第 4 章半导体二极管、三极管和场效应管

第 4 章半导体二极管、三极管和场效应管 4.1PN结 4.2　半导体二极管 4.3双极型晶体管

第一节　PN结 一半导体（一）半导体基本知识 1.导体、绝缘体、半导体：物质导电能力的强弱——可用电阻率（ρ）表示 ①导体：导电能力强的物质（ρ<10-3Ω*cm）利用自由电子导电 ②绝缘体：导电能力弱的物质（ρ> 106Ω*cm） ③半导体：常温下(27℃)导电能力居于导体及绝缘体之间的物质如，纯硅（Si）、纯锗(Ge) 。（二）半导体的晶体结构制作半导体件最常用的材料：硅（Si）、锗（Ge） ①晶体：原子按一定规律整齐排列的物质单晶体：原子与原子之间通过共价键连接起来

Ge Si 现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。

空穴空穴价电子惯性核硅(锗)的原子结构硅(锗)的共价键结构自由电子简化模型 (束缚电子) 空穴可在共价键内移动

二半导体的导电原理 （一）本征半导体：纯净的单晶结构的半导体受惯性核束缚的价电子在绝对温度零度(0°K)即-273℃之下 →本征半导体硅（锗）的全部价电子都为束缚电子 与理想绝缘体一样不能导电。自由电子：价电子获得足够的能量挣脱惯性核的束缚(温度>0 ° K时) 带负电荷的物质——又称电子载流，这是由热激发而来的空穴：价电子成为自由电子时,原共价键留下了一个空位 ——带正电荷的物质，即空穴载流子。

本征激发：共价键分裂产生电子空穴对的过程 　　在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位(空穴)的过程。复合：　　自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程。平衡：在一定条件下，激发与复合的过程达到动态平衡——本征半导体的自由电子和空穴的数目保持平衡。

载流子浓度：单位体积半导体中载流子的数目（个/m3 ）本征半导体内电子载流子浓度（Ni）=空穴载流子浓度（Pi）本征载流子浓度=Ni+Pi（其值甚微）——即载流子浓度甚低本征半导体内的载流子浓度很低→导电能力很弱，故不能用来直接制作半导体器件

两种载流子 两种载流子的运动电子(自由电子) 自由电子(在共价键以外)的运动空穴(在共价键以内)的运动空穴结论： 1. 本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少； 2. 半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电； 3. 本征半导体导电能力弱，并与温度有关。

+4 +5 +4 +4 +4 +4 （二）杂质半导体 1、N 型半导体：在本征半导体中掺入五价元素（磷）——增大自由电子浓度 N 型电子为多数载流子空穴为少数载流子磷原子自由电子载流子数电子数

+3 +4 +4 +4 +4 +4 2、 P 型半导体：在本征半导体中掺入三价元素（硼）——增大空穴浓度 P 型空穴 —多子电子 —少子硼原子空穴载流子数空穴数

（三）载流子的漂移运动和扩散运动 ①漂移运动：——漂移电流载流子在电场作用下定向运动所形成的电流。自由电子：从低→高电位漂移形成电流(方向与电场方向相反) 空穴：从高→低电位漂移形成电流（方向与电场方向相同）电场强、漂移速度高、载流子浓度大= 总漂移电流大。 ②扩散电流：物质由高浓度的地方向低浓度的地方运动所形成的电流。浓度差越大→扩散能力越强→扩散电流越大扩散电流大小→同载流子浓度差或扩散运动快慢成正比

3. 扩散和漂移达到动态平衡 扩散电流等于漂移电流，总电流 I = 0。

正离子 负离子多数载流子少数载流子（电子）多数载流子少数载流子三、PN 结(PN Junction)的形成 P 型、N 型半导体的简化图示 P 型 N 型

1. 载流子的浓度差引起多子的扩散 P N 内建电场 2. 复合使交界面形成空间电荷区 (耗尽层) 空间电荷区特点: 无载流子，阻止扩散进行，利于少子的漂移。

四、PN结的特性 （一）PN 结的单向导电性 1. 外加正向电压(正向偏置) P 区 N 区限流电阻 IR IF P区 N区内电场外电场扩散运动加强形成正向电流 IF 。外电场使多子向 PN 结移动, 中和部分离子使空间电荷区变窄。 IF = I多子  I少子I多子内电场外电场 — reverse bias 2. 外加反向电压(反向偏置) 漂移运动加强形成反向电流 IR 外电场使少子背离 PN 结移动，空间电荷区变宽。 IR = I少子0 PN 结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大; 反偏截止，电阻很大，电流近似为零。

1、PN结加正向电压 当P区接“+”，N区接“-”，称为PN结正向偏置（正偏）。 PN结呈导通状态，电阻很小。结论： 2、PN结加反向电压当N区接“+”，P区接“-”，称为PN 结反向偏置（反偏）。 PN结呈截止状态，只有反向饱和电流流过，电阻很大。

I/mA u/V O 玻尔兹曼常数（二） PN 结的伏安特性反向饱和电流温度的电压当量当 T = 300(27C)：电子电量 UT= 26 mV 正向特性反向击穿加正向电压时加反向电压时 i≈–IS

N P - + (四）PN结的极间电容电容由两部分组成：势垒电容CB和扩散电容CD。势垒电容：是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。扩散电容：是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在 P 区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。

第二节　半导体二极管 2.1 半导体二极管的结构和类型 2.2 二极管的伏安特性 2.3 二极管的主要参数 2.4 二极管的等效电路及应用 2.5 稳压二极管

一、半导体二极管的结构和类型 构成： PN 结 + 引线 + 管壳 = 二极管(Diode) 符号： D 阳极阴极硅二极管按材料分锗二极管分类：点接触型面接触型按结构分平面型

铝合金 小球正极引线 N 型锗片正极引线负极引线 PN 结正极引线负极引线金锑合金 N型锗 P 触丝外壳负极引线底座 N 点接触型面接触型 P 型支持衬底集成电路中平面型

iD /mA uD /V O 二、二极管的伏安特性 0  U Uth iD= 0 Uth =0.5 V (硅管) 正向特性 0.1 V (锗管) IS U (BR) Uth U  Uth iD 急剧上升反向击穿反向特性 UD(on)= (0.6  1) V 硅管 0.7 V 死区电压锗管 0.2 V (0.2 0.5) V U(BR) U  0 iD = IS < 0.1 A(硅) 几十 A(锗) 反向电流急剧增大 (反向击穿) U <U(BR)

反向击穿类型： 电击穿 — PN 结未损坏，断电即恢复。热击穿 — PN 结烧毁。反向电流过大，PN结温度升高反向击穿原因：齐纳击穿： (Zener) 反向电场太强，将电子强行拉出共价键。 (击穿电压 < 6 V，负温度系数) 电击穿反向电场使电子加速，动能增大，撞击使自由电子数突增。雪崩击穿： (击穿电压 > 6 V，正温度系数) 特点：随着反向电流急剧增加，PN结的反向电压值增加很少。

iD/ mA iD/ mA 15 60 40 10 20 5 –50 –25 – 50 – 25 0.4 0 0.8 0 uD/ V uD / V 0.2 0.4 –0.01 – 0.02 –0.02 – 0.04 硅管的伏安特性锗管的伏安特性

iD/ mA 90C 20C 60 40 20 –50 –25 uD / V 0.4 0 – 0.02 温度对二极管特性的影响 T升高时， UD(on)以 (2  2.5) mV/ C 下降

iD I F U (BR) uD O URM 三、二极管的主要参数 1.IF —最大整流电流(最大正向平均电流) 2.URM —最高反向工作电压，为 U(BR) / 2 3.IR—反向电流(越小单向导电性越好) 4.fM —最高工作频率(超过时单向导电性变差)

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. 反向击穿电压UBR 二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压UR一般是UBR的一半。

3.反向电流IR 指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。下面介绍两个交流参数。

S S iD uD 四、二极管的等效电路及应用（一）、理想二极管特性符号及等效模型正偏导通，uD = 0；反偏截止， iD = 0 U(BR) = 

iD uD （二）、二极管正向压降等效电路 UD(on) 0.7 V (Si) uD = UD(on) 0.2 V (Ge)

ui/ V D1 D2 A ui uO 15 B RL D3 D4 t O （三）二极管电路的分析方法构成的桥式整流电路在ui= 15sint (V) 作用下输出 uO 的波形。 (按理想模型)

uO/ V 15 t O

3. 参数估算 u2 t o  2 3 uO t o  3 2 iD = iO Im t o  2 3 uD 2  3 o t 1)整流输出电压平均值 • 负载电阻RL中流过的电流iO的平均值IO为 2)二极管平均电流 3)二极管最大反向压

二极管组成的限幅电路：当U》0且U》UR+UD时，二极管D导通，开关闭合，输出电压U0=UD+UR。当U《UR+UC时，二极管D截止，开关断开，输出电压 U0=U。波形图如下：

I + 动态电阻： rz越小，稳压性能越好。 IZ UZ IZmax 五、稳压二极管利用PN结的反向击穿特性实现稳压作用稳压管反向击穿后：反向电流变化很大、反向击穿电压变化很小一、结构二、特性曲线越陡，电压越稳定。 - UZ 稳压误差 U IZ

主要参数 1.稳定电压 UZ流过规定电流时稳压管两端的反向电压值。 2. 稳定电流 IZ越大稳压效果越好，小于 Imin 时不稳压。 3.最大工作电流 IZM 最大耗散功率 PZM P ZM = UZIZM 4. 动态电阻 rZ 几   几十  越小稳压效果越好。 rZ = UZ / IZ

5. 稳定电压温度系数 CT 一般， UZ < 4 V，CTV < 0 (为齐纳击穿)具有负温度系数； UZ > 7 V，CTV > 0 (为雪崩击穿)具有正温度系数； 4 V < UZ < 7 V，CTV 很小。

(c) 稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。若正向偏置可作为理想二极管正向偏置工作，当反向偏置电压小于UZ时，稳压管截止。电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。当U>UZ时，稳压管DZ击穿稳压。流过稳压管的电流为：。适当选择参数RZ的阻值，使流过稳压管的电流在稳压管参数——稳定电流IZ和最大电流IZM之间 U

第三节　双极型晶体管 3.1 晶体管的结构和类型 3.2 晶体管的电流分配关系和放大作用 3.3 晶体管的特性曲线 3.4 晶体三极管的主要参数 3.5 温度对晶体管参数的影响

C N P P B N N P E C C B B E E 晶体三极管一、结构、符号和分类 collector 集电极 C — 集电区集电结 — 基区基极 B 发射结 base — 发射区发射极 E emitter NPN 型 PNP 型

分类： 按材料分：硅管、锗管按结构分： NPN、 PNP 按使用频率分：低频管、高频管按功率分：小功率管 < 500 mW 中功率管 0.5 1 W 大功率管 > 1 W

二、晶体管电流分配关系和放大作用 三极管放大的条件发射区掺杂浓度高于集电区，集电区掺杂浓度高于基区内部条件基区薄且掺杂浓度低外部条件发射结正偏集电结反偏集电结面积大

（一）晶体管内部载流子的运动 1)发射区向基区注入多子电子，形成发射极电流IE。 I CN ICBO 2)电子到达基区后 IB (基区空穴运动因浓度低而忽略) 多数向 BC 结方向扩散形成 ICN。 I BN 少数与空穴复合，形成 IBN 。基极电源提供(IB) 基区空穴来源 IE 集电区少子漂移(ICBO) IBN IB + ICBO 即： IB = IBN–ICBO

3)集电区收集扩散过 来的载流子形成集电极电流 IC IC I CN ICBO IB I C = ICN + ICBO I BN IE

（二）晶体管的电流分配关系 IB = IBNICBO IC = ICN + ICBO 　　当管子制成后，发射区载流子浓度、基区宽度、集电结面积等确定，故电流的比例关系确定，即：穿透电流

IE = IC + IB

E C E C B B uo uo uo ui ui ui C B E （三）晶体管的放大作用 1. 满足放大条件的三种电路共基极共发射极共集电极

VCC VCC VBB VBB （四）关于PNP 型晶体管要保证发射结正偏，集电结反偏，外加电源极性应与NPN管相反。 + + N P P N P N - - 图三极管外加电源的极性

若规定PNP中各极电流IB、IC、IE的方向与实际方向一致，而电压UBE仍为be,UCE仍为ce,则UBE与UCE与实际方向相反。此时有IB、IC、IE为正值，UBE和UCE将为负值。若规定PNP中各极电流IB、IC、IE的方向与实际方向一致，而电压UBE仍为be,UCE仍为ce,则UBE与UCE与实际方向相反。此时有IB、IC、IE为正值，UBE和UCE将为负值。 IC IC IB IB UCE UCE UBE UBE IE IE （—） + + （—）（+） — — （+）（实际方向）（规定正方向）

IC= βIB IB IB+ β IC = β IB IC IC 0 0 ICS • • • IBS= (1+β) ICEO = = = β NPN与PNP管的情况如下： NPN管 PNP管截止区放大区饱和区发射结正偏发射结反偏发射结正偏结的偏置集电结正偏集电结反偏集电结反偏 IE= IB + IC 电流关系 IB 、IC、IE IB > IBS UB < UE UB < UE 电位关系 UB 、UC、UE UC>UB >UE UB > UC UB < UC UB > UE UB > UE UC<UB <UE UB > UC UB < UC

第 4 章半导体二极管、三极管和场效应管