亚星游戏登录《电子技术》大学教学课本pdf半导体器件 半导体器件是 电子 电路中的核心元件 。 结是构成各种半 导体器件 的共 同基础 。本章首先介绍半导体 的导 电特性和 结 的基本特点，然后介绍半导体二极管 、半导体三极管和绝缘栅场 效应管的基本结构 、工作原理 、特性 曲线和主要参数 ，为 以后 的 学 习打下基础 。 第一节半导体 的基础知识 一 、半导体的导 电特性 导 电能力介于导体和绝缘体之 间的物质称为半导体 。硅 、 锗 、硒 以及大多数 的金属氧化物和硫化物都是半导体 。 目前制作 半导体器件 的主要材料是硅 （ ）和锗 （ 半导体 的导 电能力在不 同条件下有着显著的差异 。例如有些 半导体受热或受光照时，它的导 电能力会 明显地增强 。利用半导 体 的热敏性 、光敏性 ，可制成各种热敏元件和光敏元件 。又如在 纯净 的半导体 中掺入微量 的杂质元素后 ，其导 电能力可提高几十 万乃至几百万倍 。利用半导体 的掺杂性制造 了各种不 同用途 的半 导体器件 ，如半导体二极管、三极管、场效应管及晶闸管等 。 半导体特殊 的导 电性质是 由其本身的结构决定的。下面简单 介绍一下半导体的内部结构和导电机理 。 本征半导体 完全纯净 的、具有 晶体结构 的半导体称为本征半导体 ，它是 制造半导体器件的基本材料 。 硅和锗都是 四价元素 ，在原子结构 中最外层轨道上有 四个价 电子 。物质 的导 电性能主要与价 电子有关 ，因此常把它们 的原子 结构模型简化为图 所示 。 在 硅 或锗 晶体 结构 中 ，原 子 的排 列 非 常有 规 律 ，每 个 原子 最 外层 的 四个 价 电子 分 别和 相 邻 的 四个 原子 的价 电子 形 成共价键 ，如 图 所 示 。 共 价 键 结 构 中 ，价 电子 不 像 绝 缘 体 中的电子那样被紧紧束缚着 ，在室温下 ， 图 原子结构 少 数 价 电子 受 热激 发 获得 足够 的能量 ， 简化模型 可 以挣 脱共 价键 的束 缚成 为 自由 电子 。 同时 ，在原来共价键处 留下 一个空位 ，称为空穴 ，如 图 所 示 。 由于 自由 电子 带 负 电荷 ，所 以失去 电子 的原 子成为正离子 ，就好像空穴 带 正 电荷 一 样 。空 穴 一 出 现 ，邻近共价键 中的价 电子 会很容易地来填补空穴 ，而 在该 电子所在位置产生一个 图 晶体 的共价键结构 新 空 穴 ，就 如 同空 穴 在 移 动 。 可见 ，本征半导体 中不仅 有带负 电荷 的 自由电子 ，而且 有带正 电荷 的空穴 ，它们在外 电场作用 下都能定 向运动参与 导 电，所 以我们将这两种带 电 粒子称为载流子 。 在本征半导体 中， 自由电 子和空穴是成对产生 的 ，称为 电子 空穴对 。同时它们又可能 图 本征 半导体 电子、 随时相遇 复合而成对消失 。当 空穴对 的形成 温度一定 时 ，这种产生与复合 的过程呈现动态平衡 ，电子 空穴对浓度维持一定 。当温度升高 时，电子 空穴对浓度增大亚星游戏娱乐官网333，因此本征半导体 的导 电性能随温度 上升而 明显增强 。 杂质半导体 本征半导体在 常温下 的载流子浓度很低 ，故其 导 电性 能很 差 。如果在其 中掺入微量 的杂质 ，成为杂质半导体 ，其导 电性能 会大大增 强 。 型半导体在硅 （或锗 ）晶体 中掺入微量 的五价元素 磷 （或锑 ）等 ，由于磷原子外层有五个价 电子 ，其 中四个价 电子 分别与相邻 的四个硅 （或锗 ）原子组成共价键 ，多余 的一个价 电 子便很容 易地挣脱磷原子核 的束缚而成为 自由电子 ，如 图 所示，磷原子则因失去 电子而成为正离子 。 可见 ，掺入这种杂质后 ，自由电子数量大幅增加 ，远大于 晶 体本身 由于热激发而产生 的空穴数 。自由电子称为多数载流子 ， 简称多子 ；空穴称为少数载流子 ，简称少子 。这种杂质半导体称 为 电子型半导体或 型半导体 。 型半导体在硅 （或锗 ）晶体 中掺入微量三价元素硼 （或铟 ）等 ，由于硼原子外层只有三个价 电子 ，它与相邻 的四个 硅 （或锗 ）原子组成共价键时，因缺少一个价 电子而形成一个空 位 。在 常温下 ，附近共价键 中的价 电子会很容 易地填补这个 空 位 ，而在原来价 电子处形成一个空穴 ，如 图 所示 ，硼原子 则因得到一个 电子而成为负离子 。 可见 ，掺入这种杂质后 ，空穴数量大幅增加 ，远大于 由于热 激发而产生 的 自由电子数 。所 以，空穴为多数载流子 ，自由电子 为少数载流子 。这种杂质半导体称空穴型半导体或 型半导体 。 二 、 结 在一块 晶片上 ，采用不 同掺杂工艺 ，于两边分别形成 型 和 型半导体 ，二者交界处就形成 结 。 结是构成半导体二极 管 、三极管的核心部分 。因此 ，研究 结 的特性是 了解 半导体 器件工作原理 的基础 。 图 杂质半导体 型半导体 型半导体 结的形成 当 型半导体和 型半导体结合在一起时，交界面两侧 的 电子和空穴浓度相差甚远 ，因此 ，载流子将从浓度高 的地方 向浓 度低 的地方扩散 。即 区的多子空穴 向 区扩散 ， 区的多子 电 子向 区扩散，如图 所示 。扩散 的结果 ，在交界面 区 一 侧 留下负离子 ，在 区一侧 留下正离子 ，于是在交界面两侧形 成一层很薄 的空间电荷 区，如 图 所示 。在此 区 内，多子 已 扩散到对方并被复合掉 了，或者说消耗尽 了，故又称它为耗尽 层 。这个 区域就是 结 。 空 间电荷 区的存在 ，使交界面两侧产生一 电场 ，称为 内电 场，其方 向由 区指 向 区 ，如 图 所示 。内电场 阻止 多子 的扩散 ，所 以空间电荷 区又可称为阻挡层 。同时，内电场又促使 区的少子 电子和 区的少子空穴作定 向运动 。这种少数载流子 在 内电场作用下的定 向运动称为漂移运动 。显然 ，多子 的扩散和 少子的漂移是两类方向相反的运动 。 结形成过程 中，同时存在着扩散和漂移运动 。当两种运 动达到动态平衡时，就形成具有一定宽度 的 结 。 结的单 向导 电性 外加正 向电压 结外加正 向电压 的电路如 图 所 图 结 的形成 多子扩散 空间电荷区的形成 示 ， 区接 电源正极， 区接 电源负极。这种联接又称为正向偏 置 。此 时 电源 在 结中产生的外 电场与其 内电场方 向相反， 扩散和漂移运动 的平衡被打破 。外 电场驱使 区的空穴进入空间 电荷 区与一部分负离子 中和 ，同时 区的 自由电子进入空 间电 荷 区与一部分正离子中和 ，结果使空间电荷区变窄，内电场被削 弱，多子的扩散运动增强，形成较大的正向电流 。 在一定范围内，正 向电流 随外 电场增强而增大 ，这时 结 呈现低 电阻值 ， 结处于导通状态 。 外加反向电压 结加上反 向电压时的电路如 图 所示， 区接 电源正极， 区接 电源负极。这种联接又称为反 向 偏置 。此 时外 电场 与 内电场方 向相 同，扩散和漂移 的平衡被破 坏 。外 电场驱使 区的空穴和 区的 自由电子都背离空间电荷 区，结果使空 间电荷 区变 宽 ，内电场增 强 ，使 多子扩散难 以进 行 。同时少子 的漂移运动被加强 。但 由于少子数量很少 ，所 以只 能形成很小的反 向电流 。这时 结呈现 的反 向电阻很高， 结 处于截止状态 。 综上所述，外加正向电压时， 结 电阻很低 ，正 向电流较 大 ，处于导通状态 ；外加反 向电压时， 结 电阻很 高 ，反 向电 流很小 ，处于截止状态 。这就是 结 的单 向导 电性 。 图 结的单 向导电性 正向偏置 反向偏置 第二节半导体二极管 一 、基本结构 半导体二极管又称 晶体二极管 ，是 由一个 结加上相应 的 电极 引线及管壳封装而成 。由 区引出的电极称为 阳极 ，由 区引出的电极称为 阴极 。图形符号如 图 所示 ，箭头方 向表 示二极管正向导通时电流的方 向。 根据 内部结构不 同，二极管可分为点接触型和面接触型 ，如 图 所示 。点接触型二极管的 结结面积很小，结电容也小， 因此允许通过 的正 向电流小 。但高频性能好 ，一般适用于高频和 小功率 的工作场合 ，也用作脉冲数字 电路 的开关元件 。面接触型 二极管的 结结面积较大，结 电容也大，可通过较大的电流。 图 二极管的结构和 图形符号 点接触型 面接触型 图形符号 但只能工作在低频范围，一般用在大功率整流 电路上 。 根据制作材料的不同，二极管可分为硅管和锗管 。 二 、伏安特性 二极管最重要 的性能是单 向导 电性 ，这可 由其伏安特性来描 述 。图 所示为典型的二极管伏安特性曲线。 由图可见，当正 向电压较小时，正 向电流几乎为零 。这是 由 于外 电场还不能克服 结 内电场对 多子扩散运动 的阻力 ，二极 管呈现高 电阻值所致 。这一段称为死 区。当正 向电压超过某一值 （称死 区电压 ）后 ，内电场被大大削弱 ，电流增长很快 ，此时二 极管呈现低 电阻值 ，处于正 向导通状态 。硅 管 的死 区 电压约为 ，锗管的死区电压约为 。二极管正 向导通后 的管压 降 变化较小，硅管约为 ，锗 管 约 为 当二极管加上反 向电压时，由少子漂移运动形成很小的反 向 电流 。反 向电流有两个特点：第一是它随温度升高增长很快 ；第 二是 当反 向电压在 一定范 围内增大时 ，反 向电流 的大小基本不 变，所以通常称它为反向饱和电流 。 当反 向电压继续增加而达 到一定数值 时 ，反 向电流 突然增 大 ，二极管失去单 向导 电性 。这种现象称为反 向击穿，此时的电 压称为反 向击穿电压 。击穿的原因，一是在强 电场作用下价 电子 可 以挣 脱共 价 键 的束 缚 ， 产生大量 的 电子 空穴对 （齐纳 击穿）；或是 由于载流子在强 电 场 中获 得 足 够 大 的功 能 ，将 原 子 中的价 电子碰 撞 出来 ，形 成 大 量 的 电 子 空 穴 对 （雪 崩 击 穿 ） ，从而 形 成 较 大 的反 向 电 流 。反 向击穿可能导致 结损 坏 ，因此 二 极 管 所 加 反 向 电压 值应小于其反 向击 穿电压 。 三 、主要参数 半 导 体 器 件 的参 数 反 映 了 其 本 身 的性 能和 适 用 范 围 ，是 图 二极管 的 正 确 选 用 半 导体 器 件 的依据 。 伏安特性 曲线 二极管的主要参数有 以下几种 。 最大整流 电流 最大整流 电流是指二极管长时间使用时允许通过 的最大正 向 平均 电流值 。它是 由半导体材料和 结面积决定的。使用时正 向电流平均值应小于 ，否则管子容易过热而损坏 。 最大反 向工作 电压 它是为保证二极管不被反 向击穿而规定的反 向峰值 电压 ，一 般为反 向击穿 电压 的一半或三分之二 。为 了防止管子被击 穿，要求反 向电压小于 反 向峰值 电流 它是指二极管加上最大反 向工作 电压时的反 向电流值 。反 向 电流大 ，说 明管子 的单 向导电性差 ，且受温度 的影响大 。硅管的 反 向电流较小 ，一般在几微安 以下 ；锗管的反 向电流较大 ，为硅 管的几十到几百倍 。 此外 ，半导体二极管还有最高工作频率 、极间 （结 ）电容等 参数 。常用二极管的型号和参数 ，可参看本书附录 和 二极管的应用很广 ，主要是利用其单 向导 电性 。它可用于整 流、检波、元件保护 以及在脉冲数字 电路中作开关元件 。 例 图 所示为单相半波整流 电路 。设二极管为理想 元件 。当 时，试画出 的波形 。 图 半波整流 电路 解 当 （正 半 周 ）时 ， 导通 ， 。 当 （负 半 周 ）时 ， 截止 ， 波形如图 所 示 。 例 图 所 示 为 二 极 管 限 幅 电 路 。 已 知 ，二极管正 向压 降忽略不计 ，试画出输 出 电压 的波形。 解 当 时 ， 导通 （ 截止 ）， 。当 时， 导 通 （ 截 止 ）， 。当 时， 均截止 ， 。波形如图 所示 。 四、几种常用 的特殊二极管 除了前面介绍的普通二极管外，还有一些特殊二极管 。下面 简要介绍常用的稳压管、发光二极管、光 电二极管 。 稳压管 稳压管是一种特殊 的面接触型半导体硅二极管 。它是利用二 极管反 向击穿特性实现稳压功能的半导体器件 。由于它在 电路 中 图 二极管限幅电路 与适当数值 的电阻相配后能起稳定 电压 的作用 ，故称为稳压管 。 其 图形符号如 图 所 示 。 稳压管 的伏安特性 曲线与普通二极管相类似 ，如 图 所 示 ，其差异是稳压管的反 向特性 曲线 比较陡。 图 稳压管的伏安特性曲线及 图形符号 稳压管的伏安特性 曲线 图形符号 稳压管工作在反 向击穿区。由伏安特性 曲线可看出，当反 向 电压增加到反 向击穿电压时，反 向电流急剧增加 。由于稳压管在 制造时采取 了适当的限流措施 ，可使管子工作在反 向击穿状态而 不损坏 。此后 ，电流在很大范围内变化时，管子两端 电压基本不 变 亚星游戏娱乐官网333。利用这一特性，稳压管在 电路中能起稳压作用，故稳压管的 反 向击穿是可逆的。但是，如果反 向电流超过允许范围，管子将 会发生热击穿而损坏 。 稳压管的主要参数如下： 稳定 电压 稳定 电压是稳压管在正常工作时管子两 端的电压值 。这个数值随工作 电流和温度的不同略有改变 。即使 同一型号的稳压管，稳定电压值也有一定的分散性。例如 稳压管的稳压值为 稳定 电压温度系数 稳定 电压温度系数系表示稳定 电压值受温度影响的参数 ，其数值为温度每升高 ℃时稳定 电压 值的相对变化量 。例如 稳压管 的稳定 电压温度系数为 ，即温度 每升高 稳定 电压要增加 一般来说， 左右时， 接近于零； 时， 为 正 值 ； 时， 为负值 。因此 ，选用 为 左右 的稳 压管，能取得较好的温度稳定性。 在对温度稳定性要求较 高 的 电路 中，可采用具有温度补偿措施 的稳压 管 。例 如 型稳压管 ，它 由两只采 用相 同工艺制作在 同一块硅片上 的稳 压管反 向串联而成 ，如 图 所 示 。 图 具有温度补 通常反 向工作 的管子具有正 电压温度 偿 的稳压管 系数 ，正 向工作 的管子具有负 电压温 度系数，所 以温度补偿的效果较好。 最大允许耗散功率 是管子不致发生热击穿的最大 功率损耗 ，是 由允许 的 结工作温度所决定的参数。 稳定 电流 是稳压管正常工作时的参考 电流值 。每 种型号的稳压管 ，都规定有一个最大稳定 电流 ，它近似等于 和 的 比值 。 使用稳压管时，工作 电流不能超过 ，否则会损坏管子。 动态 电阻 是指稳压管端 电压 的变化量与相应 的电 流变化量的比值 ，即 稳压 管 的反 向伏 安特性 曲线 愈 陡 ，则动态 电阻愈小 ，稳压性 能愈好 。 图 所示为稳压管稳压 电 路 。图中 为 负载 电阻，稳压 管 和限流 电阻 相配合起稳 压作用 ，当 或 变化时，保 图 稳压管稳压 电路 证输 出电压 基本不变 。 发光二极管 发光二极管是一种将 电能转换成光能的半导体器件 ，简称为 的缩 写 ）。它 的 结是 由磷砷化镓 、镓 铝砷或磷化镓等材料制成 ，具有单 向导 电性 。当 结正 向导通 时，由于 电子和空穴 的复合会释放 出能量 ，产生出光子 ，因而二 极管便发 出一定颜色 的光 。发光二极管 的图形符号如 图 所 示 。 发 光 二 极 管 的种 类很多，图 所示 为 一 些 典 型 产 品 的外 型 。图 所示为半 导 体 发 光 数 码 管 （简 称 数码管 由七 个 条 状 的发 光 二 极 管 图 发光二极管 的外型及 图形符号 组 成 ，是 常 用 的数 码 外形图 数码管 图形符号 显示器。 发光二极管的工作 电流一般为几毫安至几十毫安 。它的正 向 导通 电压较高 ，约为 。使用时 ，应 串接 限流 电阻，以防止 正 向电流过大而损坏管子 。 光 电二极管 光 电二极管是利用半导体材料 的光敏特性而制成 的。图形符 号如图 所 示 。 当 结受光线照射 时 ，可 以激发产生大量 电子 空穴对 ，从 而提高 了少数载流子 的浓度 ，在外加反 向电压作用下 ，少子漂移 电流显著增大 。当外界光 的强度变化时，二极管反 向电流大小也 随之改变 。这就是光 电二极管 的工作原理 。可见 ，光 电二极管正 常工作时应为反 向接法 。 光 电二极管可 以作为光 电件或用来进行光 的测量 。 例 稳压 电路 如 图 所 示 。已知 稳 定 电压 当 时，求 上 的 电流 、负载 电流 稳定 电流 以及输出电压 图 光 电二极 解输 出电压 ，限流 电阻 管的图形符号 上 的电流 负载 电流 稳定 电流 第三节半导体三极管 半导体三极管又称 晶体三极管，简称三极管或 晶体管 。由于 它既可作放大元件 ，又可作开关元件 ，所 以在 电子 电路中应用非 常广泛 。 一、基本结构 三极管有硅管和锗 管之分 。从 内部结构看 ，又可分为 型和 型两类 ，其结构示意和 图形符号如 图 所示 。我 国 目前生产的硅管多为 型，锗管多为 型 。 由图可见 ，三极管有三个 区 ，分别为发射 区 、基 区和集 电 区；由三个 区各 引出一个 电极 ，分别为发射极 、基极 和集 电 图 三极管的结构和 图形符号 型 极 ；有两个 结，发射区和基区间的 结称为发射结 ，集 电 区和基 区间的 结称为集 电结。 为 了实现三极管的电流放大作用 ，在制造工艺上有如下特 点：发射区掺杂浓度很高，基区很薄且掺杂浓度很低，集 电结面 积要大 。 型和 型三极管 的工作原理相类似 ，仅在使用时 电 源极性的联接不同。下面 以 型三极管为例来分析讨论。 二、电流分配与放大原理 将一个 型三极管接入 图 所示 实验 电路 ，这样 ， 在 三 极 管外部形 成两个 电路 ， 即基极 电路和集 电极 电路 ；发 射极是公共端 ；所 以这种接法 称为三极管 的共射极接法 。为 了使三 极 管工作 在 放 大状态 ， 要求其发射结加正 向电压 （正 图 三极管 电 向偏置 ），集 电结加反 向电压 流放大 的实验 电路 （反 向偏 置 ）。因此 ，当 管 子 为 型时 ，电源 和 的极性 必须照 图中接法 ，且 实验 时，改变 的大小，则基极 电流 、集 电极 电流 和发射极 电流 都发生变化 。电流方 向如 图中所示 。实验结果 列于表 中。 表 三极管 电流测试数据 从实验结果可得 出如下结论： 观察表 中每一列数据 ，可得 此结果符合基尔霍夫定律 。 。表 中第三列和第 四列的 和 的比值分别 为 微小 的变化 ，会 引起 较大的变化 。仍用第三列和 第 四列实验数据 比较 ，可得 计算结果表 明，基极 电流 的微小变化量 ，可 以引起集 电极 电 流较大的变化 ，这就是三极管的电流放大作用 。 下面通过三极管 内部载流子 的运动规律来解释其 电流放大原 理 。 发射 区向基 区发射 电子由于管子发射结正偏 ，使发射 区的多子 （自由电子 ）不断通过发射结扩散到基 区，形成 由发射 区注入基 区的电子流 。同时 ，基 区的多子 （空穴 ）也扩散到发射 区 。但 由于基 区杂质浓度很低 ，形成 的空穴 电流十分微弱 ，与 电 子 电流相 比可 以忽略不计 。因此 ，发射极 电流 主要是 电子 电 流 ，其方 向与 电子扩散 的方 向相反 ，如 图 所 示 。 ）电子在基 区的扩 散和 复合电子注入基 区后 ，由于 在靠近发射 结一侧 电子浓 度最 高 ，而靠近 集 电结一侧 电子浓 度最低 ，因此 电子 要继续 向集 电结 方 向扩 散 。在 扩 散 过 程 中，一部分 自由电子与基 区中 为数 不 多 的空穴相 遇而 复合 。 同时 ，电源 的正极不断从 基 区拉走 电子 ，补充复合掉 的 图 三极管中载流子的运动 空穴 ，这样就形成 了较小的基极 电流 由于基 区很薄 ，空穴浓度很低 ，所 以电子在基 区复合 的机会 很少，绝大部分都能扩散到集 电结附近 。 电子被集 电极收集由于集 电结反偏 ，集 电结 内电场增 强 ，因而阻止 了集 电区的电子 （多子 ）向基区扩散 。但可将基 区 扩散到集 电结边缘 的电子拉入集 电区，形成集 电极 电流 综上所述 ，从发射 区注入基 区的电子 ，大部分越过基 区流 向 集 电极 ，形成集 电极 电流 ，仅有很少一部分 电子在基区复合， 形成基极 电流 。各极 电流方 向如图 所示 。根据基尔霍夫 定律 ，发射极 电流 （ 和 的分配 比例关系取决于 电子扩散和复合 的比例 。对 于一个三极管 ，其基区厚度 、杂质浓度等 因素 已定 ，因此这个 比 例基本一定 。所 以，基极 电流有微小的变化 ，就能使集 电极 电流 发生较大的变化 。这就是三极管的电流放大原理 。 由此可见，要使三极管能起正常的放大作用 ，其发射结必须 正偏 ，而集 电结必须反偏 。因此 ，若 图 中三极管换为 型，则 电源 和 的极性要反接 。 三 、特性 曲线 三极管的特性 曲线是用来表示三极管各极 电压和 电流之 间关 系 的，它反 映了管子 的技术性能 ，是分析放大 电路 的重要依据 。 最常用 的是共射极接法时的输入特性 曲线和输 出特性 曲线 。这些 特性 曲线可从 晶体管特性 图示仪上直观地显示 出来 ，也可 由实验 测得 。 下面仍 以 型三极管共射极放大 电路为例进行讨论 。 输入特性 曲线 输入特性 曲线是指当集 射极 电压 为一定值 时，基极 电流 与基 射极 电压 之间的关系 曲线 ，即 常数，如 图 所 示 。 由于三极管 的输入 回路 只 经过一个 结 （发 射 结 ），所 以它 的输入特性 曲线与二极管 正 向特性相似 ，只是当集 射极 电压 取值不 同时，曲线 的 左右位置不 同。 当 时 ，其特性 曲 线相 当于两个二极管 （发射结 和集 电结 ）并联后 的正 向伏安 特性。 图 三极管 的输入特性 曲线 当 时 ， 由于 增加使集 电结变宽，减小了基 区的有效宽度 ，不利于 电子和空穴 复合 ，故在 同样的 时 ， 的值比 时要小 ，曲线右移 。 当 时 ，集 电结 已反 向偏置 ，且 内电场 已足够 强 ， 可 以把从发射 区注入基 区的电子中的绝大部分拉入集 电区。此时 再增大，只要 保持不变 （由发射 区注入基 区的 电子数就 一 定 ）， 不再明显减小 。即 后 的输入特性 曲线基本上 是重合的。实际中，通常只给出 的一条特性 曲线。 由图 可 见 ，三极 管输 入特 性 曲线也有一段死 区 ，硅 管 的死区电压约为 ，锗 管 的死 区 电压约为 。在正常工作 情况下 ，硅管 ，锗 管 输 出特性 曲线 输 出特性 曲线是指当 基极 电流 为一定值时， 三极 管集 电极 电流 与 集 射极 电压 之间的关 系 曲线 ，即 常数 ，如 图 所 示 。 当 为 不 同值 时 ，可 得 出不 同的 曲线 ，所 以三极 管输 出特性是一族 曲线 。 根据三极管 的工作状 态不 同，通常把输 出特性 曲线分为三个 区域 ：截止 图 三极管输出特性曲线 区、饱和 区和放大区。 截止 区输 出特性 曲线 中， 的曲线 以下的区域为 截止 区。此时 。这样，当三极管工作在截止区时，集 电极 和发射极之间相当于一个开关的断开状态 。 对 型硅管而言， 时，管子 已开始截止 。为了 使其截止可靠 ，常使 。此时，发射结和集 电结都处于反 向偏置。 饱和区三极管放大 电路中 （见图 ，当 增 大 时 ， 将相应 降低 。当 时，集 电结上 的电压 为正向偏置，此时集 电结收集 电子的能力下降，即使 再增大 ， 几乎不再增加 ，三极管失去 电流放大作用 。这时管子处于饱 和状态 。通常称 即 时的工作状态为临界饱和 状态 ，图 中用虚线表示 出来 。在临界饱和 曲线 以左为饱和 区 。 三极管工作在饱和 区时，发射结和集 电结均为正 向偏置 ，呈 低 电阻状态 。此时的集 射极 电压称为饱和压 降，用 表示 ， 其值很小 ，硅管约为 ，锗管约为 。由于 管子集 电极与发射极之间犹如开关闭合 。 放大区截止 区和饱和 区之 间的区域 ，称为放大区。工 作在放大 区的三极管具有 电流放大作用 ，此 时发射结为正 向偏 置 ，集 电结为反 向偏置 。由图 可见 ，放大 区的特性 曲线较 平坦，当 等量变化时， 几乎也按一定 比例等距平行变化。 在此区， 只受 控制 ，几乎与 的大小无关，故又称为恒 流区。 例 用直流 电压表测得放大 电路 中三极管 各极 电位 分别为 各极 电位为 。试判别 和 各是何种 类型、何种材料 的管子 ？ 分别为何 电极 ？ 解 （ 当三极管工作在放大状态 时 ，其发射结压 降，硅 管为 左右 ，锗管为 左右 。由所给条件 已知， 的 间电压为 ，故为硅管。 的 、 间为 ，故为锗管。 管子处于放大状态时，发射结正偏 ，集 电结反偏 。因此 对于 管子 ，集 电极 电位最高 ，发射极 电位最低 ，而 型 管则正好相反 。经分析， 管的 为集 电极 ，且 电位最高， 故 为 型管 ， 极 电位最低 ，为发射极 为基极 管的 为集 电极 ，其 电位最低 ，故 为 型管， 极 电位最高 ，为发射极 为基极 四、主要参数 特性 曲线和主要参数是设计 电路 、选用三极管的依据 ，也是 表征三极管性能的主要指标 。主要参数有 以下几个 。 电流放大系数 和 共射极放大 电路 中，在无交流输入信号时 ，集 电极 电流 与基极电流 的比值称为共射极直流 （静态 ）电流放大系数 ， 用 表示 。即 当输入端有交流输入信号时，基极 电流 的变化量为 ，它 起的集电极 电流变化量为 和 的比值称为共射极 放大 电路 的交流 （动态 ）电流放大系数 ，用 表示 。即 （ 例 三极管 的输 出特性 曲线如 图 所 示 。 计 算 点处的 ）由 和 两点计算 解 ）在 点处， 则 ）由 和 两点得 可见，虽然 和 含义不 同，但在放大区的平坦部分二者数 值相近 ，所 以在近似估算时可 以不作区分 。 由于制造工艺 的分散性 ，即使 同一型号的三极管 ， 值也有 很大差别 。常用 的小功率三极管， 值在 之 间。 极间反 向饱和 电流 和 集 电结反 向饱和 电流 是指发射极开路时，集 电结 在反 向电压 的作用下 ，集 电区的少数载流子 向基 区漂移所形成 的 电流 。可通过 图 所示 电路测量 。 越 小越 好 。小功率硅 管 的 在 以下 ，小功率锗 管约为 几微安至几十微 安 ，可见硅管 的温 度稳定性 比锗管好 。 穿透 电流 是指基极 开路时 ，集 电极与发射极之 间的反 图 测量 的电路 向电流 。在输 出特性 曲线上 ，为 时的集 电极 电流 。其测量 电路如 图 所 示 。 由于集 电结处于反 向偏置 ，因此集 电区空穴 （多子 ）向基 区 漂移而形成 。而发射结正 向偏置 ，发射 区的电子 （多子 ）扩 图 穿透 电流 测量 电路 载流子运动 散到基 区，除了一小部分在基 区与空穴复合外 ，绝大部分被集 电 极收集 。由于基极开路 ，因此在基区参与复合的电子与从 集 电区漂移过来 的空穴数量应相等 ，故在基 区复合 的电子 电流为 。根据 电流分配 的比例关系 ，被集 电极收集 的电子形成 的电 流为 。所 以有 （ 而集 电极 电流 则为 （ 由于 受温度影响很大，当温度上升时， 随之增加， 此外 也随温度上升而增大 ，所 以 增加得更快 ，这样 也 会相应增加 。可见， 越 大 、 越 高 的管子 ，工作稳定性越 差 。因此 ，在选管时 ，要求 尽可能小 ，而 以不超过 为 宜 。 极 限参数 集 电极 电流 的最大允许值 集 电极 电流超过一定值 时 ，三极管 的电流放大系数 值将下 降。 为 下 降到正常值 时的集 电极 电流 。为 了使管子正常工作 ，集 电极 电流不应超 过 集 射极反 向击穿电压 它是指基极开路时，加 在集 电极和发射极之间的最大允许 电压 。使用 中若集 射极 电压 （称 管 压 降 ）超 过 ，集 电极 电流将急剧增大，管子将 因 被击 穿而损坏 。为 了防止这种情况发生 ，应取 另外 ，在高温下 ，管子 的 会 降低 ，这在使用时应特 别注意 。 集 电极最大允许耗散功率 三极管工作 时，集 电极 电流 在反偏 的集 电结上要发热 ，这就是集 电极 的功率损耗 ， 即 （ 为 了使集 电结 的结温不超 过 允 许值 ，规定 了集 电极最大 允许 耗散功率 。而 由 可在输 出特性 曲线上作 出管子 的允许功率损耗 曲线 ，如 图 所 示 。 曲线 的右 上 方 ，称为过损耗区，进入此区 管子有可能损坏 。在 下方 ， 由 和功耗 曲线共 同确 图 三极管 的安全工作 区 定 了三极管 的安全工作 区。 值与管子的散热条件和环境温度有关。温度越高， 值越小 。而加散热器 ，可提高 值 。 以上介绍了半导体三极管各种参数的意义，在实际应用时， 三极管的型号和具体参数可参考本书附录 和 第 四节 绝 缘 栅 场 效 应 管 场效应管是电子 电路中常用的另一种半导体器件。它是利用 输入 电压产生 的 电场 效应来控制其输 出电流 的一种 电压 件 。因为只有一种载流子参与导 电，故称单极型 晶体管 。它输入 电阻高 ，热稳定性好 ，便于集成化 ，所 以发展迅速 ，应用广泛 。 场效应管分为结型和绝缘栅型两大类 。本节介绍应用较广 的 绝缘栅 型场 效应管 ，简称 管 。 管根据其导 电沟道 的不 同分为 沟道和 沟道两类 ，即 管和 管。其中每一 类又可分为增强型和耗尽型两种 。下面 以 管为例来说 明其 工作 原理 。 一 、 沟道增强型场效应管 结构及工作原理 图 所示为 沟道增强型绝缘栅场效应管 的结构示意 图，图 是它的图形符号 。它是用一块 型硅片作衬底 ，在其上 通过扩散工艺形成两个高掺杂 的 型 区 （图 中 以 表 示 ），分 别引出电极作为源极 和漏极 。在两个 型区之间用热氧化 的 方法生成一层二氧化硅 （ ）绝缘层 ，并在其上覆盖一层金属 铝膜 ，由此 引一 电极作为栅极 由于栅极和其他 电极及衬底绝缘 ，故称绝缘栅 。又 由于它 由 金属 、氧化物和半导体组成 ，故称金属 氧化物 半导体场效应管 ，简称 管 。 增强型 管的工作原理如图 所示 。衬底 和源极 通常连在一起并接地 ，栅极 和源极 之 间 ，漏极 和源极 之 间，分别接 电源 和 当 时， 和 之 间是两个反 向串联 的 结 ，故无论 极性如何，都不会有电流 。 当 时 ，在绝缘层 中产生一个垂直指 向 型衬底 的电 场 ，使 型衬底 中的电子被吸引到表层 ，而空穴被排斥离开绝缘 层 。若逐渐增大 ，使其达到某一正值 ，强 电场使 型衬 底 的表面积 累 了较 多的 电子 ，形成 了一个 型层 ，称反型层 。 反型层与两个 区相联 ，成为漏 、源之 间的 型导 电沟道 ，如 图 所示 。产生导 电沟道所对应 的栅源 临界 电压 ，称为 开启 电压 。 当 时 ，源 极 的 电子将沿沟 道漂移 到漏 极 ， 形 成漏极 电流 ，管 子 导 通 。显 然 ， 越大 ，反型层 中电子浓度 越 大 ，导 电沟 道 越 宽 ， 因而 沟 道 电阻越 小 ， 电流 越 大 。可 见 ， 通过改变栅源 电压 ，可 以达到 控 制 漏 极 电 流 的 目 的 。 沟道形成后 ，在 较小 的情 况下， 随 线 性 增 长 。 由于 通过沟道形成 电位差 ，使得栅 极到沟 道各 点 的 电压不再相等 ， 近 漏 端 电压最低 ，其 值 为 ，近 源 端 的 电压 最 高 ， 即为 ，因而使沟道 由源极到漏 极逐渐 变 窄 。当 增 大 ，使 得 减 小 到 时 ，近漏 端 的反 型层 消 失 ，沟 道 被 预 夹 断 ， 图 沟道增强型绝缘 栅场效应管及其 图形符号 如图 所 示 。若 再 继 续 增 大 结构示意图 图形符号 ，夹 断 区只是稍 有 加 长 ，而 沟 道 电流基本保持预夹断时的值不变 。这是因为 ，夹断区电阻比沟 道 的电阻大得多，当 进一步增加时，其增加部分几乎全部落 在 了夹断区。 特性曲线 漏极特性又称输 出特性 。它是 为某一确定值时， 漏极 电流 和漏源 电压 之 间的关系 曲线 ，即 常数 图 增强型 管 的工作原理 时无导 电沟道 时出现 型沟道 较小时 随 线性增大 较大时出现夹断区， 趋于饱和 如图 所示 。曲线可分成三个 区：恒流 区、夹断区和可变 电 阻区。 夹断区又称截止 区，是 曲线 中 以下 的区域 。此 时 ，管子没有产生导电沟道 ， 可变 电阻区是靠近纵轴 的区域 ，类似三极管输 出特性 曲线 中 的饱和 区 。此时 ，但 较小，管子没有预夹断 ， 与 近似线性关系 。这时 之间可 以看成是一个 由 控制 的可变 电阻， 越大 ，曲线越 陡， 之 间 的等 效 电阻越 恒流 区是一组近似水平 的曲线 ，类似三极管的放大 区。此时 且 较大 ，管子出现了预夹断情况 ， 只决定于 而与 无关 ， 之 间可看成为受 控制 的电流源 。放大 电 路 中管子常工作在此 区。 ）转移特性它反映了在一定漏源 电压 下 ，栅源 电压 对 的控制能力 ，即 （ 常数 如图 所示 。从 图中可知 ，增强型 管 的开启 电压 ，且只有当 时， 才 随 变化 。这就是场效 应管的栅极控制作用 。 图 增强型 管 的特性 曲线 漏极特性 转移特性 二 、 沟道耗尽型 管 耗尽型 管的结构和增强型 基本相 同，只是在制 造时，预先在 绝缘层 中掺量 正离子 。由于这些正离子 的作用，在 时 ，漏源之 间的导 电沟道 已存在 ，称为原始 沟道 。其结构示意及 图形符号如 图 所 示 。 图 所 示 为 耗 尽 型 管 的转移 特性 曲线和漏 极特性 曲线 。从转移特性看 ，耗尽型 管可在栅 源 电压 为 正 、 图 耗 尽 型 管 结构示意 图 图形符号 图 耗尽型 的特性曲线 转移特性 曲线 漏极特性 曲线 负和零 的情况下工作 ，灵活性大 。当 时 ，由于存在原始 沟道 ，在 作用下 ，即有漏极 电流 （用 表示 ，称为饱和 漏 极 电流 ）。当 时 ，沟 道加 宽 ， 增 大 ；当 时 ， 沟道变窄， 减小 。当 负 向增大到某值 时，导 电沟道消 失 ， ，此时的栅源 电压 称为夹断 电压 。由图 所示 可知 ，其漏极特性 曲线也可分为恒流 区、夹断区和可变 电阻区三 个 区域 。 三 、 沟道 管 沟道 管简称 管 ，其结构与 管相似 ，不 同 之处是 管 以 型硅片作衬底 ，在其上形成两个高掺杂 的 区，所形成的导电沟道中的载流子是空穴 。 管也分为增 强型和耗尽型两种，图形符号如 图 所示 。 使用时， 的极性与 沟道相反 。增强型的开启 电压 是负值 ，耗尽型的夹断 电压 是正值 。 图 管 的图形符号 增强型 管 耗尽型 管 四、主要参数和使用特点 直流参数 开启 电压 系增强型 管的参数 。它是指在 为某一固定值的条件下， 为规 定 的微小值 （ ）时 的 电压值 。 管的 为正值 ， 管的 为负值 。 ）夹断 电压 系耗尽型 管的参数 。它是指在 为某一固定值的条件下， 等于某一微 小 电流 时所对 应 的 值 。 管的 为负值， 管的 为正值 。 输入 电阻 它是栅源 电压与栅极 电流 的比值 。 管的 为 ，工作时管子几乎不从信号源取用 电流 ， 为压控器件 （三极管 的输入 电阻为 ，工作时是用 控 制 为流控器件 。） 交流参数 跨导 是 指 在 为某固定值的条件下， 的变化 量与 的变化量 的比值 ，即 它是表征栅源 电压对栅极 电流控制作用大小的一个参数 ，反映了 管子 的放大能力 。其单位是西 门子 （ 或毫西 门子 （ ）极间电容有栅源 电容 、栅漏 电容 和漏源 电容 ，它们是由 结 电容和分布 电容构成 。极 间电容 的存在 决 定了管子的最高工作频率和工作速度 。 极限参数 最大漏极 电流 是 管 子 工作 时允许 的最 大漏 极 电 流 。 ）最大耗散功率 是 由管子工作时允许 的最高温升所 决定 的参数 。 漏源击穿电压 是 增大到使 急剧上升时 的 值。 ）栅源击穿电压 是 管 中的绝缘层被击 穿时 所加的 使用特点 管在使用 时 ，除 了应注 意不要超过它 的极 限参数外 ， 还应注 意要 防止感应击 穿 亚星游戏娱乐官网333。感应击 穿发生 的原 因 ，是 由于 管输入 电阻极大 ，使得栅极感应 电荷不易释放 ，又 由于绝缘层很 薄 ，极间电容量很小 ，因而少量感应 电荷就会产生高 电压 ，极易 造成管子击穿 。为避免上述现象 ，在存放管子时 ，应使三个极短 路 ；焊接时，烙铁要 良好接地 ，最好拔下 电源插头 ，利用断 电后 的余 热 进 行 焊 接 ；在 测 量 和 使 用 时 ，栅 源 间 必 须 有 直 流 通 路 。 绝缘栅场效应管的型号和参数请参 阅附录 表 小 结 一、半导体具有两种载流子 ：自由电子和空穴 。 型半导体 多子是 自由电子，少子是空穴； 型半导体多子是空穴 ，少子是 自由电子 。 结具有单 向导 电性 。正 向偏置 时 ，多子扩散运动 为主 ，形成正 向电流 ；反 向偏置时，少子漂移运动形成很小的反 向饱和 电流 。 二、半导体二极管 由 结组成 。二极管有 点接触 型和面接 触型 ，又有硅管和锗管之分 。硅管死 区 电压约为 ，导通压 降为 ；锗 管死 区电压约为 ，导通压 降为 。在数字 电路 中，二极管可作为开关使用 。稳压二极管是一 种特殊 的二极管 ，它正常运用在反 向击穿状态 ，当其反 向电流在 一定范围变化时，其端电压基本稳定， 为其稳定 电压 。 三 、半导体三极管有两个 结 ：发射结和集 电结 。当发射 结正 向偏置 、集 电结反 向偏置时，基极 电流 的较小变化能引起集 电极 电流 的较大变化 ，即三极管具有 电流放大作用 。三极管有两 种载流子参与导 电，是双极型晶体管 。它的输 出特性 曲线有三个 工作 区：截止 区、放大区和饱和 区。模拟 电路 中，三极管通常工 作在放大区；数字 电路 中，三极管一般工作在截止 区和饱和 区， 作为开关使用 。 四、场效应管是利用外加 电场改变导 电沟道的宽窄，来改变 导 电沟道 的电阻值 ，从而达到控制漏极 电流 目的的元件 。它只有 一种载流子参与导 电，是单极型晶体管 。根据导 电沟道 的不 同， 管分为 和 ，每一种又分为增强型和耗尽 型 。 管的漏极特性 曲线也有三个工作 区：夹断区 （截止 区）、恒 流 区和可变 电阻区。模拟 电路 中，管子通常工作在恒流 区；数字 电路 中，一般工作在夹断区和可变 电阻区，作为开关使用 。场效 应管是一种 电压件 ，而三极管是 电流件 ，故场效应 管具有输入 电阻大、功耗低等优点。 习 题 设二极管 的正 向压 降为 ，试 求 图 所示 电路 的输 出电 压 试求图 所示 电路 中输 出 电压 的大小和极性 ，设二极 管为理想元件 。 图 题 图 图 题 图 图 题 图 试求图 所示 电路 中电流 的值 。忽略二极管 的正 向压 降 和正 向电阻。 在 图 的各 电路中， ，二极管 的正 向压 降可忽略不计 ，试画 出输 出电压 的波形 。 图 题 图 图 题 图 图 所示各 电路 中，稳压管 的稳压值为 的稳压值 为 ，正向压 降均为 ，试求 图中输 出电压 在图 中， 稳压管 的稳定 电压 ，最大稳定 电流 。试求稳压管 中流过 的 电流

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