第三章半导体二极管、三极管和场效应管
电子电工学——模拟电子技术 第三章 二极管及其基本电路
反向击穿
齐纳击穿 雪崩击穿
▪ 齐纳击穿：在较高的反向电压下，PN结耗尽层的强电场 破坏共价键，造成电子-空穴对，形成较大的反向电流。
▪ 雪崩击穿：PN结耗尽层内的少数载流子在强电场加速 作用下获得足够大的能量，与原子发生碰撞，产生电子-空穴对，再碰撞，再产生电子--空穴对，使反向电流急 剧上升。
＋ 14
＋4
＋ 32 ＋4
(a)
(b)
图1
(a) 硅; (b) 锗
共价键就是两个原子各拿出一个价电子作为共有的价电子 所构成的联系。每个硅原子受邻近 4 个原子的束缚, 组成 4 个 共价键。共价键像纽带一样将排列整齐的原子连结起来。
图2 (a) 硅晶体结构; (b) 共价键结构
3.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用
3.2.5 PN结的电容效应
(1) 热敏性: 一些半导体对温度的反应很灵敏, 其电阻率随 着温度的上升而明显地下降, 利用这种特性很容易制成各种热 敏元件, 如热敏电阻、 温度传感器等。
(2) 光敏性: 有些半导体的电阻率随着光照的增强而明显地 下降, 利用这种特性可以做成各种光敏元件, 如光敏电阻和光电 管等。
(3) 掺杂(敏）性: 半导体的电阻率受掺入的“杂质”影响极 大, 在半导体中即使掺入的杂质十分微量, 也能使其电阻率大大 地下降, 利用这种独特的性质可以制成各种各样的晶体管器件。
2.扩散运动形成空间电荷区——耗尽层
不能移动的带电粒子集 中P区和N区交界面附 近，形成一个很薄的空 间电荷区，既PN结。 多数载流子已扩散到对 方并复合掉了，消耗尽 了，故又称耗尽区。
耗尽区
P
空间电荷区
N
3.空间电荷区产生内电场
空间电荷区正负离子之间电位差UD——内电场；
二极管,三极管,晶体管概念和用途
二极管、三极管、晶体管概念和用途一、二极管的概念和用途二极管是一种具有两个电极的半导体器件，它具有单向导电特性。
当施加正向电压时，二极管正向导通，电流通过；当施加反向电压时，二极管反向截止，电流基本不通过。
二极管主要用于整流、稳压、开关和检波等电路中。
1、整流在交流电路中，二极管可以将交流信号转换为直流信号。
通过二极管整流，可以将交流电源转换为直流电源，以满足电子设备对直流电源的需求。
2、稳压二极管还可以作为稳压器使用。
在稳压电路中，通过合理连接二极管和电阻，可以实现对电压的稳定。
3、开关由于二极管具有导通和截止的特性，可以将其应用到开关电路中。
在开关电路中，二极管可以控制电流的通断，实现对电路的控制。
4、检波二极管还可以用作检波器。
在无线电接收机中，二极管可以将射频信号转换为音频信号，实现信息的接收和解调。
二、三极管的概念和用途三极管是一种具有三个电极的半导体器件，分为发射极、基极和集电极。
三极管具有放大、开关等功能，是现代电子设备中不可或缺的器件。
1、放大在放大电路中，三极管可以对输入信号进行放大处理。
通过合理设置电路参数，可以实现对电压、电流和功率等信号的放大。
2、开关与二极管类似，三极管也可以用作开关。
通过控制基极电流，可以实现对集电极与发射极之间的电流通断控制。
3、振荡在振荡电路中，三极管可以实现信号的自激振荡。
通过反馈电路的设计，可以使三极管产生稳定的振荡信号。
4、调制在通信系统中，三极管可以用于信号的调制。
通过三极管的放大和调制功能，可以实现对射频信号等信息的传输。
三、晶体管的概念和用途晶体管是一种半导体器件，是二极管的发展和改进，是现代电子技术的重要组成部分，被广泛应用于放大、开关、振荡和数字逻辑电路等领域。
1、放大晶体管可以作为放大器使用，实现对信号的放大处理。
晶体管的放大能力较强，可以应用于音频放大、射频放大等领域。
2、开关晶体管也可以用作开关。
与三极管类似，晶体管可以实现对电路的控制，用于开关电源、数码电路等领域。
半导体器件(二级管你,三极管,场效应管)
O
图 1.2.8
U
2. 扩散电容 Cd 是由多数载流子在扩散过程中积累而引起的。 在某个正向电压下，P 区中的电子浓度 np(或 N 区的 空穴浓度 pn)分布曲线如图中曲线 1 所示。 当电压加大，np (或 pn)会升高，如 曲线 2 所示(反之浓度会降低)。 正向电压时，变化载流子积累电荷 量发生变化，相当于电容器充电和放电 的过程 —— 扩散电容效应。 当加反向电压时，扩散运动被削弱， 扩散电容的作用可忽略。
按用途划分：有整流二极管、检波二极管、稳压二 极管、开关二极管、发光二极管、变容二极管等。
二极管的结构示意图
金属触丝 阳极引线 N型锗片 阴极引线
阳极引线 二氧化硅保护层
N型硅
P 型硅
( a) 点接触型
铝合金小球 N 型硅
外壳
阴极引线
阳极引线 PN结 金锑合金 底座
(c ) 平面型
阳极
D 阴极
阴极引线
+4 空穴 +4 复合 +4 +4 自由电子
由电子，
在原来的共价键中 留下一个空位，成为
+4
+4
空穴。 空穴可看成带正电的 载流子。
载流子：运载电荷的粒子。
+4 +4 +4
自由电子（带负电）
空穴（带正电）
本征半导体相关结论：
（1）本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现， 称为 电子 - 空穴对。 （2）由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产 生又不断的复合。在一定的温度下，产生与复合运动会 达到平衡，载流子的浓度就一定了。 自由电子和空穴的浓度相等 。
二极管加正向电压，即 U > 0，且 U >> UT ，则
半导体三极管、二极管和 MOS管
一、半导体的基本知识（一）PN结的形成通过一定的工艺，在同一个半导体硅片上形成两个互相接触的P 型区和N 型区，它们的交界面处则形成PN 结。
P 型半导体的多数载流子是空穴，N 型半导体的多数载流子是自由电子，因为两者浓度差异而引起的载流子定向运动称为扩散。
交界面两侧的多子扩散到对方后很快复合而消失，在交界面处留下不能移动的离子—空间电荷，这一区域称为空间电荷区，又称为耗尽层，如图l 所示。
由于空问电荷区的出现．正负电荷形成一个内电场．它将阻止多子继续扩散，同时又促使少子漂移。
扩散使空间电荷区加宽，漂移使空问电荷区变窄。
两种运动同时进行着，当扩散流强度等于漂移流强度时，PN 结达到动态平衡，空间电荷区也就达到了稳定状态。
图一（二）PN 结的单向导电性当PN 结的P 区接电源正极，N 区接电源负极，外加正向电压时，PN结内多子扩散电流形成较人的正向电流，PN 结的导通电阻很小，称其处于导通状态；相反，外加反向电压时，PN 结内少子漂移电流形成很微弱的反向电流，儿乎为零。
PN 结相当于一个非常大的电阻，称其处于截止状态。
PN 结这种外加正间电压导通，外加反向电压截止的性能称为单向导电特性。
【例l 】PN 结内部存在内电场，若将P 区端和N 区端用导线连接，是否有电流流通？为什么？答：当川导线连接PN 结的两端时，没有电流流通。
PN 结在没有外加电压的条件下，扩散电流和漂移电流大小相等．方向相反，处于动态平衡状态，所以流过交界面的静态电流为零。
因此导线上也不会有电流流通。
也就是说，PN结内电场形成的电位差，主要用来抵消由于浓度差形成的多子扩散电流，从而保持P 区和N 区的电中性。
（这里忽略了导线与半导体接触电位差的影响）。
【说明】本思考题主要是帮助同学们熟悉内电场的作用。
二、半导体二极管（一）二极管伏安特性曲线的特点图2 是硅二极管的伏安特性曲线，现以该曲线为例，分析其各部分的特点：图二大，它的数值基本不变，所以又称为反向饱和电流，用I S表示。
二极管,三级管基础知识培训教材
PN结及其单向导电性
• PN结的形成 • PN结的单向导电性
PN结的形成
• 在一块晶凡两边分别形成P型和N型半导 体。 图中 代表得到一个电子的三价杂质(例如硼) 离子，带负电； 代表失去一个电子的五价杂 质(例如磷)离入带正电。由于P区有大量空穴 (浓度大)，而N区的空穴极少(浓度小)，因此空 穴要从浓度大的P区向浓度小的N区扩散。 P
在一定范围内，外电场愈强，正向电 流(由P区流向N区的电流)愈大，这时PN 结呈现的电阻很低。正向电流包括空穴电 流和电子电流两部分。空穴和电子虽然带 有不同极性的电荷，但由于它们的运动方 向相反，所以电流方向一致。外电源不断 地向半导体提供电荷，使电流得以维持。
PN结的单向导电性
• 若给PN结加反向电压，即外电源的正端接N区， 负端接P区，则外电场与内电场方向一致，也 破坏了扩散与漂移运动的平衡。 • 外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子 移走，使得空间电荷增加，空间电荷区变宽， 内电场增强，使多数载流子的扩散运动难以进 行。但另一方面，内电场的增强也加强了少数 裁流于的漂移运动，在外电场的作用下，N区 中的空穴越过PN结进入P区， P区中的自由电 子越过PN结进入N区，在电路中形成了反向电 流(由N区访向P区的电流)。
半导体二极管
• • • • • 二极管的基本结构和类型 二极管的伏安特性 二极管的主要参数 二极管的应用 常用二极管类型
二极管的基本结构和类型
• 将PN结加上相应的电极引线和管壳，就成为半 导体二极管。 从P区引出的电极称为阳极（正 极），从N区引出的电极称为阴极（负极）。 • 按结构分二极管有点接触型和面接触型两类。
D
（c）符号
在使用二极管时，必须注意极性不能接错，否则 电路非但不能正常工作，还有毁坏管子和其他元件的 可能。
第三章场效应管及其基本电路共80页
iD ID0(1UuGGSSof)f 2
ID0表示uGS=0时所对应的漏极电流。
ID0
unCoxW(U2GSo)ff 2L
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模拟电子技术
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N＋
N＋
导电沟道（反型层）
P 型衬底
B
UGS=0，导电沟道已形成
图 N沟道耗尽型MOS场效应管的沟道形成
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ID＞0 D
沟道预夹断
ID >0 D
G P
P U DS
G P
P U DS
U GS
S
U GS S
(a)uGD>UGSoff（预夹断前）
uGD=UGSoff（预夹断时）
纵向电场作用：在沟道造成楔型结构（上宽下窄）
图3―4 uDS
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I D 几乎不变 沟道局部夹断
电 4阻
U GS ＝ 0V
区 3
恒
－0.5V
击 穿
2
流
－1V
区
区
－1.5V
1
－2V
U GSoff
0
5
10
15
20 uDS /V
截止区
(b)输出特性曲线
图3―3JFET的转移特性曲线和输出特性曲线
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当uDS很小时， uDS对沟道的影响可以忽略， 沟道的宽度及相应的电阻值仅受uGS的控制。输 出特性可近似为一组直线，此时，JFET可看成一 个受uGS控制的可变线性电阻器（称为JFET的输 出电阻）；
第3章半导体二极管及其基本应用电路
小结：
1. 半导体中两种载流子
Analog Electronics
带负电的自由电子 带正电的空穴
2. 本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现， 称为 电子 - 空穴对。
3. 本征半导体中自由电子和空穴的浓度用 ni 和 pi 表示，显然 ni = pi 。
4. 由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又 不断的复合。在一定的温度下，产生与复合运动 会达到平衡，载流子的浓度就一定了。
15
温度增加
10
5
– 50 – 25
–0.01 0 0.2 0.4 U / V
–0.02
二极管的特性对温度很敏感。
3.2.3 二极管的主要参数 1.最大整流电流 IF
二极管长期使用时， 允许流过二极管的最大 正向平均电流。
2.最高反向工作电压UR 二极管工作时允许
UT 26 mV
4.PN结的伏安特性
i = f (u )之间的关系曲线。
i/ mA
60
40
正向特性
20
–50 –25
反 向
0 0.5 1.0 u / V 击穿电–压0.002
特 性
U(BR–) 0.004 死区电压
图 1.1.10 PN结的伏安特性
Analog Electronics
反向击穿 齐纳击穿 雪崩击穿
Analog Electronics
+4
+4
+4
自由电子
空穴浓度少于电子
+4
+45
+4
浓度，即 n >> p。电子
施主原子
为多数载流子，空穴为
少数载流子。
+4
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率管。 (5)按用途可分为：普通放大三极管和开关三极管等。
1.3 半导体三极管
1.3.1 三极管的结构
3．图形符号 三极管的图形符号如图1-18所示。
图1-18 三极管的图形符号
1.3 半导体三极管
1.3 半导体三极管
1.3.1 三极管的结构
2．分类 三极管的种类很多，通常按以下方法进行分类： (1)按半导体制造材料可分为：硅管和锗管。硅管受温度影响较小、工作稳定，因此在电子产品中
常用硅管。 (2)按三极管内部基本结构可分为：NPN型和PNP型两类。 (3)按工作频率可分为：高频管和低频管。工作频率高于3MHz为高频管，工作频率在3MHz以下
I 0.01 mA
B
(1)当IB有较小变化时，IC就有较大变化。
(2)直流电流放大系数 (3)交流电流放大系数
IC
IB
I C
I B
1.3 半导体三极管
1.3.2 三极管的电流放大作用
2．电流放大作用 显然,(1-2)和(1-3)两式的意义是不同的。前者反映的是静态(直流工作状态)时集电极与基极电流之
图1-11 硅二极管的伏安特性曲线
1.2 半导体二极管
1.2.2 二极管的特性与参数
3 半导体二极管的主要参数
(1)最大整流电流 IFM：二极管允许通过的最大正向工作电流平均值。
(2)最高反向工作电压 VRM：二极管允许承受的反向工作电压峰值，
VRM
1 2
~
1，也叫 3
反向击穿电压。
(3)反向漏电流 IR：是指在规定的反向电压和环境温度下的二极管反向电流值。IR越小，二 极管的单向导电性能越好。