第4章常用半導(dǎo)體器件

1、第第4章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 【本章內(nèi)容提要【本章內(nèi)容提要】 p 半導(dǎo)體的特性及載流子的運(yùn)動(dòng)； p PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕?p 半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性曲線、參數(shù)及應(yīng)用； p 晶體三極管的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性曲線及主要參數(shù)； p 場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性曲線及主要參數(shù)； p 晶閘管的結(jié)構(gòu)、工作原理、參數(shù)及應(yīng)用。 本章內(nèi)容提要本章內(nèi)容提要 重點(diǎn)：重點(diǎn)： （1）二極管的單向?qū)щ娦?；）二極管的單向?qū)щ娦裕?（2）三極管的三種工作狀態(tài)；）三極管的三種工作狀態(tài)； （3）絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的測(cè)試方法；）絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的測(cè)試方法； 難點(diǎn)：難點(diǎn)： （1）整流電路的特點(diǎn)及應(yīng)用；）整流電

2、路的特點(diǎn)及應(yīng)用； （6）放大器的靜態(tài)分析及動(dòng)態(tài)分析；）放大器的靜態(tài)分析及動(dòng)態(tài)分析； （7）晶體管三種組態(tài)放大電路比較。）晶體管三種組態(tài)放大電路比較。 4.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí) 4.1.1 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體：本征半導(dǎo)體：純凈的晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。最常用的半導(dǎo)體材 料是硅（Si）和鍺（Ge）兩種元素。 本征激發(fā)：本征激發(fā)：本征半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對(duì)的現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。 復(fù)合：復(fù)合：在電子、空穴對(duì)產(chǎn)生的同時(shí)，運(yùn)動(dòng)中的自由電子也有可能去填補(bǔ)空穴， 使電子和空穴成對(duì)消失，這種現(xiàn)象稱為復(fù)合。 載流子：載流子：能夠運(yùn)動(dòng)的、可以參與導(dǎo)電的帶點(diǎn)粒子稱為載流子。 本征半導(dǎo)體

3、的性質(zhì)：本征半導(dǎo)體的性質(zhì)：熱敏性、光敏性、摻雜性。 4.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體 摻入雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。 1N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 雜質(zhì)：雜質(zhì)：5價(jià)元素磷（P）。 載流子：載流子：多子是自由電子；少子是空穴。 雜質(zhì)離子：雜質(zhì)離子：帶正電。 簡(jiǎn)化畫法：簡(jiǎn)化畫法：只畫出正離子和等量的自由電子來(lái)表示N型半導(dǎo)體。如上圖（a） 所示： 2P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 雜質(zhì)：雜質(zhì)：三價(jià)元素硼（B）。 載流子：載流子：多子是空穴；少子是自由電子。 雜質(zhì)離子：雜質(zhì)離子：帶負(fù)電。 簡(jiǎn)化畫法：簡(jiǎn)化畫法：只畫出負(fù)離子和等量的空穴來(lái)表示P型半導(dǎo)體。如上圖（b）所示： 4.1.3 PN結(jié)結(jié) 將一塊半導(dǎo)體的一側(cè)摻雜成為P

4、型半導(dǎo)體，而另一側(cè)摻雜成為N型半導(dǎo)體，則 在二者的交界處將形成一個(gè)PN結(jié)。 1PN結(jié)的形成結(jié)的形成 在PN結(jié)的形成過(guò)程中存在兩種運(yùn)動(dòng)：由于載流子濃度差引起的擴(kuò)散 運(yùn)動(dòng)和在內(nèi)電場(chǎng)作用下產(chǎn)生的漂移運(yùn)動(dòng)。當(dāng)這兩種運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡后， 即形成PN結(jié)。如圖4-2所示。 圖圖4-2 2. PN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦?PN結(jié)的正偏：結(jié)的正偏：在PN結(jié)上加以正向電壓，即P區(qū)接電源正極，N區(qū)接電源負(fù)極， 稱PN結(jié)處于正向偏置狀態(tài)，簡(jiǎn)稱正偏，如圖4-3（a）所示。 PN結(jié)的反偏：結(jié)的反偏：在PN結(jié)上加以反向電壓，即P區(qū)接電源負(fù)極，N區(qū)接電源正極， 稱PN結(jié)處于反向偏置狀態(tài)，簡(jiǎn)稱反偏，如圖4-3（b）所示。

5、PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕航Y(jié)的單向?qū)щ娦裕篜N結(jié)正偏時(shí)導(dǎo)通，表現(xiàn)出的正向電阻很小，正向電流I較 大；反偏時(shí)截止，表現(xiàn)出的反向電阻很大，正向電流幾乎為零，只有很小的反向飽 和電流IS。這就是PN結(jié)最重要的特性單向?qū)щ娦浴?（a）PN結(jié)正偏結(jié)正偏 （b）PN結(jié)反騙結(jié)反騙 圖圖4-3 4.2 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管 4.2.1 二極管的結(jié)構(gòu)及外形二極管的結(jié)構(gòu)及外形 結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：在PN結(jié)的兩端引出兩個(gè)電極并將其封裝在金屬或塑料管殼內(nèi)，就構(gòu)成 二極管二極管（Diode），如圖4-4（a）所示。 電極：電極：從P區(qū)引出的電極稱為正極或陽(yáng)極，從N區(qū)引出的電極稱為負(fù)極或陰極。 圖4-4（b）所示為二極管的電路符號(hào)

6、。二極管一般用字母D表示。 （a）二極管的結(jié)構(gòu) 圖圖4-4 分類：分類：二極管的種類很多，分類方法也不同。按制造所用材料分類，主要有 硅二極管和鍺二極管；按用途分類，主要有普通二極管、整流二極管、開關(guān)二極 管和穩(wěn)壓二極管；按其結(jié)構(gòu)分類，有點(diǎn)接觸型和面接觸型二極管。 圖4-5所示為幾種常見二極管的實(shí)物外形圖。 圖圖4-5 4.2.2 二極管的伏安特性二極管的伏安特性 二極管的伏安特性伏安特性是指二極管兩端電壓u和流過(guò)二極管的電流i之間的關(guān)系。 將u和i的關(guān)系畫成的曲線，叫做二極管的伏安特性曲線伏安特性曲線。 以硅管為例，其伏安特性如圖4-6所示。 圖圖4-6 1. 正向特性正向特性 當(dāng)外加正向電

7、壓時(shí)，若正向電壓小于死區(qū)的開啟電壓開啟電壓Uon，此時(shí)，外電場(chǎng)不 足以克服內(nèi)電場(chǎng)，多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)仍受較大阻礙，二極管的正向電流很小。 硅管的Uon約為0.5 V，鍺管約為0.2 V。 當(dāng)正向電壓超過(guò)Uon后，內(nèi)電場(chǎng)被大大削弱，電流將隨正向電壓的增大按指 數(shù)規(guī)律增大，二極管呈現(xiàn)出很小的電阻。硅管的正向?qū)妷簽?.60.8V（常 取0.7V），鍺管為0.10.3V。 2. 反向特性反向特性 反向電壓增大時(shí)，反向電流隨著稍有增加，當(dāng)反向電壓大到一定程度時(shí)，反 向電流將基本不變，即達(dá)到飽和，因而稱該反向電流為反向飽和電流反向飽和電流，用用IS表示。 通常硅管的IS可達(dá)10-9A數(shù)量級(jí)，鍺管為1

8、0-6A數(shù)量級(jí)。反向飽和電流越小，管子 的單向?qū)щ娦栽胶谩?當(dāng)反向電壓增大到圖中的UBR時(shí)，在外部強(qiáng)電場(chǎng)作用下，少子的數(shù)目會(huì)急劇 增加，因而使得反向電流急劇增大。這種現(xiàn)象稱為反向擊穿，電壓UBR稱為反向稱為反向 擊穿電壓擊穿電壓。各類二極管的反向擊穿電壓大小不同，通常為幾十到幾百伏，最高可 達(dá)300伏以上。PN結(jié)被擊穿后，常因溫度過(guò)高、功耗過(guò)大而造成永久性的損壞。 說(shuō)明：說(shuō)明： （1）半導(dǎo)體中少子的濃度受溫度影響，因而二極管的伏安特性對(duì)溫度很敏 感。當(dāng)溫度升高時(shí)，正向特性曲線向左移，反向特性曲線向下移。如圖4-6（b） 所示。 （2）有時(shí)為了分析方便，將二極管理想化，忽略其正向?qū)妷汉头聪蝻?/p>

9、 和電流，于是得到圖4-7所示理想二極管的伏安特性。對(duì)于理想二極管，認(rèn)為正 偏導(dǎo)通時(shí)相當(dāng)于開關(guān)閉合，反偏截止時(shí)相當(dāng)于開關(guān)斷開。 圖圖4-7 4.2.3 二極管的主要參數(shù)二極管的主要參數(shù) （1）最大整流電流）最大整流電流IF 指二極管長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，允許通過(guò)管子的最大正向平均電流。使用時(shí)，管子的 平均電流不得超過(guò)此值，否則可能使二極管過(guò)熱而損壞。 （2）最高反向工作電壓）最高反向工作電壓UR 工作時(shí)加在二極管兩端的反向電壓不得超過(guò)此值，否則二極管可能被擊穿。 為了留有余地，通常將擊穿電壓UBR的一半定為UR。 （3）反向電流）反向電流IR IR是指在室溫條件下，在二極管兩端加上規(guī)定的反向電壓時(shí)，流過(guò)

10、管子的反 向電流。通常希望IR值愈小愈好。反向電流愈小，說(shuō)明二極管的單向?qū)щ娦杂谩?此時(shí)，由于反向電流是由少數(shù)載流子形成，所以IR受溫度的影響很大。 （4）最高工作頻率）最高工作頻率fM 由于PN結(jié)存在結(jié)電容，它的存在限制了二極管的工作頻率，因此如果通過(guò)二 極管的信號(hào)頻率超過(guò)管子的最高工作頻率fM，則結(jié)電容的容抗變小，高頻電流將 直接從結(jié)電容上通過(guò)，管子的單向?qū)щ娦宰儾睢?4.2.4 其它類型二極管其它類型二極管 1. 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管 穩(wěn)壓原理：穩(wěn)壓原理：由二極管的特性曲線可知，如果二極管工作在反向擊穿區(qū)，則當(dāng) 反向電流的變化量I較大時(shí)，管子兩端相應(yīng)的電壓變化量U卻很小，說(shuō)明其具 有“

11、穩(wěn)壓”特性。利用這種特性可以做成穩(wěn)壓管二極管，簡(jiǎn)稱穩(wěn)壓管。所以，穩(wěn) 壓管實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)二極管，但它通常工作在反向擊穿區(qū)。只要擊穿后的反向電 流不超過(guò)允許范圍，穩(wěn)壓管就不會(huì)發(fā)生熱擊穿損壞。為此，必須在電路中串接一 個(gè)限流電阻。 反向擊穿后，當(dāng)流過(guò)穩(wěn)壓管的電流在很大范圍內(nèi)變化時(shí)，管子兩端的電壓幾 乎不變，從而可以獲得一個(gè)穩(wěn)定的電壓。 伏安特性及電路符號(hào)：伏安特性及電路符號(hào)：穩(wěn)壓管的伏安特性、電路符號(hào)分別如圖4-8（a）和 （b）所示。 圖圖4-8 穩(wěn)壓管的主要參數(shù)：穩(wěn)壓管的主要參數(shù)： （1）穩(wěn)定電壓）穩(wěn)定電壓UZ 當(dāng)穩(wěn)壓管反向擊穿，且使流過(guò)的電流為規(guī)定的測(cè)試電流時(shí)，穩(wěn)壓管兩端的電 壓值即為穩(wěn)定電壓

12、UZ。對(duì)于同一種型號(hào)的穩(wěn)壓管，UZ有一定的分散性，因此一 般都給出其范圍。例如型號(hào)為2CW14的穩(wěn)壓管的UZ為6V7.5V，但對(duì)于某一只 穩(wěn)壓管，UZ為一個(gè)確定值。 （2）穩(wěn)定電流）穩(wěn)定電流IZ 穩(wěn)定電流IZ是保證穩(wěn)壓管正常穩(wěn)壓的最小工作電流，電流低于此值時(shí)穩(wěn)壓效 果不好。IZ一般為毫安數(shù)量級(jí)。如5 mA或10 mA。 （3）最大耗散功率）最大耗散功率PZM和最大穩(wěn)定電流和最大穩(wěn)定電流IZM 當(dāng)穩(wěn)壓管工作在穩(wěn)壓狀態(tài)時(shí)，管子消耗的功率等于穩(wěn)定電壓UZ與流過(guò)穩(wěn)壓管 電流的乘積，該功率將轉(zhuǎn)化為PN結(jié)的溫升。最大耗散功率PZM是在結(jié)溫升允許的 情況下的最大功率，一般為幾十毫瓦至幾百毫瓦。因PZM =

13、UZ IZM，由此即可確 定最大穩(wěn)定電流IZM。 此外，還有動(dòng)態(tài)電阻rZ和穩(wěn)定電壓的溫度系數(shù)a等參數(shù)。 例例4-1 在圖4-9所示電路中，已知輸入電壓Ui = 12 V，穩(wěn)壓管DZ的穩(wěn)定電壓UZ = 6 V，穩(wěn)定電流IZ = 5mA，額定功耗PZM = 90 mW，試問(wèn)輸出電壓Uo能否等于6 V。 解解 穩(wěn)壓管正常穩(wěn)壓時(shí)，其工作電流IDZ應(yīng)滿足IZIDZIZmax，而 mA15 V6 mW90 Z ZM max U P IZ 即 5mA IDZ 15 mA 設(shè)電路中DZ能正常穩(wěn)壓，則Uo= UZ = 6V。 由圖中可求出： mA4 L Zi DZ R U R UU III Z LR IDZ不在

14、5mA15 mA的范圍內(nèi)，因此不能 正常穩(wěn)壓，Uo將小于UZ。若要電路能夠穩(wěn)壓， 則應(yīng)減小R的阻值。 圖圖4-9 2. 發(fā)光二極管發(fā)光二極管 發(fā)光二極管是一種將電能轉(zhuǎn)換成光能的半導(dǎo)體器件。其基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)PN 結(jié)，采用砷化鎵、磷化鎵等半導(dǎo)體材料制造而成。它的伏安特性與普通二極管 類似，但由于材料特殊，其正向?qū)妷狠^大，約為12 V。當(dāng)管子正向?qū)?時(shí)將會(huì)發(fā)光。發(fā)光二極管的外形圖參見圖4-5。 發(fā)光二極管縮寫為L(zhǎng)ED（Light Emitting Diode）。發(fā)光二極管具有工作電壓 低、工作電流小（1030 mA）、發(fā)光均勻穩(wěn)定、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，常用作 顯示器件，如指示燈、七段顯示器、矩陣

15、顯示器等。常見的LED發(fā)光顏色有紅、 黃、綠等，還有發(fā)出不可見光的紅外發(fā)光二極管。圖4-10（a）所示為發(fā)光二極 管的電路符號(hào)。 圖圖4-10 3. 光電二極管光電二極管 光電二極管又叫光敏二極管，它是一種能將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件。光 電二極管的基本結(jié)構(gòu)也是一個(gè)PN結(jié)，但管殼上有一個(gè)窗口，使光線可以照射到 PN結(jié)上。光電二極管工作在反偏狀態(tài)下，當(dāng)無(wú)光照時(shí)，與普通二極管一樣，反向 電流很小，稱為暗電流；當(dāng)有光照時(shí)，其反向電流隨光照強(qiáng)度的增加而增加，稱 為光電流。光電二極管與發(fā)光二極管可用于構(gòu)成紅外線遙控電路。圖4-10（b） 所示為光電二極管的電路符號(hào)。 4. 變?nèi)荻O管變?nèi)荻O管 利用PN

16、結(jié)的勢(shì)壘電容隨外加反向電壓變化的特性可制成變?nèi)荻O管。變?nèi)荻?極管工作在反偏狀態(tài)下，此時(shí)，PN結(jié)結(jié)電容的數(shù)值隨外加電壓的大小而變化。因 此，變?nèi)荻O管可做可變電容使用。圖4-10（c）所示為變?nèi)荻O管的電路符號(hào)。 變?nèi)荻O管在高頻電路中得到廣泛應(yīng)用，可用于自動(dòng)調(diào)諧、調(diào)頻、調(diào)相等。 圖圖4-10 4.2.5 二極管應(yīng)用電路舉例二極管應(yīng)用電路舉例 提示：提示：在二極管的應(yīng)用電路中，主要是利用二極管的單向?qū)щ娦?。在分析?yīng) 用電路時(shí)，應(yīng)當(dāng)掌握一條基本原則，即判斷二極管是處于正偏導(dǎo)通狀態(tài)還是反偏 截止?fàn)顟B(tài)，二極管導(dǎo)通時(shí)，一般用電壓源UD = 0.7 V（硅管，若是鍺管則用0.3 V） 代替，或近似用短路

17、線代替（理想二極管）；二極管截止時(shí)，一般將二極管斷開， 即認(rèn)為二極管反向電阻無(wú)窮大。 1. 二極管整流電路二極管整流電路 所謂整流，就是利用二極管的單向?qū)щ娦裕瑢⒔涣麟妷鹤兂蓡畏较虻拿}動(dòng)直 流電壓。 小功率整流電路形式有單向半波整流電路、單向全波整流電路和單向橋式全 波整流電路三種。 （1）單向半波整流電路）單向半波整流電路 圖4-11（a）所示為單相半波整流電路圖，它是最簡(jiǎn)單的整流電路，由變壓器、 二極管和負(fù)載電阻組成。u1是變壓器初級(jí)線圈的輸入電壓，即市電電壓，u2是變 壓器次級(jí)的輸出電壓（也稱副邊電壓）。 圖圖4-11 圖4-11中，一般假設(shè)變壓器副邊電壓u2為： wtUwtUusin2

18、sin 2m22 工作原理分析：工作原理分析：u2波形如圖4-11（b）所示。設(shè)二極管為理想二極管，在電 壓u2的正半周，二極管D正偏導(dǎo)通，電流iD經(jīng)二極管流向負(fù)載RL，在RL上就得 到一個(gè)上正下負(fù)的電壓；在u2的負(fù)半周，二極管D反偏截止，流過(guò)負(fù)載的電流為 0，因而RL上電壓為0。這樣以來(lái)，在u2信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)，RL上只有半個(gè)周期 有電流通過(guò)，結(jié)果在RL兩端得到的輸出電壓uo就是單方向的，且近似為半個(gè)周 期的正弦波，所以叫“半波整流電路”。半波整流電路中各段電壓、電流的波形 如圖4-11（b）所示。 存在的不足：存在的不足：半波整流電路雖然簡(jiǎn)單，但它只利用了電源的半個(gè)周期，整流 輸出電壓低，

19、脈動(dòng)幅度較大且變壓器利用率低。 （2）單向橋式全波整流電路）單向橋式全波整流電路 如圖4-12（a）所示。電路中采用了D1D4四只二極管，并且接成電橋形式。 圖圖4-12 工作原理分析：工作原理分析：當(dāng)u2為正半周時(shí)， D1、D2導(dǎo)通，D3、D4截止；當(dāng)u2為負(fù)半 周時(shí)，D2、D4導(dǎo)通，D1、D2截止，即在u2的一個(gè)周期內(nèi)，負(fù)載RL上均能得到 直流脈動(dòng)電壓uo，故稱為全波整流電路。所有波形如圖4-12（d）所示。橋式整 流電路還可以有其他畫法，如圖4-12（b）、（c）所示。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：全波整流因?yàn)樵谡麄€(gè)周期里均有電流流過(guò)負(fù)載，所以它的輸出電壓要 大于半波整流，并且脈動(dòng)程度也小于半波整流。

20、（3）整流電路的主要參數(shù)）整流電路的主要參數(shù) 下面以應(yīng)用較廣泛的單相橋式全波整流電路為例，介紹各項(xiàng)主要參數(shù)。 1）輸出電壓的平均值）輸出電壓的平均值Uo（AV） 輸出直流電壓Uo（AV）是整流電路的輸出電壓瞬時(shí)值uo在一個(gè)周期內(nèi)的平均 值，即 )d( 2 1 2 0OO(AV) wtuU 由圖4-12（d）可見，在橋式整流電路中 222 0 o(AV) 90 22 )d(sin2 1 UUwtwtUU 2）脈動(dòng)系數(shù)）脈動(dòng)系數(shù)S 輸出電壓的脈動(dòng)系數(shù)S表示輸出電壓的脈動(dòng)程度，定義為輸出電壓基波的最大 值Uo1m與其平均值Uo（AV）之比。全波整流輸出電壓的脈動(dòng)系數(shù)為： 670 22 3 24 2

21、2 U U S 3）二極管正向平均電流）二極管正向平均電流ID（AV） 在橋式整流電路中，二極管D1、D2和D3、D4輪流導(dǎo)通，由圖4-12（d）所示 波形圖可以看出，每個(gè)整流二極管的平均電流等于輸出電流平均值的一半，即 L o(AV) o(AV)D(AV) 22 1 R U II 4）二極管最大反向峰值電壓）二極管最大反向峰值電壓URM 由圖4-12（d）波形容易看出，整流二極管承受的最大反向電壓就是變壓器副 邊電壓的最大值，即 2RM 2UU 2. 限幅電路限幅電路 當(dāng)輸入信號(hào)電壓在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出電壓隨輸入電壓做相應(yīng)變化；而 當(dāng)輸入電壓超出該范圍時(shí)，輸出電壓保持不變，這種電路就是限

22、幅電路限幅電路。 通常將輸出電壓uo保持不變的電壓值稱為限幅電平限幅電平，當(dāng)輸入電壓高于限幅電 平時(shí)，輸出電壓保持不變的限幅稱為上限幅上限幅；當(dāng)輸入電壓低于限幅電平時(shí)，輸出 電壓保持不變的限幅稱為下限幅下限幅。二極管限幅電路有串聯(lián)、并聯(lián)、雙向限幅電路。 下面再看一道雙限幅電路的例子。 例例4-2 在圖4-13（a）所示電路中，已知兩只二極管的導(dǎo)通壓降Uon均為0.7 V，試畫出輸出電壓uo與輸入電壓ui的關(guān)系曲線（即電壓傳輸特性）。 圖圖4-13 解解 此題中二極管不能視為理想二極管。 圖4-13（a）中兩只二極管D1、D2方向相反，所以當(dāng)ui 0.7 V時(shí)，D1導(dǎo)通， D2截止，uo = U

23、on = 0.7 V；當(dāng)ui -0.7 V時(shí)，D1截止，D2導(dǎo)通，uo = -Uon = - 0.7 V；當(dāng)-0.7 Vui 0.7 V時(shí)，D1、D2均截止，相當(dāng)于開關(guān)斷開，uo = ui， uo與ui成正比例關(guān)系。 由以上分析可畫出uo與ui的關(guān)系曲線，如圖4-13（b）所示。該電路為一個(gè) 雙向限幅電路，D1、D2的接法使uo的大小限在 -0.7 V+0.7 V之內(nèi)。 3. 檢波電路檢波電路 無(wú)線電技術(shù)中經(jīng)常要進(jìn)行信號(hào)的遠(yuǎn)距離輸送，這就需要把低頻信號(hào)（如聲頻 信號(hào)）裝載到高頻振蕩信號(hào)上并由天線發(fā)射出去。電路分析中，將低頻信號(hào)稱為 調(diào)制信號(hào)調(diào)制信號(hào)，高頻振蕩信號(hào)稱為載波載波，受低頻信號(hào)控制的高

24、頻振蕩稱為已調(diào)波，控 制的過(guò)程稱為調(diào)制調(diào)制。在接收地點(diǎn)，接收機(jī)天線接收到的已調(diào)波信號(hào)，經(jīng)放大后再 設(shè)法還原成原來(lái)的低頻信號(hào)，這一過(guò)程稱為解調(diào)解調(diào)或檢波。圖4-14（a）所示為一 已調(diào)波，圖4-14（b）為由二極管組成的檢波器，其中D用于檢波，稱為檢波二極檢波二極 管管，一般為點(diǎn)接觸型二極管；C為檢波器負(fù)載電容，用來(lái)濾除檢波后的高頻成分； RL為檢波器負(fù)載，用來(lái)獲取檢波后所需的低頻信號(hào)。 由于二極管的單向?qū)щ娮饔?，已調(diào)波經(jīng)二極管檢波后，負(fù)半波被截去，如圖 4-14（c）所示，檢波器負(fù)載電容將高頻成分旁路，在RL兩端得到的輸出電壓就 是原來(lái)的低頻信號(hào)，如圖4-14（d）所示。 圖圖4-14 4.

25、二極管二極管“續(xù)流續(xù)流”保護(hù)電路保護(hù)電路 二極管也可用作保護(hù)器件，如圖4-15所示。當(dāng)開關(guān)S閉合時(shí)，直流電壓源US 接通大電感L，二極管D因反偏而截止，全部電流流過(guò)電感線圈。當(dāng)開關(guān)S斷開時(shí)， 電感線圈中的電流將迅速降到零，大電感兩端會(huì)產(chǎn)生很大的負(fù)瞬時(shí)電壓。如果沒 有提供另外的電流通路，該暫態(tài)電壓將在開關(guān)兩端產(chǎn)生電弧，損壞開關(guān)。若在電 路中接有如圖中所示的二極管時(shí)，二極管為電感線圈的放電提供了通路，使uL 的負(fù)峰值限制在二極管的正向壓降范圍內(nèi)，開關(guān)S兩端的電弧被消除，同時(shí)電感 線圈中的電流將平穩(wěn)地減少。 圖圖4-15 5. 邏輯運(yùn)算（開關(guān)）電路邏輯運(yùn)算（開關(guān)）電路 在開關(guān)電路中，我們一般把二極管

26、看成理想模型，即二極管導(dǎo)通時(shí)兩端電壓 為零，截止時(shí)兩端電阻為無(wú)窮大。在圖4-16（a）的電路中只要有一路輸入信號(hào) 為低電平，輸出即為低電平，僅當(dāng)全部輸入為高電平時(shí)，輸出才為高電平，這在 邏輯運(yùn)算中稱為“與”邏輯運(yùn)算。圖4-16（b）電路中，當(dāng)只要有一路輸入信號(hào) 為高電平，輸出即為高電平，僅當(dāng)全部輸入為低電平時(shí)，輸出才為低電平，這種 運(yùn)算稱為“或”邏輯運(yùn)算。 圖圖4-16 4.3 半導(dǎo)體三極管半導(dǎo)體三極管 4.3.1 三極管的基本結(jié)構(gòu)及外形三極管的基本結(jié)構(gòu)及外形 三極管有兩種類型：NPN型和PNP型。在電路中分別用兩種不同的符號(hào)表示， 如圖4-17（a）和（b）所示。 圖圖4-17 圖4-18所

27、示為幾種常見三極管的實(shí)物外形圖。 圖圖4-18 三極管的制作工藝要求：三極管的制作工藝要求： 三極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)在制造工藝上的特點(diǎn)如下： （1）發(fā)射區(qū)的摻雜濃度遠(yuǎn)大于集電區(qū)的摻雜濃度； （2）基區(qū)很薄，一般為1m至幾m； （3）集電結(jié)面積大于發(fā)射結(jié)面積。 三極管的分類：三極管的分類：三極管按材料不同分為硅管和鍺管。目前我國(guó)制造的硅管多 為NPN型，鍺管多為PNP型。不論是硅管還是鍺管，NPN管還是PNP管，它們 的基本工作原理是相同的。本結(jié)主要討論NPN管。 4.3.2 三極管的電流放大原理三極管的電流放大原理 三極管的三種工作狀態(tài)：三極管的三種工作狀態(tài)：通過(guò)改變加在三極管三個(gè)極上的電壓可以改變

28、其兩 個(gè)PN結(jié)的偏置電壓，從而使三極管有三種工作狀態(tài)：（1）當(dāng)發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均 反偏時(shí)，處于截止?fàn)顟B(tài)截止?fàn)顟B(tài)；（2）當(dāng)發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏時(shí)，處于放大狀態(tài)放大狀態(tài)； （3）當(dāng)發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均正偏時(shí)，處于飽和狀態(tài)飽和狀態(tài)。 下面以NPN型三極管為例分析 其電流放大原理。 1. 三極管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)三極管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng) 圖4-19所示電路中，當(dāng)電源電 壓VCCVBB且RBRC時(shí)，能保 證發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏，即 保證三極管處于放大狀態(tài)。三極 管的電流放大作用是通過(guò)其內(nèi)部 載流子的運(yùn)動(dòng)形成的。載流子的 運(yùn)動(dòng)有以下三個(gè)過(guò)程： 圖圖4-19 （1）發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子 由于發(fā)射結(jié)正向偏置，載流子

29、的運(yùn)動(dòng)主要以多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)為主。發(fā)射區(qū)的多 子（電子）不斷通過(guò)發(fā)射結(jié)擴(kuò)散到基區(qū)，基區(qū)的多子（空穴）也通過(guò)發(fā)射結(jié)擴(kuò)散 到發(fā)射區(qū)，如圖4-19所示。這兩種多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成的擴(kuò)散電流即為發(fā)射極電發(fā)射極電 流流IE。由于發(fā)射區(qū)的摻雜濃度遠(yuǎn)大于基區(qū)，因而IE主要以電子電流為主，空穴電流 可以忽略不計(jì)。 （2）電子在基區(qū)的擴(kuò)散和復(fù)合 發(fā)射區(qū)的電子注入基區(qū)后，靠近發(fā)射結(jié)附近濃度很高，離結(jié)越遠(yuǎn)濃度越低。由 于濃度差電子將繼續(xù)向集電結(jié)方向擴(kuò)散，又由于基區(qū)很薄、雜質(zhì)濃度低，電子在 擴(kuò)散過(guò)程中只有很少一部分與基區(qū)的空穴復(fù)合掉，形成基極電流基極電流IB n 。 （3）集電區(qū)收集電子 由于集電結(jié)反向偏置，有利于少子的

30、漂移運(yùn)動(dòng)。從發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的電子便成 為了基區(qū)的少子，它們擴(kuò)散到集電結(jié)附近后很容易在集電結(jié)電場(chǎng)作用下漂移到集 電區(qū)，被集電區(qū)收集，形成集電極電流集電極電流ICn。與此同時(shí)，由于集電結(jié)反向偏置，基 區(qū)本身的少子（電子）與集電區(qū)的少子（空穴）將在結(jié)電場(chǎng)的作用下形成漂移電 流，即反向飽和電流，稱為反向飽和電流，稱為ICBO。ICBO數(shù)值很小，可以忽略不計(jì)，但由于它受溫度 影響大，將影響管子的性能。 2. 三極管各電極電流之間的關(guān)系三極管各電極電流之間的關(guān)系 在圖4-19所示電路中，IB所在回路稱為輸入回路，IC所在回路稱為輸出回路， 而發(fā)射極是兩個(gè)回路的公共端，因此該電路稱為共發(fā)射極放大電路，簡(jiǎn)稱共

31、射電共射電 路路。此外還有共基極電路，簡(jiǎn)稱共基電路共基電路，共集電極電路，簡(jiǎn)稱共集電路共集電路。 由以上分析可知，三極管內(nèi)部有兩種載流子參與導(dǎo)電，故稱為雙極型晶體管。 三極管三個(gè)電極電流IB、IC、IE分別為： IB = IB n - ICBO （4-1） IC = IC n + ICBO （4-2） IE = IC n + IB n =（IC n + ICBO）+（IB n - ICBO）= IC + IB （4-3） 圖4-19所示電路中，當(dāng)管子制成以后，IC與IB的比值是確定的，這個(gè)比值就稱 為共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)共發(fā)射極直流電流放大系數(shù) ，即 B C I I 實(shí)際電路中，三極管主要

32、用于放大動(dòng)態(tài)信號(hào)。當(dāng)輸入回路加上動(dòng)態(tài)信號(hào)后，將 引起發(fā)射結(jié)電壓的變化，從而使發(fā)射極電流、基極電流變化，集電極電流也將隨之 變化。集電極電流的變化量IC與基極電流變化量IB的比值稱為共發(fā)射極交流電共發(fā)射極交流電 流放大系數(shù)流放大系數(shù)，用表示，即滿足 B C I I （4-5） 式（4-5）表明：表明：三極管具有將基極電流變化量IB放大倍的能力，這就是三 極管的電流放大作用。 在近似分析中可認(rèn)為 ，故在實(shí)際應(yīng)用中不再加以區(qū)分。 綜上可得，圖4-19所示共射放大電路中，三個(gè)電極電流的大小關(guān)系為：集電極 電流IE最大，其次是集電極電流IC，基極電流IB最小，且滿足ICIB。在放大電路的 近似估算中，有

33、時(shí)常將IB忽略。因此，三極管共射放大電路中的三個(gè)電極電流關(guān) 系可完整表示為： IE = IB + IC IB +IB =（1+）IB （4-6） 當(dāng)忽略基極電流IB時(shí)，式（4-5）寫為 IE = IB + IC IC IB （4-7） 此外，對(duì)于PNP型三極管，其工作原理與NPN型近似，兩者的區(qū)別是三個(gè) 電極電流的實(shí)際方向正好相反：對(duì)于PNP型三極管，電流從發(fā)射極流入，從基 極和集電極流出。外加電源的極性和NPN電路也相反，如圖4-20所示。在PNP 型三極管構(gòu)成的放大電路中，發(fā)射極電位VE最高，基極電位VB次之，集電極 電位VC最低。其他分析和NPN型三極管構(gòu)成的放大電路相仿。 圖圖4-20

34、 4.3.3 三極管的共射特性曲線三極管的共射特性曲線 共射特性曲線：共射特性曲線：三極管的共射特性曲線是指三極管在共射接法情況下各電極 電壓與電流之間的關(guān)系曲線，分為輸入特性曲線和輸出特性曲線。本節(jié)主要介紹 NPN型三極管的共射特性曲線。 1. 輸入特性曲線輸入特性曲線 三極管的輸入特性是指當(dāng)輸出端電壓UCE一定時(shí)，IB與UBE之間的關(guān)系曲線， 即IB = f（UBE）UCE =常數(shù)， 如圖4-21所示。 圖圖4-21 輸入特性分析：輸入特性分析：當(dāng)UCE = 0時(shí)，相當(dāng)于兩個(gè)PN結(jié)（發(fā)射結(jié)和集電結(jié)）并聯(lián)， 此時(shí)輸入特性與二極管伏安特性相似。當(dāng)UCE增大時(shí)，輸入特性曲線右移，但 當(dāng)UCE 2

35、V后曲線重合。這是因?yàn)?，?dāng)UCE0時(shí)，隨著UCE的增大，集電結(jié) 電場(chǎng)對(duì)發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的電子的吸引力增強(qiáng)，因而使基區(qū)內(nèi)與空穴復(fù)合的電子 數(shù)減少，表現(xiàn)為在相同UBE下對(duì)應(yīng)的IB減小，故與UCE = 0時(shí)的曲線相比，輸 入曲線右移。但當(dāng)UCE大于某一數(shù)值以后，特性曲線右移很少。這是因?yàn)樵谝?定的UBE之下，集電結(jié)的反向偏置電壓已足以將注入基區(qū)的電子基本上都收集 到集電極，即使UCE再增大，IB也不會(huì)減小很多。所以，常用UCE1 V的一條 曲線（例如UCE = 2 V）來(lái)代表UCE更高的情況。 2. 輸出特性曲線輸出特性曲線 三極管的輸出特性是指當(dāng)基極電流IB一定時(shí)， IC與UCE之間的關(guān)系曲線， 即

36、IC = f（UCE）IB =常數(shù)。 由于三極管的基極輸入電流IB對(duì)輸出電流IC的控制作用，因此不同的IB，將 有不同的IC-UCE關(guān)系，由此可得圖4-22所示的一簇曲線，這就是三極管的輸出 特性曲線。 圖圖4-22 輸出特性分析：輸出特性分析：從輸出特性曲線可以看出，三極管有三個(gè)不同的工作區(qū)域， 截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)，它們分別表示三極管的三種工作狀態(tài)，即截止、放大 和飽和狀態(tài)。三極管工作在不同狀態(tài)，特點(diǎn)也各不相同。 （1）截止區(qū)）截止區(qū) 指曲線上IB0的區(qū)域，此時(shí)，集電結(jié)和發(fā)射結(jié)均反偏，三極管為截止?fàn)顟B(tài)， IC很小，集電極與發(fā)射極之間相當(dāng)于斷開的開關(guān)。 （2）放大區(qū)）放大區(qū) 指曲線上IB0

37、和UCE1V之間的部分，此時(shí)三極管的發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié) 反偏，三極管處于放大狀態(tài)。此時(shí)，對(duì)于NPN型三極管來(lái)說(shuō)，滿足UBE0， UBC0，即各電極電位為VCVBVE；對(duì)于PNP型三極管來(lái)說(shuō)，滿足UBE 0，UBC0，各電極電位為VCVBVE。在放大區(qū)時(shí)，可以看出IB不變時(shí)IC 也基本不變，即具有恒流特性；而當(dāng)IB變化時(shí)，IC也隨之變化，且滿足IC =IB，這就是三極管的電流放大作用。 （3）飽和區(qū)）飽和區(qū) 指曲線上UCE UBE的區(qū)域，此時(shí)IC不僅與IB有關(guān)，而且明顯隨UCE 增大而 增大，且IC IB。集電結(jié)和發(fā)射結(jié)均正偏，三極管處于飽和狀態(tài)。一般稱 UCE = UBE時(shí)三極管的工作狀態(tài)為臨

38、界狀態(tài)，即臨界飽和或臨界放大狀態(tài)。飽 和時(shí)的UCE稱為飽和管壓降飽和管壓降，記作UCES，一般小功率硅三極管的UCES0.4 V， c-e間相當(dāng)于閉合的開關(guān)。 小結(jié)：小結(jié)：三極管的放大區(qū)可以近似看成線性工作取區(qū)，飽和區(qū)和截止區(qū)是非線 性工作區(qū)。模擬電路主要討論各種放大電路，因此三極管工作在放大區(qū)；數(shù)字電 路討論輸出變量與輸入變量之間的邏輯關(guān)系，需要三極管充當(dāng)開關(guān)使用，因此三 極管工作在飽和區(qū)和截止區(qū)。 4.3.4 三極管的主要參數(shù)三極管的主要參數(shù) （1）電流放大系數(shù)）電流放大系數(shù) 三極管的電流放大系數(shù)是表征管子放大作用大小的參數(shù)。綜合前面的討論， 有以下幾個(gè)參數(shù)：共射交流電流放大系數(shù)和共射直流

39、電流放大系數(shù)。 （2）極間反向飽和電流）極間反向飽和電流 1）集電極-基極反向飽和電流ICBO： ICBO是指發(fā)射極e開路時(shí)集電極c和基極b之間的反向電流。一般小功率鍺管的 ICBO約為幾微安幾十微安；硅三極管的ICBO要小得多，有的可以達(dá)到納安數(shù)量 級(jí)。 2）集電極-發(fā)射極間的穿透電流ICEO： ICEO是指基極b開路時(shí)集電極c和發(fā)射e間加上一定電壓時(shí)所產(chǎn)生的集電極電流。 ICEO=（1+ ）ICBO。 因?yàn)镮CBO和ICEO都是少數(shù)載流子運(yùn)動(dòng)形成的，所以對(duì)溫度非常敏感。ICBO和 ICEO愈小，表明三極管的質(zhì)量愈高。 （3）極限參數(shù)）極限參數(shù) 三極管的極限參數(shù)是指使用時(shí)不得超過(guò)的限度。主要

40、有以下幾項(xiàng)： 1）集電極最大允許電流ICM 當(dāng)集電極電流過(guò)大，超過(guò)一定值時(shí)，三極管的值就要減小，且三極管有損壞 的危險(xiǎn)，該電流值即為ICM。 2）集電極最大允許功耗PCM 三極管的功率損耗大部分消耗在反向偏置的集電結(jié)上，并表現(xiàn)為結(jié)溫升高， PCM是在管子溫升允許的條件下集電極所消耗的最大功率。超過(guò)此值，管子將被 燒毀。 3）反向擊穿電壓 三極管的兩個(gè)結(jié)上所加反向電壓超過(guò)一定值時(shí)都將被擊穿，因此，必須了解 三極管的反向擊穿電壓。極間反向擊穿電壓主要有以下幾項(xiàng)： U（BR）CEO：基極開路時(shí)，集電極和發(fā)射極之間的反向擊穿電壓。 U（BR）CBO：發(fā)射極開路時(shí)，集電極和基極之間的反向擊穿電壓。 例例

41、4-3 現(xiàn)測(cè)得放大電路中兩只三極管的電極電流及直流電位如圖4-23所示。 （1）判斷圖（a）中，標(biāo)有“？”的是三極管的哪個(gè)電極，大小等于多少，方向 如何，是何種類型管，并求其值；（2）確定圖（b）中三極管的類型、材料、各 個(gè)電極。 圖圖4-23 解解 （1）圖（a）中已知的兩個(gè)電極電流 數(shù)值相差較大，依此可判斷它們是基極b和發(fā) 射極e或者是基極b和集電極c；又因其方向均 為流入三極管，故可斷定這兩個(gè)電極是基極b 和集電極c，所以標(biāo)有“？”的是三極管的發(fā) 射極e，故可求得IE = IB + IC = 2.02 mA， 方向?yàn)榱鞒鋈龢O管。根據(jù)電流方向可知，該 管為NPN型三極管，其電流放大系數(shù)IC

42、/IB = 2000A/20A = 100。 （2）已知三極管工作在放大狀態(tài)，所以其發(fā)射結(jié)（即b-e之間的PN結(jié)）正 偏導(dǎo)通，導(dǎo)通電壓UBE等于0.6V左右（硅管）或0.3V左右（鍺管）。很明顯， 圖（b）中、兩電極的直流電位之差為0.7V，于是可判斷是集電極c，又 因集電極電位Vc最低，所以該管為PNP型三極管，繼而可斷定電位最高的為 發(fā)射極e，為基極b，且發(fā)射結(jié)兩端電壓UBE = Vb Ve = 5.3V - 6V = -0.7V， 所以該管為硅管。 例例4-4 已知由三極管構(gòu)成的基本放大電路中，電源電壓VCC = 15V。今有三 只管子，其參數(shù)列于表4-1中，請(qǐng)從中選用一只管子，并簡(jiǎn)述理

43、由。 三極管數(shù)T1T2T3 10020100 ICB（A）0.10.010.02 U（BRCEO（V）303010 表表4-1 解解 T2管ICBO很小，表明其溫度穩(wěn)定性好，但其值太小，放大能力差， 故不宜選用。T3管雖然ICBO較小且值較大，但其U（BR）CEO只有10V，小于電 源電壓15V，工作中有被擊穿的危險(xiǎn)，所以也不能選用。T1管的ICBO也不大， 且值較大， U（BR）CEO等于30V，大于電源電壓，所以選用T1管最合適。 4.4 場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管 名稱：名稱：場(chǎng)效應(yīng)管（簡(jiǎn)稱FET，F(xiàn)ield Effect Transistor）是另一類晶體管，它也 有三個(gè)電極，叫柵極（G）、源極

44、（S）和漏極（D）。場(chǎng)效應(yīng)管工作時(shí)，參與導(dǎo) 電的是單一極性的載流子，所以它是單極型晶體管。 分類：分類：場(chǎng)效應(yīng)管分為兩大類：一類是結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JFET（Junction FET）， 另一類是絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管IGFET（Insulated Gate FET）。而按導(dǎo)電溝道分，每 一類場(chǎng)效應(yīng)管都有P溝道和N溝道兩種。 4.4.1 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管 1結(jié)結(jié) 構(gòu)構(gòu) 在N型半導(dǎo)體兩邊用擴(kuò)散法或其他工藝形成兩個(gè)高濃度的P型區(qū)（用P+）表示， 將這兩個(gè)P+區(qū)各引出一個(gè)電極并連在一起稱為柵極G，在N型半導(dǎo)體的兩端各引 出一個(gè)電極，分別稱為源極S和漏極D，如圖4-24（a）所示，這樣就制成了N溝道 JF

45、ET。兩個(gè)P+區(qū)與N型半導(dǎo)體之間形成了兩個(gè)PN結(jié)，PN結(jié)中間的N型區(qū)域稱為 導(dǎo)電溝道。用同樣方法可制成P溝道的JFET。 N溝道JFET的電路符號(hào)如圖4-24（b）所示。其中箭頭表示柵結(jié)（PN結(jié)）的 方向，從P指向N，P溝道JFET的柵結(jié)方向與N溝道的相反。因而可根據(jù)箭頭方 向識(shí)別管子屬于N溝道管還是P溝道管。 圖圖4-24 2. 工作原理工作原理 改變JFET柵極和源極之間的電壓uGS，即可改變導(dǎo)電溝道的寬度，從而改變 通過(guò)漏極和源極的電流iD的大小。JFET工作時(shí)常接成如圖4-25所示的共源接法， 以源極為公共端。 圖圖4-25 圖中VDD為正電源，保證D、S間電壓足夠大， 而VGG應(yīng)為負(fù)

46、電源。當(dāng)VGG = 0時(shí)，uGS = 0， 漏極與源極之間存在導(dǎo)電溝道，因而存在漏極電 流iD。當(dāng)VGG逐漸增大時(shí)，uGS逐漸變負(fù)，由于 兩個(gè)PN結(jié)均反向偏置，耗盡層均變寬而向?qū)щ姕?道內(nèi)擴(kuò)展，使導(dǎo)電溝道變窄，溝道電阻增大，因 而電流iD減小；當(dāng)VGG的數(shù)值繼續(xù)增大到某一個(gè) 值時(shí)，兩個(gè)PN結(jié)的耗盡層將彼此相遇，使導(dǎo)電溝 道被夾斷，iD = 0，此時(shí)的柵-源電壓稱為夾斷電 壓UP?？梢?，輸出端漏極電流ID是受輸入電壓 UGS的控制，因此，場(chǎng)效應(yīng)管是一種電壓控制型電壓控制型 元件元件。 注意：注意：在使用中結(jié)型管的漏極D和源極S可以互換。 3. 特性曲線特性曲線 場(chǎng)效應(yīng)管的伏安特性曲線有兩種，一種

47、是與三極管的輸入特性曲線相對(duì)應(yīng)的， 叫轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線；另一種是與三極管的輸出特性曲線相對(duì)應(yīng)的叫漏極特性曲線漏極特性曲線， 也稱輸出特性曲線。 （1）轉(zhuǎn)移特性）轉(zhuǎn)移特性 轉(zhuǎn)移特性是指當(dāng)uDS一定時(shí)，iD與uGS之間的關(guān)系曲線。它反映柵-源電壓 uGS對(duì)漏極電流iD的控制作用，表示了JFET是一種電壓控制電流的器件。 在圖4-26（a）所示的N溝道JFET的轉(zhuǎn)移特性中，uGS0，表明正常工作時(shí) 柵-源電壓不能為正；當(dāng)UPuGS0時(shí)，電流iD隨| uGS|減小而增大，當(dāng)| uGS|= 0時(shí)的iD稱為飽和漏極電流，記作IDSS。近似計(jì)算時(shí)，可用如下公式表示iD與 uGS之間的關(guān)系： 2 P

48、GS DSSD )1 ( U u Ii （2）漏極特性）漏極特性 漏極特性是指當(dāng)uGS一定時(shí)，iD與uDS之間的關(guān)系曲線。圖4-26（b）所示 為N溝道JFET的漏極特性曲線，與三極管的輸出特性類似，也可分為三個(gè)工作 區(qū)，下面分別介紹。 可變電阻區(qū)：可變電阻區(qū)：圖中虛線uDS - |uGS|= - UP（稱為預(yù)夾斷軌跡）左邊部分即為 可變電阻區(qū)。其特點(diǎn)是：iD隨uDS增大而線性增加，曲線的斜率表現(xiàn)為漏-源間的 等效電阻rDS。對(duì)應(yīng)不同的uGS，曲線斜率將不同，也就是說(shuō)該區(qū)是一個(gè)由uGS 控制的可變電阻區(qū)。 恒流區(qū)（也稱飽和區(qū)）：恒流區(qū)（也稱飽和區(qū)）：圖中虛線右邊曲線近似水平的部分為恒流區(qū)。其特

49、 點(diǎn)是：iD不隨uDS而改變，表現(xiàn)出恒流特性，因而稱為恒流區(qū)。JFET用于放大時(shí) 應(yīng)工作在該區(qū)域，此時(shí)iD幾乎僅僅決定于uGS。 夾斷區(qū)：夾斷區(qū)：圖中靠近橫軸的部分稱為夾斷區(qū)，此時(shí)uGSUP，導(dǎo)電溝道被夾斷， iD=0，此時(shí)JFET的三個(gè)電極均相當(dāng)于開路。 圖圖4-26 4.4.2 絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管 名稱：名稱：絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管由金屬、氧化物和半導(dǎo)體構(gòu)成，一般稱為MOS （Metal Oxide Semiconductor）管，目前在大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路中使用非 常廣泛。 分類：分類：絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管也分為N溝道型和P溝道型，每種溝道型又有增強(qiáng)型 和耗盡型之分。下面以N溝道型M

50、OS管為例，介紹場(chǎng)效應(yīng)管的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。 1N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOS管管 （1）結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu) 圖4-27（a）所示為N溝道增強(qiáng)型MOS管的結(jié)構(gòu)圖。 圖圖4-27 它是用一塊摻雜濃度較低的P型硅片作為襯底，在其上擴(kuò)散出兩個(gè)高摻雜的N 型區(qū)（稱為N+區(qū)），然后在半導(dǎo)體表面覆蓋一層很薄的二氧化硅絕緣層。從兩個(gè) N+區(qū)表面及它們之間的二氧化硅表面分別引出三個(gè)鋁電極：源極S、漏極D和柵極 G。因?yàn)闁艠O是和襯底完全絕緣的，所以稱作絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管。襯底襯底B也有引極， 通常在管子內(nèi)部和源極相連。圖4-27（b）為N溝道增強(qiáng)型MOS管的電路符號(hào)。 （2）工作原理）工作原理 增強(qiáng)型MOS管的兩個(gè)N+區(qū)

51、和P型襯底形 成兩個(gè)背靠背的PN結(jié)，不加?xùn)?源電壓時(shí)， 源-漏兩極之間沒有原始的導(dǎo)電溝道。當(dāng)柵極 和源極之間施加正向電壓UGS時(shí)，將產(chǎn)生一 個(gè)作用于襯底的電場(chǎng)，在該電場(chǎng)的作用下， 可將P型襯底中的少數(shù)載流子自由電子吸引 到絕緣層下方，感生出一個(gè)N型電荷層（稱 為反型層），如圖4-28所示，該電路是共源 接法。 圖圖4-28 當(dāng)電壓UGS超過(guò)一定值時(shí)，這個(gè)N型電荷層將會(huì)將兩個(gè)N+區(qū)聯(lián)結(jié)起來(lái)，從 而在漏-源兩極之間形成一個(gè)導(dǎo)電溝道。剛開始產(chǎn)生導(dǎo)電溝道的柵-源電壓UGS 稱為開啟電壓UT。由于該導(dǎo)電溝道是由自由電子構(gòu)成的，所以稱為N溝道。 當(dāng)漏-源兩極間加上電壓UDS時(shí)，自由電子定向運(yùn)動(dòng)，就會(huì)形成漏

52、極電流ID， 如圖4-28所示。當(dāng)UDS一定時(shí)，改變UGS的大小，可以改變導(dǎo)電溝道的寬度， 從而改變漏極電流ID的大小。另外，當(dāng)加上電壓UDS時(shí)，沿溝道有一個(gè)電位梯 度，靠近漏極處電位最高，該處柵-漏電壓（UGD = UGS - UDS）最小，因此 感生出的導(dǎo)電溝道最窄，而靠近源極處電位最低，該處柵-源電壓最大，因此感 生出的導(dǎo)電溝道最寬，所以實(shí)際的導(dǎo)電溝道呈契形，如圖4-28所示。 圖4-29所示為N溝道增強(qiáng)型MOS管的伏安特性曲線，讀者可參照N溝道結(jié)型 場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線自行分析。 圖圖4-29 衡量柵-源電壓UGS對(duì)漏極電流ID的控制作用的參數(shù)稱作低頻跨導(dǎo)，用gm表示。 定義為：當(dāng)UDS

53、一定時(shí)，ID與UGS的變化量之比，即 常數(shù) DS GS D mU U I g GS D m U I g GS D m U I g 2. N溝道耗盡型溝道耗盡型MOS管管 耗盡型MOS管和增強(qiáng)型MOS管的區(qū)別是：前者具有原始的導(dǎo)電溝道，而 后者沒有原始的導(dǎo)電溝道。如果在MOS的制作過(guò)程中，在二氧化硅里摻入大 量的正離子，那么即使柵-源電壓UGS = 0，在這些正離子的作用下，也能在P 型襯底中感生出原始的導(dǎo)電溝道，將兩個(gè)高濃度的N+區(qū)相連。這就是N溝道 耗盡型MOS管。 N溝道耗盡型MOS管在使用中，柵-源電壓UGS可正可負(fù)。UGS0時(shí)，工 作過(guò)程與增強(qiáng)型MOS管相仿，UGS增大，導(dǎo)電溝道變寬，

54、使ID增大；UGS0 時(shí)，其產(chǎn)生的電場(chǎng)將削弱正離子的作用，使導(dǎo)電溝道變窄，從而使ID減小。當(dāng) 負(fù)的UGS大到一定程度時(shí)，將使導(dǎo)電溝道消失，ID = 0，此時(shí)的UGS就是夾斷電 壓UP。各種MOS管的電路符號(hào)如圖4-30所示。 圖圖4-30 4.4.3 場(chǎng)效應(yīng)管和三極管比較場(chǎng)效應(yīng)管和三極管比較 場(chǎng)效應(yīng)管的柵極G、源極S、漏極D分別對(duì)應(yīng)于三極管的基極B、發(fā)射極E、集 電極C，它們的作用相類似，但也由區(qū)別?，F(xiàn)比較如下： （1）三極管是兩種載流子（多子和少子）參與導(dǎo)電，故稱雙極型晶體管。而場(chǎng) 效應(yīng)管是由一種載流子（多子）參與導(dǎo)電，N溝道管是電子，P溝道管是空穴， 故稱單極型晶體管。所以場(chǎng)效應(yīng)管的溫度穩(wěn)

55、定性好，因此，若使用條件惡劣，宜 選用場(chǎng)效應(yīng)管。 （2）三極管的集電極電流IC受基極電流IB的控制，若工作在放大區(qū)可視為電流 控制的電流源（CCCS）。場(chǎng)效應(yīng)管的漏極電流ID受柵源電壓UGS的控制，是電 壓控制元件。若工作在放大區(qū)可視為電壓控制的電流源（VCCS）。 （3）三極管的輸入電阻低（102104），而場(chǎng)效應(yīng)管的輸入電阻可高達(dá)106 1015。 （4）三極管的制造工藝較復(fù)雜，場(chǎng)效應(yīng)管的制造工藝較簡(jiǎn)單，因而成本低，適 用于大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路中。 有些場(chǎng)效應(yīng)管的漏極和源極可以互換使用，而三極管正常工作時(shí)集電極和發(fā)射極 不能互換使用，這是基于結(jié)構(gòu)和工作原理所致。 場(chǎng)效應(yīng)管產(chǎn)生的電噪聲比

56、三極管小，所以低噪聲放大器的前級(jí)常選用場(chǎng)效應(yīng)管。 （5）三極管分NPN型和PNP型兩種，有硅管和鍺管之分。場(chǎng)效應(yīng)管分結(jié)型和絕 緣柵型兩大類，每類場(chǎng)效應(yīng)管又可分為N溝道和P溝道兩種，都是由硅片制成。 4.5 晶閘管晶閘管 4.5.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理 晶閘管由四層半導(dǎo)體材料組成，四層材料由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體交替組成， 分別為P1、N1、P2和N2，它們的接觸面形成三個(gè)PN結(jié)，分別為J1、J2和J3， 故晶閘管也稱為四層器件或PNPN器件。P1區(qū)的引出線為陽(yáng)極A，N2區(qū)的引出線 為陰極K，P2區(qū)的引出線為門極G（也稱控制極）。晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4-31 （a）所示

57、。 圖圖4-31 無(wú)論在晶閘管的陽(yáng)極和陰極之間加上正向還是反向電壓，總有一個(gè)PN結(jié) 處于反向阻斷狀態(tài)，管子不會(huì)導(dǎo)通。圖4-31（a）中晶閘管的四層半導(dǎo)體可以 等效為由兩個(gè)三極管T1（P1、N1、P2）和T2（N1、P2、N2）組成，如圖4- 32所示。 圖圖4-32 當(dāng)晶閘管的陽(yáng)極和陰極之間加上正向電壓而門極不加電壓時(shí)，即J2處于反偏 狀態(tài)，管子不導(dǎo)通，稱為正向阻斷。工作原理如圖4-33所示。即開關(guān)S打開時(shí)， 等效的T1、T2管中沒有輸入門極電流，只有極小的漏電流，管子處于阻斷狀態(tài)。 當(dāng)在晶閘管陽(yáng)極與陰極之間加上正向電壓，并且門極與陰極之間也加上正向電 壓Ug，從門極流入足夠的門極電流Ig，晶

58、閘管就能導(dǎo)通。即開關(guān)S閉合時(shí)，從門 極流入足夠的觸發(fā)電流Ig ，T1管的集電極電流Ic1就是T2管的基極電流Ib2，T2 管的集電極電流Ic 2就是T1管的基極電流Ib1。經(jīng)過(guò)T1、T2管的放大作用，形成 強(qiáng)烈的正反饋，使得三極管迅速飽和導(dǎo)通，晶閘管由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通狀態(tài)。 圖圖4-33 晶閘管流入的門極電流稱為觸發(fā)電流，晶閘管的 導(dǎo)通方式稱為觸發(fā)導(dǎo)通。晶閘管導(dǎo)通后，電流只能 從陽(yáng)極流向陰極，具有與二極管一樣的單向?qū)щ娦裕?此電流稱為晶閘管的陽(yáng)極電流或正向電流。此時(shí)如 果去掉門極電壓，晶閘管仍然處于導(dǎo)通狀態(tài)，門極 電壓在晶閘管導(dǎo)通后就失去了控制作用，說(shuō)明晶閘 管具有正向?qū)ǖ目煽靥匦?。要想讓晶閘管

59、恢復(fù)阻 斷狀態(tài)，只有通過(guò)降低陽(yáng)極電壓或增大陽(yáng)極回路電 阻以減小陽(yáng)極電流。當(dāng)陽(yáng)極電流小于維持電流時(shí)， 晶閘管就重新處于阻斷狀態(tài)。之后即使再增大陽(yáng)極 電壓或減小陽(yáng)極回路電阻，晶閘管的陽(yáng)極電流也不 會(huì)增大，說(shuō)明管子已恢復(fù)正向阻斷狀態(tài)。 4.5.2 晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性 晶閘管的伏安特性是指陽(yáng)極與陰極間的電壓ua和門極電流Ig之間的關(guān)系，特性 曲線如圖4-34所示。 圖圖4-34 （1）正向伏安特性）正向伏安特性 正向伏安特性如圖中第象限ua0時(shí)的特性曲線。當(dāng)Ig = 0時(shí)，晶閘管的正 向陽(yáng)極電壓在增大到最大正向轉(zhuǎn)折電壓UBo之前，管子處于正向阻斷狀態(tài)，只有 極小的征象漏電流，其漏電流隨著

60、陽(yáng)極電壓的增大而增大。當(dāng)陽(yáng)極電壓ua增大 到UBo時(shí)，管子導(dǎo)通。其特點(diǎn)是：陽(yáng)極電流迅速增大，管子兩端電壓迅速降低， 特性曲線與二極管正向伏安特性曲線相似。若門極流入足夠的門極電流Ig，則正 向轉(zhuǎn)折電壓UBo明顯減小，在門極電流觸發(fā)下，晶閘管迅速導(dǎo)通。晶閘管承受正 常陽(yáng)極電壓，加上足夠的觸發(fā)電流后，使晶閘管從正向阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通狀態(tài)，稱為 觸發(fā)導(dǎo)通。晶閘管正向轉(zhuǎn)折電壓隨門極電流的增大而降低，特性曲線向左移動(dòng)。 不同門極電流下的伏安特性曲線如圖4-34中所示。當(dāng)已經(jīng)導(dǎo)通的晶閘管的陽(yáng)極電 流Ia減小到維持電流IH時(shí)，管子又重新處于正向阻斷狀態(tài)。 （2）反向伏安特性）反向伏安特性 反向伏安特性如圖中第象限