电子技术（十一五国家规划）第1章

第1章常用半导体器件

内容提要本章在简单介绍了半导体的基本知识后，重点讨论了半导体二极管、三极管、场效应管和集成运算放大器的结构、特性和主要参数。

返回1.1二极管1.2特殊二极管1.3晶体管1.4场效应管1.5集成运算放大器

1.1二极管1.1.1二极管简介半导体二极管，实际上是由一个PN结加上电极引线与外壳制成的。由P区引出的电极称为阳极或正极，由N区引出的电极称为阴极或负极。因PN结具有单向导电性，所以二极管也具有单向导电性。如图1.1所示为二极管的外形、内部结构示意和符号。二极管按所用半导体材料可分为硅二极管和锗二极管；按内部结构可分为点接触型二极管和面接触型二极管；按用途分类除了普通二极管外，还有稳压二极管、发光二极管、光电二极管等。图1.1二极管的外形、内部结构示意和符号

1.1.2二极管的电压-电流关系

二极管的电压-电流关系是指二极管两端电压和其中流过的电流之间的伏安特性曲线。图1.2给出了较为典型的硅管伏安特性曲线。

图1.2二极管伏安特性曲线

1．正向特性二极管阳极接高电位，阴极接低电位，这种连接称为二极管的正向偏置。死区：由图1.2可见，对某一给定的二极管，当外加的正向电压低于一定值时，其正向电流很小，几乎为零。而当正向电压超过此值时，正向电流增长很快，这个正向电压的定值通常被称为“死区电压”，其大小与材料及环境温度有关。一般来说，硅管的死区电压约为0.5V，锗管的死区电压约为0.1V。正向工作区：当二极管正向电压超过死区电压后，正向电流变化很大，而电压的变化极小，硅管的导通电压约为0.6～0.7V，锗管的导通电压约为0.2～0.3V。为了讨论计算的方便，通常认为二极管正向导通后电压固定在某个值，这个值被称为导通电压，以后我们在讨论计算时，统一取硅管的导通电压为0.7V，锗管的导通电压为0.3V。2.反向特性二极管阳极接低电位，阴极接高电位，这种连接称为二极管的反向偏置。反向截止区：当外加电压为负时，即加以反向电压，由图1.2可见，反向电流很小，且在某一范围内基本保持不变，称为反向饱和电流。由于半导体的热敏特性，反向饱和电流将随温度的升高而增大。反向击穿区：当外加电压过高而超过某一值时，则反向电流突然增大，二极管失去了单向导电性，这种现象称为反向击穿，此时的反向电压称为反向击穿电压。一般的二极管反向击穿后将因反向电流过大而损坏。1.1.3二极管的主要参数

二极管的特性除用伏安特性曲线表示外，还可用它的参数来说明，二极管的主要参数有如下几种。1．最大整流电流IFM

最大整流电流IFM是指二极管长时间使用时，允许通过的最大正向平均电流。使用时工作电流要小于这个电流，否则，电流过大，将有可能使二极管烧坏。2．最高反向工作电压URM

最高反向工作电压URM是指允许加在二极管两端的最大反向电压。最高反向工作电压一般为击穿电压的1/2或2/3。1.1.4二极管的应用

利用二极管的单向导电性，可以组成整流、开关、限幅、钳位等应用电路。关于整流电路将在第11章中详细论述。1．开关作用二极管在数字电路中应用时，常将其理想化为一个无触点开关器件。二极管正向导通时，正向压降为0V，相当于开关闭合；二极管反向截止时，视其反向电流为0，相当于开关断开。

2．二极管限幅电路当输入信号幅度变化较大时，限制输出信号幅度的电路称为限幅电路，如图1.3所示。设VD为理想二极管，即忽略其正向压降和反向电流。若输入电压ui为正弦波，根据二极管的单向导电性，可得出输出电压uo的波形，从波形图中不难看出，输出电压幅度被限制在E值。

图1.3二极管限幅电路

3．二极管钳位电路将电路中某点电位值钳制在选定的数值上而不受负载变动影响的电路叫钳位电路，如图1.4所示。只要二极管VD处于导通状态，不论负载RL改变多少，电路的输出电压uo始终等于UG+UV，其中UV为二极管的导通电压。

图1.4钳位电路

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1.2特殊二极管1.2.1稳压管稳压管是一种特殊的面接触型硅二极管，其符号和伏安特性曲线如图1.5所示。其正向特性曲线与普通二极管基本相同。但反向击穿特性曲线很陡且稳压管的反向击穿是可逆的，故它可长期工作在反向击穿区而不致损坏。正常情况下稳压管工作在反向击穿区，由于曲线很陡，反向电流在很大范围内变化时，稳压管两端的电压却几乎稳定不变，稳压管就是利用这一特性在电路中起稳压作用的。只要反向电流不超过其最大稳定电流，就不会引起破坏性的击穿，因此，在电路中常与稳压管串联一适当的限流电阻。图1.5稳压管的符号和伏安特性曲线

与一般二极管不同，稳压管的主要参数有以下几种。（1）稳定电压UZ。稳定电压是指稳压管在正常工时管子两端的电压。（2）稳定电流IZ。稳定电流IZ是指保持稳定电压U时的工作电流。（3）最大稳定电流IZmax。最大稳定电流是指稳压管通过的最大反向电流。稳压管在工作时电流不应超出这个值。1.2.2发光二极管发光二极管简称LED，是一种把电能直接转换成光能的固体发光器件。发光二极管也是由PN结构成的，具有单向导电性，当发光二极管加上正向电压时能发出一定波长的光，采用不同的材料，可发出红、黄、绿等不同颜色的光。图1.6所示为发光二极管外形及其图形符号。发光二极管常用做显示器件，可单个使用，也可做成七段式或矩阵式数字显示器件。工作电流一般为几～几十毫安之间。图1.6发光二极管及符号1.2.3光电二极管光电二极管又称做光敏二极管，是一种将光信号转换为电信号的半导体器件。它由一个PN结构成，具有单向导电性，其管壳上有一个用有机玻璃透镜封闭的窗口，入射光通过透镜正好照射在二极管上。使用时，其PN结工作在反向偏置状态，在光的照射下，反向电流随光照强度的增加而上升，这时的反向电流称为光电流。光电二极管常用做传感器的光敏器件，其外形及符号如图1.7所示。

图1.7光电二极管及符号

返回1.3晶体管1.3.1晶体管的结构半导体晶体管的种类很多，按频率分有高频管、低频管；按功率分有小、中、大功率管；按结构分有NPN型和PNP两种类型。晶体管（亦称半导体晶体管）是通过一定的工艺，将两个PN结结合在一起的器件。图1.8所示为晶体管的外形、内部结构示意图及符号。图1.8晶体管的外形、内部结构示意图及符号

晶体管是由三层半导体制成的两个PN结（发射结和集电结），其特点是中间一层P（或N）型半导体特别薄，两边各为一层N（或P）型半导体。从三层半导体上分别引出3个电极，称为集电极C、基极B和发射极E，对应的每块半导体称为集电区、基区和发射区。虽然发射区和集电区都是N（或P）型半导体，但是发射区比集电区掺的杂质重，因此它们并不对称，使用时这两个极不能混淆。

1.3.2晶体管的放大作用

以NPN型晶体管为例，通过实验来了解半导体晶体管的放大原理和其中的电流分配情况，实验电路如图1.9所示。图1.9电流放大实验电路将晶体管接成两条电路，一条是由电源电压UCC的正极经过电阻RB（通常为几百千欧的可调电阻）、基极、发射极到电源电压UCC的负极，称为基极回路。另一条是由电源电压UCC的正极经过电阻RC、集电极、发射极再回到电源电压UCC的负极，称为集电极回路。可见，发射极是两个回路所共用的，所以这种接法称为共发射极电路。改变可变电阻RB，则基极电流IB、集电极电流IC和发射极电流IE都发生变化，电流方向如图1.9所示，测试结果列于表1.1中。

表1.1实验测试数据

电流（mA）实验次数123456IB00.020.040.060.080.10IC<0.0010.701.502.303.103.95IE<0.0010.721.542.363.184.05由实验及测试结果可得出如下结论。（1）三个电流符合基尔霍夫定律，即IE

=IB

+IC（1-1）

且基极电流IB很小，忽略IB不计，则有IE≈IC（2）晶体管有电流放大作用，从实验数据可以看出，IC与IB的的比值近似为一个常数，即（1-2）基极电流IB的微小变化能引起集电极电流IC较大的变化，即（1-3）以上两式中的和分别称为晶体管的直流和交流电流放大系数。从表1.1中可以看出，，且在一定范围内几乎不变，故工程上不必严格区分，估算时可以通用。1.3.3晶体管的特性曲线及工作状态晶体管采用共发射极接法时，信号从基极-发射极回路输入，从集电极-发射极回路输出，所以有两条伏安特性曲线。这些特性曲线可用晶体管特性图示仪直观地显示出来，也可通过如图1.10所示的实验电路进行测绘。图中，UCC＞UBB，以使发射结正向偏置，集电结反向偏置，保证晶体管放大的外部条件。

图1.10晶体管特性曲线实验电路

1．输入特性曲线输入特性是指当集-射电压UCE为常数时，基极电流IB与基-射电压UBE之间的关系曲线，如图1.11所示。可以看到，它类似二极管的正向伏安特性曲线，晶体管的输入特性曲线也有一段死区，硅管的死区电压约为0.5V，锗管的死区电压约为0.1V。在正常导通时，硅管的UBE约为0.7V，而锗管UBE约为0.3V。且对晶体管而言，当UCE＞1V后，即使加大UCE，这条输入特性曲线基本上也是与UCE无关的。图1.11输入特性曲线

2．输出特性曲线输出特性是指当基极电流IB为常数时，集电极电流IC与集-射电压UCE之间的关系曲线。在不同的IB下，可得出不同的曲线，所以晶体管的输出特性曲线是一组曲线，如图1.12（a）所示。

图1.12输出特性曲线

通常把晶体管的输出特性曲线分为3个工作区。（1）放大区。输出特性曲线近于水平的区域是放大区，也称线性区。此时发射结正偏，集电结反偏。对NPN型管，就是UBE＞0.5V（或UBE＞0.1V），且UCE＞1V时，晶体管工作于放大状态。在此区域，晶体管具有恒流特性：，可见

IB不变时，IC基本不变，IC受IB的控制，与UCE基本无关。（2）截止区。IB=0曲线与横轴之间的区域是截止区。此时发射结反偏或零偏，集电结反偏。对NPN型硅管，当UBE=0时，即已开始截止，但是为了截止可靠，常使UBE＜0。当减小IB使工作点下移到Q2点时，晶体管即进入截止区，此时IB=0，IC=ICEO≈0（ICEO称做穿透电流），UCE≈UCC。C，B，E3个电极间相当于开路，其等效电路如图1.12（b）所示。（3）饱和区。IC随UCE的增大而增大的区域是饱和区。此时发射结正偏，集电结正偏。对NPN型管，当UCE＜UBE时，晶体管工作于饱和状态。当增加IB使工作点上移到Q1点时，晶体管即进入饱和区，此时IB的变化对IC的影响较小，IC≠IB，其管压降UCE称为饱和压降UCES，一般硅管约为0.3V，锗管约为0.1V，都可近似为0V。因UCES≈0，C，E极近似于短路，UBE≈0.7V，B，E极也近似于短路，等效电路如图1.12（c）所示。可见，晶体管具有开关作用，它相当于一个由基极电流控制的无触点开关，截止时相当于开关断开，饱和时相当于开关闭合。在模拟电路中，晶体管常用做放大元件，工作在放大区；在数字电路中，晶体管常用做开关元件，工作在截止区和饱和区。晶体管工作区的判别分析非常重要，当放大电路中的晶体管不工作在放大区时，放大信号就会出现严重失真。例1.1已知图1.13中各晶体管均为硅管，测得各管脚的电压值分别如图中所示值，试判别各晶体管的工作状态。图1.13例1.1的图

解：（1）在图1.13（a）中，因为UBE=0.7V＞0，发射结正偏；UBC=0.5V＞0，集电结正偏，故可判断它工作在饱和区。（2）在图1.13（b）中，因为UBE=0.7V＞0，发射结正偏；UBC=-5.3V＜0，集电结反偏，故可判断它工作在放大区。（3）在图1.13（c）中，因为UEB=0V，发射结零偏；UCB=-2V＜0，集电结反偏，故可判断它工作在截止区。

1.3.4晶体管的主要参数1．电流放大系数

是指输出电流与输入电流的比值，用于衡量晶体管电流放大能力的参数。由于制造工艺的分散性，即使是同一型号的晶体管，

值也有很大差别。但对一个给定的管子，值是一定的。一般值为20～200之间。选用晶体管时，值太大稳定性差，值太小则电流放大能力弱。2．穿透电流ICEOICEO是基极开路时集-射极之间的电流。由于这个电流似乎是从集电区穿过基区流至发射区，所以称穿透电流。这个电流越小，表明晶体管的质量越好。3．集电极最大允许电流ICM

集电极电流过大时，

值明显下降，当

值下降到正常值的2/3时的集电极电流IC，称为集电极最大允许电流ICM。作为放大管使用时，IC不宜超过ICM，超过时会引起

值下降、输出信号失真，过大时还会烧坏管子。4．集-射极反向击穿电压U（BR）CEOU（BR）CEO是基极开路时加在集-射极之间的最大允许电压。当晶体管的集-射极电压大于此值时，ICEO大幅度上升，说明晶体管已被击穿。电子器件手册上给出的一般是常温（25℃）时的值。在高温下，其反向击穿电压将会降低，使用时应特别注意。5．集电极最大允许耗散功率PCM

由于集电极电流在流经集电结时要产生功率损耗，使结温升高，从而会引起晶体管参数变化。当晶体管因受热而引起的变化不超过允许值时，集电极所消耗的最大功率，称为集电极最大允许耗散功率PCM。PCM=ICUCE

工作时，应使PC＜PCM。返回

1.4场效应管场效应管是一种较新型的半导体器件，它的输入电阻极高，可达109～1014，同时它有噪声小、热稳定性好、耗电少和便于集成化等优点，因此在大规模集成电路中应用极为广泛。场效应管有两种类型：结型场效应管和绝缘栅型场效应管。绝缘栅型场效应管可以分成增强型和耗尽型两大类，每一类中又有N沟道和P沟道之分。在此我们简单介绍绝缘栅型场效应管。1.4.1绝缘栅型场效应管的结构N沟道增强型绝缘栅场效应管的结构如图1.14（a）所示，它是用一块P型薄硅片做衬底，其上扩散两个N+区作为源极S和漏极D，在硅片表面生成一层SiO2绝缘体，绝缘体上的金属电极为栅极G。因栅极和其他电极及导电沟道是绝缘的，所以称绝缘栅型场效应管，或称金属-氧化物-半导体场效应管，简称MOS管。工作时在漏极D和源极S之间形成导电沟道，称做N沟道。由于掺入离子数量不同，工作中有差别，又分为耗尽型NMOS管和增强型NMOS管，其符号分别如图1.14（b）、（c）所示。若图中符号的箭头方向相反，则分别表示P沟道耗尽型PMOS管和增强型PMOS管。图1.14N沟道绝缘栅型场效应管

1.4.2场效应管的原理和特性1．工作原理当UGS=0时，D,S两极间为由半导体N-P-N组成的两个反向串联的PN结，因此，可认为漏极电流ID=0。当UGS＞0时，P型衬底中的电子受到吸引而到达表层形成N型薄层，即N型导电沟道。导电沟道形成后，若在D，S两极间加上正向电压就会有漏极电流ID。这种MOS管在UGS=0时没有导电沟道，只有在UGS增大到开启电压UGS(th)时才能形成导电沟道，因而称为增强型NMOS管。在UGS＞UGS(th)时，随栅源电压UGS的变化，ID亦随之变化，这就是增强型MOS管的栅极控制作用。

2．特性曲线（1）转移特性曲线。转移特性是指在UDS一定时，输入电压UGS对输出电流ID的控制特性。虽然UDS不同时会对转移特性有影响，但在场效应管的工作区内，ID几乎与UDS无关；对应不同UDS值的转移特性曲线几乎重合，所以通常只用一条曲线来表示，如图1.15所示。由转移特性曲线可以更清楚地看出栅源电压对漏极电流的控制作用，所以说场效应管是电压控制器件。（2）输出特性曲线。输出特性曲线是指在UGS一定时，漏极电流ID与漏-源电压UDS之间的关系曲线。如图1.16所示，输出特性曲线也是一组曲线。观察ID随UGS的变化情况，可以分成可变电阻区、恒流区和夹断区。场效应管应用于放大电路时就工作在恒流区。在这个区域，ID几乎与UDS无关，而由电压UGS控制。用一个小电压去控制一个大电流，是场效应管的最大特点。

图1.15增强型NMOS管的转移特性曲线图1.16增强型NMOS管的输出特性曲线

1.4.3场效应管的主要参数

1．夹断电压UGS(off)当UDS为常数时，使ID等于一个微弱电流（如50A）时，栅源之间所加电压，称为夹断电压UGS(off)。2．开启电压UGS(th)当UDS为常数时，有沟道将漏、源极连接起来的最小UGS值，称为开启电压UGS(th)。3．饱和漏电流IDSS当UGS=0，且UDS＞时的漏极电流，称为饱和漏电流IDSS。4．直流输入电阻RGS

栅-源电压UGS与对应的栅极电流IG之比，称为直流输入电阻RGS。5．低频跨导gm当UDS为常数时，漏极电流ID与栅-源电压UGS变化量的比值称为低频跨导，表示为1.4.4场效应管的使用注意事项（1）由于MOS管的输入电阻很高，栅极的感应电荷不宜释放，可形成很高电压，将绝缘层击穿而损坏，因此，使用时栅极不能开路，保存时各极需短路。（2）结型场效应管漏极与源极可互换使用。对MOS管，若管子内部已将衬底与源极短路，则不能互换，否则可互换。（3）低频跨导与工作电流有关，ID越大，gm也越大。1.4.5场效应管与晶体管的性能比较

场效应管与一般晶体管的比较，见表1.2。可见，场效应管的突出优点是输入电阻极高，主要不足之处是跨导低，单级放大倍数不如晶体管。

器件名称项目双极型管场效应管载流子有两种不同极性的载流子（电子与空穴）同时能参与导电，故称为双极型管只有一种极性的载流子（电子或空穴）参与导电，故又称为单极型管控制方式电流控制电压控制类型NPN型和PNP型两种N沟道和P沟道两种放大参数=20～200gm=（1～5）mA/V输入电阻102～104107～1014输出电阻rce很高rds很高热稳定性差好制造工艺较复杂简单，成本低对应极基极-栅极，发射极-源极，集电极-漏极表1.2场效应管与一般晶体管的比较

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集成运算放大器是用集成电路工艺制成的高增益放大器，简称运放。它的应用已超出早期的数学运算范畴，能够实现各种不同功能的线性和非线性应用。运放的内部电路相当复杂，但作为使用者，只需要关注它的外部特性。目前运放已经像晶体管一样成为一种通用性极强的基本单元器件。

1.5集成运算放大器1.5.1集成运算放大器的外形和符号集成运算放大器是一个多端元件，主要采用圆壳式和双列直插式两种封装外形。如图1.17所示是CF741集成运算放大器，它通过7个管脚与外电路相接。各管脚的作用如下：2为反相输入端，由此端接输入信号，则输出信号与输入信号是反相的。3为同相输入端，由此端接输入信号，则输出信号与输入信号是同相的。4为负电源端，接-10V稳压电源。7为正电源端，接+10V稳压电源。6为输出端。1和5为外接调零电位器（通常为10k）的两个端子。8为空脚。图1.17运算放大器的外形（a）金属圆壳封装；（b）塑料双列直插式封装不同类型运放的管脚排列规律是不同的，可查阅产品手册来确定。画电路图时集成运放的电路符号如图1.18所示。图（a）是国家新标准规定的符号；图（b）是旧符号。通常只画出输入和输出端，其余各端可不画出。图1.18集成运放的电路符号

（a）新符号；（b）旧符号

1.5.2理想运算放大器

运算放大器的特点包括：输入电阻非常高（10k～1000M），输出电阻很小（50～500），电压放大倍数很大（104～106），零点漂移很小，能放大交流信号，也能放大直流信号等。根据运放的这些特点，可将实际运放理想化：电压增益Au

→∞；

输入电阻Ri

→∞；

输出电阻Ro→0。

此外，可认为其通频带为无限宽，没有失调现象，即当输入电压为零时，输出电压也为零。理想运放的符号如图1.19所示，表示信号传输方向，∞表示理想条件。

图1.19理想运放符号

1.5.3集成运算放大器的特点集成运算放大器的工作区分为线性区和非线性区（饱和区）。它可工作在线性区也可工作在非线性区，但分析方法不同。1．集成运放工作在线性区的特点集成运放线性应用的必要条件是：集成运放必须引入深度负反馈。（1）虚短。在线性区，输出电压与输入电压成简单的线性关系，即uo=Ao(u+-u-)

因为理想运放的Ao→∞，而uo为有限值（绝对值小于电源电压值），所以

即u+=u－（1-4）于是反相端与同相端之间可视为短路。但事实上Ao不可能无限大，两输入端又不可能短接，所以不是真正短路，而是“虚假短路”，简称虚短。（2）虚断。由于理想运放的Ri

→∞，故认为反相输入端与同相输入端的输入电流均趋于零，即有