1
2.2 半导体二极管和三极管的开关特性导体：铜，银，铝，铁 ……
绝缘体：云母，陶瓷，塑料，橡胶 ……
半导体：硅，锗 ……
半导体得以广泛应用，是因为其导电性能会随外界条件的变化而产生很大的变化。
1,半导体材料使导电性能产生很大变化的外界条件主要有,
温度,温度上升，电阻率下降。
光照,光照使电阻率降低。
掺杂,掺入少量的杂质，会使电阻率大大降低。
2.2.1 半导体基本知识
2
2,锗、硅晶体的共价键结构
（ 1） 原子结构硅 +14 锗 +32
共同特点,
最外层具有 4个价电子 。 +4
3
（ 2） 晶格与共价键半导体的共价键结构处于共价键中的电子称为 束缚电子。
束缚电子能量小，不能参与导电。
4
3,本征半导体与本征激发本征半导体,高度纯净，结构完整的半导体。
本征激发,
束缚电子 获得一定能量，脱离共价键束缚而 成为自由电子 的现象。
认为空穴带正电荷，电荷量等于电子电荷量。
自由电子失去能量，重新回到共价键上，称为 复合 。
本征激发后，共价键中留下的空位叫 空穴 。
本征激发产生自由电子和空穴对空穴
5
空穴的运动半导体中有两种载流子：
自由电子和空穴 。
半导体中的电流是电子流和空穴流之和。
在本征半导体中，
自由电子数总等于空穴数，
且浓度低，导电能力差。
束缚电子填补空穴的运动称空穴的运动。
硅 原子的价电子 比锗 离核近，受原子核束缚力较大
，在同样温度下本征激发较小,温度稳定性较好 。
本征激发产生的载流子浓度随温度增加急剧增大。
6
4,杂质半导体
（ 1） P型半导体在本征半导体中掺入微量
3价 元素（如硼）形成 。
+4
+3+4
+4
+4
空 穴 -----多数载流子 (多子 )
自由 电子 ---少数载流子 (少子 )
本征激发产生电子 -空穴 对。
一个三价杂质原子产生一个 空穴 -负离子 对。
三价杂质称为受主杂质。
杂质原子获得一个电子成为 负离子 。
硅原子的共价键上缺少一个电子形成空穴。
7
（ 2） N型半导体在本征半导体中掺入少量的 5价 元素（如磷）形成。
杂质原子多余的一个价电子容易挣脱原子核的束缚变成自由电子。
一个 5价杂质原子产生一个 电子 -正离子对。
本征激发,自由 电子 -空穴对 杂质原子失去一个电子成为正离子。
5价杂质 -----施主杂质自由 电子 -----多数载流子空 穴 -----少数载流子
8
结 论
◆ 掺杂会大大提高半导体中载流子浓度，使导电性能大增。
◆ 掺入 五价 杂质产生 N型 半导体（电子型半导体）
多子 — 电子、少子 — 空穴。
◆ 掺入 三价 杂质产生 P型 半导体（空穴型半导体）
多子 — 空穴、少子 — 电子。
◆ 多子浓度近似等于杂质浓度，
少子浓度与温度密切相关。
9
2.2.2 PN结的形成及特性
1,PN结的形成 ◆ 浓度差产生多子扩散运动扩散破坏了原来的电中性,
P区失去空穴，留下负离子；
N区失去电子，留下正离子，
正负离子的数量相等。
n?p
P N
◆ 扩散运动形成空间电荷区在 P区和 N区交界面附近，形成由不能移动的正负离子组成的区间，称空间电荷区，
也称 PN结区。
PN
结区空间电荷区宽度与杂质浓度成反比。
10
◆ 空间电荷产生内建电场内建电场阻止多子的扩散运动。
◆ 耗尽层
PN结内由于扩散与复合，
使载流子几乎被耗尽，
是高阻区。也称 阻挡层 。
结区
EP N
◆ 内建电场有利于少子的漂移运动。
载流子在电场作用下产生的定向运动称漂移运动。
◆ 扩散与漂移达到动态平衡时,PN结形成。
动态平衡时流过 PN结的总电流为 0。
11
电子势能分布图
V0 硅,0.6～ 0.8V
锗,0.1～ 0.3V
P N
结区
E
V0
电位分布图
◆ 势垒区空间电荷在结区内形成电位差，称 接触电位差或结电压
-qV0
12
2,PN结的单向导电性
(1) 外加正向电压内电场外电场正向偏置,
P区接电源＋端
N区接电源－端
◆ 空间电荷减少，结区变窄在外电场的作用下
P区空穴向结区运动，
中和部分负离子。
N区自由电子向结区运动，
中和部分正离子。
∴ 空间电荷减少，结区变窄。
VF
13
◆ 产生较大的正向电流 IF
原来的动态平衡被打破，
多子的扩散电流远大于少子的漂移电流，产生较大的正向电流 。
◆ 结内电位差减小，势垒减小
P区,N区为低阻区，结区为高阻区，外加电压主要加在结区，抵消内电场的作用,∴ 使结内电位差减小，势垒减小。
VF
V0
V0-VF
外加电压很小变化，
将引起电流的较大变化。
PN结正向导通时，
其正向导通电阻很小。
14
VR
(2) 外加反向电压内电场外电场反向偏置,
P区接电源－端，
N区接电源＋端。
◆ 结内电位差增加，
势垒提高。
◆ 空间电荷增加，结区变宽。
P区的空穴,N区的自由电子，均背离结区运动，使空间电荷增加，结区变宽。V0 V
0+VR
15
◆ 只有很微小的反向电流多子的扩散电流趋于 0，由少子的漂移电流产生反向电流，少子浓度很小，所以反向电流很小。
反向电流几乎与反向电压的大小无关，
但随温度增加急剧增大。
PN结反向截止时，其反向截止电阻很大。
16
结论
◆ 加正向电压，很小的电压能产生较大电流，外加电压很小变化，将引起电流的较大变化。
◆ 加反向电压，只能产生微小的反向电流，且反向电流的大小几乎与反向电压无关。
◆ PN结正向电阻小，反向电阻大，具有单向导电性。
17
(3) PN 结的 V-I 特性
IS,反向饱和电流
VT,温度的电压当量
VT =kT /q
K=1.38× 10-23（ J/K）
q=1.6× 10-19C
T 绝对温度当 T=300K时,VT≈26mV。
)1( T
D
V
v
SD eIi
iD
IS vD
18
加正向电压
vD>0
S
D
TD
V
v
SD
D
V
I
i
Vv
eIi
Vv
ee
T
D
T
ln
1.0
18.46
0 2 6.0
1.01.0
SD
D
V
Ii
Vv
ee T
时，有1.0
1021.00 2 6.0
1.01.0
几乎与反向电压的大小无关
Di
加反向电压
vD<0
)1( T
D
V
v
SD eIi
19
3,PN 结的反向击穿反向电压增加到一定数值时，
反向电流剧增，
这种现象称为反向击穿。（电击穿 )
击穿时的反向电压称为反向击穿电压 VBR
◆ 电击穿
PN 结电击穿的原因,
强电场使自由电子和空穴的数目大大增加，
从而使反向电流急剧增加。
iD
IS vD
反向击穿
◆ 热击穿
PN 结温度过高，将结烧坏。
20
2.2.3 半导体二极管
1,半导体二极管的结构半导体二极管是由 PN结加电极引线封装而成的。
结构有：
点接触型,PN结面积小，极间电容小，高频特性好，
但反向耐压较低，正向电流较小。
用于高频检波、开关器件等。
面接触型,PN结面积大，反向耐压较高，正向电流较大，用于整流。
二极管的符号 正极
(P)
负极
(N)
21
死区
2,二极管的 V-I 特性
（ 1） 正向特性存在 门坎电压 Vth（ 死区电压） 硅 0.5V 锗 0.1V
正向导通电压 很小，硅 0.6～ 0.8V（ 估算值 0.7V）
锗 0.2～ 0.3V（ 估算值 0.2V）
)1( T
D
V
v
SD eIi
实际二极管的 V-I特性与
PN结特性基本相同。
iD
IS vD
Vth
理想 PN结的特性：正向导通区
22
(2) 反向特性反向击穿区当反向电压达到反向击穿电压时反向电流迅速增大，产生反向击穿。
反向击穿区反向截止区死区
iD
IS vD
Vth
正向导通区 电压小于反向击穿电压时，
反向电流很小,IS≈0 。
反向电流几乎不随反向电压变化，但随温度增加急剧增大。
反向截止区
23
3,二极管的参数
(1) 最大整流电流 I F
管子长期运行允许通过的最大正向平均电流。
(2) 反向击穿电压 VBR
反向电流急剧增加时所加的反向电压。
（参数表中一般规定反向电流所达到的值）
最高反向工作电压一般取击穿电压的一半。
(3) 反向电流 I R
管子未发生电击穿时的反向电流。
（参数表中一般规定所应加的反向电压）
24
4.二极管基本电路及其分析方法二极管是一种非线性器件，分析含二极管的电路一般采用 图解法 和 模型分析法 。
(1) 二极管正向 v— i 的建模
a.理想模型
iD＞ 0→vD=0iD
vD
iD
vD
iD
vD
iD
vD
用于电源电压 >>管压降的情况，如开关电路。
vD＜ 0→iD=0
25
b,恒压降模型二极管正向导通时，其管压降 VF=常数
（硅管取 0.7V） 。
用于直流分析，电源电压较大，工作电流较大,
而正向电压变化较小的情况。
iD
vD
iD
vD
iD＞ 0 →vD= VF
vD＜ VF →iD=0
iD
vD
VF
iD
vD
VF
26
c,小信号模型输入变化的信号，且信号幅度很小，
二极管 工作在静态工作点 Q附近的小范围内 。
用过 Q点的切线近似表示 V-I 曲线上的一小段曲线。
切线斜率的倒数称微变电阻 rd （ 动态电阻）
小信号模型只用于动态分析，
方程中求解的变量是信号量。
（电压和电流瞬时值的变化量）
D rd△ vD
△ iD
27
rd的计算
)1(
Q
T
D
V
v
SD
D
D
d
eIi
di
dv
r
rd与静态工作电流有关
。
T
Q
T
V
V
s
Q
V
v
T
s
D
D
V
I
V
eI
e
V
I
dv
di T
Q
T
D
Q
QQ
T
d I
mV
I
Vr )(26
28
(2)二极管模型分析法
a,静态分析
① 图解法
VDD VD
IDR
ID=f（ VD）
VD=VDD-IDR
VQ
IQ
29
② 模型分析法 R
VDD V
D
ID理想模型
VDD>0,ID=VDD/R
VD=0
恒压降模型
VDD>VF,VD=VF=0.7V
ID=(VDD-0.7)/R
VDD<VF,VD=VDD
ID=0
VF=0.7V
R
VDD V
D
ID
VDD<0,ID=0
VD=VDD
30
b,限幅电路
Vo
R
1K
VR
3V
Vi
设二极管为 理想二极管,
(1)设 Vi=0V,4V,求 Vo
先求理想二极管两端的开路电压 VDO,
VDO=Vi-3
VDO>0 即 Vi>3V 二极管导通
VDO<0 即 Vi<3V 二极管截止
Vi=4V,二极管导通
Vo=VR=3V
Vi=0V,二极管截止
Vo=Vi=0 V
31
(2) 设 vi=6sinωt
画出 vo的波形及传输特性
Vo
R
1K
VR
3V
Vi
Vi>3V 二极管导通
Vo=VR=3V
vi
vo
3V
3V
3V6V
vi
t
3V
vo
tVi<3V 二极管截止
Vo=Vi
32
c,开关电路在开关电路中，二极管一般采用理想模型。
关键是,判别二极管是导通，还是截止方法是,
将理想二极管开路，计算两端的开路电压，
开路电压大于 0，理想二极管导通，将其看作短路。
开路电压小于 0，理想二极管截止，将其看作开路。
33
例 1：判断下图中二极管是导通还是截止，
并求输出端电压 Vo（ 设二极管是理想的）
15V
D1
D2
12V
1K Vo
D1导通，
D2截止
VDO1
15V
12V
1K Vo
VDO2
Vo=0V
VDO2
15V
12V
1K Vo
VDO1=12V
VDO2=－ 3V
34
如果多个二极管的开路电压都大于 0，
则先令正向电压较大的二极管先导通,
再重新计算其他二极管的开路电压，
重新考虑其工作状态 。
35
例 2：
此时,VDO1=－ 6V
∴ D1 截止。
Vo=－ 6V
6V
D1
D2
12V
1K Vo
VDO1
6V
12V
1K Vo
VDO2
6V
12V
1K Vo
VDO1
VDO1=12V
VDO2=18V
D2优先导通
36
例 3:
VCC
5V
Vi1
R
4.7KΩ
D1
D2V
i2
VoV
CC
5V
Vi1
R
4.7KΩD1
D2V
i2
Vo
VCC
5V
Vi1
R
4.7KΩ
D1
D2V
i2
Vo
5V
D1导通
D2导通
Vo=0V
D1导通,D2截止
Vo=0V
VCC
5V
Vi1
R
4.7KΩ
D1
D2V
i2
Vo
5V
D1截止,D2截止
Vo=5V与门电路
Vi1=0
Vi2=0
Vi1=0,Vi2=5V Vi1=5V,Vi2=5V
37图 2.2.1 二极管开关电路假定 VIH=VCC,VIL=0,D为理想开关元件；
vI=VIH时,D截止,vO= VOH=VCC
vI=VIL时,D导通,vO= VOL=0
反向截止：
正向导通,开关接通开关断开由于半导体 二极管 具有单向导电性,相当于一个受外加电压极性控制的 开关 。
38图 2.2.3 二极管伏安特性的几种近似方法正向导通压降和正向电阻不能忽略 仅忽略正向电阻正向导通压降和正向电阻都忽略
√
39
图 2.2.4 二极管的动态电流波形半导体 二极管的动态工作情况,
(1)二极管外加电压由反向变正向时，正向导通电流的建立稍微滞后一点；
(2)二极管外加电压由正向变反向时，产生较大的瞬态反向电流，并持续一定的时间；
反向恢复时间 tre,
反向电流从峰值衰减到峰值的十分之一所经过的时间二极管产生反向恢复过程的原因是,电荷存储效应。
tre在纳秒数量级
40
*2.2.4 特殊二极管
1,稳压管
（ 1）原理利用二极管反向击穿特性实现稳压 。
反向击穿后，电流急剧增加，但电压基本不变。
理想稳压管的特性
vD
iD
－
vD
iD
－ VZ
VF
41
（ 2）稳压管参数
◆ 稳定电压 VZ,反向电击穿时的工作电压。
◆ 稳定电流 IZ,
测量稳定电压，动态电阻时的参考电流值。
iZ>IZ,稳压性能较好,rZ较小。
◆ 最大稳定电流 IZM,允许的最大电流。
IZ < iZ<IZM
◆ 额定功耗 PM,允许的最大功耗。
一般 PM =IZM VZ 。
◆ 动态电阻 rZ,反向击穿区斜率的倒数。
rZ=dvZ/diZ 。
◆ 温度系数,温度变化 1℃,稳定电压变化的百分数。
42
2.2.5 半导体三极管 — 双极型三极管
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
43
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
44
B
E
C
N
N
P
基极发射极集电极发射结集电结
45
2,电流放大原理
B
E
C
N
N
P
EB
RB
EC
IE
基区空穴向发射区的扩散可忽略。
IBE
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。
进入 P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流 IBE,多数扩散到集电结。
46
B
E
C
N
N
P
EB
RB
EC
IE
集电结反偏，有少子形成的反向电流 ICBO。 ICBO
IC=ICE+ICBO?ICE
IBE
ICE
从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成
ICE。
47
IB=IBE-ICBO?IBE
IB
B
E
C
N
N
P
EB
RB
EC
IE
ICBO ICE
IC=ICE+ICBO?ICE
IBE
48
ICE与 IBE之比称为电流放大倍数要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。
B
C
C B OB
C B OC
BE
CE
I
I
II
II
I
I?
49
B
E
C
IB I
E
IC
NPN型三极管
B
E
C
IB I
E
IC
PNP型三极管
50
3,输入输出特性曲线实验电路,
IC
mA
A
V V UCEUBERB
IB
EC
EB 输入回路 输出回路
51
(1)BJT 的输入特性曲线
① vCE=0,输入特性曲线与二极管的正向特性曲线相似。
② 0<vCE<1V,vCE增大时，输入特性曲线略向右移动。
∵ 集电结由正偏逐渐变成反偏，吸引电子的能力增强，
从发射区注入到基区的电子更多的被集电结收集，
vBE一定时，流向基极的电流减少。
③ vCE>1V,输入特性基本不变 。
∵ 集电极已反偏，已具有足够收集电子的能力。
常数 CEBEB vvfi )( vBE
vCE
iC
iB
52
vBC=0
(2)输出特性放大区饱和区截止区常数 BCEC ivfi )(
（ A）放大区处于放大区的条件发射结正偏，集电结反偏。
NPN,vBE>0 vBC≤0
（硅管 vBE≈0.7V）,
特点：
① iC=?i B+ICEO≒?i B
在放大区内,iC受 iB控制。
② iB不变,iC受 vCE的影响很小，呈现很好的 恒流特性 。
③因为基区宽度调制效应,iC
随 vCE增加有微小增加。
vBE
vCE
iC
iB
击穿区
53
（ B）截止区发射结反偏，集电结反偏。
NPN,vBE ＜ 0,vBC< 0
（ vBE<Vth ）
特点,iB≤0,iC≤ICEO
iE≈iC ≈ iB ≈ 0
（ C）饱和区发射结正偏，集电结正偏。
NPN,vBE>0 vBC>0
（硅管 vBE≈0.7V）
特点：
iC随 vCE的增加而迅速增加。
iC＜?i B,iC不受 iB控制。
vCE很小，称 饱和压降 VCES
硅管,VCES ≈0.3v
锗管,VCES ≈0.1v
(D) 击穿区
vCE 足够大时，集电结发生反向击穿,iC迅速增大。
54
NPN PNP三极管的比较
NPN PNP 特 点放大区
VC>VB>VE
VBE为结电压
VC<VB<VE
VBE为结电压发射结正偏，
集电结反偏
iC=?iE=?iB
截止区
VB<VC
VB <VE
VB>VC
VB>VE
发射结反偏集电结反偏
iC ≈iE ≈iB ≈0
饱和区
VB>VE VB>VC
VBE为结电压
VCE 为饱和压降
VB<VE VB<VC
VBE为结电压
VCE 为饱和压降发射结正偏集电结正偏
iC<?iB
饱和压降硅管,|VCES| ≈ 0.3V
锗管,|VCES| ≈ 0.1V
导通时结电压硅管,|VBE|≈0.7V
锗管,|VBE| ≈ 0.2V
55
6v
4,BJT 的主要参数
(1) 电流放大系数
Q BCII:共射直流放大系数常数）（
共射交流放大系数
CE
B
C v
i
i
:
E
C
E
C
di
di
I
I
:
:
共基交流放大系数共基直流放大系数
11
5.3704.0 5.1
4004.006.0 5.13.2
56
① 集电极 -基极反向饱和电流 ICBO
小功率锗管,ICBO 约 10μA，
硅管 ICBO小于 1μA。
(2) 极间反向电流
② 集电极 -发射极的反向饱和电流 ICEO
也称 穿透电流 。
ICEO=(1+?)ICBO
锗管：十～几百微安硅管：几微安
vCC
ICB
O
vCC
ICEO
极间反向电流大小取决于少数载流子 的浓度,
与温度密切相关。
57
(3) 极限参数
① 集电极最大允许电流 ICM
一般指?下降到最大值的 0.5 时的电流值。
IC超过 ICM时,?值大大下降。
② 集电极最大允许功耗 PCM
集电极功率损耗 PC=IC× VCE
当 PC＞ PCM 时，集电极过热会烧毁。
③ 反向击穿电压晶体管的两个 PN结，在反向电压超过规定值时，会发生电击穿现象。
58
V(BR)EBO< V(BR)CEO< V(BR)CER
<V(BR)CBO
vCC
V(BR)EBO
V(BR)CBO
V(BR)CEO
V(BR)CER
集电极开路，发射极 -基极允许的最大反压发射极开路，集电极 -基极允许的最大反压基极开路，集电极 -发射极间的最大反压
B-E间接电阻，集电极 -发射极间的最大反压
59
晶体管的安全工作范围安全工作区过损区过流区过压区
ICM
V(BR)CEO
PCM
60
图 2.2.7 双极型三极管的基本开关电路截止时,vo≈VCC;
饱和导通时,vo≈0V;
5.双极型三极管的基本开关电路
61
(1)输入电压 vI=0时,vBE=0,iB=0,
三极管处于截止状态；
iC=0,vO=VCC
(2)输入电压 vI>VON时,有 iB产生,
三极管开始进入放大区，则有：
CCCCCEO
BC
BE
B
BECC
B
RiVvv
Ii
VV
R
VV
i
7.0
62
图 2.2.8 用图解法分析图 2.2.7电路
(a)电路图 (b)作图方法
63
(3)输入电压 vI继续升高,RC上的压降随之增加,当 RC上的压降接近 VCC，三极管处于深度饱和，开关电路处于导通状态,vO=VOL=0.
C
s a tCECC
BS
CBCC
CCCCCE
R
VV
i
RiV
RiVv
)(
iBS称为饱和基极电流。
三极管工作于饱和状态的条件,iB≥iBS
64
图 2.2.9 双极型三极管的开关等效电路
(a)截止状态
(b)饱和导通状态
65
工作状态 截 止 放 大 饱 和条 件 iB≈0 0<iB<ICS / iB> ICS /
工作特点偏置情况 发射结和集电结均为 反 偏发射结 正 偏集电结 反 偏发射结和集电结均为 正 偏集电极电流
iC ≈0 iC ≈ iB iC=ICS
管压降 VCEO ≈VCC VCE =VCC-
iCRC
VCES
≈0.2~0.3v
c,e间等效内阻相当于开关 断开（很大）
可 变 相当于开关 闭合（很小）
NPN型 BJT工作状态和特点
66
6、双极型三极管的动态开关特性图 2.2.10 双极型三极管的动态开关特性三极管截止 饱和导通
67
2.2.6 MOS场效应管
BJT的缺点：输入电阻较低,温度特性差。
场效应管 (FET)：用电场效应控制其电流的半导体器件。
优点,输入电阻非常高 (高达 107~1015欧姆 ),噪声低，热稳定性好,抗辐射能力强，工艺简单，便于集成。
按结构分为,结型 场效应管 (JFET);
绝缘栅型 场效应管 (MOSFET)
按沟道性质分为,N沟道 ; P沟道按偏压为零时沟道能否导电分为,耗尽型，增强型场效应管工作时，只有一种极性的载流子参与导电，
所以场效应管又称为 单极型晶体管 。
68
s g d
衬底 b
P
N+N+
铝SiO2
金属 -氧化物 -半导体场效应管
1,N沟道增强型 MOSFET
N沟道增强型 MOS管示意图
N沟道增强型
MOS管符号
MOS场效应管的类型：
增强型,包括 N沟道和 P沟道耗尽型,包括 N沟道和 P沟道
d
s
g b
P沟道增强型
MOS管符号
d
s
g b
金属栅极,SiO2绝缘层、半导体，构成平板电容器。
MOSFET 利用栅源电压的大小，来改变衬底 b表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。
69
（ 1） 沟道形成原理
① vDS=0时,vGS 的作用在 SiO2绝缘层中产生垂直向下的电场，
该电场排斥 P区中的多子 (空穴 )，而将少子 (电子 )吸向衬底表面。
vGS不够大时,吸向衬底表面的电子将与空穴复合而消失，衬底表面留下了负离子的空间电荷区 — 耗尽层，并与两个 PN
结的耗尽层相连，此时源区和漏区隔断。
无导电沟道 iD=0
vGS =0时,iD=0
0<vGS<VT时
ds g
b
P
N+ N+
耗尽层
g
P
ds
N+ N+
b
70
vGS加大，将吸引更多的电子到衬底表面，
形成自由电子的薄层 —— 反型层。
(表层的导电类型由原来 P型转化为 N型 )
N型导电沟道形成 。
vDS=0时反型层均匀
vGS>VT
刚形成反型层所需的 vGS 的值
—— 开启电压 VT 。
vGS<VT,沟道未形成,iD=0 (截止区 ）。
vGS>VT,沟道形成,vDS>0时，将形成电流 iD。
vGS ↑，沟道加宽，沟道电阻 ↓,iD ↑。
g
P
ds
N+ N+
N沟道当外加正 vDS 时，源区的多子 (电子 )将沿反型层漂移到漏区形成漏极电流 iD。
71
② vGS>VT且不变,vDS对沟道的影响导电沟道形成后，
在 vDS的作用下，形成漏极电流 iD,
沿沟道 d→s，电位逐渐下降,
sio2中电场沿沟道 d→s逐渐加大，
导电沟道的宽度也沿沟道逐渐加大，
靠近漏极端最窄。
vGS >VT,且 vGD >VT(或 vDS< vGS-VT )
(∵ vDS=vDG+vGS=vGS-vGD< vGS-VT )
沟道畅通，场效应管等效为压控电阻 (可变电阻区 )。
P
N+ N+
g ds
72
vDS再 ↑,使 vGD<VT (vDS>vGS-VT)
夹断点向左移动，沟道中形成高阻区，
电压的增加全部降在高阻区,iD基本不变，场效应管等效为压控电流源。 (饱和区，恒流区，线性放大区 )。
vDS ↑,vGD ↓,沟道斜率 ↑，
靠近漏极端更窄。
当 vGD=VT (或 vDS= vGS-VT)
靠近漏极端的反型层刚好消失
—— 预夹断。
预夹断
g d
P
N+ N+
s
g ds
P
N+ N+
73
（ 3）特性曲线可变电阻区
vGS>VT
vGD>VT
沟道呈电阻性，
iD随 vDS的增加线性增大 。 电阻值随 vGS
增加而减小 。
恒流区 (饱和区 )
vGS>VT vGD<VT
iD 受 vGS 的控制截止区
vGS<VT
iD=0IDS是 vGS=2VT时,iD的值。
2)1(
T
GS
DSD V
vIi
图 2.2.12 (a)共源接法 (b)输出特性曲线可变电阻区恒流区截止区
74
转移特性：
2)1(
T
GS
DSD V
vIi
可以通过改变 vGS
控制 iD的大小
75
2,N沟道耗尽型 MOSFET
结构与 N沟道增强型相同，但在 SiO2的绝缘层中掺有大量的正离子。
当 vGS=0时，也能在衬底表面感应出很多的电子，形成 N型导电沟道。
在零栅源电压下也存在导电沟道的 FET称耗尽型。
耗尽型 MOSFET在零、正和负栅源电压下都可工作。
N沟道耗尽型
MOS管符号
s
d
g b
P沟道耗尽型
MOS管符号
s
d
g b
s g d
P
N+ N+
vGS ↑,沟道宽度 ↑,iD ↑
vGS ↓,沟道宽度 ↓,iD ↓
76
3.MOS管的基本开关电路图 2.2.14 MOS管的基本开关电路
77
4.MOS管的开关等效电路图 2.2.15 MOS管的开关等效电路
(a)截止状态 (b)导通状态
78
5,MOSFET的开关作用
MOSFET D,S极 之间的 开关状态受 UGS 的控制,
增强型：
N沟道
P沟道
UGS > UT > 0
(开启电压）
UGS < UT D S
断开
D S导通（几百欧）
UGS <UT < 0
(开启电压）
UGS > UT
D S导通（几百欧）
D S
断开
+UDD
RD
D
SG
+UDD
S
D
G
2.2 半导体二极管和三极管的开关特性导体：铜，银，铝，铁 ……
绝缘体：云母，陶瓷，塑料，橡胶 ……
半导体：硅，锗 ……
半导体得以广泛应用，是因为其导电性能会随外界条件的变化而产生很大的变化。
1,半导体材料使导电性能产生很大变化的外界条件主要有,
温度,温度上升，电阻率下降。
光照,光照使电阻率降低。
掺杂,掺入少量的杂质，会使电阻率大大降低。
2.2.1 半导体基本知识
2
2,锗、硅晶体的共价键结构
（ 1） 原子结构硅 +14 锗 +32
共同特点,
最外层具有 4个价电子 。 +4
3
（ 2） 晶格与共价键半导体的共价键结构处于共价键中的电子称为 束缚电子。
束缚电子能量小，不能参与导电。
4
3,本征半导体与本征激发本征半导体,高度纯净，结构完整的半导体。
本征激发,
束缚电子 获得一定能量，脱离共价键束缚而 成为自由电子 的现象。
认为空穴带正电荷，电荷量等于电子电荷量。
自由电子失去能量，重新回到共价键上，称为 复合 。
本征激发后，共价键中留下的空位叫 空穴 。
本征激发产生自由电子和空穴对空穴
5
空穴的运动半导体中有两种载流子：
自由电子和空穴 。
半导体中的电流是电子流和空穴流之和。
在本征半导体中，
自由电子数总等于空穴数，
且浓度低，导电能力差。
束缚电子填补空穴的运动称空穴的运动。
硅 原子的价电子 比锗 离核近，受原子核束缚力较大
，在同样温度下本征激发较小,温度稳定性较好 。
本征激发产生的载流子浓度随温度增加急剧增大。
6
4,杂质半导体
（ 1） P型半导体在本征半导体中掺入微量
3价 元素（如硼）形成 。
+4
+3+4
+4
+4
空 穴 -----多数载流子 (多子 )
自由 电子 ---少数载流子 (少子 )
本征激发产生电子 -空穴 对。
一个三价杂质原子产生一个 空穴 -负离子 对。
三价杂质称为受主杂质。
杂质原子获得一个电子成为 负离子 。
硅原子的共价键上缺少一个电子形成空穴。
7
（ 2） N型半导体在本征半导体中掺入少量的 5价 元素（如磷）形成。
杂质原子多余的一个价电子容易挣脱原子核的束缚变成自由电子。
一个 5价杂质原子产生一个 电子 -正离子对。
本征激发,自由 电子 -空穴对 杂质原子失去一个电子成为正离子。
5价杂质 -----施主杂质自由 电子 -----多数载流子空 穴 -----少数载流子
8
结 论
◆ 掺杂会大大提高半导体中载流子浓度，使导电性能大增。
◆ 掺入 五价 杂质产生 N型 半导体（电子型半导体）
多子 — 电子、少子 — 空穴。
◆ 掺入 三价 杂质产生 P型 半导体（空穴型半导体）
多子 — 空穴、少子 — 电子。
◆ 多子浓度近似等于杂质浓度，
少子浓度与温度密切相关。
9
2.2.2 PN结的形成及特性
1,PN结的形成 ◆ 浓度差产生多子扩散运动扩散破坏了原来的电中性,
P区失去空穴，留下负离子；
N区失去电子，留下正离子，
正负离子的数量相等。
n?p
P N
◆ 扩散运动形成空间电荷区在 P区和 N区交界面附近，形成由不能移动的正负离子组成的区间，称空间电荷区，
也称 PN结区。
PN
结区空间电荷区宽度与杂质浓度成反比。
10
◆ 空间电荷产生内建电场内建电场阻止多子的扩散运动。
◆ 耗尽层
PN结内由于扩散与复合，
使载流子几乎被耗尽，
是高阻区。也称 阻挡层 。
结区
EP N
◆ 内建电场有利于少子的漂移运动。
载流子在电场作用下产生的定向运动称漂移运动。
◆ 扩散与漂移达到动态平衡时,PN结形成。
动态平衡时流过 PN结的总电流为 0。
11
电子势能分布图
V0 硅,0.6～ 0.8V
锗,0.1～ 0.3V
P N
结区
E
V0
电位分布图
◆ 势垒区空间电荷在结区内形成电位差，称 接触电位差或结电压
-qV0
12
2,PN结的单向导电性
(1) 外加正向电压内电场外电场正向偏置,
P区接电源＋端
N区接电源－端
◆ 空间电荷减少，结区变窄在外电场的作用下
P区空穴向结区运动，
中和部分负离子。
N区自由电子向结区运动，
中和部分正离子。
∴ 空间电荷减少，结区变窄。
VF
13
◆ 产生较大的正向电流 IF
原来的动态平衡被打破，
多子的扩散电流远大于少子的漂移电流，产生较大的正向电流 。
◆ 结内电位差减小，势垒减小
P区,N区为低阻区，结区为高阻区，外加电压主要加在结区，抵消内电场的作用,∴ 使结内电位差减小，势垒减小。
VF
V0
V0-VF
外加电压很小变化，
将引起电流的较大变化。
PN结正向导通时，
其正向导通电阻很小。
14
VR
(2) 外加反向电压内电场外电场反向偏置,
P区接电源－端，
N区接电源＋端。
◆ 结内电位差增加，
势垒提高。
◆ 空间电荷增加，结区变宽。
P区的空穴,N区的自由电子，均背离结区运动，使空间电荷增加，结区变宽。V0 V
0+VR
15
◆ 只有很微小的反向电流多子的扩散电流趋于 0，由少子的漂移电流产生反向电流，少子浓度很小，所以反向电流很小。
反向电流几乎与反向电压的大小无关，
但随温度增加急剧增大。
PN结反向截止时，其反向截止电阻很大。
16
结论
◆ 加正向电压，很小的电压能产生较大电流，外加电压很小变化，将引起电流的较大变化。
◆ 加反向电压，只能产生微小的反向电流，且反向电流的大小几乎与反向电压无关。
◆ PN结正向电阻小，反向电阻大，具有单向导电性。
17
(3) PN 结的 V-I 特性
IS,反向饱和电流
VT,温度的电压当量
VT =kT /q
K=1.38× 10-23（ J/K）
q=1.6× 10-19C
T 绝对温度当 T=300K时,VT≈26mV。
)1( T
D
V
v
SD eIi
iD
IS vD
18
加正向电压
vD>0
S
D
TD
V
v
SD
D
V
I
i
Vv
eIi
Vv
ee
T
D
T
ln
1.0
18.46
0 2 6.0
1.01.0
SD
D
V
Ii
Vv
ee T
时，有1.0
1021.00 2 6.0
1.01.0
几乎与反向电压的大小无关
Di
加反向电压
vD<0
)1( T
D
V
v
SD eIi
19
3,PN 结的反向击穿反向电压增加到一定数值时，
反向电流剧增，
这种现象称为反向击穿。（电击穿 )
击穿时的反向电压称为反向击穿电压 VBR
◆ 电击穿
PN 结电击穿的原因,
强电场使自由电子和空穴的数目大大增加，
从而使反向电流急剧增加。
iD
IS vD
反向击穿
◆ 热击穿
PN 结温度过高，将结烧坏。
20
2.2.3 半导体二极管
1,半导体二极管的结构半导体二极管是由 PN结加电极引线封装而成的。
结构有：
点接触型,PN结面积小，极间电容小，高频特性好，
但反向耐压较低，正向电流较小。
用于高频检波、开关器件等。
面接触型,PN结面积大，反向耐压较高，正向电流较大，用于整流。
二极管的符号 正极
(P)
负极
(N)
21
死区
2,二极管的 V-I 特性
（ 1） 正向特性存在 门坎电压 Vth（ 死区电压） 硅 0.5V 锗 0.1V
正向导通电压 很小，硅 0.6～ 0.8V（ 估算值 0.7V）
锗 0.2～ 0.3V（ 估算值 0.2V）
)1( T
D
V
v
SD eIi
实际二极管的 V-I特性与
PN结特性基本相同。
iD
IS vD
Vth
理想 PN结的特性：正向导通区
22
(2) 反向特性反向击穿区当反向电压达到反向击穿电压时反向电流迅速增大，产生反向击穿。
反向击穿区反向截止区死区
iD
IS vD
Vth
正向导通区 电压小于反向击穿电压时，
反向电流很小,IS≈0 。
反向电流几乎不随反向电压变化，但随温度增加急剧增大。
反向截止区
23
3,二极管的参数
(1) 最大整流电流 I F
管子长期运行允许通过的最大正向平均电流。
(2) 反向击穿电压 VBR
反向电流急剧增加时所加的反向电压。
（参数表中一般规定反向电流所达到的值）
最高反向工作电压一般取击穿电压的一半。
(3) 反向电流 I R
管子未发生电击穿时的反向电流。
（参数表中一般规定所应加的反向电压）
24
4.二极管基本电路及其分析方法二极管是一种非线性器件，分析含二极管的电路一般采用 图解法 和 模型分析法 。
(1) 二极管正向 v— i 的建模
a.理想模型
iD＞ 0→vD=0iD
vD
iD
vD
iD
vD
iD
vD
用于电源电压 >>管压降的情况，如开关电路。
vD＜ 0→iD=0
25
b,恒压降模型二极管正向导通时，其管压降 VF=常数
（硅管取 0.7V） 。
用于直流分析，电源电压较大，工作电流较大,
而正向电压变化较小的情况。
iD
vD
iD
vD
iD＞ 0 →vD= VF
vD＜ VF →iD=0
iD
vD
VF
iD
vD
VF
26
c,小信号模型输入变化的信号，且信号幅度很小，
二极管 工作在静态工作点 Q附近的小范围内 。
用过 Q点的切线近似表示 V-I 曲线上的一小段曲线。
切线斜率的倒数称微变电阻 rd （ 动态电阻）
小信号模型只用于动态分析，
方程中求解的变量是信号量。
（电压和电流瞬时值的变化量）
D rd△ vD
△ iD
27
rd的计算
)1(
Q
T
D
V
v
SD
D
D
d
eIi
di
dv
r
rd与静态工作电流有关
。
T
Q
T
V
V
s
Q
V
v
T
s
D
D
V
I
V
eI
e
V
I
dv
di T
Q
T
D
Q
T
d I
mV
I
Vr )(26
28
(2)二极管模型分析法
a,静态分析
① 图解法
VDD VD
IDR
ID=f（ VD）
VD=VDD-IDR
VQ
IQ
29
② 模型分析法 R
VDD V
D
ID理想模型
VDD>0,ID=VDD/R
VD=0
恒压降模型
VDD>VF,VD=VF=0.7V
ID=(VDD-0.7)/R
VDD<VF,VD=VDD
ID=0
VF=0.7V
R
VDD V
D
ID
VDD<0,ID=0
VD=VDD
30
b,限幅电路
Vo
R
1K
VR
3V
Vi
设二极管为 理想二极管,
(1)设 Vi=0V,4V,求 Vo
先求理想二极管两端的开路电压 VDO,
VDO=Vi-3
VDO>0 即 Vi>3V 二极管导通
VDO<0 即 Vi<3V 二极管截止
Vi=4V,二极管导通
Vo=VR=3V
Vi=0V,二极管截止
Vo=Vi=0 V
31
(2) 设 vi=6sinωt
画出 vo的波形及传输特性
Vo
R
1K
VR
3V
Vi
Vi>3V 二极管导通
Vo=VR=3V
vi
vo
3V
3V
3V6V
vi
t
3V
vo
tVi<3V 二极管截止
Vo=Vi
32
c,开关电路在开关电路中，二极管一般采用理想模型。
关键是,判别二极管是导通，还是截止方法是,
将理想二极管开路，计算两端的开路电压，
开路电压大于 0，理想二极管导通，将其看作短路。
开路电压小于 0，理想二极管截止，将其看作开路。
33
例 1：判断下图中二极管是导通还是截止，
并求输出端电压 Vo（ 设二极管是理想的）
15V
D1
D2
12V
1K Vo
D1导通，
D2截止
VDO1
15V
12V
1K Vo
VDO2
Vo=0V
VDO2
15V
12V
1K Vo
VDO1=12V
VDO2=－ 3V
34
如果多个二极管的开路电压都大于 0，
则先令正向电压较大的二极管先导通,
再重新计算其他二极管的开路电压，
重新考虑其工作状态 。
35
例 2：
此时,VDO1=－ 6V
∴ D1 截止。
Vo=－ 6V
6V
D1
D2
12V
1K Vo
VDO1
6V
12V
1K Vo
VDO2
6V
12V
1K Vo
VDO1
VDO1=12V
VDO2=18V
D2优先导通
36
例 3:
VCC
5V
Vi1
R
4.7KΩ
D1
D2V
i2
VoV
CC
5V
Vi1
R
4.7KΩD1
D2V
i2
Vo
VCC
5V
Vi1
R
4.7KΩ
D1
D2V
i2
Vo
5V
D1导通
D2导通
Vo=0V
D1导通,D2截止
Vo=0V
VCC
5V
Vi1
R
4.7KΩ
D1
D2V
i2
Vo
5V
D1截止,D2截止
Vo=5V与门电路
Vi1=0
Vi2=0
Vi1=0,Vi2=5V Vi1=5V,Vi2=5V
37图 2.2.1 二极管开关电路假定 VIH=VCC,VIL=0,D为理想开关元件；
vI=VIH时,D截止,vO= VOH=VCC
vI=VIL时,D导通,vO= VOL=0
反向截止：
正向导通,开关接通开关断开由于半导体 二极管 具有单向导电性,相当于一个受外加电压极性控制的 开关 。
38图 2.2.3 二极管伏安特性的几种近似方法正向导通压降和正向电阻不能忽略 仅忽略正向电阻正向导通压降和正向电阻都忽略
√
39
图 2.2.4 二极管的动态电流波形半导体 二极管的动态工作情况,
(1)二极管外加电压由反向变正向时，正向导通电流的建立稍微滞后一点；
(2)二极管外加电压由正向变反向时，产生较大的瞬态反向电流，并持续一定的时间；
反向恢复时间 tre,
反向电流从峰值衰减到峰值的十分之一所经过的时间二极管产生反向恢复过程的原因是,电荷存储效应。
tre在纳秒数量级
40
*2.2.4 特殊二极管
1,稳压管
（ 1）原理利用二极管反向击穿特性实现稳压 。
反向击穿后，电流急剧增加，但电压基本不变。
理想稳压管的特性
vD
iD
－
vD
iD
－ VZ
VF
41
（ 2）稳压管参数
◆ 稳定电压 VZ,反向电击穿时的工作电压。
◆ 稳定电流 IZ,
测量稳定电压，动态电阻时的参考电流值。
iZ>IZ,稳压性能较好,rZ较小。
◆ 最大稳定电流 IZM,允许的最大电流。
IZ < iZ<IZM
◆ 额定功耗 PM,允许的最大功耗。
一般 PM =IZM VZ 。
◆ 动态电阻 rZ,反向击穿区斜率的倒数。
rZ=dvZ/diZ 。
◆ 温度系数,温度变化 1℃,稳定电压变化的百分数。
42
2.2.5 半导体三极管 — 双极型三极管
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
43
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
44
B
E
C
N
N
P
基极发射极集电极发射结集电结
45
2,电流放大原理
B
E
C
N
N
P
EB
RB
EC
IE
基区空穴向发射区的扩散可忽略。
IBE
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。
进入 P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流 IBE,多数扩散到集电结。
46
B
E
C
N
N
P
EB
RB
EC
IE
集电结反偏，有少子形成的反向电流 ICBO。 ICBO
IC=ICE+ICBO?ICE
IBE
ICE
从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成
ICE。
47
IB=IBE-ICBO?IBE
IB
B
E
C
N
N
P
EB
RB
EC
IE
ICBO ICE
IC=ICE+ICBO?ICE
IBE
48
ICE与 IBE之比称为电流放大倍数要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。
B
C
C B OB
C B OC
BE
CE
I
I
II
II
I
I?
49
B
E
C
IB I
E
IC
NPN型三极管
B
E
C
IB I
E
IC
PNP型三极管
50
3,输入输出特性曲线实验电路,
IC
mA
A
V V UCEUBERB
IB
EC
EB 输入回路 输出回路
51
(1)BJT 的输入特性曲线
① vCE=0,输入特性曲线与二极管的正向特性曲线相似。
② 0<vCE<1V,vCE增大时，输入特性曲线略向右移动。
∵ 集电结由正偏逐渐变成反偏，吸引电子的能力增强，
从发射区注入到基区的电子更多的被集电结收集，
vBE一定时，流向基极的电流减少。
③ vCE>1V,输入特性基本不变 。
∵ 集电极已反偏，已具有足够收集电子的能力。
常数 CEBEB vvfi )( vBE
vCE
iC
iB
52
vBC=0
(2)输出特性放大区饱和区截止区常数 BCEC ivfi )(
（ A）放大区处于放大区的条件发射结正偏，集电结反偏。
NPN,vBE>0 vBC≤0
（硅管 vBE≈0.7V）,
特点：
① iC=?i B+ICEO≒?i B
在放大区内,iC受 iB控制。
② iB不变,iC受 vCE的影响很小，呈现很好的 恒流特性 。
③因为基区宽度调制效应,iC
随 vCE增加有微小增加。
vBE
vCE
iC
iB
击穿区
53
（ B）截止区发射结反偏，集电结反偏。
NPN,vBE ＜ 0,vBC< 0
（ vBE<Vth ）
特点,iB≤0,iC≤ICEO
iE≈iC ≈ iB ≈ 0
（ C）饱和区发射结正偏，集电结正偏。
NPN,vBE>0 vBC>0
（硅管 vBE≈0.7V）
特点：
iC随 vCE的增加而迅速增加。
iC＜?i B,iC不受 iB控制。
vCE很小，称 饱和压降 VCES
硅管,VCES ≈0.3v
锗管,VCES ≈0.1v
(D) 击穿区
vCE 足够大时，集电结发生反向击穿,iC迅速增大。
54
NPN PNP三极管的比较
NPN PNP 特 点放大区
VC>VB>VE
VBE为结电压
VC<VB<VE
VBE为结电压发射结正偏，
集电结反偏
iC=?iE=?iB
截止区
VB<VC
VB <VE
VB>VC
VB>VE
发射结反偏集电结反偏
iC ≈iE ≈iB ≈0
饱和区
VB>VE VB>VC
VBE为结电压
VCE 为饱和压降
VB<VE VB<VC
VBE为结电压
VCE 为饱和压降发射结正偏集电结正偏
iC<?iB
饱和压降硅管,|VCES| ≈ 0.3V
锗管,|VCES| ≈ 0.1V
导通时结电压硅管,|VBE|≈0.7V
锗管,|VBE| ≈ 0.2V
55
6v
4,BJT 的主要参数
(1) 电流放大系数
Q BCII:共射直流放大系数常数）（
共射交流放大系数
CE
B
C v
i
i
:
E
C
E
C
di
di
I
I
:
:
共基交流放大系数共基直流放大系数
11
5.3704.0 5.1
4004.006.0 5.13.2
56
① 集电极 -基极反向饱和电流 ICBO
小功率锗管,ICBO 约 10μA，
硅管 ICBO小于 1μA。
(2) 极间反向电流
② 集电极 -发射极的反向饱和电流 ICEO
也称 穿透电流 。
ICEO=(1+?)ICBO
锗管：十～几百微安硅管：几微安
vCC
ICB
O
vCC
ICEO
极间反向电流大小取决于少数载流子 的浓度,
与温度密切相关。
57
(3) 极限参数
① 集电极最大允许电流 ICM
一般指?下降到最大值的 0.5 时的电流值。
IC超过 ICM时,?值大大下降。
② 集电极最大允许功耗 PCM
集电极功率损耗 PC=IC× VCE
当 PC＞ PCM 时，集电极过热会烧毁。
③ 反向击穿电压晶体管的两个 PN结，在反向电压超过规定值时，会发生电击穿现象。
58
V(BR)EBO< V(BR)CEO< V(BR)CER
<V(BR)CBO
vCC
V(BR)EBO
V(BR)CBO
V(BR)CEO
V(BR)CER
集电极开路，发射极 -基极允许的最大反压发射极开路，集电极 -基极允许的最大反压基极开路，集电极 -发射极间的最大反压
B-E间接电阻，集电极 -发射极间的最大反压
59
晶体管的安全工作范围安全工作区过损区过流区过压区
ICM
V(BR)CEO
PCM
60
图 2.2.7 双极型三极管的基本开关电路截止时,vo≈VCC;
饱和导通时,vo≈0V;
5.双极型三极管的基本开关电路
61
(1)输入电压 vI=0时,vBE=0,iB=0,
三极管处于截止状态；
iC=0,vO=VCC
(2)输入电压 vI>VON时,有 iB产生,
三极管开始进入放大区，则有：
CCCCCEO
BC
BE
B
BECC
B
RiVvv
Ii
VV
R
VV
i
7.0
62
图 2.2.8 用图解法分析图 2.2.7电路
(a)电路图 (b)作图方法
63
(3)输入电压 vI继续升高,RC上的压降随之增加,当 RC上的压降接近 VCC，三极管处于深度饱和，开关电路处于导通状态,vO=VOL=0.
C
s a tCECC
BS
CBCC
CCCCCE
R
VV
i
RiV
RiVv
)(
iBS称为饱和基极电流。
三极管工作于饱和状态的条件,iB≥iBS
64
图 2.2.9 双极型三极管的开关等效电路
(a)截止状态
(b)饱和导通状态
65
工作状态 截 止 放 大 饱 和条 件 iB≈0 0<iB<ICS / iB> ICS /
工作特点偏置情况 发射结和集电结均为 反 偏发射结 正 偏集电结 反 偏发射结和集电结均为 正 偏集电极电流
iC ≈0 iC ≈ iB iC=ICS
管压降 VCEO ≈VCC VCE =VCC-
iCRC
VCES
≈0.2~0.3v
c,e间等效内阻相当于开关 断开（很大）
可 变 相当于开关 闭合（很小）
NPN型 BJT工作状态和特点
66
6、双极型三极管的动态开关特性图 2.2.10 双极型三极管的动态开关特性三极管截止 饱和导通
67
2.2.6 MOS场效应管
BJT的缺点：输入电阻较低,温度特性差。
场效应管 (FET)：用电场效应控制其电流的半导体器件。
优点,输入电阻非常高 (高达 107~1015欧姆 ),噪声低，热稳定性好,抗辐射能力强，工艺简单，便于集成。
按结构分为,结型 场效应管 (JFET);
绝缘栅型 场效应管 (MOSFET)
按沟道性质分为,N沟道 ; P沟道按偏压为零时沟道能否导电分为,耗尽型，增强型场效应管工作时，只有一种极性的载流子参与导电，
所以场效应管又称为 单极型晶体管 。
68
s g d
衬底 b
P
N+N+
铝SiO2
金属 -氧化物 -半导体场效应管
1,N沟道增强型 MOSFET
N沟道增强型 MOS管示意图
N沟道增强型
MOS管符号
MOS场效应管的类型：
增强型,包括 N沟道和 P沟道耗尽型,包括 N沟道和 P沟道
d
s
g b
P沟道增强型
MOS管符号
d
s
g b
金属栅极,SiO2绝缘层、半导体，构成平板电容器。
MOSFET 利用栅源电压的大小，来改变衬底 b表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。
69
（ 1） 沟道形成原理
① vDS=0时,vGS 的作用在 SiO2绝缘层中产生垂直向下的电场，
该电场排斥 P区中的多子 (空穴 )，而将少子 (电子 )吸向衬底表面。
vGS不够大时,吸向衬底表面的电子将与空穴复合而消失，衬底表面留下了负离子的空间电荷区 — 耗尽层，并与两个 PN
结的耗尽层相连，此时源区和漏区隔断。
无导电沟道 iD=0
vGS =0时,iD=0
0<vGS<VT时
ds g
b
P
N+ N+
耗尽层
g
P
ds
N+ N+
b
70
vGS加大，将吸引更多的电子到衬底表面，
形成自由电子的薄层 —— 反型层。
(表层的导电类型由原来 P型转化为 N型 )
N型导电沟道形成 。
vDS=0时反型层均匀
vGS>VT
刚形成反型层所需的 vGS 的值
—— 开启电压 VT 。
vGS<VT,沟道未形成,iD=0 (截止区 ）。
vGS>VT,沟道形成,vDS>0时，将形成电流 iD。
vGS ↑，沟道加宽，沟道电阻 ↓,iD ↑。
g
P
ds
N+ N+
N沟道当外加正 vDS 时，源区的多子 (电子 )将沿反型层漂移到漏区形成漏极电流 iD。
71
② vGS>VT且不变,vDS对沟道的影响导电沟道形成后，
在 vDS的作用下，形成漏极电流 iD,
沿沟道 d→s，电位逐渐下降,
sio2中电场沿沟道 d→s逐渐加大，
导电沟道的宽度也沿沟道逐渐加大，
靠近漏极端最窄。
vGS >VT,且 vGD >VT(或 vDS< vGS-VT )
(∵ vDS=vDG+vGS=vGS-vGD< vGS-VT )
沟道畅通，场效应管等效为压控电阻 (可变电阻区 )。
P
N+ N+
g ds
72
vDS再 ↑,使 vGD<VT (vDS>vGS-VT)
夹断点向左移动，沟道中形成高阻区，
电压的增加全部降在高阻区,iD基本不变，场效应管等效为压控电流源。 (饱和区，恒流区，线性放大区 )。
vDS ↑,vGD ↓,沟道斜率 ↑，
靠近漏极端更窄。
当 vGD=VT (或 vDS= vGS-VT)
靠近漏极端的反型层刚好消失
—— 预夹断。
预夹断
g d
P
N+ N+
s
g ds
P
N+ N+
73
（ 3）特性曲线可变电阻区
vGS>VT
vGD>VT
沟道呈电阻性，
iD随 vDS的增加线性增大 。 电阻值随 vGS
增加而减小 。
恒流区 (饱和区 )
vGS>VT vGD<VT
iD 受 vGS 的控制截止区
vGS<VT
iD=0IDS是 vGS=2VT时,iD的值。
2)1(
T
GS
DSD V
vIi
图 2.2.12 (a)共源接法 (b)输出特性曲线可变电阻区恒流区截止区
74
转移特性：
2)1(
T
GS
DSD V
vIi
可以通过改变 vGS
控制 iD的大小
75
2,N沟道耗尽型 MOSFET
结构与 N沟道增强型相同，但在 SiO2的绝缘层中掺有大量的正离子。
当 vGS=0时，也能在衬底表面感应出很多的电子，形成 N型导电沟道。
在零栅源电压下也存在导电沟道的 FET称耗尽型。
耗尽型 MOSFET在零、正和负栅源电压下都可工作。
N沟道耗尽型
MOS管符号
s
d
g b
P沟道耗尽型
MOS管符号
s
d
g b
s g d
P
N+ N+
vGS ↑,沟道宽度 ↑,iD ↑
vGS ↓,沟道宽度 ↓,iD ↓
76
3.MOS管的基本开关电路图 2.2.14 MOS管的基本开关电路
77
4.MOS管的开关等效电路图 2.2.15 MOS管的开关等效电路
(a)截止状态 (b)导通状态
78
5,MOSFET的开关作用
MOSFET D,S极 之间的 开关状态受 UGS 的控制,
增强型：
N沟道
P沟道
UGS > UT > 0
(开启电压）
UGS < UT D S
断开
D S导通（几百欧）
UGS <UT < 0
(开启电压）
UGS > UT
D S导通（几百欧）
D S
断开
+UDD
RD
D
SG
+UDD
S
D
G
