第1章常用半導(dǎo)體器件

補(bǔ)充:

半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)1.1二極管1.2晶體管1.3場(chǎng)效應(yīng)晶體管補(bǔ)充：半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)

物體根據(jù)導(dǎo)電能力的強(qiáng)弱可分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體三大類。凡容易導(dǎo)電的物質(zhì)（如金、銀、銅、鋁、鐵等金屬物質(zhì)）稱為導(dǎo)體；不容易導(dǎo)電的物質(zhì)（如玻璃、橡膠、塑料、陶瓷等）稱為絕緣體；導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)（如硅、鍺、硒等）稱為半導(dǎo)體。

半導(dǎo)體之所以得到廣泛的應(yīng)用，是因?yàn)樗哂袩崦粜?、光敏性、摻雜性等特殊性能。

1.熱敏性所謂熱敏性就是半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨著溫度的升高而迅速變化。

半導(dǎo)體的電阻率對(duì)溫度的變化十分敏感。例如純凈的鍺從20℃升高到30℃時(shí)，它的電阻率幾乎減小為原來(lái)的1/2。

2.光敏性半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨光照的變化有顯著改變的特性叫做光敏性。

一種硫化鎘薄膜，在暗處其電阻為幾十兆歐姆，受光照后，電阻可以下降到幾十千歐姆，只有原來(lái)的1%。自動(dòng)控制中用的光電二極管和光敏電阻，就是利用光敏特性制成的。而金屬導(dǎo)體在陽(yáng)光下或在暗處，其電阻率一般沒(méi)有什么變化。

3.雜敏性所謂雜敏性就是半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力因摻入適量雜質(zhì)而發(fā)生很大的變化。

在半導(dǎo)體硅中，只要摻入億分之一的硼，電阻率就會(huì)下降到原來(lái)的幾萬(wàn)分之一。利用這一特性，可以制造出不同性能、不同用途的半導(dǎo)體器件。而金屬導(dǎo)體即使摻入千分之一的雜質(zhì)，對(duì)其電阻率也幾乎沒(méi)有什么影響。半導(dǎo)體之所以具有上述特性，根本原因在于其特殊的原子結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電機(jī)理。

一、本征半導(dǎo)體

本征半導(dǎo)體是一種純凈的半導(dǎo)體晶體。常用的半導(dǎo)體材料是單晶硅（Si）和單晶鍺（Ge）。半導(dǎo)體硅和鍺都是4價(jià)元素，其原子結(jié)構(gòu)如圖1.1(a),(b)所示。

圖1.1半導(dǎo)體的原子結(jié)構(gòu)示意圖

（a）硅原子；（b）鍺原子；（c）簡(jiǎn)化模型本征半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.2所示。各原子間整齊而有規(guī)則地排列著，使每個(gè)原子的4個(gè)價(jià)電子不僅受所屬原子核的吸引，而且還受相鄰4個(gè)原子核的吸引，每一個(gè)價(jià)電子都為相鄰原子核所共用，形成了穩(wěn)定的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。每個(gè)原子核最外層等效有8個(gè)價(jià)電子，由于價(jià)電子不易掙脫原子核束縛而成為自由電子，因此，本征半導(dǎo)體導(dǎo)電能力較差。圖1.2單晶硅的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)但是，如果能從外界獲得一定的能量（如光照、溫升等），有些價(jià)電子就會(huì)掙脫共價(jià)鍵的束縛而成為自由電子，在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位，稱為“空穴”。空穴的出現(xiàn)使相鄰原子的價(jià)電子離開(kāi)它所在的共價(jià)鍵來(lái)填補(bǔ)這個(gè)空穴，同時(shí)，這個(gè)共價(jià)鍵又產(chǎn)生了一個(gè)新的空穴。這個(gè)空穴也會(huì)被相鄰的價(jià)電子填補(bǔ)而產(chǎn)生新的空穴。這種電子填補(bǔ)空穴的運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于帶正電荷的空穴在運(yùn)動(dòng)，并把空穴看成一種帶正電荷的載流子。

空穴越多，半導(dǎo)體的載流子數(shù)目就越多，因此形成的電流就越大。在本征半導(dǎo)體中，空穴與電子是成對(duì)出現(xiàn)的，稱為電子—空穴對(duì)。其自由電子和空穴數(shù)目總是相等的。

本征半導(dǎo)體在溫度升高時(shí)產(chǎn)生電子—空穴對(duì)的現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。溫度越高，產(chǎn)生的電子—空穴對(duì)數(shù)目就越多，這就是半導(dǎo)體的熱敏性。在半導(dǎo)體中存在著自由電子和空穴兩種載流子，而導(dǎo)體中只有自由電子這一種載流子，這是半導(dǎo)體與導(dǎo)體的不同之處。

二、雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入微量的雜質(zhì)元素，就會(huì)使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著改變。根據(jù)摻入雜質(zhì)元素的性質(zhì)不同，雜質(zhì)半導(dǎo)體可分為P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體兩大類。

1.P型半導(dǎo)體

P型半導(dǎo)體是在本征半導(dǎo)體硅（或鍺）中摻入微量的3價(jià)元素（如硼、銦等）而形成的。圖1.3P型半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)

因雜質(zhì)原子只有3個(gè)價(jià)電子，它與周?chē)柙咏M成共價(jià)鍵時(shí)，缺少1個(gè)電子，因此在晶體中便產(chǎn)生一個(gè)空穴，當(dāng)相鄰共價(jià)鍵上的電子受熱激發(fā)獲得能量時(shí)，就有可能填補(bǔ)這個(gè)空穴，使硼原子成為不能移動(dòng)的負(fù)離子，而原來(lái)硅原子的共價(jià)鍵因缺少了一個(gè)電子，便形成了空穴，使得整個(gè)半導(dǎo)體仍呈中性，如圖1.3所示。在P型半導(dǎo)體中，原來(lái)的晶體仍會(huì)產(chǎn)生電子—空穴對(duì)，由于雜質(zhì)的摻入，使得空穴數(shù)目遠(yuǎn)大于自由電子數(shù)目，成為多數(shù)載流子(簡(jiǎn)稱多子)，而自由電子則為少數(shù)載流子(簡(jiǎn)稱少子)。因而P型半導(dǎo)體以空穴導(dǎo)電為主。

2.N型半導(dǎo)體

N型半導(dǎo)體是在本征半導(dǎo)體硅中摻入微量的5價(jià)元素（如磷、砷、鎵等）而形成的，雜質(zhì)原子有5個(gè)價(jià)電子與周?chē)柙咏Y(jié)合成共價(jià)鍵時(shí)，多出1個(gè)價(jià)電子，這個(gè)多余的價(jià)電子易成為自由電子，如圖1.4所示。

綜上所述，在摻入雜質(zhì)后，載流子的數(shù)目都有相當(dāng)程度的增加。因而對(duì)半導(dǎo)體摻雜是改變半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的有效方法。圖1.4N型半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)

PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?/p>

PN結(jié)的形成多數(shù)載流子因濃度上的差異而形成的運(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，如下圖所示。多子擴(kuò)散示意圖

由于空穴和自由電子均是帶電的粒子，所以擴(kuò)散的結(jié)果使P區(qū)和N區(qū)原來(lái)的電中性被破壞，在交界面的兩側(cè)形成一個(gè)不能移動(dòng)的帶異性電荷的離子層，稱此離子層為空間電荷區(qū)，這就是所謂的PN結(jié)，如圖所示。在空間電荷區(qū)，多數(shù)載流子已經(jīng)擴(kuò)散到對(duì)方并復(fù)合掉了，或者說(shuō)消耗盡了，因此又稱空間電荷區(qū)為耗盡層。PN結(jié)的形成

空間電荷區(qū)出現(xiàn)后，因?yàn)檎?fù)電荷的作用，將產(chǎn)生一個(gè)從N區(qū)指向P區(qū)的結(jié)內(nèi)電場(chǎng)。內(nèi)電場(chǎng)的方向，會(huì)對(duì)多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)起阻礙作用。同時(shí)，內(nèi)電場(chǎng)則可推動(dòng)少數(shù)載流子（P區(qū)的自由電子和N區(qū)的空穴）越過(guò)空間電荷區(qū)，進(jìn)入對(duì)方。少數(shù)載流子在內(nèi)電場(chǎng)作用下有規(guī)則的運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)。漂移運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的方向相反。無(wú)外加電場(chǎng)時(shí)，通過(guò)PN結(jié)的擴(kuò)散電流等于漂移電流，PN結(jié)中無(wú)電流流過(guò)，PN結(jié)的寬度保持一定而處于穩(wěn)定狀態(tài)。

如果在PN結(jié)兩端加上不同極性的電壓，PN結(jié)會(huì)呈現(xiàn)出不同的導(dǎo)電性能。

PN結(jié)P端接高電位，N端接低電位，稱PN結(jié)外加正向電壓，又稱PN結(jié)正向偏置，簡(jiǎn)稱為正偏，此時(shí)結(jié)電場(chǎng)被削弱，形成較大的正向電流，稱為正偏導(dǎo)通。如圖所示。

PN結(jié)P端接低電位，N端接高電位，稱PN結(jié)外加反向電壓，又稱PN結(jié)反向偏置，簡(jiǎn)稱為反偏，此時(shí)增強(qiáng)了結(jié)電場(chǎng)的作用，形成的反向電流極小，如圖所示。

PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕篜N結(jié)外加正向電壓，PN結(jié)的電阻很小，正向電流大，PN結(jié)導(dǎo)通；外加反向電壓時(shí)，PN結(jié)的電阻很大，反向電流很小，PN結(jié)截止。

半導(dǎo)體器件是電子電路的核心元件，常用的半導(dǎo)體器件主要有二極管、晶體管和場(chǎng)效應(yīng)管等。了解它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，掌握它們的外部特性、主要參數(shù)指標(biāo)以及正確的使用方法，是學(xué)習(xí)電子技術(shù)和分析電子電路的重要基礎(chǔ)。

1.1二極管知識(shí)點(diǎn)

(1)二極管的基本特性、主要參數(shù)以及基本應(yīng)用。

(2)穩(wěn)壓二極管、發(fā)光二極管和光電二極管的特性及應(yīng)用。技能點(diǎn)

(1)掌握二極管、穩(wěn)壓管的測(cè)試及選用方法。

(2)掌握發(fā)光二極管、光電二極管的測(cè)試方法。第1章常用半導(dǎo)體器件返回

1.1.1二極管簡(jiǎn)介

1、二極管的結(jié)構(gòu)、符號(hào)、外形和類型

二極管是由一個(gè)PN結(jié)加上電極引線封裝而成。由P區(qū)引出的電極稱為陽(yáng)極或正極，由N區(qū)引出的電極稱為陰極或負(fù)極。二極管的結(jié)構(gòu)、符號(hào)如圖1-1所示。圖1-1二極管的結(jié)構(gòu)及符號(hào)

常見(jiàn)的二極管外形如圖1-2a所示。除了在外殼上用二極管的符號(hào)來(lái)標(biāo)識(shí)正、負(fù)電極外，有的二極管用色環(huán)（或色點(diǎn)）來(lái)標(biāo)識(shí)二極管的負(fù)極，大功率螺拴式二極管帶螺紋的一端則是負(fù)極。

a)常見(jiàn)外形b)點(diǎn)接觸型c)面接觸型圖1-2二極管的外形和類型

其中：點(diǎn)接觸型頻率特性好，適用于高頻工作，面接觸型能通過(guò)較大的電流，適用于整流電路中。

2、二極管導(dǎo)電特性的演示

在圖a中，電源的正極連接到二極管的正極，使二極管的正極電位高于負(fù)極電位（這種電壓偏置稱為正向偏置），指示燈亮，表明電路中通過(guò)較大的正向電流，二極管這種狀態(tài)稱為導(dǎo)通；在圖b中，將二極管的極性對(duì)調(diào)，電源的正極連接到二極管的負(fù)極，使二極管的正極電位低于負(fù)極電位（這種電壓偏置稱為反向偏置），此時(shí)指示燈滅，表明電路中無(wú)電流通過(guò)，二極管這種狀態(tài)稱為截止。a)導(dǎo)通狀態(tài)b)截止?fàn)顟B(tài)圖1-3二極管導(dǎo)電特性的演示

由此可見(jiàn)：

二極管的基本特性是單向?qū)щ娦裕赫蚱脮r(shí)導(dǎo)通，反向偏置時(shí)截止。二極管符號(hào)的箭頭代表了正向電流的方向，外加電壓的方向與箭頭方向一致時(shí)二極管導(dǎo)通，反之則截止。二極管的核心是一個(gè)PN結(jié)，其單向?qū)щ娦允怯蒔N結(jié)的特性決定的。

1.1.2二極管的特性和主要參數(shù)

1、二極管的特性

二極管的伏安特性是指二極管兩端電壓和流過(guò)二極管電流之間的關(guān)系。圖1-4二極管伏安特性曲線

1）正向特性

二極管正極接高電位，負(fù)極接低電位，二極管為正向偏置（正偏）。二極管的正偏時(shí)存在死區(qū)，相應(yīng)的電壓被稱為死區(qū)電壓。死區(qū)電壓與環(huán)境溫度有關(guān)，常溫下硅管的死區(qū)電壓約為0.5V，鍺管的約為0.1V。

當(dāng)正向電壓超過(guò)死區(qū)電壓后，二極管進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，正向電流迅速增大，二極管兩端的電壓的變化很小，正向?qū)妷航茷橐粋€(gè)穩(wěn)定值，在工程估算中，通常取硅管的正向?qū)妷簽?.7V，鍺管的為0.3V。

2）反向特性二極管正極接低電位，負(fù)極接高電位，二極管為反向偏置（反偏）。二極管反偏時(shí)存在一個(gè)很微弱的反向電流，其基本不隨反向電壓的增大而變化，這個(gè)電流稱為反向飽和電流IR。反向電流（又稱為漏電流）越小表明二極管的單向?qū)щ娦栽胶?。如圖所示，硅管的反向特性優(yōu)于鍺管。反向電壓增大到某一值時(shí)，反向電流突然增大，這種現(xiàn)象稱為反向擊穿，此時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓稱為反向擊穿電壓，用UBR表示，此時(shí)，二極管失去了單向?qū)щ娦?，如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)南蘖鞔胧O管將會(huì)過(guò)流損壞。普通二極管不允許工作在反向擊穿狀態(tài)?？梢?jiàn)，二極管正偏導(dǎo)通，具有非線性特征；反偏截止，通過(guò)的反向電流極小可以忽略。

2、二極管的主要參數(shù)

最大整流電流IFM

是指二極管長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)，允許通過(guò)的最大正向平均電流。正常使用時(shí)正向電流必須小于此值。

因?yàn)殡娏魍ㄟ^(guò)ＰＮ結(jié)時(shí)要引起管子發(fā)熱。電流太大，發(fā)熱量超過(guò)限度，就會(huì)使ＰＮ結(jié)燒壞。最高反向工作電壓URM

是指允許加在二極管兩端的最高反向電壓（峰值）。一般元器件手冊(cè)上給出的URM通常為擊穿電壓UBR的一半。

擊穿時(shí)，反向電流劇增，使二極管的單向?qū)щ娦员黄茐?，甚至?xí)蜻^(guò)熱而燒壞。

一般手冊(cè)上給出的最高反向工作電壓URM約為擊穿電壓UBR的一半，以確保管子安全工作。反向飽和電流IR

是指二極管未被擊穿時(shí)的反向電流。

該電流越小，管子的單向?qū)щ娦阅芫驮胶?。由于溫度升高，反向電流?huì)急劇增加，因而在使用二極管時(shí)要注意環(huán)境溫度的影響。二極管的參數(shù)是正確使用二極管的依據(jù)，一般半導(dǎo)體器件手冊(cè)中都給出不同型號(hào)管子的參數(shù)。在使用時(shí)，應(yīng)特別注意不要超過(guò)最大整流電流和最高反向工作電壓，否則管子容易損壞。

1.1.3二極管的測(cè)試及應(yīng)用

1、用指針型萬(wàn)用表測(cè)試二極管

指針型萬(wàn)用表的紅表筆是連接到萬(wàn)用表內(nèi)置電池的負(fù)極、黑表筆連接到電池的正極。兩次測(cè)得的阻值應(yīng)相差極大，如下圖所示。a)正向?qū)╞)反向截止圖1-5指針型萬(wàn)用表測(cè)試二極管若兩次測(cè)得的阻值均很小或?yàn)?，表明管子內(nèi)部已經(jīng)短路；若兩次測(cè)得的阻值都極大，則表明管子內(nèi)部已經(jīng)斷路或燒壞；若測(cè)得的反向電阻與正向電阻相差不大，則說(shuō)明管子的反向漏電過(guò)大，失去了單向?qū)щ娦浴?/p>

2、二極管的應(yīng)用

以下介紹應(yīng)用廣泛的整流、檢波電路。

1）整流電路

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，這種電路稱為整流電路。

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）在u2的正半周，A端電位高于B端電位，二極管正向偏置導(dǎo)通，通過(guò)二極管的正向電流iv從A端經(jīng)VD、RL到B端形成回路。若忽略二極管的正向壓降（VD相當(dāng)于一個(gè)閉合的開(kāi)關(guān)），在RL上得到的正向電壓uo=u2，并隨輸入電壓而變化。（2）在u2的負(fù)半周，B端電位高于A端電位，二極管反向偏置截止（VD相當(dāng)于一個(gè)斷開(kāi)的開(kāi)關(guān)），電路中無(wú)電流通過(guò)，輸出電壓uo=0。二極管承受的反向電壓uv=u2，其最大值為輸入電壓u2的峰值U2.電路b)波形圖1-6單相半波整流電路及波形圖可見(jiàn)，在輸入交流電壓的每個(gè)周期內(nèi)，電路都輸出一個(gè)正向脈動(dòng)（大小變化）的直流電壓，而每個(gè)周期內(nèi)只有半個(gè)周期有輸出，故稱之為半波整流。可以證明，半波整流電路輸出的直流電壓的平均值為

Uo=0.45U2(1-1)

式中的U2為交流電壓u2的有效值。即輸出電壓是輸入的交流電壓有效值的0.45倍。

整流二極管一般選用面接觸型的硅二極管，它具有工作電流大、反向擊穿電壓高、允許的工作溫度較高等特點(diǎn)。國(guó)產(chǎn)的整流二極管的型號(hào)有2CZ、2DZ等系列硅管，常見(jiàn)的進(jìn)口整流二極管有IN4001、IN5401等型號(hào)。

整流電路是直流電源的重要組成部分。

（2）檢波電路

將調(diào)制在高頻信號(hào)中的低頻信號(hào)提取出來(lái)的電路稱為檢波電路。

一個(gè)典型的檢波電路及相關(guān)信號(hào)波形如圖1-7所示，其中的VD為檢波二極管，C2為高頻濾波電容，R為負(fù)載電阻，C3為低頻耦合電容。

a

點(diǎn)波形b

點(diǎn)波形c

點(diǎn)波形圖1-7檢波電路及其相關(guān)波形檢波電路的輸入信號(hào)是調(diào)制有低頻信號(hào)的高頻調(diào)幅波。由于檢波二極管的單向?qū)щ娦?，通過(guò)二極管后的信號(hào)波形只有正半周，由C2、R組成的高頻濾波器又將其中的高頻信號(hào)濾除，所“檢出”的低頻信號(hào)則由C3耦合到下一級(jí)低頻放大電路再放大。

檢波一般是對(duì)高頻小信號(hào)而言，其特點(diǎn)是工作頻率高，所處理的信號(hào)幅度小，要求檢波二極管的頻率特性好、正向壓降小、效率高，通常采用點(diǎn)接觸型的鍺二極管。

國(guó)產(chǎn)的檢波二極管的型號(hào)主要有2AP系列鍺管，常見(jiàn)的進(jìn)口檢波二極管有IN60等型號(hào)。

檢波電路廣泛應(yīng)用于音頻、視頻、圖像處理電路以及各種通信設(shè)備中。

（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。（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)。

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。

1.1.4特殊二極管

1、穩(wěn)壓二極管

1）穩(wěn)壓二極管的特性

穩(wěn)壓二極管又稱為齊納二極管，簡(jiǎn)稱穩(wěn)壓管或齊納管，是一種用于穩(wěn)壓（限壓）、工作在反向擊穿狀態(tài)的硅二極管，其用特殊工藝制作，外形與普通二極管相似。a)符號(hào)和應(yīng)用電路b)伏安特性曲線圖1-8穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓管工作在反向擊穿狀態(tài)，其反向特性曲線比普通二極管更陡直，因而能在電路中起到穩(wěn)壓作用。

在應(yīng)用中，除了要保證穩(wěn)壓管要處于反向擊穿狀態(tài)外，還必須與其串聯(lián)適當(dāng)?shù)南蘖麟娮琛?/p>

穩(wěn)壓管的主要參數(shù)有穩(wěn)定電壓Uz、穩(wěn)定電流Iz和最大穩(wěn)定電流Izmax等。穩(wěn)壓管工作時(shí)通過(guò)的電流不允許超過(guò)其最大穩(wěn)定電流Izmax。穩(wěn)壓管的檢測(cè)和普通二極管相同。

2）穩(wěn)壓管典型應(yīng)用電路

如圖所示，UI為輸入的直流電壓，且UI=（2~3）UZ

，R為限流電阻，穩(wěn)壓管VZ與負(fù)載RL并聯(lián)（該電路又稱為并聯(lián)型穩(wěn)壓電路）。由于穩(wěn)壓管工作在反向擊穿狀態(tài)，顯然有：Uo=UI－IRRL=UZ。電網(wǎng)電壓、負(fù)載變化都可能使Uo產(chǎn)生變化，當(dāng)穩(wěn)壓電路的輸出電壓Uo將升高時(shí)，則有以下過(guò)程：

UI↑（或RL↑）→Uo↑→IZ↑→IR↑→UR↑→Uo↓。當(dāng)穩(wěn)壓電路的輸出電壓Uo將下降時(shí)，將有以下過(guò)程：

UI↓（或RL↓）→Uo↓→IZ↓→IR↓→UR↓→Uo↑。

可見(jiàn)，不管是何種原因使輸出電壓Uo發(fā)生微小的變化，都會(huì)引起穩(wěn)壓管電流IZ的很大變化，通過(guò)限流電阻R的電壓調(diào)整作用，使輸出電壓Uo基本不變，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓功能。3）應(yīng)用穩(wěn)壓管應(yīng)注意的問(wèn)題

①

穩(wěn)壓管穩(wěn)壓時(shí)，一定要外加反向電壓，保證管子工作在反向擊穿區(qū)。當(dāng)外加的反向電壓值大于或等于UZ時(shí)，才能起到穩(wěn)壓作用；若外加的電壓值小于UZ，穩(wěn)壓二極管相當(dāng)于普通的二極管使用。

②

在穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路中，一定要配合限流電阻的使用，保證穩(wěn)壓管中流過(guò)的電流在規(guī)定的范圍之內(nèi)。

2、發(fā)光二極管

發(fā)光二極管（LED）簡(jiǎn)稱發(fā)光管，是一種直接把電能轉(zhuǎn)換成光能的發(fā)光器件，正向?qū)〞r(shí)能發(fā)出一定波長(zhǎng)（顏色）的光，廣泛應(yīng)用于各種顯示、指示電路。其核心是一個(gè)由半導(dǎo)體化合物制成的PN結(jié).

使用時(shí)必須正向偏置，同時(shí)要串接適當(dāng)?shù)南蘖麟娮?，避免工作電流過(guò)大導(dǎo)致管子損壞。圖1-9發(fā)光二極管的外形及符號(hào)

發(fā)光二極管工作時(shí)導(dǎo)通電壓比普通二極管大，其工作電壓隨材料的不同而不同，一般為1.7V～2.4V。普通綠、黃、紅、橙色發(fā)光二極管工作電壓約為2V；白色發(fā)光二極管的工作電壓通常高于2.4V；藍(lán)色發(fā)光二極管的工作電壓一般高于3.3V。發(fā)光二極管的工作電流一般在2mA～25mA的范圍。圖1-9發(fā)光二極管的外形及符號(hào)

檢測(cè)發(fā)光二極管時(shí)，要求萬(wàn)用表的內(nèi)置電池為3V以上，一般選擇R×10K檔，合格管子的正向電阻在20KΩ左右，反向電阻無(wú)窮大。靈敏度高的管子，在測(cè)正向電阻時(shí)可看到管芯發(fā)光。

3、光敏二極管

光敏二極管也稱光電二極管，是一種常用的光電轉(zhuǎn)換器件，廣泛應(yīng)用在遙控、測(cè)光及光電池等方面。

光電二極管也是由PN結(jié)構(gòu)成，工作在反向偏置狀態(tài)。它的管殼上有一個(gè)透鏡封閉的窗口，入射光通過(guò)透鏡照射在PN結(jié)上，反向電流隨光照強(qiáng)度的增加而增大，實(shí)現(xiàn)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的功能。光電二極管的結(jié)構(gòu)及符號(hào)如圖1-10所示。

圖1-10光電二極管的結(jié)構(gòu)及符號(hào)

檢測(cè)光電二極管時(shí)，首先封閉光電二極管的窗口（遮光），用測(cè)試普通二極管的方法判斷管子的正、負(fù)極，其正向電阻略大于普通二極管，反向電阻（暗電阻）無(wú)窮大；當(dāng)受到光線照射時(shí)，反向電阻隨光強(qiáng)增大而顯著變小，正向電阻與光照基本無(wú)關(guān)。若正、反向電阻都很小或都很大，則表明管子已經(jīng)擊穿或內(nèi)部斷路。

思考題

(1)硅二極管與鍺二極管有何區(qū)別？

(2)如何判定二極管的極性和質(zhì)量？

(3)正常工作時(shí)的穩(wěn)壓管、發(fā)光管、光電管應(yīng)該如何偏置電壓（正偏或反偏）？

(4)如果將圖1-6所示電路中的二極管極性對(duì)調(diào)，輸出電壓有何變化？

(5)將圖1.8a）中的穩(wěn)壓管極性對(duì)調(diào)，電路能穩(wěn)壓?jiǎn)幔?.2晶體管知識(shí)點(diǎn)

(1)晶體管的基本特性、工作狀態(tài)和主要參數(shù)。

(2)晶體管三種工作狀態(tài)的偏置條件及判斷。技能點(diǎn)

(1)掌握晶體管的測(cè)試及選用方法。

(2)熟練判斷晶體管的工作狀態(tài)。返回

1.2.1晶體管簡(jiǎn)介

1.分類

（1）按材料分：硅管和鍺管；

（2）按工作頻率分：高頻管、低頻管；

（3）按功率分：小、中、大功率管；

（4）按工作狀態(tài)分：放大管和開(kāi)關(guān)管；（5）按結(jié)構(gòu)分：NPN、PNP型。

2.內(nèi)部結(jié)構(gòu)

NPN和PNP兩種類型晶體管的管芯均由三層半導(dǎo)體構(gòu)成，可分為三個(gè)區(qū)：集電區(qū)、基區(qū)和發(fā)射區(qū)；兩個(gè)結(jié)：集電結(jié)、發(fā)射結(jié)；三個(gè)電極：集電極c、基極b和發(fā)射極e。a)NPN型b)PNP型圖1-12晶體管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及符號(hào)晶體管符號(hào)中的箭頭用于指示晶體管正向電流的方向，顯然，兩種類型晶體管的正向電流方向截然不同。

晶體管結(jié)構(gòu)的工藝特點(diǎn)是：

發(fā)射區(qū)摻雜濃度很高;

基區(qū)很薄且摻雜濃度低;

集電結(jié)的面積遠(yuǎn)大于發(fā)射結(jié)的面積。這是晶體管具有放大作用的內(nèi)部條件，也是它的三個(gè)電極不能混淆使用的原因。一些常見(jiàn)晶體管的外形如圖1-13所示。

a)金屬封裝小功率管b)塑封管c)金屬封裝大功率管圖1-13常見(jiàn)的晶體管外形

1.2.2晶體管的電流放大作用

放大條件:

①內(nèi)部條件:由晶體管的結(jié)構(gòu)決定；

②外部條件：發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏，圖1-14晶體管各極電流關(guān)系測(cè)試電路

調(diào)節(jié)可變電阻RP，由各個(gè)電流表可測(cè)得相應(yīng)的IB、IC、IE，實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)如表1-1所示。表1-1實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)

IB/mA00.020.040.060.080.10IC/mA<0.0010.701.502.303.103.95IE/mA<0.0010.721.542.363.184.05

分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以看出：（1）三個(gè)電流符合基爾霍夫電流定律，即

IE=IB＋I(xiàn)C

（1-2）基極電流IB很小，一般可忽略IB不計(jì)，因此有IE

≈

IC。（2）IC與IB的的比值近似為一個(gè)常數(shù)，即

β=IC/IB→直流電流放大系數(shù)

基極電流IB的微小變化能引起集電極電流Ic較大的變化，即→交流電流放大系數(shù)

β≈β。為了表示方便，在實(shí)際應(yīng)用中一般不加以區(qū)分，統(tǒng)稱為電流放大系數(shù)β。由此可得出

IC≈βIB

（1-5）

IE=（1＋β）IB

（1-6）（3）結(jié)論：

1）工作在放大狀態(tài)的晶體管具有電流放大作用，IC是IB的β倍。

β反映了晶體管的電流放大能力。

2）IB的微小變化能引起IC的較大變化，通過(guò)IB來(lái)控制IC，可實(shí)現(xiàn)小電流（小信號(hào)）控制大電流（大信號(hào)）的目的。所以，晶體管是一種電流控制型器件。

注意：晶體管不能產(chǎn)生電流，電路中的電流是由直流電源提供。

1.2.3晶體管的特性曲線及工作狀態(tài)

晶體管的特性曲線是指各電極間電壓和電流之間的關(guān)系曲線，通過(guò)對(duì)特性曲線的分析，能更深刻地理解和掌握晶體管的不同工作狀態(tài)及其對(duì)偏置電壓的要求，為晶體管的正確使用打下基礎(chǔ)。a)輸入特性b)輸出特性圖1-15晶體管的特性曲線

1、輸入特性曲線

指當(dāng)集電極與發(fā)射極之間電壓uCE為常數(shù)時(shí)，輸入回路中的基極電流iB與基-射電壓uBE之間的關(guān)系曲線，如圖1-15a所示。它類似二極管正向特性曲線：硅管死區(qū)電壓約為0.5V（鍺管的約為0.1V）；發(fā)射結(jié)正常導(dǎo)通時(shí)，常溫下硅管的導(dǎo)通電壓uBE約為0.7V（鍺管的uBE約為0.3V）；且當(dāng)uCE＞1V后，輸入曲線基本與uCE無(wú)關(guān)。

輸入特性圖1-15晶體管的特性曲線

2、輸出特性曲線

指當(dāng)iB為常數(shù)時(shí)，輸出回路中的iC與uCE之間的關(guān)系曲線，由不同的iB可得出不同的曲線，故晶體管的輸出特性是一組曲線，如圖1-15b所示。通常將輸出特性曲線劃分成三個(gè)區(qū)域（即晶體管的三種工作狀態(tài)）。

（1）放大區(qū)輸出曲線近于水平的區(qū)域?yàn)榉糯髤^(qū)，也稱線性區(qū)。此時(shí)晶體管的發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。晶體管工作在放大狀態(tài)，具有恒流特性：iC=βiB，iC僅受iB控制，與uCE基本無(wú)關(guān)。偏置：NPN型UC＞UB＞UE（集電極電位最高、發(fā)射極電位最低）；PNP型UC＜UB＜UE（發(fā)射極電位最高、集電極電位最低）

（2）飽和區(qū)

uCE＜uBE時(shí)的區(qū)域稱為飽和區(qū)。此時(shí)的發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為正偏。晶體管進(jìn)入飽和狀態(tài)后，iB失去了對(duì)iC正常的控制作用，iC≠βiB。此時(shí)對(duì)應(yīng)的uCE值稱為飽和壓降，用uCES表示。硅管的uCES約為0.3V，鍺管的約為0.1V，一般都可認(rèn)為uCES≈0。此時(shí)晶體管的c-e之間相當(dāng)于短路，等效于一個(gè)開(kāi)關(guān)閉合。偏置：NPN型UC＜UB、UB＞UE（基極電位最高）；PNP型UC＞UB、UB＜UE（基極電位最低）（3）截止區(qū)

iB

=0以下的區(qū)域稱為截止區(qū)。此時(shí)的發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。晶體管進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，iB

=0，

iC

=ICEO≈0，其中的ICEO稱為穿透電流（一般可忽略）。此時(shí)晶體管的c-e之間相當(dāng)于開(kāi)路，等效于一個(gè)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。為了使截止可靠，通?？偸沟冒l(fā)射結(jié)處于反偏。偏置：NPN型：UC＞UB、UB＜UE（基極電位最低）；PNP型：UC＜UB、UB＞UE（基極電位最高）設(shè)置不同的偏置電壓，晶體管可以工作在放大狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)電流放大；還可以進(jìn)入飽和、截止?fàn)顟B(tài)，相當(dāng)于一個(gè)可控的無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，常在數(shù)字電路中用做開(kāi)關(guān)元件。

1.2.4晶體管的主要參數(shù)

電流放大系數(shù)β

表征晶體管電流放大能力的參數(shù)。

β值太小時(shí)電流放大能力差；

β值太大則穩(wěn)定性差，選擇晶體管時(shí)需折中考慮，β值會(huì)隨溫度的升高而增大。

穿透電流ICEO

基極開(kāi)路時(shí)，集-射極之間的電流。隨溫度上升而劇增，是影響晶體管溫度穩(wěn)定性的主要因素，ICEO越小越好。硅管的ICEO比鍺管的小得多。

集電極最大允許電流ICM

晶體管正常工作時(shí)所允許的最大工作電流。在實(shí)際使用中，集電極的工作電流iC必須滿足iC＜ICM。

集電極一發(fā)射極間的擊穿電壓U(BR)CEO

當(dāng)基極開(kāi)路時(shí)，集電極與發(fā)射極之間的反向擊穿電壓。使用時(shí)必須滿足uCE

＜U(BR)CEO。

集電極最大耗散功率PCM

晶體管正常工作時(shí)最大允許消耗的功率。晶體管工作時(shí)，在管子消耗的功率為

PC=ICUCE。正常工作時(shí)，必須保證PC＜PCM。

1.2.5晶體管的測(cè)試

1、晶體管的初步測(cè)試

1）晶體管內(nèi)部的結(jié)構(gòu)相當(dāng)于兩個(gè)PN結(jié)的串聯(lián)組合（如圖1-16所示），只要其中有一個(gè)PN結(jié)損壞則不能使用。利用測(cè)試二極管的方法可以判斷其好壞。

2）測(cè)試晶體管c-e之間的電阻RCE可初步判斷穿透電流ICEO，合格管子的RCE應(yīng)近似為無(wú)窮大，若較小則表明ICEO過(guò)大，質(zhì)量較差，一般不能再使用了。

3）根據(jù)發(fā)射結(jié)正向電阻的大小，可以判斷管子的材料是硅或鍺（與二極管的判斷類似）。

a)NPN型

b)PNP型

圖1-16晶體管內(nèi)部的等效結(jié)構(gòu)

2、判斷晶體管的管腳（1）根據(jù)外形判斷晶體管的管腳中小功率晶體管

b)大功率晶體管圖1-17晶體管管腳排列（2）用萬(wàn)用表判斷晶體管的管腳和類型

1）判斷基極和類型

2）判斷集電極和發(fā)射極思考題：

(1)能否將晶體管的發(fā)射極與集電極互換使用？為什么？

(2)在實(shí)際應(yīng)用中，硅晶體管比鍺管應(yīng)用更為廣泛，為什么？

(3)怎樣用萬(wàn)用表判斷晶體管的管腳和類型？

(4)試根據(jù)晶體管各個(gè)電極的電位，判斷圖1-18各晶體管的工作狀態(tài)（放大、飽和或截止）。

1.3場(chǎng)效應(yīng)晶體管知識(shí)點(diǎn)

(1)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)和基本原理。

(2)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的性能特點(diǎn)。技能點(diǎn)掌握?qǐng)鲂?yīng)晶體管的簡(jiǎn)單測(cè)試方法。

返回場(chǎng)效應(yīng)晶體管（簡(jiǎn)稱場(chǎng)效應(yīng)管）利用輸入電壓（電場(chǎng)效應(yīng)）來(lái)控制輸出電流，輸入電阻可高達(dá)109~1014Ω，是一種電壓控制型器件。它具有噪聲低、功耗小、熱穩(wěn)定性好和便于集成化等優(yōu)點(diǎn)，在電子電路中得到了廣泛的應(yīng)用。場(chǎng)效應(yīng)管有結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管和絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管；根據(jù)導(dǎo)電溝道又可分為N溝道、P溝道兩種類型。絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管可分為增強(qiáng)型和耗盡型兩大類。本節(jié)簡(jiǎn)單介紹增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管。增強(qiáng)型：UGS=0時(shí)，漏源極之間無(wú)導(dǎo)電溝道；即使在漏源極之間加上電壓（一定范圍內(nèi)），也沒(méi)有漏極電流。耗盡型：在UGS=0時(shí)，漏源極之間存在導(dǎo)電溝道。

導(dǎo)電溝道：載流子通過(guò)漏源兩極的路徑。

1.3.1絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)

絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）由金屬、氧化物、半導(dǎo)體組成，簡(jiǎn)稱MOS管，柵極和其它電極及導(dǎo)電溝道是絕緣的。由于導(dǎo)電溝道有N溝道和P溝道之分，故增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管又分為NMOS和PMOS兩類，它們的符號(hào)分別如圖1-19b、c所示，區(qū)別在于襯底箭頭的指向不同。NMOS管結(jié)構(gòu)

b)NMOS管符號(hào)

c)PMOS管符號(hào)圖1-19增強(qiáng)型MOS管1.3.2場(chǎng)效應(yīng)管的原理和特性

1、工作原理

如圖1-20所示，在柵、源之間加正向電壓uGS，漏、源之間加正向電壓uDS。

MOS管的襯底和源極是連在一起的。

當(dāng)uGS=0時(shí)，d、s兩極間為兩個(gè)反向串聯(lián)的PN結(jié)，不存在導(dǎo)電溝道，∴在d-s間加上電壓也不會(huì)有漏電流。故漏極電流iD=0。圖1-20NMOS管工作原理

當(dāng)uGS＞0時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)由柵極指向襯底的電場(chǎng)，P型襯底中的電子被電場(chǎng)力吸引而到達(dá)表層，形成N型導(dǎo)電溝道。形成導(dǎo)電溝道所需的最小uGS稱為開(kāi)啟電壓，用UGS(th)表示。圖1-20NMOS管工作原理

導(dǎo)電溝道形成后，正向電壓uDS產(chǎn)生漏極電流iD。此時(shí)，改變uGS可以改變溝道的寬度（即改變溝道電阻的大小），因而有效地控制漏極電流iD。這就是MOS管柵極電壓uGS的控制作用。由于N型導(dǎo)電溝道里只有多數(shù)載流子（自由電子）參與導(dǎo)電，故場(chǎng)效應(yīng)管又稱為單極型器件。

2．特性曲線

（1）轉(zhuǎn)移特性曲線在uDS一定時(shí)，輸入電壓uGS對(duì)輸出電流iD的控制特性曲線。轉(zhuǎn)移特性曲線反映了uGS對(duì)iD的控制作用，說(shuō)明場(chǎng)效應(yīng)管是一種電壓控制型器件。轉(zhuǎn)移特性圖1-21增強(qiáng)型NMOS特性曲線（2）輸出特性曲線指在uGS一定時(shí)，漏極電流iD與漏一源電壓uDS之間的關(guān)系曲線。