第一章半导体二极管和晶体管b
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第1章 半导体二极管和晶体管
型求出 IO 和 UO 的值。
+ UD -
解:
1、理想模型
UO = V = 6 V
E
IO = E / R = 6 / 6 = 1 (mA)
+
2 V ID
R UR
6KΩ
-
2、恒压降模型
UO = E – UD = 6 0.7 = 5.3 (V) IO = UO / R = 5.3 / 6 = 0.88 (mA)
反向击穿电压 I/mA 反向饱和电流
硅几 A
锗几十~几百 A UBR
硅管的温度稳
IS
O
U/V
定性比锗管好 反向 饱和电流
36
（二）极间电容
第三节、半导体二极管
C
1、PN结存在等效结电容
PN结中可存放电荷,相 当一个电容。
PN
+ ui –
R
– 2、对电路的影响：外加交流电源
+
时，当频率高时，容抗小，对PN
14
第一节、半导体的导电特性
N型半导体
多一个 价电子
4
+5
4
掺杂
4
4
4
15
本征激发
第一节、半导体的导电特性
N型半导体
4
+5
4
掺杂
正离子
电子
4
4
4
多子-------电子 少子-------空穴
N型半导体示意1图6
第一节、半导体的导电特性
P型半导体
多一个 空穴
4
+3
4
掺杂
4
4
4
17
本征激发
第一节、半导体的导电特性
第一章半导体器件的特性讲解
第一章 半导体器件的 特性
主要内容及要求
1.1 半导体的导电特性 1.2 PN结 1.3 二极管 1.4 双极型晶体管（BJT） 1.5 场效应管（FET）
基础，必须掌握： 基本概念，原理， 特征曲线、参数， 应用等。
了解原理，掌握特 征曲线、参数。
1.1 半导体的导电特性
半导体材料：
物质根据其导电能力(电阻率)的不同，可划分 导体、绝缘体和半导体。 －4 导 体：ρ<10 Ω·cm 9 绝缘体：ρ>10 Ω·cm 半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间。 典型的元素半导体有硅Si和锗Ge ，此外，还有 化合物半导体砷化镓GaAs等。
1.5 场效应管
二、工作原理
VDS=0时， VGS 对沟道的控制作用
当VGS＜0时， PN结反偏，| VGS | 耗尽层加厚沟道变窄。 VGS继续 减小，沟道继续变窄，当沟道夹断时， 对应的栅源电压VGS称为夹断电压VP （ 或VGS(off) ）。 对于N沟道的JFET，VP <0。 若在漏源极间加上适当电压，沟道中有 电流ID流过。 VGS＝0时，ID较大； VGS＝VGS(off)时，ID近似为零， 这时管子截止。
1.5 场效应管
特点：
利用输入回路的电场效应控制输出回路的电流；仅靠半导体 中的多数载流子导电（单极型晶体管）；输入阻抗高 （107~1012），噪声低，热稳定性好，抗辐射能力强，功 耗小。
分类：
1.5 场效应管
1.5.1结型场效应管 一、结构
N沟道结型场效应管结构示意图
N沟道管符号
P沟道管符号
晶体管结构示意图
晶体管符号
1.4 双极型晶体管
生成类型：合金型和平面型
要实现电流放大作用，要求： 发射区掺杂浓度高； 基区薄且掺杂浓度低； 集电结面积大。
主要内容及要求
1.1 半导体的导电特性 1.2 PN结 1.3 二极管 1.4 双极型晶体管（BJT） 1.5 场效应管（FET）
基础，必须掌握： 基本概念，原理， 特征曲线、参数， 应用等。
了解原理，掌握特 征曲线、参数。
1.1 半导体的导电特性
半导体材料：
物质根据其导电能力(电阻率)的不同，可划分 导体、绝缘体和半导体。 －4 导 体：ρ<10 Ω·cm 9 绝缘体：ρ>10 Ω·cm 半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间。 典型的元素半导体有硅Si和锗Ge ，此外，还有 化合物半导体砷化镓GaAs等。
1.5 场效应管
二、工作原理
VDS=0时， VGS 对沟道的控制作用
当VGS＜0时， PN结反偏，| VGS | 耗尽层加厚沟道变窄。 VGS继续 减小，沟道继续变窄，当沟道夹断时， 对应的栅源电压VGS称为夹断电压VP （ 或VGS(off) ）。 对于N沟道的JFET，VP <0。 若在漏源极间加上适当电压，沟道中有 电流ID流过。 VGS＝0时，ID较大； VGS＝VGS(off)时，ID近似为零， 这时管子截止。
1.5 场效应管
特点：
利用输入回路的电场效应控制输出回路的电流；仅靠半导体 中的多数载流子导电（单极型晶体管）；输入阻抗高 （107~1012），噪声低，热稳定性好，抗辐射能力强，功 耗小。
分类：
1.5 场效应管
1.5.1结型场效应管 一、结构
N沟道结型场效应管结构示意图
N沟道管符号
P沟道管符号
晶体管结构示意图
晶体管符号
1.4 双极型晶体管
生成类型：合金型和平面型
要实现电流放大作用，要求： 发射区掺杂浓度高； 基区薄且掺杂浓度低； 集电结面积大。
半导体器件的基础知识
向电压—V（BR）CBO。 当集电极开路时，发射极与基极之间所能承受的最高反
向电压—V（BR）EBO。
精选课件
28
1.2 半导体三极管
③ 集电极最大允许耗散功率 PCM 在三极管因温度升高而引起的参数变化不超过允许值时， 集电极所消耗的最大功率称集电极最大允许耗散功率。
三极管应工作在三极 管最大损耗曲线图中的安 全工作区。三极管最大损 耗曲线如图所示。
热击穿：若反向电流增大并超过允许值，会使 PN 结烧 坏，称为热击穿。
结电容：PN 结存在着电容，该电容为 PN 结的结电容。
精选课件
5
1.1 半导体二极管
1.1.3 半导体二极管
1．半导体二极管的结构和符号 利用 PN 结的单向导电性，可以用来制造一种半导体器 件 —— 半导体二极管。 电路符号如图所示。
将两个 NPN 管接入判断 三极管 C 脚和 E 脚的测试电 路，如图所示，万用表显示阻
值小的管子的 值大。
4．判断三极管 ICEO 的大小 以 NPN 型为例，用万用 表测试 C、E 间的阻值，阻值 越大，表示 ICEO 越小。
精选课件
33
1.2 半导体三极管
1.2.6 片状三极管
1．片状三极管的封装 小功率三极管：额定功率在 100 mW ~ 200 mW 的小功率 三极管，一般采用 SOT-23形式封装。如图所示。
精选课件
21
1.2 半导体三极管
由图可见： （1）当 V CE ≥ 1 V 时，特性曲线基本重合。 （2）当 VBE 很小时，IB 等于零，三极管处于截止状态。
精选课件
22
1.2 半导体三极管
（3）当 VBE 大于门槛电压（硅管约 0.5 V，锗管约 0.2 V） 时，IB 逐渐增大，三极管开始导通。
三极管
N
E EB
PNP VB<VE VC<VB
EC
第一章 半导体二极管、三极管
晶体管放大的条件
发射区掺杂浓度高 1.内部条件 基区薄且掺杂浓度低 I B
集电结面积大 2.外部条件 发射结正偏 集电结反偏
RB
mA A
IC
mA
C B
3DG6
E
IE
EC
晶体管的电流分配和 放大作用
电路条件: EC>EB 发射结正偏 集电结反偏
基极开路
第一章 半导体二极管、三极管
三、极限参数
1. 集电极最大允许电流 ICM
集电极电流 IC上升会导致三极管的值的下降，当值下降到正常值 的三分之二时的集电极电流即为 ICM。 2.反向击穿电压
（1） 集-射极反向击穿电压U(BR)CEO 当集—射极之间的电压UCE 超过一定的数值时，三极管就会被击穿。 手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿电压U(BR) CEO。基极开 路时 C、E极间反向击穿电压。 （2）集电极－基极反向击穿电压U(BR)CBO — 发射极开路时 C、B极间 反向击穿电压。 （3）发射极－基极反向击穿电压U(BR)EBO — 集电极开路时 E、B极间反 向击穿电压。
第一章 半导体二极管、三极管
一、输入特性
iC
iB f (uBE ) u
uCE 0
iB
RB + + uBE
CE常数
与二极管特性相似
RB +
B + RC + 输出 RB E uCE 输入 回路 + uBE + EC 回路 EB IE
iB
C
模拟电子课件第一章_半导体材料及二极管
–10 0 0.2 0.4
–20
I/uA
锗管的伏安特性
图 二极管的伏安特性
ID
UD
-
UD / V
34
1.正偏伏安特性
当正向电压比较小时，正向电流很小，几乎为零。，
相应的电压叫死区电压。
死区电压： 硅二极管为0.5V左右 锗二极管为0.1V左右
i/mA 30
当正向电压超过死区电压后，二极 管导通, 电流与电压关系近似指数关 系。
42
3.二极管的其它主要参数
➢最大平均整流电流 : I F 允许通过的最大正向平均电流 ➢最高反向工作电压 : 最V大R 瞬时值，否则二极管击穿
1
18
半导体中某处的扩散电流 主要取决于该处载流子的浓 度差（即浓度梯度），而与 该处的浓度值无关。即扩散 电流与载流子在扩散方向上 的浓度梯度成正比，浓度差 越大，扩散电流也越大。
图1.6 半导体中载流子的浓度分布
1
19
即:某处扩散电流正比于浓度分布曲线上该点处的斜率
和。
dn( x) dx
dp ( x) dx
在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价杂质元素，即构成 N 型半导体 (或称电子型半导体)。
常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。
1
10
原来晶格中的某些硅原子将 被杂质原子代替。 杂质原子与周围四个硅原子 组成共价键时多余一个电子。 这个电子只受自身原子核吸引， 在室温下可成为自由电子。
5价的杂质原子可以提供电子， 所以称为施主原子。
Problem: N型半导体是否呈电中性？
1
+4
+4
+5
+4
+4
+4
–20
I/uA
锗管的伏安特性
图 二极管的伏安特性
ID
UD
-
UD / V
34
1.正偏伏安特性
当正向电压比较小时，正向电流很小，几乎为零。，
相应的电压叫死区电压。
死区电压： 硅二极管为0.5V左右 锗二极管为0.1V左右
i/mA 30
当正向电压超过死区电压后，二极 管导通, 电流与电压关系近似指数关 系。
42
3.二极管的其它主要参数
➢最大平均整流电流 : I F 允许通过的最大正向平均电流 ➢最高反向工作电压 : 最V大R 瞬时值，否则二极管击穿
1
18
半导体中某处的扩散电流 主要取决于该处载流子的浓 度差（即浓度梯度），而与 该处的浓度值无关。即扩散 电流与载流子在扩散方向上 的浓度梯度成正比，浓度差 越大，扩散电流也越大。
图1.6 半导体中载流子的浓度分布
1
19
即:某处扩散电流正比于浓度分布曲线上该点处的斜率
和。
dn( x) dx
dp ( x) dx
在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价杂质元素，即构成 N 型半导体 (或称电子型半导体)。
常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。
1
10
原来晶格中的某些硅原子将 被杂质原子代替。 杂质原子与周围四个硅原子 组成共价键时多余一个电子。 这个电子只受自身原子核吸引， 在室温下可成为自由电子。
5价的杂质原子可以提供电子， 所以称为施主原子。
Problem: N型半导体是否呈电中性？
1
+4
+4
+5
+4
+4
+4
1章 常用半导体器件图
ΔI 0
0
ui
U
ΔU
例4.Dio －
E
5.稳压管的参数及应用
• ⑴.稳压管的(应用电路)工作原理：
IR ＋
R
Ui
Z
IZ
IL RL
•
┗┓ D
－
IR=IZ + IL IR =(Ui –UZ)/R
稳压管的伏安特性和等效电路
返回
⑴.稳压管稳压电路
返回
⑵.稳压管的参数
• • • • • ①.稳定电压UZ ②.稳定电流IZ ③.额定功耗PZ ④.稳压管的温度系数 ⑤.动态电阻rZ
(1).PN结内部载流子 的运动：
①.多子的扩散运动： ②.自建电㘯和 耗尽层的形成： 载流子复合
③.少数载流子的 漂移运动：
返回
2. PN结的单向导电性：
(1). PN结加正向电压时导通
返回
(2).PN结加反向电压时截止
返回
3.PN结的伏安特性
• ⑴. PN结的电流方程：
i Is(
qu kT
返回
图1.5.1 单结晶体管的结构示意图和等效电路
返回
图1.5.2 单结晶体管特性曲线的测试
返回
图1.5.3 单结晶体管组成的振荡电路
返回
图1.5.4 晶闸管的外形
返回
图1.5.5 晶闸管的结构、等效电路和符号
返回
图1.5.6 晶闸管的工作原理
返回
图1.5.7 晶闸管的伏安特性曲线
返回
返回
图1.6.1 基片与管芯图
返回
图1.6.2 集成电路的剖面图及外形
返回
图1.6.3 PN结隔离的制造工艺
Pi=Ni
P = Pa ＋ Pi N = Ni （多子）P＞n（少子）
第一章 基本放大电路
2.实验电路 以下是说明晶体管的放大原理和其中的电流分 配的实验电路. IC
IB
A
mA
+ + V UCE + EC
RB
V UBE – 输出回路 输入回路 – – + – EB 共发射极放大电路
发射极是输入回路、输出回路的公共端
3. 各电极电流关系及电流放大作用
IB/mA 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10
带正电
空穴
价电子
温度愈高，晶体中产生 的自由电子便愈多。
在外电场的作用下，有空穴的原子吸引相邻原子的价电子 来填补空穴，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空 穴的运动（相当于正电荷的移动）。
本征半导体的导电机理 当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出 现两部分电流
(1)自由电子作定向运动 电子电流 (2)价电子递补空穴 空穴电流
P
IR
内电场 外电场
N
–
内电场被加 强，少子的漂 移加强，由于 少子数量很少， 形成很小的反 向电流。
+
PN 结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小， 反向电阻较大，PN结处于截止状态。 温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。
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PN结具有单向导电性
正偏时，结电阻小，正向电流大——导通
例1：
+ ui –
R D + uo –
已知： 二极管是理想的，
ui 10sin t V, E 5V, R 1K
试画出 uo 波形。
二极管的用途： 整流、检波、 限幅、钳位、开 关、元件保护、 温度补偿等。
E
ui
E
第一章常用半导体器件 (2)
Cb
• d
S
式中ε是介质常数，S是PN结的面积，d是PN结的宽度。
❖ 扩散电容Cd
Cd是PN结正向电压变化时， 多数载流子在扩散过程中积累 引起的。反向偏置时，以扩散 电容Cd为主。
PN结正偏时，多数载流子扩 散到对方成为对方区域中的“少 子” (称为“非平衡少子”）这 些少子在正偏电压变化时，也有 堆积与泄放的过程。
＋4
＋4
＋4
电流是电子电流和空穴电流之和，
(而导体只有自由电子导电)。
图 1.1.2 电子-空穴对的产生和空穴的移动
在本征半导体中不断地进行着激发与复合 两种相反的过程， 当温度一定时， 两种状态 达到动态平衡，即本征激发产生的电子-空穴对， 与复合的电子-空穴对数目相等，这种状态称为 动态平衡状态（热平衡）。 半导体中自由 电子和空穴的多少分别用浓度（单位体积中载 流子的数目）ni和pi来表示。处于热平衡状态 下的本征半导体，其载流子的浓度是一定的， 并且自由电子的浓度和空穴的浓度相等。
第一章 常用半导体器件
1.1 半导体的基本知识 1.2 半导体二极管 1.3 双极型晶体管 1.4 场效应管
有关半导体的基本概念
• 本征半导体、杂质半导体 • 施主杂质、受主杂质 • N型半导体、P型半导体 • 自由电子、空穴 • 多数载流子、少数载流子
§ 1.1 半导体基础知识
自然界的物质按其导电能力可分为导体、半导 体和绝缘体三类。常用的半导体材料有硅（Si）和 锗（Ge）。半导体导电能力介于导体和绝缘体之间。
1.2.4. 二极管的等效电路
(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１．２．４由伏安特性折线化得到的等效电路
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–
少子漂移形成反 向饱和电流 ICBO
N?
P
N
IC
ICBOc
U BE
+b
–
+ UCB
IB
RE
VEE
VCC
RC
e. 集电区、基区少子相互漂移
17
晶体管的电流分配关系动画演示
18
输入回路
IE
T
IC
? U BE ?
? U CB ?
IB
输出回路
RE VEE
VCC RC
发射结回路为输入回路，集电结回路为输出回路。
基极是两个回路的公共端，称这种接法为 共基极接法 。
19
IE
N?
P
N
IC
e
c
ICBO
?
U BE
? b
?
UCB
?
IB
定义
RE
VEE
VCC
RC
? ? IC
IE
? 称为共基极直流电流放大系数，反映了发射
区注入基区的电子被集电区收集的能力
20
IE
N?
P
N
IC
e
c
ICBO
?
U BE
? b
?
UCB
?
IB
各电极电流之间的关系
RE VEE
VCC RC
11
(1) 电流关系
IE
N?
P
N
e
c
–
U BE
+b
–
+ UCB
RE
发射区向基区扩散电子
a. 发射区向基区扩散电子
形成发射极电流 IE
VEE
VCC
RC
称扩散到基区的发射 区多子为非平衡少子
12
IE
N?
P
N
e
c
–
U BE
+b
–
+ UCB
RE
VEE
VCC
RC
发射区向基区扩散电子
4
发射极 E(e)
发射结JE 集电结JC 集电极C(c)
发射区
N
NPN型晶体管 结构示意图
基区
集电区
P
N
基极B(b)
5
发射极E(e)
发射结JE
集电结JC 集电极C(c)
发射区
基区
集电区
N
P
N
基极B(b)
C(c)
NPN型晶体管符号
T
B (b)
E(e)
6
2.PNP型晶体管结构示意图和符号
发射区
基区
9
晶体管的工作原理（以NPN型管为例）
依据两个 PN结的偏置情况
晶体管的工作状态
放大状态 饱和状态 截止状态 倒置状态
10
1．发射结正向偏置、集电结反向偏置——放大状态
原理图
电路图
IE
N?
P
e
N
IC
IE
IC
T
c
? U BE ?Biblioteka ? U CB ?–
U BE
+b
–
+ UCB
IB
RE
VEE
VCC
RC
IB
2
半导体三极管有两大类型：
一是双极型半导体三极管 二是场效流应子半双参导极与体型导三半电导的极体半管三导* 极体管器是件由，两它种由载两
个 PN 结组合而成，是一种 CCCS器件。 场效应型半导体三极管仅由一种 载流子参与导电，是一种 VCCS器件。
3
双极型晶体管的结构
晶体管的主要类型 (1) 根据结构分为 : NPN型和PNP型 (2) 根据使用的半导体材料分为 :硅管和锗管 1. NPN型晶体管结构示意图和符号
第一章 半导体二极管和晶体管
? 1.1 半导体的基本知识 ? 1.2 PN结 ? 1.3 半导体二极管 ? 1.4 半导体二极管的应用 ? 1.5 稳压二极管 ? 1.6 双极型晶体管
1
1.6 双极型晶体管（BJT）
晶体管又称半导体三极管 晶体管是最重要的一种半导体器件之一，它的放 大作用和开关作用，促使了电子技术的飞跃。
集电区
C(c)
E(e)
P
N
P
JE
JC
C(c)
B(b)
结构示意图
B (b) 符号
T E(e)
7
3.晶体管的内部结构特点（具有放大作用的内部条件）
B
E
平面型晶 体管的结 构示意图
发射区 基区
集电区
C (1) 发射区面积小，掺杂浓度高 。
8
B
E
发射区 基区
集电区
C (2) 集电区面积大，掺杂浓度低。 (3) 基区掺杂浓度很低，且很薄。
?
UBE
?
b
?
IB
UCB
?
?
RB VBB
UCE
?
IE ? IC ? IB
? (1 ? ? )IB ? IC E O
ICEO称为穿透电流
VCC
RC
24
? 由 ? 的关系
?? ? 1? ?
或
?? ? 1? ?
一般情况
? ? 0.95 ~ 0.995
? ? 20 ~ 200
25
IE
N?
P
N
IC 当输入回路电压
基区向发射区扩散空穴
b. 基区向发射区扩散空穴 形成空穴电流
13
IE
N?
P
N
e
c
–
U BE
+b
–
+ UCB
发射区向基区扩散电子
RE
VEE
VCC
RC
基区向发射区扩散空穴
因为发射区的掺杂浓度远大于基区浓度，空穴电流 可忽略不记。
14
非平衡少子在 基区复合，形 成基极电流 IB
IE
N?
P
N
e
c
–
U BE
e
U
' BE
=UBE+△UBE
ICBcO
那么
?
UBE
?
b
?
IB
UCB
?
?
RB VBB
UCE
?
VCC
RC
I
' B
=IB+△IB
I
' C
=IC+△IC
I
' E
=IE+△IE
如果 △UBE >0，那么△IB >0， △IC >0 ，△IE >0 如果 △UBE <0，那么△IB <0， △IC <0 ，△IE <0
+b
–
+ UCB
IB
RE
VEE
VCC
RC
c. 基区电子的扩散和复合
非平衡少子向 集电结扩散
15
IE
N?
P
N
IC
e
c
–
U BE
+b
–
+ UCB
IB
RE
VEE
d. 集电区收集从发射区扩散过来的电子
形成集电极电流 IC
VCC
RC
非平衡少子 到达集电区
16
集电区少子空
IE
穴向基区漂移
e
基区少子电子向
集电区漂移
RC
22
当UCE>UBE时，发射结正偏，集电结反偏，晶体管
仍工作于放大状态 。
IE
N?
定义
P
N
IC
e
? ? IC
ICBcO
IB
?
UBE
?
b
?
IB
UCB
?
为共射极直流电流
?
RB VBB
UCE
?
放大系数
VCC
RC
23
各电极电流之间的关系
IE
N?
P
N
IC
IC ? ? I B ? I CEO
e
ICBcO
IB
控制。 (3) 集电极饱和电压降 UCES较小， 小功率硅管为 0.3~0.5V 。
? RB UBE VBB ?
IC
T UCE
IE ?
RC VCC
(4) 饱和时集电极电流 ICS ? (VCC ? U CE ) / SRC
RE
VEE
IE=IC+IB
IC ? ? I E ? I CBO
IB ? (1 ? ? )IE ? ICBO
VCC
RC
21
原理图
晶体管共射极接法 电路图
IE
N?
P
N
IC
e
ICBcO
?
UBE
?
b
?
IB
UCB
?
?
RB VBB
UCE
?
IB
? RB UBE VBB ?
? IC
T UCE
IE ?
RC VCC
VCC
26
定义
? ? ?IC
? IE
为共基极交流电流放大系数
? ? ?IC
? IB
为共射极交流电流放大系数
? 与? 的关系
?? ? 1? ?
?? ? 1??
一般可以认为
? ? ?，? ? ?
27
2．发射结正向偏置、集电结正向偏置——饱和状态 饱和状态的特点
(1) UCE≤UBE，集电结正向偏 。
?
(2) IC ? ?IB，IB失去了对IC的