模电复习资料

一、三极管开关原理与场效应管开关原理BJT的开关工作原理：

形象记忆法：

对三极管放大作用的理解，切记一点：能量不会无缘无故的产生，所以，三极管一定不会产生能量。它只是把电源的能量转换成信号的能量罢了。但三极管厉害的地方在于：它可以通过小电流控制大电流。

假设三极管是个大坝，这个大坝奇怪的地方是，有两个阀门，一个大阀门，一个小阀门。小阀门可以用人力打开，大阀门很重，人力是打不开的，只能通过小阀门的水力打开。

所以，平常的工作流程便是，每当放水的时候，人们就打开小阀门，很小的水流涓涓流出，这涓涓细流冲击大阀门的开关，大阀门随之打开，汹涌的江水滔滔流下。

如果不停地改变小阀门开启的大小，那么大阀门也相应地不停改变，假若能严格地按比例改变，那么，完美的控制就完成了。

在这里，Ube就是小水流，Uce就是大水流，人就是输入信号。当然，如果把水流比为电流的话，会更确切，因为三极管毕竟是一个电流控制元件。

如果水流处于可调节的状态，这种情况就是三极管中的线性放大区。

如果那个小的阀门开启的还不够，不能打开大阀门，这种情况就是三极管中的截止区。

如果小的阀门开启的太大了，以至于大阀门里放出的水流已经到了它极限的流量，这种情况就是三极管中的饱和区。但是你关小小阀门的话，可以让三极管工作状态从饱和区返回到线性区。

如果有水流存在一个水库中，水位太高（相应与Uce太大），导致不开阀门江水就自己冲开了，这就是二极管的反向击穿。PN结的击穿又有热击穿和电击穿。当反向电流和反向电压的乘积超过PN结容许的耗散功率，直至PN结过热而烧毁，这种现象就是热击穿。电击穿的过程是可逆的，当加在PN结两端的反向电压降低后，管子仍可以恢复原来的状态。电击穿又分为雪崩击穿和齐纳击穿两类，一般两种击穿同时存在。电压低于5－6V的稳压管，齐纳击穿为主，电压高于5－6V的稳压管，雪崩击穿为主。电压在5－6V之间的稳压管，两种击穿程度相近，温度系数最好，这就是为什么许多电路使用5－6V稳压管的原因。

在模拟电路中，一般阀门是半开的，通过控制其开启大小来决定输出水流的大小。没有信号的时候，水流也会流，所以，不工作的时候，也会有功耗。

而在数字电路中，阀门则处于开或是关两个状态。当不工作的时候，阀门是完全关闭的，没有功耗。比如用单片机外界三极管驱动数码管时，确实会对单片机管脚输出电流进行一定程度的放大，从而使电流足够大到可以驱动数码管。但此时三极管并不工作在其特性曲线的放大区，而是工作在开关状态（饱和区）。当单片机管脚没有输出时，三极管工作在截止区，输出电流约等于0。

在制造三极管时，要把发射区的N型半导体电子浓度做的很大，基区P型半导体做的很薄，当基极的电压大于发射极电压（硅管要大0.7V，锗管要大0.3V）而小于集电极电压时，这时发射区的电子进入基区，进行复合，形成Ie；但由于发射区的电子浓度很大，基区又很薄，电子就会穿过反向偏置的集电结到集电区的N型半导体里，形成Ic；基区的空穴被复合后，基极的电压又会进行补给，形成Ib。理论记忆法：

当BJT的发射结和集电结均为反向偏置（VBE＜0，VBC＜0），只有很小的反向漏电流IEBO和ICBO分别流过两个结，故iB≈0，iC≈0，VCE≈VCC，对应于下图中的Ａ点。这时集电极回路中的c、e极之间近似于开路，相当于开关断开一样。BJT的这种工作状态称为截止。

当发射结和集电结均为正向偏置（VBE＞0，VBC＞0）时，调节RB，使IB=VCC/RC，则BJT工作在上图中的C点，集电极电流iC已接近于最大值VCC/RC，由于iC受到RC的限制，它已不可能像放大区那样随着iB的增加而成比例地增加了，此时集电极电流达到饱和，对应的基极电流称为基极临界饱和电流IBS（），而集电极电流称为集电极饱和电流ICS（VCC/RC）。此后，如果再增加基极电流，则饱和程度加深，但集电极电流基本上保持在ICS不再增加，集电极电压VCE=VCC-ICSRC=VCES=2.0-0.3V。这个电压称为BJT的饱和压降，它也基本上不随iB增加而改变。由于VCES很小，集电极回路中的c、e极之间近似于短路，相当于开关闭合一样。BJT的这种工作状态称为饱和。由于BJT饱和后管压降均为0.3V，而发射结偏压为0.7V，因此饱和后集电结为正向偏置，即BJT饱和时集电结和发射结均处于正向偏置，这是判断BJT工作在饱和状态的重要依据。下图示出了ＮＰＮ型BJT饱和时各电极电压的典型数据。

由此可见BJT相当于一个由基极电流所控制的无触点开关。三极管处于放大状态还是开关状态要看给三极管基极加的电流Ib（偏流），随这个电流变化，三极管工作状态由截止-线性区-饱和状态变化而变。BJT截止时相当于开关“断开”，而饱和时相当于开关“闭合”。ＮＰＮ型BJT截止、放大、饱和三种工作状态的特点列于下表中。结型场效应管（N沟道JFET）工作原理：

可将N沟道JFET看作带“人工智能开关”的水龙头。这就有三部分：进水、人工智能开关、出水，可以分别看成是JFET的d极、g极、s极。

“人工”体现了开关的“控制”作用即vGS。JFET工作时，在栅极与源极之间需加一负电压（vGS<0），使栅极、沟道间的PN结反偏，栅极电流iG≈0，场效应管呈现高达107Ω以上的输入电阻。在漏极与源极之间加一正电压（vDS>0），使N沟道中的多数载流子（电子）在电场作用下由源极向漏极运动，形成电流iD。iD的大小受“人工开关”vGS的控制，vGS由零往负向增大时，PN结的耗尽层将加宽，导电沟道变窄，vGS绝对值越大则人工开关越接近于关上，流出的水（iD）肯定越来越小了，当你把开关关到一定程度的时候水就不流了。

“智能”体现了开关的“影响”作用，当水龙头两端压力差（vDS）越大时，则人工开关自动智能“生长”。vDS值越大则人工开关生长越快，流水沟道越接近于关上，流出的水（iD）肯定越小了，当人工开关生长到一定程度的时候水也就不流了。理论上，随着vDS逐渐增加，一方面沟道电场强度加大，有利于漏极电流iD增加；另一方面，有了vDS，就在由源极经沟道到漏极组成的N型半导体区域中，产生了一个沿沟道的电位梯度。由于N沟道的电位从源端到漏端是逐渐升高的，所以在从源端到漏端的不同位置上，漏极与沟道之间的电位差是不相等的，离源极越远，电位差越大，加到该处PN结的反向电压也越大，耗尽层也越向N型半导体中心扩展，使靠近漏极处的导电沟道比靠近源极要窄，导电沟道呈楔形。所以形象地比喻为当水龙头两端压力差（vDS）越大，则人工开关自动智能“生长”。

当开关第一次相碰时，就是预夹断状态，预夹断之后id趋于饱和。

当vGS>0时，将使PN结处于正向偏置而产生较大的栅流，破坏了它对漏极电流iD的控制作用，即将人工开关拔出来，在开关处又加了一根进水水管，对水龙头就没有控制作用了。绝缘栅场效应管(N沟道增强型MOSFET)工作原理：

可将N沟道MOSFET看作带“人工智能开关”的水龙头。相对应情况同JFET。与JFET不同的的是，MOSFET刚开始人工开关是关着的，水流流不出来。当在栅源之间加vGS>0，N型感生沟道（反型层）产生后，人工开关逐渐打开，水流（iD）也就越来越大。iD的大小受“人工开关”vGS的控制，vGS由零往正向增大时，则栅极和P型硅片相当于以二氧化硅为介质的平板电容器，在正的栅源电压作用下，介质中便产生了一个垂直于半导体表面的由栅极指向P型衬底的电场，这个电场排斥空穴而吸引电子，P型衬底中的少子电子被吸引到衬底表面，这些电子在栅极附近的P型硅表面便形成了一个N型薄层，即导通源极和漏极间的N型导电沟道。栅源电压vGS越大则半导体表面的电场就越强，吸引到P型硅表面的电子就越多，感生沟道将越厚，沟道电阻将越小。相当于人工开关越接近于打开，流出的水（iD）肯定越来越多了，当你把开关开到一定程度的时候水流就达到最大了。MOSFET的“智能”性与JFET原理相同，参上。绝缘栅场效应管(N沟道耗尽型MOSFET)工作原理：

基本上与N沟道JFET一样，只是当vGS>0时，N沟道耗尽型MOSFET由于绝缘层的存在，并不会产生PN结的正向电流，而是在沟道中感应出更多的负电荷，使人工智能开关的控制作用更明显。二、三极管放大原理正解 随着科学技的发展，电子技术的应用几乎渗透到了人们生产生活的方方面面。晶体三极管作为电子技术中一个最为基本的常用器件，其原理对于学习电子技术的人自然应该是一个重点。三极管原理的关键是要说明以下三点:

1、集电结为何会发生反偏导通并产生Ic，这看起来与二极管原理强调的PN结单向导电性相矛盾。

2、放大状态下集电极电流Ic为什么会只受控于电流Ib而与电压无关；即：Ic与Ib之间为什么存在着一个固定的放大倍数关系。虽然基区较薄，但只要Ib为零，则Ic即为零。

3、饱和状态下，Vc电位很弱的情况下，仍然会有反向大电流Ic的产生。

很多教科书对于这部分内容，在讲解方法上处理得并不适当。特别是针对初、中级学者的普及性教科书，大多采用了回避的方法，只给出结论却不讲原因。即使专业性很强的教科书，采用的讲解方法大多也存在有很值得商榷的问题。这些问题集中表现在讲解方法的切入角度不恰当，使讲解内容前后矛盾，甚至造成讲还不如不讲的效果，使初学者看后容易产生一头雾水的感觉。笔者根据多年的总结思考与教学实践，对于这部分内容摸索出了一个适合于自己教学的新讲解方法，并通过具体的教学实践收到了一定效果。虽然新的讲解方法肯定会有所欠缺，但本人还是怀着与同行共同探讨的愿望不揣冒昧把它写出来，以期能通过同行朋友的批评指正来加以完善。一、传统讲法及问题：

传统讲法一般分三步，以NPN型为例（以下所有讨论皆以NPN型硅管为例），如示意图A。1.发射区向基区注入电子；2.电子在基区的扩散与复合；3.集电区收集由基区扩散过来的电子。”（注1）问题1：这种讲解方法在第3步中，讲解集电极电流Ic的形成原因时，不是着重地从载流子的性质方面说明集电结的反偏导通，从而产生了Ic，而是不恰当地侧重强调了Vc的高电位作用，同时又强调基区的薄。这种强调很容易使人产生误解。以为只要Vc足够大基区足够薄，集电结就可以反向导通，PN结的单向导电性就会失效。其实这正好与三极管的电流放大原理相矛盾。三极管的电流放大原理恰恰要求在放大状态下Ic与Vc在数量上必须无关，Ic只能受控于Ib。

问题2：不能很好地说明三极管的饱和状态。当三极管工作在饱和区时，Vc的值很小甚至还会低于Vb，此时仍然出现了很大的反向饱和电流Ic，也就是说在Vc很小时，集电结仍然会出现反向导通的现象。这很明显地与强调Vc的高电位作用相矛盾。

问题3：传统讲法第2步过于强调基区的薄，还容易给人造成这样的误解，以为是基区的足够薄在支承三极管集电结的反向导通，只要基区足够薄，集电结就可能会失去PN结的单向导电特性。这显然与人们利用三极管内部两个PN结的单向导电性，来判断管脚名称的经验相矛盾。既使基区很薄，人们判断管脚名称时，也并没有发现因为基区的薄而导致PN结单向导电性失效的情况。基区很薄，但两个PN结的单向导电特性仍然完好无损，这才使得人们有了判断三极管管脚名称的办法和根据。

问题4：在第2步讲解为什么Ic会受Ib控制，并且Ic与Ib之间为什么会存在着一个固定的比例关系时，不能形象加以说明。只是从工艺上强调基区的薄与掺杂度低，不能从根本上说明电流放大倍数为什么会保持不变。

问题5：割裂二极管与三极管在原理上的自然联系，不能实现内容上的自然过渡。甚至使人产生矛盾观念，二极管原理强调PN结单向导电反向截止，而三极管原理则又要求PN结能够反向导通。同时，也不能体现晶体三极管与电子三极管之间在电流放大原理上的历史联系。二、新讲解方法：

1、切入点：

要想很自然地说明问题，就要选择恰当地切入点。讲三极管的原理我们从二极管的原理入手讲起。二极管的结构与原理都很简单，内部一个PN结具有单向导电性，如示意图B。很明显图示二极管处于反偏状态，PN结截止。我们要特别注意这里的截止状态，实际上PN结截止时，总是会有很小的漏电流存在，也就是说PN结总是存在着反向关不断的现象，PN结的单向导电性并不是百分之百。

为什么会出现这种现象呢？这主要是因为P区除了因“掺杂”而产生的多数载流子“空穴”之外，还总是会有极少数的本征载流子“电子”出现。N区也是一样，除了多数载流子电子之外，也会有极少数的载流子空穴存在。PN结反偏时，能够正向导电的多数载流子被拉向电源，使PN结变厚，多数载流子不能再通过PN结承担起载流导电的功能。所以，此时漏电流的形成主要靠的是少数载流子，是少数载流子在起导电作用。反偏时，少数载流子在电源的作用下能够很容易地反向穿过PN结形成漏电流。漏电流只所以很小，是因为少数载流子的数量太少。很明显，此时漏电流的大小主要取决于少数载流子的数量。如果要想人为地增加漏电流，只要想办法增加反偏时少数载流子的数量即可。所以，如图B，如果能够在P区或N区人为地增加少数载流子的数量，很自然的漏电流就会人为地增加。其实，光敏二极管的原理就是如此。光敏二极管与普通光敏二极管一样，它的PN结具有单向导电性。因此，光敏二极管工作时应加上反向电压，如图所示。当无光照时，电路中也有很小的反向饱和漏电流，一般为1×10-8—1×10-9A(称为暗电流)，此时相当于光敏二极管截止；当有光照射时，PN结附近受光子的轰击，半导体内被束缚的价电子吸收光子能量而被击发产生电子—空穴对，这些载流子的数目，对于多数载流子影响不大，但对P区和N区的少数载流子来说，则会使少数载流子的浓度大大提高，在反向电压作用下，反向饱和漏电流大大增加，形成光电流，该光电流随入射光强度的变化而相应变化。光电流通过负载RL时，在电阻两端将得到随人射光变化的电压信号。光敏二极管就是这样完成电功能转换的。

光敏二极管工作在反偏状态，因为光照可以增加少数载流子的数量，因而光照就会导致反向漏电流的改变，人们就是利用这样的道理制作出了光敏二极管。既然此时漏电流的增加是人为的，那么漏电流的增加部分也就很容易能够实现人为地控制。

2、强调一个结论：

讲到这里，一定要重点地说明PN结正、反偏时，多数载流子和少数载流子所充当的角色及其性质。正偏时是多数载流子载流导电，反偏时是少数载流子载流导电。所以，正偏电流大，反偏电流小，PN结显示出单向电性。特别是要重点说明，反偏时少数载流子反向通过PN结是很容易的，甚至比正偏时多数载流子正向通过PN结还要容易。为什么呢？大家知道PN结内部存在有一个因多数载流子相互扩散而产生的内电场，而内电场的作用方向总是阻碍多数载流子的正向通过，所以，多数载流子正向通过PN结时就需要克服内电场的作用，需要约0.7伏的外加电压，这是PN结正向导通的门电压。而反偏时，内电场在电源作用下会被加强也就是PN结加厚，少数载流子反向通过PN结时，内电场作用方向和少数载流子通过PN结的方向一致，也就是说此时的内电场对于少数载流子的反向通过不仅不会有阻碍作用，甚至还会有帮助作用。这就导致了以上我们所说的结论：反偏时少数载流子反向通过PN结是很容易的，甚至比正偏时多数载流子正向通过PN结还要容易。这个结论可以很好解释前面提到的“问题2”，也就是教材后续内容要讲到的三极管的饱和状态。三极管在饱和状态下，集电极电位很低甚至会接近或稍低于基极电位，集电结处于零偏置，但仍然会有较大的集电结的反向电流Ic产生。

3、自然过渡：

继续讨论图B，PN结的反偏状态。利用光照控制少数载流子的产生数量就可以实现人为地控制漏电流的大小。既然如此，人们自然也会想到能否把控制的方法改变一下，不用光照而是用电注入的方法来增加N区或者是P区少数载流子的数量，从而实现对PN结的漏电流的控制。也就是不用“光”的方法，而是用“电”的方法来实现对电流的控制（注2）。接下来重点讨论P区，P区的少数载流子是电子，要想用电注入的方法向P区注入电子，最好的方法就是如图C所示，在P区下面再用特殊工艺加一块N型半导体（注3）。

图C所示其实就是NPN型晶体三极管的雏形，其相应各部分的名称以及功能与三极管完全相同。为方便讨论，以下我们对图C中所示的各个部分的名称直接采用与三极管相应的名称（如“发射结”，“集电极”等）。再看示意图C，图中最下面的发射区N型半导体内电子作为多数载流子大量存在，而且，如图C中所示，要将发射区的电子注入或者说是发射到P区（基区）是很容易的，只要使发射结正偏即可。具体说就是在基极与发射极之间加上一个足够的正向的门电压（约为0.7伏）就可以了。在外加门电压作用下，发射区的电子就会很容易地被发射注入到基区，这样就实现对基区少数载流子“电子”在数量上的改变。

4、集电极电流Ic的形成：

如图C，发射结加上正偏电压导通后，在外加电压的作用下，发射区的多数载流子——电子就会很容易地被大量发射进入基区。这些载流子一旦进入基区，它们在基区（P区）的性质仍然属于少数载流子的性质。如前所述，少数载流子很容易反向穿过处于反偏状态的PN结，所以，这些载流子——电子就会很容易向上穿过处于反偏状态的集电结到达集电区形成集电极电流Ic。由此可见，集电极电流的形成并不是一定要靠集电极的高电位。集电极电流的大小更主要的要取决于发射区载流子对基区的发射与注入，取决于这种发射与注入的程度。这种载流子的发射注入程度及乎与集电极电位的高低没有什么关系。这正好能自然地说明，为什么三极管在放大状态下，集电极电流Ic与集电极电位Vc的大小无关的原因。放大状态下Ic并不受控于Vc，Vc的作用主要是维持集电结的反偏状态，以此来满足三极管放大态下所需要外部电路条件。

对于Ic还可以做如下结论：Ic的本质是“少子”电流，是通过电子注入而实现的人为可控的集电结“漏”电流，因此它就可以很容易地反向通过集电结。

5、Ic与Ib的关系：

很明显，对于三极管的内部电路来说，图C与图D是完全等效的。图D就是教科书上常用的三极管电流放大原理示意图。

看图D，接着上面的讨论，集电极电流Ic与集电极电位Vc的大小无关，主要取决于发射区载流子对基区的发射注入程度。

通过上面的讨论，现在已经明白，三极管在电流放大状态下，内部的主要电流就是由载流子电子由发射区经基区再到集电区贯穿三极管所形成。也就是贯穿三极管的电流Ic主要是电子流。这种贯穿的电子流与历史上的电子三极管非常类似。如图E，图E就是电子三极管的原理示意图。电子三极管的电流放大原理因为其结构的直观形象，可以很自然得到解释。

如图E所示，很容易理解，电子三极管Ib与Ic之间的固定比例关系，主要取决于电子管栅极（基极）的构造。当外部电路条件满足时，电子三极管工作在放大状态。在放大状态下，穿过管子的电流主要是由发射极经栅极再到集电极的电子流。电子流在穿越栅极时，很显然栅极会对其进行截流，截流时就存在着一个截流比问题。截流比的大小，则主要与栅极的疏密度有关，如果栅极做的密，它的等效截流面积就大，截流比例自然就大，拦截下来的电子流就多。反之截流比小，拦截下来的电子流就少。栅极拦截下来的电子流其实就是电流Ib，其余的穿过栅极到达集电极的电子流就是Ic。从图中可以看出，只要栅极的结构尺寸确定，那么截流比例就确定，也就是Ic与Ib的比值确定。所以，只要管子的内部结构确定，的值就确定，这个比值就固定不变。由此可知，电流放大倍数的β值主要与栅极的疏密度有关。栅极越密则截流比例越大，相应的β值越低，栅极越疏则截流比例越小，相应的β值越高。

其实晶体三极管的电流放大关系与电子三极管类似。晶体三极管的基极就相当于电子三极管的栅极，基区就相当于栅网，只不过晶体管的这个栅网是动态的是不可见的。放大状态下，贯穿整个管子的电子流在通过基区时，基区与电子管的栅网作用相类似，会对电子流进行截流。如果基区做得薄，掺杂度低，基区的空穴数就会少，那么空穴对电子的截流量就小，这就相当于电子管的栅网比较疏一样。反之截流量就会大。很明显只要晶体管三极管的内部结构确定，这个截流比也就确定。所以，为了获大较大的电流放大倍数，使β值足够高，在制作三极管时往往要把基区做得很薄，而且其掺杂度也要控制得很低。

与电子管不同的是，晶体管的截流主要是靠分布在基区的带正电的“空穴”对贯穿的电子流中带负电的“电子”中和来实现。所以，截流的效果主要取决于基区空穴的数量。而且，这个过程是个动态过程，“空穴”不断地与“电子”中和，同时“空穴”又不断地会在外部电源作用下得到补充。在这个动态过程中，空穴的等效总数量是不变的。基区空穴的总数量主要取决于掺“杂”度以及基区的厚薄，只要晶体管结构确定，基区空穴的总定额就确定，其相应的动态总量就确定。这样，截流比就确定，晶体管的电流放大倍数的值就是定值。这就是为什么放大状态下，三极管的电流Ic与Ib之间会有一个固定的比例关系的原因。

6、对于截止状态的解释：

例关系说明，放大状态下电流Ic按一个固定的比例受控于电流Ib，这个固定的控制比例主要取决于晶体管的内部结构。

对于Ib等于0的截止状态，问题更为简单。当Ib等于0时，说明外部电压Ube太小，没有达到发射结的门电压值，发射区没有载流子“电子”向基区的发射注入，所以，此时既不会有电流Ib，也更不可能有电流Ic。另外，从纯数学的电流放大公式更容易推出结论，Ic=βIb，Ib为0，很显然Ic也为0。三、新讲法需要注意的问题：

以上，我们用了一种新的切入角度，对三极管的原理在讲解方法上进行了探讨。特别是对晶体三极管放大状态下，集电结为什么会反向导电形成集电极电流做了重点讨论，同时，对三极管的电流放大倍数为什么是定值也做了深入分析。这种讲解方法的关键，在于强调二极管与三极管在原理上的联系。其实，从二极管PN的反向截止特性曲线上很容易看出，只要将这个特性曲线转过180度，如图F所示，它的情形与三极管的输出特性非常相似，三极管输出特性如图G所示。这说明了二极管与三极管在原理上存在着很必然的联系。所以，在讲解方法上选择这样的切入点，从PN结的偏状态入手讲三极管，就显得非常合适。而且，这样的讲解会使问题变得浅显易懂生动形象，前后内容之间自然和谐顺理成章。

这种讲法的不足点在于，从PN结的漏电流入手讲起，容易造成本征漏电流与放大电流在概念上的混肴。所以，在后面讲解晶体管输入输出特性曲线时，应该注意强调说明本征载流子与掺杂载流子的性质区别。本征载流子对电流放大没有贡献，本征载流子的电流对晶体管的特性影响往往是负面的，是需要克服的。晶体管电流放大作用主要靠掺杂载流子来实现。要注意在概念上进行区别。另外，还要注意说明，从本质上晶体内部有关载流子的问题其实并不简单，它涉及到晶体的能级分析能带结构，以及载流子移动的势垒分析等。所以，并不是随便找一种或两种具有载流子的导体或半导体就可以制成PN结，就可以制成晶体管，晶体管实际的制造工艺也并不是如此简单。这样的讲解方法主要是在不违反物理原则的前提下，试图把问题尽量地简化，尽量做到浅显易懂，以便于理解与接受。这才是这种讲解方法的主要意义所在。注1：见《电子技术基础》第33至35面，华中工学院出版，康华光主编，第三版，模拟部分。

注2：光照增加的是本征载流子，而后面讲的电注入增加的是掺杂载流子，本征载流子是成对出现，是电子空穴对，正负对应。这与掺杂载流子是有区别的。

注3：此处涉及到三极管的制造工艺，以及半导体材料有关载流子的能级问题。能级结构不同的晶体材料，相互之间载流子的注入及移动会很复杂，也不容易实现。所以，晶体管的整体一般都用相同的半电体物质构成。要么是硅管，要么是锗管，很少有一部分是硅而另一部分是锗的情况三、场效应管与双极式三极管场效应管与双极型三极管的比较：1、普通三极管参与导电的，既有多数载流子，又有少数载流子，故称为双极型三极管；而在场效应管中只是多子参与导电，故又称为单极型三极管。因少子浓度受温度、辐射等因素影响较大，所以场效应管比三极管的温度稳定性好、抗辐射能力强、噪声系数很小。在环境条件（温度等）变化很大的情况下应选用场效应管。

2、三极管是电流控制器件，通过控制基极电流到达控制输出电流的目的。因此，基极总有一定的电流，故三极管的输人电阻较低；场效应管是电压控制器件，其输出电流决定于栅源极之间的电压，栅极基本上不取电流，因此，它的输入电阻很高，可达109～1014Ω。高输入电阻是场效应管的突出优点。

3、场效应管的漏极和源极可以互换，耗尽型绝缘栅管的栅极电压可正可负，灵活性比三极管强。但要注意，分立的场效应管，有时已经将衬底和源极在管内短接，源极和漏极就不能互换使用了。

4、场效应管和三极管都可以用于放大或作可控开关。但场效应管还可以作为压控电阻使用，可以在微电流、低电压条件下工作，具有功耗低，热稳定性好，容易解决散热问题，工作电源电压范围宽等优点，且制作工艺简单，易于集成化生产，因此在目前的大规模、超大规模集成电路中，MOS管占主要地位。

5、MOS管具有很低的级间反馈电容，一般为5—10pF，而三极管的集电结电容一般为20pF左右。

6、场效应管组成的放大电路的电压放大系数要小于三极管组成放大电路的电压放大系数。

7、由于MOS观的栅源极之间的绝缘层很薄，极间电容很小，而栅源极之间电阻又很大，带电物体靠近栅极时，栅极上感应少量电荷产生很高的电压，就很难放掉，以至于栅源极之间的绝缘层击穿，造成永久性损坏。因此管子存放时，应使栅极与源极短接，避免栅极悬空。尤其是焊接MOS管时，电烙铁外壳要良好接地。

8、BJT是利用小电流的变化控制大电流的变化；JFET是利用PN结反向电压对耗尽层厚度的控制，来改变导电沟道的宽窄，从而控制漏极电流的大小；MOSEFET是利用栅源电压的大小，来改变半导体表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。

MOSFET用双极性三极管的代替方法：

一般说来，双极性三极管不能直接代替MOSFET，这是因为它们的控制特性不一样，MOSFET是电压控制的器件，而双极性三极管是电流控制的器件。MOSFET的控制电路是电压型的，双极性三极管不能直接代换MOSFET的，原驱动MOSFET的电路由于驱动电流太小，不足于驱动双极性三极。要想用原电路驱动双极性三极管，必须要在双极性三极管之前加装电流放大装置。基于这个思想，在双极性三极管之前加装电流放大器，把电压驱动改为了电流驱动，即可代换成功。MOS器件保护措施：

1、MOS器件出厂时通常装在黑色的导电泡沫塑料袋中,切勿自行随便拿个塑料袋装。也可用细铜线把各个引脚连接在一起,或用锡纸包装。

2、取出的MOS器件不能在塑料板上滑动,应用金属盘来盛放待用器件。

3、焊接用的电烙铁必须良好接地。

4、在焊接前应把电路板的电源线与地线短接,再MOS器件焊接完成后在分开。

5、MOS器件各引脚的焊接顺序是漏极、源极、栅极。拆机时顺序相反。

6、电路板在装机之前,要用接地的线夹子去碰一下机器的各接线端子,再把电路板接上去。

7、MOS场效应晶体管的栅极在允许条件下,最好接入保护二极管。在检修电路时应注意查证原有的保护二极管是否损坏。

场效应管的作用：

1、场效应管可应用于放大。由于场效应管放大器的输入阻抗很高，因此耦合电容可以容量较小，不必使用电解电容器。

2、场效应管很高的输入阻抗非常适合作阻抗变换。常用于多级放大器的输入级作阻抗变换。

3、场效应管可以用作可变电阻。

4、场效应管可以方便地用作恒流源。

5、场效应管可以用作电子开关。

场效应管的分类：

结型场效应管（JFET）因有两个PN结而得名；绝缘栅型场效应管（JGFET，也叫金属-氧化物-半导体场效应管MOSFET）则因栅极与其它电极完全绝缘而得名。

根据导电方式的不同,MOSFET又分增强型、耗尽型。所谓增强型是指:当VGS=0时管子是呈截止状态,加上正确的VGS后,多数载流子被吸引到栅极,从而“增强”了该区域的载流子,形成导电沟道。耗尽型则是指,当VGS=0时即形成沟道,加上正确的VGS时,能使多数载流子流出沟道,因而“耗尽”了载流子,使管子转向截止。四、对场效应管的测试1、结型场效应管的管脚识别

场效应管的栅极相当于晶体管的基极，源极和漏极分别对应于晶体管的发射极和集电极。将万用表置于R×1k档，用两表笔分别测量每两个管脚间的正、反向电阻。当某两个管脚间的正、反向电阻相等，均为数KΩ时，则这两个管脚为漏极D和源极S（可互换），余下的一个管脚即为栅极G。对于有4个管脚的结型场效应管，另外一极是屏蔽极（使用中接地）。

2、判定栅极（红表笔接表内电池的负极，黑表笔接表内电池的正极）

用万用表黑表笔碰触管子的栅极，红表笔分别碰触另外两个电极。若两次测出的阻值都很小，说明均是正向电阻，该管属于N沟道场效应管。

制造工艺决定了场效应管的源极和漏极是对称的，可以互换使用，并不影响电路的正常工作，所以不必加以区分。若要区分，则可根据在源—漏之间有一个PN结，通过测量PN结正、反向电阻存在差异，识别S极与D极。将万用表拨到R×100档，用交换表笔法测两次电阻，相当于给场效应管加上1.5V的电源电压，其中电阻值较低（一般为几千欧至十几千欧）的一次为正向电阻。此时黑表笔的是S极，红表笔接D极。

注意不能用此法判定绝缘栅型场效应管的栅极。因为这种管子的输入电阻极高，栅源间的极间电容又很小，测量时只要有少量的电荷，就可在极间电容上形成很高的电压，容易将管子损坏。

3、估测场效应管的放大能力

将万用表拨到R×100档，相当于给场效应管加上1.5V的电源电压。这时表针指示出的是D-S极间电阻值。然后用手指捏栅极G，将人体的感应电压作为输入信号加到栅极上。由于管子的放大作用，UDS和ID都将发生变化，也相当于D-S极间电阻发生变化，可观察到表针有较大幅度的摆动。如果手捏栅极时表针摆动很小，说明管子的放大能力较弱；若表针不动，说明管子已经损坏。

由于人体感应的50Hz交流电压较高，而不同的场效应管用电阻档测量时的工作点可能不同，因此用手捏栅极时表针可能向右摆动，也可能向左摆动。少数的管子RDS减小，使表针向右摆动，多数管子的RDS增大，表针向左摆动。无论表针的摆动方向如何，只要能有明显地摆动，就说明管子具有放大能力。

本方法也适用于测MOS管。为了保护MOS场效应管，必须用手握住金属杆，用金属杆去碰栅极，以防止人体感应电荷直接加到栅极上，将管子损坏。MOS管每次测量完毕，G-S结电容上会充有少量电荷，建立起电压UGS，再接着测时表针可能不动，此时将G-S极间短路一下即可。五、测判三极管的口诀三极管的管型及管脚的判别是电子技术初学者的一项基本功，为了帮助读者迅速掌握测判方法，笔者总结出四句口诀：“三颠倒，找基极；PN结，定管型；顺箭头，偏转大；测不准，动嘴巴。”下面让我们逐句进行解释吧。一、三颠倒，找基极

大家知道，三极管是含有两个PN结的半导体器件。根据两个PN结连接方式不同，可以分为NPN型和PNP型两种不同导电类型的三极管。

测试三极管要使用万用电表的欧姆挡，并选择R×100或R×1k挡位。红表笔所连接的是表内电池的负极，黑表笔则连接着表内电池的正极。

假定我们并不知道被测三极管是NPN型还是PNP型，也分不清各管脚是什么电极。测试的第一步是判断哪个管脚是基极。这时，我们任取两个电极(如这两个电极为1、2)，用万用电表两支表笔颠倒测量它的正、反向电阻，观察表针的偏转角度；接着，再取1、3两个电极和2、3两个电极，分别颠倒测量它们的正、反向电阻，观察表针的偏转角度。在这三次颠倒测量中，必然有两次测量结果相近：即颠倒测量中表针一次偏转大，一次偏转小；剩下一次必然是颠倒测量前后指针偏转角度都很小，这一次未测的那只管脚就是我们要寻找的基极。二、PN结，定管型

找出三极管的基极后，我们就可以根据基极与另外两个电极之间PN结的方向来确定管子的导电类型。将万用表的黑表笔接触基极，红表笔接触另外两个电极中的任一电极，若表头指针偏转角度很大，则说明被测三极管为NPN型管；若表头指针偏转角度很小，则被测管即为PNP型。三、顺箭头，偏转大

找出了基极b，另外两个电极哪个是集电极c，哪个是发射极e呢?这时我们可以用测穿透电流ICEO的方法确定集电极c和发射极e。

(1)对于NPN型三极管，用万用电表的黑、红表笔颠倒测量两极间的正、反向电阻Rce和Rec，虽然两次测量中万用表指针偏转角度都很小，但仔细观察，总会有一次偏转角度稍大，此时电流的流向一定是：黑表笔→c极→b极→e极→红表笔，电流流向正好与三极管符号中的箭头方向一致(“顺箭头”)，所以此时黑表笔所接的一定是集电极c，红表笔所接的一定是发射极e。

(2)对于PNP型的三极管，道理也类似于NPN型，其电流流向一定是：黑表笔→e极→b极→c极→红表笔，其电流流向也与三极管符号中的箭头方向一致，所以此时黑表笔所接的一定是发射极e，红表笔所接的一定是集电极c。四、测不出，动嘴巴

若在“顺箭头，偏转大”的测量过程中，若由于颠倒前后的两次测量指针偏转均太小难以区分时，就要“动嘴巴”了。具体方法是：在“顺箭头，偏转大”的两次测量中，用两只手分别捏住两表笔与管脚的结合部，用嘴巴含住(或用舌头抵住)基电极b，仍用“顺箭头，偏转大”的判别方法即可区分开集电极c与发射极e。其中人体起到直流偏置电阻的作用，目的是使效果更加明显。六、四种负反馈组态及其判断（六张图，看过就全懂了）2009-07-061:44七、输入电阻和输出电阻的意义&定量测量（看过就全懂了）2009-07-061:14

输入电阻是用来衡量放大器对信号源的影响的一个性能指标。输入电阻越大，表明放大器从信号源取的电流越小，放大器输入端得到的信号电压也越大，即信号源电压衰减的少。理论基础：Us=（Rs+Ri）×I。Rs为信号源内阻，Ri为放大器输入电阻。因此作为测量信号电压的示波器、电压表等仪器的放大电路应当具有较大的输入电阻。对于一般的放大电路来说，输入电阻当然是越大越好。如果想从信号源取得较大的电流，则应该使放大器具有较小的输入电阻。

输出电阻用来衡量放大器在不同负载条件下维持输出信号电压（或电流）恒定能力的强弱，称为其带负载能力。当放大器将放大了的信号输出给负载电阻RL时，对负载RL来说，放大器可以等效为具有内阻Ro的信号源，由这个信号源向RL提供输出信号电压和输出信号电流。Ro称为放大器的输出电阻，它是从放大器输出端向放大器本身看入的交流等效电阻。如果输出电阻Ro很小，满足Ro<<RL条件，则当RL在较大范围内变化时，就可基本维持输出信号电压的恒定。反之，如果输出电阻Ro很大，满足Ro>>RL条件，则当RL在较大范围内变化时，就可维持输出信号电流的恒定。如手机电池，它的内阻可以等效看作输出电阻，用了几年后，内阻高了，也就要报废了，因为带不动外面的东西了。

电压放大和互阻放大电路，即输出为电压信号的放大电路，Ro越小，负载RL对的变化对输出信号Vo的影响越小。而且只要负载RL足够大，信号输出功率一般较低，能耗也较低。多用于信号的前置放大和中间级放大。对于一般的放大电路来说，输出电阻当然越小越好。

电流放大和互导放大电路，即输出为电流信号的放大电路，与受控电流源并联的Ro越大，负载RL的变化对输出电流Io的影响越小。则与前两种相比当供电电源相同时，可得到较大输出电流信号，所以功率可能到达较大的值，对供电电源的能耗较大。通常用于电子系统的输出级，可作为各种输出物理变量变换器（如音响系统的扬声器，动力系统的电动机等）的驱动电路。八、无功功率终极解释2009-07-061:26容性电流：流过电容的电流，电容使电流超前90度。

感性电流：流过电感的电流，电感使电流超前-90度，即滞后90度。

为建立交变磁场和感应磁通而需要的电功率称为无功功率，因此，所谓的“无功”并不是“无用”的电功率，只不过它的功率并不转化为机械能、热能而已；因此在供用电系统中除了需要有功电源外，还需要无功电源，两者缺一不可。无功功率单位为乏(Var)。无功功率和功率因数是直接有关联的。在交流电路中，针对电网中某个原件来说，其电压与电流之间的相位差(Φ)的余弦叫做功率因数，用符号cosΦ表示，在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值，即λ=cosΦ=P/S

，S=√(P^2+Q^2)(阻抗为电感性时Φ＞0)。在电力网的运行中，功率因数反映了电源输出的视在功率被有效利用的程度，若功率因数低,电网的电压下降,电压质量也就降低，所以我们希望功率因数越大越好，这样电路中的无功功率可以降到最小，视在功率将大部分用来供给有功功率，从而提高电能输送的功率。

电力系统中的负载大多是电感性电气设备（有电磁线圈结构），线圈内要建立磁场，就要消耗滞后（感性）无功功率。如40W的日光灯，除了需要40多瓦（镇流器也需要消耗部分有功功率）的有功功率来发光外，还需要40乏左右的无功功率供镇流器的线圈建立交变磁场，这就使得负载电流相位滞后于电压，相角差越大，对滞后无功功率需求越大。虽然无功功率不消耗电能，但要供给固定的有功功率时，无功功率越大，视在功率也越大，供电线路和变压器的容量也就越大，势必要提高电流而增加线路损耗。所谓提高功率因数，是指提高电源或电网的功率因数，而不是指提高某个电感性负载的功率因数。所以电业局供电时，无功功率对民用不收费，工业使用时若功率因数达不到0.9就要罚款，增收这部分费用作为线路损耗和其他因此造成的费用。

对于变压器，由于二次侧输出的无功功率可以是滞后性的，也可以是超前性的，视负载性质而定，但变压器内部吸收的无功功率都是滞后性的。

无功功率从电力网络中哪个地方获得？显然，若果要由发电机提供并经过长距离传送是不合理的。合理方法是在需要无功功率的地方产生无功功率。怎样产生？工程上认为电容发出无功功率，电感吸收无功功率。由于电容器这个用电设备本身并不消耗电能，然而它却有功率（直流电路的功率等于电压乘以电流强度，交流电路的平均功率P=VIcosΦ,当电压与电流之间有相位差时，电路中发生能量交换，出现无功功率Q=VIsinΦ），这就是无功功率。电路系统中，电感和电容的无功功率有互补作用。因此在配电系统里几乎都使用补偿电容器，即采用无功就地补偿法提高用电设备的功率因数。无功补偿的基本原理是：把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并联接在同一电路，能量在两种负荷之间相互交换。接入电容后不会改变原负载的工作状态，感性负荷所需要的无功功率也可由容性负荷输出的无功功率补偿，从而减轻电源和传输系统的无功功率负担。无功补偿的意义：

1、补偿无功功率，可以增加电网中有功功率的比例常数。

2、减少发、供电设备的设计容量，减少投资，例如当功率因数cosΦ=0.8增加到cosΦ=0.95时，装1Kvar电容器可节省设备容量0.52KW；反之，增加0.52KW对原有设备而言，相当于增大了发、供电设备容量。因此，对新建、改建工程，应充分考虑无功补偿，便可以减少设计容量，从而减少投资。

3、降低线损，由降低线损百分数公式ΔP%=[1-(cosΦ1/cosΦ2)^2]×100%得出其中cosΦ2为补偿后的功率因数，cosΦ1为补偿前的功率因数，因为cosΦ2>cosΦ1，所以提高功率因数后，线损率也下降了。

减少设计容量、减少投资，增加电网中有功功率的输送比例，以及降低线损都直接决定和影响着供电企业的经济效益。所以，功率因数是考核经济效益的重要指标，规划、实施无功补偿势在必行。超前功率因数：电流相位超前电压相位。

滞后功率因数：电压相位超前电流相位。（区分滞后功率）

功率因数不论超前还是滞后都是小于1的，都有损耗，只是形式不同而已。线性电阻负载的功率因数为1。

常用的异步电机是感性负载，功率因数滞后；同步电机通过控制励磁电流，使它呈现容性负载特性。当超前与滞后相等时，功率因数为1。同步电机作为同步调相机（或称同步补偿机），实际上就是一台并联在电网上空转的同步电机，向电网发出或吸收无功功率，对电网无功功率进行调节。九、关于滤波电容、去耦电容、旁路电容作用2009-07-061:35

电容在减小同步开关噪声起重要作用，而电源完整性设计的重点也在如何合理地选择和放置这些电容上。各种各样的电容种类繁杂，但无论再怎么分类，其基本原理都是利用电容对交变信号呈低阻状态。交变电流的频率f越高，电容的阻抗就越低。旁路电容起的主要作用是给交流信号提供低阻抗的通路；去耦电容的主要功能是提供一个局部的直流电源给有源器件，以减少开关噪声在板上的传播和将噪声引导到地，加入去耦电容后电压的纹波干扰会明显减小；滤波电容常用于滤波电路中。

对于理想的电容器来说，不考虑寄生电感和电阻的影响，那么在电容设计上就没有任何顾虑，电容的值越大越好。但实际情况却相差很远，并不是电容越大对高速电路越有利，反而小电容才能被应用于高频。

滤波电容用在电源整流电路中，用来滤除交流成分。使输出的直流更平滑。去耦电容用在放大电路中不需要交流的地方，用来消除自激，使放大器稳定工作。旁路电容用在有电阻连接时，接在电阻两端使交流信号顺利通过。

1.关于去耦电容蓄能作用的理解

（1）去耦电容主要是去除高频如RF信号的干扰，干扰的进入方式是通过电磁辐射。而实际上，芯片附近的电容还有蓄能的作用，这是第二位的。你可以把总电源看作水库，我们大楼内的家家户户都需要供水，这时候，水不是直接来自于水库，那样距离太远了，等水过来，我们已经渴的不行了。实际水是来自于大楼顶上的水塔,水塔其实是一个buffer的作用。如果微观来看，高频器件在工作的时候，其电流是不连续的，而且频率很高，而器件VCC到总电源有一段距离，即便距离不长，在频率很高的情况下，阻抗Z＝i*wL+R，线路的电感影响也会非常大，会导致器件在需要电流的时候，不能被及时供给。而去耦电容可以弥补此不足。这也是为什么很多电路板在高频器件VCC管脚处放置小电容的原因之一（在Vcc引脚上通常并联一个去耦电容，这样交流分量就从这个电容接地。

（2）有源器件在开关时产生的高频开关噪声将沿着电源线传播。去耦电容的主要功能就是提供一个局部的直流电源给有源器件，以减少开关噪声在板上的传播和将噪声引导到地。

2.旁路电容和去耦电容的区别

去耦：去除在器件切换时从高频器件进入到配电网络中的RF能量。去耦电容还可以为器件提供局部化的DC电压源，它在减少跨板浪涌电流方面特别有用。

旁路：从元件或电缆中转移出不想要的共模RF能量。这主要是通过产生AC旁路消除无意的能量进入敏感的部分，另外还可以提供基带滤波功能（带宽受限）。

我们经常可以看到，在电源和地之间连接着去耦电容，它有三个方面的作用：一是作为本集成电路的蓄能电容；二是滤除该器件产生的高频噪声，切断其通过供电回路进行传播的通路；三是防止电源携带的噪声对电路构成干扰。

在电子电路中，去耦电容和旁路电容都是起到抗干扰的作用，电容所处的位置不同，称呼就不一样了。对于同一个电路来说，旁路（bypass）电容是把输入信号中的高频噪声作为滤除对象，把前级携带的高频杂波滤除，而去耦（decoupling）电容也称退耦电容，是把输