電子技術(shù)基礎(chǔ)項目化教程 第2版 課件全套 曹光躍 項目1-8 半導(dǎo)體器件的認(rèn)識- 時序邏輯電路的設(shè)計

《電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程簡介

《電子技術(shù)基礎(chǔ)》是電子信息類和機(jī)電自動化類專業(yè)入門性質(zhì)的重要技術(shù)基礎(chǔ)課程，也是一門實踐性很強(qiáng)的課程，通過本課程的學(xué)習(xí)使學(xué)生掌握電子技術(shù)方面的基本理論、基礎(chǔ)知識和基本技能，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，并為學(xué)習(xí)后續(xù)課程和今后在實際工作中應(yīng)用電子技術(shù)打好基礎(chǔ)。

本書采用項目導(dǎo)向，任務(wù)驅(qū)動的模式編寫，通過項目和任務(wù)，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力和團(tuán)隊協(xié)作精神，圍繞項目和任務(wù)將每個知識點滲透于教學(xué)中，增強(qiáng)課程內(nèi)容與職業(yè)崗位能力要求的相關(guān)性。本課程的基本內(nèi)容包括：

半導(dǎo)體器件的認(rèn)識、常用測量儀器儀表的使用、直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計、分立元件放大電路的設(shè)計、集成運算放大電路的應(yīng)用、邏輯代數(shù)與邏輯門電路、組合邏輯電路的設(shè)計和時序邏輯電路的設(shè)計等?！峨娮蛹夹g(shù)基礎(chǔ)》課程簡介

《電子技術(shù)基礎(chǔ)》是電子信息類和機(jī)電自動化類專業(yè)入門性質(zhì)的重要技術(shù)基礎(chǔ)課程，也是一門實踐性很強(qiáng)的課程，通過本課程的學(xué)習(xí)使學(xué)生掌握電子技術(shù)方面的基本理論、基礎(chǔ)知識和基本技能，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，并為學(xué)習(xí)后續(xù)課程和今后在實際工作中應(yīng)用電子技術(shù)打好基礎(chǔ)。

本書采用項目導(dǎo)向，任務(wù)驅(qū)動的模式編寫，通過項目和任務(wù)，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力和團(tuán)隊協(xié)作精神，圍繞項目和任務(wù)將每個知識點滲透于教學(xué)中，增強(qiáng)課程內(nèi)容與職業(yè)崗位能力要求的相關(guān)性。本課程的基本內(nèi)容包括：

半導(dǎo)體器件的認(rèn)識、常用測量儀器儀表的使用、直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計、分立元件放大電路的設(shè)計、集成運算放大電路的應(yīng)用、邏輯代數(shù)與邏輯門電路、組合邏輯電路的設(shè)計和時序邏輯電路的設(shè)計等。1.1項目分析1.項目內(nèi)容3.能力要求下頁總目錄2.知識點

用半導(dǎo)體制成的電子器件，統(tǒng)稱為半導(dǎo)體器件。半導(dǎo)體器件具有耗電少、壽命長、重量輕、體積小、工作可靠、價格低廉等優(yōu)點，因此在電子技術(shù)的各個領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。1.項目內(nèi)容

本項目先討論了半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性和PN結(jié)的基本原理，然后討論了二極管、晶體管、場效應(yīng)晶體管和特殊用途的二極管等的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性曲線、主要參數(shù)及其應(yīng)用等。1.1項目分析下頁首頁上頁2.知識點

①半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電特性和PN結(jié)的基本原理；

②二極管結(jié)構(gòu)、伏安特性、主要參數(shù)及相關(guān)應(yīng)用；

③晶體管的結(jié)構(gòu)、伏安特性、電流分配原理、工作狀態(tài)和條件；

④特殊二極管的應(yīng)用。3.能力要求

①會識別二極管、能測繪其伏安特性；

②會識別晶體管、能分析其電流分配情況；

③能測繪晶體管的輸入、輸出特性曲線；

④能熟練應(yīng)用二極管、特殊二極管和場效應(yīng)晶體管。下頁上頁首頁1.2相關(guān)知識1.2.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識1.2.2二極管1.2.3晶體管總目錄下頁1.2相關(guān)知識1.2.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識總目錄下頁

自然界中根據(jù)導(dǎo)電能力分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。常用的導(dǎo)體一般為銀、銅、鋁等物體；絕緣體為橡膠、塑料、膠木等；導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體。自然界中屬于半導(dǎo)體的物質(zhì)很多，用來制造半導(dǎo)體器件的材料主要是硅（Si）、鍺(Ge)和砷化鎵(GaAs)等，硅用得最廣泛。其次是鍺。

將上述的半導(dǎo)體材料進(jìn)行特殊加工，使其成為性能可控，即可用來制造構(gòu)成電子電路的基本元件—半導(dǎo)體器件。1.2.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識下頁上頁首頁

半導(dǎo)體除了在導(dǎo)電能力方面不同于導(dǎo)體和絕緣體外，它還具有以下一些其他特點：當(dāng)半導(dǎo)體受光照射或熱刺激時，其導(dǎo)電能力將發(fā)生顯著改變；摻雜性，即在純凈半導(dǎo)體中摻入微量雜質(zhì)，其導(dǎo)電能力也

會顯著增加。

利用半導(dǎo)體的這些特性可制成二極管、晶體管、場效應(yīng)管；還可制成各種不同性能、不同用途的半導(dǎo)體器件，例如光電二極管、光電晶體管、光敏電阻和熱敏電阻等。1.半導(dǎo)體的特性下頁上頁首頁

（1）本征半導(dǎo)體

純凈的、結(jié)構(gòu)完整具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。1）本征半

導(dǎo)體的原子結(jié)構(gòu)和單晶體結(jié)構(gòu)

常用的半導(dǎo)體材料硅和鍺都是四價元素，其原子最外層軌道上有四個電子（稱為價電子）。為便于討論，采用圖1-1所示的簡化原子結(jié)構(gòu)模型。在單晶體結(jié)構(gòu)中，相鄰兩個原子的一對最外層電子成為共有電子，它們不僅受到自身原子核的作用，同時還受到相鄰原子核的吸引。2.本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體下頁上頁首頁

于是，兩個相鄰的原子共有一對價電子，組成共價鍵結(jié)構(gòu)。故在晶體中，每個原子都和周圍的４個原子用共價鍵的形式互相緊密地聯(lián)系起來，如圖1-2所示。下頁上頁首頁圖1-1硅和鍺簡化原子模型圖1-2

本征半導(dǎo)體共價鍵

晶體結(jié)構(gòu)示意圖2）本征激發(fā)和兩種載流子（自由電子和空穴）

在絕對零度下，本征半導(dǎo)體中沒有可以自由移動的電荷（載流子），因此不導(dǎo)電，但在一定的溫度和光照下，少數(shù)價電子由于獲得了足夠的能量擺脫共價鍵的束縛而成為自由電子，這種現(xiàn)象叫本征激發(fā)。價電子擺脫共價鍵的束縛而成為自由電子后，在原來共價鍵中必留有一個空位，稱為空穴。原子失去價電子后帶正電，可等效地看成是因為有了帶正電的空穴。在本征半導(dǎo)體中自由電子和空穴總是成對出現(xiàn)，數(shù)目相同，如圖1-3所示。下頁上頁首頁空穴很容易吸引鄰近共價鍵中的價電子去而被添補(bǔ)，從而使空位發(fā)生移動，這種價電子添補(bǔ)空位的運動可以看成是空穴在運動，稱為空穴運動。其運動方向與電子的運動方向相反。下頁上頁首頁圖1-3

本征半導(dǎo)體中的

自由電子和空穴

自由電子和空穴在運動中相遇時會重新結(jié)合而成對消失，這種現(xiàn)象叫復(fù)合。溫度一定時，自由電子和空穴的產(chǎn)生與復(fù)合達(dá)到動態(tài)平衡自由電子和空穴的濃度一定。

本征半導(dǎo)體中的帶負(fù)電的自由電子又叫電子載流子，帶正電的空穴又叫空穴載流子，因此半導(dǎo)體中有自由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電，分別形成電子電流和空穴電流，這一點與金屬導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理不同。在常溫下，本征半導(dǎo)體中的載流子濃度很低，溫度的升高，載流子濃度基本上按指數(shù)規(guī)律增加，因此，半導(dǎo)體中載流子的濃度對溫度十分敏感。下頁上頁首頁

（2）雜質(zhì)半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入微量雜質(zhì)元素，可顯著提高半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力，摻雜后的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。根據(jù)摻入雜質(zhì)的不同，可形成兩種不同的雜質(zhì)半導(dǎo)體，即N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。下頁上頁首頁1）N型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中，摻入微量五價元素，如磷、銻、砷等，則原來晶體中的某些硅(鍺)原子被雜質(zhì)原子代替。由于雜質(zhì)原子的最外層有五個價電子，因此它與周圍四個硅(鍺)原子組成共價鍵時，還多余一個價電子。下頁上頁首頁這個多余的價電子受雜質(zhì)原子束縛力較弱，很容易成為自由電子，并留下帶正電的雜質(zhì)離子，稱為施主離子，半導(dǎo)體仍然是電中性，如圖1-4（a）所示。

摻入多少個雜質(zhì)原子就能產(chǎn)生多少個自由電子，因此自由電子的濃度大大增加，這時由本征激發(fā)產(chǎn)生的空穴被復(fù)合的機(jī)會增多，使空穴的濃度反而減少，顯然，這種雜質(zhì)半導(dǎo)體中電子濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空穴的濃度，主要靠電子導(dǎo)電，所以稱為電子型半導(dǎo)體，又叫Ｎ型半導(dǎo)體。Ｎ型半導(dǎo)體中，將自由電子稱為多數(shù)載流子（簡稱多子）；空穴稱為少數(shù)載流子（簡稱少子）。下頁上頁首頁2）P型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中，摻入微量三價元素，如硼、鎵、銦等，則原來晶體中的某些硅(鍺)原子被雜質(zhì)原子代替。由于雜質(zhì)原子的最外層只有三個價電子，因此它與周圍四個硅(鍺)原子組成共價鍵時因缺少一個價電子而產(chǎn)生一個空位，室溫下這個空位極容易被鄰近共價鍵中的價電子所填補(bǔ)，使雜質(zhì)原子變成負(fù)離子，稱為受主離子，如圖1-4（b）所示。

這種摻雜使空穴的濃度大大增加，這是以空穴導(dǎo)電為主的半導(dǎo)體，所以稱為空穴型半導(dǎo)體，又叫P型半導(dǎo)體，其中空穴為多子，自由電子為少子。下頁上頁首頁

雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能主要取決于多子濃度，多子濃度主要取決于摻雜濃度，其值較大并且穩(wěn)定，因此導(dǎo)電性能得到顯著改善。少子濃度主要與本怔激發(fā)有關(guān)，因此對溫度敏感，其大小隨溫度的升高而增大。3.PN結(jié)

（1）PN結(jié)的形成

在同一塊半導(dǎo)體基片的兩邊分別做成P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體。由于P型半導(dǎo)體中空穴的濃度大、自由電子的濃度小，N型半導(dǎo)體中自由電子的濃度大、空穴的濃度小，即在交界面兩側(cè)的兩種載流子濃度有很大的差異，因此會產(chǎn)生載流子從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)的運動，這種運動稱為擴(kuò)散，如圖1-5（a）所示。P區(qū)中的多子空穴擴(kuò)散到N區(qū)，與N區(qū)中的自由電子復(fù)合而消失；N區(qū)中的多子電子向P區(qū)擴(kuò)散并與P中的空穴復(fù)合而消失。結(jié)果使交界面附近載流子濃度驟減，形成了由不能移動的雜質(zhì)離子構(gòu)成的空間電荷區(qū)，同時建立了內(nèi)建電場（簡稱內(nèi)電場），內(nèi)電場方向由N區(qū)指向P區(qū)，如圖1-5（b）所示。下頁上頁首頁

內(nèi)電場將產(chǎn)生兩個作用：一方面阻礙多子的擴(kuò)散，另一方面促使兩個區(qū)靠近交界面處的少子越過空間電荷區(qū)，進(jìn)入對方，少子在內(nèi)電場作用下有規(guī)則的運動稱為漂移運動。起始時內(nèi)電場較小，擴(kuò)散運動較強(qiáng)，漂移運動較弱，隨著擴(kuò)散的進(jìn)行，空間電荷區(qū)增寬，內(nèi)電場增大，擴(kuò)散運動逐漸困難，漂移運動逐漸加強(qiáng)。外部條件一定時，擴(kuò)散運動和漂移運動最終達(dá)到動態(tài)平衡，即擴(kuò)散過去多少載流子必然漂移過來同樣多的同類載流子，因此擴(kuò)散電流等于漂移電流，這時空間電荷區(qū)的寬度一定，內(nèi)電場一定，形成了所謂的PN結(jié)。下頁上頁首頁

由于空間電荷區(qū)中載流子極少，都被消耗殆盡，所以空間電荷區(qū)又稱為耗盡區(qū)。另外，從PN結(jié)內(nèi)電場阻止多子繼續(xù)擴(kuò)散這個角度來說，空間電荷區(qū)也可稱為阻擋層或勢壘區(qū)。下頁上頁首頁

（2）PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

如果在PN兩端加上不同極性的電壓，PN結(jié)會呈現(xiàn)出不同的導(dǎo)電性能。。下頁上頁首頁1）PN結(jié)外加正向電壓PN結(jié)P區(qū)接電位高端、N區(qū)接電位低端，則稱PN結(jié)外接正向電壓或PN結(jié)正向偏置，簡稱正偏；如圖1-6（a）所示。PN結(jié)正偏時，外電場使PN結(jié)變窄，這時內(nèi)電場減弱，擴(kuò)散運動將大于漂移運動，從而形成較大的擴(kuò)散電流，擴(kuò)散電流通過回路形成正向電流。這時PN所處的狀態(tài)稱為正向?qū)ǎê喎Q導(dǎo)通）。PN正向?qū)〞r，通過PN的電流（正向電流）大，而PN呈現(xiàn)的電阻（正向電阻）小。為了限制正向電流值，通常在回路中串接限流電阻R。下頁上頁首頁2）PN結(jié)外加反向電壓PN結(jié)P區(qū)接電位低端、N區(qū)接電位高端，則稱PN結(jié)外接反向電壓或PN結(jié)反向偏置，簡稱反偏，如圖1-5（b）所示。下頁上頁首頁PN結(jié)反偏時，外電場使空間電荷區(qū)變寬。因此，內(nèi)電場增強(qiáng)，多子的擴(kuò)散運動受阻，而少子的漂移運動加強(qiáng)，這時通過PN結(jié)的電流（稱為反向電流）由少子的漂移電流決定。由于少子濃度很低，所以反向電流很小，一般為微安級，相對于正向電流可以忽略不計。此時，PN結(jié)呈現(xiàn)很大的電阻，稱為截止。反向電流幾乎不隨外加電壓而變化，故又稱為反向飽和電流。因為溫度愈高，少數(shù)載流子的數(shù)目愈多，所以溫度對反向電流的影響較大。下頁上頁首頁

綜上所述，PN結(jié)正偏時導(dǎo)通，呈現(xiàn)很小的電阻，形成較大的正向電流；反偏時截止，呈現(xiàn)很大的電阻，反向電流近似為零。因此，PN結(jié)具有單向?qū)щ娞匦浴Ｏ马撋享撌醉?.2相關(guān)知識1.2.2二極管總目錄下頁

在PN結(jié)的兩端各引出一根電極引線，然后用外殼封裝起來就構(gòu)成了半導(dǎo)體二極管，由P區(qū)引出的電極稱為正極(或陽極)，由N區(qū)引出的電極稱為負(fù)極（或陰極），其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-7(a)所示，電路符號如圖1—7(b)所示，電路符號中的箭頭方向表示正向電流的方向。1.2.2二極管下頁上頁首頁圖1-7二極管的結(jié)構(gòu)和符號1．二極管的結(jié)構(gòu)與符號

按PN結(jié)面積的大小，半導(dǎo)體二極管可分為點接觸型和面接觸型兩大類。點接觸型二極管的PN結(jié)面積很小，結(jié)電容小，不允許通過較大的電流，不能承受較高的反向電壓，但其高頻性能好，適用于作高頻檢波、小功率電路和脈沖電路的開關(guān)元件等。

面接觸型二極管的PN結(jié)面積大，結(jié)電容大，可以通過較大的電流，能承受較高的反向電壓，適用于低頻電路，主要用于整流電路。

按照用途的不同，二極管分為整流、檢波、開關(guān)、穩(wěn)壓、發(fā)光、快恢復(fù)和變?nèi)荻O管等。常的二極管有金屬、塑料和玻璃三種封裝形式，其外形各異。下頁上頁首頁

二極管由一個PN結(jié)構(gòu)成，因此，它的特性就是PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦?。常利用伏安特性曲線來形象地描述二極管的單向?qū)щ娦浴６O管的伏安特性，就是指二極管兩端的電壓U和流過二極管的電流I之間

的關(guān)系。若以二極管兩端的電壓U為橫坐標(biāo)，流過二極管的電流I為縱坐標(biāo)，用作圖法把電壓、電流的對應(yīng)點用平滑曲線連接起來，就得到了二極管的伏安特性曲線，如圖1-9所示（圖中實線為硅二極管的伏安特性曲線，虛線為鍺二極管的伏安特性曲線），下面就二極管的伏安特性曲線進(jìn)行說明。2．二極管的伏安特性下頁上頁首頁

（1）正向特性

二極管兩端加正向電壓時，電流和電壓的關(guān)系稱為二極管的正向特性。下頁上頁首頁

當(dāng)正向電壓比較小時（0＜U＜Uth），外電場不足以克服PN結(jié)的內(nèi)電場對多子擴(kuò)散運動造成的阻力，正向電流極小，二極管呈現(xiàn)為一個大電阻，此區(qū)域稱為死區(qū)，電壓Uth稱為死區(qū)電壓（又稱門檻電壓）。

在室溫下硅管Uth≈0.5V，鍺管Uth≈0.1V，如圖1-9中OA（或OA/）段所示。圖1-9二極管的伏安特性曲線

當(dāng)外加正向電壓大于Uth時，PN結(jié)的內(nèi)電場大為削弱，二極管的電流隨外加電壓增加而顯著增大，電流與外加電壓呈指數(shù)關(guān)系，二極管呈現(xiàn)很小的電阻而處于導(dǎo)通狀態(tài)，硅二極管的正向?qū)▔航导s為0.7V，鍺二極管的正向?qū)▔航导s為0.3V，如圖1-9中AB（或AB/段）所示。

二極管正向?qū)〞r，要特別注意它的正向電流不能超過最大值，防止PN結(jié)被燒。下頁上頁首頁

（2）反向特性

二極管兩端加上反向電壓時，電流和電壓的關(guān)系稱為二極管的反向特性，由圖1-9中OC（或OC’段）所示，二極管的反向電流很小，且與反向電壓無關(guān)，因此，稱此電流值為二極管的反向飽和電流，這時二極管呈現(xiàn)很大的電阻而處于截止?fàn)顟B(tài)，一般硅二極管的反向飽和電流比鍺二極管小很多，在室溫下，小功率硅管的反向飽和電流小于0.1微安，鍺管為幾十微安。下頁上頁首頁

（3）反向擊穿特性

當(dāng)加在二極管兩端的反向電壓增大到UBR時，二極管內(nèi)PN結(jié)被擊穿，二極管的反向電流將隨反向電壓的增加而急劇增大，如圖1-9中CD（或CD/）段所示，稱此現(xiàn)象為反向擊穿，UBR為反向擊穿電壓。反向擊穿后，只要反向電流和反向電壓的乘積不超過PN結(jié)容許的耗散功率，二極管一般不會損壞。若反向電壓下降到擊穿電壓以下后，其性能可恢復(fù)到原有情況，即這種擊穿是可逆的，稱為電擊穿；若反向擊穿電流過高，則會導(dǎo)致PN結(jié)結(jié)溫過高而燒壞，這種擊穿是不可逆的，稱為熱擊穿。下頁上頁首頁

（4）溫度對特性的影響

溫度對二極管的特性有顯著的影響，如圖1-10所示。當(dāng)溫度升高時，正向特性曲線向左移，反向特性曲線向下移。變化規(guī)律是：在室溫附近，溫度每升高1℃，正向壓降約減小2~2.2mV，溫度每升高

10℃,反向電流約增大一倍。若溫度過高，可能導(dǎo)致PN結(jié)消失。一般規(guī)定硅管所允許的最高結(jié)溫為50－200℃，鍺管為75－150℃。下頁上頁首頁圖1-10溫度對二極管伏

安特性的影響

實用中一般通過查器件手冊，依據(jù)參數(shù)來合理使用二極管。二極管的主要參數(shù)有：

（1）最大整流電流IF

：指二極管長期連續(xù)工作時，允許通過的最大正向電流的平均值。使用時若超過此值，二極管會因過熱而燒壞。點接觸型二極管的IF

較小，面接觸型二極管的

IF較大。

（2）最高反向工作電壓

URM：指二極管正常工作時，允許施加在二極管兩端的最高反向電壓（峰值），通常手冊上給出的最高反向工作電壓URM為擊穿電壓UBR的一半。3．二極管的主要參數(shù)下頁上頁首頁

（3）反向飽和電流

IR

：指二極管未擊穿時的反向電流值。其值會隨溫度的升高而急劇增加，其值越小，二極管單向?qū)щ娦阅茉胶?。反向電流值會隨溫度的上升而顯著增加，在實際應(yīng)用中應(yīng)加以注意。（4）最高工作頻率

fM

：指保證二極管單向?qū)щ娮饔玫淖罡吖ぷ黝l率。當(dāng)工作頻率超過fM時，二極管的單向?qū)щ娦阅芫蜁儾?，甚至失去單向?qū)щ娞匦浴M的大小與PN結(jié)的結(jié)電容有關(guān)，點接觸型鍺管由于其PN結(jié)面積較小，故PN結(jié)電容很小，通常小于

，其最高工作頻率可達(dá)數(shù)百MHz，而面接觸型硅整流二極管，其最高工作頻率只有3KHz。下頁上頁首頁1.2相關(guān)知識1.2.3晶體管總目錄下頁

晶體管又稱為雙極型半導(dǎo)體晶體管，因由兩種載流子（空穴和自由電子）都參與導(dǎo)電而得名，用字母VT表示，它有兩大類型，即PNP型和NPN型。實際應(yīng)用時它的種類有很多，按半導(dǎo)體材料可分為：硅管和鍺管；按功率大小分為：大、中、小功率管；按工作頻率分為：高頻管和低頻管；按封裝形式分為：金屬封裝和塑料封裝等。1.2.3晶體管下頁上頁首頁

（1）晶體管的結(jié)構(gòu)與符號

晶體管是在一塊半導(dǎo)體上通過特定的工藝摻入不同雜質(zhì)的方法制成兩個背靠背的PN結(jié)，并引出三個電極構(gòu)成的，如圖1-11所示。1.晶體管的工作原理下頁上頁首頁圖1-11晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖、符號下頁上頁首頁晶體管常見實物

晶體管有三個區(qū)：發(fā)射區(qū)，基區(qū)，集電區(qū)。各區(qū)引出的電極依次是發(fā)射極E，基極B，集電極C。

發(fā)射區(qū)和基區(qū)形成的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)；

集電區(qū)和基區(qū)形成的PN結(jié)稱為集電結(jié)。下頁上頁首頁

（2）晶體管的電流放大作用

盡管晶體管從結(jié)構(gòu)上看相當(dāng)于兩個二極管背靠背的串連在一起的，但是把兩個二極管按上述關(guān)系簡單連接時，將會發(fā)現(xiàn)并沒有放大作用。晶體管之所以有放大作用是由它特殊的內(nèi)部特殊結(jié)構(gòu)和外部條件共同決定的。

晶體管內(nèi)部特殊結(jié)構(gòu)：

第一：基區(qū)很薄，通常只有1微米至幾十微米，而且摻雜濃度比較低。

第二：發(fā)射區(qū)是重?fù)诫s區(qū)，所以多數(shù)載流子的濃度很大。

第三：集電區(qū)的面積最大。下頁上頁首頁

應(yīng)滿足的外部條件：所加的直流電源必須保證發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。下頁上頁首頁1）電路

圖1-12中，VBB為基極電源電壓，用于提供發(fā)射結(jié)正偏電壓，使發(fā)射結(jié)處于正偏狀態(tài)，RB為限流電阻；VCC為集電極電源電壓，它通過RC、集電結(jié)、發(fā)射結(jié)形成回路。

圖1-12NPN晶體管中載流子的運動和各級電流

由于發(fā)射結(jié)獲正向偏置電壓，其壓降值很小（硅管約為0.7V），所以VCC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，使集電結(jié)處于反偏狀態(tài)。這樣，VBB使發(fā)射結(jié)處于正偏狀態(tài)，VCC使集電結(jié)處于反偏狀態(tài)，滿足了放大作用的外部條件。圖中發(fā)射極E是輸入回路和輸出回路的公共端，這種連接方式的電路稱為共發(fā)射極電路。下頁上頁首頁2）載流子的運動規(guī)律

電源VBB經(jīng)過電阻RB使發(fā)射結(jié)正偏，這樣發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子（自由電子）不斷越過發(fā)射結(jié)而進(jìn)入基區(qū)。電子進(jìn)入基區(qū)后，少數(shù)電子通過基極流出，形成基極電流，剩下大量的電子使基區(qū)靠近發(fā)射結(jié)的電子濃度很大，而靠近集電結(jié)的電子濃度很低，這樣在基區(qū)存在明顯的濃度差，在濃度差的作用下，促使電子流在基區(qū)中向集電結(jié)擴(kuò)散，由于集電結(jié)外加反向電壓，這個反向電壓產(chǎn)生的電場將阻止集電區(qū)的電子向基區(qū)擴(kuò)散，但能夠促使基區(qū)內(nèi)擴(kuò)散到集電結(jié)附近的電子將作漂移運動到達(dá)集電區(qū)，形成集電極電流。下頁上頁首頁3）晶體管的電流分配關(guān)系

綜合載流子的運動規(guī)律，晶體管內(nèi)的電流分配如圖1-13所示，圖中箭頭方向表示電流方向。下頁上頁首頁電流關(guān)系如下：從而可推出：

IE＝IC+IB各級電流滿足下列分配關(guān)系：NPN晶體管中載流子的運動和各級電流

由上述電流分配關(guān)系可知，在共發(fā)射極電路中，集電極電流IC正比于基極電流IB。如果能控制IB就能控制IC，而與集電極外部電路無關(guān)，所以晶體管是一個電流控制器件。以上分析的是NPN型晶體管的電流放大原理，對于PNP型晶體管，其工作原理相同，只是晶體管各級電壓極性相反，發(fā)射區(qū)發(fā)射的載流子是空穴而不是電子。下頁上頁首頁

晶體管有三個電極，而在連成電路時，必須有兩個電極接輸入回路，兩個電極接輸出回路，這樣必然就有一個公共端公用，根據(jù)公共端的不同，可以有三種基本連接方式。2.晶體管的三種連接方式下頁上頁首頁圖1-14晶體管的三種基本連接方式

晶體管的特性曲線全面反映了晶體管各級電壓與電流之間的關(guān)系，是分析晶體管各種電路的重要依據(jù)。3.晶體管的特性曲線下頁上頁首頁

晶體管各電極電壓與電流之間的關(guān)系可用伏安特性曲線來表示，特性曲線可用晶體管特性圖示儀測得，下面對共發(fā)射極電路的特性曲線進(jìn)行討論，如圖1-15（a）。共發(fā)射極電路

（1）輸入特性曲線

如圖1-15（a），由輸入回路寫出晶體管輸入特性的函數(shù)式：下頁上頁首頁NPN型硅晶體管的輸入特性曲線如圖1-15（b）所示，由圖可見曲線形狀與二極管的正向伏安特性相類似。

由圖可見，只有大于0.5V（稱為死區(qū)電壓）后，iB才隨uBE的增大迅速增大，正常工作時管壓降uBE約為0.6V~0.8V，通常取0.7V，稱之為導(dǎo)通電壓UBE(on)。對鍺管，死區(qū)電壓約為0.1V，正常工作時管壓降約為0.2V~0.3V。輸入特性曲線

（2）輸出特性曲線

如圖1-15（a）所示的輸出回路可寫出晶體管輸出特性的函數(shù)式：下頁上頁首頁

由圖1-15（c）可見，根據(jù)晶體管的工作狀態(tài)可將輸出特性分為放大區(qū)，截止區(qū)，飽和區(qū)。輸出特性曲線1）放大區(qū)

在iB＝0的特性曲線上方，各條輸出特性曲線近似平行于橫軸的曲線簇部分。不同iB的特性曲線的形狀基本上是相同的，而且uCE＞1V后，特性曲線幾乎與橫軸平行，iB等量增加時，曲線等間隔地平行上移。即iB＝常數(shù)的情況下，晶體管uCE增大時，幾乎不變，即具有恒流特性。在放大區(qū)，iC的變化隨iB變化。即

。所以把這一區(qū)域稱為放大區(qū)。此時發(fā)射結(jié)處于正向偏置且uBE>0.5v，集電結(jié)處于反向偏置且uCE≥1V。下頁上頁首頁2）截止區(qū)

在iB＝0曲線以下的區(qū)域稱為截止區(qū)，這時iC=0。集電極到發(fā)射極只有微小的電流，稱其為穿透電流。晶體管集電極與發(fā)射極之間近似開路，類似開關(guān)斷開狀態(tài)，無放大作用，呈高阻狀態(tài)。此時uBE低于死區(qū)電壓，晶體管截止，發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都處于反向偏置。下頁上頁首頁3）飽和區(qū)uCE比較小，且小于uBE時，uCB＝uCE--uBE<0，iC隨uCE的增大迅速上升而與iB不成比例，即不具有放大作用，這一區(qū)域稱為飽和區(qū)。在飽和區(qū)晶體管的發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都處于正向偏置，晶體管C、E之間的壓降很小。把晶體管工作在飽和區(qū)時C、E之間的壓降稱為飽和壓降，記作UCE(sat)。此時晶體管集電極與發(fā)射極之間近似短路，類似開關(guān)接通狀態(tài)。常把uCE=uBE定為放大狀態(tài)與飽和狀態(tài)的分界點，在這曲線上，晶體管既在放大區(qū)又在飽和區(qū)，叫做臨界飽和狀態(tài)。下頁上頁首頁

綜上所述，晶體管工作在放大區(qū)，具有電流放大作用，常用于構(gòu)成各種放大電路；晶體管工作在截止區(qū)和飽和區(qū)，相當(dāng)于開關(guān)的斷開與接通，常用于開關(guān)控制與數(shù)字電路。

工作在不同的區(qū)域各電極之間的電位關(guān)系不同。以NPN型晶體管為例，工作于放大區(qū)時VC>VB>VE，工作于截止區(qū)VC>VE>VB，工作于飽和區(qū)時VB>VC>VE。對于PNP晶體管來說，它工作在各區(qū)時各極的電位關(guān)系與NPN管各極電位關(guān)系正好相反。下頁上頁首頁

（3）溫度對特性曲線的影響

溫度對晶體管特性影響較大，輸入、輸出特性曲線簇都隨溫度的變化而變化。溫度升高，輸入特性曲線向左移，即溫度每升高1

C，晶體管的導(dǎo)通電壓約減少(2

2.5)mV，如圖1-16(a)所示。溫度每升高10

C，iCBO約增大1倍，因此溫度升高，輸出特性曲線向上移。如圖1-16(b)所示。下頁上頁首頁

圖1-16溫度對晶體管特性曲線的影響

在實際應(yīng)用晶體管時，必須合理選擇晶體管，這就必須根據(jù)晶體管的參數(shù)來選取合適的晶體管。掌握晶體管的參數(shù)有助于合理選取并安全使用晶體管。其主要參數(shù)有：電流放大系數(shù)、極間反向電流以及極限參數(shù)等。4.晶體管的主要參數(shù)下頁上頁首頁

（1）電流放大系數(shù)

電流放大系數(shù)的大小反映了晶體管放大能力的強(qiáng)弱。1）共發(fā)射極電流放大系數(shù)

晶體管電流放大系可分為直流電流放大系數(shù)和交流電流放大系數(shù)兩種。

①直流電流放大系數(shù)，常用

表示，定義為晶體管的集電極電流IC與基極電流IB之比，即

。

②交流電流放大系數(shù)，常用β表示，定義為集電極電流的變化量

與基極電流的變化量

之比，即

。有時

用hfe表示。下頁上頁首頁

顯然，

和

的定義是不同的，

反映的是集電極的直流電流與基極的直流電流之比，而

是集電極的交流電流與基極的交流電流之比，但在實際應(yīng)用中，當(dāng)工作電流不十分大的情況下，

與

值幾乎相等，故在應(yīng)用中不再區(qū)分，均用

表示。下頁上頁首頁2）共基極電流放大系數(shù)

①直流電流放大系數(shù)，常用

表示，定義為晶體管的集電極電流IC與發(fā)射極電流IE之比，即

。

②交流電流放大系數(shù)，常用

表示，定義為晶體管的集電極電流的變化量

與發(fā)射極電流的變化量

之比，即

。

一般情況下

，且為常數(shù)，故可混用，其值小于1而接近1，一般在0.98以上，即共基接法時，晶體管無電流放大能力。根據(jù)以上關(guān)系可以得到

和

的關(guān)系為：

下頁上頁首頁

（2）極間反向飽和電流

極間反向飽和電流同電流放大系數(shù)一樣，都是表征晶體管優(yōu)劣的主要指標(biāo)。常用的極間反向飽和電流有ICBO和ICEO。ICBO為發(fā)射極開路時集電極和基極之間的反向飽和電流。室溫下，小功率硅管的ICBO小于1，鍺管約為幾微安到幾十微安。

ICEO為基極開路時，集電極直通到發(fā)射極的電流，由于它是從集電區(qū)通過基區(qū)流向發(fā)射區(qū)的電流，所以又叫穿透電流。

由前面討論可知：

無論ICBO還是ICEO，受溫度的影響都很大。下頁上頁首頁

（3）極限參數(shù)

極限參數(shù)是指晶體管正常工作時不得超過的最大值，以此保證晶體管的正常工作，使用晶體管時，若超過這些極限值，將會使管子性能變差，甚至損壞。1）集電極最大允許電流ICM

當(dāng)集電極電流太大時

值明顯降低。

下降到正常值的2/3時所對應(yīng)的的值。使用中若iC>ICM，晶體管不一定會損壞，但

值明顯下降。2）集電極最大允許功率損耗PCM

晶體管工作時uCE的大部分降在集電結(jié)上，因此，集電結(jié)功率損耗（簡稱功耗）PC=uCEiC，近似為集電結(jié)功耗，它將使集電結(jié)溫度升高而使晶體管發(fā)熱。PCM就是由允許的最高集電結(jié)決定的最大集電極功耗，工作時PC必須小于PCM。下頁上頁首頁3）反向擊穿電壓U(BR)CEO

基極開路時集電極、發(fā)射極之間最大反向允許電壓為反向擊穿電壓U(BR)CEO，當(dāng)UCE>U(BR)CEO時，晶體管的IC、IE劇增，使晶體管擊穿。下頁上頁首頁

根據(jù)三個極限參數(shù)ICM、PCM、U(BR)CEO可以確定晶體管的安全工作區(qū)。如圖1-17所示，晶體管工作時必須保證工作在安全工作區(qū)內(nèi)，并留有一定的余量。圖1-17晶體管的安全工作區(qū)1.3項目實施1.3.1任務(wù)一二極管伏安特性測試下頁總目錄1.3.2任務(wù)二晶體管伏安特性測試1.3項目實施1.3.1任務(wù)一二極管伏安特性測試下頁總目錄1）了解二極管的特性及方法；2）掌握二極管伏安特性的測試方法；3）掌握用逐點法描繪二極管的伏安特性曲線；4）加深對二極管基本特性的理解。1.3.1任務(wù)一：二極管伏安特性測試下頁上頁首頁1．實驗?zāi)康?．實驗原理

二極管由一個PN結(jié)構(gòu)成，具有單向?qū)щ姷淖饔?。加正向電壓時，二極管導(dǎo)通，呈現(xiàn)很小的電阻，稱其為正向電阻，二極管截止時，呈現(xiàn)高阻，稱為反向電阻。

根據(jù)其原理，可以用萬用表的電阻檔測量出二極管的正、反向電阻，來判斷二極管的管腳極性。當(dāng)測出二極管的正向電阻時，萬用表的黑表筆接二極管的正極，紅表筆接二極管的負(fù)極。當(dāng)測出二極管的反向電阻時，萬用表的黑表筆接二極管的負(fù)極，那么紅表筆接其正極。下頁上頁首頁

二極管的質(zhì)量好壞的判斷，關(guān)鍵是看它有無單向?qū)щ娦浴Ｕ螂娮柙叫?，反向電阻越大的二極管，其質(zhì)量越好。如果一個二極管的正、反向電阻值相差不大，則必為劣質(zhì)管。如果正、反向電阻都是無窮大或是零，則二極管內(nèi)部已經(jīng)斷路或被擊穿短路。

二極管的伏安特性是指加在二極管兩端的電壓與流過二極管的電流之間的關(guān)系?？捎弥瘘c測試法測量二極管的伏安特性。

根據(jù)二極管的特性，常常將二極管用在整流、限幅、檢波等電路中。下頁上頁首頁3．實驗儀器設(shè)備1）直流穩(wěn)壓電源2）萬用表（500型）3）電流表10mA×1±100μA×14．實驗器材1）電阻1KΩ

2）電位器3）晶體二極管4007下頁上頁首頁5．實驗電路

下頁上頁首頁圖1－18二極管的正向特性測試圖

圖1－19二極管的反向特性測試圖6．實驗步驟及內(nèi)容

（1）用萬用表判斷二極管的管腳極性及其質(zhì)量的好壞1）將萬用表置于R×1K（R×100）檔，調(diào)零。2）取二極管，用萬用表測得其電阻，并記錄數(shù)據(jù)。3）二極管不動，調(diào)換萬用表的紅、黑表筆的位置，再測二極管的電阻，記下所測數(shù)值。4）根據(jù)測量的數(shù)據(jù)，判斷二極管的管腳的極性及其質(zhì)量好壞。下頁上頁首頁

（2）用逐點測試法測二極管的正向特性1）按圖1－18正確連接電路，其中二極管是硅管4007，電位器RP是1KΩ。電流表的量程是10mA。2）調(diào)節(jié)直流穩(wěn)壓電源，使其輸出為5V，加上電路。3）調(diào)節(jié)RP使二極管兩端的電壓UD（用萬用表監(jiān)測）按表1－1的數(shù)值變化，每調(diào)一個電壓，觀察電路中的電流表的變化，結(jié)果填入下表1－1中。下頁上頁首頁表1－1二極管的正向特性測試UD（V）00.10.20.30.40.50.60.650.7ID（mA）

（3）用逐點測試法測二極管的反向特性1)根據(jù)圖1－19正確接線，其中電流表是±100μA，注意二極管要按反接。2）調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源為20V，然后接入電路。3）調(diào)節(jié)RP按表1－2所給的電壓規(guī)律變化（用萬用表監(jiān)測，注意監(jiān)測位置），每調(diào)一個電壓，觀察微安表的讀數(shù)ID的變化。結(jié)果填入表1－2中。下頁上頁首頁表1－2二極管的反向特性測試UD（V）01246815ID（μA）

（4）伏安特性曲線

根據(jù)表1－1和1－2測得的結(jié)果，在同一坐標(biāo)系中畫出二極管的正反、向伏安特性曲線。7．注意事項

用萬用表監(jiān)測二極管兩端電壓時，圖1－1中可采用外接法也可采用內(nèi)接法測量，而圖1－2只能采用內(nèi)接法測量。下頁上頁首頁1.3項目實施下頁總目錄1.3.2任務(wù)二晶體管伏安特性測試1．實驗?zāi)康?）掌握晶體晶體管三個電極的判斷方法；2）了解晶體晶體管的伏安特性測試方法；3）掌握用逐點法描繪晶體晶體管的輸入特性和輸出特性曲線。1.3.2任務(wù)二：晶體管伏安特性測試下頁上頁首頁2．實驗原理

晶體管實質(zhì)上是兩個PN結(jié)。為了方便理解，可以將它近似地看成兩個反向串聯(lián)的二極管，由此可以用萬用表來判斷晶體管的極性和類型。下頁上頁首頁

（1）晶體管的基極與類型的判斷

晶體管的集電極與發(fā)射極之間為兩個反向串聯(lián)的PN結(jié)，因此，兩個電極之間的電阻很大。在晶體管的三個管腳中任取兩個電極，將萬用表置于R×1K（R×100）檔，測量它們之間的電阻，若很大，對調(diào)萬用表的紅、黑表筆后再測這兩個電極間的電阻，若仍很大，則剩下的那只管腳為基極；若兩次測得的電阻值一大一小，則基極一定是這兩只管腳中的一個。下頁上頁首頁

晶體管的基極找到以后，將萬用表的黑表筆搭接在基極上，紅表筆搭接在另一管腳上，若測得的電阻值較?。◣浊W以下，即為正向電阻），則該管為NPN型晶體管；若電阻值很大（幾百千歐以上，即為反向電阻），則該管為PNP型晶體管。下頁上頁首頁

（2）集電極的判別

對于NPN類型的管子，當(dāng)晶體管的基極測出來以后，在剩余的兩只管腳中任取一只，并假定它為集電極。在假定的集電極與基極之間聯(lián)接一只大電阻（100K左右，可以用手來代替）。萬用表置于R×1K檔，并將黑表筆接于假設(shè)的集電極上，紅表筆接在假設(shè)的發(fā)射極上，觀察此時萬用表的指針偏轉(zhuǎn)情況。再假設(shè)另一個腳為集電極，方法同上面，再觀察此時萬用表的指針偏轉(zhuǎn)情況。

兩次測得的電阻進(jìn)行比較可得：萬用表指針偏轉(zhuǎn)大的（即測得電阻小的）假設(shè)正確。下頁上頁首頁

（3）晶體管的伏安特性

晶體管的伏安特性有輸入特性和輸出特性。

輸入特性研究的是iB和uBE（uCE為常數(shù)時）之間的關(guān)系。

即：

輸出特性研究的是當(dāng)iB不變時，iC和uCE之間的關(guān)系。即：下頁上頁首頁3．實驗儀器設(shè)備1）直流穩(wěn)壓電源2）萬用表3）電流表10mA×1±100μA×14．實驗器材1）晶體管3DG62）電位器10KΩ×23）電阻100KΩ×11KΩ×1下頁上頁首頁5．實驗電路下頁上頁首頁圖1－20晶體管伏安特性測試電路6．實驗步驟及內(nèi)容

（1）用萬用表判斷晶體管的好壞和極性根據(jù)實驗原理來判斷晶體管的好壞和極性。

（2）晶體管的輸入特性的測試1）按圖1－20將各元件連接起來，其中晶體管為3DG6，兩個電位器為10KΩ，電流表分別為10mA和±100μA，注意位置不能接錯。2）調(diào)好直流穩(wěn)壓電源，加入電路中。3）調(diào)節(jié)RP1改變UBE按表1－3中的數(shù)值變化，調(diào)RP2使UCE=1V不變。觀察不同的UBE對應(yīng)的IB的大小，結(jié)果填入表中。下頁上頁首頁4）根據(jù)測量結(jié)果畫出晶體管的輸入特性曲線。下頁上頁首頁表1－3晶體管的輸入特性測試UBE（V）00.10.20.30.40.50.60.650.7IB（μA）

（3）晶體管的輸出特性測試1）在2的基礎(chǔ)上，電路不變，調(diào)節(jié)RP1使IB分別按表1－4所給的數(shù)值變化，然后再調(diào)節(jié)RP2改變UCE，測出對應(yīng)的IC，結(jié)果填入表1－4中。2）根據(jù)測量結(jié)果畫出晶體管的輸出特性曲線。下頁上頁首頁表1－4晶體管的輸出特性測試1.4拓展知識1.4.1二極管的應(yīng)用電路1.4.2特殊二極管1.4.3場效應(yīng)晶體管下頁總目錄1.4拓展知識1.4.1二極管的應(yīng)用電路下頁總目錄

普通二極管是電子電路中最常用的半導(dǎo)體器件之一，其應(yīng)用非常廣泛。利用二極管的單向?qū)щ娦约皩?dǎo)通時正向壓降很小等特點，可用來完成整流、檢波、鉗位、限幅、開關(guān)及電路元件保護(hù)等任務(wù)。1．整流電路

所謂整流，就是將交流電變成脈動直流電。利用二極管的單向?qū)щ娦钥山M成多種形式的整流電路，常用的二極管整流電路有單相半波整流電路和橋式整流電路等。這些內(nèi)容將在項目三中詳細(xì)介紹。

1.4.1二極管的應(yīng)用電路下頁上頁首頁2．箝位電路

箝位電路是指能把一個周期信號轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗虻模ㄖ挥姓蚧蛑挥胸?fù)向）或疊加在某一直流電平上，而不改變它的波形的電路。在箝位電路中，電容是不可缺少的元件。圖1-21（a）為一個實用的二極管正箝位電路，我們分析一下它的工作原理。設(shè)t=0時電容上的初始電壓為零，t=0+時，

，輸入信號經(jīng)二極管V向電容充電，充電時間常數(shù)極小，最終電容上的電壓大小為Um

。此過程中二極管導(dǎo)通

uo=0并且將一直保持到

t=t1。

下頁上頁首頁

當(dāng)ui突降-Um到

，二極管截止，如果電阻和電容再足夠大，電容通過R放電，由于R較大，放電速度較慢，

時間常數(shù)RC遠(yuǎn)大與輸入信號周期，則電容上的充電電壓一直保持

Um，于是輸出電壓為uo=ui-Um=-2Um

，并一直保持到

，其輸入輸出波形如圖1-21（b）所示。顯然，輸出信號總不會是正值，所以稱為正箝位電路。下頁上頁首頁3．限幅電路

當(dāng)輸入信號電壓在一定范圍內(nèi)變化時，輸出電壓隨輸入電壓相應(yīng)變化；而當(dāng)輸入電壓超出該范圍時，輸出電壓保持不變，這就是限幅電路。通常將輸出電壓

uo開始不變的電壓值稱為限幅電平，當(dāng)輸入電壓高于限幅電平時，輸出電壓保持不變的限幅稱為上限幅；當(dāng)輸入電壓低于限幅電平時，輸出電壓保持不變的限幅稱為下限幅。

下面以上限幅電路為例加以說明：

E=0V時,限幅電平為0V。

當(dāng)ui=0時,二極管導(dǎo)通,uo=0；ui<0時,二極管截止,Uo=ui。波形如圖1-23(a)所示。

如果0<E<Um,則限幅電平為+E。當(dāng)ui<E,二極管截止,Uo=ui；當(dāng)ui>E,VD導(dǎo)通,Uo=E

。波形如圖1-23(ｂ)所示。

如果-Um<E<0,則限幅電平為

E<0,波形圖如圖1-23(ｃ)所示。4．元件保護(hù)電路

在電子電路中常用二極管來保護(hù)其他元器件，如圖1-24所示為二極管來保護(hù)其他元器件免受過高電壓損害的電路。下頁上頁首頁1.4拓展知識1.4.2特殊二極管下頁總目錄

前面主要討論了普通二極管，另外還有一些特殊用途的二極管,如穩(wěn)壓二極管、發(fā)光二極管、光電二極管和變?nèi)荻O管等，現(xiàn)介紹如下。1．穩(wěn)壓二極管

穩(wěn)壓二極管又名齊納二極管，簡稱穩(wěn)壓管，是一種用特殊工藝制作的面接觸型硅二極管，這種二極管的雜質(zhì)濃度大，容易被反向擊穿，其反向擊穿時的電壓基本上不隨電流的變化而變化，從而達(dá)到穩(wěn)壓的目的。1.4.2特殊二極管下頁上頁首頁（1）穩(wěn)壓管的伏安特性和符號

圖1-25所示為穩(wěn)壓管的特性曲線和符號。其正向特性與普通二極管相似，不同的是反向擊穿電壓較低，且擊穿特性曲線很陡，其反向擊穿是可逆的，只要對反向電流加以限制，就不會發(fā)生“熱擊穿”，當(dāng)去掉反向電壓后，穩(wěn)壓管又恢復(fù)正常。下頁上頁首頁

穩(wěn)壓二極管在電路中起穩(wěn)壓作用時應(yīng)工作在反向擊穿區(qū)，反向電流在很大范圍內(nèi)變化時，擊穿電壓基本不變，因而具有穩(wěn)壓作用。

（2）穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)1）穩(wěn)定電壓

Uz:穩(wěn)定電壓是指當(dāng)流過規(guī)定電流時，穩(wěn)壓二極管兩端的反向電壓值，其值決定于穩(wěn)壓二極管的反向擊穿電壓。不同型號的穩(wěn)壓管其穩(wěn)定電壓值不同。同一型號的管子，由于制造工藝的分散性，各個管子的Uz值也有差別。例如穩(wěn)壓管2CW21A，其穩(wěn)壓范圍為4~5.5V之間，但對某一只穩(wěn)壓二極管而言，穩(wěn)定電壓Uz是確定的。下頁上頁首頁2）穩(wěn)定電流

IZ:穩(wěn)定電流是指穩(wěn)壓管工作在穩(wěn)壓狀態(tài)時，穩(wěn)壓管中的電流，當(dāng)工作電流低于IZ時，穩(wěn)壓效果變差，若低于最小穩(wěn)定電流

Imin，穩(wěn)壓管將失去穩(wěn)壓作用；當(dāng)大于最大穩(wěn)定電流

Imax，管子將因過流而損壞。一般情況是工作電流較大時，穩(wěn)壓性能較好。但電流要受穩(wěn)壓管功耗的限制。下頁上頁首頁3）最大耗散功率

PZM:它是指穩(wěn)壓管正常工作時，管子上允許的最大耗散功率。若使用中穩(wěn)壓管的功率損耗超過此值，管子會因過熱而損壞。穩(wěn)壓管的最大功率損耗和PN結(jié)的面積、散熱條件等有關(guān)。由耗散功率PZM和穩(wěn)定電壓UZ可以決定最大穩(wěn)定電流Imax。穩(wěn)壓管正常工作時，PN結(jié)的功率損耗為PZ=UZ

IZ

。

下頁上頁首頁4）電壓溫度系數(shù)

σ:σ指穩(wěn)壓管溫度變化1℃時，所引起的穩(wěn)定電壓變化的百分比。一般情況下，穩(wěn)定電壓大于7V的穩(wěn)壓管σ為正值，即當(dāng)溫度升高時，穩(wěn)定電壓值增大。而穩(wěn)定電壓小于4V的穩(wěn)壓管，σ為負(fù)值，即當(dāng)溫度升高時，穩(wěn)定電壓值減小。如2CW11，UZ=3.2~4.5V，σ=-(0.05%~0.03%)/℃

，

若σ=-0.05%/℃，則表明當(dāng)溫度升高1℃時，穩(wěn)定電壓減小0.05%。穩(wěn)定電壓在4~7V間的穩(wěn)壓管，其σ值較小，穩(wěn)定電壓值受溫度影響較小，性能比較穩(wěn)定。下頁上頁首頁5）動態(tài)電阻

rZ:rZ是穩(wěn)壓管工作在穩(wěn)壓區(qū)時，兩端電壓變化量與電流變化量之比，即

。rZ值越小，則穩(wěn)壓性能越好。同一穩(wěn)壓管一般工作電流越大時，rZ值越小。通常手冊上給出的

值是在規(guī)定的穩(wěn)定電流之下測得的。下頁上頁首頁

（3）使用穩(wěn)壓管應(yīng)注意的問題

①穩(wěn)壓管穩(wěn)壓時，一定要外加反向電壓，保證管子工作在反向擊穿區(qū)。當(dāng)外加的反向電壓值大于或等于UZ時，才能起到穩(wěn)壓作用；若外加的電壓值小于

UZ，穩(wěn)壓二極管相當(dāng)于普通的二極管使用。

②在穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路中，一定要配合限流電阻的使用，保證穩(wěn)壓管中流過的電流在規(guī)定的范圍之內(nèi)。下頁上頁首頁4.穩(wěn)壓管應(yīng)用電路

例題1 如圖1-26所示穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路，若限流電阻R＝1.6KΩ

，UZ＝12V，IZmax=18mA，通過穩(wěn)壓管V的電流IZ等于多少？限流電阻的值是否合適？

解：由圖可知,

因為

，

可知：限流電阻的值合適。下頁上頁首頁圖1-26 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路

例題2 穩(wěn)壓管限幅電路。如圖1-27（a）所示，輸入電壓ui為幅度為10V的正弦波，電路中使用兩個穩(wěn)壓管對接，已知

UZ1=6V，UZ2=3V，穩(wěn)壓二極管的正向?qū)▔航禐?.7V，試對應(yīng)輸入電壓ui

畫出輸出電壓uO的波形。

解：輸出電壓uO的波形如圖1-27(b)所示，

uO被限定在

－6.7~+3.7V之間。圖1-27 穩(wěn)壓二極管限幅電路2．發(fā)光二極管

發(fā)光二極管是一種光發(fā)射器件，英文縮寫是

LED。此類管子通常由鎵（Ga）、砷（As）、磷（P）等元素的化合物制成，管子正向?qū)?，?dāng)導(dǎo)通電流足夠大時，能把電能直接轉(zhuǎn)換為光能，發(fā)出光來。目前發(fā)光二極管的顏色有紅、黃、橙、綠、白和藍(lán)6種，所發(fā)光的顏色主要取決于制作管子的材料，例如用砷化鎵發(fā)出紅光，而用磷化鎵則發(fā)出綠光。其中白色發(fā)光二極管是新型產(chǎn)品，主要應(yīng)用在手機(jī)背光燈、液晶顯示器背光燈、照明等領(lǐng)域。下頁上頁首頁

發(fā)光二極管工作時導(dǎo)通電壓比普通二極管大，其工作電壓隨材料的不同而不同，一般為1.7~2.4V。普通綠、黃、紅、橙色發(fā)光二極管工作電壓約為2V；白色發(fā)光二極管的工作電壓通常高于2.4V；藍(lán)色發(fā)光二極管的工作電壓一般高于3.3V。發(fā)光二極管的工作電流一般在2~25mA的范圍。

發(fā)光二極管應(yīng)用非常廣泛，常用作各種電子設(shè)備如儀器儀表、計算機(jī)、電視機(jī)等的電源指示燈和信號指示等，還可以做成七段數(shù)碼顯示器等。下頁上頁首頁下頁上頁首頁圖1-28發(fā)光二極管的外形、符號和常見實物3．光電二極管

光電二極管又稱為光敏二極管，是一種光接受器件，其PN結(jié)工作在反偏狀態(tài)，它可以將光能轉(zhuǎn)換為電能，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。

圖1-29所示為光電二極管的基本電路符號。此類管子在管殼上有一個玻璃窗口，以便接受光照。當(dāng)窗口接受到光照時，形成反向電流

IRL，通過回路中的電阻RL就可得到電壓信號，從而實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。光電二極管受到的光照越強(qiáng)，反向電流也越大，它的反向電流與光照度成正比。下頁上頁首頁下頁上頁首頁圖1-29光電二極管的基本電路、符號和常見實物

光電二極管的應(yīng)用非常廣泛，可用于光測量、光電控制等，如遙控接受器、光纖通信、激光頭等都離不開光電二極管。大面積的光電二極管還可以作為能源器件，即光電池，這是一種極有發(fā)展前途的綠色能源。

光電二極管的檢測方法和普通二極管的一樣，通常正向電阻為幾千歐，反向電阻為無窮大。否則光電二極管質(zhì)量變差或損壞。當(dāng)受到光線照射時，反向電阻顯著變化,正向電阻不變。下頁上頁首頁4．變?nèi)荻O管

變?nèi)荻O管是利用PN結(jié)電容可變原理制成的半導(dǎo)體器件,它仍工作在反向偏置狀態(tài)，當(dāng)外加的反偏電壓變化時，其電容也量也隨著改變。它的壓控特性曲線和電路符號如圖1-30所示。變?nèi)荻O管可當(dāng)作可變電容使用，主要用于高頻技術(shù)中。下頁上頁首頁圖1-30變?nèi)荻O管的壓控特性曲線、符號和常見實物5．激光二極管

激光二極管是在發(fā)光二極管的PN結(jié)間安置一層具有光活性的半導(dǎo)體，構(gòu)成一個光諧振腔。工作時加正向電壓，可發(fā)射出激光。常見的激光二極管如圖1-31所示。

激光二極管的應(yīng)用非常廣泛，如在計算機(jī)的光盤驅(qū)動器、激光打印機(jī)中的打印頭、激光唱機(jī)、激光影碟機(jī)中都有激光二極管。下頁上頁首頁1.4拓展知識1.4.3場效應(yīng)晶體管下頁總目錄

場效應(yīng)晶體管又叫單極型半導(dǎo)體晶體管（簡稱FET），它具有輸入電阻高，另外還具有噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)、壽命長等優(yōu)點，因而得到廣泛應(yīng)用。

場效應(yīng)晶體管根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，分成兩類：金屬（Metal）—氧化物（Oxide）—半導(dǎo)體（Semiconductor）(簡稱MOSFET)和結(jié)型場效應(yīng)晶體管（簡稱JFET）。

場效應(yīng)晶體管根據(jù)制造工藝和材料的不同，又分為N溝道場效應(yīng)晶體管和P溝道場效應(yīng)晶體管。1.4.3場效應(yīng)晶體管下頁上頁首頁1.MOS場效應(yīng)晶體管MOS場效應(yīng)晶體管按工作方式，又分為增強(qiáng)型和耗盡型兩類。這里以N溝道增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)晶體管為例，討論MOS管的有關(guān)特性。下頁上頁首頁

（1）N溝道增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)晶體管1）結(jié)構(gòu)與符號N溝道增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)如圖1－32(a)所示，它的制造工藝是：以一塊摻雜濃度較低的P型硅片作為襯底，然后利用擴(kuò)散的方法在襯底的兩側(cè)形成摻雜濃度比較高的N+區(qū)，并用金屬鋁引出兩個電極，分別是源極（S）和漏極（D），然后在硅片表面覆蓋一層很薄的二氧化硅（SiO2）的絕緣層，然后在漏源之間的絕緣層表面再用金屬鋁引出一個電極作為柵極（G），另外從襯底引出襯底引線B。下頁上頁首頁

可見這種場效應(yīng)晶體管由金屬、氧化物和半導(dǎo)體組成，所以簡稱為MOS場效應(yīng)晶體管。根據(jù)這種結(jié)構(gòu)，源極和漏極可以交換使用。但再實際應(yīng)用中，通常源極和襯底引線B相連（此時S和D不能交換使用）。下頁上頁首頁

如果以N型硅片作為襯底，可制成P溝道增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)晶體管。N溝道和P溝道增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)晶體管的符號分別如圖1－32(b)和(c)所示，圖中襯底B的方向始終是PN結(jié)加正偏電壓時正向電流的方向。下頁上頁首頁2)工作原理N溝道增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)晶體管正常工作時，柵源之間加正向電壓uGS，漏源之間加正向電壓uDS，并將源極和襯底相連。襯底是電路中的最低電位。

①柵源間電壓uGS對iD的控制

當(dāng)柵源間無外加電壓時，由于漏源間不存在導(dǎo)電溝道，所以無論在漏源間無論加上何種極性的電壓，都不會產(chǎn)生漏極電流。下頁上頁首頁

當(dāng)在柵源間外加正向電壓uGS時，外加的正向電壓在柵極和襯底之間的SiO2絕緣層中產(chǎn)生了由柵極指向襯底的電場，該強(qiáng)電場會使靠近SiO2一側(cè)P型硅中的多子（空穴）受到排斥而向體內(nèi)運動，從而在表面留下不能移動的負(fù)離子，形成耗盡層。下頁上頁首頁

這時，如果在漏源間加上電壓，就會有漏極電流產(chǎn)生，如圖1－34(a)所示。人們將開始形成反型層所需的uGS值稱為開啟電壓，用UGS(th)表示。顯然，柵源電壓uGS越大，作用于半導(dǎo)體表面的電場越強(qiáng)，被吸引到反型層中的電子愈多，溝道愈厚，相應(yīng)的溝道電阻就愈小。下頁上頁首頁

可見，這種場效應(yīng)晶體管uGS=0時沒有導(dǎo)電溝道，只有uGS>UGS(th)才有導(dǎo)電溝道。其轉(zhuǎn)移特性曲線如圖1－34(b)所示，可近似用下式表示IDO是uGS＝2UGS(th)時的iD

的電流。下頁上頁首頁

②漏源電壓

對溝道的影響

iD流經(jīng)溝道產(chǎn)生壓降，使得柵極與溝道中各點的電位不再相等，也就是加在“平板電容器”上的電壓將沿著溝道產(chǎn)生變化，導(dǎo)電溝道從等寬到不等寬，呈楔形分布。當(dāng)uGS>UGS(th)且為某一定值，如果在漏源間加上正向電壓uDS，uDS將在溝道中產(chǎn)生自漏極指向源極的電場，該電場使得N溝道中的多數(shù)載流子電子沿著溝道從源極漂移到漏極形成漏極電流iD。下頁上頁首頁

其特性曲線如圖1－35所示。從圖中可以看出，管子的工作狀態(tài)可分為可變電阻區(qū)、放大區(qū)和截止區(qū)這三個區(qū)域。下頁上頁首頁圖1－35增強(qiáng)型NMOS場效應(yīng)晶體管的輸出特性曲線

可變電阻區(qū)：這是uDS較小的區(qū)域，但uGS為一定值時，

與uDS成線性關(guān)系，其相應(yīng)直線的斜率受uGS控制，這時場效應(yīng)晶體管D、S間相當(dāng)于一個受電壓uGS控制的可變電阻，其阻值為相應(yīng)直線斜率的倒數(shù)。

放大區(qū)：這是uDS＞uGS-UGS(th),場效應(yīng)晶體管夾斷后對于的區(qū)域，其特點是曲線近似為一簇平行于uDS軸的直線，iD僅受uGS控制而與uDS基本無關(guān)。在這一區(qū)域，場效應(yīng)晶體管的D、S之間相當(dāng)于一個受電壓uDS控制的電流源，所以也稱為恒流區(qū)，場效應(yīng)晶體管用于放大電路時，一般就工作于該區(qū)域。

截止區(qū)：指uGS<UGS(th)的區(qū)域，這時導(dǎo)電溝道消失，iD=0，管子處于截止?fàn)顟B(tài)。下頁上頁首頁

（2）N溝道耗盡型場效應(yīng)晶體管N溝道耗盡型MOS管的結(jié)構(gòu)如圖1－36(a)所示，符號如圖1－36(b)所示。N溝道耗盡型MOS管在制造時，在二氧化硅絕緣層中摻入大量的正離子。這些正離子的存在，使得uGS=0時，就有垂直電場進(jìn)入半導(dǎo)體，并吸引自由電子到半導(dǎo)體的表面而形成N型導(dǎo)電溝道。

如果在柵源之間加負(fù)電壓，uGS所產(chǎn)生的外電場削弱正離子產(chǎn)生的電場，使得溝道變窄，電流iD減小，反之則電流iD增大。故這種管子的柵壓uGS可以是正的，也可以是負(fù)的。改變uGS就可以改變溝道寬窄，從而控制漏極電流iD。其轉(zhuǎn)移特性曲線如圖1－37(b)所示，iD=0時場效應(yīng)晶體管截止，此時導(dǎo)電溝道消失的柵源電壓稱為夾斷電壓，用UGS(off)

來表示。其中轉(zhuǎn)移特性曲線可近似用下式表示:式中，IDSS是uGS＝0時的iD

的電流，稱為漏極飽和電流。下頁上頁首頁下頁上頁首頁圖1－37耗盡型NMOS管的特性曲線2.結(jié)型場效應(yīng)晶體管

（1）結(jié)構(gòu)與符號

結(jié)型場效應(yīng)晶體管同MOS管一樣，也是電壓控制器件，但它的結(jié)構(gòu)和工作原理與MOS管是不同的。N溝道結(jié)型場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖和符號如圖1－38(a)和(b)所示。下頁上頁首頁圖1－38N溝道結(jié)型場效應(yīng)

晶體管的結(jié)構(gòu)與符號

它是以N型半導(dǎo)體作為襯底，在其兩側(cè)形成摻雜濃度比較高的P區(qū)，從而形成兩個PN結(jié)，從兩邊的P型半導(dǎo)體引出的兩個電極并聯(lián)在一起，作為柵極（G），在N型襯底的兩端各引出一個電極，分別是源極（S）和漏極（D），兩個PN結(jié)中間的N型區(qū)域稱為導(dǎo)電溝道，它是漏、源之間電子流通的路徑，因此導(dǎo)電溝道是N型的，所以稱為N溝道結(jié)型場效應(yīng)。結(jié)型場效應(yīng)晶體管工作時，要求PN結(jié)反向偏置。下頁上頁首頁

（2）工作原理

當(dāng)漏源間短路，柵源間外加負(fù)向電壓uGS時，結(jié)型場效應(yīng)晶體管中的兩個PN結(jié)均處反偏狀態(tài)。隨著uGS負(fù)向增大，加在PN結(jié)上的反向偏置電壓增大，則耗盡層加寬。由于N溝道摻雜濃度較低，故耗盡層主要集中在溝道一側(cè)。耗盡層加寬，使得溝道變窄，溝道電阻增大，如圖1－39所示。圖1－39時N溝道結(jié)型效應(yīng)管被夾斷

當(dāng)uGS負(fù)向增大到某一值后，PN結(jié)兩側(cè)的耗盡層向內(nèi)擴(kuò)展到彼此相遇，溝道被完全夾斷，此時漏源間的電阻將趨于無窮大，相應(yīng)此時的漏源間電壓uGS稱為夾斷電壓，用UGS(off))表示。iD與uGS的關(guān)系可近似用下式來表示：式中，IDSS為uGS＝0的漏極飽和電流。下頁上頁首頁

由以上分析可知，改變柵源電壓uGS的大小，就能改變導(dǎo)電溝道的寬窄，也就能改變溝道電阻的大小。如果在漏極和源極之間接入一個適當(dāng)大小的正電壓VDD，則N型導(dǎo)電溝道中的多數(shù)載流子（電子）便從源極通過導(dǎo)電溝道向漏極作飄移運動，從而形成漏極電流iD，顯然，在漏源電壓VDD一定時，iD的大小是由導(dǎo)電溝道的寬窄決定的。下頁上頁首頁各種場效應(yīng)晶體管的符號、轉(zhuǎn)移特性及輸出特性類型符號轉(zhuǎn)移特性輸出特性NMOS增強(qiáng)型NMOS耗盡型各種場效應(yīng)晶體管的符號、轉(zhuǎn)移特性及輸出特性類型符號轉(zhuǎn)移特性輸出特性PMOS增強(qiáng)型PMOS耗盡型各種場效應(yīng)晶體管的符號、轉(zhuǎn)移特性及輸出特性類型符號轉(zhuǎn)移特性輸出特性結(jié)型N溝道結(jié)型P溝道3.場效應(yīng)晶體管的主要參數(shù)

（1）直流參數(shù)1)開啟電壓UGS(th)和夾斷電壓UGS(off)

：指uDS等于某一定值時，使漏極電流iD等于某一微小電流時柵、源之間的電壓uGS，對于增強(qiáng)型為開啟電壓UGS(th)，對于耗盡型為夾斷電壓UGS(off)。2)飽和漏電流IDSS：指工作于放大區(qū)的耗盡型場效應(yīng)晶體管在uGS＝0條件下漏極的電流，它反映了場效應(yīng)晶體管作為放大電路時可能輸出的最大電流。3)直流輸入電阻RGS：指漏源短路時，柵源之間所加的電壓uGS與柵極電流iG

之比，一般大于108Ω。下頁上頁首頁

（2）交流參數(shù)1)低頻跨導(dǎo)gm（又叫低頻互導(dǎo)）：指uDS為一定值時，漏極電流的變化量iD與uGS的變化量之比，即

gm是表征場效應(yīng)晶體管放大能力的重要參數(shù)。gm的值與管子的工作點有關(guān)，單位為西（門子），符