半导体晶体管和场效应管
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电工技术基础与工程应用
第1章 半导体晶体管和场效应管
第1章 半导体晶体管和场效应管
第1节 半导体的基础知识 第2节 晶体三极管与交流放大法电路 第3节 绝缘栅场效应晶体管 本章小结
半导体晶体管和场效应管电工技术基础与工程应
1.1 半导体的基础知识
1.1.1 物理基础 1.1.2 本征半导体 1.1.3 杂质半导体 1.1.4 PN结
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、光照等外 界条件 有关。
半导体晶体管和场效应管电工技术基础与工程应
1、N 型半导体
在硅或锗的晶体中掺入五价元 素磷。
N型
+4
+4来自百度文库
+4
N 型半导体的简化图示
正离子
硅(锗)的原子结构
硅(锗)的共价键结构
Si 2 8 4 Ge 2 8 18 4
简化
+4
模型
惯性核
价电子 (束缚电子)
自
+4
+4
由
空电
穴子
+4
+4
空穴 空穴可在共 价键内移动
半导体晶体管和场效应管电工技术基础与工程应
1.1.2 本征半导体
本征激发： 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：
PN结两端电压和流经PN结的电流之间有如下关系
IIs(eU/UT 1)
式中， 是反向饱和电流，UT = kT/q是温度电压当量，T是热 力学温度，q是电子的电量，在T为300 K时，UT≈26 mV。 4．PN结的反向击穿 当反向电压超过某一数值后，反向电流会急剧增加，这种现象 称为反向击穿。
半导体晶体管和场效应管电工技术基础与工程应
多数载 流子
少数载 流子
半导体晶体管和场效应管电工技术基础与工程应
1.1.4 PN结
1. PN结的形成 扩散运动：由浓度差引起的载流子运动。 漂移运动：载流子在电场力作用下引起的运动。
内电场
一、载流子的浓度差引起多子的扩散
(耗尽层)
二、复合使交界面形成空间电荷区
空间电荷区特点:无载流子、阻止扩散进行、利于少子的 漂移。
限流电阻
二、加反向电压(反向偏置)截止
I
P区
N区
内外电电场场
+
U
R
漂移运动加强形成反向电流 I
外电场使少子背离 PN 结移动，
I = I少子 0 空间电荷区变宽。
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。
半导体晶体管和场效应管电工技术基础与工程应
3 PN结方程
I = IP + IN
电子和空穴两种 载流子参与导电
半导体晶体管和场效应管电工技术基础与工程应
1.1.3 杂质半导体
本征半导体中由于载流子数量极少，导电能力很 弱。如果有控制、有选择地掺入微量的有用杂质（某 种元素），将使其导电能力大大增强，成为具有特定 导电性能的杂质半导体。
半导体晶体管和场效应管电工技术基础与工程应
+4
+5
+4
磷原子
自由电子
电子为多数载流子 空穴为少数载流子
载流子数 电子数
多数载 流子
少数载 流子
半导体晶体管和场效应管电工技术基础与工程应
2、P 型半导体
在硅或锗的晶体中掺入三价元 素硼。
P型
+4
+4
+4
P型半导体的简化图示
负离子
+4
+3
+4
硼原子
空穴
空穴 — 多子
电子 — 少子
载流子数 空穴数
半导体晶体管和场效应管电工技术基础与工程应
1.1.1 物理基础
半导体---导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。 与导体的电阻率相比较，半导体的电阻率有以下特点： •1．对温度反映灵敏(热敏性) •2．杂质的影响显著(掺杂性)
极微量的杂质掺在半导体中，会引起电阻率的极大变 化。 •3．光照可以改变电阻率(光敏性)
1.2 晶体二极管
1.2.1 基本结构 1.2.2 伏安特性 1.2.3 主要参数 1.2.4 特殊二极管
半导体晶体管和场效应管电工技术基础与工程应
1.2.1 基本结构
构成： PN结 + 引线 + 管壳 = 二极管 (Diode)
符号：
分类：
硅二极管
按材料分
锗二极管
点接触型 按结构分 面接触型
平面型
三、 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。 半导体晶体管和场效应管电工技术基础与工程应
2 PN结的单向导电性
一、加正向电压(正向偏置)导通
I
P区
外电场使多子向 PN 结移动,
N区
中和部分离子使空间电荷区变窄。
外电场
内电场
+
U
R
I = I多子 I少子 I多子
扩散运动加强形成正向电流 I 。
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。 反向击穿原因： 齐纳击穿：反向电场太强，将电子强行拉出共价键。 雪崩击穿：反向电场使电子加速，动能增大，撞击
温度、杂质、光照对半导体电阻率的上述控制作用是 制作各种半导体器件的物理基础。
半导体晶体管和场效应管电工技术基础与工程应
1.1.2 本征半导体
半导体 — 导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。
本征半导体 — 纯净的半导体。如硅、锗单晶体。
载流子 — 自由运动的带电粒子。
共价键 — 相邻原子共有价电子所形成的束缚。
自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消 失的过程。 漂 移：
自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。
半导体晶体管和场效应管电工技术基础与工程应
1.1.2 本征半导体
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
空穴(在共价键以内)的运动
半导体的导电特征
I
IP
IN
+–
在外电场的作 用下，自由电子逆 着电场方向定向运 动形成电子电流IN 。 空穴顺着电场方向 移动，形成空穴电 流IP 。
正极 引线
N型锗片
铝合金 负极 小球 引线
正极引线 PN结
正极 负极 引线 引线
N型锗 金锑
p
合金
N
外壳
触丝 负极引线
底座
点接触型
面接触型
P型支持衬底
集成电路中平面型
半导体晶体管和场效应管电工技术基础与工程应
半导体晶体管和场效应管电工技术基础与工程应
1.2.2 伏安特性
击穿 电压
iD /mA
U (BR)
反 向
反向特性 O
击
穿
正向特性 Uth uD /V
死区 电压
0 U Uth iD = 0
Uth = 0.5 V (硅管) 0.1 V (锗管)
U Uth iD 急剧上升
U（BR) U 0 iD < 0.1 A(硅) 几十A (锗) U < U（BR） 反向电流急剧增大 (反向击穿)
半导体晶体管和场效应管电工技术基础与工程应
第1章 半导体晶体管和场效应管
第1章 半导体晶体管和场效应管
第1节 半导体的基础知识 第2节 晶体三极管与交流放大法电路 第3节 绝缘栅场效应晶体管 本章小结
半导体晶体管和场效应管电工技术基础与工程应
1.1 半导体的基础知识
1.1.1 物理基础 1.1.2 本征半导体 1.1.3 杂质半导体 1.1.4 PN结
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、光照等外 界条件 有关。
半导体晶体管和场效应管电工技术基础与工程应
1、N 型半导体
在硅或锗的晶体中掺入五价元 素磷。
N型
+4
+4来自百度文库
+4
N 型半导体的简化图示
正离子
硅(锗)的原子结构
硅(锗)的共价键结构
Si 2 8 4 Ge 2 8 18 4
简化
+4
模型
惯性核
价电子 (束缚电子)
自
+4
+4
由
空电
穴子
+4
+4
空穴 空穴可在共 价键内移动
半导体晶体管和场效应管电工技术基础与工程应
1.1.2 本征半导体
本征激发： 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：
PN结两端电压和流经PN结的电流之间有如下关系
IIs(eU/UT 1)
式中， 是反向饱和电流，UT = kT/q是温度电压当量，T是热 力学温度，q是电子的电量，在T为300 K时，UT≈26 mV。 4．PN结的反向击穿 当反向电压超过某一数值后，反向电流会急剧增加，这种现象 称为反向击穿。
半导体晶体管和场效应管电工技术基础与工程应
多数载 流子
少数载 流子
半导体晶体管和场效应管电工技术基础与工程应
1.1.4 PN结
1. PN结的形成 扩散运动：由浓度差引起的载流子运动。 漂移运动：载流子在电场力作用下引起的运动。
内电场
一、载流子的浓度差引起多子的扩散
(耗尽层)
二、复合使交界面形成空间电荷区
空间电荷区特点:无载流子、阻止扩散进行、利于少子的 漂移。
限流电阻
二、加反向电压(反向偏置)截止
I
P区
N区
内外电电场场
+
U
R
漂移运动加强形成反向电流 I
外电场使少子背离 PN 结移动，
I = I少子 0 空间电荷区变宽。
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。
半导体晶体管和场效应管电工技术基础与工程应
3 PN结方程
I = IP + IN
电子和空穴两种 载流子参与导电
半导体晶体管和场效应管电工技术基础与工程应
1.1.3 杂质半导体
本征半导体中由于载流子数量极少，导电能力很 弱。如果有控制、有选择地掺入微量的有用杂质（某 种元素），将使其导电能力大大增强，成为具有特定 导电性能的杂质半导体。
半导体晶体管和场效应管电工技术基础与工程应
+4
+5
+4
磷原子
自由电子
电子为多数载流子 空穴为少数载流子
载流子数 电子数
多数载 流子
少数载 流子
半导体晶体管和场效应管电工技术基础与工程应
2、P 型半导体
在硅或锗的晶体中掺入三价元 素硼。
P型
+4
+4
+4
P型半导体的简化图示
负离子
+4
+3
+4
硼原子
空穴
空穴 — 多子
电子 — 少子
载流子数 空穴数
半导体晶体管和场效应管电工技术基础与工程应
1.1.1 物理基础
半导体---导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。 与导体的电阻率相比较，半导体的电阻率有以下特点： •1．对温度反映灵敏(热敏性) •2．杂质的影响显著(掺杂性)
极微量的杂质掺在半导体中，会引起电阻率的极大变 化。 •3．光照可以改变电阻率(光敏性)
1.2 晶体二极管
1.2.1 基本结构 1.2.2 伏安特性 1.2.3 主要参数 1.2.4 特殊二极管
半导体晶体管和场效应管电工技术基础与工程应
1.2.1 基本结构
构成： PN结 + 引线 + 管壳 = 二极管 (Diode)
符号：
分类：
硅二极管
按材料分
锗二极管
点接触型 按结构分 面接触型
平面型
三、 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。 半导体晶体管和场效应管电工技术基础与工程应
2 PN结的单向导电性
一、加正向电压(正向偏置)导通
I
P区
外电场使多子向 PN 结移动,
N区
中和部分离子使空间电荷区变窄。
外电场
内电场
+
U
R
I = I多子 I少子 I多子
扩散运动加强形成正向电流 I 。
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。 反向击穿原因： 齐纳击穿：反向电场太强，将电子强行拉出共价键。 雪崩击穿：反向电场使电子加速，动能增大，撞击
温度、杂质、光照对半导体电阻率的上述控制作用是 制作各种半导体器件的物理基础。
半导体晶体管和场效应管电工技术基础与工程应
1.1.2 本征半导体
半导体 — 导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。
本征半导体 — 纯净的半导体。如硅、锗单晶体。
载流子 — 自由运动的带电粒子。
共价键 — 相邻原子共有价电子所形成的束缚。
自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消 失的过程。 漂 移：
自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。
半导体晶体管和场效应管电工技术基础与工程应
1.1.2 本征半导体
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
空穴(在共价键以内)的运动
半导体的导电特征
I
IP
IN
+–
在外电场的作 用下，自由电子逆 着电场方向定向运 动形成电子电流IN 。 空穴顺着电场方向 移动，形成空穴电 流IP 。
正极 引线
N型锗片
铝合金 负极 小球 引线
正极引线 PN结
正极 负极 引线 引线
N型锗 金锑
p
合金
N
外壳
触丝 负极引线
底座
点接触型
面接触型
P型支持衬底
集成电路中平面型
半导体晶体管和场效应管电工技术基础与工程应
半导体晶体管和场效应管电工技术基础与工程应
1.2.2 伏安特性
击穿 电压
iD /mA
U (BR)
反 向
反向特性 O
击
穿
正向特性 Uth uD /V
死区 电压
0 U Uth iD = 0
Uth = 0.5 V (硅管) 0.1 V (锗管)
U Uth iD 急剧上升
U（BR) U 0 iD < 0.1 A(硅) 几十A (锗) U < U（BR） 反向电流急剧增大 (反向击穿)
半导体晶体管和场效应管电工技术基础与工程应