第2章 半導體器件

第2章半導體器件

2.1半導體特性和PN結

2.2半導體二極管

2.3半導體三極管

2.4場效應管本章小結習題二2.1半導體特性和PN結2.1.1半導體特性1．本征半導體導電能力介于導體和絕緣體之間的物質稱為半導體。半導體是構成電子元器件的重要材料，最常用的半導體材料是硅（Si）和鍺（Ge）兩種元素。純凈的晶體結構的半導體稱為本征半導體。本征半導體是通過一定的工藝過程形成的單晶體，其中每個硅或鍺原子最外層的4個價電子，均與它們相鄰的4個原子的價電子共用，從而形成共價鍵。本征半導體中原子間的共價鍵具有較強的束縛力，每個原子都趨于穩(wěn)定。在常溫下，由于熱運動價電子被激活，有些獲得足夠能量的價電子會掙脫共價鍵成為自由電子，與此同時共價鍵中就流下一個空位，稱為空穴。這種現象稱為本征激發(fā)。由于電子帶負電荷，所以空穴表示缺少一個負電荷，即空穴具有正電荷粒子的特性。在電子、空穴對產生的同時，運動中的自由電子也有可能去填補空穴，使電子和空穴成對消失，這種現象稱為復合。在外電場作用下，一方面帶負電荷的自由電子作定向移動，形成電子電流；另一方面價電子會按電場方向依次填補空穴，產生空穴的定向移動，形成空穴電流。能夠運動的、可以參與導電的帶點粒子稱為載流子，因而自由電子和空穴是半導體中的兩種載流子。由于它們所帶電荷極性相反，所以電子電流和空穴電流的方向相反。在一定溫度下，電子、空穴對的產生和復合都在不停地進行，最終處于一種動態(tài)平衡狀態(tài)，使半導體中載流子的濃度一定。當溫度升高時，本征半導體中載流子濃度將增大。由于導電能力決定于載流子數目，因此半導體的導電能力將隨溫度升高而增強。溫度是影響半導體器件性能的一個重要的外部因素，半導體材料的這種特性稱為熱敏性。此外，還有光敏性、壓敏性、磁敏性和摻雜性等。利用這些特性，可以用半導體材料制成各種敏感元器件，如熱敏電阻、光敏電阻、壓敏電阻和磁敏電阻等，廣泛應用于電子技術的各個領域。圖2.1所示為各種敏感元件的電路符號和外形。2．雜質半導體在常溫下，本征半導體中載流子濃度很低，因而導電能力很弱。為了改善導電性能并使其具有可控性，需在本征半導體中摻入微量的其它元素（稱為雜質）。這種摻入雜質的半導體稱為雜質半導體。因摻入雜質的性質不同，可分為N型半導體和P型半導體。若在半導體硅、鍺中摻入五價的銻、磷、砷等元素，將會產生大量的自由電子，使半導體主要靠電子導電，故稱為電子型半導體，因為電子帶負電（negativeelectricity），所以又稱N型半導體。N型半導體中，自由電子是多數載流子（簡稱多子），空穴是少數載流子（簡稱少子）。雜質離子帶正電。若在半導體硅、鍺中摻入三價的銦、鋁、硼等元素，將會產生大量的空穴，使半導體主要靠空穴導電，故稱為空穴型半導體，因為空穴帶正電（positiveelectricity），所以又稱P型半導體。P型半導體中，空穴是多數載流子（多子），自由電子是少數載流子（少子）。雜質離子帶負電。需要指出的是，不論N型還是P型半導體，雖然都有一種載流子占多數，但它們都是電中性的，對外不顯電性。這主要是由于半導體和摻入的雜質都是電中性的，而且摻雜過程中既不喪失電荷也不從外界得到電荷，只是在半導體中出現了大量可以運動的電子或空穴，并沒有破壞整個半導體內正負電荷的平衡狀態(tài)。綜上所述，摻入雜質后，由于載流子的濃度提高，因而雜質半導體的導電性能將增強，而且摻入的雜質越多，多子濃度越高，導電性能也就越強，實現了導電性能的可控性。例如，在4價的硅中摻入百分之一的3價雜質硼后，在室溫時的電阻率與本征半導體相比，將下降到五十萬分之一，可見導電能力大大提高了。當然，僅僅提高導電能力不是最終目的，因為導體的導電能力更強。雜質半導體的奇妙之處在于，只要摻入不同性質、不同濃度的雜質，并使P型半導體和N型半導體采用不同的方式組合，就可以制造出形形色色、品種繁多、用途各異的半導體器件。2.1.2PN結如果將一塊半導體的一側摻雜成為P型半導體，而另一側摻雜成為N型半導體，則在二者的交界處將形成一個PN結。1.PN結的形成（1）多子的擴散運動將P型半導體和N型半導體制作在一起，在兩種半導體的交界面就出現了電子和空穴的濃度差。物質總是從濃度高的地方向濃度低的地方擴散，自由電子和空穴也不例外。因此，P區(qū)中的多子（即空穴）將向N區(qū)擴散，而N區(qū)中的多子（即自由電子）將向P區(qū)擴散，如圖2.2（a）所示。擴散運動的結果就使兩種半導體交界面附近出現了不能移動的帶電離子區(qū)，P區(qū)出現負離子區(qū)，N區(qū)出現正離子區(qū)，如圖2.2（b）所示。這些帶電離子形成了一個很薄的空間電荷區(qū)，產生了內電場。（2）少子的漂移運動一方面，隨著擴散運動的進行，空間電荷區(qū)加寬使內電場增強；另一方面，內電場又將阻止多子的擴散運動，促進少子的運動，而少子的運動方向正好與多子擴散的方向相反。這種在電場作用下少子的運動稱為漂移運動。電場力越大，漂移運動越強。最后，漂移運動與擴散運動達到動態(tài)平衡，在P區(qū)和N區(qū)的交界面上形成一個寬度穩(wěn)定的空間電荷區(qū)——PN結。在PN結內，大都是不能移動的正負離子，所以電阻率極高，又稱為耗盡層。2.PN結的單向導電性實際工作中，PN結上總有外加電壓，稱為偏置。若將P區(qū)接電源正極，N區(qū)接電源負極，稱為正向偏置，簡稱正偏，如圖2.3（a）所示。這時外電場與內電場方向相反，削弱了內電場，空間電荷區(qū)變薄，多數載流子的擴散運動加強，形成較大的正向電流I，電流方向從P區(qū)到N區(qū)。PN結在正偏時呈現較小電阻，PN結變?yōu)閷顟B(tài)。正向偏置電壓稍有增加，PN結的正向電流I急劇增加，為了防止大的正向電流把PN結燒毀，實際電路都要串接限流電阻R。若將P區(qū)接電源負極，N區(qū)接電源正極，稱為反向偏置，簡稱反偏，如圖2.3（b）所示。這時外電場與內電場方向相同，空間電荷區(qū)變寬，內電場增強，因而有利于少子的漂移而不利于多子的擴散。此時，多子擴散形成的正向電流幾乎為零，而只有少子的漂移形成的反向電流IS，方向由N區(qū)到P區(qū)。由于少子的濃度非常低，使得反向電流很小，一般為微安（μA）數量級。所以可以認為PN結反偏時呈高阻狀態(tài)，基本不導電。綜上所述，PN結正偏時導通，表現出的正向電阻很小，正向電流I較大；反偏時截止，表現出的反向電阻很大，正向電流幾乎為零，只有很小的反向飽和電流IS，這就是PN結最重要的特性——單向導電性。二極管、三極管及其他各種半導體器件的工作特性，都是以PN結的單向導電性為基礎的。此外，PN結在一定條件下還具有電容效應，根據產生原因不同分為勢壘電容和擴散電容。2.2半導體二極管2.2.1二極管的結構和型號1．二極管的結構在PN結的兩端引出兩個電極并將其封裝在金屬或塑料管殼內，就構成二極管（Diode）。二極管通常由管芯、管殼和電極三部分組成，管殼起保護管芯的作用，如圖2.4（a）所示。從P區(qū)引出的電極稱為正極或陽極，從N區(qū)引出的電極稱為負極或陰極。圖2.4（b）所示為二極管的電路符號。二極管一般用字母D表示。二極管的種類很多，分類方法也不同。按制造所用材料分類，主要有硅二極管和鍺二極管；按用途分類，主要有普通二極管、整流二極管、開關二極管和穩(wěn)壓二極管；按其結構分類，有點接觸型和面接觸型二極管。點接觸型二極管的結面積小，極間電容小，不能承受高的反向電壓和大的正向電流。因而適于作高頻（幾百兆赫茲）檢波、脈沖數字電路里的開關元件和小電流整流。面接觸型二極管的結面積大，可承受較大的電流，但極間電容也大，只適合于低頻整流。目前常用的是硅合金整流管，工作溫度可高達150～200oC。小電流的二極管常用玻璃殼或塑料殼封裝，大電流管子尺寸較大，為便于散熱，一般用金屬外殼。導電電流在1A以上的二極管，工作時PN結溫度較高，要加裝散熱器幫助冷卻，往往把正極制成螺栓，以便與散熱器組裝成一體。近年來，大功率管逐漸采用平板壓接式，壽命比螺栓式更長。圖2.5從左到右是從小功率到大功率的各種二極管封裝形式。2．二極管的型號按照國家標準GB249-74的規(guī)定，國產二極管的型號由五個部分組成，見表2.1。例如：2CP12是N型硅制作的普通二極管。2CZ14是N型硅制作的整流二極管。2CZ14F是2CZ14型整流管系列中的F擋。2.2.2二極管的伏安特性二極管的伏安特性是指二極管兩端外加電壓u和流過二極管的電流i之間的關系。將u和i的關系畫成的曲線，叫做二極管的伏安特性曲線。以硅管為例，其伏安特性如圖2.6所示。

1.正向特性二極管兩端不加電壓時，其電流為零，故特性曲線從坐標原點開始，如圖2.6（a）。當外加正向電壓時，若正向電壓小于Uon，此時，外電場不足以克服內電場，多數載流子的擴散運動仍受較大阻礙，二極管的正向電流很小，此時二極管工作于死區(qū)，稱Uon為死區(qū)的開啟電壓。硅管的Uon約為0.5V，鍺管約為0.2V。當正向電壓超過Uon后，內電場被大大削弱，電流將隨正向電壓的增大按指數規(guī)律增大，二極管呈現出很小的電阻。硅管的正向導通電壓為0.6～0.8V（常取0.7V），鍺管為0.1～0.3V。2.反向特性反向電壓增大時，反向電流隨著稍有增加，當反向電壓大到一定程度時，反向電流將基本不變，即達到飽和，因而稱該反向電流為反向飽和電流，用IS表示。通常硅管的IS可達10-9A數量級，鍺管為10-6A數量級。反向飽和電流越小，管子的單向導電性越好。當反向電壓增大到圖中的UBR時，在外部強電場作用下，少子的數目會急劇增加，因而使得反向電流急劇增大。這種現象稱為反向擊穿，電壓UBR稱為反向擊穿電壓。各類二極管的反向擊穿電壓大小不同，通常為幾十到幾百伏，最高可達300伏以上。PN結被擊穿后，常因溫度過高、功耗過大而造成永久性的損壞。前面已指出，半導體中少子的濃度受溫度影響，因而二極管的伏安特性對溫度很敏感。當溫度升高時，正向特性曲線向左移，反向特性曲線向下移。如圖2.6（b）所示。需要指出的是，有時為了分析方便，將二極管理想化，忽略其正向導通電壓和反向飽和電流，于是得到圖2.7所示理想二極管的伏安特性。對于理想二極管，認為正偏導通時相當于開關閉合，反偏截止時相當于開關斷開。2.2.3二極管的主要參數

每種半導體器件都有一系列表示其性能特點的參數，并匯集成器件手冊，供使用者查找選擇。半導體二極管的主要參數有：1.最大整流電流IF指二極管長期運行時，允許通過管子的最大正向平均電流。使用時，管子的平均電流不得超過此值，否則可能使二極管過熱而損壞。2.最高反向工作電壓UR工作時加在二極管兩端的反向電壓不得超過此值，否則二極管可能被擊穿。為了留有余地，通常將擊穿電壓UBR的一半定為UR。3.反向電流IRIR是指在室溫條件下，在二極管兩端加上規(guī)定的反向電壓時，流過管子的反向電流。通常希望IR值愈小愈好。反向電流愈小，說明二極管的單向導電性愈好。此時，由于反向電流是由少數載流子形成，所以IR受溫度的影響很大。4.最高工作頻率fM由于PN結存在結電容，它的存在限制了二極管的工作頻率，因此如果通過二極管的信號頻率超過管子的最高工作頻率fM，則結電容的容抗變小，高頻電流將直接從結電容上通過，管子的單向導電性變差。2.2.4二極管的應用電路在二極管的應用電路中，主要是利用二極管的單向導電性。在分析應用電路時，應當掌握一條基本原則，即判斷二極管是處于正偏導通狀態(tài)還是反偏截止狀態(tài)，二極管導通時，一般用電壓源UD=0.7V（硅管，若是鍺管則用0.3V）代替，或近似用短路線代替（理想二極管）；二極管截止時，一般將二極管斷開，即認為二極管反向電阻無窮大。1.整流電路整流電路是直流穩(wěn)壓電源的組成部分。所謂整流，就是利用二極管的單向導電性，將交流電壓變成單方向的脈動直流電壓。在整流電路中，加在電路兩端的交流電壓遠大于二極管的導通電壓Uon，而整流輸出電流遠大于二極管的反向飽和電流IS，所以，在分析整流電路時，二極管均用理想模型代替。小功率整流電路形式有單向半波整流電路、單向全波整流電路和單向橋式整流電路三種。此處先以單向半波整流電路為例介紹整流電路的工作原理，第五章穩(wěn)壓電源部分還會全面介紹。例2.1圖2.8（a）所示整流電路中，二極管D為理想二極管。已知輸入電壓ui為圖2.8（b）所示的正弦波，試畫出輸出電壓uo的波形。解：因為D為理想二極管，所以當ui

＞0時，二極管D正偏導通，相當于開關閉合，故uo=ui；當ui

＜0時，二極管D反偏截止，相當于開關斷開，故uo=0；由以上分析可畫出uo的波形，如圖2.8（b）所示。從uo的波形可知，電阻R上得到的是單向脈動直流電壓。2.限幅電路當輸入信號電壓在一定范圍內變化時，輸出電壓隨輸入電壓做相應變化；而當輸入電壓超出該范圍時，輸出電壓保持不變，這種電路就是限幅電路。通常將輸出電壓uo保持不變的電壓值稱為限幅電平，當輸入電壓高于限幅電平時，輸出電壓保持不變的限幅稱為上限幅；當輸入電壓低于限幅電平時，輸出電壓保持不變的限幅稱為下限幅。二極管限幅電路有串聯(lián)、并聯(lián)、雙向限幅電路。下面再看一道雙限幅電路的例子。例2.2在圖2.9（a）所示電路中，已知兩只二極管的導通壓降Uon均為0.7V，試畫出輸出電壓uo與輸入電壓ui的關系曲線（即電壓傳輸特性）。解：此題中二極管不能視為理想二極管。圖（a）中兩只二極管D1、D2方向相反，所以當ui≥0.7V時，D1導通，D2截止，uo=Uon=0.7V；當ui≤-0.7V時，D1截止，D2導通，uo=-Uon=-0.7V；當-0.7V＜ui

＜0.7V時，D1、D2均截止，相當于開關斷開，uo=ui

，uo與ui成正比例關系。由以上分析可畫出uo與ui的關系曲線，如圖2.9（b）所示。該電路為一個雙向限幅電路，D1、D2的接法使uo的大小限在-0.7V～+0.7V之內。3.檢波電路無線電技術中經常要進行信號的遠距離輸送，這就需要把低頻信號（如聲頻信號）裝載到高頻振蕩信號上并由天線發(fā)射出去。電路分析中，將低頻信號稱為調制信號，高頻振蕩信號稱為載波，受低頻信號控制的高頻振蕩稱為已調波，控制的過程稱為調制。在接收地點，接收機天線接收到的已調波信號，經放大后再設法還原成原來的低頻信號，這一過程稱為解調或檢波。圖2.10（a）所示為一已調波，圖2.10（b）為由二極管組成的檢波器，其中D用于檢波，稱為檢波二極管，一般為點接觸型二極管；C為檢波器負載電容，用來濾除檢波后的高頻成分；RL為檢波器負載，用來獲取檢波后所需的低頻信號。由于二極管的單向導電作用，已調波經二極管檢波后，負半波被截去，如圖2.10（c）所示，檢波器負載電容將高頻成分旁路，在RL兩端得到的輸出電壓就是原來的低頻信號，如圖2.10（d）所示。4.二極管“續(xù)流”保護電路二極管也可用作保護器件，如圖2.11所示。當開關S閉合時，直流電壓源US接通大電感L，二極管D因反偏而截止，全部電流流過電感線圈。當開關S斷開時，電感線圈中的電流將迅速降到零，大電感兩端會產生很大的負瞬時電壓。如果沒有提供另外的電流通路，該暫態(tài)電壓將在開關兩端產生電弧，損壞開關。若在電路中接有如圖中所示的二極管時，二極管為電感線圈的放電提供了通路，使uL的負峰值限制在二極管的正向壓降范圍內，開關S兩端的電弧被消除，同時電感線圈中的電流將平穩(wěn)地減少。5.邏輯運算（開關）電路在開關電路中，我們一般把二極管看成理想模型，即二極管導通時兩端電壓為零，截止時兩端電阻為無窮大。在圖2.12（a）的電路中只要有一路輸入信號為低電平，輸出即為低電平，僅當全部輸入為高電平時，輸出才為高電平，這在邏輯運算中稱為“與”邏輯運算。圖（b）電路中，當只要有一路輸入信號為高電平，輸出即為高電平，僅當全部輸入為低電平時，輸出才為低電平，這種運算稱為“或”邏輯運算。2.2.5特殊二極管1.穩(wěn)壓二極管（1）伏安特性及電路符號由二極管的特性曲線可知，如果二極管工作在反向擊穿區(qū)，則當反向電流的變化量△I較大時，管子兩端相應的電壓變化量△U卻很小，說明其具有“穩(wěn)壓”特性。利用這種特性可以做成穩(wěn)壓管。所以，穩(wěn)壓管實質上就是一個二極管，但它通常工作在反向擊穿區(qū)。只要擊穿后的反向電流不超過允許范圍，穩(wěn)壓管就不會發(fā)生熱擊穿損壞。為此，必須在電路中串接一個限流電阻。反向擊穿后，當流過穩(wěn)壓管的電流在很大范圍內變化時，管子兩端的電壓幾乎不變，從而可以獲得一個穩(wěn)定的電壓。穩(wěn)壓管的伏安特性和外形圖、電路符號分別如圖2.13（a）和（b）所示。（2）主要參數①穩(wěn)定電壓UZ當穩(wěn)壓管反向擊穿，且使流過的電流為規(guī)定的測試電流時，穩(wěn)壓管兩端的電壓值即為穩(wěn)定電壓UZ。對于同一種型號的穩(wěn)壓管，UZ有一定的分散性，因此一般都給出其范圍。例如型號為2CW14的穩(wěn)壓管的UZ為6V～7.5V，但對于某一只穩(wěn)壓管，UZ為一個確定值。②穩(wěn)定電流IZ穩(wěn)定電流IZ是保證穩(wěn)壓管正常穩(wěn)壓的最小工作電流，電流低于此值時穩(wěn)壓效果不好。IZ一般為毫安數量級。如5mA或10mA。③最大耗散功率PZM和最大穩(wěn)定電流IZM當穩(wěn)壓管工作在穩(wěn)壓狀態(tài)時，管子消耗的功率等于穩(wěn)定電壓UZ與流過穩(wěn)壓管電流的乘積，該功率將轉化為PN結的溫升。最大耗散功率PZM是在結溫升允許的情況下的最大功率，一般為幾十毫瓦至幾百毫瓦。因PZM=UZIZM，由此即可確定最大穩(wěn)定電流IZM。此外，還有動態(tài)電阻rZ、穩(wěn)定電壓的溫度系數a等參數。例2.3在圖2.14所示電路中，已知輸入電壓Ui=12V，穩(wěn)壓管DZ的穩(wěn)定電壓UZ=6V，穩(wěn)定電流IZ=5mA，額定功耗PZM=90mW，試問輸出電壓Uo能否等于6V。解：穩(wěn)壓管正常穩(wěn)壓時，其工作電流IDZ應滿足IZ＜IDZ＜IZmax，而

IZmax=即5mA＜IDZ＜15mA

（2-1）設電路中DZ能正常穩(wěn)壓，則Uo=UZ=6V。由圖中可求出

IDZ=

不在式（2.2）的范圍內，因此不能正常穩(wěn)壓，Uo將小于UZ。若要電路能夠穩(wěn)壓，則應減小R的阻值。2.發(fā)光二極管發(fā)光二極管是一種將電能轉換成光能的半導體器件。其基本結構是一個PN結，采用砷化鎵、磷化鎵等半導體材料制造而成。它的伏安特性與普通二極管類似，但由于材料特殊，其正向導通電壓較大，約為1～2V。當管子正向導通時將會發(fā)光。發(fā)光二極管簡寫為LED（LightEmittingDiode）。發(fā)光二極管具有工作電壓低、工作電流?。?0～30mA）、發(fā)光均勻穩(wěn)定、響應速度快等優(yōu)點。常用作顯示器件，如指示燈、七段顯示器、矩陣顯示器等。常見的LED發(fā)光顏色有紅、黃、綠等，還有發(fā)出不可見光的紅外發(fā)光二極管。幾種常見發(fā)光二極管的外形及電路符號如圖2.15所示。3.光電二極管光電二極管又叫光敏二極管，它是一種能將光信號轉換為電信號的器件。光電二極管的基本結構也是一個PN結，但管殼上有一個窗口，使光線可以照射到PN結上，其外形如圖2.16（a）所示。光電二極管工作在反偏狀態(tài)下，當無光照時，與普通二極管一樣，反向電流很小，稱為暗電流；當有光照時，其反向電流隨光照強度的增加而增加，稱為光電流，其特性曲線及電路符號如圖2.16（b）所示。光電二極管與發(fā)光二極管可用于構成紅外線遙控電路。圖2.17所示為紅外遙控電路示意圖。當按下發(fā)射電路中的按鈕時，編碼器電路產生出調制的脈沖信號，由發(fā)光二極管將電信號轉換成光信號發(fā)射出去。接收電路中的光電二極管將光脈沖信號轉換為電信號，經放大、解碼后，由驅動電路驅動負載動作。當按下不同按鈕時，編碼器產生不同的脈沖信號，以示區(qū)別。接收電路中的解碼器可以解調出這些信號，并控制負載做出不同的動作。4．變容二極管利用PN結的勢壘電容隨外加反向電壓變化的特性可制成變容二極管。變容二極管工作在反偏狀態(tài)下，此時，PN結結電容的數值隨外加電壓的大小而變化。因此，變容二極管可做可變電容使用。圖2.18（a）所示為變容二極管的電路符號和C-U關系曲線。變容二極管在高頻電路中得到廣泛應用，可用于自動調諧、調頻、調相等。圖2.18（b）所示為變容二極管的一個應用電路，這是一個電調諧改變LC回路諧振頻率的回路。變容二極管D與電感L組成LC諧振回路，當改變電位器的中心觸點位置時，加在D上的反偏電壓發(fā)生變化，其電容量相應改變，從而改變了LC回路的諧振頻率。圖中的C為隔直流電容器。2.3半導體三極管半導體三極管又稱為晶體三極管、雙極型晶體管，簡稱三極管或晶體管（Transistor）。它具有電流放大作用，是構成各種電子電路的基本元件。三極管一般用字母T表示。2.3.1三極管的結構、外形及型號1．三極管的結構在一塊極薄的硅基片或鍺基片上制作兩個PN結，并從P區(qū)和N區(qū)引出接線，再封裝在管殼里，如圖2.19所示的結構，就構成了三極管。三極管有三個區(qū)、三個電極和兩個PN結：中間層稱為基區(qū)，外面兩層分別稱為發(fā)射區(qū)和集電區(qū)；從三個區(qū)各引一個電極出來，分別稱為基極b（base）、發(fā)射極e（emitter）和集電極c（collector）；基區(qū)與集電區(qū)之間的PN結稱為集電結，基區(qū)與發(fā)射區(qū)之間的PN結稱為發(fā)射結。三極管有兩種類型：NPN型和PNP型。在電路中分別用兩種不同的符號表示，如圖2.19（a）和（b）所示。兩種符號的區(qū)別在于發(fā)射極箭頭的方向不同，它表示發(fā)射結加上正向電壓時，發(fā)射極電流的實際方向。三極管的內部結構在制造工藝上的特點如下：（1）發(fā)射區(qū)的摻雜濃度遠大于集電區(qū)的摻雜濃度；（2）基區(qū)很薄，一般為1μm至幾μm；（3）集電結面積大于發(fā)射結面積。三極管按材料不同分為硅管和鍺管。目前我國制造的硅管多為NPN型，鍺管多為PNP型。不論是硅管還是鍺管，NPN管還是PNP管，它們的基本工作原理是相同的。2．三極管的封裝和外形功率大小不同的世界觀有著不同的體積和封裝形式。圖2.20所示為常見的國產三極管的封裝和外形。從圖中可以看出絕大多數大、中、小型晶體三極管采用金屬封裝，3DG13A、3DG46、等超小型三極管采用陶瓷環(huán)氧封裝，近年來越來越多的管型，如圖2.20中3DG57B、CD568等采用硅酮塑封，大功率晶體三極管，如圖2.20中3DD6、3DA5、3AD11等的集電極制成螺栓形，以便于和散熱器組成一體。3．三極管的型號國產三極管的型號由五個部分組成，見表2.2。例如：3DG6是NPN硅高頻小功率三極管；3DG12C是另一種NPN硅高頻小功率三極管中的C擋；3AD30是PNP鍺低頻大功率三極管。表2.2的第二欄、第三欄是三極管的常用類型。此外，我國已開始成批生產與部分常用國外三極管性能相似的晶體管，其型號的特點是：管子序號采用國外同型號的序號數字，大多數廠家按照我國國標（見表2.2），用拼音字母表示材料、極性和管子類型，如表2.3列舉的管型。少數廠家在序號前冠以本廠符號。一般來說，符號相同的國內外三極管從性能到封裝尺寸都一樣，可以直接代換。2.3.2三極管的電流放大原理下面以NPN型三極管為例，來討論三極管的電流放大作用。三極管要實現電流放大，除要滿足內部結構特點外，還應滿足外部偏置條件，即發(fā)射結正偏，集電結反偏，如圖2.21（a）所示。電源VBB約幾伏，VCC約幾十伏，且RB＞RC。1.三極管內部載流子的運動三極管的電流放大作用是通過載流子的運動體現出來的，其內部載流子的運動有三個過程：（1）發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射自由電子，形成發(fā)射極電流從圖2.21（b）可以看出，發(fā)射結施加正向電壓且摻雜濃度高，所以發(fā)射區(qū)的多子自由電子越過發(fā)射結擴散到基區(qū)，發(fā)射區(qū)的自由電子由直流電源補充，從而形成了發(fā)射極電流IE。同時基區(qū)的多數載流子空穴也會擴散到發(fā)射區(qū)，成為IE的一部分。但由于基區(qū)很薄且摻雜濃度較低，故這部分由基區(qū)空穴形成的電流可以忽略不計。（2）自由電子在基區(qū)和空穴復合，形成基區(qū)電流，并繼續(xù)向集電區(qū)擴散自由電子在基區(qū)擴散過程中，其一小部分和基區(qū)的多數載流子空穴復合，基區(qū)中的空穴由直流電源補充，從而形成基極電流IB，大部分自由電子則繼續(xù)向集電區(qū)擴散。（3）集電區(qū)收集自由電子，形成集電極電流由于集電結加反向電壓且結面積較大，所以將基區(qū)擴散過來的自由電子吸引到集電區(qū)，形成集電極電流IC。另外，基區(qū)的少子自由電子和集電區(qū)的少子空穴在集電結反向電壓作用下會進行漂移運動，成為集電極電流IC的一部分。這部分電流稱為反向飽和電流ICBO，ICBO是由少子形成的，因此其值受溫度影響很大，我們希望ICBO越小越好，越小表明管子的溫度穩(wěn)定性越好。通常，ICBO數值很小，可以忽略不計，但由于它受溫度影響大，將影響管子的性能。由以上分析可知，三極管內部有兩種載流子參與導電，故稱為雙極型晶體管。2.三極管各電極電流之間的關系在圖2.21所示電路中，IB所在回路稱為輸入回路，IC所在回路稱為輸出回路，而發(fā)射極是兩個回路的公共端，因此，該電路稱為共發(fā)射極放大電路，簡稱共射電路。此外還有共基極電路，簡稱共基電路，以及共集電極電路，簡稱共集電路。圖2.21所示電路中，電流IE主要是由發(fā)射區(qū)擴散到基區(qū)的電子產生；IB主要是由發(fā)射區(qū)擴散過來的電子在基區(qū)與空穴復合而產生；IC主要是由發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的電子漂移到集電區(qū)而形成的。當管子制成以后，復合和漂移所占的比例就確定了，也就是說IC與IB的比值是確定的，這個比值就稱為共發(fā)射極直流電流放大系數，即由于IB遠小于IC，因此＞＞1，一般NPN型三極管的為幾十倍至一百多倍。實際電路中，三極管主要用于放大動態(tài)信號。當輸入回路加上動態(tài)信號后，將引起發(fā)射結電壓的變化，從而使發(fā)射極電流、基極電流變化，集電極電流也將隨之變化。集電極電流的變化量△IC與基極電流變化量△IB的比值稱為共發(fā)射極交流電流放大系數β，即上式表明三極管具有將基極電流變化量△IB放大β倍的能力，這就是三極管的電流放大作用。因為在近似分析中可以認為=，故在實際應用中不再加以區(qū)分。發(fā)射區(qū)發(fā)射的自由電子包括基區(qū)被復合的部分和被集電區(qū)收集的部分，因此三個電極的電流具有如下關系：

IE=IB+IC上式符合基爾霍夫電流定律（KCL）。2.3.3三極管的共射特性曲線三極管的共射特性曲線是指三極管在共射接法下各電極電壓與電流之間的關系曲線，分為輸入特性曲線和輸出特性曲線。本節(jié)主要介紹NPN型三極管的共射特性曲線。1.輸入特性曲線輸入特性是指當UCE一定時，IB與UBE之間的關系曲線，即IB=f（UBE）∣UCE=常數，如圖2.22所示。從圖中可知，輸入特性曲線和二極管正向特性曲線相似。當UCE增大時，輸入特性曲線右移，但當UCE≥2V后曲線重合。2.輸出特性輸出特性是指當IB一定時，

IC與UCE之間的關系曲線，即IC=f（UCE）∣IB=常數。由于三極管的基極輸入電流IB對輸出電流IC的控制作用，因此不同的IB，將有不同的IC-UCE關系，由此可得圖2.23所示的一簇曲線，這就是三極管的輸出特性曲線。從輸出特性曲線可以看出，三極管有三個不同的工作區(qū)域，截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)，它們分別表示三極管的三種工作狀態(tài)，即截止、放大和飽和狀態(tài)。三極管工作在不同狀態(tài)，特點也各不相同。（1）截止區(qū)指曲線上IB≤0的區(qū)域，此時，集電結和發(fā)射結均反偏，三極管為截止狀態(tài)，IC很小，集電極與發(fā)射極之間相當于斷開的開關。（2）放大區(qū)指曲線上IB＞0和UCE＞1V之間的部分，此時三極管的發(fā)射結正偏、集電結反偏，三極管處于放大狀態(tài)。對于NPN型三極管來說，UBE＞0，UBC＜0，即各電極電位為VC＞VB＞VE；對于PNP型三極管來說，UBE＜0，UBC＞0，各電極電位為VC＜VB＜VE。在放大區(qū)時，可以看出IB不變時IC也基本不變，即具有恒流特性；而當IB變化時，IC也隨之變化，且滿足△IC=β△IB，這就是三極管的電流放大作用。（3）飽和區(qū)指曲線上UCE≤UBE的區(qū)域，此時IC與IB無對應關系，△IC＜β△IB。集電結和發(fā)射結均正偏，三極管處于飽和狀態(tài)。一般稱UCE=UBE時三極管的工作狀態(tài)為臨界飽和狀態(tài)。飽和時的UCE稱為飽和管壓降，記作UCES，一般小功率硅三極管的UCES＜0.4V，c-e間相當于閉合的開關。三極管的放大區(qū)可以近似看成線性工作取區(qū)，飽和區(qū)和截止區(qū)是非線性工作區(qū)。模擬電路主要討論各種放大電路，因此三極管工作在放大區(qū)；數字電路討論輸出變量與輸入變量的邏輯關系，需要三極管充當開關使用，因此三極管工作在飽和區(qū)和截止區(qū)。2.3.4三極管的主要參數1.電流放大系數β三極管的電流放大系數是表征管子放大作用大小的參數。綜合前面的討論，有以下幾個參數：共射交流電流放大系數β和共射直流電流放大系數。

2.極間反向飽和電流（1）集電極-基極反向飽和電流ICBO：ICBO是指發(fā)射極e開路時集電極c和基極b之間的反向電流。一般小功率鍺管的ICBO約為幾微安～幾十微安；硅三極管的ICBO要小得多，有的可以達到納安數量級。（2）集電極-發(fā)射極間的穿透電流ICEO：ICEO是指基極b開路時集電極c和發(fā)射e間加上一定電壓時所產生的集電極電流。ICEO=（1+）ICBO。因為ICBO和ICEO都是少數載流子運動形成的，所以對溫度非常敏感。ICBO和ICEO愈小，表明三極管的質量愈高。3.極限參數三極管的極限參數是指使用時不得超過的限度。主要有以下幾項：（1）集電極最大允許電流ICM當集電極電流過大，超過一定值時，三極管的值就要減小，且三極管有損壞的危險，該電流值即為ICM。（2）集電極最大允許功耗PCM三極管的功率損耗大部分消耗在反向偏置的集電結上，并表現為結溫升高，PCM是在管子溫升允許的條件下集電極所消耗的最大功率。超過此值，管子將被燒毀。（3）反向擊穿電壓三極管的兩個結上所加反向電壓超過一定值時都將被擊穿，因此，必須了解三極管的反向擊穿電壓。極間反向擊穿電壓主要有以下幾項：U（BR）CEO：基極開路時，集電極和發(fā)射極之間的反向擊穿電壓。U（BR）CBO：發(fā)射極開路時，集電極和基極之間的反向擊穿電壓。三極管正常工作時，其安全工作范圍如圖2.24所示。2.3.5PNP型三極管PNP型三極管的工作原理與NPN型近似，兩者的區(qū)別是三個電極電流的實際方向正好相反：對于PNP型三極管，電流從發(fā)射極流入，從基極和集電極流出。外加電源的極性和NPN電路也相反，如圖2.25所示。在PNP型三極管構成的放大電路中，發(fā)射極電位最高，基極次之，集電極最低。其他分析和NPN型三極管構成的放大電路相仿。2.4場效應管場效應管（簡稱FET，FieldEffectTransistor）是另一類晶體管，它也有三個電極，叫柵極（G）、源極（S）和漏極（D），分別對應于三極管的基極、發(fā)射極和集電極。場效應管工作時，參與導電的是單一極性的載流子，所以它是單極型晶體管。場效應管分為兩大類：一類是結型場效應管JFET（JunctionFET），另一類是絕緣柵型場效應管IGFET（InsutatedGateFET）。而按導電溝道分，每一類場效應管都有P溝道和N溝道兩種。絕緣柵型場效應管由金屬、氧化物和半導體構成，一般稱為MOS（MetalOxideSemiconductor）管，目前在大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路中使用非常廣泛。絕緣柵型場效應管可分為增強型和耗盡型兩類，兩者的區(qū)別是前者沒有原始的導電溝道，后者有原始的導電溝道。下面主要以N溝道增強型MOS管為例，介紹場效應管的基本結構和工作原理。2.4.1N溝道增強型MOS管1．基本結構圖2.26（a）所示為N溝道增強型MOS管的結構圖。它是用一塊摻雜濃度較低的P型硅片作為襯底，在其上擴散出兩個高摻雜的N型區(qū)（稱為N+區(qū)），然后在半導體表面覆蓋一層很薄的二氧化硅絕緣層。從兩個N+區(qū)表面及它們之間的二氧化硅表面分別引出三個鋁電極：源極S、漏極D和柵極G。因為柵極是和襯底完全絕緣的，所以稱作絕緣柵型場效應管。襯底B也有引極，通常在管子內部和源極相連。圖2.26（b）為N溝道增強型MOS管的電路符號。2．工作原理增強型MOS管的兩個N+區(qū)和P型襯底形成兩個背靠背的PN結，不加柵-源電壓時，源-漏兩極之間沒有原始的導電溝道。當柵極和源極之間施加正向電壓UGS時，將產生一個作用于襯底的電場，在該電場的作用下，可將P型襯底中的少數載流子自由電子吸引到絕緣層下方，感生出一個N型電荷層（稱為反型層），如圖2.27所示，該電路是共源接法。當電壓UGS超過一定值時，這個N型電荷層將會將兩個N+區(qū)聯(lián)結起來，從而在漏-源兩極之間形成一個導電溝道。剛開始產生導電溝道的柵-源電壓UGS稱為開啟電壓UT。由于該導電溝道是由自由電子構成的，所以稱為N溝道。當漏-源兩極間加上電壓UDS時，自由電子定向運動，就會形成漏極電流ID，如圖2.27所示。當UDS一定時，改變UGS的大小，可以改變導電溝道的寬度，從而改變漏極電流ID的大小?？梢姡鳛檩敵龅穆O電流ID是受輸入電壓UGS的控制，因此，場效應管是一種電壓控制型元件。當漏-源兩極間加上電壓UDS時，沿溝道有一個電位梯度，靠近漏極處電位最高，該處柵-漏電壓（UGD=UGS-UDS）最小，因此感生出的導電溝道最窄，而靠近源極處電位最低，該處柵-源電壓最大，因此感生出的導電溝道最寬，所以實際的導電溝道呈契形。3．伏安特性

增強型MOS管的伏安特性分為轉移特性和漏極輸出特性。（1）轉移特性轉移特性用來描述場效應管的柵-源電壓UGS對漏極電流ID的控制關系，如圖2.28（a）所示。從圖中可以看出，柵-源電壓UGS＜UT時，漏極電流ID=0；UGS＞UT時，

ID隨UGS的增大而增大。UT就是增強型MOS管的開啟電壓。衡量柵-源電壓UGS對漏極電流ID的控制作用的參數稱作低頻跨導，用gm表示。定義為：當UDS一定時，ID與UGS的變化量之比，即

|UDS=常數若ID的單位為毫安（mA），UGS的單位為伏（V），則gm的單位為毫西門子（mS）。（2）漏極輸出特性漏極輸出特性用來描述場效應管的柵-源電壓UGS一定時，漏極電流ID和漏-源電壓UDS的關系，如圖2.28（b）所示。即

ID=f（UDS）|UDS=常數該特性類似于雙極型三極管的共射輸出特性。從圖2.28（b）可以看出，場效應管的漏極輸出特性也可分為三個區(qū)：可變電阻區(qū)、恒流區(qū)和擊穿區(qū)?？勺冸娮鑵^(qū)：位于特性曲線的左側。表示當UDS較小時，