主講：林昕電子技術(shù)基礎(chǔ)主講：林昕電子技術(shù)基礎(chǔ)3.1PN結(jié)與半導(dǎo)體二極管、穩(wěn)壓管3.2半導(dǎo)體三極管3.3場(chǎng)效應(yīng)管第三章半導(dǎo)體二極管、三極管和場(chǎng)效應(yīng)管3.1PN結(jié)與半導(dǎo)體二極管、穩(wěn)壓管第三章半導(dǎo)體二極管3.1PN結(jié)與半導(dǎo)體二極管、穩(wěn)壓管1本征半導(dǎo)體2N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體3PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?/p>

根據(jù)物體導(dǎo)電能力(電阻率)的不同，來劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體半導(dǎo)體的電阻率為10-3～109cm。典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。3.1PN結(jié)與半導(dǎo)體二極管、穩(wěn)壓管1本征半導(dǎo)體2N型半3.1.1本征半導(dǎo)體及其導(dǎo)電性

本征半導(dǎo)體——化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體晶體。制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達(dá)到99.9999999%，常稱為“九個(gè)9”。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。3.1.1本征半導(dǎo)體及其導(dǎo)電性本征半導(dǎo)體——化學(xué)成

(1）本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)

硅和鍺是四價(jià)元素，在原子最外層軌道上的四個(gè)電子稱為價(jià)電子。它們分別與周圍的四個(gè)原子的價(jià)電子形成共價(jià)鍵。共價(jià)鍵中的價(jià)電子為這些原子所共有，并為它們所束縛，在空間形成排列有序的晶體。這種結(jié)構(gòu)的立體和平面示意圖見圖。

圖硅原子空間排列及共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖

(a)硅晶體的空間排列(b)共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖(c)(1）本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)硅和鍺是四

（2）電子空穴對(duì)

當(dāng)導(dǎo)體處于熱力學(xué)溫度0K時(shí)，導(dǎo)體中沒有自由電子。當(dāng)溫度升高或受到光的照射時(shí)，價(jià)電子能量增高，有的價(jià)電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導(dǎo)電，成為自由電子。

自由電子產(chǎn)生的同時(shí)，在其原來的共價(jià)鍵中就出現(xiàn)了一個(gè)空位，原子的電中性被破壞，呈現(xiàn)出正電性，其正電量與電子的負(fù)電量相等，人們常稱呈現(xiàn)正電性的這個(gè)空位為空穴。

這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。（2）電子空穴對(duì)當(dāng)導(dǎo)體處于熱力學(xué)溫度0K時(shí)

可見因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時(shí)成對(duì)出現(xiàn)的，稱為電子空穴對(duì)。游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱為復(fù)合，如圖所示。本征激發(fā)和復(fù)合在一定溫度下會(huì)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡?？梢娨驘峒ぐl(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時(shí)成

(3)空穴的移動(dòng)

自由電子的定向運(yùn)動(dòng)形成了電子電流，空穴的定向運(yùn)動(dòng)也可形成空穴電流，它們的方向相反。只不過空穴的運(yùn)動(dòng)是靠相鄰共價(jià)鍵中的價(jià)電子依次充填空穴來實(shí)現(xiàn)的，因此，空穴的導(dǎo)電能力不如自由電子空穴在晶格中的移動(dòng)(3)空穴的移動(dòng)自由電子的定向運(yùn)動(dòng)形成2雜質(zhì)半導(dǎo)體(1)N型半導(dǎo)體(2)P型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價(jià)或五價(jià)元素。摻入雜質(zhì)后的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。2雜質(zhì)半導(dǎo)體(1)N型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)

(1）N型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)雜質(zhì)元素，例如磷，可形成N型半導(dǎo)體,也稱電子型半導(dǎo)體。因五價(jià)雜質(zhì)原子中只有四個(gè)價(jià)電子能與周圍四個(gè)半導(dǎo)體原子中的價(jià)電子形成共價(jià)鍵，而多余的一個(gè)價(jià)電子因無共價(jià)鍵束縛而很容易形成自由電子。

在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子,它主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是少數(shù)載流子,由熱激發(fā)形成。提供自由電子的五價(jià)雜質(zhì)原子因自由電子脫離而帶正電荷成為正離子，因此，五價(jià)雜質(zhì)原子也被稱為施主雜質(zhì)。N型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。N型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖(1）N型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)(2)P型半導(dǎo)體

本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等形成P型半導(dǎo)體，也稱為空穴型半導(dǎo)體。因三價(jià)雜質(zhì)原子與硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，缺少一個(gè)價(jià)電子而在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空穴。

P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，主要由摻雜形成；電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。

空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價(jià)雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖(2)P型半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響

摻入雜質(zhì)對(duì)本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下:

T=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:

n=p=1.4×1010/cm31

本征硅的原子濃度:4.96×1022/cm3

3以上三個(gè)濃度基本上依次相差106/cm3

。

2摻雜后N型半導(dǎo)體中的自由電子濃度:

n=5×1016/cm3雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響摻入雜質(zhì)對(duì)本征雜質(zhì)半導(dǎo)體簡(jiǎn)化模型PN雜質(zhì)半導(dǎo)體簡(jiǎn)化模型PN3PN結(jié)及其單向?qū)щ娦訮N結(jié)的形成PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)的電容效應(yīng)3PN結(jié)及其單向?qū)щ娦訮N結(jié)的形成PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮PN結(jié)的形成

在一塊本征半導(dǎo)體兩側(cè)通過擴(kuò)散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此時(shí)將在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過程:

因濃度差

多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)

空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng)

內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移內(nèi)電場(chǎng)阻止多子擴(kuò)散PN結(jié)的形成在一塊本征半導(dǎo)體兩側(cè)通過擴(kuò)散最后多子擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。對(duì)于P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為

PN結(jié),在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。PN結(jié)的形成過程

PN結(jié)形成的過程可參閱圖。最后多子擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。對(duì)于PPN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

如果外加電壓使PN結(jié)中：P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡(jiǎn)稱正偏；

PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，若外加電壓使電流從P區(qū)流到N區(qū)，PN結(jié)呈低阻性，所以電流大；反之是高阻性，電流小。

P區(qū)的電位低于N區(qū)的電位，稱為加反向電壓，簡(jiǎn)稱反偏。PN結(jié)的單向?qū)щ娦匀绻饧与妷菏筆N結(jié)中：P區(qū)的電位

(1)PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況

外加的正向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相反，削弱了內(nèi)電場(chǎng)。內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙減弱，擴(kuò)散電流加大。擴(kuò)散電流遠(yuǎn)大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響,PN結(jié)呈現(xiàn)低阻性。

PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況如圖

（動(dòng)畫1-4）

PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況(1)PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況外加的正向電

(2)PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況

外加的反向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相同，加強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng)。內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙增強(qiáng)，擴(kuò)散電流大大減小。此時(shí)PN結(jié)區(qū)的少子在內(nèi)電場(chǎng)的作用下形成的漂移電流大于擴(kuò)散電流，可忽略擴(kuò)散電流，由于漂移電流本身就很小，PN結(jié)呈現(xiàn)高阻性。

在一定溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關(guān)，這個(gè)電流也稱為反向飽和電流。

PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況如圖所示。圖01.08PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況(2)PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況

PN結(jié)外加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流；PN結(jié)加反向電壓時(shí)，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴N結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況PN結(jié)外加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散

1.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子的數(shù)量與（a.摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。

2.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中少子的數(shù)量與。（a.摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。

3.當(dāng)溫度升高時(shí)，少子的數(shù)量。

（a.減少、b.不變、c.增多）abc

4.在外加電壓的作用下，P型半導(dǎo)體中的電流主要是，N型半導(dǎo)體中的電流主要是。（a.電子電流、b.空穴電流）

ba思考題：1.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子的數(shù)量與2.半導(dǎo)體二極管1半導(dǎo)體二極管的基本結(jié)構(gòu)2半導(dǎo)體二極管的伏安特性3半導(dǎo)體二極管的主要參數(shù)半導(dǎo)體二極管1半導(dǎo)體二極管的基本結(jié)構(gòu)2半導(dǎo)體二極管的伏安特性半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)類型

在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個(gè)二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點(diǎn)接觸型和面接觸型兩大類。它們的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。(1)點(diǎn)接觸型二極管PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。(a)點(diǎn)接觸型

二極管的結(jié)構(gòu)示意圖半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)類型在PN結(jié)上加上引線和(3)平面型二極管

往往用于集成電路制造工藝中。PN結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。(2)面接觸型二極管PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。(b)面接觸型二極管符號(hào)

圖01.11二極管的結(jié)構(gòu)示意圖(c)平面型(3)平面型二極管往往用于集成電路制造工(半導(dǎo)體二極管的伏安特性曲線

式中IS為反向飽和電流，V為二極管兩端的電壓降，VT=kT/q

稱為溫度的電壓當(dāng)量，k為玻耳茲曼常數(shù)，q

為電子電荷量，T為熱力學(xué)溫度。對(duì)于室溫（相當(dāng)T=300K），則有VT=26mV。

半導(dǎo)體二極管的伏安特性曲線如圖01.12所示。處于第一象限的是正向伏安特性曲線，處于第三象限的是反向伏安特性曲線。根據(jù)理論推導(dǎo)，二極管的伏安特性曲線可用下式表示:(1.1)半導(dǎo)體二極管的伏安特性曲線式中IS為反向飽二極管的伏安特性曲線圖示二極管的伏安特性曲線圖示(1)正向特性

硅二極管的死區(qū)電壓Vth=0.5V左右，

鍺二極管的死區(qū)電壓Vth=0.1V左右。

當(dāng)0＜V＜Vth時(shí)，正向電流為零，Vth稱為死區(qū)電壓或開啟電壓。

當(dāng)V＞0即處于正向特性區(qū)域。正向區(qū)又分為兩段：

當(dāng)V＞Vth時(shí)，開始出現(xiàn)正向電流，并按指數(shù)規(guī)律增長。(1)正向特性硅二極管的死區(qū)電壓Vth=(2)反向特性當(dāng)V＜0時(shí)，即處于反向特性區(qū)域。反向區(qū)也分兩個(gè)區(qū)域：

當(dāng)VBR＜V＜0時(shí)，反向電流很小，且基本不隨反向電壓的變化而變化，此時(shí)的反向電流也稱反向飽和電流IS

。

當(dāng)V≥VBR時(shí)，反向電流急劇增加，VBR稱為反向擊穿電壓。(2)反向特性當(dāng)V＜0時(shí)，即處于反向特性區(qū)域。反向區(qū)也分

在反向區(qū)，硅二極管和鍺二極管的特性有所不同。

硅二極管的反向擊穿特性比較硬、比較陡，反向飽和電流也很小鍺二極管的反向擊穿特性比較軟，過渡比較圓滑，反向飽和電流較大

從擊穿的機(jī)理上看，硅二極管若|VBR|≥7V時(shí),主要是雪崩擊穿；若|VBR|≤4V時(shí),則主要是齊納擊穿。當(dāng)在4V～7V之間兩種擊穿都有。在反向區(qū)，硅二極管和鍺二極管的特性有所不同半導(dǎo)體二極管的參數(shù)

半導(dǎo)體二極管的參數(shù)包括最大整流電流IOM、反向擊穿電壓UBR、最大反向工作電壓URM、最大反向電流IRM、最高工作頻率fmax和結(jié)電容Cj等。幾個(gè)主要的參數(shù)介紹如下：

(1)最大整流電流IFM——二極管長期連續(xù)工作時(shí)，允許通過二極管的最大整流電流的平均值。(2)反向擊穿電壓VBR——和最大反向工作電壓VRM

二極管反向電流急劇增加時(shí)對(duì)應(yīng)的反向電壓值稱為反向擊穿電壓VBR。

為安全計(jì)，在實(shí)際工作時(shí)，最大反向工作電壓VRM一般只按反向擊穿電壓VBR的一半計(jì)算。半導(dǎo)體二極管的參數(shù)半導(dǎo)體二極管的參數(shù)包括最大

(3)最大反向電流IRM

(4)最高工作頻率fM

在室溫下，在規(guī)定的反向電壓下，一般是最大反向工作電壓下的反向電流值。硅二極管的反向電流一般在納安(nA)級(jí)；鍺二極管在微安(A)級(jí)。PN結(jié)內(nèi)的正負(fù)離子隨著外加電壓的變化而變化，說明PN結(jié)具有電容特性。fM值主要取決于PN結(jié)的結(jié)電容，結(jié)電容越大，二極管允許的最高工作頻率越低。(3)最大反向電流IRM(4)最高工作頻率fM半導(dǎo)體二極管圖片半導(dǎo)體二極管圖片半導(dǎo)體二極管圖片半導(dǎo)體二極管圖片半導(dǎo)體二極管圖片半導(dǎo)體二極管圖片二極管電路分析舉例

定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)導(dǎo)通截止否則，正向管壓降硅0.6~0.7V鍺0.2~0.3V分析方法：將二極管斷開，分析二極管兩端電位的高低或所加電壓UD的正負(fù)。若V陽

>V陰或UD為正，二極管導(dǎo)通（正向偏置）若V陽

<V陰或UD為負(fù)，二極管截止（反向偏置）

反向截止時(shí)二極管相當(dāng)于斷開。若二極管是理想的，正向?qū)〞r(shí)正向管壓降為零，二極管電路分析舉例定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)導(dǎo)通截止否電路如圖，求：UAB

V陽=－6V，V陰=－12V，V陽

>V陰，二極管導(dǎo)通，若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB=－6V。

實(shí)際上，UAB低于－6V一個(gè)管壓降，為－6.3Ｖ或－6.7V例1：

取B點(diǎn)作為參考點(diǎn)，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。D6V12V3kBAUAB+–電路如圖，求：UABV陽=－6V，V例2:電路如圖，求：UAB

若忽略二極管正向壓降，二極管VD2可看作短路，UAB=0V，VD1截止。VD１6V12V3kBAVD2UAB+–

取B點(diǎn)作參考點(diǎn)，V1陽=－6V，V2陽=0V，V1陰=V2陰，由于V2陽電壓高，因此VD2導(dǎo)通。例2:電路如圖，求：UAB若忽略二極管正ui>8V

二極管導(dǎo)通，可看作短路uo=8V

ui<8V

二極管截止，可看作開路uo=ui已知：二極管是理想的，試畫出uo波形。u218V參考點(diǎn)8V例3二極管的用途：整流、檢波、限幅、箝位、開關(guān)、元器件保護(hù)、溫度補(bǔ)償?shù)?。D8VRuoui++––ui>8V二極管導(dǎo)通，可看作短路uo穩(wěn)壓管

穩(wěn)壓管是應(yīng)用在反向擊穿區(qū)的特殊硅二極管。穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線與硅二極管的伏安特性曲線完全一樣，穩(wěn)壓二極管伏安特性曲線的反向區(qū)、符號(hào)和典型應(yīng)用電路如圖所示。穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管是應(yīng)用在反向擊穿區(qū)的特殊硅二極穩(wěn)壓二極管的伏安特性

(a)符號(hào)(b)伏安特性(c)應(yīng)用電路(b)(c)(a)穩(wěn)壓二極管的伏安特性(a)符號(hào)(

從穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線上可以確定穩(wěn)壓二極管的參數(shù)。(1)穩(wěn)定電壓UZ—(2)動(dòng)態(tài)電阻rZ——

在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對(duì)應(yīng)的反向工作電壓。

其概念與一般二極管的動(dòng)態(tài)電阻相同，只不過穩(wěn)壓二極管的動(dòng)態(tài)電阻是從它的反向特性上求取的。rZ愈小，反映穩(wěn)壓管的擊穿特性愈陡。rZ=VZ/IZ從穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線上可以確定穩(wěn)壓3穩(wěn)定電流IZIZ是穩(wěn)壓管正常工作時(shí)電流的參考值，該值應(yīng)選在Izmin~Izmax之間3穩(wěn)定電流IZ

穩(wěn)壓二極管在工作時(shí)應(yīng)反接，并串入一只電阻。電阻的作用一是起限流作用，以保護(hù)穩(wěn)壓管；其次是當(dāng)輸入電壓或負(fù)載電流變化時(shí)，通過該電阻上電壓降的變化，取出誤差信號(hào)以調(diào)節(jié)穩(wěn)壓管的工作電流，從而起到穩(wěn)壓作用。穩(wěn)壓二極管在工作時(shí)應(yīng)反接，并串入一只電阻。

半導(dǎo)體三極管有兩大類型，一是雙極型半導(dǎo)體三極管二是場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體三極管1雙極型半導(dǎo)體三極管

雙極型半導(dǎo)體三極管是由兩種載流子參與導(dǎo)電的半導(dǎo)體器件，它由兩個(gè)PN結(jié)組合而成，是一種CCCS器件。

場(chǎng)效應(yīng)型半導(dǎo)體三極管僅由一種載流子參與導(dǎo)電，是一種VCCS器件。3.2半導(dǎo)體三極管

半導(dǎo)體三極管有兩大類型，1雙極型半導(dǎo)體三極1.半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)2.半導(dǎo)體三極管的電流放大作用3.半導(dǎo)體三極管的特性曲線4.半導(dǎo)體三極管的主要參數(shù)5.半導(dǎo)體三極管的型號(hào)3.2半導(dǎo)體三極管1.半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)3.2半導(dǎo)體三極管半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)示意圖如圖02.01所示。它有兩種類型:NPN型和PNP型。圖02.01兩種極性的雙極型三極管e-b間的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)(Je)c-b間的PN結(jié)稱為集電結(jié)(Jc)

中間部分稱為基區(qū)，連上電極稱為基極，用B或b表示（Base）；

一側(cè)稱為發(fā)射區(qū)，電極稱為發(fā)射極，用E或e表示（Emitter）；

另一側(cè)稱為集電區(qū)和集電極，用C或c表示（Collector）。半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)示意圖如圖02.01所示

雙極型三極管的符號(hào)在圖的下方給出，發(fā)射極的箭頭代表發(fā)射極電流的實(shí)際方向。從外表上看兩個(gè)N區(qū),(或兩個(gè)P區(qū))是對(duì)稱的，實(shí)際上發(fā)射區(qū)的摻雜濃度大，集電區(qū)摻雜濃度低，且集電結(jié)面積大?；鶇^(qū)要制造得很薄，其厚度一般在幾個(gè)微米至幾十個(gè)微米。雙極型三極管的符號(hào)在圖的下方給出，發(fā)三極管的電流分配與控制

雙極型半導(dǎo)體三極管在工作時(shí)一定要加上適當(dāng)?shù)闹绷髌秒妷骸?/p>

若在放大工作狀態(tài)：發(fā)射結(jié)外加正向電壓，集電結(jié)外加反向電壓。

現(xiàn)以NPN型三極管的放大狀態(tài)為例，來說明三極管內(nèi)部的電流關(guān)系如圖。雙極型三極管的電流傳輸關(guān)系三極管的電流分配與控制雙極型半導(dǎo)體三

發(fā)射結(jié)加正偏時(shí)，從發(fā)射區(qū)將有大量電子向基區(qū)擴(kuò)散，形成發(fā)射極電流，與PN結(jié)中的情況相同。

從基區(qū)向發(fā)射區(qū)也有空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，但其數(shù)量小，這是因?yàn)榘l(fā)射區(qū)的摻雜濃度遠(yuǎn)大于基區(qū)的摻雜濃度。

進(jìn)入基區(qū)的電子流因基區(qū)的空穴濃度低，被復(fù)合的機(jī)會(huì)較少。又因基區(qū)很薄，在集電結(jié)反偏電壓的作用下，電子在基區(qū)停留的時(shí)間很短，很快就運(yùn)動(dòng)到了集電結(jié)的邊上，進(jìn)入集電結(jié)的結(jié)電場(chǎng)區(qū)域，被集電極所收集，形成集電極電流。在基區(qū)被復(fù)合的電子形成基極電流。發(fā)射結(jié)加正偏時(shí)，從發(fā)射區(qū)將有大量電

另外因集電結(jié)反偏，使集電結(jié)區(qū)的少子形成漂移電流ICBO。于是可得如下電流關(guān)系式:IE=IC+IB另外因集電結(jié)反偏，使集電結(jié)區(qū)的少子形成漂移電三極管放大的實(shí)質(zhì)發(fā)射結(jié)正向電壓大小控制基區(qū)少子濃度影響集電極電流大小即由Ube控制Ic，由于Ib正比于Ube，所以有Ib正比于Ic。三極管放大的實(shí)質(zhì)發(fā)射結(jié)正向電壓大小控制基區(qū)少子濃度影響集電極

以上關(guān)系在動(dòng)畫中都給予了演示。由以上分析可知，發(fā)射區(qū)摻雜濃度高，基區(qū)很薄，是保證三極管能夠?qū)崿F(xiàn)電流放大的關(guān)鍵。若兩個(gè)PN結(jié)對(duì)接，相當(dāng)基區(qū)很厚，所以沒有電流放大作用，基區(qū)從厚變薄，兩個(gè)PN結(jié)演變?yōu)槿龢O管，這是量變引起質(zhì)變的又一個(gè)實(shí)例。以上關(guān)系在動(dòng)畫中都給予了演示。由以上分析可知半導(dǎo)體三極管的電流關(guān)系

(1)三種組態(tài)雙極型三極管有三個(gè)電極，其中兩個(gè)可以作為輸入,兩個(gè)可以作為輸出，這樣必然有一個(gè)電極是公共電極。三種接法也稱三種組態(tài)，見圖02.03。

共集電極接法，集電極作為公共電極，用CC表示;

共基極接法，基極作為公共電極，用CB表示。共發(fā)射極接法，發(fā)射極作為公共電極，用CE表示；圖02.03三極管的三種組態(tài)半導(dǎo)體三極管的電流關(guān)系(1)三種組態(tài)共集電極接法，集定義:

=IC/IB=(ICN+ICBO)/IB稱為共發(fā)射極接法直流電流放大系數(shù)。于是(2)三極管的電流放大系數(shù)定義:(2)三極管的電流放大系數(shù)半導(dǎo)體三極管的特性曲線

這里，B表示輸入電極，C表示輸出電極，E表示公共電極。所以這兩條曲線是共發(fā)射極接法的特性曲線。

iB是基極輸入電流，vBE是基極輸入電壓，加在B、E兩電極之間。

iC是輸出電流，vCE是輸出電壓，從C、E兩電極取出。

輸入特性曲線——iB=f(vBE)

vCE=const

輸出特性曲線——

iC=f(vCE)

iB=const本節(jié)介紹共發(fā)射極接法三極管的特性曲線，即半導(dǎo)體三極管的特性曲線這里，B表

共發(fā)射極接法的供電電路和電壓——電流關(guān)系如圖所示。圖02.04共發(fā)射極接法的電壓-電流關(guān)系共發(fā)射極接法的供電電路和電壓——電流

簡(jiǎn)單地看，輸入特性曲線類似于發(fā)射結(jié)的伏安特性曲線，現(xiàn)討論iB和UBE之間的函數(shù)關(guān)系。因?yàn)橛屑娊Y(jié)電壓的影響，它與一個(gè)單獨(dú)的PN結(jié)的伏安特性曲線不同。為了排除UCE的影響，在討論輸入特性曲線時(shí)，應(yīng)使UCE=const(常數(shù))。(1)輸入特性曲線簡(jiǎn)單地看，輸入特性曲線類似于發(fā)射結(jié)的伏安特性曲

共發(fā)射極接法的輸入特性曲線見圖02.05。當(dāng)vCE≥1V時(shí)，vCB=vCE

-vBE>0，集電結(jié)已進(jìn)入反偏狀態(tài)，開始收集電子，且基區(qū)復(fù)合減少，IC/IB

增大，特性曲線將向右稍微移動(dòng)一些。但vCE再增加時(shí)，曲線右移很不明顯。曲線的右移是三極管內(nèi)部反饋所致，右移不明顯說明內(nèi)部反饋很小。輸入特性曲線的分區(qū)：①死區(qū)②非線性區(qū)③線性區(qū)共射接法輸入特性曲線共發(fā)射極接法的輸入特性曲線見圖02.

(2)輸出特性曲線

共發(fā)射極接法的輸出特性曲線如圖02.06所示，它是以iB為參變量的一族特性曲線。現(xiàn)以其中任何一條加以說明，當(dāng)UCE=0V時(shí)，因集電極無收集作用，iC=0。當(dāng)UCE稍增大時(shí)，發(fā)射結(jié)雖處于正向電壓之下，但集電結(jié)反偏電壓很小時(shí)，如：

UCE<1V

UBE=0.7V

UCB=UCE-UBE=<0.7V

集電區(qū)收集電子的能力很弱，iC主要由UCE決定。

共發(fā)射極接法輸出特性曲線(2)輸出特性曲線

共發(fā)射極接法的輸出特性曲線如

運(yùn)動(dòng)到集電結(jié)的電子基本上都可以被集電區(qū)收集，此后vCE再增加，電流也沒有明顯的增加，特性曲線進(jìn)入與vCE軸基本平行的區(qū)域(這與輸入特性曲線隨vCE增大而右移的原因是一致的)。圖02.06共發(fā)射極接法輸出特性曲線。當(dāng)vCE增加到使集電結(jié)反偏電壓較大時(shí)，如：vCE≥1，VBE≥0.7V共射極輸出特性曲線運(yùn)動(dòng)到集電結(jié)的電子基本上都可以被集電區(qū)收集，

輸出特性曲線可以分為三個(gè)區(qū)域:飽和區(qū)——iC受UCE顯著控制的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)UCE的數(shù)值較小，一般UCE＜0.7V(硅管)。此時(shí)發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏或反偏電壓很小。截止區(qū)——iC接近零的區(qū)域，相當(dāng)iB=0的曲線的下方。此時(shí)，發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。放大區(qū)——iC平行于UCE軸的區(qū)域，曲線基本平行等距。此時(shí)，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，電壓大于0.7

V左右(硅管)。輸出特性曲線可以分為三個(gè)區(qū)域:飽和區(qū)——iC半導(dǎo)體三極管的參數(shù)

半導(dǎo)體三極管的參數(shù)分為三大類:

直流參數(shù)交流參數(shù)極限參數(shù)

(1)直流參數(shù)①直流電流放大系數(shù)

1.共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)

=（IC－ICEO）/IB≈IC/IBvCE=const半導(dǎo)體三極管的參數(shù) 半導(dǎo)體三極管的參數(shù)分為三大類:

在放大區(qū)基本不變。在共發(fā)射極輸出特性曲線上，通過垂直于X軸的直線(vCE=const)來求取IC/IB

，如圖所示。在IC較小時(shí)和IC較大時(shí)，會(huì)有所減小，這一關(guān)系見圖。值與IC的關(guān)系在輸出特性曲線上決定在放大區(qū)基本不變。在共發(fā)射極輸出特

②極間反向電流

1.集電極基極間反向飽和電流ICBO

ICBO的下標(biāo)CB代表集電極和基極，O是open的字頭，代表第三個(gè)電極E開路。它相當(dāng)于集電結(jié)的反向飽和電流。

2.集電極發(fā)射極間的反向飽和電流ICEO

ICEO和ICBO有如下關(guān)系

ICEO=（1+）ICBO

相當(dāng)基極開路時(shí)，集電極和發(fā)射極間的反向飽和電流，即輸出特性曲線IB=0那條曲線所對(duì)應(yīng)的Y坐標(biāo)的數(shù)值。如圖所示。②極間反向電流2.集電極發(fā)射極間的反向飽和電流

圖ICEO在輸出特性曲線上的位置圖ICEO在輸出特性曲線上的位置

(2)極限參數(shù)

①集電極最大允許電流ICM

如圖所示，集電極電流增加時(shí)，就要下降，當(dāng)值下降到線性放大區(qū)

值的三分之二時(shí)，所對(duì)應(yīng)的集電極電流稱為集電極最大允許電流ICM。至于值下降多少不同型號(hào)的三極管，不同廠家的規(guī)定有所差別?？梢姡?dāng)IC＞ICM時(shí)，并不表示三極管會(huì)損壞。(2)極限參數(shù)

①集電極最大②集電極最大允許功率損耗PCM

集電極電流通過集電結(jié)時(shí)所產(chǎn)生的功耗，

PCM=ICVCB≈ICVCE，因發(fā)射結(jié)正偏，呈低阻，所以功耗主要集中在集電結(jié)上。在計(jì)算時(shí)往往用VCE取代VCB。②集電極最大允許功率損耗PCM集電極電流通過③反向擊穿電壓

反向擊穿電壓表示三極管電極間承受反向電壓的能力。三極管擊穿電壓的測(cè)試電路③反向擊穿電壓反向擊穿電壓表示三極管電極間承受反

1.V(BR)CBO——發(fā)射極開路時(shí)集電結(jié)擊穿電壓。下標(biāo)BR代表擊穿之意，是Breakdown的字頭，CB代表集電極和基極，O代表第三個(gè)電極E開路。

2.V(BR)EBO——集電極開路時(shí)發(fā)射結(jié)的擊穿電壓。

3.V(BR)CEO——基極開路時(shí)集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓。對(duì)于V(BR)CER表示BE間接有電阻，V(BR)CES表示BE間是短路的。幾個(gè)擊穿電壓在大小上有如下關(guān)系：

V(BR)CBO≈V(BR)CES＞V(BR)CER＞V(BR)CEO＞V(BR)EBO1.V(BR)CBO——發(fā)射極開路時(shí)集電結(jié)擊穿電壓。下標(biāo)B

由PCM、ICM和V(BR)CEO在輸出特性曲線上可以確定過損耗區(qū)、過電流區(qū)和擊穿區(qū)，見圖02.12。輸出特性曲線上的過損耗區(qū)和擊穿區(qū)由PCM、ICM和V(BR)CEO在輸出特性晶體管參數(shù)與溫度的關(guān)系1、硅管溫度每增加8C（鍺管每12C)，

ICBO增大一倍。2、溫度每升高1C，UBE將減小約2mV，即晶體管具有負(fù)溫度系數(shù)。3、溫度每升高1C，增加0.5%~1.0%。晶體管參數(shù)與溫度的關(guān)系1、硅管溫度每增加8C（鍺管每12半導(dǎo)體器件型號(hào)命名方法國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)半導(dǎo)體三極管的命名如下:3DG110B

第二位：A鍺PNP管、B鍺NPN管、

C硅PNP管、D硅NPN管

第三位：X低頻小功率管、D低頻大功率管、

G高頻小功率管、A高頻大功率管、K開關(guān)管用字母表示材料用字母表示器件的種類用數(shù)字表示同種器件型號(hào)的序號(hào)用字母表示同一型號(hào)中的不同規(guī)格三極管半導(dǎo)體器件型號(hào)命名方法國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)半導(dǎo)體三極管的命名如下:第二3.3場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管3.3.1場(chǎng)效應(yīng)管3.3場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管3.3.1場(chǎng)效應(yīng)管

場(chǎng)效應(yīng)管是利用電場(chǎng)效應(yīng)來控制其電流大小的半導(dǎo)體器件。將控制電壓轉(zhuǎn)換為漏電流——互導(dǎo)放大器件。場(chǎng)效應(yīng)管是利用電場(chǎng)效應(yīng)來控制其電流大小特點(diǎn)：體積小，重量輕，耗電省，壽命長。具有輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性好、噪聲小、抗輻射、制造工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。分類：結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET）

金屬—氧化物—半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）特點(diǎn)：體積小，重量輕，耗電省，壽命長。場(chǎng)效應(yīng)管

三極管是一種電流控制元件(iB~iC)，工作時(shí)，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子都參與運(yùn)行，所以被稱為雙極型器件。

場(chǎng)效應(yīng)管（FieldEffectTransistor簡(jiǎn)稱FET）是一種電壓控制器件(uGS~iD)

，工作時(shí)，只有一種載流子參與導(dǎo)電，因此它是單極型器件。

FET因其制造工藝簡(jiǎn)單，功耗小，溫度特性好，輸入電阻極高等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。FET分類：

絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管增強(qiáng)型耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道N溝道P溝道場(chǎng)效應(yīng)管三極管是一種電流控制元件(iB~iC)，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管

JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理平面型半導(dǎo)體二極管的伏安特性曲線式中IS為反向飽課件平面型半導(dǎo)體二極管的伏安特性曲線式中IS為反向飽課件平面型半導(dǎo)體二極管的伏安特性曲線式中IS為反向飽課件平面型半導(dǎo)體二極管的伏安特性曲線式中IS為反向飽課件二、工作原理柵極與N溝道構(gòu)成PN結(jié)，在N溝道柵極周圍形成耗盡層。

二、工作原理柵極與N溝道構(gòu)成PN結(jié)，在N溝道柵極周圍形成耗(1)VGS對(duì)i

D的影響當(dāng)VGG

0，即反向偏置，PN結(jié)耗盡層加寬，N溝道變窄；當(dāng)VGG

加大到一定值VGGVP，N溝道被夾斷，i

D=0，此時(shí)漏-源極間電阻。VP——夾斷電壓。

(1)VGS對(duì)iD的影響當(dāng)VGG0，即反向偏置(2)VDS對(duì)i

D的影響

VGD=VGS-VDS=VP

，預(yù)夾斷

！

VGS=0，g連s。d,s加電壓，此時(shí)g,d反偏。

(2)VDS對(duì)iD的影響VGD=VGS絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管

絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管(MetalOxide

SemiconductorFET)，簡(jiǎn)稱MOSFET。分為：

增強(qiáng)型N溝道、P溝道耗盡型N溝道、P溝道N溝道增強(qiáng)型MOS管

（1）結(jié)構(gòu)

4個(gè)電極：漏極D，源極S，柵極G和襯底B。符號(hào)：絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管(Metal

當(dāng)uGS＞0V時(shí)→縱向電場(chǎng)→將靠近柵極下方的空穴向下排斥→耗盡層。（2）工作原理

當(dāng)uGS=0V時(shí)，漏源之間相當(dāng)兩個(gè)背靠背的二極管，在d、s之間加上電壓也不會(huì)形成電流，即管子截止。

再增加uGS→縱向電場(chǎng)↑→將P區(qū)少子電子聚集到P區(qū)表面→形成導(dǎo)電溝道，如果此時(shí)加有漏源電壓，就可以形成漏極電流id。①柵源電壓uGS的控制作用當(dāng)uGS＞0V時(shí)→縱向電場(chǎng)→將靠近柵極下方的空穴向下

定義：

開啟電壓（UT）——?jiǎng)倓偖a(chǎn)生溝道所需的柵源電壓UGS。

N溝道增強(qiáng)型MOS管的基本特性：

uGS

＜UT，管子截止，

uGS

＞UT，管子導(dǎo)通。

uGS

越大，溝道越寬，在相同的漏源電壓uDS作用下，漏極電流ID越大。定義：N溝道增強(qiáng)型MOS管的基本特性：

②轉(zhuǎn)移特性曲線：iD=f(uGS)uDS=const

可根據(jù)輸出特性曲線作出移特性曲線。例：作uDS=10V的一條轉(zhuǎn)移特性曲線：UT②轉(zhuǎn)移特性曲線：iD=f(uGS)uDS=con

一個(gè)重要參數(shù)——跨導(dǎo)gm：

gm=iD/uGSuDS=const(單位mS)

gm的大小反映了柵源電壓對(duì)漏極電流的控制作用。

在轉(zhuǎn)移特性曲線上，gm為的曲線的斜率。在輸出特性曲線上也可求出gm。一個(gè)重要參數(shù)——跨導(dǎo)gm：gm=iDN溝道耗盡型MOSFET特點(diǎn)：

當(dāng)uGS=0時(shí)，就有溝道，加入uDS，就有iD。當(dāng)uGS＞0時(shí)，溝道增寬，iD進(jìn)一步增加。

當(dāng)uGS＜0時(shí)，溝道變窄，iD減小。

在柵極下方的SiO2層中摻入了大量的金屬正離子。所以當(dāng)uGS=0時(shí)，這些正離子已經(jīng)感應(yīng)出反型層，形成了溝道。

定義：夾斷電壓（UP）——溝道剛剛消失所需的柵源電壓uGS。N溝道耗盡型MOSFET特點(diǎn)：在柵極下方的SiO2層P溝道耗盡型MOSFET

P溝道MOSFET的工作原理與N溝道

MOSFET完全相同，只不過導(dǎo)電的載流子不同，供電電壓極性不同而已。這如同雙極型三極管有NPN型和PNP型一樣。P溝道耗盡型MOSFETP溝道MOSFET的工作MOS管的主要參數(shù)（1）開啟電壓UT（2）夾斷電壓UP（3）跨導(dǎo)gm

：gm=iD/uGSuDS=const

（4）直流輸入電阻RGS——柵源間的等效電阻。由于MOS管柵源間有sio2絕緣層，輸入電阻可達(dá)109～1015。

MOS管的主要參數(shù)（1）開啟電壓UT雙極型和場(chǎng)效應(yīng)型三極管的比較雙極型三極管

單極型場(chǎng)效應(yīng)管載流子多子擴(kuò)散少子漂移

少子漂移輸入量電流輸入電壓輸入控制電流控制電流源電壓控制電流源輸入電阻幾十到幾千歐幾兆歐以上噪聲較大較小靜電影響不受靜電影響易受靜電影響制造工藝不宜大規(guī)模集成適宜大規(guī)模和超大規(guī)模集成雙極型和場(chǎng)效應(yīng)型三極管的比較雙極型三極管單極型場(chǎng)效應(yīng)管載流謝 謝！謝 謝！主講：林昕電子技術(shù)基礎(chǔ)主講：林昕電子技術(shù)基礎(chǔ)3.1PN結(jié)與半導(dǎo)體二極管、穩(wěn)壓管3.2半導(dǎo)體三極管3.3場(chǎng)效應(yīng)管第三章半導(dǎo)體二極管、三極管和場(chǎng)效應(yīng)管3.1PN結(jié)與半導(dǎo)體二極管、穩(wěn)壓管第三章半導(dǎo)體二極管3.1PN結(jié)與半導(dǎo)體二極管、穩(wěn)壓管1本征半導(dǎo)體2N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體3PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?/p>

根據(jù)物體導(dǎo)電能力(電阻率)的不同，來劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體半導(dǎo)體的電阻率為10-3～109cm。典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。3.1PN結(jié)與半導(dǎo)體二極管、穩(wěn)壓管1本征半導(dǎo)體2N型半3.1.1本征半導(dǎo)體及其導(dǎo)電性

本征半導(dǎo)體——化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體晶體。制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達(dá)到99.9999999%，常稱為“九個(gè)9”。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。3.1.1本征半導(dǎo)體及其導(dǎo)電性本征半導(dǎo)體——化學(xué)成

(1）本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)

硅和鍺是四價(jià)元素，在原子最外層軌道上的四個(gè)電子稱為價(jià)電子。它們分別與周圍的四個(gè)原子的價(jià)電子形成共價(jià)鍵。共價(jià)鍵中的價(jià)電子為這些原子所共有，并為它們所束縛，在空間形成排列有序的晶體。這種結(jié)構(gòu)的立體和平面示意圖見圖。

圖硅原子空間排列及共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖

(a)硅晶體的空間排列(b)共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖(c)(1）本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)硅和鍺是四

（2）電子空穴對(duì)

當(dāng)導(dǎo)體處于熱力學(xué)溫度0K時(shí)，導(dǎo)體中沒有自由電子。當(dāng)溫度升高或受到光的照射時(shí)，價(jià)電子能量增高，有的價(jià)電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導(dǎo)電，成為自由電子。

自由電子產(chǎn)生的同時(shí)，在其原來的共價(jià)鍵中就出現(xiàn)了一個(gè)空位，原子的電中性被破壞，呈現(xiàn)出正電性，其正電量與電子的負(fù)電量相等，人們常稱呈現(xiàn)正電性的這個(gè)空位為空穴。

這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。（2）電子空穴對(duì)當(dāng)導(dǎo)體處于熱力學(xué)溫度0K時(shí)

可見因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時(shí)成對(duì)出現(xiàn)的，稱為電子空穴對(duì)。游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱為復(fù)合，如圖所示。本征激發(fā)和復(fù)合在一定溫度下會(huì)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡?？梢娨驘峒ぐl(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時(shí)成

(3)空穴的移動(dòng)

自由電子的定向運(yùn)動(dòng)形成了電子電流，空穴的定向運(yùn)動(dòng)也可形成空穴電流，它們的方向相反。只不過空穴的運(yùn)動(dòng)是靠相鄰共價(jià)鍵中的價(jià)電子依次充填空穴來實(shí)現(xiàn)的，因此，空穴的導(dǎo)電能力不如自由電子空穴在晶格中的移動(dòng)(3)空穴的移動(dòng)自由電子的定向運(yùn)動(dòng)形成2雜質(zhì)半導(dǎo)體(1)N型半導(dǎo)體(2)P型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價(jià)或五價(jià)元素。摻入雜質(zhì)后的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。2雜質(zhì)半導(dǎo)體(1)N型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)

(1）N型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)雜質(zhì)元素，例如磷，可形成N型半導(dǎo)體,也稱電子型半導(dǎo)體。因五價(jià)雜質(zhì)原子中只有四個(gè)價(jià)電子能與周圍四個(gè)半導(dǎo)體原子中的價(jià)電子形成共價(jià)鍵，而多余的一個(gè)價(jià)電子因無共價(jià)鍵束縛而很容易形成自由電子。

在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子,它主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是少數(shù)載流子,由熱激發(fā)形成。提供自由電子的五價(jià)雜質(zhì)原子因自由電子脫離而帶正電荷成為正離子，因此，五價(jià)雜質(zhì)原子也被稱為施主雜質(zhì)。N型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。N型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖(1）N型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)(2)P型半導(dǎo)體

本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等形成P型半導(dǎo)體，也稱為空穴型半導(dǎo)體。因三價(jià)雜質(zhì)原子與硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，缺少一個(gè)價(jià)電子而在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空穴。

P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，主要由摻雜形成；電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。

空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價(jià)雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖(2)P型半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響

摻入雜質(zhì)對(duì)本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下:

T=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:

n=p=1.4×1010/cm31

本征硅的原子濃度:4.96×1022/cm3

3以上三個(gè)濃度基本上依次相差106/cm3

。

2摻雜后N型半導(dǎo)體中的自由電子濃度:

n=5×1016/cm3雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響摻入雜質(zhì)對(duì)本征雜質(zhì)半導(dǎo)體簡(jiǎn)化模型PN雜質(zhì)半導(dǎo)體簡(jiǎn)化模型PN3PN結(jié)及其單向?qū)щ娦訮N結(jié)的形成PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)的電容效應(yīng)3PN結(jié)及其單向?qū)щ娦訮N結(jié)的形成PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮PN結(jié)的形成

在一塊本征半導(dǎo)體兩側(cè)通過擴(kuò)散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此時(shí)將在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過程:

因濃度差

多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)

空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng)

內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移內(nèi)電場(chǎng)阻止多子擴(kuò)散PN結(jié)的形成在一塊本征半導(dǎo)體兩側(cè)通過擴(kuò)散最后多子擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。對(duì)于P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為

PN結(jié),在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。PN結(jié)的形成過程

PN結(jié)形成的過程可參閱圖。最后多子擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。對(duì)于PPN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

如果外加電壓使PN結(jié)中：P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡(jiǎn)稱正偏；

PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，若外加電壓使電流從P區(qū)流到N區(qū)，PN結(jié)呈低阻性，所以電流大；反之是高阻性，電流小。

P區(qū)的電位低于N區(qū)的電位，稱為加反向電壓，簡(jiǎn)稱反偏。PN結(jié)的單向?qū)щ娦匀绻饧与妷菏筆N結(jié)中：P區(qū)的電位

(1)PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況

外加的正向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相反，削弱了內(nèi)電場(chǎng)。內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙減弱，擴(kuò)散電流加大。擴(kuò)散電流遠(yuǎn)大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響,PN結(jié)呈現(xiàn)低阻性。

PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況如圖

（動(dòng)畫1-4）

PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況(1)PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況外加的正向電

(2)PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況

外加的反向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相同，加強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng)。內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙增強(qiáng)，擴(kuò)散電流大大減小。此時(shí)PN結(jié)區(qū)的少子在內(nèi)電場(chǎng)的作用下形成的漂移電流大于擴(kuò)散電流，可忽略擴(kuò)散電流，由于漂移電流本身就很小，PN結(jié)呈現(xiàn)高阻性。

在一定溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關(guān)，這個(gè)電流也稱為反向飽和電流。

PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況如圖所示。圖01.08PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況(2)PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況

PN結(jié)外加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流；PN結(jié)加反向電壓時(shí)，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況PN結(jié)外加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散

1.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子的數(shù)量與（a.摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。

2.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中少子的數(shù)量與。（a.摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。

3.當(dāng)溫度升高時(shí)，少子的數(shù)量。

（a.減少、b.不變、c.增多）abc

4.在外加電壓的作用下，P型半導(dǎo)體中的電流主要是，N型半導(dǎo)體中的電流主要是。（a.電子電流、b.空穴電流）

ba思考題：1.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子的數(shù)量與2.半導(dǎo)體二極管1半導(dǎo)體二極管的基本結(jié)構(gòu)2半導(dǎo)體二極管的伏安特性3半導(dǎo)體二極管的主要參數(shù)半導(dǎo)體二極管1半導(dǎo)體二極管的基本結(jié)構(gòu)2半導(dǎo)體二極管的伏安特性半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)類型

在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個(gè)二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點(diǎn)接觸型和面接觸型兩大類。它們的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。(1)點(diǎn)接觸型二極管PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。(a)點(diǎn)接觸型

二極管的結(jié)構(gòu)示意圖半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)類型在PN結(jié)上加上引線和(3)平面型二極管

往往用于集成電路制造工藝中。PN結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。(2)面接觸型二極管PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。(b)面接觸型二極管符號(hào)

圖01.11二極管的結(jié)構(gòu)示意圖(c)平面型(3)平面型二極管往往用于集成電路制造工(半導(dǎo)體二極管的伏安特性曲線

式中IS為反向飽和電流，V為二極管兩端的電壓降，VT=kT/q

稱為溫度的電壓當(dāng)量，k為玻耳茲曼常數(shù)，q

為電子電荷量，T為熱力學(xué)溫度。對(duì)于室溫（相當(dāng)T=300K），則有VT=26mV。

半導(dǎo)體二極管的伏安特性曲線如圖01.12所示。處于第一象限的是正向伏安特性曲線，處于第三象限的是反向伏安特性曲線。根據(jù)理論推導(dǎo)，二極管的伏安特性曲線可用下式表示:(1.1)半導(dǎo)體二極管的伏安特性曲線式中IS為反向飽二極管的伏安特性曲線圖示二極管的伏安特性曲線圖示(1)正向特性

硅二極管的死區(qū)電壓Vth=0.5V左右，

鍺二極管的死區(qū)電壓Vth=0.1V左右。

當(dāng)0＜V＜Vth時(shí)，正向電流為零，Vth稱為死區(qū)電壓或開啟電壓。

當(dāng)V＞0即處于正向特性區(qū)域。正向區(qū)又分為兩段：

當(dāng)V＞Vth時(shí)，開始出現(xiàn)正向電流，并按指數(shù)規(guī)律增長。(1)正向特性硅二極管的死區(qū)電壓Vth=(2)反向特性當(dāng)V＜0時(shí)，即處于反向特性區(qū)域。反向區(qū)也分兩個(gè)區(qū)域：

當(dāng)VBR＜V＜0時(shí)，反向電流很小，且基本不隨反向電壓的變化而變化，此時(shí)的反向電流也稱反向飽和電流IS

。

當(dāng)V≥VBR時(shí)，反向電流急劇增加，VBR稱為反向擊穿電壓。(2)反向特性當(dāng)V＜0時(shí)，即處于反向特性區(qū)域。反向區(qū)也分

在反向區(qū)，硅二極管和鍺二極管的特性有所不同。

硅二極管的反向擊穿特性比較硬、比較陡，反向飽和電流也很小鍺二極管的反向擊穿特性比較軟，過渡比較圓滑，反向飽和電流較大

從擊穿的機(jī)理上看，硅二極管若|VBR|≥7V時(shí),主要是雪崩擊穿；若|VBR|≤4V時(shí),則主要是齊納擊穿。當(dāng)在4V～7V之間兩種擊穿都有。在反向區(qū)，硅二極管和鍺二極管的特性有所不同半導(dǎo)體二極管的參數(shù)

半導(dǎo)體二極管的參數(shù)包括最大整流電流IOM、反向擊穿電壓UBR、最大反向工作電壓URM、最大反向電流IRM、最高工作頻率fmax和結(jié)電容Cj等。幾個(gè)主要的參數(shù)介紹如下：

(1)最大整流電流IFM——二極管長期連續(xù)工作時(shí)，允許通過二極管的最大整流電流的平均值。(2)反向擊穿電壓VBR——和最大反向工作電壓VRM

二極管反向電流急劇增加時(shí)對(duì)應(yīng)的反向電壓值稱為反向擊穿電壓VBR。

為安全計(jì)，在實(shí)際工作時(shí)，最大反向工作電壓VRM一般只按反向擊穿電壓VBR的一半計(jì)算。半導(dǎo)體二極管的參數(shù)半導(dǎo)體二極管的參數(shù)包括最大

(3)最大反向電流IRM

(4)最高工作頻率fM

在室溫下，在規(guī)定的反向電壓下，一般是最大反向工作電壓下的反向電流值。硅二極管的反向電流一般在納安(nA)級(jí)；鍺二極管在微安(A)級(jí)。PN結(jié)內(nèi)的正負(fù)離子隨著外加電壓的變化而變化，說明PN結(jié)具有電容特性。fM值主要取決于PN結(jié)的結(jié)電容，結(jié)電容越大，二極管允許的最高工作頻率越低。(3)最大反向電流IRM(4)最高工作頻率fM半導(dǎo)體二極管圖片半導(dǎo)體二極管圖片半導(dǎo)體二極管圖片半導(dǎo)體二極管圖片半導(dǎo)體二極管圖片半導(dǎo)體二極管圖片二極管電路分析舉例

定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)導(dǎo)通截止否則，正向管壓降硅0.6~0.7V鍺0.2~0.3V分析方法：將二極管斷開，分析二極管兩端電位的高低或所加電壓UD的正負(fù)。若V陽

>V陰或UD為正，二極管導(dǎo)通（正向偏置）若V陽

<V陰或UD為負(fù)，二極管截止（反向偏置）

反向截止時(shí)二極管相當(dāng)于斷開。若二極管是理想的，正向?qū)〞r(shí)正向管壓降為零，二極管電路分析舉例定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)導(dǎo)通截止否電路如圖，求：UAB

V陽=－6V，V陰=－12V，V陽

>V陰，二極管導(dǎo)通，若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB=－6V。

實(shí)際上，UAB低于－6V一個(gè)管壓降，為－6.3Ｖ或－6.7V例1：

取B點(diǎn)作為參考點(diǎn)，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。D6V12V3kBAUAB+–電路如圖，求：UABV陽=－6V，V例2:電路如圖，求：UAB

若忽略二極管正向壓降，二極管VD2可看作短路，UAB=0V，VD1截止。VD１6V12V3kBAVD2UAB+–

取B點(diǎn)作參考點(diǎn)，V1陽=－6V，V2陽=0V，V1陰=V2陰，由于V2陽電壓高，因此VD2導(dǎo)通。例2:電路如圖，求：UAB若忽略二極管正ui>8V

二極管導(dǎo)通，可看作短路uo=8V

ui<8V

二極管截止，可看作開路uo=ui已知：二極管是理想的，試畫出uo波形。u218V參考點(diǎn)8V例3二極管的用途：整流、檢波、限幅、箝位、開關(guān)、元器件保護(hù)、溫度補(bǔ)償?shù)取8VRuoui++––ui>8V二極管導(dǎo)通，可看作短路uo穩(wěn)壓管

穩(wěn)壓管是應(yīng)用在反向擊穿區(qū)的特殊硅二極管。穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線與硅二極管的伏安特性曲線完全一樣，穩(wěn)壓二極管伏安特性曲線的反向區(qū)、符號(hào)和典型應(yīng)用電路如圖所示。穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管是應(yīng)用在反向擊穿區(qū)的特殊硅二極穩(wěn)壓二極管的伏安特性

(a)符號(hào)(b)伏安特性(c)應(yīng)用電路(b)(c)(a)穩(wěn)壓二極管的伏安特性(a)符號(hào)(

從穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線上可以確定穩(wěn)壓二極管的參數(shù)。(1)穩(wěn)定電壓UZ—(2)動(dòng)態(tài)電阻rZ——

在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對(duì)應(yīng)的反向工作電壓。

其概念與一般二極管的動(dòng)態(tài)電阻相同，只不過穩(wěn)壓二極管的動(dòng)態(tài)電阻是從它的反向特性上求取的。rZ愈小，反映穩(wěn)壓管的擊穿特性愈陡。rZ=VZ/IZ從穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線上可以確定穩(wěn)壓3穩(wěn)定電流IZIZ是穩(wěn)壓管正常工作時(shí)電流的參考值，該值應(yīng)選在Izmin~Izmax之間3穩(wěn)定電流IZ

穩(wěn)壓二極管在工作時(shí)應(yīng)反接，并串入一只電阻。電阻的作用一是起限流作用，以保護(hù)穩(wěn)壓管；其次是當(dāng)輸入電壓或負(fù)載電流變化時(shí)，通過該電阻上電壓降的變化，取出誤差信號(hào)以調(diào)節(jié)穩(wěn)壓管的工作電流，從而起到穩(wěn)壓作用。穩(wěn)壓二極管在工作時(shí)應(yīng)反接，并串入一只電阻。

半導(dǎo)體三極管有兩大類型，一是雙極型半導(dǎo)體三極管二是場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體三極管1雙極型半導(dǎo)體三極管

雙極型半導(dǎo)體三極管是由兩種載流子參與導(dǎo)電的半導(dǎo)體器件，它由兩個(gè)PN結(jié)組合而成，是一種CCCS器件。

場(chǎng)效應(yīng)型半導(dǎo)體三極管僅由一種載流子參與導(dǎo)電，是一種VCCS器件。3.2半導(dǎo)體三極管

半導(dǎo)體三極管有兩大類型，1雙極型半導(dǎo)體三極1.半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)2.半導(dǎo)體三極管的電流放大作用3.半導(dǎo)體三極管的特性曲線4.半導(dǎo)體三極管的主要參數(shù)5.半導(dǎo)體三極管的型號(hào)3.2半導(dǎo)體三極管1.半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)3.2半導(dǎo)體三極管半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)示意圖如圖02.01所示。它有兩種類型:NPN型和PNP型。圖02.01兩種極性的雙極型三極管e-b間的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)(Je)c-b間的PN結(jié)稱為集電結(jié)(Jc)

中間部分稱為基區(qū)，連上電極稱為基極，用B或b表示（Base）；

一側(cè)稱為發(fā)射區(qū)，電極稱為發(fā)射極，用E或e表示（Emitter）；

另一側(cè)稱為集電區(qū)和集電極，用C或c表示（Collector）。半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)示意圖如圖02.01所示

雙極型三極管的符號(hào)在圖的下方給出，發(fā)射極的箭頭代表發(fā)射極電流的實(shí)際方向。從外表上看兩個(gè)N區(qū),(或兩個(gè)P區(qū))是對(duì)稱的，實(shí)際上發(fā)射區(qū)的摻雜濃度大，集電區(qū)摻雜濃度低，且集電結(jié)面積大?；鶇^(qū)要制造得很薄，其厚度一般在幾個(gè)微米至幾十個(gè)微米。雙極型三極管的符號(hào)在圖的下方給出，發(fā)三極管的電流分配與控制

雙極型半導(dǎo)體三極管在工作時(shí)一定要加上適當(dāng)?shù)闹绷髌秒妷骸?/p>

若在放大工作狀態(tài)：發(fā)射結(jié)外加正向電壓，集電結(jié)外加反向電壓。

現(xiàn)以NPN型三極管的放大狀態(tài)為例，來說明三極管內(nèi)部的電流關(guān)系如圖。雙極型三極管的電流傳輸關(guān)系三極管的電流分配與控制雙極型半導(dǎo)體三

發(fā)射結(jié)加正偏時(shí)，從發(fā)射區(qū)將有大量電子向基區(qū)擴(kuò)散，形成發(fā)射極電流，與PN結(jié)中的情況相同。

從基區(qū)向發(fā)射區(qū)也有空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，但其數(shù)量小，這是因?yàn)榘l(fā)射區(qū)的摻雜濃度遠(yuǎn)大于基區(qū)的摻雜濃度。

進(jìn)入基區(qū)的電子流因基區(qū)的空穴濃度低，被復(fù)合的機(jī)會(huì)較少。又因基區(qū)很薄，在集電結(jié)反偏電壓的作用下，電子在基區(qū)停留的時(shí)間很短，很快就運(yùn)動(dòng)到了集電結(jié)的邊上，進(jìn)入集電結(jié)的結(jié)電場(chǎng)區(qū)域，被集電極所收集，形成集電極電流。在基區(qū)被復(fù)合的電子形成基極電流。發(fā)射結(jié)加正偏時(shí)，從發(fā)射區(qū)將有大量電

另外因集電結(jié)反偏，使集電結(jié)區(qū)的少子形成漂移電流ICBO。于是可得如下電流關(guān)系式:IE=IC+IB另外因集電結(jié)反偏，使集電結(jié)區(qū)的少子形成漂移電三極管放大的實(shí)質(zhì)發(fā)射結(jié)正向電壓大小控制基區(qū)少子濃度影響集電極電流大小即由Ube控制Ic，由于Ib正比于Ube，所以有Ib正比于Ic。三極管放大的實(shí)質(zhì)發(fā)射結(jié)正向電壓大小控制基區(qū)少子濃度影響集電極

以上關(guān)系在動(dòng)畫中都給予了演示。由以上分析可知，發(fā)射區(qū)摻雜濃度高，基區(qū)很薄，是保證三極管能夠?qū)崿F(xiàn)電流放大的關(guān)鍵。若兩個(gè)PN結(jié)對(duì)接，相當(dāng)基區(qū)很厚，所以沒有電流放大作用，基區(qū)從厚變薄，兩個(gè)PN結(jié)演變?yōu)槿龢O管，這是量變引起質(zhì)變的