电路与电子技术-课件 第4章 半导体器件

清华大学自动化系2025.08电子电路与微处理器基础叶朝辉FundamentalsofElectronicCircuitsandMicroprocessor4.1原子与元素4.2半导体(Semiconductor)4.3PN结(PNJunction)4.4二极管(Diode)及其特性4.5晶体管4.6场效应管第4章半导体器件234.1.1

原子4.1.2元素4.1原子与元素44.1.1

原子物质是由分子、原子构成。原子：由原子核和绕核运动的核外电子构成。原子核：由质子和中子构成。质子带正电，中子不带电，电子带负电。

质子所带正电荷=核外电子所带负电荷

原子不显电性，呈电中性。图4-1-1原子结构核外电子：分层排布的，离核最远的称为最外层。

离核越近的电子层能量越低，离核越远的电子层能量越高。5最外层电子数多于4个的原子易于得到电子，成为带负电的负离子；而最外层电子数少于4个的易于失去电子，成为带正电的正离子。离子键：带相反电荷离子之间的相互作用。共价键：原子间通过共用电子对的相互作用。

价电子：最外层电子。图4-1-2氯原子通过共价键组成氯分子64.1.2

元素元素：质子数相同的一类原子的总称，是组成物质的基本成分。图4-1-3元素周期表74.2.1本征半导体4.2.2杂质半导体4.2半导体(Semiconductor)84.2.1

本征半导体1.半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间第一代半导体材料-元素半导体：常用的有硅（Si）和锗（Ge），为四价元素。第二代半导体材料-

化合物半导体：由三价和五价元素组成，例如砷化镓(GaAs)、磷化镓(GaP)、锑化铟(InSb)，它们主要用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件。第三代半导体材料–宽禁带半导体：以碳化硅SiC、氮化镓GaN为主，可用于制作耐高压、大功率、高频电子器件。92.本征半导体：纯净的半导体经过一定的工艺制作成的单晶体。图4-2-1硅本征半导体空间结构示意图价电子共价键正离子图4-2-2硅本征半导体平面结构示意图10图4-2-3本征半导体中的自由电子和空穴

本征半导体载流子的浓度相对于导体仍然很低，因此导电性能很差，并受温度影响。本征激发：常温下由于热激发产生自由电子和空穴对复合：自由电子和空穴同时消失114.2.2

杂质半导体

为了改善和控制本征半导体的导电性能，可以在其中掺入微量其他元素（杂质），变成杂质半导体。图4-2-4N型半导体

由于少子浓度低，因此相对变化量大，受温度影响大，将影响半导体器件的性能。N型半导体：

自由电子–多子空穴–少子P型半导体：

空穴–多子自由电子–少子图4-2-5P型半导体124.3PN结(PNJunction)4.3.1PN结的形成4.3.2

PN结的单向导电性4.3.3

PN结的电流方程4.3.4

PN结的电容效应134.3.1PN结的形成

采用不同的掺杂工艺，将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上，在交界面附近就形成了一个缺少载流子的薄层（耗尽层），称为PN结。多子扩散空间电荷区（耗尽层Deplitionregion）扩散运动(Diffusion)：由于浓度差而产生的载流子(多子)的运动漂移运动(Drift)：在电场力作用下载流子(少子)的运动144.3.2PN结的单向导电性正向偏置（简称为正偏）或正向接法：耗尽层变窄；以多子的扩散电流为主，电流较大；PN结呈现出较小的电阻，像开关闭合一样，PN结的这种工作状态称为导通状态。反向偏置（简称为反偏）或反向接法：耗尽层变宽；以少子的漂移电流为主，电流很小；PN结呈现出很大的电阻，像开关打开一样，PN结的这种工作状态称为截止状态。图4-3-2PN结加正向电压时导通

图4-3-3PN结加反向电压时截止限流电阻154.3.3PN结的电流方程和伏安特性i：流过PN结的电流u：PN结两端的电压IS：PN结反向偏置电流，通常为微安（10-6A）或者纳安（10-9A）级别UT：温度电压当量，常温27℃时UT≈26mVi=IS(eu/UT-1)1.PN结反向偏置且u<<-UT：eu/UT≈0，i≈IS，其中符号“<<”表示远远小于；2.PN结正向偏置且u>>UT：eu/UT>>1，i≈ISeu/UT，i与u为近似指数关系，i将随u增大而快速增大，其中符号“>>”表示远远大于。一、电流方程16二、伏安特性将PN结的端电压与电流之间的关系用图描述，称为伏安特性。当u>0即PN结正向偏置时，一开始电流即非常小，之后电流i随u增加而快速增长；当u<0即PN结反向偏置时，电流i几乎为零；但是当反向偏置电压超过U(BR)

之后，电流突然增大，若不加以限制，将损坏PN结。将U(BR)称为反向击穿电压。174.3.4PN结的电容效应PN结的P区和N区与电容的两个极板相似，当外加电压时，载流子将产生运动，使得P区和N区的电荷发生变化，从而产生电容效应，即使得PN结有等效的电容。PN结空间电荷区的宽度随外加电压而变化所等效出的电容称为势垒电容Cb。

当PN结正向偏置时，多子将扩散到对方的数量随外加电压而变化，也等效出电容效应，称为扩散电容Cd。PN结的等效电容通常很小，约为几十至几百皮法（pF，1pF=10-12F），在直流信号或者较低频的信号作用时，不影响其单向导电性；但当信号频率较高时，将使其反向偏置的等效阻抗减小，从而影响其单向导电性。184.4二极管(Diode)及其特性4.4.1

二极管的结构和符号4.4.2

二极管的伏安特性4.4.3

二极管特性及电路分析4.4.4

稳压二极管194.4.1二极管的结构和符号将PN结用外壳封装起来，加上电极引线就构成了二极管。（a）普通二极管

（b）

理想二极管图4-4-1二极管的符号图4-4-2二极管的外形204.4.2二极管的伏安特性二极管端电压和电流之间的关系称为伏安特性。图4-4-3二极管的伏安特性图4-4-4简化的二极管伏安特性和等效电路对于硅管，通常Uon≈0.5V，UD为0.5V至0.8V，近似计算时可认为UD≈0.7V。工程思维（方法）：对二极管电特性合理近似，是在解决实际工程问题时的一种简化方法，即工程化方法，便于分析和计算。214.4.3二极管特性及电路分析一、伏安特性仿真

图4-4-6二极管伏安特性仿真22二、二极管开关特性仿真1.正向偏置2.反向偏置233.二极管整流图4-4-9二极管回路加入低频大幅值的正弦波电压信号4.发光二极管电路图4-4-10发光二极管回路加入低频大幅值方波信号244.4.4稳压二极管

稳压二极管又称为齐纳二极管（Zenerdiode），简称为稳压管。

稳压管是一种特殊的二极管，其在反向击穿状态下，当电流在一定范围内变化时，具有稳压的作用。图4-4-11

稳压管的符号

图4-4-12

稳压管的伏安特性254.4.4稳压二极管图4-4-13

稳压管的外形图4-4-14

稳压管电路264.5.1

晶体管的结构和符号4.5.2

晶体管的放大原理4.5.3

晶体管的特性曲线4.5.4

晶体管的直流等效电路(直流模型)4.5.5

晶体管直流电路分析4.5晶体管274.5.1晶体管的结构和符号用不同的掺杂方式在同一硅片上制造出三个区，形成两个PN结，引出三个电极，就构成了晶体管。图4-5-1晶体管的结构晶体管三个区的特点：发射区的掺杂浓度很高；基区很薄且掺杂浓度较低；集电结的面积大。集电极发射极基极发射结集电结28图4-5-2晶体管符号图4-5-3晶体管实物294.5.2晶体管的放大原理放大状态：发射结正偏、集电结反偏时，能将基极电流IB成比例地放大为集电极电流IC。图4-5-4晶体管放大电路

该电路以发射极为公共端，也称为共发射极放大电路，简称为共射放大电路。30图4-5-5晶体管放大原理晶体管放大原理：1.发射结正偏：有利于多子的扩散运动，产生较大的发射极电流IE；2．基区很薄：从发射区扩散运动到基区的大量非平衡少子很快到达集电结边沿，只有很少部分形成基极电流IB的一部分（另一部分主要为基区的多子向发射区扩散运动形成的）。3.由于集电结反偏：有利于少子的漂移运动，因此基区的非平衡少子大部分很快又漂移到集电区，形成较大的集电极电流IC。IC≈βIBβ：电流放大倍数，其数值通常为一百至几百。31图4-5-6晶体管放大交流输入信号晶体管处于放大状态时的特点：(1)发射结导通：UBE≈0.7V；(2)集电结反偏：UC>UB，因此UCE>UBE，即UCE>0.7V；(3)IC≈βIB，IE=IB+IC≈(1+β)IB；(4)当输入交流信号ui时，当晶体管处于放大状态时，同样能将iB成比例地放大为iC，比例系数仍为β。324.5.3晶体管的特性曲线一、输入特性图4-5-7晶体管的输入特性iB=f(uBE)|UCE=常数二、输出特性iC=f(uCE)|IB=常数图4-5-8晶体管的输出特性饱和区：uCE<uBE

iC<βiB截止区：发射结反偏，iB≈0放大区：uCE>uBEiC≈βiB334.5.4晶体管的直流等效电路(直流模型)一、直流放大模型二、直流开关模型图4-5-10晶体管处于截止状态（像开关打开）

图4-5-11晶体管处于饱和状态（像开关闭合）344.5.5晶体管直流电路分析一、直流电源对电路参数的影响1.设VBB电压值从0开始逐渐增大，则基极电流IB如何变化？图4-5-13基极电流IB随VBB变化的关系图352.设VBB电压值从0开始逐渐增大，则管压降UCE如何变化？图4-5-14UCE随VBB变化的关系图36二、直流放大电路分析图4-5-15晶体管组成的放大电路1.该电路有几个回路？2.电流IB、IC、IE的方向是实际方向吗？3.求解IB、IC、IE、UCE。4.若电阻Rc增大，则晶体管将可能进入什么工作状态？若Rb增大呢？37二、直流放大电路分析图4-5-15晶体管组成的放大电路1.该电路有3个回路2.电流IB、IC、IE的方向是实际方向。3.求解方法为：（1）假设晶体管处于放大状态，则UBE≈0.7V；（2）从输入回路（回路1）用KVL定律求解iB；（3）利用IC≈βIB求得IC；（4）从输出回路（回路2）用KVL定律求解UCE，若UCE>UBE，则假设成立，否则晶体管处于饱和状态。38求解过程为：（1）假设晶体管处于放大状态，则UBE≈0.7V；（2）用KVL定律列写输入回路方程，求解iB：-VB+IBRb+UBE=0

IB=(VB-UBE)/Rb≈(5V-0.7V)/100kΩ=0.043mA=43μA（3）利用IC≈βIB求得IC≈4.3mA；（4）用KVL定律列写输出回路方程，求解UCE：VC-UCE-ICRc=0

UCE=VC-ICRc≈15V-4.3mA*2kΩ=6.4V>0.7V

因此假设成立，晶体管处于放大状态。394.若电阻Rc增大，则UCE减小，晶体管将可能进入饱和工作状态。

若电阻Rb增大，则IB、IC减小，晶体管将可能进入截止工作状态。404.6.1

场效应管的特点与分类4.6.2

MOS管的结构和符号4.6.3

MOS管的放大原理4.6.4

MOS管的特性曲线4.6.5

MOS管的开关模型4.6场效应管414.6.1场效应管的特点与分类

场效应管是由输入端电压产生的电场来控制输出端电流的一种半导体器件。

场效应管又分为结型和绝缘栅型两种，其中应用最广泛的是绝缘栅型场效应管。输入端等效电阻（输入电阻Ri）非常大（109欧姆以上）；输入端几乎不取电流（电流几乎为零），功耗小；工作电压范围宽；集成度高、工艺简单，广泛地应用在数字集成电路和模拟集成电路中。424.6.2MOS管的结构和符号三个电极：源极s(source)、栅极g(gate)、漏极d(drain)。图4-6-1N沟道MOS管的结构绝缘栅型场效应管又称为MOSFET(MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransisitor，金属氧化物半导体场效应管)，简称为MOS管。434.6.2MOS管的结构和符号N沟道MOS管P沟道MOS管图4-6-2MOS管的符号

N沟道MOS管P沟道MOS管图4-6-3MOS管的符号（将源极和衬底连接在一起）444.6.3MOS管的放大原理一、栅-源电压对沟道的控制作用图4-6-3当uGS>=UGS(th)时，MOS管产生导电沟道当uGS>=UGS(th)时，产生导电沟道；

uGS越大，导电沟道越宽，漏极电流iD也越大。MOS管是一种由输入端电压控制输出端电流的元件。45二、漏-源电压对沟道的控制作用图4-6-4漏-源电压对沟道的控制作用当uGS>UGS(th)且uGS一定时：iD随着uDS的增大而增大。随着uDS增加，漏极附近的导电沟道变窄，若使得uGD<UGS(th)，则漏极附近的导电沟道将不再变窄，此时电流iD也不再增加，而是保持为恒定电流，MOS管工作在恒流状态（放大状态）。46三、MOS管放大电路图4-6-5MOS管放大电路当UGS>UGS(th)，且UGD=UGS-uDS<UGS(th)，即UDS>UGS-UGS(th)时，MOS管工作在放大状态。ID=kn(UGS-UGS(th))2其中kn为导电参数，与MOS管的制造结构和材料有关，单位为A/V2。474.6.4MOS管的特性曲线一、转移特性

iD=f(uGS)|UDS=常数iD=kn(uGS

-UGS(th))2其中IDO是uGS=2UGS(th)时的iD，因此kn=IDO/(UGS(th))248二、输出特性

iD=f(uDS)|UGS=常数1.夹断区（截止区）：uGS<UGS(th)，iD≈02.可变电阻区（饱和区）：当uGS>UGS(th)且uGD>UGS(th)

即uDS