最新基本半導(dǎo)體分立器件課件

基本半導(dǎo)體分立器件基本半導(dǎo)體分立器件11.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)與PN結(jié)1.1.1半導(dǎo)體的基本特性在自然界中存在著許多不同的物質(zhì)，根據(jù)其導(dǎo)電性能的不同大體可分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體三大類(lèi)。通常將很容易導(dǎo)電、電阻率小于10-4Ω·cm的物質(zhì)，稱(chēng)為導(dǎo)體，例如銅、鋁、銀等金屬材料；將很難導(dǎo)電、電阻率大于1010Ω·cm的物質(zhì)，稱(chēng)為絕緣體，例如塑料、橡膠、陶瓷等材料；將導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間、電阻率在10-3～109Ω·cm范圍內(nèi)的物質(zhì)，稱(chēng)為半導(dǎo)體。常用的半導(dǎo)體材料是硅（Si）和鍺（Ge）。1.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)與PN結(jié)1.1.1半導(dǎo)體的最新基本半導(dǎo)體分立器件課件最新基本半導(dǎo)體分立器件課件最新基本半導(dǎo)體分立器件課件最新基本半導(dǎo)體分立器件課件最新基本半導(dǎo)體分立器件課件最新基本半導(dǎo)體分立器件課件圖1-2本征硅（或鍺）的晶體結(jié)構(gòu)（a）結(jié)構(gòu)圖；（b）平面示意圖與共價(jià)鍵圖1-2本征硅（或鍺）的晶體結(jié)構(gòu)從圖1-2（b）的平面示意圖可以看出，硅和鍺原子組成單晶的組合方式是共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。每個(gè)價(jià)電子都要受到相鄰的兩個(gè)原子核的束縛，每個(gè)原子的最外層就有了八個(gè)價(jià)電子而形成了較穩(wěn)定的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。所以，半導(dǎo)體的價(jià)電子既不像導(dǎo)體的價(jià)電子那樣容易掙脫成為自由電子，也不像在絕緣體中被束縛的那樣緊。由于導(dǎo)電能力的強(qiáng)弱，在微觀上看就是單位體積中能自由移動(dòng)的帶電粒子數(shù)目的多少，因此，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間。從圖1-2（b）的平面示意圖可以看出1．本征激發(fā)與復(fù)合在絕對(duì)零度（－273℃）時(shí)，半導(dǎo)體中的價(jià)電子不能脫離共價(jià)鍵的束縛，所以在半導(dǎo)體中沒(méi)有自由電子，半導(dǎo)體呈現(xiàn)不能導(dǎo)電的絕緣體特性。1．本征激發(fā)與復(fù)合當(dāng)溫度逐漸升高或在一定強(qiáng)度的光照下，本征硅或鍺中的一些價(jià)電子從熱運(yùn)動(dòng)中獲得了足夠的能量，掙脫共價(jià)鍵的束縛而成為帶單位負(fù)電荷的自由電子。同時(shí)，在原來(lái)的共價(jià)鍵位置上留下一個(gè)相當(dāng)于帶有單位正電荷電量的空位，稱(chēng)之為空穴，也叫空位。這種現(xiàn)象，叫做本征激發(fā)。在本征激發(fā)中，帶一個(gè)單位負(fù)電荷的自由電子和帶一個(gè)單位正電荷的空穴總是成對(duì)出現(xiàn)的，所以稱(chēng)之為自由電子—空穴對(duì)，如圖1-3所示。當(dāng)溫度逐漸升高或在一定強(qiáng)度的光照下，圖1-3本征激發(fā)產(chǎn)生自由電子—空穴對(duì)圖1-3本征激發(fā)產(chǎn)生自由電子—空穴對(duì)自由電子和空穴在熱運(yùn)動(dòng)中又可能重新相遇結(jié)合而消失，叫做復(fù)合。本征激發(fā)和復(fù)合總是同時(shí)存在、同時(shí)進(jìn)行的，這是半導(dǎo)體內(nèi)部進(jìn)行的一對(duì)矛盾運(yùn)動(dòng)。在溫度一定的情況下，本征激發(fā)和復(fù)合達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，單位時(shí)間本征激發(fā)出的自由電子—空穴對(duì)數(shù)目正好等于復(fù)合消失的數(shù)目，這樣在整塊半導(dǎo)體內(nèi)，自由電子和空穴的數(shù)目保持一定。一般在室溫時(shí)，純硅中的自由電子濃度n和空穴濃度p為ni=n=p≈1.5×1010(個(gè)/cm3)（1-1）自由電子和空穴在熱運(yùn)動(dòng)中又可能重新相對(duì)于純鍺來(lái)說(shuō)，這個(gè)數(shù)據(jù)約為2.5×1013個(gè)/cm3，而金屬導(dǎo)體中的自由電子濃度約為1022個(gè)/cm3。從數(shù)字上可以看出，本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力是很差的。溫度越高，本征激發(fā)越激烈，產(chǎn)生的自由電子—空穴對(duì)越多，當(dāng)半導(dǎo)體重新達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)的自由電子或空穴的濃度就越高，導(dǎo)電能力就越強(qiáng)。這實(shí)際上就是半導(dǎo)體材料具有熱敏性和光敏性的本質(zhì)原因。對(duì)于純鍺來(lái)說(shuō)，這個(gè)數(shù)據(jù)約為2.5×2．自由電子運(yùn)動(dòng)與空穴運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)分析，我們知道在本征半導(dǎo)體中，每本征激發(fā)出一個(gè)自由電子，就會(huì)留下一個(gè)空穴，這時(shí)本來(lái)不帶電的原子，就相當(dāng)于帶正電的正離子，或者說(shuō)留下的這個(gè)空穴相當(dāng)于帶一個(gè)單位的正電荷。在熱能或外加電場(chǎng)的作用下，鄰近原子帶負(fù)電的價(jià)電子很容易跳過(guò)來(lái)填補(bǔ)這個(gè)空位，這相當(dāng)于此處的空穴消失了，但卻轉(zhuǎn)移到相鄰的那個(gè)原子處去了，如圖1-4所示，價(jià)電子由B到A的運(yùn)動(dòng)，就相當(dāng)于空穴從A移動(dòng)到B。2．自由電子運(yùn)動(dòng)與空穴運(yùn)動(dòng)圖1-4空穴運(yùn)動(dòng)圖1-4空穴運(yùn)動(dòng)圖1-5本征半導(dǎo)體中載流子的導(dǎo)電方式圖1-5本征半導(dǎo)體中載流子的導(dǎo)電方式因此，半導(dǎo)體中有兩種載流子：一種是帶負(fù)電荷的自由電子，一種是帶正電荷的空穴。它們?cè)谕饧与妶?chǎng)的作用下都會(huì)出現(xiàn)定向移動(dòng)。微觀上載流子的定向運(yùn)動(dòng)，在宏觀上就形成了電流。自由電子逆電場(chǎng)方向移動(dòng)形成電子電流IN，空穴順電場(chǎng)方向移動(dòng)形成空穴電流IP，如圖1-5所示。所以半導(dǎo)體在外加電場(chǎng)作用下，電路中總的電流I是空穴電流IP和電子電流IN的和，即

I=IN+IP（1-2）因此，半導(dǎo)體中有兩種載流子：一種1.1.3雜質(zhì)半導(dǎo)體由于半導(dǎo)體具有雜敏性，因此利用摻雜可以制造出不同導(dǎo)電能力、不同用途的半導(dǎo)體器件。根據(jù)摻入雜質(zhì)的不同，又可分為N型（電子型）半導(dǎo)體和P型（空穴型）半導(dǎo)體。1．N型半導(dǎo)體在四價(jià)的本征硅（或鍺）中，摻入微量的五價(jià)元素磷（P）之后，磷原子由于數(shù)量較少，不能改變本征硅的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)，而是和本征硅一起組成共價(jià)鍵，如圖1-6所示。1.1.3雜質(zhì)半導(dǎo)體圖1-6N型半導(dǎo)體圖1-6N型半導(dǎo)體在N型半導(dǎo)體中，由于摻雜帶來(lái)的自由電子濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于本征載流子濃度，因此多子濃度約等于摻雜的雜質(zhì)濃度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于少子空穴的濃度。所以當(dāng)外加電場(chǎng)時(shí)，流過(guò)N型半導(dǎo)體的電流應(yīng)為

I=IN+IP≈IN（1-3）在N型半導(dǎo)體中，由于摻雜帶來(lái)的自由2．P型半導(dǎo)體在四價(jià)的本征硅（或鍺）中摻入微量的三價(jià)元素硼（B）之后，參照上述分析，硼原子也和周?chē)噜彽墓柙咏M成共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)，如圖1-7所示。2．P型半導(dǎo)體圖1-7P型半導(dǎo)體圖1-7P型半導(dǎo)體三價(jià)硼原子的最外層只有三個(gè)價(jià)電子，和相鄰的三個(gè)硅原子組成共價(jià)鍵后，尚缺一個(gè)價(jià)電子不能組成共價(jià)鍵，因此出現(xiàn)了一個(gè)空位，即空穴。這樣鄰近原子的價(jià)電子就可以跳過(guò)來(lái)填補(bǔ)這個(gè)空位。所以硼原子摻入后一方面提供了一個(gè)帶正電荷的空穴，一方面自己成為了帶負(fù)電的離子，即摻入一個(gè)硼原子就相當(dāng)于摻入了一個(gè)能接受電子的空穴，所以稱(chēng)三價(jià)元素硼為受主雜質(zhì)，此時(shí)雜質(zhì)半導(dǎo)體中的空穴濃度約等于摻雜濃度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自由電子濃度，稱(chēng)空穴為多子、自由電子為少子。這種雜質(zhì)半導(dǎo)體叫做P型（空穴型）半導(dǎo)體。三價(jià)硼原子的最外層只有三個(gè)價(jià)電子，同樣，這種P型半導(dǎo)體在外加電場(chǎng)的作用下，總的電路電流應(yīng)為

I=IN+IP≈IP（1-4）整塊半導(dǎo)體宏觀上仍為電中性。同樣，這種P型半導(dǎo)體在外加電場(chǎng)的作用1.1.4PN結(jié)的形成與單向?qū)щ娦詭缀跛械陌雽?dǎo)體器件都是由不同數(shù)量和結(jié)構(gòu)的PN結(jié)構(gòu)成的，因此，我們先來(lái)了解PN結(jié)的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)。1．PN結(jié)的形成在一塊本征半導(dǎo)體上通過(guò)某種摻雜工藝，使其形成N型區(qū)和P型區(qū)兩部分后，在它們的交界處就形成了一個(gè)特殊薄層，這就是PN結(jié)。1.1.4PN結(jié)的形成與單向?qū)щ娦?）多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)建立內(nèi)電場(chǎng)如圖1-8（a）所示，和分別代表P區(qū)和N區(qū)的受主和施主離子（為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，硅原子未畫(huà)出），由于P區(qū)的多子是空穴，N區(qū)的多子是自由電子，因此在P區(qū)和N區(qū)的交界處自由電子和空穴都要從高濃度處向低濃度處擴(kuò)散。這種載流子在濃度差作用下的定向運(yùn)動(dòng)，叫做擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。1）多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)建立內(nèi)電場(chǎng)多子擴(kuò)散到對(duì)方區(qū)域后，使對(duì)方區(qū)域的多子因復(fù)合而耗盡，所以P區(qū)和N區(qū)的交界處就僅剩下了不能移動(dòng)的帶電施主和受主離子，N區(qū)形成正離子區(qū)，P區(qū)形成負(fù)離子區(qū)，形成了一個(gè)電場(chǎng)方向從N區(qū)指向P區(qū)的空間電荷區(qū)，這個(gè)電場(chǎng)稱(chēng)為內(nèi)建電場(chǎng)，簡(jiǎn)稱(chēng)內(nèi)電場(chǎng)，如圖1-8（b）所示。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，多子已擴(kuò)散到對(duì)方因復(fù)合而消耗殆盡，所以又稱(chēng)耗盡層。在耗盡層以外的區(qū)域仍呈電中性。多子擴(kuò)散到對(duì)方區(qū)域后，使對(duì)方區(qū)域的多子因復(fù)合而耗盡，圖1-8PN結(jié)的形成（a）多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng);（b）PN結(jié)中的內(nèi)電場(chǎng)與少子漂移

2）內(nèi)電場(chǎng)阻礙多子擴(kuò)散、幫助少子漂移運(yùn)動(dòng)，形成平衡PN結(jié)由于內(nèi)電場(chǎng)的方向是從N區(qū)指向P區(qū)，因此這個(gè)內(nèi)電場(chǎng)的方向?qū)Χ嘧赢a(chǎn)生的電場(chǎng)力正好與其擴(kuò)散方向相反，對(duì)多子的擴(kuò)散起了一個(gè)阻礙的作用，使多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)逐漸減弱。內(nèi)電場(chǎng)對(duì)P區(qū)和N區(qū)的少子同樣產(chǎn)生了電場(chǎng)力的作用。由于P區(qū)的少子是自由電子，N區(qū)的少子是空穴，因此內(nèi)電場(chǎng)對(duì)少子的運(yùn)動(dòng)起到了加速的作用。這種少數(shù)載流子在電場(chǎng)力作用下的定向移動(dòng)，稱(chēng)為漂移運(yùn)動(dòng)，如圖1-8（b）所示。2）內(nèi)電場(chǎng)阻礙多子擴(kuò)散、幫助少2．PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦晕醇油獠侩妷簳r(shí)，PN結(jié)內(nèi)無(wú)宏觀電流，只有外加電壓時(shí)，PN結(jié)才顯示出單向?qū)щ娦浴?/p>

1）外加正偏電壓時(shí)PN結(jié)導(dǎo)通將PN結(jié)的P區(qū)接較高電位（比如電源的正極），N區(qū)接較低電位（比如電源的負(fù)極），稱(chēng)為給PN結(jié)加正向偏置電壓，簡(jiǎn)稱(chēng)正偏，如圖1-9所示。2．PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦訮N結(jié)正偏時(shí)，外加電場(chǎng)使PN結(jié)的平衡狀態(tài)被打破，由于外電場(chǎng)與PN結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)方向相反，內(nèi)電場(chǎng)被削弱，擴(kuò)散增強(qiáng)，漂移幾乎減弱為0，因此，PN結(jié)中形成了以擴(kuò)散電流為主的正向電流IF。因?yàn)槎嘧訑?shù)量較多，所以IF較大。為了防止較大的IF將PN結(jié)燒壞，應(yīng)串接限流電阻R。擴(kuò)散電流隨外加電壓的增加而增加，當(dāng)外加電壓增加到一定值后，擴(kuò)散電流隨正偏電壓的增大而呈指數(shù)上升。由于PN結(jié)對(duì)正向偏置呈現(xiàn)較小的電阻（理想狀態(tài)下可以看成是短路情況），因此稱(chēng)之為正偏導(dǎo)通狀態(tài)。PN結(jié)正偏時(shí)，外加電場(chǎng)使PN結(jié)的圖1-9PN結(jié)外加正偏電壓圖1-9PN結(jié)外加正偏電壓圖1-10PN結(jié)外加反偏電壓圖1-10PN結(jié)外加反偏電壓2）外加反偏電壓時(shí)PN結(jié)截止將PN結(jié)的P區(qū)接較低電位（比如電源的負(fù)極），N區(qū)接較高電位（比如電源的正極），稱(chēng)為給PN結(jié)加反向偏置電壓，簡(jiǎn)稱(chēng)反偏，如圖1-10所示。PN結(jié)反偏時(shí)，外加電場(chǎng)方向與內(nèi)電場(chǎng)方向相同，內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)，使多子擴(kuò)散減弱到幾乎為零。而漂移運(yùn)動(dòng)在內(nèi)電場(chǎng)的作用下，有所增強(qiáng)，在PN結(jié)電路中形成了少子漂移電流。漂移電流和正向電流的方向相反，稱(chēng)為反向電流IR。2）外加反偏電壓時(shí)PN結(jié)截止1.2半導(dǎo)體二極管1.2.1二極管的結(jié)構(gòu)與類(lèi)型導(dǎo)體二極管按其結(jié)構(gòu)的不同，可分為點(diǎn)接觸型、面接觸型和平面型三種。常見(jiàn)二極管的結(jié)構(gòu)、外形和電路符號(hào)如圖1-11所示。二極管的兩極分別叫做正極或陽(yáng)極（P區(qū)），負(fù)極或陰極（N區(qū)）。1.2半導(dǎo)體二極管1.2.1二極管的結(jié)構(gòu)與類(lèi)型圖1-11半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)、外形與電路符號(hào)（a）點(diǎn)接觸型;（b）面接觸型;（c）平面型;（d）電路符號(hào);（e）常見(jiàn)二極管的外形圖1-11半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)、外形與電路符號(hào)1.2.2二極管的伏安特性曲線(xiàn)與近似模型

1．伏安特性曲線(xiàn)二極管的伏安特性也就是PN結(jié)的伏安特性。把二極管的電流隨外加偏置電壓的變化規(guī)律，稱(chēng)為二極管的伏安特性，以曲線(xiàn)的形式描繪出來(lái)，就是伏安特性曲線(xiàn)。二極管的伏安特性曲線(xiàn)如圖1-12所示，下面分三部分對(duì)二極管的伏安特性曲線(xiàn)進(jìn)行分析。1.2.2二極管的伏安特性曲線(xiàn)與近似模型圖1-12二極管的伏安特性圖1-12二極管的伏安特性1）正向特性——外加正偏電壓UF當(dāng)UF＝0時(shí)，IF＝0，PN結(jié)處于平衡狀態(tài)，即圖1-12中的坐標(biāo)原點(diǎn)。當(dāng)UF開(kāi)始增加時(shí)，即正向特性的起始部分。由于此時(shí)UF較小，外電場(chǎng)還不足以克服PN結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)，正向擴(kuò)散電流仍幾乎為零。只有當(dāng)UF大于死區(qū)電壓（鍺管約0.1V，硅管約0.5V）后，外加電場(chǎng)才足以克服內(nèi)電場(chǎng)，使擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)迅速增加，才開(kāi)始產(chǎn)生正向電流IF。1）正向特性——外加正偏電壓UF2）反向特性——外加反向偏壓UR當(dāng)外加反向偏壓時(shí)，宏觀電流是由少子組成的反向漂移電流。當(dāng)反向電壓UR在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，反向電流IR幾乎不變，所以又稱(chēng)為反向飽和電流IS。當(dāng)溫度升高時(shí)，少子數(shù)目增加，所以IS增加。室溫下一般硅管的反向飽和電流小于1μA，鍺管為幾十到幾百微安，如圖中B段所示。2）反向特性——外加反向偏壓UR3）擊穿特性——外加反壓增大到一定程度擊穿特性屬于反向特性的特殊部分。當(dāng)UR繼續(xù)增大，并超過(guò)某一特定電壓值時(shí)，反向電流將急劇增大，這種現(xiàn)象稱(chēng)之為擊穿。發(fā)生擊穿時(shí)的UR叫擊穿電壓UBR，如圖1-12中C段所示。如果PN結(jié)擊穿時(shí)的反向電流過(guò)大（比如沒(méi)有串接限流電阻等原因），使PN結(jié)的溫度超過(guò)PN結(jié)的允許結(jié)溫（硅PN結(jié)約為150～200℃，鍺PN結(jié)約為75～100℃）時(shí)，PN結(jié)將因過(guò)熱而損壞。3）擊穿特性——外加反壓增大到一定圖1-13二極管的近似模型（a）理想模型;（b）恒壓降模型圖1-13二極管的近似模型2．二極管的近似模型1）理想模型所謂理想模型就是將二極管的單向?qū)щ娞匦岳硐牖?，認(rèn)為正偏二極管的管壓降為0V，忽略其0.7V或0.3V的導(dǎo)通電壓，相當(dāng)于短路導(dǎo)線(xiàn)；而當(dāng)二極管處于反偏狀態(tài)時(shí)，認(rèn)為二極管的等效電阻為無(wú)窮大，反向電流為0，如圖1-13（a）的伏安特性曲線(xiàn)所示。一般在電源電壓遠(yuǎn)大于二極管的導(dǎo)通壓降時(shí)，利用理想模型來(lái)分析，不會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。2．二極管的近似模型2）恒壓降模型恒壓降模型的伏安特性曲線(xiàn)如圖1-13（b）所示，其反偏模型還是理想的，但認(rèn)為二極管正偏導(dǎo)通后的管壓降是一個(gè)恒定值，對(duì)于硅管和鍺管來(lái)說(shuō)，分別取0.7V和0.3V的典型值。這個(gè)模型比理想模型更接近實(shí)際情況，因此應(yīng)用比較廣泛，一般在二極管電流大于1mA時(shí)，恒壓降模型的近似精度還是相當(dāng)高的。2）恒壓降模型1.2.3二極管的主要參數(shù)為了正確選用及判斷二極管的好壞，必須對(duì)其主要參數(shù)有所了解。1．最大整流電流IF指二極管在一定溫度下，長(zhǎng)期允許通過(guò)的最大正向平均電流，否則會(huì)使二極管因過(guò)熱而損壞。另外，對(duì)于大功率二極管，必須加裝散熱裝置。2．反向擊穿電壓UBR管子反向擊穿時(shí)的電壓值稱(chēng)為反向擊穿電壓UBR。一般手冊(cè)上給出的最高反向工作電壓URM約為反向擊穿電壓的一半，以保證二極管正常工作的余量。1.2.3二極管的主要參數(shù)3．反向電流IR（反向飽和電流IS）指在室溫和規(guī)定的反向工作電壓下（管子未擊穿時(shí)）的反向電流。這個(gè)值越小，則管子的單向?qū)щ娦跃驮胶谩ＫS溫度的增加而按指數(shù)上升。4．結(jié)電容與最高工作頻率fMPN結(jié)加電壓后，其空間電荷區(qū)會(huì)發(fā)生變化，這種變化造成的電容效應(yīng)稱(chēng)為結(jié)電容。3．反向電流IR（反向飽和電流5．二極管的溫度特性半導(dǎo)體具有熱敏性，而電子電路又不可避免地要受到外界溫度及電路本身發(fā)熱的影響。所以，溫度變化容易造成半導(dǎo)體器件工作不穩(wěn)定，研究溫度對(duì)半導(dǎo)體器件的影響是十分必要的。圖1-14所示的正向特性中，對(duì)于同一電流，溫度每升高1℃，二極管的正向壓降將減小2～2.5mV。即二極管的正向特性曲線(xiàn)將隨溫度的升高而左移。溫度對(duì)二極管的反向特性影響更大：當(dāng)溫度每升高10℃，反向飽和電流IS將增加一倍。二極管的反向擊穿電壓也受溫度的影響。5．二極管的溫度特性圖1-14溫度對(duì)二極管伏安特性的影響圖1-14溫度對(duì)二極管伏安特性的影響1.2.4二極管在電子技術(shù)中的應(yīng)用二極管在電子技術(shù)中廣泛地應(yīng)用于整流、限幅、鉗位、開(kāi)關(guān)、穩(wěn)壓、檢波等方面，大多是利用其正偏導(dǎo)通、反偏截止的特點(diǎn)。1．整流應(yīng)用利用二極管的單向?qū)щ娦钥梢园汛笮『头较蚨甲兓恼医涣麟娮優(yōu)閱蜗蛎}動(dòng)的直流電，如圖1-15所示。這種方法簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，在日常生活及電子電路中經(jīng)常采用。根據(jù)這個(gè)原理，還可以構(gòu)成整流效果更好的單相全波、單相橋式等整流電路。1.2.4二極管在電子技術(shù)中的應(yīng)用圖1-15二極管的整流應(yīng)用(a)二極管整流電路;(b)輸入與輸出波形圖1-15二極管的整流應(yīng)用2．限幅應(yīng)用利用二極管的單向?qū)щ娦裕瑢⑤斎腚妷合薅ㄔ谝蟮姆秶畠?nèi)，叫做限幅。圖1-16（a）所示的雙向限幅電路中，交流輸入電壓ui和直流電壓E1都對(duì)二極管VD1起作用；相應(yīng)的VD2也同時(shí)受ui和E2的控制。在假設(shè)VD1、VD2為理想二極管時(shí)，有如下限幅過(guò)程發(fā)生：當(dāng)輸入電壓ui＞3V時(shí)，VD1導(dǎo)通，VD2截止，uo＝3V；當(dāng)ui＜-3V時(shí)，VD2導(dǎo)通，VD1截止，uo＝－3V；當(dāng)ui在－3V與+3V之間時(shí)，VD1和VD2均截止，因此uo＝ui，輸出波形如圖1-16（b）所示。2．限幅應(yīng)用圖1-16二極管的限幅應(yīng)用（a）雙向限幅電路;（b）輸入與輸出波形圖1-16二極管的限幅應(yīng)用3．穩(wěn)壓應(yīng)用在需要不高的穩(wěn)定電壓輸出時(shí)，可以利用幾個(gè)二極管的正向壓降串聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)。還有一種穩(wěn)壓二極管，可以專(zhuān)門(mén)用來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定電壓輸出。穩(wěn)壓二極管有不同的系列，用以實(shí)現(xiàn)不同的穩(wěn)定電壓輸出。3．穩(wěn)壓應(yīng)用4．開(kāi)關(guān)應(yīng)用在數(shù)字電路中經(jīng)常將半導(dǎo)體二極管作為開(kāi)關(guān)元件來(lái)使用，因?yàn)槎O管具有單向?qū)щ娦?，可以相?dāng)于一個(gè)受外加偏置電壓控制的無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)。如圖1-17所示，為監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)組工作的某種儀表的部分電路。其中us是需要定期通過(guò)二極管VD加入記憶電路的信號(hào)，ui為控制信號(hào)。4．開(kāi)關(guān)應(yīng)用圖1-17二極管的開(kāi)關(guān)應(yīng)用圖1-17二極管的開(kāi)關(guān)應(yīng)用當(dāng)控制信號(hào)ui=10V時(shí)，VD的負(fù)極電位被抬高，二極管截止，相當(dāng)于“開(kāi)關(guān)斷開(kāi)”，us不能通過(guò)VD；當(dāng)ui=0V時(shí)，VD正偏導(dǎo)通，us可以通過(guò)VD加入記憶電路。此時(shí)二極管相當(dāng)于“開(kāi)關(guān)閉合”情況。這樣，二極管VD就在信號(hào)ui的控制下，實(shí)現(xiàn)了接通或關(guān)斷us信號(hào)的作用。當(dāng)控制信號(hào)ui=10V時(shí)，VD的5．二極管的識(shí)別與簡(jiǎn)單測(cè)試1）二極管的極性判別有的二極管從外殼的形狀上可以區(qū)分電極；有的二極管的極性用符號(hào)“”印在外殼上，箭頭指向的一端為負(fù)極；還有的二極管用色環(huán)或色點(diǎn)來(lái)標(biāo)志(靠近色環(huán)的一端是負(fù)極，有色點(diǎn)的一端是正極)。5．二極管的識(shí)別與簡(jiǎn)單測(cè)試2）性能測(cè)試二極管正、反向電阻的測(cè)量值相差愈大愈好，一般二極管的正向電阻測(cè)量值為幾百歐姆，反向電阻為幾十千歐姆到幾百千歐姆。如果測(cè)得正、反向電阻均為無(wú)窮大，說(shuō)明內(nèi)部斷路；若測(cè)量值均為零，則說(shuō)明內(nèi)部短路；如測(cè)得正、反向電阻幾乎一樣大，這樣的二極管已經(jīng)失去單向?qū)щ娦?，沒(méi)有使用價(jià)值了。2）性能測(cè)試1.3特殊二極管1.3.1穩(wěn)壓二極管1．穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線(xiàn)穩(wěn)壓二極管簡(jiǎn)稱(chēng)穩(wěn)壓管，是一種用特殊工藝制造的面結(jié)型硅半導(dǎo)體二極管，可以穩(wěn)定地工作于擊穿區(qū)而不損壞。穩(wěn)壓二極管的外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)均與普通二極管相似，其電路符號(hào)、伏安特性曲線(xiàn)如圖1-18所示。1.3特殊二極管1.3.1穩(wěn)壓二極管圖1-18穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線(xiàn)與電路符號(hào)（a）伏安特性曲線(xiàn);（b）電路符號(hào)圖1-18穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線(xiàn)與電路符號(hào)2．穩(wěn)壓管的主要參數(shù)1）穩(wěn)定電壓UZ

UZ就是穩(wěn)壓管的反向擊穿電壓，它的大小取決于制造時(shí)的摻雜濃度。2）最小穩(wěn)定電流IZmin穩(wěn)壓管正常工作時(shí)的最小電流值定義為最小穩(wěn)定電流，記為IZmin，一般在幾毫安以上。穩(wěn)壓管正常工作時(shí)的電流應(yīng)大于IZmin，以保證穩(wěn)壓效果。2．穩(wěn)壓管的主要參數(shù)3）最大穩(wěn)定電流IZM和最大耗散功率PZM穩(wěn)壓管允許流過(guò)的最大電流和最大功耗叫做最大穩(wěn)定電流IZM和最大耗散功率PZM。通過(guò)管子的電流太大，會(huì)使管子內(nèi)部的功耗增大，結(jié)溫上升而燒壞管子，所以穩(wěn)壓管正常工作時(shí)的電流和功耗不應(yīng)超過(guò)這兩個(gè)極限參數(shù)。一般有

PZM=UZ·IZM（1-5）3）最大穩(wěn)定電流IZM和最大耗4）動(dòng)態(tài)電阻rz穩(wěn)壓管反向擊穿時(shí)的動(dòng)態(tài)電阻，定義為電流變化量ΔIZ引起的穩(wěn)定電壓變化量ΔUZ。（1-6）動(dòng)態(tài)電阻是反映穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓性能好壞的重要參數(shù)，rz越小，反向擊穿區(qū)曲線(xiàn)越陡，穩(wěn)壓效果就越好。4）動(dòng)態(tài)電阻rz（1-6）5）穩(wěn)定電壓UZ的溫度系數(shù)K穩(wěn)定電壓UZ的溫度系數(shù)K定義為溫度變化1℃引起的穩(wěn)定電壓UZ的相對(duì)變化量，即（1-7）5）穩(wěn)定電壓UZ的溫度系數(shù)K（1-1.3.2發(fā)光二極管與光電二極管發(fā)光二極管和光電二極管都屬于光電子器件，光電子器件在電子系統(tǒng)中也有十分廣泛地應(yīng)用，具有抗干擾能力強(qiáng)、損耗小等優(yōu)點(diǎn)。1．發(fā)光二極管

發(fā)光二極管屬于電光轉(zhuǎn)換器件的一種，是可以將電能直接轉(zhuǎn)換成光能的半導(dǎo)體器件，簡(jiǎn)稱(chēng)“LED”，是英文LightEmittingDiode的縮寫(xiě)，其電路符號(hào)如圖1-19所示。1.3.2發(fā)光二極管與光電二極管圖1-19發(fā)光二極管的電路符號(hào)圖1-19發(fā)光二極管的電路符號(hào)發(fā)光二極管也具有單向?qū)щ娦裕寒?dāng)外加反偏電壓時(shí)，二極管截止，不發(fā)光；當(dāng)外加正偏電壓導(dǎo)通時(shí)，因流過(guò)正向電流而發(fā)光。其發(fā)光機(jī)理是由于正偏時(shí)電子與空穴復(fù)合并釋放出能量所致，而顏色與發(fā)光二極管的材料和摻雜元素有關(guān)。發(fā)光二極管可以分為發(fā)不可見(jiàn)光和發(fā)可見(jiàn)光兩種。前者有發(fā)紅外光的砷化鎵發(fā)光二極管等;后者有發(fā)紅光、黃光、綠光以及藍(lán)光和紫光的發(fā)光二極管等。發(fā)光二極管也具有單向?qū)щ娦裕寒?dāng)外加發(fā)光二極管的工作電流一般約為幾至幾十毫安，正偏電壓比普通二極管要高，約為1.5～3V，具有功耗小，體積小，可直接與集成電路連接使用的特點(diǎn)。并且穩(wěn)定、可靠、長(zhǎng)壽（105～106小時(shí)）、光輸出響應(yīng)速度快（1～100MHz），應(yīng)用十分方便和廣泛，除應(yīng)用于信號(hào)燈指示（儀器儀表、家電等）、數(shù)字和字符指示（接成七段顯示數(shù)碼管）等發(fā)光顯示方式以外，另一種重要應(yīng)用是將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)，通過(guò)光纜傳輸，接受端配合光電轉(zhuǎn)換器件再現(xiàn)電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)光電耦合、光纖通信等應(yīng)用。發(fā)光二極管的工作電流一般約為幾至幾十2．光電二極管光電二極管也叫光敏二極管，它的結(jié)構(gòu)和一般二極管相似，也具有單向?qū)щ娦?。光電二極管的PN結(jié)被封裝在透明玻璃外殼中，其PN結(jié)裝在管子的頂部，可以直接受到光的照射。光敏二極管的電路符號(hào)如圖1-20所示。2．光電二極管圖1-20光電二極管的電路符號(hào)圖1-20光電二極管的電路符號(hào)圖1-21遠(yuǎn)距離光電傳輸?shù)脑韴D1-21遠(yuǎn)距離光電傳輸?shù)脑?1.3.3變?nèi)荻O管我們?cè)谟懻摪雽?dǎo)體二極管時(shí)已經(jīng)知道：二極管在高頻應(yīng)用時(shí)，必須要考慮結(jié)電容的影響，而所謂的變?nèi)荻O管，就是結(jié)電容隨反向電壓的增加而減小的二極管。圖1-22（a）所示為變?nèi)荻O管的電路符號(hào)，圖1-22（b）為某種變?nèi)荻O管的特性曲線(xiàn)。*1.3.3變?nèi)荻O管圖1-22變?nèi)荻O管（a）電路符號(hào);（b）結(jié)電容與反偏電壓的關(guān)系（縱坐標(biāo)為對(duì)數(shù)刻度）圖1-結(jié)電容由勢(shì)壘電容CB和擴(kuò)散電容CD兩部分組成。我們知道，當(dāng)PN結(jié)兩端的電壓發(fā)生改變時(shí)，會(huì)使空間電荷區(qū)寬度發(fā)生改變，空間電荷區(qū)存儲(chǔ)電荷的多少發(fā)生變化就表現(xiàn)為PN結(jié)的電容效應(yīng)。在二極管正偏的多子擴(kuò)散過(guò)程中，多子擴(kuò)散到對(duì)方區(qū)域后，在對(duì)方區(qū)域形成一定的濃度梯度，越靠近PN結(jié)處的濃度越大，這個(gè)梯度隨外加正向電壓的大小而增減，這也是一種存、放電荷的作用。所以我們可以得到圖1-23所示的PN結(jié)（二極管）高頻等效電路。結(jié)電容由勢(shì)壘電容CB和擴(kuò)散電容CD兩圖1-23PN結(jié)的高頻等效電路圖1-23PN結(jié)的高頻等效電路

1.4半導(dǎo)體三極管

1.4.1三極管的結(jié)構(gòu)與類(lèi)型半導(dǎo)體三極管又叫晶體三極管，由于它在工作時(shí)半導(dǎo)體中的電子和空穴兩種載流子都起作用，因此屬于雙極型器件，也叫做BJT（BipolarJunctionTransistor，雙極結(jié)型晶體管）。1.4半導(dǎo)體三極管1.4.1三極管的結(jié)構(gòu)與類(lèi)型半導(dǎo)體三極管的種類(lèi)很多，按照半導(dǎo)體材料的不同可分為硅管、鍺管；按功率分有小功率管、中功率管和大功率管；按照頻率分有高頻管和低頻管；按照制造工藝分有合金管和平面管等。通常，按照結(jié)構(gòu)的不同分為兩種類(lèi)型：NPN型管和PNP型管，圖1-24給出了NPN和PNP管的結(jié)構(gòu)示意圖和電路符號(hào)，符號(hào)中的箭頭方向是三極管的實(shí)際電流方向。圖1-25所示為幾種常見(jiàn)三極管的外形圖，三極管的型號(hào)命名方法參見(jiàn)附錄A。半導(dǎo)體三極管的種類(lèi)很多，按照半導(dǎo)體材圖1-24三極管的結(jié)構(gòu)與電路符號(hào)（a）NPN型三極管;（b）PNP型三極管圖1-24三極管的結(jié)構(gòu)與電路符號(hào)圖1-25常見(jiàn)三極管的外形圖1-25常見(jiàn)三極管的外形1.4.2三極管的基本工作原理由于NPN管和PNP管的結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，工作原理完全相同，下面以NPN管為例，討論三極管的基本工作原理。1．三極管內(nèi)部載流子的傳輸過(guò)程和二極管一樣，要使三極管能控制載流子的傳輸以達(dá)到電流放大的目的，必須給三極管加上合適的偏置電壓，NPN三極管的偏置情況如圖1-26所示。1.4.2三極管的基本工作原理圖1-26三極管內(nèi)的載流子運(yùn)動(dòng)規(guī)律圖1-26三極管內(nèi)的載流子運(yùn)動(dòng)規(guī)律1）發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子，形成發(fā)射極電流IE

在圖1-26中，由于發(fā)射結(jié)正偏，因此，高摻雜濃度的發(fā)射區(qū)多子（自由電子）越過(guò)發(fā)射結(jié)向基區(qū)擴(kuò)散，形成發(fā)射極電流IE，發(fā)射極電流的方向與電子流動(dòng)方向相反，是流出三極管發(fā)射極的（與此同時(shí)，基區(qū)多子空穴也向發(fā)射區(qū)擴(kuò)散，但因基區(qū)摻雜濃度低，數(shù)量和發(fā)射區(qū)的電子相比很少，可以忽略不計(jì)）。1）發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子，形成發(fā)射2）電子在基區(qū)的擴(kuò)散與復(fù)合，形成基極電流IB發(fā)射區(qū)來(lái)的電子注入基區(qū)后，由于濃度差的作用繼續(xù)向集電結(jié)方向擴(kuò)散。但因?yàn)榛鶇^(qū)多子為空穴，所以在擴(kuò)散過(guò)程中，有一部分自由電子要和基區(qū)的空穴復(fù)合。在制造三極管時(shí)，基區(qū)被做得很薄，只有微米數(shù)量級(jí)、摻雜濃度又低，因此被復(fù)合掉的只是一小部分，大部分自由電子可以很快到達(dá)集電結(jié)。而UBB的正極接三極管的基區(qū)，所以不斷地從基區(qū)抽走電子形成新的空穴以補(bǔ)充被復(fù)合掉的空穴，維持基區(qū)空穴濃度不變，這些被抽走的電子形成了流入基極的基極電流IB。2）電子在基區(qū)的擴(kuò)散與復(fù)合，形成3）集電區(qū)收集電子形成集電極電流IC大部分從發(fā)射區(qū)“發(fā)射”來(lái)的自由電子很快擴(kuò)散到了集電結(jié)。由于集電結(jié)反偏，在這個(gè)較強(qiáng)的從N區(qū)（集電區(qū)）指向P區(qū)（基區(qū)）的內(nèi)電場(chǎng)的作用下，自由電子很快就被吸引、漂移過(guò)了集電結(jié)，到達(dá)集電區(qū)，形成集電極電流的主要成分I′C。集電極電流的方向是流入集電極的。3）集電區(qū)收集電子形成集電極電流2．電流分配關(guān)系發(fā)射極電流IE在基區(qū)分為基區(qū)內(nèi)的復(fù)合電流I′B和繼續(xù)向集電極擴(kuò)散的電流I′C兩個(gè)部分，I′C與I′B的比例，取決于制造三極管時(shí)的結(jié)構(gòu)和工藝，管子制成后，這個(gè)比例基本上是個(gè)定值。定義三極管的直流電流放大系數(shù)β為I′C與I′B的比值，即（1-8）2．電流分配關(guān)系（1-8）

因?yàn)閺陌l(fā)射區(qū)注入基區(qū)的載流子在基區(qū)復(fù)合掉的很少，所以β一般在幾十到二百之間。β越大，三極管的電流放大能力越強(qiáng)。從式（1-8）中可以解出（1-9）式中，ICEO=(1+β)ICBO叫做穿透電流。因?yàn)閺陌l(fā)射區(qū)注入基區(qū)的載流子在基區(qū)復(fù)將三極管看成是一個(gè)節(jié)點(diǎn)，還可以得到發(fā)射極電流IE與IB、IC的關(guān)系，即

IE=IC+IB=（1+β）IB（1-11）由于β較大，通常認(rèn)為IE≈IC。一般小功率管基極電流通常是微安級(jí)別，而IC和IE的數(shù)量級(jí)可以達(dá)到毫安級(jí)。（1-10）將三極管看成是一個(gè)節(jié)點(diǎn)，還可以得到3．三極管的電流放大作用如圖1-27（a）所示稱(chēng)為三極管的共發(fā)射極放大電路。因?yàn)檫@個(gè)電路中包含由三極管的基極與發(fā)射極構(gòu)成的輸入回路和由集電極與發(fā)射極構(gòu)成的輸出回路，三極管的發(fā)射極作為輸入和輸出回路的公共端，所以稱(chēng)為共發(fā)射極放大電路。電源UBB接于輸入回路，使三極管的發(fā)射結(jié)正偏，UCC接于輸出回路使集電結(jié)反偏。在這種偏置下，可以引起三極管內(nèi)載流子有規(guī)律的傳輸，產(chǎn)生IB、IC、IE電流，并在集電極電阻上產(chǎn)生輸出電壓UO。其中，IC為β倍的IB，即輸出電流IC為輸入電流IB的β倍，這是對(duì)直流電流的放大作用。3．三極管的電流放大作用圖1-27三極管的電流放大作用（a）沒(méi)加入交流信號(hào)時(shí)；（b）加入交流信號(hào)后的電流放大作用

在電子電路中，我們更關(guān)心的是三極管對(duì)微弱的變化信號(hào)的放大作用，在電子電路中所說(shuō)的放大指的是對(duì)變化的交流信號(hào)的放大，而不是直流。在圖1-27（a）電路的輸入回路中串入待放大的輸入信號(hào)ΔUI，如圖1-27（b）所示，這樣發(fā)射結(jié)的外加電壓將等于UBB+ΔUI。外加電壓的變化，相應(yīng)使發(fā)射極電流產(chǎn)生ΔIE的變化。由于三極管的電流分配關(guān)系是一定的，因此ΔIE將引起相應(yīng)的ΔIC和ΔIB。我們定義ΔIC與ΔIB的比值為晶體管的交流電流放大系數(shù)β，即（1-12）在電子電路中，我們更關(guān)心的是三極管ΔIC=βΔIB（1-13）

ΔIE=(1+β)ΔIB(1-14)輸出電流ΔIC是輸入電流ΔIB的β倍，可見(jiàn)三極管對(duì)變化的輸入電流ΔIB有放大作用，β一般為幾十到二百之間。ΔIC=βΔ1.4.3三極管的特性曲線(xiàn)三極管的伏安特性曲線(xiàn)是指三極管各極間電壓與各電極電流之間的關(guān)系曲線(xiàn)，它是管內(nèi)載流子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的外部體現(xiàn)，可以指導(dǎo)我們?cè)陔娐吩O(shè)計(jì)中合理地選擇和使用三極管，還可以在特性曲線(xiàn)上作圖對(duì)三極管的放大性能進(jìn)行分析。三極管和二極管一樣是非線(xiàn)性元件，所以其伏安特性曲線(xiàn)也是非線(xiàn)性的。常用三極管伏安特性曲線(xiàn)有輸入特性曲線(xiàn)和輸出特性曲線(xiàn)。這些曲線(xiàn)和電路的接法有關(guān)。這里仍以最常用的NPN管構(gòu)成的共發(fā)射極電路為例來(lái)分析三極管的特性曲線(xiàn)。1.4.3三極管的特性曲線(xiàn)1．輸入特性曲線(xiàn)輸入特性曲線(xiàn)是指當(dāng)集電極與發(fā)射極之間電壓uCE為一常數(shù)時(shí)，輸入回路中加在三極管基極與發(fā)射極之間的發(fā)射結(jié)電壓uBE和基極電流iB之間的關(guān)系曲線(xiàn)。用函數(shù)關(guān)系式表示為（1-15）1．輸入特性曲線(xiàn)（1-15）圖1-28三極管的輸入、輸出特性曲線(xiàn)（a）輸入特性曲線(xiàn);（b）輸出特性曲線(xiàn)圖1-28三極管的輸入、輸出特性曲線(xiàn)2．輸出特性曲線(xiàn)輸出特性曲線(xiàn)是在基極電流iB一定的情況下，三極管的集電極輸出回路中，集電極與發(fā)射極之間的管壓降uCE和集電極電流iC之間的關(guān)系曲線(xiàn)。用函數(shù)式表示為（1-16）2．輸出特性曲線(xiàn)（1-16）圖1-29三極管的三個(gè)工作區(qū)域圖1-29三極管的三個(gè)工作區(qū)域1）截止區(qū)習(xí)慣上把iB≤0的區(qū)域稱(chēng)為截止區(qū)，即iB＝0的輸出特性曲線(xiàn)和橫坐標(biāo)軸之間的區(qū)域。若要使iB≤0，三極管的發(fā)射結(jié)就必須在死區(qū)以?xún)?nèi)或反偏，為了使三極管能夠可靠截止，通常給三極管的發(fā)射結(jié)加反偏電壓。2）放大區(qū)在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。iC與iB之間滿(mǎn)足電流分配關(guān)系iC＝β

iB＋I(xiàn)CEO，輸出特性曲線(xiàn)近似為水平線(xiàn)。1）截止區(qū)3）飽和區(qū)如果發(fā)射結(jié)正偏時(shí)，出現(xiàn)管壓降uCE＜0.7V（對(duì)于硅管來(lái)說(shuō)），也就是uCB＜0的情況，我們稱(chēng)三極管進(jìn)入飽和區(qū)。所以飽和區(qū)的發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均處于正偏狀態(tài)。飽和區(qū)中的iB對(duì)iC的影響較小，放大區(qū)的β也不再適用于飽和區(qū)。3）飽和區(qū)1.4.4三極管的主要參數(shù)三極管的參數(shù)是表征管子的性能和它的適用范圍的，是電路設(shè)計(jì)和調(diào)整的依據(jù)。了解這些參數(shù)對(duì)于合理使用三極管十分必要。1．電流放大系數(shù)根據(jù)工作狀態(tài)的不同，在直流和交流兩種情況下，分別有直流電流放大系數(shù)β和交流電流放大系數(shù)β。

1.4.4三極管的主要參數(shù)1）共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)β在共發(fā)射極電路沒(méi)有交流輸入信號(hào)的情況下，（IC－ICEO）與IB的比值稱(chēng)為直流電流放大系數(shù)β，這和式（1-8）的定義是一致的，即（1-17）1）共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)β（2）共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)β指在共發(fā)射極電路中，輸出集電極電流的變化量與輸入基極電流的變化量的比值，即（1-18）式中，β值是衡量三極管放大能力的重要指標(biāo)。2）共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)β（1-2．極間反向電流1）集電極—基極間反向飽和電流ICBO指在發(fā)射極斷開(kāi)時(shí)（IE＝0），基極和集電極之間的反向電流，下標(biāo)中的“O”代表發(fā)射極開(kāi)路，測(cè)量電路如圖1-30所示。ICBO的實(shí)質(zhì)就是集電結(jié)反偏時(shí)集電區(qū)和基區(qū)的少子漂移電流，所以受溫度影響較大。ICBO的值一般很小，在室溫下，小功率硅管的

ICBO≤1μA；小功率鍺管約為10μA左右。ICBO的大小標(biāo)志集電結(jié)質(zhì)量的好壞，ICBO越小越好，一般在工作環(huán)境溫度變化較大的場(chǎng)所都選擇硅管。2．極間反向電流圖1-30測(cè)量ICBO的電路圖1-30測(cè)量ICBO的電路2）集電極—發(fā)射極間反向電流ICEO

指基極開(kāi)路時(shí)，集電極與發(fā)射極之間加一定反向電壓時(shí)的集電極電流。由于這個(gè)電流從集電極穿過(guò)基區(qū)流到發(fā)射極，因此又叫穿透電流，測(cè)試電路如圖1-31所示。ICEO與反向飽和電流ICBO的關(guān)系為

ICEO=ICBO+βICBO=(1+β)ICBO（1-19）

ICEO與ICBO一樣，屬于少子漂移電流，受溫度影響較大，是衡量管子質(zhì)量的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。2）集電極—發(fā)射極間反向電流ICEO圖1-31測(cè)量ICEO的電路圖1-31測(cè)量ICEO的電路3．極限參數(shù)三極管正常工作時(shí)，管子上的電壓和電流是有一定限度的，否則會(huì)使三極管工作不正常，使特性變壞，甚至損壞。因此要規(guī)定允許的最高工作電壓、流經(jīng)三極管的最大工作電流和允許的最大耗散功率等。這些電壓、電流和功率值稱(chēng)為三極管的極限參數(shù)。選擇和使用管子時(shí)，必須保證三極管的工作狀態(tài)不能超過(guò)這些極限值。3．極限參數(shù)1）基極開(kāi)路時(shí)集電極與發(fā)射極之間的反向擊穿電壓U（BR）CEO電源電壓UCC使集電結(jié)反偏，并產(chǎn)生管壓降uCE。當(dāng)uCE增大到一定程度時(shí)，會(huì)將集電結(jié)擊穿，使集電極電流iC迅速增加，甚至損壞三極管?；鶚O開(kāi)路時(shí)的

U（BR）CEO是各種情況下以及各電極間反向擊穿電壓的最小值，所以使用時(shí)只要注意三極管各電極間的電壓不要超過(guò)U（BR）CEO就可以了。1）基極開(kāi)路時(shí)集電極與發(fā)射極之間2）集電極最大允許電流ICM當(dāng)集電極電流超過(guò)某一定值時(shí)，三極管性能變差，甚至損壞管子，例如β值將隨IC的增加而下降。集電極最大允許電流ICM，就是表示β下降到額定值的1/3～2/3時(shí)的IC值，一般規(guī)定在正常工作時(shí)，流過(guò)三極管的集電極電流iC＜ICM。2）集電極最大允許電流ICM圖1-32三極管的安全工作區(qū)圖1-32三極管的安全工作區(qū)3）集電極最大允許耗散功率PCM這個(gè)參數(shù)表示集電結(jié)上允許損耗功率的最大值。PCM與環(huán)境溫度有關(guān)，溫度越高，PCM越小。手冊(cè)中給出的PCM值是在常溫（25℃）并加規(guī)定尺寸散熱器（大功率管）的情況下測(cè)得的。一般有

PCM=iC·uCE（1-20）3）集電極最大允許耗散功率PCM1.4.5溫度對(duì)三極管參數(shù)的影響

溫度對(duì)晶體管的各種參數(shù)都有影響，影響最大的是ICBO、β和發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓UBE。1．溫度對(duì)ICBO的影響ICBO是由集電區(qū)少子向基區(qū)漂移及基區(qū)少子向集電區(qū)漂移而形成的電流。由于少子的數(shù)量與環(huán)境溫度有關(guān)，當(dāng)溫度升高時(shí)，少子急劇增加，因此ICBO隨著溫度變化按指數(shù)規(guī)律變化。無(wú)論硅管和鍺管，都可以近似地認(rèn)為，溫度每升高10℃，ICBO就增大一倍，即（1-21）1.4.5溫度對(duì)三極管參數(shù)的影響（1-21）2．溫度對(duì)β的影響三極管的電流放大系數(shù)β隨著溫度升高而增大。這是由于溫度升高時(shí)，基區(qū)中載流子運(yùn)動(dòng)速度加快，復(fù)合機(jī)會(huì)減少，使IC/IB增大，即β值增大。無(wú)論是硅管還是鍺管，溫度每升高1℃，β相應(yīng)地增大0.5％～1％。在三極管的輸出特性曲線(xiàn)上表現(xiàn)為曲線(xiàn)間隔變大。2．溫度對(duì)β的影響3．溫度對(duì)發(fā)射結(jié)正向壓降UBE的影響溫度升高后，三極管內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)加劇，電流隨溫度升高而增加。所以溫度升高后，在電流相同的條件下，發(fā)射結(jié)電壓UBE減小，溫度系數(shù)約為－2.5mV／℃，同二極管的輸入特性曲線(xiàn)類(lèi)似，溫度升高時(shí)，三極管輸入特性曲線(xiàn)向左移動(dòng)。3．溫度對(duì)發(fā)射結(jié)正向壓降UBE的影1.4.6三極管在電子技術(shù)中的應(yīng)用半導(dǎo)體三極管是電子電路的核心元器件，應(yīng)用十分廣泛。盡管三極管可以組成運(yùn)算放大電路、功率放大電路、振蕩電路、反相器、數(shù)字邏輯電路等，但可歸納為放大應(yīng)用和開(kāi)關(guān)應(yīng)用兩大類(lèi)。1．放大應(yīng)用在模擬電子電路中，三極管主要工作于放大狀態(tài)，可以把輸入基極電流ΔIB放大β倍以ΔIC的形式輸出。因此三極管的放大應(yīng)用，就是利用三極管的電流控制作用把微弱的電信號(hào)增強(qiáng)到所要求的數(shù)值。利用三極管的電流放大作用，可以得到各種形式的電子電路。1.4.6三極管在電子技術(shù)中的應(yīng)用2．開(kāi)關(guān)應(yīng)用和二極管的反偏截止、正偏導(dǎo)通相似，三極管也可以工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，是基本的開(kāi)關(guān)器件之一，主要應(yīng)用于數(shù)字電路。開(kāi)關(guān)狀態(tài)的三極管工作于截止區(qū)或飽和區(qū)，分別相當(dāng)于斷開(kāi)和閉合的開(kāi)關(guān)，而放大區(qū)只是出現(xiàn)在三極管飽和與截止的相互轉(zhuǎn)換過(guò)程中，是個(gè)瞬間的過(guò)渡過(guò)程。圖1-33為三極管構(gòu)成的受輸入ui控制的開(kāi)關(guān)應(yīng)用電路。2．開(kāi)關(guān)應(yīng)用圖1-33三極管的開(kāi)關(guān)應(yīng)用圖1-33三極管的開(kāi)關(guān)應(yīng)用1）截止條件從前面的分析知道，為保證三極管可靠截止，要求uBE≤0，所以圖1-33中的三極管若工作于截止區(qū)，必須有ui≤0。截止區(qū)的三極管各電極電流近似為零，各電極間看成是開(kāi)路狀態(tài)，相當(dāng)于斷開(kāi)的開(kāi)關(guān)，輸出電壓約為電源電壓12V，其等效電路如圖1-34所示。1）截止條件圖1-34三極管截止時(shí)的等效電路圖1-34三極管截止時(shí)的等效電路2）飽和條件從圖1-33可以看出，iB的增大使iC隨之增大，導(dǎo)致管壓降降低到接近于零，從而造成三極管的飽和，此時(shí)的集電極電流達(dá)到最大值。三極管剛剛進(jìn)入飽和區(qū)時(shí)稱(chēng)為臨界飽和，臨界時(shí)的管壓降uCE已經(jīng)很小，接近UCE(sat)，并可近似為零，iC仍約為β倍的iB。定義臨界飽和時(shí)的iC和iB叫做臨界飽和集電極電流IC(sat)和臨界飽和基極電流IB(sat)，所以有（1-22）2）飽和條件（1-22）對(duì)應(yīng)的臨界飽和基極電流為（1-23）在臨界飽和的基礎(chǔ)上，如果iB繼續(xù)增大，由于管壓降已經(jīng)達(dá)到最小值UCE(sat)，對(duì)應(yīng)的集電極電流達(dá)到最大值IC(sat)，不能繼續(xù)隨iB增大，意味著三極管進(jìn)入了飽和區(qū)，因此三極管的飽和條件就是iB≥IB(sat)（1-24）對(duì)應(yīng)的臨界飽和基極電流為（1-23）在臨界飽和的基礎(chǔ)上式中的iB是電路中的實(shí)際基極電流，從圖1-33中可以看出因此對(duì)于圖1-33來(lái)說(shuō)，ui越大，iB就越大，管子就越向飽和的方向發(fā)展。若iB＜IB(sat)，說(shuō)明相應(yīng)的集電極電流iC＜IC(sat)，三極管仍工作于放大區(qū)，此時(shí)的集電極電流與基極電流成β倍的關(guān)系，沒(méi)有達(dá)到集電極電流飽和的程度。

式中的iB是電路中的實(shí)際基極電流，圖1-35三極管飽和時(shí)的等效電路圖1-35三極管飽和時(shí)的等效電路表1-1三極管三種工作狀態(tài)的比較表1-1三極管三種工作狀態(tài)的比較3．三極管的測(cè)試由于三極管內(nèi)部是由兩個(gè)PN結(jié)構(gòu)成的，因此，和二極管類(lèi)似，也可以用萬(wàn)用表對(duì)三極管的電極、好壞作大致的判斷。需要注意一點(diǎn)：無(wú)論是基極和集電極之間的正向電阻，還是基極與發(fā)射極之間的正向電阻，都應(yīng)在幾千歐姆到十幾千歐姆的范圍內(nèi)，一般硅管的正向阻值為6～20kΩ，鍺管約為1～5kΩ，而反向電阻則應(yīng)趨近于無(wú)窮大。若測(cè)出的電阻不論正向反向，均為零，說(shuō)明此結(jié)已經(jīng)擊穿；如測(cè)出的電阻均為無(wú)窮大，說(shuō)明此結(jié)已斷。3．三極管的測(cè)試對(duì)于數(shù)字萬(wàn)用表來(lái)說(shuō)，測(cè)試更加方便，除可利用“”擋測(cè)量管內(nèi)的PN結(jié)以外，還有專(zhuān)門(mén)測(cè)量三極管β值的插孔，測(cè)量時(shí)只需將擋位撥至測(cè)量三極管的位置，并將NPN管或PNP管的三個(gè)管腳插入對(duì)應(yīng)的e、b、c插孔中，就可以讀出β值的大小。常見(jiàn)三極管的管腳排列位置見(jiàn)圖1-36所示。對(duì)于數(shù)字萬(wàn)用表來(lái)說(shuō)，測(cè)試更加方便圖1-36常見(jiàn)三極管的管腳排列圖1-36常見(jiàn)三極管的管腳排列1.5場(chǎng)效應(yīng)晶體管晶體三極管的自由電子和空穴兩種載流子均參與導(dǎo)電，是雙極型晶體管。本節(jié)要介紹的場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET，F(xiàn)ieldEffectTransistor）只有一種載流子——多子（要么是自由電子，要么是空穴）參與導(dǎo)電，所以是一種單極型器件。1.5場(chǎng)效應(yīng)晶體管晶體三極管的三極管是利用基極電流來(lái)控制集電極電流的，是電流控制器件。在正常工作時(shí)，發(fā)射結(jié)正偏，當(dāng)有電壓信號(hào)輸入時(shí)，一定要產(chǎn)生輸入電流，導(dǎo)致三極管的輸入電阻較小，一方面降低了管子獲得輸入信號(hào)的能力，而且在某些測(cè)量?jī)x表中將導(dǎo)致較大的誤差，這是我們所不希望的。而場(chǎng)效應(yīng)管是一種電壓控制器件，它只用信號(hào)源電壓的電場(chǎng)效應(yīng)，來(lái)控制管子的輸出電流，輸入電流幾乎為零，因此具有高輸入電阻的特點(diǎn)；同時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管受溫度和輻射的影響也比較小，又便于集成化，因此場(chǎng)效應(yīng)管已廣泛地應(yīng)用于各種電子電路中，也成為當(dāng)今集成電路發(fā)展的重要方向。三極管是利用基極電流來(lái)控制集電極電流1.5.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管是利用半導(dǎo)體內(nèi)的電場(chǎng)效應(yīng)進(jìn)行工作的，也稱(chēng)體內(nèi)場(chǎng)效應(yīng)器件。1．結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和類(lèi)型結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（簡(jiǎn)稱(chēng)JFET）的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-37（a）所示。它是在一塊摻雜濃度較低的N型硅片兩側(cè)，制作兩個(gè)高濃度的P型區(qū)（用P+表示），形成兩個(gè)PN結(jié)。兩個(gè)P+區(qū)連接起來(lái)引出一個(gè)電極稱(chēng)為柵極g。在中間的N型半導(dǎo)體材料兩端各引出一個(gè)電極分別叫做源極s和漏極d。它們分別相當(dāng)于晶體三極管的基極b、發(fā)射極e和集電極c，不同的是場(chǎng)效應(yīng)管的源極s和漏極d是對(duì)稱(chēng)的，可以互換使用。1.5.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管兩個(gè)PN結(jié)中間的N型區(qū)域流過(guò)JFET的電流，所以稱(chēng)為導(dǎo)電溝道。把以上結(jié)構(gòu)封裝起來(lái)，并引出相應(yīng)的電極引線(xiàn)，就是N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管。圖1-37（b）為它的電路符號(hào)，其中的箭頭表示由P區(qū)（柵極）指向N區(qū)（溝道）的方向。兩個(gè)PN結(jié)中間的N型區(qū)域流過(guò)JFET的電流，所以稱(chēng)圖1-37N溝道JFET（a）結(jié)構(gòu)示意圖;（b）電路符號(hào)圖1-37N溝道JFET圖1-38P溝道JFET(a)結(jié)構(gòu)示意圖；(b)電路符號(hào)圖1-38P溝道JFET2．工作原理

N溝道JFET的偏置電路如圖1-39（b）所示。電源電壓UGG使柵源之間的PN結(jié)反偏，以產(chǎn)生柵源電壓uGS，起到電壓控制作用；漏極和源極之間的電源電壓UDD用來(lái)產(chǎn)生漏源之間的電壓uDS，并由此產(chǎn)生溝道電流、也就是漏極電流iD。習(xí)慣上將N溝道JFET的漏極接電源電壓正極。2．工作原理從圖中可以看出，JFET的輸入PN結(jié)是反偏的，iG≈0，幾乎不從信號(hào)源處取電流，所以JFET的輸入電阻相當(dāng)高。因?yàn)镴FET是用柵源電壓uGS來(lái)控制漏極電流iD的，下面分別考慮不同uGS情況下管子的工作情況。從圖中可以看出，JFET的輸入PN1）uGS＝0VuGS＝0V時(shí)的電路如圖1-39（a）所示。N型硅中的多子自由電子在uDS的作用下，由源極向漏極移動(dòng)，形成由漏極流入的漏極電流iD，并且有iD=iS?？梢?jiàn)，漏源電壓uDS一定的情況下，漏極電流iD只與溝道的摻雜濃度、截面積、長(zhǎng)度等制造因素有關(guān)。由于在uGS=0時(shí)溝道最寬，因此此時(shí)的漏極電流最大，叫做漏極飽和電流IDSS。1）uGS＝0V圖1-39N溝道JFET的電壓控制作用圖1-39N溝道JFET的電壓控制作用2）0＞uGS＞UGS(off)柵源之間加上負(fù)的柵極電壓UGG后，如圖1-39（b）所示。此時(shí)的兩個(gè)PN結(jié)均處于反向偏置，空間電荷區(qū)的變寬（因?yàn)镻+區(qū)為高摻雜濃度，而耗盡層P+區(qū)和N區(qū)的正負(fù)離子電荷量是相等的，所以這個(gè)耗盡層在P+區(qū)很薄，而在N區(qū)較寬）使N型導(dǎo)電溝道變窄，漏極電流iD變小。2）0＞uGS＞UGS(off)圖1-40場(chǎng)效應(yīng)管對(duì)交流輸入電壓的放大作用圖1-40場(chǎng)效應(yīng)管對(duì)交流輸入電壓的放大作用3）uGS＜UGS(off)當(dāng)uGS負(fù)到一定程度時(shí)，兩側(cè)的耗盡區(qū)逐漸變寬而合攏，使導(dǎo)電溝道消失，漏極電流減小為0，如圖1-39（c)所示。我們將此時(shí)的uGS稱(chēng)為夾斷電壓UGS(off)。對(duì)于P溝道的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，為保證PN結(jié)反偏，其正常工作時(shí)的uGS應(yīng)該為正值，習(xí)慣上將漏極接UDD負(fù)極。此時(shí)溝道內(nèi)的載流子為多子空穴，形成的電流iD與空穴的流動(dòng)方向相同，由源極指向漏極，與N溝道JFET的漏極電流方向相反。3）uGS＜UGS(off)總之，我們可以知道：（1）正常工作時(shí)，JFET的柵源之間的PN結(jié)是外加反偏電壓的，而反偏PN結(jié)的電流很小，因此JFET的輸入電阻很大，柵極幾乎不從信號(hào)源取電流。（2）在UDD不變的情況下（即uDS不變），柵源之間很小的電壓變化可以引起漏極電流iD相當(dāng)大的變化?？傊?，我們可以知道：（3）在UGG不變時(shí)，若在柵源間加一個(gè)小的交流輸入信號(hào)ui，則漏極電流就會(huì)隨ui做同樣變化，并通過(guò)Rd把漏極電流的變化轉(zhuǎn)變成電壓的變化輸出，這就是場(chǎng)效應(yīng)管對(duì)交流輸入電壓的放大過(guò)程。（3）在UGG不變時(shí)，若在柵源間加一3．伏安特性曲線(xiàn)和三極管相類(lèi)似，圖1-41接法的場(chǎng)效應(yīng)管放大電路稱(chēng)為共柵極放大電路，下面仍以N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管為例，介紹共柵極放大電路的常用伏安特性曲線(xiàn)。3．伏安特性曲線(xiàn)圖1-41共柵極放大電路圖1-41共柵極放大電路1）轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)因?yàn)閳?chǎng)效應(yīng)管的柵極輸入電流iG≈0，所以不必描述輸入電流與輸入電壓的關(guān)系。轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)是指在漏極電壓uDS一定時(shí)，輸出回路的漏極電流iD與輸入回路柵源電壓uGS之間的關(guān)系曲線(xiàn)。用函數(shù)式表示為（1-25）1）轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)（1-25）如圖1-42（a）所示為某N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)。當(dāng)uGS＝0V時(shí)，溝道電阻最小，漏極電流最大，此時(shí)iD＝IDSS。當(dāng)柵極電壓越負(fù)，管內(nèi)PN結(jié)反壓越大時(shí)，耗盡區(qū)越寬，iD越小。當(dāng)uGS＜UGS(off)時(shí)，兩個(gè)耗盡區(qū)完全合攏，溝道電阻趨于無(wú)窮大，iD≈0。如圖1-42（a）所示為某N溝道結(jié)型圖1-42N溝道JFET的伏安特性曲線(xiàn)（a）轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn);（b）輸出特性曲線(xiàn)圖1-42N溝道JFET的伏安特性曲線(xiàn)iD、uGS的關(guān)系可用一個(gè)公式來(lái)表示（0≥uGS≥UGS(off)）（1-26）iD、uGS的關(guān)系可用一個(gè)公式來(lái)表示2）漏極特性曲線(xiàn)漏極特性曲線(xiàn)又叫輸出特性曲線(xiàn)。它是指在柵壓uGS一定時(shí)，漏極電流iD與漏極電壓uDS之間的關(guān)系曲線(xiàn)。用函數(shù)式表示為（1-27）如圖1-42（b）為某N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性曲線(xiàn)。和三極管相似，也可以分為包括擊穿區(qū)在內(nèi)的四個(gè)區(qū)：2）漏極特性曲線(xiàn)（1-27（1）可變電阻區(qū)。當(dāng)uDS較小時(shí)，溝道寬度主要由柵源電壓uGS決定，當(dāng)uGS一定時(shí)，溝道寬度和形狀幾乎不變。此時(shí)iD隨uDS的增加而線(xiàn)性增加，JFET等效成一個(gè)線(xiàn)性電阻。若改變uGS的大小，等效線(xiàn)性電阻的阻值也隨之改變。此區(qū)內(nèi)的場(chǎng)效應(yīng)管可以看成是一個(gè)受柵極電壓控制的電阻，一般有幾百歐姆左右，因此稱(chēng)本區(qū)為可變電阻區(qū)，如圖1-42（b）中的Ⅰ區(qū)所示。（1）可變電阻區(qū)。（2）放大區(qū)。場(chǎng)效應(yīng)管的放大區(qū)又叫做飽和區(qū)，如圖1-42（b）中的Ⅱ區(qū)所示。由于此區(qū)的uDS較大，導(dǎo)電溝道呈現(xiàn)倒楔形。當(dāng)uGS不變時(shí)，隨著uDS的繼續(xù)增加，g、d方向的反向偏壓高于g、s方向，因此，靠近漏極的兩個(gè)耗盡區(qū)率先合攏，叫做預(yù)夾斷。隨著uDS的增大，合攏部分逐漸向下延伸，使溝道電阻也變大，此時(shí)漏極電流iD幾乎不隨uDS的增加而變化，曲線(xiàn)平坦，所以此區(qū)又稱(chēng)為飽和區(qū)或恒流區(qū)。（2）放大區(qū)。(3）截止區(qū)。當(dāng)柵極電壓很負(fù)，在uGS＜UGS(off)時(shí)，導(dǎo)電溝道被完全夾斷，這時(shí)的溝道電阻幾乎為無(wú)窮大，而iD≈0。將uGS＜UGS(off)的區(qū)域稱(chēng)為截止區(qū)，如圖1-42（b）中的Ⅲ區(qū)所示。(3）截止區(qū)。(4）擊穿區(qū)。當(dāng)uDS很高，可以使柵漏之間的PN結(jié)承受過(guò)高的反壓而擊穿，此時(shí)的iD電流會(huì)突然增大，造成管子的破壞性擊穿，如圖1-42（b）中所示。P溝道的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的電流電壓和N溝道管子的極性相反，性能比較參見(jiàn)表1-2。(4）擊穿區(qū)。4．主要參數(shù)1）直流參數(shù)（1）夾斷電壓UGS(off)。當(dāng)uDS為某一固定數(shù)值時(shí)，使iD為零或一個(gè)微小電流，如1μA或10μA時(shí)，柵源間所加的偏壓uGS稱(chēng)為夾斷電壓UGS(off)。（2）漏極飽和電流IDSS。在uGS