第1章-半導(dǎo)體器件

第1章半導(dǎo)體器件

本章首先介紹二極管的結(jié)構(gòu)及單向?qū)щ娦?、二極管的主要參數(shù)、特殊二極管的應(yīng)用，然后介紹三極管的結(jié)構(gòu)及電流放大作用、三極管的特性和主要參數(shù)，最后介紹場效應(yīng)管的分類、特性以及晶閘管的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電特性。

知識(shí)目標(biāo)熟識(shí)二極管器件的外形和電路符號。掌握二極管的單向?qū)щ娦院椭饕獏?shù)，了解伏安特性。了解穩(wěn)壓二極管的功能及使用常識(shí)。了解特殊二極管及應(yīng)用。了解三極管的結(jié)構(gòu)，掌握三極管符號、電流分配關(guān)系及放大作用。了解三極管的輸入/輸出特性、主要參數(shù)，掌握三極管的3種工作狀態(tài)。了解場效應(yīng)管的分類、主要參數(shù)和工作特點(diǎn)。了解晶閘管的結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電特性及主要參數(shù)。技能目標(biāo)會(huì)使用萬用表檢測二極管的好壞和判別極性。會(huì)測量三極管的引腳及檢測質(zhì)量好壞。會(huì)查閱半導(dǎo)體器件手冊，能按要求選用二極管、三極管。學(xué)會(huì)使用信號發(fā)生器、萬用表和示波器。

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展使我們的生活越來越豐富多彩，也越來越方便。

圖1.1所示的生活情景體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)、手機(jī)、MP3等電子產(chǎn)品的廣泛使用。

而這些產(chǎn)品都離不開電子元器件，下面我們一起來學(xué)習(xí)討論構(gòu)成這些產(chǎn)品的基本半導(dǎo)體器件—二極管、三極管等。圖1.1生活情景1.1二極管

人們根據(jù)物質(zhì)導(dǎo)電性能，通常將其分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體3大類。

導(dǎo)電性能良好的物質(zhì)稱為導(dǎo)體，如金、銀、銅、鋁等。幾乎不導(dǎo)電的物質(zhì)稱為絕緣體，如陶瓷、橡膠、塑料等。

導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體，如硅（Si）、鍺（Ge）等。

圖1.2所示為用于制造半導(dǎo)體器件的硅單晶材料。圖1.2硅單晶材料

純凈半導(dǎo)體也叫做本征半導(dǎo)體，這種半導(dǎo)體只含有一種原子，且原子按一定規(guī)律整齊排列。

在常溫下，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱；在環(huán)境溫度升高或有光照時(shí)，其導(dǎo)電能力隨之增強(qiáng)。知識(shí)拓展——雜質(zhì)半導(dǎo)體和半導(dǎo)體的奇妙特性1．在硅或鍺這些本征半導(dǎo)體中，摻入微量的雜質(zhì)元素后所得的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體，它有N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體兩種類型。

在硅本征半導(dǎo)體中，摻入微量的五價(jià)元素（磷或砷），就形成N型半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體中的自由電子數(shù)量多，空穴數(shù)量少，參與導(dǎo)電的主要是帶負(fù)電的自由電子，如圖1.3（a）所示。

在硅本征半導(dǎo)體中，摻入微量的三價(jià)的元素（銦或硼），就形成P型半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體中的空穴數(shù)量多，自由電子數(shù)量少，參與導(dǎo)電的主要是帶正電的空穴，如圖1.3（b）所示。

（a）N型半導(dǎo)體

（b）P型半導(dǎo)體

圖1.3雜質(zhì)型半導(dǎo)體 2．半導(dǎo)體之所以得到廣泛的應(yīng)用，主要在于它具有以下特性。（1）熱敏性。（2）摻雜性。（3）光敏性。

應(yīng)用半導(dǎo)體的摻雜技術(shù)可在一塊硅片上形成P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，在二者的交界面上會(huì)形成一個(gè)具有特殊導(dǎo)電性能的薄層，這個(gè)薄層被稱為PN結(jié)，如圖1.4所示，二極管的核心正是PN結(jié)。圖1.4PN結(jié)1.1.1二極管的結(jié)構(gòu)及符號 1．二極管的結(jié)構(gòu)

圖1.5所示為用于家用電器、穩(wěn)壓電源等電子產(chǎn)品中的各種不同外形的二極管。圖1.5二極管的外形

二極管是由一個(gè)PN結(jié)構(gòu)成的，從P區(qū)引出的電極為二極管正極，從N區(qū)引出的電極為二極管負(fù)極，然后用管殼將其封裝起來。

二極管通常用塑料、玻璃或金屬材料作為封裝外殼，外殼上印有標(biāo)記以便區(qū)分正負(fù)電極。2．二極管的圖形符號

在電路圖中并不需要畫出二極管的結(jié)構(gòu)，而是用統(tǒng)一規(guī)定的圖形符號和文字符號來表示。

二極管的圖形符號如圖1.6所示，箭頭的一邊代表正極，另一邊代表負(fù)極，而箭頭所指方向是正向電流的方向。二極管的文字符號通常用VD表示。圖1.6二極管的圖形符號3．二極管分類①按材料分，有鍺材料二極管和硅材料二極管兩大類。②按結(jié)構(gòu)分，有點(diǎn)接觸型和面接觸型結(jié)構(gòu)。③按功能分，有整流管、變?nèi)莨?、開關(guān)管、雪崩管、光敏二極管等。1.1.2二極管的單向?qū)щ娦?/p>

我們熟悉的電阻器是沒有導(dǎo)電極性的，電流流過電阻器沒有方向的限制，而圖1.7所示二極管又是如何導(dǎo)電的呢？下面我們來學(xué)習(xí)二極管的導(dǎo)電特性。圖1.7二極管導(dǎo)電特性示意圖

按圖1.8所示連接電路，觀察指示燈的變化情況。（建議采用仿真演示）（a）加正向電壓導(dǎo)通

（b）加反向電壓截止

圖1.8二極管導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)知識(shí)探究（1）加正向電壓導(dǎo)通

在二極管的兩端加電壓是為給二極管以偏置。如果將電源高電位與二極管的正極相連，電源低電位與二極管的負(fù)極相連，稱為正向偏置，簡稱正偏，如圖1.8（a）所示。此時(shí)，二極管內(nèi)部呈現(xiàn)較小的電阻，有較大的電流通過，二極管的這種狀態(tài)為正向?qū)顟B(tài)。實(shí)驗(yàn)表明在電源給二極管外加正向電壓的情況下，二極管的電阻很小容易導(dǎo)電，此時(shí)燈亮，即二極管正向?qū)?。?）加反向電壓截止

如果將電源低電位與二極管的正極相連，電源高電位與二極管的負(fù)極相連，稱為給二極管外加反向偏置，簡稱反偏，如圖1.8（b）所示。此時(shí)，二極管內(nèi)部呈現(xiàn)較大的電阻，幾乎沒有電流通過，二極管的這種狀態(tài)稱為反向截止?fàn)顟B(tài)。實(shí)驗(yàn)表明在電源給二極管外加反向電壓的情況下，二極管的電阻很大，與絕緣體相似幾乎不導(dǎo)電，此時(shí)燈不亮，即二極管反向截止。歸納

二極管具有外加正向電壓導(dǎo)通，外加反向電壓截止的導(dǎo)電特性，即單向?qū)щ娦浴?.1.3二極管的伏安特性、主要參數(shù)1．二極管的伏安特性

加在二極管兩端的電壓與通過二極管的電流之間的關(guān)系稱為伏安特性，由此得到的曲線即為伏安特性曲線，該曲線可通過實(shí)驗(yàn)的方法得到，也可利用晶體管圖示儀十分方便地觀測出。知識(shí)探究（1）正向特性（見圖1.9中OAB段）。①當(dāng)二極管兩端所加的正向電壓由零開始增大時(shí)，在正向電壓比較小的范圍內(nèi)，正向電流很小，二極管呈現(xiàn)很大的電阻，如圖中OA段，通常把這個(gè)范圍稱為死區(qū)，相應(yīng)的電壓叫做死區(qū)電壓。硅二極管的死區(qū)電壓約為0.5V，鍺二極管的死區(qū)電壓為0.1～0.2V。圖1.9二極管的伏安特性曲線②外加正向電壓超過死區(qū)電壓以后，二極管呈現(xiàn)很小的電阻，正向電流ID迅速增加，這時(shí)二極管處于正向?qū)顟B(tài)，如圖中AB段為導(dǎo)通區(qū)，此時(shí)二極管兩端電壓降變化不大，該電壓值稱為正向壓降（或管壓降）。常溫下硅二極管的正向壓降為0.6～0.7V，鍺二極管的正向壓降為0.2～0.3V。（2）反向特性（見圖1.9中OCD段）。①當(dāng)給二極管加反向電壓時(shí)，所形成的反向電流是很小的，而且在很大范圍內(nèi)基本不隨反向電壓的變化而變化，即保持恒定，如曲線OC段，稱其為反向截止區(qū)，此處的IR稱為反向飽和電流。②當(dāng)反向電壓大到一定數(shù)值（UBR）時(shí)，反向電流會(huì)急劇增大，如圖中CD段，這種現(xiàn)象稱為反向擊穿，相應(yīng)的電壓叫做反向擊穿電壓。正常使用二極管時(shí)（穩(wěn)壓二極管除外），是不允許出現(xiàn)這種現(xiàn)象的，因?yàn)閾舸┖箅娏鬟^大將會(huì)損壞二極管。2．二極管的主要參數(shù)

二極管有很多的參數(shù)，這些參數(shù)可以用來表示二極管的工作性能，以整流二極管為例，最主要的參數(shù)有以下兩個(gè)。（1）最大整流電流（IFM）。IFM是指二極管長期工作時(shí)，允許通過二極管的最大正向平均電流，通常稱做額定工作電流。不同型號的二極管其IFM差異很大，如果電路中實(shí)際工作電流超過了IFM，那么二極管發(fā)熱過多就可能燒壞PN結(jié)，使二極管永久損壞。

（2）最高反向工作電壓（URM）。二極管在使用時(shí)允許加上的URM通常稱做額定工作電壓。為了確保二極管安全工作，半導(dǎo)體器件手冊中規(guī)定最高反向工作電壓為反向擊穿電壓的1/2～1/3。3．二極管的開關(guān)特性

二極管在應(yīng)用時(shí)，為簡化分析，常將其理想化，即二極管導(dǎo)通時(shí)，兩端壓降很小，可視為短路，相當(dāng)于開關(guān)閉合；二極管反向截止時(shí)，反向電流很小，相當(dāng)于開關(guān)斷開。具有這種理想特性的二極管稱為理想二極管，它在電路中的作用類似于一個(gè)開關(guān)，因此在開關(guān)電路中有廣泛的應(yīng)用。4．二極管應(yīng)用

二極管因具有單向?qū)щ娦裕猿蔀檎麟娐罚ㄔ斠姷?章）的主要元器件，而整流電路是組成直流穩(wěn)壓電源的一部分。此外，二極管還有其他應(yīng)用，如鉗位、限幅等。

在電子設(shè)備中較常用的二極管如下。①普通二極管：如2AP等系列，主要用于高頻檢波。②整流二極管：如2CZ、2DZ等系列，主要用于整流電路。③開關(guān)二極管：如2AK、2CK等系列，用于開關(guān)電路。④穩(wěn)壓二極管：如2CW、2DW等系列，用于各種穩(wěn)壓電路。5．二極管的簡易測量

用萬用表來檢查二極管的質(zhì)量或判別正、負(fù)極。1.1.4穩(wěn)壓二極管1．穩(wěn)壓二極管的結(jié)構(gòu)

穩(wěn)壓二極管是一種用特殊工藝制造的面接觸硅材料二極管，由于它具有穩(wěn)定電壓的功能，所以把這種類型的二極管稱為穩(wěn)壓管，在穩(wěn)壓設(shè)備和一些電子電路中經(jīng)常用到。

小型穩(wěn)壓管與二極管外型相似，其圖形符號和實(shí)物圖如圖1.11所示。圖1.11穩(wěn)壓管的圖形符號與實(shí)物圖2．穩(wěn)壓二極管的作用及其伏安特性知識(shí)探究

由穩(wěn)壓二極管伏安特性曲線可知，其正向特性與普通二極管相同，反向特性曲線在擊穿區(qū)域比普通二極管更陡直。當(dāng)反向電壓增加到一定數(shù)值時(shí)（如增加到圖1.12中所示的電壓值UZ），反向電流急劇上升。

此后，反向電壓只要稍有增加（如增加了ΔUZ），反向電流就會(huì)增加很快（如圖中的ΔIZ），這種現(xiàn)象就是電擊穿，電壓UZ稱為擊穿電壓。圖1.12穩(wěn)壓管伏安特性曲線

通過穩(wěn)壓二極管的反向電流在很大范圍內(nèi)變化（IZmin～I(xiàn)Zmax），而穩(wěn)壓二極管兩端電壓變化則很小，僅為圖中的ΔUZ。據(jù)此，我們可以認(rèn)為，穩(wěn)壓二極管兩端的電壓基本保持不變?？梢姡€(wěn)壓二極管能穩(wěn)定電壓正是利用其反向擊穿后電流劇變，而兩端電壓幾乎不變的特性來實(shí)現(xiàn)的。歸納

穩(wěn)壓二極管工作在特性曲線的反向擊穿區(qū)。這表明穩(wěn)壓二極管在擊穿狀態(tài)下，流過穩(wěn)壓二極管的電流在較大范圍內(nèi)變化（ΔIZ）時(shí)，而穩(wěn)壓二極管兩端電壓（ΔUZ）幾乎不變，這就是穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓作用。3．穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)（1）穩(wěn)定電壓（UZ）。該參數(shù)是指穩(wěn)壓二極管正常工作時(shí)其兩端具有的電壓值。每個(gè)穩(wěn)壓二極管只有一個(gè)穩(wěn)定電壓，但即使同一型號的穩(wěn)壓管，由于制造上的原因，難以使穩(wěn)定電壓為同一數(shù)值，而是有一定的分散性，在使用時(shí)要注意。（2）穩(wěn)定電流（IZ）。該參數(shù)是指穩(wěn)壓二極管正常工作時(shí)穩(wěn)定電流的參考值。（3）最大穩(wěn)定電流（IZM）。該參數(shù)是指穩(wěn)壓二極管允許長期通過的最大工作電流。（4）額定功耗。該參數(shù)是由穩(wěn)壓二極管允許溫升決定的。1.1.5其他特殊二極管1．發(fā)光二極管

發(fā)光二極管（LED）是將電信號變成光信號的一種半導(dǎo)體器件，工作在正向偏置狀態(tài)，它具有功耗低、體積小、工作可靠等特點(diǎn)。

圖1.13（a）所示為發(fā)光二極管的圖形符號，圖1.13（b）所示為實(shí)物圖。

圖1.13發(fā)光二極管LED在日常生活中無處不在，廣泛應(yīng)用在家用電器、照明、顯示屏等領(lǐng)域，如圖1.14所示。

LED能夠發(fā)光，有紅色、綠色、黃色等。它是由磷化鎵、砷化鎵半導(dǎo)體材料制成的，通過正向電流時(shí)，電子與空穴直接復(fù)合放出能量而發(fā)光，發(fā)光顏色主要取決于所用材料。材料不同，其正向壓降也有較大差別（為1.5～3V）。與普通二極管一樣，LED也具有單向?qū)щ娦?，即只有極性接對了才能發(fā)光。（a）洗衣機(jī)LED數(shù)碼顯示

（b）LED夜景照明

（c）室外顯示屏

圖1.14LED的典型應(yīng)用

判別LED的好壞可用萬用表的R

10k擋，當(dāng)正向電阻小于50k

，反向電阻大于200k

為正常；如果正向、反向電阻均為無窮大，表明此管已壞。2．光電二極管

光電二極管又稱為光敏二極管，其PN結(jié)工作在反向偏置狀態(tài)。目前使用最多的是硅（Si）光電二極管。以下簡介PN結(jié)型光電二極管，其圖形符號如圖1.15（a）所示，圖1.15（b）所示為其實(shí)物圖。圖1.15光電二極管PN結(jié)型光電二極管同普通二極管一樣，也是PN結(jié)構(gòu)造，只是結(jié)面積較大，工作時(shí)加反向電壓，在光照下產(chǎn)生光電流，光電流隨光照強(qiáng)度的增加而上升。

管殼上有光窗，從而使入射光容易注入PN結(jié)的耗盡區(qū)中進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，結(jié)面積大增加了有效光面積，提高了光電轉(zhuǎn)換效率。

在有光照時(shí)，光敏二極管在一定的反偏電壓范圍內(nèi)（UR≥5V），其反向電流將隨光照強(qiáng)度的增加而線性增加，這時(shí)的反向電流又叫做光電流。

在無光照射時(shí)，光敏二極管的伏安特性和普通二極管一樣，此時(shí)的反向飽和電流叫做暗電流，一般在幾微安到幾百微安之間，其值隨反向偏壓的增大和環(huán)境溫度的升高而增大。在檢測弱光電信號時(shí)，必須考慮用暗電流小的管子。3．變?nèi)荻O管

變?nèi)荻O管用半導(dǎo)體材料硅或鍺制成，利用PN結(jié)結(jié)電容隨反向電壓的增加而減小的原理工作。

變?nèi)荻O管通常替代可變電容器，應(yīng)用在電調(diào)諧器、鎖相環(huán)頻率合成器中。1.2三極管

三極管是具有電流放大作用的半導(dǎo)體器件，三極管組成的放大電路在實(shí)際電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用，如收音機(jī)、電視機(jī)、擴(kuò)音機(jī)、測量儀器、自動(dòng)控制裝置等。

圖1.18所示為三極管放大作用的應(yīng)用示意圖。本節(jié)重點(diǎn)學(xué)習(xí)三極管的放大作用。圖1.18三極管作用示意圖1.2.1三極管的結(jié)構(gòu)及符號1．三極管的結(jié)構(gòu)

圖1.19所示為常見三極管實(shí)物圖及其外形。

三極管常采用塑料、金屬或玻璃封裝。圖1.19常見三極管的實(shí)物圖和外形

三極管是由兩個(gè)PN結(jié)構(gòu)成的，兩個(gè)PN結(jié)將整個(gè)半導(dǎo)體基片分為3個(gè)區(qū)—發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)。由3個(gè)區(qū)各引出一個(gè)電極，分別為基極b、發(fā)射極e和集電極c。

發(fā)射區(qū)與基區(qū)之間的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)，集電區(qū)與基區(qū)之間的PN結(jié)稱為集電結(jié)。

三極管按結(jié)構(gòu)可分為NPN型和PNP型兩類，它們的結(jié)構(gòu)及圖形符號如圖1.20所示，三極管文字符號為VT。（a）PNP型

（b）NPN型圖1.20三極管結(jié)構(gòu)及圖形符號知識(shí)拓展——三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是基區(qū)薄，摻雜濃度低；發(fā)射區(qū)摻雜的濃度比集電區(qū)、基區(qū)大得多；集電結(jié)面積比發(fā)射結(jié)的面積大，所以使用時(shí)，發(fā)射極和集電極一般不能互換。

三極管中兩個(gè)PN結(jié)是通過很薄的基區(qū)聯(lián)系起來的，因此，如果將兩個(gè)二極管用導(dǎo)線串聯(lián)起來是不能起到三極管的作用的。2．三極管的分類

三極管的種類很多，通常按以下方法進(jìn)行分類。①按半導(dǎo)體材料分，可分為硅管和鍺管。硅管工作穩(wěn)定性優(yōu)于鍺管，因此當(dāng)前生產(chǎn)和使用的多為硅管。②按內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)分，可分為NPN型和PNP型兩類。目前我國制造的硅管多為NPN型（也有少量PNP型），鍺管多為PNP型。③按結(jié)構(gòu)工藝分，可分為合金管和平面管。④按用途分，可分為普通放大管、開關(guān)管等。⑤按功率大小分，可分為小功率管、中功率管和大功率管。⑥按工作頻率分，可分為超高頻管、高頻管和低頻管。1.2.2三極管電流放大作用1．三極管的電流放大作用

在給三極管兩個(gè)PN結(jié)加電壓時(shí)，流過三極管各電極的電流分別用IB、IC、IE表示。

按圖1.21所示連接電路，觀察各極電流的大小及其關(guān)系。（建議采用仿真演示）圖1.21三極管各極上的電流分配關(guān)系

實(shí)驗(yàn)中電流表顯示三極管3個(gè)電極的電流值如表1.1所示。序

號1234IB/mA0.010.020.030.04IC/mA0.561.141.742.33IE/mA0.571.161.772.37表1.1 三極管各極電流知識(shí)探究（1）三極管電流分配關(guān)系

由表1.1中數(shù)據(jù)可見，3個(gè)電極電流在取值上滿足下列關(guān)系式： IE=IB+IC（2）三極管電流放大作用

對表1.1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論。①IB變化時(shí)IC也跟著變化，IC受IB控制。例如，IB=0.02mA時(shí)，IC=1.14mA；IB=0.03mA時(shí)，IC=1.74mA。②IC與IB之間的比值幾乎是一個(gè)常數(shù)，用

表示，稱為共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)。③ΔIC與ΔIB的比值幾乎是一個(gè)常數(shù)，用

表示，

稱為共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)。IB的微小變化引起IC的較大變化，IC的變化量ΔIC受IB的變化量ΔIB的控制。歸納

三極管在一定的外界電壓條件下所具有的IC受IB控制且二者成線性關(guān)系的特性，稱為三極管的直流電流放大作用。而ΔIC受ΔIB控制且二者成線性關(guān)系的特性，稱為三極管的交流電流放大作用。2．具有電流放大作用的條件

只有給三極管的發(fā)射結(jié)加正向電壓、集電結(jié)加反向電壓時(shí)，它才具有上述電流放大作用和電流分配關(guān)系。所以三極管具有電流放大作用的外部條件是：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，即對于NPN管的3個(gè)電極上的電位分布是UC＞UB＞UE。

對于PNP管，同樣要求發(fā)射結(jié)加正向偏置，集電結(jié)加反向偏置，即3個(gè)電極上的電位分布是UC＜UB＜UE。只是應(yīng)注意，因PNP管的導(dǎo)電極性與NPN管不同，所以PNP管接電源時(shí)極性與NPN管相反。3．三極管的連接方式（組態(tài)）

三極管的主要用途之一是構(gòu)成放大器，簡單地說，放大器的工作過程是從外界接收弱小信號，經(jīng)放大后送給用電設(shè)備。放大器方框圖如圖1.22所示，其中接收外界信號的一邊叫做輸入端，有兩個(gè)端鈕（1、2）；送出信號的一邊叫做輸出端，該端也有兩個(gè)端鈕（3、4）。圖1.22放大器方框圖

因三極管只有3個(gè)電極，構(gòu)成放大器時(shí)只能提供3個(gè)端，所以一定有一個(gè)電極要作為輸入和輸出的公共端。當(dāng)把三極管的發(fā)射極作為公共端時(shí)，稱三極管為共發(fā)射極連接方式或組態(tài)。相應(yīng)的還有共基極組態(tài)、共集電極組態(tài)。

三極管的3種組態(tài)如圖1.23所示。（a）共射組態(tài)

（b）共基組態(tài)

（c）共集組態(tài)

圖1.23三極管的3種組態(tài)1.2.3三極管的特性曲線及主要參數(shù)1．三極管的伏安特性曲線（以共射組態(tài)為例）

同二極管一樣，我們也可以通過伏安特性曲線描述三極管各極電流與極間電壓之間的關(guān)系。

只是三極管伏安特性曲線分為輸入特性曲線和輸出特性曲線。（1）三極管輸入特性曲線。反映輸入電流IB與輸入電壓UBE之間關(guān)系的曲線叫做輸入特性曲線，它以輸出電壓UCE一定值作參考量。當(dāng)UCE≥1V之后，輸入特性曲線基本重合，如圖1.24所示。

通常把三極管電流開始明顯增長的發(fā)射結(jié)電壓稱為導(dǎo)通電壓。在室溫下，硅管的導(dǎo)通電壓約為0.6～0.7V，鍺管的導(dǎo)通電壓約為0.2～0.3V。圖1.24三極管輸入特性曲線（2）三極管輸出特性曲線。反映輸出電流IC與輸出電壓UCE之間關(guān)系的曲線叫做輸出特性曲線，它以輸入電流IB一定值作參考量，如圖1.25所示。它表明了在一組輸入電流IB作用下，IC與UCE之間的變化關(guān)系。也就是說，三極管特性曲線是具有相近特性的所有曲線構(gòu)成一個(gè)曲線族，通常把它分成截止區(qū)、飽和區(qū)和放大區(qū)。每個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)PN結(jié)的不同偏置狀態(tài)，各有不同特點(diǎn)。①截止區(qū)：IB=0那條輸出特性曲線以下的區(qū)域?yàn)榻刂箙^(qū)。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)的三極管兩個(gè)PN結(jié)均處于反向偏置狀態(tài)，此時(shí)因不滿足放大條件所以沒有電流放大作用，各電極電流幾乎全為零，相當(dāng)于三極管內(nèi)部各極開路，即相當(dāng)于開關(guān)斷開，此時(shí)管壓降UCE近似等于電源電壓。②放大區(qū)：每條曲線的平直部分所構(gòu)成的區(qū)域?yàn)榉糯髤^(qū)。在該區(qū)域三極管滿足發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏的放大條件，具有電流放大作用。在放大區(qū)的三極管IC只受IB控制，與UCE幾乎無關(guān)。

當(dāng)IB一定時(shí)，IC不隨UCE而變化，即IC保持恒定，所以說三極管具有恒流特性。圖1.25三極管輸出特性曲線③飽和區(qū)：每條曲線拐點(diǎn)連線左側(cè)的區(qū)域?yàn)轱柡蛥^(qū)。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)的三極管兩個(gè)PN結(jié)均處于正向偏置狀態(tài)，此時(shí)三極管因不滿足放大條件也沒有電流放大作用，當(dāng)UCE減小到UCE<UBE時(shí)，此時(shí)IC已不再受IB控制。三極管飽和時(shí)的UCE值稱為飽和壓降，記作UCES，小功率硅管的UCES約為0.3V，鍺管約為0.1V，此時(shí)三極管的集電極、發(fā)射極間呈現(xiàn)低電阻，相當(dāng)于開關(guān)閉合。歸納

三極管具有“放大”和“開關(guān)”兩大功能。當(dāng)三極管工作在放大區(qū)時(shí)，它有電流放大的作用，可應(yīng)用于模擬電路中；當(dāng)三極管工作在飽和與截止區(qū)時(shí)，相當(dāng)于開關(guān)的閉合與斷開，即有開關(guān)的特性，可應(yīng)用于脈沖數(shù)字電路中。2．三極管的主要參數(shù)

三極管的性能可用參數(shù)表示。三極管的參數(shù)可作為設(shè)計(jì)電路、合理使用器件的參考。

三極管的參數(shù)很多，主要參數(shù)如下。（1）電流放大系數(shù)。①共發(fā)直流電流放大系數(shù)

。它是反映三極管直流電流放大能力強(qiáng)弱的參數(shù)，它的定義是式中Ｃ為常數(shù)。②共發(fā)交流電流放大系數(shù)

。它是反映三極管交流電流放大能力強(qiáng)弱的參數(shù)，它的定義是式中Ｃ為常數(shù)。當(dāng)三極管工作頻率不太高時(shí)，

和

近似相等。（2）反向飽和電流。①集—基反向飽和電流ICBO。它是指三極管發(fā)射極開路時(shí)，流過集電結(jié)的反向漏電電流。通常鍺管的ICBO為微安數(shù)量級，而硅管比鍺管小一至兩個(gè)數(shù)量級。反向電流ICBO會(huì)隨溫度上升而增大，ICBO大的三極管工作穩(wěn)定性較差。②集—射反向飽和電流ICEO。它是指三極管基極開路時(shí)，集電極與發(fā)射極之間加上一定的電壓時(shí)集電極的電流。ICEO與ICBO的關(guān)系為ICEO=(1+

)ICBOICEO是ICBO的（1+

）倍，所以它受溫度影響不可忽視。（3）極限參數(shù)。極限參數(shù)是三極管正常工作時(shí)所不能超越的數(shù)值界限。①集電極最大允許電流ICM。若三極管的IC超過此值，其

值將下降到正常值的2/3以下。

②集電極最大允許耗散功率PCM。它是三極管的最大允許功率損耗。③集—射反向擊穿電壓U(BR)CEO。它是基極開路時(shí)，加在集電極和發(fā)射極之間的最大允許電壓，下標(biāo)中“B”表示擊穿，“R”表示反向。若三極管的UCE超過U(BR)CEO，會(huì)引起擊穿致使三極管損壞。3．三極管的簡易測量

在實(shí)際的應(yīng)用中，常用萬用表來判斷三極管引腳及類型。1.3場效應(yīng)管

場效應(yīng)三極管簡稱場效應(yīng)管，它也是一種具有PN結(jié)的半導(dǎo)體器件。我們知道，三極管是利用輸入電流控制輸出電流的器件，稱之為電流控制器件，而場效應(yīng)管則是利用輸入電壓產(chǎn)生電場效應(yīng)來控制輸出電流的器件，稱為電壓控制器件。

與三極管相比，它具有輸入阻抗高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、耗電省、制造工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)，便于實(shí)現(xiàn)集成化，目前已廣泛應(yīng)用于各種電子電路中。1.3.1場效應(yīng)管的類型、結(jié)構(gòu)及符號1．場效應(yīng)管的類型

場效應(yīng)管按其結(jié)構(gòu)的不同分為結(jié)型場效應(yīng)管和絕緣柵型場效應(yīng)管，其外形如圖1.27所示。

而結(jié)型場效應(yīng)管又分為N溝道、P溝道兩類；絕緣柵型場效應(yīng)管分為增強(qiáng)型和耗盡型兩類，每類又有P溝道和N溝道兩種。圖1.27場效應(yīng)管外形2．場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)及圖形符號

以N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管為例做一簡單介紹。

圖1.28（a）所示為N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)示意圖，它是用一塊雜質(zhì)濃度較低的P型硅片作襯底，在上面擴(kuò)散兩個(gè)相距很近，摻雜濃度高的N型區(qū)（圖中N+區(qū)），并用金屬線引出兩個(gè)電極，分別稱為源極S和漏極D，在硅片表面生成一層薄薄的絕緣層（SiO2），絕緣層上再制作一層鋁金屬膜作為柵極G。

圖1.28（b）所示為圖形符號，D極與S極之間是3段斷續(xù)線，表示為增強(qiáng)型；若是連續(xù)線表示為耗盡型。B為襯底引線，一般與源極S相連，箭頭向內(nèi)表示為N溝道，反之為P溝道。

因?yàn)闁艠O與其他電極及硅片之間是絕緣的，所以稱為絕緣柵型場效應(yīng)管。又由于它是由金屬、氧化物、半導(dǎo)體所組成的，簡稱MOS場效應(yīng)管。（a）結(jié)構(gòu)示意圖

（b）圖形符號

圖1.28N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管1.3.2絕緣柵型場效應(yīng)管的伏安特性及主要參數(shù)1．特性曲線

以N溝道增強(qiáng)型絕緣柵型場效應(yīng)管為例，場效應(yīng)管的基本特性可以用它的轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線來描述。（1）轉(zhuǎn)移特性曲線。由于場效應(yīng)管的輸入電流IG幾乎為零，所以不需要輸入特性。通常，把漏極電流ID與柵源電壓UGS之間的關(guān)系稱為轉(zhuǎn)移特性。

轉(zhuǎn)移特性曲線是指在UDS為一定值時(shí)，漏極電流ID與柵源電壓UGS之間的關(guān)系曲線，如圖1.29（a）所示。由轉(zhuǎn)移特性曲線可以清楚地看出柵源電壓對漏極電流的控制作用。（2）輸出特性曲線。輸出特性曲線是指在UGS為一定值時(shí)，漏極電流ID與漏源電壓UDS之間的關(guān)系曲線，如圖1.29（b）所示，輸出特性曲線是一族曲線?？蓪⑤敵鎏匦苑譃?個(gè)區(qū)域，I區(qū)為可變電阻區(qū)，Ⅱ區(qū)為恒流區(qū)，Ⅲ區(qū)為擊穿區(qū)。圖1.29絕緣柵型場效應(yīng)管特性曲線2．主要參數(shù)

場效應(yīng)管的技術(shù)參數(shù)從不同側(cè)面反映了它的一些特性，是選用器件的依據(jù)。（1）開啟電壓UGS(th)。UGS(th)是指UDS為定值（測試條件）、增強(qiáng)型場效應(yīng)管開始產(chǎn)生ID電流時(shí)的柵源電壓UGS。UGS(th)是增強(qiáng)型場效應(yīng)管的重要參數(shù)，對于N溝道場效應(yīng)管，UGS(th)為正值；對于P溝道場效應(yīng)管，UGS(th)為負(fù)值。（2）夾斷電壓UGS(off)。UGS(off)是指UDS為定值（測試條件）、耗盡型場效應(yīng)管處于剛開始夾斷時(shí)的柵源電壓UGS，屬耗盡型場效應(yīng)管的參數(shù)，N溝道場效應(yīng)管的UGS(off)為負(fù)值。（3）飽和漏電流IDSS。IDSS是指在UGS=0的條件下，且UDS>UGS(off)時(shí)所對應(yīng)的漏極電流。（4）跨導(dǎo)gm。gm是指UDS為定值時(shí)，柵源輸入信號UGS與由它引起的漏極電流ID之比，即gm=

它是表明柵源電壓UGS對漏極電流ID控制作用大小的一個(gè)重要參數(shù)。（5）漏極擊穿電壓U(BR)DS。U(BR)DS是指漏源極之間允許加的最大電壓，實(shí)際電壓值超過該參數(shù)時(shí)會(huì)使PN結(jié)反向擊穿。1.4晶閘管

晶閘管全稱硅晶體閘流管，又稱可控硅整流元件。它是一種大功率半導(dǎo)體器件，是目前半導(dǎo)體器件從弱電進(jìn)入強(qiáng)電領(lǐng)域，制造技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的器件之一。

隨著大功率電子器件的迅速發(fā)展，電力電子技術(shù)這門新興的學(xué)科也逐步形成，并將廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)和日常生活各領(lǐng)域中。

晶閘管品種很多，普通類型有單向晶閘管和雙向晶閘管，特種類型有快速晶閘管、可關(guān)斷晶閘管等，這里介紹普通晶閘管。1.4.1單向晶閘管結(jié)構(gòu)及導(dǎo)電特性1．結(jié)構(gòu)

晶閘管是用硅材料制成的半導(dǎo)體器件。單向晶閘管是由P型和N型半導(dǎo)體交替疊合而成的P-N-P-N4層半導(dǎo)體元件，具有3個(gè)PN結(jié)和3個(gè)電極。

圖1.30（a）所示為晶閘管的外形，有螺栓式、平板式和塑封式3種，圖1.30（b）所示為晶閘管的結(jié)構(gòu)，圖1.30（c）所示為其圖形符號，晶閘管的文字符號為VS。圖1.30晶閘管的外形結(jié)構(gòu)和圖形符號

單向晶閘管的結(jié)構(gòu)圖中，P1引出的電極為陽極（A），N2引出的電極為陰極（K），P2引出的電極為控制極（G）。3個(gè)PN結(jié)分別為J1、J2和J3。

單向晶閘管的圖形符號與二極管相似，只是在其陰極處增加一個(gè)控制極，表明其導(dǎo)通的條件除了和二極管一樣需要正向偏置的電壓外，還需另外增加一個(gè)條件，那就是要有控制信號。2．導(dǎo)電特性

單向晶閘管可以理解為一個(gè)受控制的二極管，由其圖形符號可見，它也具有單向?qū)щ娦?，不同之處是除了?yīng)具有陽極與陰極之間的正向偏置電壓外，還必須給控制極加一個(gè)足夠大的控制電壓，在這個(gè)控制電壓作用下，晶閘管就會(huì)像二極管一樣導(dǎo)通了。一旦晶閘管導(dǎo)通，控制電壓即使取消，也不會(huì)影響其正向?qū)ǖ墓ぷ鳡顟B(tài)。

晶閘管單向?qū)щ娦钥捎脠D1.31所示實(shí)驗(yàn)電路驗(yàn)證。圖1.31晶閘管導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)圖知識(shí)探究

實(shí)驗(yàn)說明無控制信號時(shí)，指示燈均不亮，即晶閘管不導(dǎo)通（阻斷）；當(dāng)陽極、控制極均正偏時(shí)，指示燈亮，即晶閘管導(dǎo)通；若二者有一個(gè)反偏時(shí)指示燈不亮，即晶閘管不導(dǎo)通；指示燈亮后，如果撤掉控制電壓，指示燈仍亮，即晶閘管仍然導(dǎo)通。歸納

要使晶閘管由阻斷狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，必須在晶閘管上加正向電壓的同時(shí)，在控制極上加一定大小的正向電壓（這個(gè)電壓稱為觸發(fā)電壓），這樣才能使晶閘管導(dǎo)通，一旦晶閘管導(dǎo)通，控制極就失去控制作用。3．主要參數(shù)

①額定通態(tài)平均電流IF。指晶閘管允許通過的工頻正弦半波電流的平均值。②通態(tài)平均管壓降UF。指晶閘管正向?qū)顟B(tài)下陽極和陰極兩端的平均電壓降，一般為0.6～1.2V。③維持電流IH。維持晶閘管導(dǎo)通狀態(tài)所需的最小陽極電流。④最小觸發(fā)電壓UG。指晶閘管正向偏置情況下，為使其導(dǎo)通而要求控制極所加的最小觸發(fā)電壓，一般為1～5V。1.4.2雙向晶閘管

1．結(jié)構(gòu)

雙向晶閘管是一種新型的半導(dǎo)體三端器件，它具有相當(dāng)于兩個(gè)單向晶閘管反向并聯(lián)工作的作用。

圖1.32所示為雙向晶閘管的實(shí)物圖和圖形符號。

符號中的T1、T2稱為兩個(gè)主電極，無所謂陽極和陰極之分，G仍為控制極。（a）實(shí)物圖

（b）圖形符號

圖1.32雙向晶閘管的外形和符號2．導(dǎo)電特性

雙向晶閘管具有比較對稱的正、反向伏安特性。若控制極加正極性觸發(fā)信號，雙向晶閘管導(dǎo)通，電流方向是從T2流向T1；若控制極加負(fù)極性觸發(fā)信號，雙向晶閘管導(dǎo)通，電流方向是從T1流向T2。

由此可見，雙向晶閘管只用一個(gè)控制極，就可以控制它的正向?qū)ê头聪驅(qū)?。歸納

雙向晶閘管不管它的控制極電壓極性如何，它都可能被觸發(fā)導(dǎo)通。1.5技能訓(xùn)練1.5.1常用電子儀器儀表的使用學(xué)習(xí)目標(biāo)認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)室中常用的電子儀器，理解其功能、面板標(biāo)識(shí)、換擋開關(guān)與顯示。學(xué)會(huì)萬用表的使用方法，會(huì)用萬用表測量直流電流、直流電壓、電阻等參數(shù)。學(xué)會(huì)示波器的使用方法，會(huì)用示波器觀察波形、測量參數(shù)。學(xué)會(huì)信號發(fā)生器的使用方法，會(huì)用信號發(fā)生器為實(shí)驗(yàn)電路提供輸入信號。做簡單的測量練習(xí)，了解儀器的操作要領(lǐng)與注意事項(xiàng)。情景模擬

日常生活中常用的家用電器，如彩色電視機(jī)、電飯煲、收音機(jī)等在使用過程中出現(xiàn)故障時(shí)，需要使用相應(yīng)的儀器儀表進(jìn)行檢測維修，如圖1.33所示。

檢測維修家用電器要用到最基本的儀器儀表—萬用表、示波器、信號發(fā)生器，這些儀器儀表如何使用，將是本小節(jié)要解決的問題。圖1.33小電器檢修示意圖基礎(chǔ)知識(shí)1．實(shí)驗(yàn)箱的使用

下面以ELB型電子實(shí)驗(yàn)箱為例，介紹它的使用方法。

實(shí)驗(yàn)箱如圖1.34所示，其中圖（a）為實(shí)驗(yàn)箱外形，圖（b）為實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)。打開實(shí)驗(yàn)箱，其內(nèi)部有穩(wěn)壓電源、信號發(fā)生器及連接電路使用的面包接線板。（a）外形

（b）內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖1.34實(shí)驗(yàn)箱

實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)部左上方部分為信號發(fā)生器，調(diào)節(jié)其幅度旋鈕、頻率旋鈕，從紅、黑兩個(gè)插孔即可引出實(shí)驗(yàn)中需要的正弦波交流輸出信號。

實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)部左下方部分為直流穩(wěn)壓電源，從紅、黑兩個(gè)插孔即可引出實(shí)驗(yàn)中需要的+12V直流穩(wěn)壓電源。

實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)部右邊中部為連接電路使用的面包板。2．萬用表的使用

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字式萬用表得到了廣泛應(yīng)用。但是在許多電路及儀器的檢測中，還離不開指針式萬用表。特別是在實(shí)驗(yàn)中，仍要經(jīng)常使用指針式萬用表。下面以常用的MF—47型指針式萬用表為例，介紹其使用方法。MF—47型指針式萬用表實(shí)物圖如圖1.35所示。圖1.35指針式萬用表MF—47型指針式萬用表面板結(jié)構(gòu)有表盤、轉(zhuǎn)換開關(guān)、表頭指針、機(jī)械調(diào)零旋鈕、零歐姆調(diào)零旋鈕和表筆插孔。（1）調(diào)零。（2）直流電流的測量方法。①選量程。將轉(zhuǎn)換開關(guān)調(diào)至所需電流擋，如待測電流約為5mA以下，則可調(diào)至直流電流5mA擋。②連接法。將萬用表串聯(lián)于電路中，紅表筆接電流流入端，黑表筆接電流流出端，如圖1.36所示。圖1.36表串聯(lián)于電路中③讀數(shù)據(jù)。依據(jù)第2條刻度線中的第2組數(shù)據(jù)來讀取。因?yàn)榱砍剔D(zhuǎn)換開關(guān)選擇在5mA擋，意味著此時(shí)滿刻度為5mA，即以10當(dāng)1，以50當(dāng)5來讀數(shù)，讀取的每個(gè)數(shù)據(jù)除以10即可，如圖1.37所示，此時(shí)所測電流為1mA。圖1.37讀數(shù)（3）直流電壓的測量方法。①選量程。將轉(zhuǎn)換開關(guān)調(diào)至所需電壓擋，如待測電壓約為5V以下，則可調(diào)至直流電壓5V擋。②連接法。將表并聯(lián)于電路中，紅表筆接元件一端，黑表筆接元件的另一端，如圖1.38所示。圖1.38用萬用表測電壓③讀數(shù)據(jù)。依據(jù)第2條刻度線中的第3組數(shù)據(jù)來讀取。因?yàn)檫x擇10V擋，意味著此時(shí)滿刻度為10V，所以這種情況下可直接讀取。如圖1.39所示，此時(shí)所測電壓為3V。圖1.39讀數(shù)（4）歐姆擋的使用方法。①調(diào)零。將轉(zhuǎn)換開關(guān)調(diào)至所需電阻擋，將紅、黑表筆兩端短接，看指針是否指零歐姆處，若不是，應(yīng)調(diào)整零歐姆調(diào)零選鈕，使指針指在零歐姆處，如圖1.40所示。圖1.40調(diào)歐姆零3．示波器的使用

下面以日立V—212型雙蹤示波器為例，介紹示波器的使用方法。（1）示波器。示波器實(shí)物圖如圖1.42所示，其面板如圖1.43所示。圖1.42日立V—212型示波器實(shí)物圖1—電源指示燈2—電源開關(guān)3—聚焦調(diào)節(jié)旋鈕4—跟蹤控制5—輝度調(diào)節(jié)旋鈕6—標(biāo)準(zhǔn)方脈沖信號輸出7—地端

8—左通道輸入端插座9—右通道輸入端插座10—左通道Y軸放大器輸入耦合方式11—右通道Y軸放大器輸入耦合方式

12—左通道幅值刻度選擇旋鈕13—右通道幅度刻度選擇旋鈕14—左通道幅值擴(kuò)展5倍鍵15—右通道幅值擴(kuò)展5倍鍵

16—左通道坐標(biāo)上下位移調(diào)節(jié)旋鈕17—右通道坐標(biāo)上下位移調(diào)節(jié)旋鈕18—方式選擇開關(guān)19—觸發(fā)方式選擇開關(guān)

20，21—直流校準(zhǔn)控制22—掃描時(shí)間選擇旋鈕23—掃描微調(diào)控制24—坐標(biāo)水平位移調(diào)節(jié)鈕

25—觸發(fā)源選擇鈕26—內(nèi)部觸發(fā)選擇控制27—觸發(fā)電子同步控制鈕28—觸發(fā)電平控制旋鈕

圖1.43日立V—212型示波器面板（2）使用方法（以單蹤為例）。①打開電源開關(guān)。②分別調(diào)節(jié)16、24旋鈕，將基線調(diào)整在中心位置。③分別調(diào)節(jié)5輝度調(diào)節(jié)旋鈕、3聚焦調(diào)節(jié)旋鈕使基線清晰。④調(diào)節(jié)12左通道幅值刻度選擇旋鈕到0.5V/div擋，如圖1.44所示。圖1.44幅值旋鈕

⑤調(diào)節(jié)22掃描時(shí)間選擇旋鈕到0.5ms/div擋，如圖1.45所示。⑥將探頭接到8輸入端，另一端接到6校準(zhǔn)方波信號輸出端。完成此接線，調(diào)節(jié)28觸發(fā)電平控制旋鈕，此時(shí)應(yīng)出現(xiàn)示波器本身的校準(zhǔn)方波波形，如圖1.46所示，仔細(xì)觀察此波形。⑦測方波幅度。當(dāng)12旋鈕為1V時(shí)，可看到方波峰—峰值為1個(gè)格（豎直方向數(shù)），則方波峰—峰值UPP=1V，如圖1.47所示。

圖1.45掃描時(shí)間旋鈕圖1.46示波器校準(zhǔn)方波⑧測方波頻率。當(dāng)22旋鈕為0.5ms/div時(shí)，可以看到每個(gè)方波的周期占2個(gè)空格（水平方向數(shù)），則方波周期T=1ms，其頻率f=1kHz，如圖1.47所示。圖1.47讀數(shù)4．信號發(fā)生器的使用

下面以實(shí)驗(yàn)箱中的信號發(fā)生器為例，介紹它的使用方法。（