第 1讲
第 1章 半导体器件
1.1半导体的基础知识,P型硅,N型硅
1.2 PN结及半导体二极管
1.3 稳压二极管
1.4 半导体三极管
1.5 场效应管
1.1.1 本征半导体
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。
Si
硅原子
Ge
锗原子
§ 1.1 半导体的基本知识
通过一定的工艺过程，可以将半导体
制成 晶体 。
完全纯净的、结构完整的半导体晶体，
称为 本征半导体 。
在硅和锗晶体中，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
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
1.1.2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。载流子：电子，空穴
N型半导体 （主要载流子为电子 [-]，电子半导
体）
P型半导体 （主要载流子为空穴 [+]，空穴半导
体）
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，其中四个与相临的
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 。
硅或锗 +少量磷 ? N型半导体
N型半导体
多余电子磷原子
硅原子
+
N型硅表示
Si
P Si
Si
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，与相临的半导体原
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 。
硅或锗 +少量硼 ? P型半导体
空穴
P型半导体
硼原子 P型硅表示
Si
SiSi
B
硅原子
空穴被认为带一个单位的正电荷，并且
可以移动
杂质半导体的示意表示法
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
P型半导体
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
N型半导体
10.2.1 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
P型半导体
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
N型半导体
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
扩散运动
内电场 E
漂移运动
空间电荷区
PN结处载流子的运动
扩散的结果是使空间电
荷区逐渐加宽，空间电
荷区越宽。
漂移运动
P型半导体
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
N型半导体
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
扩散运动
内电场 E
PN结处载流子的运动
内电场越强，就使漂
移运动越强，而漂移
使空间电荷区变薄。
漂移运动
P型半导体
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
－
N型半导体
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
扩散运动
内电场 E
PN结处载流子的运动
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。
1.2.2 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。
PN结正向偏置
－
－
－
－
+
+
+
+
内电场减弱，使扩散加强，
扩散 ?飘移，正向电流大
空间电荷区变薄
P N
+ _
正向电流
PN结反向偏置
－
－
－
－
+
+
+
+
空间电荷区变厚
NP
+_
+
+
+
+
－
－
－
－
内电场加强，使扩散停止，
有少量飘移，反向电流很小
反向饱和电流
很小,?A级
1.2.3 半导体二极管
(1)、基本结构
PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。
P
N
P
N
符号
阳极
阴极
(2)、伏安特性
U
I
导通压降, 硅
管 0.6~0.7V,锗
管 0.2~0.3V。
反向击穿电
压 U(BR)
死区电压 硅管
0.5V,锗管 0.2V。
UI
E
+ -
反向漏电流
（很小,?A级）
（ 3）静态电阻 Rd,动态电阻 rD
UQIQ
US
+ -
R
静态工作点 Q（ UQ, IQ ）
（ 3）静态电阻 Rd,动态电阻 rD
i
u
IQ
UQ
Q ?IQ
?UQ
静态电阻, Rd=UQ/IQ
（非线性）
动态电阻：
rD = ? UQ/ ? IQ
在工作点 Q附近，动态电
阻近似为线性，故动态电
阻又称为 微变等效电阻
例 1：二极管：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
二极管半波整流
例 2：二极管的应用
R RLui uR uo
t
t
t
ui
uR
uo
利用二极管的特性可以作 半波整流 和产生 正负脉冲
§ 1.3 稳压二极管
IZmax
+
-
稳压二极管符号
U
I
UZ
IZ
稳压二极管特性曲线
IZmin
当稳压二极管工作
在反向击穿状态下,
当工作电流 IZ在
Izmax和 Izmin之间时,
其两端电压近似为
常数
正向同
二极管
稳定
电流
稳定
电压
例：稳压二极管的应用
RLui uO
R
DZ
i
iz
iL
UZ
稳压二极管技术数据为：稳压值 UZW=10V，
Izmax=12mA,Izmin=2mA，负载电阻 RL=2k?，输入电
压 ui=12V，限流电阻 R=200 ? 。若 负载电阻 变化范围
为 1.5 k? ~4 k?,是否还能稳压？
RLui uO
R
DZ
i
iz
iL
UZ
UZW=10V ui=12V
R=200 ?
Izmax=12mA
Izmin=2mA
RL=2k? (1.5 k? ~4 k?)
iL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5（ mA）
i= （ ui - UZ） /R=（ 12-10） /0.2=10 （ mA）
iZ = i - iL=10-5=5 （ mA）
RL=1.5 k?,iL=10/1.5=6.7（ mA）,iZ =10-6.7=3.3（ mA）
RL=4 k?,iL=10/4=2.5（ mA）,iZ =10-2.5=7.5（ mA）
负载变化,但 iZ仍在
12mA和 2mA之间,所以稳
压管仍能起稳压作用
稳压二极管考察是否稳压的标准：
Imax~Imin
稳压值
§ 1.4 半导体三极管
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
B
E
C
NPN型三极管
B
E
C
PNP型三极管
三 极管符号
N
P
N
C
B
E
P
N
P
C
B
E
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
发射结
集电结B
E
C
N
N
P
基极
发射极
集电极
+ + + + + + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
+ + + + + + + + + + + + +
1.4.2 电流放大原理
B
E
C
N
N
P
EB
RB
Ec
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。
IE
1
进入 P区的电子
少部分与基区的
空穴复合，形成
电流 IB,多数扩
散到集电结。
IB
B
E
C
N
N
P
EB
RB
Ec
IE
从基区扩
散来的电
子漂移进
入集电结
而被收集，
形成 IC。
IC
2
IC
IB
要使三极管能放大电流，必须使发射结
正偏，集电结反偏。
静态电流放大倍数
静态电流放大倍数，动态电流放大倍数
? = IC / IB IC = ?IB
动态电流放大倍数
IB, IB +? IB IC, IC +? IC
? = ? IC /?IB
一般认为,? = ?= ?，近似为一常数，
?值范围,20~100
? IC =??IB
1.4.3 特性曲线 I
C
mA
?A
V V UCEUBERB
IB
USC
USB 实验线路 (共发射极接法 )
C
B
E
RC
IB 与 UBE的关系曲线（同二极管）
（ 1）输入特性
IB(?A)
UBE(V)
20
40
60
80
0.4 0.8
UCE?1V
死区电压，
硅管 0.5V
工作压降,硅管
UBE ? 0.7V
（ 2）输出特性 (IC与 UCE的关系曲线 )
IC(mA )
1
2
3
4
UCE(V)3 6 9 12
40?A
60?A
Q
Q’
? = IC / IB =2 mA/ 40?A=50
? = ? IC /?IB
=(3-2)mA/(60-40) ?A=50
? = IC / IB =3 mA/ 60?A=50
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
当 UCE大于一定的数
值时,IC只与 IB有关，
IC=?IB,且 ? IC = ??
IB 。 此区域 称为线性
放大区。
此区域中 UCE?UBE,集
电结正偏,?IB>IC，
UCE?0.3V称为饱和区。
此区域中,
IB=0,IC=ICEO,
UBE< 死区电
压,，称为截止
区。
输出特性三个区域的特点,
(1) 放大区
BE结正偏,BC结反偏,IC=?IB,且 ? IC = ??IB
(2) 饱和区
BE结正偏,BC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
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？
USB =-2V,IB=0, IC=0，
Q位于截止区
USB =2V,IB= (USB -UBE)/ RB =(2-0.7)/70=0.019 mA
IC= ?IB =50?0.019=0.95 mA< ICS =2 mA, Q位于放大区
IC最大饱和电流 ICS = (USC -UCE)/ RC =(12-0)/6=2mA
IC
UCE
IB
USC
RB
USB
CB
E
RC
UBE
IC
UCE
IB
USC
RB
USB
CB
E
RC
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？
USB =5V,IB= (USB -UBE)/ RB =(5-0.7)/70=0.061 mA
IC= ?IB =50?0.061=3.05 mA> ICS =2 mA, Q位于饱
和区 (实际上，此时 IC和 IB 已不是 ?的关系）
三极管的技术数据：（自学）
（ 1）电流放大倍数 ?
（ 2）集 -射间穿透电流 ICEO
（ 3）集 -射间反向击穿电压 UCEO (BR)
（ 4）集电极最大电流 ICM
（ 5）集电极最大允许功耗 PCM
§ 1.5 场效应晶体管
场效应管与晶体管不同，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,
N沟道
P沟道
耗尽型
增强型
耗尽型
增强型
MOS绝缘栅场效应管（ N沟道）
（ 1） 结构
P
N N
GS D
P型基底
两个 N区
SiO2绝缘层金属铝
N导电沟道
未预留 ?N沟道增强型
预留 ? N沟道耗尽型
P
N N
GS D
G
S
D
N沟道增强型
（ 2）符号
N沟道耗尽型
G
S
D
栅极
漏极
源极
? 耗尽型 N沟道 MOS管的特性曲线
ID
mA
VUDSU
GS
实验线路 (共源极接法 )
G S
D
输出特性曲线
UGS=0V
U DS （ V）
ID（ mA）
0
1
3
2
4
UGS=+1V
UGS=+2V
UGS=-1V
UGS=-2V
夹断电压 UP=-2V
固定一个 UDS，画出 ID和 UGS
的关系曲线，称为转移特性
曲线
? 耗尽型 N沟道 MOS管的特性曲线
转移特性曲线
0
ID
UGS
UP
夹断电压
跨导 gm
UGS=0V
U DS （ V）
ID（ mA）
0
1
3
2
4
UGS=+1V
UGS=+2V
UGS=-1V
UGS=-2V
= ? ID / ? UGS
=（ 3-2） /（ 1-0） =1/1=1mA/V
? UGS? ID
本课重点
（ 1）二极管的特性曲线，静态电阻，
动态电阻。
（ 2）稳压二极管的特性曲线及稳压计算。
（ 3）晶体管的特性曲线，三个工作区域，
电流放大倍数。
（ 4） N沟道 MOS绝缘栅场效应管的特性
曲线，跨导。