《電子線路基礎(chǔ)》課件第1章

第1章常用半導(dǎo)體器件1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)1.2半導(dǎo)體二極管1.3半導(dǎo)體三極管1.4場(chǎng)效應(yīng)管1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

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)。

用半導(dǎo)體材料制作電子元器件，不是因?yàn)樗膶?dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，而是由于其導(dǎo)電能力會(huì)隨著溫度的變化、光照或摻入雜質(zhì)的多少發(fā)生顯著的變化，這就是半導(dǎo)體的熱敏特性、光敏特性和摻雜特性。例如，純凈的半導(dǎo)體硅，當(dāng)溫度從30℃升高到40℃時(shí)，電阻率減小一半；而金屬導(dǎo)體銅，當(dāng)溫度從30℃升高到100℃時(shí)，電阻率的增加還不到1倍。又如，純凈硅在室溫時(shí)的電阻率為2.14×105Ω·cm，如果在純凈硅中摻入百萬(wàn)分之一濃度的磷原子，此時(shí)硅的純度仍可高達(dá)99.9999％，但它的電阻率卻下降到0.2Ω·cm，幾乎減少到原來(lái)的百萬(wàn)分之一?？梢?jiàn)，當(dāng)半導(dǎo)體受熱或摻入雜質(zhì)后，導(dǎo)電性能會(huì)發(fā)生變化。人們利用半導(dǎo)體的熱敏特性和光敏特性可制作各種熱敏元件和光敏元件，利用摻雜特性制成的PＮ結(jié)是各種半導(dǎo)體器件的主要組成部分。1.1.1本征半導(dǎo)體

純凈的單晶半導(dǎo)體稱(chēng)為本征半導(dǎo)體，即不含任何雜質(zhì)，結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體。

1．本征半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)常用的半導(dǎo)體材料硅（Si）和鍺（Ge）的原子序數(shù)分別為14和32，它們的原子結(jié)構(gòu)如圖1-1（a）和（b）所示。由圖可見(jiàn)，硅和鍺原子的最外層軌道上都有四個(gè)電子，同屬于四價(jià)元素。由于內(nèi)層電子受原子核的束縛力很大，很難脫離原子核，為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，將內(nèi)層電子和原子核看成一個(gè)整體，稱(chēng)為慣性核，它的凈電量是四個(gè)正電子電量。最外層的四個(gè)電子受原子核的束縛力較小，有可能成為自由電子，常稱(chēng)為價(jià)電子。硅或鍺原子的簡(jiǎn)化模型如圖1-1（c）所示。圖1-1硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)模型(a)硅；(b)鍺；(c)原子簡(jiǎn)化模型

硅和鍺都是晶體，晶體中的原子在空間形成排列整齊的點(diǎn)陣——稱(chēng)為晶格。整塊晶體內(nèi)部晶格排列完全一致的晶體稱(chēng)為單晶。硅和鍺的單晶體即為本征半導(dǎo)體。硅或鍺制成單晶體后，相鄰兩個(gè)原子的一對(duì)最外層電子（即價(jià)電子）不但受本身原子核的吸引，而且受相鄰原子核的吸引，從而將兩個(gè)原子牢固地束縛在一起，這種共用價(jià)電子所形成的束縛作用就叫共價(jià)鍵。硅或鍺原子最外層的四個(gè)價(jià)電子，正好和相鄰的四個(gè)原子中的價(jià)電子組成四個(gè)共用電子對(duì)，構(gòu)成四個(gè)共價(jià)鍵，使每個(gè)硅或鍺原子的最外層電子獲得穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，如圖1-2所示。圖1-2硅和鍺晶體共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)示意圖

2．本征半導(dǎo)體中的兩種載流子在絕對(duì)零度（T=-273℃或T=0K）下，本征半導(dǎo)體中的每個(gè)價(jià)電子都被束縛在共價(jià)鍵中，不存在自由運(yùn)動(dòng)的電子，本征半導(dǎo)體相當(dāng)于絕緣體。但在室溫下（T=27℃或T=300K），本征半導(dǎo)體中一部分價(jià)電子因受熱而獲得足夠的能量掙脫共價(jià)鍵的束縛成為自由電子，與此同時(shí)，在該共價(jià)鍵上留下了空位，這個(gè)空位稱(chēng)為空穴。由于本征半導(dǎo)體在室溫下每產(chǎn)生一個(gè)自由電子必然會(huì)有一個(gè)空穴出現(xiàn)，即電子與空穴成對(duì)產(chǎn)生，稱(chēng)之為電子-空穴對(duì)。這種由于本征半導(dǎo)體受熱而產(chǎn)生電子-空穴對(duì)的現(xiàn)象稱(chēng)為本征激發(fā)。圖1-3電子-空穴對(duì)的產(chǎn)生和空穴的移動(dòng)3．熱平衡載流子的濃度在本征半導(dǎo)體中不斷地進(jìn)行著激發(fā)與復(fù)合兩種相反的過(guò)程，當(dāng)溫度一定時(shí)，兩種狀態(tài)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，即本征激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)，與復(fù)合的電子-空穴對(duì)數(shù)目相等，這種狀態(tài)稱(chēng)為熱平衡狀態(tài)。

半導(dǎo)體中自由電子和空穴的多少分別用濃度（單位體積中載流子的數(shù)目）ni和pi來(lái)表示。處于熱平衡狀態(tài)下的本征半導(dǎo)體，其載流子的濃度是一定的，并且自由電子的濃度和空穴的濃度相等。根據(jù)半導(dǎo)體物理中的有關(guān)理論，可以證明（1-1）式中，濃度單位為cm-3，K是常量（硅為3.88×1016cm-3K-3/2，鍺為1.76×1016cm-3K-3/2），T為熱力學(xué)溫度，k是玻爾茲曼常數(shù)（8.63×10-5eV/K），Eg0

是T=0K（即-273℃）時(shí)的禁帶寬度（硅為1.21eV，鍺為0.785eV）。式（1-1）表明，本征半導(dǎo)體的載流子濃度和溫度、材料有關(guān)。盡管本征半導(dǎo)體在室溫情況下具有一定的導(dǎo)電能力，但是，本征半導(dǎo)體中載流子的數(shù)目遠(yuǎn)小于原子數(shù)目，因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力是很低的。1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體1．N型半導(dǎo)體在純凈的單晶體硅中，摻入微量的五價(jià)雜質(zhì)元素，如磷、砷、銻等，使原來(lái)晶格中的某些硅原子被雜質(zhì)原子所取代，便構(gòu)成N型半導(dǎo)體。由于雜質(zhì)原子有五個(gè)價(jià)電子，其中四個(gè)價(jià)電子與相鄰的四個(gè)硅原子的價(jià)電子形成共價(jià)鍵，還剩一個(gè)價(jià)電子，這個(gè)價(jià)電子不受共價(jià)鍵的束縛，只受原子核的吸引，在室溫下，該價(jià)電子所獲得的熱能使它擺脫原子核的吸引而成為自由電子，則雜質(zhì)原子因失去一個(gè)價(jià)電子而成為不能移動(dòng)的雜質(zhì)正離子，如圖1-4所示。圖1-4N型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖

在N型半導(dǎo)體中，由于雜質(zhì)原子產(chǎn)生自由電子的同時(shí)并不產(chǎn)生空穴，因此自由電子的濃度遠(yuǎn)大于空穴的濃度，故稱(chēng)自由電子為多數(shù)載流子（簡(jiǎn)稱(chēng)多子），空穴為少數(shù)載流子（簡(jiǎn)稱(chēng)少子）。由于五價(jià)雜質(zhì)原子能釋放出電子，因此這類(lèi)雜質(zhì)原子稱(chēng)為施主原子。

2．P型半導(dǎo)體在純凈的單晶硅中摻入微量的三價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等，便構(gòu)成P型半導(dǎo)體。由于雜質(zhì)原子只有三個(gè)價(jià)電子，當(dāng)雜質(zhì)原子替代硅原子的位置后，雜質(zhì)原子的三個(gè)價(jià)電子僅與相鄰的三個(gè)硅原子的價(jià)電子形成共價(jià)鍵，與第四個(gè)相鄰的硅原子不能構(gòu)成完整的共價(jià)鍵而出現(xiàn)一個(gè)空位。這個(gè)空位極易接受其它硅原子共價(jià)鍵中的價(jià)電子，使雜質(zhì)原子成為帶負(fù)電的雜質(zhì)負(fù)離子，同時(shí)硅原子的共價(jià)鍵中因缺少一個(gè)價(jià)電子而產(chǎn)生一個(gè)空穴，如圖1-5所示。由于三價(jià)雜質(zhì)原子所產(chǎn)生的空位起著接受電子的作用，因此稱(chēng)之為受主原子。在P型半導(dǎo)體中，由于摻入的是三價(jià)雜質(zhì)元素，使空穴濃度遠(yuǎn)大于自由電子濃度，因此空穴為多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子。圖1-5P型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖1.1.3PN結(jié)在一塊完整的本征半導(dǎo)體硅或鍺片上，利用不同的摻雜工藝，使其一邊形成N型半導(dǎo)體，另一邊形成P型半導(dǎo)體，在它們的交界處便形成PN結(jié)。半導(dǎo)體器件的核心是PN結(jié)。半導(dǎo)體二極管是單個(gè)PN結(jié)；半導(dǎo)體三極管具有兩個(gè)PN結(jié)；場(chǎng)效應(yīng)管的基本結(jié)構(gòu)也是PN結(jié)。1．PN結(jié)的形成在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的交界面，由于載流子濃度的差別，載流子會(huì)從濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。即P型區(qū)的多子(空穴)向N型區(qū)擴(kuò)散，N型區(qū)的多子(自由電子)向P型區(qū)擴(kuò)散，如圖1-6（a）所示。擴(kuò)散的結(jié)果是在交界面附近，P型區(qū)一側(cè)由于失去空穴而留下了不能移動(dòng)的雜質(zhì)負(fù)離子，N型區(qū)一側(cè)由于失去電子而留下了不能移動(dòng)的雜質(zhì)正離子。擴(kuò)散到對(duì)方的載流子成為異型半導(dǎo)體中的少子而與該區(qū)的多子復(fù)合，這樣，在交界面兩側(cè)就出現(xiàn)了由不能移動(dòng)的雜質(zhì)正負(fù)離子構(gòu)成的空間電荷區(qū)，也就是PN結(jié)，如圖1-6（b）所示。由于空間電荷區(qū)中的載流子已經(jīng)復(fù)合掉或者說(shuō)消耗盡了，因此空間電荷區(qū)又可稱(chēng)為耗盡層。隨著多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，空間電荷區(qū)交界面兩側(cè)的離子電荷量增多，空間電荷區(qū)加寬，而空間電荷區(qū)以外的P型區(qū)和N型區(qū)仍處于熱平衡狀態(tài)且保持電中性。圖1-6PN結(jié)的形成(a)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)；(b)空間電荷區(qū)；(c)電位分布

在空間電荷區(qū)里，由于雜質(zhì)正負(fù)離子的極性相反，于是產(chǎn)生了由帶正電的N型區(qū)指向帶負(fù)電的P型區(qū)的電場(chǎng)，因?yàn)檫@個(gè)電場(chǎng)是由內(nèi)部載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成的，故稱(chēng)為內(nèi)電場(chǎng)。在內(nèi)電場(chǎng)的作用下，少數(shù)載流子產(chǎn)生漂移運(yùn)動(dòng)，N型區(qū)的少子(空穴)漂移到P型區(qū)，P型區(qū)的少子(自由電子)漂移到N型區(qū)。這樣，從N型區(qū)漂移到P型區(qū)的空穴填補(bǔ)了原來(lái)交界面上P型區(qū)所失去的空穴，從P型區(qū)漂移到N型區(qū)的自由電子填補(bǔ)了原來(lái)交界面上N型區(qū)所失去的自由電子，漂移運(yùn)動(dòng)的結(jié)果是使空間電荷區(qū)變窄。顯然，同類(lèi)型載流子漂移運(yùn)動(dòng)的方向與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的方向相反。由于內(nèi)電場(chǎng)阻止多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)、增強(qiáng)少子的漂移運(yùn)動(dòng)，因此又將這個(gè)空間電荷區(qū)稱(chēng)為阻擋層。

當(dāng)多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和少子的漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，由多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)所形成的擴(kuò)散電流和少子的漂移運(yùn)動(dòng)所形成的漂移電流相等，且兩者方向相反，此時(shí)，空間電荷區(qū)的寬度一定，PN結(jié)電流為零。在動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，由內(nèi)電場(chǎng)產(chǎn)生的電位差稱(chēng)為內(nèi)建電位差Uho,如圖1-6（c）所示。處于室溫時(shí)，鍺的Uho≈0.2~0.3V，硅的Uho≈0.5~0.7V。

由上述分析可知，若P型和N型半導(dǎo)體的摻雜濃度不同，空間電荷區(qū)內(nèi)正、負(fù)離子的寬度也將不同，P型區(qū)和N型區(qū)的摻雜濃度相等時(shí)，正離子區(qū)與負(fù)離子區(qū)的寬度也相等，稱(chēng)為對(duì)稱(chēng)PN結(jié)；當(dāng)兩邊摻雜濃度不等時(shí)，濃度高的一側(cè)的離子區(qū)寬度低于濃度低的一側(cè)，稱(chēng)為不對(duì)稱(chēng)PN結(jié)。其中，P型區(qū)摻雜濃度大于N型區(qū)的稱(chēng)為P+N結(jié)；N型區(qū)摻雜濃度大于P型區(qū)的稱(chēng)為N+P結(jié)。2．PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

1）正向特性若PN結(jié)外加正向電壓，即PN結(jié)的P區(qū)接電源的正極，N區(qū)接電源的負(fù)極，則稱(chēng)PN結(jié)處于正向偏置，簡(jiǎn)稱(chēng)正偏，如圖1-7所示。此時(shí)，外加電壓的方向與內(nèi)電場(chǎng)方向相反，在外電場(chǎng)的作用下，N型半導(dǎo)體中性區(qū)中的自由電子向空間電荷區(qū)移動(dòng)，與空間電荷區(qū)中的正離子中和，P型半導(dǎo)體中性區(qū)中的空穴向空間電荷區(qū)移動(dòng)，與空間電荷區(qū)的負(fù)離子中和，而中性區(qū)失去的自由電子和空穴則由外電源源源不斷地向N型區(qū)和P型區(qū)注入，結(jié)果是空間電荷區(qū)變窄，內(nèi)電場(chǎng)減弱。由于多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)大于少子的漂移運(yùn)動(dòng)，因此當(dāng)外加電壓增大到一定值以后，擴(kuò)散電流將大大增加。可見(jiàn)，正向偏置時(shí)，PN結(jié)中的電流主要是由擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)所形成的擴(kuò)散電流，它是兩種多數(shù)載流子的電流之和，稱(chēng)為正向電流。為了防止PN結(jié)因電流過(guò)大而損壞，通常在回路中串聯(lián)一個(gè)電阻R，起限流作用。圖1-7PN結(jié)外加正向電壓時(shí)導(dǎo)通2）反向特性若PN結(jié)外加反向電壓，即PN結(jié)的P區(qū)接電源的負(fù)極，N區(qū)接電源的正極，則稱(chēng)PN結(jié)處于反向偏置，簡(jiǎn)稱(chēng)反偏，如圖1-8所示。此時(shí)，外加電壓的方向與內(nèi)電場(chǎng)方向相同，在外電場(chǎng)的作用下，P型區(qū)中的空穴和N型區(qū)中的自由電子離開(kāi)PN結(jié)而使空間電荷區(qū)變寬，內(nèi)電場(chǎng)加強(qiáng)，促進(jìn)少子的漂移運(yùn)動(dòng)，阻止多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，流過(guò)PN結(jié)的電流主要是少子的漂移電流，外電路電流方向與PN結(jié)正偏時(shí)的正向電流方向相反，稱(chēng)為反向電流，記為I。由于少數(shù)載流子是由本征激發(fā)產(chǎn)生的，其濃度很低，因此反向電流數(shù)值很小。在一定的溫度下，當(dāng)外加反向電壓超過(guò)某個(gè)數(shù)值（約為零點(diǎn)幾伏）后，反向電流將不再隨著外加反向電壓的增加而增大，故又稱(chēng)為反向飽和電流（ReverseSaturationCurrent），用IS表示。

綜上所述，PN結(jié)正向偏置時(shí)，結(jié)電阻很小，回路中產(chǎn)生一個(gè)較大的正向電流，PN結(jié)呈導(dǎo)通狀態(tài)；PN結(jié)反向偏置時(shí)，結(jié)電阻很大，回路中的反向電流很小，幾乎接近于零，PN結(jié)呈截止?fàn)顟B(tài)。所以，PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。圖1-8PN結(jié)外加反向電壓時(shí)截止3）伏安特性

PN結(jié)的伏安特性就是流過(guò)PN結(jié)的電流與其上所加電壓之間的關(guān)系。前面定性地討論了PN結(jié)在外加正向電壓和反向電壓下電壓與電流的關(guān)系，下面進(jìn)一步借助數(shù)學(xué)方程式描述PN結(jié)的伏安特性。根據(jù)理論分析，PN結(jié)兩端的電壓U和流過(guò)PN結(jié)的電流I之間的關(guān)系為(1-2)式中,IS為反向飽和電流；UT為溫度電壓當(dāng)量，UT=kT/q，其中k為玻爾茲曼常數(shù)（即為1.38×10-23J/K），q為電子電荷（約為1.6×10-19J）,T為PN結(jié)的絕對(duì)溫度。對(duì)于室溫T=300K來(lái)說(shuō)，UT≈26mV。

從式（1-2）可知，當(dāng)PN結(jié)外加正向電壓（U為正）時(shí)，I隨著Ｕ的增大而增大。若U>>UT，則可得下列近似式：

即I隨U按指數(shù)規(guī)律變化；當(dāng)PN結(jié)外加反向電壓（U為負(fù)），且|U|<<UT時(shí)，eU/UT→0，則I≈-IS。即反向電流與反向電壓大小無(wú)關(guān)。PN結(jié)的反向飽和電流IS一般很小（硅PN結(jié)的IS為毫微安量級(jí)，鍺PN結(jié)的IS為微安量級(jí)），所以PN結(jié)反向特性曲線幾乎接近于橫坐標(biāo)。I與U的關(guān)系曲線如圖1-9所示。（1-3）圖1-9PN結(jié)伏安特性曲線

實(shí)際上，當(dāng)PN結(jié)處于正向偏置，且外加正向電壓不太大時(shí)，IS很小，所以I仍是很小的數(shù)值，PN結(jié)幾乎不導(dǎo)通。只有當(dāng)外加正向電壓Ｕ較大時(shí)，電流I才會(huì)有明顯的增加。工程上定義正向電壓需達(dá)到一定的電壓值，正向電流才開(kāi)始顯著上升，該電壓為導(dǎo)通電壓,用Uon表示。通常硅管的Uon≈0.6~0.8V，鍺管的Uon≈0.1~0.3V。

3．PN結(jié)的擊穿特性如前所述，當(dāng)PN結(jié)外加反向電壓時(shí)，流過(guò)PN結(jié)的反向電流很小，但是當(dāng)反向電壓不斷增大，超過(guò)某一電壓值時(shí)，反向電流將急劇增加，這種現(xiàn)象稱(chēng)為PN結(jié)的反向擊穿。反向電流急劇增加時(shí)所對(duì)應(yīng)的反向電壓U(BR)稱(chēng)為反向擊穿電壓,如圖1-10所示。

PN結(jié)產(chǎn)生反向擊穿的原因有以下兩種：圖1-10PN結(jié)的擊穿特性1）雪崩擊穿在摻雜濃度較低的PN結(jié)中，隨著反向電壓逐漸增大，空間電荷區(qū)（即阻擋層）變寬，內(nèi)電場(chǎng)加強(qiáng)，使參加漂移運(yùn)動(dòng)的載流子加速，動(dòng)能加大。當(dāng)反向電壓增大到一定數(shù)值時(shí)，載流子獲得的動(dòng)能足以把束縛在共價(jià)鍵中的價(jià)電子碰撞出來(lái)，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。新產(chǎn)生的載流子被電場(chǎng)加速后，又碰撞其它中性原子，又產(chǎn)生新的電子-空穴對(duì)。如此連鎖反應(yīng)，造成載流子急劇增多，使反向電流“滾雪球”般地驟增，通常將這種反向擊穿稱(chēng)為雪崩擊穿。雪崩擊穿的擊穿電壓較高，其值隨摻雜濃度的降低而增大。2）齊納擊穿當(dāng)PN結(jié)兩邊的摻雜濃度很高時(shí)，阻擋層將變得很薄。這時(shí)只要加上不大的反向電壓（如4V以下），阻擋層就可能獲得2×106V/cm以上的電場(chǎng)強(qiáng)度，該場(chǎng)強(qiáng)足以直接破壞共價(jià)鍵，把價(jià)電子從共價(jià)鍵中拉出來(lái)，從而獲得大量的電子-空穴對(duì)，引起PN結(jié)中的反向電流急劇增大，這種反向擊穿現(xiàn)象稱(chēng)為齊納擊穿。齊納擊穿的反向擊穿電壓較低，且隨著摻雜濃度的增高而減小。通常情況下，反向擊穿電壓在7V以上屬于雪崩擊穿，4V以下屬于齊納擊穿，在4~7V之間的擊穿則兩種情況都有。無(wú)論哪種擊穿，只要PN結(jié)不因電流過(guò)大而產(chǎn)生過(guò)熱損壞，當(dāng)反向電壓降到擊穿電壓以下（均指絕對(duì)值）時(shí)，其性能又可恢復(fù)到擊穿前的情況。

4．PN結(jié)的溫度特性

由式（1-2）可知，PN結(jié)電流的大小與UT和IS有關(guān)，而UT和IS均為溫度的函數(shù)，所以PN結(jié)的伏安特性與溫度有關(guān)。實(shí)驗(yàn)證明，在室溫下，溫度每升高1℃，在同一正向電流下，PN結(jié)正向壓降減小2~2.5mV；溫度每升高10℃，反向飽和電流大約增加1倍。所以當(dāng)溫度升高時(shí)，PN結(jié)的正向特性曲線向左移動(dòng)，反向特性曲線向下移動(dòng)。此外,PN結(jié)的反向擊穿特性也與溫度有關(guān)。理論分析表明，雪崩擊穿電壓隨溫度升高而增大，具有正的溫度系數(shù)；齊納擊穿電壓隨溫度的升高而降低，具有負(fù)的溫度系數(shù)。

5．PN結(jié)的電容特性實(shí)踐證明，PN結(jié)的單向?qū)щ娦詢(xún)H在直流或外加電壓變化非常緩慢的情況下才是正確的。當(dāng)外加電壓變化很快時(shí)，PN結(jié)的單向?qū)щ娦跃筒煌耆闪ⅲ渲饕蚴荘N結(jié)的電容效應(yīng)。什么是電容效應(yīng)呢？電容器可看成是一個(gè)存儲(chǔ)電荷的容器，當(dāng)電容器兩端加上電壓時(shí)，電容器內(nèi)將產(chǎn)生電荷的堆積，隨著外加電壓的變化，堆積的電荷也隨之變化。因此，可以把電路中出現(xiàn)的任何一種電荷堆積現(xiàn)象都看成為電容效應(yīng)。在PN結(jié)內(nèi)部由于載流子運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的電容效應(yīng)主要有勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容。1）勢(shì)壘電容Cb

從前面的討論可知，PN結(jié)實(shí)際上就是一個(gè)空間電荷區(qū)，空間電荷區(qū)中不能移動(dòng)的正、負(fù)離子相當(dāng)于PN結(jié)所儲(chǔ)存的電荷量。當(dāng)PN結(jié)外加正向電壓時(shí)，空間電荷區(qū)變窄，電荷量變??；當(dāng)PN結(jié)外加反向電壓時(shí)，空間電荷區(qū)變寬，電荷量增加。由此可見(jiàn)，隨著外加電壓U的變化，空間電荷區(qū)出現(xiàn)電荷的堆積和消散，與之相應(yīng)的電荷量Q也隨著發(fā)生變化，如同電容的充電和放電一樣，稱(chēng)此為勢(shì)壘電容Cb。勢(shì)壘電容的大小可用下式表示：(1-4)式(1-4)表明，勢(shì)壘電容的大小與PN結(jié)的結(jié)面積S成正比，與空間電荷區(qū)的寬度l成反比，ε為半導(dǎo)體材料的介電系數(shù)。由于空間電荷區(qū)的寬度l隨外加電壓U的變化而變化，因此勢(shì)壘電容是一種非線性電容，Cb與外加電壓U之間的關(guān)系可用圖1-11中的曲線表示。圖1-11勢(shì)壘電容與外加電壓的關(guān)系2）擴(kuò)散電容Cd

PN結(jié)處于平衡狀態(tài)時(shí)的少子稱(chēng)為平衡少子。當(dāng)PN結(jié)處于正向偏置時(shí)，P區(qū)的多子(空穴)擴(kuò)散到N區(qū)，成為N區(qū)中的少子，N區(qū)中的多子(自由電子)擴(kuò)散到P區(qū)，成為P區(qū)中的少子，這種不是靠熱激發(fā)而存在的少子稱(chēng)為非平衡少子。當(dāng)外加正向電壓一定時(shí)，靠近空間電荷區(qū)邊界的中性區(qū)非平衡少子濃度高，遠(yuǎn)離邊界的中性區(qū)非平衡少子濃度低。當(dāng)外加的正向電壓增加時(shí)，擴(kuò)散到中性區(qū)的非平衡少子濃度相應(yīng)增大，相應(yīng)的電荷量隨之增大；當(dāng)外加正向電壓減小時(shí)，非平衡少子濃度降低，電荷量減小。這種隨著外加正向電壓的增大或減小而引起的非平衡少子電荷量變化的電容效應(yīng)，稱(chēng)為擴(kuò)散電容Cd。

綜上所述，PN結(jié)的結(jié)電容Cj為勢(shì)壘電容Cb和擴(kuò)散電容Cd之和，即

當(dāng)PN結(jié)正向偏置時(shí)，PN結(jié)結(jié)電容以擴(kuò)散電容為主，Cj≈Cd，其值為幾十皮法到幾千皮法；當(dāng)PN結(jié)反向偏置時(shí)，PN結(jié)結(jié)電容以勢(shì)壘電容為主，Cj≈Cb，其值為幾皮法到幾十皮法。（1-5）1.2半導(dǎo)體二極管1.2.1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)

將一個(gè)PN結(jié)用管殼封裝起來(lái)，在兩端加上電極引線就構(gòu)成了二極管。根據(jù)二極管的不同結(jié)構(gòu)，可分為點(diǎn)接觸型二極管、面接觸型二極管和平面型二極管。點(diǎn)接觸型二極管如圖1-12（a）所示，它的制作方法由一根很細(xì)的金屬觸絲和一塊半導(dǎo)體的表面接觸，在正方向加上很大的瞬時(shí)電流，使觸絲和半導(dǎo)體牢固地熔接在一起構(gòu)成PN結(jié)。由于金屬絲很細(xì)，形成的PN結(jié)面積很小，因此結(jié)電容也很小，這類(lèi)管子僅適用于做高頻檢波和小功率整流。

面接觸型二極管如圖1-12（b）所示，它是采用合金法將一合金小球經(jīng)高溫熔化在晶片上構(gòu)成PN結(jié)。由于在PN結(jié)交界面有較大的結(jié)面積，可允許通過(guò)較大的電流，其結(jié)電容也大，因此不適于高頻電路，只能在較低頻率下工作，一般僅用作整流管。平面型二極管如圖1-12（c）所示，它是采用擴(kuò)散法制成的。當(dāng)平面管的結(jié)面積大時(shí)，允許通過(guò)的電流也大，適用于大功率整流管；結(jié)面積小時(shí)，適用作開(kāi)關(guān)管。二極管的電路符號(hào)如圖1-12（d）所示。由P區(qū)引出的電極是二極管的正極，由N區(qū)引出的電極是二極管的負(fù)極，三角箭頭的方向表示正向電流的方向，正向電流從二極管的正端流入，負(fù)端流出。圖1-12半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)

(a)點(diǎn)接觸型；(b)面接觸型；(c)平面型；(d)二極管符號(hào)1.2.2二極管的伏安特性

如前所述，二極管的基本結(jié)構(gòu)就是一個(gè)PN結(jié)，因此二極管具有和PN結(jié)相同的特性。但是，由于管子存在電中性區(qū)的體電阻和引線電阻等，在外加正向電壓相同的情況下，二極管的正向電流要小于PN結(jié)的電流，大電流時(shí)更為明顯；當(dāng)外加反向電壓時(shí)，由于二極管表面漏電流的存在，使反向電流增大。盡管如此，一般情況下仍用PN結(jié)的伏安特性方程式（1-2）來(lái)描述二極管的電壓和電流關(guān)系。通常情況下，二極管的伏安特性曲線都是通過(guò)實(shí)際測(cè)量得到的。比較簡(jiǎn)便、直觀的測(cè)量方法是采用圖示儀，它可以直接在示波管的熒光屏上顯示出二極管的伏安特性曲線,如圖1-13所示。圖1-13實(shí)際二極管的伏安特性曲線

由圖1-13可見(jiàn)，二極管具有單向?qū)щ娦?。?dāng)外加正向電壓超過(guò)導(dǎo)通電壓Uon時(shí)，電流才開(kāi)始顯著上升。為便于工程分析，通常把正向特性較直部分延長(zhǎng)與橫軸的交點(diǎn)定為導(dǎo)通電壓Uon。此外，正向特性曲線只在起始上升部分的小電流范圍內(nèi)按指數(shù)規(guī)律變化；在電流較大時(shí)，特性曲線幾乎是直線上升，這是因?yàn)榇箅娏鲿r(shí)，PN結(jié)的結(jié)電阻比半導(dǎo)體電中性區(qū)的體電阻及引線電阻等線性電阻要小，所以電壓、電流關(guān)系接近線性關(guān)系。反向特性曲線接近于橫軸，并有一定的斜度，這是由于二極管的漏電阻造成的。1.2.3二極管的主要參數(shù)器件的參數(shù)是器件特性的定量描述，也是合理選擇和安全運(yùn)用器件的依據(jù)。各種器件的參數(shù)可由手冊(cè)查得。常用的二極管主要參數(shù)有：

(1)最大整流電流IF。它是指二極管長(zhǎng)期工作時(shí)允許通過(guò)的最大正向平均電流。在使用時(shí)注意不要超過(guò)此值，否則二極管會(huì)因過(guò)熱而損壞。

(2)最大反向工作電壓UR。當(dāng)二極管的反向電壓超過(guò)最大反向工作電壓UR時(shí)，管子可能會(huì)因反向擊穿而損壞。通常UR為二極管反向擊穿電壓U(BR)的一半。(3)反向電流IR。它是指管子未擊穿時(shí)的反向電流。此值越小，二極管的單向?qū)щ娦栽胶?，隨著溫度的增加，反向電流會(huì)急劇增加，所以使用時(shí)要注意溫度的影響。

(4)最高工作頻率fM。它是指二極管正常工作時(shí)的上限頻率。超過(guò)此值，由于二極管結(jié)電容的作用，二極管的單向?qū)щ娦詫⒃獾狡茐摹?.2.4二極管的等效模型

1．理想模型如果在使用二極管的電路中，忽略二極管的正向電壓和反向飽和電流，即假設(shè)它們都為零，則認(rèn)為二極管為理想二極管，其伏安特性如圖1-14（a）所示。圖中的實(shí)線表示理想二極管的伏安特性，虛線表示實(shí)際二極管的伏安特性。由圖可見(jiàn)，理想二極管正向?qū)〞r(shí)，其端電壓等于零，相當(dāng)于短路；反向截止時(shí)，電流等于零，相當(dāng)于開(kāi)路。所以理想二極管相當(dāng)于一個(gè)理想開(kāi)關(guān)，其電路符號(hào)如圖1-14（b）所示。圖1-14理想模型(a)U-I特性；(b)代表符號(hào)

2．恒壓降模型如果在電路中，電源電壓和二極管的導(dǎo)通電壓相比來(lái)說(shuō)不夠大，就不能把二極管的正向特性當(dāng)作完全短路來(lái)處理，這時(shí)可認(rèn)為二極管正向?qū)〞r(shí)壓降恒定為Uon，小于導(dǎo)通壓降，電流為零。其伏安特性如圖1-15（a）所示，圖中實(shí)線是電路模型的伏安特性曲線，虛線是實(shí)際二極管的特性曲線，二極管的電路等效模型如圖1-15（b）所示，為一理想二極管和一恒壓源Uon相串聯(lián)。圖1-15恒壓降模型(a)U-I特性；(b)代表符號(hào)

3．折線模型為了進(jìn)一步改善電路模型的準(zhǔn)確度，在恒壓降模型的基礎(chǔ)上，作一定的修正，如圖1-16（a）所示。圖中二極管正向壓降大于Uon后，用一斜線來(lái)描述電壓和電流的關(guān)系，斜線的斜率為實(shí)際二極管特性曲線的斜率1/rD，rD=ΔU/ΔI。因此等效模型為一理想二極管和恒壓源Uon及正向電阻rD相串聯(lián)，如圖1-16（b）所示。圖1-16折線模型(a)U-I特性；(b)代表符號(hào)

4．微變等效模型在二極管的伏安特性曲線上，由直流電壓和直流電流所決定的點(diǎn)Q，稱(chēng)為靜態(tài)工作點(diǎn)（或直流工作點(diǎn)）。如果二極管在工作點(diǎn)Q附近的小范圍內(nèi)工作，則可以用點(diǎn)Q的切線來(lái)近似微小變化時(shí)的曲線，如圖1-17（a）所示。此時(shí)，二極管對(duì)應(yīng)微變量所呈現(xiàn)的作用如同一個(gè)線性電阻的作用，故可將二極管等效為一個(gè)動(dòng)態(tài)電阻rd，且rd=ΔUD/ΔID，如圖1-17（b）所示，稱(chēng)為二極管的微變等效電路。顯然，隨著二極管靜態(tài)工作點(diǎn)的不同，rd也不同，所以rd是一個(gè)非線性電阻，它隨著靜態(tài)工作點(diǎn)的升高而減小。一般，二極管的正向交流電阻約為幾歐到幾十歐，反向交流電阻約在幾百千歐到幾兆歐。圖1-17二極管的微變等效模型(a)U-I特性；(b)代表符號(hào)動(dòng)態(tài)電阻rd還可利用二極管的電流方程求得：取ID對(duì)UD的微分，得微變電導(dǎo)則在室溫（T=300K）時(shí)，（1-6）式中,ID為靜態(tài)工作點(diǎn)Q的電流。

【例1-1】由二極管組成的開(kāi)關(guān)電路如圖1-18所示，判斷圖中二極管是導(dǎo)通還是截止，并確定電路的輸出電壓Uo（設(shè)二極管是理想二極管）。

解首先假設(shè)二極管斷開(kāi)，然后求得二極管正極和負(fù)極之間將承受的電壓。如果該電壓大于零，則二極管導(dǎo)通;否則，二極管截止。兩個(gè)二極管都斷開(kāi)時(shí)，所承受的電壓分別為UD1=6V-3V=3V>0UD2=6V-0V=6V>0

二極管接入后，VD2管承受的正向壓降比VD1管高，VD2管優(yōu)先導(dǎo)通，使Uo鉗位在0V。此時(shí)，VD1管因承受反向電壓而截止。經(jīng)判斷，電路中二極管VD1導(dǎo)通，VD2截止，輸出電壓Uo=0V。圖1-18例1-1的電路【例1—2】圖1—19所示電路中，設(shè)二極管VD1、VD2均為硅管，正向壓降為0.7V，已知U1＝12V，U2＝－4V，試求電流I1和I2的值。圖1—19例1－2的電路

解假設(shè)VD1、VD2均截止。利用KCL可求得A點(diǎn)電位UA，即可見(jiàn)實(shí)際情況是VD1截止，VD2導(dǎo)通。當(dāng)VD1截止、VD2導(dǎo)通時(shí)，重新利用KCL求A點(diǎn)電位UA，即故有1.2.5穩(wěn)壓二極管

1．穩(wěn)壓管的伏安特性穩(wěn)壓管的伏安特性與普通二極管類(lèi)似。如前所述，二極管處于反向擊穿區(qū)時(shí)，并不一定意味著管子損壞，只要限制流過(guò)管子的反向電流，二極管就不會(huì)因過(guò)熱而燒毀。而且在反向擊穿狀態(tài)下，管子兩端電壓變化很小，具有恒壓性能，利用二極管的這一特點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓作用，制成穩(wěn)壓管。穩(wěn)壓管在工作時(shí)，流過(guò)它的電流在IZmin~IZmax之間變化，在這個(gè)范圍內(nèi)，穩(wěn)壓管兩端的反向電壓變化很小，且工作安全。穩(wěn)壓管的伏安特性和符號(hào)如圖1-20所示。圖1-20穩(wěn)壓管的伏安特性和符號(hào)(a)伏安特性；(b)符號(hào)

2．穩(wěn)壓管的主要參數(shù)（1）穩(wěn)定電壓UZ：穩(wěn)壓管反向擊穿后的穩(wěn)定電壓值。由于制造工藝的分散性，即使同一型號(hào)的穩(wěn)壓管，各個(gè)不同的管子穩(wěn)壓值UZ也有些差別。例如型號(hào)為2CW13的穩(wěn)壓管，穩(wěn)定電壓為5.5~5.6V。但對(duì)同一只管子，穩(wěn)定電壓UZ應(yīng)是確定的。（2）穩(wěn)定電流IDZ：穩(wěn)壓管正常工作時(shí)的參考電流。電流低于此值，穩(wěn)壓效果變差，甚至不起穩(wěn)壓作用；電流高于此值，只要不超過(guò)穩(wěn)壓管的額定功耗，穩(wěn)壓管可以正常工作，故也將IDZ記作IZmin。

（3）額定功耗PZM：穩(wěn)壓管允許的最大穩(wěn)定電流IZM（或記作IZmax）和穩(wěn)定電壓UZ的乘積。穩(wěn)壓管的功耗超過(guò)此值，會(huì)因結(jié)溫過(guò)高而燒毀。對(duì)于一只給定的穩(wěn)壓管，可通過(guò)手冊(cè)上給出的PZM，根據(jù)IZM=PZM/UZ求得IZM。（4）動(dòng)態(tài)電阻rz:穩(wěn)壓管工作在穩(wěn)壓區(qū)時(shí)，其端電壓變化量與端電流變化量之比，即rz=ΔUZ/ΔIDZ。r-z越小，穩(wěn)壓性能越好。對(duì)于同一個(gè)穩(wěn)壓管，工作電流越大，rz越小。

（5）溫度系數(shù)α：溫度每變化1℃所引起的穩(wěn)定電壓的變化量，即α=ΔUZ/ΔT。通常穩(wěn)定電壓低于4V的穩(wěn)壓管具有負(fù)溫度系數(shù)（屬于齊納擊穿），即溫度升高時(shí)，穩(wěn)定電壓值下降；穩(wěn)定電壓大于7V的穩(wěn)壓管具有正溫度系數(shù)（屬于雪崩擊穿），即溫度升高時(shí)，穩(wěn)定電壓值上升；穩(wěn)定電壓在4~7V之間的穩(wěn)壓管，溫度系數(shù)較小，說(shuō)明管子的穩(wěn)定電壓受溫度的影響小，性能比較穩(wěn)定。

在使用穩(wěn)壓管組成穩(wěn)壓電路時(shí)，應(yīng)使外加電源的正極接管子的N區(qū)，負(fù)極接管子的P區(qū)，以保證穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū)。常用的穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路如圖1-20所示。由圖可見(jiàn)，穩(wěn)壓管并聯(lián)在負(fù)載RL的兩端，以使負(fù)載兩端電壓在Ui和RL變化時(shí)保持穩(wěn)定。此外，為了保證穩(wěn)壓管正常工作時(shí)的反向電流在IZmin~IZmax之間，在電路中串聯(lián)一個(gè)限流電阻R，只有當(dāng)R取值合適時(shí)，穩(wěn)壓管才能安全地工作在穩(wěn)壓狀態(tài)。圖1-21穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路【例1—3】電路如圖1-22（a）所示。已知輸入電壓ui＝5sinωtV，二極管VD可視為理想二極管，穩(wěn)壓管VDZ的穩(wěn)定電壓為10V，試畫(huà)出輸出電壓uo的波形。解輸入電壓ui＝5sinωtV波形如圖1-22（b）所示，由于ui與＋10V直流電源相疊加，故二極管VD始終導(dǎo)通，2k

電阻兩端的端電壓uAB波形如圖（c）所示。斷開(kāi)VDZ，其端口電壓為uAB，因此VDZ的工作狀態(tài)取決于uAB。在uAB的前半周，由于uAB≥10V，故VDZ反向擊穿，輸出電壓

uo＝10V；在uAB的后半周，由于5V≤uAB≤10V，故VDZ截止，uo＝ui。uo波形如圖（d）所示。由圖可見(jiàn)，雖然uAB在（5V，15V）的范圍內(nèi)變化，但輸出電壓uo卻始終被限制在（5V，10V）以?xún)?nèi)，穩(wěn)壓二極管起到了限幅作用。圖1-22例1－3的電路（a）例1－2的電路（b）輸入電壓ui波形（c）uAB波形（d）輸出電壓uO波形1.3半導(dǎo)體三極管1.3.1三極管的結(jié)構(gòu)及符號(hào)根據(jù)組合方式不同，三極管有NPN和PNP兩種類(lèi)型，其結(jié)構(gòu)示意圖和電路符號(hào)如圖1-23所示。圖1-23(a)中，在一塊晶片（硅片或鍺片）上用不同的摻雜方式制造出三個(gè)摻雜區(qū)，依序稱(chēng)為發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)，發(fā)射區(qū)和基區(qū)之間的PN結(jié)稱(chēng)為發(fā)射結(jié)，基區(qū)和集電區(qū)之間的PN結(jié)稱(chēng)為集電結(jié)。相對(duì)于三個(gè)區(qū)域分別引出三個(gè)電極，即發(fā)射極e（Emitter）、基極b(Base)和集電極c(Collector)

，再加上某種形式的封裝外殼，便構(gòu)成三極管。圖1-23三極管的結(jié)構(gòu)示意圖和電路符號(hào)(a)結(jié)構(gòu)示意圖；(b)電路符號(hào)

圖1-23（b）中發(fā)射極的箭頭方向表示發(fā)射結(jié)正向?qū)〞r(shí)實(shí)際電流的方向。從圖上看，三極管好像是兩個(gè)反向串聯(lián)的PN結(jié)。但是，把兩個(gè)孤立的PN結(jié)例如兩個(gè)二極管反向串聯(lián)起來(lái)并不具有放大作用，而三極管作為一個(gè)放大器件具有特殊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。首先，發(fā)射區(qū)摻雜濃度很高，即發(fā)射結(jié)為N+P結(jié)或P+N結(jié)；其次，基區(qū)必須很薄；第三，集電結(jié)結(jié)面積很大，以利于收集載流子。兩種三極管的工作原理是相似的，本節(jié)以NPN型硅管為例講述三極管的工作原理、特性曲線和主要參數(shù)。1.3.2三極管的工作原理

1．三極管的PN結(jié)偏置為使三極管正常工作，必須給三極管的兩個(gè)PN結(jié)加上合適的直流電壓，或者說(shuō)，兩個(gè)PN結(jié)必須有合適的偏置。因?yàn)槊總€(gè)PN結(jié)可有兩種偏置方式（正偏和反偏），所以?xún)蓚€(gè)PN結(jié)共有四種偏置方式，從而導(dǎo)致三極管有四種不同的工作狀態(tài)，如表1.1所示。表1.1三極管的四種偏置方式發(fā)射結(jié)偏置方式集電結(jié)偏置方式三極管的工作狀態(tài)正偏反偏放大狀態(tài)正偏正偏飽和狀態(tài)反偏反偏截止?fàn)顟B(tài)反偏正偏倒置狀態(tài)

在模擬電子電路中，三極管常作為放大器件使用，因此三極管除具有放大作用的內(nèi)部結(jié)構(gòu)條件外，還必須有實(shí)現(xiàn)放大的外部條件，即保證發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置。要實(shí)現(xiàn)發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏，對(duì)于NPN管三個(gè)電極的電位關(guān)系是：集電極電位UC最高，基極電位UB次之，發(fā)射極電位UE最低，即UC>UB>UE；對(duì)于PNP管正好相反，即UC<UB<UE。

2．三極管的三種組態(tài)三極管是三端器件，有三個(gè)電極：發(fā)射極、基極和集電極，用作四端網(wǎng)絡(luò)時(shí)，其中任何一個(gè)電極都可作為輸入和輸出端口的公共端，因此，三極管有三種連接方式，也稱(chēng)三種組態(tài)。以發(fā)射極作為信號(hào)輸入和輸出公共端的電路，稱(chēng)為共發(fā)射極電路；以基極作為信號(hào)輸入和輸出公共端的電路，稱(chēng)為共基極電路；以集電極作為信號(hào)輸入和輸出公共端的電路，稱(chēng)為共集電極電路。三種電路組態(tài)如圖1-24所示。圖1-24三極管的三種組態(tài)(a)共發(fā)射極電路；(b)共基極電路；(c)共集電極電路

3．三極管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)和各極電流的形成三極管是放大電路的核心器件。要使三極管工作在放大狀態(tài)，無(wú)論哪種組態(tài)電路，其外部加電原則都是發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置，其內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律相同。下面以共射電路為例分析在放大狀態(tài)下三極管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)狀況。圖1-25為共射電路的NPN管內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)示意圖。圖1-25中基極電源UBB保證發(fā)射結(jié)正偏，集電極電源UCC保證集電結(jié)反偏，且ＵCC>UBB。圖1-25三極管內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)與外部電流

（1）發(fā)射結(jié)正向偏置，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成發(fā)射極電流IE。由于發(fā)射結(jié)正向偏置，且發(fā)射區(qū)摻雜濃度高，因此發(fā)射區(qū)大量的自由電子擴(kuò)散到基區(qū)，成為基區(qū)的非平衡少子，并形成電子電流IEN；同時(shí)，基區(qū)的多子(空穴)也擴(kuò)散到發(fā)射區(qū)，形成空穴電流IEP，因此發(fā)射極電流IE為電子電流IEN和空穴電流IEP之和，即 IE=IEN+IEP

（1-7）由于發(fā)射結(jié)為N+P結(jié)，流過(guò)發(fā)射結(jié)的空穴電流和電子電流相比可以忽略不計(jì)，因此發(fā)射極電流IE主要是自由電子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)所形成的電子電流IEN。

（2）部分非平衡少子與空穴復(fù)合形成基極電流IB。由于基區(qū)很薄，且摻雜濃度低，因此擴(kuò)散到基區(qū)的自由電子只有極少部分與基區(qū)空穴復(fù)合，大部分作為基區(qū)的非平衡少子到達(dá)集電結(jié)。基區(qū)被復(fù)合掉的空穴由基極電源UBB源源不斷地補(bǔ)充，從而形成基極電流IB。

（3）集電結(jié)反向偏置，漂移運(yùn)動(dòng)形成集電極電流IC。由于集電結(jié)反向偏置，且集電結(jié)面積大，因此漂移運(yùn)動(dòng)大于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，基區(qū)里到達(dá)集電結(jié)邊緣的非平衡少子漂移到集電區(qū)，形成集電極電子電流ICN；同時(shí)，基區(qū)和集電區(qū)的平衡少子也進(jìn)行漂移運(yùn)動(dòng)，形成反向飽和電流ICBO。由此集電極電流IC為IC=ICN+ICBO

式中，ICBO很小，近似分析中可忽略不計(jì)。（1-8）

4．三極管的電流分配關(guān)系上面分析了三極管處于放大狀態(tài)時(shí)內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)及各極電流的形成。從三極管的外部看，可將三極管視為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，根據(jù)基爾霍夫電流定律有

IE=IB+IC

（1-9）對(duì)于一個(gè)高質(zhì)量的三極管，通常希望發(fā)射區(qū)的絕大多數(shù)自由電子能夠到達(dá)集電區(qū)，即ICN在IE中占有盡可能大的比例。為了衡量集電極電子電流ICN所占發(fā)射極電流IE的比例大小，一般將ICN和IE的比值定義為共基直流電流放大系數(shù)，記作，即（1-10）將式(1-10)代入式（1-8）可得（1-11）當(dāng)ICBO<<IC時(shí)，可將ICBO忽略，則（1-12）將式（1-9）代入式（1-11），即得上式經(jīng)移項(xiàng)、整理后為（1-13）令（1-14）稱(chēng)為共射直流電流放大系數(shù)。將式(1-14)代入式（1-13），可得（1-15）上式中的(1+β)ICBO是基極開(kāi)路（IB=0）時(shí)，流經(jīng)集電極與發(fā)射極之間的電流，稱(chēng)為穿透電流，用ICEO表示，即則IC又可表示為通常，ICEO很小，上式可簡(jiǎn)化為將式（1-18）代入式（1-9），可得（1-16）（1-17）（1-18）（1-19）5.三極管的電流放大作用三極管工作在放大狀態(tài)時(shí)，由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，即發(fā)射區(qū)摻雜濃度高、基區(qū)薄、集電結(jié)寬，使發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)的大量電子，只有很小的一部分在基區(qū)復(fù)合形成很小的基極電流IB，大部分越過(guò)基區(qū)流向集電區(qū)，形成集電極電流IC。管子做成后，IC和IB的比例基本上保持一定。所以IC的大小不但取決于IB，而且遠(yuǎn)大于IB。因此只要能控制基極的小電流IB，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)大的集電極電流IC的控制。所謂三極管的電流放大作用，就是指這種對(duì)電流的控制能力，故常把三極管稱(chēng)為電流控制器件。

將圖1-25中的三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖用三極管的電路符號(hào)表示，并將ui作為輸入電壓信號(hào)接在基極-發(fā)射極回路，稱(chēng)為輸入回路；放大后的信號(hào)取自于集電極-發(fā)射極回路，稱(chēng)為輸出回路，得到圖1-26所示的基本放大電路。由于發(fā)射極是兩個(gè)回路的公共端，故該電路是共射放大電路。在圖1-26所示電路中，在輸入電壓ui作用下，三極管的基極電流將在直流電流IB的基礎(chǔ)上疊加一個(gè)動(dòng)態(tài)電流ΔIB，相應(yīng)的集電極電流也會(huì)在直流電流IC的基礎(chǔ)上疊加一個(gè)動(dòng)態(tài)電流ΔIC

，ΔIC與ΔIB之比稱(chēng)為共射交流電流放大系數(shù)，記作β，即(1-20)如果在ui作用下，基本不變，則集電極電流因此(1-21)

式（1-21）表明，三極管工作在放大狀態(tài)時(shí)，β和β相當(dāng)接近，因此在近似分析中不再對(duì)它們加以區(qū)分。通常情況下取β為幾十至一百多倍的管子為好，因?yàn)棣逻^(guò)大，性能不夠穩(wěn)定，β過(guò)小，達(dá)不到放大效果。

相應(yīng)地，將集電極動(dòng)態(tài)電流ΔIC和發(fā)射極動(dòng)態(tài)電流ΔIE之比定義為共基交流電流放大系數(shù)，記作α，即(1-22)同理(1-23)根據(jù)α和β的定義以及三極管中三個(gè)電流的關(guān)系，可得所以α與β兩個(gè)參數(shù)之間滿足下列關(guān)系式(1-24)圖1-26基本共射放大電路1.3.3三極管的特性曲線

1．輸入特性曲線輸入特性曲線是指在三極管的集電極與發(fā)射極之間的電壓UCE為某一固定值時(shí)，基極電流iB與發(fā)射結(jié)電壓uBE之間的關(guān)系曲線。用函數(shù)關(guān)系表示為

iB=f(uBE)|UCE=常數(shù)

(1-25)從式（1-25）可知，對(duì)應(yīng)不同的UCE值，可作出一族iB~uBE特性曲線，如圖1-27所示。圖1-27NPN管的共射輸入特性曲線

當(dāng)UCE=0時(shí)，相當(dāng)于集電極和發(fā)射極短路，則發(fā)射結(jié)和集電結(jié)并聯(lián)，所以，三極管的輸入特性與PN結(jié)的正向特性相似。隨著UCE的增大，集電結(jié)上的偏壓將由正偏逐漸轉(zhuǎn)為反偏，使發(fā)射區(qū)進(jìn)入基區(qū)的電子更多地流向集電區(qū)，因此對(duì)應(yīng)于相同的uBE，流向基極的電流iB比UCE=0時(shí)小了，故特性曲線相應(yīng)地向右移動(dòng)。實(shí)際上，當(dāng)UCE≥1V以后，集電結(jié)的電場(chǎng)已足夠強(qiáng)，使發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)的非平衡少子的絕大部分都到達(dá)了集電區(qū)，形成集電極電流iC，因此，在相同的uBE下，盡管UCE增加，iB也不再明顯地減小，故UCE>1V以后的輸入特性曲線基本重合。由于實(shí)際使用時(shí)，UCE通常都大于1V，因此一般選用UCE>1V的那條特性曲線。

2．輸出特性曲線

輸出特性曲線是指在基極電流IB為某一固定值時(shí)，集電極電流iC同集電極與發(fā)射極之間的電壓uCE之間的關(guān)系曲線。用函數(shù)表示為(1-26)

對(duì)于每一個(gè)確定的IB，都有一條輸出特性曲線，所以輸出特性是一組曲線族，如圖1-28所示。由圖1-28可見(jiàn)，對(duì)應(yīng)于不同的IB，各條特性曲線的形狀基本相同，現(xiàn)取一條進(jìn)行說(shuō)明。圖1-28NPN管的共射輸出特性曲線

在uCE較小時(shí)，集電結(jié)電場(chǎng)強(qiáng)度很小，對(duì)到達(dá)基區(qū)的電子吸引力不夠，一旦uCE稍有增加，因此iC就跟著增大，iC受uCE影響較明顯，曲線很陡；當(dāng)uCE超過(guò)某一數(shù)值時(shí)，集電結(jié)的電場(chǎng)達(dá)到了足以將基區(qū)中的大部分非平衡少子拽到集電區(qū)的強(qiáng)度，所以，即使uCE再增大，也不會(huì)有更多的電子被收集過(guò)來(lái)，集電極電流iC基本恒定，特性曲線變得比較平坦。然而實(shí)際上，由于集電結(jié)上反向電壓的增加，集電結(jié)加寬，相應(yīng)地使基區(qū)寬度減小，這樣在基區(qū)內(nèi)載流子的復(fù)合減小，導(dǎo)致β增大。那么，在IB不變的情況下，iC將隨uCE的增大而增大，特性曲線略向上傾斜，這種現(xiàn)象稱(chēng)為基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)。

根據(jù)上述輸出特性曲線的特點(diǎn)，將三極管的工作范圍劃分為截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)三個(gè)區(qū)域。

1）截止區(qū)輸出特性曲線族中，IB=0以下的區(qū)域稱(chēng)為截止區(qū)。三極管工作在截止區(qū)時(shí)，發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均處于反向偏置，IB=0，IC≤ICEO。通常ICEO很小，因此在近似分析中可以認(rèn)為三極管的集電極和發(fā)射極之間呈高阻態(tài)，iC≈0，三極管截止，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。2）放大區(qū)在圖1-28中虛線以右，各條輸出特性曲線較平坦的部分，稱(chēng)為放大區(qū)。三極管工作在放大區(qū)時(shí)，發(fā)射結(jié)為正偏，集電結(jié)為反偏。在放大區(qū)，各條特性曲線幾乎平行，且間距也幾乎相等，這表明集電極電流iC受基極電流IB控制，而與uCE無(wú)關(guān)。所以在放大區(qū)，三極管可視為一個(gè)受基極電流IB控制的受控恒流源，即β=IC/IB=ΔIC/ΔIB=β為一常數(shù)。3）飽和區(qū)在圖1-28中虛線以左，uCE很小，輸出特性曲線陡直上升，該區(qū)域稱(chēng)為飽和區(qū)。三極管工作在飽和區(qū)時(shí)，發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均處于正向偏置，集電結(jié)收集電子的能力較小，IB增大時(shí)，iC增加很少，甚至不增大。從圖1-28中可見(jiàn)，不同IB值的各條特性曲線幾乎重疊在一起，IB對(duì)iC失去控制作用，因此三極管沒(méi)有放大作用，不能用β來(lái)描述基極電流和集電極電流的關(guān)系。工程上定義，uCE=uBE即uCB=0時(shí),三極管處于臨界飽和；uCE<uBE時(shí)，則稱(chēng)為飽和。三極管飽和時(shí)的管壓降用UCES表示，通常，小功率硅管的飽和管壓降UCES約為0.3V，小功率鍺管約為0.1V，所以三極管飽和時(shí)，集電極和發(fā)射極之間呈低阻態(tài)，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合。1.3.4三極管的主要參數(shù)

1．電流放大系數(shù)

電流放大系數(shù)是表征三極管放大性能的參數(shù)。

1）共射直流電流放大系數(shù)β

當(dāng)忽略穿透電流ICEO時(shí)，β近似等于集電極電流與基極電流的直流量之比，即2）共射交流電流放大系數(shù)β

β定義為集電極電流與基極電流的變化量之比，即3）共基直流電流放大系數(shù)當(dāng)忽略反向飽和電流ICBO時(shí)，近似等于集電極電流與發(fā)射極電流的直流量之比，即4）共基交流電流放大系數(shù)α

α定義為集電極電流與發(fā)射極電流的變化量之比，即在近似分析中可認(rèn)為，

2．極間反向電流

1）集電極-基極反向飽和電流ICBO

集電極-基極反向飽和電流ICBO是指發(fā)射極開(kāi)路時(shí)，集電極與基極之間的反向電流。在一定的溫度下，這個(gè)反向電流基本上是個(gè)常數(shù)，所以稱(chēng)為反向飽和電流。由于ICBO是由少數(shù)載流子的運(yùn)動(dòng)形成的，因此對(duì)溫度非常敏感。一個(gè)好的小功率鍺三極管的ICBO約為幾微安至幾十微安，硅三極管的ICBO更小，有的可達(dá)到納安數(shù)量級(jí)。

2）集電極-發(fā)射極穿透電流ICEO

集電極-發(fā)射極穿透電流ICEO是指基極開(kāi)路時(shí)，集電極與發(fā)射極之間的電流。由式（1-16）知三極管的越大，該管的ICEO越大。由于ICBO隨溫度的增加而迅速增大，因此ICEO隨溫度的增大更為敏感。通常ICBO和ICEO越小，表明管子的質(zhì)量越好。在實(shí)際工作中選用三極管時(shí)，不能只考慮β的大小，還要注意選用ICBO和ICEO較小的管子。

3．極限參數(shù)極限參數(shù)是指三極管使用時(shí)不允許超過(guò)的工作界限，超過(guò)此界限，管子性能下降，甚至損壞。

1）集電極最大允許電流ICM

集電極電流iC在相當(dāng)大的范圍內(nèi)β值基本不變，但是當(dāng)iC的數(shù)值大到一定程度時(shí)，β值將減小。通常ICM表示β值降為正常β值的2/3時(shí)所允許的最大集電極電流。2）集電極最大允許功耗PCM

為了保護(hù)三極管的集電結(jié)不會(huì)因?yàn)檫^(guò)熱而燒毀，集電結(jié)上允許耗散功率的最大值為PCM。PCM=iCuCE

對(duì)于確定型號(hào)的三極管，PCM是一個(gè)定值，因此由上式可在三極管的輸出特性曲線上畫(huà)出管子的最大功率損耗線，是一條雙曲線，如圖1-29所示。雙曲線左側(cè)為安全工作區(qū)，雙曲線右側(cè)為過(guò)損耗區(qū)。

PCM值與環(huán)境溫度有關(guān)，溫度愈高，PCM值愈小。因此三極管在使用時(shí)受到環(huán)境溫度的限制。硅管的上限溫度約為150℃，鍺管約為70℃。圖1-29三極管的極限損耗線3）極間反向擊穿電壓三極管上的兩個(gè)PN結(jié)，若所加反向電壓超過(guò)規(guī)定值，就會(huì)出現(xiàn)反向擊穿，其反向擊穿電壓不但與管子本身的特性有關(guān)，還與外部電路的連接方法有關(guān)。常用的反向擊穿電壓參數(shù)有以下幾種：

(1)U（BR）CBO：發(fā)射極開(kāi)路時(shí)，集電極-基極間的反向擊穿電壓。它實(shí)際上是集電結(jié)的反向擊穿電壓值，取決于集電結(jié)的雪崩擊穿電壓，其數(shù)值較高。(2)U(BR)CEO：基極開(kāi)路時(shí)，集電極-發(fā)射極之間的反向擊穿電壓。這個(gè)電壓的大小與ICEO有直接的關(guān)系，當(dāng)uCE增大時(shí)，ICEO明顯地增大，導(dǎo)致集電結(jié)出現(xiàn)雪崩擊穿。

(3)U(BR)EBO：集電極開(kāi)路時(shí)，發(fā)射極-基極之間的反向擊穿電壓。它是發(fā)射結(jié)的反向擊穿電壓值。

此外，集電極與發(fā)射極之間的擊穿電壓還有基極-發(fā)射極間接有電阻時(shí)的U(BR)CER及短路時(shí)的U(BR)CES。上述各擊穿電壓之間的關(guān)系為U(BR)CBO>U(BR)CES>U(BR)CER>U(BR)CEO

綜上所述，在三極管的輸出特性曲線上，由PCM、ICM和U

(BR)CEO所圍成的區(qū)域是三極管的安全工作區(qū)，如圖1-29所示。1.3.5溫度對(duì)三極管參數(shù)的影響

由于半導(dǎo)體材料的熱敏特性，三極管的參數(shù)幾乎都與溫度有關(guān)。在使用三極管時(shí)，主要考慮溫度對(duì)ICBO、UBEO和β三個(gè)參數(shù)的影響。

1．溫度對(duì)ICBO的影響

ICBO是由三極管集電結(jié)反向偏置時(shí)平衡少子的漂移運(yùn)動(dòng)形成的。當(dāng)溫度升高時(shí)，由本征激發(fā)所產(chǎn)生的少子濃度增加，從而使ICBO增大?？梢宰C明，溫度每升高10℃，ICBO增加約1倍。通常硅管的ICBO比鍺管的要小，因此硅管比鍺管受溫度的影響要小。

2．溫度對(duì)UBEO的影響

UBEO是三極管發(fā)射結(jié)正向?qū)妷?，它?lèi)似于PN結(jié)的導(dǎo)通電壓Uon，具有負(fù)溫度系數(shù)，即溫度每升高1℃，UBEO將減小2~2.5mV。

3．溫度對(duì)β的影響溫度升高時(shí)，注入基區(qū)的載流子擴(kuò)散速度加快，此時(shí)，在基區(qū)電子與空穴的復(fù)合數(shù)目減少，因而β增大。實(shí)驗(yàn)表明，溫度每升高1℃，β將增加0.5%~1.0%?！纠?-4】用直流電壓表測(cè)得某放大電路中一個(gè)三極管的三個(gè)電極對(duì)地電位分別是：U1=3V，U2=9V，U3=3.7V，試判斷該三極管的管型及各電位所對(duì)應(yīng)的電極。

解由三極管正常放大的工作條件可知，三極管正向偏置時(shí)，硅管的UBE≈0.7V，鍺管的UBE≈0.2V；對(duì)于NPN型管,UC>UB>UE，對(duì)于PNP型管,UC<UB<UE。根據(jù)題中已給條件，U3和U1電位差為0.7V，可判斷該管是硅管，且U3和U1所對(duì)應(yīng)的電極一個(gè)是基極，一個(gè)是發(fā)射極，則U2所對(duì)應(yīng)的電極一定是集電極c。又因?yàn)閁2是三個(gè)電極電位中最高的電位，該管是NPN型管子。由U1<U3<U2可知，U1對(duì)應(yīng)發(fā)射極e，U2對(duì)應(yīng)集電極c，U3對(duì)應(yīng)基極b。【例1-5】某三極管的輸出特性曲線如圖1-28所示。求三極管在UCE=25V，IC=2mA處的電流放大系數(shù)β，并確定管子的穿透電流ICEO、反向擊穿電壓UCEO、集電極最大電流ICM和集電極最大功耗PCM。

解在點(diǎn)Q（UCE=25V，IC=2mA）處取ΔIB=60μA-40μA=20μA=0.02mA,此時(shí)圖中特性曲線上ΔIC對(duì)應(yīng)為ΔIC=2.9-0.90=1mA由公式IC=βIB+ICEO可知，當(dāng)IB=0時(shí)，IC=ICEO，從圖中可以看出IB=0的那條輸出特性曲線所對(duì)應(yīng)的集電極電流為10μA，所以ICEO=10μA。圖1-30例1-5三極管輸出特性曲線

UCEO是基極開(kāi)路（即IB=0）時(shí)，集電極與發(fā)射極之間的擊穿電壓。從IB=0的那條特性曲線可以看出UCE>50V時(shí)，iC迅速增大，所以UCEO為50V。通過(guò)UCE=25V作垂線與PCM線相交，交點(diǎn)的縱坐標(biāo)iC=3mA，所以PCM=iCuuCE=3×25=75mW。ICM在圖中已標(biāo)出，其值為5mA。【例1—6】三極管接成如圖1-31所示電路。已知UCC＝5V，Rb＝40k

，Rc＝2k

，三極管V的臨界飽和管壓降UCES＝0.7V，處于放大狀態(tài)和飽和狀態(tài)時(shí)的UBE亦均為0.7V。試問(wèn)若管子的

＝50，則輸入電壓Ui為多大時(shí)，三極管V正好處于臨界飽和狀態(tài)？解根據(jù)圖1-31所示電路，三極管的臨界飽和集電極電流故相應(yīng)的臨界飽和基極電流圖1—31例1－6的電路而三極管的實(shí)際基極電流由于IB＝IBS時(shí)三極管正好處于臨界飽和狀態(tài)，故有1.4場(chǎng)效應(yīng)管1.4.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管

1．結(jié)構(gòu)和符號(hào)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管又分為N溝道JFET和P溝道JFET。在一塊N型半導(dǎo)體兩側(cè)制作兩個(gè)高摻雜的P型區(qū)，形成兩個(gè)P+N結(jié)。將兩個(gè)P型區(qū)連在一起，引出一個(gè)電極稱(chēng)為柵極g，在N型半導(dǎo)體兩端各引出一個(gè)電極，分別稱(chēng)為漏極d和源極s，兩個(gè)P+N結(jié)中間的N型區(qū)域稱(chēng)為導(dǎo)電溝道，故該結(jié)構(gòu)是N溝道JFET。N溝道JFET的結(jié)構(gòu)示意圖和電路符號(hào)如圖1-32（a）、（b）所示，符號(hào)上的箭頭方向表示柵源之間P+N結(jié)正向偏置時(shí)，柵極電流的方向由P指向N。圖1-32結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)(a)結(jié)構(gòu)示意圖；(b)N溝道JFET符號(hào)；(c)P溝道JFET符號(hào)

2．工作原理

JFET正常工作時(shí)，JFET的PN結(jié)必須加反偏電壓。對(duì)于N溝道的JFET，在柵極和源極之間應(yīng)加負(fù)電壓（即柵源電壓uGS<0），使P+N結(jié)處于反向偏置，隨著柵源電壓uGS變化，兩個(gè)P+N結(jié)的結(jié)寬，即耗盡層的寬度發(fā)生變化，導(dǎo)電溝道也跟著變化；在漏極和源極加正電壓（即漏源電壓uDS>0），以形成漏極電流iD。在外加電壓uGS一定時(shí)，iD的大小由導(dǎo)電溝道的寬度決定。1）uGS對(duì)導(dǎo)電溝道的控制作用令uDS=0，即將漏極和源極短接，此時(shí)N溝道寬度僅受柵源電壓uGS的影響。當(dāng)uDS=0，且uGS=0時(shí)，P+N結(jié)耗盡層最窄，導(dǎo)電溝道最寬,如圖1-33（a）所示。當(dāng)|uGS|增大時(shí)，反向電壓加大，耗盡層加寬，導(dǎo)電溝道變窄，如圖1-33（b）所示，溝道電阻增大。當(dāng)|uGS|增大到一定數(shù)值時(shí)，溝道兩側(cè)的耗盡層相碰，導(dǎo)電溝道消失，如圖1-33（c）所示，溝道電阻趨于無(wú)窮大，稱(chēng)此時(shí)的uGS為夾斷電壓，記作UGS(off)。N溝道的夾斷電壓UGS(off)是一個(gè)負(fù)值。圖1-33uDS=0時(shí)，柵源電壓uGS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響2）

uDS對(duì)iD的影響當(dāng)uGS一定時(shí)，若uDS=0，雖然存在導(dǎo)電溝道，但是多數(shù)載流子不會(huì)產(chǎn)生定向移動(dòng)，所以漏極電流iD為零。當(dāng)加上漏源電壓uDS后，多數(shù)載流子——自由電子在導(dǎo)電溝道上定向移動(dòng)，形成了漏極電流iD，同時(shí)在導(dǎo)電溝道上產(chǎn)生了由漏極到源極的電壓降。這樣從漏極到源極的不同位置上，柵極與溝道之間的P+N結(jié)上所加的反向偏置電壓是不等的，靠近漏端的P+N結(jié)上，反偏電壓uGD=uGS-uDS最大，耗盡層最寬，溝道最窄；靠近源端的P+N結(jié)上，反偏電壓uGS最小，耗盡層最窄，溝道最寬，導(dǎo)電溝道呈楔形，如圖1-34（a）所示。由圖可見(jiàn)，由于uDS的影響，導(dǎo)電溝道的寬度由漏極到源極逐漸變寬，溝道電阻逐漸減小。

在uDS較小時(shí)，溝道靠近漏端的寬度仍然較大，溝道電阻對(duì)漏極電流iD的影響較小，漏極電流iD隨uDS的增大而線性增加，漏-源之間呈電阻特性。隨著uDS的增大，靠近漏端的耗盡層加寬，溝道變窄，如圖1-34（b）所示，溝道電阻增大，iD隨uDS的增大而緩慢地增加。當(dāng)uDS的增加使得uGD=uGS-uDS=UGS(off)，即uDS=uGS-UGS(off)時(shí)，靠近漏端兩邊的P+N結(jié)在溝道中A點(diǎn)相碰，這種情況稱(chēng)為預(yù)夾斷，如圖1-34（c）所示。在預(yù)夾斷處，uDS仍能克服溝道電阻的阻力將電子拉過(guò)夾斷點(diǎn)，形成電流iD。

當(dāng)uDS>uGS-UGS(off)以后，相碰的耗盡層擴(kuò)大，A點(diǎn)向源端移動(dòng)，如圖1-34（d）所示。由于耗盡層的電阻比溝道電阻大得多，因此uDS>uGS-UGS(off)的部分幾乎全部降在相碰的耗盡層上，夾斷點(diǎn)A與源極之間溝道上的電場(chǎng)基本保持在預(yù)夾斷時(shí)的強(qiáng)度，iD基本不隨uDS的增加而增大，漏極電流趨于飽和。若uDS繼續(xù)增加，最終將會(huì)導(dǎo)致P+N結(jié)發(fā)生反向擊穿，漏極電流迅速上升。

圖1-34uGS一定時(shí)，uDS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響

綜上分析，uGS和uDS對(duì)導(dǎo)電溝道均有影響，但改變uGS，P+N結(jié)的寬度發(fā)生改變，整個(gè)溝道寬度改變，溝道電阻改變，漏極電流跟著改變，所以漏極電流主要受柵源電壓uGS的控制。由以上分析可得下述結(jié)論：

(1)JFET柵極和源極之間的PN結(jié)加反向偏置電壓，故柵極電流iG≈0，輸入電阻很高；

(2)JFET是一種電壓控制型器件，改變柵源電壓uGS，漏極電流iD改變；

(3)預(yù)夾斷前，iD與uDS呈線性關(guān)系；預(yù)夾斷后，漏極電流iD趨于飽和。

P溝道JFET正常工作時(shí)，其各電極間電壓的極性與N溝道JFET的相反。

3．特性曲線

1）輸出特性曲線

輸出特性曲線是指在柵源電壓UGS為某一固定值時(shí)，漏極電流iD與漏源電壓uDS之間的關(guān)系曲線，即（1-27）

對(duì)應(yīng)于一個(gè)uGS，就有一條輸出曲線，因此輸出特性曲線是一特性曲線族，如圖1-35所示。圖中將各條曲線上uDS=uGS-UGS(off)的點(diǎn)連成一條虛線，該虛線稱(chēng)為預(yù)夾斷軌跡。圖1-35N溝道JFET輸出特性曲線

整個(gè)輸出特性曲線可劃分為四個(gè)區(qū)：

(1)可變電阻區(qū)。預(yù)夾斷軌跡的左邊區(qū)域稱(chēng)為可變電阻區(qū)。它是在uDS較小時(shí)，導(dǎo)電溝道沒(méi)有產(chǎn)生預(yù)夾斷時(shí)所對(duì)應(yīng)的區(qū)域。其特點(diǎn)是：uGS不變，iD隨uDS增大而線性上升，場(chǎng)效應(yīng)管漏源之間可看成一個(gè)線性電阻。改變uGS，特性曲線的斜率改變，即線性電阻的阻值改變，所以該區(qū)域可視為一個(gè)受uGS控制的可變電阻區(qū)。(2)飽和區(qū)。飽和區(qū)又稱(chēng)為放大區(qū)或恒流區(qū)。它是在uDS較大，導(dǎo)電溝道產(chǎn)生預(yù)夾斷以后所對(duì)應(yīng)的區(qū)域，所以在預(yù)夾斷軌跡的右邊區(qū)域。其特點(diǎn)是：uGS不變，iD隨uDS增大僅僅略有增加，曲線近似為水平線，具有恒流特性。若取uGS為不同值時(shí)，特性曲線是一族平行線。因此，在該區(qū)域iD可視為一個(gè)受電壓uGS控制的電流源。JFET用作放大管時(shí)，一般就工作在這個(gè)區(qū)域。(3)截止區(qū)。當(dāng)uGS<uGS