半导体元件及其特性课件

半导体元件及其特征

实训1常用半导体元件的识别与性能测方法1用万用表简易判别二极管、三极管

(一)实训目的

(1)认识常用晶体二极管和三极管的外形特征。

(2)学会使用万用表判别晶体二极管的极性和三极管的管脚。(3)熟悉用万用表判别二极管和三极管的质量。

(二)预习要求

(1)预习PN结的外加正、反向电压的工作原理和三极管电流放大原理。

(2)预习万用表电阻挡的使用方法。

(三)实训原理

1.二极管的外形特征

（1）二极管共有两根引脚，两根引脚有正、负之分，在使用中两根引脚不能接反，否则会损坏二极管或损坏电路中的其它元件。

（2）二极管的两根引脚轴向伸出。（3）有一部分二极管外壳上标出二极管的电路符号，以便识别二极管的正负极引脚。

2．万用表测试二极管的原理晶体二极管内部实质上是一个PN结。当外加正向电压，也即P端电位高于N端电位时，二极管导通呈低电阻，当外加反向电压，也即N端电位高于P端电位时，二极管截止呈高电阻。因此可应用万用表的电阻挡鉴别二极管的极性和判别其质量的好坏。实图1.1所示为万用表电阻挡的等效电路。由图可知，表外电路的电流方向从万用表负端（-）流向正端（+），即万用表处于电阻挡时，其（-）端为内电源的正极，（+）端为内电源的负极。

由等效电路图可算出电阻挡在n倍率下输出的短路电流值。测试时，可由指针偏转角占全量程刻度的百分比θ（可通过指针所处直流电压刻度位置估算之）估算流经被测元器件的直流电流。可用下式计算：

I=θ(1.1)在测试小功率二极管时一般使用R×100(Ω)或R×1k(Ω)挡，不致损坏管子。

3.万用表测试三极管的原理

1）基极和管型的判断三极管内部有两个PN结，即集电结和发射结，实图1.2（a）所示为NPN型三极管。与二极管相似，三极管内的PN结同样具有单向导电性。

因此可用万用表电阻挡判别出基极b和管型。例如,NPN型三极管，当用黑表棒接基极b，用红表棒分别搭试集电极c和发射极e，测的阻值均较小；反之，表棒位置交换后，测的阻值均较大。但在测试时未知电极和管型，因此对三个电极脚要调换测试，直到符合上述测量结果为止。然后，再根据在公共端电极上表棒所代表的电源极性，可判别出基极b和管型。如实图1.2（b）所示。

2）集电极和发射极的判别这可根据三极管的电流放大作用进行判别。实图1.3所示的电路，当未接上Rb时,无IB，则IC=ICEO很小，测得c、e间电阻大；

当接上Rb，则有IB，而IC=βIB+ICEO，因此，IC显然要增大，测得c、e间电阻比未接上Rb时为小。如果c、e调头，三极管成反向运用，则β小，无论Rb接与不接，c、e间电阻均较大，因此可判断出c和e极。例如，测量的管型是NPN型，若符合β大的情况，则与黑表棒相接的是集电极c。

3）反向穿透电流ICEO的检查ICEO的大小是衡量三极管质量的一个重要指标，要求越小越好。按产品指标是在UCE某定值下测ICEO，因此用万用表电阻挡测试时，仅为一参考值测量方法仍如实图1.3所示，此时基极应开路，根据指针偏转角的百分比θ，由式（1.1）可估算出ICEO的大小。4）共发射极直流电流放大系数β的性能测试测试方法与2）中判别c、e极方法相似。由三极管电流放大倍数原理可知，在接Rb时测得阻值比未接Rb时为小，即θ角百分比越大，表明三极管的电流放大系数越大。在掌握上述一些测试方法后，即可判别二极管和三极管的PN结是否损坏，是开路还是短路。这是在实用上判断管子是否良好所经常采用的简便方法。应该指出，在用万用表测量晶体管时，应该使用R×100(Ω)或R×1k(Ω)的电阻挡。若放在R×10k(Ω)挡上，则因万用表内接有较高电压的电池，有可能将PN结击穿。若用R×1(Ω)挡，则因万用表的等效电阻较小，会使过大的电流流过PN结，有可能会烧坏晶体管。

(四)实训设备和器件万用表一只；二极管：2AP型，2CP型各一只；三极管：3AX31,3DG6各一只；电阻：100kΩ一只；坏的二极管、三极管若干只。

(五)实训内容

1．测试二极管的正、负极性和正反向电阻

用万用表电阻挡（R×100(Ω)或R×1k(Ω)挡）判别二极管的正、负极。

2．判别三极管的管脚和管型（NPN型和PNP型）

（1）用万用表电阻挡（R×100(Ω)或R×1k(Ω)挡）先判别基极b和管型。

（2）判别出集电极c和发射极e，测定ICEO和β的大小。（3）用万用表测试坏的二极管和三极管，鉴别分析管子质量和损坏情况。

(六)实训报告

(1)将测得数据进行分析整理，填入实表1.1。实表1.1正、反向电阻测量值二极管类型2AP型2CP型万用表电阻挡R×100(Ω)R×1K(Ω)R×100(Ω)R×1K(Ω)正向电阻反向电阻(2)根据测量结果，总结出一般晶体二极管正向电阻、反向电阻的范围。

(七)思考题通过实训，你能否回答下列问题?

(1)能否用万用表测量大功率三极管？测量时使用哪一挡，为什么？

(2)为什么用万用表不同电阻挡测二极管的正向（或反向）电阻值时，测得的阻值不同?

(3)用万用表测得的晶体二极管的正、反向电阻是直流电阻还是交流电阻？用万用表R×10(Ω)挡和R×1k(Ω)挡去测量同一个二极管的正向电阻时，所得的结果是否相同？为什么？(4)我们知道，二极管的反向电阻较大，需用万用表欧姆挡的R×1k(Ω)或R×10k(Ω)挡去测量。有人在测量二极管的反向电阻时，为了使表笔和管脚接触良好，用两手分别把两个接触处捏紧，结果发现管子的反向电阻比实际值小很多，这是为什么？

方法2用逐点法测试二极管和三极管的特性曲线

(一)实训目的

(1)通过用普通万用表测试二极管和三极管的特性曲线，加深理解其特性曲线的物理意义。

(2)了解被测管子各极间的电压和电流在数值上的关系和特点。

(二)预习要求

(1)测量二极管的正向和反向伏安特性对电源的连接和数值有什么要求？在测试同一条伏安特性过程中，为什么不要变更万用表的量程？

(2)共发射极直流与交流电流放大系数概念上有什么区别？(3)三极管的输入特性和输出特性应在什么条件下进行测量？对测量电表有什么要求？

(4)测试锗材料三极管的伏安特性时，若测试时间过长，为什么会影响测量结果？

(三)实训原理

1.二极管伏安特性测试用逐点法测试二极管正、反向伏安特性。逐点改变加在二极管两端电压UVD，测出各点电压UVD和与UVD相对应的电流IVD，即可描绘出伏安特性曲线。

2.三极管共发射极组态伏安特性测试

三极管共发射极组态的伏安特性有输入特性和输出特性。输入特性可用函数式:

IB=f(UBE)|UCE=常数

来表示，即在UCE电压保持不变情况下，基极输入回路中UBE和IB之间的关系。一般当UCE>2V后，输入特性基本重合。输出特性可用函数式：

IC=f(UCE)|IB=常数

来表示，即在基极电流IB保持不变情况下，在集电极输出回路中UCE和IC之间的关系。

3.实训电路实训电路如实图1.4和实图1.5所示。

(四)实训内容

1.测量二极管正、反向特性按实图1.4接线。

(1)测正向伏安特性时，将S、S′各与1、1′相接，电源E=3V，电流用直流毫安表挡测量。

(2)测反向伏安特性时，S、S′各与2、2′相接，电源E=30V，电流用直流微安挡测量。测量时，调节电位器RP使二极管两端电压从零开始逐点增加，并测出各点电压相对应的电流值IVD,记录于实表1.2和实表1.3内。

实表1.2二极管的正向特性

UVD/V

00.100.150.200.250.300.400.500.600.70UVD/MA实表1.3二极管的反向特性-UVD/V

0248121620242832-IVD/uA

2.测量三极管的输入特性

（1）按实图1.5接线，在开启电源前，将UBB调至3V，UCC置于零位，然后开启电源，仍使UCC=0V，并维持不变，即UCE=0V，然后调节RP，使UBE由0V开始逐渐增大，读测并记录与UBE各点相对应的IB，填入实表1.4中。实表1.4三极管的输入特性UBE/V00.100.300.500.550.600.650.700.750.80Uce=0VIB/MAUce=2V实表1.5三极管的输出特性

00.200.501510020406080100120

(五)实训报告

(1)整理数据，填好表格。

(2)根据测试结果，用方格坐标描绘二极管正、反向特性曲线和三极管输入、输出特性曲线。

(3)通过输出特性曲线，在UCE=6V,IB=60μA的工作点上求取共发射极直流电流放大系数和交流电流放大系数β。(六)思考题

(1)如果要测试硅二极管的正向特性，应如何较合理地安排测试点，为什么？

(2)测试PNP型三极管时，电源应如何连接？1.1半导体二极管

1.1.1PN结的形成与特性

1．PN结的形成在半导体材料(硅、锗)中掺入不同杂质可以分别形成N型和P型两种半导体。N型半导体主要靠自由电子导电，称自由电子为多数载流子，而空穴(带正电荷的载流子)数量远少于电子数量，称空穴为少数载流子。P型半导体主要靠空穴导电，称空穴为多数载流子，而自由电子远少于空穴的数量，称自由电子为少数载流子。注意：不论N型半导体还是P型半导体都是电中性，对外不显电性。

当P型半导体和N型半导体接触以后，由于交界两侧半导体类型不同，存在电子和空穴的浓度差。这样，P区的空穴向N区扩散，N区的电子向P区扩散,如图1.1.1(a)所示。由于扩散运动，在P区和N区的接触面就产生正负离子层。N区失掉电子产生正离子，P区得到电子产生负离子。通常称这个正负离子层为PN结。如图1.1.1（b）所示。在ＰＮ结的Ｐ区一侧带负电，Ｎ区一侧带正电。ＰＮ结便产生了内电场，内电场的方向从Ｎ区指向Ｐ区。内电场对扩散运动起到阻碍作用，电子和空穴的扩散运动随着内电场的加强而逐步减弱，直至停止。在界面处形成稳定的空间电荷区，如图１.1.1（b）所示。

当P型半导体和N型半导体接触以后，由于交界两侧半导体类型不同，存在电子和空穴的浓度差。这样，P区的空穴向N区扩散，N区的电子向P区扩散,如图1.1.1(a)所示。由于扩散运动，在P区和N区的接触面就产生正负离子层。N区失掉电子产生正离子，P区得到电子产生负离子。通常称这个正负离子层为PN结。如图1.1.1（b）所示。在ＰＮ结的Ｐ区一侧带负电，Ｎ区一侧带正电。ＰＮ结便产生了内电场，内电场的方向从Ｎ区指向Ｐ区。内电场对扩散运动起到阻碍作用，电子和空穴的扩散运动随着内电场的加强而逐步减弱，直至停止。在界面处形成稳定的空间电荷区，如图１.1.1（b）所示。

2.PN结的特性

1）PN结的正向导通特性给PN结加正向电压，即P区接正电源，N区接负电源，此时称PN结为正向偏置，如图1.1.2（a）所示。这时PN结外加电场与内电场方向相反，当外电场大于内电场时，外加电场抵消内电场，使空间电荷区变窄，有利于多数载流子运动，形成正向电流。外加电场越强，正向电流越大，这意味着PN结的正向电阻变小。

2）PN结的反向截止特性

给PN结加反向电压，即电源正极接N区，负极接P区，称PN结反向偏置，如图1.1.2（b）所示。这时外加电场与内电场方向相同，使内电场的作用增强,PN结变厚，多数载流子运动难于进行，有助于少数载流子运动，形成电流IR，少数载流子很少，所以电流很小，接近于零，即PN结反向电阻很大。综上所述，PN结具有单向导电性，加正向电压时，PN结电阻很小，电流IR较大，是多数载流子的扩散运动形成的；加反向电压时，PN结电阻很大，电流IR很小，是少数载流子运动形成的。将一个PN结加上相应的两根外引线，然后用塑料、玻璃或铁皮等材料做外壳封装就成为最简单的二极管。其中，正极从P区引出，为阳极；负极从N区引出，为阴极。根据所用材料不同，二极管可分为锗管和硅管。

1.1.2二极管的结构和类型

接在二极管P区的引出线称二极管的阳极，接在N区的引出线称二极管的阴极。如图1.1.3(a)所示。二极管的符号如图1.1.3(b)所示，其中三角箭头表示正向电流的方向，正向电流从二极管的阳极流入，阴极流出。二极管有许多类型。从工艺上分，有点接触型和面接触型；按用途分，有整流管、检波二极管、稳压二极管、光电二极管和开关二极管等。

1．点接触型二极管

如图1.1.3(c)所示。这是用一根含杂质元素的金属丝压在半导体晶片上，经特殊工艺、方法，使金属丝上的杂质掺入到晶体中，从而形成导电类型与原晶体相反的区域而构成的PN结。因而其结面积小，允许通过的电流小，但结电容小，工作频率高，适合用作高频检波器件。

2．面接触型二极管如图1.1.3(d)所示。由于面接触型二极管的PN结接触面积较大，PN结电容较大，一般适用于在较低的频率下工作；由于接触面积大，允许通过较大电流和具有较大功率容量，适用于作整流器件。

1.1.3二极管的特性及参数

1．二极管伏安特性

理论分析指出，半导体二极管电流I与端电压U之间的关系可表示为

I=IS(

-1)(1.1.1)此式称为理想二极管电流方程。式中，IS称为反向饱和电流，UT称为温度的电压当量，常温下UT≈26mV。实际的二极管伏安特性曲线如图1.1.4所示。图中，实线对应硅材料二极管，虚线对应锗材料二极管。1）正向特性当二极管承受正向电压小于某一数值(称为死区电压)时，还不足以克服PN结内电场对多数载流子运动的阻挡作用，这一区段二极管正向电流IF很小，称为死区。死区电压的大小与二极管的材料有关，并受环境温度影响。通常，硅材料二极管的死区电压约为0.5V，锗材料二极管的死区电压约为0.1V。当正向电压超过死区电压值时，外电场抵消了内电场，正向电流随外加电压的增加而明显增大，二极管正向电阻变得很小。当二极管完全导通后，正向压降基本维持不变，称为二极管正向导通压降UF。一般硅管的UF为0.7V，锗管的UF为0.3V。以上是二极管的正向特性。2）反向特性当二极管承受反向电压时，外电场与内电场方向一致，只有少数载流子的漂移运动，形成的漏电流IR极小，一般硅管的IR为几微安以下，锗管IR较大，为几十到几百微安。这时二极管反向截止。当反向电压增大到某一数值时，反向电流将随反向电压的增加而急剧增大，这种现象称二极管反向击穿。击穿时对应的电压称为反向击穿电压。普通二极管发生反向击穿后，造成二极管的永久性损坏，失去单向导电性。以上是二极管的反向特性。

2．二极管的主要参数二极管参数是反映二极管性能质量的指标。必须根据二极管的参数来合理选用二极管。二极管的主要参数有4项。1）最大整流电流IFM

IFM是指二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流值，由PN结的面积和散热条件所决定，用IFM表示。工作时，管子通过的电流不应超过这个数值，否则将导致管子过热而损坏。

2）最高反向工作电压URM

URM是指二极管不击穿所允许加的最高反向电压。

超过此值二极管就有被反向击穿的危险。URM通常为反向击穿电压的1/2~2/3，以确保二极管安全工作。

3）最大反向电流IRMIRM是指二极管在常温下承受最高反向工作电压URM时的反向漏电流，一般很小，但其受温度影响较大。当温度升高时，IRM显著增大。

4）最高工作频率fM

fM是指保持二极管单向导通性能时，外加电压允许的最高频率。二极管工作频率与PN结的极间电容大小有关，容量越小，工作频率越高。二极管的参数很多，除上述参数外，还有结电容、正向压降等，实际应用时，可查阅半导体器件手册。

1.1.4半导体二极管的应用二极管是电子电路中最常用的半导体器件。利用其单向导电性及导通时正向压降很小的特点，可用来进行整流、检波、钳位、限幅、开关以及元件保护等各项工作。

1．整流所谓整流,就是将交流电变为单方向脉动的直流电。利用二极管的单向导电性可组成单相、三相等各种形式的整流电路，然后再经过滤波、稳压，便可获得平稳的直流电。这些内容将在第7章详细介绍。

2．钳位利用二极管正向导通时压降很小的特性，可组成钳位电路，如图1.1.5所示。

图中，若A点UA=0，二极管VD可正向导通，其压降很小，故F点的电位也被钳制在0V左右，即UF≈0。

3．限幅利用二极管正向导通后其两端电压很小且基本不变的特性，可以构成各种限幅电路，使输出电压幅度限制在某一电压值以内。图1.1.6(a)为一正负对称限幅电路，设输入电压ui=10sinωt(V),Us1=Us2=5V。当-Us2<ui<Us1时，VD1、VD2都处于反向偏置而截止，因此i=0,uo=ui。当ui>Us1时，VD1处于正向偏置而导通，使输出电压保持在Us1。

当ui<-Us1时，VD2处于正向偏置而导通，输出电压保持在-Us2。由于输出电压uo被限制在+Us1与-Us2之间，即|uo|≤5V,好像将输入信号的高峰和低谷部分削掉一样,因此这种电路又称为削波电路。输入、输出波形如图1.1.6(b)所示。

4．元件保护在电子线路中，常用二极管来保护其他元器件免受过高电压的损害，如图1.1.7所示电路，L和R是线圈的电感和电阻。

在开关S接通时，电源E给线圈供电，L中有电流流过，储存了磁场能量。在开关S由接通到断开的瞬时，电流突然中断，L中将产生一个高于电源电压很多倍的自感电动势eL，eL与E叠加作用在开关S的端子上，在S的端子上产生电火花放电，这将影响设备的正常工作，使开关S寿命缩短。接入二极管VD后，eL通过二极管VD产生放电电流i,使L中储存的能量不经过开关S放掉，从而保护了开关S。除以上用途外，还有许多特殊结构的二极管，例如发光二极管、热敏二极管等。随着半导体技术的发展，二极管应用范围越来越多，其中发光二极管是应用较多的一种二极管。

1.1.5特种二极管

1.发光二极管及其应用

1)发光二极管的符号及特性发光二极管的符号如图1.1.8(a)所示。它是一种将电能直接转换成光能的固体器件，简称LED(LightEmittingDiode)。发光二极管和普通二极管相似，也由一个PN结组成。发光二极管在正向导通时，由于空穴和电子的复合而发出能量，发出一定波长的可见光。光的波长不同，颜色也不同。常见的LED有红、绿、黄等颜色。发光二极管的驱动电压低、工作电流小，具有很强的抗振动和抗冲击能力。由于发光二极管体积小、可靠性高、耗电省、寿命长，被广泛用于信号指示等电路中。

发光二极管的伏安特性如图1.1.8（b）所示。它和普通二极管的伏安特性相似，只是在开启电压和正向特性的上升速率上略有差异。当所施加正向电压UF未达到开启电压时，正向电流几乎为零，但电压一旦超过开启电压时，电流急剧上升。发光二极管的开启电压通常称做正向电压，它取决于制作材料的禁带宽度。例如GaAsP红色LED约为1.7V，而GaP绿色的LED则约为2.3V。几种常见的发光材料的主要参数如表1.1.1所示。LED的反向击穿电压一般大于5V，但为使器件长时间稳定而可靠的工作，安全使用电压选择在5V以下。2)发光二极管的应用

(1)电源通断指示发光二极管作为电源通断指示电路，如图1.1.9所示，通常称为指示灯，在实际应用中给人提供很大的方便。发光二极管的供电电源既可以是直流的也可以是交流的，但必须注意的是，发光二极管是一种电流控制器件，应用中只要保证发光二极管的正向工作电流在所规定的范围之内，它就可以正常发光。具体的工作电流可查阅有关资料。

(2)数码管是电子技术中应用的主要显示器件，其就是用发光二极管经过一定的排列组成的，如图1.1.10(a)所示。

这是最常用的七段数码显示。要使它显示0~9的一系列数字只要点亮其内部相应的显示段即可。七段数码显示有共阳极(图1.1.10(b))和共阴极(图1.1.10(c))之分。数码管的驱动方式有直流驱动和脉冲驱动两种，应用中可任意选择。数码管应用十分广泛，可以说，凡是需要指示或读数的场合，都可采用数码管显示。其它的光电器件还有光电二极管、激光二极管等，有关内容读者可参阅相关资料。

2.稳压二极管硅稳压二极管简称稳压管，是一种特殊的二极管，它与电阻配合具有稳定电压的特点。1）稳压管的伏安特性通过实验测得稳压管伏安特性曲线如图1.1.11所示。从特性曲线可以看到，稳压管正向偏压时，其特性和普通二极管一样；反向偏压时，开始一段和二极管一样，当反向电压达到一定数值以后，反向电流突然上升，而且电流在一定范围内增长时，管两端电压只有少许增加，变化很小，具有稳压性能。这种“反向击穿”是可恢复的，只要外电路限流电阻保障电流在限定范围内，就不致引起热击穿而损坏稳压管。稳压管的符号见图1.1.11。

2）稳压管的主要参数

(1)稳定电压值UVDZ:稳压管在正常工作时管子的端电压,一般为3~25V，高的可达200V。

(2)稳定电流IVDZ:稳压管正常工作时的参考电流。开始稳压时对应的电流最小，为最小稳压电流IVDZmin；对应额定功耗时的稳压电流为最大稳压电流IVDZmax。正常工作电流IVDZ取VD2min~IVDZmax间某个值。

(3)动态电阻rVDZ:稳压管端电压的变化量ΔUVDZ与对应电流变化量ΔIVDZ之比，即

其值为几欧至十几欧。

(4)稳定电压的温度系数:当温度变化1℃时稳压管的稳压值UVDZ的相对变化量。例如,2CW17的电压温度系数为9×10-4/℃。稳压值低于4V的稳压管，电压温度系数为负（表现为齐纳击穿）；高于7V的稳压管，系数为正（表现为雪崩击穿）；而6V左右的管子（呈现两种击穿），稳压值受温度影响较小。

(5)稳压管额定功耗PVDZM

:保证稳压管安全工作所允许的最大功耗。其大小为

PVDZM=UVDZIVDZmax

3）稳压二极管的应用稳压二极管用来构成的稳压电路，如图1.1.12所示。

UI是不稳定的可变直流电压，希望得到稳定的电压UO，故在两者之间加稳压电路。它由限流电阻R和稳压管VDZ构成，RL是负载电阻。例1.1在图1.1.13中，已知稳压二极管的UVDZ=6.3V,当UI=±20V，R=1kΩ时，求UO。已知稳压二极管的正向导通压降UF=0.7V。解当UI=+20V,VDZ1反向击穿稳压，UVDZ1=6.3V，VDZ2正向导通，UF2=0.7V，则UO=+7V；同理，UI=-20V,UO=-7V。1.2半导体三极管

1.2.1三极管的结构及类型三极管是由两个PN结、3个杂质半导体区域组成的，因杂质半导体有P、N型两种，所以三极管的组成形式有NPN型和PNP型两种。结构和符号如图1.2.1所示。

1.三极管的结构及类型不管是NPN型还是PNP型三极管，都有三个区：基区、发射区、集电区，以及分别从这三个区引出的电极：发射极e、基极b和集电极c;两个PN结分别为发射区与基区之间的发射结和集电区与基区之间的集电结。

三极管基区很薄，一般仅有1微米至几十微米厚，发射区浓度很高，集电结截面积大于发射结截面积。注意，PNP型和NPN型三极管表示符号的区别是发射极的箭头方向不同，这个箭头方向表示发射结加正向偏置时的电流方向。使用中要注意电源的极性，确保发射结永远加正向偏置电压，三极管才能正常工作。三极管根据基片的材料不同，分为锗管和硅管两大类，目前国内生产的硅管多为NPN型（3D系列），锗管多为PNP型（3A系列）；从频率特性分，可分为高频管和低频管；从功率大小分，可分为大功率管、中功率管和小功率管，等等。实际应用中采用NPN型三极管较多，所以下面以NPN型三极管为例加以讨论，所得结论对于PNP三极管同样适用。

2.三极管电流分配和放大作用为了定量地了解三极管的电流分配关系和放大原理，我们先做一个试验，试验电路如图1.2.2所示。电源UB使发射结承受正向偏置电压，而电源UCC>UBB，使集电结承受反向偏置电压，这样做的目的是使三极管能够具有正常的电流放大作用。通过改变电阻Rb，基极电流IB、集电极电流IC和发射极电流IE都发生变化，表1.2.1为试验所得一组数据。

将表中数据进行比较分析，可得出如下结论：

IE=IC+IB，三个电流之间的关系符合基尔霍夫电流定律。IC≈IE，IB虽然很小，但对IC有控制作用，IC随IB改变而改变。例如IB由40μA增加到50μA，IC从3.2mA增加到4mA,即

β称为三极管的电流放大系数，它反映三极管的电流放大能力，也可以说电流IB对IC的控制能力。1)三极管内部载流子的运动规律三极管电流之间为什么具有这样的关系呢？这可以通过在三极管内部载流子的运动规律来解释。

(1)发射区向基区发射电子。由图1.2.3可知，电源UBB经过电阻Rb加在发射结上，发射结正偏，发射区的多数载流子——自由电子不断地越过发射结而进入基区，形成发射极电流IE。同时，基区多数载流子也向发射区扩散，但由于基区很薄，可以不考虑这个电流。因此，可以认为三极管发射结电流主要是电子流。(2)基区中的电子进行扩散与复合。电子进入基区后，先在靠近发射结的附近密集，渐渐形成电子浓度差，在浓度差的作用下，促使电子流在基区中向集电结扩散，被集电结电场拉入集电区，形成集电结电流IC。也有很小一部分电子与基区的空穴复合，形成复合电子流。扩散的电子流与复合电子流的比例决定了三极管的放大能力。

(3)集电区收集电子。由于集电结外加反向电压很大，这个反向电压产生的电场力将阻止集电区电子向基区扩散，同时将扩散到集电结附近的电子拉入集电区而形成集电结主电流ICN。

另外集电区的少数载流子——空穴也会产生漂移运动，流向基区，形成反向饱和电流ICBO，其数值很小，但对温度却非常敏感。

2）三极管的电流分配关系综合载流子的运动规律，三极管内的电流分配如图1.2.4所示，图中的箭头表示电流方向。由于三极管基区的杂质浓度很低，且厚度很薄，这就减小了电子和空穴复合的机会，所以从发射区注入到基区的电子只有很小一部分在基区复合掉，绝大部分到达集电区。这就是说构成发射极电流IE的两部分中，IBE部分是很小的，ICE部分所占百分比是大的，若它们的比值用hFE本表示，则有hFE本表示三极管的电流放大能力，称为本征电流放大系数。它的大小取决于基区中载流子扩散与复合的比例关系，这种比例关系是由管子内部结构决定的，一旦管子制成后，这种比例关系（hFE本值）也就确定了。对照图1.2.4并结合式（1.2.1），各极电流满足下列分配关系：

IB=IBE-ICBO

IC=ICE+ICBO

=hFE本IBE+ICBO

=hFE本(IB+ICBO)+ＩCBO

=hFE本IB+(1+hFE本)ICBO

=hFE本IB+ICEO

ICEO=(1+hFE本)ICBO

IE=ICE+IBE

=(IC-ICBO)+(IB+ICBO)

=IC+IB

由三极管内部的载流子运动规律可知，集电极电流IC主要来源于发射极电流IE（IC受IE控制），而同集电极外电路几乎无关，只要加到集电结上的反向电压能够把从基区扩散到集电结附近的电子吸引到集电区即可。这就是三极管的电流控制作用。三极管能实现放大作用也是以此为基础的，这也是三极同二极管一个质的区别所在。

IE的大小是由发射结上的外加正向电压UBE的大小决定的，UBE的变化将引起IE的变化，IE的变化再引起IB和IC的变化，所以，实质上是发射结上的正向电压UBE对各极电流有控制作用。UBE变化能引起IC变化的现象，本应理解为电压控制，但二者的关系是非线性的，表达起来很不方便，而从式（1.2.2）可知，当ICBO（或ICEO）可忽略时，则有IC≈hFE本IB，表明IC同IB（或IE）有一个比例关系，使用起来很方便，所以通常说IC受IB（或IE）控制，或者说，IC随IB（或IE）成正比变化。于是也就把双极型三极管称为“电流控制器件”。

这里还需指出，三极管的结构特点是它具有电流控制作用的内部依据，而发射结正向偏置、集电结反向偏置是它实现电流控制作用的外部条件。这是因为IC受IB（或IE）控制，是在满足上述外部条件下实现的，因此，三极管在作放大运用时的直流供电必须满足这个外部条件。

3）放大作用将图1.2.4所示的三极管模型用其符号表示重绘于图1.2.5上。在基极回路（b、e间）加入一个待放大的信号电压us;在集电极回路（c、e间）串入一个负载电阻RL，RL两端电压变量为ΔuO。基极接信号称输入端，集电极接负载，称之为输出端，发射极既接信号又接负载，称之为公共端。这种连接方式称为共发射极接法。1.2.2三极管的特性曲线

图1.2.6是测试三极管共射极接法特性的电路图。

1.共射输入特性图1.2.7给出了某三极管的输入特性。下面，我们分两种情况进行讨论。

1)当UCE=0时的输入特性（图中曲线①）当UCE=0时，相当于集电极和发射极间短路，三极管等效成两个二极管并联，其特性类似于二极管的正向特性。2)当UCE≥1V时的输入特性（图中曲线②）当UCE≥1V时，输入特性曲线右移（相对于UCE=0时的曲线），表明对应同一个UBE值，IB减小了，或者说，要保持IB不变，UBE需增加。这是因为集电结加反向电压，使得扩散到基区的载流子绝大部分被集电结吸引过去而形成集电极电流IC,只有少部分在基区复合，形成基极电流IB,所以IB减小而使曲线右移。对应输入特性曲线某点（例如图1.2.8的Q点）切线斜率的倒数，称为三极管共射极接法（Q点处）的交流输入电阻，记作rbe,即

2.输出特性曲线

输出特性曲线是指当三极管基极电流IB为常数时，集电极电流IC与集电极、发射极间电压UCE之间的关系，即

IC=f(UCE)|IB

=常数在图1.2.6中，先调节RP1为一定值，例如IB=40μA，然后调节RP2使UCE由零开始逐渐增大，就可作出IB=40μA时的输出特性。同样做法，把IB调到0μA,20μA,60μA……，就可以得一组输出特性曲线。如图1.2.9所示。1）截止区

2）放大区

(1)对应同一个IB值，|UCE|增加时，IC基本不变（曲线基本与横轴平行）。

(2)对应同一个UCE值，IB增加，IC显著增加，并且IC的变量ΔIC与IB的变量ΔIB基本为正比关系（曲线簇等间距）。

3）饱和区

1.2.3三极管的主要参数

1.电流放大系数β

动态（交流）电流放大系数β：当集电极电压UCE为定值时，集电极电流变化量ΔIC与基极电流变化量ΔIB之比，即

静态（直流）电流放大系数：三极管为共发射极接法，在集电极-发射极电压UCE一定的条件下，由基极直流电流IB所引起的集电极直流电流与基极电流之比，称为共发射极静态（直流）电流放大系数，记作

2.极间反向截止电流１)发射极开路，集电极－基极反向截止电流ICBO

ICBO可以通过图1.2.10所示电路进行测量。２)基极开路，集电极－发射极反向截止电流ICEOICEO是当三极管基极开路而集电结反偏和发射结正偏时的集电极电流。测试电路如图1.2.11所示。

3.极限参数

3.极限参数集电极最大允许电流ICM：当IC超过一定数值时β下降，β下降到正常值的2/3时所对应的IC值为ICM，当IC>ICM时，可导致三极管损坏。反向击穿电压U（BR）CEO：基极开路时，集电极、发射极之间最大允许电压为反向击穿电压U（BR）CEO，当UCE

>U（BR）CEO时，三极管的IC、IE剧增，使三极管击穿。为可靠工作，使用中取

根据给定的PCM值可以作出一条PCM曲线如图1.2.12所示，由PCM、ICM和U（BR）CEO包围的区域为三极管安全工作区。例2.1在图1.2.6所示电路中，若选用3DG6D型号的三极管，（1）电源电压UCC最大不得超过多少伏？（2）根据IC≤ICM的要求，RP2电阻最小不得小于多少千欧姆？解：查表，3DG6D参数是：ICM=20mA,U(BR)CEO=30V,PCM=100mW。(1)UCC=(2)UCE=UCC-ICRP2

IC=

其中，UCE最低一般为0.5V，故可略。由IC＜ICM，所以,故

1.2.4复合三极管

复合三极管是把两个三极管的管脚适当的连接起来使之等效为一个三极管，典型结构如图1.2.13所示。以图1.2.13(a)为例分析。

ic=ic1+ic2=β1ib1+β2ib2

=β1ib1+β2(1+β1)ib1

≈β1ib1+β2β1ib1

=β1ib1（1+β2）

≈

β1β2ib1

即

β=

说明复合管的电流放大系数β近似等于两个管子电流放大系数的乘积。同时有

ICEO=ICEO2+β2ICEO1

表明复合管具有穿透电流大的缺点。1.3场效应管

1.3.1结型场效应管

1.结构及符号结型场效应管也是具有PN结的半导体器件，图1.3.1（a）绘出了N沟道结型场效应管的结构（平面）示意图。它是一块N型半导体材料作衬底，在其两侧作出两个杂质浓度很高的P+型区，形成两个PN结。从两边的P型区引出两个电极并联在一起，成为栅极(G)；在N型衬底材料的两端各引出一个电极，分别称为漏极（D）和源极（S）。两个PN结中间的N型区域称为导电沟道，它是漏、源极之间电子流通的途径。这种结构的管子被称为N型沟道结型场效应管，它的代表符号如图1.3.1（b）所示。

如果用P型半导体材料作衬底，则可构成P沟道结型场效应管，其代表符号如图1.3.1(c)所示。N沟道和P沟道结型场效应管符号上的区别，在于栅极的箭头方向不同，但都要由P区指向N区。

2.基本工作原理。上述两种结构的结型场效应管工作原理完全相同，下面我们以N型沟道结型场效应管为例进行分析。研究场效应管的工作原理，主要是讲输入电压对输出电流的控制作用。在图1.3.2中，绘出了当漏源电压UDS=0时，栅源电压UGS大小对导电沟道影响的示意图。

（1）当UGS=0时，PN结的耗尽层如图1.3.2(a)中阴影部分所示。耗尽层只占N型半导体体积的很小一部分，导电沟道比较宽，沟道电阻较小。（2）当在栅极和源极之间加上一个可变直流负电源UGG时，此时栅源电压UGS为负值，两个PN结都处于反向偏置，耗尽层加宽，导电沟道变窄，沟道电阻加大，如图1.3.2(b)所示。而且栅源电压UGS愈负，导电沟道愈窄，沟道电阻愈大。（3）当栅源电压UGS负到某一值时，两边的耗尽层近于碰上，仿佛沟道被夹断，沟道电阻趋于无穷大，如图1.3.2（c）所示。此时的栅源电压称为栅源截止电压（或夹断电压），并以UGS（off）表示。GS(off)时由以上的分析可知，改变栅源电压UGS的大小，就能改变导电沟道的宽窄，也就能改变沟道电阻的大小。如果在漏极和源极之间接入一个适当大小的正电源UDD，则N型导电沟道中的多数载流子（电子）便从源极通过导电沟道向漏极作漂移运动，从而形成漏极电流ID。显然，在漏源电压UDS一定时，ID的大小是由导电沟道的宽窄（即电阻的大小）决定的，当UGS=UGS（off）时，ID≈0。于是我们得出结论：栅源电压UGS对漏极电流ID有控制作用。这种利用电压所产生的电场控制半导体中电流的效应，称为“场效应”。场效应管因此得名。ID=f(UGS)|UDS=常数

图1.3.3给出了某N沟道结型场效应管的转移特性。从图中可以看出UGS对ID的控制作用。UGS=0时的ID，称为栅源短路时漏极电流，记为IDSS。使ID≈0时的栅源电压就是栅源截止电压UGS（off）。从图中还可看出，对应不同的UDS，转移特性不同。但是，当UDS大于一定数值后，不同的UDS,转移特性是很靠近的，这时可以认为转移特性重合为一条曲线，使分析得到简化。此外，图1.3.3中的转移特性，可以用一个近似公式来表示：ID≈IDSS(1-

0≥UGS≥UGS(off)

这样，只要给出IDSS和UGS（off）就可以把转移特性中其它点估算出来。

2)输出特性曲线输出特性曲线（也叫漏极特性）是指在栅源电压UGS一定时，漏极电流ID与漏源电压UDS之间关系。函数表示为

ID=f(UDS)|UGS

=常数图1.3.4给出了某N沟道结型场效应管的的输出特性。从图中可以看出，管子的工作状态可分为可变电阻区、恒流区和击穿区这三个区域。(1)可变电阻区：特性曲线上升的部分称为可变电阻区。在此区内，UDS较小，ID随UDS的增加而近于直线上升，管子的工作状态相当于一个电阻，而且这个电阻的大小又随栅源电压UGS的大小变化而变（不同UGS的输出特性的切斜率不同），所以把这个区域称为可变电阻区。

(2)恒流区：曲线近于水平的部分称为恒流区（又称饱和区）。在此区内，UDS增加，ID基本不变（对应同一UGS），管子的工作状态相当于一个“恒流源”，所以把这部分区域称为恒流区。

在恒流区内，ID随UGS的大小而改变，曲线的间隔反映出UGS对ID的控制能力。从这种意义来讲，恒流区又可称为线性放大区。场效应管作放大运用时，一般就工作在这个区域。恒流区产生的物理原因，是由于漏源电压UDS在N沟道的纵向产生电位梯度，使得从漏极至源极沟道的不同位置上，沟道-栅极间的电压不相等，靠近漏端最大，耗尽层也最宽，而靠近源端的耗尽层最窄。这样，在UGS和UDS的共同作用下，导电沟道呈楔型，如图1.3.5所示。

由于耗尽层的电阻比沟道的电阻大得多，所以UDS增加的部分几乎全部降落在夹断处的耗尽层上，在导电沟道上的电位梯度几乎不变，因而ID就几乎不变，出现恒流现象。从上面的分析，可以得到N沟道结型场效应管产生夹断（即出现恒流）的条件为

UGD≥UGS(off)UGS(off)＜0

或UGS-UDS≤UGS（off）即UDS≥UGS—UGS（off）

(3)击穿区:

特性曲线快速上翘部分称为击穿区。在此区内，UDS较大，ID剧增，出现了击穿现象。场效应管工作时，不允许进入这个区域。

1.3.2绝缘栅场效应管

1.N沟道增强型绝缘栅场效应管的结构

N沟道增强型绝缘栅场效应管的结构如图1.3.6(a)所示。它的制作过程是：以一块杂质浓度较低的P型硅半导体薄片作衬底，利用扩散方法在上面形成两个高掺杂的N+区，并在N+区上安置两个电极，分别称为源极（S）和漏极（D）；然后在半导体表面覆盖一层很薄的二氧化硅绝缘层，并在二氧化硅表面再安置一个金属电极，称为栅极（G）；栅极同源极、漏极均无电接触，故称“绝缘栅极”。

由于这种管子是由金属、氧化物和半导体所组成，所以又称为金属氧化物半导体场效应管，简称MOS场效应管。它是目前应用最广的一种。根据栅极（金属）和半导体之间绝缘材料的不同，绝缘栅场效应管有各种类型，例如以氮化硅作绝缘层的MNS管，以氧化铅作绝缘层的MAIS管，等等。如果以N型硅作衬底，可制成P沟道增强型绝缘栅场效应管。N沟道和P沟道增强型绝缘栅场效应管的符号分别如图1.3.6(b)和(c)所示，它们的区别是衬底的箭头方向不同。

2.N沟道增强型绝缘栅场效应管的工作原理

在图1.3.6（a）中，如果将栅、源极短路，那末不论漏、源极间加的电压极性如何，总会有一个PN结呈反向偏置，漏、源极间将无电流。

如果在栅、源极间加上一个正电源UGG，并将衬底与源极相连，如图1.3.7所示。此时，栅极（金属）和衬底（P型硅片）相当于以二氧化硅为介质的平板电容器，在正栅源电压UGS（即栅-衬底电压UGU）的作用下，介质中便产生一个垂直于P型衬底表面的由栅极指向衬底的电场，从而将衬底里的电子感应到表面上来。当UGS较小时，感应到衬底表面上的电子数很少，并被衬底表层的大量空穴复合掉；直至UGS增加超过某一临界电压时，介质中的强电场才在衬底表面层感应出“过剩”的电子。

于是，便在P型衬底的表面形成一个N型层——称为反型层。这个反型层与漏、源的N+区之间没有PN结阻挡层，而具有良好的接触，相当于将漏、源极连在一起（见图1.3.7）。若此时加上漏源电压UDS，就会产生ID。形成反型层的临界电压，称为栅源阈电压（或称为开启电压），用UGS(th)表示。这个反型层就构成源极和漏极的N型导电沟道，由于它是在电场的感应下产生的，故也称为感生沟道。显然，N型导电沟道的厚薄是由栅源电压UGS的大小决定的。改变UGS，可以改变沟道的厚薄，也就是能够改变沟道的电阻，从而可以改变漏极电流iD的大小。于是，我们得出结论：栅源电压UGS能够控制漏极电流ID。

上述这种在UGS=0时没有导电沟道，而必须依靠栅源正电压的作用，才能形成导电沟道的场效应管，称为增强型场效应管。

N沟道增强型绝缘栅场效应管的特性曲线（示意图）如图1.3.8所示。图1.3.8（a）的转移特性是在UDS为某一固定值的条件下测出的，当UGS<UGS(th)时，ID=0；当UGS≥UGS(th)时，导电沟道形成，并且ID随UGS的增大而增大。图1.3.8（b）为输出特性,同结型场效应管的情况类似。

3.N沟道耗尽型绝缘栅场效应管的工作原理

N沟道耗尽型绝缘栅场效应管的结构和增强型基本相同，只是在制作这种管子时，预先在二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子。图1.3.8

N沟道增强型绝缘栅场效应管伏安特性

(a)转移特性；(b)输出特性

这样，即使在UGS=0时，由于正离子的作用，也能在P型衬底表面形成感生沟道，将源区和漏区连接起来，如图1.3.9所示。当漏、源极之间加上正电压UDS时，就会有较大的漏极电流ID。如果UGS为负，介质中的电场被削弱，使N型沟道中感应的负电荷减少，沟道变薄（电阻增大），因而ID减小。这同结型场效应管相似，故称为“耗尽型”。所不同的是，N沟道耗尽型绝缘栅场效应管可在UGS>0的情况下工作，此时在N型沟道中感应出更多的负电荷，使ID更大。不论栅源电压为正还是为负都能起控制ID大小的作用，而又基本无栅流，这是这种管子的一个重要特点。

耗尽型绝缘栅场效应管的符号如图1.3.10所示。图（a）为Ｎ沟道耗尽型绝缘栅场效应管的符号，图（b）为Ｐ沟道耗尽型绝缘栅场效应管的符号。二者的区别只是衬底Ｕ的箭头方向不同。Ｎ沟道耗尽型绝缘栅场效应管的特性曲线如图1.3.11所示。

现在，我们对ＭＯＳ管的符号再作进一步说明。在图1.3.6（b）、（c）和图1.3.10（a）、（b）中画出了四种类型ＭＯＳ管各自的符号。在Ｎ沟道ＭＯＳ管符号中，衬底上的箭头是向内的（由Ｐ型衬底指向Ｎ型沟道）；而在Ｐ沟道ＭＯＳ管的符号中，衬底上的箭头是向外的，（由Ｐ型沟道指向Ｎ型衬底）。在增强型ＭＯＳ管的符号中，Ｓ、Ｄ和衬底Ｕ之间是断开的，表示UGS＝０时导电沟道没有形成；在耗尽型ＭＯＳ管的符号中，Ｓ、Ｄ和Ｕ是连在一起的，表示UGS=0时导电沟道业已存在。此外，在集成电路中，如无需区别沟道类型、工作型式时，MOS管可采用图1.3.12所示的简化符号。

1.3.3场效应管的主要参数

(1)开启电压UGS(th):当UDS为常数时，形成ID所需的最小|UGS|值，称开启电压。

(2)夹断电压UGS(off):在UDS固定时，使ID为某一微小电流(如1μA、10μA)所需的UGS值。

(3)低频跨导gm:UDS为定值时，漏极电流ID的变化量ΔID与引起这个变化的栅源电压UGS的变化量ΔUGS的比值，即(4)漏源击穿电压U（BR）GS:管子发生击穿，ID急剧上升时的UDS值；UDS<U（BR)GS。

(5)最大耗散功率PDM:PD=IDUDS<PDM。不能超过PDM，否则要烧坏管子。

(6)最大漏极电流IDM：管子工作时，ID不允许超过这个值。

1.３.４场效应管与三极管的比较

(1)场效应管是电压控制器件，而三极管是电流控制器件，但都可获得较大的电压放大倍数。

(2)场效应管温度稳定性好，三极管受温度影响较大。

(3)场效应管制造工艺简单，便于集成化，适合制造大规模集成电路。

(4)场效应管存放时，各个电极要短接在一起，防止外界静电感应电压过高时击穿绝缘层使其损坏。焊接时电烙铁应有良好的接地线，防止感应电压对管子的损坏。1.4晶闸管

1.4.1晶闸管的基本结构晶闸管是在晶体管的基础上发展起来的一种大功率半导体器件，由四层半导体Ｐ1、Ｎ１、Ｐ２、Ｎ２制成，形成三个ＰＮ结Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３，如图1.4.1(ａ)所示。由最外的Ｐ１层引出的电极为阳极Ａ，最外的Ｎ２层引出的电极为阴极Ｋ，由中间的Ｐ２层引出的电极为控制极Ｇ，然后用外壳封装起来，图1.4.1(ｂ)为示意图。图1.4.1(ｃ)是晶闸管的表示符号。普通型晶闸管有螺栓式和平板式。图1.4.2(ａ)是螺栓式晶闸管，图中带有螺栓的是阳极引出端，同时可以利用它固定散热片，另一端较粗的一根是阴极引出线，另一根较细的是控制极引出线。图1.4.2(