全新的半导体基础知识

全新的半导体基础知识

周金富

摘  要

《全新的半导体基础知识》首先对流行于电子书刊上数十年之久的经典半导体基础知识中存在的谬误进行了全方位的讨论，然后以半导体内部结构为抓手，以G型半导体（客供电子型半导体）、H型半导体（主供电子型半导体）和HG结为重点，详细叙述了作者经过数年潜心研究后提出的完全能够解释得通的且合理可信的全新半导体基础知识，最后通过对常见半导体器件工作原理的解读，证实全新半导体基础知识的合理性和可信性。

关  键  词

半导体    半导体理论    半导体基础知识    全新半导体基础知识    全新半导体理论

正  文

正文目录

第一部分    对经典半导体基础知识的讨论3

1. “自由电子”问题3

2. “空穴”问题4

3. “P型半导体”问题5 

4. “PN结”问题6

5. “PN结单向导电性”问题6

6. “电子越过集电结”问题7 

7. “MOS管控制导通电流”问题7

第二部分    全新半导体基础知识9 

2.1  本征半导体10

2.2  掺杂半导体11 

2.2.1  G型半导体11

2.2.2  H型半导体12

2.3  HG结13 

2.3.1  HG结的结构13

2.3.2  HG结的导电特性13

2.3.3  HG结的工作原理14

2.4  全新半导体基础知识的应用要点15 

第三部分    用全新半导体基础知识解读半导体器件的工作原理17

3.1  二极管17

3.1.1  二极管的结构17

3.1.2  二极管的导电特性17

3.1.3  二极管的工作原理19 

3.2  三极管21

3.2.1  三极管的结构21

3.2.2  三极管的导电特性23

3.2.3  三极管的工作原理28

1. GHG管和HGH管的工作原理28

2. GMOS管和HMOS管的工作原理29

3.3  雪崩管33 

3.3.1  雪崩管的结构33

3.3.2  雪崩管的导电特性34

3.3.3  雪崩管的工作原理37

第一部分    对经典半导体基础知识的讨论

在电子技术创立的初期，由于对半导体的认识比较肤浅，加之在猜想过程中又选择了错误的假设，致使经典的半导体基础知识中出现了一些或者是无中生有的、或者是逻辑混乱的、或者是自相矛盾的、或者是牵强附会的认知和结论，这些错误的认知和结论，不仅对教师的讲授和学生的学习带来了很大的困惑，而且还因与正确的半导体基础知识不符而对开发制造半导体器件失去了指导意义。

综合本人在教学中的发现和电子业界中许多专家学者发表在互联网上的文献资料，数十年来流行于当今电子技术书籍上的经典半导体基础知识中主要在自由电子、空穴、P型半导体、PN结、PN结单向导电性、电子越过集电结、MOS管控制导通电流这7个方面存在错误的认知或错误的结论，下面我们依据原子理论、电学理论、化学理论和相关电子技术文献中已经公认的知识点对这7个方面存在的问题进行逐一的剖析和讨论。

1. “自由电子”问题

疑点：在温度、光照、电场力等外力作用时，半导体中原子上的价电子很容易脱离自身的运行轨道而成为自由电子。

讨论：严格来说，半导体有3种——四价的本征半导体、四价本征半导体中掺入五价杂质元素的掺杂半导体和四价本征半导体中掺入三价杂质元素的掺杂半导体，化学分析研究证实，这3种半导体中的原子排列结构示意图分别如图1（a）、图1（b）和图1（c）所示。

从图1可以看出，本征半导体中的原子上只有一种受原子核和共价键双重束缚的价电子，而掺杂半导体中的原子上除了有受原子核和共价键双重束缚的价电子以外还有一种只受原子核束缚却不受共价键束缚的价电子，由此我们可以得知，在温度、光照、电场力等外力作用于半导体时：

① 把受原子核和共价键双重束缚的价电子拉出价电子轨道所需的外力非常大，而把只受原子核束缚却不受共价键束缚的价电子拉出价电子轨道所需的外力却比较小。

② 正因为把受原子核和共价键双重束缚的价电子拉出价电子轨道所需的外力远大于把只受原子核束缚却不受共价键束缚的价电子拉出价电子轨道所需的外力，所以半导体中的自由电子实际都是被外力拉出来的只受原子核束缚却不受共价键束缚的价电子。

③ 在同等大小的外力作用于半导体时，本征半导体中能拉出来的价电子数量是微乎其微到接近于零的，而掺杂半导体中能拉出来的价电子数量却是非常庞大的——掺杂半导体中能够出现的自由电子数量是本征半导体中能够出现的自由电子数量的几十万倍甚至几百万倍。

图1     3种半导体中的原子排列结构示意图

结论：半导体中只有只受原子核束缚却不受共价键束缚的价电子能被拉出价电子轨道而成为自由电子！绝不可以错误地认为受原子核和共价键双重束缚的价电子也能被拉出价电子轨道而成为自由电子！

2.  “空穴”问题

疑点：掺杂半导体中存在空穴、空穴带正电、空穴是运载电荷的载流子。

讨论：我们先来讨论一下掺杂半导体中到底有没有“空穴”。

① 从图1中我们可以清楚地看出：无论是在四价本征半导体中掺入五价杂质元素还是在四价本征半导体中掺入三价杂质元素，掺杂半导体中的三价元素、四价元素、五价元素都仍是完整的原子，三价杂质元素的价电子轨道上、四价本征元素的价电子轨道上、五价杂质元素的价电子轨道上都没有出现所谓的“空穴”，所以化学分析研究为我们证明了掺杂半导体中并不存在所谓的“空穴”。

② 原子理论明确指出：原子是由带正电荷的原子核和带负电荷的电子组成的，原子核又是由带正电荷的质子和不带电荷的中子组成的，原子理论的这段表述充分证明了任何原子上都不存在所谓的“空穴”。既然掺杂半导体中的三价元素、四价元素、五价元素都仍是完整的原子，所以原子理论也为我们证明了掺杂半导体中并不存在所谓的“空穴”。

我们再来看看所谓的“空穴”到底是不是带正电，到底是不是运载电荷的载流子。

① 原子理论明确指出：原子中质子数量等于电子数量，且每个质子所带电量的数值与每个电子所带电量的数值完全相等但极性相反（质子带正电荷，电子带负电荷），这样原子对外才会呈电中性；如果一个原子上失去一个电子，那么这个原子将变成一个对外呈带正极性电荷的正离子。这些原子理论证明，只有正离子才带正电荷，而不是所谓的“空穴”带正电荷！

② 电学理论和原子理论都明确指出：电流都是自由电子作定向移动形成的。这句话就已十分明确地否定了“空穴”运载电荷的说法；电学理论和原子理论还明确指出：电源内部某种外力把带负电荷的电子从正极板移向负极板，外导体中电场力把带负电荷的电子从负极板移向正极板。这句话也充分证明了电路中只有电子在运载电荷，而没有所谓的“空穴”在运载电荷。

结论：掺杂半导体中根本就不存在也绝对不会出现所谓的“空穴”！“掺杂半导体中存在空穴、空穴带正电、空穴是运载电荷的载流子”一说纯粹是一个无中生有凭空捏造出来的错误认知。

3.  “P型半导体” 问题

疑点：有P型（空穴导电型）和N型（电子导电型）两种半导体；P型半导体中空穴是多数载流子，N型半导体中电子是多数载流子。

讨论：我们先来讨论一下掺杂半导体中到底有没有P型（空穴导电型）半导体。

① 当“掺杂半导体中根本就不存在也绝对不会出现所谓的‘空穴’ ”这个结论被证明成立时，“有P型（空穴导电型）和N型（电子导电型）两种半导体”这个错误认知也就没有再继续讨论的必要了——掺杂半导体中根本就没有空穴存在，又怎么会有P型（空穴导电型）半导体呢？

② 仔细观察图1可以发现：掺入五价杂质元素的半导体中五价杂质原子上存在一个只受原子核束缚却不受共价键束缚的价电子，掺入三价杂质元素的半导体中一部分四价本征原子上也存在一个只受原子核束缚却不受共价键束缚的价电子，在电场力作用时，这两种掺杂半导体中只有只受原子核束缚却不受共价键束缚的价电子才能够脱离自身的运行轨道成为自由电子并形成定向移动的电流。显而易见，掺入五价杂质元素的掺杂半导体和掺入三价杂质元素的掺杂半导体都是电子导电型半导体！既然两种掺杂半导体都是电子导电型半导体，怎么可能会有P型（空穴导电型）半导体存在呢？

我们再来看看所谓的P型半导体中“空穴”到底是不是多数载流子。

电子教科书在自己的文中非常清楚地强调：自由电子总是与空穴结伴而生，每出现一个自由电子，就必然会同时出现一个空穴，这就是说，无论怎么掺杂，掺杂半导体中自由电子的数量永远和空穴的数量是一样多的。既然如此，P型半导体中空穴怎么可能是多数载流子？N型半导体中电子又怎么可能是多数载流子？

结论：掺杂半导体中没有P型（空穴导电型）半导体！更没有“P型半导体中空穴是多数载流子，N型半导体中电子是多数载流子”这一无中生有且自相矛盾的说法！

4.   “PN结”问题

疑点：PN结是P区空穴扩散进N区后在P区留下带负电的离子、N区电子扩散进P区后在N区留下带正电的离子形成的，PN结上存在一个0.6V的内电场。

讨论：我们先来讨论一下PN结到底是不是P区空穴扩散进N区后在P区留下带负电的离子、N区电子扩散进P区后在N区留下带正电的离子形成的。

① 当“掺杂半导体中没有P型（空穴导电型）半导体”这个结论被证明成立时，“PN结是P区空穴扩散进N区后在P区留下带负电的离子、N区电子扩散进P区后在N区留下带正电的离子形成的”这个PN结形成机理也就无法再解释得通了——没有了P型半导体，也就没有了空穴，PN结还如何形成？

② 按照电子教科书上所说的电子与空穴复合的理论，扩散进N区的空穴应该与电子复合而消失，N区这一侧应该呈电中性，怎么会出现带正电的离子？同样，扩散进P区的电子应该与空穴复合而消失，P区这一侧也应该呈电中性，怎么会出现带负电的离子？很显然，用“PN结是P区空穴扩散进N区后在P区留下带负电的离子、N区电子扩散进P区后在N区留下带正电的离子形成的”来解释PN结的形成机理是自相矛盾且逻辑混乱的！

我们再来看看PN结上到底存在不存在一个0.6V的内电场。

大家知道，我们只在光电管或光电池上测出过电流或电压，但这并不能证明这就是PN结上的内电场，因为光电管和光电池是采用特殊的杂质元素和特定的工艺做出来的，并且是只有在有光照时才有随光照强度变化而变化的电流或电压出现。试问：有谁在PN结上测出过内电场的电压？我用最精密的电子毫伏表也从来未测出过，显然，“PN结上存在一个0.6V的内电场”是一个伪命题，完全是凭空想象出来的产物。

结论：用“PN结是P区空穴扩散进N区后在P区留下带负电的离子、N区电子扩散进P区后在N区留下带正电的离子形成的”来解释PN结的形成机理是解释不通的！“PN结上存在一个0.6V的内电场” 更是一个无中生有凭空想象出来的错误认知！

5.   “PN结单向导电性”问题

疑点：PN结具有单向导电的特性。

讨论：虽然电子教科书上PN结的形成机理是解释不通的，但电子教科书上所说的“PN结反偏时有极微小的反向电流通过”、“二极管其实就是一个PN结因此二极管反偏时也有极微小的反向电流通过”、“三极管中的电子可以越过反偏的集电结进入集电区”这3种情况倒是都是事实，这些事实都证明PN结反偏时是有反向电流通过的。既然PN结反偏时是有反向电流通过的即PN结反偏时是反向导通的，为何偏要把PN结说成是具有单向导电的特性呢？

结论：“PN结具有单向导电的特性”是一个牵强附会且逻辑混乱的结论！

6.   “电子越过集电结”问题

疑点：电子越过反向偏置的集电结进入集电区。

讨论： 按照电子教科书上的结论，PN结具有正偏时导通反偏时截止的单向导电性，既然如此，怎么三极管上的PN结反偏时却能导通了呢？难道是二极管中的PN结具有单向导电性而三极管中的PN结是具有双向导电性的？或者就三极管本身来说，发射区与基区构成的PN结具有正偏时导通反偏时截止的单向导电性，而基区与集电区构成的PN结却具有反偏时导通正偏时截止的单向导电性？这不是前后自相矛盾吗？

结论：“电子越过反向偏置的集电结进入集电区”这个说法与“PN结具有单向导电的特性”这个结论是自相矛盾的。

7.   “MOS管控制导通电流”问题

疑点：MOS管是利用导电沟道中感应电荷的多少来控制导通电流的大小的。

讨论：这里我们依据图2（a）所示的电子教科书上用于解释工作原理的MOS管的结构图和图2（b）所示的集成电路中实际MOS管的结构图来讨论这个问题。

图2     MOS管的结构示意图和实际结构图

按照电子教科书上用于解释MOS管工作原理的MOS管结构图，衬底电极U与绝缘层上栅极电极G是相对平行的，这样对PMOS管来说，电场力就可以使栅极的对面感应出带负电荷的反型层从而形成导电沟道，电场力越强，导电沟道就越宽，导通电流也就越大；而对于NMOS管来说，电场力就可以使栅极的对面感应出带正电荷的反型层从而形成导电沟道，电场力越强，导电沟道就越宽，导通电流也就越大，这样解释MOS管的工作原理似乎也合理。但现实的问题是：第一，集成电路中实际MOS管的结构图中，MOS管的衬底电极U与绝缘层上栅极电极G并不是相对平行的，试问这种结构是如何在栅极的对面感应出反型层的？第二，电子教科书上说P型半导体中几乎没有自由电子、N型半导体中几乎没有空穴，那么，怎么可能在P型半导体中感应出由电子组成的导电沟道、其电子又是从哪里来的？又怎么可能在N型半导体中感应出由空穴组成的导电沟道、其空穴又是从哪里来的？由此看来，用感应电荷形成导电沟道来解释MOS管工作原理也是十分牵强而无说服力的！

结论：“MOS管是利用导电沟道中感应电荷的多少来控制导通电流的大小的”这个认知也是一个凭空想象出来的牵强附会的认知。

综合上述的剖析我们可以看出，无中生有、牵强附会、逻辑混乱的错误认知和错误结论已经使经典半导体基础知识成了一套自相矛盾难圆其说且难以让人信服的理论，不仅仅是电子业界中的专家学者们就连一些电子教师们甚至初涉电子技术的莘莘学子们都对经典半导体基础知识提出了强烈的质疑。面对此情此景，置身于电子业界中的我们该怎么做？本人按照“提出质疑→大胆猜想→设法证明”的科学发现（或科学发明）规则，上下求索、苦苦思考，悟出了一套完全能够解释得通的且合理可信的全新半导体基础知识。

第二部分    全新半导体基础知识

自然界中的物质按导电能力来划分，可以分为导体、绝缘体和半导体三大类。电阻率小于的物质称为导体，导体的导电能力很好；电阻率大于的物质称为绝缘体，绝缘体的导电能力极差；电阻率在～之间的物质称为半导体，半导体（严格来说应是掺杂半导体）的导电能力介于导体和绝缘体之间。

导体、绝缘体和半导体都是同一自然界的物质，为什么却具有不同的导电能力呢？回答这个问题需从化学理论、原子理论和电学理论说起。

化学分析结果告诉我们：物质是由分子组成的，分子又是由原子组成的，而原子则是由带负电荷的电子和带正电荷的原子核组成的，由于电荷具有异性相吸同性相斥的特性，因此在原子核的吸引力作用下，电子总是按照既定的空间结构分层排列在原子核的周围。原子最外层的电子称为价电子，一个原子有几个价电子，该原子就称为几价元素。

物质的分子中，原子排列得非常紧密（原子间距约为），这就使得每个价电子除了受到自身原子核的吸引力外，还将受到邻近原子核的吸引力，于是就出现了两个相邻原子共用一对价电子这一特殊现象，显然这一对价电子是把相邻两原子紧密联系在一起的纽带，化学理论中把这条纽带称为共价键。一个原子有几个价电子，就有几条共价键与相邻的几个原子联系，显而易见，一个原子的共价键越多，分子结构就越稳定，价电子也就越不容易脱离自身的运行轨道，反之，一个原子的共价键越少，分子结构就越不稳定，价电子也就越容易脱离自身的运行轨道。研究和实验证明：由于价电子既受原子核的束缚同时又受共价键的束缚，所以只有在足够大的电场力作用时，价电子才能脱离自身的运行轨道而成为无规律自由运动的自由电子，一旦电场力消失，自由电子又会被离其最近的正离子（失去价电子的原子称为正离子）吸引而回归到价电子轨道上。

电学理论告诉我们：电压产生的电场中，带负电荷的自由电子会从电位低的地方向电位高的地方产生定向移动。带负电荷的自由电子从电位低的地方向电位高的地方作定向移动称为形成电子流，电子流移动的反方向规定为电流的方向。研究和实验都证明：电流都是由自由电子作定向移动形成的。

现在我们来解释导体、绝缘体和半导体具有不同导电能力的原理。

由于导体都是低价元素，一般只有两条甚至只有一条共价键，因此分子结构极不稳定，价电子很容易脱离自身运行轨道而成为自由电子，这样在电场力作用下，大量的自由电子就会后浪推前浪般的群体定向移动，从而形成很大的电流，故导体的导电能力很好。

由于绝缘体都是高价元素，一般都有7条甚至8条共价键，因此分子结构极其稳定，价电子很难脱离自身的运行轨道，这样在电场力作用下，几乎就没有自由电子作定向移动，自然也就无法形成电流，故绝缘体的导电能力极差。

由于半导体都是四价元素，具有4条共价键，因此分子结构既不象导体那样极不稳定又不象绝缘体那样极其稳定，但这种特殊结构却很容易被通过掺杂来改变，掺杂后的半导体中容易脱离自身运行轨道的价电子数量可以增加到既不象导体那样多又不象绝缘体那样少，这样在电场力作用下，作定向移动的自由电子数量只能是多于绝缘体而少于导体，从而形成不同大小的电流，故半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间。

半导体到底有什么用途？其工作机理又是怎样的呢？下面我们详细讨论这个问题。

2.1 本征半导体

未经提纯的含有无用杂质的半导体称为杂质半导体。杂质半导体没有实用意义，必须将其进行99.9999999％的提纯并拉制成具有完整晶体结构的硅棒后，才具有实用价值。

纯净的具有完整单晶结构的半导体称为本征半导体，目前应用最为广泛的本征半导体是由硅棒切成的硅片（俗称晶圆）。本征半导体是制造各种半导体器件所必需的基础材料。硅本征半导体的原子空间结构图和原子排列结构示意图如图3所示。

图3     硅本征半导体的原子空间结构图和原子排列结构示意图

本征半导体中，由于硅原子上有4个价电子，因此每个硅原子都有4条共价键与相邻的4个硅原子联系，这样一来，所有价电子的运行轨道就被共价键联结成了一张“价电子网”，现代半导体理论把这张“价电子网”称为价带，而把价带以外的区域也就是原子间的空隙部分称为导带。

本征半导体中，由于价电子受到原子核和共价键的双重束缚，故外力（特强的电场力除外）很难使价电子脱离自身的运行轨道，这就使得本征半导体中无法出现自由电子，在电场力作用时自然也就无法形成电流，因此本征半导体的电阻率高达，即导电能力与绝缘体差不多。

上述对本征半导体的分析研究使我们清醒地认识到，本征半导体的导电能力之所以与绝缘体差不多，主要原因就在于本征半导体中没有很容易脱离自身运行轨道的价电子，那么，有什么办法能使本征半导体中出现很容易脱离自身运行轨道的价电子，从而改变本征半导体的导电能力呢？科学家们想到了在本征半导体中掺入有用杂质元素的方法。

2.2 掺杂半导体

所谓掺杂，就是根据需要采用特定的工艺把特定的微量高纯度杂质元素注入并扩散到本征半导体中。掺入微量有用杂质元素后的本征半导体称为掺杂半导体。

2.2.1 G型半导体

若在四价的本征半导体中掺入千万分之一到百万分之一的高纯度五价杂质元素，这些杂质原子将均匀地分布在本征原子间并与本征原子进行有规律的重新组合，则这块本征半导体就变成了掺杂半导体。当1个五价杂质原子与4个四价本征原子结合起来时，杂质原子上就会有1个价电子出现在价电子轨道上远离共价键的地方，由于这个价电子虽受五价原孒核束缚但却不受共价键束缚，因此极易脱离自身的运行轨道而成为自由电子，我们把受原孒核束缚但不受共价键束缚的价电子称为易脱价电子，同时把由杂质原子提供易脱价电子的掺杂半导体称为客供（Guest provides）电子型半导体，并简称为G型半导体。

G型半导体的结构示意图和电子移动示意图如图4所示。

图4     G型半导体的结构示意图和电子移动示意图

G型半导体中，本征原子的结构和杂质原子的结构都没有发生变化，仍然都是完整的原子，五价杂质原子的价电子轨道上仍然只有5个价电子，四价本征原子的价电子轨道上仍然只有4个价电子，唯一发生变化的就是每个五价杂质原子的价电子轨道上有1个价电子变成了只受原孒核束缚却不受共价键束缚的易脱价电子。

G型半导体中，本征原子上以及杂质原子上受原子核和共价键双重束缚的价电子在电场力作用时都很难脱离自身的运行轨道，故都不参与导电，只有五价杂质原子上只受原孒核束缚却不受共价键束缚的易脱价电子在电场力作用时会很容易地脱离自身的运行轨道而成为自由电子，并从电位低的地方向电位高的地方作定向移动而形成电流。显而易见，G型半导体中的电流是电场力把易脱价电子拉到导带中成为自由电子后作定向移动形成的，因此G型半导体是一种由杂质原子提供易脱价电子的电子导电型半导体。

掺杂半导体的导电能力用电阻率来表征，而电阻率的大小则与掺杂浓度n和自由电子迁移率的乘积n成反比，即

对于G型半导体来说，由于掺入五价质元素后，易脱价电子是由杂质原子提供的，本征原子中并没有出现正离子，故使整个导带呈现出电中性，不会对在导带中移动的带负电荷的自由电子产生吸引力，这将有利于在本征原子间移动的自由电子的迁移率。很显然，我们只要把掺入五价杂质元素的浓度精确地控制在千万分之一到百万分之一之间，就能够把G型半导体的电阻率控制在～的范围内。

2.2.2 H型半导体

若在四价的本征半导体中掺入千万分之一到百万分之一的高纯度三价杂质元素，这些杂质原子将均匀地分布在本征原子间并与本征原子进行有规律的重新组合，则这块本征半导体也变成了掺杂半导体。当1个三价杂质原子与4个四价本征原子结合起来时，其中一个本征原子上就会有1个价电子出现在价电子轨道上远离共价键的地方，由于这个价电子虽受四价原孒核束缚但却不受共价键束缚，因此极易脱离自身的运行轨道而成为自由电子，我们把由本征原子提供易脱价电子的掺杂半导体称为主供（Host provides）电子型半导体，并简称为H型半导体。

H型半导体的结构示意图和电子移动示意图如图5所示。

 

图5     H型半导体的结构示意图和电子移动示意图

（图4和图5中的空心小圆圈仅表示被拉走成为自由电子的价电子原来所在的位置）

H型半导体中，本征原子的结构和杂质原子的结构都没有发生变化，仍然都是完整的原子，三价杂质原子的价电子轨道上仍然只有3个价电子，四价本征原子的价电子轨道上仍然只有4个价电子，唯一发生变化的就是部分四价本征原子的价电子轨道上有1个价电子变成了只受原孒核束缚却不受共价键束缚的易脱价电子。

H型半导体中，本征原子上以及杂质原子上受原子核和共价键双重束缚的价电子在电场力作用时都很难脱离自身的运行轨道，故都不参与导电，只有部分四价本征原子上只受原孒核束缚却不受共价键束缚的易脱价电子在电场力作用时会很容易地脱离自身的运行轨道而成为自由电子，并从电位低的地方向电位高的地方作定向移动而形成电流。显而易见，H型半导体中的电流也是电场力把易脱价电子拉到导带中成为自由电子后作定向移动形成的，因此H型半导体是一种由本征原子提供易脱价电子的电子导电型半导体。

对于H型半导体来说，由于掺入三价杂质元素后，易脱价电子是由本征原子提供的，因而在本征原子中出现了大量的正离子，这些正离子不仅使整个导带呈现出正极性，正离子所带的正电荷还将对在导带中移动的带负电荷的自由电子产生吸引力，这将不利于在本征原子间移动的自由电子的迁移率。很显然，我们只要把掺入三价杂质元素的浓度精确地控制在千万分之一到百万分之一之间，就能够把H型半导体的电阻率控制在～的范围内。

2.3 HG结

2.3.1 HG结的结构

先把片状硅本征半导体掺杂成较高浓度的H型半导体，再把H型半导体上的一部分掺杂成较高浓度的G型半导体，或者先把片状硅本征半导体掺杂成较高浓度的G型半导体，再把G型半导体上的一部分掺杂成较高浓度的H型半导体，这样就得到了一个H型半导体与G型半导体的结合体。

把H型半导体的一部分掺杂成G型半导体或者把G型半导体的一部分掺杂成H型半导体所得到的H型半导体与G型半导体的结合体称为HG结。

HG结的结构示意图如图6所示。

图6     HG结的结构示意图

2.3.2 HG结的导电特性

对于HG结，我们在这里强调：

① HG结的导电特性除必须考虑导通和截止两种工作状态以及必须考虑导通与截止的条件分别是什么外，还必须考虑导通程度的深浅。

② 只有自由电子从一个区域向紧邻的另一个区域作定向移动时，我们才能认为HG结是处于导通状态的，否则就认为HG结是处于截止状态的。

③ 给HG结外加电压时，有两种连接方式：第一种接法是H型区接直流电压的正极端G型区接直流电压的负极端，人们把H型区接直流电压的正极端G型区接直流电压的负极端这种连接方式称为给HG结加正向偏置电压，简称为正偏；第二种接法是G型区接直流电压的正极端H型区接直流电压的负极端，人们把G型区接直流电压的正极端H型区接直流电压的负极端这种连接方式称为给HG结加反向偏置电压，简称为反偏。

现在我们通过图7所示的实验电路来探寻HG结的导电特性。

我们先把HG结的H型区接直流电压的正极端、G型区接直流电压的负极端，从实验中得知：当正偏电压＜0.5V时，HG结中没有电流通过，此时HG结处于截止状态；当正偏电压≥0.5V时，HG结中开始出现正向电流并随着正偏电压的增大而增大，此时HG结处于正向导通状态。

我们再把HG结的G型区接直流电压的正极端、H型区接直流电压的负极端，从实验中得知：当反偏电压＜0.5V时，HG结中没有电流通过，此时HG结处于截止状态；当反偏电压≥0.5V时，HG结中开始出现反向电流并随着反偏电压的增大而增大，此时HG结处于反向导通状态。

图7     探寻HG结导电特性的实验电路

换用不同掺杂浓度的HG结重复上述实验，我们总结出的HG结的导电特性是：

① HG结有三种工作状态——截止状态、正向导通状态和反向导通状态。当HG结上加＜0.5V的正偏电压时以及加＜0.5V的反偏电压时截止、加≥0.5V的正偏电压且低电位区域存在易脱价电子时正向导通、加≥0.5V的反偏电压且低电位区域存在易脱价电子时反向导通。

② HG结导通后，导通电流随偏置电压的变化而变化，即偏置电压变大时导通电流也变大、偏置电压变小时导通电流也变小。

2.3.3 HG结的工作原理

仔细分析HG结的结构和导电特性可以让我们认识到：HG结是利用“当偏置电压足够大时，HG结中低电位区域的易脱价电子将被电场力拉到导带中成为自由电子并从低电位区域向高电位区域作定向移动”这一原理进行工作的。

HG结上加＜0.5V的正偏电压时，虽然G型区中有大量的易脱价电子，但由于此时电场力太小还无力把易脱价电子拉到导带中成为自由电子，故没有自由电子可移动，或者是由于此时电场力较小只够把易脱价电子拉到导带中成为自由电子，却无力去移动G型区中的自由电子，所以HG结中没有电流通过。

当HG结上所加的正偏电压≥0.5V时，由于G型区中存在大量的易脱价电子，电场力又已具备了把易脱价电子拉到导带中成为自由电子的能力并有余力去移动G型区中的自由电子，所以G型区中大量的自由电子可以前赴后继地从电位低的G型区移向电位高的H型区，从而使HG结中有较大的正向电流通过。

HG结上加＜0.5V的反偏电压时，虽然H型区中有大量的易脱价电子，但由于此时电场力太小还无力把易脱价电子拉到导带中成为自由电子，故没有自由电子可移动，或者是由于此时电场力较小只够把易脱价电子拉到导带中成为自由电子，却无力去移动H型区中的自由电子，所以HG结中没有电流通过。

当HG结上所加的反偏电压≥0.5V时，由于H型区中存在大量的易脱价电子，电场力又已具备了把易脱价电子拉到导带中成为自由电子的能力并有余力去移动H型区中的自由电子，所以H型区中大量的自由电子可以前赴后继地从电位低的H型区移向电位高的G型区，从而使HG结中有较大的反向电流通过。

HG结中的电流大小，是由掺杂浓度的高低和偏置电压的大小共同决定的。掺杂浓度越高，产生的易脱价电子数量就越多，能产生定向移动的自由电子数量也就越多，则形成的电流也就越大，反之，掺杂浓度越低，产生的易脱价电子数量就越少，能产生定向移动的自由电子数量也就越少，则形成的电流也就越小；由于能把多少易脱价电子变成自由电子以及能使多少自由电子产生定向移动都是由电场力的大小来决定的，而电场力的大小则是由偏置电压的大小决定的，因此HG结导通后，偏置电压越大，产生的电场力也越大，易脱价电子变成的自由电子数量就越多，产生定向移动的自由电子数量也就越多，自然是导通电流也越大了，反之，偏置电压越小，产生的电场力也越小，易脱价电子变成的自由电子数量就越少，产生定向移动的自由电子数量也就越少，自然是导通电流也越小了。

至于HG结中出现电流即开始导通的电压阈值问题，理论研究认为：一方面，虽然易脱价电子不受共价键的束缚，但仍然受到原子核的束缚，所以只有电场力大于原子核的吸引力时，易脱价电子才能挣脱原子核的束缚而成为自由电子；另一方面，电场力把易脱价电子拉入原子空隙中成为自由电子后，如果强度已无力再去推动自由电子作定向移动，那么自由电子就只能作无规律的自由运动，因此只有更高强度的电场力才能使自由电子产生定向移动。由此可知，要使易脱价电子挣脱原子核的束缚成为自由电子并产生定向移动，加在HG结上的电场力强度必须要足够大，实践证明，使硅半导体中易脱价电子挣脱原子核的束缚成为自由电子并产生定向移动的电压阈值为0.5V。

2.4  全新半导体基础知识的应用要点

第一，掺杂半导体中，无论掺入的是三价杂质元素还是五价杂质元素，也无论掺杂的浓度是高还是低，掺杂半导体中本征原子和杂质原子都仍然是完整的原子，整体仍呈电中性，所以无论何种外力都仍然很难把受原子核和共价键双重束缚的价电子拉到导带中参与导电，而只能把掺杂后才出现的只受原子核束缚却不受共价键束缚的易脱价电子拉到导带中参与导电，很显然，半导体理论和半导体器件理论中所说的“电子”，指的既不是本征原子上受原子核和共价键双重束缚的价电子也不是杂质原子上受原子核和共价键双重束缚的价电子，而所指的只是“G型半导体中五价杂质原子上只受原子核束缚却不受共价键束缚的易脱价电子以及H型半导体中四价本征原子上只受原子核束缚却不受共价键束缚的易脱价电子”！因此我们在学习研究和应用半导体基础知识时，一定要撇开本征半导体而只关注掺杂半导体；一定要撇开本征原子上和杂质原子上受原子核和共价键双重束缚的价电子，而只关注和讨论只受原子核束缚却不受共价键束缚的易脱价电子！

第二，虽然掺杂半导体价带中的易脱价电子在电场、磁场、温度、光照、物理力或化学力等外力作用下，都能够被拉到导带中成为自由电子，但在学习研究和应用半导体基础知识时，我们必须暂缓考虑磁场、温度、光照、物理力或化学力等外力对易脱价电子产生的影响，而只关注和讨论在室温条件下电场力对易脱价电子产生的影响，即只关注和讨论没有外加电场时和有外加电场时易脱价电子所表现出来的现象！

第三，HG结的制作方法是把H型半导体的一部分掺杂成G型半导体或者把G型半导体的一部分掺杂成H型半导体。HG结是利用“当偏置电压足够大时，HG结中低电位区域的易脱价电子将被电场力拉到导带中成为自由电子并从低电位区域向高电位区域作定向移动”这一原理进行工作的，显而易见，要使HG结中出现电流，就必须要同时满足“HG结上加有能产生足够强度电场力的电压”和“HG结中低电位区域存在易脱价电子”这两个条件。HG结中的电流大小，是由掺杂浓度的高低和偏置电压的大小共同决定的——掺杂浓度越高，产生的易脱价电子数量就越多，能产生定向移动的自由电子数量也就越多，则形成的电流也就越大；HG结上所加偏置电压越高，产生的电场力就越大，被拉到导带中的易脱价电子数量就越多，参与定向移动的自由电子数量也就越多，则形成的电流也就越大。在制造半导体器件时，如果我们根据需要用掺杂浓度存在差异的H型半导体和G型半导体来制作单个HG结、依次反向串联排列的HG结组合体，那么我们就将得到一系列的导电特性互不相同功能作用也互不相同的半导体器件。这里所述的HG结的制作方法、HG结的工作原理、决定HG结中电流大小的因素和HG结的组合方式，对于开发制造半导体器件具有极其重要的现实意义——在当今电子技术和微电子技术中担当关键性核心器件的半导体器件，都是在HG结的基础上经演变或者组合而制造出来的，因此我们说，HG结是各种半导体器件的基础构成，没有HG结就没有半导体器件！没有HG结就没有当今的电子技术和微电子技术！

第四，在集成电路制造技术中，本征半导体既是制作半导体器件的基础材料，又是器件与器件之间的隔离层；掺杂浓度极高的G型半导体可作为电容器的极板或电感器的线圈使用，掺杂浓度在千万分之一到百万分之一之间的H型半导体或G型半导体（即由H型区或由G型区构成的单区域半导体器件）可作为不同阻值的电阻器使用；而用掺杂浓度存在差异的H型半导体和G型半导体制作出的单个HG结（即由H型区‐G型区构成的两区域半导体器件）、两个反向串联的HG结（即由H型区‐G型区‐H型区或者G型区‐H型区‐G型区构成的三区域半导体器件）、三个依次反向串联的HG结（即由G型区‐H型区‐G型区‐H型区构成的四区域半导体器件）和四个依次反向串联的HG结（即由H型区‐G型区‐H型区‐G型区‐H型区构成的五区域半导体器件），则是当今电子技术和微电子技术中不可或缺的关键性核心器件！

第三部分    用全新半导体基础知识解读

            半导体器件的工作原理

3.1  二极管

3.1.1  二极管的结构

如果先把片状硅本征半导体掺杂成极低浓度的H－型半导体，再把H－型半导体上的一部分掺杂成高浓度的G＋型半导体，然后从H－型区和G＋型区各引出一个电极（分立元件还需进行封装），那么就制造出了一只特殊的硅两区域（H型区‐G型区）半导体器件。

特殊的两区域半导体器件通常都被人们称为半导体二极管或者称为晶体二极管，我们倡议直接简称为二极管。

二极管的结构示意图和电路符号如图8所示。

图8     二极管的结构示意图和电路符号

二极管的电路符号中，三角形表示二极管的H－型区，短线段表示二极管的G＋型区，从H－型区和G＋型区引出的电极分别称为H极（俗称正极）和G极（俗称负极），三角形与H极组成的箭头则指出了二极管中电流的方向。

3.1.2  二极管的导电特性

对于二极管，我们在这里特别强调：

由于二极管实际是一个G型区掺杂浓度远高于H型区掺杂浓度的特殊HG结，因此我们在探寻二极管的导电特性时，除必须考虑导通和截止两种工作状态以及必须考虑导通与截止的条件分别是什么外，还必须考虑导通程度的深浅以及正向电流与反向电流之间的差异问题。

现在我们通过图9所示的实验电路来探寻二极管的导电特性。

我们先把二极管的H极接直流电压的正极端、G极接直流电压的负极端，从实验中得知：当正偏电压＜0.5V时，二极管中没有电流通过，此时二极管处于截止状态；当正偏电压≥0.5V时，二极管中开始出现正向电流并随着正偏电压的增大而增大，此时二极管处于正向导通状态。

从实验中还得知：当正偏电压≥0.65V后，尽管电源电压仍在继续变大，但二极管上的正向电压降UHG却基本保持在0.65V左右不再变化，而负载上的电压降URL却跟随电源电压的变化而变化。

图9     探寻二极管导电特性的实验电路

我们再把二极管的G极接直流电压的正极端、H极接直流电压的负极端，从实验中得知：当反偏电压＜0.5V时，二极管中没有电流通过，此时二极管处于截止状态；当反偏电压≥0.5V时，二极管中有极其微小的反向电流通过，此时二极管处于反向导通状态。对于加≥0.5V的反偏电压时二极管处于反向导通状态有极其微小的反向电流通过这一问题，这里特别说明两点：

① 虽然二极管加≥0.5V的反偏电压时事实上是反向导通的，但由于反向导通时极其微小的反向电流与正向导通时较大的正向电流相比，已经小到完全可以忽略不计的程度，所以在当今的业界中，人们都约定俗成地认为：二极管加≥0.5V的反偏电压时也是处于截止状态的。

② 反向电流之所以极其微小，是因为H－型区掺杂浓度极低使易脱价电子极少而造成的，其实这是制造二极管时特意这样做的，目的就是为了让二极管具有单向导电的特性。

换用不同种类的二极管重复上述实验，我们总结出的二极管的导电特性是：

① 二极管有两种工作状态——截止状态和正向导通状态，当二极管上加＜0.5V的正偏电压时以及加反偏电压时截止、加≥0.5V的正偏电压时正向导通。也就是说，二极管具有单向导电的特性。

② 二极管正向导通后，二极管上的正向电压降基本恒定在0.65V左右。

③ 二极管正向导通后，二极管的输出电压始终跟随输入电压的变化而变化。

二极管两端的电压UHG和流过二极管的电流IHG之间的关系曲线，称为二极管的伏安特性曲线。如果通过伏安特性曲线来了解二极管的导电特性，将会更加直观明了、更加清晰易懂。图10示出的是硅二极管的伏安特性曲线。

图10      硅二极管的伏安特性曲线

3.1.3  二极管的工作原理

由于二极管实际是一个特殊的HG结，因此二极管是利用“当偏置电压足够大时，HG结中低电位区域的易脱价电子将被电场力拉到导带中成为自由电子并从低电位区域向高电位区域作定向移动”这一原理进行工作的。

二极管上加＜0.5V的反偏电压时，虽然H－型区中有极微量的易脱价电子，但由于此时电场力太小还无力把易脱价电子拉到导带中成为自由电子，故没有自由电子可移动，或者是由于此时电场力较小只够把易脱价电子拉到导带中成为自由电子，却无力去移动H－型区中的自由电子，所以二极管中没有电流通过。

当二极管上所加的反偏电压≥0.5V时，由于H－型区中存在极微量的易脱价电子，电场力又已具备了把易脱价电子拉到导带中成为自由电子的能力并有余力去移动H－型区中的自由电子，所以H－型区中极微量的自由电子可以从电位低的H－型区移向电位高的G＋型区，从而使二极管中有极微小的反向电流通过。

二极管上加＜0.5V的正偏电压时，虽然G＋型区中有大量的易脱价电子，但由于此时电场力太小还无力把易脱价电子拉到导带中成为自由电子，故没有自由电子可移动，或者是由于此时电场力较小只够把易脱价电子拉到导带中成为自由电子，却无力去移动G＋型区中的自由电子，所以二极管中没有电流通过。

当二极管上所加的正偏电压≥0.5V时，由于G＋型区中存在大量的易脱价电子，电场力又已具备了把易脱价电子拉到导带中成为自由电子的能力并有余力去移动G＋型区中的自由电子，所以G＋型区中大量的自由电子可以前赴后继地从电位低的G＋型区移向电位高的H－型区，从而使二极管中有较大的正向电流通过。

由于二极管实际是一个G型区掺杂浓度远高于H型区掺杂浓度的特殊HG结，因此二极管加≥0.5V的反偏电压时必然是反向导通的，但由于反向导通时极其微小的反向电流与正向导通时较大的正向电流相比，已经小到完全可以忽略不计的程度，所以在当今的业界中，人们都约定俗成地认为二极管加≥0.5V的反偏电压时也是处于截止状态的，于是就有了二极管具有单向导电性的概念。

在二极管正向导通的初期，由于H－型半导体的电阻率较大，故二极管的正向压降会随着导通电流的增大而逐渐从0.5V增大到0.65V；当正向压降增加到0.65V左右时，二极管已达到了深度导通程度，此时的H－型半导体的电阻率已经很小，这就使得二极管的正向压降随着导通电流的增大而增大的幅度已不太明显，所以二极管的正向电压降基本恒定在0.65V左右。

至于二极管中出现电流即开始导通的电压阈值问题，由于二极管实际上就是一个特殊的HG结，因此二极管出现阈值的原理以及阈值的大小就与HG结出现阈值的原理以及阈值的大小是完全相同的。

通过对本征半导体进行不同元素的掺杂以及不同浓度的掺杂，可制造出多种不同功能的特殊二极管，例如稳压二极管、发光二极管、光敏二极管、磁敏二极管、气敏二极管、湿敏二极管、温敏二极管等，有兴趣者可参阅其他电子书刊作进一步的深入了解。

3.2  三极管

在同一块本征半导体上掺杂出类型不同掺杂浓度也不同的两种半导体，我们制造出了具有单向导电特性的二极管，那如果在同一块本征半导体上掺杂出两端是同一类型半导体中间是不同类型的半导体，我们又会得到一种具有什么样导电特性的半导体器件呢？

3.2.1  三极管的结构

先把片状硅本征半导体掺杂成浓度极低的G型半导体（G型区），再把G型半导体的一端掺杂成浓度极高的H型半导体（H型1区），另一端掺杂成浓度较高的H型半导体（H型2区），然后从G型区和两个H型区各引出一个电极（分立元件还需进行封装），这样就制造出了一只三区域（H型区‐G型区‐H型区）半导体器件。

先把片状硅本征半导体掺杂成浓度极低的H型半导体（H型区），再把H型半导体的一端掺杂成浓度极高的G型半导体（G型1区），另一端掺杂成浓度较高的G型半导体（G型2区），然后从H型区和两个G型区各引出一个电极（分立元件还需进行封装），这样就制造出了一只三区域（G型区‐H型区‐G型区）半导体器件。

H型区‐G型区‐H型区三区域半导体器件通常被人们称为HGH型半导体三极管或者称为HGH型晶体三极管，我们倡议直接简称为HGH管。

G型区‐H型区‐G型区三区域半导体器件通常被人们称为GHG型半导体三极管或者称为GHG型晶体三极管，我们倡议直接简称为GHG管。

HGH管和GHG管的结构示意图和我们倡议的电路符号如图11所示。

图11     HGH管和GHG管的结构示意图和电路符号

HGH管的电路符号中，三根短线段从上到下依次表示HGH管的H型2区、G型区和H型1区，从H型2区、G型区和H型1区引出的三个电极分别称为H2极、G极和H1极，箭头则指出了HGH管中总电流的方向。

GHG管的电路符号中，三根短线段从上到下依次表示GHG管的G型2区、H型区和G型1区，从G型2区、H型区和G型1区引出的三个电极分别称为G2极、H极和G1极，箭头则指出了GHG管中总电流的方向。

先把片状硅本征半导体掺杂成浓度极低的G型半导体，再把G型半导体从左到右按一定间隔掺杂出高浓度的H型1区、H型2区和G＋型区，再在H型1区和H型2区之间的G型半导体上覆盖一层二氧化硅绝缘层，然后从绝缘层、H型2区连同G＋型区、H型1区上各引出一个电极（分立元件还需进行封装），这样就制造出了一只三区域（H型区‐G型区‐H型区）金属‐氧化物‐半导体器件。

先把片状硅本征半导体掺杂成浓度极低的H型半导体，再把H型半导体从左到右按一定间隔掺杂出高浓度的H＋型区、G型1区和G型2区，再在G型1区和G型2区之间的H型半导体上覆盖一层二氧化硅绝缘层，然后从绝缘层、G型1区连同H＋型区、G型2区上各引出一个电极（分立元件还需进行封装），这样就制造出了一只三区域（G型区‐H型区‐G型区）金属‐氧化物‐半导体器件。

H型区‐G型区‐H型区三区域金属‐氧化物‐半导体器件通常被人们称为HMOS型场效应三极管，我们倡议直接简称为HMOS管。

G型区‐H型区‐G型区三区域金属‐氧化物‐半导体器件通常被人们称为GMOS型场效应三极管，我们倡议直接简称为GMOS管。

HMOS管和GMOS管的结构示意图和我们倡议的电路符号如图12所示。

图12     HMOS管和GMOS管的结构示意图和电路符号

HMOS管的电路符号中，三根短线段从上到下依次表示HMOS管的H型2区、G型区和H型1区，左边的长线段表示绝缘层，箭头右下方与箭头垂直的线段表示G＋型区，从H型2区连同G＋型区、绝缘层和H型1区引出的三个电极分别称为H2极、G极和H1极，箭头则指出了HMOS管中总电流的方向。

GMOS管的电路符号中，三根短线段从上到下依次表示GMOS管的G型2区、H型区和G型1区，左边的长线段表示绝缘层，箭头右上方与箭头垂直的线段表示H＋型区，从G型2区、绝缘层和G型1区连同H＋型区引出的三个电极分别称为G2极、H极和G1极，箭头则指出了GMOS管中总电流的方向。

3.2.2  三极管的导电特性

对于三极管，我们在这里强调：

① 三极管的导电特性除必须考虑导通和截止两种工作状态以及必须考虑导通与截止的条件分别是什么外，还必须考虑导通程度的深浅。

② 只有自由电子从H型1区移动进紧邻的G型区再移动进紧邻的H型2区时、或者自由电子从G型1区移动进紧邻的H型区再移动进紧邻的G型2区时，我们才能认为三极管是处于导通状态的，否则就认为三极管是处于截止状态的。

③ 由于三极管具有H型区‐G型区‐H型区和G型区‐H型区‐G型区两种排列方式，因此，只有HGH管和HMOS管的H2极和H1极之间加上H2极为正H1极为负的直流电压且H2极和G极之间加上H2极为正G极为负的直流电压时，自由电子才可能从电位低的H型1区向电位高的H型2区作定向移动；只有GHG管和GMOS管的G2极和G1极之间加上G2极为正G1极为负的直流电压且H极和G1极之间加上H极为正G1极为负的直流电压时，自由电子才可能从电位低的G型1区向电位高的G型2区作定向移动。

现在我们通过图13和图14所示的实验电路来探寻GHG管和HGH管的导电特性。（实验电路和实验数据均摘自互联网上高等院校或专家学者的实验报告）

图13     探寻GHG管导电特性的实验电路

我们先按图13所示把GHG管的G2极和G1极之间加上G2极为正G1极为负的直流电压UG2G1、H极和G1极之间加上H极为正G1极为负的直流电压UHG1，从实验中得知：当UHG1＜0.5V时，GHG管中没有电流通过，此时GHG管处于截止状态；当UHG1≥0.5V时，GHG管中不仅有正向电流通过而且其电流值还随着UHG1的变化而变化（参见表1），此时GHG管处于受控导通状态；当UHG1增大到使UG2G1＜1.2V时，GHG管的正向电流恒定为某一固定值而不再随UHG1的增大而增大，此时GHG管处于饱和导通状态。

表1     GHG管IG2随UHG1变化而变化的数据

图14     探寻HGH管导电特性的实验电路

我们再按图14所示把HGH管的H2极和H1极之间加上H2极为正H1极为负的直流电压UH2H1、H2极和G极之间加上H2极为正G极为负的直流电压UH2G，从实验中得知：当UH2G＜0.5V时，HGH管中没有电流通过，此时HGH管处于截止状态；当UH2G≥0.5V时，HGH管中不仅有正向电流通过而且其电流值还随着UH2G的变化而变化（参见表2），此时HGH管处于受控导通状态；当UH2G增大到使UH2H1＜1.2V时，HGH管的正向电流恒定为某一固定值而不再随UH2G的增大而增大，此时HGH管处于饱和导通状态。

表2     HGH管IH1随UH2G变化而变化的数据

接下来我们再通过图15和图16所示的实验电路来探寻GMOS管和HMOS管的导电特性。（实验电路和实验数据均摘自互联网上高等院校或专家学者的实验报告）

图15     探寻GMOS管导电特性的实验电路

我们先按图15所示把GMOS管的G2极和G1极之间加上G2极为正G1极为负的直流电压UG2G1、H极和G1极之间加上H极为正G1极为负的直流电压UHG1，从实验中得知：当UHG1＜2V时，GMOS管中没有电流通过，此时GMOS管处于截止状态；当UHG1≥2V时，GMOS管中不仅有正向电流通过而且其电流值还随着UHG1的变化而变化（参见表3），此时GMOS管处于受控导通状态；当UHG1增大到使UG2G1＜1.2V时，GMOS管的正向电流恒定为某一固定值而不再随UHG1的增大而增大，此时GMOS管处于饱和导通状态。

表3     GMOS管IG2随UHG1变化而变化的数据

图16     探寻HMOS管导电特性的实验电路

我们再按图16所示把HMOS管的H2极和H1极之间加上H2极为正H1极为负的直流电压UH2H1、H2极和G极之间加上H2极为正G极为负的直流电压UH2G，从实验中得知：当UH2G＜2V时，HMOS管中没有电流通过，此时HMOS管处于截止状态；当UH2G≥2V时，HMOS管中不仅有正向电流通过而且其电流值还随着UH2G的变化而变化（参见表4），此时HMOS管处于受控导通状态；当UH2G增大到使UH2H1＜1.2V时，HMOS管的正向电流恒定为某一固定值而不再随UH2G的增大而增大，此时HMOS管处于饱和导通状态。

表4     HMOS管IH1随UH2G变化而变化的数据

换用不同跨导的三极管重复上述实验，我们总结出的三极管的导电特性是：

① 三极管可以分别工作于三种工作状态——截止状态、受控导通状态和饱和导通状态，工作于截止状态、受控导通状态和饱和导通状态所需的外部条件如表5所示。

表5     三区域半导体器件各种工作状态所需的外部条件

② 三极管工作在受控导通状态时，输入电压的微小变化可引起导通电流的较大变化，并且导通电流变化量∆IG2（∆IH1）总是输入电压变化量∆UHG1（∆UH2G）的某一固定倍数。

三极管导通电流的变化量∆IG2与输入电压的变化量∆UHG1（或者导通电流的变化量∆IH1与输入电压的变化量∆UH2G）的比值称为三极管的跨导，即

跨导的单位是毫西（mS），GHG管和HGH管的跨导一般为几十毫西，GMOS管和HMOS管的跨导一般为几毫西。跨导表征了三极管输入电压对导通电流的控制能力。

三极管两端的电压UG2G1为某一固定值时输入电压UHG1与导通电流IG2（或者两端的电压UH2H1为某一固定值时输入电压UH2G与导通电流IH1）之间的关系曲线，称为三极管的转移特性曲线；三极管输入电压UHG1分别为不同的固定值时两端的电压UG2G1与导通电流IG2（或者输入电压UH2G分别为不同的固定值时两端的电压UH2H1与导通电流IH1）之间的关系曲线，称为三极管的输出特性曲线。如果通过转移特性曲线和输出特性曲线来了解三极管的导电特性，将会更加直观明了、更加清晰易懂。图17示出的是GHG管的转移特性曲线和输出特性曲线，图18示出的是GMOS管的转移特性曲线和输出特性曲线。

图17     GHG管的转移特性曲线和输出特性曲线

图18     GMOS管的转移特性曲线和输出特性曲线

3.2.3  三极管的工作原理

1. GHG管和HGH管的工作原理

图19示出了GHG管和HGH管的等效结构图，从等效结构图可以看出：GHG管可等效于由HG1结和HG2结这两个HG结级联组合而成的，而HGH管则可等效于由H2G结和H1G结这两个HG结级联组合而成的，因此，GHG管和HGH管都是利用“当偏置电压足够大时，HG结中低电位区域的易脱价电子将被电场力拉到导带中成为自由电子并从低电位区域向高电位区域作定向移动”这一原理进行工作的。

图19     用等效结构图研究GHG管和HGH管的工作原理

① 当GHG管的UHG1＜0.5V时，对于HG1结来说，虽然G型1区中存在大量的易脱价电子，但由于电压UHG1太小还无力把易脱价电子拉到导带中成为自由电子，故没有自由电子可移动，或者是由于此时电场力较小只够把易脱价电子拉到导带中成为自由电子却无力去移动G型1区中的自由电子，故HG1结中没有电流通过；而对于HG2结来说，虽然电压UG2H较大，H型区中又存在易脱价电子，H型区中的自由电子可以从电位低的H型区移向电位高的G型2区，但由于H型区中的自由电子数量极少，故HG2结中只有极微量的电流通过。此时从整个GHG管来看，两个HG结中HG1结截止HG2结导通，自由电子无法从G型1区移动到G型2区，所以GHG管处于截止状态。

当GHG管的UHG1≥0.5V时，对于HG1结来说，由于G型1区中存在大量的易脱价电子，电压UHG1又已具备了移动G型1区中自由电子的能力，所以G型1区中大量的自由电子可以前赴后继地从电位低的G型1区移向电位高的H型区，故HG1结中有很大的电流通过；而对于HG2结来说，由于电压UG2H较大，H型区中又移进了大量的自由电子，所以H型区中大量的自由电子可以前赴后继地从电位低的H型区移向电位高的G型2区，故HG2结中也有较大的电流通过。此时从整个GHG管来看，两个HG结中HG1结和HG2结全都导通，大量的自由电子是前赴后继地从电位低的G型1区移向电位高的H型区、移进H型区中的自由电子又前赴后继地从电位低的H型区移向电位高的G型2区，故GHG管处于导通状态。在GHG管导通期间，由于电压UHG1越大，产生的电场力就越大，G型1区中被拉到导带中的易脱价电子数量就越多，参与定向移动的自由电子数量也就越多，则形成的电流也就越大，就整个GHG管中的电流来看，电压UHG1最终影响的其实是G2极电流的大小，即UHG1越大IG2越大、UHG1越小IG2越小，也就是说输入电压严格控制着导通电流的大小，所以此时的GHG管处于受控导通状态。

当GHG管的UHG1增大到使UG2G1＜1.2V时，虽然此时的HG2结已是很小的反偏甚至转为正偏，但GHG管上所加电压仍是G型2区为正G型1区为负，自由电子仍能从电位低的G型1区向电位高的G型2区作定向移动，另一方面由于此时G型1区中的易脱价电子几乎是倾其所有都被拉到了导带中，即使UHG1继续增大也无法再提供更多的自由电子，这就使得移进H型区的自由电子数量几乎是个最大值，这样GHG管的正向电流也就只能恒定为某一固定值而无法再随UHG1的增大而增大了，所以GHG管处于饱和导通状态。

② 当HGH管的UH2G＜0.5V时，对于H1G结来说，由于电压UGH1较大，H型1区中又存在大量的易脱价电子，所以H型1区中大量的自由电子可以从电位低的H型1区移向电位高的G型区，故H1G结中有很大的电流通过；而对于H2G结来说，虽然G型区中己经移进了大量的自由电子，但由于电压UH2G太小还移动不了G型区中的自由电子，故H2G结中没有电流通过。此时从整个HGH管来看，两个HG结中H1G结导通H2G结截止，自由电子无法从H型1区移动到H型2区，所以HGH管处于截止状态。

当HGH管的UH2G≥0.5V时，对于H1G结来说，由于电压UGH1较大，H型1区中又存在大量的易脱价电子，所以H型1区中大量的自由电子可以前赴后继地从电位低的H型1区移向电位高的G型区，故H1G结中有很大的电流通过；而对于H2G结来说，由于G型区中己经移进了大量的自由电子，电压UH2G又已具备了移动G型区中自由电子的能力，所以G型区中大量的自由电子可以前赴后继地从电位低的G型区移向电位高的H型2区，故H2G结中也有较大的电流通过。此时从整个HGH管来看，两个HG结中H1G结和H2G结全都导通，大量的自由电子是前赴后继地从电位低的H型1区移向电位高的G型区、移进G型区中的自由电子又前赴后继地从电位低的G型区移向电位高的H型2区，故HGH管处于导通状态。在HGH管导通期间，由于电压UH2G越大，产生的电场力就越大，G型区中被移进H型2区的自由电子数量也就越多，则形成的电流也就越大，就整个HGH管中的电流来看，电压UH2G最终影响的其实是H1极电流的大小，即UH2G越大IH1越大、UH2G越小IH1越小，也就是说输入电压严格控制着导通电流的大小，所以此时的HGH管处于受控导通状态。

当HGH管的UH2G增大到使UH2H1＜1.2V时，虽然此时的H1G结已是很小的反偏甚至转为正偏，但HGH管上所加电压仍是H型2区为正H型1区为负，自由电子仍能从电位低的H型1区向电位高的H型2区作定向移动，另一方面由于此时H型1区中的易脱价电子几乎是倾其所有都被拉到了导带中，即使UH2G继续增大也无法再提供更多的自由电子，这就使得移进G型区的自由电子数量几乎是个最大值，这样HGH管的正向电流也就只能恒定为某一固定值而无法再随UH2G的增大而增大了，所以HGH管处于饱和导通状态。

2. GMOS管和HMOS管的工作原理

图20示出了GMOS管和HMOS管的等效结构图，从等效结构图可以看出：GMOS管可等效于由HG1结和HG2结这两个HG结级联组合而成的，而HMOS管则可等效于由H2G结和H1G结这两个HG结级联组合而成的；同时从等效结构图还可以看出：由于GMOS管的H极与H＋型区构成了一个电容器上的两块极板，而HG1结是处在这个电容器的两块极板之间的，同样，HMOS管的G极与G＋型区也构成了一个电容器上的两块极板，而H2G结也是处在这个电容器的两块极板之间的，电学理论告诉我们，电容器上加有电压时两极板间是会形成电场的，且所加电压越大产生的电场强度越高，因此GMOS管和HMOS管仍然都是利用“当偏置电压足够大时，HG结中低电位区域的易脱价电子将被电场力拉到导带中成为自由电子并从低电位区域向高电位区域作定向移动”这一原理进行工作的。

图20     用等效结构图研究GMOS管和HMOS管的工作原理

① 当GMOS管的UHG1＜2V时，对于HG1结来说，虽然G型1区中存在大量的易脱价电子，但由于电压UHG1太小在H极与H＋型区这两块极板之间形成的电场力还无力把易脱价电子拉到导带中成为自由电子，故没有自由电子可移动，或者是由于此时电场力较小只够把易脱价电子拉到导带中成为自由电子却无力去移动G型1区中的自由电子，故HG1结中没有电流通过；而对于HG2结来说，虽然电压UG2H较大，H型区中又存在易脱价电子，H型区中的自由电子可以从电位低的H型区移向电位高的G型2区，但由于H型区中的自由电子数量极少，故HG2结中只有极微量的电流通过。此时从整个GMOS管来看，两个HG结中HG1结截止HG2结导通，自由电子无法从G型1区移动到G型2区，所以GMOS管处于截止状态。

当GMOS管的UHG1≥2V时，对于HG1结来说，由于G型1区中存在大量的易脱价电子，电压UHG1在H极与H＋型区这两块极板之间形成的电场力又已具备了移动G型1区中自由电子的能力，所以G型1区中大量的自由电子可以前赴后继地从电位低的G型1区移向电位高的H型区，故HG1结中有很大的电流通过；而对于HG2结来说，由于电压UG2H较大，H型区中又移进了大量的自由电子，所以H型区中大量的自由电子可以前赴后继地从电位低的H型区移向电位高的G型2区，故HG2结中也有较大的电流通过。此时从整个GMOS管来看，两个HG结中HG1结和HG2结全都导通，大量的自由电子是前赴后继地从电位低的G型1区移向电位高的H型区、移进H型区中的自由电子又前赴后继地从电位低的H型区移向电位高的G型2区，故GMOS管处于导通状态。在GMOS管导通期间，由于电压UHG1越大，在H极与H＋型区这两块极板之间形成的电场力就越大，G型1区中被拉到导带中的易脱价电子数量就越多，参与定向移动的自由电子数量也就越多，则形成的电流也就越大，就整个GMOS管中的电流来看，电压UHG1最终影响的其实是G2极电流的大小，即UHG1越大IG2越大、UHG1越小IG2越小，也就是说输入电压严格控制着导通电流的大小，所以此时的GMOS管处于受控导通状态。

当GMOS管的UHG1增大到使UG2G1＜1.2V时，虽然此时的HG2结已是很小的反偏甚至转为正偏，但GMOS管上所加电压仍是G型2区为正G型1区为负，自由电子仍能从电位低的G型1区向电位高的G型2区作定向移动，另一方面由于此时G型1区中的易脱价电子几乎是倾其所有都被拉到了导带中，即使UHG1继续增大也无法再提供更多的自由电子，这就使得移进H型区的自由电子数量几乎是个最大值，这样GMOS管的正向电流也就只能恒定为某一固定值而无法再随UHG1的增大而增大了，所以GMOS管处于饱和导通状态。

② 当HMOS管的UH2G＜2V时，对于H1G结来说，由于电压UGH1较大，H型1区中又存在大量的易脱价电子，所以H型1区中大量的自由电子可以从电位低的H型1区移向电位高的G型区，故H1G结中有很大的电流通过；而对于H2G结来说，虽然G型区中己经移进了大量的自由电子，但由于电压UH2G太小在G极与G＋型区这两块极板之间形成的电场力还移动不了G型区中的自由电子，故H2G结中没有电流通过。此时从整个HMOS管来看，两个HG结中H1G结导通H2G结截止，自由电子无法从H型1区移动到H型2区，所以HMOS管处于截止状态。

当HMOS管的UH2G≥2V时，对于H1G结来说，由于电压UGH1较大，H型1区中又存在大量的易脱价电子，所以H型1区中大量的自由电子可以前赴后继地从电位低的H型1区移向电位高的G型区，故H1G结中有很大的电流通过；而对于H2G结来说，由于G型区中己经移进了大量的自由电子，电压UH2G在G极与G＋型区这两块极板之间形成的电场力又已具备了移动G型区中自由电子的能力，所以G型区中大量的自由电子可以前赴后继地从电位低的G型区移向电位高的H型2区，故H2G结中也有较大的电流通过。此时从整个HMOS管来看，两个HG结中H1G结和H2G结全都导通，大量的自由电子是前赴后继地从电位低的H型1区移向电位高的G型区、移进G型区中的自由电子又前赴后继地从电位低的G型区移向电位高的H型2区，故HMOS管处于导通状态。在HMOS管导通期间，由于电压UH2G越大，在G极与G＋型区这两块极板之间形成的电场力就越大，G型区中被移进H型2区的自由电子数量也就越多，则形成的电流也就越大，就整个HMOS管中的电流来看，电压UH2G最终影响的其实是H1极电流的大小，即UH2G越大IH1越大、UH2G越小IH1越小，也就是说输入电压严格控制着导通电流的大小，所以此时的HMOS管处于受控导通状态。

当HMOS管的UH2G增大到使UH2H1＜1.2V时，虽然此时的H1G结已是很小的反偏甚至转为正偏，但HMOS管上所加电压仍是H型2区为正H型1区为负，自由电子仍能从电位低的H型1区向电位高的H型2区作定向移动，另一方面由于此时H型1区中的易脱价电子几乎是倾其所有都被拉到了导带中，即使UH2G继续增大也无法再提供更多的自由电子，这就使得移进G型区的自由电子数量几乎是个最大值，这样HMOS管的正向电流也就只能恒定为某一固定值而无法再随UH2G的增大而增大了，所以HMOS管处于饱和导通状态。

至于MOS管中出现电流即开始导通的电压阈值问题，理论研究认为：一方面，虽然易脱价电子不受共价键的束缚，但仍然受到原子核的束缚，所以只有电场力大于原子核的吸引力时，易脱价电子才能挣脱原子核的束缚而成为自由电子；另一方面，电场力把易脱价电子拉入原子空隙中成为自由电子后，如果强度已无力再去推动自由电子作定向移动，那么自由电子就只能作无规律的自由运动，因此只有更高强度的电场力才能使自由电子产生定向移动；第三方面，也是最重要的一个方面，由于GMOS管上由H＋型区（和G1极连接在一起）与H极构成的电容器极板是互相垂直的、HMOS管上由G＋型区（和H2极连接在一起）与G极构成的电容器极板也是互相垂直的，因此施加在MOS管中的电场都是边缘电场，如图20中的弧形箭头所示，换句话说就是，同等大小的电压在MOS管中形成的电场强度比在GHG管或HGH管中形成的电场强度要小很多很多，由此可知，要使MOS管中易脱价电子挣脱原子核的束缚成为自由电子并产生定向移动，必须施加更大的UHG1或UH2G，才能使电场力强度达到足够大，实践证明，使MOS管中易脱价电子挣脱原子核的束缚成为自由电子并产生定向移动的电压阈值为2V。

对于三极管，这里有必要强调：

GHG管的G1极与G2极不可对调使用、HGH管的H1极与H2极也不可对调使用！这主要是因为：GHG管的G型1区掺杂浓度远高于G型2区的掺杂浓度，HGH管的H型1区掺杂浓度远高于H型2区的掺杂浓度，当G1极与G2极对调后或者H1极与H2极对调后，将使这两种三极管中可供移动的自由电子数量都大为减少，从而导致输入电压对导通电流的控制作用大大减小。同样，GMOS管的G1极与G2极不可对调使用、HMOS管的H1极与H2极也不可对调使用！这主要是因为：GMOS管的G型2区与H型区实际等效于一只二极管，HMOS管的H型1区与G型区实际也等效于一只二极管，当G1极与G2极对调后或者H1极与H2极对调后，该等效二极管便处于正向偏置状态，故将有极大的导通电流通过，极有可能烧穿MOS管，即使不烧穿MOS管，也会把UG2G1或者UH2H1钳制成极低的电压而使MOS管失去输入电压对导通电流的控制能力。

3.3  雪崩管

3.3.1  雪崩管的结构

先把硅本征半导体按照“G型1区‐H型1区‐G型2区‐H型2区”的规律掺杂成四层结构的掺杂半导体，再分别从G型1区、H型1区和H型2区各引出一个电极（分立元件还需进行封装），这样就制造出了一只四区域半导体器件。

四区域半导体器件以前被人们称为单向可控硅，后来又改称为单向晶闸管，由于四区域半导体器件的工作原理与雪山上雪崩的机理极为相似，所以我们倡议把四区域半导体器件直接简称为单向雪崩管。

单向雪崩管的结构示意图和电路符号如图21所示。

图21     单向雪崩管的结构示意图和电路符号

先把硅本征半导体按照“G型1区‐H型2区‐G型2区”的规律掺杂成三层结构的掺杂半导体，再把G型1区上右边的一部分掺杂成H型1区、G型2区上左边的一部分掺杂成H型3区，然后分别在H型2区表面、H型1区连同G型1区表面、H型3区连同G型2区表面各覆盖一层金属并从这三块金属涂层上各引出一个电极（分立元件还需进行封装），这样就制造出了一只五区域半导体器件。

五区域半导体器件以前被人们称为双向可控硅，后来又改称为双向晶闸管，由于五区域半导体器件的工作原理也与雪山上雪崩的机理极为相似，所以我们倡议把五区域半导体器件直接简称为双向雪崩管。

双向雪崩管的结构示意图和电路符号如图22所示。

图22     双向雪崩管的结构示意图和电路符号

3.3.2  雪崩管的导电特性

对于雪崩管，我们在这里强调：

① 雪崩管的导电特性除必须考虑导通和截止两种工作状态以及必须考虑导通与截止的条件分别是什么外，还必须考虑导通后如何关断以及关断的条件是什么。

② 只有自由电子从G型1区移动进紧邻的H型1区再移动进紧邻的G型2区再移动进紧邻的H型2区时，我们才能认为单向雪崩管是处于导通状态的，否则就认为单向雪崩管是处于截止状态的；只有自由电子从G型1区移动进紧邻的H型2区再移动进紧邻的G型2区再移动进紧邻的H型3区时、或者自由电子从G型2区移动进紧邻的H型2区再移动进紧邻的G型1区再移动进紧邻的H型1区时，我们才能认为双向雪崩管是处于导通状态的，否则就认为双向雪崩管是处于截止状态的。

③ 单向雪崩管只有在T2极和T1极之间加上T2极为正T1极为负的直流电压且H极和T1极之间加上H极为正T1极为负的直流电压时，自由电子才可能从电位低的G型1区向电位高的H型2区作定向移动；双向雪崩管只有在T2极和T1极之间加上T2极为正T1极为负的直流电压且H极和T1极之间加上H极为正T1极为负的直流电压时，自由电子才可能从电位低的G型1区向电位高的H型3区作定向移动、或者只有在T1极和T2极之间加上T1极为正T2极为负的直流电压且H极和T2极之间加上H极为正T2极为负的直流电压时，自由电子才可能从电位低的G型2区向电位高的H型1区作定向移动。

现在我们通过图23所示的实验电路来探寻单向雪崩管的导电特性。

图23     探寻单向雪崩管导电特性的实验电路

我们按图23所示把单向雪崩管的T2极和T1极之间加上T2极为正T1极为负的直流电压UT2T1、H极和T1极之间加上H极为正T1极为负的直流电压UHT1，从实验中得知：① 当UHT1＜0.5V时，单向雪崩管中没有电流通过，此时单向雪崩管处于截止状态。② 当UHT1≥0.5V时，单向雪崩管中有正向电流通过，此时单向雪崩管处于导通状态。③ 单向雪崩管导通期间，无论UHT1怎样变化，单向雪崩管中的正向电流都保持某一恒定值不变，更无法使正向电流为0；改变UT2T1，单向雪崩管中的正向电流则会随UT2T1的变化而变化；UT2T1减小到使正向电流为0时，单向雪崩管关断；单向雪崩管关断后，无论UT2T1怎样变化，都无法使单向雪崩管再次导通，但若再次加上≥0.5V的UHT1，却能使单向雪崩管再次导通。

接下来我们再通过图24（a）和图24（b）所示的实验电路来探寻双向雪崩管的导电特性。

我们先按图24（a）所示把双向雪崩管的T2极和T1极之间加上T2极为正T1极为负的直流电压UT2T1、H极和T1极之间加上H极为正T1极为负的直流电压UHT1，从实验中得知：① 当UHT1＜0.5V时，双向雪崩管中没有电流通过，此时双向雪崩管处于截止状态。② 当UHT1≥0.5V时，双向雪崩管中有正向电流通过，此时双向雪崩管处于导通状态。③ 双向雪崩管导通期间，无论UHT1怎样变化，双向雪崩管中的正向电流都保持某一恒定值不变，更无法使正向电流为0；改变UT2T1，双向雪崩管中的正向电流则会随UT2T1的变化而变化；UT2T1减小到使正向电流为0时，双向雪崩管关断；双向雪崩管关断后，无论UT2T1怎样变化，都无法使双向雪崩管再次导通，但若再次加上≥0.5V的UHT1，却能使双向雪崩管再次导通。

图24     探寻双向雪崩管导电特性的实验电路

我们再按图24（b）所示把双向雪崩管的T1极和T2极之间加上T1极为正T2极为负的直流电压UT2T1、H极和T2极之间加上H极为正T2极为负的直流电压UT2H，从实验中得知：① 当UT2H＜－0.5V时，双向雪崩管中没有电流通过，此时双向雪崩管处于截止状态。② 当UT2H≥－0.5V时，双向雪崩管中有反向电流通过，此时双向雪崩管处于导通状态。③ 双向雪崩管导通期间，无论UT2H怎样变化，双向雪崩管中的反向电流都保持某一恒定值不变，更无法使反向电流为0；改变UT2T1，双向雪崩管中的反向电流则会随UT2T1的变化而变化；UT2T1减小到使反向电流为0时，双向雪崩管关断；双向雪崩管关断后，无论UT2T1怎样变化，都无法使双向雪崩管再次导通，但若再次加上≥－0.5V的UT2H，却能使双向雪崩管再次导通。

换用不同额定电流的雪崩管重复上述实验，我们总结出的雪崩管的导电特性是：

① 雪崩管有两种工作状态——截止状态和导通状态，工作于截止状态和导通状态所需的外部条件如表6所示。

表6     雪崩管各种工作状态所需的外部条件

       

② 当UHT1＜0.5V时，单向雪崩管处于截止状态；当UHT1≥0.5V时，单向雪崩管会被触发导通；单向雪崩管导通期间，正向电流不受UHT1控制而只随UT2T1的变化而变化；UT2T1减小到使正向电流为0时，单向雪崩管才能被关断。

③ 双向雪崩管的T2极和T1极间加正电压UT2T1时，H极上加正电压UHT1可使双向雪崩管正向导通；T2极和T1极间加负电压UT1T2时，H极上加负电压UHT2可使双向雪崩管反向导通。

雪崩管两端的电压UT2T1和流过雪崩管的电流IT2T1之间的关系曲线，称为雪崩管的伏安特性曲线。如果通过伏安特性曲线来了解雪崩管的导电特性，将会更加直观明了、更加清晰易懂。图25示出的是单向雪崩管的伏安特性曲线，图26示出的是双向雪崩管的伏安特性曲线。

图25     单向雪崩管的伏安特性曲线

图26     双向雪崩管的伏安特性曲线

3.3.3  雪崩管的工作原理

从图21中单向雪崩管的等效电路可以看出，单向雪崩管可等效于由一只GHG管和一只HGH管按电流正反馈规律串接而成，有了这样一个等效，我们再来理解单向雪崩管的工作原理就比较简单易懂了。

由于UHT1＜0.5V时，GHG管不可能导通，HGH管也就不会跟着导通，所以单向雪崩管中没有电流通过，单向雪崩管处于截止状态。

当UHT1≥0.5V时，GHG管首先开始导通，HGH管也跟着开始导通，由于HGH管的输出电流就是GHG管的输入电流，GHG管和HGH管又都处于放大状态，所以被反复放大的电流使单向雪崩管迅速进入导通状态。

单向雪崩管导通后，由于GHG管和HGH管间存在着强烈的正反馈，不再需要UHT1来提供输入电流，所以无论UHT1怎样变化，单向雪崩管中的正向电流都不会随UHT1的变化而变化，但由于UT2T1的大小决定了参与定向移动的自由电子数量的多少，所以改变UT2T1，就会引起单向雪崩管中的正向电流随UT2T1的变化而变化；单向雪崩管关断后，由于电流为0，即自由电子已不再作定向移动，所以无论UT2T1怎样变化，都无法使单向雪崩管再次导通，除非再次给H极上加≥0.5V的UHT1，单向雪崩管才会再次导通。

从图22中双向雪崩管的等效电路可以看出，双向雪崩管可等效于由两只单向雪崩管反向并接而成，因此当T2极和T1极间加正电压时，H极上加正电压可使双向雪崩管正向导通，而当T2极和T1极间加负电压时，H极上加负电压可使双向雪崩管反向导通。

参  考  文  献

1. 互联网文库中的文献资料

2. 陈伟虞. 脉冲与数字电路（第3版）.北京.高等教育出版社.1999.7

3. 肖景和. 数字集成电路应用精粹.北京.人民邮电出版社.2002.6

审核编辑 黄宇