二极管和三极管原理

四、场效应管（ Field Effect Transistor）
场效应管有两种: JFET Joint Field Effect Transistor 中文名称： 结型场效应管 MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor 中文名称： 绝缘栅型场效应管，或称金属氧化物半导体场效应管
在一定范围内，外电场愈强，正向电 流(由P区流向N区的电流)愈大，这时PN 结呈现的电阻很低。正向电流包括空穴电 流和电子电流两部分。空穴和电子虽然带 有不同极性的电荷，但由于它们的运动方 向相反，所以电流方向一致。外电源不断 地向半导体提供电荷，使电流得以维持。
PN 结 加 反 向 电 压
（截止）
C
ICE
RC N P N VCE
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。
来自百度文库
B
IBE
RB
E
VBE
IE
ICBO：发射极开路时集电结反向饱和电流
IC=ICE+ICBO ICE C
IB=IBE -ICBOIBE
B
ICBO
RB EB
ICE N P IBE N IE
EC
E
晶体管中的载流子运动和电流分配
Si
空穴
掺硼的半导体中，空穴的数目远大于自由电子的数目。空 穴为多数载流子，自由电子是少数载流子，这种半导体称为空 穴型半导体或P型半导体
一般情况下，掺杂半导体中多数载流子的数量可达到少数 载流子的1010倍或更多。
二、半导体二极管
PN 结的形成
PN结是由P型和N型半导体组成的，但它 们一旦形成PN结，就会产生P型和N型半导体 单独存在所没有的新特性。
双极型晶体管的几种常见外形 （a）小功率管 （b）小功率管 （c）中功率管 （d）大功率管
基本结构
由两个掺杂浓度不同且背靠背排列的PN结组成， 根据排列方式的不同可分为NPN型和PNP型两种，每 个PN结所对应区域分别称为发射区、基区和集电区。
C NPN型 B
基极
集电极
集电极
C P N
P PNP型
概念：扩散和漂移
在PN结中，载流子（电子与空穴）有两种 运动形式，即扩散和漂移。 扩散——由于浓度的不同而引起的载流子运动。 比如，把蓝墨水（浓度大）滴入一杯清水（浓 度小）中，蓝色分子会自动地四周扩散开来， 值到整杯水的颜色均匀为止。 漂移——在电场作用下引起的载流子运动
1、PN 结的形成
多数载流子的扩散运动
空穴
价电子
硅原子
共价键
产生与复合
• 在价电子成为自由电子的 同时，在它原来的位置上 就出现一个空位，称为空 穴。空穴表示该位置缺少 一个电子，丢失电子的原 子显正电，称为正离子。 • 自由电子又可以回到空穴 的位置上，使离子恢复中 性，这个过程叫复合。 价电子 硅原子
共价键
4.3 空穴流与电子流
形成 PN 结
扩散运动与漂移运动
扩散和漂移的动态平衡形成了PN结
扩散和漂移是互相联系，又是互相矛盾的。在 开始形成空间电荷区时，多数载流子的扩散运动占 优势。但在扩散运动进行过程中，空间电荷区逐渐 加宽，内电场逐步加强。于是在一定条件下(例如温 度一定)，多数载流子的扩散运动逐渐减弱，而少数 裁流子的漂移运动则逐渐增强。最后扩散运动和漂 移运动达到动态平衡。达到平衡后空间电荷区的宽 度基本上稳定下来，PN结就处于相对稳定的状态。 （内电场的计算公式看备注）
价电子
空穴
5、杂质半导体
本征半导体虽然有自由电子和空 穴两种载流子，但由于数目极少导 电能力仍然很低。如果在其中掺入 微量的杂质(某种元素)，这将使掺 杂后的半导体(杂质半导体)的导电 性能大大增强。 • N型半导体 • P型半导体
N型半导体
在硅或锗晶体中掺入磷（或其它五价元 素）。每个磷原子有5个价电子故在构成共 价键结构时将因增加一个电子而形成一个自 由电子，这样，在半导体中就形成了大量自 由电子。这种以自由电子导电作为主要导电 方式的半导体称为电子型半导体或N型半导 体。
PN结的反向击穿（具体请看备注）： ① 齐纳击穿
② 雪崩击穿
三、双极型晶体管
双极型晶体管又称三极管。电路表示符号：BJT（Bipolar Junction Transistor）。由于有两种极性的载流子（即多数载 流子和反极性的少数载流子）参与导电，因此称为双极型晶体 管。根据功率的不同具有不同的外形结构。
N
UGS S
N
当UDS继续增加，UGD＝VP时 漏端的沟道被夹断， 称为预夹断。
若UDS继续增大，则 UGD>VP ，被夹断区 向下延伸。
设UGS < Vp且UGS不变 ID P UDS N
D
G N
此时，电流ID 由未被夹断区 域中的载流子 UGS 形成，基本不 随UDS的增加 而增加，呈恒 流特性。
S
可见，若UGS<VP且不变： 当UDS＞0且尚小时，PN结因加反向电压，使耗尽层具 有一定宽度，但宽度上下不均匀，这是由于漏源之间的导电沟 道具有一定电阻，因而漏源电压UDS沿沟道递升，造成漏端电 位低于源端电位，使近漏端PN结上的反向偏压大于近源端，因 而近漏端耗尽层宽度大于近源端。显然，在UDS较小时，沟道 呈现一定电阻，ID随UDS而接近线性规律变化。 由于沟道电阻的增大，ID增长变慢了。当UDS增大而使得 UGD等于VP时，沟道在近漏端首先发生耗尽层相碰的现象。这 种状态称为预夹断。这时管子并不截止，因为预夹断层很薄且 漏源两极间的场强足够大，完全可以把向漏极漂移的载流子吸 引过去形成漏极饱和电流IDSS。当UGD＞VP时，耗尽层从近漏端 开始沿沟道加长它的接触部分，形成夹断区 。
设UDS=0V ID
P UDS
夹断电压 Pinch off voltage
G
N
N
UGS S
可见，UGS控制着漏源之间的导电沟道。当UGS增加到某一数值VP时，两边耗 尽层合拢，整个沟道被耗尽层完全夹断。（VP称为夹断电压）。此时，漏源之 间的电阻趋于无穷大，管子处于截止状态。
② 漏源电压UDS对漏极电流ID的影响 当UDS较小，UGD<VP时 越靠近漏端，PN结反 偏越大。沟道中仍是 电阻特性，但呈现为 非线性电阻。 G D P 设UGS < Vp且UGS不变 ID UDS
由于少数载流子数量很少，因此反向电流不大， 即PN结呈现的反向电阻很高。 （换句话说，在P型半 导体中基本上没有可以自由运动的电子，而在N型半导 体中基本上没有可供电子复合的空穴，因此，产生的 反向电流就非常小。）
值得注意的是：因为少数载流子是由于价电子获 得热能(热激发)挣脱共价键的束缚而产生的，环境温度 愈高，少数载流子的数目愈多。所以温度对反向电流 的影响很大。 由以上分析可见：PN结具有单向导电性。即在PN 结上加正向电压时，PN结电阻很低正向电流较大(PN结 处于导通状态)，加反向电压时，PN结电阻很高，反向 电流很小(PN结处于截止状态)。
2、PN 结的单向导电性
PN 结 加 正 向 电 压
（导通）
• 如果在PN结上加正向电压，即外电源的正 端接P区，负端接N区。 • 可见外电场与内电场的方向相反，因此扩 散与漂移运动的平衡被破坏。外电场驱使P 区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空 间电荷，同时N区的自由电子进入空间电荷 区抵消一部分正空间电荷。于是，整个空 间电荷区变窄，电内电场被削弱，多数载 流子的扩散运动增强，形成较大的扩散电 流(正向电流)。
1、结型场效应管（JFET）
具体分为： ① N沟道结型场效应管 ② P沟道结型场效应管
① N沟道结型场效应管 基底:N型半导体
D（drain）
两边是P区 N
G（grid）
D G P P S G
D
S
S（source）
导电沟道
② P沟道结型场效应管
D（drain）
D P
G（grid）
D G
G N N S
在外电场的作用下，有空穴的原子可以吸引相邻原子中 的价电子，填补这个空穴。同时，在失去了一个价电子的相 邻原子的共价键中出现另一个空穴，它也可以由相邻原子中 的价电子来递补，而在该原子中又出现一个空穴。如此继续 下去，就好像空穴在移动，空穴的运动形成了空穴流，其方 向与电流方向相同。打一个通俗的比方，好比大家坐在剧院 看节目，若一个座位的人走了，出现一个空位，邻近座位的 人去递补这个空位并依次递补下去，看起来就像空位子在运 动一样。而原子中自由电子的运动，则好像剧院中没有位置 的人到处找位置的运动一样。因此，空穴流和电子流是有所 不同的。 在金属导体中只有电子这种载流子，而半导体中存在空 穴和电子两种载流子，在外界电场的作用下能产生空穴流和 电子流，它们的极性相反且运动方向相反，所以，产生的电 流方向是一致的，总电流为空穴流和电子流之和。这个是半 导体导电的极重要的一种特性。
第二讲 逻辑门电路－附
一、半导体的基本知识
1、半导体
导电能力介于导体和绝缘体之间的材料称为 半导体。最常用的半导体为硅(Si)和锗(Ge)。它 们的共同特征是四价元素，每个原子最外层电 子数为 4。
+
Si
+
Ge
2、半导体材料的特性
纯净半导体的导电能力很差； 温度升高——导电能力增强； 光照增强——导电能力增强； 掺入少量杂质——导电能力增强。
空间电荷区的一个重要特征是：在此区间中，电子和空穴相 互复合，束缚于共价键内，造成主要载流子不足，因此，空间电 荷区也称为耗尽区（耗损层）。由于主要载流子的不足，耗损层 的电阻率非常高，比P区和N区的电阻率高得多。 在耗尽层内N型侧带正电，P型侧带负电，因此内部产生一个 静电场，耗尽层的两端存在电位差。
P型半导体
在硅或锗晶体中渗入硼(或其它三价 元素)。每个硼原子只有三个价电子故 在构成共价键结构时将因缺少一个电子 而形成一个空穴，这样，在半导体中就 形成了大量空穴。这种以空穴导电作为 主要导电方式的半导体称为空穴半导体 或P型半导体。
Ge + Si B =P型
+
B
Si Si B Si
Si Si
S
S（source）
工作原理（以P沟道为例）
① 栅源电压UGS对导电沟道的影响
当UGS比较小时，耗尽区宽 度有限，存在导电沟道。DS 间相当于线性电阻。 PN结反偏， UGS越大则 耗尽区越宽， 导电沟道越 窄。
设UDS=0V ID
D P
UDS N
G N
UGS S
UGS达到一定值时（夹断电压 VP），耗尽区碰到一起，DS 间被夹断，这时，即使UDS 0V，漏极电流ID=0A。 D
N P N E 发射极
B
基极
发射极
E
C B IB
IC
B IB
C
IC
E
IE
E
IE
NPN型三极管
PNP型三极管
制成晶体管的材料可以为硅或锗
集电区：面 积大，掺杂 浓度中
C N P N E
集电极
基区：很薄， 面积小，掺杂 浓度低
B
基极
发射区：掺
杂浓度高
发射极
进入P区的电子 少部分与基区的 空穴复合，形成 电流IBE ，多数扩 散到集电结，形 成电流ICE 。
• 若给PN结加反向电压，即外电源的正端接N 区，负端接P区，则外电场与内电场方向一致， 也破坏了扩散与漂移运动的平衡。 • 外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子 移走，使得空间电荷增加，空间电荷区变宽， 内电场增强，使多数载流子的扩散运动难以进 行。但另一方面，内电场的增强也加强了少数 裁流于的漂移运动，在外电场的作用下，N区 中的空穴越过PN结进入P区， P区中的自由电 子越过PN结进入N区，在电路中形成了反向 电流(由N区访向P区的电流)。
Ge + Si P =N型
Si
Si Si P Si Si 多余 电子
+
P 特点
Si
掺入磷杂质的硅半导体晶体中，自由电子的数目大量增加。 自由电子是这种半导体的导电方式，称之为电子型半导体或N型 半导体。 在N型半导体中电子是多数载流子、空穴是少数载流子。 室温情况下，本征硅中当磷掺杂量在10–6量级时，电子载流 子数目将增加几十万倍
在本征半导体的晶体结构中， 每一个原子与相邻的四个原 子结合。每一原子的一个价 电子与另一原子的一个价电 子组成一个电子对。这对价 电子是每两个相邻原子共有 的，它们把相邻的原子结合 在一起，构成所谓共价键的 结构。
共价键
4.2 自由电子与空穴
价电子受到激发，形成 自由电子并留下空穴。 自由电子和空穴 同时产生 半导体中的自由电子和 空穴都能参与导电—— 半导体具有两种载流子。 这是与金属导体的一个 很大的区别，金属导体 只有电子一种载流子。
3、本征半导体
经过高度提纯（99.99999%）的单一晶格结 构的硅或锗原子构成的晶体，或者说，完全纯净、 具有晶体结构的半导体称为本征半导体。
本征半导体的特点是： 原子核最外层的价电子是 四个，是四价元素，它们 排列成非常整齐的晶格结 构。所以半导体又称为晶 体。
4、本征半导体的导电性能
4.1 价电子与共价键