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1 第 一 章 半 导 体 器 件软 件 学 院侯 刚 2 主 要 内 容 1.1 半 导 体 基 础 知 识 1.2 二 极 管 1.3 稳 压 二 极 管 1.4 其 它 类 型 二 极 管 1.5 半 导 体 三 极 管 1.6 场 效 应 管 3 1.1 半 导 体 基 础 知 识 导 体 ： 自 然 界 中 很 容 易 导 电 的 物 质 称 为 导体 ， 金 属 一 般 都 是 导 体 。 绝 缘 体 ： 有 的 物 质 几 乎 不 导 电 ， 称 为 绝 缘体 ， 如 橡 皮 、 陶 瓷 、 塑 料 和 石 英 。 半 导 体 ： 另 有 一 类 物 质 的 导 电 特 性 处 于 导体 和 绝 缘 体 之 间 ， 称 为 半 导 体 ， 如 锗 、 硅 、砷 化 镓 和 一 些 硫 化 物 、 氧 化 物 等 。 4 1.1 半 导 体 基 础 知 识 半 导 体 的 导 电 机 理 不 同 于 其 它 物 质 ， 所以 它 具 有 不 同 于 其 它 物 质 的 特 点 。 半 导 体 的 特 点 ： 热 敏 性 光 敏 性 掺 杂 性 5 1.1.1 本 征 半 导 体 完 全 纯 净 的 、 结 构 完 整 的 半 导 体 材 料 称 为本 征 半 导 体 。 本 征 半 导 体 的 原 子 结 构 及 共 价 键 。共 价 键 内 的 两 个 电 子由 相 邻 的 原 子 各 用 一个 价 电 子 组 成 ， 称 为束 缚 电 子 。 6 1.1.1 本 征 半 导 体 本 征 激 发 和 两 种 载 流 子 自 由 电 子 和 空 穴 温 度 越 高 ， 半 导 体 材 料 中 产 生 的 自 由 电 子 便 越 多 。 束缚 电 子 脱 离 共 价 键 成 为 自 由 电 子 后 ， 在 原 来 的 位 置 留 有 一 个空 位 ， 称 此 空 位 为 空 穴 。 本 征 半 导 体 中 ， 自 由 电 子 和 空 穴 成对 出 现 ， 数 目 相 同 。 7 1.1.1 本 征 半 导 体 空 穴 出 现 以 后 ， 邻 近 的 束 缚 电 子 可 能 获 取 足 够 的 能 量 来填 补 这 个 空 穴 ， 而 在 这 个 束 缚 电 子 的 位 置 又 出 现 一 个 新 的 空位 ， 另 一 个 束 缚 电 子 又 会 填 补 这 个 新 的 空 位 ， 这 样 就 形 成 束缚 电 子 填 补 空 穴 的 运 动 。 为 了 区 别 自 由 电 子 的 运 动 ， 称 此 束缚 电 子 填 补 空 穴 的 运 动 为 空 穴 运 动 。 8 1.1.1 本 征 半 导 体 结 论(1) 半 导 体 中 存 在 两 种 载 流 子 ， 一 种 是 带 负 电 的 自 由 电 子 ，另 一 种 是 带 正 电 的 空 穴 ， 它 们 都 可 以 运 载 电 荷 形 成 电 流 。 (2) 本 征 半 导 体 中 ， 自 由 电 子 和 空 穴 结 伴 产 生 ， 数 目 相 同 。(3) 一 定 温 度 下 ， 本 征 半 导 体 中 电 子 空 穴 对 的 产 生 与 复 合 相对 平 衡 ， 电 子 空 穴 对 的 数 目 相 对 稳 定 。(4) 温 度 升 高 ， 激 发 的 电 子 空 穴 对 数 目 增 加 ， 半 导 体 的 导 电能 力 增 强 。 空 穴 的 出 现 是 半 导 体 导 电 区 别 导 体 导 电 的 一 个 主要 特 征 。 9 1.1.2 杂 质 半 导 体 在 本 征 半 导 体 中 加 入 微 量 杂 质 ， 可 使 其 导 电 性能 显 著 改 变 。 根 据 掺 入 杂 质 的 性 质 不 同 ， 杂 质 半 导体 分 为 两 类 ： 电 子 型 （ N型 ） 半 导 体 和 空 穴 型 （ P型 ） 半 导 体 。N 型 半 导 体 ： 自 由 电 子 浓 度 大 大 增 加 的 杂 质 半 导体 ， 也 称 为 电 子 半 导 体 。P 型 半 导 体 ： 空 穴 浓 度 大 大 增 加 的 杂 质 半 导 体 ， 也称 为 空 穴 半 导 体 。 10 1.1.2 杂 质 半 导 体1、 N型 半 导 体 在 硅 （ 或 锗 ） 半 导 体 晶 体 中 ， 掺 入 微 量 的 五 价 元 素 ， 如磷 （ P） 、 砷 （ As） 等 ， 则 构 成 N型 半 导 体 。 五 价 的 元 素 具 有 五 个 价 电 子 ， 它 们 进 入 由 硅 （ 或 锗 ） 组成 的 半 导 体 晶 体 中 ， 五 价 的 原 子 取 代 四 价 的 硅 （ 或 锗 ） 原子 ， 在 与 相 邻 的 硅 （ 或 锗 ） 原 子 组 成 共 价 键 时 ， 因 为 多 一 个价 电 子 不 受 共 价 键 的 束 缚 ， 很 容 易 成 为 自 由 电 子 ， 于 是 半 导体 中 自 由 电 子 的 数 目 大 量 增 加 。 自 由 电 子 参 与 导 电 移 动 后 ，在 原 来 的 位 置 留 下 一 个 不 能 移 动 的 正 离 子 。 每 个 五 价 原 子 给出 一 个 电 子 ， 称 为 施 主 原 子 。 11 1.1.2 杂 质 半 导 体N型 半 导 体 的 共 价 键 结 构 N型 半 导 体 中 的 载 流 子 ：(1) 由 施 主 原 子 提 供 的 电 子 ，浓 度 与 施 主 原 子 相 同 。(2) 本 征 半 导 体 中 成 对 产 生的 电 子 和 空 穴 。 掺 杂 浓 度 远 大 于 本 征 半导 体 中 载 流 子 浓 度 ， 所 以 ，自 由 电 子 浓 度 远 大 于 空 穴 浓度 。 自 由 电 子 称 为 多 数 载 流子 (多 子 )， 空 穴 称 为 少 数 载 流 子 (少 子 )。 12 1.1.2 杂 质 半 导 体2、 P型 半 导 体 在 硅 （ 或 锗 ） 半 导 体 晶 体 中 ， 掺 入 微 量 的 三 价 元 素 ，如 硼 （ B） 、 铟 （ In） 等 ， 则 构 成 P型 半 导 体 。 三 价 的 元 素 只 有 三 个 价 电 子 ， 在 与 相 邻 的 硅 （ 或 锗 ） 原子 组 成 共 价 键 时 ， 由 于 缺 少 一 个 价 电 子 ， 在 晶 体 中 便 产 生 一个 空 位 ， 邻 近 的 束 缚 电 子 如 果 获 取 足 够 的 能 量 ， 有 可 能 填 补这 个 空 位 ， 使 原 子 成 为 一 个 不 能 移 动 的 负 离 子 。 由 于 三 价 原子 接 受 电 子 ， 所 以 称 为 受 主 原 子 。 13 1.1.2 杂 质 半 导 体 P型 半 导 体 中 的 共 价 键 结 构 P 型 半 导 体 中 空 穴 是多 子 ， 电 子 是 少 子 。 14 1.1.2 杂 质 半 导 体 杂 质 半 导 体 的 示 意 表 示 P 型 半 导 体 + + + + + +N 型 半 导 体杂 质 型 半 导 体 多 子 和 少 子 的 移 动 都 能 形 成 电 流 。 但 由 于 数量 的 关 系 ， 起 导 电 作 用 的 主 要 是 多 子 。 近 似 认 为 多 子 与 杂 质 浓 度 相 等 。 15 1.1.3 PN结 及 其 单 向 导 电 性 利 用 半 导 体 的 制 作 工 艺 ， 在 同 一 片 半 导 体基 片 上 ， 分 别 制 造 P型 半 导 体 和 N型 半 导 体 ，经 过 载 流 子 的 扩 散 ， 在 它 们 的 交 界 面 处 就形 成 了 PN结 。 PN结 具 有 单 一 型 半 导 体 所 不 具 有 的 新 特 性 ，利 用 这 种 新 特 性 可 以 制 造 出 各 种 半 导 体 器件 。 如 二 极 管 、 三 极 管 和 场 效 应 管 等 。 16 1.1.3 PN结 及 其 单 向 导 电 性1、 PN结 的 形 成 多 数 载 流 子 因 浓 度 上 的 差 异 而 形 成 的 运动 称 为 扩 散 运 动 。 17 1.1.3 PN结 及 其 单 向 导 电 性 扩 散 运 动 的 结 果 ， 在 交 界 面 P区 一 侧 因 失 去 了 空 穴 而 出 现负 离 子 区 ； 而 N区 一 侧 因 失 去 自 由 电 子 出 现 了 正 离 子 区 。 正 负 离 子 都 被 束 缚 在 晶 格 内 不 能 移 动 ， 于 是 在 交 界 面 两 侧形 成 了 正 、 负 空 间 电 荷 区 。 在 空 间 电 荷 区 内 可 以 认 为 载 流子 已 被 “ 耗 尽 ” ， 故 又 称 耗 尽 区 或 耗 尽 层 。 18 1.1.3 PN结 及 其 单 向 导 电 性 空 间 电 荷 区 出 现 后 ， 因 为 正 负 电 荷 的 作 用 ， 将产 生 一 个 从 N区 指 向 P区 的 内 电 场 。 内 电 场 的 方 向 ，会 对 多 数 载 流 子 的 扩 散 运 动 起 阻 碍 作 用 。 同 时 ， 内电 场 则 可 推 动 少 数 载 流 子 （ P区 的 自 由 电 子 和 N区 的空 穴 ） 越 过 空 间 电 荷 区 ， 进 入 对 方 。 少 数 载 流 子 在内 电 场 作 用 下 有 规 则 的 运 动 称 为 漂 移 运 动 。 漂 移 运动 和 扩 散 运 动 的 方 向 相 反 。 无 外 加 电 场 时 ， 通 过 PN结 的 扩 散 电 流 等 于 漂 移 电 流 ， PN结 中 无 电 流 流 过 ，PN结 的 宽 度 保 持 一 定 而 处 于 稳 定 状 态 。 19 1.1.3 PN结 及 其 单 向 导 电 性2、 PN结 的 单 向 导 电 性 处 于 平 衡 状 态 下 的 PN结 没 有 实 用 价 值 。如 果 在 PN结 两 端 加 上 不 同 极 性 的 电 压 ， PN结 会 呈 现 出 不 同 的 导 电 性 能 。 当 PN结 在 一 定 的 电 压 范 围 内 外 加 正 向 电压 时 ， 处 于 低 电 阻 的 导 通 状 态 。 当 外 加 反 向电 压 时 ， 处 于 高 电 阻 的 截 止 状 态 ， 这 种 导 电特 性 ， 就 是 PN结 单 向 导 电 性 。 20 1.1.3 PN结 及 其 单 向 导 电 性(1) PN结 外 加 正 向 电 压 ： PN结 P端 接 高 电位 ， N端 接 低 电 位 ， 称 PN结 外 加 正 向 电 压 ，又 称 PN结 正 向 偏 置 ， 简 称 为 正 偏 。 21 1.1.3 PN结 及 其 单 向 导 电 性(2) PN结 外 加 反 向 电 压 ： PN结 P端 接 低 电位 ， N端 接 高 电 位 ， 称 PN结 外 加 反 向 电 压 ，又 称 PN结 反 向 偏 置 ， 简 称 为 反 偏 。 22 1.2 二 极 管1.2.1 二 极 管 的 结 构 及 符 号 半 导 体 二 极 管 是 由 一 个 PN结 加 上 相 应 的 电 极 和 引 线 及 管壳 封 装 而 成 的 。 由 P区 引 出 的 电 极 称 为 阳 极 （ 正 极 ） ， N区 引 出 的 为 阴 极（ 负 极 ） 。 因 为 PN结 的 单 向 导 电 性 ， 二 极 管 导 通 时 的 电 流 方 向 是 由阳 极 通 过 管 子 内 部 流 向 阴 极 。 电 流 方 向 23 1.2.1 二 极 管 的 结 构 及 符 号 二 极 管 按 半 导 体 材 料 的 不 同 可 以 分 为 硅 二极 管 、 锗 二 极 管 和 砷 化 镓 二 极 管 等 。 按 结 构 不 同 可 分 为 点 接 触 型 、 面 接 触 型 和平 面 型 二 极 管 等 。 24 1.2.1 二 极 管 的 结 构 及 符 号 常 见 的 二 极 管 有 金 属 、 塑 料 和 玻 璃 三 种封 装 形 式 。 按 照 应 用 的 不 同 ， 二 极 管 分 为 整流 、 检 波 、 开 关 、 稳 压 、 发 光 、 光 电 、 快 恢复 和 变 容 二 极 管 等 。 根 据 使 用 的 不 同 ， 二 极管 的 外 形 各 异 。 25 1.2.2 伏 安 特 性 及 主 要 参 数1、 二 极 管 的 伏 安 特 性 曲 线 二 极 管 两 端 的 电 压 U及 其 流 过 二 极 管 的 电 流 I之 间 的 关系 曲 线 ， 称 为 二 极 管 的 伏 安 特 性 曲 线 。 用 实 验 的 方 法 ， 在 二极 管 的 正 极 和 负 极 加 上 不 同 极 性 和 不 同 数 值 的 电 压 ， 同 时 测量 流 过 二 极 管 的 电 流 值 ， 就 得 到 二 极 管 的 伏 安 特 性 。 26 1.2.2 伏 安 特 性 及 主 要 参 数伏 安 特 性 曲 线 27 1.2.2 伏 安 特 性 及 主 要 参 数(1) 正 向 特 性 二 极 管 外 加 正 向 电 压 时 ， 电 流 和 电 压 的 关 系 称为 二 极 管 的 正 向 特 性 。 当 二 极 管 所 加 正 向 电 压 比 较小 时 （ 0UU T时 ： Te 1UU 当 外 加 反 向 电 压 |U|UT时 Te 1UU I= Is 33 1.2.2 伏 安 特 性 及 主 要 参 数4、 主 要 参 数（ 1） 最 大 整 流 电 流 IF 最 大 整 流 电 流 IF是 指 二 极 管 长 期 连 续 工 作 时 ，允 许 通 过 二 极 管 的 最 大 正 向 电 流 的 平 均 值 。（ 2） 反 向 击 穿 电 压 UBR 反 向 击 穿 电 压 是 指 二 极 管 击 穿 时 的 电 压 值 。（ 3） 反 向 饱 和 电 流 IS 它 是 指 管 子 没 有 击 穿 时 的 反 向 电 流 值 。 其 值 愈小 ， 说 明 二 极 管 的 单 向 导 电 性 愈 好 。 34 1.2.3 二 极 管 电 路 的 分 析 方 法 及 应 用（ 1） 二 极 管 理 想 模 型 如 果 二 极 管 正 向 压 降 远 小 于 和 它 串 联 的电 路 的 电 压 ， 反 向 电 流 远 小 于 和 它 并 联 的 电路 的 电 流 ， 则 可 忽 略 二 极 管 的 正 向 压 降 和 反向 电 流 对 电 路 的 影 响 ， 即 认 为 二 极 管 具 有 理想 的 伏 安 特 性 。 理 想 的 二 极 管 可 以 用 一 个 理想 的 开 关 来 等 效 ， 正 偏 时 开 关 闭 合 ， 反 偏 时开 关 断 开 。 35 1.2.3 二 极 管 电 路 的 分 析 方 法 及 应 用（ 2） 二 极 管 恒 压 源 模 型 若 二 极 管 的 工 作 电 流 处 于 伏 安 特 性 曲 线 的 近 似 指 数 部分 ， 即 使 电 流 变 化 ， 二 极 管 的 端 电 压 也 基 本 不 变 。 因 此 可 用一 条 与 实 际 伏 安 特 性 曲 线 基 本 重 合 的 垂 直 曲 线 来 代 替 原 特 性曲 线 。 相 应 的 电 路 模 型 叫 恒 压 源 模 型 。 电 路 模 型 中 UD(on)是二 极 管 的 恒 定 导 通 电 压 ， 对 硅 管 可 取 0.7V， 对 锗 管 可 取0.3V。 利 用 二 极 管 的 恒 压 源 模 型 时 ， 只 有 当 二 极 管 两 端 正 向电 压 大 于 U D(on)时 ， 二 极 管 才 有 电 流 流 过 ， 小 于 UD(on)时 ， 二极 管 截 止 。 这 个 模 型 与 二 极 管 的 伏 安 特 性 较 为 接 近 。 36 1.2.3 二 极 管 电 路 的 分 析 方 法 及 应 用 例 1-1 37 1.2.3 二 极 管 电 路 的 分 析 方 法 及 应 用 例 1-2 38 1.2.3 二 极 管 电 路 的 分 析 方 法 及 应 用 39 1.3 稳 压 二 极 管 稳 压 管 是 利 用 半 导 体 特 殊 工 艺 制 成 ， 实 质上 也 是 一 个 半 导 体 二 极 管 ， 外 形 也 相 似 ，因 为 具 有 稳 定 电 压 的 作 用 ， 称 它 为 稳 压 管 。 在 电 子 电 路 中 ， 稳 压 管 工 作 于 反 向 击 穿 状态 。 击 穿 电 压 从 几 伏 到 几 十 伏 ， 反 向 电 流也 较 一 般 二 极 管 大 。 在 反 向 击 穿 状 态 下 正常 工 作 而 不 损 坏 ， 是 稳 压 管 的 特 点 。 40 1.3 稳 压 二 极 管1、 稳 压 管 的 伏 安 特 性 和 符 号 41 1.3 稳 压 二 极 管2、 稳 压 管 的 主 要 参 数 稳 定 电 压 UZ： 它 是 指 当 稳 压 管 中 的 电 流 为 规 定 值 时 ， 稳 压 管 在 电 路 中 其 两 端产 生 的 稳 定 电 压 值 。 稳 定 电 流 IZ： 它 是 指 稳 压 管 工 作 在 稳 压 状 态 时 ， 稳 压 管 中 流 过 的 电 流 ， 有 最 小稳 定 电 流 I Zmin和 最 大 稳 定 电 流 IZmax之 分 。 动 态 电 阻 rZ： 指 稳 压 管 在 正 常 的 工 作 范 围 内 ， 管 子 两 端 电 压 UZ的 变 化 量 和 管中 电 流 IZ的 变 化 量 之 比 ， 稳 压 管 反 向 特 性 曲 线 越 陡 ， rZ越 小 稳 压 性 能 越 好 。 rZ = UZ / IZ 42 1.3 稳 压 二 极 管3、 稳 压 管 的 典 型 稳 压 电 路 43 1.3 稳 压 二 极 管4、 例 题 ：负 载 电 阻 uoiZDZR iLiui RL5mA 20mA, V,10min max z zzWI IU稳 压 管 的 技 术 参 数 : k2LR解 ： 令 输 入 电 压 达 到 上 限 时 ， 流 过 稳 压 管 的 电 流 为 I zmax 。求 ： 电 阻 R和 输 入 电 压 ui 的 正 常 值 。 mA25max LZWz RUIi 102521 RUiRu. zWi 方 程 1要 求 当 输 入 电 压 由 正 常 值 发 生 20%波 动 时 ， 负 载 电 压 基 本 不 变 。 44 1.3 稳 压 二 极 管令 输 入 电 压 降 到 下 限 时 ，流 过 稳 压 管 的 电 流 为 Izmin 。mA10 min LZWz RUIi 101080 RUiRu. zWi 方 程 2 uoiZDZR iLiui RL联 立 方 程 1、 2， 可 解 得 ： k50V7518 .R,.u i 45 1.4 其 它 类 型 二 极 管1、 发 光 二 极 管 发 光 二 极 管 是 一 种 光 发 射 器 件 ， 英 文 缩 写 是 LED。此 类 管 子 通 常 由 镓 （ Ga） 、 砷 （ As） 、 磷 （ P）等 元 素 的 化 合 物 制 成 ， 管 子 正 向 导 通 ， 当 导 通 电流 足 够 大 时 ， 能 把 电 能 直 接 转 换 为 光 能 ， 发 出 光来 。 目 前 发 光 二 极 管 的 颜 色 有 红 、 黄 、 橙 、 绿 、白 和 蓝 6种 ， 所 发 光 的 颜 色 主 要 取 决 于 制 作 管 子的 材 料 。 发 光 二 极 管 应 用 非 常 广 泛 ， 常 用 作 各 种 电 子 设 备如 仪 器 仪 表 、 计 算 机 、 电 视 机 等 的 电 源 指 示 灯 和信 号 指 示 等 ， 还 可 以 做 成 七 段 数 码 显 示 器 等 。 发光 二 极 管 的 另 一 个 重 要 用 途 是 将 电 信 号 转 为 光 信号 。 46 1.4 其 它 类 型 二 极 管 1 2 3 4 5 6 7 8 A B C D 87654321 D C B A Title Number RevisionSize D Date: 27-Sep-2007 Sheet of File: F:新知源讲课白线检测.DDB Drawn By: LED 47 1.4 其 它 类 型 二 极 管2、 光 电 二 极 管 光 电 二 极 管 又 称 为 光 敏 二 极 管 ， 它 是 一 种 光 接 受 器 件 ， 其PN结 工 作 在 反 偏 状 态 ， 可 以 将 光 能 转 换 为 电 能 ， 实 现 光电 转 换 。 48 1.4 其 它 类 型 二 极 管3、 激 光 二 极 管 激 光 二 极 管 是 在 发 光 二 极 管 的 PN结 间 安 置 一 层 具有 光 活 性 的 半 导 体 ， 构 成 一 个 光 谐 振 腔 。 工 作 时接 正 向 电 压 ， 可 发 射 出 激 光 。 激 光 二 极 管 的 应 用 非 常 广 泛 ， 在 计 算 机 的 光 盘 驱动 器 ， 激 光 打 印 机 中 的 打 印 头 ， 激 光 唱 机 ， 激 光影 碟 机 中 都 有 激 光 二 极 管 。 49 1.5 半 导 体 三 极 管 半 导 体 三 极 管 又 称 晶 体 三 极 管 （ 下 称 三极 管 ） ， 一 般 简 称 晶 体 管 ， 或 双 极 型 晶 体管 。 它 是 通 过 一 定 的 制 作 工 艺 ， 将 两 个 PN结结 合 在 一 起 的 器 件 ， 两 个 PN结 相 互 作 用 ， 使三 极 管 成 为 一 个 具 有 控 制 电 流 作 用 的 半 导 体器 件 。 50 1.5.1 基 本 结 构 和 类 型 三 极 管 可 以 是 由 半 导 体 硅 材 料 制 成 ， 称 为 硅 三 极 管 ； 也 可以 由 锗 材 料 制 成 ， 称 为 锗 三 极 管 。 三 极 管 从 应 用 的 角 度 讲 ， 种 类 很 多 。 根 据 工 作 频 率 分 为 高频 管 、 低 频 管 和 开 关 管 ； 根 据 工 作 功 率 分 为 大 功 率 管 、 中功 率 管 和 小 功 率 管 。 51 1.5.1 基 本 结 构 和 类 型 三 极 管 从 结 构 上 来 讲 分 为 两 类 ： NPN型 三极 管 和 PNP型 三 极 管 。 52 1.5.1 基 本 结 构 和 类 型 符 号 中 发 射 极 上 的 箭 头 方 向 ， 表 示 发 射 结正 偏 时 电 流 的 流 向 。 三 极 管 制 作 时 ， 通 常 它 们 的 基 区 做 得 很 薄（ 几 微 米 到 几 十 微 米 ） ， 且 掺 杂 浓 度 低 ；发 射 区 的 杂 质 浓 度 则 比 较 高 ； 集 电 区 的 面积 则 比 发 射 区 做 得 大 ， 这 是 三 极 管 实 现 电流 放 大 的 内 部 条 件 。 53 1.5.2 电 流 分 配 与 放 大 要 实 现 三 极 管 的 电 流 放 大 作 用 ， 首 先 要 给 三 极 管 各 电极 加 上 正 确 的 电 压 。 三 极 管 实 现 放 大 的 外 部 条 件 是 ： 其 发 射结 必 须 加 正 向 电 压 （ 正 偏 ） ， 而 集 电 结 必 须 加 反 向 电 压 （ 反偏 ） 。1、 实 验 在 电 路 中 ， 要 给 三 极 管 的 发 射 结 加 正 向 电 压 ， 集 电 结 加反 向 电 压 ， 保 证 三 极 管 能 起 到 放 大 作 用 。 改 变 可 变 电 阻 R b的值 ， 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 的 方 向 如 图 中 所 示 。 54 1.5.2 电 流 分 配 与 放 大 实 验 电 路 图 55 1.5.2 电 流 分 配 与 放 大 由 实 验 及 测 量 结 果 可 以 得 出 以 下 结 论 ：（ 1） 实 验 数 据 中 的 每 一 列 数 据 均 满 足 关 系 ：IE=IC+IB；（ 2） IEIC IB ， 而 且 有 IC与 IB的 比 值 近 似相 等 ， 设 为 ， 则 为 电 流 放 大 系 数 ；（ 3） IB的 的 微 小 变 化 会 引 起 IC较 大 的 变 化 ； 56 1.5.2 电 流 分 配 与 放 大2、 三 极 管 实 现 电 流 分 配 的 原 理 上 述 实 验 结 论 可 以 用 载 流子 在 三 极 管 内 部 的 运 动 规 律 来解 释 。（ 1） 发 射 区 向 基 区 发 射 自 由 电 子 ，形 成 发 射 极 电 流 IE。（ 2） 自 由 电 子 在 基 区 与 空 穴 复 合 ，形 成 基 极 电 流 I B。（ 3） 集 电 区 收 集 从 发 射 区 扩 散 过来 的 自 由 电 子 ， 形 成 集 电 极 电流 IC。 57 1.5.2 电 流 分 配 与 放 大 结 论 ：（ 1） 要 使 三 极 管 具 有 放 大 作 用 ， 发 射 结 必 须正 向 偏 置 ， 而 集 电 结 必 须 反 向 偏 置 。（ 2） 一 般 有 1；（ 3） 三 极 管 的 电 流 分 配 及 放 大 关 系 式 为 ：IE=IC+IB IC=IB 58 1.5.3 三 极 管 的 特 性 曲 线 及 主 要 参 数1.三 极 管 的 特 性 曲 线 三 极 管 的 特 性 曲 线 是 指 三 极 管 的 各 电 极电 压 与 电 流 之 间 的 关 系 曲 线 ， 它 反 映 出 三 极管 的 特 性 。 它 可 以 用 专 用 的 图 示 仪 进 行 显示 ， 也 可 通 过 实 验 测 量 得 到 。 以 NPN型 硅 三极 管 为 例 ， 其 常 用 的 特 性 曲 线 有 以 下 两 种 。 59 1.5.3 三 极 管 的 特 性 曲 线 及 主 要 参 数(1) 输 入 特 性 曲 线 ： 它 是 指 一 定 集 电 极 和 发 射极 电 压 UCE下 ， 三 极 管 的 基 极 电 流 IB与 发 射结 电 压 UBE之 间 的 关 系 曲 线 。 60 1.5.3 三 极 管 的 特 性 曲 线 及 主 要 参 数(2) 输 出 特 性 曲 线 ： 它 是 指 一 定 基 极 电 流 IB下 ， 三 极 管 的 集电 极 电 流 IC与 电 压 UCE之 间 的 关 系 曲 线 。 61 1.5.3 三 极 管 的 特 性 曲 线 及 主 要 参 数 一 般 把 三 极 管 的 输 出 特 性 分 为 3个 工 作 区 域 ，下 面 分 别 介 绍 。 截 止 区 三 极 管 工 作 在 截 止 状 态 时 ， 具 有 以 下 几 个 特 点 ：（ a） 发 射 结 和 集 电 结 均 反 向 偏 置 ；（ b） UCUEUB， 有 IB、 IC近 似 为 0；（ c） 三 极 管 的 集 电 极 和 发 射 极 之 间 电 阻 很 大 ， 三极 管 相 当 于 一 个 开 关 断 开 。 62 1.5.3 三 极 管 的 特 性 曲 线 及 主 要 参 数 放 大 区 ： 输 出 特 性 曲 线 近 似 平 坦 的 区 域 称 为 放 大区 。 三 极 管 工 作 在 放 大 状 态 时 ， 具 有 以 下 特 点 ：（ a） 三 极 管 的 发 射 结 正 向 偏 置 ， 集 电 结 反 向 偏 置 ；对 NPN型 的 三 极 管 ， 有 电 位 关 系 ： UCUBUE； （ b） 基 极 电 流 IB微 小 的 变 化 会 引 起 集 电 极 电 流 IC较大 的 变 化 ， 有 电 流 关 系 式 ： IC=IB； 63 1.5.3 三 极 管 的 特 性 曲 线 及 主 要 参 数 饱 和 区 三 极 管 工 作 在 饱 和 状 态 时 具 有 如 下 特 点 ：（ a） 三 极 管 的 发 射 结 和 集 电 结 均 正 向 偏 置 ， 有 电 位 关 系UBUCUE（ b） 三 极 管 的 电 流 放 大 能 力 下 降 ， 通 常 有 ICIB；（ c） UCE的 值 很 小 ， 称 此 时 的 电 压 UCE为 三 极 管 的 饱 和 压 降 ，用 UCES表 示 。 一 般 硅 三 极 管 的 UCES约 为 0.3V， 锗 三 极 管的 UCES约 为 0.1V；（ d） 三 极 管 的 集 电 极 和 发 射 极 近 似 短 接 ， 三 极 管 类 似 于 一个 开 关 导 通 。 三 极 管 作 为 开 关 使 用 时 ， 通 常 工 作 在 截 止 和 饱 和 导 通 状态 ； 作 为 放 大 元 件 使 用 时 ， 一 般 要 工 作 在 放 大 状 态 。 64 1.5.3 三 极 管 的 特 性 曲 线 及 主 要 参 数3、 主 要 参 数 ：（ 1） 共 发 射 极 电 流 放 大 系 数 (交 流 放 大 系 数 )和 (直 流 放 大 系 数 ) 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 。（ 2） 极 间 反 向 电 流 集 电 极 基 极 间 的 反 向 饱 和 电 流 I CBO 集 电 极 发 射 极 间 的 穿 透 电 流 ICEO (衡 量 管 子 质 量 的 指 标 ) 65 1.5.3 三 极 管 的 特 性 曲 线 及 主 要 参 数（ 3） 极 限 参 数 集 电 极 最 大 允 许 电 流 ICM 集 电 极 最 大 允 许 功 率 损 耗 PCM 反 向 击 穿 电 压 U(BR)CEO 66 1.5.3 三 极 管 的 特 性 曲 线 及 主 要 参 数（ 4） 温 度 对 三 极 管 参 数 的 影 响 ： 对 的 影 响 ： 随 温 度 的 升 高 而 增 大 。 对 反 向 饱 和 电 流 ICBO的 影 响 ： ICBO随 温 度上 升 会 急 剧 增 加 。 对 发 射 结 UBE的 影 响 ： 温 度 升 高 ， UBE将下 降 。 67 1.6 场 效 应 管 场 效 应 管 是 比 较 新 型 的 半 导 体 器 件 ， 利 用电 场 效 应 来 控 制 晶 体 管 的 电 流 ， 因 而 得 名 。 场 效 应 管 具 有 很 高 的 输 入 电 阻 ， 几 乎 不 取信 号 源 的 输 出 电 流 ， 因 而 功 耗 小 ， 体 积 小 ，易 于 集 成 化 。 场 效 应 管 被 广 泛 应 用 于 模 拟 集 成 电 路 和 数字 集 成 电 路 中 。 68 1.6 场 效 应 管 场 效 应 管 按 其 结 构 可 分 为 结 (J)型 和 绝 缘 栅(MOS)型 场 效 应 管 ； 从 工 作 性 能 可 分 为 耗 尽 型 和 增 强 型 两 类 ； 根 据 所 用 基 片 (衬 底 )材 料 不 同 ， 又 可 分 P沟道 和 N沟 道 两 种 导 电 沟 道 ； 因 此 ， 有 结 型 P沟 道 和 N沟 道 ， 绝 缘 栅 耗 尽型 P沟 道 和 N沟 道 ， 及 增 强 型 P沟 道 和 N沟道 六 种 类 型 场 效 应 管 。 69 1.6.1 结 型 场 效 应 管 结 型 场 效 应 管 分 为 N沟 道 结 型 管 和 P沟 道 结型 管 ， 它 们 都 具 有 3个 电 极 ： 栅 极 、 源 极 和漏 极 ， 分 别 与 三 极 管 的 基 极 、 发 射 极 和 集电 极 相 对 应 。 70 1.6.1 结 型 场 效 应 管1、 结 型 场 效 应 管 的 结 构 与 符 号 (以 N沟 道 为 例 )漏 极 源 极栅 极 场 效 应 管 电 路 符号 上 的 箭 头 总 是 P指 向 N的 。 71 1.6.1 结 型 场 效 应 管2、 N沟 道 结 型 场 效 应 管 的 工 作 原 理（ 1） 当 栅 源 电 压 UGS=0时 ， 两 个 PN结 的 耗尽 层 比 较 窄 ， 中 间 的 N型 导 电 沟 道 比 较 宽 ，沟 道 电 阻 小 。 72 1.6.1 结 型 场 效 应 管（ 2） 当 UGS0时 ， 两 个 PN结 反 向 偏 置 ， PN结 的 耗 尽 层 变 宽 ， 中 间 的 N型 导 电 沟 道 相 应变 窄 ， 沟 道 导 通 电 阻 增 大 。 73 1.6.1 结 型 场 效 应 管U GS UP时 的 导 电 沟 道 74 1.6.1 结 型 场 效 应 管（ 3） 当 UP0时 ， 可 产 生 漏 极 电 流 ID。ID的 大 小 将 随 栅 源 电 压 UGS的 变 化 而 变 化 ， 从 而 实 现 电压 对 漏 极 电 流 的 控 制 作 用 。 UDS的 存 在 ， 使 得 漏 极 附 近 的 电 位 高 ， 而 源 极附 近 的 电 位 低 ， 即 沿 N型 导 电 沟 道 从 漏 极 到 源 极 形成 一 定 的 电 位 梯 度 ， 这 样 靠 近 漏 极 附 近 的 PN结 所 加的 反 向 偏 置 电 压 大 ， 耗 尽 层 宽 ； 靠 近 源 极 附 近 的 PN结 反 偏 电 压 小 ， 耗 尽 层 窄 ， 导 电 沟 道 成 为 一 个 楔 形 。 75 1.6.1 结 型 场 效 应 管 76 1.6.1 结 型 场 效 应 管 为 实 现 场 效 应 管 栅 源 电 压 对 漏 极 电 流 的 控制 作 用 ， 结 型 场 效 应 管 在 工 作 时 ， 栅 极 和源 极 之 间 的 PN结 必 须 反 向 偏 置 。 77 1.6.1 结 型 场 效 应 管3.结 型 场 效 应 管 的 特 性 曲 线 及 主 要 参 数（ 1） 输 出 特 性 曲 线 输 出 特 性 曲 线 是 指 栅 源 电 压 UGS一 定 时 ， 漏 极 电 流 ID与 漏源 电 压 UDS之 间 的 关 系 曲 线 78 1.6.1 结 型 场 效 应 管 可 变 电 阻 区 ： 在 UDS较 小 靠 近 特 性 曲 线 纵 轴 处 ， ID几 乎 随着 UDS线 性 增 加 。 随 着 UGS的 改 变 ， ID随 UDS线 性 增 加 的 比值 也 相 应 改 变 ， 因 此 ， 此 区 可 把 场 效 应 管 的 漏 、 源 极 之 间看 作 受 UGS控 制 的 可 变 电 阻 。 恒 流 区 (饱 和 区 )： 此 区 的 特 点 是 ID只 受 UGS的 控 制 而 几 乎与 UDS无 关 ， 具 有 恒 流 特 点 。 因 为 ID不 随 UDS增 大 而 增 大 ，达 到 饱 和 状 态 ， 故 又 称 饱 和 区 。 击 穿 区 ： 当 UDS增 大 到 某 一 值 时 ， 栅 、 漏 间 PN结 会 发 生反 向 击 穿 ， I D急 剧 增 加 ， 如 不 加 限 制 会 造 成 管 子 损 坏 。 截 止 区 ： 当 UGS UP靠 近 特 性 曲 线 横 轴 处 为 夹 断 区 ， 此时 管 子 处 于 截 止 状 态 。 79 1.6.1 结 型 场 效 应 管（ 2） 转 移 特 性 曲 线 在 场 效 应 管 的 UDS一 定 时 ， ID与 UGS之 间的 关 系 曲 线 称 为 场 效应 管 的 转 移 特 性 曲线 ， 它 反 映 了 场 效 应管 栅 源 电 压 对 漏 极 电流 的 控 制 作 用 。 80 1.6.1 结 型 场 效 应 管 当 UGS=0时 ， 导 电 沟 道 电 阻 最 小 ， ID最 大 ，称 此 电 流 为 场 效 应 管 的 饱 和 漏 极 电 流 IDSS。 当 UGS=UP时 ， 导 电 沟 道 被 完 全 夹 断 ， 沟 道电 阻 最 大 ， 此 时 ID=0， 称 UP为 夹 断 电 压 。 81 1.6.2 绝 缘 栅 型 场 效 应 管 绝 缘 栅 场 效 应 管 是 由 金 属 （ Metal） 、 氧 化物 （ Oxide） 和 半 导 体 （ Semiconductor）材 料 构 成 的 ， 因 此 又 叫 MOS管 。 绝 缘 栅 场 效 应 管 分 为 增 强 型 和 耗 尽 型 两 种 ，每 一 种 又 包 括 N沟 道 和 P沟 道 两 种 类 型 。 82 1.6.2 绝 缘 栅 型 场 效 应 管1、 结 构 与 符 号 以 N沟 道 增 强 型 MOS管 为 例 ， 它 是 以 P型 半 导体 作 为 衬 底 ， 用 半 导 体 工 艺 技 术 制 作 两 个 高 浓 度 的N型 区 ， 两 个 N型 区 分 别 引 出 一 个 金 属 电 极 ， 作 为MOS管 的 源 极 S和 漏 极 D； 在 P形 衬 底 的 表 面 生 长 一层 很 薄 的 SiO2绝 缘 层 ， 绝 缘 层 上 引 出 一 个 金 属 电 极称 为 MOS管 的 栅 极 G。 B为 从 衬 底 引 出 的 金 属 电极 ， 一 般 工 作 时 衬 底 与 源 极 相 连 。 83 1.6.2 绝 缘 栅 型 场 效 应 管 N沟 道 增 强 型 MOS管 的 结 构 与 符 号 84 1.6.2 绝 缘 栅 型 场 效 应 管2、 N沟 道 增 强 型 MOS管 的 工 作 原 理 在 栅 极 G和 源 极 S之 间 加 电 压 UGS， 漏 极 D和 源 极S之 间 加 电 压 UDS， 衬 底 B与 源 极 S相 连 。 85 1.6.2 绝 缘 栅 型 场 效 应 管3、 特 性 曲 线 输 出 特 性 （ 漏 极 特 性 ） 曲 线 86 1.6.2 绝 缘 栅 型 场 效 应 管 转 移 特 性 曲 线 87 1.6.2 绝 缘 栅 型 场 效 应 管 耗 尽 型 绝 缘 栅 场 效 应 管（ 1） 结 构 、 符 号 与 工 作 原 理 88 1.6.2 绝 缘 栅 型 场 效 应 管（ 2） 特 性 曲 线 89 1.6.2 绝 缘 栅 型 场 效 应 管 与 晶 体 管 的 比 较(1) 场 效 应 管 是 电 压 控 制 器 件 ， 基 本 不 取 信 号 电 流 ， 在 只 允许 向 信 号 源 索 取 极 小 电 流 的 情 况 下 ， 应 采 用 场 效 应 管 ； 而三 极 管 是 电 流 控 制 器 件 ， 取 用 一 定 的 信 号 电 流 。(2) 场 效 应 管 为 单 极 型 器 件 ， 只 有 多 子 参 与 导 电 ； 三 极 管 既有 多 子 参 与 导 电 也 有 少 子 参 与 导 电 ， 因 此 为 双 极 型 器 件 。场 效 应 管 具 有 较 好 的 温 度 稳 定 性 ， 且 输 入 电 阻 高 ， 抗 辐 射 、抗 干 扰 能 力 强 。(3) 由 于 场 效 应 管 结 构 对 称 ， 源 极 和 漏 极 可 互 换 ， 且 耗 尽 型的 MOS管 的 控 制 电 压 U GS可 正 、 可 负 ， 具 有 一 定 灵 活 性 。(4) 场 效 应 管 还 具 有 工 艺 简 单 、 易 集 成 和 占 用 芯 片 面 积 小 的优 点 ， 尤 其 适 用 于 大 规 模 的 集 成 电 路 。 90 作 业书 后 习 题 ：1.1、 1.2、 1.3、 1.4、 1.6、 1.7、 1.8、 1.9