半导体器件-二极管-三极管

2、

半导体材料硅（Si）锗（Ge）的原子结构与共价键外层电子（价电子）数4个，价电子受原子核的束缚力最小，决定其化学性质3、

本征半导体、空穴、及其导电作用本征半导体：完全纯净、结构完整的半导体晶体。纯度：99.9999999%，“九个9”它在物理结构上呈单晶体形态。T=0K且无外界激发，只有束缚电子，没有自由电子，本征半导体相当于绝缘体T=300K，本征激发，少量束缚电子摆脱共价键成为自由电子共价键内的电子称为束缚电子挣脱原子核束缚的电子称为自由电子本征半导体半导体导电的两个方面自由电子的运动束缚电子的运动与金属导电相比，金属导电只有自由电子的运动，因为金属没有共价键，而半导体有共价键,所以有两个方面空穴直接描述束缚电子的运动不太方便用我们假想的（自然界不存在的）、带正电的、与束缚电子反方向运动的那么一种粒子来描述束缚电子的运动比较方便，这种粒子起名叫做“空穴”半导体中的载流子自由电子空穴本征半导体中的自由电子和空穴成对出现本征半导体的特性：（1）热敏特性（2）光敏特性（3）搀杂特性三种方式都可使本征半导体中的载流子数目增加，导电能力增强，但是并不是当做导体来使用，因为与导体相比，导电能力还差得远。杂质半导体掺入杂质的本征半导体。掺杂后半导体的导电率大为提高掺入三价元素，如B形成P型半导体，也称空穴型半导体掺入五价元素，如P形成N型半导体，也称电子型半导体4、杂质半导体

一、N型半导体在本征半导体中掺入五价元素如P自由电子是多子（杂质、热激发）空穴是少子（热激发）

由于五价元素很容易贡献电子，因此将其称为施主杂质。施主杂质因提供自由电子而带正电荷成为正离子

二、P型半导体在本征半导体中掺入三价元素如B自由电子是少子（热激发）空穴是多子（杂质、热激发）因留下的空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。杂质半导体虽然比本征半导体中的载流子数目要多得多，导电能力增强，但是也并不能象导体那样被用来传导电能，而是用来形成PN结二、PN结1、PN结的形成

2、PN结的单向导电性P区N区浓度差－－扩散运动（多子）载流子从浓度大向浓度小的区域扩散,称扩散运动形成的电流称为扩散电流内电场—漂移运动（少子）内电场阻碍多子向对方的扩散即阻碍扩散运动同时促进少子向对方漂移即促进了漂移运动扩散运动=漂移运动时达到动态平衡1、PN结的形成1.PN结加正向电压时的导电情况外电场方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。动态平衡被打破。于是内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响。空间电荷区变窄，P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；内外2、PN结的单向导电性PN结呈现低阻性电压的真实方向2.PN结加反向电压时的导电情况外电场与PN结内电场方向相同，增强内电场。内电场对多子扩散运动阻碍增强，扩散电流大大减小。少子在内电场的作用下形成的漂移电流加大。此时PN结区少子漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流。但是漂移电流本身就很小，因为是少子形成的ＰＮ结变宽P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏；内外PN结呈现高阻性电压的真实方向由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。线性电阻具有双向导电性三、半导体二极管1、半导体二极管的结构2、二极管的伏安特性3、二极管的参数

1、半导体二极管的结构

在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分为点接触型、面接触型和平面型三大类。(1)点接触型二极管

PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。(a)点接触型

二极管的结构示意图(3)平面型二极管

往往用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。(2)面接触型二极管

PN结面积大，用于工频大电流整流电路。(b)面接触型(c)平面型(4)二极管的代表符号1.正向起始部分存在一个死区或门坎，称为门限电压。硅：Vr=0.5-0.6v;锗：Vr=0.1-0.2v2.加反向电压时，反向电流很小即Is硅(nA)<Is锗(A)

硅管比锗管稳定3.当反压增大VBR时再增加，反向电流激增，发生反向击穿，VBR称为反向击穿电压。①②③二极管的伏安特性可用下式表示2、二极管的伏安特性当温度升高时特性曲线左移注意参考方向问题直流理想模型正偏时导通，管压降为0V，电流决定于外电路反偏时截止，电流为0，两端电压决定于外电路3、二极管的参数(1)最大整流电流IF：管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流(2)反向击穿电压VBR和最大反向工作电压VRM(3)反向电流IR(4)正向压降VF(5)极间电容CB1个PN结:二极管,单向导电性,开关作用2个PN结:三极管,电流控制作用,开关作用3个PN结:晶闸管,可控整流四、双极型三极管两个PN结,每个有正偏和反偏两种状态,组合起来,共有4种状态:发射结正偏,集电结反偏:放大区，在模拟放大电路中使用发射结正偏,集电结正偏:饱和区发射结反偏,集电结反偏:截止区发射结反偏,集电结正偏:倒置状态,基本上没有什么用处在数字电路中使用1、BJT的结构简介半导体三极管的结构示意图如下图所示。它有两种类型:NPN型和PNP型。两种类型的三极管发射结(Je)

集电结(Jc)

基极，用B或b表示（Base）

发射极，用E或e表示（Emitter）；集电极，用C或c表示（Collector）。

发射区集电区基区三极管符号

结构特点(对NPNPNP型均适用)

发射区的掺杂浓度最高；

集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大；基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。管芯结构剖面图（1）要使三极管具有电流放大作用所必须提供的条件：外部条件：外加直流电压源保证发射结正偏，集电结反偏。内部条件:发射区的掺杂浓度最高；集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大；基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。2、BJT的电流分配与放大原理（2）三极管具有电流放大作用时在三极管内部载流子的传输过程（以NPN管为例介绍）①发射结正偏，发射区向基区注入自由电子（对NPN管子为自由电子，对PNP管子为空穴）②自由电子在基区扩散与复合（对NPN管子为自由电子，对PNP管子为空穴）在基区内自由电子继续向集电结方向扩散一部分与基区空穴复合，形成基极复合电流

IB'

绝大部分扩散到集电结边缘三极管制成后二者分配比例就已经确定③集电结反偏，集电区收集从发射区扩散过来的载流子（对NPN管子为自由电子，对PNP管子为空穴）

以上看出，三极管内有两种载流子(自由电子和空穴)参与导电，故称为双极型三极管或BJT(BipolarJunctionTransistor)。

3、电流分配关系根据传输过程可知IE=IB+IC(1)共基极直流电流放大系数(2)共射极直流电流放大系数

半导体三极管的型号第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、

C硅PNP管、D硅NPN管

第三位：X低频小功率管、D低频大功率管、

G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管用字母表示材料用字母表示器件的种类用数字表示同种器件型号的序号用字母表示同一型号中的不同规格三极管国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：3DG110B2/7/2023BJT的特性曲线BJT非线性器件，所以电压、电流之间的关系只能用曲线才能描述清楚从使用三极管的角度看，了解特性曲线比了解内部载流子的运动更重要，所以我们现在作为使用者，而不是制造者，我们要对特性曲线进行更深入的分析，而内部载流子的运动规律可以帮助我们解释为什么特性曲线是这样。特性曲线的分类输入特性曲线输出特性曲线共射接法特性曲线共基接法特性曲线共集接法特性曲线NPN管特性曲线PNP管特性曲线我们只研究NPN共射特性曲线（输入、输出）+-bce共射极放大电路VBBVCCvBEiCiB+-vCE规定电压和电流的参考方向如图所示：注意电压变量、电流变量的写法：小写的字母，大写的下标

iB=f(vBE)

vCE=constiC=f(vCE)

iB=constvCE=0V

iB=f(vBE)

vCE=const(2)当vCE≥1V时，vCB=vCE-vBE>0，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，基区复合减少，同样的vBE下IB减小，特性曲线右移。vCE=0VvCE

1V(1)当vCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。（饱和区）1、NPN共射输入特性曲线NPN共射输入特性曲线的特点描述（1）当vCE=0V时，相当于正向偏置的两个二极管并联，所以与PN结的正向特性相似（2）vCE≥1V的特性曲线比vCE=0V的右移。原因：vCE≥1V时集电结反偏，集电结吸引自由电子的能力增强，从发射区注入的自由电子更多地流向集电区，对应于相同的vBE（即发射区发射的自由电子数一定）

，流向基极的电流减小，曲线右移（3）vCE>1V与vCE=1V的曲线非常接近，可以近似认为重合（4）有一段死区（5）非线性特性（6）温度上升，曲线左移（7）陡峭上升部分可以近似认为是直线，即iB与vBE成正比，线性区（8）放大状态时，NPN的vBE=0.7V,PNP的vBE=-0.2V饱和区：iC明显受vCE控制的区域，该区域内，一般vCE＜0.3V(硅管)。此时，发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。iC=f(vCE)

iB=const2、NPN共射输出特性曲线截止区：iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时，vBE小于死区电压。放大区：iC平行于vCE轴的区域，曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏。+-bce共射极放大电路VBBVCCvBEiCiB+-vCENPN共射输出特性曲线的特点描述截止区:的区域:三个电极上的电流为0,发射结和集电结均反偏,相当于开关打开,在数字电路中作为开关元件的一个状态。

饱和区：直线上升和弯曲的部分，

发射结电压0.7V(硅管)或0.2V(锗管)；发射结和集电结均正偏,相当于开关闭合,在数字电路中作为开关元件的一个状态。

放大区：曲线近似水平的区域，曲线随vCE增加略有上翘，基区宽度调制效应，发射结正偏,集电结反偏。集电极电流主要决定于基极电流。有关三个区的几个简单结论截止区:三极管的三个电极所在的支路中的电流为0,任意两个极之间的电压是多少，决定于外电路，满足电路方程。饱和区：NPN的vBE=0.7V,PNP的vBE=-0.2V，没有ß，三极管的三个电极所在的支路中的电流决定于外电路，满足电路方程。放大区：NPN的vBE=0.7V,PNP的vBE=-0.2V，有ß，三极管的三个电极所在的支路中的电流决定于外电路，满足电路方程。判断三极管工作状态的依据：饱和区:发射结正偏，集电结正偏截止区：发射结反偏，集电结反偏或：Vbe0.5V（Si)|Vbe|

0.2V（Ge)放大区:发射结正偏，集电结反偏但是用这种判据不方便判断三极管工作状态的解题思路：1、把三极管从电路中拿走，在此电路拓扑结构下求三极管的发射结电压：若发射结反偏或零偏或小于死区电压值：则三极管截止.若发射结正偏：则三极管可能处于放大状态或处于饱和状态，需要进一步判断。进入步骤22、把三极管放入电路中，电路的拓扑结构回到从前；假设三极管处于临界饱和状态（三极管既可以认为是处于饱和状态也可以认为是处于放大状态，在放大区和饱和区的交界区域，此时三极管既有饱和时的特征VCES=0.3V又有放大的特征IC=ßIB）,求此时三极管的集电极临界饱和电流ICS，进而求出基极临界饱和电流IBS是三极管的集电极可能流过的最大电流（在三极管状态改变的前提下，VCC和RC保持不变）3、在原始电路拓扑结构基础上，求出三极管的基极支路中实际流动的电流iB4、比较iB和IBS的大小:若iB>IBS，则三极管处于饱和状态;或者ßIB>ICS若iB<IBS，则三极管处于放大状态；或者ßIB<

ICS例题:判断下面电路中三极管的状态例题1Rb=2k,RC=2K,VCC=12V例题2Rb=20k,RC=2K,VCC=12V，ß=50例题3Rb=200k,RC=2K,VCC=12V，ß=50例1图例2、3图如何改变三极管的状态只要改变iB和IBS的比较关系即可保持IBS不变，通过改变Rb可改变iB

或保持iB

不变，通过改变RC可改变IBS场效应管出现的历史背景1947年贝尔实验室的科学家发明的双极型三极管代替了真空管，解决了当时电话信号传输中的放大问题。但是这种放大电路的输入电阻还不够大，性能还不够好。因此，贝尔实验室的科学家继续研究新型的三极管，在1960年发明了场效应管。场效应管的输入电阻比双极型三极管要大得多,场效应管的工作原理与双极型三极管不同。场效应管的用途场效应管又叫做单极型三极管，共有三种用途：一是当作电压控制器件用来组成放大电路；二是在数字电路中用做开关元件。三是当作压控可变电阻，即非线性电阻来使用；双极型三极管只有两种用途：一是当作电流控制器件用来组成放大电路；二是在数字电路中用做开关元件。场效应管的学习方法学习中不要把场效应管与双极型三极管割裂开来，应注意比较它们的相同点和不同点。场效应管的栅极、漏极、源极分别与双极型三极管的基极、集电极、发射极对应。场效应管与双极型三极管的工作原理不同,但作用基本相同。场效应管还可以当作非线性电阻来使用,而双极型三极管不能。N沟道P沟道增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道场效应管FET结型JFETIGFET(MOSFET)绝缘栅型场效应管的分类一、结型场效应管（JFET)结构P+P+NGSD导电沟道N+N+PGSDN沟道JFETP沟道JFET栅极漏极源极2/7/2023二、结型场效应管（JFET)的工作原理参考方向做如下约定:电压参考方向的约定一样。但是漏极电流的参考方向约定方向相反。（1）电压源VGS和电压源VDS都不起作用，电压值均为0；（2）只有电压源VGS起作用，电压源VDS的电压值为0；（3）只有电压源VDS起作用，电压源VGS的电压值为0；（4）电压源VGS和电压源VDS同时起作用。在给出各种情况下的结型场效应管的工作状态时，同时画出对应的输出特性曲线。特别注意:电压参考方向和电流参考方向的约定方法。参考方向可以任意约定,不同的约定方法得到不同样式的特性曲线.书上的特性曲线是按如下的方法来约定参考方向的。按照如下的思路来讲解：（1）VDS=0伏、VGS=0伏时JFET的工作状态导电沟道从漏极到源极平行等宽。最宽这时导电沟道的电阻记为R1。（2）在VDS=0伏的前提下：│VGS│从0伏逐渐增加过程中，JFET的工作状态（2.1）VDS=0伏：│VGS│逐渐增加VGS=-1伏

此时导电沟道从漏极到源极平行等宽这时的导电沟道的电阻用R2表示。R2要大于R1VGS给PN结施加的是一个反偏电压（2.2)VDS=0伏:│VGS│逐渐增加至VGS=Vp（夹断电压）当│VGS│逐渐增加至VGS=Vp时（不妨取Vp=-3伏），由VGS产生的PN结左右相接，使导电沟道完全被夹断。这时的结型场效应管处于截止状态。Vp是结型场效应管的一个参数，称为夹断电压。

（2.3）

VDS=0伏:│VGS│继续增加，结型场效应管进入击穿状态VGS增加使PN结上的反偏电压超过V（BR）DS时，结型场效应管将进入击穿状态。（3）在VGS=0伏的前提下，分别讨论VDS由小变大的过程中JFET的几种工作状态（3.1）VGS=0伏:VDS的值比较小时

VDS给PN结施加的是一个反偏电压导电沟道不再是上下平行等宽，而是上窄下宽。当VDS比较小时

，导电沟道不会被夹断。在导电沟道没有被夹断之前，可以近似地认为导电沟道的电阻均为R1，此时导电沟道可以认为是一个线性电阻。（3.2)VGS=0伏、VDS的值增加至│Vp│时

PN结在靠近漏极的一点最先相接，导电沟道被预夹断。对应输出特性曲线中的A点。此时沟道中的电流为可能的最大的电流，称为饱和漏极电流，记作IDSS。（3.3)VGS=0伏、VDS继续增加

当电压源VDS增加时，可以近似认为漏极电流不随VDS的增加而增加。此时的电流仍然是IDSS，JFET管的状态称为恒流状态（放大状态、饱和状态）。此时场效应管可当作电压控制器件用来组成放大电路。（3.4)VGS=0伏、VDS继续增加至V（BR）DS

PN结上的反偏电压超过某值时，结型场效应管将进入击穿状态，如图中的B点所示。此时的VDS值为最大漏源电压，记为V（BR）DS。(4)在VGS=-1伏（即│VGS│<│Vp│的某个值）的前提下，当VDS由小变大时，JFET的状态(4.1)VGS=-1伏、VDS的值比较小时导电沟道不再是上下平行等宽，而是上窄下宽。近似地认为导电沟道的电阻均为R2，导电沟道呈现线性电阻的性质。(4.2)VGS=-1伏、VDS的值增加至某值开始出现预夹断

如图所示，当VDS的值增加至某值（此值比│Vp│小）时，两边的PN结在靠近漏极的某点最先相接，导电沟道被预夹断,在此点有│VGS│+VDS=│Vp│。JFET的状态对应输出特性曲线中的M点。M点对应的VDS值比A点对应的VDS值小，因为VDS=│Vp│-│VGS│<│Vp│。(4.3)VGS=-1伏、VDS的值继续增加

当VDS继续增加时，两边PN结相接的区域继续向源极方向扩展，此时导电沟道在靠近源极的区域依然存在，导电沟道对应的电阻比较小。漏极电流不随VDS的增加而增加。(4.4）VGS=-1伏、VDS继续增加至出现PN结击穿VGS和VDS电压源分别使PN结反偏，它们共同作用使靠近漏极的PN结承受最大的反偏电压，VDS增加使PN结上的反偏电压过大时，在靠近漏极的区域首先出现反向击穿。结型场效应管进入反向击穿状态，此时的VDS值比VGS=0时出现反向击穿的VDS小。(5)当VGS≤VP时，JFET处于截止状态当VGS≤VP时，导电沟道全部被夹断，JFET处于截止状态，在数字电路中作为开关元件的一个状态,对应于开关断开。

不同VGS下预夹断点相连成一条曲线，此曲线与纵轴相夹的区域称为可变电阻区。此时场效应管当作压控可变电阻，即非线性电阻来使用。可变电阻区在数字电路中作为开关元件的一个状态，相当于开关闭合，此时的VDS记为VDS（sat），

VDS（sat）≤│Vp│。JFET的三个状态恒流区（放大区、饱和区）可变电阻区截止区小结沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，所以场效应管也称为单极型三极管。JFET是电压控制电流器件，iD受vGS控制。预夹断前iD与vDS呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。思考：为什么JFET的输入电阻比BJT高得多？JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因此iG0，输入电阻很高。JFET是利用PN结反向电压对耗尽层厚度的控制，来改变导电沟道的宽窄，从而控制漏极电流的大小。场效应管的应用小结

一是当作压控可变电阻，即非线性电阻来使用，VGS的绝对值越大，导电沟道就越窄，对应的导电沟道电阻越大，即电压VGS控制电阻的大小，管子工作在可变电阻区，当作压控可变电阻使用时，导电沟道还没有出现预夹断；

二是当作电压控制器件用来组成放大电路，VGS电压控制漏极电流的大小，控制比例系数为gm,VGS电压的绝对值越大，漏极电流越小，管子工作在恒流区（放大区、饱和区），此时导电沟道已经出现预夹断，夹断区域向漏极方向延伸，但是仍然留存一部分导电沟道；

三是在数字电路中用做开关元件，管子工作在可变电阻区和截止区，有两个明确、稳定的状态。漏极和源极相当于开关的两个触点，在可变电阻区，相当于开关闭合，在截止区，相当于开关断开，场效应管相当于一个无触点的开关。金属-氧化物-半导体场效应管增强型MOS场效应管耗尽型MOS场效应管MOS场效应管N沟道增强型的MOS管P沟道增强型的MOS管N沟道耗尽型的MOS管P沟道耗尽型的MOS管MOS场效应管分类一、N沟道增强型MOS场效应管结构漏极D→集电极C源极S→发射极E绝缘栅极G→基极B衬底B电极—金属绝缘层—氧化物基体—半导体因此称之为MOS管P沟道增强型MOS场效应管结构按照如下的思路来讲解：（1）电压源VGS和电压源VDS都不起作用，电压值均为0；（2）只有电压源VGS起作用，电压源VDS的电压值为0；（3）只有电压源VDS起作用，电压源VGS的电压值为0；（4）电压源VGS和电压源VDS同时起作用。在给出各种情况下的MOS场效应管的工作状态时，同时画出对应的输出特性曲线。二、N沟道增强型MOS的工作原理（1）电压源VGS和电压源VDS都不起作用，电压值均为0；当VGS=0V，VDS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的PN结（2）只有电压源VGS起作用，电压源VDS的电压值为0；（2.1）当VDS=0V，VGS较小时，虽然在P型衬底表面形成一层耗尽层，但负离子不能导电。（2.2）当VDS=0V，当VGS=VT时，在P型衬底表面形成一层电子层，形成N型导电沟道（