第1章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)本章要點(diǎn)本章首先介紹半導(dǎo)體中的載流子和導(dǎo)電機(jī)理，再討論P(yáng)N結(jié)的原理和特性，然后介紹半導(dǎo)體二極管、雙極型三極管和場(chǎng)效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu)、原理、伏安特性及主要參數(shù)。并介紹了二極管的應(yīng)用電路，為合理選擇和使用管子打下基礎(chǔ)。你知道嗎？為什么現(xiàn)在電子技術(shù)發(fā)展得如此迅猛？為什么半導(dǎo)體器件是近代電子線路的重要組成部分？相比于早期的電子管，半導(dǎo)體器件具有體積小、重量輕、使用壽命長(zhǎng)、反應(yīng)迅速、靈敏度高、工作可靠、耗能低等優(yōu)點(diǎn)晶體管由于體積小、耗能低，使電子產(chǎn)品集成化和小型化成為可能，為便攜式儀器儀表、移動(dòng)通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)的發(fā)展提供了物理基礎(chǔ)。電子技術(shù)的飛速發(fā)展是以半導(dǎo)體制造技術(shù)為依托的，半導(dǎo)體器件是電子技術(shù)的基礎(chǔ)，而所有的半導(dǎo)體器件的核心就是PN結(jié)。電子管在某些場(chǎng)合仍然在使用，如高保真功放、航天領(lǐng)域。1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)與PN結(jié)1.1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)及其特性電阻率為10-9～10-6Ω·cm電阻率為10-3～109Ω·cm電阻率為1010～1020Ω·cm半導(dǎo)體的特性熱敏性：對(duì)溫度敏感，如熱敏電阻光敏性：對(duì)光照敏感，如光電管、光敏電阻、光電池雜敏性：對(duì)雜質(zhì)敏感，如半導(dǎo)體器件光敏電阻光敏二極管1.1.2本征半導(dǎo)體

具有晶體結(jié)構(gòu)的純凈半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。晶體通常具有規(guī)則的幾何形狀，在空間中按點(diǎn)陣(晶格)排列。硅（Si）鍺（Ge）本征半導(dǎo)體原子的空間排列本征半導(dǎo)體原子平面結(jié)構(gòu)示意圖共價(jià)鍵失去電子后留下的空位稱為空穴，顯然具有空穴的原子帶正電。本征半導(dǎo)體產(chǎn)生熱激發(fā)時(shí)，電子和空穴成對(duì)出現(xiàn)。

熱激發(fā)、空穴與自由電子光照自由電子空穴

自由電子和空穴的復(fù)合、動(dòng)態(tài)平衡在本征半導(dǎo)體中，自由電子和空穴總是成對(duì)出現(xiàn)，同時(shí)又不斷復(fù)合，故在一定溫度下，載流子的熱激發(fā)和復(fù)合達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，載流子的數(shù)目維持在一定的數(shù)目。填補(bǔ)新的空穴光照空穴運(yùn)動(dòng)1.1.3雜質(zhì)半導(dǎo)體1.N型半導(dǎo)體

在硅或鍺的本征半導(dǎo)體中摻入微量的5價(jià)磷（P）元素，則形成N型半導(dǎo)體。摻入自由電子自由電子為多數(shù)載流子，空穴為少數(shù)載流子，故N型半導(dǎo)體也稱為電子型半導(dǎo)體，磷原子也稱為施主雜質(zhì)。

在摻入磷原子的本征半導(dǎo)體中，自由電子數(shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空穴數(shù)目。2．P型半導(dǎo)體

如果在硅或鍺的本征半導(dǎo)體中摻入微量的3價(jià)硼（B）元素，則形成P型半導(dǎo)體。摻入填補(bǔ)

在摻入硼原子的本征半導(dǎo)體中，空穴數(shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自由電子數(shù)目。空穴為多數(shù)載流子，自由電子為少數(shù)載流子，故P型半導(dǎo)體也稱為空穴型半導(dǎo)體，硼原子也稱為受主雜質(zhì)。1.2PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?.2.1PN結(jié)的形成

利用特殊的制造工藝，在一塊本征半導(dǎo)體（硅或鍺）上，一邊摻雜成N型半導(dǎo)體，一邊形成P型半導(dǎo)體，在擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)的作用下，在兩種半導(dǎo)體的交界面就會(huì)形成一個(gè)厚度穩(wěn)定的空間電荷區(qū)，這就是PN結(jié)。1.多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)

由于濃度的差異形成的載流子運(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)是多子的運(yùn)動(dòng)。硼負(fù)離子磷正離子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)2.內(nèi)電場(chǎng)的建立

多子擴(kuò)散到交界面附近時(shí)，自由電子和空穴復(fù)合，留下不能移動(dòng)的帶電離子，帶正、負(fù)電的離子形成了空間電荷區(qū)的內(nèi)電場(chǎng)。內(nèi)電場(chǎng)的形成3.內(nèi)電場(chǎng)對(duì)載流子運(yùn)動(dòng)的作用顯然內(nèi)電場(chǎng)將阻礙多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，故也稱其為阻擋層。隨著擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，空間電荷區(qū)逐漸加寬，內(nèi)電場(chǎng)逐漸加強(qiáng)，多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)逐漸減弱。另一方面，內(nèi)電場(chǎng)的建立，使P區(qū)的少子——自由電子在電場(chǎng)力的作用下向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，N區(qū)的少子——空穴向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，少數(shù)載流子在內(nèi)電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)。內(nèi)電場(chǎng)的形成4.PN結(jié)的形成擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)，空間電荷區(qū)的寬度不再變化，形成了穩(wěn)定的空間電荷區(qū)即PN結(jié)。隨著擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的增強(qiáng)，內(nèi)電場(chǎng)逐漸加強(qiáng)，P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)也隨之加強(qiáng)，最終擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。1.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦?．PN結(jié)外加正向電壓（正偏）擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)>漂移運(yùn)動(dòng)，形成較大的擴(kuò)散電流，其方向是由P區(qū)流向N區(qū)，PN結(jié)變窄。隨著外加電壓的增大正向電流也增大，PN結(jié)的正向?qū)ā?/p>

正向電流包括兩部分：空穴電流和自由電子電流。雖然兩種不同極性的電荷運(yùn)動(dòng)方向相反，但所形成的電流方向是一致的PN結(jié)外加正向電壓P區(qū)接電源的正極，N區(qū)接電源的負(fù)極。2.PN結(jié)外加反向電壓（反偏）漂移運(yùn)動(dòng)>擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，外電場(chǎng)使得P區(qū)的空穴和N區(qū)的自由電子從空間電荷區(qū)邊緣移開，使空間電荷區(qū)變寬，這有利于少子的形成反向電流，此時(shí)PN結(jié)反向截止，呈高阻態(tài)。PN結(jié)外加反向電壓

總結(jié)：PN結(jié)外加正向電壓時(shí)，PN結(jié)電阻很小，正向電流很大，PN結(jié)正向?qū)?，電流方向從P型區(qū)流向N型區(qū)；PN結(jié)外加反向電壓時(shí)，PN結(jié)電阻很大，反向電流很小，近似為零，PN結(jié)反向截止。PN結(jié)的這種特性稱為單向?qū)щ娦浴７聪蝻柡碗娏鱌區(qū)接電源的負(fù)極、N區(qū)接電源的正極。1.2半導(dǎo)體二極管1.2.1二極管的結(jié)構(gòu)、類型及符號(hào)

將一個(gè)PN結(jié)封裝起來，引出兩個(gè)電極，就構(gòu)成半導(dǎo)體二極管，也稱晶體二極管。整流二極管發(fā)光二極管穩(wěn)壓二極管開關(guān)二極管二極管符號(hào)幾種二極管外形示意圖PN普通二極管整流二極管大功率整流二極管用于高頻檢波和開關(guān)電路用于整流電路用于高頻、開關(guān)、脈沖二極管的結(jié)構(gòu)有三種：點(diǎn)接觸型、面接觸型、平面型點(diǎn)接觸型面接觸型平面型半導(dǎo)體的二極管型號(hào)說明：舉例1.正向死區(qū)1.2.2二極管的伏安特性二極管的伏安特性正向特性開啟電壓硅管：0.5V鍺管：0.1V

當(dāng)外加正向電壓較小時(shí)，外電場(chǎng)克服不了內(nèi)電場(chǎng)的作用，正向電流幾乎為零，此區(qū)域稱為死區(qū)，對(duì)應(yīng)的電壓稱為死區(qū)電壓或開啟電壓Uth（閾值電壓、門坎電壓）正向特性也可以用下式近似表示其中：Is為反向飽和電流，UT為溫度電壓當(dāng)量，室溫下UT=26mV。2.正向?qū)▍^(qū)

當(dāng)外加正向電壓大于開啟電壓后，正向電流增長(zhǎng)很快，二極管正向?qū)ǎ瑢?duì)應(yīng)電壓為正向?qū)妷篣F。導(dǎo)通電壓硅管：0.6~0.7V（0.7V）鍺管：0.2~0.3V（0.2V）3．反向截止區(qū)反向截止

當(dāng)二極管加反向電壓并小于某電壓（擊穿電壓）時(shí)，由少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)形成很小的反向電流，硅管為nA級(jí)，鍺管為μA級(jí)，故二極管反向截止。一、它隨溫度的升高增長(zhǎng)很快；注意：反向電流的特點(diǎn)二、反向電流與反向電壓的大小無關(guān)，基本不變稱它為反向飽和電流。注意：硅管的反向電流要比鍺管小得多，小功率硅管的反向飽和電流一般小于0.1μA，鍺管約為幾個(gè)微安4.反向擊穿區(qū)

當(dāng)反向電壓增加到擊穿電壓時(shí)，反向電流將突然增大，二極管的單向?qū)щ娦员黄茐?，二極管反向?qū)ǎ斐刹豢苫謴?fù)的損壞。反向擊穿注意：反向電流越大，說明管子的溫度穩(wěn)定性越差，單向?qū)щ娦圆缓谩?.溫度對(duì)伏安特性的影響當(dāng)溫度升高時(shí)，本征激發(fā)產(chǎn)生的少數(shù)載流子濃度增加，會(huì)使二極管的反向飽和電流增大、內(nèi)部PN結(jié)變薄、開啟電壓下降，使正向特性左移、反向特性下移。常溫下硅管的反向飽和電流為10－9A，鍺管為10－6A。故在選擇二極管時(shí)，首選硅管。1.2.3主要性能參數(shù)（低頻參數(shù)）(1)額定整流電流IF

指二極管長(zhǎng)期工作時(shí)，允許通過的最大正向平均電流值，它是由PN結(jié)的面積和散熱條件決定。使用中若超過此值，PN結(jié)由于過熱發(fā)生熱擊穿。（2）最高反向工作電壓URM

指保證二極管反向使用時(shí)，不被擊穿而允許加上的最高反向電壓。一般?。?/2~2/3)UBR。（3）反向飽和漏電流Is和最大反向電流IRM

反向飽和電流Is指二極管加反向電壓時(shí)流過的電流。最大反向電流IRM指二極管工作在最高反向工作電壓時(shí)的電流。

反向電流越大，說明管子的溫度穩(wěn)定性越差，其單向?qū)щ娦圆缓?。常溫下硅管的反向飽和電流?0-9A，而鍺管為10-6A

。故在選擇二極管時(shí)，首選硅管，其具有反向耐壓管、反向電流小、溫度穩(wěn)定好等特定。最大反向電流和溫度有很大關(guān)系，溫度每升高100C度，反向電流就增加一倍。例如2AP1型鍺二極管，在250C時(shí)反向電流為250μA，溫度升高到350C時(shí)，反向電流將上升到500μA，依此類推，在750C時(shí)，它的反向電流已達(dá)8mA，不僅失去了單向?qū)щ娞匦?，還會(huì)使二極管過熱而損壞。（4）直流電阻RD

二極管工作時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓和電流，稱為靜態(tài)工作點(diǎn)，如Q1和Q2，其直流電阻就是靜態(tài)工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓和電流的比值。即注意：二極管正向?qū)〞r(shí)，電流越大，其值越小。反向截止時(shí)，由于電流很小，故反向直流電阻很大。正反向電阻反差越大，說明二極管的單向?qū)щ娦栽胶谩Ｖ绷麟娮璧膸缀我饬x（5）交流電阻rd

指在靜態(tài)工作點(diǎn)附近電壓變化量和電流變化量的比值，即

當(dāng)二極管兩端電壓比較高時(shí)，交流電阻可近似為注意：rd即為Q點(diǎn)的切線斜率，一般在幾十歐至幾百歐。交流電阻的幾何意義（6）PN結(jié)電容PN結(jié)上電壓變化時(shí)，PN結(jié)內(nèi)存儲(chǔ)的電荷量也會(huì)發(fā)生變化，說明PN結(jié)具有電容效應(yīng)。其等效電容包含勢(shì)壘電容CB和擴(kuò)散電容CD?！飫?shì)壘電容CB：是PN結(jié)內(nèi)空間電荷量隨外加電壓變化形成的，是非線性的。★擴(kuò)散電容CD：是多數(shù)載流子在擴(kuò)散過程中隨外加電壓變化形成的。注意：PN結(jié)反向偏置時(shí)電阻大，電容小，主要為勢(shì)壘電容；正向偏置時(shí)，PN結(jié)電阻小，電容大，取決于擴(kuò)散電容。一般結(jié)電容為幾皮法到幾十皮法，高頻時(shí)結(jié)電容影響不可忽略。低頻時(shí)可忽略。（7）最高工作頻率fmax

二極管最高工作頻率為是指二極管正常工作時(shí)，允許通過交流信號(hào)的最高頻率。超過此頻率，因?yàn)榻Y(jié)電容的影響，二極管的單向?qū)щ娦宰儾?。?）反向恢復(fù)時(shí)間trr

指二極管由導(dǎo)通突然反向時(shí)，電流由很大衰減到接近反向飽和電流IS時(shí)所需要的時(shí)間。大功率開關(guān)管工作在高頻開關(guān)狀態(tài)時(shí)，反向恢復(fù)時(shí)間是二極管的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

在二極管的工作電壓幅度較大時(shí)，可以忽略二極管的正向?qū)▔航岛头聪蝻柡碗娏鳌７雌珘簳r(shí)二極管截止電流為零正偏時(shí)二極管導(dǎo)通電壓為零1.理想模型

二極管的理想模型1.2.4二極管的等效模型及其應(yīng)用

在分析二極管時(shí)，可以用折線模型、恒壓模型和理想模型來表示。2.折線模型

考慮二極管的開啟電壓Uth。

當(dāng)u<Uth,i=0;當(dāng)u≥Uth,曲線用斜率為1/rd的直線代替。二極管的折線模型3.恒壓降模型

當(dāng)二極管的正向?qū)▔航蹬c外加電壓相比不能忽略時(shí)，二極管正向?qū)煽闯墒呛銐涸?，其電壓為二極管導(dǎo)通時(shí)的正向壓降UF（硅管典型值為0.7V，鍺管典型值為0.3V）；截止時(shí)反向電流為零，做開路處理。二極管的恒壓降模型用折線模型分析二極管電路非常復(fù)雜，工程上一般用恒壓降模型和理想模型。解：若要判斷二極管是導(dǎo)通還是截止，則可先假設(shè)二極管移開，計(jì)算二極管的陽(yáng)極和陰極之間的電位差。若該電位差大于零，則表明二極管導(dǎo)通；若該電位差小于或等于零，則二極管截止。例1-1電路如圖所示，設(shè)二極管是理想的,試判斷二極管是導(dǎo)通還是截止？并求輸出電壓UAO。移去二極管后的電路由可得兩個(gè)二極管的陽(yáng)極和陰極之間的電位差分別為

故二極管D1導(dǎo)通，D2截止。由于二極管為理想二極管，所以D1做短路處理，D2做開路處理二極管等效電路輸出電壓例1-2如圖所示電路中的二極管是硅管，①若二極管為理想二極管，則流過二極管中的電流是多少？②如果二極管正向?qū)▔航禐?.7V，則流過二極管中的電流又是多少？③若U＝20V，且二極管正向?qū)▔航禐?.7V，則流過二極管中的電流又是多少？解：(1)若二極管為理想二極管，二極管D承受正向電壓而導(dǎo)通，UD＝0V，相當(dāng)于短路。理想二極管等效電路(2)如果二極管正向?qū)▔航禐?.7V，先判斷二極管是導(dǎo)通還是截止。假設(shè)將二極管移開，即二極管中的電流為移開二極管的等效電路則R2兩端的電壓為由于硅二極管的死區(qū)電壓為0.5V，故二極管截止，ID＝0(3)若U＝20V，且二極管正向?qū)▔航禐?.7V，則假設(shè)移開二極管，即移開二極管的等效電路則R2兩端的電壓為

由于二極管兩端電壓大于死區(qū)電壓，故D導(dǎo)通，二極管用恒壓源代替，恒壓源兩端電壓為UD＝0.7V，即二極管導(dǎo)通的等效電路

二極管的應(yīng)用范圍很廣泛，主要是由于二極管具有單向?qū)щ娦裕岳枚O管可以進(jìn)行整流、限幅、保護(hù)、檢波、鉗位及開關(guān)電路等。則二極管中的電流為1.3特殊半導(dǎo)體二極管

穩(wěn)壓管是一種由特殊工藝制成的面接觸型硅二極管，與普通二極管相比，其正向特性相似，而反向特性比較陡。穩(wěn)壓管的符號(hào)1.3.1穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管的伏安特性穩(wěn)壓管的外形圖也叫齊納二極管，型號(hào)2CW××、1N5221等1.伏安特性2.穩(wěn)壓管的主要參數(shù)（1）穩(wěn)定電壓UZ

（2）穩(wěn)定電流IZ（3）最大穩(wěn)定電流IZmax

穩(wěn)壓管正常工作時(shí)的反向擊穿電壓。

穩(wěn)壓管反向穩(wěn)壓時(shí)的最小工作電流，當(dāng)實(shí)際電流小于此值時(shí)，穩(wěn)壓效果下降。

穩(wěn)壓管反向穩(wěn)壓時(shí)的最大工作電流，當(dāng)實(shí)際電流大于此值時(shí)，PN結(jié)會(huì)由于熱擊穿而損壞。（4）最大允許耗散功率PZM

指穩(wěn)壓管的PN結(jié)不會(huì)由于熱擊穿而損壞的最大功率損耗，它等于穩(wěn)定電壓和最大穩(wěn)定電流的乘積。穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電流最大穩(wěn)定電流（5）動(dòng)態(tài)電阻rZ（6）電壓溫度系數(shù)αu

指穩(wěn)壓管正常工作區(qū)域內(nèi)，兩端電壓的變化量與電流變化量的比值，即

注：動(dòng)態(tài)電阻越小，反向特性越陡，穩(wěn)壓性能越好指當(dāng)溫度變化1oC，穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓相對(duì)變化量，即電壓溫度系數(shù)有正有負(fù)，一般穩(wěn)定電壓UZ低于6V時(shí)電壓溫度系數(shù)為負(fù)值，UZ高于6V時(shí)電壓溫度系數(shù)為正值，6V左右的穩(wěn)壓管其電壓溫度系數(shù)接近于零，如2CW15穩(wěn)壓管的電壓溫度系數(shù)為＋0.01～+0.08。例1-3電路如圖(a)、(b)所示。其中限流電阻R=2kΩ，硅穩(wěn)壓管DZ1、DZ2的穩(wěn)定電壓UZ1=5.6V、UZ2=8.2V，正向壓降為0.7V，動(dòng)態(tài)電阻可以忽略。試求電路輸出電壓Uo的值。解：

在圖(a)示電路中，由于穩(wěn)壓管DZ1的穩(wěn)定電壓低，所以DZ1優(yōu)先(擊穿)導(dǎo)通，Uo=UZ1=5.6V，DZ2截止。

在圖(b)示電路中，由于穩(wěn)壓管DZ1

與DZ2的穩(wěn)定電壓之和為5.6+8.2=13.8V。故DZ1和DZ2同時(shí)導(dǎo)通,Uo=13.8V1.3.2發(fā)光二極管

發(fā)光二極管是將電能轉(zhuǎn)化成光能，簡(jiǎn)稱LED（LightEmittingDiode），它是由砷化鎵GaAs）、磷化鎵（GaP）、磷砷化鎵（GaAsP）等半導(dǎo)體制成的，在正向電壓作用下，電子和空穴復(fù)合釋放能量而發(fā)光，故發(fā)光二極管工作時(shí)要加正向電壓。主要用于電源指示、報(bào)警等。外形圖電路符號(hào)應(yīng)用電路LED正向?qū)妷簽?.5V~3V，工作電流為幾十毫安，一般管腳長(zhǎng)的為陽(yáng)極。型號(hào)1.3.3光敏二極管

光敏二極管（也叫光電二極管）是將光信號(hào)變成電信號(hào)的半導(dǎo)體器件，具有靈敏度高、高頻性能好，可靠性好、體積小、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。管殼上有玻璃窗口，為了接收光線。PN結(jié)面積大，電極面積小，PN結(jié)的結(jié)深很淺，有利于提高光電轉(zhuǎn)換效率。工作時(shí)加反向電壓，無光照時(shí)，反向電流很?。ㄐ∮?.1μA）；當(dāng)有光照時(shí)，反向電流增加，因此負(fù)載兩端電壓會(huì)隨光照強(qiáng)弱變化。主要用于光電檢測(cè)。外形圖電路符號(hào)應(yīng)用電路型號(hào)：2CU、2DU等系列1.4半導(dǎo)體二極管的應(yīng)用實(shí)例利用二極管的單向?qū)щ娦裕蓪⒍O管用于整流、限幅、元件保護(hù)、檢波、箝位及數(shù)字電路中作為開關(guān)元件。下面介紹二極管的幾種典型應(yīng)用。1.4.1箝位電路箝位電路的作用是將輸出端電位鉗制在一定的數(shù)值上。當(dāng)多個(gè)二極管共陰或者共陽(yáng)連接時(shí)，利用陽(yáng)、陰極之間電位差大的二極管優(yōu)先導(dǎo)通的概念進(jìn)行分析。并且常常把二極管理想化。實(shí)際上其構(gòu)成了一個(gè)二極管與門電路。二極管箝位電路表1-1圖1-22在不同輸入下的輸出及狀態(tài)VAVB二極管狀態(tài)VF0V0VVD1、VD2都導(dǎo)通0V0V3VVD1導(dǎo)通、VD2截止0V3V0VVD1截止、VD2導(dǎo)通0V3V3VVD1、VD2都導(dǎo)通3V1.4.1箝位電路

把輸出電壓的最高電平限制在某一數(shù)值或某一范圍內(nèi)，稱為限幅電路。1.4.2限幅電路二極管限幅電路限幅電路輸出波形1.4.3繼電器驅(qū)動(dòng)管保護(hù)電路

若無二極管D1，則當(dāng)三極管由導(dǎo)通到截止，在繼電器線圈兩端產(chǎn)生很高的電動(dòng)勢(shì)，會(huì)擊穿線圈并在開關(guān)兩端產(chǎn)生火花。故為了保護(hù)線圈，則在線圈兩端并一二極管，提供電流泄放回路。二極管保護(hù)電路1.5雙極型晶體管1.5.1雙極型晶體管的分類及結(jié)構(gòu)

雙極型晶體管（BipolarJunctionTransistor,BJT）簡(jiǎn)稱為晶體管或三極管。常見BJT外形及管腳排列BJT圖片BJT分類：BJT按照制造材料分為鍺管和硅管；按照工作頻率分為低頻管和高頻管；按照允許耗散的功率大小分為小功率管、中功率管和大功率管；按結(jié)構(gòu)分為NPN管和PNP管。NPNPNP符號(hào)符號(hào)1.BJT放大交流信號(hào)的內(nèi)部條件1.5.2雙極型晶體管的工作原理（1）基區(qū)很薄，且摻雜濃度很低；（2）發(fā)射區(qū)摻雜濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基區(qū)摻雜深度；（3）集電區(qū)摻雜濃度比發(fā)射區(qū)低，且集電區(qū)面積比發(fā)射區(qū)大，所以發(fā)射區(qū)和集電區(qū)不能互換。PNP2.BJT放大交流信號(hào)的外部條件（1）發(fā)射結(jié)正偏（2）集電結(jié)反偏NPN–+++VC

>VB>VE+–––VC<VB<VE3.內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)過程（1）發(fā)射區(qū)的電子向基區(qū)運(yùn)動(dòng)發(fā)射結(jié)外加正向電壓多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)形成發(fā)射區(qū)電流IEN電源向發(fā)射區(qū)補(bǔ)充電子形成了IE基區(qū)的多子—空穴也會(huì)向發(fā)射區(qū)擴(kuò)散，形成空穴電流IEP(很小，忽略）故IE≈IENBJT內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)示意圖（2）發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)的電子在基區(qū)的擴(kuò)散與復(fù)合發(fā)射區(qū)的大部分電子很快擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)到集電結(jié)一小部分電子與基區(qū)的空穴復(fù)合形成基區(qū)電流IBN電源UBB向基區(qū)補(bǔ)充空穴，形成基區(qū)電流IB由于基區(qū)摻雜濃度低且薄，故復(fù)合的電子很少，IBN

亦即很小。（3）集電區(qū)收集發(fā)射區(qū)擴(kuò)散過來的電子基區(qū)中電子漂移運(yùn)動(dòng)通過集電結(jié)集電結(jié)反偏形成集電區(qū)電流ICN集電區(qū)少子（空穴）漂移運(yùn)動(dòng)，形成反向飽和電流ICBO故IC≈ICN很小，可忽略集電極反向飽和電流4.三極管的電流分配關(guān)系注意：若考慮ICBO的影響，即實(shí)際上集射極反向穿透電流，三極管的重要參數(shù)，說明受溫度的影響。推導(dǎo)出

晶體三極管的特性曲線是指其各電極間電壓和電流之間的關(guān)系曲線，包括輸入特性曲線和輸出特性曲線。1.5.3晶體管的特性曲線1.輸入特性

是指在共發(fā)射極放大電路中，集射極電壓uCE為一定值時(shí)，輸入基極電流iB與輸入基射極電壓uBE之間的關(guān)系曲線，即晶體管特性測(cè)試電路特點(diǎn)：①UCE≥1曲線重合；②當(dāng)UBE小于開啟電壓時(shí)，IB=0，三極管截止；當(dāng)UBE大于開啟電壓時(shí)，三極管導(dǎo)通，IB隨UBE快速增大。發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓為輸入特性曲線2.輸出特性

對(duì)于共發(fā)射極放大電路，三極管輸出特性是指當(dāng)iB為定值時(shí)，集電極電流iC（輸出電流）與集射極之間電壓uCE的關(guān)系曲線，即晶體管特性測(cè)試電路晶體管輸出特性曲線特點(diǎn)：①當(dāng)IB一定時(shí)，在UCE=0～1V區(qū)間，隨著UCE的增大，IC線性增加。當(dāng)UCE超過1V后，當(dāng)UCE增高時(shí)，IC幾乎不變，即具有恒流特性；②輸出特性為一簇曲線，當(dāng)IB增大時(shí)，IC線性增大，遠(yuǎn)大于IB，且IC受IB控制，這就是晶體管的電流放大作用的表現(xiàn)。晶體管輸出特性曲線注意：晶體管輸出特性分成三個(gè)區(qū)：放大區(qū)飽和區(qū)截止區(qū)（1）放大區(qū)

三極管工作在放大區(qū)時(shí)，其發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)處于反向偏置，其具有：★放大性：小的基極電流，可以得到較大的集電極電流△iC=β△iB，放大區(qū)也稱線性區(qū)；★恒流性：集電極電流基本不隨集射結(jié)之間的電壓而變化；★可控性：集電極電流受基極電流的控制。放大區(qū)管子進(jìn)入飽和區(qū)后（2）飽和區(qū)

三極管工作在飽和區(qū)時(shí)，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏或者反偏電壓很小。β↓UCE很小，小于1V飽和區(qū)飽和電壓：（3）截止區(qū)

當(dāng)發(fā)射結(jié)電壓小于死區(qū)電壓時(shí)，三極管工作在截止區(qū)。為使三極管可靠截止，常使發(fā)射結(jié)處于反偏狀態(tài)。三極管工作在截止區(qū)發(fā)射結(jié)反偏截止區(qū)注意：

在放大電路中，晶體管只能工作在放大區(qū)，避免工作在飽和區(qū)和截止區(qū)；而在數(shù)字電路中，晶體管工作在飽和區(qū)和截止區(qū)，放大區(qū)是過渡區(qū)。

討論：

如何根據(jù)三極管三個(gè)極的電流和電壓判斷三極管的三個(gè)極、管型、材料、工作區(qū)域？答案：1.若已知三個(gè)極的電流，則絕對(duì)值最小的為基極，絕對(duì)值最大的為發(fā)射極，剩下的為集電極；如果發(fā)射極電流流出為NPN；發(fā)射極電流流入為PNP。2.若已知三個(gè)極的電位，則首先確定兩個(gè)電壓的絕對(duì)值是否有0.7V或0.3V。如果沒有，則管子處于截止?fàn)顟B(tài)，如果有，則可知管子不是處于放大狀態(tài)就是飽和狀態(tài)。此時(shí)即可確定基極和發(fā)射極，并且確定管子的材料和管型。如果絕對(duì)值是0.7V，則為硅管；如果絕對(duì)值是0.3V，則為鍺管。最后看第三個(gè)極的電位是比那兩個(gè)低還是高，如果低則為PNP管，否則為NPN管。再根據(jù)UCE的值確定是放大還是飽和，如果UCE的絕對(duì)值在0.3V或0.1V，則管子處于飽和區(qū)。例1-4在檢修電子設(shè)備時(shí)，由于三極管上標(biāo)號(hào)不清，現(xiàn)測(cè)得三個(gè)電極對(duì)地的電位分別為①U1=－6V，U2=－2.2V，U3=－2.0V；②U4=+9V，U5=+3.7V，U6=+3V。試判斷各管的電極、類型和材料。由題意可知2和3中一個(gè)是基極，另一個(gè)是發(fā)射極，則1為集電極，為鍺管★且U1<U2<U3，故為PNP管，1為集電極，2為基極，3為發(fā)射極解：①U1=－6V，U2=－2.2V，U3=－2.0V5和6中一個(gè)是基極，另一個(gè)是發(fā)射極，則4為集電極，為硅管★且U4>U5>U6，故為NPN管，4為集電極，5為基極，6為發(fā)射極②U4=+9V，U5=+3.7V，U6=+3V例1-5電路如圖所示，已知UBE＝0.7V，晶體管飽和壓降UCES＝0.3V，試計(jì)算當(dāng)開關(guān)S分別處于a、b、c三個(gè)位置時(shí)，三極管分別工作在什么區(qū)域，其IB、IC及UCE分別為多少？

由于UBE＝0，故IB＝0，IC≈0，UCE≈12V，三極管工作在截止區(qū)。

三極管發(fā)射結(jié)加正向電壓導(dǎo)通，UBE＝0.7V，則解：①當(dāng)開關(guān)置于a處時(shí)②當(dāng)開關(guān)置于b處時(shí)

三極管處于臨界飽和時(shí)的集電極電流為臨界飽和時(shí)的基極電流為

由于IB>IBS，故三極管處于飽和狀態(tài)，則

注意：此時(shí)三極管有可能處于放大區(qū)，也有可能處于飽和區(qū)，這要視臨界飽和時(shí)集電極、基極電流大小而定。

三極管發(fā)射極也加正向電壓而導(dǎo)通，UBE=0.7V，則故三極管處于放大狀態(tài)，其③當(dāng)開關(guān)置于c處時(shí)

動(dòng)態(tài)時(shí)（ui≠0），集電極電流變化量△iC與基極電流變化量△iB的比值，即工程上有1.電流放大倍數(shù)

三極管的主要參數(shù)是表示管子性能的好壞和選擇管子的依據(jù)。其主要參數(shù)有：(1)直流電流放大系數(shù)(2)交流電流放大系數(shù)1.5.4三極管的主要參數(shù)

靜態(tài)時(shí)（ui=0），集電極直流電流IC與基極直流電流IB的比值，即2.極間反向電流(1)集電極－基極之間的反向飽和電流ICBO(2)集電極－發(fā)射極之間的穿透電流ICEOICBO測(cè)試電路ICBO是晶體管發(fā)射極開路時(shí)集電極-基極之間的反向電流，一般硅管ICBO<1μA，鍺管ICBO為幾μA到幾十μA。ICEO測(cè)試電路ICEO是晶體管基極開路時(shí)集電極-發(fā)射極極之間的反向電流，一般硅管ICBO<幾μA，鍺管ICBO為幾十μA。ICEO3.極限參數(shù)（1）集電極最大允許電流ICM

將電流放大系數(shù)下降到正常值的三分之二時(shí)，對(duì)應(yīng)的集電極電流。超過此值時(shí)，管子性能下降。

U（BR）CBO：發(fā)射極開路時(shí)，加在集電極－基極之間的最大允許電壓；（2）反向擊穿擊穿電壓

U（BR）EBO：集電極開路時(shí)，加在集發(fā)射極－基極之間的最大允許電壓；

U（BR）CEO：基極開路時(shí)，加在集電極－發(fā)射極之間的最大允許電壓。U（BR）EBO

<U（BR）CEO<U（BR）CBO（3）集電極最大允許功率損耗PCM

集電結(jié)結(jié)溫達(dá)到極限時(shí)的管子功耗，等于集電極直流電流和集射極之間直流電壓的乘積，即PCM=IC

UCE★一般鍺管允許結(jié)溫為700C~900C；硅管允許結(jié)溫為1500C。若加散熱片，PCM可提高?！锞w管的分類也可按PCM來分，一般在環(huán)境溫度為250C以下，PCM<1W的晶體管稱為小功率管；將PCM>10W的晶體管稱為大功率管；介于二者之間的稱為中功率管。安全工作區(qū)

在晶體管輸出特性曲線上，由ICM、U（BR）CEO以及PCM圍成的區(qū)域，稱為晶體管的安全工作區(qū)。晶體管工作點(diǎn)不能超出此區(qū)。安全工作區(qū)ICMU（BR）CEOPCM1.6場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)

場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FieldEffectTransistor，F(xiàn)ET）是利用電場(chǎng)吸引多子參與導(dǎo)電的，故也稱為單極型晶體管。★場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）與晶體三極管（BJT）的區(qū)別BJT：

①因發(fā)射結(jié)在放大時(shí)是正向偏置，故其輸入阻抗?。?03Ω的數(shù)量級(jí)）；②有兩種導(dǎo)電粒子參與導(dǎo)電。由于少數(shù)載流子參與導(dǎo)電，故工作點(diǎn)受溫度影響大，不穩(wěn)定；③屬于電流控制電流器件。FET：

①輸入回路PN結(jié)工作于反偏，或輸入端完全處于絕緣狀態(tài)，故其輸入阻抗可高達(dá)107Ω～1012Ω；②只有一種導(dǎo)電粒子-多子參與導(dǎo)電，因此噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)；③屬于電壓控制電流器件?！?/p>

FET的分類：★FET的特點(diǎn)FET具有體積小、耗電少、壽命長(zhǎng)、內(nèi)部噪聲小、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)、制造工藝簡(jiǎn)單以及便于集成等特點(diǎn)。場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)(JunctionFieldEffectTransistor,JFET)金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（Metal-Oxide-SemiconducorFieldEffectTransistor，MOSFET）N溝道JFETP溝道JFET耗盡型增強(qiáng)型N溝道FETP溝道FETN溝道FETP溝道FET屬于耗盡型FET2.6.1N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管

1.N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)

N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)剖面圖

在一塊N型半導(dǎo)體材料的兩邊各分別擴(kuò)散一個(gè)高摻雜濃度的P型區(qū)(用P+表示)，兩側(cè)P+區(qū)與N溝道交界處形成兩個(gè)PN結(jié)，由于P+區(qū)內(nèi)側(cè)耗盡層非常窄，可見這兩個(gè)PN結(jié)都是非對(duì)稱PN結(jié)。N溝道JFET結(jié)構(gòu)示意圖P溝道JFET結(jié)構(gòu)示意圖P溝道JFET的符號(hào)N溝道JFET結(jié)構(gòu)示意圖N溝道JFET的符號(hào)箭頭所指方向?yàn)镻N結(jié)的方向2.N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理（1）當(dāng)N溝道JFET工作時(shí)，需要在柵極和源極之間加一個(gè)負(fù)電壓(ugs<0)，使柵極與N溝道間的PN結(jié)反偏，柵極電流ig≈0，JFET呈現(xiàn)出高達(dá)109Ω的輸入電阻。★N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管工作的條件：（2）在漏極和源極間加一個(gè)正電壓(uds>0)，則使N溝道中的多數(shù)載流子(電子)在電場(chǎng)作用下由源極向漏極運(yùn)動(dòng)，形成漏極電流id

。-++-id

注意：id的大小會(huì)受uds的影響，同時(shí)也受ugs的控制。因此，討論JFET的工作原理實(shí)際上就是分析ugs對(duì)id的控制作用和uds對(duì)id的影響a.uGS對(duì)導(dǎo)電溝道和iD的控制作用uGS=0時(shí)的導(dǎo)電溝道uGS<0時(shí)的溝道變窄∣uGS∣=UGS（off）時(shí)溝道被夾斷

由此可見，改變uGS的大小可以有效控制導(dǎo)電溝道電阻的大小。但由于uDS=0，故漏極電流id=0

b.uDS對(duì)導(dǎo)電溝道和iD的控制作用在uDS＝0，uGS＝0的情況下，溝道最寬但iD=0電流為零當(dāng)uGS固定，uDS↑溝道變窄成楔形，iD↑↑

此時(shí)A點(diǎn)耗盡層兩邊的電位差用夾斷電壓UGS（off）表示。預(yù)夾斷處A點(diǎn)的電壓關(guān)系為uDS↑，uGD=uGS－uDS=UGS（off），溝道預(yù)夾斷此式稱為JFET的預(yù)夾斷方程，其中UGS（off）稱為關(guān)斷電壓

uDS↑，uGD<UGS（off），溝道夾斷區(qū)延長(zhǎng)，iD不隨uDS的增大而增加uGS=0時(shí)，iD與uDS的關(guān)系曲線3結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線

N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性曲線是指當(dāng)柵源電壓uGS一定時(shí)，F(xiàn)ET漏極電流iD與漏源電壓uDS之間的關(guān)系曲線，即a.輸出特性曲線N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性輸出特性分成四個(gè)區(qū)（1）可變電阻區(qū)；（2）放大區(qū)（恒流區(qū)）；（3）擊穿區(qū)；（4）截止區(qū)?？勺冸娮鑵^(qū)放大區(qū)

在此區(qū)FET可以看作一個(gè)受柵源電壓uGS控制的可變電阻，uGS變化時(shí)，導(dǎo)電溝道的寬度也隨之變化。uGS越負(fù)，漏源之間的等效電阻越大，等效電導(dǎo)越小，輸出特性曲線越平坦。(1)可變電阻區(qū)

在此區(qū)導(dǎo)電溝道處于夾斷狀態(tài)，漏極電流iD基本穩(wěn)定，增加的電壓主要用來克服夾斷區(qū)的阻力，為飽和區(qū)或恒流區(qū)。FET用作放大器時(shí)通常都工作在這個(gè)區(qū)域，故該區(qū)域稱為放大區(qū)(2)放大區(qū)截止區(qū)

當(dāng)uDS↑增加到uDS>u(BR)DS后，柵漏間的PN結(jié)發(fā)生雪崩擊穿，漏極電流迅速增大，通常不允許FET工作在擊穿區(qū)。(3)擊穿區(qū)

當(dāng)uGS<uGS(off)時(shí)，導(dǎo)電溝道完全被夾斷。這一點(diǎn)與BJT輸出特性曲線的截止區(qū)類似。(4)截止區(qū)擊穿區(qū)

是指在漏源電壓uDS為某一常數(shù)時(shí)，漏極電流iD與柵源電壓uGS之間的關(guān)系曲線，即b.轉(zhuǎn)移特性曲線N溝道JFET轉(zhuǎn)移特性曲線

在N溝道JFET輸出特性的恒流區(qū)（飽和區(qū)），轉(zhuǎn)移特性重合，在UGS(off)≤uGS≤0的范圍內(nèi)，iD隨uGS的增加(負(fù)數(shù)減小)近似按平方規(guī)律上升，即其中IDSS為uGS=0的電流，UGS（off）為關(guān)斷電壓。只要給出IDSS和UGS（off），則可計(jì)算iD和uGS。

JFET的直流輸入電阻可以高達(dá)106~109Ω，為了進(jìn)一步提高輸入電阻，產(chǎn)生了柵極處于絕緣狀態(tài)的MOSFET，其輸入電阻可以高達(dá)1015Ω。MOSFETP溝道N溝道N溝道P溝道增強(qiáng)型（E型）耗盡型（D型）1.6.2

絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管(1)N溝道增強(qiáng)型MOSFET的結(jié)構(gòu)1.N溝道增強(qiáng)型MOSFETN溝道增強(qiáng)型MOSFET的結(jié)構(gòu)圖增強(qiáng)型MOSFET的符號(hào)a.uGS對(duì)iD的控制作用(2)N溝道增強(qiáng)型MOSFET的工作原理uGS=0、uDS≠0時(shí)，無溝道形成，iD=0uGS≥UGS（th）、uDS=0時(shí)，有導(dǎo)電溝道形成，稱為反型層，但iD=0當(dāng)uGS≥UGS（th）時(shí)，在uGS和uDS的共同作用下，導(dǎo)電溝道成楔形，iD↑b.uDS對(duì)iD的影響當(dāng)uDS↑至uGD=uGS-uDS=UGS（th）時(shí)，導(dǎo)電溝道預(yù)夾斷，iD趨向飽和。uDS↑

，使uGD<UGS（th），溝道夾斷區(qū)延長(zhǎng)，iD飽和

注：輸出特性同樣分為可變電阻區(qū)、放大區(qū)(飽和區(qū))、擊穿區(qū)和截止區(qū)（3）N溝道增強(qiáng)型MOSFET的特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線輸出特性曲線漏極電流的近似表達(dá)式為其中UGS（th）為N溝道增強(qiáng)型MOSFET的開啟電壓，IDO為uGS=2UGS(th)時(shí)的漏極電流。2.N溝道耗盡型MOSFETN溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)N溝道耗盡型M