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。

但是，少数载流子受温度影响大，当外界温度升高时，I S会显著增大。

3．击穿特性（u≤U BR的区域）二极管发生电击穿，|u|稍有增加，|i|急剧增大，曲线几乎和纵轴平行，u≈U BR。

只要反向电流不超过最大允许值，PN 结不会损坏，当反向电压去掉后，PN 结仍保持原来的性能。

【例 2 】图 3 ( a )是二极管电路，图（b）是二极管正向伏安特性。

试求：( 1 ) u ll = 1V 时，i D1 = ？二极管压降U D1= ?( 2 ) u I2=2V 时，i D2 = ？U D2= ？( 3 ) u I增加了一倍，i D2是否比i D1增加一倍？为什么？图三解：假设二极管导通，电流为i D，由电路图可知u D= u I -i D R ( l )从外电路看, u D和i D之间是线性关系；而二极管两端电压和电流是非线性关系，故实际的电压和电流值必然在上述两种关系曲线的交点上。

图四（1）根据式1 可知，当u I =1V 时，若i D= 0，则u D = 1V若u D = 0V ，i D= u I/R=2mA ，故可在坐标图中求得A点和B点，连接AB直线称为作负载线。

负载线与特性曲线交点Q l称为工作点，见图4。

由图可知i D1 = 1.3mA ,u D1 = 0 . 3V（2）当u I =2V时，可作负载线CD, 求出工作点Q2，可得i D2 = 3 . 5mA u D2 = 0 . 4V(3) 从所求结果可知，当u l增大一倍时,i D2要比i D1大一倍多。

这是因为二极管正向特性按指数规律上升，外加电压增大一倍，电流的增加要大于一倍。

【说明】本题帮助同学熟悉二机管的炸线性特性以及在特性曲线上作负载线的方法。

【例 3 】图 5 ( a ) ( b )分别是二极管电路。

若二极管特性曲线如图2 所示，已知u I =10sin50πt 时。

试画出输出u O1和u O2的波形。

图五解：根据二极管特性曲线，当外加正向电压较大时，二极管导通，内阻很小，其阻值可以忽略，而且U D≈0 . 7V；而当外加电压u I＜0 . 7V时，i D很小，故可近似认为和加反向电压一样，i D≈0。

(1) 图（a）电路中，当u I > 0 . 7V 时，D 导通，图六 图七u O2 = u I当u I ≥U D +5V 时，D 1 导通，D 2截止 i D = R U u D I 5--u O2 = U D +5≈5.7V根据以上分析结果，画出输入和输出波形图如图6所示。

【 说 明 】 本题用来熟悉二机管电路的分析方法。

（二）二极管开关特性的应用由于半导体二极管具有单向导电特性，当外加正向电压时，管子导通；当外加反向电压时，管子截止。

因此，可以把二极管当当作受外加电压控制的开关。

1、开关应用的等效电路模型图7是最简单的二极管开关电路，u SS 为外加电压，D 为开关二极管，R 为限流电阻。

我们分几种情况进行分析：( l ) 当外加电压u SS 和电阻R 很小时，二极管的开启U ON 电压和导通电阻不能忽略，二极管伏安特性可近似为图8所示折线，其开关状态的等效电路模型如图8（a )所示。

图中r ON = D Di u ∆∆为二极管导通电阻．U ON 为开启电压，开关 K 当u SS ≥U ON 时闭合，当u SS ＜U ON 时断开。

图八（ 2 ）当外加电压u SS 较大，但二极管导通电压不能忽略．而R 〉〉r ON 时，管子导通电阻可以忽略，二极管伏安特性和等效电路可近似图8 (b) 所示。

当u SS ＜0.7V 时，i D =0，相当于开关K 断开；当u SS ≥0 . 7V 时，u D ≈0.7V 。

相当于开关 K 闭合。

在数子电路中，会经常采用这种等效模型。

( 3 ）当u SS 和 R 都很大，二极管的导通压降和导通电阻均可忽略时，一般认为是理想二极管，它的伏安特性和等效电路模型如图8（c ）所示。

2、常用的二极管开关条件和特点在数字电路中，一般认为满足图8 (b) 所示模型的条件，因此硅二极管开关条件和开关状态下的特点如表（一）所示。

【 例 4 】 二极管开关电路如图9所示。

若二极管导通时U D =0.7V , r ON = 0，试求， u A 和 u B 在0V 和 5V 两种电压中变化时，三个二极管的工作状态如何变化？对应的输出电压 u O 是多少伏?（表 一） 二极管开关条件和特点图九解: 因为R L阻值较大，负载电流很小，可以忽略它的分流作用对电路的影响，下面分几种情况来分析估算。

（1）当u A = u B = 0V 时；三个二极管都处于正向偏置下，D1、D2和D3都处于导通状态。

故这时D2承受反向偏置电压处于截止状态，故u B不影响u P的电位。

又因D3受正向偏置，所以u O = u P一U D3 = 0V同理．当u A = 5V、u B = 0V，D1截止、D2和D3导通，u P = 0.7V ，u O = 0V由上述分析可知，该电路在不同输入状态下，输出电压的数值和二极管工作状态如表（二）所示。

可见该电路只有输入均为高电平时，输出为高电平，否则输出低电平。

【说明】本题训练二极管作开关应用时，电路的估算方法。

（三）二极管的电容效应二极管两端的外加电压发生变化时，PN 结中的电荷量也将随之变化，它说明二极管具有一定的电容效应。

通常把二极管的电容效应分成两部分讨论，即势垒电容和扩散电容。

1、势垒电容C B势垒电容是由于PN 结中存在空间电荷而形成的，又称为结电容，一般用C B表示。

表（二）例 4 状态表PN 结的交界面处存在不能移动的正、负离子，它们具有一定的电荷量，形成空间电荷区。

当二极管外加正向电压时，空间电荷区变窄，电荷量减少；当二极管外加反向电压时，空间电荷区变宽，电荷量增多。

因此，二极管外加电压变化时，PN 结的空间电荷量将随之改变，如同电容器的充、放电过程一样。

由此等效的电容量即为势垒电容。

理论和实验证明，势垒电容的大小可用下式表示。

（2）式中ε为半导体材料的介电常数，S 为结面积，L为耗尽层宽度。

由于耗尽层宽度是随外加电压的方向和大小不同而变化的，所以势垒电容的大小也随外加电压的变化而改变。

它们的关系可用图10所示的曲线表示。

2、扩散电容C D扩散电容是由于多数载流子在扩散过程中毛．任电荷的积累而形成的，一般用C D表示。

二极管外加正向电压时，无论是P 区还是N 区的多数载流子都要向对方区扩散。

多子克服内电场的阻力扩散到对方区域后，并不是立即与该区的多子复合而消失，而是在一定的路程内继续扩散，逐渐复合。

所以在一定范田内存储一定数量电荷，并按浓度梯度递减的规律分布。

由于实际二极管的PN结大多是不对称的，P区渗杂浓度大于N 区渗杂浓度，所以存储电荷主要表现在弱掺杂的N 型区，即P 区的多子空穴扩散到N 型区后形成的存储电菏图十图十一图11是N 区空穴的浓度分布曲线。

曲线 1 表示在外加某个正向电压下，N 区中空穴浓度P n分布曲线。

可见．在P 区和N 区的交界处（x= 0）的空穴浓度最高，随着与交界面的距离了的增大空穴浓度逐渐降低，最后趋向于N 区热平衡子浓度P nO。

曲线下包含的面积正比于存储电荷L量Q。

当正向电压增大时，多子扩散运动增强，在N 区空穴浓度也增高，如图1 1中曲线2 所示。

所以N 区存储电荷址也增多了，图中斜线部分的面积则与增加的电荷量△Q 相对应。

相反，如果外加正向电压减小，则在N 区存储电荷址减少。

总之，在正向电压下由于P 区多子的扩散，N 型区中存储了一定量空穴正电荷Q 。

为了保持N 型区的电中性，必须从阴极外电路流入电子，其电荷总量为-Q 。

这样，+Q 和-Q 如同电容器两个极板上的电荷，在外加正向电压变化时，好象电容器充放电一样，存储电荷量随之改变，这就是扩散电容的效应。

PN结反偏时，多子扩散很微弱，扩散电容的作用可以忽略。

综上所述，PN 结的等效总电容C i应当是势垒电容C B与扩散电容C D之和，即C i = C B+C D( 3 )一般来说，当二极管外加正向电压时，扩散电存起主要作用；当二极管外加反向电压时，势垒电容起主要作用。

通常C B和C D的值约为几皮法～几十皮法。

由于二极管的电容效应，不仅影响其开关时间，而且当信号频率很高时，二极管将失去单向导电性，不能再作开关使用，所以二极管都有最高工作频率的限制。

三、晶体三极管（一）三极管的结构特点和电流分配1、结构特点图11 (a) 是NPN 硅三极管的结构示意图，它由三个区：发射区、基区和集电区，两个结：发射结、集电结，三个引出电极：发射极、基极和集电极组成。

它的内部结构有以下特征：（1）发射区掺杂浓度高，因而多数载流子的浓度很高；（2）基区做得很薄，通常只有几微米到几十微米，而且掺杂浓度很低，因此多子浓度很低；（3）集电区掺杂也较低，它的多子浓度低于发射区，所以集电极和发射极不能互换使用。