模塊6半導(dǎo)體及其器件6.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)6.2二極管6.3特殊二極管6.4雙極型晶體管6.5單極型晶體管電子元器件是組成電子設(shè)備和儀器的小型部件，通常由多個(gè)零件構(gòu)成，可以在同類產(chǎn)品中通用，主要包括二極管、三極管等。這些元件大多由半導(dǎo)體材料制成，稱為半導(dǎo)體器件，自20世紀(jì)50年代初發(fā)展以來(lái)，以其體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、功耗低和效率高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代電子設(shè)備中。隨著集成電路，尤其是大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，電子設(shè)備在微型化和可靠性方面取得了顯著進(jìn)展。為了有效使用這些元器件，工程技術(shù)人員需了解半導(dǎo)體的特性、PN結(jié)的單向?qū)щ娦砸约俺Ｓ枚O管、三極管的技術(shù)參數(shù)，從而確保在工程實(shí)踐中的正確使用，并推動(dòng)電子元器件的持續(xù)創(chuàng)新和發(fā)展。學(xué)習(xí)引導(dǎo)知識(shí)目標(biāo)：半導(dǎo)體擁有諸多獨(dú)特的特性，其中包括導(dǎo)電性能的變化能力、對(duì)光的敏感反應(yīng)、對(duì)熱的敏感反應(yīng)，以及摻雜特性等。在半導(dǎo)體材料的范疇中，本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體在導(dǎo)電機(jī)制上呈現(xiàn)出明顯的差異。PN結(jié)作為半導(dǎo)體器件的核心組成部分，其原理建立在擴(kuò)散與漂移運(yùn)動(dòng)的平衡之上，體現(xiàn)出正向?qū)ǘ聪蚪刂沟膯蜗驅(qū)щ娞匦?。基于這些原理，半導(dǎo)體二極管和三極管等器件被廣泛地研發(fā)出來(lái)，并在各自特定的應(yīng)用場(chǎng)景中發(fā)揮著不可替代的重要作用。學(xué)習(xí)目標(biāo)技能目標(biāo)：查閱晶體管手冊(cè)，根據(jù)工程需求選擇合適的二極管、三極管和MOS管。整流用面接觸型二極管，高頻放大用點(diǎn)接觸型二極管。

用萬(wàn)用表檢測(cè)二極管極性及好壞，正向電阻小、反向電阻大且差值大則為完好。

判別三極管類型，區(qū)分基極、集電極、發(fā)射極，并初步判斷電流放大能力。

檢測(cè)MOS管導(dǎo)通性，注意防靜電。搭建基礎(chǔ)電路如二極管整流、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓和LED發(fā)光，正確串聯(lián)限流電阻，驗(yàn)證器件功能，如LED正向發(fā)光和穩(wěn)壓管輸出固定電壓。學(xué)習(xí)目標(biāo)素養(yǎng)目標(biāo)：工程安全與規(guī)范意識(shí)：樹立“參數(shù)不超限、靜電防護(hù)、正確偏置”的器件使用規(guī)范，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)碾娮与娐凡僮髁?xí)慣。抽象問題拆解能力：能將復(fù)雜半導(dǎo)體器件拆解為“PN結(jié)+結(jié)構(gòu)優(yōu)化”的基礎(chǔ)單元，建立“從基礎(chǔ)原理到器件功能”的邏輯分析思維。技術(shù)應(yīng)用與創(chuàng)新意識(shí)：結(jié)合半導(dǎo)體器件在電路中的作用理解“基礎(chǔ)器件支撐電子設(shè)備”的技術(shù)邏輯，激發(fā)對(duì)集成電路、半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的認(rèn)知興趣，培養(yǎng)“理論指導(dǎo)實(shí)踐”的工程思維。學(xué)習(xí)目標(biāo)6.1

半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)提出問題什么叫本征半導(dǎo)體、雜質(zhì)半導(dǎo)體？半導(dǎo)體的獨(dú)特性能有哪些？本征激發(fā)和復(fù)合的概念你理解多少？PN結(jié)的形成及其獨(dú)特性能是什么？核心提示：掌握半導(dǎo)體“光敏、熱敏、摻雜性”三大獨(dú)特性能，理解本征/雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理，明確PN結(jié)正向?qū)?、反向阻斷的單向?qū)щ娦?。知識(shí)準(zhǔn)備半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)包括半導(dǎo)體材料及其獨(dú)特的導(dǎo)電機(jī)理，涵蓋了本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體的概念。此外，它還詳細(xì)闡述了PN結(jié)的形成過(guò)程及其顯著的單向?qū)щ娞匦?。金屬?dǎo)體的電導(dǎo)率一般在105s/cm量級(jí)；塑料、云母等絕緣體的電導(dǎo)率通常是10-22~10-14s/cm量級(jí)；半導(dǎo)體的電導(dǎo)率則在10-9~102s/cm量級(jí)。半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力雖然介于導(dǎo)體和絕緣體之間，但半導(dǎo)體的應(yīng)用卻極其廣泛，這是由半導(dǎo)體的獨(dú)特性能決定的：光敏性——半導(dǎo)體受光照后，其導(dǎo)電能力大大增強(qiáng)；熱敏性——受溫度的影響，半導(dǎo)體導(dǎo)電能力變化很大；摻雜性——在半導(dǎo)體中摻入少量特殊雜質(zhì)，其導(dǎo)電能力極大地增強(qiáng)；半導(dǎo)體材料的獨(dú)特性能是由其內(nèi)部的導(dǎo)電機(jī)理所決定的。6.1.1半導(dǎo)體的獨(dú)特性能實(shí)踐1：半導(dǎo)體光敏、熱敏特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)器材：光敏電阻（半導(dǎo)體）、1.5V電池、小功率燈泡、手電筒、熱吹風(fēng)機(jī)、導(dǎo)線。2.實(shí)驗(yàn)步驟：（1）光敏性測(cè)試：將光敏電阻、電池、燈泡串聯(lián)，暗環(huán)境下觀察燈泡亮度（較暗）；（2）用手電筒照射光敏電阻，觀察燈泡變亮；（3）熱敏性測(cè)試：保持電路不變，用熱吹風(fēng)機(jī)低溫檔吹光敏電阻，觀察燈泡進(jìn)一步變亮：溫度升高，導(dǎo)電能力增強(qiáng)。3.現(xiàn)象總結(jié)：半導(dǎo)體受光照、升溫后導(dǎo)電能力顯著增強(qiáng)，驗(yàn)證光敏性與熱敏性。知識(shí)總結(jié)1.半導(dǎo)體靠自由電子和空穴兩種載流子導(dǎo)電，區(qū)別于導(dǎo)體僅靠自由電子；2.雜質(zhì)半導(dǎo)體（N型/PN型）通過(guò)摻雜提升導(dǎo)電能力，是器件的基礎(chǔ)；3.PN結(jié)單向?qū)щ娦允嵌O管、三極管等器件的核心原理，反向擊穿需區(qū)分可控（利用）與不可控（避免）。6.1.2本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體最常用的半導(dǎo)體為硅(Si)和鍺(Ge)。它們的共同特征是四價(jià)價(jià)元素，即每個(gè)原子最外層電子數(shù)為4個(gè)。++Si(硅原子)Ge(鍺原子)硅原子和鍺原子的簡(jiǎn)化模型圖Si+4Ge+4因?yàn)樵映孰娭行?，所以?jiǎn)化模型圖中的原子核只用帶圈的+4符號(hào)表示即可。天然的硅和鍺是不能制作成半導(dǎo)體器件的。它們必須先經(jīng)過(guò)高度提純，形成晶格結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱的本征半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體原子核最外層的價(jià)電子都是4個(gè)，稱為四價(jià)元素，它們排列成非常整齊的晶格結(jié)構(gòu)。在本征半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)中，每一個(gè)原子均與相鄰四個(gè)原子的價(jià)電子兩兩組成電子對(duì)，構(gòu)成共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4實(shí)際上半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)是三維的。晶格結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)1.本征半導(dǎo)體＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4從共價(jià)鍵晶格結(jié)構(gòu)來(lái)看，每個(gè)原子外層都具有8個(gè)價(jià)電子。但價(jià)電子是相鄰原子共用，所以穩(wěn)定性并不能象絕緣體那樣好。在游離走的價(jià)電子原位上留下一個(gè)不能移動(dòng)的空位，叫空穴。受光照或溫度上升影響，共價(jià)鍵中價(jià)電子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，一些價(jià)電子會(huì)掙脫原子核的束縛游離到空間成為自由電子。熱運(yùn)動(dòng)造成晶體中出現(xiàn)自由電子的現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。本征激發(fā)的結(jié)果，造成了半導(dǎo)體內(nèi)部自由電子載流子的產(chǎn)生，由此本征半導(dǎo)體的電中性被破壞，使失掉電子的原子變成帶正電荷的離子。由于共價(jià)鍵是定域的，使得這些帶正電離子不能移動(dòng)，成為晶體中固定不動(dòng)的部分，即它們不能參與導(dǎo)電。＋＋本征激發(fā)和復(fù)合＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4受光照或溫度上升影響，共價(jià)鍵中其它一些價(jià)電子直接跳進(jìn)空穴，使失電子的原子重新恢復(fù)電中性。價(jià)電子填補(bǔ)空穴的現(xiàn)象稱為復(fù)合。此時(shí)整個(gè)晶體帶電嗎？為什么？參與復(fù)合的價(jià)電子又會(huì)留下一個(gè)新的空位，而這個(gè)新的空穴仍會(huì)被鄰近共價(jià)鍵中跳出來(lái)的價(jià)電子填補(bǔ)上，這種價(jià)電子填補(bǔ)空穴的復(fù)合運(yùn)動(dòng)使本征半導(dǎo)體中又形成一種不同于本征激發(fā)下的電荷遷移，為區(qū)別于本征激發(fā)下自由電子載流子的運(yùn)動(dòng)，我們把價(jià)電子填補(bǔ)空穴的復(fù)合運(yùn)動(dòng)稱為空穴載流子運(yùn)動(dòng)。＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4半導(dǎo)體中這兩種載流子，其中自由電子載流子運(yùn)動(dòng)可以形容為沒有座位的人依次定向移動(dòng)；空穴載流子運(yùn)動(dòng)則可形容為有座位的人依次向前挪動(dòng)座位的運(yùn)動(dòng)。半導(dǎo)體內(nèi)部的這兩種運(yùn)動(dòng)總是共存的，且在一定溫度下達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理在金屬導(dǎo)體中存在大量的自由電子，這些自由電子是一種帶電的微粒子，在外電場(chǎng)作用下定向移動(dòng)形成電流。即金屬導(dǎo)體內(nèi)部只有自由電子一種載流子參與導(dǎo)電。半導(dǎo)體由于本征激發(fā)而產(chǎn)生自由電子載流子，由復(fù)合運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生空穴載流子，因此，半導(dǎo)體中同時(shí)參與導(dǎo)電的通常有兩種載流子，且兩種載流子總是電量相等、符號(hào)相反，電流的方向規(guī)定為空穴載流的方向即自由電子的反方向。半導(dǎo)體中同時(shí)有兩種載流子參與導(dǎo)電，是它與金屬導(dǎo)體在導(dǎo)電機(jī)理上的本質(zhì)區(qū)別，同時(shí)也是半導(dǎo)體導(dǎo)電方式的獨(dú)特之處。

本征半導(dǎo)體雖然有自由電子和空穴兩種載流子，但由于數(shù)量極少導(dǎo)電能力仍然很低。如果在其中摻入某種元素的微量雜質(zhì)，將使摻雜后的雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能大大增強(qiáng)。+五價(jià)元素磷(P)＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4P摻入磷雜質(zhì)的硅半導(dǎo)體晶格中，自由電子的數(shù)量大大增加。因此自由電子是這種半導(dǎo)體的導(dǎo)電主流。

在室溫情況下，本征硅中的磷雜質(zhì)等于10-6數(shù)量級(jí)時(shí)，電子載流子的數(shù)目將增加幾十萬(wàn)倍。摻入五價(jià)元素的雜質(zhì)半導(dǎo)體由于自由電子多而稱為電子型半導(dǎo)體，也叫做N型半導(dǎo)體。2.雜質(zhì)半導(dǎo)體＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4三價(jià)元素硼(B)B+摻入硼雜質(zhì)的硅半導(dǎo)體晶格中，空穴載流子的數(shù)量大大增加。因此空穴成為這種半導(dǎo)體的導(dǎo)電主流。一般情況下，雜質(zhì)半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子的數(shù)量可達(dá)到少數(shù)載流子數(shù)量的1010倍或更多，因此，雜質(zhì)半導(dǎo)體比本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力可增強(qiáng)幾十萬(wàn)倍。

摻入三價(jià)元素的雜質(zhì)半導(dǎo)體，由于空穴載流子的數(shù)量大大于自由電子載流子的數(shù)量而稱為空穴型半導(dǎo)體，也叫做P型半導(dǎo)體。在P型半導(dǎo)體中，多數(shù)載流子是空穴，少數(shù)載流子是自由電子，而不能移動(dòng)的離子帶負(fù)電。－不論是N型半導(dǎo)體還是P型半導(dǎo)體，其中的多子和少子的移動(dòng)都能形成電流。但是，由于多子的數(shù)量遠(yuǎn)大于少子的數(shù)量，因此起主要導(dǎo)電作用的是多數(shù)載流子。注意：摻入雜質(zhì)后雖然形成了N型或P型半導(dǎo)體，但整個(gè)半導(dǎo)體晶體仍然呈電中性。一般可近似認(rèn)為多數(shù)載流子的數(shù)量與雜質(zhì)的濃度相等。P型半導(dǎo)體中的空穴多于自由電子，是否意味著它帶正電？自由電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電的區(qū)別在哪里？空穴載流子的形成是否是自由電子填補(bǔ)空穴的運(yùn)動(dòng)形成的？何謂雜質(zhì)半導(dǎo)體中的多子和少子

？N型半導(dǎo)體中的多子是什么？少子是什么？思考與問題6.1.3PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?.PN結(jié)的形成

雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力雖然比本征半導(dǎo)體極大增強(qiáng)，但它們并不能稱為半導(dǎo)體器件。在電子技術(shù)中，PN結(jié)是一切半導(dǎo)體器件的“元概念”和技術(shù)起始點(diǎn)。在一塊晶片的兩端分別注入三價(jià)元素硼和五價(jià)元素磷++++++++++++++++－－－－－－－－－－－－－－－－P區(qū)N區(qū)空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng)PN結(jié)形成的過(guò)程中，多數(shù)載流子的擴(kuò)散和少數(shù)載流子的漂移共存。開始時(shí)多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)占優(yōu)勢(shì)，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的結(jié)果使PN結(jié)加寬，內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)；另一方面，內(nèi)電場(chǎng)又促使了少子的漂移運(yùn)動(dòng)：P區(qū)的少子電子向N區(qū)漂移，補(bǔ)充了交界面上N區(qū)失去的電子，同時(shí)，N區(qū)的少子空穴向P區(qū)漂移，補(bǔ)充了原交界面上P區(qū)失去的空穴，顯然漂移運(yùn)動(dòng)減少了空間電荷區(qū)帶電離子的數(shù)量，削弱了內(nèi)電場(chǎng)，使PN結(jié)變窄。最后，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的寬度基本穩(wěn)定，即PN結(jié)形成。PN結(jié)內(nèi)部載流子基本為零，因此導(dǎo)電率很低，相當(dāng)于介質(zhì)。但PN結(jié)兩側(cè)的P區(qū)和N區(qū)導(dǎo)電率很高，相當(dāng)于導(dǎo)體，這一點(diǎn)和電容比較相似，所以說(shuō)PN結(jié)具有電容效應(yīng)。PN結(jié)正向偏置時(shí)的情況PN結(jié)反向偏置的情況

2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

PN結(jié)的上述“正向?qū)ǎ聪蜃钄唷弊饔?，說(shuō)明它具有單向?qū)щ娦裕琍N結(jié)的單向?qū)щ娦允撬鼧?gòu)成半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。由于常溫下少數(shù)載流子的數(shù)量不多，故反向電流很小，而且當(dāng)外加電壓在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，反向電流幾乎不隨外加電壓的變化而變化，因此反向電流又稱為反向飽和電流。PN結(jié)中反向電流的討論反向飽和電流由于很小一般可以忽略，從這一點(diǎn)來(lái)看，PN結(jié)對(duì)反向電流呈高阻狀態(tài)，也就是所謂的反向阻斷作用。值得注意的是，由于本征激發(fā)隨溫度的升高而加劇，導(dǎo)致電子—空穴對(duì)增多，因而反向電流將隨溫度的升高而成倍增長(zhǎng)。反向電流是造成電路噪聲的主要原因之一，因此，在設(shè)計(jì)電路時(shí)，必須考慮溫度補(bǔ)償問題。2.受溫度和光照影響，半導(dǎo)體的本征激發(fā)產(chǎn)生電子、空穴對(duì)；同時(shí)，復(fù)合運(yùn)動(dòng)又使得其它價(jià)電子不斷地“轉(zhuǎn)移跳進(jìn)”空穴中。一定溫度下，電子、空穴對(duì)的激發(fā)和復(fù)合最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。平衡狀態(tài)下，半導(dǎo)體中的載流子濃度一定，即反向飽和電流的數(shù)值基本不發(fā)生變化。1.半導(dǎo)體中少子的濃度雖然很低，但少子對(duì)溫度非常敏感，因此溫度對(duì)半導(dǎo)體器件的性能影響很大。而多子因濃度基本上等于雜質(zhì)原子的摻雜濃度，所以說(shuō)多子的數(shù)量基本上不受溫度的影響。4.PN結(jié)的單向?qū)щ娦允侵福篜N結(jié)正向偏置時(shí)，呈現(xiàn)的電阻很小幾乎為零，因此多子構(gòu)成的擴(kuò)散電流極易通過(guò)PN結(jié)；PN結(jié)反向偏置時(shí)，呈現(xiàn)的電阻趨近于無(wú)窮大，因此電流無(wú)法通過(guò)被阻斷。3.空間電荷區(qū)的電阻率很高，是指其內(nèi)電場(chǎng)阻礙多數(shù)載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的作用，由于這種阻礙作用，使得擴(kuò)散電流難以通過(guò)空間電荷區(qū)，即空間電荷區(qū)對(duì)擴(kuò)散電流呈現(xiàn)高阻作用。學(xué)習(xí)與歸納3.PN結(jié)的反向擊穿問題PN結(jié)反向偏置時(shí)，在一定的電壓范圍內(nèi)，流過(guò)PN結(jié)的電流很小，基本上可視為零值。但當(dāng)電壓超過(guò)某一數(shù)值時(shí)，反向電流會(huì)急劇增加，這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)反向擊穿。反向擊穿發(fā)生在空間電荷區(qū)。擊穿的原因主要有兩種：當(dāng)PN結(jié)上加的反向電壓大大超過(guò)反向擊穿電壓時(shí)，處在強(qiáng)電場(chǎng)中的載流子獲得足夠大的能量碰撞晶格，將價(jià)電子碰撞出來(lái)，產(chǎn)生電子空穴對(duì)，新產(chǎn)生的載流子又會(huì)在電場(chǎng)中獲得足夠能量，再去碰撞其它價(jià)電子產(chǎn)生新的電子空穴對(duì)，如此連鎖反應(yīng)，使反向電流越來(lái)越大，這種擊穿稱為雪崩擊穿。（1）雪崩擊穿雪崩擊穿屬于碰撞式擊穿，其電場(chǎng)較強(qiáng)，外加反向電壓相對(duì)較高。通常出現(xiàn)雪崩擊穿的電壓均在7V以上。

當(dāng)PN結(jié)兩邊的摻雜濃度很高，阻擋層又很薄時(shí)，阻擋層內(nèi)載流子與中性原子碰撞的機(jī)會(huì)大為減少，因而不會(huì)發(fā)生雪崩擊穿。（2）齊納擊穿PN結(jié)非常薄時(shí)，即使阻擋層兩端加的反向電壓不大，也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)比較強(qiáng)的內(nèi)電場(chǎng)。這個(gè)內(nèi)電場(chǎng)足以把PN結(jié)內(nèi)中性原子的價(jià)電子從共價(jià)鍵中拉出來(lái)，產(chǎn)生出大量的電子—空穴對(duì)，使PN結(jié)反向電流劇增，這種擊穿現(xiàn)象稱為齊納擊穿?？梢姡R納擊穿發(fā)生在高摻雜的PN結(jié)中，相應(yīng)的擊穿電壓較低，一般均小于5V。雪崩擊穿是一種碰撞的擊穿，齊納擊穿是一種場(chǎng)效應(yīng)擊穿，二者均屬于電擊穿。電擊穿過(guò)程通?？赡妫褐灰杆侔裀N結(jié)兩端的反向電壓降低，PN結(jié)即可恢復(fù)到原狀態(tài)。利用電擊穿時(shí)PN結(jié)兩端電壓變化很小電流變化很大的特點(diǎn)，人們制造出工作在反向擊穿區(qū)的穩(wěn)壓管。若PN結(jié)兩端加的反向電壓過(guò)高，反向電流將急劇增長(zhǎng)，從而造成PN結(jié)上熱量不斷積累，引起其結(jié)溫的持續(xù)升高，當(dāng)這個(gè)溫度超過(guò)PN結(jié)最大允許結(jié)溫時(shí)，PN結(jié)就會(huì)發(fā)生熱擊穿，熱擊穿將使PN結(jié)永久損壞。熱擊穿的過(guò)程是不可逆的，實(shí)用中應(yīng)避免發(fā)生。（3）熱擊穿工程實(shí)例探尋半導(dǎo)體的應(yīng)用及其發(fā)展前景［案例］請(qǐng)學(xué)習(xí)者通過(guò)網(wǎng)上網(wǎng)下查閱半導(dǎo)體二極管、三極管的產(chǎn)生、發(fā)展和用途，聯(lián)系身邊所熟悉的家電及其他電器，盡量多地收集一些半導(dǎo)體器件的用途以及發(fā)展前景，說(shuō)一說(shuō)你對(duì)世界和我國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展的感想、展望和期待。

目前，全球半導(dǎo)體行業(yè)仍舊保持高景氣度。2022年全球半導(dǎo)體設(shè)備銷售額基本達(dá)到1140億美元。半導(dǎo)體的發(fā)展中，汽車成為重要增長(zhǎng)極，尤其是新能源汽車銷量持續(xù)旺盛，拉動(dòng)模擬、功率及MCU需求，汽車MCU銷售額預(yù)計(jì)將以7.7%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到215億美元，再創(chuàng)歷史新高。半導(dǎo)體的發(fā)展前景能否說(shuō)出PN結(jié)有何特性？半導(dǎo)體與金屬導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理有何不同？什么是本征激發(fā)？什么是復(fù)合？少數(shù)載流子和多數(shù)載流子是如何產(chǎn)生的

？試述雪崩擊穿和齊納擊穿的特點(diǎn)。這兩種擊穿能否造成PN結(jié)的永久損壞

？思考與問題

空間電荷區(qū)的電阻率為什么很高？

謝希德（1921年3月19日—2000年3月4日），福建泉州人，固體物理學(xué)家、教育家及社會(huì)活動(dòng)家，中國(guó)科學(xué)院院士、復(fù)旦大學(xué)原校長(zhǎng)

。

1946年謝希德從從廈門大學(xué)數(shù)理系畢業(yè)后進(jìn)入上海戶江大學(xué)任教；1947年赴美國(guó)史密斯學(xué)院留學(xué)；1949年獲得碩士學(xué)位后她轉(zhuǎn)入麻省理工學(xué)院專攻理論物理；1951年獲得博士學(xué)位后，即謀劃回國(guó)；1952年繞道英國(guó)回到中國(guó)并被分配到上海復(fù)旦大學(xué)物理系任教授；1956年被國(guó)務(wù)院調(diào)到北京大學(xué)聯(lián)合籌建半導(dǎo)體專業(yè)組；1958年夏謝希德又調(diào)回復(fù)旦大學(xué)，參加該大學(xué)與中國(guó)科學(xué)院上海分院聯(lián)合主辦的技術(shù)物理研究所，并任該所副所長(zhǎng)；1980年當(dāng)選為中國(guó)科學(xué)院數(shù)理學(xué)部委員，1981年獲美國(guó)史密斯學(xué)院、美國(guó)紐約學(xué)院榮譽(yù)博士學(xué)位；1983年1月出任復(fù)旦大學(xué)校長(zhǎng)；1989年當(dāng)選為第三世界科學(xué)院院士；1990年當(dāng)選為美國(guó)文理科學(xué)院外籍院士；1997年出任上海杉達(dá)學(xué)院校長(zhǎng)；2000年3月4日逝世于上海，享年79歲。

科技興則民族興，科技強(qiáng)則國(guó)家強(qiáng)，核心科技是國(guó)之重器。核心技術(shù)并不是那么容易引進(jìn)的，也不可能一蹴而就，需要國(guó)人不忘初心，砥礪前行。2021年，我國(guó)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器生產(chǎn)線大規(guī)模擴(kuò)產(chǎn)，并帶動(dòng)全球存儲(chǔ)器設(shè)備投資。實(shí)際需要必將極大地推動(dòng)器件的不斷創(chuàng)新，作為未來(lái)的電子工程技術(shù)人員，我們必須對(duì)半導(dǎo)體及其常用器件有初步的了解和認(rèn)識(shí)，為在實(shí)際工程中正確使用半導(dǎo)體器件打下基礎(chǔ)。拓展閱讀6.2二極管提出問題二極管的基本結(jié)構(gòu)、伏安特性是什么？選擇二極管需參考哪些參數(shù)？如何檢測(cè)二極管的極性和好壞？核心提示：掌握二極管“PN結(jié)封裝”的結(jié)構(gòu)，正向?qū)ǎ汗韫埽?.7V、鍺管：0.3V，反向截止的伏安特性，會(huì)用萬(wàn)用表檢測(cè)極性與好壞。知識(shí)準(zhǔn)備1904年，英國(guó)卓越的電氣工程師約翰·安布羅斯·弗萊明基于熱離子閥進(jìn)行深入研究，在愛迪生效應(yīng)的啟發(fā)下，成功發(fā)明了世界上第一個(gè)具有實(shí)用價(jià)值的真空二極管。這項(xiàng)具有突破性的發(fā)明為他贏得了專利權(quán)，并在當(dāng)時(shí)引發(fā)了軒然大波。真空二極管的設(shè)計(jì)精妙，通過(guò)在真空管內(nèi)配置金屬陰極和陽(yáng)極，實(shí)現(xiàn)了對(duì)交變電流的高效整流。這一卓越特性使其迅速成為無(wú)線電檢波技術(shù)的中流砥柱，為無(wú)線電通信的飛躍性發(fā)展鋪設(shè)了堅(jiān)實(shí)的基石。二極管的問世，不僅破解了當(dāng)時(shí)無(wú)線電技術(shù)中的核心難題，更為電子器件領(lǐng)域的創(chuàng)新與進(jìn)步提供了強(qiáng)大動(dòng)力，開啟了電子技術(shù)新紀(jì)元。

把PN結(jié)用管殼封裝，然后在P區(qū)和N區(qū)分別向外引出一個(gè)電極，即可構(gòu)成一個(gè)二極管。二極管是電子技術(shù)中最基本的半導(dǎo)體器件之一。根據(jù)其用途分有檢波管、開關(guān)管、穩(wěn)壓管和整流管等。硅高頻檢波管開關(guān)管穩(wěn)壓管整流管發(fā)光二極管

電子工程實(shí)際中，二極管應(yīng)用得非常廣泛，上圖所示即為各類二極管的部分產(chǎn)品實(shí)物圖。6.2.1

二極管的基本結(jié)構(gòu)與類型特點(diǎn)：外殼金屬觸絲N型鍺片正極引線負(fù)極引線半導(dǎo)體二極管主要是依靠PN結(jié)而工作的。根據(jù)PN結(jié)構(gòu)造面的特點(diǎn)，晶體二極管可分類如下：

1.點(diǎn)接觸型二極管PN結(jié)

點(diǎn)接觸型二極管是在鍺或硅材料的單晶片上壓觸一根金屬針后，再通過(guò)電流而形成的。點(diǎn)接觸型二極管正向特性和反向特性相對(duì)較差，因此，不能使用于大電流和整流。但是，點(diǎn)接觸型二極管構(gòu)造簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜，其PN結(jié)的靜電容量小，因此適用于高頻電路的檢波、脈沖電路及計(jì)算機(jī)中的開關(guān)元件。N型鍺面接觸型二極管的“PN結(jié)”面積較大，允許通過(guò)較大的電流（幾安到幾十安），主要用于把交流電變換成直流電的“整流”電路中，也可以用于大電流開關(guān)元件。負(fù)極引線底座金銻合金PN結(jié)鋁合金小球正極引線2.面接觸型二極管面接觸型二極管采用合金法工藝制成的，結(jié)構(gòu)如圖示：特點(diǎn)：3.平面型二極管硅平面型二極管采用擴(kuò)散法工藝制成：在半導(dǎo)體N型硅單晶片上擴(kuò)散P型雜質(zhì)，利用硅片表面氧化膜的屏蔽作用，在N型硅單晶片上僅選擇性地?cái)U(kuò)散一部分而形成的PN結(jié)。結(jié)構(gòu)如圖示：負(fù)極引線P型硅二氧化硅層PN結(jié)正極引線平面型二極管的P區(qū)和N區(qū)部分表面，因被二氧化硅氧化膜覆蓋，所以穩(wěn)定性好且壽命較長(zhǎng)。這種特制的硅二極管，不僅能通過(guò)較大的電流而在電路中起整流作用，而且性能穩(wěn)定可靠，還可用于開關(guān)作用、脈沖電路以及高頻電路。特點(diǎn)：根據(jù)用途二極管又可分為普通二極管、穩(wěn)壓二極管、發(fā)光二極管、光電二極管、檢波二極管、整流二極管等。部分二極管的電路圖符號(hào)以及文字符號(hào)如下：普通二極管圖符號(hào)穩(wěn)壓二極管圖符號(hào)發(fā)光二極管圖符號(hào)VDVDZVD除了上述三種主要結(jié)構(gòu)類型，二極管還有許多其他種類，例如鍵型二極管、合金型二極管、肖特基二極管以及外延型二極管等。由于種類繁多，這里不再詳細(xì)敘述。光電二極管圖符號(hào)VD變?nèi)荻O管圖符號(hào)VD6.2.2二極管的伏安特性U(V)0.500.8-50-25I(mA)204060

(

A)4020二極管的伏安特性是指流過(guò)二極管的電流與兩端所加電壓的函數(shù)關(guān)系。二極管既然是一個(gè)PN結(jié)，其伏安特性當(dāng)然具有“單向?qū)щ娦浴薄６O管的伏安特性呈非線性，特性曲線上大致可分為四個(gè)區(qū)：外加正向電壓超過(guò)死區(qū)電壓(硅管0.5V，鍺管0.1V)時(shí)，內(nèi)電場(chǎng)大大削弱，正向電流迅速增長(zhǎng)，二極管進(jìn)入正向?qū)▍^(qū)。死區(qū)正向?qū)▍^(qū)反向截止區(qū)當(dāng)外加正向電壓較低時(shí)，由于外電場(chǎng)還不能克服PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多數(shù)載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻力，故正向電流很小，幾乎為零。這一區(qū)域稱之為死區(qū)。外加反向電壓超過(guò)反向擊穿電壓UBR時(shí)，反向電流突然增大，二極管失去單向?qū)щ娦?，進(jìn)入反向擊穿區(qū)。反向擊穿區(qū)反向截止區(qū)內(nèi)反向飽和電流很小，可近似視為零值。正向?qū)▍^(qū)和反向截止區(qū)的討論U(V)0.500.8-50-25I(mA)204060

(

A)4020死區(qū)正向?qū)▍^(qū)反向截止區(qū)反向擊穿區(qū)當(dāng)外加正向電壓大于死區(qū)電壓時(shí)，二極管由死區(qū)進(jìn)入導(dǎo)通區(qū)，導(dǎo)通區(qū)中的正向電流隨電壓的增大迅速增大，但導(dǎo)通后二極管的端電壓卻幾乎不變，硅二極管的正向?qū)妷旱湫椭导s為0.7V，鍺二極管的正向?qū)妷旱湫椭导s為0.3V?？紤]到二極管的正向?qū)▔航担O管正向偏置時(shí)，通常應(yīng)串聯(lián)分壓限流電阻。在二極管兩端加反向電壓時(shí)，將有很小的、由少子漂移運(yùn)動(dòng)形成的反向飽和電流通過(guò)二極管。反向電流有兩個(gè)特點(diǎn)：一是它隨溫度的上升增長(zhǎng)很快，二是在反向電壓不超過(guò)某一范圍時(shí)，反向電流的大小基本恒定，而與反向電壓的高低無(wú)關(guān)(與少子的數(shù)量有限)。所以通常把反向截止區(qū)中由少子形成的漂移電流稱為反向飽和電流。6.2.3二極管的主要參數(shù)1.最大耗散功率Pmax：耗散功率指通過(guò)二極管的電流與加在二極管兩端電壓的乘積。最大耗散功率是二極管不能承受的最高溫度的極限值。超過(guò)此值，二極管將燒損。3.最高反向工作電壓URM：指二極管長(zhǎng)期安全運(yùn)行時(shí)所能承受的最大反向電壓值。手冊(cè)上一般取擊穿電壓的一半作為最高反向工作電壓值。4.反向電流IR：指二極管未擊穿時(shí)的反向電流。IR值越小，二極管的單向?qū)щ娦栽胶?。反向電流隨溫度的變化而變化顯著，這一點(diǎn)要特別加以注意。5.最高工作頻率fM：此值由PN結(jié)的結(jié)電容大小決定。若二極管的工作頻率超過(guò)該值，則二極管的單向?qū)щ娦詫⒆儾睢?.最大整流電流IDM：指二極管長(zhǎng)期使用時(shí)，允許通過(guò)二極管的最大正向平均電流值。1.整流

將交流電變成單方向脈動(dòng)直流電的過(guò)程稱為整流。二極管半波整流電路T220V~RLVDIN40016.2.4二極管的應(yīng)用舉例u2ωt0uoωt0二極管全波整流電路T220V~RLVD1VD2uituo

t橋式整流電路簡(jiǎn)化圖二極管橋式整流電路VD4T220V~RLVD1VD2VD3T220V~RL二極管全波整流電路二極管橋式整流電路2.

鉗位圖示二極管鉗位電路中，限流電阻R的一端與直流電源U+相連，另一端與二極管陽(yáng)極相連，二極管陰極連接端為電路輸入端A，陽(yáng)極向外的引出端F點(diǎn)是電路的輸出端。

當(dāng)圖中輸入端A點(diǎn)電位低于U＋時(shí)，則二極管(按理想二極管處理)VD正偏導(dǎo)通，忽略二極管的管壓降，則輸出端F的數(shù)值被鉗位在A電位；當(dāng)輸入端A點(diǎn)電位較U＋高時(shí)，二極管則處于反偏不能導(dǎo)通，此時(shí)電阻R上無(wú)電流通過(guò)，輸出端F的電位就被鉗制在U+電位。FAU＋RVD用理想二極管組成的電路如下圖所示，試求圖中電壓U及電流I的大小。解(a)二極管正向偏置導(dǎo)通，例10kΩ+5VIU－5V10kΩ+5VIU－5V10kΩ+5VIU－5V10kΩ+5VIU－5V（a）（b）（c）（d），U被鉗位在－5V。(c)二極管反向偏置截止，I＝0，U被鉗位在－5V。其余兩題練習(xí)。

對(duì)于二極管應(yīng)用電路，討論時(shí)主要以二極管的單向?qū)щ娦詾殛P(guān)鍵，以此作為分析二極管是否導(dǎo)通或截止的依據(jù)，對(duì)電路進(jìn)行分析。3.限幅圖示為二極管雙向限幅電路。已知：圖中二極管均為硅管，設(shè)導(dǎo)通時(shí)其管壓降試畫出輸出電壓UO的波形。例入電壓ui>＋0.7V時(shí)，二極管VD1導(dǎo)通，VD2截止，輸出電壓維持在VD＝0.7V的導(dǎo)通電壓值不變；當(dāng)ui<－0.7V時(shí)，VD2導(dǎo)通，VD1截止，輸出電壓維持在－0.7V不變。除此兩段時(shí)間外，輸入電壓均小于±0.7V，兩個(gè)二極管均為截止?fàn)顟B(tài)，所以輸出與輸入相同?？梢?，該電路中的二極管在電路中起著限幅作用。其電路輸出電壓波形為：

由圖示電路和輸入電路電壓的波形圖可看出：當(dāng)輸分析+－VDuS10kΩIN4148+－uoiD圖示為理想二極管限幅電路。電源uS是一個(gè)周期性的矩形脈沖，高電平幅值為+5V，低電平幅值為-5V。試分析電路的輸出電壓為多少。分析uS+5V-5Vt0當(dāng)輸入電壓ui=－5V時(shí)，二極管反偏截止，此時(shí)電路可視為開路，輸出電壓uo=0V；當(dāng)輸入電壓ui=+5V時(shí)，二極管正偏導(dǎo)通，導(dǎo)通時(shí)二極管管壓降近似為零，故輸出電壓uo≈+5V。顯然輸出電壓uo限幅在0~+5V之間。uo例注意：分析開關(guān)電路較為簡(jiǎn)單，通常把二極管進(jìn)行理想化處理，即正偏時(shí)視其為“短路”，截止時(shí)視其為“開路”。正向?qū)〞r(shí)相當(dāng)一個(gè)閉合的開關(guān)UD≈0+－+－VDUD≈∞+－VD+－+－VDPN+－反向阻斷時(shí)相當(dāng)一個(gè)打開的開關(guān)+－+－VDPN*二極管的開關(guān)作用6.2.5二極管的極性判別和好壞檢測(cè)工程實(shí)例案例1分析：二極管的極性可通過(guò)測(cè)量二極管正、反電阻來(lái)判別。過(guò)程：選擇萬(wàn)用表的“R×100”或“R×1k”的歐姆擋，用萬(wàn)用表的紅、黑表筆分別接觸二極管的兩個(gè)電極，觀察萬(wàn)用表偏轉(zhuǎn)度。注意：指針萬(wàn)用表的黑表筆與表內(nèi)電池正極相連（數(shù)字萬(wàn)用表則是紅表筆與表內(nèi)電池正極相連），即為電源正極。根據(jù)二極管的單向?qū)щ娦?，?dāng)指針萬(wàn)用表的指針偏轉(zhuǎn)較大時(shí)說(shuō)明二極管為正向偏置，此時(shí)與黑表筆相連的電極是二極管的陽(yáng)極，與紅表筆相接觸的是二極管陰極；若指針偏轉(zhuǎn)較小則說(shuō)明二極管為反向偏置，與黑表筆相連的電極就是二極管的陰極。用數(shù)字萬(wàn)用表判別時(shí)，可直接讀出二極管的結(jié)電阻值，若測(cè)得阻值很小，說(shuō)明二極管正向偏置，此時(shí)與紅表筆相接觸的是二極管陽(yáng)極；若測(cè)得阻值較大，說(shuō)明二極管反向偏置，與黑表筆相連的是二極管陽(yáng)極。案例2分析：

檢測(cè)二極管好壞時(shí)，仍然選擇指針式萬(wàn)用表“R×100”或“R×1k”的歐姆擋，萬(wàn)用表的紅、黑表筆分別接觸二極管的兩個(gè)電極，觀察萬(wàn)用表偏轉(zhuǎn)度；把紅、黑表筆對(duì)調(diào)分別接觸二極管的兩個(gè)電極，觀察萬(wàn)用表指針偏轉(zhuǎn)度。如果兩次偏轉(zhuǎn)度相差很大（即二極管正向、反向偏置時(shí)阻值相差很大）時(shí)，說(shuō)明二極管是好的；如兩次接觸二極管的阻值相差不大且兩次阻值都很小，說(shuō)明此二極管已被擊穿；若兩次接觸二極管的阻值都很大且兩次阻值相差不大，說(shuō)明此二極管絕緣老化內(nèi)部不通，判斷已經(jīng)損壞。注意事項(xiàng)：如果用數(shù)字萬(wàn)用表檢測(cè)，則其紅表筆接內(nèi)部電池正極，正向電阻測(cè)量時(shí)紅表筆接二極管陽(yáng)極。知識(shí)總結(jié)1.二極管核心是PN結(jié)，伏安特性非線性，正向?qū)ㄓ泄潭ü軌航担?.檢測(cè)二極管的核心是利用單向?qū)щ娦?，測(cè)正反電阻差值；3.應(yīng)用時(shí)需匹配參數(shù)：如整流選大電流管，高頻選點(diǎn)接觸管，避免超極限參數(shù)。半導(dǎo)體二極管工作在擊穿區(qū)，是否一定被損壞？為什么？

何謂死區(qū)電壓？硅管和鍺管死區(qū)電壓的典型值各為多少？為何會(huì)出現(xiàn)死區(qū)電壓？

把一個(gè)1.5V的干電池直接正向聯(lián)接到二極管的兩端，會(huì)出現(xiàn)什么問題？二極管的伏安特性曲線上分為幾個(gè)區(qū)？能否說(shuō)明二極管工作在各個(gè)區(qū)時(shí)的電壓電流情況？

檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果為什么二極管的反向電流很小且具有飽和性？當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)又會(huì)明顯增大

？6.3

特殊二極管提出問題常用特殊二極管有哪些？它們的工作區(qū)域、功能的區(qū)別是什么？如何使用穩(wěn)壓管、發(fā)光二極管？核心提示：明確穩(wěn)壓管的反向擊穿區(qū)特性、發(fā)光二極管的正向?qū)▍^(qū)特性等特殊二極管的工作區(qū)域，掌握其核心功能與簡(jiǎn)易應(yīng)用。知識(shí)準(zhǔn)備常用的特殊二極管種類繁多，包括穩(wěn)壓二極管、發(fā)光二極管、光電二極管、變?nèi)荻O管以及激光二極管等。每一種類型的特殊二極管都有其特定的應(yīng)用場(chǎng)景和獨(dú)特的功能。在學(xué)習(xí)過(guò)程中，應(yīng)重點(diǎn)理解各種特殊二極管的主要用途及其工作原理，這樣才能更好地應(yīng)用它們。I(mA)40302010

0-5-10-15-20(μA)0.40.8－12－8－4U(V)

在反向擊穿區(qū)，穩(wěn)壓二極管的反向電壓幾乎不隨反向電流的變化而變化、這是穩(wěn)壓二極管的顯著特性。VDZ穩(wěn)壓二極管通常是一種特殊的面接觸型二極管，其反向擊穿可逆。正向特性與普通二極管相似反向ΔIZΔUZ6.3.1穩(wěn)壓二極管實(shí)物圖圖符號(hào)及文字符號(hào)顯然穩(wěn)壓管的伏安特性曲線比普通二極管的更加陡峭。+US－DZ使用穩(wěn)壓二極管時(shí)應(yīng)該注意的事項(xiàng)（1）穩(wěn)壓二極管正負(fù)極的判別DZ+－（2）穩(wěn)壓二極管使用時(shí)，應(yīng)反向接入電路UZ－（3）穩(wěn)壓管應(yīng)接入限流電阻（4）電源電壓應(yīng)高于穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓值（5）穩(wěn)壓管都是硅管。其穩(wěn)定電壓UZ最低為3V，高的可達(dá)300V，穩(wěn)壓二極管在工作時(shí)的正向壓降約為0.6V。思索與回顧

穩(wěn)壓二極管的正常工作區(qū)域是反向擊穿區(qū)。通常在齊納擊穿和雪崩擊穿后穩(wěn)壓管兩端電壓基本不變：但當(dāng)外加反向電壓超過(guò)擊穿電壓時(shí)，通過(guò)二極管的電流會(huì)急劇增加。

穩(wěn)壓二極管的使用要點(diǎn)：穩(wěn)壓管正向偏置時(shí)，死區(qū)電壓較高：1.3~3V，電流5~20mA時(shí)需串聯(lián)限流電阻，避免穩(wěn)壓二極管過(guò)流燒毀。在反向擊穿狀態(tài)下，讓通過(guò)管子的電流在一定范圍內(nèi)變化，這時(shí)管子兩端電壓變化很小，穩(wěn)壓二極管就是利用這一點(diǎn)達(dá)到“穩(wěn)壓”效果的。6.3.2發(fā)光二極管發(fā)光二極管簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)ED。是由鎵與砷或磷的化合物制成的二極管。當(dāng)電子與空穴復(fù)合時(shí)能輻射出可見光，因而可以用來(lái)制成發(fā)光二極管。在電路及儀器中作為指示燈，或者組成文字或數(shù)字顯示。磷砷化鎵二極管發(fā)紅光，磷化鎵二極管發(fā)綠光，碳化硅二極管發(fā)黃光。

從結(jié)構(gòu)圖看，發(fā)光管的基本結(jié)構(gòu)是一塊電致發(fā)光的半導(dǎo)體材料，置于一個(gè)有引線的架子上，然后四周用環(huán)氧樹脂密封，起到保護(hù)內(nèi)部芯線的作用，所以其抗震性能好。發(fā)光管的核心部分和普通二極管一樣是PN結(jié)，在PN結(jié)中注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時(shí)會(huì)把多余的能量以光的形式釋放出來(lái)，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。實(shí)物圖圖符號(hào)和

文字符號(hào)VDLED發(fā)光二極管具有效率高、壽命長(zhǎng)、不易破損、開關(guān)速度高、高可靠性等傳統(tǒng)光源所不可及的優(yōu)點(diǎn)。發(fā)光管正常工作時(shí)應(yīng)正向偏置，因其屬于功率型器件，因此死區(qū)電壓較普通二極管高很多，其正偏工作電壓最少也要在1.3V以上。數(shù)字電路中，發(fā)光管常用來(lái)作為數(shù)碼及圖形顯示的七段式或陣列器件。發(fā)光二極管早在1962年出現(xiàn)，早期只能發(fā)出低光度的紅光，之后發(fā)展出其他單色光的版本，時(shí)至今日能發(fā)出的光已遍及可見光、紅外線及紫外線，光度也提高到相當(dāng)?shù)臄?shù)值。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，發(fā)光管的用途也在不斷擴(kuò)展，初時(shí)僅作為指示燈、顯示板等用，目前已被廣泛應(yīng)用于顯示器、電視機(jī)采光裝飾和照明等。光電二極管也稱光敏二極管，是將光信號(hào)變成電信號(hào)的半導(dǎo)體器件，其核心部分也是一個(gè)PN結(jié)。光電二極管PN結(jié)的結(jié)面積較小、結(jié)深很淺，一般小于一個(gè)微米。VD光電二極管的正常工作狀態(tài)是反向偏置。在反向電壓下，無(wú)光照時(shí)，反向電流很小，稱為暗電流；有光照射時(shí)，攜帶能量的光子進(jìn)入PN結(jié)，把能量傳給共價(jià)鍵上的束縛電子，使部分價(jià)電子掙脫共價(jià)鍵的束縛，產(chǎn)生電子—空穴對(duì)，稱光生載流子。光生載流子在反向電壓作用下形成反向光電流，其強(qiáng)度與光照強(qiáng)度成正比。6.3.3

光電二極管光電二極管和普通二極管一樣具有“單向?qū)щ娦浴?，光電管管殼上有一個(gè)能射入光線的“窗口”，這個(gè)窗口用有機(jī)玻璃透鏡進(jìn)行封閉，入射光通過(guò)透鏡正好射在管芯上。實(shí)物圖圖符號(hào)和

文字符號(hào)變?nèi)荻O管雙稱可變電抗二極管，是一種利用PN結(jié)的勢(shì)壘電容與其反向偏置電壓的依賴關(guān)系及原理制成的二極管，其結(jié)構(gòu)如：6.3.4

變?nèi)荻O管變?nèi)荻O管的作用是利用PN結(jié)之間電容可變的原理制作的，變?nèi)荻O管正常工作時(shí)應(yīng)反向偏置，改變其PN結(jié)上的反向偏置電壓，即可改變PN結(jié)電容量。反向偏壓越高，結(jié)電容則越小，反向偏壓與結(jié)電容之間的關(guān)系是非線性關(guān)系。實(shí)物圖圖符號(hào)和

文字符號(hào)VD變?nèi)荻O管通常用于高頻電路做調(diào)諧元件，或者在通信等電路中作可變電容使用。激光二極管的物理結(jié)構(gòu)是在發(fā)光二極管的PN結(jié)間安置一層具有光活體的半導(dǎo)體，其端面經(jīng)過(guò)拋光后具有部分反射功能，因而形成一個(gè)光諧振腔。在正向偏置情況下，LED結(jié)發(fā)射出光并與光諧振腔相互作用，從而進(jìn)一步激勵(lì)從結(jié)上發(fā)射出單波長(zhǎng)的激光，這種激光的物理性質(zhì)與材料有關(guān)。

6.3.5

激光二極管實(shí)物圖圖符號(hào)和

文字符號(hào)VD激光二極管的工作原理理論上和氣體激光器相似，當(dāng)激光二極管有源層內(nèi)的載流子在大量反轉(zhuǎn)情況下，少量自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子由于諧振腔兩端面往復(fù)反射而產(chǎn)生感應(yīng)輻射，造成選頻諧振正反饋，就可從PN結(jié)發(fā)出具有良好譜線的相干光——激光。激光二極管在計(jì)算機(jī)上的光盤驅(qū)動(dòng)器，激光打印機(jī)中的打印頭等小功率光電設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用

。6.3.6

其它特殊二極管及其工程應(yīng)用工程實(shí)例案例：特殊二極管還包括肖特基二極管、恢復(fù)二極管、隧道二極管等，通過(guò)網(wǎng)上網(wǎng)下查詢，能否說(shuō)出它們的工程應(yīng)用？案例操作：

特殊二極管中，肖特基二極管因具有快速開關(guān)速度和低壓降特性，常用于射頻功率放大器、混頻器、頻率倍增器等高頻電路中。例如在射頻通信系統(tǒng)中，肖特基二極管用于信號(hào)檢測(cè)、混頻和頻率倍增等功能?；謴?fù)二極管具有快速恢復(fù)時(shí)間和低反向恢復(fù)電流特性，常用于電源和變頻器等高效能電路中，例如在變頻器中用于改善電源的效率和穩(wěn)定性。隧道二極管具有負(fù)差電阻特性，可用于微波電路、振蕩器和超快速開關(guān)等。例如在微波接收器中用于提高接收器的靈敏度和選擇性。結(jié)論：上述實(shí)例展示了特殊二極管在各種領(lǐng)域中的重要作用和廣泛應(yīng)用。實(shí)踐3穩(wěn)壓管穩(wěn)壓效果與LED導(dǎo)通測(cè)試1.實(shí)驗(yàn)器材：UZ=5V的穩(wěn)壓管、紅光LED、1.5V電池3節(jié)、1kΩ電阻2個(gè)、導(dǎo)線、面包板。2.實(shí)驗(yàn)步驟：（1）穩(wěn)壓管測(cè)試：將穩(wěn)壓管反向與1kΩ電阻和4.5V電池串聯(lián)，用萬(wàn)用表測(cè)穩(wěn)壓管兩端電壓約5V，驗(yàn)證穩(wěn)壓；（2）LED測(cè)試：將LED正向（長(zhǎng)腳陽(yáng)極）與1kΩ電阻與4.5V電池相串聯(lián)，觀察LED發(fā)光；對(duì)調(diào)LED極性，LED不亮:驗(yàn)證單向?qū)ā?.現(xiàn)象總結(jié)：穩(wěn)壓管反向擊穿后電壓穩(wěn)定；LED正向?qū)òl(fā)光、反向截止。知識(shí)總結(jié)1.特殊二極管均基于PN結(jié)特性，工作區(qū)域不同：穩(wěn)壓管反向擊穿區(qū)、LED正向?qū)▍^(qū)；2.使用時(shí)需注意偏置方向，如穩(wěn)壓管反向偏置、LED正向偏置，且必加限流電阻避免燒毀；3.功能各有側(cè)重：穩(wěn)壓管穩(wěn)壓、LED發(fā)光、光電二極管感光，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)按需選擇。1.利用穩(wěn)壓管或普通二極管的正向壓降，是否也可以穩(wěn)壓？你會(huì)做嗎？檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果2.現(xiàn)有兩只穩(wěn)壓管，它們的穩(wěn)定電壓分別為6V和8V，正向?qū)妷簽?.7V。試問：(1)若將它們串聯(lián)相接，可得到幾種穩(wěn)壓值？各為多少？(2)若將它們并聯(lián)相接，又可得到幾種穩(wěn)壓值？各為多少？3.在右圖所示電路中，發(fā)光二極管導(dǎo)通電壓UD＝1.5V，正向電流在5~15mA時(shí)才能正常工作。試問圖中開關(guān)S在什么位置時(shí)發(fā)光二極管才能發(fā)光？R的取值范圍又是多少？

RDS+5V6.4認(rèn)識(shí)雙極型三極管提出問題雙極型三極管BJT的結(jié)構(gòu)、電流放大原理是什么？如何通過(guò)輸入、輸出特性曲線判斷三極管的工作區(qū)域？如何檢測(cè)三極管極性？核心提示：掌握三極管“發(fā)射區(qū)高摻、基區(qū)薄且低摻、集電區(qū)大”的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，理解“發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏”的放大條件，會(huì)用萬(wàn)用表判別三極管極性及好壞。知識(shí)準(zhǔn)備雙極型三極管是構(gòu)成多種電子電路的核心元件。它的出現(xiàn)使PN結(jié)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的突破。通過(guò)特定的工藝手段，將兩個(gè)PN結(jié)巧妙地背靠背結(jié)合，便形成了一個(gè)三極管。三極管按PN結(jié)組合形式分為PNP型和NPN型，。國(guó)內(nèi)硅三極管多為NPN型3D系列，鍺三極管多為PNP型3A系列。BJT因電子和空穴共同導(dǎo)電，因之稱作雙極型三極管。

雙極型三極管BJT的特性與單一PN結(jié)不同，主要功能是對(duì)電路中的電流進(jìn)行放大。NNP三極管是組成各種電子電路的核心器件。三極管的產(chǎn)生使PN結(jié)的應(yīng)用發(fā)生了質(zhì)的飛躍。6.4.1基本結(jié)構(gòu)和類型雙極型晶體管分有NPN型和PNP型，雖然它們外形各異，品種繁多，但它們的共同特征相同：都有三個(gè)分區(qū)、兩個(gè)PN結(jié)和三個(gè)向外引出的電極：發(fā)射極e發(fā)射結(jié)集電結(jié)基區(qū)發(fā)射區(qū)集電區(qū)集電極c基極bNPN型PNP型PPNNPN型三極管圖符號(hào)大功率低頻三極管小功率高頻三極管中功率低頻三極管目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的雙極型硅晶體管多為NPN型（3D系列），鍺晶體管多為PNP型（3A系列），按頻率高低有高頻管、低頻管之別；根據(jù)功率大小可分為大、中、小功率管。

ecbPNP型三極管圖符號(hào)ecb注意：圖中箭頭方向?yàn)榘l(fā)射極電流的方向。6.4.2電流放大作用晶體管芯結(jié)構(gòu)剖面圖e發(fā)射極集電區(qū)N基區(qū)P發(fā)射區(qū)Nb基極c集電極晶體管實(shí)現(xiàn)電流放大作用的內(nèi)部結(jié)構(gòu)條件（1）發(fā)射區(qū)摻雜濃度很高，以便有足夠的載流子供“發(fā)射”。（2）為減少載流子在基區(qū)的復(fù)合機(jī)會(huì)，基區(qū)應(yīng)做得很薄，一般為幾個(gè)微米，且摻雜濃度極低。（3）為了順利收集邊緣載流子，集電區(qū)體積較大，且摻雜濃度界于發(fā)射極和基極之間?？梢?，雙極型三極管并非是兩個(gè)PN結(jié)的簡(jiǎn)單組合，而是利用一定的摻雜工藝制作而成。因此，絕不能用兩個(gè)二極管來(lái)代替，使用時(shí)也決不允許把發(fā)射極和集電極接反。晶體管實(shí)現(xiàn)電流放大作用的外部條件NNPUBBRB＋－（1）發(fā)射結(jié)必須“正向偏置”，以利于發(fā)射區(qū)電子的擴(kuò)散，擴(kuò)散電流即發(fā)射極電流ie，擴(kuò)散電子的少數(shù)與基區(qū)空穴復(fù)合，形成基極電流ib，多數(shù)繼續(xù)向集電結(jié)邊緣擴(kuò)散。UCCRC＋－（2）集電結(jié)必須“反向偏置”，以利于收集擴(kuò)散到集電結(jié)邊緣的多數(shù)擴(kuò)散電子，收集到集電區(qū)的電子形成集電極電流ic。IEICIB整個(gè)過(guò)程中，發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射的電子數(shù)等于基區(qū)復(fù)合掉的電子與集電區(qū)收集的電子數(shù)之和，即：IE=IB+IC三極管的集電極電流IC稍小于IE，但遠(yuǎn)大于IB，IC與IB的比值在一定范圍內(nèi)基本保持不變。特別是基極電流有微小的變化時(shí)，集電極電流將發(fā)生較大的變化。例如，IB由40μA增加到50μA時(shí)，IC將從3.2mA增大到4mA，即：顯然，雙極型三極管具有電流放大能力。式中的β值稱為三極管的電流放大倍數(shù)。不同型號(hào)、不同類型和用途的三極管，β值的差異較大，大多數(shù)三極管的β值通常在幾十至幾百的范圍。

由此可得：微小的基極電流IB可以控制較大的集電極電流IC，故雙極型三極管屬于電流控制器件。

結(jié)論由于發(fā)射結(jié)處正偏，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子自由電子將不斷擴(kuò)散到基區(qū)，并不斷從電源補(bǔ)充進(jìn)電子，形成發(fā)射極電流IE。回顧與總結(jié)1.發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴(kuò)散電子的過(guò)程由于基區(qū)很薄，且多數(shù)載流子濃度又很低，所以從發(fā)射極擴(kuò)散過(guò)來(lái)的電子只有很少一部分和基區(qū)的空穴相復(fù)合形成基極電流IB，剩下的絕大部分電子則都擴(kuò)散到了集電結(jié)邊緣。2.電子在基區(qū)的擴(kuò)散和復(fù)合過(guò)程集電結(jié)由于反偏，可將從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)并到達(dá)集電區(qū)邊緣的電子拉入集電區(qū)，從而形成較大的集電極電流IC。3.集電區(qū)收集電子的過(guò)程只要符合三極管發(fā)射區(qū)高摻雜、基區(qū)摻雜濃度很低，集電區(qū)的摻雜濃度介于發(fā)射區(qū)和基區(qū)之間，且基區(qū)做得很薄的內(nèi)部條件，再加上晶體管的發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏的外部條件，三極管就具有了放大電流的能力。6.4.3特性曲線所謂特性曲線是指各極電壓與電流之間的關(guān)系曲線，是三極管內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)的外部表現(xiàn)。從工程應(yīng)用角度來(lái)看，外部特性更為重要。1.輸入特性曲線以常用的共射極放大電路為例說(shuō)明UCE=0VUBE

/VIB

/A0UCE=0VUBBUCCRC++RB令UBB從0開始增加IBIE=IBUBE令UCC為0UCE=0時(shí)的輸入特性曲線UCE為0時(shí)UCE=0.5VUCE=0VUBE

/VIB

/A0UBBUCCRC++RB令UBB重新從0開始增加IBICUBE增大UCC讓UCE=0.5VUCE=1VUCE=0.5VUCE=0.5V的特性曲線繼續(xù)增大UCC讓UCE=1V令UBB重新從0開始增加UCE=1VUCE=1V的特性曲線繼續(xù)增大UCC使UCE=1V以上的多個(gè)值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：之后的所有輸入特性幾乎都與UCE=1V的特性相同，曲線基本不再變化。實(shí)用中三極管的UCE值一般都超過(guò)1V，所以其輸入特性通常采用UCE=1V時(shí)的曲線。從特性曲線可看出，雙極型三極管的輸入特性與二極管的正向特性非常相似。UCE>1V的特性曲線2.輸出特性曲線先把IB調(diào)到某一固定值保持不變。當(dāng)IB不變時(shí)，輸出回路中的電流IC與管子輸出端電壓UCE之間的關(guān)系曲線稱為輸出特性。然后調(diào)節(jié)UCC使UCE從0增大，觀察毫安表中IC的變化并記錄下來(lái)。UCEUBBUCCRC++RBICIBUBEmAAIE根據(jù)記錄可給出IC隨UCE變化的伏安特性曲線，此曲線就是晶體管的輸出特性曲線。IBUCE/VIC

/mA0UBBUCCRC++RBICIBUBEmAAIE再調(diào)節(jié)IB1至另一稍小的固定值上保持不變。仍然調(diào)節(jié)UCC使UCE從0增大，繼續(xù)觀察毫安表中IC的變化并記錄下來(lái)。UCE根據(jù)電壓、電流的記錄值可繪出另一條IC隨UCE變化的伏安特性曲線，此曲線較前面的稍低些。UCE/VIC

/mA0IBIB1IB2IB3IB=0如此不斷重復(fù)上述過(guò)程，我們即可得到不同基極電流IB對(duì)應(yīng)相應(yīng)IC、UCE數(shù)值的一組輸出特性曲線。輸出曲線開始部分很陡，說(shuō)明IC隨UCE的增加而急劇增大。當(dāng)UCE增至一定數(shù)值時(shí)(一般小于1V)，輸出特性曲線變得平坦，表明IC基本上不再隨UCE而變化。當(dāng)IB一定時(shí)，從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)的電子數(shù)大致一定。當(dāng)UCE超過(guò)1V以后，這些電子的絕大部分被拉入集電區(qū)而形成集電極電流IC。之后即使UCE繼續(xù)增大，集電極電流IC也不會(huì)再有明顯的增加，具有恒流特性。UCE/VIC

/mA020AIB=040A60AIB=100A80A43211.52.3當(dāng)IB增大時(shí)，相應(yīng)IC也增大，輸出特性曲線上移，且IC增大的幅度比對(duì)應(yīng)IB大得多。這一點(diǎn)正是晶體管的電流放大作用。從輸出特性曲線可求出三極管的電流放大系數(shù)β。ΔIB=40A取任意再兩條特性曲線上的平坦段，讀出其基極電流之差；再讀出這兩條曲線對(duì)應(yīng)的集電極電流之差ΔIC=1.3mA；ΔIC于是我們可得到三極管的電流放大倍數(shù)：

β=ΔIC/ΔIB=1.3÷0.04=32.5UCE/VIC

/mA020AIB=040A60AIB=100A80A43211.52.3輸出特性曲線上一般可分為三個(gè)區(qū)：飽和區(qū)。當(dāng)發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為正向偏置時(shí)，三極管處于飽和狀態(tài)。此時(shí)集電極電流IC與基極電流IB之間不再成比例關(guān)系，IB的變化對(duì)IC的影響很小。截止區(qū)。當(dāng)基極電流IB等于0時(shí)，晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)。實(shí)際上當(dāng)發(fā)射結(jié)電壓處在正向死區(qū)范圍時(shí)，晶體管就已經(jīng)截止，為讓其可靠截止，常使UBE小于和等于零。放大區(qū)晶體管工作在放大狀態(tài)時(shí)，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。在放大區(qū)，集電極電流與基極電流之間成β倍的數(shù)量關(guān)系，即晶體管在放大區(qū)時(shí)具有電流放大作用6.4.4極限參數(shù)1.集電極最大允許電流ICM2.集電極－發(fā)射極反向擊穿電壓U(BR)CEOcebUCCU(BR)CEO基極開路指基極開路時(shí)集電極與發(fā)射極間的反向擊穿電壓。使用中若超過(guò)此值,晶體管的集電結(jié)就會(huì)出現(xiàn)雪崩擊穿。當(dāng)IC

=

ICM時(shí)，晶體管的β值通常下降到正常額定值的三分之二。但當(dāng)IC>ICM時(shí)，晶體管并不一定燒損，但β值明顯下降。3.集電極最大允許耗散功率PCMUCE/VIC

/mA0IB=043211.52.3晶體管的功耗PC=UCE*IC。使用中，如果溫度過(guò)高，晶體管的性能就會(huì)下降甚至被損壞，所以集電極損耗有一定的限制，規(guī)定集電極所消耗的最大功率不能超過(guò)最大允許耗散功率PCM值。如果超過(guò)PCM值，則晶體管就會(huì)因過(guò)熱而損壞。晶體管上的功耗超過(guò)PCM，管子將損壞。安

全

區(qū)6.4.5用萬(wàn)用表測(cè)試三極管工程實(shí)例案例：利用實(shí)驗(yàn)室中的萬(wàn)用表和三極管實(shí)物，進(jìn)行三極管的極性判別以及電流放大倍數(shù)的估算。案例操作步驟：

1.判別基極和管子的類型選用萬(wàn)用表歐姆擋的“R×100”或“R×1k”擋位，紅表筆所連接的是萬(wàn)用表內(nèi)部電池的負(fù)極，黑表筆連接著萬(wàn)用表內(nèi)部電池的正極。先用黑表筆與假設(shè)基極的引腳相接觸，紅表筆接觸另外兩個(gè)引腳，觀察萬(wàn)用表指針偏度。如此重復(fù)上述步驟測(cè)3次，其中必有一次萬(wàn)用表指針偏轉(zhuǎn)度都很大（或都很?。瑢?duì)應(yīng)黑表筆接觸的電極就是基極，且管子是NPN型（或PNP型）的。用萬(wàn)用表測(cè)試三極管工程實(shí)例案例：利用實(shí)驗(yàn)室中的萬(wàn)用表和三極管實(shí)物，進(jìn)行三極管的極性判別以及電流放大倍數(shù)的估算。案例操作步驟：2.判別集電極

因?yàn)槿龢O管發(fā)射極和集電極正確連接時(shí)

大（表針抾動(dòng)幅度大），反接時(shí)

就小得多，因此，先假設(shè)一個(gè)集電極，用歐姆擋連接（對(duì)NPN型管，發(fā)射極接黑表筆，集電極接紅表筆），測(cè)量時(shí)，用手捏住基極和假設(shè)的集電極，兩極不能接觸，若萬(wàn)用表指針撰動(dòng)幅度大，而把兩極對(duì)調(diào)后指針擺動(dòng)小，則說(shuō)明假設(shè)是正確的，從而確定集電極和發(fā)射極。3.電流放大系數(shù)

的估算

選用歐姆擋的“R×100”或“R×1k”擋位，對(duì)NPN型管紅表筆接發(fā)射極，黑表筆接集電極。測(cè)量時(shí)，用手捏住基極和集電極（兩極不能接觸）和把手放開兩種情況下指針抎動(dòng)的大小，擺動(dòng)越大，

值越高。實(shí)踐4三極管極性判別與放大能力簡(jiǎn)易測(cè)試1.實(shí)驗(yàn)器材：NPN三極管9013、指針萬(wàn)用表R×1k擋、1kΩ電阻、1.5V電池。2.實(shí)驗(yàn)步驟：（1）基極判別：黑表筆接假設(shè)基極，紅表筆接另外兩極，若兩次正向電阻都小，則假設(shè)基極正確，且NPN型；（2）集電極與發(fā)射極判別：假設(shè)集電極接黑表筆、發(fā)射極接紅表筆，在基極與發(fā)射極間串1kΩ電阻，測(cè)集電極和發(fā)射極之間小電阻；對(duì)調(diào)兩極，電阻大時(shí)，則原假設(shè)集電極和發(fā)射極正確；（3）放大能力判斷：上述正確連接時(shí)，電阻越小，β越大，放大能力越強(qiáng)。3.注意事項(xiàng)：PNP型三極管判別時(shí)，紅表筆接基極。知識(shí)總結(jié)1.三極管是電流控制器件，放大條件為發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏，核心是IC≈βIB；2.工作區(qū)域決定功能：放大區(qū)用于放大電路，飽和/截止區(qū)用于開關(guān)電路；3.極性判別利用PN結(jié)單向?qū)щ娦?，放大能力可通過(guò)簡(jiǎn)易電阻測(cè)試初步判斷。晶體管的發(fā)射極和集電極是不能互換使用的。因?yàn)榘l(fā)射區(qū)和集電區(qū)的摻雜質(zhì)濃度差別較大，如果把兩個(gè)極互換使用，則嚴(yán)重影響晶體管的電流放大能力，甚至造成放大能力喪失。晶體管的發(fā)射極和集電極能否互換使用？為什么?

晶體管在輸出特性曲線的飽和區(qū)工作時(shí)，UCE<UBE，集電結(jié)也處于正偏，這時(shí)內(nèi)電場(chǎng)被大大削弱，因此極不利于集電區(qū)收集從發(fā)射區(qū)到達(dá)集電結(jié)邊緣的電子，這種情況下，集電極電流IC與基極電流IB不再是β倍的關(guān)系，因此，晶體管的電流放大能力大大下降。晶體管在輸出特性曲線的飽和區(qū)工作時(shí)，其電流放大系數(shù)是否也等于β？為了使發(fā)射區(qū)擴(kuò)散電子的絕大多數(shù)無(wú)法在基區(qū)和空穴復(fù)合，由于基區(qū)摻雜深度很低且很薄，因此只能有極小一部分?jǐn)U散電子與基區(qū)空穴相復(fù)合形成基極電流，剩余大部分?jǐn)U散電子繼續(xù)向集電結(jié)擴(kuò)散，由于集成電結(jié)反偏，這些集結(jié)到集電結(jié)邊緣的自由電子被集電極收集后形成集電極電流。為什么晶體管基區(qū)摻雜質(zhì)濃度?。慷疫€要做得很薄？學(xué)習(xí)與討論檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果3.使用三極管時(shí)，只要①集電極電流超過(guò)ICM值；②耗散功率超過(guò)PCM值；③集—射極電壓超過(guò)U（BR）CEO值，三極管就必然損壞。上述說(shuō)法哪個(gè)是對(duì)的？

4.

用萬(wàn)用表測(cè)量某些三極管的管壓降得到下列幾組數(shù)據(jù)，說(shuō)明每個(gè)管子是NPN型還是PNP型？是硅管還是鍺管？它們各工作在什么區(qū)域？

UBE＝0.7V，UCE＝0.3V；

UBE＝0.7V，UCE＝4V；

UBE＝0V，UCE＝4V；

UBE＝－0.2V，UCE＝－0.3V；

UBE＝0V，UCE＝－4V。NPN硅管，飽和區(qū)NPN硅管，放大區(qū)NPN硅管，截止區(qū)PNP鍺管，放大區(qū)PNP鍺管，截止區(qū)1.三極管的發(fā)射極和集電極是否可以互換使用？這什么？2.三極管在輸出特性曲線的飽和區(qū)工作時(shí)，其電流放大系數(shù)是否也等于β？6.5

單極型晶體管提出問題

MOS管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理是什么？與雙極型三極管的區(qū)別是什么？使用MOS管需注意哪些事項(xiàng)？核心提示：掌握MOS管“絕緣柵、電壓控制”的特點(diǎn)，理解增強(qiáng)型MOS管導(dǎo)電溝道的形成過(guò)程，明確柵極懸空的危害。知識(shí)準(zhǔn)備單極型三極管與雙極型三極管相比，是一種新型的半導(dǎo)體器件。它們?cè)趯?dǎo)電機(jī)理和特性曲線上都不同。單極型三極管輸入電阻極高，幾乎不取用信號(hào)源電流，因此具有功耗小、體積小、熱穩(wěn)定性好、易于集成等優(yōu)點(diǎn)。這使得單極型三極管在大規(guī)模和超大規(guī)模數(shù)字集成電路中得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)結(jié)構(gòu)不同，單極型三極管可分為結(jié)型和絕緣柵型兩類。結(jié)型管通過(guò)半導(dǎo)體內(nèi)電場(chǎng)效應(yīng)控制電流，絕緣柵型管通過(guò)半導(dǎo)體表面電場(chǎng)效應(yīng)控制漏極電流，通常稱為場(chǎng)效應(yīng)管。目前，應(yīng)用最廣的是以二氧化硅為絕緣介質(zhì)的金屬-氧化物-半導(dǎo)體絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管，簡(jiǎn)稱MOS管。

雙極型三極管是利用基極小電流去控制集電極較大電流的電流控制型器件，因工作時(shí)兩種載流子同時(shí)參與導(dǎo)電而稱之為雙極型。單極型三極管因工作時(shí)只有多數(shù)載流子一種載流子參與導(dǎo)電，因此稱為單極型三極管；單極型三極管是利用輸入電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)效應(yīng)控制輸出電流的電壓控制型器件。上圖所示為單極型三極管產(chǎn)品實(shí)物圖。單極型管可分為結(jié)型和絕緣柵型兩大類，其中絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管應(yīng)用最為廣泛，其中又分增強(qiáng)型和耗盡型兩類，且各有N溝道和P溝道之分。單極型三極管可用英文縮寫FET表示，與雙極型三極管BJT相比，無(wú)論是內(nèi)部的導(dǎo)電機(jī)理還是外部的特性曲線，二者都截然不同。FET屬于一種新型的半導(dǎo)體器件，尤為突出的是：FET具有高達(dá)107~1015的輸入電阻，幾乎不取用信號(hào)源提供的電流，因而具有功耗小，體積小、重量輕、熱穩(wěn)定性好、制造工藝簡(jiǎn)單且易于集成化等優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)擴(kuò)展了單極型三極管的應(yīng)用范圍，單極型三極管在工程實(shí)際中通常用于：①放大；②在多級(jí)放大器輸入級(jí)用作阻抗變換；③用作可變電阻；④用作恒流源；⑤用作電子開關(guān)。

6.5.1

MOS管的基本結(jié)構(gòu)N+N+以P型硅為襯底BDGS二氧化硅(SiO2)絕緣保護(hù)層兩端擴(kuò)散出兩個(gè)高濃度的N區(qū)N區(qū)與P型襯底之間形成兩個(gè)PN結(jié)由襯底引出電極B由高濃度的N區(qū)引出的源極S由另一高濃度N區(qū)引出的漏極D由二氧化硅層表面直接引出柵極G雜質(zhì)濃度較低，電阻率較高。N+N+以P型硅為襯底BDGS大多數(shù)管子的襯底在出廠前已和源極連在一起鋁電極、金屬（Metal）二氧化硅氧化物（Oxide）半導(dǎo)體（Semiconductor)故單極型三極管又稱為MOS管。MOS管電路的連接形式N+N+P型硅襯底BDGS+－UDS+－UGS漏極與源極間電源UDS柵極與源極間電源UGS

如果襯底在出廠前未連接到源極上，則要根據(jù)電路具體情況正確連接。一般P型硅襯底應(yīng)接低電位，N型硅襯底應(yīng)接高電位，由導(dǎo)電溝道的不同而異。不同類型MOS管的電路圖符號(hào)DSGB襯底N溝道增強(qiáng)型圖符號(hào)DSGB襯底P溝道增強(qiáng)型圖符號(hào)DSGB襯底N溝道耗盡型圖符號(hào)DSGB襯底P溝道耗盡型圖符號(hào)由圖可看出，襯底的箭頭方向表明了場(chǎng)效應(yīng)管是N溝道還是P溝道：箭頭向里是N溝道，箭頭向外是P溝道。虛線表示增強(qiáng)型實(shí)線表示耗盡型6.5.2MOS管的工作原理以增強(qiáng)型NMOS管為例說(shuō)明其工作原理。N溝道增強(qiáng)型MOS管不存在原始導(dǎo)電溝道。當(dāng)柵源極間電壓UGS=0時(shí)，增強(qiáng)型MOS管的漏極和源極之間相當(dāng)于存在兩個(gè)背靠背的PN結(jié)。N+N+P型硅襯底BDGS不存在原始溝道+－UDSUGS=0此時(shí)無(wú)論UDS是否為0，也無(wú)論其極性如何，總有一個(gè)PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，因此MOS管不導(dǎo)通，ID=0。MOS管處于截止區(qū)。PPN結(jié)PN結(jié)ID=01.導(dǎo)電溝道的形成在柵極和襯底間加UGS且與源極連在一起，由于二氧化硅絕緣層的存在，電流不能通過(guò)柵極。但金屬柵極被充電，因此聚集大量正電荷。+－+－N+N+P型硅襯底BDGSUDS=0UGS電場(chǎng)力排斥空穴二氧化硅層在UGS作用下被充電而產(chǎn)生電場(chǎng)形成耗盡層出現(xiàn)反型層形成導(dǎo)電溝道電場(chǎng)吸引電子

2.可變電阻區(qū)

很明顯，在0<UGS<UT的范圍內(nèi)，漏源極之間的N溝道尚未連通，管子處于截止?fàn)顟B(tài)，漏極電流ID＝0的。當(dāng)

UGS一定，且

UGS從0開始增大，UGS＝UGS

－UDS<UGS（eff)時(shí)，即在

UGS很小的情況下，

UDS的變化直接影響整個(gè)溝道的電場(chǎng)強(qiáng)度，在此區(qū)域隨著

UDS的增大，

ID增大很快。當(dāng)

UDS再繼續(xù)增大到

UGD＝UGS

－UDS

＝UGS（off)時(shí)，導(dǎo)電溝道在漏極一側(cè)出現(xiàn)了夾斷點(diǎn)，稱為預(yù)夾斷。對(duì)應(yīng)預(yù)夾斷狀態(tài)的漏源電壓UDS

和漏極電流ID

稱為飽和電壓和飽和電流。這種情況下，UDS

的變化直接影響著

ID的變化，導(dǎo)電溝道相當(dāng)于一個(gè)受控電阻，阻值的大小與

UGS相關(guān)。

UGS越大，管子的輸出電阻變得越大。利用管子的這種特性可把MOS管作為一個(gè)可變電阻使用。3.恒流區(qū)當(dāng)

UGS

≥UT且在漏源間加正向電壓UDS時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生漏極電流ID。當(dāng)

UDS使溝道產(chǎn)生預(yù)夾斷后仍繼續(xù)增大，夾斷區(qū)隨之延長(zhǎng)，而且

UDS增大的部分幾乎全部用于克服夾斷區(qū)對(duì)ID的阻力，這時(shí)從外部看ID幾乎不隨UDS

的增大而變化

，管子進(jìn)入恒流區(qū)。在恒流區(qū)，ID的大小僅由UGS的大小來(lái)決定。MOS管用于放大作用時(shí)，就工作在此區(qū)域。在線性放大區(qū)，MOS管的輸出大電流ID

受輸入小電壓UGS的控制，因此常把MOS管稱為電壓控制型器件。MOS管工作在放大區(qū)的條件應(yīng)符合。4.截止區(qū)當(dāng)

UGS

小于UGS（off)時(shí)，管子的導(dǎo)電溝道完全夾斷，漏極電流ID＝0，MOS管截止；在

UGS<UT時(shí)，

管子導(dǎo)電溝道沒有形成，使ID＝0，管子處于截止?fàn)顟B(tài)。ID+－+－N+N+P型硅襯底BDGSUDSUGS在放大恒流區(qū)，如果UDS-UGD<UT時(shí)，溝道完全夾斷，ID=0，管子又回到截止區(qū)。但繼續(xù)增大UDS，使管子出現(xiàn)雪崩擊穿時(shí)，ID電流急劇增大，管子將進(jìn)入擊穿區(qū)。UGD溝道出現(xiàn)預(yù)夾斷時(shí)工作在放大狀態(tài)，放大區(qū)ID幾乎與UDS的變化無(wú)關(guān)，只受UGS的控制。即MOS管是利用柵源電壓UGS來(lái)控制漏極電流ID大小的一種電壓控制器件。5.擊穿區(qū)6.5.3

MOS管的使用注意事項(xiàng)1.MOS管中,有的產(chǎn)品將襯底引出，形成四個(gè)管腳。使用者可視電路需要進(jìn)行連接。P襯底接低電位，N襯底接高電位。但當(dāng)源極電位很高或很低時(shí),可將源極與襯底連在一起。2.場(chǎng)效應(yīng)管的漏極與源極通?？梢曰Q，且不會(huì)對(duì)伏安特性曲線產(chǎn)生明顯影響。注意：大多產(chǎn)品出廠時(shí)已將源極與襯底連在一起了，這時(shí)源極與漏極就不能再進(jìn)行對(duì)調(diào)使用。3.MOS管不使用時(shí),由于它的輸入電阻非常高,須將各電極短路,以免受外電場(chǎng)作用時(shí)使管子損壞。即MOS管在不使用時(shí)應(yīng)避免柵極懸空，務(wù)必將各電極短接。4.焊接MOS管時(shí)，電烙鐵須有外接地線，用來(lái)屏蔽交流電場(chǎng)，以防止損壞管子。特別是焊接絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管時(shí)，最好斷電后再焊接?！?/p>

MOS管的主要技術(shù)參數(shù)

1.開啟電壓UT開啟電壓是增強(qiáng)型MOS管的參數(shù)，柵源電壓UGS小于UT的絕對(duì)值時(shí)，MOS管不能導(dǎo)通。

2.輸入電阻RGS

RGS是場(chǎng)效應(yīng)管的柵源間輸入電阻典型值，對(duì)于絕緣柵場(chǎng)型MOS管，輸入電阻RGS約在1M~100MΩ之間。由于高阻態(tài)，所以可認(rèn)為輸入電流基本為零。3.最大漏極功耗PDM最大漏極功耗可由PDM=UDS

ID決定，與雙極型三極管的PCM相當(dāng)，管子正常使用時(shí)不得超過(guò)此值，否則將會(huì)由過(guò)熱而造成管子的損壞。實(shí)踐5MOS管導(dǎo)通測(cè)試與柵極靜電防護(hù)演示1.實(shí)驗(yàn)器材：增強(qiáng)型IRF540NMOS管、5V電源、1kΩ電阻、LED、絕緣鑷子和產(chǎn)生靜電的絲綢。2.實(shí)驗(yàn)步驟：（1）導(dǎo)通測(cè)試：S極接電源負(fù)極，D極串1kΩ電阻+LED接電源正極，G極接5V（UGS=5V），LED發(fā)光：溝道形成，ID

導(dǎo)通；G極接地（UGS=0），LED不亮：說(shuō)明無(wú)溝道；（2）靜電危害演示：用絲綢摩擦絕緣鑷子，用鑷子接觸懸空的G極，再將G極接地，重復(fù)導(dǎo)通測(cè)試，若LED不再發(fā)光說(shuō)明MOS管損壞，驗(yàn)證柵極懸空易被靜電擊穿。3.安全提示：操作時(shí)戴絕緣手套，避免直接接觸G極。知識(shí)總結(jié)1.

MOS管是電壓控制器件，靠UGS

控制ID，輸入電阻極高，無(wú)電流損耗；2.增強(qiáng)型MOS管需UGS≥UT

才形成溝道，耗盡型則可正/負(fù)UGS

控制；3.核心注意事項(xiàng)：柵極絕對(duì)不能懸空，需防靜電、焊接時(shí)需可靠接地。［拓展學(xué)習(xí)，單結(jié)晶體管及其測(cè)試］單結(jié)晶體管也稱為雙基極二極管，因?yàn)樗幸粋€(gè)發(fā)射極和兩個(gè)基極，且具有負(fù)阻特性，常與RC充放電回路組成弛張振蕩器。請(qǐng)通過(guò)網(wǎng)上網(wǎng)下查詢，說(shuō)明單結(jié)晶體管管腳的判別以及選用常識(shí)。工程