《模拟电子技术及应用》课件第1章

1.1.1半导体

1.本征半导体

自然界的各种物质，根据其导电能力的差别可分为导体、绝缘体和半导体三大类。通常将电阻率小于10－3Ω·cm的物质称为导体，如铜、铁、铝等金属材料都是良好的导体。将电阻率大于1013Ω·cm的物质称为绝缘体，如橡胶、塑料等。所谓半导体，是指导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。常用的半导体材料有硅(Si)和锗(Ge)等，其原子结构如图1-1所示，最外层都有四个电子。1.1半导体基础知识

图1-1用特殊工艺可将硅(Si)和锗(Ge)制成单晶体结构，单晶体结构的原子最外层电子排列如图1-2所示。在这种结构中，每个原子最外层的四个电子不仅要受到自身原子核的束缚，同时还会受到相邻原子核的吸引，于是两个相邻的原子共有一对价电子，这种结构称为共价键结构。如果这种物质中所有原子都如此排列，并且整个物质的纯净度在99.99999%以上，则称这种物质为本征半导体。

本征半导体在不受外界激发以及在绝对零度时(T＝0K)不导电，但当受到阳光照射或温度升高时，将有少量价电子获得足够的能量，从而克服共价键的束缚成为自由电子，并在原来共价键的位置留下一个空位，称为空穴。自由电子和空穴像一对孪生姐妹一样相伴而生，被称为半导体的两种载流子。因此，本征半导体会在两种载流子的作用下导电，这种产生电子-空穴对的过程称为本征激发，如图1-3所示。但这种导电是由于少数自由电子游离出来而产生的，因此导电能力比较弱。本征半导体虽然有载流子存在，但仍然呈电中性。

图1-2图1-3

2.杂质半导体

在本征半导体中，有选择地掺入少量其他元素，会使其导电性能发生显著变化。这些少量元素统称为杂质，掺入杂质的半导体称为杂质半导体。根据掺入杂质的不同，可将杂质半导体分为N型半导体和P型半导体两种。

1)N型半导体

N型半导体指在本征硅(或锗)中掺入少量的五价元素，如磷、砷、锑等。由于五价元素的原子最外层有五个价电子，在其替代晶格中的某些硅原子时，它的四个价电子和周围四个硅原子组成共价键，而多出的一个价电子只能位于共价键之外，如图1-4所示，因此该电子受原子核的束缚力很小，很容易成为自由电子而参与导电。另外，还有本征激发产生的少数电子-空穴对，当掺入五价元素时，自由电子的数量远大于空穴的数量，即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)。这种半导体称为N型半导体或电子型半导体。

图1-4

2)P型半导体

P型半导体指在本征硅(或锗)中掺入少量的三价元素，如硼、铝、铟等。由于三价元素的原子最外层有三个价电子，在其替代晶格中的某些硅原子时，它的三个价电子和周围四个硅原子组成共价键，因缺少一个价电子而形成空穴，如图1-5所示，因此，该空穴吸引其他原子核外的电子定向运动而参与导电。在这种半导体中既有本征激发产生的电子-空穴对，又有掺杂形成的空穴，所以当掺入三价元素时，空穴的数量远大于自由电子的数量，即空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。这种半导体称为P型半导体或空穴型半导体。

图1-5在以上两种杂质半导体中，尽管掺入的杂质浓度很小，但通常由杂质原子提供的载流子数却远大于本征载流子数，因此杂质半导体的导电能力比本征半导体要大得多。1.1.2PN结

1.PN结的形成

将P型半导体和N型半导体有机地结合在一起时，因为P区一侧空穴多，N区一侧电子多，所以在它们的界面处存在空穴和电子的浓度差。于是N区中的电子会向P区扩散，并在P区被空穴复合。而P区中的空穴也会向N区扩散，并在N区被电子复合。结果在交界面的两侧就形成了由等量正、负离子组成的空间电荷区，建立了内电场，电场方向由N区指向P区。在电场力的作用下，P区的电子向N区漂移，N区的空穴向P区漂移，因此，内电场有阻碍多子扩散、利于少子漂移的作用。最后，因浓度差而产生的扩散力被电场力所抵消，使扩散和漂移运动达到动态平衡。这时，虽然扩散和漂移仍在不断进行，但通过界面的空穴和电子数相等，扩散与漂移平衡，空间电荷区的宽度稳定，即形成耗尽层，将其称为PN结。此时，PN结的内电势UB保持不变，对硅材料来说约为0.7V，对锗材料来说约为0.3V。PN结的形成过程如图1-6所示，其中图1-6(a)为载流子的扩散过程，图1-6(b)为PN结稳定过程。

图1-6

2.PN结的单向导电性

1)PN结加正向电压

使P区电位高于N区电位的接法，称为PN结加正向电压或正向偏置(简称正偏)，如图1-7所示。由于正向电压和PN结的内电势方向相反，这样有利于多子扩散、抑制少子漂移的作用，因此，加正向电压时，正向电流较大，PN结处于导通状态。

图1-7

PN结正向导通电流iD与正向电压u成指数关系，即

(1-1-1)

式中，IS为PN结反向饱和电流，UT为PN结正向导通电压降(也称门限电压)。

2)PN结加反向电压

使P区电位低于N区电位的接法，称为PN结加反向电压或反向偏置(简称反偏)，如图1-8所示。同样，由于反向电压和内电势的方向相同，有抑制多子扩散、利于少子漂移的作用，因此，当加反向电压时，反向电流IS很小，认为PN结处于截止状态。

由以上分析可以说明，PN结具有单向导电性。

图1-8

1.2.1晶体二极管的结构

晶体二极管是由PN结加上电极引线和管壳构成的，其外形结构多种多样，常见的几种结构如图1-9所示。1.2晶体二极管

图1-9二极管的内部结构有点接触型、面接触型和平面型三种，其示意图和电路符号如图110所示，其中图(a)为点接触型，图(b)为面接触型，图(c)为平面型，图(d)为图形符号。符号中接到P型区的引线称为正极(或阳极)，接到N型区的引线称为负极(或阴极)。

利用PN结的特性，可以制作多种不同功能的晶体二极管，例如普通二极管、稳压二极管、变容二极管、光电二极管等。其中，具有单向导电特性的普通二极管应用最广。

图1-101.2.2晶体二极管的特性曲线

普通二极管的典型伏安特性曲线如图1-11所示。由图1-11可以看出，实际二极管的伏安特性有如下特点。

1.正向特性

正向电压只有超过某一数值时，才有明显的正向电流，这一电压称为导通电压或死区电压，用UT表示。在室温下，硅管的UT＝(0.5~0.7)V，锗管的UT＝(0.1~0.3)V。当正向电压增大到一定程度时，正向电流急剧增大，且电流i与电压u几乎成线性关系。

图1-11

2.反向特性

由于表面漏电流的影响，因此二极管的反向电流要比理想PN结的反向电流大得多。当反向电压加大时，反向电流也略有增大，但当反向电压增大到一定程度时，反向电流不再增大，故称为反向饱和电流，即ID＝－IS。尽管如此，对于小功率二极管，其反向电流仍很小，硅管一般小于

0.1μA，锗管小于几十微安。当反向电压增大到一定值时，反向电流急剧增加，这种现象称为二极管的反向击穿。反向击穿有可能会造成PN结损坏(烧毁)，但只要反向击穿电流不超过一定值，PN结就不会损坏，稳压二极管就是利用这一特性制作的。1.2.3晶体二极管的主要参数

器件参数是定量描述器件性能质量和安全工作范围的重要数据，是合理选择和正确使用器件的依据。器件参数一般可以从产品手册中查到，也可以通过直接测量得到。下面介绍晶体二极管的主要参数及其意义。

1.最大整流电流IF

IF指二极管允许通过的最大正向平均电流。实际应用时，流过二极管的平均电流不能超过此值，否则发热量过大会造成二极管损坏。

2.最高反向工作电压URM

URM指二极管工作时所允许施加的最高反向电压，超过此值二极管将会被反向击穿。通常取击穿电压的1/3~1/2作为URM。

除了上述两个主要参数外，还有一些参数，如直流电阻rD、交流电阻rd、反向饱和电流IS、最高工作频率fM等，使用时可以查阅手册。需要指出，由于器件参数分散性较大，手册中给出的一般为典型值，因此在必要时应通过实际测量得到准确值。另外，应注意参数的测试条件，当条件不同时，应考虑其影响。1.2.4其他类型二极管

1.稳压二极管

稳压二极管是利用PN结反向击穿后具有稳压特性而制作的二极管，它除了用来构成限幅电路之外，主要用于稳压电路。

稳压二极管的伏安特性曲线和图形符号及典型应用电路如图1-12所示。由图1-12(a)可见，它的正、反向特性与普通二极管基本相同。区别仅在于击穿后的特性曲线更加陡峭，即电流在很大范围内变化时(IZmin<I<IZmax)，其两端电压几乎不变。

图1-12稳压二极管击穿后，电流急剧增大，使得管耗相应增大。因此，必须对击穿后的电流加以限制，以保证稳压二极管的安全。

稳压二极管的主要参数有稳定电压UZ、额定功耗PZ、稳压电流IZ、动态电阻rZ、温度系数α等。

2.变容二极管

PN结加反向电压时，结上呈现势垒电容，该电容随反向电压的增大而减小。利用这一特性制作的二极管称为变容二极管，其图形符号如图1-13所示。变容二极管的主要参数有变容指数、结电容的压控范围及允许的最大反向电压等。图1-13

3.光电二极管

光电二极管是远红外线接收管，是一种利用PN结

的光敏感特性，将光能转换为电能的半导体器件，其在结构上与普通二极管相似，只是管壳上留有一个能入射光线的窗口。如图114所示为光电二极管的图形符号，其中受光照区的电极为前级，不受光照区的电极为后级。

图1-14

4.发光二极管

发光二极管是一种将电能转换为光能的半导体器件，包括可见光、不可见光、激光等类型，常见的可见光发光二极管有红、绿、黄、橙等颜色，其外形有长方形、圆形等。发光二极管的图形符号如图1-15所示。发光二极管同样具有单向导电性，当发光二极管正偏时，注入到N区和P区的载流子被复合，此时会发出可见光或不可见光。红色发光二极管的导通电压在1.6~1.8V之间，绿色发光二极管的导通电压约为2V。正向电流愈大，发光愈强。使用发光二极管时应特别注意不要超过最大功耗、最大正向电流和反向击穿电压等极限参数。

图1-15

1.3.1晶体三极管的结构与放大原理

1.晶体三极管的结构、分类和符号

双极型晶体管是由三层杂质半导体构成的器件，它有三个电极，所以又称为半导体三极管或晶体三极管等，在本书中将其简称为三极管。三极管可由硅或锗制成，无论采用什么材料，三极管都有NPN和PNP两种结构类型(极性)。下面以NPN型为例来讨论。1.3晶体三极管

三极管的外形结构见本章阅读材料1，NPN型三极管的原理结构如图1-16(a)所示。由图1-16(a)可见，组成三极管的三层杂质半导体是N型－P型－N型结构，因此称为NPN管。三极管有三个电极(基极、集电极、发射极)，三个区(基区、集电区、发射区)以及两个结(发射结、集电结)。

图1-16三极管的内部结构特点是：基区最薄，掺杂最少；集电结面积最大；发射区掺杂浓度最高，发射结面积较小。正是由于三极管内部结构的这些特点才决定了三极管具有特殊的电性能，并且值得注意的是：集电区和发射区虽然是相同类型的杂质半导体，但由于结面积和掺杂浓度不同，因此两者不能互换。

NPN和PNP型三极管的电路符号如图1-16(b)所示，平面管结构剖面示意图如图1-16(c)所示。

2.三极管的电流放大作用

三极管的电流放大作用是指基极电流IB对集电极电流IC的控制作用。测量三极管电流放大作用的电路如图1-17所示。对NPN型三极管按图1-17(a)连接电路，对PNP型三极管按图1-17(b)连接电路。

在一定范围内，给发射结加正向电压，即UBE＞0，给集电结加反向电压，即UCB＞0，这样，UCE＝UCB＋UBE，调整RP可改变IB，IC和IE将随IB变化。如表1-1所示是某三极管电路RP变化时所对应的一组IB、IC和IE值。

图1-17

表1-1三极管电路RP变化时所对应的IB、IC和IE值分析表1-1中的数据，可得出如下结论。

(1)发射极电流IE等于基极电流IB与集电极电流IC之和，即

IE＝IB＋IC

(1-3-1)(2)IB增大，IC随之增大，并且IC是IB的若干倍，IC与IB的比值基本不变。如IB＝0.01mA时，IC＝0.50mA，IC／IB＝50；IB＝0.02mA时，IC＝1.00mA，IC／IB＝50；IB＝0.03mA时，IC＝1.55mA，IC／IB≈50；等等。我们把IC与IB的比值定义为直流电流放大系数，用 表示，即

(1-3-2)(3)IC的变化量ΔIC是IB变化量ΔIB的若干倍，并且ΔIC与ΔIB的比值基本不变。如IB由0.02mA增大到0.03mA时，ΔIB＝0.01mA，对应的IC变化量ΔIC＝0.55mA，ΔIC／ΔIB＝55；IB由0.03mA增大到0.04mA时，ΔIB＝0.01mA，对应的IC变化量ΔIC＝0.55mA，ΔIC／ΔIB＝55；等等。我们把ΔIC与ΔIB的比值定义为交流电流放大系数，用β表示，即

(1-3-3)

由以上分析可知，β≈。实际分析三极管放大电路时，一般认为β＝ 。

三极管的电流放大作用是由其内部结构特点和外加电压条件决定的。这就是说，要使三极管具有电流放大作用，除了正确区分三极管的各电极外，还必须给发射结加正向电压，给集电结加反向电压。

3.三极管具有电流放大作用的原理

三极管具有电流放大作用的原理可用内部载流子的运动加以解释。当三极管处于发射结正偏、集电结反偏的放大状态时，管内载流子的运动情况可用图1-18说明。我们按传输顺序分以下几个过程进行描述。

图1-18

1)发射区向基区注入电子

由于E结正偏，因而E结两侧多子的扩散占优势，这时发射区电子源源不断地越过E结注入到基区，形成电子注入电流IEN。与此同时，基区空穴也向发射区注入，形成空穴注入电流IEP。由于发射区相对基区是重掺杂区，基区空穴浓度远低于发射区的电子浓度，满足IEPIEN，因此，发射极电流IE＝IEP＋IEN≈IEN，其方向与电子注入方向相反。

2)电子在基区进行扩散与复合

注入基区的电子，称为基区中的非平衡少子，它在靠近E结处浓度最大，而在靠近C结处浓度最小(C结反偏，电子浓度近似为零)，因此，在基区中形成了非平衡电子的浓度差。在该浓度差的作用下，注入基区的电子将继续向C结扩散。在扩散过程中，非平衡电子会与基区中的空穴相遇，使部分电子因复合而失去。但由于基区很薄且空穴浓度又低，因此，被复合的电子数极少，而绝大部分电子都会扩散到C结边沿。基区中与电子复合的空穴由基极电源提供，形成基区复合电流IBN，它是基极电流IB的主要部分。

3)扩散到集电结的电子被集电区收集

由于集电结反偏，在结内形成了较强的电场，因而使扩散到C结边沿的电子在该电场作用下漂移到集电区，形成了集电区的收集电流ICN。该电流是构成集电极电流IC的主要部分。另外，集电区和基区的少子在C结反向电压的作用下，向对方漂移形成C结反向饱和电流ICBO，并流过集电极和基极支路，构成IC和IB的另一部分电流。

由以上分析可知，晶体管三个电极上的电流与内部载流子传输形成的电流之间有如下关系：

(1-3-4)

式(1-3-4)表明，在E结正偏、C结反偏的条件下，三极管三个电极上的电流不是孤立的，它们能够反映非平衡少子在基区扩散与复合的比例关系。这一比例关系主要由基区宽度和掺杂浓度等因素决定，三极管做好后就基本确定了。反之，一旦知道了这个比例关系，就不难得到三极管三个电极电流之间的关系，从而为定量分析三极管电路提供了方便。

由上述分析可知，共发射极直流电流放大系数的真正含意为

(1-3-5)

由式(1-3-5)可知：基区每复合一个电子，则有 个电子扩散到集电区去。值一般在20~200之间。在式(1-3-4)和式(1-3-5)中，ICBO称为穿透电流，确定了值之后，若忽略ICBO，则有

(1-3-6)式(1-3-6)是今后电路分析中常用的重要关系式。

为了反映扩散到集电区的电流ICN与射极注入电流IEN的比例关系，定义共基极直流电流放大系数为

(1-3-7)

显然，<1，一般约为0.97~0.99。

(1-3-8)式(1-3-5)和式(1-3-7)中的和都是反映三极管基区扩散与复合的比例关系，只是选取的参考量不同，因此，两者之间必有内在联系。由和的定义可得

(1-3-9)1.3.2晶体三极管的特性曲线

三极管伏安特性曲线是描述三极管各极电流与极间电压关系的曲线，它对于了解三极管的导电特性非常有用。三极管有三个电极，通常用其中两个分别作输入端和输出端，第三个作公共端，这样可以构成输入和输出两个回路。实际中有如图1-19所示的三种基本接法(组态)，分别称为共发射极、共集电极和共基极接法。

图1-19在这三种接法中，共发射极接法更具代表性，因此，我们主要讨论共发射极接法的伏安特性曲线。

在图1-19(a)中有两个回路，所以，三极管特性曲线包括输入和输出两组特性曲线。这两组曲线可以在三极管特性图示仪的屏幕上直接显示出来，也可以根据图1-20所示的电路用描点法逐点测出。

1.共发射极输入特性曲线

测量电路如图1-20所示。共发射极输入特性曲线是以uCE为参变量时，iB与uBE间的关系曲线，即

典型的共发射极输入特性曲线如图1-21所示，与二极管的正向特性曲线相似。

由图1-21可知，不同的uCE有不同的输入特性曲线，但uCE≥1V时，曲线基本保持不变。图中还说明，三极管发射结也有一个导通电压，对于硅管约为0.5~0.7V，锗管约为0.1~0.3V。

图1-20图1-21

2.共发射极输出特性曲线

测量电路如图1-20所示。共发射极输出特性曲线是以iB为参变量时，iC与uCE间的关系曲线，即

典型的共发射极输出特性曲线如图1-22所示。由图1-22可见，输出特性曲线可以划分为三个区域，对应于三种工作状态。

图1-22

1)放大区

E结为正偏，C结为反偏的工作区域为放大区。由图1-22可以看出，在放大区有以下两个特点。

(1)基极电流iB对集电极电流iC有很强的控制作用，即iB有很小的变化量ΔIB时，iC就会有很大的变化量ΔIC。为此，可用共发射极交流电流放大系数β来表示这种控制能力，ΔIC反映在特性曲线上为两条不同iB曲线的间隔。

(2)uCE的变化对iC的影响很小。在特性曲线上表现为iB一定而uCE增大时，曲线略有上翘(iC略有增大)。这是因为uCE增大，C结反向电压增大，使C结展宽，有效基区宽度变窄，这样基区中电子与空穴复合的机会就会减少，即iB将会减小。而要保持iB不变，则iC将略有增大，这种现象称为基区宽度调制效应(简称基调效应)。从另一方面看，由于基调效应很微弱，uCE在很大范围内变化时iC基本不变，因此，当iB一定时，集电极电流具有恒流特性。

2)饱和区

E结和C结均处于正偏的区域为饱和区。通常把uCE＝uBE(即C结零偏)的情况称为临界饱和，对应点的轨迹为临界饱和线。

3)截止区

E结和C结均处于反偏的区域为截止区。在特性曲线上，通常把iB＝0以下的区域称为截止区。

在模拟电子线路中，三极管主要使用在放大区；而在数字电子线路中，三极管主要使用在截止区和饱和区。1.3.3晶体三极管的主要参数

1.电流放大系数

1)共发射极直流电流放大系数

指静态时，集电极电流IC与基极电流IB之比，即

(1-3-10)2)共发射极交流电流放大系数β

β指当uCE为常数时，集电极电流变化量ΔIC与基极电流变化量ΔIB之比，即

(1-3-11)

由于ICBO和ICEO都很小，电流放大系数在数值上直流和交流的情况基本相等，因此在以后的计算中，不再加以区分，一律用β来表示。

3)共基极电流放大系数α

a指当uCB为常数时，集电极电流变化量ΔIC与发射极电流变化量ΔIE之比，即

(1-3-12)

应当指出：β值与测量条件有关。因此，在查手册时应注意β值的测试条件，尤其是大功率管更应强调这一点。

2.极间反向电流

1)ICBO

ICBO指发射极开路时，集电极－基极间的反向电流，称为集电极反向饱和电流。

2)ICEO

ICEO指基极开路时，集电极－发射极间的反向电流，称为集电极穿透电流。

3)IEBO

IEBO指集电极开路时，发射极－基极间的反向电流。

3.极限参数

1)击穿电压

U(BR)CBO指发射极开路时，集电极－基极间的反向击穿电压。

U(BR)CEO指基极开路时，集电极－发射极间的反向击穿电压，U(BR)CEO<U(BR)CBO。

U(BR)EBO指集电极开路时，发射极－基极间的反向击穿电压。普通三极管该电压值比较小，只有几伏。

2)集电极最大允许电流ICM

β与iC的大小有关，随着iC的增大，β值会减小。ICM一般指β下降到正常值的2／3时所对应的集电极电流。当iC＞ICM时，虽然管子不致于损坏，但β值已经明显减小。因此，三极管线性运用时，iC不应超过ICM。

3)集电极最大允许耗散功率PCM

三极管工作在放大状态时，C结承受着较高的反向电压，同时流过较大的电流。因此，在C结上要消耗一定的功率，从而导致C结发热，结温升高。当结温过高时，管子的性能下降，甚至可能烧坏管子，因此需要规定一个功耗限额。

PCM与管芯的材料、大小、散热条件及环境温度等因素有关。一个管子的PCM如已确定，则由PCM＝IC·UCE可知，PCM在输出特性上是一条IC与UCE乘积为定值PCM的双曲线，称为PCM功耗线，如图1-23所示。

图1-23

三极管是一种电流控制电流的半导体元件，在三极管中有两个PN结，参与导电的载流子有两种，所以，它属于双极性半导体元件。在放大电路中还经常用到另外一种半导体元件——场效应管，它是一种电压控制电流的半导体元件。场效应管中参与导电的载流子只有一种(自由电子或空穴)，所以，场效应管属于单极性半导体元件。1.4场效应管

场效应管从结构上分为结型(JFET)和绝缘栅型(MOS)两大类。结型又分为N沟道和P沟道两种；绝缘栅型又分为N沟道增强型、P沟道增强型、N沟道耗尽型和P沟道耗尽型四种。1.4.1结型场效应管

图1-24(a)给出了N沟道结型场效应管的结构示意图，P沟道结型场效应管与之相类似，图1-24(b)给出了两种沟道结型场效应管的图形符号。场效应管的三个电极分别称为栅极G、漏极D和源极S。下面以N沟道结型场效应管为例介绍其工作原理。

图1-24

1.uGS对导电沟道的影响

如图1-25(a)所示，当uDS＝0(即D、S短路)时，若uGS＝0，则耗尽层很窄，漏极和源极之间的导电沟道最宽，导电能力最强。若给栅、源之间接负电源uGS，则随着uGS的减小(|uGS|增大)，耗尽层加宽，导电沟道变窄，漏极和源极之间的导电能力减弱，如图1-25(b)所示。当uGS减小到某一值时，耗尽层闭合，导电沟道消失，漏极和源极之间的导电能力消失，如图1-25(c)所示，此种状态称为“夹断”，此时的栅、源电压uGS称为夹断电压，用UP表示。

图1-25

2.iD与uDS和uGS之间的关系

设栅、源电压|uGS|＜|UP|，且为一固定值(设uGS＝－1V，而UP＝－4V)，在漏极和源极之间接正电源uDS。当uDS＝0时，漏、源之间的电流iD＝0；当uDS＞0时，靠近漏极一端的电位高于源极一端，导电沟道变成楔形沟道。同理，因为漏、栅电压uGD＝uGS－uDS，而uGS又小于零，所以，随着uDS的增大，uGD减小，楔形导电沟道靠近漏极一侧变窄，如图1-26(a)所示。此时，只要uGD不等于UP，导电沟道就未被夹断，iD将随着uDS的增大而增大，漏极和源极之间呈现电阻特性。

图1-26当uGD＝uGS－uDS＝UP时，楔形导电沟道靠近漏极一侧开始出现夹断区，称为预夹断，如图1-26(b)所示。继续增大uDS，耗尽层沿沟道方向延伸，夹断区加长，沟道电阻的增长速率与uDS的增长速率基本相同，故这一区域的电流iD基本不随uDS的增大而增大，iD主要取决于栅、源电压uGS。随着uGS的减小，iD减小，即uGS对iD有控制作用。直到uGS＝UP时，导电沟道才完全被夹断，漏极电流iD＝0，如图1-26(c)所示。

由于结型场效应管栅、源之间的PN结总是处于反向偏置，故iG≈0，所以，场效应管的输入电阻rGS很大。

3.结型场效应管的特性曲线

若以栅、源电压uGS为参变量，则漏极电流iD与漏、源电压uDS的关系曲线称为输出特性曲线。图1-27为N沟道结型场效应管的输出特性曲线。

图1-27根据工作情况，输出特性曲线可划分为四个区域。

1)可变电阻区

图1-27中左边的虚线为预夹断轨迹，虚线以左的部分为可变电阻区。其特点是：uGS固定不变时，iD随uDS的增大而近于直线上升，相当于线性电阻；对于不同的uGS，预夹断时的uDS不同，特性曲线的斜率不同，相当于电阻的阻值不同。uGS愈大，夹断时的uDS愈大，相应的电阻愈大。所以，此区域可以看做是一个受uGS控制的可变电阻区，即漏、源电阻rDS＝f(uGS)。

2)恒流区

图中预夹断轨迹右边的区域为恒流区。其特点是iD基本不随uDS变化，仅取决于uGS的大小，特性曲线近似为一组平行于横轴的平行线，故称为恒流区或饱和区。利用场效应管构成放大电路时，应使其工作在该区域。

3)夹断区(亦称截止区)

夹断区即图中靠近横轴的部分。其特点是|uGS|≥|UP|，场效应管的导电沟道完全处于夹断状态，iD≈0。一般将iD等于一个很小电流量时的uGS定义为夹断电压UP。

4)击穿区

击穿区即特性曲线右边虚线以右的部分。在该区域，由于uDS升高到一定程度时，反向偏置的PN结被雪崩击穿，因此iD突然增大。uGS愈小，击穿所需的uDS愈小，故对应于uGS愈小的特性曲线击穿愈早。一般地，击穿电压用U(BR)DS表示。当uGS＝0时，其击穿电压用U(BR)DSS表示。

由于场效应管的栅极电流几乎为零，讨论其栅极电流与栅、源电压的关系没有任何意义，因此，这里讨论其漏极电流iD与栅、源uGS的关系曲线，该曲线称为转移特性曲线。

图1-28

N沟道结型场效应管的转移特性曲线如图1-28所示，该曲线的函数关系为

(1-4-1)

式(1-4-1)描述了漏、源电压uGD不变时，栅、源电压uGS对漏极电流iD的控制作用。由图1-28可见，当uGS＝0时，iD最大，iD＝IDSS，称为漏极饱和电流。随着|uGS|的增大，iD减小，当uGS＝UP时，导电沟道被夹断，iD＝0。结型场效应管的栅、源电压uGS在0～UP变化时，iD与uGS的关系可以用下面的近似公式估算：

(1-4-2)

当场效应管分别工作在可变电阻区和恒流区时，转移特性曲线有很大的差异，如图1-29所示为不同工作状态下转移特性曲线与输出特性曲线的关系，该图也是根据输出特性曲线作转移特性曲线的方法。

应当指出：为保证结型场效应管栅、源间的PN结反向偏置，对于N沟道管uGS≤0；对于P沟道管uGS≥0。

图1-291.4.2绝缘栅场效应管

绝缘栅场效应管因栅极与源极、漏极之间采用SiO2绝缘层隔离而得名，由于栅极为金属铝，故又称为MOS(金属－氧化物－绝缘层)管。它的栅极与源极之间的电阻比结型场效应管大得多，可达1010Ω以上，又由于它比结型场效应管温度稳定性好，集成化时工艺简单，因而广泛用于大规模和超大规模集成电路中。

与结型场效应管相同，MOS管也有N沟道和P沟道两类，每一类又分为增强型和耗尽型两种。因此，MOS管的四种管型分别为：N沟道增强型、N沟道耗尽型、P沟道增强型和P沟道耗尽型。凡栅、源电压uGS为零时，漏极电流iD也为零的管子，均属于增强型；凡栅、源电压uGS为零时，漏极电流iD不为零的管子，均属于耗尽型。下面主要以N沟道管为例讨论它们的工作原理。

1.N沟道增强型MOS管

N沟道增强型MOS管的结构示意图如图1-30(a)所示。它以一块掺杂很低的P型硅作为衬底，利用扩散工艺制作上部两个高掺杂的N＋区，并引出两个电极，分别为源极S和漏极D，在半导体上制作一层SiO2绝缘层，再在SiO2上覆盖一层金属铝，引出电极作为栅极G。通常将衬底和源极接在一起使用，这样，栅极和衬底各相当于一个极板，中间是绝缘层，从而形成了电容。当栅、源电压uGS变化时，将改变衬底靠近绝缘层处感应电荷的多少，进而控制漏极电流iD的大小。可见，MOS管与结型场效应管的导电机理和电流的控制原理均不相同。

如图1-30(b)所示为N沟道和P沟道两种增强型MOS管的图形符号。

图1-30

1)工作原理

当栅、源电压uGS＝0时，漏、源之间是两只背向的PN结，不能形成导电沟道，因此，即使漏、源之间加电压uDS，漏极电流iD仍然为零。

当uDS＝0，且uGS＞0时，由于SiO2绝缘层的存在，因此栅极电流为零。但是，栅极金属层将聚集正电荷，它们排斥P型衬底中靠近绝缘层附近的空穴，使之成为负离子区，形成耗尽层，如图1-31(a)所示。当uGS增大时，一方面耗尽层增宽，另一方面将衬底的自由电子吸引到耗尽层与绝缘层之间，形成一个N型薄层，称为反型层，如图1-31(b)所示。这个反型层就构成了漏、源之间的导电沟道。导电沟道刚刚形成的栅、源电压称为开启电压，用UT表示。uGS愈大，反型层愈厚，导电沟道的电阻愈小，所以，这种场效应管称为增强型场效应管。

图1-31当uGS大于UT且为一个确定值时，若在D、S之间加正向电压uDS，则将产生漏极电流iD。此时，uDS的变化对导电沟道的影响与结型场效应管相似，即当uDS较小时，若uDS增大，则iD将随uDS线性增大，沟道沿源、漏方向逐渐变窄，如图1-32(a)所示。当uDS增大到使uGS＝UT时，沟道在漏极一侧出现夹断点，称为预夹断，如图1-32(b)所示。如果uDS继续增大，夹断区延长，如图1-32(c)所示，此时，uDS的增大部分几乎全部用于克服夹断区对漏极电流的阻力。但从外部看，iD几乎不因uDS的增大而增大，管子进入恒流区，iD的大小取决于uGS。

图1-32

2)特性曲线与电流方程

图1-33(a)和图1-33(b)分别给出了N沟道增强型MOS管转移特性曲线和输出特性曲线，图中的IDO为uGS＝2UT时的iD。与结型场效应管一样，MOS管也有四个区：可变电阻区、恒流区、夹断区和击穿区。一般定义iD为一个很小值(如10μA)时的uGS为UT。

与结型场效应管相类似，MOS管iD与uGS的近似关系式为

(1-4-3)

图1-33

2.N沟道耗尽型MOS管

如果在制造MOS管时，在SiO2绝缘层中掺入大量正离子，那么，即使uGS＝0，在正离子作用下，P型衬底表层也存在反型层，即漏极与源极之间存在导电沟道，如图1-34(a)所示。若uDS不为零，当uGS为正时，反型层变宽，沟道电阻减小，iD增大；反之uGS为负时，反型层变窄，沟道电阻增大，iD减小。而当uGS从零减小到一定值时，反型层消失，漏、源之间的导电沟道消失，iD＝0，此时的uGS称为夹断电压，用UP表示。与N沟道结型场效应管相同，N沟道耗尽型MOS管的夹断电压也为负值。但是，N沟道结型场效应管只能工作在uGS＜0的情况下，N沟道耗尽型MOS管的uGS可以在正、负值的一定范围内实现对iD的控制，并且栅、源之间有非常大的电阻。

N沟道和P沟道耗尽型MOS管的图形符号如图1-34(b)所示。N沟道耗尽型MOS管的转移特性曲线和输出特性曲线如图1-35所示。

图1-34

图1-35

3.P沟道MOS管

与N沟道MOS管相对应，P沟道增强型MOS管的开启电压UT＜0，当uGS＜UT时管子才导通，漏、源之间应加负电压；P沟道耗尽型MOS管的夹断电压UP＞0，当uGS＜UP时管子才导通，即uGS可正可负，漏、源之间也应加负电压。

4.VMOS管

当MOS管工作在恒流区时，管子的耗散功率主要消耗在漏极一端的夹断区内，并且由于漏极所连接的区域(称为漏区)不大，无法散发很多的热量，因此，MOS管不能承受较大功率。VMOS管从结构上较好地解决了散热问题，可制成大功率管，如图1-36所示为N沟道VMOS管的结构示意图。

图1-36

VMOS以高掺杂N＋区作为衬底，上面外延低掺杂N区，共同作为漏区，引出漏极。在外延层N区上又形成一层P区，并在P区之上制成高掺杂的N＋区。从上面俯视VMOS管P区与N＋区，可以看到它们均为环状区，从两边引出的电极可分别作为漏极和源极。中间是腐蚀而成的V型槽，其上生长一层绝缘层，并覆盖上一层金属铝，作为栅极，VMOS管因此而得名。

VMOS管的工作原理是：在栅、源电压uGS大于开启电压UT时，P区靠近V型槽氧化层表面所形成的反型层与下边的N区相接，形成垂直的导电沟道(见图1-36)。当漏、源间外加正向电压时，自由电子将沿沟道从源极流向N型外延层、N＋型衬底再到漏极，形成从漏极到源极的电流iD。VMOS管的漏区散热面积大，便于安装散热器，耗散功率最高可达千瓦以上；此外，其漏、源击穿电压高，上限工作频率高，而且当漏极电流大于某值(如500μA)后，iD基本与uGS成线性关系。1.4.3场效应管的主要参数

1.直流参数

1)开启电压UT

UT是在uGS为常量时，使iD大于零所需的最小|uGS|值。手册中给出的UT是在iD为规定的微小电流时的uGS。UT是增强型场效应管的参数。

2)夹断电压UP

UP是在uGS为常量且iD为规定的微小电流时的uGS。UP是结型和耗尽型场效应管的参数。

3)饱和漏极电流IDSS

对于耗尽型场效应管，将在uGS＝0的情况下产生预夹断时的漏极电流定义为IDSS。

4)直流输入电阻rGS

rGS等于栅、源电压与栅极电流之比。结型管的rGS大于107Ω，而MOS管的rGS大于109Ω。手册中一般只给出栅极电流的大小。

2.交流参数

1)低频跨导gm

gm数值的大小表示uGS对iD控制作用的强弱，其定义式为

(1-4-4)

式中，gm的单位是西门子(S)或毫西(mS)。gm是转移特性曲线上某点切线的斜率，可通过式(1-4-2)和式(1-4-3)求导得到。

2)极间电容

场效应管三个电极之间均存在极间电容，栅、源电容CGS和栅、漏电容CGD均约为1~3pF，漏、源电容约为0.1~1pF。

3.极限参数

1)最大漏极电流IDM

IDM是场效应管正常工作时漏极电流的最大值。

2)击穿电压U(BR)DS

漏极电流iD急骤增大时的uDS称为漏、源击穿电压U(BR)DS，超过此值时场效应管会被烧坏。对于结型场效应管，使栅极与沟道间PN结反向击穿的电压uGS称为栅、源击穿电压U(BR)GS；对于绝缘栅场效应管，使绝缘层击穿的电压uGS称为栅、源击穿电压U(BR)GS。

3)最大耗散功率PDM

PDM取决于场效应管的温度。PDM确定后，即可在输出特性曲线上画出管子的临界最大功耗线，再根据IDM和U(BR)DS便可得到管子的安全工作区。

对于MOS管，栅极与衬底之间的电容容量很小，只要有少量的感应电荷就可产生很高的电压。而由于rGS很大，感应电荷难以释放，以至于感应电荷产生的高压会使很薄的绝缘层被击穿，造成管子损坏，因此，无论是存放还是在工作电路中，都应为栅、源之间提供直流通道，避免栅极悬空，同时，在焊接时要将电烙铁良好接地。

为方便使用，将各类场效应管的符号和特性曲线列于表1-2中。

表1-2场效应管的符号和特性曲线续表

晶体管是应用最广泛的电子器件之一，分NPN和PNP两种类型，有大、中、小功率之分，也有高、低频率之分，还有硅管和锗管材料上的差别。阅读材料1晶体管的识别

1.外观的一般识别

从外形上看，金属圆形封装的管子，其金属管帽较长的几乎都是锗管，在锗管中，又几乎是以PNP管居多；其金属管帽较短的几乎都是硅管，且以NPN管居多(也有例外的，如3CG21、3CG5等为PNP型硅管)。并且这类管子的管脚排列几乎都是固定的，如图1-37所示。

图1-37中左“集”意为左边管脚是集电极C，右“发”意为右边管脚是发射极E。

注意：观察时，管脚要朝向自己，3个管脚要呈倒三角形。

图1-37

2.中、小功率三极管的检测方法

1)性能好坏的判定

对已知型号和端子排列的三极管，可按下述方法来判断其性能好坏。

(1)测量极间电阻。测试方法如图1-38所示。将模拟万用表置于R×100挡或R×1k挡，按照红、黑表笔的6种不同接法进行测试。其中，发射结和集电结的正向电阻值比较低，其他4种接法测得的电阻值都很高。质量良好的中、小功率三极管，正向电阻一般为几百欧至几千欧，其余的极间电阻值都很高，约为几百千欧至无穷大。但无论是低阻还是高阻，硅材料三极管的极间电阻都要比锗材料三极管的极间电阻大。

图1-38

(2)测量穿透电流ICEO。三极管的穿透电流ICEO的数值近似等于管子的放大倍数β和集电结的反向饱和电流ICBO的乘积。ICBO随着环境温度的升高而增长，且增长速度很快，ICBO的增加必然会造成ICEO的增大。而ICEO的增大将直接影响管子工作的稳定性，所以，在使用中应尽量选用ICEO小的管子。通过用万用表欧姆挡测量三极管E-C极之间的电阻的方法，可间接估算ICEO的大小，具体方法如下所述。

测试电路如图1-39所示，其中图(a)为测PNP型管的接法，图(b)为测NPN型管的接法。万用表电阻挡量程一般选用R×100挡或R×1k挡，要求测得的电阻值越大越好，E-C间的阻值越大，说明管子的ICEO越小；反之，所测阻值越小，说明被测管的ICEO越大。一般来说，中、小功率硅管、锗材料高频管及锗材料低频管，其阻值应分别为几百千欧、几十千欧及十几千欧以上。如果阻值很小或测试时万用表指针来回晃动，则表明ICEO很大，管子的性能不稳定。

图1-39在测量三极管ICEO的过程中，还可同时检查判断一下管子的稳定性。具体办法是：测量时，用手捏住管壳约1min左右，观察万用表指针向右漂移的情况，指针向右漂移摆动速度越快，说明管子的稳定性越差。通常，E-C间电阻比较小的管子，热稳定性相对较差。在使用中，稳定性不佳的管子应尽量不用，特别是在要求稳定性较高的电路中更不能使用ICEO大的管子。另外，管子的β值越大，ICEO也越大，所以在要求稳定性较高的电路中，所使用的管子的β值不要太高。

(3)测量放大能力β。测试电路如图1-40所示，其中图(a)为测PNP型管的接法，图(b)为测NPN型管的接法。万用表置于R×1k挡。先将红、黑表笔按图所示电路接相应端子，然后将电阻接入电路。此时，万用表指针应向右偏转，偏转的角度越大，说明被测管的放大倍数β越大。如果接上电阻R以后指针向右摆动幅度不大或者根本就停在原位不动，则表明管子的放大能力很差或者已被损坏。电阻R用70～100kΩ的固定电阻，或用人体电阻，即用手捏住C、B两端子(注意：C、B间不能短接)来代替电阻R。另外也可用两手操作，用舌头去舔C、B两端子来充当电阻R进行测量。

图1-40有些型号的中、小功率三极管，生产厂家直接在其管壳顶部用不同色点来表明管子的放大倍数β值，其颜色和β值的对应关系如表1-3所示。但要注意，各厂家所用色标并不一定完全相同。表1-3三极管色点与β值的关系

2)判别电极

(1)先判定基极。三极管是具有两个PN结的半导体器件，如图1-41所示，其中图(a)为PNP型管，图(b)为NPN型管。测试电路如图1-42所示，其中图(a)测PNP型管，图(b)测NPN型管。用万用表R×100挡或R×1k挡测量三极管三个电极中两个极之间的正、反向电阻值。当用第一根表笔接某一电极，而第二根表笔先后接触另外两个电极均测得低阻值时，则第一根表笔所接的那个电极即为基极B。这时，要注意万用表表笔的极性，如果红表笔(接表内电池负极)接的是基极B，黑表笔(接表内电池正极)分别接在其他两电极时，测得的阻值都较小，则可判定被测三极管为PNP型管；如果黑表笔接的是基极B，红表笔分别接触其他两电极时，测得的阻值都较小，则被测三极管为NPN型管。

图1-41

图1-42

(2)再判定集电极C和发射极E。通常用放大性能比较法，测试方法如图1-43所示。对NPN型三极管，将万用表置于R×1k挡。先使被测三极管的基极悬空，万用表的红、黑表笔分别任意接其余两端子，此时指针应指在无穷大位置。用手指短接基极与黑表笔，记下指针偏转角度；对调红、黑表笔，用手指短接基极与黑表笔，记下指针偏转角度。两次测量指针偏转角度大(电阻值较小)的一次，黑表笔接集电极(C)，红表笔接发射极(E)。

图1-43对PNP型三极管，将万用表置于R×1k挡。先使被测三极管的基极悬空，用万用表的红、黑表笔分别接其余两端子之一，此时指针应指在无穷大位置。用手指短接基极与红表笔，记下指针偏转角度；对调红、黑表笔，用手指短接基极与红表笔，记下指针偏转角度。两次测量指针偏转角度大的一次，红表笔接集电极(C)，黑表笔接发射极(E)。

在判定C、E电极的原理图1-43中，基极偏置电阻RB是用手指来代替的。由于被测管子的集电极上加有反向偏压，发射极加的是正向偏压，因此使其处于放大状态，此时电流放大倍数较高，所产生的集电极电流IC使万用表指针明显向右偏转。倘若红、黑表笔接反，就等于工作电压接反了，管子也就不能正常工作了。放大倍数会大大降低，从几十倍降至几倍，甚至为零，因此，此时万用表指针摆幅极小甚至根本不动。

3)判别锗管和硅管

测试电路如图1-44所示。E为一节1.5V干电池，RP为50～100kΩ的电阻