第一章 常用半导体器件
1.1 半导体器件基础
1.1.1 本征半导体
一、半导体
导体
绝缘体
半导体：硅（ Si）
锗（ Ge）
二、本征半导体
的晶体结构
图 1.1.1
三、本征半导体中的两种载流子
载流子,
自由电子
空穴
图 1.1.2
四、本征半导体中载流子的浓度
本征激发、复合、动态平衡
ni,pi:自由电子与空穴浓度（ ）；
T,热力学温度；
k,玻尔兹曼常数（ ）；
EGO:热力学零度时破坏共价键所需的能量；
K1,与半导体材料载流子有效质量、有效能
级密度有关的常量。
在常温下，即 T=300K时，硅材料的本
征载流子浓度
锗材料的本征载流子浓度
1.1.2 杂质半导体
一,N型半导体
纯净硅晶体中掺入
五价元素（如磷），使
之取代晶格中硅原子的
位臵。杂质原子提供电
子，所以称之为 施主原
子 。自由电子为 多数载
流子,空穴为 少数载流
子,简称 多子 和 少子 。 图 1.1.3
二,P型半导体
纯净硅晶体中掺入
三价元素（如硼），使
之取代晶格中硅原子的
位臵。杂质原子提供空
穴，所以称之为 受主原
子 。空穴为 多数载流子,
自由电子为 少数载流子,
简称 多子 和 少子 。
图 1.1.4
1.1.3 PN结
一,PN结的形成
图 1.1.5
浓度差 — 扩散 运动
复 合 — 空间电荷区
内电场 — 漂移 运动
多子扩散 =少子漂移
达到 动态平衡,形成
PN结。
在空间电荷区内自
由电子和空穴都很少,
所以称为 耗尽层。
二,PN结的单向导电性
1、外加正向电压时 PN结处于导通状态
图 1.1.6
PN结处于 正向偏臵。 外
电场将多数载流子推向空间
电荷区，使其变窄，削弱了
内电场，破坏了原来的平衡，
使扩散运动加剧，漂移运动
减弱。由于电源的作用，扩
散运动将源源不断地进行，
从而形成正向电流,PN结导
通。因为 PN结正向导通电压
只有零点几伏，所以在回路
中串联电阻以限制电流。
2、外加反向电压时 PN 处于截止状态
PN结处于 反向偏臵 状
态。外电场使空间电荷区
变宽，加强了内电场，阻
止扩散运动的进行，加剧
漂移运动的进行，形成反
向电流，也称为 漂移电流。
因为少子的数目极少，即
使都参与漂移，反向电流
也非常小，认为 PN结处于
截止 状态。
图 1.1.7
三,PN结的电流方程
IS:反向饱和电流；
q,电子的电量；
k,玻尔兹曼常数；
T,热力学温度。;
将式中的 kT/q用 UT取代，则得
四,PN结的伏安特性
图 1.1.10
u＞ 0,称为正向特性；
u＜ 0,称为反向特性；
当反向电压大于 U(BR)
后，反向电流急剧增加，称
为 反向击穿。
在高掺杂情况下，耗尽
层很窄，不大的反向电压可
在 耗尽层产生很大的电场,
直接破坏共价键，产生电子 -
空穴对，称为 齐纳击穿 ；如果掺杂浓度较低，当
反向电压较大时，耗尽层的电场使少子加快漂移
速度，把价电子撞出共价键，产生电子 -空穴对，
又撞出价电子，称为 雪崩击穿 。在击穿时，若不
限制电流，则会造成永久性损坏。
五,PN结的电容效应
1、势垒电容
耗尽层的宽窄随外加电压的变化而变化，这相
当于电容的充、放电，其所等效的电容称为 势垒电
容 Cb。 见图 1.1.11所示。
图 1.1.11
2,扩散电容
PN结处于平衡状态时的少子称为 平衡少子 。
PN结处于正向偏臵时，从 P区扩散到 N区的空穴
和从 N区扩散到 P区的自由电子均称为 非平衡少子。
当外加正向电压一定时，靠近耗尽层交界面的地方
非平衡少子的浓度高，而远离交界面地方的非平衡
少子的浓度低。且浓度自高到低逐渐衰减，直到零,
形成一定的浓度梯度（浓度差），从而形成扩散电
流。当外加正向电压增大时，非平衡少子的浓度增
大且浓度梯度也增大，从外部看正向（扩散）电流
增大。当外加正向电压减小时，与上述变化情况相
反。
扩散区内，电荷的积累和释放过程与电容的充
放电过程相同，这种电容效应称为 扩散电容 Cd。
见图 1.1.12所示。
图 1.1.12
PN结的结电容 Cj是势垒电容 Cb和扩散电容 Cd
之和，即
Cj=Cb+Cd
1.2 半导体二极管
图 1.2.1
1.2.1 半导体二极管的常见结构
图 1.2.2
(a)是点接触型；
(b)是面接触型；
(c)是平面型；
(d)是二极管的符号。
1.2.2 二极管的伏安特性
一、二极管和 PN结伏安特性的区别
由于存在半导体体电阻和引线电阻，在电流
相同的情况下，二极管的端电压比 PN结上的压降
大。如图 1.2.3所示。使二极管开始导通的临界电
压称为 开启电压 Uon。
图 1.2.3
co
二、温度对二极管特性的影响
如图 1.2.3虚线所示，在温度升高时，二极管的正向
特性曲线将左移，在室温附近，温度每升高 1,
正向压降减小 2～ 2.5mV;温度每升高 10,反向电流
约增大一倍。
1.2.3 二极管的主要参数
1、最大整流电流 IF,二极管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 UR,二极管工作时允许外加
的最大反向电压。
3、反向电流 IR,二极管未击穿时的反向电流。
4、最高工作频率 fM,二极管工作的上限频率。
1.2.4 二极管的等效电路
二极管是非线性器件，在一定条件下用线性元件构成
的电路来近似模拟二极管的特性，并取代二极管，称
为 等效电路 或 等效模型 。
一、伏安特性折线化等效电路
图 1.2.4
折线化等效电路
（ a） 理想二极管；（ b） 正向导通时端电压为常量；
（ c） 正向导通时端电压与电流成线性关系
图（ a） 表明二极管导通时正向压降为零，截止时
反向电流为零，称为,理想二极管”。
图（ b） 表明二极管导通时正向压降为一个常量 Uon,
截止时反向电流为零，等效电路为理想二极管串联
电压源 Uon。
图（ c） 表明当二极管正向电压大于 Uon后其电流 i和
电压 u成线性关系，直线斜率为 1/rD。 二极管截止时
反向电流为零。等效电路为理想二极管串联电压源
Uon和电阻 rD,且 rD=△ U/△ I。
二、二极管的微变等效电路
二极管外加直流正向偏臵电压时的静态工作点 Q,若
在 Q点基础上外加微小的变化量，则可以用以 Q点为
切点的切线来近似微小变化时的曲线。如图 1.2.7（ a）
所示。
图 1.2.7
二极管的
微变等效电路
（ a） 动态电
阻的物理意义
（ b） 动态电阻
动态电阻 rd=△ uD/△ iD,图（ b） 即为二极管的微
变等效电路。 rd也可由二极管的电流方程求出,
1.2.5 稳压二极管
一、稳压二极管的伏安特性
图 1.2.10
稳压管的伏安
特性和等效电路
（ a） 伏安特性
（ b） 等效电路
二、二极管的主要参数
1、稳定电压 UZ:在规定电流下稳压管的反向击穿
电压。
2、稳定电流 IZ(Izmin),稳压管保证稳压效果的最小
电流。
3、额定功耗 PZM,稳压管的稳定电压 UZ和最大稳定
电流 IZM(Izmax)的乘积。可以通过 PZM求出 IZM的值。
4、动态电阻 rZ,稳压管在稳压区内，端电压变化量
△ UZ与其电流变化量△ IZ 之比，即△ UZ / △ IZ 。
rZ愈小则稳压特性愈好。 rZ的值一般是几欧到
几十欧。
5、温度系数 α,温度每变化 1oC稳压值的变化量。
由于稳压管的正常工作电流是大于 I
zmin,小于
Izmax 。所以在稳压管电路中要串联一个限流电阻 R。
例 1.2.2 在图 1.2.11所示稳压管稳压电路中，已知
稳压管的稳压值 UZ=6V,最小稳定电流
IZmin=5mA,最大稳定电流 IZmax=25mA；
负载电阻 R=600Ω。 求解限流电阻 R的取值范围。
图 1.2.11
解,IR=IDz+IL； IDz=(5~25)mA,
IL=UZ/RL=6V/600 Ω=10mA,
所以,IR=（ 15 ~35） mA。
R上的电压 UR=UI－ UZ=4V
Rmax=UR/IRmin=4V/15mA=227 Ω;
Rmin=UR/IRmax=4V/35mA=114 Ω。
故限流电阻 R的取值范围为
114 ~227 Ω。
1.2.6 其它类型二极管
一、发光二极管
图 1.2.12 发光二极管
（ a） 外形
（ b） 符号
包括可见光、不可见光、激光等不同类型。
对于可见光的发光二极管，当外加正向电压使得
正向电流足够大时才发光。开启电压较大，红色
的在 1.6~1.8V之间，绿色的约为 2V。
发光二极管驱动电压低、功耗小、寿命长,
可靠性高，广泛用于显示电路之中。
二、光电二极管
图 1.2.13光电二极管
（ a） 外形
（ b） 符号
光电二极管是远红外线接收管，是光能与
电能进行转换的器件。 PN结型光电二极管利
用 PN结的光敏特性，将接收到的光的变化转
换成电流的变化。几种常见外形如图 1.2.13
（ a） 所示。
图 1.2.14（ a） 为光电二极管的伏安特性。在无光
照时，与普通二极管一样，具有单向导电性。反向电
流称为暗电流，通常小于 0.2μA。
图 1.2.14 光电二极管的伏安特性
（ a） 伏安特性 （ b） 工作在第一象限的等效电路
（ c） 工作在第一象限的等效电路
（ d） 工作在第一象限的等效电路
在有光照时，特性曲线下移，它们分布在第三,
四象限内。在反向电压的一定范围内，即第三象限,
特性曲线是一组横轴的平行线，光电流受入射光照
度的控制。照度一定时，光电二极管等效为恒流源。
照度愈大，光电流愈大。在光电流大于几十微安时,
与照度成线性关系。此特性广泛用于遥控、报警及
光电传感器之中。
在第四象限时呈光电池特性，如图（ d） 表示,
入射照度愈大,i愈大,R上获得的能量也愈大，此
时光电二极管作为微型光电池。
由于光电流较小，所以将其用于测量及控制等电
路中时，需首先进行放大和处理。
除此之外，还有利用 PN结势垒电容制成的变容
二极管，可用于电子调谐、频率的自动控制、调频
调幅、调相和滤波等电路之中。
利用高掺杂材料形成 PN结的隧道效应制成的隧
道二极管，可用于振荡、过载保护、脉冲数字电路
之中。
利用金属与半导体之间的接触势垒而制成的肖特
基二极管，正向导通电压小，结电容小，常用于微波
混频、检测、集成化数字电路等场合。
1.3 双极型晶体管
双极型晶体管 (BJT)又称晶体三极管、半导体三极
管等，简称晶体管。图 1.3.1所示为几种常见外形。图
（ a）、（ b） 为小功率管，图（ c） 为中功率管，图
（ d） 为大功率管。
图 1.3.1 晶体管的几种常见外形
1.3.1 晶体管的结构及类型
根据不同的掺杂方式在同一个硅片上制造
出三个掺杂区域，并形成两个 PN结，就构成
晶体管。
图 1.3.2（ a） 为平面型 NPN型硅材料晶体管的结
构图，上层区是发射区（ e）,掺杂浓度很高；中层
的区称为基区（ b）,它很薄且杂质浓度很低；下层
的区是集电区（ c）,集电结面积很大。引出的三个
电极分别是发射极 e,基极 b和集电极 c。
图 1.3.2
晶体管的
结构和符号
（ a） 结构
（ b） 示意
（ c） 符号
图（ b） 为 NPN型管的结构示意图，发射区与基
区间的 PN结称为发射结，基区与集电区间的 PN结
称为集电结。图（ c） 为 NPN型管和 PNP型管的符号。
下面以 NPN型硅管为主讲述晶体管的放大作用,
特性曲线和主要参数。
1.3.2 晶体管的
电流放大
作用
图 1.3.3 基本共射放大电路
图 1.3.3所示为基本放大电路，△ uI为输入电压信
号，它接入基极 — 发射极回路（输入回路）；放大
后的信号在集电极 — 发射极回路（输出回路）。发
射极是两个回路的公共端，故称其为 共射放大电路。
为保证发射结正向偏臵、集电结反向偏臵以使晶体
管工作在放大状态。 所以要加 VBB和 VCC。
一、晶体管
内部载
流子的
运动
图 1.3.4
在图 1.3.3中△ uI=0时，晶体管内部载流子运动示
意图如图 1.3.4所示。
1、发射结加正向电压，扩散运动形成发射极电流 IE；
2,扩散到基区的自由电子与空穴的复合运动形成基
极电流 IB；
3,集电结加反向电压，漂移运动形成集电极电流 IC。
二、晶体管的电流分配关系
IEN,发射区向基区扩散所形成的电子电流；
IEP,基区向发射区扩散所形成的空穴电流；
IBN,基区内复合运动所形成的电流；
ICN,基区内非平衡少子（发射区扩散到基区但未被
复合的自由电子）漂移到集电区所形成的电流；
ICBO:平衡少子在集电区与基区之间漂移运动所形成
的电流。
IE = IEN + IEP = ICN + IBN + IEP
IC = ICN + ICBO
IB = IBN + IEP－ ICBO = I’B－ ICBO
从外部看
IE=IC+IB
三、晶体管的共射电流放大系数
共射直流电流放大系数
整理可得
上式中 ICEO称为穿透电流，物理意义为当基极
开路（ IB=0） 时,在 VCC作用下 c和 e之间形成的电流。
ICBO是 e开路时集电结的反向饱和电流。一般情况,
IB≥ICBO，, 所以
在图 1.3.3中，当有输入电压△ uI作用时，在 IB和 IC
基础上将迭加动态电流△ iB和△ iC,△ iC和△ iB之比为
共射交流电流放大系数 β
若在△ uI作用下 β基本不变，则集电极电流
因而
当以发射极电流作为输入电流，以集电极电流
作为输出电流时,ICN与 IE之比称为共基直流电流
放大系数
根据 IC=ICN+ICBO
可得
由 IE=IC+IB 可得
或
共基交流电流放大系数 的定义为
1.3.3 晶体管的共射特性曲线
输入特性曲线和输出特性曲线用与晶体管的
性能、参数和晶体管电路的估算
一、输入特性曲线
图 1.3.5
当 UCE=0,集电极和发射
极短路,发射结和集电结并
联,输入特性与 PN结的伏安
特性相类似,呈指数关系,
当 UCE增大时,特性曲线
右移,这是因为由发射区注
入基区的非平衡少子有一
部分越过基区和集电结形
成 iC,而另一部分在基区参
与复合运动的非平衡少子
将随 UCE的增大而减小,因此,
要获得同样的 iB就必须加大
uBE,使发射区向基区注入更
多的电子,
实际上,对于确定的 UBE当 UCE增大到一定值 (如 1V)
以后,集电结的电场已足够强,可以将发射区注入基区
的绝大部分非平衡少子都收集到集电区,因而再增大
UCE,iC也不可能明显增大,即 iB已基本不变,
因此,当 UCE超过一定数值后,输入特性曲线不再右
移，曲线基本重合。对于小功率晶体管，可近似地用
UCE>1V的来代替 UCE>1V的所有曲线。
二、输出特性曲线
图 1.3.6
三个工作区域,
1、截止区
uBE Uon
uCE > uBE
IB=0,iC ICEO
ICEO在几十甚至
1微安以下，所
以可近似认为 iC 0
2、放大区
uBE>Uon,且 uCE uBE
即发射结处于正向偏臵，集电结处于反向偏臵。
iC仅与 IB有关，而与 uCE无关。
3、饱和区
uBE>Uon,且 uCE< uBE
即发射结和集电结均处于正向偏臵。
u
CE=uBE,即 uCB=0
iC不随 IB变化而变化。
当 uBE=uCE时，是临界饱和（临界放大）状态。
饱和区的重要标志是 UCE约等于 0。在模拟电路中,
绝大多数情况下应保证晶体管工作在放大状态。
1.3.4 晶体管的主要参数
一、直流参数
1、共射直流电流放大系数
2、共基电流放大系数
3,极间反向电流 ICBO, ICEO
硅管的极间反向电流 比锗管的小 2~3个数量级,
且其温度稳定性也比锗管的好。
二、交流参数
1、共射交流电流放大系数 β
2、共基交流电流放大系数 α
近似分析可以认为
3、特征频率 fT
使 β的数值下降到 1的信号频率称为特征频率 fT。
三、极限参数
1、最大集电极耗散功率 PCM
图 1.3.7
2、最大集电极电流 ICM
3,极间反向击穿电压
UCBO>UCEX > UCES > UCER > UCEO
1.3.5 温度对晶体管特性及参数的影响
一、温度对 ICBO的影响
温度每升高 10oC,ICBO增加约一倍。
二、温度对输入特性的影响
图 1,３,８
温度每升高１ oC,|UBE|
大约下降２～２,５ mV。
具有负温度系数。
三、温度对输出特性的影响
图 1.3.9
温度升高时,
晶体管的 β值,
ICEO值都增大,
且输入特性左
移，所以导致
集电极电流增
大。如图中虚
线所示。
1.3.6 光电三极管
图 1.3.10 图 1.3.11
基极电流 IB—— 入射光照度 E
E为 1000时，光电流从 1mA到几 mA不等
1.4 场效应管
1.4.1结型场效应管
一、结型场效应管 的工作原理
图 1.4.1
在同一块 N型半导体上制作两个高掺杂的 P区,
并将它们连接在一起，形成栅极 g,N型半导体的
两端分别引出两个电极，一个称为漏极 d,一个称
为源极 s。 P区与 N区交界面形成耗尽层,漏极与源极
间的非耗尽层区域称为导电沟道。
图 1.4.2 图 1.4.3
1、当 uDS=0时,uGS对导电沟道的控制作用 uGS=0,
耗尽层窄，导电沟道很宽；
|uGS|增大时，耗尽层加宽，沟道变窄，大到
一定值时，耗尽层闭合，沟道消失，此时的电压
称为夹断电压 UGS(off)。 分别如图 1.4.3中的（ a）,
（ b）、（ c） 所示。正常工作时,uGS<0。
2、当 uGS为 UGS(off)~0中某一固定的负电压值时,
uDS对漏极电流 iD的影响
当 uDS=0时，不会产生多子的定向移动，所
以漏极电流 iD=0。
若 uDS>0,则有电流 iD,如图 1.4.4（ a） 所示。
因为栅 — 漏电压 uGD=uGS-uDS,所以当 uDS从零
逐渐增大时,uGD逐渐减小,靠近漏极一边的沟道
变窄，到 UGD=UGS(off)时称为预夹断。如图 1.4.4
（ b） 所示。在预夹断前,iD随 uDS的增大而增大,
D-S间呈电阻特性。预夹断后，若 uDS继续增加,
则 uGD夹断区加长，如图 1.4.4（ c） 所示。夹断区
加长将使 iD减小，但 uDS增大使电场增强，从而又
使 iD增大，所以导致 iD基本不变，呈恒流特性。
这时 uGD=uGS-uDS <UGS(off),即 uDS>uGS-UGS(off)时,
当 uDS为一常量 UDS时，对于确定的 uGS就有确定对应
的 iD。 此时通过改变 uGS的大小来控制 iD的大小。漏
极电流受栅 — 源电压的控制，故称场效应管为电压
控制元件。
用低频跨导 gm来描述栅 — 源电压 ugs对漏极电流 iD
的控制作用
gm=
3,当 uGD<UGS(off)时,uGS对 iD的控制作用
二、结型场效应管的特性曲线
1、输出特性曲线
图 1.4.5
可变电阻区（非饱和区）
恒流区（饱和区）
夹断区
2、转移特性
图 1.4.6 (UGS(off)<uGS<0)
1.4.2 绝缘栅型场效应管 (IGFET)
栅极和源极、漏极之间均采用 SiO2绝缘层隔
离。栅极又是金属铝，所以也称为金属 — 氧化物
— 半导体（ MOS)管。栅 — 源间电阻可达 1010Ω。
有 N沟道增强型； N沟道耗尽型；
P沟道增强型； P沟道耗尽型；
一,N沟道增强型 MOS管
图 1.4.7
结构特点：在一块低掺杂的 P型硅片衬底上扩
散两个高掺杂的 N+区,并引出两个电极，分别为 s和
d。 半导体上制作 SiO2绝缘层再引出一个金属铝电
极，为 g。 通常衬底和源极连接在一起使用。 g和
衬底各相当一个极板，中间是绝缘层，形成电容。
当 g-s电压变化时，将改变衬底靠近绝缘层处的感
应电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。
1、工作原理
当 g-s之间不加电压时,d-s间是两个背向的 PN结，
不存在导电沟道，所以没有漏极电流。
当 uDS=0且 uGS>0时，由于有 SiO2,所以栅极电流
为零。但此时栅极金属层将聚集正电荷，它们排斥 P
型衬底靠近 SiO2一侧的空穴，使之剩下不能移动的负
离子区，形成耗尽层，如图 1.4.8(a)所示。
图 1.4.8
当 uGS增大时，耗尽层加宽，同时将衬底的自由
电子吸引到耗尽层与绝缘层之间，形成一个 N型薄层
，称为反型层，如图１,4.8(b） 所示。这个反型层就
构成了漏－源之间的导电沟道。使沟道刚刚形成的栅
源电压称为开启电压 UGS(th)。 uGS越大，反型层越厚,
导电沟道电阻越小。
图１,4.9 uGS大于开启电压后 uDS对 iD的影响
(a)uDS<uGS-UGS(th),uDS较小，它的增加使 iD线性增
大，沟道沿源 -漏方向逐渐变窄；
(b)uDS=uGS-uGS(th),即 uDS=UGS(th),沟道在漏极一侧
出现夹断点，称为预夹断；
(c)uDS再增大，夹断区延长,uDS的增大部分几乎全部
克服夹断区对漏极电流的阻力，管子进入恒流区。
2、特性曲线与电流方程
图 1.4.10 N沟道增强型 MOS管的特性曲线
（ a） 转移特性 （ b） 输出特性； IDO为 uGS=2UGS(th)时的 iD。
二,N沟道耗尽型 MOS管
图 1.4.11
在制造 MOS管时，在 SiO2绝缘层中掺入大量
正离子，则在 uGS=0时，在正离子作用下,P型衬
底表层就存在反型层,即漏 -源间有导电沟道，这时
只要在漏 -源之间加正向电压，就会有漏极电流,
如图 1.4.11(a)所示。
当 uGS为正时，反型层变宽，沟道电阻变小,iD
变大；而当 uGS为负时，反型层变窄，沟道电阻变大,
iD变小。当 uGS减小到某一负值时，反型层消失，漏 -源
间的导电沟道随之消失,iD=0。 此时的 uGS称为夹断电
压 UGS(off)。
三,P沟道 MOS管
P沟道增强型 MOS管的开启电压 UGS(th)<0；
P沟道耗尽型 MOS管的夹断电压 UGS(off)>0。
四,VMOS管
从结构上解决散热问题。 V型槽，漏极散热面
积大，便于安装散热器。其耗散功率最大可达千
瓦以上。其结构如图 1.4.12所示。
图 1.4.12
N沟道增强型 VMOS管结构示意图
1.4.3 场效应管的主要参数
一、直流参数
1、开启电压 UGS(th):uDS为一常量时，使 iD 大于零
（ 5μA)所需的最小 |uGS|值。
2、夹断电压 UGS(off):是结型和耗尽型 MOS场效应
管 iD为规定的微小电流（ 5mA） 时的 uGS值。
3、饱和漏极电流 IDSS:耗尽型管在 uGS=0的情况下
产生预夹断时的漏极电流。
4、直流输入电阻 RGS(DC),栅 -源电压和栅极电流
之比。结型管的大于 107Ω,而 MOS 管的大于
109 Ω。
二、交流参数
1、低频跨导 gm,
2、极间电容,Cgs 和 Cgd约为 0.1~1 pF, Cds约为
1~3pF。
三、极限参数
1、最大漏极电流 IDM
2,击穿电压 U(BR)DS
对于结型场效应管栅 -源 PN结反向击穿电压
和 MOS场效应管栅 -源击穿电压为 U(BR)GS
3,最大耗散功率 PDM
对于 MOS管，栅 -衬之间的电容量很小，若感应少
量的电荷便会产生很高的电压造成很薄的绝缘层击穿。
在存放和在工作电路中，要为栅 -源之间提供直流通路，
避免栅激悬空，在焊接时要使电烙铁良好接地。
1.4.4 场效应管与晶体管的比较
控制 导电 噪声 使用 种类 用途
晶
体
管
场
效
应
管
电流
电压
多子
少子
多子
大
小
固定
栅 -源
互换
少
多
放大
开关
放大
开关
IC
1.5 单结晶体管和晶闸管
1.5.1 单结晶体管
一、单结晶体管的结构和等效电路
图 1.5.1
在一个低掺杂 N型硅棒上扩散一个高掺
杂的 P区。只有一个 PN结，故称为单结晶体
管（ UJT）,P区为发射极 e,N区引出两个基
极 b1和 b2,所以也称为双基极晶体管。
二、工作原理和特性曲线
特性曲线：发射极电流 IE与 e-b1间电压 UEB1的关系
曲线。
图 1.5.2
分压比 η为 0.5～ 0.9
UEB1=0时,UEA=－ ηVBB。 发射极电流 IE为二极管
的反向电流 IEO。 UEA接近零时,IE的数值明显减小。
当 UEB1=UA时，二极管端电压为零,IE=0。 UEB1继续
增加，到 PN结正向导通时,IE为正，此电流由 e到 b1,
P区浓度很高的空穴向电子浓度很低的硅棒的 A-b1区
注入非平衡少子，注入的载流子使 rb1减小，其上压降
减小，从而 PN结正向电压增大，注入的载流子更多,
rb1进一步减小；当 IE增大到一定程度时，二极管的导
通电压将变化不大，此时 UEB1将因 rb1减小而减小，表
现出负阻特性。
负阻特性广泛应用于定时电路和振荡电路中。除
了单结晶体管外，负阻器件还有隧道二极管、负阻场
效应管和 λ双极晶体管等。
三、应用举例
图 1.5.3
VBB合闸通电时,
电容 C充电,其上电
压上升，达峰值电
压 UP时进入负阻区,
输入端等效电阻急
剧减小，电容迅速
放电，达谷点电压
UV后，管子截止,
电容再次充电，如
此循环往复形成振荡。
1.5.2 晶闸管（ Thyristor)
亦称为硅可控元件（ SCR),是由三个 PN结
构成的大功率半导体器件，多用于可控整流、逆
变、调压、无触点开关电路中。
一、结构和等效模型
图 1.5.4
图 1.5.5
二、工作原理
A-C间加正向电压而控制极 G不加电压时,J2结不通，
呈阻断状态。
A-C间加正向电压且控制极 G也加正向电压时,T2导
通并发生正反馈，几微秒时间两管全导通，靠正反馈维
持导通，控制极 G失去作用。此时 A-C间电压 0.6~1.2V,
阳极电流 IA可达几十 ~几千安。
晶闸管导通后，采用下列措施才能将其关断,
1、使阳极电流减小到小于维持电流 IH的数值；
2、在阳极和阴极之间加反向电压。
三、晶闸管的伏安特性
图 1.5.7
四、晶闸管的主要参数
1、额定正向平均电流 IF,连续通过的工频正弦波
电流平均值。
2、维持电流 IH,控制极开路，维持导通的最小阳
极电流。
3、触发电压 UG和触发电流 IG,u=6v时使晶闸管导
通所需最小的控制极电压和电流，一般为 1~5V
和几十至几百 mA。
4,正向重复峰值电压 UDRM,控制极开路，允许重
复作用在晶闸管上的最大正向电压。 (UBO?0.8)
5、反向重复峰值电压 URRM,控制极开路，允许重
复作用在晶闸管上的最大反向电压。 (UBO?0.8)
例：可控半波整流
图 1.5.8
1.6 集成电路中的元件
1.6.1 集成电路制造工艺简介
图 1.6.2
集成电路剖
面图及外形
图 1.6.3
PN结隔离
的制造工艺
(a)P型硅衬底
(b)氧化
(c)光刻
(d)腐蚀
(e)扩散
(f)外延及氧化
(g)光刻
(h)腐蚀
(i)扩散及氧化
图 1.6.4 在隔离岛上制作 PNP型管
1.6.2 集成双极型管
一,PNP型管
图 1.6.5 集成电路中的 PNP型管
图 1.6.6
多发射极管
图 1.6.7
多集电极管
二、其它类型晶体管
1.6.3 集成单极型管
图 1.6.8 CMOS电路
1.6.4 集成电路中元件的特点
一、具有良好的对称性。
二、电阻和电容的数值有一定的限制。电阻
几十欧 ~几百欧，电容一般小于 100pF。
三、纵向晶体管的 β值大，横向晶体管的 β值
小,PN结耐压高。
四、用有源元件取代无源元件。尽量多采用
纵向 NPN型管,少用电阻和电容。
学完本章后，应能掌握以下几点,
1、熟悉下列定义、概念及原理：自由电子与空穴,
扩散与漂移，复合，空间电荷区,PN结、耗尽
层，导电沟道，二极管的单向导电性，稳压管
的稳压作用，晶体管与场效应管的放大作用及
三个工作区域。
2、掌握二极管、稳压管、晶体管、场效应管的外
特性、主要参数的物理意义。
3、了解选用器件的原则。
1.1 半导体器件基础
1.1.1 本征半导体
一、半导体
导体
绝缘体
半导体：硅（ Si）
锗（ Ge）
二、本征半导体
的晶体结构
图 1.1.1
三、本征半导体中的两种载流子
载流子,
自由电子
空穴
图 1.1.2
四、本征半导体中载流子的浓度
本征激发、复合、动态平衡
ni,pi:自由电子与空穴浓度（ ）；
T,热力学温度；
k,玻尔兹曼常数（ ）；
EGO:热力学零度时破坏共价键所需的能量；
K1,与半导体材料载流子有效质量、有效能
级密度有关的常量。
在常温下，即 T=300K时，硅材料的本
征载流子浓度
锗材料的本征载流子浓度
1.1.2 杂质半导体
一,N型半导体
纯净硅晶体中掺入
五价元素（如磷），使
之取代晶格中硅原子的
位臵。杂质原子提供电
子，所以称之为 施主原
子 。自由电子为 多数载
流子,空穴为 少数载流
子,简称 多子 和 少子 。 图 1.1.3
二,P型半导体
纯净硅晶体中掺入
三价元素（如硼），使
之取代晶格中硅原子的
位臵。杂质原子提供空
穴，所以称之为 受主原
子 。空穴为 多数载流子,
自由电子为 少数载流子,
简称 多子 和 少子 。
图 1.1.4
1.1.3 PN结
一,PN结的形成
图 1.1.5
浓度差 — 扩散 运动
复 合 — 空间电荷区
内电场 — 漂移 运动
多子扩散 =少子漂移
达到 动态平衡,形成
PN结。
在空间电荷区内自
由电子和空穴都很少,
所以称为 耗尽层。
二,PN结的单向导电性
1、外加正向电压时 PN结处于导通状态
图 1.1.6
PN结处于 正向偏臵。 外
电场将多数载流子推向空间
电荷区，使其变窄，削弱了
内电场，破坏了原来的平衡，
使扩散运动加剧，漂移运动
减弱。由于电源的作用，扩
散运动将源源不断地进行，
从而形成正向电流,PN结导
通。因为 PN结正向导通电压
只有零点几伏，所以在回路
中串联电阻以限制电流。
2、外加反向电压时 PN 处于截止状态
PN结处于 反向偏臵 状
态。外电场使空间电荷区
变宽，加强了内电场，阻
止扩散运动的进行，加剧
漂移运动的进行，形成反
向电流，也称为 漂移电流。
因为少子的数目极少，即
使都参与漂移，反向电流
也非常小，认为 PN结处于
截止 状态。
图 1.1.7
三,PN结的电流方程
IS:反向饱和电流；
q,电子的电量；
k,玻尔兹曼常数；
T,热力学温度。;
将式中的 kT/q用 UT取代，则得
四,PN结的伏安特性
图 1.1.10
u＞ 0,称为正向特性；
u＜ 0,称为反向特性；
当反向电压大于 U(BR)
后，反向电流急剧增加，称
为 反向击穿。
在高掺杂情况下，耗尽
层很窄，不大的反向电压可
在 耗尽层产生很大的电场,
直接破坏共价键，产生电子 -
空穴对，称为 齐纳击穿 ；如果掺杂浓度较低，当
反向电压较大时，耗尽层的电场使少子加快漂移
速度，把价电子撞出共价键，产生电子 -空穴对，
又撞出价电子，称为 雪崩击穿 。在击穿时，若不
限制电流，则会造成永久性损坏。
五,PN结的电容效应
1、势垒电容
耗尽层的宽窄随外加电压的变化而变化，这相
当于电容的充、放电，其所等效的电容称为 势垒电
容 Cb。 见图 1.1.11所示。
图 1.1.11
2,扩散电容
PN结处于平衡状态时的少子称为 平衡少子 。
PN结处于正向偏臵时，从 P区扩散到 N区的空穴
和从 N区扩散到 P区的自由电子均称为 非平衡少子。
当外加正向电压一定时，靠近耗尽层交界面的地方
非平衡少子的浓度高，而远离交界面地方的非平衡
少子的浓度低。且浓度自高到低逐渐衰减，直到零,
形成一定的浓度梯度（浓度差），从而形成扩散电
流。当外加正向电压增大时，非平衡少子的浓度增
大且浓度梯度也增大，从外部看正向（扩散）电流
增大。当外加正向电压减小时，与上述变化情况相
反。
扩散区内，电荷的积累和释放过程与电容的充
放电过程相同，这种电容效应称为 扩散电容 Cd。
见图 1.1.12所示。
图 1.1.12
PN结的结电容 Cj是势垒电容 Cb和扩散电容 Cd
之和，即
Cj=Cb+Cd
1.2 半导体二极管
图 1.2.1
1.2.1 半导体二极管的常见结构
图 1.2.2
(a)是点接触型；
(b)是面接触型；
(c)是平面型；
(d)是二极管的符号。
1.2.2 二极管的伏安特性
一、二极管和 PN结伏安特性的区别
由于存在半导体体电阻和引线电阻，在电流
相同的情况下，二极管的端电压比 PN结上的压降
大。如图 1.2.3所示。使二极管开始导通的临界电
压称为 开启电压 Uon。
图 1.2.3
co
二、温度对二极管特性的影响
如图 1.2.3虚线所示，在温度升高时，二极管的正向
特性曲线将左移，在室温附近，温度每升高 1,
正向压降减小 2～ 2.5mV;温度每升高 10,反向电流
约增大一倍。
1.2.3 二极管的主要参数
1、最大整流电流 IF,二极管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 UR,二极管工作时允许外加
的最大反向电压。
3、反向电流 IR,二极管未击穿时的反向电流。
4、最高工作频率 fM,二极管工作的上限频率。
1.2.4 二极管的等效电路
二极管是非线性器件，在一定条件下用线性元件构成
的电路来近似模拟二极管的特性，并取代二极管，称
为 等效电路 或 等效模型 。
一、伏安特性折线化等效电路
图 1.2.4
折线化等效电路
（ a） 理想二极管；（ b） 正向导通时端电压为常量；
（ c） 正向导通时端电压与电流成线性关系
图（ a） 表明二极管导通时正向压降为零，截止时
反向电流为零，称为,理想二极管”。
图（ b） 表明二极管导通时正向压降为一个常量 Uon,
截止时反向电流为零，等效电路为理想二极管串联
电压源 Uon。
图（ c） 表明当二极管正向电压大于 Uon后其电流 i和
电压 u成线性关系，直线斜率为 1/rD。 二极管截止时
反向电流为零。等效电路为理想二极管串联电压源
Uon和电阻 rD,且 rD=△ U/△ I。
二、二极管的微变等效电路
二极管外加直流正向偏臵电压时的静态工作点 Q,若
在 Q点基础上外加微小的变化量，则可以用以 Q点为
切点的切线来近似微小变化时的曲线。如图 1.2.7（ a）
所示。
图 1.2.7
二极管的
微变等效电路
（ a） 动态电
阻的物理意义
（ b） 动态电阻
动态电阻 rd=△ uD/△ iD,图（ b） 即为二极管的微
变等效电路。 rd也可由二极管的电流方程求出,
1.2.5 稳压二极管
一、稳压二极管的伏安特性
图 1.2.10
稳压管的伏安
特性和等效电路
（ a） 伏安特性
（ b） 等效电路
二、二极管的主要参数
1、稳定电压 UZ:在规定电流下稳压管的反向击穿
电压。
2、稳定电流 IZ(Izmin),稳压管保证稳压效果的最小
电流。
3、额定功耗 PZM,稳压管的稳定电压 UZ和最大稳定
电流 IZM(Izmax)的乘积。可以通过 PZM求出 IZM的值。
4、动态电阻 rZ,稳压管在稳压区内，端电压变化量
△ UZ与其电流变化量△ IZ 之比，即△ UZ / △ IZ 。
rZ愈小则稳压特性愈好。 rZ的值一般是几欧到
几十欧。
5、温度系数 α,温度每变化 1oC稳压值的变化量。
由于稳压管的正常工作电流是大于 I
zmin,小于
Izmax 。所以在稳压管电路中要串联一个限流电阻 R。
例 1.2.2 在图 1.2.11所示稳压管稳压电路中，已知
稳压管的稳压值 UZ=6V,最小稳定电流
IZmin=5mA,最大稳定电流 IZmax=25mA；
负载电阻 R=600Ω。 求解限流电阻 R的取值范围。
图 1.2.11
解,IR=IDz+IL； IDz=(5~25)mA,
IL=UZ/RL=6V/600 Ω=10mA,
所以,IR=（ 15 ~35） mA。
R上的电压 UR=UI－ UZ=4V
Rmax=UR/IRmin=4V/15mA=227 Ω;
Rmin=UR/IRmax=4V/35mA=114 Ω。
故限流电阻 R的取值范围为
114 ~227 Ω。
1.2.6 其它类型二极管
一、发光二极管
图 1.2.12 发光二极管
（ a） 外形
（ b） 符号
包括可见光、不可见光、激光等不同类型。
对于可见光的发光二极管，当外加正向电压使得
正向电流足够大时才发光。开启电压较大，红色
的在 1.6~1.8V之间，绿色的约为 2V。
发光二极管驱动电压低、功耗小、寿命长,
可靠性高，广泛用于显示电路之中。
二、光电二极管
图 1.2.13光电二极管
（ a） 外形
（ b） 符号
光电二极管是远红外线接收管，是光能与
电能进行转换的器件。 PN结型光电二极管利
用 PN结的光敏特性，将接收到的光的变化转
换成电流的变化。几种常见外形如图 1.2.13
（ a） 所示。
图 1.2.14（ a） 为光电二极管的伏安特性。在无光
照时，与普通二极管一样，具有单向导电性。反向电
流称为暗电流，通常小于 0.2μA。
图 1.2.14 光电二极管的伏安特性
（ a） 伏安特性 （ b） 工作在第一象限的等效电路
（ c） 工作在第一象限的等效电路
（ d） 工作在第一象限的等效电路
在有光照时，特性曲线下移，它们分布在第三,
四象限内。在反向电压的一定范围内，即第三象限,
特性曲线是一组横轴的平行线，光电流受入射光照
度的控制。照度一定时，光电二极管等效为恒流源。
照度愈大，光电流愈大。在光电流大于几十微安时,
与照度成线性关系。此特性广泛用于遥控、报警及
光电传感器之中。
在第四象限时呈光电池特性，如图（ d） 表示,
入射照度愈大,i愈大,R上获得的能量也愈大，此
时光电二极管作为微型光电池。
由于光电流较小，所以将其用于测量及控制等电
路中时，需首先进行放大和处理。
除此之外，还有利用 PN结势垒电容制成的变容
二极管，可用于电子调谐、频率的自动控制、调频
调幅、调相和滤波等电路之中。
利用高掺杂材料形成 PN结的隧道效应制成的隧
道二极管，可用于振荡、过载保护、脉冲数字电路
之中。
利用金属与半导体之间的接触势垒而制成的肖特
基二极管，正向导通电压小，结电容小，常用于微波
混频、检测、集成化数字电路等场合。
1.3 双极型晶体管
双极型晶体管 (BJT)又称晶体三极管、半导体三极
管等，简称晶体管。图 1.3.1所示为几种常见外形。图
（ a）、（ b） 为小功率管，图（ c） 为中功率管，图
（ d） 为大功率管。
图 1.3.1 晶体管的几种常见外形
1.3.1 晶体管的结构及类型
根据不同的掺杂方式在同一个硅片上制造
出三个掺杂区域，并形成两个 PN结，就构成
晶体管。
图 1.3.2（ a） 为平面型 NPN型硅材料晶体管的结
构图，上层区是发射区（ e）,掺杂浓度很高；中层
的区称为基区（ b）,它很薄且杂质浓度很低；下层
的区是集电区（ c）,集电结面积很大。引出的三个
电极分别是发射极 e,基极 b和集电极 c。
图 1.3.2
晶体管的
结构和符号
（ a） 结构
（ b） 示意
（ c） 符号
图（ b） 为 NPN型管的结构示意图，发射区与基
区间的 PN结称为发射结，基区与集电区间的 PN结
称为集电结。图（ c） 为 NPN型管和 PNP型管的符号。
下面以 NPN型硅管为主讲述晶体管的放大作用,
特性曲线和主要参数。
1.3.2 晶体管的
电流放大
作用
图 1.3.3 基本共射放大电路
图 1.3.3所示为基本放大电路，△ uI为输入电压信
号，它接入基极 — 发射极回路（输入回路）；放大
后的信号在集电极 — 发射极回路（输出回路）。发
射极是两个回路的公共端，故称其为 共射放大电路。
为保证发射结正向偏臵、集电结反向偏臵以使晶体
管工作在放大状态。 所以要加 VBB和 VCC。
一、晶体管
内部载
流子的
运动
图 1.3.4
在图 1.3.3中△ uI=0时，晶体管内部载流子运动示
意图如图 1.3.4所示。
1、发射结加正向电压，扩散运动形成发射极电流 IE；
2,扩散到基区的自由电子与空穴的复合运动形成基
极电流 IB；
3,集电结加反向电压，漂移运动形成集电极电流 IC。
二、晶体管的电流分配关系
IEN,发射区向基区扩散所形成的电子电流；
IEP,基区向发射区扩散所形成的空穴电流；
IBN,基区内复合运动所形成的电流；
ICN,基区内非平衡少子（发射区扩散到基区但未被
复合的自由电子）漂移到集电区所形成的电流；
ICBO:平衡少子在集电区与基区之间漂移运动所形成
的电流。
IE = IEN + IEP = ICN + IBN + IEP
IC = ICN + ICBO
IB = IBN + IEP－ ICBO = I’B－ ICBO
从外部看
IE=IC+IB
三、晶体管的共射电流放大系数
共射直流电流放大系数
整理可得
上式中 ICEO称为穿透电流，物理意义为当基极
开路（ IB=0） 时,在 VCC作用下 c和 e之间形成的电流。
ICBO是 e开路时集电结的反向饱和电流。一般情况,
IB≥ICBO，, 所以
在图 1.3.3中，当有输入电压△ uI作用时，在 IB和 IC
基础上将迭加动态电流△ iB和△ iC,△ iC和△ iB之比为
共射交流电流放大系数 β
若在△ uI作用下 β基本不变，则集电极电流
因而
当以发射极电流作为输入电流，以集电极电流
作为输出电流时,ICN与 IE之比称为共基直流电流
放大系数
根据 IC=ICN+ICBO
可得
由 IE=IC+IB 可得
或
共基交流电流放大系数 的定义为
1.3.3 晶体管的共射特性曲线
输入特性曲线和输出特性曲线用与晶体管的
性能、参数和晶体管电路的估算
一、输入特性曲线
图 1.3.5
当 UCE=0,集电极和发射
极短路,发射结和集电结并
联,输入特性与 PN结的伏安
特性相类似,呈指数关系,
当 UCE增大时,特性曲线
右移,这是因为由发射区注
入基区的非平衡少子有一
部分越过基区和集电结形
成 iC,而另一部分在基区参
与复合运动的非平衡少子
将随 UCE的增大而减小,因此,
要获得同样的 iB就必须加大
uBE,使发射区向基区注入更
多的电子,
实际上,对于确定的 UBE当 UCE增大到一定值 (如 1V)
以后,集电结的电场已足够强,可以将发射区注入基区
的绝大部分非平衡少子都收集到集电区,因而再增大
UCE,iC也不可能明显增大,即 iB已基本不变,
因此,当 UCE超过一定数值后,输入特性曲线不再右
移，曲线基本重合。对于小功率晶体管，可近似地用
UCE>1V的来代替 UCE>1V的所有曲线。
二、输出特性曲线
图 1.3.6
三个工作区域,
1、截止区
uBE Uon
uCE > uBE
IB=0,iC ICEO
ICEO在几十甚至
1微安以下，所
以可近似认为 iC 0
2、放大区
uBE>Uon,且 uCE uBE
即发射结处于正向偏臵，集电结处于反向偏臵。
iC仅与 IB有关，而与 uCE无关。
3、饱和区
uBE>Uon,且 uCE< uBE
即发射结和集电结均处于正向偏臵。
u
CE=uBE,即 uCB=0
iC不随 IB变化而变化。
当 uBE=uCE时，是临界饱和（临界放大）状态。
饱和区的重要标志是 UCE约等于 0。在模拟电路中,
绝大多数情况下应保证晶体管工作在放大状态。
1.3.4 晶体管的主要参数
一、直流参数
1、共射直流电流放大系数
2、共基电流放大系数
3,极间反向电流 ICBO, ICEO
硅管的极间反向电流 比锗管的小 2~3个数量级,
且其温度稳定性也比锗管的好。
二、交流参数
1、共射交流电流放大系数 β
2、共基交流电流放大系数 α
近似分析可以认为
3、特征频率 fT
使 β的数值下降到 1的信号频率称为特征频率 fT。
三、极限参数
1、最大集电极耗散功率 PCM
图 1.3.7
2、最大集电极电流 ICM
3,极间反向击穿电压
UCBO>UCEX > UCES > UCER > UCEO
1.3.5 温度对晶体管特性及参数的影响
一、温度对 ICBO的影响
温度每升高 10oC,ICBO增加约一倍。
二、温度对输入特性的影响
图 1,３,８
温度每升高１ oC,|UBE|
大约下降２～２,５ mV。
具有负温度系数。
三、温度对输出特性的影响
图 1.3.9
温度升高时,
晶体管的 β值,
ICEO值都增大,
且输入特性左
移，所以导致
集电极电流增
大。如图中虚
线所示。
1.3.6 光电三极管
图 1.3.10 图 1.3.11
基极电流 IB—— 入射光照度 E
E为 1000时，光电流从 1mA到几 mA不等
1.4 场效应管
1.4.1结型场效应管
一、结型场效应管 的工作原理
图 1.4.1
在同一块 N型半导体上制作两个高掺杂的 P区,
并将它们连接在一起，形成栅极 g,N型半导体的
两端分别引出两个电极，一个称为漏极 d,一个称
为源极 s。 P区与 N区交界面形成耗尽层,漏极与源极
间的非耗尽层区域称为导电沟道。
图 1.4.2 图 1.4.3
1、当 uDS=0时,uGS对导电沟道的控制作用 uGS=0,
耗尽层窄，导电沟道很宽；
|uGS|增大时，耗尽层加宽，沟道变窄，大到
一定值时，耗尽层闭合，沟道消失，此时的电压
称为夹断电压 UGS(off)。 分别如图 1.4.3中的（ a）,
（ b）、（ c） 所示。正常工作时,uGS<0。
2、当 uGS为 UGS(off)~0中某一固定的负电压值时,
uDS对漏极电流 iD的影响
当 uDS=0时，不会产生多子的定向移动，所
以漏极电流 iD=0。
若 uDS>0,则有电流 iD,如图 1.4.4（ a） 所示。
因为栅 — 漏电压 uGD=uGS-uDS,所以当 uDS从零
逐渐增大时,uGD逐渐减小,靠近漏极一边的沟道
变窄，到 UGD=UGS(off)时称为预夹断。如图 1.4.4
（ b） 所示。在预夹断前,iD随 uDS的增大而增大,
D-S间呈电阻特性。预夹断后，若 uDS继续增加,
则 uGD夹断区加长，如图 1.4.4（ c） 所示。夹断区
加长将使 iD减小，但 uDS增大使电场增强，从而又
使 iD增大，所以导致 iD基本不变，呈恒流特性。
这时 uGD=uGS-uDS <UGS(off),即 uDS>uGS-UGS(off)时,
当 uDS为一常量 UDS时，对于确定的 uGS就有确定对应
的 iD。 此时通过改变 uGS的大小来控制 iD的大小。漏
极电流受栅 — 源电压的控制，故称场效应管为电压
控制元件。
用低频跨导 gm来描述栅 — 源电压 ugs对漏极电流 iD
的控制作用
gm=
3,当 uGD<UGS(off)时,uGS对 iD的控制作用
二、结型场效应管的特性曲线
1、输出特性曲线
图 1.4.5
可变电阻区（非饱和区）
恒流区（饱和区）
夹断区
2、转移特性
图 1.4.6 (UGS(off)<uGS<0)
1.4.2 绝缘栅型场效应管 (IGFET)
栅极和源极、漏极之间均采用 SiO2绝缘层隔
离。栅极又是金属铝，所以也称为金属 — 氧化物
— 半导体（ MOS)管。栅 — 源间电阻可达 1010Ω。
有 N沟道增强型； N沟道耗尽型；
P沟道增强型； P沟道耗尽型；
一,N沟道增强型 MOS管
图 1.4.7
结构特点：在一块低掺杂的 P型硅片衬底上扩
散两个高掺杂的 N+区,并引出两个电极，分别为 s和
d。 半导体上制作 SiO2绝缘层再引出一个金属铝电
极，为 g。 通常衬底和源极连接在一起使用。 g和
衬底各相当一个极板，中间是绝缘层，形成电容。
当 g-s电压变化时，将改变衬底靠近绝缘层处的感
应电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。
1、工作原理
当 g-s之间不加电压时,d-s间是两个背向的 PN结，
不存在导电沟道，所以没有漏极电流。
当 uDS=0且 uGS>0时，由于有 SiO2,所以栅极电流
为零。但此时栅极金属层将聚集正电荷，它们排斥 P
型衬底靠近 SiO2一侧的空穴，使之剩下不能移动的负
离子区，形成耗尽层，如图 1.4.8(a)所示。
图 1.4.8
当 uGS增大时，耗尽层加宽，同时将衬底的自由
电子吸引到耗尽层与绝缘层之间，形成一个 N型薄层
，称为反型层，如图１,4.8(b） 所示。这个反型层就
构成了漏－源之间的导电沟道。使沟道刚刚形成的栅
源电压称为开启电压 UGS(th)。 uGS越大，反型层越厚,
导电沟道电阻越小。
图１,4.9 uGS大于开启电压后 uDS对 iD的影响
(a)uDS<uGS-UGS(th),uDS较小，它的增加使 iD线性增
大，沟道沿源 -漏方向逐渐变窄；
(b)uDS=uGS-uGS(th),即 uDS=UGS(th),沟道在漏极一侧
出现夹断点，称为预夹断；
(c)uDS再增大，夹断区延长,uDS的增大部分几乎全部
克服夹断区对漏极电流的阻力，管子进入恒流区。
2、特性曲线与电流方程
图 1.4.10 N沟道增强型 MOS管的特性曲线
（ a） 转移特性 （ b） 输出特性； IDO为 uGS=2UGS(th)时的 iD。
二,N沟道耗尽型 MOS管
图 1.4.11
在制造 MOS管时，在 SiO2绝缘层中掺入大量
正离子，则在 uGS=0时，在正离子作用下,P型衬
底表层就存在反型层,即漏 -源间有导电沟道，这时
只要在漏 -源之间加正向电压，就会有漏极电流,
如图 1.4.11(a)所示。
当 uGS为正时，反型层变宽，沟道电阻变小,iD
变大；而当 uGS为负时，反型层变窄，沟道电阻变大,
iD变小。当 uGS减小到某一负值时，反型层消失，漏 -源
间的导电沟道随之消失,iD=0。 此时的 uGS称为夹断电
压 UGS(off)。
三,P沟道 MOS管
P沟道增强型 MOS管的开启电压 UGS(th)<0；
P沟道耗尽型 MOS管的夹断电压 UGS(off)>0。
四,VMOS管
从结构上解决散热问题。 V型槽，漏极散热面
积大，便于安装散热器。其耗散功率最大可达千
瓦以上。其结构如图 1.4.12所示。
图 1.4.12
N沟道增强型 VMOS管结构示意图
1.4.3 场效应管的主要参数
一、直流参数
1、开启电压 UGS(th):uDS为一常量时，使 iD 大于零
（ 5μA)所需的最小 |uGS|值。
2、夹断电压 UGS(off):是结型和耗尽型 MOS场效应
管 iD为规定的微小电流（ 5mA） 时的 uGS值。
3、饱和漏极电流 IDSS:耗尽型管在 uGS=0的情况下
产生预夹断时的漏极电流。
4、直流输入电阻 RGS(DC),栅 -源电压和栅极电流
之比。结型管的大于 107Ω,而 MOS 管的大于
109 Ω。
二、交流参数
1、低频跨导 gm,
2、极间电容,Cgs 和 Cgd约为 0.1~1 pF, Cds约为
1~3pF。
三、极限参数
1、最大漏极电流 IDM
2,击穿电压 U(BR)DS
对于结型场效应管栅 -源 PN结反向击穿电压
和 MOS场效应管栅 -源击穿电压为 U(BR)GS
3,最大耗散功率 PDM
对于 MOS管，栅 -衬之间的电容量很小，若感应少
量的电荷便会产生很高的电压造成很薄的绝缘层击穿。
在存放和在工作电路中，要为栅 -源之间提供直流通路，
避免栅激悬空，在焊接时要使电烙铁良好接地。
1.4.4 场效应管与晶体管的比较
控制 导电 噪声 使用 种类 用途
晶
体
管
场
效
应
管
电流
电压
多子
少子
多子
大
小
固定
栅 -源
互换
少
多
放大
开关
放大
开关
IC
1.5 单结晶体管和晶闸管
1.5.1 单结晶体管
一、单结晶体管的结构和等效电路
图 1.5.1
在一个低掺杂 N型硅棒上扩散一个高掺
杂的 P区。只有一个 PN结，故称为单结晶体
管（ UJT）,P区为发射极 e,N区引出两个基
极 b1和 b2,所以也称为双基极晶体管。
二、工作原理和特性曲线
特性曲线：发射极电流 IE与 e-b1间电压 UEB1的关系
曲线。
图 1.5.2
分压比 η为 0.5～ 0.9
UEB1=0时,UEA=－ ηVBB。 发射极电流 IE为二极管
的反向电流 IEO。 UEA接近零时,IE的数值明显减小。
当 UEB1=UA时，二极管端电压为零,IE=0。 UEB1继续
增加，到 PN结正向导通时,IE为正，此电流由 e到 b1,
P区浓度很高的空穴向电子浓度很低的硅棒的 A-b1区
注入非平衡少子，注入的载流子使 rb1减小，其上压降
减小，从而 PN结正向电压增大，注入的载流子更多,
rb1进一步减小；当 IE增大到一定程度时，二极管的导
通电压将变化不大，此时 UEB1将因 rb1减小而减小，表
现出负阻特性。
负阻特性广泛应用于定时电路和振荡电路中。除
了单结晶体管外，负阻器件还有隧道二极管、负阻场
效应管和 λ双极晶体管等。
三、应用举例
图 1.5.3
VBB合闸通电时,
电容 C充电,其上电
压上升，达峰值电
压 UP时进入负阻区,
输入端等效电阻急
剧减小，电容迅速
放电，达谷点电压
UV后，管子截止,
电容再次充电，如
此循环往复形成振荡。
1.5.2 晶闸管（ Thyristor)
亦称为硅可控元件（ SCR),是由三个 PN结
构成的大功率半导体器件，多用于可控整流、逆
变、调压、无触点开关电路中。
一、结构和等效模型
图 1.5.4
图 1.5.5
二、工作原理
A-C间加正向电压而控制极 G不加电压时,J2结不通，
呈阻断状态。
A-C间加正向电压且控制极 G也加正向电压时,T2导
通并发生正反馈，几微秒时间两管全导通，靠正反馈维
持导通，控制极 G失去作用。此时 A-C间电压 0.6~1.2V,
阳极电流 IA可达几十 ~几千安。
晶闸管导通后，采用下列措施才能将其关断,
1、使阳极电流减小到小于维持电流 IH的数值；
2、在阳极和阴极之间加反向电压。
三、晶闸管的伏安特性
图 1.5.7
四、晶闸管的主要参数
1、额定正向平均电流 IF,连续通过的工频正弦波
电流平均值。
2、维持电流 IH,控制极开路，维持导通的最小阳
极电流。
3、触发电压 UG和触发电流 IG,u=6v时使晶闸管导
通所需最小的控制极电压和电流，一般为 1~5V
和几十至几百 mA。
4,正向重复峰值电压 UDRM,控制极开路，允许重
复作用在晶闸管上的最大正向电压。 (UBO?0.8)
5、反向重复峰值电压 URRM,控制极开路，允许重
复作用在晶闸管上的最大反向电压。 (UBO?0.8)
例：可控半波整流
图 1.5.8
1.6 集成电路中的元件
1.6.1 集成电路制造工艺简介
图 1.6.2
集成电路剖
面图及外形
图 1.6.3
PN结隔离
的制造工艺
(a)P型硅衬底
(b)氧化
(c)光刻
(d)腐蚀
(e)扩散
(f)外延及氧化
(g)光刻
(h)腐蚀
(i)扩散及氧化
图 1.6.4 在隔离岛上制作 PNP型管
1.6.2 集成双极型管
一,PNP型管
图 1.6.5 集成电路中的 PNP型管
图 1.6.6
多发射极管
图 1.6.7
多集电极管
二、其它类型晶体管
1.6.3 集成单极型管
图 1.6.8 CMOS电路
1.6.4 集成电路中元件的特点
一、具有良好的对称性。
二、电阻和电容的数值有一定的限制。电阻
几十欧 ~几百欧，电容一般小于 100pF。
三、纵向晶体管的 β值大，横向晶体管的 β值
小,PN结耐压高。
四、用有源元件取代无源元件。尽量多采用
纵向 NPN型管,少用电阻和电容。
学完本章后，应能掌握以下几点,
1、熟悉下列定义、概念及原理：自由电子与空穴,
扩散与漂移，复合，空间电荷区,PN结、耗尽
层，导电沟道，二极管的单向导电性，稳压管
的稳压作用，晶体管与场效应管的放大作用及
三个工作区域。
2、掌握二极管、稳压管、晶体管、场效应管的外
特性、主要参数的物理意义。
3、了解选用器件的原则。
