第1章 常用半导体器件

第1章常用半导体器件1.2半导体二极管1.3双极型晶体管1.1半导体基础知识1.4场效应晶体管*本章要求1.理解PN结的单向导电性，双极型晶体管的电流分配和电流放大作用；2.了解二极管、稳压管和双极型晶体管的基本构造、工作原理和特性曲线，理解主要参数的意义；3.会分析含有二极管的电路。半导体器件：电子电路重要的组成部分，其基本结构、工作原理、特性和参数是学习电子技术和分析电子电路的基础。本章从介绍半导体的导电特性及PN结单向导电性入手，分别介绍二极管、双极型晶体管和场效应晶体管的有关知识，为后续学习打下基础。

1.1半导体基础知识1.1.1半导体及其导电特性半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间，如锗（Ge）、硅（Si）、硒（Se）以及大多数金属氧化物和硫化物等。半导体的导电能力在不同条件下差别很大，主要特性：（1）热敏性：当环境温度升高，导电能力显著增强。温度敏感元件，如热敏电阻，用于温度测量、温度控制电路。（2）光敏性：当受光照射，导电能力显著增强。光电元件，如光敏电阻、光电二极管、光电晶体管、光电池等，用于光测量、光控制和光电耦合等电路。（3）掺杂性：纯净半导体掺入微量杂质，导电能力显著增强。不同类型的半导体元器件，如二极管、晶体管、场效应晶体管、晶闸管等，用于各种电子电路。导电特性与其内部结构和导电机理有关。

完全纯净、不含杂质、具有晶体结构的锗、硅、硒。四价元素，原子最外层电子轨道上有四个价电子。每个原子与相邻的其他四个原子结合，每个原子的一个价电子与另一原子的一个价电子组成以共价键结合的共用电子对。1.本征半导体本征激发：价电子获得一定能量（温度升高或受光照），挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电）；同时共价键中留下一个空位——空穴（带正电）。空穴运动：失去电子的原子带正电，吸引附近的价电子填补空穴，使相邻的原子产生新的空穴。价电子逐次递补→空穴反向运动。半导体两端加外电压时，自由电子和空穴都参与导电。两种载流子：自由电子、空穴两部分电流：电子电流、空穴电流自由电子和空穴成对出现，同时又不断成对复合。在一定温度下达到动态平衡。温度升高，载流子增多，导电能力增强。温度对半导体器件性能影响很大。2.杂质半导体本征半导体：两种载流子，但数量少，导电能力仍很低。掺入微量杂质（某种元素），维持原本征半导体的晶体结构，原子只在少量位置上被杂质取代，导电能力大大增强。N型半导体（电子型半导体）：掺入五价元素，如磷（P）。磷原子最外层五个价电子：四个参与共价键结构，剩下一个挣脱原子核束缚→自由电子。自由电子数目大量增加。多数载流子（多子）：自由电子少数载流子（少子）：空穴

2.杂质半导体N型半导体（电子型半导体）：掺入五价元素，如磷（P）。多数载流子（多子）：自由电子；少数载流子（少子）：空穴P型半导体（空穴型半导体）：掺入三价元素，如硼（B）。硼原子最外层三个价电子：构成共价键时缺少一个价电子，产生一个空穴。空穴数目大量增加。多数载流子（多子）：空穴；少数载流子（少子）：自由电子

1.1.2PN结及其单向导电性将不同掺杂类型、浓度的N型半导体、P型半导体通过各种方式结合到一起，能制作出功能各异、品种繁多的半导体器件。制作半导体器件的基础是PN结。1.PN结的形成PN结：N型半导体和P型半导体交界面附近的空间电荷区。交界面两边载流子浓度不同，形成多子的扩散运动：N区自由电子→P区扩散，P区空穴→N区扩散。自由电子和空穴不断复合：交界面P区一侧留下负离子，N区一侧留下正离子，形成一个空间电荷区，产生内电场。内电场阻碍多子扩散，促进少子向对侧漂移运动：N区空穴→P区漂移，P区自由电子→N区漂移。1.PN结的形成交界面两边载流子浓度不同形成多子的扩散运动：N区自由电子→P区扩散，P区空穴→N区扩散。内电场阻碍多子扩散，促进少子向对侧漂移运动：N区空穴→P区漂移，P区自由电子→N区漂移。开始，扩散运动占优势→空间电荷区加宽→内电场增强→扩散运动减弱，漂移运动增强。在一定条件下，多子扩散运动=少子漂移运动→动态平衡→空间电荷区的宽度稳定→

PN结形成。2.PN结的单向导电性PN结加正向电压（正向偏置）：P接电源正极，N接电源负极。外电场削弱内电场→空间电荷区变薄→多子扩散运动增强→较大的正向扩散电流，很小的正向电阻→

PN结正向导通。2.PN结的单向导电性PN结加反向电压（反向偏置）：N接电源正极，P接电源负极。外电场加强内电场→空间电荷区变厚→少子漂移运动增强→较小的反向漂移电流，很大的反向电阻→

PN结反向截止。2.PN结的单向导电性结论：①

PN结的单向导电性：正向导通，反向截止。②

温度升高，少数载流子数量增多，反向电流增大，温度对反向电流的影响很大。

1.2半导体二极管1.2.1基本结构和伏安特性PN结两端加上相应的电极引线，管壳封装。阳极：P区的引线，阴极：N区的引线。箭头方向：PN结正向导通方向。按材料分：硅管、锗管。按用途分：普通二极管、整流二极管、发光二极管、光电二极管、检波二极管、稳压二极管等。1.基本结构阴极阳极VD（晶体二极管，二极管）按PN结的结构分：点接触型、面接触型等。点接触型：一般为锗管，

PN结面积小，不能承受高的反向电压和大电流，高频性能好，适用于小电流整流管、高频检波、脉冲数字电路开关元件等。面接触型：一般为硅管，

PN结面积大，可承受较大的电流，工作频率较低，一般用作整流。2.伏安特性二极管内部只有一个PN结，具有单向导电性。伏安特性：电流与外加电压的关系特性。由正向特性和反向特性组成。2.伏安特性正向特性：（1）死区（OA段）：外加正向电压很低，外电场不足以克服内电场对多子扩散运动的阻力，正向电流几乎为零。死区电压：死区最大正向电压，与半导体材料、温度有关。硅管：约0.5V，

锗管：约0.1V。（2）正向导通区（AC段）：外电场完全抵消内电场对扩散运动的阻力，正向电流迅速上升。导通管压降：小，硅管：约0.6～0.8V，

锗管：约0.2～0.3V。若外加正向电压较大，二极管一般要串接限流电阻。2.伏安特性反向特性：（1）反向截止区（OB段）：反向电流很小，受温度影响较大，随温度上升增长很快。反向饱和电流：当温度一定、反向电压不超过某一范围时，电流基本恒定。（2）反向击穿区（BD段）：反向电压过高，反向电流突然增大。反向击穿电压U（BR）。二极管被击穿后，一般会失去单向导电性，要对反向电流加以限制，否则将烧坏二极管。普通二极管不允许工作在反向击穿区。1.2.2主要参数电子器件的参数是其特性的定量描述，选用器件的主要依据。1.最大整流电流IFM二极管长时间正常工作时，允许通过的最大正向平均电流。实际使用时，流过二极管的平均电流不能超过此值。

2.最高反向工作电压URM反向工作峰值电压，保证二极管不被反向击穿所允许施加的最高反向电压，一般为反向击穿电压的1/2或2/3。在使用时，二极管实际所承受的最大反向电压不能超过此值。3.最大反向电流IRM二极管电压为反向峰值电压URM时的反向电流。该值大，管子的单向导电性能差，并受温度的影响也大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流较大。

1.2.3等效模型二极管是非线性元件。为了简化分析与计算，用等效模型代替。1.理想模型正向偏置：管压降为零，相当于开关闭合；反向偏置：电流为零，电阻为无穷大，相当于开关断开。2.恒压源模型正向导通：管压降为恒定值，硅管约为0.7V，锗管约为0.3V；反向偏置：电流为零，电阻为无穷大。1.2.4应用电路利用二极管单向导电性，可作整流、检波、限幅、钳位、元件保护、数字电路的开关元件等。含二极管电路的分析步骤：（1）判断二极管的工作状态，即导通或截止。假定二极管断开，计算阳极、阴极电位，或阳极与阴极间电压。若V阳＞V阴，或UD

＞0：二极管正向导通；若V阳＜V阴，或UD

＜0：二极管反向截止。理想二极管正向导通时管压降为零，反向截止时相当于断开；否则，正向管压降硅管约为0.7V，锗管约为0.3V。（2）根据二极管工作状态，再进行其他分析及计算。例1试分别分析二极管为硅管和锗管时，二极管两端的电压和通过二极管的电流。解：（a）二极管正向接法，导通：硅管：UD=0.7V，锗管：UD=0.3V，（b）二极管反向接法，截止：不论硅管和锗管，UD=3V，I=0mA

例2R和C构成微分电路。试画出输出电压uo的波形。设uC（0）=0。解：ui=U：电容被很快充电→uR正尖脉冲→VD反向截止→uo=0ui=0：电容很快放电→uR负尖脉冲→VD正向导通→uo=uRVD起检波作用，除去正尖脉冲。t0uRt0uouitU0例3已知输入信号ui=Umsin

t，Um>US，试画出输出电压uo的波形。假设二极管VD为理想二极管。解：选定参考点，假定VD断开：V阳=ui

，V阴=USui＞US：V阳＞V阴，VD导通，uo=USui＜US：V阳＜V阴，VD截止，uo=ui

VD起限幅的作用。USUSuoO

tUS例4已知输入信号ui=Umsin

t，Um>US，试画出输出电压uo的波形。假设二极管VD为理想二极管。解：选定参考点，假定VD断开：V阳=ui

，V阴=USui＞US：V阳＞V阴，VD导通，uo=uiui＜US：V阳＜V阴，VD截止，uo=US

VD起限幅的作用。USUSVDR例5已知输入端的电位分别为VA=+3V，VB=0V，求输出端Y的电位VY。假设二极管VD1、VD2均为硅管。解：假定VD1、VD2断开：V1阳=VA=+3V，V2阳

=VB=0V，V1阴=V2阴

=-12V，UD1=15V，UD2=12V，∵UD1

＞UD2

，∴VD1优先导通VY=VA–0.7V=+3V–0.7V=2.3V

VY＞VB，VD2截止。VD1起钳位的作用，将Y端电位钳制在2.3V；VD2起隔离的作用，把输入端B与输出端Y隔离开来。

1.2.5特殊二极管_+VS一种用特殊工艺制造的面接触型硅二极管。外形和内部结构与普通二极管相似。正向特性：与普通二极管一样；反向特性：曲线很陡，即反向击穿后，电流变化很大，两端电压变化很小。正常工作加反向电压。由于制造工艺的特殊性，一定范围内稳压二极管反向击穿可逆。但反向电流过大，超过了其允许值，也会发生热击穿而损坏。所以稳压二极管在使用时必须串联一个适当大小的限流电阻。主要参数1.稳定电压US反向击穿后稳定工作的电压。随工作电流、温度不同而略有改变，即使同一型号的稳压二极管，US也有一定的分散性。

2.稳定电流IS进入反向击穿区所必需的电流参考值。实际电流大于IS时，稳压性能较好。为了预防热击穿，规定一个最大稳定电流ISM。3.最大允许耗散功率PSM管子不致发生热击穿的最大功率损耗，PSM=USISM。4.动态电阻rs

反向特性曲线愈陡，动态电阻愈小，稳压性愈好。5.电压温度系数

U环境温度每变化1℃引起稳压值变化的百分数。4V<US<7V时，电压温度系数接近零。2.发光二极管（LED）将电能转换成光能的半导体器件。由磷砷化镓（GaAsP）、磷化镓（GaP）等半导体材料制成。外加正向电压：多数载流子在扩散过程中相遇复合，过剩的能量以光子的形式释放出来，产生一定波长的光。光的颜色与所采用的半导体材料及浓度有关，常用的有红、绿、黄、蓝和紫等颜色的发光二极管。正向工作电压：比普通二极管高，约为1～2V；反向击穿电压：比普通二极管低，约为5V。发光亮度与工作电流有关，一般为几～十几毫安。优点：体积小、工作电压低、工作电流小、发光均匀稳定、响应速度快、寿命长等。用途：优良的光源，各种电子设备、家用电器、显示装置。3.光电二极管（光敏二极管）将光信号转换成电信号的特殊二极管。P区比N区薄得多，管壳上嵌有一个玻璃窗口，便于光线射入。工作在反向偏置状态：无光照：和普通二极管一样，反向电流很小（＜0.2

A）；有光照：反向电流明显增大，且光照度愈强，反向电流愈大。用途：测量光的强度，需要光电转换的自动探测、计数、控制等装置中。

1.3双极型晶体管最重要的一种半导体器件，各种电子电路的核心器件：放大电路（利用放大特性），逻辑电路（利用开关特性）。晶体管的广泛使用促进了电子技术的飞跃发展。1.3.1基本结构晶体管的种类很多。按工作频率分：高频管、中频管、低频管；按功率分：小功率管、中功率管、大功率管；按使用材料分：硅管、锗管；按制造工艺分：平面型（多硅管）、合金型（多锗管）。（晶体管，三极管）晶体管内部结构：三层不同类型的半导体，两个PN结。我国生产的硅管多为NPN型，锗管多为PNP型。工作原理类似，仅在使用时电源极性连接不同而已。

NNP基极发射极集电极NPN型BECPNP型BECIBIEICBECIBIEICPPN基极发射极集电极BECBECNNP基极发射极集电极结构特点：集电区：掺杂浓度较高基区：最薄，掺杂浓度最低发射区：掺杂浓度最高发射结：面积小集电结：面积大1.3.2电流分配与放大作用发射结正向偏置、集电结反向偏置。NPN管：

发射结正偏：VB>VE集电结反偏：VC>VB

即VC>VB>VE1.晶体管放大的外部条件PNP管：

发射结正偏：VB<VE集电结反偏：VC<VB

即VC<

VB<

VE共发射极接法：基极回路、集电极回路，发射极是公共端。2.电流分配与放大作用改变RB，基极电流IB、集电极电流IC、发射极电流IE发生变化。共发射极接法：基极回路、集电极回路，发射极是公共端。IB/mA00.020.040.060.080.10IC/mA＜0.0010.701.502.303.103.95IE/mA＜0.0010.721.542.363.184.052.电流分配与放大作用改变RB，基极电流IB、集电极电流IC、发射极电流IE发生变化。结论：（1）电流符合KCL，，反映电流分配关系。（2）IC

IE

IB

，

且

IC

IB，反映电流放大作用（小基极电流IB对大集电极电流IC的控制作用）。（3）IB=0（基极开路）时，IC=ICEO

0（穿透电流）。原因：载流子在晶体管内部的运动规律。IB/mA00.020.040.060.080.10IC/mA＜0.0010.701.502.303.103.95IE/mA＜0.0010.721.542.363.184.05BECNNPEBRBECIEIBEICEICBO基区空穴向发射区的扩散可忽略发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE进入P区的电子仅少数与基区空穴复合，形成电流IBE，多数电子扩散到集电区从基区扩散来的电子漂移进入集电结而被收集，形成ICE集电结反偏，少子形成反向电流ICBOIC=ICE+ICBO

ICEICIBBECNNPEBRBECIEIBEICEICBOIB=IBE-ICBO

IBE直流电流放大系数：（常用公式）若IB=0,则

IC=ICEO0（集－射极间穿透电流）ICBO受温度影响较大。温度

，基极电流IB

、集电极电流IC

。1.3.3伏安特性曲线表示晶体管各极电压和电流之间相互关系的曲线，反映晶体管的特性，是分析和设计放大电路的重要依据。最常用的是共发射极接法的输入特性曲线和输出特性曲线。由于晶体管特性的分散性，半导体器件手册中给出的特性曲线只能作为参考，在实际中可用晶体管特性图示仪直观地显示出来，也可以通过实验测得。1.输入特性曲线基极、发射极间为发射结，正偏，晶体管的输入特性曲线与二极管的正向伏安特性曲线相似，非线性。硅管死区电压约为0.5V，锗管死区电压约为0.1V。正常工作的发射结电压：NPN型硅管UBE

0.6～0.8V，PNP型锗管UBE

-0.2～-0.3V。2.输出特性曲线不同的IB，输出特性曲线不同。一族曲线。划分为三个工作区，分别对应晶体管的三种工作状态。（1）放大区（线性区）：近似水平直线的区域。条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置。特点：IC的大小受IB的控制，有。

iC的大小几乎与uCE无关，恒流特性，晶体管看作受基极电流控制的受控恒流源。2.输出特性曲线（2）截止区：IB=0以下的区域。条件：发射结反向偏置，集电结反向偏置。特点：IC=ICEO

0UCE

UCC相当于断开的开关。2.输出特性曲线（3）饱和区：靠近纵轴的区域。条件：发射结正向偏置，集电结正向偏置。特点：UCE

0相当于接通的开关。晶体管三种工作状态的电压和电流(a)放大+UBE>0

ICIB+UCE

UBC<0+(b)截止IC

0IB=0+UCE

UCC

UBC<0++UBE

0

(c)饱和+UBE>

0

IB+UCE

0

UBC>0+发射结正向偏置集电结反向偏置NPN型：VC>VB>VEPNP型：VC<VB<VE发射结反向偏置集电结反向偏置NPN型：VB最低PNP型：VB最高发射结正向偏置集电结正向偏置NPN型：VB最高PNP型：VB最低（1）V1=3.5V，V2=2.9V，V3=12V。NPN型硅管，1、2、3依次为B、E、C（2）V1=3V，V2=2.8V，V3=12V。（3）V1=6V，V2=11.4V，V3=12V。（4）V1=6V，V2=11.8V，V3=12V。NPN型鍺管，1、2、3依次为B、E、CPNP型硅管，1、2、3依次为C、B、EPNP型鍺管，1、2、3依次为C、B、E例1测得工作在放大电路中四个晶体管三个极的电位值V1、V2、V3，判断管子的类型、材料及三个极。解：U12=0.6V（硅管）V3最高（集电极）管号VB（V）VC（V）VE（V）T1-0.3-50T22.732.32T31-60T1：UBE=-0.3V，UBC=4.7V，

两个PN结一正偏、一反偏，放大状态，PNP型T2：UBE=0.73V，UBC=0.4V，

UCE=0.3V（≈0），饱和状态，发射结、集电结均正偏，NPN型T3：UBE=1V，UBC=7V，UCE=-6V，截止状态，发射结、集电结均反偏，PNP型例2测得电路中晶体管各极对地的电位值如下表所示，判断各管的工作状态及类型。解：1.3.4主要参数1.电流放大系数晶体管的电流放大能力。含义不同，但在输出特性曲线族线性比较好（平行、等间距）且ICEO较小的情况下，两者的数值差别很小。一般工程估算中，常用晶体管的

值在20~200之间。太小，放大作用差；太大，管子性能不稳定。一般放大电路采用

值在30～80的晶体管为宜。

静态电流（直流）放大系数动态电流（交流）放大系数2.极间反向电流（1）集–基极间反向饱和电流ICBO发射极开路，集电结反向偏置时，集电区和基区中少数载流子向对方运动所形成的电流。受温度影响大，影响晶体管工作的稳定性，ICBO越小越好。小功率锗管：约为几微安～几十微安，小功率硅管：1微安以下。（2）集–射极间穿透电流ICEO基极开路，集电结反偏、发射结正偏时，集电极电流。ICEO=(1+

)ICBO，所以ICEO较ICBO受温度的影响更大。小功率锗管：约为几十微安，小功率硅管：约为几微安。在温度变化范围大的工作环境，放大电路晶体管应选用硅管。3.极限参数限定了使用时不允许超过的限度。（1）集电极最大允许电流ICMIC超过一定值时，

值显著下降，甚至可能损坏晶体管。ICM：

值下降到正常值的三分之二时的集电极电流。（2）集–射极间反向击穿电压U(BR)CEO基极开路时，加在集电极与发射极间的最大允许电压。UCE>U(BR)CEO，ICEO急剧增大，晶体管被反向击穿，损坏。一般使U(BR)CEO>（2～3）UCC。（3）集电极最大允许耗散功率PCM取决于管子允许结温（硅管：约150℃，锗管：70～90℃）。工作时PC

PCM=IC

UCE在晶体管输出特性曲线族上可作出PCM曲线。由ICM、U(BR)CEO、PCM三个极限参数确定晶体管安全工作区。1.3.5特殊三极管1.光电三极管（光敏三极管）将光信号转换成电流信号的半导体器件，把光电流放大

倍。光电耦合器：一个发光二极管、一个光电三极管封装在一起。输入端加电信号→发光二极管发光→光电三极管产生光电流→输出端引出→实现电–光–电的传输和转换。优点：以光为媒介实现电信号的传输，输入端与输出端电气绝缘，抗干扰、隔噪声，响应速度快、工作稳定可靠、寿命长、传输信号失真小、工作频率高，具有完成电平转换、实现电位隔离等功能。2.达林顿三极管（复合管）由两只输出功率大小不等的晶体管按一定接线规律复合而成。根据内部两种类型晶体管复合情况不同，有四种形式。复合管的极性取决于第一只晶体管，复合管的特性取决于第二只晶体管。复合管的电流放大系数近似为两管电流放大系数的乘积。用途：功率放大管，电源调整管。

1.4场效应晶体管*外形与普通晶体管相似，但工作机理和控制特性截然不同。普通晶体管：双极型晶体管，两种载流子。电流控制元件，信号源必须提供一定的电流才能工作。输入电阻较低，仅102～104Ω。场效应晶体管：单极型晶体管，一种载流子。电压控制元件，输出电流决定于输入端电压的大小，不需要信号源提供电流。输入电阻很高，可达109～1014Ω。优点：稳定性好、噪声低、制造工艺简单、便于集成等，用途：放大电路、数字电路中。（场效晶体管，场效应管）按参与导电的载流子分：N沟道（载流子为自由电子）、

P沟道（载流子为空穴）；按工作状态分：增强型、耗尽型两类；按结构分：结型、绝缘栅型。1.4.1绝缘栅型场效应管金属-氧化物-半导体场效应晶体管，简称MOS管。1.结构与工作原理N沟道绝缘栅型场效应晶体管：P型硅做衬底，两个高掺杂的N+区——引出漏极D、源极S。N+扩散区之间P型硅表面SiO2绝缘体+金属铝——引出栅极G。SiO2绝缘层SiO2绝缘层N沟道绝缘栅型场效应晶体管：漏极D、源极S、栅极G。耗尽型场效应晶体管：在SiO2绝缘层中掺入大量的正离子，产生足够强的内电场，P型衬底硅表层的多子空穴被排斥开，感应出很多电子，漏极和源极之间形成N型导电沟道（电子沟道）。即使栅-源极之间不加电压，UGS=0，漏-源极之间存在原始导电沟道。SiO2绝缘层N沟道绝缘栅型场效应晶体管：漏极D、源极S、栅极G。耗尽型场效应晶体管：UGS=0，漏-源极间存在原始导电沟道。增强型场效应晶体管：在SiO2绝缘层中掺入的正离子数量少或不掺入正离子，不能产生原始导电沟道。只有栅-源极之间加正向电压，UGS>0，漏-源极之间才能形成导电沟道。

N沟道绝缘栅型场效应晶体管工作原理：栅-源极之间电压UGS对漏-源极