《计算机电子电路技术-电路与模拟电子部分》课件第5章 半导体器件

第5章半导体器件5.1半导体的基本知识5.2半导体二极管5.3半导体三极管5.4场效应晶体管5.1半导体的基本知识5.1.1半导体的导电特性

1.本征半导体在近代电子学中，用得最多的半导体是Ge和Si。其外层都只有4个电子，属4价元素。为便于讨论，采用图5.1所示的简化原子模型。图5.1Ge和Si原子的简化模型

纯净的晶体结构的半导体称为本征半导体。Ge或Si原子生成晶体时，其原子排列就由杂乱无章的状态变成了非常整齐的状态，原子间的距离都是相等的。研究一块纯净的Ge或Si晶体时，可发现每个原子有4个相邻的原子围绕着，每两个相邻原子间共有一对电子(称为价电子)，组成共价键结构，如图5.2所示。其本征半导体晶体结构如图5.3所示。图5.2Ge或Si晶体的共价键结构图5.3本征半导体晶体结构示意图

束缚电子挣脱后，在原子外层上留下的一个空位子，称为空穴。空穴显示出的功效类似阳电荷(严格地说，空穴不是阳电荷)，所以，空穴也是一种载流子。如图5.4所示。当半导体处于外加电压作用下时，通过它的电流可看作由两部分组成：一部分是自由电子进行定向运动形成的电子电流；另一部分是束缚电子在共价键上填补空穴形成的空穴电流。但是，当一个自由电子进入空穴时，空穴就会消失，这称为复合，如图5.5所示。

图5.4本征半导体中的自由电子和空穴图5.5自由电子进入空穴产生复合运动2.杂质半导体在本征半导体中，通过热激发产生的自由电子和空穴的数目，还远不能使半导体具有良好的导电能力。然而，通过掺入有用的杂质(称为掺杂)，却能使其导电特性得到很大的改善。

掺杂的半导体称为杂质半导体。掺杂的方法是将少量的杂质元素加入到加热了的Ge或Si晶体中。如果在Si晶体中掺入少量的五价杂质元素，例如磷(P)元素，则P原子将全部扩散到加热了的Si晶体中。因为P原子比Si原子数目少得多，所以当冷却后形成固态晶体时，整个晶体结构不变，只是某些位置上的Si原子被P原子代替了。因为每个P原子有5个外层子，所以组成共价键后就自然而然地多出一个电子，此电子受原子核的束缚力很小，很容易成为自由电子，如图5.6所示。图5.6N型Si半导体的共价键结构

因为这种掺杂后的半导体主要靠电子导电，电子是带负电的，所以掺入五价元素的杂质半导体称为N型半导体，也称电子半导体。在N型半导体中，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”。每个P原子在释放一个自由电子后便成为不能移动的正离子，由此产生了正离子—电子对。同样，如果在Si晶体中掺入少量的三价杂质元素，例如硼(B)元素，可以获得过多的空穴，如图5.7所示。图5.7P型Si半导体的共价键结构5.1.2PN结及其单向导电特性

1.PN结的形成物质从浓度大的地方向浓度小的地方运动叫扩散。当P型半导体和N型半导体结合在一起时，因为空穴在P区中是多子，在N区中是少子；同样，电子在N区中是多子，在P区中是少子，所以在P、N两区交界处，由于载流子浓度的差异，要发生电子和空穴的扩散运动，多子都要向对方区域移动。当电子和空穴相遇时会复合消失。假设扩散运动的方向由正指向负(P区指向N区)，则空穴将顺扩散运动方向移动，电子将逆扩散运动方向移动，如图5.8所示。图5.8多数载流子的扩散运动

扩散的结果在两区交界处的P区一侧，出现了一层带负电荷的粒子区(即不能移动的负离子)；在N区一侧，出现了一层带正电荷的粒子区(即不能移动的正离子)，形成了一个很薄的空间电荷区，这就是PN结，如图5.9所示。图5.9PN结的形成2.PN结的单向导电特性

1)外加正向电压Uf促使PN结转化为导通状态正向电压又称正向偏置电压，简称正偏电压。当PN结外加正向电压Uf(外电源的正极接P区，负极接N区)时，如图5.10(a)所示，则外电场的方向与扩散运动方向一致，加强了扩散运动，削弱了漂移运动。(1)当0≤Uf＜UT时，UT为死区电压，或称门坎电压。这时由于外电场还不足以克服内电场对载流子扩散所造成的阻力，所以正向电流If几乎为零，PN结呈现出一个大电阻，好像有一个门坎，如图5.10(b)所示。

(2)当Uf≥UT后，这时在外电场的作用下，内电场被大大削弱，多子不断地向对方区域扩散，且进入空间电荷区后，一部分空穴会与负离子中和，一部分电子会与正离子中和，使空间电荷量减少，PN结变窄，如图5.10(a)所示。

空间电荷区中载流子数量的增加，相当于PN结电阻的减小。这样，载流子就能顺利地越过PN结，形成闭合的回路，产生较大的正向电流If。因为外电源不断地向半导体提供空穴和电子，所以使电流If得以维持。PN结的正向特性曲线如图5.10(b)所示。

图5.10PN结的正向特性(a)外加正向电压导通；(b)正向特性曲线(1)空间电荷区变窄的过程，相当于载流子充进了PN结。P区一侧充正电(充入空穴)，N区一侧充负电(充入电子)，这现象如同一个电容器的充电，此电容称为耗尽层电容Ct。

(2)PN结处于正偏时，还存在着电荷存储效应。由于多子扩散到对方区域后，电子与空穴并不一定会立即相遇而复合消失，所以，必定会在扩散路程上有一定数量的存储。即在P区中积累电子，在N区中积累空穴，建立起一定的浓度梯度。2)外加反向电压UR促使PN结转化为截止状态反向电压又称为反向偏置电压，简称反偏电压。当PN结外加反向电压UR(外电源的正极接N区，负极接P区)时，如图5.11(a)所示，外电场方向与自建电场方向一致，加强了漂移运动，削弱了扩散运动。这时在外电场的作用下，空间电荷量增加，PN结变宽，如图5.11(a)所示。

空间电荷区中几乎无载流子，近似于电路的开路状态，扩散电流趋于零，见图5.11(a)。这时由热激发产生的少子，可以在结电场的作用下通过PN结，形成反向电流IR，但因为少子数量有限，IR很小，所以这时仍可认为PN结是截止的。

图5.11PN结的反向特性(a)外加反向电压截止；(b)反向特性曲线

因此，PN结处于反偏时，电阻是很大的。PN结的反向特性曲线如图5.11(b)所示。

IR有时也称为反向饱和电流IS。这是因为当温度不变时，少子的浓度不变，所以在一定的电压范围内，IR几乎不随反偏电压的增加而变大，见图5.11(b)。但温度升高会使少子增加，故IR会随温度的上升而增长很快，这就是PN结的温度特性。由此可见，PN结具有单向导电的特性及温度特性。

需要指出的是：

(1)空间电荷区变宽的过程，相当于PN结放出载流子的过程。这现象如同一个电容器的放电，如前所述，此电容称为耗尽电容Ct。

(2)PN结处于反偏时，载流子数目很少，故反向扩散电容Cd很小，可忽略。这时Ct>>Cd。3.PN结的结电容Cj

由上节可知，PN结上有耗尽层电容Ct和扩散电容Cd,我们通常用结电容Cj来表征PN结的电容效应：

Cj=Ct+Cd

结电容的充、放电效应与普通电容相似，不同的是结电容的容量大小要随外加电压的大小而改变。当PN结运用在高频时，要考虑到结电容的作用。PN结的高频等效电路如图5.12所示。图5.12PN结的高频等效电路4.PN结的击穿特性当PN结反偏电压UR超过某一数值时，反向电流IR会突然增大，出现反向电压击穿现象，简称为反向击穿。发生反向击穿所需的电压称为反向击穿电压UB。PN结的反向击穿特性曲线如图5.13所示。图5.13反向击穿特性曲线

反向击穿现象有两种类型：

(1)雪崩击穿。当反向电压太高时，载流子在阻挡层中将受到强烈的电场加速作用，获得足够的能量去碰撞原子，产生新的电子—空穴对。被撞出的载流子获得能量后又可能再去碰撞别的原子，如此连锁反应造成了载流子的剧增。这种击穿多发生在掺杂浓度不大的PN结。雪崩击穿电压一般高于6V。(2)齐纳击穿。当反向电压足够大时，阻挡层中的强电场会将电子从共价键中强行拉出，产生电子—空穴对，使载流子剧增(其效果与温度升高相仿)。这种击穿多发生在掺杂浓度较高的PN结。齐纳击穿电压一般低于6V。5.2半导体二极管5.2.1半导体二极管的结构与分类半导体二极管又称晶体二极管，简称为二极管。它是由一个PN结加上相应的电极引线和管壳做成的。从P区引出的电极称为阳极(正极)，从N区引出的电极称为阴极(负极)。PN结的四大基本属性，也就是二极管的基本属性。二极管的符号如图5.14(C)所示，用字母VD表示。图5.14半导体二极管的结构及符号(a)点接触型；(b)面接触型；(C)符号5.2.2二极管的伏安特性曲线二极管的电压—电流关系曲线称伏安特性曲线。此特性曲线就是PN结的正向、反向及反向击穿特性曲线。图5.15(a)和(b)分别是Si和Ge二极管的特性曲线。在室温下，Si管、Ge管的死区电压UT、正向导通电压UD及反向饱和电流IS的数值如表5.1所示。图5.15二极管的伏安特性曲线

(a)Si管；(b)Ge管表5.1Si和Ge二极管的UT、UD及IS值5.2.3二极管的主要参数

1.直流参数

1)最大整流电流IF

最大整流电流是指二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。当二极管电流I＞IF时，PN结会因为太热而烧坏。

2)最高反向工作电压URM

最高反向工作电压URM通常取二极管反向击穿电压UB的一半。3)反向电流IR

反向电流IR即为反向饱和电流IS。其值越小，二极管的单向导电性能越好。

4)直流电阻RD

直流电阻RD是指二极管两端的直流电压与流过的直流电流之比。即(5―1)

图5.16二极管的电阻(a)直流电阻RD；(b)微变电阻rD2.交流参数

1)微变(变流)电阻rD

二极管工作在小信号时需要用到微变电阻rD。rD的定义是：二极管特性曲线上工作点Q附近的电压变化量ΔU与相应的电流变化量ΔI之比。即(5―2)rD实际上就是特性曲线上Q点处斜率的倒数，见图5.16(b)。在室温(25℃)下，(5―3)2)最高工作频率fM

这主要取决于PN结的结电容。若工作频率f＞fM，则二极管的单向导电性能将变坏。为便于读者了解半导体器件的命名方法，将我国的命名有关规定介绍如下：表5.25.2.4二极管应用举例二极管的应用范围很广，利用二极管的单向导电特性，可组成整流、检波、钳位、限幅、开关等电路。利用二极管的其它特性，可使其应用在稳压、变容、温度补偿等方面。整流、钳位、开关电路将在后面有关章节中提到，现简单介绍一下限幅电路。限幅器又称削波器，主要是限制输出电压的幅度。为讨论方便起见，假设二极管VD为理想二极管，即正偏导通时，忽略VD的正向压降，近似认为VD短路；反偏截止时，近似认为VD开路。

例1电路及输入电压UI的波形如图5.17所示。画出输出电压Uo的波形如图5.17(b)所示。图5.17二极管单向限幅电路

(a)电路；(b)波形

解：当ui＞+5V时，uo=+5V(VD正偏短路)；当ui

≤+5V时，uo=UI(VD反偏开路)。故可画出输出uo的波形，如图5.17(b)所示。例2电路及输入电压UI的波形如图5.18所示，画出输出电压uo的波形。

图5.18二极管双向限幅电路

(a)电路；(b)波形解：①当ui＞+10V时：

VD1正偏短路，VD2反偏开路，uo=+10V。②当ui

＜-10V时：

VD1反偏开路，VD2正偏短路，uo=-10V。③当-10V＜UI≤+10V时：

VD1、VD2均反偏开路，uo=ui。

uo波形如图5.18(b)所示。5.2.5稳压管

1.稳压管通常，我们不希望二极管工作在反向击穿区，因为一旦PN结反向击穿，反向电流IR会猛增，使IR·UR＞PM，引起热击穿，烧毁二极管。但是，利用PN结的反向击穿现象，却可以起到稳定电压的作用，即通过管子的电流在很大的范围内变化，而管子两端的电压却变化很小。那么如何将“击穿”转化为“稳压”呢?其依据的条件是：

(1)工艺上通过控制半导体内所掺杂的成份。

(2)外电路中所串联的限流电阻。图5.19稳压管符号及特性曲线

(a)符号；(b)伏安特性曲线

因为这种二极管具有稳定电压的作用，所以要与用于整流、检波等用途的普通二极管区别开，称为稳压管。稳压管用字母VDZ表示，它的符号如图5.19(a)所示。图5.19(b)是它的伏安特性曲线，由图(b)可知，稳压管在反向击穿时的曲线比较陡直。

值得指出的是：稳压管必须工作在反向偏置(利用正向稳压的除外)，即阴极接电源正极，阳极接电源负极，如图5.19(a)所示。如果极性接错，二极管就处于正向偏置状态，稳压效果就差了。另外，稳压管可以串联使用，一般不能并联使用，因为并联有时会因电流分配不匀而引起管子过载损坏。2.稳压管的主要参数

1)稳定电压UZ

UZ就是稳压管的反向击穿电压。由于制造工艺不易控制，即使同一型号的管子，UZ的值也会稍有不同。

2)稳定电流IZ和最大稳定电流IZMIZ的稳压管正常工作时的反向电流，这是一个参考值。IZM是稳压管允许通过的最大反向电流。当稳压管工作电流I＜IZ时，没有稳压效果；正常工作时，

IZ＜I＜IZM。3)动态电阻rZ

rZ相当于二极管的微变等效电阻，因此(5―4)rZ越小(ΔIZ越大)，稳压性能越好。4)电压温度系数αα是UZ受温度变化的系数，常用温度每增加1℃时，UZ改变的百分数来表示。一般来说，硅稳压管的UZ＜4V时，α＜0；UZ＞7V时，α＞0;4V≤UZ≤7V时，α最小，这时温度稳定性最好。

5)最大耗散功率PMPM是保证管子不发生热击穿的极限值。(5―5)3.稳压管应用举例利用稳压管反向击穿时电压基本稳定的特性，可做成稳压电路。最简单的稳压电路如图5.20(a)所示。图中，Ui和Uo分别是输入和输出电压，R是限流电阻，RL是负载电阻，Uo=Ui-IRR=UZ。下面通过两道例题来说明，只要稳压管是工作在击穿区，当负载RL变化，或信号源Ui有变化时，稳压管都能起到稳压的作用，使输出Uo=UZ不变。这就是稳压管的主要用途。图5.20稳压管稳压电路

例3在图5.20(a)所示的电路中，分别求RL等于30kΩ、4kΩ和3kΩ时，流过稳压管的电流IZ的值。解：①当RL=30kΩ时：因为VD两端的电压足以引起VD击穿(VD临界击穿时的RL值，见本例③的解)，故VD近似为一个30V的电压源。见图5.20(b)中的C点。②当RL=4kΩ时：

VD仍工作在击穿区，仍可将其近似为30V的电压源。见图5.20(b)中的a点。由图(b)看出，只要当VD工作在击穿区时，负载虽然有变化，使VD的工作点从C点移到a点，ΔIZ变化很大，但ΔUZ却变化很小，Uo=UZ近似不变。③当RL=3kΩ时：这时，VD工作在击穿的临界状态，如图5.20(b)所示。由此可求出，临界击穿时

例4在图5.20(a)所示的电路中，当负载RL开路(RL=∞)时，求UI从40V变化到60V时，流过稳压管的电流IZ的值。解：因为Ui=40V~60V，均超过了VD的反向击穿电压，所以VD工作在击穿区，这时VD可近似为30V的电压源。又因为RL开路，所以IZ=IR。当Ui=40V时：见图5.20(b)中的b点。

见图5.20(b)中的d点。所以，5mA＜IZ＜15mA。由图(b)看出，只要VD工作在击穿区，当输入信号Ui发生变化，使VD的工作点从b点移到d点时，虽然ΔIZ变化很大，但ΔUZ变化很小，Uo=UZ近似不变。当Ui=60V时：5.3半导体三极管

半导体三极管又称双极型晶体管，简称BJT。BJT的种类很多，按频率分，有高频管、低频管；按功率分，有大、中、小功率管；按半导体材料分，有SI管、Ge管；按结构分，有NPN型和PNP型等。目前生产的Si管多数为NPN型，Ge管多数为PNP型。常见的几种BJT的外形如图5.21所示。

图5.21几种BJT的外形5.3.1BJT的放大原理和电流关系

1.结构简介不管是NPN型还是PNP型管子，它们的基本原理都相同，都有三个电极(发射极e、基极b、集电极C)和两个PN结(发射结(e结)、集电结(C结))。图5.22是BJT的示意图及符号，符号中e极箭头方向表示e结正偏时的电流方向。图5.22BJT的结构示意图及符号

(a)NPN；(b)PNP2.BJT的三种连接方式因为放大器一般是四端网络，而BJT只有三个电极，所以组成放大电路时，势必要有一个电极作为输入与输出信号的公共端。根据所选择的公共端电极的不同，BJT有共发射极、共基极和共集电极三种不同的连接方式(指对交流信号而言)，如图5.23所示。

图5.23BJT的三种连接方式(a)共基极电路；(b)共发射极电路；(C)共集电极电路3.放大原理和电流关系

BJT能把微弱的电信号加以放大，是载流子在三极管内部的传输过程所致，如图5.24所示。下面我们分三个方面来讨论载流子在三极管内部的运动。

1)e区向b区发射电子的过程这个过程的条件是e结必须加正向电压(对于NPN型管，须UB＞UE)。这时e结上外电场方向与扩散运动方向一致，加强了扩散运动，削弱了漂移运动，如图5.24所示。

图5.24BJT中载流子的运动2)电子在b区中的扩散和复合的过程电子到达b区后，一方面因为e结附近的电子浓度最高，离e结越远，浓度越小，所以，由于浓度的差异，电子就要继续向C结方向扩散。另一方面，电子又会与b区中的空穴相遇而复合，复合后又会被b区中的正电源拉走(就好像正电源在不断地供给b区空穴)。电子复合的数量与被拉走的数量相等，即与一个空穴复合，就被拉走一个电子。这样，电子的流动就形成了基极电流IB，如图5.24所示。3)电子被C区收集的过程这个过程的条件是C结必须加反向电压(对于NPN型管，须UC＞UB)。这时C结上外电场方向与漂移运动方向一致，加强了漂移运动，削弱了扩散运动，如图5.24所示。所以，外电场不仅可使C区的多子——电子向C极方向移动，而且还可以收集从b区扩散过来的电子到达C区，形成集电极电流IC。当然，在C结反偏电压的作用下，C区和b区的少子也都要向对方区域运动，形成反向饱和电流ICBO，如图5.24所示，但因为其数值很小，可忽略。

综上所述，电子按图5.24中箭头方向运动，其中大部分渡过b区流向C极，仅很小一部分流向b极，电流则与电子运动方向相反。根据节点电流定律可知：

IE=IB+IC

(5―6)

晶体管一旦制成，从e区发射的电子到达C区的比例也就定了，此比例称为电流放大系数。通常将IC与IB的比值定义为共射直流电流放大系数，将变化量ΔIC与ΔIB的比值定义为共射交流电流放大系数β。即(5―7)(5―8)

一般情况下，≈β，故可得：

IE=IB+IC=IB+βIB=(1+β)IB(5―9)

同理，把IC与IB的比值定义为共基极直流电流放大系数；把变量ΔIC与ΔIB的比值定义为共基极交流电流放大系数α。即(5―10)(5―11)一般情况下，，则

由于α与β是同一管子不同电极间的关系，二者之间必存在一定的转换关系：所以(5―12)

因为e结加正向电压，所以由PN结的正向特性可知，BJT的b、e极之间只要有较小的变化量ΔUBE，就可产生较大的ΔIB，通过BJT的电流放大，又可引起更大的ΔIC，而ΔIC流过集电极负载电阻Rc后，在其两端产生的电压ΔUCE(对直流电源UCC而言，其变化量为零)，将会比ΔUBE大很多倍，这样，BJT的电流放大就被转换为电压放大的形式了。表示即(5―13)

例5在图5.24所示的电路中，如果ΔUBE=15mV,ΔIB=20μA,β=50，Rc=1kΩ，求ΔIC和Au。解：5.3.2BJT的特性曲线

BJT各电极电压与电流之间的关系曲线，称为伏安特性曲线。它是BJT内部载流子运动的外部表现。由于三极管有三个电极，所以它的伏安特性就不像二极管那样简单。工程上最常用的是BJT的输入和输出特性曲线。图5.25为NPN型管共发射极电路的测试电路。

图5.25BJT的共发射极特性曲线测试电路1.共发射极输入特性若以输出电压uCE为参变量，则输入电压UBE和输入电流iB的函数式可表示为常数

测试时，在图5.25的电路中，先固定uCE为某一常数，例如，令uCE=0V，测得一组uBE与iB的数据，画出一条曲线；再固定UCE为另一常数，又测得一组uBE与iB的数据，画出另一条曲线,……如图5.26(a)所示。

由图5.26(a)看出，输入特性曲线有以下特点：

(1)类似于PN结的正向特性曲线(因为e结正偏)，所以也存在死区电压UT。

(2)uCE＞1V后，特性曲线基本接近于uCE=1V时的特性曲线。由于放大电路工作时uCE≠0V，所以通常只需画出uCE≥1V的一条输入特性曲线。

2.共发射极输出特性若以输入电流iB为参变量，则输出电压uCE和输出电流iC的函数式可表示为常数

测试时，在图5.25的电路中，先固定iB为某一常数，例如，令iB=0测得一组uCE和iC的数据，画出一条曲线；再固定IB为另一常数，又测得一组UCE和iC的数据，画出另一条曲线，……这样，在直角坐标系中可得到一簇输出特性曲线，如图5.26(b)所示。

图5.26BJT的共射特性曲线(a)输入特性曲线；(b)输出特性曲线

由图5.26(b)可看出，输出特性曲线有以下特点：

(1)特性曲线除起始段外，近似平行。平坦的区域称为放大区，也称线性区，见图5.26(b)的中间区域。

(2)每条曲线都有一个拐点，拐点电压称为集电极饱和电压UCES。uCE≤UCES的区域称为饱和区，如图(b)中左边阴影线所示。

(3)iB=0时，iC=ICEO。iB≤0的区域称为截止区，如图(b)中下部阴影线所示。(4)PCM虚线是最大功耗线。PC=iC·uCE≥PCM的区域，称为过损耗区，如图(b)中右边阴影线所示。使用时不允许超过此区域，否则会使BJT性能变坏，或过热烧毁。

表5.35.3.3BJT的三个工作区域由上节知道，BJT有三个工作区域。下面再结合图5.25的共发射极电路，具体讨论如下。

1.截止区

e结、C结均为反偏，BJT无放大作用。这时

IB≈0;IC≈0

UCE=UCC-ICRC≈UCC2.放大区

e结正偏、C结反偏(对于NPN型管，UC＞UB、

UB＞UE。对于PNP型管，UC＜UB、UB＜UE)，BJT有放大作用。这时

IB＞0;IC=βIB

UCE=UCC-ICRc3.饱和区

e结、C结均为正偏，UCE=UCES很小。UCE的减小使C结收集电子的能力减弱，也即e区发射有余，而C极收集不足，以致IC几乎不再随IB的增大而增大，BJT失去放大作用。因为UCES最小只能接近于零，所以由可求出集电极饱和电流为(5―14)

基极临界饱和电流为(5―15)

当基极注入电流IB超过其临界值时，晶体管呈饱和状态。故判断管子饱和状态的方法为：若(5―16)

图5.27BJT的几种工作状态5.3.4BJT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这是指静态(无输入信号)时的电流放大系数，其定义为2)共发射极交流电流放大系数β

这是指动态(有输入信号)时的电流放大系数，其定义为

在有的手册中，β用hfe表示。同样，β也与三极管的工作点Q有关。在图5.28中，过Q点作横轴的垂线，当IB从40μA变到60μA时，相应的IC从1.6mA变到2.35mA，可求得

图5.282.极间反向电流

1)C、b极间反向饱和电流ICBO

这是指e极开路，C、b间加上一定的反向电压时的反向电流(如同PN结的反向电流)。其测试电路如图5.29(a)所示。

图5.29三极管极间反向电流的测量(a)测量ICBO的电路；(b)测量ICEO的电路ICBO越小，晶体管的质量越好。在室温下，小功率硅管的ICBO＜1μA，Ge管的ICBO约为几微安到几十微安。因为ICBO是由少子形成的，所以，温度升高会引起ICBO升高。

2)C、e极间反向穿透电流ICEO

这是指b极开路，C、e间加上一定的反向电压时的C极电流。其测试电路如图5.29(b)所示。由于这个电流是从C区直接穿过b区到达e区的，所以，又称穿透电流。由下面的分析可知，ICEO不是单纯的PN结的反向电流。

当C、e间加上电压+UCC后，必然使UC＞Ub＞Ue，所以，e结正偏，C结反偏，C区的少子——空穴就会漂移到b区。另外，e区的多子——电子扩散到b区后，除少部分与空穴复合，大部分到达C区，被C极收集。根据BJT的电流分配规律：

IE=IB+IC=IB+βIB=(1+β)IB

可知：

ICEO=ICBO+βICBO=(1+β)ICBO

(5―17)

3.极限参数

1)集电极最大允许电流ICM

当iC超过一定值时，BJT的参数会发生变化，特别是β将下降。ICM是指BJT的参数变化不超过允许值时，C极允许的最大电流。使用时，若iC＞ICM，管子不仅性能会下降，甚至可能会烧坏。

2)集电极最大允许耗散功率PCM

这是指C结上允许耗散的最大功率，表示如下：(5―18)5.4场效应晶体管5.4.1概述场效应晶体管简称FET，与BJT特性大不相同，主要的不同点有：

(1)单极型晶体管。BJT中参与导电的载流子有多子和少子两种极性，称为双极型晶体管。FET中参与导电的载流子只有多子一种(或者是电子，或者是空穴)，所以称为单极型晶体管。(2)电压型控制元件。BJT是电流型控制元件，即在一定的条件下，集电极电流只取决于基极电流的大小。而FET则是电压型控制元件，即在一定的条件下，漏极(对应于BJT中的集电极)电流只取决于栅极(对应于BJT中的基极)电压。

(3)输入电阻高。FET栅极加上电压后，输入电流接近于0，所以它的输入电阻非常高，一般可达到上百兆欧甚至几千兆欧。绝缘栅场效应管的输入电阻最高可达1015Ω。(4)FET的噪声系数比BJT小。

(5)FET制造工艺简单，芯片面积小，再加上其它一些优点，使其在大规模集成电路中取代了BJT。5.4.2结型场效应管

1.JFET的结构和符号

JFET分成N沟道和P沟道两种。N沟道JFET的结构示意图如图5.30(a)所示，符号如图(b)所示。它是在N型半导体的两侧各扩散出一个高浓度的P型区(用P+表示)，使其与N区形成两个P+N结(即空间电荷区，也即耗尽层)，并将两个P+区连在一起。由P+区引出的电极称为栅极G(Gate)，由N区两端引出的电极分别称为源极S(SoURCe)和漏极D(DRaIn)，它们分别相当于BJT中的b、e、C极。两个P+N结中间的N区称为导电沟道。P沟道JFET的结构示意图如图5.30(C)所示，符号如图(d)所示。它是在P型半导体两侧各扩散出一个

N+区。符号中的箭头方向，见图(b)、(d)，表示栅极正偏时，栅流方向由P区指向N区。

图5.30JFET的结构示意图及符号(a)N沟道结构示意图；(b)N沟道JFET符号；

图5.30JFET的结构示意图及符号(C)P沟道结构示意图；(d)P沟道JFET符号2.工作原理我们知道，PN结空间电荷区(即耗尽层)的宽度是随着加在PN结上的反向电压的大小而变化的。反向电压越大，耗尽层越宽；反之，则越窄。JFET就是利用PN结的这个性质，通过改变栅压uGS来改变沟道电阻，进而改变S、D极间的电流ID。下面以N沟道JFET共源电路为例(电路如图5.31所示)，来简述它的工作原理。

1)uDS=0，uGS=0

此时漏极电流iD=0。2)uDS＞0①当uGS=0(G、S极间短路)时，两个P+N结的空间电荷区(也即耗尽层)最窄，中间的N区域(即导电沟道)最宽，沟道电阻最小。②当UP＜uGS＜0时，这里的UP称为夹断电压，这是使iD≈0的栅极电压。UP是一个负值，其典型值为-1V~-10V。图5.31uGS对iD的控制③当uGS≤UP时，若uGS再向负值增加到uGS≤UP，则源极附近的耗尽层也相遇了，即两边的耗尽层完全合拢，整个沟道被夹断，这称为全夹断，如图5.31(d)所示。这时，虽然uDS仍然存在，但因为载流子都消耗尽了，沟道电阻无穷大，故iD≈0。

综上所述，可得JFET导电的如下几个特性：①因为G、S极间加反向偏电压，两个P+N结截止，栅极电流iG≈0，故JFET的输入电阻很大。②在uDS不变的情况下，uGS的微小变化可以引起iD比较大的变化，故称FET为电压型控制元件。③与BJT相类似，当漏极接上负载电阻RD后，在RD上可以得到放大了的变化电压。④我们将uGS=0时就存在导电沟道(iD≠0)的FET称为耗尽型，uGS=0时没有导电沟道(iD=0)的FET称为增强型。3.输出特性曲线和转移特性曲线下面仅介绍N沟道JFET共源电路的特性曲线，其测试电路如图5.32所示。

1)输出特性曲线以uGS为参变量，iD与uDS间的关系曲线，称为输出特性曲线，如图5.32(a)所示。其函数式为常数

图5.32N-JFET共源电路的特性曲线(a)N-JFET输出特性；(b)N-JFET转移特性

输出特性曲线可分成四个区域：可变电阻区、恒流区、击穿区和截止区。其特点叙述如下：

(1)可变电阻区。输出特性每条曲线都有一个拐点，拐点电压就是UP。拐点连线的左边(见图中区域Ⅰ)称为可变电阻区。该区的特点是：沟道电阻随栅压变化，这是因为在此区域中，uDS较小，管子还未预夹断。(2)恒流区。

(3)击穿区。

(4)截止区。

2)转移特性曲线由于FET的iG≈0，所以，如果像讨论BJT那样来讨论FET的输入特性(uGS与IG的关系)就显得无意义。但研究它的转移特性却是很重要的。转移特性是以uDS为参变量的uGS与iD的关系曲线，如图5.32(b)所示。其函数式为常数

转移特性有以下特点：

(1)当FET工作在恒流区时，不同uDS的转移特性曲线基本接近，这是因为在恒流区内，iD几乎不随uDS而变化。因为在放大器中，管子一般工作在恒流区，为分析方便，通常只画出一条曲线。

(2)在恒流区内，uDS对iD的影响不大，故转移特性可用下面近似公式来表示：(5―19)当4.主要参数

1)直流参数

(1)夹断电压UP。这是指uDS一定，使iD为0时的uGS。

(2)饱和漏极电流IDSS。这是指uGS=0，当uDS＞|UP|时的iD。

(3)直流输入电阻RGS。这是指uDS=0时，uGS与iG之比的比值。由于iG≈0，故RGS很高，一般大于108Ω。2)交流参数

(1)低频跨导(或称互导)gm。这是指uDS一定时，iD与uGS的微变量之比的比值，即常数(5―20)gm反映了uGS对ID的控制能力，是衡量FET放大能力的重要参数，相当于BJT的β。gm的大小与工作点Q有关。它可以通过计算(对式(5-19)求导)求出来，即(5―21)

也可以通过作图法估算出来，具体方法为：当在转移特性曲线上求时，gm是工作点Q处的斜率；当在输出特性曲线上求时，(2)极间电容。极间电容越小，管子的高频特性和开关特性越好。一般，G与S和G与D间之电容CGS和CGD约为1pF~3pF，D与S之间电容CDS约为0.1pF~1pF。3)极限参数

(1)漏极最大耗散功率PDM、漏极最大允许电流IDM，同BJT的PCM、ICM类同，这里不再赘述。

(2)击穿电压：①击穿电压U(BR)DS：指uDS增大到使iD开始急剧增加，发生雪崩击穿时的uDS值。使用时uDS不能超过此值。②击穿电压U(BR)GS：指G、S间P+N结的反向击穿电压。若UGS超过此值，P+N结将被击穿。5.4.3绝缘栅场效应管虽然结型场效应管(JFET)的栅极电阻高达100MΩ以上，但有时还嫌不够高，为此又提出IGFET(绝缘栅场效应管)。IGFET的工作原理建立在半导体表面场效应现象的基础上。所谓表面场效应是指半导体表面有电场作用时，表面载流子浓度发生变化的现象。下面介绍IGFET中的MOS管。1.N沟道增强型IGFET1)结构以金属(Al)—氧化物(SIO2)—半导体(P型SI)三层结构为例，IGFET的结构示意图如图5.33所示。它以P型SI片作衬底材料，在P区上面的左、右两侧各扩散出一个高浓度的N+区，从两个N+区各引出一个金属铝电极，作为源极S和漏极D；同时在P区表面覆盖一层很薄的二氧化硅(SIO2)绝缘层，并在SIO2上引出一个金属铝电极作为栅极G；另外，再从P区引出衬底引线B，这就构成了N沟道MOS管。图5.33N沟道增强型IGFET的结构示意图2)工作原理下面简述增强型NMOS管的工作原理。其原理电路如图5.34所示。

(1)uGS对iD的控制作用：①uGS=0(G、S极间短路)时，两个N+区与P区三者间形成两个背靠背的PN+结，如图5.34(a)所示。这时不管uDS的极性如何，总会有一个PN+结处于反偏，故漏极电流iD≈0，管子截止。图5.34增强型NMOS管工作原理示意图图5.34增强型NMOS管工作原理示意图②uGS＞0时，第一种情况，0＜uGS＜uT，uDS=0。这里的UT为开启电压。UT是一个正值，其值约为2V~10V。

(2)uDS对iD的影响。沟道形成后，因为UD＞US，因此，G极与沟道之间的电位差在靠近S端最大，形成的沟道最宽；在靠近D端最小，形成的沟道最窄，如图5.34(C)所示。2.N沟道耗尽型IGFET

除