电工学（中）－电子技术

第1章 常用半导体元器件 半导体元器件是用半导体材料制成的电子元器件，随着电子技术的飞速 发展，各种新型半导体元器件层出不穷。半导体元器件是组成各种电子电路 的核心元件，学习电子技术必须首先了解半导体元器件的基本结构和工作原 理，掌握它们的特性和参数。本章从讨论半导体的导电特性和 PN 结的单向 导电性开始，分别介绍二极管、双极型晶体管、绝缘栅场效应晶体管和半导 体光电器件等常用的半导体元器件。 1.1 半导体的导电特性 1.1.1 导体、绝缘体和半导体 自然界的物质，按导电能力的强弱可分为导体、绝缘体和半导体三类。 物质的导电能力可以用电导率σ或电阻率ρ来衡量，二者互为倒数。物质的 导电能力越强，其电导率越大，电阻率越小。 导电能力很强的物质称为导体。金属一般都是导体，如银、铜、铝、铁 等。原因是其原子最外层的电子受原子核的束缚作用很小，可以自由移动， 成为自由电子。在外电场个用下，自由电子逆电场方向运动而形成电流。导 体的主要特征是电阻率ρ很小，一般在0.01～1 m/mm 2×W 之间，例如铜的 电阻率为0.0175 m/mm 2×W 。 绝缘体是导电能力极弱的物质。这种物质的核外电子被束缚得很紧，因 而不能自由移动。如橡胶、塑料、陶瓷、石英等都是绝缘体。绝缘体的电阻 率大于1014 m/mm 2×W 。 半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。其电阻率在 10～1013 m/mm 2×W 之间。如硅、锗、硒、砷化镓等都属于半导体。例如，在 27℃ 时， 纯硅的电阻率为 21× 108 m/mm 2×W ；纯锗的电阻率为 47× 108 m/mm 2×W 。此外，半导体还具有不同于其他物质的一些特性： (1) 热敏特性 金属的电阻率随温度的变化很小，例如，温度每升高 1 ℃ ，铜的电阻率增加0.4%左右，即温度升高100℃ ，电阻率增加不到一半。 电子技术 而半导体的导电能力对温度变化反应灵敏，电阻率随温度升高而显著降低。 例如，纯锗在温度从20 ℃升高到30℃ 时，其电阻率就要降低一半左右。利 用这种特性可以制成各种半导体热敏元件，用来检测温度变化。 (2) 光敏特性 金属的电阻率不受光照的影响，但半导体的导电能力对 光照敏感，光照可使半导体的电阻率显著减小。利用这种特性可以制成各种 光敏元件。 (3) 掺杂特性 金属中含有少量杂质时，电阻率没有显著变化。但若在 纯净的半导体中加入微量杂质，其电阻率会发生很大变化，导电能力可增加 几十万乃至几百万倍。例如在纯硅中掺入百分之一的硼后，硅的电阻率会从 21×108 m/mm 2×W 降到 4×103 m/mm 2×W 左右。利用这种特性可制成半 导体二极管，三极管，场效应晶体管及晶闸管等各种不同用途的半导体器件。 为什么半导体会有这些不同于其他物质的特点呢？这要从其原子结构去 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 。 1.1.2 半导体的原子结构和共价键 在现代电子技术中，用得最多的半导体是锗和硅，它们的原子结构如图 1-1所示。锗和硅的最外层电子都是4个，因此都是四价元素。最外层电子受 原子核束缚力最小，称为价电子。物质的化学性质是由价电子数决定的，半 导体的导电性质也与价电子有关。 a) 锗（Ge） b) 硅（Si） c) 简化模型 图 1-1 锗和硅的原子结构 根据原子之间排列形式的不同，可把物质分成晶体和非晶体两大类。所 谓晶体就是这些物质的原子是按一定的规则整齐地排列着，组成某种形式的 晶体点阵。现在所用的半导体材料都制成晶体。例如，将锗和硅材料提纯并 形成单晶体后，锗和硅原子就是按四角形系统组成晶体点阵，即每个原子处 于正四面体中心，而有四个其他原子位于四面体的顶点，如图 1-2 所示。由 于原子之间靠得很近，原来分属于每个离子的价电子就要受到相邻原子的影 响而使价电子为两个原子所共有，即形成了晶体中的共价键结构。图 1-3 是 +14 +4+32 第 1章 常用半导体元器件 硅晶体中共价键结构平面示意图。 图 1-2 晶体中原子的排列方式 图 1-3 硅晶体中的共价键结构平面示意图 1.1.3 本征半导体的导电机理 本征半导体就是完全纯净的，具有完整晶体结构的半导体。它是相对 于杂质半导体而言的。例如，纯锗和纯硅。 本征半导体共价健结构中的电子受到两个原子核的吸引力而被束缚。 它们不象导体中的价电子那么自由，但也不像绝缘体中的电子被束缚得那么 紧。在室温下，由于热激发，会使一些价电子获得足够的能量而挣脱共价键 的束缚成为自由电子。这种现象叫做本征激发。当电子跑出其价键成为自由 电子后，共价键中就留下一个空位，这个空位称作空穴。在本征半导体中， 自由电子和空穴总是成对出现的，有一个自由电子就有一个空穴，如图 1-4 所示。挣脱共键价束缚的电子类似于导体中的自由电子，在电场的作用下将 逆电场方向运动形成电流。那么空穴是 否也能移动并参与导电呢？失去价电子 的原子成为带正电的正离子，因此可以 把空穴看成是带正电的粒子，它能够吸 引邻近共健中的价电子来填补这个空 穴。这时失去了价电子的邻近共价键中 出现的空穴又可以吸引其邻近的价电子 来递补，从而又出现一个空穴。如此进 行下去，就相当于空穴在移动。空穴是 带正电的，价电子填充空穴的移动相当 于带正电荷的粒子(空穴)的移动，也会 形成电流。 SiSi SiSi Si Si SiSi Si 硅原子 价电子 共价键 图 1-4 空穴和自由电子的形成 SiSi SiSi Si Si SiSi Si 空穴 自由 电子 电子技术 总之，在外加电场作用下，半导体中出现两部分电流：即自由电子作定 向移动而形成的电子电流和仍被原子核束缚的价电子递补空穴而形成的空穴 电流。因此，自由电子和空穴都称为载流子。两种载流子同时参与导电是半 导体导电方式的最大特点，也是半导体和金属在导电原理上的本质区别所在。 自由电子会不会填补空穴呢？会的，自由电子填补空穴叫做复合。在一 定的温度下，本征半导体中的电子空穴对的数目保持一定，也就是说，电子 和空穴对不断产生，同时又不断复合，处于一种动态平衡状态。温度愈高， 载流子数目愈多，导电能力也愈强。所以，温度是影响半导体导电性能力的 一个很重要的外部因素。 1.1.4 N型半导体和 P型半导体 本征半导体虽有自由电子和空穴两种载流子，但由于数量极少，导电能 力很弱。如果在其中掺入微量的杂质(某种元素)，就会使掺杂后的半导体(称 作杂质半导体)的导电能力显著增强。因所掺入的杂质不同，杂质半导体可分 为 N型和 P 型两大类。 （1） N型半导体 若在四价的硅(或锗)晶体中掺入少量五价元素磷(P)， 晶体点阵中磷原子就会占据某些硅原子原来的位置，如图 1-5 所示。磷原子 中的5个价电子只有4个能够和相邻的硅原子组成共价键结构，余下的一个 电子因不受共价键的束缚，容易挣脱磷原子核的吸引而成为自由电子。于是 自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，故 称其为电子型半导体或N型半导体。N型半导体中，由于自由电子数远大于 空穴数，因此自由电子是多数载流子(简称多子)，空穴是少数载流子(简称少 子)。由于磷原子是施放电子的，故称磷为施主杂质。 （2）P型半导体 若在硅(或锗)的晶体中掺入三价元素硼（B），由于硼 原子只有3个价电子，因而在组成共价键结构时，因缺少一个价电子而多出 一个空穴，如图 1-6 所示。于是半导体中空穴数目大量增加，空穴导电成为 这种半导体的主要导电方式，故称它为空穴型半导体或P型半导体。由于硼 原子是接受电子的，故称为受主杂质。在 P 型半导体中，空穴为多子，自由 电子为少子。 第 1章 常用半导体元器件 图 1-5 硅晶体中掺入磷元素 图 1-6 硅晶体中掺入硼元素 不论是 N型半导体还是 P 型半导体，尽管都有一种载流子占多数，但是 整个晶体仍是电中性的。 【练习与思考】 1.1.1 电子导电和空穴导电有什么区别？空穴电流是不是由自由电子递补空 穴形成的？ 1.1.2 N 型半导体中的自由电子多于空穴，P 型半导体中的空穴多于自由电 子，是否 N型半导体带负电，而 P 型半导体带正电？ 1.2 PN结及其单向导电性 虽然 P 型和 N型半导体的导电能力比本征半导体增强了许多，但并不能 直接用来制造半导体器件。通常采用一定的掺杂工艺，在一块晶片的两边掺 入不同的杂质，分别形成 P 型半导体和 N型半导体，在它们的交界面处就会 形成PN结，它是构成各种半导体器件的基础。那么 PN结是怎样形成的，有 何特性呢? 1.2.1 PN结的形成 掺杂工艺完成后，一块半导体晶片中形成 P 型和 N 型的两个异型区。P 区内空穴很多而电子很少，N 区内电子很多而空穴很少，多数载流子由于浓 度的差异而产生扩散运动。空穴要从浓度高的 P 区向N区扩散，并与 N区的 电子复合；电子要从浓度高的 N区向 P 区扩散，并与 P 区的空穴复合。扩散 使得 P区和N区分别因失去空穴和电子而在交界面两侧留下带负电和正电的 离子，形成了一个空间电荷区，如图1-7所示。这个空间电荷区就是 PN结。 SiSi PSi Si Si SiSi Si 自由 电子 施主 杂质 SiSi BSi Si Si SiSi Si 空穴 受主 杂质 电子技术 图 1-7 PN结的形成 空间电荷区的正负离子虽然带有电荷，但它们不能移动，因而不能参与 导电。在这个区域内，多数载流子已扩散到对方并被复合掉了，或者说消耗 尽了，所以空间电荷区也称为耗尽层，它的电阻率很高。 正负离子在空间电荷区形成一个电场，称为内电场。由于内电场的方向 与扩散运动的方向相反，即对多数载流子(P 区的空穴和 N区的自由电子)的 扩散起阻挡作用，所以空间电荷区又称为阻挡层。 虽然内电场阻碍多数载流子的扩散运动，但对少数载流子(P 区的电子和 N区的空穴)越过空间电荷区进入对方区域起着推动作用。这种少数载流子在 电场作用下有规则的运动称为漂移运动。漂移运动使交界面两侧 P 区和 N区 由于扩散运动而失去的空穴和电子得到一些补充，其作用与扩散运动相反。 由此可见，PN结的形成过程中存在着两种运动：一种是多数载流子因浓 度差而产生的扩散运动，另一种是少数载流子在内电场作用下产生的漂移运 动。这两种运动相互制约，最终，从 P 区扩散到 N区的空穴数与从 N区漂移 到 P 区的空穴数相等，从 N区扩散到 P 区的电子数与从 P 区漂移 N区的电子 数相等，在一定条件下达到动态平衡，使 PN结处于相对稳定状态。 1.2.2 PN结的单向导电性 PN结在没有外加电压时，其中的扩 散和漂移处于动态平衡，PN结内无电流通 过。那么在 PN 结两端加上外部电压后， 情况会怎样？ （1） PN结外加正向电压 将 PN结 P 区接电源正极，N 区接电源负极，称为 PN结外加正向电压，又叫正向偏置，如图 1-8所示。PN结正向偏置时，外电场与内 电场方向相反，从而削弱了内电场，破坏 空间电荷区 内电场方向 P区 N区 变窄 内电场 外电场 P N E R FI 图 1-8 PN结正向偏置 第 1章 常用半导体元器件 了 PN 结原有的动态平衡，使得空间电荷区的宽度减小，多数载流子的扩散 运动显著增强，形成较大的扩散电流，而少数载流子的漂移运动减弱。所以 在外加正向电压的 PN结中，扩散电流占主导地位，PN结呈现的电阻很低， 在外电路中形成较大的流入 P 区的正向电流 IF。 （2）PN结加反向电压 将 PN结 N区接电源正极，P 区接电源负极， 称为 PN结外加反向电压，又叫反向偏置，如图 1-9所示。PN结反向偏置时， 外电场与内电场方向相同，同样也破坏了 PN 结原有的动态平衡。外电场驱 使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走，使得空间电荷增加，空间电荷区 变宽，内电场增强，使多数载流子的扩散运动难以进行，扩散电流趋近于零。 同时，内电场的增强也加强了少数载流子的漂移运动，但由于少数载流子数 量很少，因此反向电流 IR不大，PN结呈 现很高的反向电阻。又因为少数载流子是 由于价电子获得能量挣脱共价键的束缚 而产生的，环境温度愈高，少数载流子的 数量愈多。所以，温度对反向电流的影响 很大。由于一定温度下，少数载流子的数 目是一定的，当电压超过某数值后，全部 少数载流子都参与导电，此时反向电流几 乎与外加电压的大小无关，故称为反向饱 和电流。 总之，外加正向电压时，PN 结电阻很低，正向电流很大,PN 结处于导 通状态；外加反向电压时，结电阻很高，反向电流很小，PN 结处于截止状 态。这就是PN结的单向导电性。 【练习与思考】 1.2.1 为什么说扩散运动是多数载流子的运动，漂移运动是少数载流子的运 动？ 1.2.2 空间电荷区既然是由带电的正、负离子形成的，为什么它的电阻率很 高？ 加宽 内电场 外电场 P N 0R »I E R 图 1-9 PN结反向偏置 电子技术 1.2 半导体二极管 1.3.1 二极管的基本结构 半导体二极管是由一个 PN 结加上电极引出线和外壳构成的，P 区一侧 引出的电极称为阳极，N 区一侧引出的电极称为阴极，电路符号如图 1-10a 所示。半导体二极管有很多类型。按材料的不同，常用的二极管可分为硅管 和锗管两种；按 PN 结结构形式的不同，又可分为点接触型、面接触型和平 面型等。 (1) 点接触型二极管 结构如图 1-10b所示，由三价金属铝的触丝与锗 结合构成 PN 结。其特点是 PN 结的结面积很小，因而结电容小，适用于高 频（可达几百兆赫兹）电路。但不能通过较大的电流，也不能承受高的反向 电压。主要用于高频检波和开关电路。 (2) 面接触型二极管 结构如图 1-10c 所示，PN结是用扩散法或合金法 做成的。其特点是 PN 结的结面积大，能通过较大的电流(可达几千安培)， 但结电容也大，适用于频率较低的整流电路。 (3) 平面型二极管 结构如图 1-10d所示。它是采用先进的集成电路制 造工艺制成的。其特点是结面积较大时，能通过较大的电流，适用于大功率 整流电路；结面积较小时，结电容较小，工作频率较高，适用于开关电路。 a) 电路符号 b) 点接触型二极管 c) 面接触型二极管 d) 平面型二极管 图 1-10 半导体二极管的电路符号及结构分类 阴极引线阳极引线 阳极A 阴极K 金属触丝 外壳 N型锗片 PN结VD 阳极引线 阴极引线 二氧化硅 保护层 P区 N型硅片 阳极引线 阴极引线 PN结铝合金 N型硅 金锑合金 基底 第 1章 常用半导体元器件 1.3.2 二极管的伏安特性 描述电压与电流之间关系的特性称为伏安特性。二极管的伏安特性可用 伏安特性曲线和伏安特性方程两种形式来表示。 1. 二极管的伏安特性曲线 伏安特性曲线可以直观地反映出二极管的单向导电性。不同类型的二极 管，其参数不尽相同，但其伏安特性曲线的形状大致相同，如图 1-11所示。 由曲线形状可知，二极管是非线性元件，其伏安特性分为正向特性、反向特 性和反向击穿特性三部分。 （1）正向特性 当外加正向电 压较低时，由于外电场还不足以克服 PN结内电场对多数载流子扩散运动 的阻力，因此，这时的正向电流近似 为零，呈现较大的电阻。这一段（OA 段）曲线称为二极管的死区，对应的 电压称为死区电压，其数值与材料及 环境温度有关，硅管的死区电压约为 0.5V，锗管约为 0.2V。 当正向电压超过死区电压后， 内电场被大大削弱，二极管的电阻变 得很小，正向电流迅速增加，这时的 二极管才真正导通。由于这段特性很陡，在正常工作范围内，正向电压变化 很小，硅二极管的正向导通压降约为 0.6~0.7V，锗二极管约为 0.2~0.3V，当 电流较小时取下限值，当电流较大时取上限值。 （2）反向特性 当二极管上加反向电压时，少数载流子的漂移运动形 成很小的反向电流（OB段）。反向电流有两个特点：一是具有正温度特性， 即随温度的升高而增大；二是在反向电压不超过某一范围时，反向电流的大 小基本恒定，故称为反向饱和电流。一般硅管的反向饱和电流比锗管小，前 者在几微安以下，而后者可达数百微安。 （3）反向击穿特性 当外加反向电压过高时（BC 段），反向电流突然 增大，二极管失去单向导电性，这种现象叫作 PN 结的反向击穿(电击穿)。 产生击穿时的反向电压称为反向击穿电压。发生击穿的原因是外加的电场过 强，强制性地把原子的外层价电子拉出来，使载流子数目急剧上升。而处于 强电场中的载流子又因获得强电场所供给的能量，而将其他价电子撞击出来， 如此形成连锁反应，反向电流愈来愈大，最后使得二极管反向击穿。 mA/Di V/Du 硅管锗管 B B A A CC O 图1-11 二极管的伏安特性曲线 电子技术 一般来讲，二极管的电击穿是可以恢复的，只要外加电压减小即可恢复 常态。但普通二极管发生电击穿后，反向电流很大，且反向电压很高，因而 消耗在二极管 PN 结上的功率很大，致使 PN 结温度升高。而结温升高会使 反向电流继续增大，形成恶性循环，最终造成 PN结因过热而烧毁(称作热击 穿)。二极管热击穿后便会失去单向导电性造成永久损坏。 在正常工作范围内，当电源电压远 大于二极管正向导通压降时，实际工作 中可将二极管近似看成理想二极管，其 伏安特性曲线如图 1-12所示。二极管正 向导通时，忽略正向导通压降和电阻， 二极管相当于短路；二极管反向截止时， 忽略反向饱和电流，反向电阻无穷大， 二极管相当于开路。 2. 二极管的伏安特性方程 二极管是一种非线性元件，其中的 电流 Di 和两端的电压 Du 间的函数关系 可近似用式（1-1）表示。 )1(e TD /SD -= VuIi （1-1） 式中，IS为反向饱和电流； VT为温度的电压当量，常温（T =300K）时，VT =26mV；uD和 VT在式中采用同一单位。 式(1-1)称作半导体二极管的伏安特性方程。当二极管外加正向电压，且 TD Vu >> 时，式中的 1e TD / >>Vu ，故 1可略去，即正向电压与电流近似为指 数关系；当二极管外加反向电压时，uD 为负，若 TD Vu >> ，指数项接近于 零，故 SD Ii » ，即二极管的反向电流基本上与电压无关。 1.3.3 二极管的主要参数 二极管的参数简要标明了二极管的性能和使用条件，是正确选择和使用 二极管的依据。主要参数包括： (1) 最大整流电流 IF 最大整流电流又称额定正向平均电流，是指二极 管长时间使用时，允许流过的最大正向平均电流。它由 PN 结的面积和散热 条件决定，大功率二极管在使用时，应加装规定尺寸的散热片。当实际电流 超过该值时，二极管将因 PN结过热而损坏。 (2) 最高反向工作电压UR 最高反向工作电压指保证二极管不被击穿所 允许施加的最高反向电压，一般规定为反向击穿电压的一半或三分之二。 mA/Di V/Du O 图 1-12 理想二极管的伏安特性 第 1章 常用半导体元器件 (3) 最大反向电流 IRM 最大反向电流指二极管加上最高反向工作电压 时的反向电流值。反向电流越小，则二极管的单向导电性越好，并且受温度 的影响也越小。 其他参数，如二极管的最高工作频率、最大整流电流下的正向压降、结 电容等，可在需要时查阅产品手册，但要注意给出参数的测试条件和产品制 造过程中难以避免的分散性。 1.3.4 稳压二极管 稳压二极管简称稳压管，又称齐纳二极管，是一种用特殊工艺制造的面 接触型硅半导体二极管。它在电路中与适当阻值的电阻配合能起稳定电压的 作用。其电路符号如图 1-13a所示。 a) 电路符号 b) 伏安特性曲线 图 1-13 稳压二极管的电路符号和伏安特性曲线 稳压管的伏安特性曲线形状与普通二极管的类似，如图 1-13b所示，只 是稳压管的反向特性曲线比普通二极管更陡一些。反向击穿后，电流在很大 范围内变化，管子两端的电压变化很小，因此可以稳压。与普通二极管不同， 稳压管工作在反向击穿区，它的反向击穿是可逆的，当去掉反向电压后，击 穿可以恢复。 稳压管的主要参数有如下几个: (1) 稳定电压 UZ 稳定电压是稳压管反向击穿后的在正常工作电压。一 般手册中所给出的都是在一定工作电流及温度等条件下的数值。由于工艺方 面的原因，即使同一型号的稳压管，其稳压值也有一定的离散性，例如 2CW14 稳压管的稳定电压为 6～7.5V。 (2) 稳定电流 IZ和最大稳定电流 IZmax 稳定电流是指工作电压等于稳定 电压时的反向电流。最大稳定电流是指稳压管允许通过的最大反向电流。使 用稳压管时，工作电流不能超 IZmax值，否则稳压管将会发生热击穿而烧毁。 mA/I V/U 阴极 O ZUD ZID ZU ZmaxI 阳极 VS 电子技术 所以，应注意采取适当的限流措施。 (3) 最大耗散功率 PZM 最大耗散功率是指稳压管不发生热击穿的最大 功率损耗。PZM=UZIZmax，已知 UZ和 PZM和就可以求出 IZmax。 (4) 动态电阻 rZ 动态电阻是稳压管在反向击穿区稳定工作时，端电压 的变化量与相应电流变化量的比值，即 Z Z Z I U r D D = （1-2） 它是衡量稳压管稳压性能好坏的指标。rZ 愈小，则由 ZID 引起的 UZ 变化量 ZUD 愈小，稳压性能愈好。 (5) 电压温度系数 Ua 电压温度系数就是当温度变化 1℃时，UZ变化的 百分比数，用以表示稳压管的温度稳定性。一般来说，低于 6V 的稳压管， 它的温度系数是负的；高于 6V的稳压管，电压温度系数是正的；而 6V左右 的稳压管，稳压值受温度的影响就比较小。 如果温度变化范围比较大，又要求稳压值的温度稳定性好，可选择具有 温度补偿的稳压管。如 2DW 系列的稳压管就是 由两个同型号的稳压管反向串接起来的，如图 1-14所示。工作时一个稳压管正向导通（作温度 补偿管），具有负温度系数；另一个稳压管反向 击穿（作稳压管），具有正温度系数。两者相互 补偿，使得整体的温度稳定性大大增强，即 1、2 端的电压基本不受温度影响。也可利用 3端单独 使用两边的稳压管。 1.3.5 二极管的应用 二极管的应用非常广泛范围很广，利用它的单向导电性和正向导通、反 向截止、反向击穿（稳压管）等工作状态，可以组成各种应用电路。下面介 绍几种简单的应用。 （1）整流电路 利用二极管的单向导电性可以将交流电变为脉动的直流 电，这种变换称为整流。图 1-15是简单的整流电路。 图 1-15 整流电路 21 3 图 1-14 具有温度补偿的 稳压二极管 T VD R 第 1章 常用半导体元器件 （2）钳位电路 二极管的钳位作用是指利用二 极管正向导通压降相对稳定，且数值较小（有时可 近似为零）的特点，来限制电路中某点的电位。例 如图 1-16中，二极管的钳位作用使 Vo被限制 0～6V 范围内。当开关 S 断开时，由于二极管正向偏置， 若忽略其正向导通压降，阳极电位 Vo被钳制在 6V； 当开关 S 闭合时，二极管截止，Vo为零伏。 （3）隔离电路 二极管的隔离作用是指利用二 极管截止时，通过的电流近似为零，两极之间相当 于断路的特点，来隔断电路或信号的联系。例如图 1-17中，当 A点电位 VA=0时，二极管 VD1导通， 起钳位作用使 Vo=0，这时若 VB = +6V，则 VD2截 止，B点的电位对输出 Vo没有影响，VD2起到了将 输出与输入 B隔离的作用。 （4）限幅电路 图 1-18a为一二极管双向限幅 电路，用来限制输出电压的幅度。输入、输出波形 如图 1-18b所示。 a) 电路图 b) 波形图 图 1-18 二极管双向限幅电路 在 ui的正半周，当 ui<6V时，VD1、VD2设均截止，输出 ui = uo；当 ui>6V 时，VD1正偏导通，VD2反偏截止，输出 uo =6V。 在 ui的负半周，当 ui>－6V时，VD1、VD2设均截止，输出 ui = uo；当 ui<－6V时，VD2导通，VD1截止，输出 uo =－6V。 VDR +12V +6V VoS 图 1-16 钳位电路 +12V VD2 R Vo A B VD1 图 1-17 隔离电路 R VD1 VD2 6V 6V ui uo 0 6 12 6 tw 0 6 6 tw p2 u i /V u o /V 电子技术 （5） 稳压电路 利用稳压管组成的简单 稳压电路如图 1-19所示。R 为限流电阻，用来 限制流过稳压管的电流。当稳压管处于反向击 穿状态时，稳定电压 UZ基本不变，故负载电 阻 RL两端的电压 uo基本稳定，在一定范围内 不受 ui和 RL变化的影响。 【练习与思考】 1.3.1 如何使用万用表的电阻档判断二极管的好坏极性？ 1.3.2 把一节 1.5V的电池直接接到（正向接法）二极管的两端，会不会发生 什么问题？ 1.3.3 为什么二极管的反向饱和电流与外加反向电压基本无关，而当温度升 高时会明显增大？ 1.3.4 为什么稳压管的动态电阻愈小，则稳压效果愈好？ 1.3.5 在图 1-19中，RL=100W，电压 ui随时间在 9～12V范围内波动，要 求电压 uo稳定为 6V。试确定稳压管 VS和电阻 R 的参数。 1.3 双极型晶体管 半导体三极管分为双极型晶体管和场效应晶体管两大类。由于双极型晶 体管的发明和应用较场效应晶体管早得多，因而习惯上把双极型晶体管简称 为三极管或晶体管。双极型晶体管BJT（Bipolar Junction Transistor）由两个 背对背的 PN结构成，在工作过程中两种载流子（电子和空穴）都参与导电， 故有“双极型”之称，以区别于一种载流子导电的场效应晶体管。 1.4.1 双极型晶体管的结构 双极型晶体管有 NPN和 PNP两种类型，图 1-20a和 b是其结构示意图和 电路符号。双极型晶体管的实际结构差别很大，以满足各种应用对工作特性 和制造工艺的具体要求。 R VSui uo RL 图 1-19 稳压管稳压电路 第 1章 常用半导体元器件 a) NPN型 b) PNP型 图 1-20 双极型晶体三极管的结构示意图和电路符号 NPN 型和 PNP 型 BJT 都含有三个掺杂区（发射区、基区、集电区）和 两个 PN结。发射区与基区间的 PN结称为发射结，集电区与基区的 PN结称 为集电结。由发射区、基区、集电区各引出一个电极，对应称为发射极 E、 基极 B、集电极 C。为了具有电流放大作用，BJT按如下工艺制造： 1) 基区很薄且掺杂浓度很低。 2) 发射区掺杂浓度很高，与基区相差很大。 3) 发射区的掺杂浓度比集电区高，而集电区尺寸比发射区大。发射区与 集电区虽是同型半导体，但两者并不对称，使用时Ｅ，Ｃ两极不能互换。 NPN型和 PNP 型晶体管的工作原理类似，只是在使用时电源极性连接不 同，下面以 NPN型晶体管为例来分析讨论。 1.4.2 双极型晶体管的电流放大作用 BJT 的电流放大作用有其内部条件和外部条件。内部条件是基区很薄且 掺杂浓度远低于发射区，由制造工艺实现；外部条件是发射结正向偏置，集 电结反向偏置，由外部电路提供。 在图 1-21中，基极电阻 RB与基极电源 UB组成基极电路，使发射结正向 偏置；集电极电阻 RC与集电极电源 UCC组成集电极电路，使集电结反向偏置。 由于发射极是基极电路和集电极电路的公共端，故称这种电路为共发射极电 路。 在发射结正向偏置电压的作用下，发射区的电子不断通过发射结扩散到 基区，由于基区很薄且空穴浓度很低，发射区进入基区的电子只有一少部分 与基区的空穴复合，而绝大部分继续扩散到集电结的边缘。当然，基区的空 穴也会扩散到发射区，但因为基区的掺杂浓度很低，故形成的电流（图中未 P P N C E B 集电区 发射区 基区 集电结 发射结 E C B N N P C E B 集电区 发射区 基区 集电结 发射结 E C B V V 电子技术 画出）很小，可以忽略。 由于集电结处于反向偏置，其 空间电荷区中的电场很强，因此， 扩散到集电结的边缘的电子在电 场作用下以漂移的方式越过集电 结，被集电区收集。另外，电场的 作用也会使集电区的空穴（少数载 流子）向基区漂移，形成由集电区 流向基区的反向饱和电流（图中未 画出），其大小取决于少数载流子 的浓度，因此很小。 内部载流子的运动对应形成 了发射极电流 IE、基极电流 IB和集 电极电流 IC。它们之间的关系为 BCE III += (1-3) 由于 BJT制成后其内部尺寸和掺杂浓度是确定的，所以发射区所发射的 电子在基区复合的比例以及被集电区收集的比例也是基本确定的。由此形成 IE、IB和 IC之间的比例关系，且在数值上 IC接近于 IE而远大于 IB。这样，当 IB但发生微小变化时，IC会对应响应较大的变化。这就是 BJT的电流放大作 用，也就是通常所说的基极电流对集电极电流的控制作用。 1.4.3 双极型晶体管的特性曲线 BJT的特性曲线能直观地描述各极电压与电流之间的关系，是 BJT内部 载流子运动的外部表现。由于 BJT是三端元件，其特性描述不像二极管那样 简单，而且与电路连接形式有关，最常用的是共发射极接法时的输入特性曲 线和输出特性曲线。这些特性曲线可用特性图示仪直观地显示出来，也可以 通过图 1-22所示的电路进行测试。电路中使用的是 NPN型硅管 3DG6。 图 1-22 BJT特性测试电路 B N P N E C RB RC UB UCC IC IB IE 图 1-21 共发射极电路中载流子的运动 RB RC UB UCC IC V mA IB UCEUBE 3DG6 µA V V 第 1章 常用半导体元器件 （1）输入特性曲线 在共发射极电路中，输入信号接入基极电路，故基 极与发射极组成的回路称为输入回路。输入特性曲线是指当集—射极电压 UCE为常数时，输入回路中基极电流 IB与基—射极电压 UBE之间的关系曲线 IB = f (UBE)，如图 1-23所示。 严格地讲，对于不同的 UCE，输入特性不是一条而是一组曲线。但是对 硅管而言，当 UCE > 1V时，集电结已反向偏置，并且内电场已足够大，可以 把从发射区扩散到基区的电子中的绝大部分拉入集电区。如果此时再增大 UCE，只要 UBE保持不变，从发射区发射到基区的电子数就一定，IB也就基本 不变。就是说，UCE > 1V后输入特性曲线基本上是重合的。所以，通常只画 出 UCE = 1V的一条输入特性曲线。 由图 1-23可见，和二极管的伏安特性一样，BJT输入特性也有一段死区。 只有在发射结外加电压大于死区电压时，IB 才会出现。硅管的死区电压约为 0.5V，锗管的死区电压不超过 0.2V。在政党工作情况下，NPN型硅管的发射 结压降为 0.6~0.7V，PNP型锗管的发射结压降为 0.2~0.3V。 （2）输出特性曲线 在共发射极电路中，输出信号从集电极取出，因此 把集电极、发射极和电源 UCC组成的回路称为输出回路。输出特性曲线是指 当基极电流 IB为常数时，输出回路中集电极电流 IC与集-射极电压 UCE 之间 的关系曲线 IC = f (UCE)。对于不同的 IB，可得出不同的曲线，所以 BJT的输 出特性曲线是一组曲线。如图 1-24所示。 图 1-23 BJT的输入特性曲线 图 1-24 BJT的输出特性曲线 当 IB一定时，从发射区扩散到基区的电子数大致是一定的。在 UCE超过 一定数值（约 1V）以后，这些电子的绝大部分被拉入集电区而形成 IC，以致 4 3 1 2 3 6 9 120 V/CEU 0B =I µA20 µA40 µA60 µA100 µA80 放 大 区 饱和区 截止区 20 40 60 80 100 0 0.4 0.8 V/BEU V1CEU ≥ I B /μ A I C /m A 电子技术 于当 UCE继续增高时，IC不再有明显的增加，形成恒流特性。 当 IB增大时，相应的 IC也增大，而且在一定范围内近似成正比例，这就 是 BJT电流放大作用的表现。 通常把 BJT的输出特性曲线分为三个工作区（见图 1-24）。 (1) 放大区 输出特性曲线上接近于水平的部分是放大区。在放大区，IC 与 IB近似成正比，故放大区也称为线性区。如前所述，BJT工作在放大状态 时，发射结处于正向偏置，集电结处于反向偏置。 (2) 截止区 IB = 0对应的输出特性曲线以下的区域称为截止区。IB = 0 时集电极电流用表示 ICEO，其值很小，若忽略不计，则 BJT集电极与发射极 之间相等于开路，即相等于一个断开的电子开关。对于 NPN 型硅管，当 UBE<0.5V 时，即已开始截止，但是为了截止可靠，常使 UBE≤0。截止时集 电结处于反向偏置。 (3) 饱和区 当 UCEU(BR)CEO时，集电结将被反向击穿，ICEO会突然大幅度上升。手册中给出 的 U(BR)CEO一般是常温(25℃)时的值，温度升高后，其数值要降低，使用时应 特别注意。 (6) 集电极最大允许耗散功率 PCM BJT 工作时集电极的功率损耗 PC=ICUCE。PC的存在使集电结的结温升 高，若 PC>PCM时将会导致 BJT过热损 坏。由此而限定的 PC 称为集电极最大 允许耗散功率 PCM。PCM主要受结温限 制，一般来说，锗管允许结温约为 70～ 90℃，硅管约为 150℃。 根据 BJT的 PCM值，可在 BJT输出 特性曲线上作出 PCM曲线，它是一条双 曲线。由 ICM、U(BR)CEO、PCM三个极限 参数共同界定了 BJT的安全工作区，如 图 1-25所示。 1.4.5 双极型晶体管简化的小信号模型 O CEU CMI (BR)CEOU CEOI CI CMP 安全工作区 图 1-25 BJT的安全工作区 电子技术 从 BJT的特性曲线可以看到，它的输入特性曲线和输出特性曲线都是非 线性的，因此，BJT是一个非线性元件。但是，如果 BJT工作在特性曲线近 似于直线的部分，而且工作信号是变化范围很小的小信号，那么在这小范围 内，局部的特性曲线就可以近似看成是一小段直线。如此进行线性化处理后， 在这种工作条件下的 BJT就可以用一个线性电路等效模型来描述，使电路的 分析和计算得以简化。这样的线性电路模型称为 BJT的小信号模型，其建立 的过程如图 1-26所示。其中，图 1-26a为共发射极电路的局部。 a) 局部电路 b) Q点附近的输入特性曲线 c) 模型 图 1-26 BJT小信号模型的建立 在共发射极电路中，设 BJT 工作在放大区的 Q点处，基极电路对应的电 压和电流分别为 UBEQ和 IBQ。当基—射极电压在 UBEQ的基础上出现一个小的 变化量DUBE时，基极电流也会产生一个对应的变化量DIB。如图 1-26b 所示， 由于变化量DUBE和DIB比较小，Q 点附近的输入特性曲线可以近似看成是直 线，则DUBE和DIB之间的关系可以用动态电阻来反映，即 B BE be I U r D D = （1-6） rbe称为BJT的输入电阻，一般为几百到几千欧。低频小功率 BJT的 rbe常用 下面数值 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 估算 EQ bbe mV26 )1( I rr ++» b （1-7） 式中，IEQ为 Q点对应的发射极电流，单位为 mA；rb为基区电阻，当 IEQ<5mA 时，约为 200W。 由于工作在放大区，BJT 的 IC受 IB的控制，变化量DIB也会使集电极电 流产生变化量DIC。若将输出特性近似为一组以 IB为参变量的平行于横轴的直 线，则DIC只受DIB的控制，而与 UCE无关。因此集电极与发射极之间可以用 一个DIC=bDIB的电流控制电流源（CCCS）来等效，如图 1-26c 所示。 BID CID BEUD CEUD C E B BI O BEU BEQU BQI Q BID BEUD B E C BEUD BID CID CEUD BIßD ber 第 1章 常用半导体元器件 上述电路模型只适用于小信号的情况，且因忽略了UCE对 IB和 IC的影响， 故称为简化的小信号模型。 【练习与思考】 1.4.1 BJT的发射极和集电极是否可以调换使用，为什么？ 1.4.2 BJT具有电流放大作用的内部条件和外部条件各是什么？ 1.4.3 如何用万用表的电阻档一只双极型晶体管的类型和区分三个电极？ 1.4.4 根据图 1-27所示各 BJT三个电极的电位，判断它们分别处于何种工作 状态？ 图 1-27 题 1.4.4的图 1.4.5 在使用 BJT时，只要①集电极电流超过散功率散功率 ICM值；② 耗散功率超过 PCM值；③集-射极电压超过 U(BR)CEO值，BJT就必然损坏。上 述几种说法是否都是正确的？ 1.4 绝缘栅型场效应晶体管 场效应晶体管FET（Field Effect Transistor）是利用外加电压产生的电场 强度来控制其导电能力的一种半导体器件。按其结构可分为结型场效应晶体 管和绝缘栅型场效应晶体管两大类。这里仅介绍应用更为广泛的绝缘栅型场 效应晶体管（Insulated Gate FET，IGFET）。 1.5.1 基本结构和工作原理 绝缘栅型场效应晶体管按其导电类型的不同，分为N沟道和P沟道两类， 每一类又分为增强型和耗尽型两种。 N沟道绝缘栅型场效应晶体管的结构如图 1-28所示。它以一块掺杂浓度 较低的 P 型硅片作为衬底，在其中扩散两个掺杂浓度很高的 N+型区，并引出 两个电极，分别称为源极 S 和漏极 D。型硅片表面覆盖一层极薄底二氧化硅 绝缘层，在两个 N+型区之间的绝缘层上制作一个金属电极称为栅极 G。因栅 极与其他电极及硅片之间是绝缘的，故有绝缘栅型之称；或者按其金属—氧 化物—半导体的材料构成，称其为MOSFET(Metal Oxide Semiconductor FET)。 0V 6V 1V 3.7V 3V 3.3V 6V 2V 2.7V 电子技术 a) 耗尽型 b) 增强型 图 1-28 N沟道绝缘栅型场效应晶体管的结构 如图 1-28a所示，在制造 N沟道 MOSFET 时，如果在二氧化硅绝缘层中 掺入大量正离子，就会在两个 N+型区之间的型衬底表面形成足够强的电场， 这个电场将会排斥 P 型衬底中的空穴，并把衬底中的电子吸引到表面，形成 一个 N型薄层，将两个 N+型区即漏极和源极沟通。这个 N型薄层称为 N型 导电沟道，又因是 P 型衬底中的 N型层而称为反型层。这种 MOSFET 在制 造时导电沟道已经形成，称为耗尽型 MOSFET。 如图 1-28b 所示。如果导电沟道不是预先在制造时形成的，而是利用外 加栅-源电压形成电场产生的，则此类称为增强型 MOSFET。 P 沟道 MOSFET 因在 N型衬底中生成 P 型反型层而得名。其结构和工作 原理与 N沟道 MOSFET 相似。只是使用的栅-源和漏-源电压得极性与 N沟 道 MOSFET 的相反。各类型 MOSFET 的电路符号如图 1-29所示。在增强型 MOSFET 的符号中，源极 S 和漏极D间的连线是断开的，表示 UGS=0时导电 沟道尚未形成。 a) N沟道耗尽型 b) N沟道增强型 c)P沟道耗尽型 d)P沟道增强型 图 1-29 MOSFET 的电路符号 由于 MOSFET 工作时只有一种极性的载流子（N沟道是电子、P 沟道是 空穴）参与导电，故亦称为单极型晶体管。与双极型晶体管的共发射极接法 类似，MOSFET 常采用共源极接法，如图 1-30所示。 G D S G D S G D S G D S N+ N+ G P型衬底 DS 绝缘层N沟道 GSU N+ N+ G P型衬底 DS 绝缘层N沟道 耗尽层 第 1章 常用半导体元器件 当栅-源电压 UGS为某一数值时，增强型 MOSFET 的漏—源极之间形成 N 型导电沟 道，在正电源 UDD的作用下，沟道中的电子 从源极侧向漏极运动，形成漏极电流 ID。如 果栅-源电压增加，则垂直于衬底的表面电场 强度加强，从而使导电沟道加宽，引起漏极 电流 ID增大。因此，MOSFET 是利用电场效 应改变导电沟道来控制漏极电流 ID的，或者 说，是利用电压 UGS来控制漏极电流 ID的。 MOSFET 与 BJT都是半导体三极管，MOSFET 的源极、漏极、栅极分别 相当于 BJT 的发射极、集电极、基极。BJT 的集电极电流 IC受基极电流 IB 控制，是一种电流控制元件；而的 MOSFET 漏极电流 ID受栅-源电压 UGS控 制，是一种电压控制元件。但与 BJT相比 MOSFET 具有输入电阻大、耗电少、 噪声底、热稳定性好、抗辐射能力强等优点，常用于低噪声放大器的前级或 环境条件变化较大的场合。另外，MOSFET 的制造工艺比较简单，占用芯片 面积小，特别适用于制造大规模集成电路。 与 BJT类似，MOSFET 不仅可以通过 UGS对 ID的控制用于信号放大，而 且也可以作为开关元件，通过 UGS控制其导通或关断，广泛应用于开关电路 和脉冲数字电路中。当然，因应用领域和特性要求不同，其结构、工艺及称 谓也有很大差异。 1.5.2 绝缘栅型场效应晶体管的特性曲线 由于 MOSFET 的栅极是绝缘的，栅极电流 IG≈0，因此不研究 IG和 UGS 之间的关系。ID和 UDS、UGS之间的关系可用输出特性和转移特性来表示。所 谓输出特性是以 UGS为参变量的 ID和 UDS之间的关系 ID = f (UDS)；所谓转移 特性是以 UDS为参变量的 ID和 UGS之间的关系 ID = f (UGS)。图 1-31所示为 N 沟道增强型 MOSFET 的转移特性曲线和输出特性曲线。 图 1-30 共源极电路 G D S UDS UGS RD ID UG UDD V 电子技术 a) 移特性曲线 b) 输出特性曲线 图 1-31 N沟道增强型MOSFET 的转移特性曲线和输出特性曲线 N 沟道增强型的 MOSFET 不具有原始导