第2章 半導體器件基礎(模擬電子課件)

第2章半導體器件基礎2.1半導體基礎與PN結

2.1.1半導體基礎及其特性電阻率為10-9～10-6Ω·cm電阻率為10-3～109Ω·cm電阻率為1010～1020Ω·cm半導體的特性熱敏性：對溫度敏感，如熱敏電阻光敏性：對光照敏感，如光電管、光敏電阻、光電池雜敏性：對雜質敏感，如半導體器件光敏電阻光敏二極管2.1.2本征半導體

具有晶體結構的純凈半導體稱為本征半導體。晶體通常具有規(guī)則的幾何形狀，在空間中按點陣(晶格)排列。硅（Si）鍺（Ge）本征半導體原子的空間排列本征半導體原子平面結構示意圖共價鍵失去電子后留下的空位稱為空穴，顯然具有空穴的原子帶正電。本征半導體產生熱激發(fā)時，電子和空穴成對出現(xiàn)。

熱激發(fā)、空穴與自由電子光照自由電子空穴

自由電子和空穴的復合、動態(tài)平衡在本征半導體中，自由電子和空穴總是成對出現(xiàn)，同時又不斷復合，故在一定溫度下，載流子的熱激發(fā)和復合達到動態(tài)平衡，載流子的數(shù)目維持在一定的數(shù)目。填補新的空穴光照2.1.3N型半導體和P型半導體1.N型半導體

在硅或鍺的本征半導體中摻入微量的5價磷（P）元素，則形成N型半導體。摻入自由電子自由電子為多數(shù)載流子，空穴為少數(shù)載流子，故N型半導體也稱為電子型半導體，磷原子也稱為施主雜質。

在摻入磷原子的本征半導體中，自由電子數(shù)目遠遠大于空穴數(shù)目。2．P型半導體

如果在硅或鍺的本征半導體中摻入微量的3價硼（B）元素，則形成P型半導體。摻入填補

在摻入硼原子的本征半導體中，空穴數(shù)目遠遠大于自由電子數(shù)目?？昭槎鄶?shù)載流子，自由電子為少數(shù)載流子，故P型半導體也稱為空穴型半導體，硼原子也稱為受主雜質。2.1.4PN結及其單向導電性1.PN結的形成

利用特殊的制造工藝，在一塊本征半導體（硅或鍺）上，一邊摻雜成N型半導體，一邊形成P型半導體，在擴散運動和漂移運動的作用下，在兩種半導體的交界面就會形成一個厚度穩(wěn)定的空間電荷區(qū)，這就是PN結。a.擴散運動

由于濃度的差異形成的載流子運動稱為擴散運動。擴散運動是多子的運動。硼負離子磷正離子擴散運動b.內電場的形成

多子擴散到交界面附近時，自由電子和空穴復合，留下不能移動的帶電離子，帶正、負電的離子形成了空間電荷區(qū)的內電場。內電場的形成c.漂移運動

在內電場的作用下向，P區(qū)的少子（電子）向N區(qū)漂移，N區(qū)的少子（空穴）向P區(qū)漂移，形成漂移電流。當擴散運動和漂移運動達到動態(tài)平衡時，就形成了穩(wěn)定的空間電荷區(qū)---PN結。2PN結的單向導電性a．PN結外加正向電壓:P區(qū)接電源的正極，N區(qū)接電源的負極擴散運動>漂移運動，形成較大的擴散電流，其方向是由P區(qū)流向N區(qū)，PN結變窄。隨著外加電壓的增大正向電流也增大，PN結的正向導通。

正向電流包括兩部分：空穴電流和自由電子電流。雖然兩種不同極性的電荷運動方向相反，但所形成的電流方向是一致的PN結外加正向電壓b.PN結外加反向電壓:P區(qū)接電源的負極、N區(qū)接電源的正極漂移運動>擴散運動，外電場使得P區(qū)的空穴和N區(qū)的自由電子從空間電荷區(qū)邊緣移開，使空間電荷區(qū)變寬，這有利于少子的形成反向電流，此時PN結反向截止，呈高阻態(tài)。PN結外加反向電壓

總結：PN結外加正向電壓時，PN結電阻很小，正向電流很大，PN結正向導通，電流方向從P型區(qū)流向N型區(qū)；PN結外加反向電壓時，PN結電阻很大，反向電流很小，近似為零，PN結反向截止。PN結的這種特性稱為單向導電性。反向飽和電流2.2半導體二極管2.2.1二極管的結構、類型及符號

將一個PN結封裝起來，引出兩個電極，就構成半導體二極管，也稱晶體二極管。整流二極管發(fā)光二極管穩(wěn)壓二極管開關二極管二極管符號幾種二極管外形示意圖PN普通二極管整流二極管大功率整流二極管用于高頻檢波和開關電路用于整流電路用于高頻、開關、脈沖二極管的結構有三種：點接觸型、面接觸型、平面型點接觸型面接觸型平面型半導體的二極管型號說明：舉例1.二極管的伏安特性2.2.2二極管的伏安特性及主要性能參數(shù)二極管的伏安特性a．正向特性正向特性（1）死區(qū)及死區(qū)電壓開啟電壓硅管：0.5V鍺管：0.1V

當外加正向電壓較小時，外電場克服不了內電場的作用，正向電流幾乎為零，此區(qū)域稱為死區(qū)，對應的電壓稱為死區(qū)電壓或開啟電壓Uth（閾值電壓、門坎電壓）

正向特性也可以用下式近似表示其中：Is為反向飽和電流，UT為溫度電壓當量，室溫下UT=26mV。（2）正向導通及導通電壓

當外加正向電壓大于開啟電壓后，正向電流增長很快，二極管正向導通，對應電壓為正向導通電壓UF。導通電壓硅管：0.6~0.7V（0.7V）鍺管：0.2~0.3V（0.2V）b．反向特性

反向截止

當二極管加反向電壓并小于某電壓（擊穿電壓）時，由少數(shù)載流子的漂移運動形成很小的反向電流，硅管為nA級，鍺管為μA級，故二極管反向截止。（1）反向截止區(qū)一、它隨溫度的升高增長很快；注意：反向電流的特點二、反向電流與反向電壓的大小無關，基本不變稱它為反向飽和電流。注意：硅管的反向電流要比鍺管小得多，小功率硅管的反向飽和電流一般小于0.1μA，鍺管約為幾個微安（2）反向擊穿區(qū)

當反向電壓增加到擊穿電壓時，反向電流將突然增大，二極管的單向導電性被破壞，二極管反向導通，造成不可恢復的損壞。反向擊穿溫度的影響：溫度升高時，正向特性左移，UBE下降；反向特性下移，反向飽和電流增大。2.主要性能參數(shù)（低頻參數(shù)）(1)額定整流電流IF

指二極管長期工作時，允許通過的最大正向平均電流值，它是由PN結的面積和散熱條件決定。使用中若超過此值，PN結由于過熱發(fā)生熱擊穿。（2）最高反向工作電壓URM

指保證二極管反向使用時，不被擊穿而允許加上的最高反向電壓。一般?。?/2~2/3)UBR。（3）反向飽和漏電流Is和最大反向電流IRM

反向飽和電流Is指二極管加反向電壓時流過的電流。最大反向電流IRM指二極管工作在最高反向工作電壓時的電流。

反向電流越大，說明管子的溫度穩(wěn)定性越差，其單向導電性不好。常溫下硅管的反向飽和電流為10-9A，而鍺管為10-6A

。故在選擇二極管時，首選硅管，其具有反向耐壓管、反向電流小、溫度穩(wěn)定好等特定。（4）直流電阻RD

二極管工作時對應的電壓和電流，稱為靜態(tài)工作點，如Q1和Q2，其直流電阻就是靜態(tài)工作點對應的電壓和電流的比值。即注意：二極管正向導通時，電流越大，其值越小。反向截止時，由于電流很小，故反向直流電阻很大。正反向電阻反差越大，說明二極管的單向導電性越好。直流電阻的幾何意義（5）交流電阻rd

指在靜態(tài)工作點附近電壓變化量和電流變化量的比值，即

當二極管兩端電壓比較高時，交流電阻可近似為注意：rd即為Q點的切線斜率，一般在幾十歐至幾百歐。交流電阻的幾何意義（6）PN結電容PN結上電壓變化時，PN結內存儲的電荷量也會發(fā)生變化，說明PN結具有電容效應。其等效電容包含勢壘電容CB和擴散電容CD?！飫輭倦娙軨B：是PN結內空間電荷量隨外加電壓變化形成的，是非線性的?！飻U散電容CD：是多數(shù)載流子在擴散過程中隨外加電壓變化形成的。注意：PN結反向偏置時電阻大，電容小，主要為勢壘電容；正向偏置時，PN結電阻小，電容大，取決于擴散電容。一般結電容為幾皮法到幾十皮法，高頻時結電容影響不可忽略。低頻時可忽略。（7）最高工作頻率fmax

二極管最高工作頻率為是指二極管正常工作時，允許通過交流信號的最高頻率。超過此頻率，因為結電容的影響，二極管的單向導電性變差。（8）反向恢復時間trr

指二極管由導通突然反向時，電流由很大衰減到接近反向飽和電流IS時所需要的時間。大功率開關管工作在高頻開關狀態(tài)時，反向恢復時間是二極管的一項重要指標。

3.二極管的測試

在使用二極管前，應先判斷二極管的好壞，可用指針式萬用表歐姆檔的R×1k(或R×100)檔位（注意不要用R×1(或R×10k)檔位，以免電流過大燒壞二極管）。首先將萬用表撥到歐姆R×1k檔位，將兩個表筆短接，進行調零（1）正向特性的測定

將指針式萬用表的黑表筆（指針式萬用表黑表筆接表內電池的正極）接到二極管的陽極，萬用表的紅表筆（指針式萬用表紅表筆接表內電池的負極）接到二極管的陰極。如果指針擺至量程的中間某位置，所測電阻為二極管的正向電阻，一般正向電阻為幾百歐～幾千歐。如果正向電阻很小甚至為零，則說明二極管內部短路；如果正向電阻為無窮大，則說明二極管內部斷路。（2）反向特性的測定

將指針式萬用表的黑表筆接到二極管的陰極，紅表筆接到二極管的陽極。如果指針擺至量程的較大或接近無窮大，所測電阻為二極管的反向電阻。一般反向電阻為幾十千歐～幾百千歐。如果反向電阻很小甚至為零，則說明二極管反向擊穿而損壞。4.二極管的選用原則

極限參數(shù)（最大反向電壓）應大于器件在實際使用中可能遇到的值，一般取實際值的1.5~2倍；

選用反向電流小的二極管；

硅管的反向耐壓高、反向電流小、耐溫性能好，應作為首選。如果要求閾值電壓和正向導通電壓小時，應選用鍺二極管；

導通電流較大時，選用面接觸型二極管；工作頻率較高時選用點接觸型二極管。5.二極管的型號（國標GB249-74）國產半導體器件的型號由五部分組成：2AP8B

第一部分：用阿拉伯數(shù)碼表示電極的數(shù)目，2-二極管，3-三極管

第二部分：用漢語拼音表示器件的材料和極性，A-N型鍺材料；B-P型鍺材料；C-N型硅材料；D-P型硅材料

第三部分：用漢語拼音表示器件的類型用途，P-普通管；V-微波管；W-穩(wěn)壓管；Z-整流管；U-光電管；K-開關管;

第四部分：用數(shù)碼表示序號，同一系列參數(shù)的分檔;

第五部分：用漢語拼音表示同一系列元件參數(shù)的細分。

請回答問題說明下列型號的材料和作用？1.2CZ54A?2.2AP22?3.2DW90?4.2BU2A?2.2.3二極管的等效模型及其應用

小信號時可認為二極管的電壓和電流在伏安特性曲線上Q點附近小范圍變化，近似認為特性曲線是線性的，故用過Q點的切線代替微小變化的曲線，此時的二極管等效成一個動態(tài)電阻，即等效模型1.小信號模型二極管的小信號模型2.大信號模型(1)折線模型

二極管一般都工作在大信號條件下(如整流二極管、開關二極管等)。此時根據(jù)不同的精度要求，二極管可用折線模型、恒壓模型和理想模型表示。

考慮了二極管的開啟電壓Uth，沒有忽略。

意義為：二極管加反向電壓時，i=0；加正向電壓時，當u<Uth,i=0;當u≥Uth,曲線用斜率為1/rd的直線代替。二極管的折線模型(2)恒壓降模型

當二極管的正向導通壓降與外加電壓相比不能忽略時，二極管正向導通可看成是恒壓源，其電壓為二極管導通時的正向壓降UF（硅管典型值為0.7V，鍺管典型值為0.2V），且不隨電流變化而變化；截止時反向電流為零，做開路處理。二極管的恒壓降模型

在二極管的工作電壓幅度較大時，認為可以忽略二極管的正向導通壓降和反向飽和電流。反偏壓時二極管截止電流為零正偏時二極管導通電壓為零(3)理想模型

二極管的理想模型解：若要判斷二極管是導通還是截止，則可先假設二極管移開，計算二極管的陽極和陰極之間的電位差。若該電位差大于零，則表明二極管導通；若該電位差小于或等于零，則二極管截止。【例2-1】電路如圖所示，設二極管是理想的,試判斷二極管是導通還是截止？并求輸出電壓UAO。移去二極管后的電路由可得兩個二極管的陽極和陰極之間的電位差分別為

故二極管D1導通，D2截止。由于二極管為理想二極管，所以D1做短路處理，D2做開路處理二極管等效電路輸出電壓【例2-2】如圖所示電路中的二極管是硅管，①若二極管為理想二極管，則流過二極管中的電流是多少？②如果二極管正向導通壓降為0.7V，則流過二極管中的電流又是多少？③若U＝20V，且二極管正向導通壓降為0.7V，則流過二極管中的電流又是多少？解：(1)若二極管為理想二極管，二極管D承受正向電壓而導通，UD＝0V，相當于短路。理想二極管等效電路(2)如果二極管正向導通壓降為0.7V，先判斷二極管是導通還是截止。假設將二極管移開，即二極管中的電流為移開二極管的等效電路則R2兩端的電壓為由于硅二極管的死區(qū)電壓為0.5V，故二極管截止，ID＝0(3)如例2-2圖b所示電路，若U＝20V，且二極管正向導通壓降為0.7V，則假設移開二極管，即移開二極管的等效電路則R2兩端的電壓為

由于二極管兩端電壓大于死區(qū)電壓，故D導通，二極管用恒壓源代替，恒壓源兩端電壓為UD＝0.7V，即二極管導通的等效電路

二極管的應用范圍很廣泛，主要是由于二極管具有單向導電性，所以利用二極管可以進行整流、限幅、保護、檢波、鉗位及開關電路等。則二極管中的電流為2.3特殊半導體二極管

穩(wěn)壓管是一種由特殊工藝制成的面接觸型硅二極管，與普通二極管相比，其正向特性相似，而反向特性比較陡。穩(wěn)壓管的符號2.3.1穩(wěn)壓管及其應用穩(wěn)壓管的伏安特性穩(wěn)壓管的外形圖也叫齊納二極管，型號2CW××、1N5221等1.穩(wěn)壓管2.穩(wěn)壓管的主要參數(shù)（1）穩(wěn)定電壓UZ

（2）穩(wěn)定電流IZ（3）最大穩(wěn)定電流IZmax

穩(wěn)壓管正常工作時的反向擊穿電壓。

穩(wěn)壓管反向穩(wěn)壓時的最小工作電流，當實際電流小于此值時，穩(wěn)壓效果下降。

穩(wěn)壓管反向穩(wěn)壓時的最大工作電流，當實際電流大于此值時，PN結會由于熱擊穿而損壞。（4）最大允許耗散功率PZM

指穩(wěn)壓管的PN結不會由于熱擊穿而損壞的最大功率損耗，它等于穩(wěn)定電壓和最大穩(wěn)定電流的乘積。穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電流最大穩(wěn)定電流（5）動態(tài)電阻rZ（6）電壓溫度系數(shù)αu

指穩(wěn)壓管正常工作區(qū)域內，兩端電壓的變化量與電流變化量的比值，即

注：動態(tài)電阻越小，反向特性越陡，穩(wěn)壓性能越好指當溫度變化1oC，穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓相對變化量，即★電壓溫度系數(shù)表示穩(wěn)壓管受溫度影響的程度，這是由于穩(wěn)壓管是工作在反向區(qū)域。

在負載變化不大的場合，穩(wěn)壓管常用來做穩(wěn)壓電源，由于負載和穩(wěn)壓管并聯(lián)，又稱為并聯(lián)穩(wěn)壓電源。穩(wěn)壓管在實際工作時要和電阻相配合使用。3.穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路a.穩(wěn)壓原理設電源電壓波動（負載不變）設負載變化（電源電壓不變）UI↑→Uo（UZ）↑→IZ↑→IR↑→UR↑RL↓→Uo（UZ）↓→IZ↓→IR↓→UR↓Uo↓Uo↑★穩(wěn)壓管的選擇b.參數(shù)的選擇★電阻R的選擇根據(jù)【例2-3】如圖所示穩(wěn)壓電路中，已知穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ＝6V，最小穩(wěn)定電流IZmin＝5mA，最大穩(wěn)定電流IZmax＝25mA。R=1kW，RL=500W。①分別計算UI為10V、15V、35V三種情況下輸出電壓Uo

的值；②若UI＝35V時負載開路，則會出現(xiàn)什么現(xiàn)象?為什么？解:①當UI＝10V時由于IR<IZmin，故穩(wěn)壓管不能反向擊穿，工作在反向截止狀態(tài)，輸出電壓為當UI＝15V時由于IR<Io，故穩(wěn)壓管仍不能反向擊穿，工作在反向截止狀態(tài)，輸出電壓仍為Uo=3.33V當UI＝35V時故穩(wěn)壓管反向擊穿，輸出電壓為Uo=UZ=6V②若UI＝35V時負載開路，則IZ=IR=29mA>IZmax，穩(wěn)壓管因功耗過大損壞。

【例2-4】如圖所示電路中UI＝12V，穩(wěn)壓管UZ＝6V，IZ＝10mA，電阻R＝100Ω，RL＝150Ω。(1)求Uo、IR和穩(wěn)壓管實際工作電流IZ；(2)若穩(wěn)壓管IZmax=50mA，試問UI允許波動的范圍是多少？(3)若UI=12V，UZ=6V,穩(wěn)壓管穩(wěn)定電流IZ＝10mA，最大穩(wěn)定電流IZM=50mA，問負載電阻RL允許變化的范圍是多少？（1）由電路可知則穩(wěn)壓管的實際工作電流為解：

（2）若穩(wěn)壓管10m<IZ<50mA由于當IZ=10mA時當IZ=50mA時故UI允許波動的范圍為11~15V。(3)若UI=12V，10mA<IZ<50mA故當IZ=10mA時當IZ=50mA時所以負載電阻RL允許變化的范圍是120Ω~600Ω?！纠?-5】電路如圖(a)、(b)所示。其中限流電阻R=2kΩ，硅穩(wěn)壓管DZ1、DZ2的穩(wěn)定電壓UZ1=5.6V、UZ2=8.2V，正向壓降為0.7V，動態(tài)電阻可以忽略。試求電路輸出電壓Uo的值。解：

在圖(a)示電路中，由于穩(wěn)壓管DZ1的穩(wěn)定電壓低，所以DZ1優(yōu)先(擊穿)導通，Uo=UZ1=5.6V，DZ2截止。

在圖(b)示電路中，由于穩(wěn)壓管DZ1

與DZ2的穩(wěn)定電壓之和為5.6+8.2=13.8V。故DZ1和DZ2同時導通,Uo=13.8V2.3.2發(fā)光二極管

發(fā)光二極管是將電能轉化成光能，簡稱LED（LightEmittingDiode），它是由砷化鎵GaAs）、磷化鎵（GaP）、磷砷化鎵（GaAsP）等半導體制成的，在正向電壓作用下，電子和空穴復合釋放能量而發(fā)光，故發(fā)光二極管工作時要加正向電壓。主要用于電源指示、報警等。外形圖電路符號應用電路LED正向導通電壓為1.5V~3V，工作電流為幾十毫安，一般管腳長的為陽極。型號2.3.3*光電二極管

光電二極管（也叫光敏二極管）是將光信號變成電信號的半導體器件，具有靈敏度高、高頻性能好，可靠性好、體積小、使用方便等優(yōu)點。管殼上有玻璃窗口，為了接收光線。PN結面積大，電極面積小，PN結的結深很淺，有利于提高光電轉換效率。工作時加反向電壓，無光照時，反向電流很?。ㄐ∮?.1μA）；當有光照時，反向電流增加，因此負載兩端電壓會隨光照強弱變化。主要用于光電檢測。外形圖電路符號應用電路型號：2CU、2DU等系列2.3.4*變容二極管

變容二極管VCD（VariableCapacitanceDiode）是利用外加反向電壓改變二極管結電容容量的特殊二極管，與普通二極管相比，其結電容變化范圍較大。其中R為半導體材料的等效電阻，電容Cj為變容二極管的等效結電容，其容量與加到變容二極管的反向電壓有關，Cjo是uD=0時變容二極管的電容量。主要用于高頻電路的調頻。電路符號等效電路電容壓控特性型號：2CC、SCV211等外形2.3.5*快速二極管

快速二極管包含肖特基二極管和快速恢復二極管，有單管式（兩根引腳）和對管（雙二極管，三根引腳）式兩種封裝形式，工作原理與普通二極管相同，但其反向恢復時間很小，可達10ns，主要應用于高頻整流電路、高頻開關電源、高頻阻容吸收電路、逆變電路等。外形圖肖特基二極管的符號快速恢復二極管的外形及符號2.4半導體二極管的應用實例1.整流電路

整流電路是利用二極管的單向導電性將方向雙向交替變化的正弦波變換成單一方向脈動的直流電。單相半波整流電路單相半波整流電路輸出電壓波形2．開關電路

由于二極管正向導通小，理想情況下可以看成零，相當于開關接通；而其反向電阻很大，理想情況下可以看成無窮大，相當于開路，故可在數(shù)字電路中，利用二極管的開關特性構成各種邏輯電路。二極管與門電路二極管與門電路輸入、輸出關系表

把輸出電壓的最高電平限制在某一數(shù)值或某一范圍內，稱為限幅電路。3．限幅電路二極管限幅電路限幅電路輸出波形4．繼電器驅動管保護電路

若無二極管D1，則當三極管由導通到截止，在繼電器線圈兩端產生很高的電動勢，會擊穿線圈并在開關兩端產生火花。故為了保護線圈，則在線圈兩端并一二極管，提供電流泄放回路。二極管保護電路

利用二極管的單向導電性，從經過調制的高頻調幅振蕩電流中，取出調制信號的過程稱為檢波。5．檢波電路

利用二極管單向導通，將負半周的波形去掉，然后通過電容濾波將高頻成分濾掉，只剩下低頻（包絡線）信號通過負載輸出。二極管檢波電路2.5雙極型晶體管2.5.1雙極型晶體管的分類及結構

雙極型晶體管（BipolarJunctionTransistor,BJT）簡稱為晶體管或三極管。常見BJT外形及管腳排列BJT圖片BJT分類：BJT按照制造材料分為鍺管和硅管；按照工作頻率分為低頻管和高頻管；按照允許耗散的功率大小分為小功率管、中功率管和大功率管；按結構分為NPN管和PNP管。NPNPNP符號符號PNP1.放大交流信號的外部條件2.5.2雙極型晶體管的工作原理放大條件內部條件①發(fā)射區(qū)摻雜濃度最高②基區(qū)很?、奂娊Y面積大外部條件①發(fā)射結結正偏②集電結反偏NPN–+++VC

>VB>VE+–––VC<VB<VE2.內部載流子運動過程（1）發(fā)射區(qū)的電子向基區(qū)運動發(fā)射結外加正向電壓多子的擴散運動增強形成發(fā)射區(qū)電流IEN電源向發(fā)射區(qū)補充電子形成了IE基區(qū)的多子—空穴也會向發(fā)射區(qū)擴散，形成空穴電流IEP(很小，忽略）故IE≈IENBJT內部載流子運動示意圖（2）發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)的電子在基區(qū)的擴散與復合發(fā)射區(qū)的大部分電子很快擴散運動到集電結一小部分電子與基區(qū)的空穴復合形成基區(qū)電流IBN電源UBB向基區(qū)補充空穴，形成基區(qū)電流IB由于基區(qū)摻雜濃度低且薄，故復合的電子很少，IBN

亦即很小。（3）集電區(qū)收集發(fā)射區(qū)擴散過來的電子基區(qū)中電子漂移運動通過集電結集電結反偏形成集電區(qū)電流ICN集電區(qū)少子（空穴）漂移運動，形成反向飽和電流ICBO故IC≈ICN很小，可忽略集電極反向飽和電流3.三極管的電流分配關系4.三極管的組態(tài)

三極管有三個電極，可視為一個二端口網(wǎng)絡，其中兩個電極構成輸入端口、兩個電極構成輸出端口，輸入、輸出端口公用某一個電極。根據(jù)公共電極的不同，三極管有三種組態(tài)，即共基極、共發(fā)射極和共集電極。共基極共射極共集電極5.對應三種組態(tài)可對應有三個電流系數(shù)（1）共基極直流電流放大系數(shù)集電極電流與發(fā)射極電流之比，即（2）共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)集電極電流與基極電流之比，即（3）共集電極極直流電流放大系數(shù)

發(fā)射極電流與基極電流之比，即共基極共射極共集電極小于1但接近于1遠大于1，在10~300之間遠大于1，在10~300之間注意：若考慮ICBO的影響，即實際上集射極反向穿透電流，三極管的重要參數(shù)，說明受溫度的影響。推導出

晶體三極管的特性曲線是指其各電極間電壓和電流之間的關系曲線，包括輸入特性曲線和輸出特性曲線。2.5.3晶體管的特性曲線1.輸入特性

是指在共發(fā)射極放大電路中，集射極電壓uCE為一定值時，輸入基極電流iB與輸入基射極電壓uBE之間的關系曲線，即晶體管特性測試電路特點：①UCE≥1曲線重合；②當UBE小于開啟電壓時，IB=0，三極管截止；當UBE大于開啟電壓時，三極管導通，IB隨UBE快速增大。發(fā)射結導通電壓為輸入特性曲線2.輸出特性

對于共發(fā)射極放大電路，三極管輸出特性是指當iB為定值時，集電極電流iC（輸出電流）與集射極之間電壓uCE的關系曲線，即晶體管特性測試電路晶體管輸出特性曲線特點：①當IB一定時，在UCE=0～1V區(qū)間，隨著UCE的增大，IC線性增加。當UCE超過1V后，當UCE增高時，IC幾乎不變，即具有恒流特性；②輸出特性為一簇曲線，當IB增大時，IC線性增大，遠大于IB，且IC受IB控制，這就是晶體管的電流放大作用的表現(xiàn)。晶體管輸出特性曲線注意：晶體管輸出特性分成三個區(qū)：放大區(qū)飽和區(qū)截止區(qū)（1）放大區(qū)

三極管工作在放大區(qū)時，其發(fā)射結正向偏置，集電結處于反向偏置，其具有：★放大性：小的基極電流，可以得到較大的集電極電流△iC=β△iB，放大區(qū)也稱線性區(qū)；★恒流性：集電極電流基本不隨集射結之間的電壓而變化；★可控性：集電極電流受基極電流的控制。放大區(qū)管子進入飽和區(qū)后（2）飽和區(qū)

三極管工作在飽和區(qū)時，發(fā)射結正偏，集電結正偏或者反偏電壓很小。β↓UCE很小，小于1V飽和區(qū)飽和電壓：（3）截止區(qū)

當發(fā)射結電壓小于死區(qū)電壓時，三極管工作在截止區(qū)。為使三極管可靠截止，常使發(fā)射結處于反偏狀態(tài)。三極管工作在截止區(qū)發(fā)射結和集電結均反偏截止區(qū)注意：

在放大電路中，晶體管只能工作在放大區(qū)，避免工作在飽和區(qū)和截止區(qū)；而在數(shù)字電路中，晶體管工作在飽和區(qū)和截止區(qū)，放大區(qū)是過渡區(qū)。

討論：

如何根據(jù)三極管三個極的電流和電壓判斷三極管的三個極、管型、材料、工作區(qū)域？答案：1.若已知三個極的電流，則絕對值最小的為基極，絕對值最大的為發(fā)射極，剩下的為集電極；如果發(fā)射極電流流出為NPN；發(fā)射極電流流入為PNP。2.若已知三個極的電位，則首先確定兩個電壓的絕對值是否有0.7V或0.3V。如果沒有，則管子處于截止狀態(tài)，如果有，則可知管子不是處于放大狀態(tài)就是飽和狀態(tài)。此時即可確定基極和發(fā)射極，并且確定管子的材料和管型。如果絕對值是0.7V，則為硅管；如果絕對值是0.3V，則為鍺管。最后看第三個極的電位是比那兩個低還是高，如果低則為PNP管，否則為NPN管。再根據(jù)UCE的值確定是放大還是飽和，如果UCE的絕對值在0.3V或0.1V，則管子處于飽和區(qū)?！纠?-6】在檢修電子設備時，由于三極管上標號不清，現(xiàn)測得三個電極對地的電位分別為①U1=－6V，U2=－2.2V，U3=－2.0V；②U4=+9V，U5=+3.7V，U6=+3V。試判斷各管的電極、類型和材料。由題意可知2和3中一個是基極，另一個是發(fā)射極，則1為集電極，為鍺管★且U1<U2<U3，故為PNP管，1為集電極，2為基極，3為發(fā)射極解：①U1=－6V，U2=－2.2V，U3=－2.0V5和6中一個是基極，另一個是發(fā)射極，則4為集電極，為硅管★且U4>U5>U6，故為NPN管，4為集電極，5為基極，6為發(fā)射極②U4=+9V，U5=+3.7V，U6=+3V【例2-7】電路如圖所示，已知UBE＝0.7V，晶體管飽和壓降UCES＝0.3V，試計算當開關S分別處于a、b、c三個位置時，三極管分別工作在什么區(qū)域，其IB、IC及UCE分別為多少？

由于UBE＝0，故IB＝0，IC≈0，UCE≈12V，三極管工作在截止區(qū)。

三極管發(fā)射結加正向電壓導通，UBE＝0.7V，則解：①當開關置于a處時②當開關置于b處時

三極管處于臨界飽和時的集電極電流為臨界飽和時的基極電流為

由于IB>IBS，故三極管處于飽和狀態(tài)，則

注意：此時三極管有可能處于放大區(qū)，也有可能處于飽和區(qū)，這要視臨界飽和時集電極、基極電流大小而定。

三極管發(fā)射極也加正向電壓而導通，UBE=0.7V，則故三極管處于放大狀態(tài)，其③當開關置于c處時

動態(tài)時（ui≠0），集電極電流變化量△iC與基極電流變化量△iB的比值，即工程上有1.電流放大倍數(shù)

三極管的主要參數(shù)是表示管子性能的好壞和選擇管子的依據(jù)。其主要參數(shù)有：(1)直流電流放大系數(shù)(2)交流電流放大系數(shù)2.5.4三極管的主要參數(shù)

靜態(tài)時（ui=0），集電極直流電流IC與基極直流電流IB的比值，即2.極間反向電流(1)集電極－基極之間的反向飽和電流ICBO(2)集電極－發(fā)射極之間的穿透電流ICEOICBO測試電路ICBO是晶體管發(fā)射極開路時集電極-基極之間的反向電流，一般硅管ICBO<1μA，鍺管ICBO為幾μA到幾十μA。ICEO測試電路ICEO是晶體管基極開路時集電極-發(fā)射極極之間的反向電流，一般硅管ICBO<幾μA，鍺管ICBO為幾十μA。ICEO3.極限參數(shù)（1）集電極最大允許電流ICM

將電流放大系數(shù)下降到正常值的三分之二時，對應的集電極電流。超過此值時，管子性能下降。

U（BR）CBO：發(fā)射極開路時，加在集電極－基極之間的最大允許電壓；（2）反向擊穿擊穿電壓

U（BR）EBO：集電極開路時，加在集發(fā)射極－基極之間的最大允許電壓；

U（BR）CEO：基極開路時，加在集電極－發(fā)射極之間的最大允許電壓。U（BR）EBO

<U（BR）CEO<U（BR）CBO（3）集電極最大允許功率損耗PCM

集電結結溫達到極限時的管子功耗，等于集電極直流電流和集射極之間直流電壓的乘積，即PCM=IC

UCE★一般鍺管允許結溫為700C~900C；硅管允許結溫為1500C。若加散熱片，PCM可提高?！锞w管的分類也可按PCM來分，一般在環(huán)境溫度為250C以下，PCM<1W的晶體管稱為小功率管；將PCM>10W的晶體管稱為大功率管；介于二者之間的稱為中功率管。安全工作區(qū)

在晶體管輸出特性曲線上，由ICM、U（BR）CEO以及PCM圍成的區(qū)域，稱為晶體管的安全工作區(qū)。晶體管工作點不能超出此區(qū)。安全工作區(qū)ICMU（BR）CEOPCM2.6場效應晶體管

場效應晶體管（FieldEffectTransistor，F(xiàn)ET）是利用電場吸引多子參與導電的，故也稱為單極型晶體管?！飯鲂w管（FET）與晶體三極管（BJT）的區(qū)別BJT：①因發(fā)射結在放大時是正向偏置，故其輸入阻抗?。?03Ω的數(shù)量級）；②有兩種導電粒子參與導電。由于少數(shù)載流子參與導電，故工作點受溫度影響大，不穩(wěn)定；③屬于電流控制電流器件。FET：①輸入回路PN結工作于反偏，或輸入端完全處于絕緣狀態(tài)，故其輸入阻抗可高達107Ω～1012Ω；②只有一種導電粒子-多子參與導電，因此噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強；③屬于電壓控制電流器件?！?/p>

FET的分類：★FET的特點FET具有體積小、耗電少、壽命長、內部噪聲小、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強、制造工藝簡單以及便于集成等特點。

場效應管結型場效應(JunctionFieldEffectTransistor,JFET)金屬-氧化物-半導體場效應管（Metal-Oxide-SemiconducorFieldEffectTransistor，MOSFET）N溝道JFETP溝道JFET耗盡型增強型N溝道JFETP溝道JFETN溝道JFETP溝道JFET屬于耗盡型FET2.6.1N溝道結型場效應管

1.N溝道結型場效應管的結構

N溝道結型場效應管結構剖面圖

在一塊N型半導體材料的兩邊各分別擴散一個高摻雜濃度的P型區(qū)(用P+表示)，兩側P+區(qū)與N溝道交界處形成兩個PN結，由于P+區(qū)內側耗盡層非常窄，可見這兩個PN結都是非對稱PN結。N溝道JFET結構示意圖P溝道JFET結構示意圖P溝道JFET的符號N溝道JFET結構示意圖N溝道JFET的符號箭頭所指方向表示柵極和源極之間的PN結加正向偏壓時，柵極電流的方向是從P指向N2.N溝道結型場效應管的工作原理（1）當N溝道JFET工作時，需要在柵極和源極之間加一個負電壓(ugs<0)，使柵極與N溝道間的PN結反偏，柵極電流ig≈0，JFET呈現(xiàn)出高達109Ω的輸入電阻?！颪溝道結型場效應管工作的條件：（2）在漏極和源極間加一個正電壓(uds>0)，則使N溝道中的多數(shù)載流子(電子)在電場作用下由源極向漏極運動，形成漏極電流id

。-++-id

注意：id的大小會受uds的影響，同時也受ugs的控制。因此，討論JFET的工作原理實際上就是分析ugs對id的控制作用和uds對id的影響a.uGS對導電溝道和iD的控制作用uGS=0時的導電溝道uGS<0時的溝道變窄∣uGS∣=UGS（off）時溝道被夾斷

由此可見，改變uGS的大小可以有效控制導電溝道電阻的大小。但由于uDS=0，故漏極電流id=0

b.uDS對導電溝道和iD的控制作用在uDS＝0，uGS＝0的情況下，溝道最寬但iD=0電流為零當uGS固定，uDS↑溝道變窄成楔形，iD↑↑

此時A點耗盡層兩邊的電位差用夾斷電壓UGS（off）表示。預夾斷處A點的電壓關系為uDS↑，uDS－uGS=－UGS（off），溝道預夾斷此式稱為JFET的預夾斷方程，其中UGS（off）稱為關斷電壓

uDS↑，uDS>uGS－UGS（off），溝道夾斷區(qū)延長，iD不隨uDS的增大而增加uGS=0時，iD與uDS的關系曲線3結型場效應管的特性曲線

N溝道結型場效應管的輸出特性曲線是指當柵源電壓uGS一定時，F(xiàn)ET漏極電流iD與漏源電壓uDS之間的關系曲線，即a.輸出特性曲線N溝道結型場效應管的輸出特性輸出特性分成四個區(qū)（1）可變電阻區(qū)；（2）放大區(qū)（恒流區(qū)）；（3）擊穿區(qū)；（4）截止區(qū)?？勺冸娮鑵^(qū)放大區(qū)

在此區(qū)FET可以看作一個受柵源電壓uGS控制的可變電阻，uGS變化時，導電溝道的寬度也隨之變化。uGS越負，漏源之間的等效電阻越大，輸出特性曲線越傾斜。(1)可變電阻區(qū)

在此區(qū)導電溝道處于夾斷狀態(tài)，漏極電流iD基本穩(wěn)定，稱為飽和區(qū)或恒流區(qū)。FET用作放大器時通常都工作在這個區(qū)域，故該區(qū)域稱為放大區(qū)(2)放大區(qū)截止區(qū)

當uDS↑增加到uDS>u(BR)DS后，柵漏間的PN結發(fā)生雪崩擊穿，漏極電流迅速增大，通常不允許FET工作在擊穿區(qū)。(3)擊穿區(qū)

當uGS<uGS(off)時，導電溝道完全被夾斷。這一點與BJT輸出特性曲線的截止區(qū)類似。(4)截止區(qū)擊穿區(qū)

是指在漏源電壓uDS為某一常數(shù)時，漏極電流iD與柵源電壓uGS之間的關系曲線，即b.轉移特性曲線N溝道JFET轉移特性曲線

在N溝道JFET輸出特性的恒流區(qū)（飽和區(qū)），轉移特性重合，在UGS(off)≤uGS≤0的范圍內，iD隨uGS的增加(負數(shù)減小)近似按平方規(guī)律上升，即其中IDSS為uGS=0的電流，UGS（off）為關斷電壓。只要給出IDSS和UGS（off），則可計算iD和uGS。JFET的直流輸入電阻可以高達106~109Ω，為了進一步提高輸入電阻，產生了柵極處于絕緣狀態(tài)的MOSFET，其輸入電阻可以高達1015Ω。MOSFETP溝道N溝道N溝道P溝道增強型（E型）耗盡型（D型）2.6.2絕緣柵場效應晶體管（InsulatedGateFieldEffetTransistor，IG-FET）(1)N溝道增強型MOSFET的結構1.N溝道增強型MOSFETN溝道增強型MOSFET的結構圖增強型MOSFET的符號a.uGS對iD的控制作用(2)N溝道增強型MOSFET的工作原理uGS=0、uDS≠0時，無溝道形成，iD=0uGS≥UGS（th）、uDS=0時，有導電溝道形成，稱為反型層，但iD=0當uGS≥UGS（th）時，在uGS和uDS的共同作用下，導電溝道成楔形，iD↑b.uDS對iD的影響當uDS↑至uDS=uGS-UGS（th）時，導電溝道預夾斷，iD趨向飽和。uDS↑

，使uDS>uGS-UGS（th），溝道夾斷區(qū)延長，iD飽和

注：輸出特性同樣分為可變電阻區(qū)、放大區(qū)(飽和區(qū))、擊穿區(qū)和截止區(qū)（3）N溝道增強型MOSFET的特性曲線轉移特性曲線輸出特性曲線漏極電流的近似表達式為其中UGS（th）為N溝道增強型MOSFET的開啟電壓，IDO為uGS=2UGS(th)時的漏極電流。2.N溝道耗盡型MOSFETN溝道耗盡型MOSFET的結構N溝道耗盡型MOSFET的符號“＋”離子導電溝道夾斷電壓N溝道耗盡型MOSFET的轉移特性和輸出特性漏極電流可近似表示為六種類型FET的轉移特性比較N溝道FET的轉移特性P溝道FET的轉移特性2.6.3雙柵場效應管(DGFET)（自學）雙柵場效應管DGFET結構圖雙柵場效應管DGFET符號雙柵場效應管DGFET的等效DGFET用來作高頻放大器、混頻器、解調器及增益控制放大器等。2.7.1FET的主要參數(shù)

1．直流參數(shù)夾斷電壓UGS（off）2.7FET的主要參數(shù)及特點對于耗盡型FET，使得漏極電流為微小值時的uGS值。JFETNDMOSFET(2)開啟電壓UGS（th）(3)飽和電流IDSS

對于增強型MOSFET，使得漏極電流為一微小值時的uGS值。

對于耗盡型FET，uGS=0時的漏極電流iD的值。NEMOSFETJFETNDMOSFET2.交流參數(shù)(1)低頻跨導(互導)gm(4)直流輸入電阻RGS

在漏源之間短路時，柵源之間電壓與電流的比值。通常JFET的RGS在107Ω以上，而

MOSFET的RGS可達109~1015Ω。

當uDS為定值時，F(xiàn)ET的漏極電流iD的變化量與柵源電壓uGS的變化量的比值。即：gm表示柵源電壓uGS對漏極電流iD的控制作用，單位為mS，一般為幾mS，高者可達上百mS。對于耗盡型FET，由于故對于增強型MOSFET，由于注意：gm與靜態(tài)（直流）值工作點有關(2)輸出電阻rdsRds表明uDS對iD的影響，是FET輸出特性的放大區(qū)（飽和區(qū)）工作點切線斜率的倒數(shù)。由于為恒流區(qū)，故此電阻值很大，為幾十千歐到上百千歐。FET的極間電容包括柵源電容Cgs、柵漏電容Cgd和漏源電容Cds

。通常Cgs和Cgd為1～3pF，Cds為0.1～1pF。此外，還有各電極對襯底B的等效電容Cgb

、Csb和Cdb等，它們的數(shù)值都很小。這些等效電容的存在將影響FET的高頻性能。(3)極間電容：FET的擊穿電壓包括U(BR)DS和U(BR)GS

。它們分別表示漏源和柵源之間的擊穿電壓。(1)最大漏極電流IDM

表示當FET正常工作時所允許的最大漏極電流。當iD>iDM時FET的性能變差。(2)最大耗散功率PDM

是由FET最高工作溫度確定的參數(shù)，PDM=uDSiD。當FET的PD>PDM時，管子的性能變差，甚至被燒壞.(3)擊穿電壓：3．極限參數(shù)【例4-1】兩個場效應管的轉移特性曲線分別如圖所示，分別確定這兩個場效應管的類型，并求其主要參數(shù)（開啟電壓或夾斷電壓，Q點的低頻跨導）。測試時電