第5章半導體器件5.1半導體的基本知識5.2半導體二極管5.3半導體三極管5.4場效應晶體管5.1半導體的基本知識5.1.1半導體的導電特性

1.本征半導體在近代電子學中，用得最多的半導體是Ge和Si。其外層都只有4個電子，屬4價元素。為便于討論，采用圖5.1所示的簡化原子模型。圖5.1Ge和Si原子的簡化模型

純凈的晶體結(jié)構(gòu)的半導體稱為本征半導體。Ge或Si原子生成晶體時，其原子排列就由雜亂無章的狀態(tài)變成了非常整齊的狀態(tài)，原子間的距離都是相等的。研究一塊純凈的Ge或Si晶體時，可發(fā)現(xiàn)每個原子有4個相鄰的原子圍繞著，每兩個相鄰原子間共有一對電子(稱為價電子)，組成共價鍵結(jié)構(gòu)，如圖5.2所示。其本征半導體晶體結(jié)構(gòu)如圖5.3所示。圖5.2Ge或Si晶體的共價鍵結(jié)構(gòu)圖5.3本征半導體晶體結(jié)構(gòu)示意圖

束縛電子掙脫后，在原子外層上留下的一個空位子，稱為空穴?？昭@示出的功效類似陽電荷(嚴格地說，空穴不是陽電荷)，所以，空穴也是一種載流子。如圖5.4所示。當半導體處于外加電壓作用下時，通過它的電流可看作由兩部分組成：一部分是自由電子進行定向運動形成的電子電流；另一部分是束縛電子在共價鍵上填補空穴形成的空穴電流。但是，當一個自由電子進入空穴時，空穴就會消失，這稱為復合，如圖5.5所示。

圖5.4本征半導體中的自由電子和空穴圖5.5自由電子進入空穴產(chǎn)生復合運動2.雜質(zhì)半導體在本征半導體中，通過熱激發(fā)產(chǎn)生的自由電子和空穴的數(shù)目，還遠不能使半導體具有良好的導電能力。然而，通過摻入有用的雜質(zhì)(稱為摻雜)，卻能使其導電特性得到很大的改善。

摻雜的半導體稱為雜質(zhì)半導體。摻雜的方法是將少量的雜質(zhì)元素加入到加熱了的Ge或Si晶體中。如果在Si晶體中摻入少量的五價雜質(zhì)元素，例如磷(P)元素，則P原子將全部擴散到加熱了的Si晶體中。因為P原子比Si原子數(shù)目少得多，所以當冷卻后形成固態(tài)晶體時，整個晶體結(jié)構(gòu)不變，只是某些位置上的Si原子被P原子代替了。因為每個P原子有5個外層子，所以組成共價鍵后就自然而然地多出一個電子，此電子受原子核的束縛力很小，很容易成為自由電子，如圖5.6所示。圖5.6N型Si半導體的共價鍵結(jié)構(gòu)

因為這種摻雜后的半導體主要靠電子導電，電子是帶負電的，所以摻入五價元素的雜質(zhì)半導體稱為N型半導體，也稱電子半導體。在N型半導體中，自由電子是多數(shù)載流子，簡稱“多子”，空穴是少數(shù)載流子，簡稱“少子”。每個P原子在釋放一個自由電子后便成為不能移動的正離子，由此產(chǎn)生了正離子—電子對。同樣，如果在Si晶體中摻入少量的三價雜質(zhì)元素，例如硼(B)元素，可以獲得過多的空穴，如圖5.7所示。圖5.7P型Si半導體的共價鍵結(jié)構(gòu)5.1.2PN結(jié)及其單向?qū)щ娞匦?/p>

1.PN結(jié)的形成物質(zhì)從濃度大的地方向濃度小的地方運動叫擴散。當P型半導體和N型半導體結(jié)合在一起時，因為空穴在P區(qū)中是多子，在N區(qū)中是少子；同樣，電子在N區(qū)中是多子，在P區(qū)中是少子，所以在P、N兩區(qū)交界處，由于載流子濃度的差異，要發(fā)生電子和空穴的擴散運動，多子都要向?qū)Ψ絽^(qū)域移動。當電子和空穴相遇時會復合消失。假設(shè)擴散運動的方向由正指向負(P區(qū)指向N區(qū))，則空穴將順擴散運動方向移動，電子將逆擴散運動方向移動，如圖5.8所示。圖5.8多數(shù)載流子的擴散運動

擴散的結(jié)果在兩區(qū)交界處的P區(qū)一側(cè)，出現(xiàn)了一層帶負電荷的粒子區(qū)(即不能移動的負離子)；在N區(qū)一側(cè)，出現(xiàn)了一層帶正電荷的粒子區(qū)(即不能移動的正離子)，形成了一個很薄的空間電荷區(qū)，這就是PN結(jié)，如圖5.9所示。圖5.9PN結(jié)的形成2.PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦?/p>

1)外加正向電壓Uf促使PN結(jié)轉(zhuǎn)化為導通狀態(tài)正向電壓又稱正向偏置電壓，簡稱正偏電壓。當PN結(jié)外加正向電壓Uf(外電源的正極接P區(qū)，負極接N區(qū))時，如圖5.10(a)所示，則外電場的方向與擴散運動方向一致，加強了擴散運動，削弱了漂移運動。(1)當0≤Uf＜UT時，UT為死區(qū)電壓，或稱門坎電壓。這時由于外電場還不足以克服內(nèi)電場對載流子擴散所造成的阻力，所以正向電流If幾乎為零，PN結(jié)呈現(xiàn)出一個大電阻，好像有一個門坎，如圖5.10(b)所示。

(2)當Uf≥UT后，這時在外電場的作用下，內(nèi)電場被大大削弱，多子不斷地向?qū)Ψ絽^(qū)域擴散，且進入空間電荷區(qū)后，一部分空穴會與負離子中和，一部分電子會與正離子中和，使空間電荷量減少，PN結(jié)變窄，如圖5.10(a)所示。

空間電荷區(qū)中載流子數(shù)量的增加，相當于PN結(jié)電阻的減小。這樣，載流子就能順利地越過PN結(jié)，形成閉合的回路，產(chǎn)生較大的正向電流If。因為外電源不斷地向半導體提供空穴和電子，所以使電流If得以維持。PN結(jié)的正向特性曲線如圖5.10(b)所示。

圖5.10PN結(jié)的正向特性(a)外加正向電壓導通；(b)正向特性曲線(1)空間電荷區(qū)變窄的過程，相當于載流子充進了PN結(jié)。P區(qū)一側(cè)充正電(充入空穴)，N區(qū)一側(cè)充負電(充入電子)，這現(xiàn)象如同一個電容器的充電，此電容稱為耗盡層電容Ct。

(2)PN結(jié)處于正偏時，還存在著電荷存儲效應。由于多子擴散到對方區(qū)域后，電子與空穴并不一定會立即相遇而復合消失，所以，必定會在擴散路程上有一定數(shù)量的存儲。即在P區(qū)中積累電子，在N區(qū)中積累空穴，建立起一定的濃度梯度。2)外加反向電壓UR促使PN結(jié)轉(zhuǎn)化為截止狀態(tài)反向電壓又稱為反向偏置電壓，簡稱反偏電壓。當PN結(jié)外加反向電壓UR(外電源的正極接N區(qū)，負極接P區(qū))時，如圖5.11(a)所示，外電場方向與自建電場方向一致，加強了漂移運動，削弱了擴散運動。這時在外電場的作用下，空間電荷量增加，PN結(jié)變寬，如圖5.11(a)所示。

空間電荷區(qū)中幾乎無載流子，近似于電路的開路狀態(tài)，擴散電流趨于零，見圖5.11(a)。這時由熱激發(fā)產(chǎn)生的少子，可以在結(jié)電場的作用下通過PN結(jié)，形成反向電流IR，但因為少子數(shù)量有限，IR很小，所以這時仍可認為PN結(jié)是截止的。

圖5.11PN結(jié)的反向特性(a)外加反向電壓截止；(b)反向特性曲線

因此，PN結(jié)處于反偏時，電阻是很大的。PN結(jié)的反向特性曲線如圖5.11(b)所示。

IR有時也稱為反向飽和電流IS。這是因為當溫度不變時，少子的濃度不變，所以在一定的電壓范圍內(nèi)，IR幾乎不隨反偏電壓的增加而變大，見圖5.11(b)。但溫度升高會使少子增加，故IR會隨溫度的上升而增長很快，這就是PN結(jié)的溫度特性。由此可見，PN結(jié)具有單向?qū)щ姷奶匦约皽囟忍匦浴?/p>

需要指出的是：

(1)空間電荷區(qū)變寬的過程，相當于PN結(jié)放出載流子的過程。這現(xiàn)象如同一個電容器的放電，如前所述，此電容稱為耗盡電容Ct。

(2)PN結(jié)處于反偏時，載流子數(shù)目很少，故反向擴散電容Cd很小，可忽略。這時Ct>>Cd。3.PN結(jié)的結(jié)電容Cj

由上節(jié)可知，PN結(jié)上有耗盡層電容Ct和擴散電容Cd,我們通常用結(jié)電容Cj來表征PN結(jié)的電容效應：

Cj=Ct+Cd

結(jié)電容的充、放電效應與普通電容相似，不同的是結(jié)電容的容量大小要隨外加電壓的大小而改變。當PN結(jié)運用在高頻時，要考慮到結(jié)電容的作用。PN結(jié)的高頻等效電路如圖5.12所示。圖5.12PN結(jié)的高頻等效電路4.PN結(jié)的擊穿特性當PN結(jié)反偏電壓UR超過某一數(shù)值時，反向電流IR會突然增大，出現(xiàn)反向電壓擊穿現(xiàn)象，簡稱為反向擊穿。發(fā)生反向擊穿所需的電壓稱為反向擊穿電壓UB。PN結(jié)的反向擊穿特性曲線如圖5.13所示。圖5.13反向擊穿特性曲線

反向擊穿現(xiàn)象有兩種類型：

(1)雪崩擊穿。當反向電壓太高時，載流子在阻擋層中將受到強烈的電場加速作用，獲得足夠的能量去碰撞原子，產(chǎn)生新的電子—空穴對。被撞出的載流子獲得能量后又可能再去碰撞別的原子，如此連鎖反應造成了載流子的劇增。這種擊穿多發(fā)生在摻雜濃度不大的PN結(jié)。雪崩擊穿電壓一般高于6V。(2)齊納擊穿。當反向電壓足夠大時，阻擋層中的強電場會將電子從共價鍵中強行拉出，產(chǎn)生電子—空穴對，使載流子劇增(其效果與溫度升高相仿)。這種擊穿多發(fā)生在摻雜濃度較高的PN結(jié)。齊納擊穿電壓一般低于6V。5.2半導體二極管5.2.1半導體二極管的結(jié)構(gòu)與分類半導體二極管又稱晶體二極管，簡稱為二極管。它是由一個PN結(jié)加上相應的電極引線和管殼做成的。從P區(qū)引出的電極稱為陽極(正極)，從N區(qū)引出的電極稱為陰極(負極)。PN結(jié)的四大基本屬性，也就是二極管的基本屬性。二極管的符號如圖5.14(C)所示，用字母VD表示。圖5.14半導體二極管的結(jié)構(gòu)及符號(a)點接觸型；(b)面接觸型；(C)符號5.2.2二極管的伏安特性曲線二極管的電壓—電流關(guān)系曲線稱伏安特性曲線。此特性曲線就是PN結(jié)的正向、反向及反向擊穿特性曲線。圖5.15(a)和(b)分別是Si和Ge二極管的特性曲線。在室溫下，Si管、Ge管的死區(qū)電壓UT、正向?qū)妷篣D及反向飽和電流IS的數(shù)值如表5.1所示。圖5.15二極管的伏安特性曲線

(a)Si管；(b)Ge管表5.1Si和Ge二極管的UT、UD及IS值5.2.3二極管的主要參數(shù)

1.直流參數(shù)

1)最大整流電流IF

最大整流電流是指二極管長期運行時，允許通過的最大正向平均電流。當二極管電流I＞IF時，PN結(jié)會因為太熱而燒壞。

2)最高反向工作電壓URM

最高反向工作電壓URM通常取二極管反向擊穿電壓UB的一半。3)反向電流IR

反向電流IR即為反向飽和電流IS。其值越小，二極管的單向?qū)щ娦阅茉胶谩?/p>

4)直流電阻RD

直流電阻RD是指二極管兩端的直流電壓與流過的直流電流之比。即(5―1)

圖5.16二極管的電阻(a)直流電阻RD；(b)微變電阻rD2.交流參數(shù)

1)微變(變流)電阻rD

二極管工作在小信號時需要用到微變電阻rD。rD的定義是：二極管特性曲線上工作點Q附近的電壓變化量ΔU與相應的電流變化量ΔI之比。即(5―2)rD實際上就是特性曲線上Q點處斜率的倒數(shù)，見圖5.16(b)。在室溫(25℃)下，(5―3)2)最高工作頻率fM

這主要取決于PN結(jié)的結(jié)電容。若工作頻率f＞fM，則二極管的單向?qū)щ娦阅軐⒆儔摹楸阌谧x者了解半導體器件的命名方法，將我國的命名有關(guān)規(guī)定介紹如下：表5.25.2.4二極管應用舉例二極管的應用范圍很廣，利用二極管的單向?qū)щ娞匦?，可組成整流、檢波、鉗位、限幅、開關(guān)等電路。利用二極管的其它特性，可使其應用在穩(wěn)壓、變?nèi)?、溫度補償?shù)确矫?。整流、鉗位、開關(guān)電路將在后面有關(guān)章節(jié)中提到，現(xiàn)簡單介紹一下限幅電路。限幅器又稱削波器，主要是限制輸出電壓的幅度。為討論方便起見，假設(shè)二極管VD為理想二極管，即正偏導通時，忽略VD的正向壓降，近似認為VD短路；反偏截止時，近似認為VD開路。

例1電路及輸入電壓UI的波形如圖5.17所示。畫出輸出電壓Uo的波形如圖5.17(b)所示。圖5.17二極管單向限幅電路

(a)電路；(b)波形

解：當ui＞+5V時，uo=+5V(VD正偏短路)；當ui

≤+5V時，uo=UI(VD反偏開路)。故可畫出輸出uo的波形，如圖5.17(b)所示。例2電路及輸入電壓UI的波形如圖5.18所示，畫出輸出電壓uo的波形。

圖5.18二極管雙向限幅電路

(a)電路；(b)波形解：①當ui＞+10V時：

VD1正偏短路，VD2反偏開路，uo=+10V。②當ui

＜-10V時：

VD1反偏開路，VD2正偏短路，uo=-10V。③當-10V＜UI≤+10V時：

VD1、VD2均反偏開路，uo=ui。

uo波形如圖5.18(b)所示。5.2.5穩(wěn)壓管

1.穩(wěn)壓管通常，我們不希望二極管工作在反向擊穿區(qū)，因為一旦PN結(jié)反向擊穿，反向電流IR會猛增，使IR·UR＞PM，引起熱擊穿，燒毀二極管。但是，利用PN結(jié)的反向擊穿現(xiàn)象，卻可以起到穩(wěn)定電壓的作用，即通過管子的電流在很大的范圍內(nèi)變化，而管子兩端的電壓卻變化很小。那么如何將“擊穿”轉(zhuǎn)化為“穩(wěn)壓”呢?其依據(jù)的條件是：

(1)工藝上通過控制半導體內(nèi)所摻雜的成份。

(2)外電路中所串聯(lián)的限流電阻。圖5.19穩(wěn)壓管符號及特性曲線

(a)符號；(b)伏安特性曲線

因為這種二極管具有穩(wěn)定電壓的作用，所以要與用于整流、檢波等用途的普通二極管區(qū)別開，稱為穩(wěn)壓管。穩(wěn)壓管用字母VDZ表示，它的符號如圖5.19(a)所示。圖5.19(b)是它的伏安特性曲線，由圖(b)可知，穩(wěn)壓管在反向擊穿時的曲線比較陡直。

值得指出的是：穩(wěn)壓管必須工作在反向偏置(利用正向穩(wěn)壓的除外)，即陰極接電源正極，陽極接電源負極，如圖5.19(a)所示。如果極性接錯，二極管就處于正向偏置狀態(tài)，穩(wěn)壓效果就差了。另外，穩(wěn)壓管可以串聯(lián)使用，一般不能并聯(lián)使用，因為并聯(lián)有時會因電流分配不勻而引起管子過載損壞。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。由于制造工藝不易控制，即使同一型號的管子，UZ的值也會稍有不同。

2)穩(wěn)定電流IZ和最大穩(wěn)定電流IZMIZ的穩(wěn)壓管正常工作時的反向電流，這是一個參考值。IZM是穩(wěn)壓管允許通過的最大反向電流。當穩(wěn)壓管工作電流I＜IZ時，沒有穩(wěn)壓效果；正常工作時，

IZ＜I＜IZM。3)動態(tài)電阻rZ

rZ相當于二極管的微變等效電阻，因此(5―4)rZ越小(ΔIZ越大)，穩(wěn)壓性能越好。4)電壓溫度系數(shù)αα是UZ受溫度變化的系數(shù)，常用溫度每增加1℃時，UZ改變的百分數(shù)來表示。一般來說，硅穩(wěn)壓管的UZ＜4V時，α＜0；UZ＞7V時，α＞0;4V≤UZ≤7V時，α最小，這時溫度穩(wěn)定性最好。

5)最大耗散功率PMPM是保證管子不發(fā)生熱擊穿的極限值。(5―5)3.穩(wěn)壓管應用舉例利用穩(wěn)壓管反向擊穿時電壓基本穩(wěn)定的特性，可做成穩(wěn)壓電路。最簡單的穩(wěn)壓電路如圖5.20(a)所示。圖中，Ui和Uo分別是輸入和輸出電壓，R是限流電阻，RL是負載電阻，Uo=Ui-IRR=UZ。下面通過兩道例題來說明，只要穩(wěn)壓管是工作在擊穿區(qū)，當負載RL變化，或信號源Ui有變化時，穩(wěn)壓管都能起到穩(wěn)壓的作用，使輸出Uo=UZ不變。這就是穩(wěn)壓管的主要用途。圖5.20穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路

例3在圖5.20(a)所示的電路中，分別求RL等于30kΩ、4kΩ和3kΩ時，流過穩(wěn)壓管的電流IZ的值。解：①當RL=30kΩ時：因為VD兩端的電壓足以引起VD擊穿(VD臨界擊穿時的RL值，見本例③的解)，故VD近似為一個30V的電壓源。見圖5.20(b)中的C點。②當RL=4kΩ時：

VD仍工作在擊穿區(qū)，仍可將其近似為30V的電壓源。見圖5.20(b)中的a點。由圖(b)看出，只要當VD工作在擊穿區(qū)時，負載雖然有變化，使VD的工作點從C點移到a點，ΔIZ變化很大，但ΔUZ卻變化很小，Uo=UZ近似不變。③當RL=3kΩ時：這時，VD工作在擊穿的臨界狀態(tài)，如圖5.20(b)所示。由此可求出，臨界擊穿時

例4在圖5.20(a)所示的電路中，當負載RL開路(RL=∞)時，求UI從40V變化到60V時，流過穩(wěn)壓管的電流IZ的值。解：因為Ui=40V~60V，均超過了VD的反向擊穿電壓，所以VD工作在擊穿區(qū)，這時VD可近似為30V的電壓源。又因為RL開路，所以IZ=IR。當Ui=40V時：見圖5.20(b)中的b點。

見圖5.20(b)中的d點。所以，5mA＜IZ＜15mA。由圖(b)看出，只要VD工作在擊穿區(qū)，當輸入信號Ui發(fā)生變化，使VD的工作點從b點移到d點時，雖然ΔIZ變化很大，但ΔUZ變化很小，Uo=UZ近似不變。當Ui=60V時：5.3半導體三極管

半導體三極管又稱雙極型晶體管，簡稱BJT。BJT的種類很多，按頻率分，有高頻管、低頻管；按功率分，有大、中、小功率管；按半導體材料分，有SI管、Ge管；按結(jié)構(gòu)分，有NPN型和PNP型等。目前生產(chǎn)的Si管多數(shù)為NPN型，Ge管多數(shù)為PNP型。常見的幾種BJT的外形如圖5.21所示。

圖5.21幾種BJT的外形5.3.1BJT的放大原理和電流關(guān)系

1.結(jié)構(gòu)簡介不管是NPN型還是PNP型管子，它們的基本原理都相同，都有三個電極(發(fā)射極e、基極b、集電極C)和兩個PN結(jié)(發(fā)射結(jié)(e結(jié))、集電結(jié)(C結(jié)))。圖5.22是BJT的示意圖及符號，符號中e極箭頭方向表示e結(jié)正偏時的電流方向。圖5.22BJT的結(jié)構(gòu)示意圖及符號

(a)NPN；(b)PNP2.BJT的三種連接方式因為放大器一般是四端網(wǎng)絡(luò)，而BJT只有三個電極，所以組成放大電路時，勢必要有一個電極作為輸入與輸出信號的公共端。根據(jù)所選擇的公共端電極的不同，BJT有共發(fā)射極、共基極和共集電極三種不同的連接方式(指對交流信號而言)，如圖5.23所示。

圖5.23BJT的三種連接方式(a)共基極電路；(b)共發(fā)射極電路；(C)共集電極電路3.放大原理和電流關(guān)系

BJT能把微弱的電信號加以放大，是載流子在三極管內(nèi)部的傳輸過程所致，如圖5.24所示。下面我們分三個方面來討論載流子在三極管內(nèi)部的運動。

1)e區(qū)向b區(qū)發(fā)射電子的過程這個過程的條件是e結(jié)必須加正向電壓(對于NPN型管，須UB＞UE)。這時e結(jié)上外電場方向與擴散運動方向一致，加強了擴散運動，削弱了漂移運動，如圖5.24所示。

圖5.24BJT中載流子的運動2)電子在b區(qū)中的擴散和復合的過程電子到達b區(qū)后，一方面因為e結(jié)附近的電子濃度最高，離e結(jié)越遠，濃度越小，所以，由于濃度的差異，電子就要繼續(xù)向C結(jié)方向擴散。另一方面，電子又會與b區(qū)中的空穴相遇而復合，復合后又會被b區(qū)中的正電源拉走(就好像正電源在不斷地供給b區(qū)空穴)。電子復合的數(shù)量與被拉走的數(shù)量相等，即與一個空穴復合，就被拉走一個電子。這樣，電子的流動就形成了基極電流IB，如圖5.24所示。3)電子被C區(qū)收集的過程這個過程的條件是C結(jié)必須加反向電壓(對于NPN型管，須UC＞UB)。這時C結(jié)上外電場方向與漂移運動方向一致，加強了漂移運動，削弱了擴散運動，如圖5.24所示。所以，外電場不僅可使C區(qū)的多子——電子向C極方向移動，而且還可以收集從b區(qū)擴散過來的電子到達C區(qū)，形成集電極電流IC。當然，在C結(jié)反偏電壓的作用下，C區(qū)和b區(qū)的少子也都要向?qū)Ψ絽^(qū)域運動，形成反向飽和電流ICBO，如圖5.24所示，但因為其數(shù)值很小，可忽略。

綜上所述，電子按圖5.24中箭頭方向運動，其中大部分渡過b區(qū)流向C極，僅很小一部分流向b極，電流則與電子運動方向相反。根據(jù)節(jié)點電流定律可知：

IE=IB+IC

(5―6)

晶體管一旦制成，從e區(qū)發(fā)射的電子到達C區(qū)的比例也就定了，此比例稱為電流放大系數(shù)。通常將IC與IB的比值定義為共射直流電流放大系數(shù)，將變化量ΔIC與ΔIB的比值定義為共射交流電流放大系數(shù)β。即(5―7)(5―8)

一般情況下，≈β，故可得：

IE=IB+IC=IB+βIB=(1+β)IB(5―9)

同理，把IC與IB的比值定義為共基極直流電流放大系數(shù)；把變量ΔIC與ΔIB的比值定義為共基極交流電流放大系數(shù)α。即(5―10)(5―11)一般情況下，，則

由于α與β是同一管子不同電極間的關(guān)系，二者之間必存在一定的轉(zhuǎn)換關(guān)系：所以(5―12)

因為e結(jié)加正向電壓，所以由PN結(jié)的正向特性可知，BJT的b、e極之間只要有較小的變化量ΔUBE，就可產(chǎn)生較大的ΔIB，通過BJT的電流放大，又可引起更大的ΔIC，而ΔIC流過集電極負載電阻Rc后，在其兩端產(chǎn)生的電壓ΔUCE(對直流電源UCC而言，其變化量為零)，將會比ΔUBE大很多倍，這樣，BJT的電流放大就被轉(zhuǎn)換為電壓放大的形式了。表示即(5―13)

例5在圖5.24所示的電路中，如果ΔUBE=15mV,ΔIB=20μA,β=50，Rc=1kΩ，求ΔIC和Au。解：5.3.2BJT的特性曲線

BJT各電極電壓與電流之間的關(guān)系曲線，稱為伏安特性曲線。它是BJT內(nèi)部載流子運動的外部表現(xiàn)。由于三極管有三個電極，所以它的伏安特性就不像二極管那樣簡單。工程上最常用的是BJT的輸入和輸出特性曲線。圖5.25為NPN型管共發(fā)射極電路的測試電路。

圖5.25BJT的共發(fā)射極特性曲線測試電路1.共發(fā)射極輸入特性若以輸出電壓uCE為參變量，則輸入電壓UBE和輸入電流iB的函數(shù)式可表示為常數(shù)

測試時，在圖5.25的電路中，先固定uCE為某一常數(shù)，例如，令uCE=0V，測得一組uBE與iB的數(shù)據(jù)，畫出一條曲線；再固定UCE為另一常數(shù)，又測得一組uBE與iB的數(shù)據(jù)，畫出另一條曲線,……如圖5.26(a)所示。

由圖5.26(a)看出，輸入特性曲線有以下特點：

(1)類似于PN結(jié)的正向特性曲線(因為e結(jié)正偏)，所以也存在死區(qū)電壓UT。

(2)uCE＞1V后，特性曲線基本接近于uCE=1V時的特性曲線。由于放大電路工作時uCE≠0V，所以通常只需畫出uCE≥1V的一條輸入特性曲線。

2.共發(fā)射極輸出特性若以輸入電流iB為參變量，則輸出電壓uCE和輸出電流iC的函數(shù)式可表示為常數(shù)

測試時，在圖5.25的電路中，先固定iB為某一常數(shù)，例如，令iB=0測得一組uCE和iC的數(shù)據(jù)，畫出一條曲線；再固定IB為另一常數(shù)，又測得一組UCE和iC的數(shù)據(jù)，畫出另一條曲線，……這樣，在直角坐標系中可得到一簇輸出特性曲線，如圖5.26(b)所示。

圖5.26BJT的共射特性曲線(a)輸入特性曲線；(b)輸出特性曲線

由圖5.26(b)可看出，輸出特性曲線有以下特點：

(1)特性曲線除起始段外，近似平行。平坦的區(qū)域稱為放大區(qū)，也稱線性區(qū)，見圖5.26(b)的中間區(qū)域。

(2)每條曲線都有一個拐點，拐點電壓稱為集電極飽和電壓UCES。uCE≤UCES的區(qū)域稱為飽和區(qū)，如圖(b)中左邊陰影線所示。

(3)iB=0時，iC=ICEO。iB≤0的區(qū)域稱為截止區(qū)，如圖(b)中下部陰影線所示。(4)PCM虛線是最大功耗線。PC=iC·uCE≥PCM的區(qū)域，稱為過損耗區(qū)，如圖(b)中右邊陰影線所示。使用時不允許超過此區(qū)域，否則會使BJT性能變壞，或過熱燒毀。

表5.35.3.3BJT的三個工作區(qū)域由上節(jié)知道，BJT有三個工作區(qū)域。下面再結(jié)合圖5.25的共發(fā)射極電路，具體討論如下。

1.截止區(qū)

e結(jié)、C結(jié)均為反偏，BJT無放大作用。這時

IB≈0;IC≈0

UCE=UCC-ICRC≈UCC2.放大區(qū)

e結(jié)正偏、C結(jié)反偏(對于NPN型管，UC＞UB、

UB＞UE。對于PNP型管，UC＜UB、UB＜UE)，BJT有放大作用。這時

IB＞0;IC=βIB

UCE=UCC-ICRc3.飽和區(qū)

e結(jié)、C結(jié)均為正偏，UCE=UCES很小。UCE的減小使C結(jié)收集電子的能力減弱，也即e區(qū)發(fā)射有余，而C極收集不足，以致IC幾乎不再隨IB的增大而增大，BJT失去放大作用。因為UCES最小只能接近于零，所以由可求出集電極飽和電流為(5―14)

基極臨界飽和電流為(5―15)

當基極注入電流IB超過其臨界值時，晶體管呈飽和狀態(tài)。故判斷管子飽和狀態(tài)的方法為：若(5―16)

圖5.27BJT的幾種工作狀態(tài)5.3.4BJT的主要參數(shù)1.電流放大系數(shù)1)共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)這是指靜態(tài)(無輸入信號)時的電流放大系數(shù)，其定義為2)共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)β

這是指動態(tài)(有輸入信號)時的電流放大系數(shù)，其定義為

在有的手冊中，β用hfe表示。同樣，β也與三極管的工作點Q有關(guān)。在圖5.28中，過Q點作橫軸的垂線，當IB從40μA變到60μA時，相應的IC從1.6mA變到2.35mA，可求得

圖5.282.極間反向電流

1)C、b極間反向飽和電流ICBO

這是指e極開路，C、b間加上一定的反向電壓時的反向電流(如同PN結(jié)的反向電流)。其測試電路如圖5.29(a)所示。

圖5.29三極管極間反向電流的測量(a)測量ICBO的電路；(b)測量ICEO的電路ICBO越小，晶體管的質(zhì)量越好。在室溫下，小功率硅管的ICBO＜1μA，Ge管的ICBO約為幾微安到幾十微安。因為ICBO是由少子形成的，所以，溫度升高會引起ICBO升高。

2)C、e極間反向穿透電流ICEO

這是指b極開路，C、e間加上一定的反向電壓時的C極電流。其測試電路如圖5.29(b)所示。由于這個電流是從C區(qū)直接穿過b區(qū)到達e區(qū)的，所以，又稱穿透電流。由下面的分析可知，ICEO不是單純的PN結(jié)的反向電流。

當C、e間加上電壓+UCC后，必然使UC＞Ub＞Ue，所以，e結(jié)正偏，C結(jié)反偏，C區(qū)的少子——空穴就會漂移到b區(qū)。另外，e區(qū)的多子——電子擴散到b區(qū)后，除少部分與空穴復合，大部分到達C區(qū)，被C極收集。根據(jù)BJT的電流分配規(guī)律：

IE=IB+IC=IB+βIB=(1+β)IB

可知：

ICEO=ICBO+βICBO=(1+β)ICBO

(5―17)

3.極限參數(shù)

1)集電極最大允許電流ICM

當iC超過一定值時，BJT的參數(shù)會發(fā)生變化，特別是β將下降。ICM是指BJT的參數(shù)變化不超過允許值時，C極允許的最大電流。使用時，若iC＞ICM，管子不僅性能會下降，甚至可能會燒壞。

2)集電極最大允許耗散功率PCM

這是指C結(jié)上允許耗散的最大功率，表示如下：(5―18)5.4場效應晶體管5.4.1概述場效應晶體管簡稱FET，與BJT特性大不相同，主要的不同點有：

(1)單極型晶體管。BJT中參與導電的載流子有多子和少子兩種極性，稱為雙極型晶體管。FET中參與導電的載流子只有多子一種(或者是電子，或者是空穴)，所以稱為單極型晶體管。(2)電壓型控制元件。BJT是電流型控制元件，即在一定的條件下，集電極電流只取決于基極電流的大小。而FET則是電壓型控制元件，即在一定的條件下，漏極(對應于BJT中的集電極)電流只取決于柵極(對應于BJT中的基極)電壓。

(3)輸入電阻高。FET柵極加上電壓后，輸入電流接近于0，所以它的輸入電阻非常高，一般可達到上百兆歐甚至幾千兆歐。絕緣柵場效應管的輸入電阻最高可達1015Ω。(4)FET的噪聲系數(shù)比BJT小。

(5)FET制造工藝簡單，芯片面積小，再加上其它一些優(yōu)點，使其在大規(guī)模集成電路中取代了BJT。5.4.2結(jié)型場效應管

1.JFET的結(jié)構(gòu)和符號

JFET分成N溝道和P溝道兩種。N溝道JFET的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5.30(a)所示，符號如圖(b)所示。它是在N型半導體的兩側(cè)各擴散出一個高濃度的P型區(qū)(用P+表示)，使其與N區(qū)形成兩個P+N結(jié)(即空間電荷區(qū)，也即耗盡層)，并將兩個P+區(qū)連在一起。由P+區(qū)引出的電極稱為柵極G(Gate)，由N區(qū)兩端引出的電極分別稱為源極S(SoURCe)和漏極D(DRaIn)，它們分別相當于BJT中的b、e、C極。兩個P+N結(jié)中間的N區(qū)稱為導電溝道。P溝道JFET的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5.30(C)所示，符號如圖(d)所示。它是在P型半導體兩側(cè)各擴散出一個

N+區(qū)。符號中的箭頭方向，見圖(b)、(d)，表示柵極正偏時，柵流方向由P區(qū)指向N區(qū)。

圖5.30JFET的結(jié)構(gòu)示意圖及符號(a)N溝道結(jié)構(gòu)示意圖；(b)N溝道JFET符號；

圖5.30JFET的結(jié)構(gòu)示意圖及符號(C)P溝道結(jié)構(gòu)示意圖；(d)P溝道JFET符號2.工作原理我們知道，PN結(jié)空間電荷區(qū)(即耗盡層)的寬度是隨著加在PN結(jié)上的反向電壓的大小而變化的。反向電壓越大，耗盡層越寬；反之，則越窄。JFET就是利用PN結(jié)的這個性質(zhì)，通過改變柵壓uGS來改變溝道電阻，進而改變S、D極間的電流ID。下面以N溝道JFET共源電路為例(電路如圖5.31所示)，來簡述它的工作原理。

1)uDS=0，uGS=0

此時漏極電流iD=0。2)uDS＞0①當uGS=0(G、S極間短路)時，兩個P+N結(jié)的空間電荷區(qū)(也即耗盡層)最窄，中間的N區(qū)域(即導電溝道)最寬，溝道電阻最小。②當UP＜uGS＜0時，這里的UP稱為夾斷電壓，這是使iD≈0的柵極電壓。UP是一個負值，其典型值為-1V~-10V。圖5.31uGS對iD的控制③當uGS≤UP時，若uGS再向負值增加到uGS≤UP，則源極附近的耗盡層也相遇了，即兩邊的耗盡層完全合攏，整個溝道被夾斷，這稱為全夾斷，如圖5.31(d)所示。這時，雖然uDS仍然存在，但因為載流子都消耗盡了，溝道電阻無窮大，故iD≈0。

綜上所述，可得JFET導電的如下幾個特性：①因為G、S極間加反向偏電壓，兩個P+N結(jié)截止，柵極電流iG≈0，故JFET的輸入電阻很大。②在uDS不變的情況下，uGS的微小變化可以引起iD比較大的變化，故稱FET為電壓型控制元件。③與BJT相類似，當漏極接上負載電阻RD后，在RD上可以得到放大了的變化電壓。④我們將uGS=0時就存在導電溝道(iD≠0)的FET稱為耗盡型，uGS=0時沒有導電溝道(iD=0)的FET稱為增強型。3.輸出特性曲線和轉(zhuǎn)移特性曲線下面僅介紹N溝道JFET共源電路的特性曲線，其測試電路如圖5.32所示。

1)輸出特性曲線以uGS為參變量，iD與uDS間的關(guān)系曲線，稱為輸出特性曲線，如圖5.32(a)所示。其函數(shù)式為常數(shù)

圖5.32N-JFET共源電路的特性曲線(a)N-JFET輸出特性；(b)N-JFET轉(zhuǎn)移特性

輸出特性曲線可分成四個區(qū)域：可變電阻區(qū)、恒流區(qū)、擊穿區(qū)和截止區(qū)。其特點敘述如下：

(1)可變電阻區(qū)。輸出特性每條曲線都有一個拐點，拐點電壓就是UP。拐點連線的左邊(見圖中區(qū)域Ⅰ)稱為可變電阻區(qū)。該區(qū)的特點是：溝道電阻隨柵壓變化，這是因為在此區(qū)域中，uDS較小，管子還未預夾斷。(2)恒流區(qū)。

(3)擊穿區(qū)。

(4)截止區(qū)。

2)轉(zhuǎn)移特性曲線由于FET的iG≈0，所以，如果像討論BJT那樣來討論FET的輸入特性(uGS與IG的關(guān)系)就顯得無意義。但研究它的轉(zhuǎn)移特性卻是很重要的。轉(zhuǎn)移特性是以uDS為參變量的uGS與iD的關(guān)系曲線，如圖5.32(b)所示。其函數(shù)式為常數(shù)

轉(zhuǎn)移特性有以下特點：

(1)當FET工作在恒流區(qū)時，不同uDS的轉(zhuǎn)移特性曲線基本接近，這是因為在恒流區(qū)內(nèi)，iD幾乎不隨uDS而變化。因為在放大器中，管子一般工作在恒流區(qū)，為分析方便，通常只畫出一條曲線。

(2)在恒流區(qū)內(nèi)，uDS對iD的影響不大，故轉(zhuǎn)移特性可用下面近似公式來表示：(5―19)當4.主要參數(shù)

1)直流參數(shù)

(1)夾斷電壓UP。這是指uDS一定，使iD為0時的uGS。

(2)飽和漏極電流IDSS。這是指uGS=0，當uDS＞|UP|時的iD。

(3)直流輸入電阻RGS。這是指uDS=0時，uGS與iG之比的比值。由于iG≈0，故RGS很高，一般大于108Ω。2)交流參數(shù)

(1)低頻跨導(或稱互導)gm。這是指uDS一定時，iD與uGS的微變量之比的比值，即常數(shù)(5―20)gm反映了uGS對ID的控制能力，是衡量FET放大能力的重要參數(shù)，相當于BJT的β。gm的大小與工作點Q有關(guān)。它可以通過計算(對式(5-19)求導)求出來，即(5―21)

也可以通過作圖法估算出來，具體方法為：當在轉(zhuǎn)移特性曲線上求時，gm是工作點Q處的斜率；當在輸出特性曲線上求時，(2)極間電容。極間電容越小，管子的高頻特性和開關(guān)特性越好。一般，G與S和G與D間之電容CGS和CGD約為1pF~3pF，D與S之間電容CDS約為0.1pF~1pF。3)極限參數(shù)

(1)漏極最大耗散功率PDM、漏極最大允許電流IDM，同BJT的PCM、ICM類同，這里不再贅述。

(2)擊穿電壓：①擊穿電壓U(BR)DS：指uDS增大到使iD開始急劇增加，發(fā)生雪崩擊穿時的uDS值。使用時uDS不能超過此值。②擊穿電壓U(BR)GS：指G、S間P+N結(jié)的反向擊穿電壓。若UGS超過此值，P+N結(jié)將被擊穿。5.4.3絕緣柵場效應管雖然結(jié)型場效應管(JFET)的柵極電阻高達100MΩ以上，但有時還嫌不夠高，為此又提出IGFET(絕緣柵場效應管)。IGFET的工作原理建立在半導體表面場效應現(xiàn)象的基礎(chǔ)上。所謂表面場效應是指半導體表面有電場作用時，表面載流子濃度發(fā)生變化的現(xiàn)象。下面介紹IGFET中的MOS管。1.N溝道增強型IGFET1)結(jié)構(gòu)以金屬(Al)—氧化物(SIO2)—半導體(P型SI)三層結(jié)構(gòu)為例，IGFET的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5.33所示。它以P型SI片作襯底材料，在P區(qū)上面的左、右兩側(cè)各擴散出一個高濃度的N+區(qū)，從兩個N+區(qū)各引出一個金屬鋁電極，作為源極S和漏極D；同時在P區(qū)表面覆蓋一層很薄的二氧化硅(SIO2)絕緣層，并在SIO2上引出一個金屬鋁電極作為柵極G；另外，再從P區(qū)引出襯底引線B，這就構(gòu)成了N溝道MOS管。圖5.33N溝道增強型IGFET的結(jié)構(gòu)示意圖2)工作原理下面簡述增強型NMOS管的工作原理。其原理電路如圖5.34所示。

(1)uGS對iD的控制作用：①uGS=0(G、S極間短路)時，兩個N+區(qū)與P區(qū)三者間形成兩個背靠背的PN+結(jié)，如圖5.34(a)所示。這時不管uDS的極性如何，總會有一個PN+結(jié)處于反偏，故漏極電流iD≈0，管子截止。圖5.34增強型NMOS管工作原理示意圖圖5.34增強型NMOS管工作原理示意圖②uGS＞0時，第一種情況，0＜uGS＜uT，uDS=0。這里的UT為開啟電壓。UT是一個正值，其值約為2V~10V。

(2)uDS對iD的影響。溝道形成后，因為UD＞US，因此，G極與溝道之間的電位差在靠近S端最大，形成的溝道最寬；在靠近D端最小，形成的溝道最窄，如圖5.34(C)所示。2.N溝道耗盡型IGFET

除