章半导体二极管三极管和场效应管
第七章 半导体器件
半导体材料、由半导体构成的PN结、 二极管结构特性、三极管结构特性及场效 应管结构特性。
1
7 .1 半导体（Semiconductor）导电特性
根据导电性质把物质分为导体、绝 缘体、半导体三大类。 而半导体又分为本征半导体、杂质
（掺杂）半导体两种。
2
半导体的导电机理不同于其它物质，所以它 具有不同于其它物质的特点。例如： 当受外界热和光的作用时， 它的导电能力明显变化。
43
半导体 PN结
二极管
稳压二极管
7.2.2 PN 结的单向导电性
空间电荷区变窄，有利 于扩散运动，电路中有 1. PN结 外加正向电压时处于导通状态 较大的正向电流。
电子—空穴对，同时存在电子—空穴对
的复合 。
电子浓度 = 空穴浓度
ni = pi
7
7 .1 .2 杂质半导体
在本征半导体中掺入少量的其他特定元 素（称为杂质）而形成的半导体。
常用的杂质元素
三价的硼、铝、铟、镓 五价的砷、磷、锑
通过控制掺入的杂质元素的种类和数量来制
成各种各样的半导体器件。 杂质半导体分为：N型半导体和P型半导体。
电压UBR
U(V)
死区电压，硅管约 0.5V,锗管约0.1V (μA)
反向饱和漏电流
23
7.3.2 二极管的特性方程
二极管两端所加电压U与流过的 电流 I 的关系为：
I U
I I S (e
IS ：反向饱和电流
U
UT
1)
UT ：温度电压当量，在常温(300 K)下，UT 26 mV
24
7.3.2 二极管的特性方程
应根据不同情况选择不同的等效电路！
常用半导体器件
1.特点：非线性
I
反向击穿 电压U(BR)
反向电流 在一定电压 范围内保持 常数。
P– + N 反向特性
外加电压大于反向击 穿电压二极管被击穿， 失去单向导电性。
正向特性
P+ – N
导通压降
硅0.6~0.8V 锗0.1~0.3V
U
硅管0.5V, 开启电压
锗管0.1V。
外加电压大于开启 电压二极管才能通。
+ + ++ + + + + ++ + + + + ++ + +
P IF
内电场 N
外电场
+–
P接正、N接负
动画
内电场被 削弱，多子 的扩散加强， 形成较大的 扩散电流。
PN 结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较 大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。
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PN 结加反向电压（反向偏置） P接负、N接正
掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电 能力明显改变(可做成各种不同用途的半导 体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。
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一、本征半导体
完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征 半导体。
价电子
Si
Si
共价健
Si
Si
晶体中原子的排列方式
硅单晶中的共价健结构
共价键中的两个电子，称为价电子。
是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压， 一般是二极管反向击穿电压UBR的一半或三分之二。 二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。
半导体集成电路原理与设计—第三章答辩
（3.2）
即横向扩散因子m=0.55
基区扩散电阻的横截面
• 实际基区扩散电阻的计算公式
(1)考虑了端头、拐角及横向扩散三项修正后，基区扩散电阻的计算公式为：
R
RS
W
L 0.55X
jc
2k1
nk
2
电阻衬底高电位端
(2)当L>>W时，可不考虑K1；当W>>Xjc时，可不考虑横向修正m，此时
R
RS
L W
nkR引2出线
be c
（4）薄层电阻值Rѕ的修正
一般情况下，Rѕ是在硼再分布以后测量的，以检测扩 散工艺的质量。基区扩散后还有多道高温处理工序（如氧 化、磷扩散等），杂质会进一步往里面推进，同时表面的 硅会进一步氧化，所以整个工艺完成后，实际的Rѕa比原来 的Rѕ高。
（1）设计规则决定的最小扩散条宽
设计规则：是从工艺中提取的、为保证一定成品率而规定的一组最小尺寸，制 定设计规则的时候主要考虑制版、光刻等工艺可实现的最小线宽、最小图形间距、 最小可开孔、最小套刻精度等。设计扩散电阻的最小扩散条宽时，必须符合设计规 则。
（2）工艺水平和电阻精度要求所决定的最小线宽
制造基区扩散电阻的工艺过程中，会引入 随机误差，由3.1式进行估算。
L
R RS W
3.1
根据误差理论：
R RS L W R RS L W
目前工艺条件下，△Rѕ/Rѕ可控制在±（由5于～10）Rs%已之经内确。目定前，工所艺以条控
件下，△Rѕ/Rѕ可控制在±（5～10）%之内。△W、R△s L主要来自制版、光刻
电感器：一般由多匝线圈构成，不宜集成，小电感量特殊情况可集成
二极管 三极管 mos管
二极管三极管 mos管二极管、三极管和MOS管是现代电子技术中常用的三种元件。
它们分别具有不同的特性和应用范围，为电子设备的设计和制造提供了重要的支持和便利。
我们来探讨一下二极管。
二极管是一种具有两个电极的电子元件，由P型半导体和N型半导体组成。
二极管具有单向导电特性，即只允许电流在一个方向上通过。
当二极管的正端施加正电压，负端施加负电压时，电流可以顺利通过；而当施加的电压方向相反时，电流则无法通过。
这一特性使得二极管可以用于电路的整流、开关和保护等方面。
接下来，我们来探讨一下三极管。
三极管是一种具有三个电极的半导体器件，分别为发射极、基极和集电极。
三极管可以通过控制基极电流的大小来控制集电极电流的变化。
三极管有两种工作模式，分别为放大模式和开关模式。
在放大模式下，三极管可以将微弱的输入信号放大成较大的输出信号，常用于放大电路中。
而在开关模式下，三极管可以根据基极电流的变化来控制集电极电流的开关，常用于逻辑电路和开关电源等方面。
我们来探讨一下MOS管。
MOS管是金属氧化物半导体场效应管的简称，由金属栅极、绝缘氧化层和半导体基底构成。
MOS管具有高输入阻抗和低功耗的特点，常用于集成电路中。
MOS管有两种类型，分别为N沟道MOS管和P沟道MOS管，根据其导电性质的不同有所区别。
MOS管可以通过控制栅极电压来改变导电性能，实现电流的放大和开关控制。
MOS管广泛应用于数字电路、模拟电路和功率电子等领域。
总结起来，二极管、三极管和MOS管分别具有不同的特性和应用范围。
二极管可以实现单向导电，用于整流、开关和保护等方面；三极管可以放大和开关控制电流，用于放大电路、逻辑电路和开关电源等方面；MOS管具有高输入阻抗和低功耗，用于集成电路、数字电路、模拟电路和功率电子等领域。
这些电子元件的发展和应用，为现代电子技术的发展和进步提供了重要的支持和推动力。
随着科技的不断创新和发展，相信二极管、三极管和MOS管的应用将会更加广泛和深入。
二极管、三极管与场效应管
电子元器件知识：二极管、三极管与场效应管。
一、半导体二极管2、半导体二极管的分类分类：a 按材质分：硅二极管和锗二极管；b按用途分：整流二极管，检波二极管，稳压二极管，发光二极管，光电二极管，变容二极管。
3、半导体二极管在电路中常用“D”加数字表示，如：D5表示编号为5的半导体二极管。
4、半导体二极管的导通电压是:a;硅二极管在两极加上电压,并且电压大于0.6V时才能导通,导通后电压保持在0.6-0.8V之间.B;锗二极管在两极加上电压,并且电压大于0.2V时才能导通,导通后电压保持在0.2-0.3V之间.5、半导体二极管主要特性是单向导电性，也就是在正向电压的作用下，导通电阻很小；而在反向电压作用下导通电阻极大或无穷大。
6、半导体二极管可分为整流、检波、发光、光电、变容等作用。
7、半导体二极管的识别方法：a;目视法判断半导体二极管的极性:一般在实物的电路图中可以通过眼睛直接看出半导体二极管的正负极.在实物中如果看到一端有颜色标示的是负极,另外一端是正极.b;用万用表(指针表)判断半导体二极管的极性:通常选用万用表的欧姆档(R﹡100或R﹡1K),然后分别用万用表的两表笔分别出接到二极管的两个极上出,当二极管导通,测的阻值较小(一般几十欧姆至几千欧姆之间),这时黑表笔接的是二极管的正极,红表笔接的是二极管的负极.当测的阻值很大(一般为几百至几千欧姆),这时黑表笔接的是二极管的负极,红表笔接的是二极管的正极.c;测试注意事项：用数字式万用表去测二极管时，红表笔接二极管的正极，黑表笔接二极管的负极，此时测得的阻值才是二极管的正向导通阻值，这与指针式万用表的表笔接法刚好相反。
8、变容二极管是根据普通二极管内部“PN结”的结电容能随外加反向电压的变化而变化这一原理专门设计出来的一种特殊二极管。
变容二极管在无绳电话机中主要用在手机或座机的高频调制电路上，实现低频信号调制到高频信号上，并发射出去。
在工作状态，变容二极管调制电压一般加到负极上，使变容二极管的内部结电容容量随调制电压的变化而变化。
第7章 半导体器件
7.1 7.2 7.3 半导体二极管 半导体三极管 场效应晶体管
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！
重点：
二极管的单向导电性 三极管的电流放大作用及三极管的 特性曲线
7.1 半导体二极管
7.1.1本征半导体
导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体。 导电能力
对温度的反应 非常灵敏
受光照非 常敏感
在纯净的半导体中掺 入微量的杂质（指其 他元素），它的导电 能力会大大增强
7.2.1三极管的基本结构、符号
PNP
集电极 C 集电极 C
NPN
C
C
集电区P 集电结 B 基极 基区N 发ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ结 发射区P E 发射极
B
B 基极
集电区N 集电结 基区P 发射结 发射区N E 发射极
B
E
E
集电区尺寸 比发射区大
C
集电极 N
基区很薄，杂 质浓度最低
B
基极 E
P
N
发射极
发射区杂质 浓度高
内电场 反向电流
PN 结单向导电性
PN 结具有单向导电性 。 PN 结加正向电压时，电路中有较大电流流过， PN 结导通； PN 结加反向电压时，电路中电流很小， PN 结截 止。
7.1.4半导体二极管
1.结构
硅二极管
按材料不同分 锗二极管 分类 点接触型
阳极 VD
阴极
按结构不同分
面接触型
2.二极管的伏安特性
要有良好接地。场效应管通常
漏极与源极互换使用，但有些
产品源极与衬底已连在一起，
这时漏极与源极不能互换。
画出图示电路输出电压波形。
VD + R ui － US + uo －
半导体器件的基础知识
1.1 半导体二极管
3．半导体二极管的主要参数 ． （1）最大整流电流 IF： ） 二极管长时间工作时允许通过的最大直流电流。 二极管长时间工作时允许通过的最大直流电流。 使用时应注意流过二极管的正向最大电流不能大于这个 数值，否则可能损坏二极管。 数值，否则可能损坏二极管。 （2）最高反向工作电压 VRM ） 二极管正常使用时允许加的最高反向电压。 二极管正常使用时允许加的最高反向电压。 使用中如果超过此值，二极管将有被击穿的危险。 使用中如果超过此值，二极管将有被击穿的危险。
1.2 半导体三极管
输出特性曲线
1.2 半导体三极管
输出特性曲线族可分三个区： 输出特性曲线族可分三个区： （1）截止区 ） 条件：发射结反偏或两端电压为零。 条件：发射结反偏或两端电压为零。 特点： 特点： IB = 0，IC = ICEO 。 ， （2）放大区 ） 条件：发射结正偏，集电结反偏。 条件：发射结正偏，集电结反偏。 特点： 特点： IC 受 IB 控制 ，即 ∆IC = β∆IB 。 在放大状态， 一定时， 变化， 在放大状态，当 IB 一定时，IC 不随 VCE 变化，即放大状态 的三极管具有恒流特性。 的三极管具有恒流特性。 （3）饱和区 ） 条件：发射结和集电结均为正偏。 条件：发射结和集电结均为正偏。 特点： 特点：VCE = VCES。 VCES 称为饱和管压降，小功率硅管约 0.3 V，锗管约为 0.1 V。 称为饱和管压降， ， 。
1.2 半导体三极管
1.2.1 半导体三极管的基本结构与分类
1．结构及符号 ． PNP 型及 NPN 型三极管的内部结构及符号如图所示。 型三极管的内部结构及符号如图所示。 三区： 发射区、 三区 ： 发射区 、 基 集电区。 区、集电区。 三极： 三极 ： 发射极 E、 、 基极 B、集电极 C。 、 两结： 发射结、 两结 ： 发射结 、 集 电结。 电结。 实际上发射极箭头 方向就是发射结正向电 流方向。 流方向。
第一章半导体基础知识
第一章半导体基础知识〖本章主要内容〗本章重点讲述半导体器件的结构原理、外特性、主要参数及其物理意义，工作状态或工作区的分析。
首先介绍构成PN结的半导体材料、PN结的形成及其特点。
其后介绍二极管、稳压管的伏安特性、电路模型和主要参数以及应用举例。
然后介绍两种三极管（BJT和FET）的结构原理、伏安特性、主要参数以及工作区的判断分析方法。
〖本章学时分配〗本章分为4讲，每讲2学时。
第一讲常用半导体器件一、主要内容1、半导体及其导电性能根据物体的导电能力的不同，电工材料可分为三类：导体、半导体和绝缘体。
半导体可以定义为导电性能介于导体和绝缘体之间的电工材料，半导体的电阻率为10-3～10-9Ω∙cm。
典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。
半导体的导电能力在不同的条件下有很大的差别：当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化；往纯净的半导体中掺入某些特定的杂质元素时，会使它的导电能力具有可控性；这些特殊的性质决定了半导体可以制成各种器件。
2、本征半导体的结构及其导电性能本征半导体是纯净的、没有结构缺陷的半导体单晶。
制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”，它在物理结构上为共价键、呈单晶体形态。
在热力学温度零度和没有外界激发时,本征半导体不导电。
3、半导体的本征激发与复合现象当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自由电子。
当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚而参与导电，成为自由电子。
这一现象称为本征激发（也称热激发）。
因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。
游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合。
在一定温度下本征激发和复合会达到动态平衡，此时，载流子浓度一定，且自由电子数和空穴数相等。
4、半导体的导电机理自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向运动也可形成空穴电流，因此，在半导体中有自由电子和空穴两种承载电流的粒子（即载流子），这是半导体的特殊性质。
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正向特性
6
4
正向特性
200 –100 –50
2
– 80 – 40
0 0.4 0.8 U / V
– 0.1
–0.1 0 0.4 0.8 U / V
–0.2
反向击 穿特性
– 0.2 死区电压
反向特性
硅管的伏安特性
锗管的伏安特性
1.3.3 二极管的主要参数
第1章 1.3
1. 最大整流电流IOM 2. 反向工作峰值电压URM
同样有: IC>> IB
所以说三极管具有电流控制作用,也称之为电流放大作用。
1.5.3 三极管的特性曲线 IB 1. 三极管的输入特性
UCE ≥ 1V
IB = f (UBE ) UC E = 常数
0
UBE
死区电压
2. 三极管的输出特性
IC = f (UCE ) IB = 常数 IC
IB =60µA
子，补充被复 合的空穴，形
成 IB
IB
RB
IE
VBB
电子流向电源正极形成 IC
N 集电区收集电子
电子在基区 扩散与复合
P
发射区向基区
N
扩散电子
电源负极向发射 区补充电子形成
发射极电流IE
VCC RC
第1章 1.5
由于基区很薄,掺杂浓度又很小,电子在基区扩散的数量 远远大于复合的数量。所以：
IC>> IB
C
B
基极B
E
符号
第1章 1.5
集电极C
集电区
N
集电结
P
基区
发射结
N
发射区
发射极E
2. PNP型三极管
集电极C
C
NP
基极B
B
NN
P
E
发射极E
第1章 1.5
集电区 集电结 基区 发射结 发射区
1.5.2 三极管的电流控制作用
第1章 1.5
三极管具有电流控 制作用的外部条件 :
共发射极接法放大电路
（1）发射结正向偏置； （2）集电结反向偏置。
4. 动态电阻 RZ
UF
RZ =
UZ IZ
5. 电压温度系数 VZT
6. 最大允许耗散功率PM
1. 5 半导体三极管
1.5.1 半导体三极管的结构
BE
二氧化硅保护膜
第1章 1.5
E
铟球
N+
P型硅
N型硅
C （a） 平面型
P+
N型锗
B
P
铟球 C
（b）合金型
三极管的结构 分类和符号
1. NPN 型三极管
负离子
第1章 1.1
空穴是多数载流子 电子是少数载流子
P 型半导体结构示意图
1.2 PN 结
1.2.1 PN 结的形成
第1章 1.2
用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上,形成 P型半导体区域 和 N型半导体区域,在这两个区域的交界处就形成了一个PN 结。
P 区 P区的空穴空向间N电区扩荷散区并与电子复N合区
E
1.2.3 PN结电容
势垒电容 PN结电容
扩散电容
1. 势垒电容
第1章 1.2
PN结中空间电荷的数量随外加电压变化所形 成的电容称为势垒电容，用 Cb 来表示。势垒电 容不是常数，与PN结的面积、空间电荷区的宽度 和外加电压的大小有关。
2. 扩散电容
载流子在扩散过程中积累的电荷量随外加电压 变化所形成的电容称为扩散电容，用 Cd 与来示。 PN正偏时，扩散电容较大，反偏时，扩散电容可 以忽略不计。
内N区电的场电方子向向P区扩散并与空穴复合
第1章 1.2
在一定的条件下，多子扩散与少子漂移达到动态平衡，
空间电荷区的宽度基本上稳定下来。
P区
空间电荷区
N区
多子扩散 内电场方向 少子漂移
1.2.2 PN 结的单向导电性
第1章 1.2
1. 外加正向电压
P区
外电场驱使P空区间的电空荷N穴区区进电变入窄子空进间入空间电荷区
1.3 半导体二极管
第1章 1.3
1.3.1 二极管的结构和符号
正极引线
正极引线
二氧化硅保护层
触丝
PN结 N型锗 支架 外壳
P型区 N型硅
PN结
负极引线
正极 负极
负极引线 点接触型二极管
面接触型二极管
二极管的符号
1.3.2 二极管的伏安特性
第1章 1.3
I / mA
I / mA
反向特性 600
400
N 区 电荷区抵消一部分负抵空消间一电部荷分正空间电荷
I
内电场方向
扩散运动增强，形 成较大的正向电流
外电场方向
E
R
2. 外加反向电压
第1章 1.2
外电场驱使多空数间载电流荷子区的两扩侧散的运空动穴难和于自进由行电子移走
空间电荷区变宽
P区
N区
IR
内电场方向
R
少数载流子越过PN结
外电场方向
形成很小的反向电流
(2)
交流电流放大系数
=
IC
IB
2. 穿透电流 ICEO
3. 集电极最大允许电流 ICM 4. 集--射反相击穿电压 U(BR)CEO
5. 集电极最大允许耗散功率 PCM
3V
6
u E
3
3V o 0
2
D uo /V
3 0 –3
第1章 1.3
t t
1.4 稳压管
稳压管是一种特殊的
IF
面接触型半导体二极管。
正极 UZ
DZ
0
Imin
负极
反向击穿区
符号
IZmax
伏安特性
第1章 1.4
正向特性
UF
IZ UZ
稳压管的主要参数
第1章 1.4
IF 0 Imin
IZmax
1. 稳定电压 UZ 2. 最小稳定电流 Imin 3. 最大稳定电流 IZmax
RC IC
对于NPN型三极管应满足:
IB B
UBE > 0
RB
C
UCE E
EC
UBC < 0 即 VC > VB > VE
UBE EB
对于PNP型三极管应满足:
UEB > 0 UCB < 0 即 VC < VB < VE
输入 回路
公 共
输出 回路
端
三极管的电流控制原理
第1章 1.5
IC
EB正极拉走电
3. 反向峰值电流IRM
二极管的应用范围很广,它可用与整流、检波、限幅、 元件保护以及在数字电路中作为开关元件。
例1：下图中，已知VA=3V， VB=0V， DA 、DB为锗管， 求输出端Y的电位并说明二极管的作用。
解： DA优先导通，则
A
VY=3–0.3=2.7V
DA B
Y
DA导通后, DB因反偏而截止, 起隔离作用, DA起钳位作用,
IB增加
IB =40µA
IB 减小
IB = 20µA
第1章 1.5
0
UCE
三极管输出特性上的三个工作区
第1章 1.5
IC / mA
80 µA
饱
放
60 µA
和 区
大
40 µA
区
20µA
IB= 0 µA
0
截止区
UCE /V
1.5.4 三极管的主要参数
1. 电流放大系数
(1)
直流电流放大系数
=
IC
IB
DB7V。
–12V
第1章 1.3
例2：下图是二极管限幅电路，D为理想二极管，ui = 6 sin t V, E= 3V,试画出 uo波形 。
ui / V
R
6
3
ui
uR uD
D
E uo
3V
0
uo /V
2
t
3
0
2
t
–6
例3：双向限幅电路
R
ui / V
ui
uR uD
D E