载流子（由两部分组成）
空穴 ——少数载流子
14
2,P型半导体
在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、
铟等形成了 P型半导体, 也称为 空穴型半导体 。
因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一
个价电子而在共价键中留下一个空穴。当相邻共价键上
的电子因受激发获得能量时，就可能填补这个空穴，而
产生新的空穴。空穴是其主要载流子。
15
P型半导体结构
在 P型半导体中，硼原子很容易由于俘获一个电
子而成为一个带单位负电荷的 负离子,三价杂质 因而
也称为 受主杂质 。 而硅原子的共价键由于失去一个电
子而形成空穴。所以 P型半导体的结构示意图如图所
示。
硼原子核
空穴
P型半导体中,空穴是多数载流子, 主要由掺杂形成；
电子是少数载流子,由热激发形成。
16
本节中的有关概念
? 本征半导体、杂质半导体
? 自由电子、空穴
? N型半导体,P型半导体
? 多数载流子、少数载流子
? 施主杂质、受主杂质
17
2.2 PN结及其特性
PN结的形成
PN结的单向导电性
PN结的电容效应
18
PN结的形成
当扩散和漂移运动达到平衡后，空间电荷区的
宽度和内电场电位就相对稳定下来。此时，有多少个
多子扩散到对方，就有多少个少子从对方飘移过来，
二者产生的电流大小相等，方向相反。因此，在相对
平衡时，流过 PN结的电流为 0。
内电场
空间电荷区 耗尽层 电子 空穴
P区 N区
19
PN结的形成
对于 P型半导体和 N型半导体结合面，离子薄层形
成的 空间电荷区 称为 PN结 。在空间电荷区，由于缺少
多子，所以也称 耗尽层 。由于耗尽层的存在,PN结的
电阻很大。
PN结的形成过程（动画）
PN结的形成过程中
的两种运动,
多数载流子扩散
少数载流子飘移
20
PN结的单向导电性
PN结具有单向导电性,若外加电压使电流从 P
区流到 N区,PN结呈低阻性，所以电流大；反之
是高阻性，电流小。
如果外加电压使 PN结中,
P区的电位高于 N区的电位，称为加 正向电压,
简称 正偏 ；
P区的电位低于 N区的电位，称为加 反向电压,
简称 反偏 。
21
(1) PN结加正向电压时的导电情况
外加的正向电压有一部分降落在 PN结区，方向与 PN结
内电场方向相反，削弱了内电场。于是,内电场对多子扩散
运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电
流，可忽略漂移电流的影响,PN结呈现低阻性。
PN结加正向电压
时的导电情况 （动画）
内电场方向
i D / mA
1, 0
0,5
– 0,5– 1, 0 0,50 1,0 ? D /V
PN结的伏安特性
? 低电阻
? 大的正向扩散电流
22
(2) PN结加反向电压时的导电情况
外加的反向电压方向与 PN结内电场方向相同，加强了内
电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小
。此时 PN结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩
散电流，可忽略扩散电流,PN结呈现高阻性。
PN结加反向电压时的导电
情况（动画）
内电场方向
i D / mA
1, 0
0,5
i D = – I S
– 0,5– 1, 0 0,50 1,0 ? D /V
PN结的伏安特性
在一定的温度条件下,
由本征激发决定的少子浓
度是一定的，故少子形成
的漂移电流是恒定的，基
本上与所加反向电压的大
小无关，这个电流也称为
反向饱和电流 。
? 高电阻
? 很小的反向漂移电流
23
（ 3） PN结的伏安特性
PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正
向扩散电流； PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有
很小的反向漂移电流。由此可以得出结论,PN结具有
单向导电性。
V
I
F
F
O
A
B
C
24
3,PN结方程
根据理论分析,PN结两端的电压
V与流过 PN结的电流 I之间的关系为,
)(eII TU
U
S 1-?
其中,
IS为 PN结的反向饱和电流；
UT称 为温度电压当量，在温度为 300K(27° C)
时,UT约为 26mV；
所以上式常写为,
)1-(= 26 mV
V
S eII
25
PN结方程
PN结正偏时，如果 V> VT 几倍以上，上式可改写为,
即 I随 V按指数规律变化。
mV
V
S eII
26?
PN结反偏时，如果 │V │> VT几倍以上,上
式可改写为,
其中负号表示为反向。
SII ??
26
4,PN结的击穿特性
如图所示，当加在 PN结上的反向电压增加到一定数值时，
反向电流突然急剧增大,PN结产生电击穿 —这就是 PN结的
击穿特性。
发生击穿时的反偏电压称为 PN结的反向击穿电压 VBR。
PN结被击穿后,PN结上的
压降高，电流大，功率大。当 PN
结上的功耗使 PN结发热，并超过
它的耗散功率时,PN结将发生 热
击穿 。这时 PN结的电流和温度之
间出现恶性循环，最终将导致 PN
结烧毁。
热击穿 ——不可逆 雪崩击穿 齐纳击穿 电击穿 ——可逆
27
5, PN结的电容效应
PN结除了具有单向导电性外，还有一定的
电容效应。按产生电容的原因可分为,
势垒电容 CB,
扩散电容 CD 。
28
(1) 势垒电容 CB
势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。
当外加电压使 PN结上压降发生变化时，离子薄层
的厚度也相应地随之改变，这相当 PN结中存储的
电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。势垒电容
的示意图如下图。
势垒电容示意图
29
(2) 扩散 电容 CD
扩散电容是由多子扩
散后，在 PN结的另一侧面
积累而形成的。因 PN结正
偏时，由 N区扩散到 P区的
电子，与外电源提供的空
穴相复合，形成正向电流
。刚扩散过来的电子就堆
积在 P 区内紧靠 PN结的附
近，形成一定的多子浓度
梯度分布曲线。 扩散电容示意图
反之，由 P区扩散到 N区的空穴，在 N区内也形成类似
的浓度梯度分布曲线。扩散电容的示意图如图所示。
30
扩散 电容 CD
当外加正向电压不同时，
扩散电流即外电路电流
的大小也就不同。所以
PN结两侧堆积的多子的
浓度梯度分布也不同，
这就相当电容的充放电
过程。势垒电容和扩散
电容均是非线性电容。
扩散电容示意图 PN结在反偏时主要考虑 势垒电容。
PN结在正偏时主要考虑扩散 电容。
31
1.2.1 半导体二极管的结构类型
在 PN结上加上引线和封装，就成为一个二极
管。二极管按结构分有 点接触型、面接触型和平面
型 三大类。它们的结构示意图如下图所示。
(1) 点接触型二极管 —
PN结面积小，结电容小,
用于检波和变频等高频电路。
点接触型 二极管的结构示意图
32
二极管的结构
平面型
(3) 平面型二极管 —
往往用于集成电路制造工
艺中。 PN 结面积可大可小，用
于高频整流和开关电路中。
(2) 面接触型二极管 — PN结面积大，用
于工频大电流整流电路。
面接触型
33
1.2.2 半导体二极管的伏安特性曲线
半导体二
极管的伏安
特性曲线如
图所示。处
于第一象限
的是正向伏
安特性曲线
，处于第三
象限的是反
向伏安特性
曲线。
34
二极管的伏安特性曲线
根据理论推导，二极管的伏安特性曲线可用下式表示
式中 IS 为反向饱和电流,V 为二极管两端的
电压降,VT =kT/q 称为温度的电压当量,k为玻
耳兹曼常数,q 为电子电荷量,T 为热力学温度
。对于室温（相当 T=300 K），则有 VT=26 mV。
)1(e TS ?? V
V
II
35
硅 二极管的开启电压
Von=0.5 V左右,
锗 二极管的开启电压
Von=0.1 V左右。
当 0＜ V＜ Von时，正向电流为零,Von称为死区电压
或开启电压。
当 V＞ 0即处于正向特性区域。正向区又分为两段,
当 V＞ Von时，开始出现正向
电流，并按指数规律增长。
(1) 正向特性
36
当 V＜ 0时，即处于反向特性区域。反向区也分
两个区域,
当 VBR＜ V＜ 0时，反向电流很小，且基本不随反
向电压的变化而变化，此时的反向电流也称 反向饱
和电流 IS 。
当 V≥VBR时，反向
电流急剧增加,VBR
称为 反向击穿电压 。
(2) 反向特性
37
反向特性
在反向区，硅二极管和锗二极管的特性有所不同。
硅二极管 的反向击穿特性比较硬、比较陡，反向饱
和电流也很小； 锗二极管 的反向击穿特性比较软，过
渡比较圆滑，反向饱和电流较大。
从击穿的机理上
看，硅二极管若
|VBR|≥7V时,主要是雪
崩击穿；若 |VBR|≤4V
时,则主要是齐纳击穿
。当在 4V～ 7V之间两
种击穿都有，有可能
获得零温度系数点。
38
2.3.4 半导体二极管的温度特性
温度对二极管的性能有较大的影响，温度升高时，
反向电流将呈指数规律增加，如硅二极管温度每增加
8℃,反向电流将约增加一倍；锗二极管温度每增加
12℃,反向电流大约增加一倍。近似认为 二极管管温
度每增加 10℃,反向电流大约增加一倍
另外，温度升高时，
二极管的正向压降将
减小，每增加 1℃,正
向压降大约减小 2mV，
即具有负的温度系数。
这些可以从所示二极
管的伏安特性曲线上
看出。
39
1.2.3 半导体二极管的参数
半导体二极管的参数包括最大整流电流 IF,反向
击穿电压 UBR,最大反向工作电压 UR,反向电流 IR,最
高工作频率 fmax和结电容 Cj等 。 几个主要的参数介绍
如下,
(1) 最大整流电流 IF——
二极管长期连续工
作时，允许通过二
极管的最大整流
电流的平均值。
(2) 反向击穿电压 UBR———
和最大反向工作电压 UR
二极管反向电流
急剧增加时对应的反向
电压值称为反向击穿
电压 UBR。
为安全计，在实际
工作时，最大反向工作电压
UR一般只按反向击穿电压
UBR的一半计算。
40
半导体二极管的参数
(3) 反向电流 IR, 在室温下，在规定的反向电压下，
一般是最大反向工作电压下的反向电流值。硅二
极管的反向电流一般在纳安 (nA;10-9A)级；锗二极
管在微安 (?A)级。
(4) 正向压降 UF：在规定的正向电流下，二极管
的正向电压降。小电流硅二极管的正向压降在
中等电流水平下，约 0.6～ 0.8V；锗二极管约 0.2
～ 0.3V。
(5) 动态电阻 rd：反映了二极管正向特性曲线斜
率的倒数。显然,rd与工作电流的大小有关，
即 rd =?VF /?IF
41
2.3.6 二极管电路及其分析方法
简单的二极管电路如图所示，由二极管、电阻和
电压源组成，其分析方法一般有两种,
图解法、模型法（等效电路法）。
D
R
V I
A B
+
_
V
D
42
I
O VBR
IS
1,图解法
图示电路可分为 A,B两部分。
D
R
V I
A B
+
_
V
D
A部分的电压与电流关系,VD=V - IR
B部分的电压与电流关系就是二极管的伏安特性。
在二极管的伏安特性上画出 VD=V - IR,如图所示,
(V,0)
R V (0,)
Q I
D
VD
最后得出二极管两端的电压 VD和流过二极管的
电流 I，如图所示。
43
2,模型分析法
(1) 二极管的大信号模型,
根据二极管伏安特性，可把它分成导通和截
止两种状态。
如图所示,
VD<0.7V 截止
VD>0.7V 导通
VD<0.2V 截止
VD>0.2V 导通
这就是二极管的大
信号模型。
硅管
锗管
44
大信号模型
所以二极管导通时，其上的电压和流过它的电流
可表示为,
一般硅二极管正向导通压降为 0.6V~0.8V
锗二极管正向导通压降为 0.1V~0.3V
以 0.7或 0.2计算将引入 10%的误差。但如果 V足够大，
则 VD实际引入的误差并不大。
R
V
I
VV D
7.0
7.0
?
?
? 硅管
R
V
I
VV D
2.0
2.0
?
?
? 锗管
R
V
R
VVI D ???如果 V >>0.7V(0.3V),
45
理想模型
I D
O
0.7V
理想二极管
大信号模型
0.7V
46
1.2.4 二极管及二极管特性的折线近似
一、理想二极管
特性
uD
iD 符号及
等效模型 S S
正偏导通,uD = 0；反偏截止,iD = 0 U(BR) = ?
二、二极管的恒压降模型
uD
iD
UD(on)
uD = UD(on) 0.7 V (Si)
0.2 V (Ge) UD(on)
三、二极管的折线近似模型
uD
iD
UD(on) ?U
?I
I
Ur
?
??
D
斜率 1/ rD rD U
D(on)
47
小信号模型
(2) 二极管的小信号模型,
从二极管伏安特性上看出，
二极管导通后，其电压变化量与
电流变化量之比近似于常数,
此时的二极管相当于一个动态电
阻，其阻值是正向特性曲线在工
作点上的斜率的倒数，如图所示。
dI
dV
I
V
D
DDr ≈
?
??
48
2.3.7 二极管基本应用
1.利用伏安特性的非线性构成（限幅电路）
例 1：如图所示,
D2
D1
R
+
_
Vi
+
_
Vo
D1
D2
vi vo
1,4 V
vo
vi
49
二极管基本应用
|vi |<0.7V时,D1,D2截止，所以 vo=vi
| vi |>0.7V时,D1,D2中有一个导通，所以 vo =0.7V
D1
D2
R+
_
+
_
例 2：如图所示,
vo vi
D2
D1
0,7 V
-0,7 V
vo
vi
50
二极管基本应用
2,利用单向导电性构成整流和开关电路
不管输入信号处于正或负半周，负载上得到
的都是正向电压。
全波整流电路,
RL
R1D1
D2D3
D4+
_
Vi+
_
Vo
vi
vo D
3
D4
D2
D1
vi
vo
51
2.4 稳压二极管
稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊硅二极管。稳压
二极管的伏安特性曲线与硅二极管的伏安特性曲线完全一样
，稳压二极管伏安特性曲线的反向区、符号和典型应用电路
如图所示。
符号 应用电路
伏
安
特
性
52
2.4.1 稳压二极管参数
从稳压二极管的伏安特性曲线上可以确定稳压二极管的
参数。
(1) 稳定电压 VZ —— 在规定的稳压管反向工作电流 IZ下，所
对应的反向工作电压。
(2) 动态电阻 rZ —— 其概念与一般二极管的动态电阻相同，
只不过稳压二极管的动态电阻是从它的反向特性上求取的。
rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。
rZ =?VZ /?IZ
(3)稳定电压温度系数 —— ?VZ。 温度的变化将使 VZ改变，在稳
压管中当 ?VZ? ＞ 7 V时,VZ具有正温度系数，反向击穿是雪崩
击穿。当 ?VZ?＜ 4 V时,VZ具有负温度系数，反向击穿是齐纳
击穿。当 4 V＜ ?VZ? ＜ 7 V时，稳压管可以获得接近零的温度
系数。这样的稳压二极管可以作为标准稳压管使用。
53
稳压二极管参数
(4) 最大耗散功率 PZM ——稳压管的最大功率损耗取决于
PN结的面积和散热等条件。反向工作时 PN结的功率损耗为
PZ= VZ IZ，由 PZM和 VZ可以决定 IZmax。
(5) 最大稳定工作电流
IZmax 和最小稳定工作电
流 IZmin ——
稳压管的最大稳定工作电
流取决于最大耗散功率,
即 PZmax =VZIZmax 。而
Izmin对应 VZmin。 若 IZ＜
IZmin则不能稳压。
54
2.4.2 稳压管应用
稳压管正常工作的两个条件,a,必须工作在反
向击穿状态（利用其正向特性除外）； b,流过管子的
电流必须介于稳定电流和最大电流之间。
典型应用如图所示,
当输入电压 vi和负载电阻
RL在一定范围内变化时，
流过稳压管的电流发生变
化，而稳压管两端的电压
Vz变化很小，即输出电压
vo基本稳定。
R
I
R v
R
z L
I I
+
_
+
_
+
_
v Li oV
z
问题：不加 R可以吗？
稳压条件是什么？
电阻 R的作用一是起限流作用，
以保护稳压管；其次是当输入电压
或负载电流变化时，通过该电阻上
电压降的变化，以调节稳压管的工
作电流，从而起到稳压作用。
55
稳压管应用
如果输入电压 Vi （ Vi >VZ）
确定，稳压管处于稳压状态。
R
I
R v
R
z L
I I
+
_
+
_
+
_
v Li oV
z
负载电阻 RL太大,IL减小,IZ增大，只要 IZ < IZmax,稳
压管仍能正常工作。
负载电阻 RL太小,IL增大,IZ减小，只要 IZ > IZmin，稳
压管仍能正常工作。
ZoRLZ
Zi
R
VvIII
R
VV
I
???
?
? 不变
56
1.3 双极型 半导体
三极管
1.3.1 晶体三极管
1.3.2 晶体三极管 的特性曲线
1.3.3 晶体三极管 的主要参数
57
(Semiconductor Transistor) 1.3.1 晶体三极管
一、结构、符号和分类
N
N
P
发射极 E
基极 B
集电极 C
发射结
集电结
— 基区
— 发射区
— 集电区
emitter
base
collector
NPN 型
P
P
N
E
B
C
PNP 型
分类,
按材料分,
硅管、锗管
按结构分,
NPN,PNP
按使用频率分,
低频管、高频管
按功率分,
小功率管 < 500 mW
中功率管 0.5 ?1 W
大功率管 > 1 W E
C
B
E
C
B
58
二、电流放大原理
1,三极管放大的条件
内部
条件
发射区掺杂浓度高
基区薄且掺杂浓度低
集电结面积大
外部
条件
发射结正偏
集电结反偏
2,满足放大条件的三种电路
ui uo
C E
B E
C B
ui uo
E
C
B
ui uo
共发射极 共集电极 共基极
实现电路
ui
uo
RB R
C u
o ui RC RE
59
3,三极管内部载流子的传输过程
1) 发射区向基区注入多子 电子,
形成发射极电流 IE。 I CN
多数向 BC 结方向扩散形成 ICN。
IE
少数与空穴复合，形成 IBN 。
I BN 基区空
穴来源
基极电源提供 (IB)
集电区少子漂移 (ICBO)
I CBO
IB
IBN ? IB + ICBO 即,
IB = IBN – ICBO
3) 集电区收集扩散过来的载流子形成集电极电流 IC
IC
I C = ICN + ICBO
2)电子到达基区后
三极管内载流子运动
60
4,三极管的电流分配关系
当管子制成后, 发射区载流子浓度, 基区宽度, 集
电结面积等确定, 故电流的比例关系确定, 即,
IB = I BN ? ICBO IC = ICN + ICBO
BN
CN
I
I??
C E OBC B OBC )1( IIIII ????? ???
IE = IC + IB
穿透电流
C E OBC III ?? ?
BCE III ??
BC II ??
BE )1( II ??? C E OBE )1( III ??? ?
C B OB
C B OC
II
II
?
??
61
1.3.2 晶体三极管的特性曲线
一、输入特性
输入
回路
输出
回路 常数?? CE)( BEB uufi
0CE ?u 与二极管特性相似
RC
VCC
iB
IE
RB + u
BE
?
+
uCE
?
VBB
C
E
B
iC
+
?
+
?
iB
RB + u
BE
? VBB
+
?
BEu
Bi
O
0CE ?u
V 1CE ?u
0CE ?u
V 1CE ?u 特性基本 重合 (电流分配关系确定 )
特性右移 (因集电结开始吸引电子 )
导通电压 UBE(on) 硅管,(0.6 ? 0.8) V 锗管,(0.2 ? 0.3) V 取 0.7 V 取 0.2 V
VBB
+
?
RB
62
二、输出特性
常数?
?
B
)( CEC iufi
iC / mA
uCE /V
50 μA
40 μA
30 μA
20 μA
10 μA
IB = 0
O 2 4 6 8
4
3
2
1
1,截止区,IB ? 0
IC = ICEO ? 0
条件,两个结反偏
2,放大区,
C E OBC III ?? ?
3,饱和区,
uCE ? u BE
uCB = uCE ? u BE ? 0
条件,两个结正偏
特点,IC ? ? IB
临界饱和时,uCE = uBE
深度饱和时,
0.3 V (硅管 ) U
CE(SAT)= 0.1 V (锗管 )
放大区
截止区
饱
和
区
条件,发射结正偏
集电结反偏
特点,水平、等间隔
ICEO
输 出 特 性
63
三、温度对特性曲线的影响
1,温度升高，输入特性曲线 向左移。
温度每升高 1?C,UBE ? (2 ? 2.5) mV。
温度每升高 10?C,ICBO 约增大 1 倍。
2,温度升高，输出特性曲线 向上移。
BEu
Bi
O
T1 T2 >
iC
uCE
T1
iB = 0
T2 >
iB = 0 i
B = 0
温度每升高 1?C,? ?(0.5 ? 1)%。
输出特性曲线间距增大。
O
64
1.3.3 晶体三极管的主要参数
一、电流放大系数
1,共发射极电流放大系数
iC / mA
uCE /V
50 μA
40 μA
30 μA
20 μA
10 μA
IB = 0
O 2 4 6 8
4
3
2
1
? — 直流电流放大系数
B
C
C B OB
C B OC
BN
CN
I
I
II
II
I
I ?
?
????
? — 交流电流放大系数
?? ????
Bi
i C 一般为几十 ? 几百
2,共基极电流放大系数
?
?
?
??
?
?
?
?
?
??
11BC
C
E
C
II
I
I
I? ? 1 一般在 0.98 以上。
Q
82A1030 A1045.2 6
3
???? ?
?
8010 8.0A1010 A10)65.145.2( 6
3
??? ??? ?
?
98 8.0180 80 ???
二、极间反向饱和电流
CB 极 间反向饱和电流 ICBO,CE 极 间反向饱和电流 ICEO。
65
三、极限参数
1,ICM — 集电极最大允许电流，超过时 ? 值明显降低。
U(BR)CBO — 发射极开路时 C,B 极 间反向击穿电压。
2,PCM — 集电极最大允许功率损耗 PC = iC ? uCE。
3,U(BR)CEO — 基极开路时 C,E 极 间反向击穿电压。
U(BR)EBO — 集电极极开路时 E,B 极 间反向击穿电压。
U(BR)CBO > U(BR)CEO > U(BR)EBO
(P34 2.1.7)已知,
ICM = 20 mA,PCM = 100 mW，
U(BR)CEO = 20 V,
当 UCE = 10 V 时,IC < mA
当 UCE = 1 V，则 IC < mA
当 IC = 2 mA，则 UCE < V
10
20
20
iC
ICM
U(BR)CEO uCE
PCM
O
ICEO
安
全
工
作
区
66
1.4 单极型 半导体
三极管
引 言
1.4.1 结型场效应管
1.4.3 场效应管的主要参数
1.4.2 MOS 场效应管
67
引 言
场效应管 FET (Field Effect Transistor)
类型,
结型 JFET (Junction Field Effect Transistor)
绝缘栅型 IGFET(Insulated Gate FET)
特点,
1,单极性器件 (一种载流子导电 )
3,工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低
2,输入电阻高 (107 ? 1015 ?,IGFET 可高达 1015 ?)
68
1.4.1 结型场效应管
1,结构与符号
N 沟道 JFET P 沟道 JFET
69
2,工作原理
uGS ? 0,uDS > 0
此时 uGD = UGS(off)；
沟道楔型
耗尽层刚相碰时称 预夹断。
预夹断
当 uDS ?,预夹断 点 下移。
3,转移特性和输出特性
UGS(off)
当 UGS(off) ? uGS ? 0 时,
2
G S ( o ff )
GS
D S SD )1( U
uIi ??
uGS
iD I
DSS
uDS
iD
uGS = – 3 V
– 2 V
– 1 V
0 V
– 3 V O
O
70
一、增强型 N 沟道 MOSFET
(Mental Oxide Semi— FET)
1.4.2 MOS 场效应管
1,结构与符号
P 型衬底
(掺杂浓度低 )
N+ N+ 用扩散的方法
制作两个 N 区
在硅片表面生一
层薄 SiO2 绝缘层
S D
用金属铝引出
源极 S 和漏极 D
G
在绝缘层上喷金
属铝引出栅极 G
B
耗尽层
S — 源极 Source
G — 栅极 Gate
D — 漏极 Drain S G
D
B
71
2,工作原理
1)uGS 对导电沟道的影响 (uDS = 0)
a,当 UGS = 0, DS 间为两个背对背的 PN 结；
b,当 0 < UGS < UGS(th)(开启电压 )时,GB 间的垂直电
场吸引 P 区中电子形成离子区 (耗尽层 )；
c,当 uGS ? UGS(th) 时，衬底中电子被吸引到表面，形
成导电沟道。 uGS 越大 沟道越厚。
反型层
(沟道 )
72
2) uDS 对 iD的影响 (uGS > UGS(th))
DS 间的电位差使
沟道呈楔形, uDS?，
靠近漏极端的沟道厚
度变薄 。
预夹断 (UGD = UGS(th)),漏极附近反型层消失。
预夹断发生之前,uDS? iD?。
预夹断发生之后,uDS? iD 不变。
73
3,转移特性曲线
DS)( GSD Uufi ?
2 4 6
4
3
2
1
uGS /V
iD /mA
UDS = 10 V
UGS (th)
当 uGS > UGS(th) 时,
2
G S ( t h )
GSDOD )1( ??
U
uIi
uGS = 2UGS(th) 时的 iD 值
4,输出特性曲线
GS)( DSD Uufi ?
可变电阻区 uDS < uGS ? UGS(th)
uDS?? iD ?，直到预夹断
饱和 (放大区 ) uDS?,iD 不变
?uDS 加在耗尽层上，沟道电阻不变
截止区 uGS ? UGS(th) 全夹断 iD = 0
开启电压
iD /mA
uDS /V
uGS = 2 V
4 V
6 V
8 V
截止区
饱和区
可 变
电 阻
区
放大区 恒流区
O
O
74
二、耗尽型 N 沟道 MOSFET
S
G
D
B
Sio2 绝缘层中掺入正离子
在 uGS = 0 时已形成沟道；
在 DS 间加正电压时形成 iD,
uGS ? UGS(off) 时，全夹断。
输出特性
uGS /V
iD /mA
转移特性
IDSS
UGS(off)
夹断
电压
饱和漏
极电流
当 uGS ? UGS(off) 时,2
( o f f )
)1(
GS
GS
D S SD U
uIi ??
uDS /V
iD /mA
uGS = ? 4 V
? 2 V
0 V
2 V
O O
75
三,P 沟道 MOSFET
增强型 耗尽型
S
G
D
B
S
G
D
B
76
N 沟道 增强型 S
G
D
B
iD
P 沟道 增强型
S
G
D
B
iD
2 – 2 O uGS /V
iD /mA
UGS(th)
O uDS /V
iD /mA
– 2 V
– 4 V
– 6 V
– 8 V uGS = 8 V
6 V
4 V
2 V
S
G
D
B
iD
N 沟道耗尽 型
iD
S
G
D
B
P 沟道耗尽 型
UGS(off)
IDSS
uGS /V
iD /mA
– 5 O 5 O uDS /V
iD /mA
5 V
2 V
0 V
–2 V uGS = 2 V
0 V
– 2 V
– 5 V
N 沟道结 型 S
G
D
iD
S G
D
iD
P 沟道结 型
uGS /V
iD /mA
5 – 5 O
IDSS UGS(off)
O uDS /V
iD /mA
5 V
2 V
0 V uGS = 0 V
– 2 V
– 5 V
FET 符号、特性的比较
77
1.6.3 场效应管的主要参数
1,开启电压 UGS(th)(增强型 )
夹断电压 UGS(off)(耗尽型 )
指 uDS = 某值，使漏极电流 iD
为某一小电流时的 uGS 值。 UGS(th) UGS(off)
2,饱和漏极电流 IDSS
耗尽型场效应管，当 uGS = 0 时所对应的漏极电流。
3,直流输入电阻 RGS
指漏源间短路时，栅、源间加反向电压呈现的直
流电阻。
JFET,RGS > 107 ?
MOSFET,RGS = 109 ? 1015 ?
IDSS
uGS /V
iD /mA
O
78
4,低频跨导 gm
常数??
??
DSGS
D
m Uu
ig
反映了 uGS 对 iD 的控制能力,
单位 S(西门子 )。一般为几 毫西 (mS)
uGS /V
iD /mA
Q
PDM = uDS iD，受温度限制。
5,漏源动态电阻 rds
常数??
??
GSd
DS
ds ui
ur
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