第7章半導(dǎo)體器件

第7章半導(dǎo)體器件

7.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)7.2半導(dǎo)體二極管7.3半導(dǎo)體三極管7.4場(chǎng)效應(yīng)管7.5晶閘管7.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)

物體根據(jù)導(dǎo)電能力的強(qiáng)弱可分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體三大類。凡容易導(dǎo)電的物質(zhì)（如金、銀、銅、鋁、鐵等金屬物質(zhì)）稱為導(dǎo)體；不容易導(dǎo)電的物質(zhì)（如玻璃、橡膠、塑料、陶瓷等）稱為絕緣體；導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)（如硅、鍺、硒等）稱為半導(dǎo)體。半導(dǎo)體之所以得到廣泛的應(yīng)用，是因?yàn)樗哂袩崦粜浴⒐饷粜?、摻雜性等特殊性能。7.1.1本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體是一種純凈的半導(dǎo)體晶體。常用的半導(dǎo)體材料是單晶硅（Si）和單晶鍺（Ge）。半導(dǎo)體硅和鍺都是4價(jià)元素，其原子結(jié)構(gòu)如圖7.1(a),(b)所示。圖7.1半導(dǎo)體的原子結(jié)構(gòu)示意圖（a）硅原子；（b）鍺原子；（c）簡(jiǎn)化模型本征半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)示意圖如圖7.2所示。由圖7.2可見，各原子間整齊而有規(guī)則地排列著，使每個(gè)原子的4個(gè)價(jià)電子不僅受所屬原子核的吸引，而且還受相鄰4個(gè)原子核的吸引，每一個(gè)價(jià)電子都為相鄰原子核所共用，形成了穩(wěn)定的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。每個(gè)原子核最外層等效有8個(gè)價(jià)電子，由于價(jià)電子不易掙脫原子核束縛而成為自由電子，因此，本征半導(dǎo)體導(dǎo)電能力較差。

圖7.2單晶硅的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)但是，如果能從外界獲得一定的能量（如光照、溫升等），有些價(jià)電子就會(huì)掙脫共價(jià)鍵的束縛而成為自由電子，在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位，稱為“空穴”?？昭ǖ某霈F(xiàn)使相鄰原子的價(jià)電子離開它所在的共價(jià)鍵來填補(bǔ)這個(gè)空穴，同時(shí)，這個(gè)共價(jià)鍵又產(chǎn)生了一個(gè)新的空穴。這個(gè)空穴也會(huì)被相鄰的價(jià)電子填補(bǔ)而產(chǎn)生新的空穴，這種電子填補(bǔ)空穴的運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于帶正電荷的空穴在運(yùn)動(dòng)，并把空穴看成一種帶正電荷的載流子?？昭ㄔ蕉?，半導(dǎo)體的載流子數(shù)目就越多，因此形成的電流就越大。在本征半導(dǎo)體中，空穴與電子是成對(duì)出現(xiàn)的，稱為電子—空穴對(duì)。其自由電子和空穴數(shù)目總是相等的。本征半導(dǎo)體在溫度升高時(shí)產(chǎn)生電子—空穴對(duì)的現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。溫度越高，產(chǎn)生的電子—空穴對(duì)數(shù)目就越多，這就是半導(dǎo)體的熱敏性。在半導(dǎo)體中存在著自由電子和空穴兩種載流子，而導(dǎo)體中只有自由電子這一種載流子，這是半導(dǎo)體與導(dǎo)體的不同之處。

1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入微量的雜質(zhì)元素，就會(huì)使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著改變。根據(jù)摻入雜質(zhì)元素的性質(zhì)不同，雜質(zhì)半導(dǎo)體可分為P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體兩大類。1.P型半導(dǎo)體

P型半導(dǎo)體是在本征半導(dǎo)體硅（或鍺）中摻入微量的3價(jià)元素（如硼、銦等）而形成的。因雜質(zhì)原子只有3個(gè)價(jià)電子，它與周圍硅原子組成共價(jià)鍵時(shí)，缺少1個(gè)電子，因此在晶體中便產(chǎn)生一個(gè)空穴，當(dāng)相鄰共價(jià)鍵上的電子受熱激發(fā)獲得能量時(shí)，就有可能填補(bǔ)這個(gè)空穴，使硼原子成為不能移動(dòng)的負(fù)離子，而原來硅原子的共價(jià)鍵因缺少了一個(gè)電子，便形成了空穴，使得整個(gè)半導(dǎo)體仍呈中性，如圖7.3所示。圖7.3P型半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)在P型半導(dǎo)體中，原來的晶體仍會(huì)產(chǎn)生電子—空穴對(duì)，由于雜質(zhì)的摻入，使得空穴數(shù)目遠(yuǎn)大于自由電子數(shù)目，成為多數(shù)載流子(簡(jiǎn)稱多子)，而自由電子則為少數(shù)載流子(簡(jiǎn)稱少子)。因而P型半導(dǎo)體以空穴導(dǎo)電為主。

2.N型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體是在本征半導(dǎo)體硅中摻入微量的5價(jià)元素（如磷、砷、鎵等）而形成的，雜質(zhì)原子有5個(gè)價(jià)電子與周圍硅原子結(jié)合成共價(jià)鍵時(shí)，多出1個(gè)價(jià)電子，這個(gè)多余的價(jià)電子易成為自由電子，如圖1.4所示。

綜上所述，在摻入雜質(zhì)后，載流子的數(shù)目都有相當(dāng)程度的增加。因而對(duì)半導(dǎo)體摻雜是改變半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的有效方法。圖7.4N型半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)

1.1.3PN結(jié)的形成及特性1.PN結(jié)的形成在同一塊半導(dǎo)體基片的兩邊分別形成N型和P型半導(dǎo)體，它們的交界面附近會(huì)形成一個(gè)很薄的空間電荷區(qū)，稱其為PN結(jié)。PN結(jié)的形成過程如圖1.5所示。

圖7.5PN結(jié)的形成（a）多子擴(kuò)散示意圖；（b）PN結(jié)的形成2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?）PN結(jié)正向偏置——導(dǎo)通給PN結(jié)加上電壓，使電壓的正極接P區(qū)，負(fù)極接N區(qū)（即正向連接或正向偏置），如圖7.6（a）所示。由于PN結(jié)是高阻區(qū)，而P區(qū)與N區(qū)電阻很小，因而外加電壓幾乎全部落在PN結(jié)上。由圖可見，外電場(chǎng)將推動(dòng)P區(qū)多子（空穴）向右擴(kuò)散，與原空間電荷區(qū)的負(fù)離子中和，推動(dòng)N區(qū)的多子（電子）向左擴(kuò)散與原空間電荷區(qū)的正離子中和，使空間電荷區(qū)變薄，打破了原來的動(dòng)態(tài)平衡。同時(shí)電源不斷地向P區(qū)補(bǔ)充正電荷，向N區(qū)補(bǔ)充負(fù)電荷，其結(jié)果使電路中形成較大的正向電流，由P區(qū)流向N區(qū)。這時(shí)PN結(jié)對(duì)外呈現(xiàn)較小的阻值，處于正向?qū)顟B(tài)。

圖7.6PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕╝）正向連接;（b）反向連接2）PN結(jié)反向偏置——截止將PN結(jié)按圖7.6（b）所示方式連接（稱PN結(jié)反向偏置）。由圖可見，外電場(chǎng)方向與內(nèi)電場(chǎng)方向一致，它將N區(qū)的多子（電子）從PN結(jié)附近拉走，將P區(qū)的多子（空穴）從PN結(jié)附近拉走，使PN結(jié)變厚，呈現(xiàn)出很大的阻值，且打破了原來的動(dòng)態(tài)平衡，使漂移運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)。由于漂移運(yùn)動(dòng)是少子運(yùn)動(dòng)，因而漂移電流很??；若忽略漂移電流，則可以認(rèn)為PN結(jié)截止。

綜上所述，PN結(jié)正向偏置時(shí)，正向電流很大；PN結(jié)反向偏置時(shí)，反向電流很小，這就是PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴?)PN結(jié)的電容效應(yīng)(1)勢(shì)壘電容CT。當(dāng)PN結(jié)的外加電壓大小變化時(shí)，PN結(jié)空間電荷區(qū)的寬度也隨著變化，即電荷量發(fā)生變化。這種電荷量隨外加電壓的變化所形成的電容效應(yīng)稱為勢(shì)壘電容。勢(shì)壘電容通常用CT表示。CT不是一個(gè)常數(shù)，它隨外加電壓的變化而變化。利用勢(shì)壘電容可以制成變?nèi)荻O管。(2)擴(kuò)散電容CD。擴(kuò)散電容是PN結(jié)在正向偏置時(shí)，多數(shù)載流子在擴(kuò)散過程中引起電荷積累而產(chǎn)生的。擴(kuò)散電容通常用CD表示。PN結(jié)的結(jié)電容Cj包含兩部分，即Cj=CT+CD。一般情況，PN結(jié)正偏時(shí)，擴(kuò)散電容起主要作用，即

Cj=CD;PN結(jié)反偏時(shí)，勢(shì)壘電容起主要作用，即

Cj=CT。1.2半導(dǎo)體二極管

1.2.1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體二極管又稱晶體二極管，簡(jiǎn)稱二極管。二極管按其結(jié)構(gòu)的不同可以分為點(diǎn)接觸型和面接觸型兩類。點(diǎn)接觸型二極管的結(jié)構(gòu)，如圖7.7（a）所示。這類管子的PN結(jié)面積和極間電容均很小，不能承受高的反向電壓和大電流，因而適用于制做高頻檢波和脈沖數(shù)字電路里的開關(guān)元件，以及作為小電流的整流管。圖7.7半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)及符號(hào)（a）點(diǎn)接觸型結(jié)構(gòu);（b）面接觸型結(jié)構(gòu);

圖7.7半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)及符號(hào)（c）集成電路中的平面型結(jié)構(gòu);（d）圖形符號(hào)面接觸型二極管或稱面結(jié)型二極管，其結(jié)構(gòu)如圖7.7（b）所示。這種二極管的PN結(jié)面積大，可承受較大的電流，其極間電容大，因而適用于整流，而不宜用于高頻電路中。圖7.7（c）所示是硅工藝平面型二極管的結(jié)構(gòu)圖，是集成電路中常見的一種形式。二極管的圖形符號(hào)如圖7.7（d）所示。

7.2.2半導(dǎo)體二極管的特性1.伏安特性根據(jù)制造材料的不同，二極管可分為硅、鍺兩大類。相應(yīng)的伏安特性也分為兩類。圖7.8（a）所示為硅二極管的伏安特性;圖7.8（b）所示為鍺二極管的伏安特性?，F(xiàn)以圖7.8（a）所示硅二極管為例來分析二極管的伏安特性。圖7.8二極管的伏安特性（a）硅二極管2CP6;圖7.8二極管的伏安特性（b）鍺二極管2AP151）正向特性0A段：稱為“死區(qū)”。ＡＢ段：稱為正向?qū)▍^(qū)。2）反向特性0Ｄ段：稱為反向截止區(qū)。這時(shí)二極管呈現(xiàn)很高的電阻，在電路中相當(dāng)于一個(gè)斷開的開關(guān)，呈截止?fàn)顟B(tài)。

ＤＥ段：稱為反向擊穿區(qū)。當(dāng)反向電壓增加到一定值時(shí)，反向電流急劇加大，這種現(xiàn)象稱為反向擊穿。發(fā)生擊穿時(shí)所加的電壓稱為反向擊穿電壓，記做ＵB。這時(shí)電壓的微小變化會(huì)引起電流很大的變化，表現(xiàn)出很好的恒壓特性。同樣，若對(duì)反向擊穿后的電流不加以限制，ＰＮ結(jié)也會(huì)因過熱而燒壞，這種情況稱為熱擊穿。

2.溫度特性溫度對(duì)二極管伏安特性的影響如圖7.９所示。(1)當(dāng)溫度升高時(shí)，二極管的正向特性曲線向左移動(dòng)。這是因?yàn)闇囟壬邥r(shí)，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，產(chǎn)生同一正向電流所需的壓降減小的緣故。(2)當(dāng)溫度升高時(shí)，二極管的反向特性曲線向下移動(dòng)。這是因?yàn)闇囟壬?，本征激發(fā)加強(qiáng)，半導(dǎo)體中少子數(shù)目增多，在同一反向電壓下，漂移電流增大的緣故。圖7.9溫度對(duì)二極管伏安特性的影響(3)當(dāng)溫度升高時(shí)，反向擊穿電壓減小。擊穿現(xiàn)象是由于大的反向電流使少數(shù)載流子獲得很大的動(dòng)能，當(dāng)它與ＰＮ結(jié)內(nèi)的原子發(fā)生碰撞時(shí)，產(chǎn)生了很多的電子—空穴對(duì)，使ＰＮ結(jié)內(nèi)載流子數(shù)目急劇增加，并在反向電壓作用下形成很大的反向電流。因此溫度升高時(shí)，反向擊穿電壓減小。

綜上所述，溫度升高時(shí)，二極管的導(dǎo)通壓降ＵF降低，反向擊穿電壓UB減小，反向飽和電流IS增大。7.2.3半導(dǎo)體二極管的主要參數(shù)二極管的參數(shù)是定量描述二極管性能的質(zhì)量指標(biāo)，只有正確理解這些參數(shù)的意義，才能合理、正確地使用二極管。1.最大整流電流IF最大整流電流是指管子長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，允許通過的最大正向平均電流。因?yàn)殡娏魍ㄟ^ＰＮ結(jié)時(shí)要引起管子發(fā)熱。電流太大，發(fā)熱量超過限度，就會(huì)使ＰＮ結(jié)燒壞。例如２ＡＰ１最大整流電流為１６mA。

2.反向擊穿電壓UB反向擊穿電壓是指反向擊穿時(shí)的電壓值。擊穿時(shí)，反向電流劇增，使二極管的單向?qū)щ娦员黄茐模踔習(xí)蜻^熱而燒壞。一般手冊(cè)上給出的最高反向工作電壓約為擊穿電壓的一半，以確保管子安全工作。例如2AP1最高反向工作電壓規(guī)定為20V，而實(shí)際反向擊穿電壓可大于40V。

3.反向飽和電流IS在室溫下，二極管未擊穿時(shí)的反向電流值稱為反向飽和電流。該電流越小，管子的單向?qū)щ娦阅芫驮胶?。由于溫度升高，反向電流?huì)急劇增加，因而在使用二極管時(shí)要注意環(huán)境溫度的影響。二極管的參數(shù)是正確使用二極管的依據(jù)，一般半導(dǎo)體器件手冊(cè)中都給出不同型號(hào)管子的參數(shù)。在使用時(shí)，應(yīng)特別注意不要超過最大整流電流和最高反向工作電壓，否則管子容易損壞。

1.2.4特殊二極管特殊用途的二極管在電子設(shè)備中早已得到廣泛的應(yīng)用，這里簡(jiǎn)單介紹幾種特殊用途的二極管。

1.穩(wěn)壓二極管1）穩(wěn)壓特性穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線、圖形符號(hào)及穩(wěn)壓管電路如圖7.１０所示，它的正向特性曲線與普通二極管相似，而反向擊穿特性曲線很陡。在正常情況下穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū)，由于曲線很陡，反向電流在很大范圍內(nèi)變化時(shí)，端電壓變化很小，因而具有穩(wěn)壓作用。圖中的UB表示反向擊穿電壓，當(dāng)電流的增量ΔIZ很大時(shí)，只引起很小的電壓變化ΔUZ。只要反向電流不超過其最大穩(wěn)定電流，就不會(huì)形成破壞性的熱擊穿。因此，在電路中應(yīng)與穩(wěn)壓管串聯(lián)一個(gè)具有適當(dāng)阻值的限流電阻。圖7.10穩(wěn)壓管的伏安特性曲線、圖形符號(hào)及穩(wěn)壓管電路

（a）伏安特性曲線;（b）圖形符號(hào);（c）穩(wěn)壓管電路2）基本參數(shù)（1）穩(wěn)定電壓UZ是指在規(guī)定的測(cè)試電流下，穩(wěn)壓管工作在擊穿區(qū)時(shí)的穩(wěn)定電壓。由于制造工藝的原因，同一型號(hào)的穩(wěn)壓管的UZ分散性很大。（2）穩(wěn)定電流IZ是指穩(wěn)壓管在穩(wěn)定電壓時(shí)的工作電流，其范圍在IZmin～I(xiàn)Zmax之間。（3）最小穩(wěn)定電流IZmin是指穩(wěn)壓管進(jìn)入反向擊穿區(qū)時(shí)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)電流。（4）最大穩(wěn)定電流IZmax是指穩(wěn)壓管長(zhǎng)期工作時(shí)允許通過的最大反向電流，其工作電流應(yīng)小于IZmax。（5）最大耗散功率PM是指管子工作時(shí)允許承受的最大功率，其值為PM=IZmax·UZ。（6）動(dòng)態(tài)電阻rZ。它被定義為rZ=ΔUZ/ΔIZ。

2.光電二極管光電二極管的結(jié)構(gòu)與普通二極管的結(jié)構(gòu)基本相同，只是在它的ＰＮ結(jié)處，通過管殼上的一個(gè)玻璃窗口能接收外部的光照。光電二極管的ＰＮ結(jié)在反向偏置狀態(tài)下運(yùn)行，其反向電流隨光照強(qiáng)度的增加而上升。圖7.１１（ａ）是光電二極管的圖形符號(hào)，圖（ｂ）是它的等效電路，而圖（ｃ）是它的特性曲線。光電二極管的主要特點(diǎn)是其反向電流與光照度成正比。圖7.11光電二極管（ａ）圖形符號(hào);（ｂ）等效電路;（ｃ）特性曲線

3.發(fā)光二極管發(fā)光二極管是一種能把電能轉(zhuǎn)換成光能的特殊器件。這種二極管不僅具有普通二極管的正、反向特性，而且當(dāng)給管子施加正向偏壓時(shí)，管子還會(huì)發(fā)出可見光和不可見光（即電致發(fā)光）。目前應(yīng)用的有紅、黃、綠、藍(lán)、紫等顏色的發(fā)光二極管。此外，還有變色發(fā)光二極管，即當(dāng)通過二極管的電流改變時(shí)，發(fā)光顏色也隨之改變。圖7.12（a）所示為發(fā)光二極管的圖形符號(hào)。發(fā)光二極管常用來作為顯示器件，除單個(gè)使用外，也常做成七段式或矩陣式器件。發(fā)光二極管的另一個(gè)重要的用途是將電信號(hào)變?yōu)楣庑盘?hào)，通過光纜傳輸，然后再用光電二極管接收，再現(xiàn)電信號(hào)。圖7.12（b）所示為發(fā)光二極管發(fā)射電路通過光纜驅(qū)動(dòng)的光電二極管電路。在發(fā)射端，一個(gè)0～５V的脈沖信號(hào)通過500Ω的電阻作用于發(fā)光二極管（LED），這個(gè)驅(qū)動(dòng)電路可使LED產(chǎn)生一數(shù)字光信號(hào)，并作用于光纜。由LED發(fā)出的光約有20%耦合到光纜。在接收端，傳送的光中，約有80%耦合到光電二極管，以致在接收電路的輸出端復(fù)原為0～５V電壓的脈沖信號(hào)。圖7.12發(fā)光二極管（a）圖形符號(hào);（b）光電傳輸系統(tǒng)4.變?nèi)荻O管

二極管結(jié)電容的大小除了與本身的結(jié)構(gòu)和工藝有關(guān)外，還與外加電壓有關(guān)。結(jié)電容隨反向電壓的增加而減小，這種效應(yīng)顯著的二極管稱為變?nèi)荻O管，其圖形符號(hào)如圖7.13（a）所示，圖（b）是某種變?nèi)荻O管的特性曲線。圖7.13變?nèi)荻O管（a）圖形符號(hào);（b）結(jié)電容與電壓的關(guān)系（縱坐標(biāo)為對(duì)數(shù)刻度）7.3半導(dǎo)體三極管

半導(dǎo)體三極管根據(jù)其結(jié)構(gòu)和工作原理的不同可以分為雙極型和單極型半導(dǎo)體三極管。雙極型半導(dǎo)體三極管（簡(jiǎn)稱BJT），又稱為雙極型晶體三極管或三極管、晶體管等。之所以稱為雙極型管，是因?yàn)樗煽昭ê妥杂呻娮觾煞N載流子參與導(dǎo)電。而單極型半導(dǎo)體三極管只有一種載流子導(dǎo)電。

7.3.1半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)和類型三極管的構(gòu)成是在一塊半導(dǎo)體上用摻入不同雜質(zhì)的方法制成兩個(gè)緊挨著的PN結(jié)，并引出三個(gè)電極，如圖7.14所示。三極管有三個(gè)區(qū)：發(fā)射區(qū)——發(fā)射載流子的區(qū)域；基區(qū)——載流子傳輸?shù)膮^(qū)域；集電區(qū)——收集載流子的區(qū)域。各區(qū)引出的電極依次為發(fā)射極（ｅ極）、基極（ｂ極）和集電極（ｃ極）。發(fā)射區(qū)和基區(qū)在交界處形成發(fā)射結(jié)；基區(qū)和集電區(qū)在交界處形成集電結(jié)。根據(jù)半導(dǎo)體各區(qū)的類型不同，三極管可分為NPN型和PNP型兩大類，如圖7.14（a）、（b）所示。目前NPN型管多數(shù)為硅管，PNP型管多數(shù)為鍺管。因硅NPN型三極管應(yīng)用最為廣泛，故本書以硅NPN型三極管為例來分析三極管及其放大電路的工作原理。圖7.14三極管的組成與符號(hào)（a）NPN型;（b）PNP型圖7.14三極管的組成與符號(hào)（a）NPN型;（b）PNP型為使三極管具有電流放大作用，在制造過程中必須滿足實(shí)現(xiàn)放大的內(nèi)部結(jié)構(gòu)條件，即：

（1）發(fā)射區(qū)摻雜濃度遠(yuǎn)大于基區(qū)的摻雜濃度，以便于有足夠的載流子供“發(fā)射”。（2）基區(qū)很薄，摻雜濃度很低，以減少載流子在基區(qū)的復(fù)合機(jī)會(huì)，這是三極管具有放大作用的關(guān)鍵所在。（3）集電區(qū)比發(fā)射區(qū)體積大且摻雜少，以利于收集載流子。由此可見，三極管并非兩個(gè)PN結(jié)的簡(jiǎn)單組合，不能用兩個(gè)二極管來代替；在放大電路中也不可將發(fā)射極和集電極對(duì)調(diào)使用。

1.3.2半導(dǎo)體三極管的放大作用1.三極管的工作電壓和基本連接方式1）工作電壓三極管要實(shí)現(xiàn)放大作用必須滿足的外部條件：發(fā)射結(jié)加正向電壓，集電結(jié)加反向電壓，即發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。如圖7.15所示，其中V為三極管，UCC為集電極電源電壓，UBB為基極電源電壓，兩類管子外部電路所接電源極性正好相反，Rb為基極電阻，Rc為集電極電阻。若以發(fā)射極電壓為參考電壓，則三極管發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏這個(gè)外部條件也可用電壓關(guān)系來表示：對(duì)于NPN型：UC>UB>UE；對(duì)于PNP型：UE>UB>UC。圖7.15三極管電源的接法（a）NPN型;（b）PNP型2）基本連接方式三極管有三個(gè)電極，而在連成電路時(shí)必須由兩個(gè)電極接輸入回路，兩個(gè)電極接輸出回路，這樣勢(shì)必有一個(gè)電極作為輸入和輸出回路的公共端。根據(jù)公共端的不同，有三種基本連接方式。（1）共發(fā)射極接法（簡(jiǎn)稱共射接法）。共射接法是以基極為輸入端的一端，集電極為輸出端的一端，發(fā)射極為公共端，如圖7.16（a）所示。（2）共基極接法（簡(jiǎn)稱共基接法）。共基接法是以發(fā)射極為輸入端的一端，集電極為輸出端的一端，基極為公共端，如圖7.16（b）所示。（3）共集電極接法（簡(jiǎn)稱共集接法）。共集接法是以基極為輸入端的一端，發(fā)射極為輸出端的一端，集電極為公共端，如圖7.16（c）所示。圖中“⊥”表示公共端，又稱接地端。無(wú)論采用哪種接法，都必須滿足發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。

圖7.16三極管電路的三種組態(tài)（a）共發(fā)射極接法;（b）共基極接法;和各極電流（c）共集電極接法

2.電流放大原理在圖1.17中，UBB為基極電源電壓，用于向發(fā)射結(jié)提供正向電壓，Rb為限流電阻。UCC為集電極電源，要求UCC>UBB。它通過Rc、集電結(jié)、發(fā)射結(jié)形成電路。由于發(fā)射結(jié)獲得了正向偏置電壓，其值很小（硅管約為0.7V），因而UCC主要降落在電阻Rc和集電結(jié)兩端，使集電結(jié)獲得反向偏置電壓。圖1.17中發(fā)射極為三極管輸入回路和輸出回路的公共端，這種連接方式就是前面介紹的共發(fā)射極電路。圖7.17NPN型三極管中載流子的運(yùn)動(dòng)在正向電壓的作用下，發(fā)射區(qū)的多子（電子）不斷向基區(qū)擴(kuò)散，并不斷地由電源得到補(bǔ)充，形成發(fā)射極電流IE?；鶇^(qū)多子（空穴）也要向發(fā)射區(qū)擴(kuò)散，由于其數(shù)量很小，可忽略。到達(dá)基區(qū)的電子繼續(xù)向集電結(jié)方向擴(kuò)散，在擴(kuò)散過程中，少部分電子與基區(qū)的空穴復(fù)合，形成基極電流IB。由于基區(qū)很薄且摻雜濃度低，因而絕大多數(shù)電子都能擴(kuò)散到集電結(jié)邊緣。由于集電結(jié)反偏，這些電子全部漂移過集電結(jié)，形成集電極電流IC。若考慮集電區(qū)及基區(qū)少數(shù)載流子漂移運(yùn)動(dòng)形成的集電結(jié)反向飽和電流ICBO(如圖1.17所示)，則IC與IB之間有關(guān)系(7—1)上式也可寫成式中，ICEO為穿透電流，其計(jì)算公式為ICEO(1+)ICEO，單位為mA。

7.3.3半導(dǎo)體三極管的特性曲線及主要參數(shù)

1.三極管的特性曲線三極管的特性曲線是指各極電壓與電流之間的關(guān)系曲線，它是三極管內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)的外部表現(xiàn)。從使用角度來看，外部特性顯得更為重要。因?yàn)槿龢O管的共射接法應(yīng)用最廣，故以NPN管共射接法為例來分析三極管的特性曲線。由于三極管有三個(gè)電極，它的伏安特性曲線比二極管更復(fù)雜一些，工程上常用到的是它的輸入特性和輸出特性。1）輸入特性曲線當(dāng)UCE不變時(shí)，輸入回路中的電流IB與電壓UBE之間的關(guān)系曲線被稱為輸入特性，即(7—2)輸入特性曲線如圖7.18所示。圖7.18輸入特性

當(dāng)UCE=0時(shí)，三極管的輸入回路相當(dāng)于兩個(gè)PN結(jié)并聯(lián)，如圖1.19所示。三極管的輸入特性是兩個(gè)正向二極管的伏安特性。當(dāng)UCE≥UBE時(shí)，b、e兩極之間加上正向電壓。集電結(jié)反偏，發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的電子絕大部分漂移到集電極，只有一小部分與基區(qū)的空穴復(fù)合形成基極電流IB。與UCE=0時(shí)相比，在相同UBE條件下，IB要小得多，輸入特性曲線向右移動(dòng)；若UCE繼續(xù)增大，曲線繼續(xù)右移。圖7.19UCE=0時(shí)，三極管測(cè)試電路和等效電路

（a）測(cè)試電路;（b）等效電路當(dāng)UCE>1V時(shí)，在一定的UBE條件之下，集電結(jié)的反向偏壓足以將注入到基區(qū)的電子全部拉到集電極，此時(shí)UCE再繼續(xù)增大，IB也變化不大，因此

UCE>1V以后，不同UCE值的各條輸入特性曲線幾乎重疊在一起。所以常用UCE>1V的某條輸入特性曲線來代表UCE更高的情況。在實(shí)際應(yīng)用中，三極管的UCE一般大于1V，因而UCE>1V時(shí)的曲線更具有實(shí)際意義。由三極管的輸入特性曲線可看出：三極管的輸入特性曲線是非線性的，輸入電壓小于某一開啟值時(shí)，三極管不導(dǎo)通，基極電流為零，這個(gè)開啟電壓又叫閾值電壓。對(duì)于硅管，其閾值電壓約為0.5V，鍺管約為0.1~0.2V。當(dāng)管子正常工作時(shí)，發(fā)射結(jié)壓降變化不大，對(duì)于硅管約為0.6~0.7V，對(duì)于鍺管約為0.2~0.3V。2）輸出特性曲線當(dāng)IB不變時(shí)，輸出回路中的電流IC與電壓UCE之間的關(guān)系曲線稱為輸出特性曲線，即(7—3)固定一個(gè)IB值，可得到一條輸出特性曲線，改變IB值，可得到一族輸出特性曲線。以硅NPN型三極管為例，其輸出特性曲線族如圖1.20所示。在輸出特性曲線上可劃分三個(gè)區(qū)：放大區(qū)、截止區(qū)、飽和區(qū)。圖7.20NPN管共發(fā)射極輸出特性曲線（1）放大區(qū)。當(dāng)UCE>1V以后，三極管的集電極電流IC=βIB+ICEO，IC與IB成正比而與UCE關(guān)系不大。所以輸出特性曲線幾乎與橫軸平行，當(dāng)IB一定時(shí)，IC的值基本不隨UCE變化，具有恒流特性。IB等量增加時(shí)，輸出特性曲線等間隔地平行上移。這個(gè)區(qū)域的工作特點(diǎn)是發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置，IC≈βIB。由于工作在這一區(qū)域的三極管具有放大作用，因而把該區(qū)域稱為放大區(qū)。（2）截止區(qū)。當(dāng)IB=0時(shí)，IC=ICEO，由于穿透電流ＩCEO很小，輸出特性曲線是一條幾乎與橫軸重合的直線。（3）飽和區(qū)。當(dāng)UCE<UBE時(shí)，IC與IB不成比例，它隨UCE的增加而迅速上升，這一區(qū)域稱為飽和區(qū)，UCE=UBE稱為臨界飽和。綜上所述，對(duì)于NPN型三極管，工作于放大區(qū)時(shí)，UC>UB>UE；工作于截止區(qū)時(shí)，UC>UE>UB;工作于飽和區(qū)時(shí)，UB>UC>UE。

2.三極管的主要參數(shù)三極管的參數(shù)是表征管子性能和安全運(yùn)用范圍的物理量，是正確使用和合理選擇三極管的依據(jù)。三極管的參數(shù)較多，這里只介紹主要的幾個(gè)。1）電流放大系數(shù)電流放大系數(shù)的大小反映了三極管放大能力的強(qiáng)弱。（1）共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)β。β指集電極電流變化量與基極電流變化量之比，其大小體現(xiàn)了共射接法時(shí)，三極管的放大能力。即（2）共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)。為三極管集電極電流與基極電流之比，即因與β的值幾乎相等，故在應(yīng)用中不再區(qū)分，均用β表示。2）極間反向電流（1）集電極—基極間的反向電流ICBO。ICBO是指發(fā)射極開路時(shí)，集電極—基極間的反向電流，也稱集電結(jié)反向飽和電流。溫度升高時(shí)，ICBO急劇增大，溫度每升高10℃，ICBO增大一倍。選管時(shí)應(yīng)選ICBO小且ICBO受溫度影響小的三極管。（2）集電極—發(fā)射極間的反向電流ICEO。ICEO是指基極開路時(shí)，集電極—發(fā)射極間的反向電流，也稱集電結(jié)穿透電流。它反映了三極管的穩(wěn)定性，其值越小，受溫度影響也越小，三極管的工作就越穩(wěn)定。3）極限參數(shù)三極管的極限參數(shù)是指在使用時(shí)不得超過的極限值，以此保證三極管的安全工作。（1）集電極最大允許電流ICM。集電極電流IC過大時(shí)，β將明顯下降，ICM為β下降到規(guī)定允許值（一般為額定值的1/2~2/3）時(shí)的集電極電流。使用中若IC>ICM，三極管不一定會(huì)損壞，但β明顯下降。

（2）集電極最大允許功率損耗PCM。管子工作時(shí)，UCE的大部分降在集電結(jié)上，因此集電極功率損耗PC=UCEIC，近似為集電結(jié)功耗，它將使集電結(jié)溫度升高而使三極管發(fā)熱致使管子損壞。工作時(shí)的PC必須小于PCM。

（3）反向擊穿電壓U(BR)CEO,U(BR)CBO,U(BR)EBO。U(BR)CEO為基極開路時(shí)集電結(jié)不致?lián)舸?，施加在集電極—發(fā)射極之間允許的最高反向電壓。U(BR)CEO為發(fā)射極開路時(shí)集電結(jié)不致?lián)舸?，施加在集電極—基極之間允許的最高反向電壓。U(BR)EBO為集電極開路時(shí)發(fā)射結(jié)不致?lián)舸?，施加在發(fā)射極—基極之間允許的最高反向電壓。它們之間的關(guān)系為U(BR)CEO>U(BR)CBO>U(BR)EBO。通常U(BR)CEO為幾十伏，U(BR)EBO為數(shù)伏到幾十伏。根據(jù)三個(gè)極限參數(shù)ICM,PCM,U(BR)CEO可以確定三極管的安全工作區(qū)，如圖1.22所示。三極管工作時(shí)必須保證工作在安全區(qū)內(nèi)，并留有一定的余量。圖7.22三極管的安全工作區(qū)7.4場(chǎng)效應(yīng)管

場(chǎng)效應(yīng)管（簡(jiǎn)稱FET）是利用輸入電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)效應(yīng)來控制輸出電流的，所以又稱之為電壓控制型器件。它工作時(shí)只有一種載流子（多數(shù)載流子）參與導(dǎo)電，故也叫單極型半導(dǎo)體三極管。因它具有很高的輸入電阻，能滿足高內(nèi)阻信號(hào)源對(duì)放大電路的要求，所以是較理想的前置輸入級(jí)器件。它還具有熱穩(wěn)定性好、功耗低、噪聲低、制造工藝簡(jiǎn)單、便于集成等優(yōu)點(diǎn)，因而得到了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)結(jié)構(gòu)不同，場(chǎng)效應(yīng)管可以分為結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET）和絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管（IGFET）或稱MOS型場(chǎng)效應(yīng)管兩大類。根據(jù)場(chǎng)效應(yīng)管制造工藝和材料的不同，又可分為N型溝道場(chǎng)效應(yīng)管和P型溝道場(chǎng)效應(yīng)管。

7.4.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管1.結(jié)構(gòu)和符號(hào)1）結(jié)構(gòu)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET）結(jié)構(gòu)示意圖如圖7.23（a）所示。

圖7.23N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（a）結(jié)構(gòu)示意圖;（b）圖形符號(hào);（c）外形圖

圖7.24P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（a）結(jié)構(gòu)示意圖;（b）圖形符號(hào)

2.工作原理現(xiàn)以N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管為例討論外加電場(chǎng)是如何來控制場(chǎng)效應(yīng)管的電流的。如圖7.25所示，場(chǎng)效應(yīng)管工作時(shí)它的兩個(gè)PN結(jié)始終要加反向電壓。對(duì)于N溝道，各極間的外加電壓變?yōu)閁GS≤0，漏源之間加正向電壓，即UDS＞0。當(dāng)G、S兩極間電壓UGS改變時(shí)，溝道兩側(cè)耗盡層的寬度也隨著改變，由于溝道寬度的變化，導(dǎo)致溝道電阻值的改變，從而實(shí)現(xiàn)了利用電壓UGS控制電流ID的目的。圖7.25場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理1）UGS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響當(dāng)UGS＝０時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管兩側(cè)的PN結(jié)均處于零偏置，形成兩個(gè)耗盡層,如圖7.26（ａ）所示。此時(shí)耗盡層最薄，導(dǎo)電溝道最寬，溝道電阻最小。當(dāng)|UGS|值增大時(shí)，柵源之間反偏電壓增大，PN結(jié)的耗盡層增寬，如圖7.26（b）所示。導(dǎo)致導(dǎo)電溝道變窄，溝道電阻增大。

當(dāng)|UGS|值增大到使兩側(cè)耗盡層相遇時(shí)，導(dǎo)電溝道全部夾斷，如圖7.26（c）所示。溝道電阻趨于無(wú)窮大。對(duì)應(yīng)的柵源電壓UGS稱為場(chǎng)效應(yīng)管的夾斷電壓，用UGS(off)來表示。

圖7.26UGS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響（a）導(dǎo)電溝道最寬;（b）導(dǎo)電溝道變窄;（c）導(dǎo)電溝道夾斷2）UDS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響設(shè)柵源電壓UGS=0,當(dāng)UDS=0時(shí)，ID=0，溝道均勻，如圖7.26（a）所示。當(dāng)UDS增加時(shí)，漏極電流ID從零開始增加，ID流過導(dǎo)電溝道時(shí)，沿著溝道產(chǎn)生電壓降，使溝道各點(diǎn)電位不再相等，溝道不再均勻?？拷礃O端的耗盡層最窄，溝道最寬;靠近漏極端的電位最高，且與柵極電位差最大，因而耗盡層最寬，溝道最窄。由圖7.25可知，UDS的主要作用是形成漏極電流ID。3）UDS和UGS對(duì)溝道電阻和漏極電流的影響設(shè)在漏源間加有電壓UDS，當(dāng)UGS變化時(shí)，溝道中的電流ID將隨溝道電阻的變化而變化。當(dāng)UGS=0時(shí)，溝道電阻最小，電流ID最大。當(dāng)|UGS|值增大時(shí)，耗盡層變寬，溝道變窄，溝道電阻變大，電流ID減小，直至溝道被耗盡層夾斷，ID=0。當(dāng)0<UGS<UGS(off)時(shí)，溝道電流ID在零和最大值之間變化。改變柵源電壓UGS的大小，能引起管內(nèi)耗盡層寬度的變化，從而控制了漏極電流ID的大小。場(chǎng)效應(yīng)管和普通三極管一樣，可以看作是受控的電流源，但它是一種電壓控制的電流源。

3.結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線1）轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線是指在一定漏源電壓UDS作用下，柵極電壓UGS對(duì)漏極電流ID的控制關(guān)系曲線，即圖1.27為特性曲線測(cè)試電路。圖1.28為轉(zhuǎn)移特性曲線。從轉(zhuǎn)移特性曲線可知，UGS對(duì)ID的控制作用如下：圖7.27場(chǎng)效應(yīng)管特性測(cè)試電路

圖7.28轉(zhuǎn)移特性曲線

當(dāng)UGS=0時(shí)，導(dǎo)電溝道最寬、溝道電阻最小。所以當(dāng)UDS為某一定值時(shí)，漏極電流ID最大，稱為飽和漏極電流,用IDSS表示。當(dāng)|UGS|值逐漸增大時(shí)，PN結(jié)上的反向電壓也逐漸增大，耗盡層不斷加寬，溝道電阻逐漸增大，漏極電流ID逐漸減小。當(dāng)UGS=UGS(off)時(shí)，溝道全部夾斷，ID=0。2）輸出特性曲線（或漏極特性曲線）輸出特性曲線是指在一定柵極電壓UGS作用下，ID與UDS之間的關(guān)系曲線，即圖1.29所示為結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性曲線，可分成以下幾個(gè)工作區(qū)。圖7.29結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性曲線（1）可變電阻區(qū)。當(dāng)UGS不變，UDS由零逐漸增加且較小時(shí)，ID隨UDS的增加而線性上升，場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)電溝道暢通。漏源之間可視為一個(gè)線性電阻RDS，這個(gè)電阻在UDS較小時(shí)，主要由UGS決定，所以此時(shí)溝道電阻值近似不變。而對(duì)于不同的柵源電壓UGS，則有不同的電阻值RDS，故稱為可變電阻區(qū)。（2）恒流區(qū)（或線性放大區(qū)）。圖7.29中間部分是恒流區(qū)，在此區(qū)域ID不隨UDS的增加而增加，而是隨著UGS的增大而增大，輸出特性曲線近似平行于UDS軸，ID受UGS的控制，表現(xiàn)出場(chǎng)效應(yīng)管電壓控制電流的放大作用，場(chǎng)效應(yīng)管組成的放大電路就工作在這個(gè)區(qū)域。

（3）夾斷區(qū)。當(dāng)UGS<UGS(off)時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)電溝道被耗盡層全部夾斷，由于耗盡層電阻極大，因而漏極電流ID幾乎為零。此區(qū)域類似于三極管輸出特性曲線的截止區(qū)，在數(shù)字電路中常用做開斷的開關(guān)。（4）擊穿區(qū)。當(dāng)UDS增加到一定值時(shí)，漏極電流ID急劇上升，靠近漏極的PN結(jié)被擊穿，管子不能正常工作，甚至很快被燒壞。1.4.2絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管在結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管中，柵源間的輸入電阻一般為10+6~10+9Ω。由于PN結(jié)反偏時(shí)，總有一定的反向電流存，而且受溫度的影響，因此，限制了結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管輸入電阻的進(jìn)一步提高。而絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的柵極與漏極、源極及溝道是絕緣的，輸入電阻可高達(dá)10+9Ω以上。由于這種場(chǎng)效應(yīng)管是由金屬（Metal）,氧化物（Oxide）和半導(dǎo)體（Semiconductor）組成的，故稱MOS管。MOS管可分為N溝道和P溝道兩種。按照工作方式不同可以分為增強(qiáng)型和耗盡型兩類。

1.Ｎ溝道增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管1）結(jié)構(gòu)和符號(hào)圖7.30是N溝道增強(qiáng)型MOS管的示意圖。MOS管以一塊摻雜濃度較低的P型硅片做襯底，在襯底上通過擴(kuò)散工藝形成兩個(gè)高摻雜的N型區(qū)，并引出兩個(gè)極作為源極S和漏極D；在P型硅表面制作一層很薄的二氧化硅（SiO2）絕緣層，在二氧化硅表面再噴上一層金屬鋁，引出柵極G。這種場(chǎng)效應(yīng)管柵極、源極、漏極之間都是絕緣的，所以稱之為絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管。絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的圖形符號(hào)如圖7.30（b）、(c)所示，箭頭方向表示溝道類型，箭頭指向管內(nèi)表示為N溝道MOS管(圖(b))，否則為P溝道MOS管(圖(c))。圖7.30MOS管的結(jié)構(gòu)及其圖形符號(hào)2）工作原理圖7.31是N溝道增強(qiáng)型MOS管的工作原理示意圖，圖7.31（b）是相應(yīng)的電路圖。工作時(shí)柵源之間加正向電源電壓UGS，漏源之間加正向電源電壓UDS,并且源極與襯底連接,襯底是電路中最低的電位點(diǎn)。當(dāng)UGS=0時(shí)，漏極與源極之間沒有原始的導(dǎo)電溝道，漏極電流ID=0。這是因?yàn)楫?dāng)UGS=0時(shí)，漏極和襯底以及源極之間形成了兩個(gè)反向串聯(lián)的PN結(jié)，當(dāng)UDS加正向電壓時(shí)，漏極與襯底之間PN結(jié)反向偏置的緣故。

圖7.31N溝道增強(qiáng)型MOS管工作原理(a)示意圖；(b)電路圖當(dāng)UGS>0時(shí)，柵極與襯底之間產(chǎn)生了一個(gè)垂直于半導(dǎo)體表面、由柵極G指向襯底的電場(chǎng)。這個(gè)電場(chǎng)的作用是排斥P型襯底中的空穴而吸引電子到表面層，當(dāng)UGS增大到一定程度時(shí)，絕緣體和P型襯底的交界面附近積累了較多的電子，形成了N型薄層，稱為N型反型層。反型層使漏極與源極之間成為一條由電子構(gòu)成的導(dǎo)電溝道，當(dāng)加上漏源電壓UGS之后，就會(huì)有電流ID流過溝道。通常將剛剛出現(xiàn)漏極電流ID時(shí)所對(duì)應(yīng)的柵源電壓稱為開啟電壓，用UGS(th)表示。當(dāng)UGS>UGS(th)時(shí)，UGS增大、電場(chǎng)增強(qiáng)、溝道變寬、溝道電阻減小、ID增大；反之，UGS減小，溝道變窄，溝道電阻增大，ID減小。所以改變UGS的大小，就可以控制溝道電阻的大小，從而達(dá)到控制電流ID的大小，隨著UGS的增強(qiáng)，導(dǎo)電性能也跟著增強(qiáng)，故稱之為增強(qiáng)型。必須強(qiáng)調(diào)，這種管子當(dāng)UGS<UGS(th)時(shí)，反型層（導(dǎo)電溝道）消失，ID=0。只有當(dāng)UGS≥UGS(th)時(shí)，才能形成導(dǎo)電溝道，并有電流ID。3）特性曲線（1）轉(zhuǎn)移特性曲線為由圖1.32所示的轉(zhuǎn)移特性曲線可見，當(dāng)UGS<UGS(th)時(shí)，導(dǎo)電溝道沒有形成，ID=0。當(dāng)UGS≥UGS(th)時(shí)，開始形成導(dǎo)電溝道，并隨著UGS的增大，導(dǎo)電溝道變寬，溝道電阻變小，電流ID增大。（2）輸出特性曲線為

圖7.32轉(zhuǎn)移特性曲線圖7.33為輸出特性曲線，與結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管類似，也分為可變電阻區(qū)、恒流區(qū)（放大區(qū)）、夾斷區(qū)和擊穿區(qū)，其含義與結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管輸出特性曲線的幾個(gè)區(qū)相同。

圖7.33輸出特性曲線

2.N溝道耗盡型MOS管1）結(jié)構(gòu)、符號(hào)和工作原理N溝道耗盡型MOS管的結(jié)構(gòu)如圖7.34（a）所示，圖形符號(hào)如圖7.34（b）所示。N溝道耗盡型MOS管在制造時(shí)，在二氧化硅絕緣層中摻入了大量的正離子，這些正離子的存在，使得UGS=0時(shí)，就有垂直電場(chǎng)進(jìn)入半導(dǎo)體，并吸引自由電子到半導(dǎo)體的表層而形成N型導(dǎo)電溝道。圖7.34N溝道耗盡型MOS管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)（a）結(jié)構(gòu);（b）圖形符號(hào)如果在柵源之間加負(fù)電壓，UGS所產(chǎn)生的外電場(chǎng)就會(huì)削弱正離子所產(chǎn)生的電場(chǎng)，使得溝道變窄，電流ID減小;反之，電流ID增加。故這種管子的柵源電壓UGS可以是正的，也可以是負(fù)的。改變UGS，就可以改變溝道的寬窄，從而控制漏極電流ID。2）特性曲線（1）輸出特性曲線。N溝道耗盡型MOS管的輸出特性曲線如圖7.35（a）所示，曲線可分為可變電阻區(qū)、恒流區(qū)（放大區(qū)）、夾斷區(qū)和擊穿區(qū)。圖7.35N溝道耗盡型MOS管特性（a）輸出特性曲線（2）轉(zhuǎn)移特性曲線。N溝道耗盡型MOS管的轉(zhuǎn)移特性曲線如圖7.35（b）所示。從圖中可以看出，這種MOS管可正可負(fù)，且柵源電壓UGS為零時(shí)，靈活性較大。當(dāng)UGS=0時(shí)，靠絕緣層中正離子在P型襯底中感應(yīng)出足夠的電子，而形成N型導(dǎo)電溝道，獲得一定的IDSS。當(dāng)UGS>0時(shí)，垂直電場(chǎng)增強(qiáng)，導(dǎo)電溝道變寬，電流ID增大。當(dāng)UGS<0時(shí)，垂直電場(chǎng)減弱，導(dǎo)電溝道變窄，電流ID減小。當(dāng)UGS=U

GS(th)時(shí)，導(dǎo)電溝道全夾斷，ID=0。圖7.35N溝道耗盡型MOS管特性（a）輸出特性曲線;b）轉(zhuǎn)移特性曲線

1.4.3場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)及注意事項(xiàng)1.主要參數(shù)1)開啟電壓U

GS(th)和夾斷電壓U

GS(off)

UDS等于某一定值，使漏極電流ID等于某一微小電流時(shí)，柵源之間所加的電壓UGS，①對(duì)于增強(qiáng)型管，稱為開啟電壓U

GS(th)；②對(duì)于耗盡型管和結(jié)型管，稱為夾斷電壓U

GS(off)。2)飽和漏極電流I

DSS飽和漏極電流是指工作于飽和區(qū)時(shí)，耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管在UGS=0時(shí)的漏極電流。3）低頻跨導(dǎo)gm（又稱低頻互導(dǎo)）低頻跨導(dǎo)是指UDS為某一定值時(shí)，漏極電流的微變量和引起這個(gè)變化的柵源電壓微變量之比，即式中，ΔID為漏極電流的微變量；ΔUGS為柵源電壓微變量。gm反映了UGS對(duì)ID的控制能力，是表征場(chǎng)效應(yīng)管放大能力的重要參數(shù)，單位為西門子（S）。gm一般為幾mS。gm也就是轉(zhuǎn)移特性曲線上工作點(diǎn)處切線的斜率。4)直流輸入電阻RGS直流輸入電阻是指漏源間短路時(shí)，柵源間的直流電阻值，一般大于10+8Ω。5)漏源擊穿電壓U(BR)DS漏源擊穿電壓是指漏源間能承受的最大電壓，當(dāng)UDS值超過U(BR)DS時(shí)，柵漏間發(fā)生擊穿，ID開始急劇增加。6）柵源擊穿電壓U(BR)GS柵源擊穿電壓是指柵源間所能承受的最大反向電壓，UGS值超過此值時(shí)，柵源間發(fā)生擊穿，ID由零開始急劇增加。

7）最大耗散功率PDM最大耗散功率PDM=UDSID，與半導(dǎo)體三極管的PCM類似，受管子最高工作溫度的限制。2.注意事項(xiàng)(1)在使用場(chǎng)效應(yīng)管時(shí)，要注意漏源電壓UDS、漏源電流ID、柵源電壓UGS及耗散功率等值不能超過最大允許值。(2)場(chǎng)效應(yīng)管從結(jié)構(gòu)上看漏源兩極是對(duì)稱的，可以互相調(diào)用，但有些產(chǎn)品制作時(shí)已將襯底和源極在內(nèi)部連在一起，這時(shí)漏源兩極不能對(duì)換用。(3)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的柵源電壓UGS不能加正向電壓，因?yàn)樗ぷ髟诜雌珷顟B(tài)。通常各極在開路狀態(tài)下保存。(4)絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的柵源兩極絕不允許懸空，因?yàn)闁旁磧蓸O如果有感應(yīng)電荷，就很難泄放，電荷積累會(huì)使電壓升高，而使柵極絕緣層擊穿，造成管子損壞。因此要在柵源間絕對(duì)保持直流通路，保存時(shí)務(wù)必用金屬導(dǎo)線將三個(gè)電極短接起來。在焊接時(shí)，烙鐵外殼必須接電源地端，并在烙鐵斷開電源后再焊接?xùn)艠O，以避免交流感應(yīng)將柵極擊穿，并按S、D、G極的順序焊好之后，再去掉各極的金屬短接線。(5）注意各極電壓的極性不能接錯(cuò)。7.5晶閘管晶閘管又稱可控硅，是一種大功率半導(dǎo)體可控元件。它主要用于整流、逆變、調(diào)壓、開關(guān)四個(gè)方面，應(yīng)用最多的是晶閘管整流。它具有輸出電壓可調(diào)等特點(diǎn)。晶閘管的種類很多，有普通單向和雙向晶閘管、可關(guān)斷晶閘管、光控晶閘管等。下面主要介紹普通晶閘管的工作原理、特性參數(shù)及簡(jiǎn)單的應(yīng)用電路。1.5.1晶閘管的基本結(jié)構(gòu)、性能及參數(shù)1.晶閘管的基本結(jié)構(gòu)晶閘管的基本結(jié)構(gòu)是由P1—N1—P2—N2三個(gè)PN結(jié)四層半導(dǎo)體構(gòu)成的，如圖7.36所示。其中P1層引出電極A為陽(yáng)極；N2層引出電極K為陰極；P2層引出電極G為控制極，其外型及符號(hào)如圖7.37所示。7.36晶閘管結(jié)構(gòu)

圖7.37晶閘管的外型及符號(hào)圖7.37晶閘管的外型及符號(hào)2.晶閘管的工作原理我們可以把晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)看成由PNP和NPN型兩個(gè)晶體管連接而成，如圖7.38所示。當(dāng)在A、K兩極間加上正向電壓UAK時(shí)，由于J2反偏，故晶閘管不導(dǎo)通，在控制極上加一正向控制電壓UGK后，產(chǎn)生控制電流IG，它流入V2管的基極，并經(jīng)過V2管電流放大得IC2=β2IG；又因?yàn)镮C2=IB1；所以IC1=β1β2IG，IC1又流入V2管的基極再經(jīng)放大形成正反饋，使V1和V2管迅速飽和導(dǎo)通。飽和壓降約為