5.1 半导体的基本知识
5.2 半导体二极管
5.3 半导体三极管
5.4 场效应晶体管第 5章 半导体器件
5.1 半导体的基本知识一,半导体的导电特性
1.本征半导体半导体材料晶体的空间排列
Ge和 Si原子的简化模型典型的半导体有 硅 Si和 锗 Ge以及 砷化镓 GaAs等纯净的晶体结构的半导体称为本征半导体。
共价键本征激发束缚电子挣脱后，在共价键上留下的一个空位子，称为 空穴 。
电子空穴对 —— 由热激发而产生的自由电子和空穴对。
电子－空穴复合运动 半导体的导电特性电流＝自由电子定向运动＋空穴定向运动
T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度,
n = p =1.4× 1010/cm3
本征硅的原子浓度,4.96× 1022/cm3
2,杂质半导体目的：改善导电特性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 。
N型半导体 — 掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。
P型半导体 — 掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。
1,N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。
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 ； 空穴是少数载流子,由热激发形成。
提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为 正离子,
因此五价杂质原子也称为 施主杂质 。
2,P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。
在 P型半导体中 空穴是多数载流子,它主要由掺杂形成 ；
自由 电子是少数载流子,由热激发形成。
空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为 负离子 。三价杂质因而也称为 受主杂质 。
二,PN结及其单向导电特性在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成
N型半导体和 P型半导体。此时将在 N型半导体和 P型半导体的结合面上形成如下物理过程,
空间电荷区形成内电场
内电场促使少子漂移
内电场阻止多子扩散多子的扩散运动? 由 杂质离子形成空间电荷区
多子的 扩散 和少子的 漂移 达到 动态平衡对于 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 。
1,PN结的形成
2,PN结的单向导电特性当外加电压使 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 ；反之 称为加 反向电压,简称 反偏 。
1) 外加正向电压 Uf促使 PN结转化为 导通状态
PN结变窄,低电阻
大的正向扩散电流
i D / mA
1,0
0,5
i D = – I S
– 0,5– 1,0 0,50 1,0? D /V
(1)当 0≤Uf＜ UT时
UT为死区电压，或称门坎电压。
(2)当 Uf≥UT
2) 外加反向电压 UR促使 PN结转化为截止状态
空间电荷量增加,PN结变宽
电路近似于开路状态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 。
反向特性曲线当 PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，
此现象称为 PN结的 反向击穿。
热击穿 —— 不可逆雪崩击穿齐纳击穿 电击穿 —— 可逆
3.PN结的结电容 Cj
Cj=Ct+Cd
Ct：耗尽层电容,Cd：扩散电容
PN结的高频等效电路
5.2 半导体二极管在 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。
(1) 点接触型二极管
(a)点接触型二极管的结构示意图
PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。
(3) 平面型二极管
(2) 面接触型二极管 PN结面积大，用于工频大电流整流电路。
(b)面接触型
(c)平面型阴极引线阳极引线
P
N
P 型支持衬底
(4) 二极管的代表符号
( d ) 代表符号
k 阴极阳极 a
往往用于集成电路制造艺中。 PN 结面积可大可小，
用于高频整流和开关电路中。
二极管的伏安特性
+
U
s
-
0?
D
/ V0,2 0,4 0,6 0,8? 10? 20? 3 0
4 0
5
10
1 5
20
10
20
3 0
40
i
D
/? A
i
D
/ mA
死区
V
thV
BR
硅二极管 2CP10的 V-I 特性
0
D
/ V0,2 0,4 0,6
2 0? 4 0? 60
5
10
1 5
20
10
20
3 0
40
i
D
/? A
i
D
/ mA
②
①
③
V
th
V
BR
锗二极管 2AP15的 V-I 特性
(1) 最大整流电流 IF
(2) 反向击穿电压 VBR和最大反向工作电压 VRM
(3) 反向电流 IR
(4) 正向压降 VF
(5) 极间电容 CB
(6)微变 (变流 )电阻 rD
(7)最高工作频率 fM
D
Ur
I
26 25
D
D
mVr T C
I
功能分类：
稳压二极管、变容二极管、光电二极管、发光二极管功能：整流、检波、钳位、限幅、开关例：画输出电压 Uo的波形利用 PN结的反向击穿现象，却可以起到稳定电压的作用，即通过管子的电流在很大的范围内变化，而管子两端的电压却变化很小。
稳压二极管
(1) 稳定电压 VZ
(2) 动态电阻 rZ
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。
rZ =?VZ /?IZ
(3)最大耗散功率 PZM
(5)稳定电压温度系数 ——?VZ
2,稳压二极管主要参数
(4)最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流 IZmin
稳压管可以串联使用，一般不能并联使用,
5.3 半导体三极管（ BJT）
半导体三极管又称双极型晶体管，简称 BJT。
BJT的种类按频率按半导体材料按结构高频管低频管
NPN型
PNP型按功率大、中、小功率管有 Si 管,Ge 管
1.BJT的结构半导体三极管的结构示意图如图 03.1.01所示。它有两种类型,NPN型和 PNP型。
两种类型的三极管发射结 (Je) 集电结 (Jc)
基极,用 B或 b表示（ Base）
发射极,用 E或 e
表示（ Emitter）；
集电极,用 C或 c
表示（ Collector）。发射区 集电区基区三极管符号
5.3.1 BJT的放大原理和电流关系结构特点：
发射区的掺杂浓度最高；
集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大；
基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。
管芯结构剖面图
2,BJT的三种连接方式
BJT的三种连接方式
(a)共基极电路； (b)共发射极电路； (C)共集电极电路
3,放大原理和电流关系三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通过载流子传输体现出来的。
外部条件：
发射结正偏，集电结反偏。
C B EU U U
e区向 b区发射电子的过程载流子在三极管内部的运动。 (*多数载流子的运动 )
电子在 b区中的扩散和复合的过程
电子被 C区收集的过程载流子移动产生的电流：
IB:基极（ b极）电流
IC:集电极（ c极）电流
IE:发射极（ e极）电流
ICBO:集电极 -基极反向饱和电流
ICEO:集电极 -发射极穿透电流以上看出，三极管内有两种载流子 (自由电子和空穴 )参与导电，
故称为双极型三极管或 BJT
(Bipolar Junction Transistor)。
电流关系：
电流放大系数共射直流电流放大系数：
共射交流电流放大系数：
C
B
C
B
I
I
I
I
IE=IB+IC=IB+βIB=(1+β)IB
是电流放大系数。 同样，它也只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关,与外加电压无关。 一般? >> 1 。
共基极直流电流放大系数共基极交流电流放大系数
C
B
C
B
I
I
I
I
()
1
C E C B
C B B
I I I I
I I I
,11
例 5、如果
ΔUBE=15mV,ΔIB=20μA,β=5
0,Rc=1kΩ，求 ΔIC和 Au。
5 0 2 0 1
1 1 1
1
6 6,7
15
CB
C E C c
CE
u
BE
I I A mA
U I R mA k V
UV
A
U mV
5.3.2 BJT的特性曲线
BJT各电极电压与电流之间的关系曲线，称为伏安特性曲线。
BJT的共发射极特性曲线测试电路
1.共发射极输入特性
0( ) | CEB B E u C Vi f u +
-
b
c
e
共射极放大电路
VBB
VCCvBE
iCi
B +
-
vCE
① 死区
② 非线性区
③ 线性区
2.共发射极输出特性
iC=f(uCE)?iB=C
BJT的三个工作区域
1.截止区
e结,c结均为反偏,BJT
无放大作用。
IB≈0; IC≈0
UCE=UCC-ICRC≈UCC
2,放大区
e结正偏,c结反偏
IB＞ 0; IC=βIB
UCE=UCC-ICRc
3.饱和区
e结,C结均为正偏，
UCE=UCES很小。
根据三极管管脚电位判断三极管的类型及工作状态？
C E C C C cU U I R
m a x
C C C ES C C
C S C
cc
U U UII
RR
5.3.4 BJT的主要参数
1.电流放大系数
1)共发射极直流电流放大系数
C
B
I
I
2) 共发射极交流电流放大系数 β
C
B
I
I?
静态工作点 Q
B C CEI I U
cbii
2,极间反向电流
1) C,B极间反向饱和电流 ICBO
E极开路,C,B间加上一定的反向电压时的反向电流 (如同
PN结的反向电流 )。
2) C,E极间反向穿透电流 ICEO
B极开路,C,E间加上一定的反向电压时的 C极电流。
ICEO=ICBO+βICBO=(1+β)ICBO
3.极限参数
1)集电极最大允许电流 ICM
当 iC超过一定值时,BJT的参数会发生变化，特别是 β将下降。 ICM是指 BJT的参数变化不超过允许值时,C极允许的最大电流。
2) 集电极最大允许耗散功率 PCM
CM C CEP I U?
N沟道
P沟道增强型耗尽型
N沟道
P沟道
N沟道
P沟道
（耗尽型）
FET
场效应管
JFET
结型
MOSFET
绝缘栅型
(IGFET)
场效应管 分类：
5.4 场效应晶体管
1,JFET的结构和符号
2.工作原理
1) uDS=0,uGS=0
2) uDS＞ 0
① 当 uGS=0 ② 当 UP＜ uGS＜ 0
③ 当 uGS≤UP
2) uDS＞ 0
,G D P G S Pu U u U
|?
DS
D
m u
GS
i
g
u 常 数 d g s
i g u?
5.4.3 绝缘栅场效应管
1,N沟道增强型 IGFET
工作原理
(1) uGS对 iD的控制作用：
① uGS=0 iD ≈0 00
T G S D SU u u
0 G S T D Su U u
D S G S Tu u U
(2) uDS对 iD的影响。
u
D S
i
D
u
G S
2 V
3 V
4 V
5 V
6 V
|?
DS
D
m u
GS
i
g
u 常 数 d g s
i g u?
5.2 半导体二极管
5.3 半导体三极管
5.4 场效应晶体管第 5章 半导体器件
5.1 半导体的基本知识一,半导体的导电特性
1.本征半导体半导体材料晶体的空间排列
Ge和 Si原子的简化模型典型的半导体有 硅 Si和 锗 Ge以及 砷化镓 GaAs等纯净的晶体结构的半导体称为本征半导体。
共价键本征激发束缚电子挣脱后，在共价键上留下的一个空位子，称为 空穴 。
电子空穴对 —— 由热激发而产生的自由电子和空穴对。
电子－空穴复合运动 半导体的导电特性电流＝自由电子定向运动＋空穴定向运动
T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度,
n = p =1.4× 1010/cm3
本征硅的原子浓度,4.96× 1022/cm3
2,杂质半导体目的：改善导电特性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 。
N型半导体 — 掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。
P型半导体 — 掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。
1,N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。
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 ； 空穴是少数载流子,由热激发形成。
提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为 正离子,
因此五价杂质原子也称为 施主杂质 。
2,P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。
在 P型半导体中 空穴是多数载流子,它主要由掺杂形成 ；
自由 电子是少数载流子,由热激发形成。
空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为 负离子 。三价杂质因而也称为 受主杂质 。
二,PN结及其单向导电特性在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成
N型半导体和 P型半导体。此时将在 N型半导体和 P型半导体的结合面上形成如下物理过程,
空间电荷区形成内电场
内电场促使少子漂移
内电场阻止多子扩散多子的扩散运动? 由 杂质离子形成空间电荷区
多子的 扩散 和少子的 漂移 达到 动态平衡对于 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 。
1,PN结的形成
2,PN结的单向导电特性当外加电压使 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 ；反之 称为加 反向电压,简称 反偏 。
1) 外加正向电压 Uf促使 PN结转化为 导通状态
PN结变窄,低电阻
大的正向扩散电流
i D / mA
1,0
0,5
i D = – I S
– 0,5– 1,0 0,50 1,0? D /V
(1)当 0≤Uf＜ UT时
UT为死区电压，或称门坎电压。
(2)当 Uf≥UT
2) 外加反向电压 UR促使 PN结转化为截止状态
空间电荷量增加,PN结变宽
电路近似于开路状态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 。
反向特性曲线当 PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，
此现象称为 PN结的 反向击穿。
热击穿 —— 不可逆雪崩击穿齐纳击穿 电击穿 —— 可逆
3.PN结的结电容 Cj
Cj=Ct+Cd
Ct：耗尽层电容,Cd：扩散电容
PN结的高频等效电路
5.2 半导体二极管在 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。
(1) 点接触型二极管
(a)点接触型二极管的结构示意图
PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。
(3) 平面型二极管
(2) 面接触型二极管 PN结面积大，用于工频大电流整流电路。
(b)面接触型
(c)平面型阴极引线阳极引线
P
N
P 型支持衬底
(4) 二极管的代表符号
( d ) 代表符号
k 阴极阳极 a
往往用于集成电路制造艺中。 PN 结面积可大可小，
用于高频整流和开关电路中。
二极管的伏安特性
+
U
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-
0?
D
/ V0,2 0,4 0,6 0,8? 10? 20? 3 0
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硅二极管 2CP10的 V-I 特性
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②
①
③
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锗二极管 2AP15的 V-I 特性
(1) 最大整流电流 IF
(2) 反向击穿电压 VBR和最大反向工作电压 VRM
(3) 反向电流 IR
(4) 正向压降 VF
(5) 极间电容 CB
(6)微变 (变流 )电阻 rD
(7)最高工作频率 fM
D
Ur
I
26 25
D
D
mVr T C
I
功能分类：
稳压二极管、变容二极管、光电二极管、发光二极管功能：整流、检波、钳位、限幅、开关例：画输出电压 Uo的波形利用 PN结的反向击穿现象，却可以起到稳定电压的作用，即通过管子的电流在很大的范围内变化，而管子两端的电压却变化很小。
稳压二极管
(1) 稳定电压 VZ
(2) 动态电阻 rZ
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。
rZ =?VZ /?IZ
(3)最大耗散功率 PZM
(5)稳定电压温度系数 ——?VZ
2,稳压二极管主要参数
(4)最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流 IZmin
稳压管可以串联使用，一般不能并联使用,
5.3 半导体三极管（ BJT）
半导体三极管又称双极型晶体管，简称 BJT。
BJT的种类按频率按半导体材料按结构高频管低频管
NPN型
PNP型按功率大、中、小功率管有 Si 管,Ge 管
1.BJT的结构半导体三极管的结构示意图如图 03.1.01所示。它有两种类型,NPN型和 PNP型。
两种类型的三极管发射结 (Je) 集电结 (Jc)
基极,用 B或 b表示（ Base）
发射极,用 E或 e
表示（ Emitter）；
集电极,用 C或 c
表示（ Collector）。发射区 集电区基区三极管符号
5.3.1 BJT的放大原理和电流关系结构特点：
发射区的掺杂浓度最高；
集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大；
基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。
管芯结构剖面图
2,BJT的三种连接方式
BJT的三种连接方式
(a)共基极电路； (b)共发射极电路； (C)共集电极电路
3,放大原理和电流关系三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通过载流子传输体现出来的。
外部条件：
发射结正偏，集电结反偏。
C B EU U U
e区向 b区发射电子的过程载流子在三极管内部的运动。 (*多数载流子的运动 )
电子在 b区中的扩散和复合的过程
电子被 C区收集的过程载流子移动产生的电流：
IB:基极（ b极）电流
IC:集电极（ c极）电流
IE:发射极（ e极）电流
ICBO:集电极 -基极反向饱和电流
ICEO:集电极 -发射极穿透电流以上看出，三极管内有两种载流子 (自由电子和空穴 )参与导电，
故称为双极型三极管或 BJT
(Bipolar Junction Transistor)。
电流关系：
电流放大系数共射直流电流放大系数：
共射交流电流放大系数：
C
B
C
B
I
I
I
I
IE=IB+IC=IB+βIB=(1+β)IB
是电流放大系数。 同样，它也只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关,与外加电压无关。 一般? >> 1 。
共基极直流电流放大系数共基极交流电流放大系数
C
B
C
B
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1
C E C B
C B B
I I I I
I I I
,11
例 5、如果
ΔUBE=15mV,ΔIB=20μA,β=5
0,Rc=1kΩ，求 ΔIC和 Au。
5 0 2 0 1
1 1 1
1
6 6,7
15
CB
C E C c
CE
u
BE
I I A mA
U I R mA k V
UV
A
U mV
5.3.2 BJT的特性曲线
BJT各电极电压与电流之间的关系曲线，称为伏安特性曲线。
BJT的共发射极特性曲线测试电路
1.共发射极输入特性
0( ) | CEB B E u C Vi f u +
-
b
c
e
共射极放大电路
VBB
VCCvBE
iCi
B +
-
vCE
① 死区
② 非线性区
③ 线性区
2.共发射极输出特性
iC=f(uCE)?iB=C
BJT的三个工作区域
1.截止区
e结,c结均为反偏,BJT
无放大作用。
IB≈0; IC≈0
UCE=UCC-ICRC≈UCC
2,放大区
e结正偏,c结反偏
IB＞ 0; IC=βIB
UCE=UCC-ICRc
3.饱和区
e结,C结均为正偏，
UCE=UCES很小。
根据三极管管脚电位判断三极管的类型及工作状态？
C E C C C cU U I R
m a x
C C C ES C C
C S C
cc
U U UII
RR
5.3.4 BJT的主要参数
1.电流放大系数
1)共发射极直流电流放大系数
C
B
I
I
2) 共发射极交流电流放大系数 β
C
B
I
I?
静态工作点 Q
B C CEI I U
cbii
2,极间反向电流
1) C,B极间反向饱和电流 ICBO
E极开路,C,B间加上一定的反向电压时的反向电流 (如同
PN结的反向电流 )。
2) C,E极间反向穿透电流 ICEO
B极开路,C,E间加上一定的反向电压时的 C极电流。
ICEO=ICBO+βICBO=(1+β)ICBO
3.极限参数
1)集电极最大允许电流 ICM
当 iC超过一定值时,BJT的参数会发生变化，特别是 β将下降。 ICM是指 BJT的参数变化不超过允许值时,C极允许的最大电流。
2) 集电极最大允许耗散功率 PCM
CM C CEP I U?
N沟道
P沟道增强型耗尽型
N沟道
P沟道
N沟道
P沟道
（耗尽型）
FET
场效应管
JFET
结型
MOSFET
绝缘栅型
(IGFET)
场效应管 分类：
5.4 场效应晶体管
1,JFET的结构和符号
2.工作原理
1) uDS=0,uGS=0
2) uDS＞ 0
① 当 uGS=0 ② 当 UP＜ uGS＜ 0
③ 当 uGS≤UP
2) uDS＞ 0
,G D P G S Pu U u U
|?
DS
D
m u
GS
i
g
u 常 数 d g s
i g u?
5.4.3 绝缘栅场效应管
1,N沟道增强型 IGFET
工作原理
(1) uGS对 iD的控制作用：
① uGS=0 iD ≈0 00
T G S D SU u u
0 G S T D Su U u
D S G S Tu u U
(2) uDS对 iD的影响。
u
D S
i
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2 V
3 V
4 V
5 V
6 V
|?
DS
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