《电工电子技术基础及应用实践》课件 第6章 半导体器件

《电工电子技术》

第六章半导体器件本章内容§1半导体基础知识§2PN结§3半导体二极管§4稳压二极管§5双极型晶体管§6场效应管简介§7光电器件§1半导体特性§1半导体特性§2本征半导体§3杂质半导体§1半导体特性导体绝缘体按导电性能自然界物质的分类物质结构＝原子核＋核外电子最外层电子数1~3个，距原子核较远，常温下导体内有大量的自由电子，因此，导电能力强。导电材料有银、铜、铝等。半导体最外层电子数通常4个，导电性能介于导体和绝缘体之间，具有光敏性、热敏性和参杂性。半导体材料有硅、锗、硒等最外层电子数6~8个，因距原子核很近而束缚力极强，绝缘体内几乎没有自由电子而不导电。如橡胶、云母、陶瓷等。§1半导体特性半导体的独特性能

金属导体的电导率一般在105s/cm量级；塑料、云母等绝缘体的电导率通常是10-22~10-14s/cm量级；半导体的电导率则在10-9~102s/cm量级。

半导体的导电能力虽然介于导体和绝缘体之间，但半导体的应用却极其广泛，这是由半导体的独特性能决定的：光敏性——半导体受光照后，其导电能力增大很多；热敏性——温度上升时，半导体导电能力大大增强；掺杂性——在半导体中掺入少量特殊杂质，其导电能力极大地增强.§2本征半导体本征半导体

最常用的半导体为硅(Si)和锗(Ge)。它们的共同特征是四价元素，即每个原子最外层电子数为4个。++Si(硅原子)Ge(锗原子)硅原子和锗原子的简化模型图Si+4Ge+4因为原子呈电中性，所以简化模型图中的原子核只用带圈的+4符号表示即可§2本征半导体

天然的硅和锗是不能制作成半导体器件的。它们必须先经过高度提纯，形成晶格结构完全对称的本征半导体。

在本征半导体的晶格结构中，每一个原子均与相邻的四个原子结合，即与相邻四个原子的价电子两两组成电子对，构成共价键结构。＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4实际上半导体的晶格结构是三维的。晶格结构共价键结构§2本征半导体＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4从共价键晶格结构来看，每个原子外层都具有8个价电子。但价电子是相邻原子共用，所以稳定性并不能象绝缘体那样好。在游离走的价电子原位上留下一个不能移动的空位，叫空穴。

受光照或温度上升影响，共价键中价电子的热运动加剧，一些价电子会挣脱原子核的束缚游离到空间成为自由电子。

由于热激发而在晶体中出现电子空穴对的现象称为本征激发。

本征激发的结果，使半导体内部自由电子载流子运动产生，本征半导体的电中性被破坏，使失掉电子的原子变成带正电荷的离子。

由于共价键是定域的，这些带正电的离子不会移动，即不能参与导电，成为晶体中固定不动的带正电离子。＋＋§2本征半导体

价电子填补空穴的现象称为复合。

参与复合的价电子又会留下一个新的空位，这个新的空穴仍会被邻近共价键中跳出来的价电子再填补上，这种价电子填补空穴的复合运动使本征半导体中又形成一种不同于本征激发下的电荷迁移，我们把价电子填补空穴的复合运动称为空穴载流子运动。＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4受光照或温度上升影响，共价键中其它一些价电子直接跳进空穴，使失电子的原子重新恢复电中性。§2本征半导体＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4自由电子载流子运动可以形容为没有座位人的移动；空穴载流子运动则可形容为有座位的人依次向前挪动座位的运动。运动总人数在移动过程中并未发生变化。

半导体内部的本征激发和复合两种运动总是共存的，且在一定温度下达到动态平衡。§2本征半导体

在金属导体中存在大量的自由电子，这些自由电子是一种带电的微粒子，在外电场作用下定向移动形成电流。即金属导体内部只有自由电子一种载流子参与导电。

半导体由于本征激发而产生自由电子载流子，由复合运动产生空穴载流子，因此，半导体中同时参与导电的通常有两种载流子，且两种载流子总是电量相等、符号相反，电流的方向规定为空穴载流的方向即自由电子的反方向。这一点正是半导体区别于金属导体在导电机理上的本质差别，同时也是半导体导电方式的独特之处。半导体的导电机理§3杂质半导体

本征半导体的导电能力很低。但若在本征半导体中掺入某种元素的微量杂质，则半导体的导电性能会大大增强。

室温下，本征硅中的磷杂质等于10-6数量级时，电子载流子的数目将增加几十万倍。掺入五价元素的杂质半导体由于自由电子多而称为电子型半导体，也叫做N型半导体。+五价元素磷(P)＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4P掺入磷杂质的硅半导体晶格中，自由电子的数量大大增加。因此自由电子是这种半导体的导电主流。§3杂质半导体＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4三价元素硼(B)B+掺入硼杂质的硅半导体晶格中，空穴载流子的数量大大增加。因此空穴是这种半导体的导电主流。

通常杂质半导体中的多子的数量可达到少子数量的1010倍或更多，因此，比本征半导体的导电能力可增强几十万倍。

掺入三价元素的杂质半导体，由于空穴载流子的数量大大于自由电子载流子的数量而称为空穴型半导体，也叫做P型半导体。P型半导体的多子是空穴，少子是自由电子，不能移动的离子带负电。－§2

PN结§1PN结的形成§2PN结的单向导电性§1

PN结的形成PN结的形成

杂质半导体的导电能力虽然比本征半导体极大增强，但它们并不能称为半导体器件。在电子技术中，PN结是一切半导体器件的“元概念”和技术起始点。在一块晶片的两端分别注入三价元素硼和五价元素磷++++++++++++++++－－－－－－－－－－－－－－－－P区N区空间电荷区内电场§1

PN结的形成

因电场作用所产生的运动称为漂移运动。

参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了PN结。漂移运动

由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N区运动。§2

PN结的单向导电性PN结加正向电压导通：耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，PN结处于导通状态。PN结加反向电压截止：耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似认为其截止。§3

半导体二极管§1基本结构、种类与符号§2半导体二极管的伏安特性§3二极管的主要参数§4二极管的应用电路举例§1二极管基本结构、种类与符号

把PN结用管壳封装，然后在P区和N区分别向外引出一个电极，即可构成一个二极管。二极管是电子技术中最基本的半导体器件之一。根据其用途分有检波管、开关管、稳压管和整流管等。硅高频检波管开关管稳压管整流管发光二极管

电子工程实际中，二极管应用得非常广泛，上图所示即为各类二极管的部分产品实物图。§1二极管基本结构、种类与符号点接触型：结面积小，适用于高频检波、脉冲电路及计算机中的开关元件。外壳触丝N型锗片正极引线负极引线N型锗面接触型：结面积大，适用于低频整流器件。负极引线底座金锑合金PN结铝合金小球正极引线普通二极管符号稳压二极管符号发光二极管符号

使用二极管时，必须注意极性不能接反，否则电路非但不能正常工作，还有毁坏管子和其他元件的可能。阳极阴极§2

半导体二极管的伏安特性U(V)0.500.8-50-25I(mA)204060

(

A)4020

二极管的伏安特性是指流过二极管的电流与两端所加电压的函数关系。二极管既然是一个PN结，其伏安特性当然具有“单向导电性”。

二极管的伏安特性呈非线性，特性曲线上大致可分为四个区：外加正向电压超过死区电压(硅管0.6-0.7V，锗管0.2-0.3V)时，内电场大大削弱，正向电流迅速增长，二极管进入正向导通区。死区正向导通区反向截止区当外加正向电压很低时，由于外电场还不能克服PN结内电场对多数载流子扩散运动的阻力，故正向电流很小，几乎为零。这一区域称之为死区。

外加反向电压超过反向击穿电压UBR时，反向电流突然增大，二极管失去单向导电性，进入反向击穿区。反向击穿区反向截止区内反向饱和电流很小，可近似视为零值。§2

半导体二极管的伏安特性PN结的反向击穿问题PN结反向偏置时，在一定的电压范围内，流过PN结的电流很小，基本上可视为零值。但当电压超过某一数值时，反向电流会急剧增加，这种现象称为PN结反向击穿。反向击穿发生在空间电荷区。击穿的原因主要有两种：

当PN结上加的反向电压大大超过反向击穿电压时，处在强电场中的载流子获得足够大的能量碰撞晶格，将价电子碰撞出来，产生电子空穴对，新产生的载流子又会在电场中获得足够能量，再去碰撞其它价电子产生新的电子空穴对，如此连锁反应，使反向电流越来越大，这种击穿称为雪崩击穿。雪崩击穿属于碰撞式击穿，其电场较强，外加反向电压相对较高。通常出现雪崩击穿的电压均在7V以上。

(1)雪崩击穿§2

半导体二极管的伏安特性

当P区和N区掺杂浓度很高，阻挡层很薄时，PN结内载流子与中性原子碰撞的机会大为减少，因而不发生雪崩击穿。（2）齐纳击穿PN结非常薄时，即使阻挡层两端加的反向电压不大，也会产生一个比较强的内电场。这个内电场足以把PN结内中性原子的价电子从共价键中拉出来，产生出大量的电子—空穴对，使PN结反向电流剧增，这种击穿现象称为齐纳击穿。可见，齐纳击穿发生在高掺杂的PN结中，相应的击穿电压较低，一般小于5V。

雪崩击穿是一种碰撞的击穿，齐纳击穿是一种场效应击穿，二者均属于电击穿。电击穿过程通常可逆：只要迅速把PN结两端的反向电压降低，PN结就可恢复到原来状态。§2

半导体二极管的伏安特性上述两种电击穿的过程是可逆的，即当加在管子两端的反向电压降低后，管子仍可恢复原来的状态，但是，如果电击穿中的电压过高，电流过大，消耗在PN结上的功率超过它的耗散功率，电击穿就可能过渡到热击穿，并很快将PN结烧毁，造成永久性损坏。理想二极管的电流与端电压之间有如下关系

为温度电压当量，在室温T=300K时，26mV。§3

二极管的主要参数

（1）最大整流电流指二极管在长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。工作时应使平均工作电流小于IF，电流过大时会出现热击穿，而使管子烧毁。一般情况下点接触型二极管的最大整流约几十毫安，面接触型二极管的最大整流电流可达几十安培以上。（2）最高反向工作电压指二极管运行时允许承受的最高反向电压。为避免二极管的反向击穿，一般规定其最高反向电压为其反向击穿电压的

1/2或

2/3。一般点接触型二极管的最高反向工作电压为几十伏，面接触型二极管的最高反向电压可达数百伏。

（3）反向电流指二极管在加上反向电压时的反向电流值。该值越大，说明管子的单向导电性越差，而且受温度的影响越大。硅管的反向电流较小，一般为零点几个微安，甚至更少；锗管反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。（4）最高工作频率此参数主要由PN结的结电容决定，结电容越大，二极管允许的最高工作频率越低。使用时，如果信号频率超过该频率，二极管的单向导电性会变差。需要指出的是，半导体器件的参数都是在一定条件下测得的，当条件改变时，参数亦会有所改变；此外，由于制造工艺的限制，即使同一型号的二极管，其参数的分散性也较大。各种二极管的参数可从半导体器件手册中查到。§3

二极管的应用电路举例（1）理想二极管等效电路在电路中，若二极管导通时的正向压降远小于和它串联元件的电压，二极管截止时反向电流远小于与之并联元件的电流，那么可以忽略管子的正向压降和反向电流把二极管理想化为一个开关，当外加正向电压时，二极管导通，正向压降为0，相当于开关闭合，当外加反向电压时，二极管截止，反向电流为0，相当于开关断开，理想二极管的等效电路如下图。利用理想二极管表示实际二极管进行电路的分析和计算可以得出比较满意的结果，但稍有一些误差。KD理想二极管等电路§3

二极管的应用电路举例（2）

限幅电路

利用导通后正向压降基本保持不变（硅管为0.7V，锗管为0.3V）的特性，可把二极管作为电路的限幅元件。如左图所示。加正向或反向电压时，输出最大值只能为（0.7+E）V，从而把信号幅度限制在这一范围内。电路输出电压波形如右图所示。

§3

二极管的应用电路举例二极管双向限幅电路若把两个限幅电路组合起来就构成双向限幅电路。如下图所示，加正向或反向电压时，电路输出电压波形如右图所示。

§3

二极管的应用电路举例门电路是一种逻辑电路，在输入信号（条件）和输出信号（结果）之间存在着一定的因果关系即逻辑关系。在逻辑电路中，通常用符号0和1来表示两种对立的逻辑状态。用1表示高电平，用0表示低电平，称为正逻辑，反之为负逻辑。上图所示为最简单的与门电路及逻辑图符号。它是由二极管D1、D2和电阻R及电源VCC组成。图中A、B为两个输入端，F为输出端。设VCC=5V，A、B输入端的高电平（逻辑1）为3V，门电路§3

二极管的应用电路举例2.二极管钳位电路

二极管钳位电路利用二极管正向导通时压降很小的特性。限流电阻R的一端与直流电源U+相连，另一端与二极管阳极相连，二极管阴极连接端子为电路输入端A，阳极向外引出的F点为电路输出端。

当图中A点电位为零时，则(理想二极管)VD正向导通，此时二极管管压降可视为零值，输出点F的电位就等于A点电位零伏，称作输出F被钳制在零电位；若A点电位较高，造成二极管反偏而不能导通时，电阻R上就会无电流通过，输出F的电位则被钳制在U+。FAU＋RVD§3

二极管的应用电路举例二极管及其整流滤波电路将交流电变成单方向脉动直流电的过程称为整流。二极管半波整流电路二极管全波整流电路桥式整流电路简化图B220V~RLDIN4001B220V~RLD1D2二极管桥式整流电路D4B220V~RLD1D2D3B220V~RL§3

二极管的应用电路举例半波整流全波整流（桥式整流）§3

二极管的应用电路举例滤波电路电容滤波电路是最简单的滤波器它是在整流电路的输出端与负载并联一个电容C而组成。如下图所示。voD截止D导通ωtbaovoDv2CRL~半波整流电容滤波及其波形

（a）电路（b）波形

电容滤波是通过电容器的充电、放电来滤掉交流分量的。图（b）的波形图中虚线波形为半波整流的波形。并入电容C后，在v2>0时，D导通，电源在向RL供电的同时，又向C充电储能，由于充电时间常数很小（绕组电阻和二极管的正向电阻都很小），充电很快，输出电压vo随v2上升，当vC=va（正弦波最大值）后，v2开始下降，当v2<vC，D反偏截止，由电容C向RL放电，由于放电时间常数较大，放电较慢，输出电压vo随vC按指数规律缓慢下降，如图中的ab实线段。放电过程一直持续到下一个v2的正半波，当v2>vC时C又被充电vo=v2又上升。直到v2<vC，D又截止，C又放电，如此不断的充电、放电，使负载获得如图（b）中实线所示的vo波形。§3

二极管的应用电路举例显然，电容容值越大，充放电时间越慢，折线越平滑，为了获得比较平直的输出电压，一般要求：式中T为电源交流电压的周期。此外，由于二极管的导通时间短（导通角小于1800），而电容的平均电流为零，可见二极管导通时的平均电流和负载的平均电流相等，因此二极管的电流峰值必然较大，产生电流冲击，容易使管子损坏。对于单相桥式整流电路而言，无论有无滤波电容，二极管的最高反向工作电压都是

V2

关于滤波电容值的选取应视负载电流的大小而定。一般在几十微法到几千微法，电容器耐压值应大于输出电压的最大值。通常采用极性电容器。§3

二极管的应用电路举例集成稳压电路随着半导体集成技术的发展，集成电路技术迅速发展，并得到了广泛的应用，集成稳压电路分为线性集成稳压电路和开关集成稳压电路两种。前者者适用于功率较小的电子设备，后者适用于功率较大的电子设备。目前国内外使最广、销量最大的是三端式集成稳压器，属于线性集成稳压电路，其内部是串联型晶体稳压电路。它具有体积小、使用方便、内部含有过流和过热保护电路，使用安全可靠等优点。三端集成稳压器又分为三端固定式集成稳压器和三端可调式集成稳压器两种。前者输出电压是固定的，后者输出电压是可调的，本书中介绍三端固定式集成稳压器。

§3

二极管的应用电路举例集成稳压电路国产三端固定式集成稳压器有CW7800系列和CW7900系列两种。外形如图（a）所示它只有三个引脚。CW7800系列为正电压输出的集成稳压器，引脚1为输人端，2为输出端，3为公共端，基本应用电路如图（c）式集成稳压器所示。CW7900系列为负电压输出的集成稳压器，引脚1为公共端，2为输出端，3为输入端，基本应用电路如图（d）所示。§4

稳压二极管§1电路符号与伏安特性§2主要参数§3稳压管稳压电路§1稳压二极管电路符号与伏安特性稳压二极管是利用二极管反向击穿的特性制成的，专门作为稳定电压用的面接触型硅二极管。它的外形与内部结构也和普通二极管相似，对外具有两个电极。图（c）即为稳压管的符号。稳压二极管的伏安特性如图（b）所示，它的伏安特性与普通二极管相似，略有差异的是它的反向特性。它的反向特性比普通二极管更加陡直，这正是它用来稳压的依据所在。稳压管电路（a）、伏安特性（b）及符号（c）§1稳压二极管电路符号与伏安特性对普通二极管来说，它的反向电流随着反向电压的增加而增加，一旦达到击穿电压，二极管被击穿。若无限流电阻，管子将因电流过大而被烧毁。由稳压管的伏安特性可见，当反向电压小于击穿电压时，反向电流很小；当反向电压增加到等于击穿电压Uz后，反向电流急剧增加。由图（b）可见，反向电压只要略有增加，反向电流就有很大增加，这也是说，当反向电流在很大范围内变化时，反向电压变化不大。稳压管正是利用这一点来稳压的。图（b）中曲线的ab段是稳压管的反向击穿区，电压Uz称为稳定电压。如果稳压管只工作在电击穿情况下，结构不被破坏，则击穿是可逆的，当除去外加电压后，其击穿即可恢复。但是，如果反向电流太大，超过了电流允许值，或者稳压管的功率损耗过大超过了允许值，稳压管便会造成不可逆热击穿而使稳压管损坏。因此，稳压管在使用中，必须在电路中串联一个限流电阻。显然，稳压管应当工作在反向击穿区。一个典型的稳压管稳压电路如图（a）所示。§2稳压二极管主要参数(1) 稳定电压UZ指稳压管的反向电流为规定的稳定电流时，稳压管两端的稳定电压值。但是，必须说明一点，由于工艺上的原因，以及稳压管的稳定电压受电流与温度变化的影响，即使同一型号的稳压管，其稳压值也具有一定的分散性。如，2CW1型稳压管的稳压范围就在3.2～4.5V之间。(2) 稳定电流IZ稳压管正常工作时的工作电流，此值一般是指最小稳定电流，如果稳压管的工作电流小于此值，稳压效果变差。(3) 最大稳定电流IZmax指稳压管可以正常稳压的最大允许工作电流，如果电流超过此值，稳压管不再稳压。(4) 动态电阻rZ

在稳压管的稳压范围内，稳压管两端的电压变化量与电流变化量之比。该阻值一般很小，大约在十几欧至几十欧之间。(5) 温度系数α指稳压管受温度影响的变化系数，其数值，为温度每升高1℃时稳压值的相对变化量，一般用百分数表示。它也是稳压管的质量指标之一，表示了温度变化对稳定电压的影响程度。(6) 最大允许耗散功率PZ使稳压管不致热击穿的最大功率损耗。§3稳压管稳压电路经过整流和滤波后的电压往往会随交流电源的波动和负载的变化而变化。电压的不稳定有时会产生测量和计算的误差，引起控制装置的工作不稳定，甚至根本无法正常工作。特别是精密电子测量仪器、自动控制、计算装置及晶闸管的触发电路等都要求有很稳定的直流电源供电。最简单的直流稳压电源是采用稳压管来稳定电压。下图是一种稳压管稳压电路，经过桥式整流电路和电容滤波器滤波得到直流电压，再经过限流电阻R和稳压管组成的稳压电路接到负载电阻上。这样，负载上得到的就是一个比较稳定的电压。§5

双极型晶体管§1晶体管的基本结构§2晶体管的电流放大作用§3晶体管的特性曲线§4主要参数§1

晶体管的基本结构

电子电路当中的晶体三极管，由于内部有带不同电荷的载流子参与导电，因此称为双极型晶体管。作为放大电路的核心元件，晶体管的种类很多，按结构可以分为PNP管和NPN管，按照使用的频率可以分为高频管和低频管，按照管子的功率可以分为小功率管、中功率管、大功率管，按照制作的材料可以分为硅管和锗管。大功率低频三极管小功率高频三极管中功率低频三极管

目前国内生产的双极型硅晶体管多为NPN型（3D系列），锗晶体管多为PNP型（3A系列），按频率高低有高频管、低频管之别；根据功率大小可分为大、中、小功率管。§1

晶体管的基本结构

两种结构晶体管NPN和PNP型的结构示意图和图形符号如图所示。每种晶体管都有三个区，分别为发射区、集电区和基区。发射区的作用是发射载流子，掺杂的浓度较高。集电区的作用是收集载流子，掺杂的浓度较低，尺寸较大。基区位于中间，起控制载流子的作用，掺杂浓度很低，而且很薄。

位于发射区与基区之间的PN结称为发射结，位于集电区与基区之间的PN结称为集电结。从对应的三个区引出的电极分别称为发射极e、基极b和集电极c。

晶体管符号中发射极的箭头代表发射结正偏时的电流方向。§2

晶体管的电流放大作用NPN和管和PNP管的工作原理相同，只是使用时外加电源极性连接不同。下面将针对NPN管分析晶体管的放大原理，所得结论同样适合于PNP管。晶体管处于放大状态的条件是发射结正偏，集电结反偏。以下图所示的共射极电路说明晶体管的电流放大作用。

分析晶体管内载流子的运动和电流分配。晶体管内部载流子流动（1）发射区向基区扩散电子对NPN型管而言，因为发射区自由电子的浓度大，而基区自由电子的浓度小，所以自由电子要从浓度大的发射区向浓度小的基区扩散。由于发射结处于正向偏置，发射区自由电子的扩散运动加强，不断扩散到基区，并不断从电源补充进电子，形成发射极电流

。基区的多数载流子空穴也要向发射区扩散，但由于基区的空穴浓度比发射区的目田电子的浓度小得多，因此空穴电流很小，可以忽略不计。§2

晶体管的电流放大作用（2）电子在基区扩散和复合从发射区扩散到基区的自由电子起初都聚集在发射结附近，靠近集电结的自由电子很少，形成了浓度上的差别，因而自由电子将向集电结方向继续扩散。在扩散过程中，自由电子不断与基区中的多数载流子空穴相遇而复合。由于基区接电源的正极，基区中受激发的价电子不断被电源拉走，这相当于不断补充基区中被复合掉的空穴，形成电流，

它基本上等于基极电流

。在中途被复合掉的电子越多，扩散到集电结的电子就越少，这不利于晶体管的放大作用。为此基区就要做得很薄，基区掺杂浓度要很小，这样才可以大大减少电子与基区空穴复合的机会，使绝大部分自由电子都能扩散到集电结边缘。（3）集电区收集从发射区扩散过来的电子

由于集电结反向偏置，它阻挡集电区的自由电子向基区扩散，但可将从发射区扩散到基区并到达集电区边缘的自由电子拉入集电区，从而形成电流

，它基本上等于集电极电流

。§2

晶体管的电流放大作用

除此以外，由于集电结反向偏置，集电区的少数载流子空穴和基区的少数载流子电子将向对方运动，形成电流

，该电流数值很小，它构成了集电极电流

和基极电流

，的一小部分，但受温度影响很大，与外加电压的大小关系不大。

如上所述，从发射区扩散到基区的电子中只有很小一部分在基区复合，绝大部分到达集电区，也就是构成发射极电流

的两部分中，

部分是很小的，而

部分所占的百分比是很大的，这个比值用

表示，即：根据IE=IB+IC得：§2

晶体管的电流放大作用

式中

称为穿透电流，一般情况下，

，

，

忽略不计。晶体管三个极间的电流关系为：

由上式得，晶体管中

不仅比

大得多，而且当调节电阻时，基极电流

会产生一个微小的变化，将会引起大的多的

电流变化。§3

晶体管的特性曲线

所谓特性曲线是指各极电压与电流之间的关系曲线，是三极管内部载流子运动的外部表现。1.输入特性曲线UCE=0VUBE

/VIB

/A0UCE=0VUBBUCCRC++RB令UBB从0开始增加IBIE=IBUBE令UCC为0UCE=0时的输入特性曲线UCE为0时

输入特性曲线是指当集电极－发射极电压

为常数时，输入电路(基极电路)中基极电流

与基-射极电压

之间的关系曲线。以常用的共射极放大电路为例说明：§3

晶体管的特性曲线UCE=0.5VUCE=0VUBE

/VIB

/A0UBBUCCRC++RB令UBB重新从0开始增加IBICUBE增大UCC让UCE=0.5VUCE=1VUCE=0.5VUCE=0.5V的特性曲线继续增大UCC让UCE=1V令UBB重新从0开始增加UCE=1VUCE=1V的特性曲线

继续增大UCC使UCE=1V以上的多个值，结果发现：之后的所有输入特性几乎都与UCE=1V的特性相同，曲线基本不再变化。

实用中三极管的UCE值一般都超过1V，所以其输入特性通常采用UCE=1V时的曲线。从特性曲线可看出，双极型三极管的输入特性与二极管的正向特性非常相似。UCE>1V的特性曲线§3

晶体管的特性曲线（2）输出特性曲线输出特性曲线是指当基极电流

为常数时，输出电路(集电极电路)中集电极电流

与集-射极电压

之间的关系曲线：

先把IB调到某一固定值保持不变。然后调节UCC使UCE从0增大，观察毫安表中IC的变化并记录下来。UCEUBBUCCRC++RBICIBUBEmAAIE

根据记录可给出IC随UCE变化的伏安特性曲线，此曲线就是晶体管的输出特性曲线。IBUCE/VIC

/mA0§3

晶体管的特性曲线

当IB一定时，从发射区扩散到基区的电子数大致一定。当UCE超过1V以后，这些电子的绝大部分被拉入集电区而形成集电极电流IC

。之后即使UCE继续增大，集电极电流IC也不会再有明显的增加，具有恒流特性。UCE/VIC

/mA020AIB=040A60AIB=100A80A43211.52.3

当IB增大时，相应IC也增大，输出特性曲线上移，且IC增大的幅度比对应IB大得多。这一点正是晶体管的电流放大作用。

从输出特性曲线可求出三极管的电流放大系数β。ΔIB=40A

取任意两条特性曲线上的平坦段，读出其基极电流之差ΔIB再读出这两条曲线对应的集电极电流之差ΔIC=1.3mA；于是我们可得到三极管的电流放大倍数：

β=ΔIC/ΔIB=1.3÷0.04=32.5ΔIC§3

晶体管的特性曲线UCE/VIC

/mA020AIB=040A60AIB=100A80A43211.52.3输出特性曲线上一般可分为三个区：饱和区。当发射结和集电结均为正向偏置时，三极管处于饱和状态。此时集电极电流IC与基极电流IB之间不再成比例关系，IB的变化对IC的影响很小。截止区。当基极电流IB等于0时，晶体管处于截止状态。实际上当发射结电压处在正向死区范围时，晶体管就已经截止，为让其可靠截止，常使UBE小于和等于零。放大区

晶体管工作在放大状态时，发射结正偏，集电结反偏。在放大区，集电极电流与基极电流之间成β倍的数量关系，即晶体管在放大区时具有电流放大作用。§4

晶体管的主要参数1）共发射极电流放大系数

和β

它是指从基极输入信号，从集电极输出信号，此种接法（共发射极）下的电流放大系数。当晶体管接成共发射极电路时，在静态(无输入信号)时集电极电流与基极电流的比值称为静态电流(直流)放大系数:共发射极交流电流放大系数β：当晶体管工作在动态(有输入信号)时，基极电流的变化量为

，它引起集电极电流的变化量为

与

的比值称为动态电流(交流)放大系数β。通常情况下，可近似认为

，常用的晶体管的

值在20～200之间。§4

晶体管的主要参数2）穿透电流当基极开路

＝0、集电极和发射极流过的电流。

受温度影响，变化较大。其值越小工作温度稳定性越好。3）集电极最大允许电流是指

下降到其额定值的2/3时所允许的最大集电极电流。4）反向击穿电压若加在晶体管两个PN结上的反向电压超过规定值，将会导致管子的击穿并烧坏。

5）集电极最大允许功率损耗集电极上消耗的功率,大部分消耗在反向偏置的集电结上，表现为温度的升高，允许的最大功率不超过

§6

场效应管简介§1增强型绝缘栅场效晶体管§2耗尽型绝缘栅场效晶体管§3主要参数§1

增强型绝缘栅场效晶体管

场效应管可用英文缩写FET表示，与双极型三极管BJT（晶体管）相比，FET是利用电场效应来控制电流的一种半导体器件，即是电压控制元件。它的输出电流由输入电压的大小决定，基本上不需要信号源提供电流。FET属于一种新型半导体器件，尤为突出的是：FET具有极高的输入电阻，几乎不取用信号源提供的电流，因而具有功耗小，体积小、重量轻、热稳定性好、制造工艺简单且易于集成化等优点。

按结构不同场效应管有两种:

结型场效应管(Junction

type

Field Effect

Transister)和绝缘栅型场效应管(

Insulated

GateFieldEffect

Transister)。

绝缘栅型场效应管也称金属－氧化物－半导体三极管MOSFET（MetalOxide

Semicon-ductor

FET），绝缘栅型场效应管按工作状态可分为增强型和耗尽型两类，每类又有

N沟道和

P沟道之分，接下来内容以绝缘栅场效晶体管介绍说明。§1

增强型绝缘栅场效晶体管

1）结构下图所示是

N沟道增强型绝缘栅场效晶体管的结构示意图。N沟道增强型绝缘栅场效晶体是在P型半导体(衬底)上生成一层SiO2薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的

N型区，从

N型区引出电极，一个是漏极D(相当晶体三极管的集电极)，一个是源极S(相当于晶体三极管的发射

极)。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极

G(相当于晶体三极管的基极)。栅极和其它电极及硅片之间是绝缘的，称绝缘栅型场效应管。由于金属栅极和半导体之间的绝缘层目前常用二氧化硅，故又称金属-氧化物-半导体场效应管，简称MOS场效应管。§1

增强型绝缘栅场效晶体管

以增强型NMOS管为例说明其工作原理。N沟道增强型MOS管不存在原始导电沟道。

当栅源极间电压UGS=0时，增强型MOS管的漏极和源极之间相当于存在两个背靠背的PN结。N+N+P型硅衬底BDGS不存在原始沟道+－UDSUGS=0此时无论UDS是否为0，也无论其极性如何，总有一个PN结处于反偏状态，因此MOS管不导通，ID=0。MOS管处于截止区。PPN结PN结ID=0§1

增强型绝缘栅场效晶体管怎样才能产生导电沟道呢？

在栅极和衬底间加UGS且与源极连在一起，由于二氧化硅绝缘层的存在，电流不能通过栅极。但金属栅极被充电，因此聚集大量正电荷。+－+－N+N+P型硅衬底BDGSUDS=0UGS电场力排斥空穴二氧化硅层在UGS作用下被充电而产生电场形成耗尽层出现反型层形成导电沟道电场吸引电子

§1

增强型绝缘栅场效晶体管导电沟道形成时，对应的栅源间电压UGS=UT称为开启电压。UT+－+－N+N+P型硅衬底BDGS当UGS>UT、UDS≠0且较小时UDSUGSID

当UGS继续增大，UDS仍然很小且不变时，ID随着UGS的增大而增大。此时增大UDS，导电沟道出现梯度，ID又将随着UDS的增大而增大。

直到UGD=UGS－UDS=UT时，相当于UDS增加使漏极沟道缩减到导电沟道刚刚开启的情况，称为预夹断，ID基本饱和。导电沟道加厚产生漏极电流§1

增强型绝缘栅场效晶体管ID+－+－N+N+P型硅衬底BDGSUDSUGS

如果继续增大UDS，使UGD<UT时，沟道夹断区延长，ID达到最大且恒定，管子将从放大区跳出而进入饱和区。UGD

沟道出现预夹断时工作在放大状态，放大区ID几乎与UDS的变化无关，只受UGS的控制。即MOS管是利用栅源电压UGS来控制漏极电流ID大小的一种电压控制器件§1

增强型绝缘栅场效晶体管2）特性曲线下图是N沟道增强型绝缘栅场效晶体的转移特性曲线和输出特性曲线。(a)转移特性曲线 (b)输出特性曲线§1

增强型绝缘栅场效晶体管(a)转移特性曲线 (b)输出特性曲线N

沟道增强型绝缘栅场效晶体不具有原始导电沟道，只有当

>时，才有漏极电流

，在一定漏－源

作用下，使场效应管由不导通变为导通的临界栅－源电压称为开启电压

，如图(a)所示。转移特性反映着

对

的控制特性。

§1

增强型绝缘栅场效晶体管

下图是

P沟道增强型绝缘栅场效晶体管的结构示意图，它的工作原理与

N沟道增强型绝缘栅场效晶体管的的工作原理相似，只是要调换电源的极性即可。P

沟道增强型绝缘栅场效晶体管的结构及其符号§2

耗尽型绝缘栅场效晶体管如果如果场效晶体管在制造时导电沟道就已形成，称为耗尽型场效晶体管。

耗尽型MOS管在

uGS＞0、uGS

＜0、uGS

＝0时均可导通，且与结型场效应管不同，由于SiO2绝缘层的存在，在uGS＞0时仍保持g-s间电阻非常大的特点。N沟道耗尽型绝缘栅场效晶体管的结构示意图。§2

耗尽型绝缘栅场效晶体管工作原理

由于耗尽型场效晶体管预埋了导电沟道，所以在

=0时，若漏–源极之间加上一定的电压

，也会有漏极电流

产生。这时的漏极电流用

表示，称为饱和漏极电流。

当

>0时，使导电沟道变宽，

增大；当

<0时，使导电沟道变窄，

减小；

负值愈高，沟道愈窄，

就愈小。

当

达到一定负值时，N型导电沟道消失，

=0，称为场效晶体管处于夹断状态(即截止)。这时的

称为夹断电压，用

表示。§2

耗尽型绝缘栅场效晶体管特性曲线(a)转移特性曲线 (b)输出特性曲线

耗尽型场效管由于具有原始导电沟道，因此

=0时