配套課件-模擬電子技術(shù)

第1章半導(dǎo)體器件1.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)1.2半導(dǎo)體二極管1.3半導(dǎo)體三極管1.4場(chǎng)效應(yīng)管本章小結(jié)練習(xí)題

1.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)

1.1.1半導(dǎo)體的基本特性

1.什么是半導(dǎo)體

自然界中的物質(zhì)，按其導(dǎo)電能力的強(qiáng)弱，可分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體三類。容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體。例如金、銀、銅、鐵、鋁等金屬都是良好的導(dǎo)體，導(dǎo)電能力都很強(qiáng)。不容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為絕緣體。例如陶瓷、云母、塑料、玻璃、橡膠等，導(dǎo)電能力都很差。導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體，例如硅(Si)、鍺(Ge)、硒(Se)、砷化鎵及金屬氧化物等。半導(dǎo)體之所以能被制造成各種電子器件而廣泛應(yīng)用，主要是因?yàn)槠渚哂歇?dú)特的導(dǎo)電特性。

2.半導(dǎo)體的特性

1)熱敏特性

隨著溫度的上升，半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電能力迅速增加，這種特性稱為熱敏特性。利用這種熱敏效應(yīng)可以制作熱敏元件，例如熱敏電阻。

2)光敏特性

半導(dǎo)體隨著光照的變化其導(dǎo)電能力明顯增強(qiáng)，這種特性稱為光敏特性。利用光電效應(yīng)可以制作光電晶體管、光電耦合器、光電池等。

3)摻雜特性

在純凈的半導(dǎo)體中摻入微量的雜質(zhì)元素能使其導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化，這種特性稱為摻雜特性。例如在純凈的硅中摻入百萬分之一的雜質(zhì)，其導(dǎo)電能力可以增強(qiáng)上百萬倍。各種半導(dǎo)體器件的制作，正是利用摻雜特性來改變和控制半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力的。

此外，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力還會(huì)隨著電場(chǎng)、磁場(chǎng)的作用而變化。

為什么半導(dǎo)體會(huì)有這些獨(dú)特的導(dǎo)電性能呢？這主要是由其內(nèi)部的原子結(jié)構(gòu)所決定的。1.1.2半導(dǎo)體的原子結(jié)構(gòu)

用來制造晶體管的半導(dǎo)體材料主要是硅和鍺。下面就來討論這兩種半導(dǎo)體材料的原子結(jié)構(gòu)。

1.單個(gè)原子結(jié)構(gòu)

硅的化學(xué)元素符號(hào)是Si，它有一個(gè)帶正電的原子核和14個(gè)帶負(fù)電的電子。電子分三層繞原子核不停地旋轉(zhuǎn)，如圖1.1(a)所示。由于原子核帶14個(gè)電子電量的正電，因此正常情況下原子呈中性。鍺的化學(xué)元素符號(hào)是Ge，它共有32個(gè)電子，分四層繞原子核不停地轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖1.1(b)所示。一般只有最外層電子有可能脫離原子核的束縛，逸出并參與導(dǎo)電，而內(nèi)層電子由于被束縛在原子核的周圍，是不大可能參與導(dǎo)電的。為了便于區(qū)別，通常稱最外層的電子為價(jià)電子，有幾個(gè)價(jià)電子就稱為幾價(jià)元素。硅和鍺原子最外層的電子都是4個(gè)，所以硅、鍺都是四價(jià)元素，如圖1.1(c)所示。根據(jù)原子理論，只有外層價(jià)電子達(dá)到8個(gè)時(shí)，原子才會(huì)處于穩(wěn)定狀態(tài)。顯然，硅和鍺是處于不穩(wěn)定狀態(tài)，可是我們看到的硅和鍺材料卻是很穩(wěn)定的。這是什么原因呢？圖1.1硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)(a)硅原子結(jié)構(gòu)；(b)鍺原子結(jié)構(gòu)；(c)硅和鍺的原子簡(jiǎn)化圖

2.共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)

制造晶體管所用的硅或鍺材料是由許多硅原子或鍺原子組成的，它們不但非常純凈，而且是按一定規(guī)律整齊地排列在一起的。在每個(gè)硅原子周圍，總有4個(gè)與它等距離的硅原子，如圖1.2所示?？梢?，硅原子外層除自身具有4個(gè)價(jià)電子外，同時(shí)還分別從相鄰的四個(gè)硅原子中各借一個(gè)，使自己最外層達(dá)到8個(gè)價(jià)電子，從而處于穩(wěn)定狀態(tài)。同理，相鄰硅原子也要向該硅原子借用價(jià)電子。圖1.2單晶硅或鍺的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)由圖1.2可以看出，實(shí)際上它們的價(jià)電子是共有的，既屬于自身，又屬于其它原子。也就是說，每個(gè)價(jià)電子在圍繞自己的原子核運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，也出現(xiàn)在相鄰原子的軌道上，它既受到自身原子核的束縛，又受到相鄰原子核的束縛。我們把兩個(gè)相鄰原子共有的價(jià)電子所形成的這種束縛作用稱為“共價(jià)鍵”，此結(jié)構(gòu)稱為“共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)”。處于共價(jià)鍵中的價(jià)電子由于同時(shí)受到兩個(gè)原子核的束縛，因此不易掙脫，不會(huì)變?yōu)樽杂呻娮訁⑴c導(dǎo)電。通常把這種有規(guī)律整齊排列的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)稱為晶體結(jié)構(gòu)，所以由這種結(jié)構(gòu)的材料制成的半導(dǎo)體管又稱為晶體管。1.1.3本征激發(fā)

純凈的半導(dǎo)體所具有的一些特征，主要取決于本身的結(jié)構(gòu)，所以稱為本征半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體晶體中的共價(jià)鍵對(duì)共有價(jià)電子具有很強(qiáng)的束縛作用，若將它置于-273℃(絕對(duì)溫度0K)的低溫下，則所有價(jià)電子無法掙脫束縛，不能自由運(yùn)動(dòng)，因此即使外加電壓形成電場(chǎng)，也不會(huì)產(chǎn)生電流。此時(shí)的半導(dǎo)體相當(dāng)于絕緣體。但是隨著溫度的升高，在價(jià)電子獲得足夠的熱能之后，例如+27℃(絕對(duì)溫度300K)時(shí)，就會(huì)有少量的價(jià)電子掙脫共價(jià)鍵的束縛，跑出來成為自由電子。通常把這種現(xiàn)象稱為本征激發(fā)或熱激發(fā)。如圖1.3所示，本征激發(fā)現(xiàn)象發(fā)生后，將會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)結(jié)果：一是半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生了自由電子(電子載流子)；二是價(jià)電子跑出后，將會(huì)在共價(jià)鍵內(nèi)留下一個(gè)空位。相鄰的共價(jià)鍵內(nèi)的價(jià)電子就會(huì)跑過來填補(bǔ)空位，這就出現(xiàn)了共價(jià)鍵內(nèi)價(jià)電子的遞補(bǔ)運(yùn)動(dòng)。這是一種負(fù)電荷運(yùn)動(dòng)，也可以看成是一種帶正電荷的空位朝著相反方向運(yùn)動(dòng)。通常把帶正電的空位稱為空穴，把這種空位的運(yùn)動(dòng)稱為空穴運(yùn)動(dòng)。空穴運(yùn)動(dòng)是共價(jià)鍵內(nèi)價(jià)電子的遞補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，它與自由電子的雜亂無章運(yùn)動(dòng)是不同的。圖1.3熱激發(fā)產(chǎn)生的電子—空穴對(duì)例如，在電影院看電影，第一排有人中途退場(chǎng)，退場(chǎng)后他可以自由活動(dòng)，在原處留下一個(gè)空位，第二排的人就會(huì)填補(bǔ)第一排的空位，后排依次向前遞補(bǔ)，空位相當(dāng)于向后移動(dòng)。顯然，依次遞補(bǔ)與第一排退場(chǎng)人員的自由活動(dòng)是不同的，退場(chǎng)人員就好比是自由電子的運(yùn)動(dòng)，而依次遞補(bǔ)空位的移動(dòng)則好比空穴運(yùn)動(dòng)。

由此可知，在常溫下，半導(dǎo)體內(nèi)存在著兩種載流子，一種是帶負(fù)電的自由電子，另一種是帶正電的空穴。所以半導(dǎo)體在外加電壓作用下，兩種載流子將會(huì)同時(shí)參與導(dǎo)電，如圖1.4所示。其中，In

表示電子形成的電流，Ip表示空穴形成的電流。圖1.4半導(dǎo)體內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)電子、空穴運(yùn)動(dòng)方向相反，但形成的電流方向是一致的?？梢?，在外電路形成的電流I應(yīng)為二者之和，即

I=In+Ip

必須指出：電子、空穴這兩種載流子，在本征半導(dǎo)體中是成對(duì)出現(xiàn)，成對(duì)消失的。也就是說，由于熱激發(fā)從共價(jià)鍵中跑出一個(gè)價(jià)電子，在原位就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)空穴，所以把產(chǎn)生的自由電子和空穴稱為“電子—空穴對(duì)”。隨著溫度的升高，電子—空穴對(duì)將不斷增加。但是，也要看到電子在運(yùn)動(dòng)過程中也會(huì)與空穴相遇，而重新結(jié)合，使電子—空穴對(duì)消失，顯然這是一個(gè)相反的過程，稱為“復(fù)合”。電子—空穴對(duì)不斷地產(chǎn)生，又不斷地復(fù)合，這就是在本征半導(dǎo)體內(nèi)不斷進(jìn)行著的一對(duì)矛盾。在一定溫度下，“產(chǎn)生”與“復(fù)合”將達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，即產(chǎn)生與復(fù)合雖然在不斷進(jìn)行，但電子—空穴對(duì)卻始終維持一定數(shù)量。不難理解，因?yàn)殡娮印昭▽?duì)是由于熱激發(fā)產(chǎn)生的，所以它必定與溫度密切相關(guān)。當(dāng)溫度升高時(shí)，電子—空穴對(duì)就相對(duì)多一些，即半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能就好一些，這就是前述的半導(dǎo)體熱敏特性。利用此種特性可以制成熱敏器件，例如熱敏電阻，其阻值會(huì)隨著溫度的升高而降低，其原因如上所述。其次，在半導(dǎo)體中獲得電子—空穴對(duì)的方法，除了熱激發(fā)外，還可以通過光照來實(shí)現(xiàn)。因?yàn)楣庖簿哂心芰?，?dāng)本征半導(dǎo)體受到光照時(shí)，有的電子由于獲得光能而逸出，結(jié)果與熱激發(fā)的情況一樣，通常把這種現(xiàn)象稱為光激發(fā)，即前述的光敏特性，利用此特性制作的器件稱為光敏器件。例如光敏電阻，其阻值會(huì)隨著光照的強(qiáng)度而變化。

綜上所述，在室溫下，本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力是很差的，而且對(duì)光和熱都十分敏感，因此不能直接使用本征半導(dǎo)體制造晶體管。若想獲得性能良好的晶體管，必須在本征半導(dǎo)體中有選擇、有控制地?fù)饺胛⒘侩s質(zhì)。通常把人為的摻有雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。1.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體

根據(jù)摻入雜質(zhì)元素性質(zhì)的不同，雜質(zhì)半導(dǎo)體可分為N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。

1.N型半導(dǎo)體

N型半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)如圖1.5所示。在本征半導(dǎo)體硅(或鍺)中摻入微量的五價(jià)元素磷(或砷、銻)后，整個(gè)晶體結(jié)構(gòu)基本不變，只是磷原子將取代晶體中的某些硅原子的位置，磷原子有5個(gè)價(jià)電子，當(dāng)其與硅原子組成共價(jià)鍵時(shí)，只需4個(gè)價(jià)電子而多出一個(gè)價(jià)電子。由于這個(gè)多余的價(jià)電子不受共價(jià)鍵的束縛，磷原子核對(duì)其吸引力也較弱，因此只需較小的能量就可將其激發(fā)為自由電子。圖1.5

N型半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)磷原子提供一個(gè)電子后，本身因失去電子而成為不能移動(dòng)的正離子。可見，半導(dǎo)體內(nèi)除了由本征激發(fā)產(chǎn)生的少量電子—空穴對(duì)以外，還因?yàn)閾饺肓穗s質(zhì)元素，而提供了許多額外的自由電子。因此，這種雜質(zhì)半導(dǎo)體中自由電子的數(shù)目就遠(yuǎn)大于空穴的數(shù)目，自由電子成為多數(shù)載流子(簡(jiǎn)稱多子)，空穴成為少數(shù)載流子(簡(jiǎn)稱少子)。這種半導(dǎo)體將以自由電子導(dǎo)電為主，所以把這類半導(dǎo)體稱為電子型半導(dǎo)體，或N(Negative)型半導(dǎo)體。

2.P型半導(dǎo)體

P型半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)如圖1.6所示。在本征半導(dǎo)體硅(或鍺)中摻入微量的三價(jià)元素硼(或鋁、銦)后，因?yàn)榕鹪颖裙柙由僖粋€(gè)價(jià)電子，所以在組成共價(jià)鍵時(shí)便產(chǎn)生一個(gè)空位。室溫下，此空位極易被鄰近硅原子共價(jià)鍵中的價(jià)電子填補(bǔ)，得到電子后的硼原子變成帶負(fù)電的不能移動(dòng)的負(fù)離子，而失去價(jià)電子的共價(jià)鍵中出現(xiàn)一個(gè)空穴。圖1.6

P型半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)顯而易見，這種雜質(zhì)半導(dǎo)體中，除了由本征激發(fā)產(chǎn)生的電子—空穴對(duì)外，還增加了因摻雜而形成的空穴，空穴的數(shù)目遠(yuǎn)大于自由電子的數(shù)目，空穴成為多數(shù)載流子，自由電子成為少數(shù)載流子。顯然，這種半導(dǎo)體將以空穴導(dǎo)電為主，所以把這類半導(dǎo)體稱為空穴型半導(dǎo)體，或P(Positive)型半導(dǎo)體。最后要指出的是：雖然在N型半導(dǎo)體中，自由電子數(shù)目遠(yuǎn)大于空穴數(shù)目，在P型半導(dǎo)體中，空穴數(shù)目遠(yuǎn)大于電子數(shù)目，但這兩種半導(dǎo)體中都是電中性的，對(duì)外不顯電性。這是因?yàn)楸菊靼雽?dǎo)體和摻入的雜質(zhì)都是電中性的，而且在摻雜的過程中既不喪失電荷也不從外界得到電荷，只是由于雜質(zhì)原子的價(jià)電子數(shù)目多一個(gè)或少一個(gè)，從而使半導(dǎo)體中出現(xiàn)了大量可以運(yùn)動(dòng)的電子或空穴，并沒有破壞整個(gè)半導(dǎo)體內(nèi)正負(fù)電荷的平衡狀態(tài)。1.1.5

PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?/p>

1.PN結(jié)的形成

PN結(jié)的形成如圖1.7所示。在一塊半導(dǎo)體上，用特定的摻雜工藝，在其一側(cè)形成P型半導(dǎo)體，另一側(cè)形成N型半導(dǎo)體，那么在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的交界面上就會(huì)形成一個(gè)PN結(jié)，PN結(jié)是構(gòu)成各種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。那么PN結(jié)是如何形成的呢？在交界面左側(cè)的P區(qū)中空穴是多數(shù)載流子，右側(cè)的N區(qū)中自由電子是多數(shù)載流子。由于兩側(cè)間的載流子存在著濃度差，空穴和電子都要從濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域運(yùn)動(dòng)，這種由于濃度差引起的運(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，如圖1.7(a)所示。擴(kuò)散的結(jié)果是在交界面附近P區(qū)一側(cè)因失去空穴而留下不能移動(dòng)的負(fù)離子；N區(qū)一側(cè)因失去自由電子而留下不能移動(dòng)的正離子。同時(shí)，擴(kuò)散到N區(qū)的空穴將逐漸與N區(qū)中的自由電子復(fù)合，擴(kuò)散到P區(qū)的自由電子將逐漸與P區(qū)中的空穴復(fù)合。這樣，在交界面兩側(cè)就會(huì)形成由數(shù)量相等的正、負(fù)離子組成的空間電荷區(qū)，如圖1.7(b)所示。這就是所謂的PN結(jié)。圖1.7

PN結(jié)的形成(a)多數(shù)載流子的擴(kuò)散；(b)PN結(jié)的形成空間電荷區(qū)靠N區(qū)的一側(cè)帶正電，靠P區(qū)的一側(cè)帶負(fù)電，因此，就產(chǎn)生了一個(gè)方向由N區(qū)指向P區(qū)的電場(chǎng)。這個(gè)電場(chǎng)是由多數(shù)載流子的擴(kuò)散和復(fù)合產(chǎn)生的，不是外加電壓產(chǎn)生的，故稱為內(nèi)電場(chǎng)。根據(jù)內(nèi)電場(chǎng)的方向及空穴和自由電子的帶電極性可判斷，內(nèi)電場(chǎng)將對(duì)交界面兩側(cè)多子的擴(kuò)散起阻礙作用，從這個(gè)角度講，空間電荷區(qū)又稱為阻擋層。但內(nèi)電場(chǎng)同時(shí)能將P區(qū)的少數(shù)載流子(電子)拉到N區(qū)，將N區(qū)的少數(shù)載流子(空穴)拉到P區(qū)。通常把少數(shù)載流子在內(nèi)電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)，其作用正好與因濃度差而形成的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)相反。在開始時(shí)，因空間電荷較少，內(nèi)電場(chǎng)較弱，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)占優(yōu)勢(shì)，隨著擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的繼續(xù)進(jìn)行，空間電荷區(qū)不斷加寬，使內(nèi)電場(chǎng)不斷增強(qiáng)。內(nèi)電場(chǎng)的增強(qiáng)將阻礙兩側(cè)多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，而有利于兩側(cè)少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)。最后，當(dāng)擴(kuò)散的載流子數(shù)目等于漂移的載流子數(shù)目時(shí)，空間電荷區(qū)的寬度不再增加，達(dá)到了擴(kuò)散與漂移的動(dòng)態(tài)平衡。所以，PN結(jié)是擴(kuò)散與漂移運(yùn)動(dòng)平衡的結(jié)果，即PN結(jié)處于動(dòng)平衡狀態(tài)，對(duì)外仍為電中性。

2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

以上分析的是無外加電壓時(shí)的PN結(jié)，即動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)下的PN結(jié)情況。下面分析有外加電壓時(shí)PN結(jié)的特性。

1)外加正向電壓——PN結(jié)導(dǎo)通

在PN結(jié)上施加的直流電源電壓稱為偏置電壓。外加正向電壓，稱為正向偏置；外加反向電壓，稱為反向偏置。PN結(jié)正向偏置如圖1.8(a)所示。在正向偏置(簡(jiǎn)稱正偏)作用下，即將電源的正極接P區(qū)、負(fù)極接N區(qū)，這時(shí)外加電壓在PN結(jié)上將形成外電場(chǎng)，因外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向相反，內(nèi)電場(chǎng)被削弱，使空間電荷區(qū)變窄，多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)得到加強(qiáng)，形成較大的擴(kuò)散電流。其方向是由P區(qū)流向N區(qū)，稱為正向電流IF。在一定范圍內(nèi)，外加電壓增大，正向電流IF也增大。此時(shí)，PN結(jié)呈低阻導(dǎo)通狀態(tài)，相當(dāng)于開關(guān)的閉合狀態(tài)。圖1.8

PN結(jié)的單向?qū)щ娦?a)正向偏置;(b)反向偏置

2)外加反向電壓——PN結(jié)截止

將電源正極接N區(qū)、負(fù)極接P區(qū)，稱為PN結(jié)反向偏置(簡(jiǎn)稱反偏)。PN結(jié)反向偏置如圖1.8(b)所示。這時(shí)，因外加電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向相同，外電場(chǎng)加強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng)，使空間電荷區(qū)變寬，阻礙了多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，但卻有利于少子的漂移運(yùn)動(dòng)。此時(shí)流過PN結(jié)的電流，主要由少子的漂移運(yùn)動(dòng)形成，其方向是由N區(qū)流向P區(qū)，稱為反向電流IR。因?yàn)樯贁?shù)載流子是由本征激發(fā)產(chǎn)生的，在一定溫度下，少數(shù)載流子的數(shù)目也是一定的，所以，反向電流IR幾乎不隨外加電壓而變化，故又稱為反向飽和電流。在室溫下，少數(shù)載流子數(shù)目極少，所以反向電流很小，一般可以忽略，此時(shí)PN結(jié)呈高阻截止?fàn)顟B(tài)，相當(dāng)于開關(guān)的斷開狀態(tài)。

從以上分析不難得出結(jié)論：PN結(jié)加正向電壓時(shí)導(dǎo)通；加反向電壓時(shí)截止。這種特性稱為PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴?/p>

復(fù)習(xí)與討論

1.1-1什么是半導(dǎo)體？半導(dǎo)體有哪些特性？

1.1-2什么是共價(jià)鍵？什么是共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)？

1.1-3什么是本征半導(dǎo)體、N型半導(dǎo)體、P型半導(dǎo)體？

1.1-4本征半導(dǎo)體之所以能用來制作電子器件的原因是什么？

1.1-5什么是本征激發(fā)與復(fù)合？它們與溫度有什么關(guān)系？

1.1-6什么是電子和空穴？它們有什么異同點(diǎn)？試舉生活中的事例說明。

1.1-7在雜質(zhì)半導(dǎo)體中，正離子、負(fù)離子是怎樣形成的？它們參與導(dǎo)電嗎？

1.1-8半導(dǎo)體在摻入雜質(zhì)后形成的電子和空穴與熱激發(fā)形成的電子和空穴有何異同點(diǎn)？

1.1-9什么叫PN結(jié)的偏置？PN結(jié)正偏和反偏各有什么特點(diǎn)？

1.1-10如何理解PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦裕?/p>

本節(jié)內(nèi)容對(duì)應(yīng)本章練習(xí)題1.1中的(1)、(2)，1.2中的(1)～(3)。

1.2半導(dǎo)體二極管

1.2.1半導(dǎo)體二極管的外形、結(jié)構(gòu)、電路符號(hào)及類型

1．二極管的外形、結(jié)構(gòu)及電路符號(hào)

用不同的材料把PN結(jié)封裝起來，在P區(qū)和N區(qū)各引出一個(gè)電極就制成了半導(dǎo)體二極管，外形如圖1.9(a)所示。從P區(qū)引出的電極稱為正極，從N區(qū)引出的電極稱為負(fù)極。二極管的結(jié)構(gòu)如圖1.9(b)所示，其電路符號(hào)如圖1.9(c)所示。圖1.9半導(dǎo)體二極管的外形、結(jié)構(gòu)及電路符號(hào)(a)二極管外形；(b)二極管結(jié)構(gòu)；(c)電路符號(hào)

2．二極管的類型

按照不同的分類方法，二極管的類型如下：

(1)按制作材料分，可分為硅管和鍺管；

(2)按制造時(shí)PN結(jié)的結(jié)面積大小分，可分為點(diǎn)接觸型和面接觸型；

(3)按功率分，可分為大、中、小功率二極管；

(4)按用途分，可分為普通管、穩(wěn)壓管、整流管、開關(guān)管等。1.2.2二極管的命名方法

國(guó)產(chǎn)二極管命名方法依國(guó)標(biāo)(GB/T249—1989)由五部分組成，如圖1.10所示。各部分符號(hào)的含義見附錄一。圖1.10二極管的命名方法1.2.3二極管的伏安特性

所謂伏安特性，是指加在二極管兩端的電壓和流過二極管電流的關(guān)系曲線。以電壓為橫坐標(biāo)，電流為縱坐標(biāo)，二極管的伏安特性如圖1.11所示。圖1.11二極管的伏安特性曲線以硅管的伏安特性(圖中實(shí)線所示)為例，說明如下。

1．正向特性

當(dāng)二極管正向偏置時(shí)，正向電壓較小時(shí)有段“死區(qū)”，此電壓稱為死區(qū)電壓或閾值電壓，鍺管約為0.1V，硅管約為0.5V，如圖1.11中OA段所示。當(dāng)二極管兩端所加電壓超過閾值電壓后，正向電流隨著外加電壓的增加而快速上升，如圖中AB段所示。此時(shí)，二極管正向電壓變化不大，硅管一般為0.7V，鍺管約為0.3V。分析電路時(shí)，可以把二極管看成是理想二極管，理想二極管的正向?qū)妷旱扔诹?，此時(shí)，二極管在電路中相當(dāng)于一個(gè)處于導(dǎo)通狀態(tài)的開關(guān)。

2.反向特性

當(dāng)二極管反向偏置時(shí)，只有微小的電流通過，稱為反向電流，如圖1.11中OC段。反向電流是由半導(dǎo)體中的少子形成的，基本上不隨反向偏置電壓的變化而變化，但與溫度和光照強(qiáng)度有關(guān)。此時(shí)，二極管呈現(xiàn)很高的反向電阻，處于截止?fàn)顟B(tài)。分析電路時(shí)，可以把二極管看成是理想二極管，理想二極管的反向電流等于零，在電路中相當(dāng)于開關(guān)的斷開狀態(tài)。

3.反向擊穿特性

當(dāng)反向電壓繼續(xù)增大，達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，如圖1.11中CD段，反向電流會(huì)突然增大，使PN結(jié)失去單向?qū)щ娦裕@種現(xiàn)象稱為反向擊穿。發(fā)生反向擊穿時(shí)的電壓稱為反向擊穿電壓UBR。知識(shí)窗

什么叫電擊穿、熱擊穿?

PN結(jié)的擊穿可分為電擊穿和熱擊穿。電擊穿是指外加反向電壓過大，超出PN結(jié)的最大反向工作電壓時(shí)，反向電流急劇增大導(dǎo)致的擊穿現(xiàn)象，它只在外加反向電壓時(shí)發(fā)生，是可逆的；而熱擊穿是指PN結(jié)電流和電壓的乘積超過PN結(jié)允許的最大耗散功率、溫度超過極限工作溫度而造成的損壞，它在外加正、反向電壓時(shí)都有可能發(fā)生，是不可逆的。

1.2.4二極管的主要參數(shù)

在實(shí)際使用中，必須根據(jù)實(shí)際需要，選擇對(duì)應(yīng)參數(shù)的二極管。二極管的主要參數(shù)有以下幾個(gè)。

1．最大反向工作電壓URM

最大反向工作電壓指二極管在使用時(shí)所允許承受的最大反向電壓，通常取反向擊穿電壓UBR的一半作為最大反向電壓。

2．最大整流電流IF

IF指二極管長(zhǎng)期工作時(shí)，允許通過的最大正向平均電流。使用時(shí)流過二極管的最大平均電流不能超過IF。否則，二極管會(huì)因電流過大而損壞。

3．反向電流IR

IR指給二極管加反向電壓時(shí)的反向電流值。反向電流大，說明管子的單向?qū)щ娦阅茌^差。反向電流受溫度的影響較大，溫度上升時(shí)，反向電流增加。

4．最高工作頻率fM

最高工作頻率fM指二極管正常工作時(shí)的上限頻率值，它的大小與PN結(jié)的結(jié)電容有關(guān)。二極管的工作頻率超過此值時(shí)，二極管反偏時(shí)的等效阻抗將變得很小，二極管的單向?qū)щ娦阅茏儔?。知識(shí)窗

為什么PN結(jié)的反向電流IR取決于溫度而與外加電壓基本無關(guān)？而且鍺管的反向電流遠(yuǎn)大于硅管的反向電流？

反向電流是由少數(shù)載流子形成的電流，數(shù)量的多少取決于溫度和光照，所以與外加電壓基本無關(guān)。

鍺和硅在原子結(jié)構(gòu)上有差別，鍺比硅多一層電子，最外層的電子離原子核的距離遠(yuǎn)一些，受原子核的束縛小一些，導(dǎo)致鍺的最外層電子更容易成為自由電子，也就是說鍺半導(dǎo)體中少數(shù)載流子的數(shù)量遠(yuǎn)多于硅半導(dǎo)體，所以鍺管的反向電流一般遠(yuǎn)大于硅管的反向電流。1.2.5二極管的簡(jiǎn)易測(cè)試及應(yīng)用

1．目測(cè)法

一般二極管的管殼上有識(shí)別標(biāo)記，可依據(jù)二極管符號(hào)識(shí)別正負(fù)極。玻璃外殼的鍺二極管，有色點(diǎn)或黑色環(huán)的一端為負(fù)極。

2．儀表測(cè)試法

用萬用表電阻擋的R×1k或R×100擋測(cè)二極管的電阻值，若測(cè)得電阻值較小，則黑表筆所接觸的一端為二極管正極，紅表筆所接觸的一端為負(fù)極。若測(cè)得電阻值很大，則黑表筆所接觸的一端為負(fù)極，紅表筆所接觸的一端為正極。使用萬用表測(cè)試二極管的示意圖如圖1.12所示。圖1.12使用萬用表簡(jiǎn)易測(cè)試二極管示意圖

(a)阻值??；(b)阻值大一般情況下，小功率鍺管測(cè)得的正向電阻在100～1000Ω之間，硅管為幾百到幾千歐姆之間。鍺、硅管的反向電阻在幾百千歐以上。若兩次測(cè)得阻值都很小，則表明管子內(nèi)部已經(jīng)短路；若兩次測(cè)得的阻值都很大，則表明管子內(nèi)部已經(jīng)斷路。

3．應(yīng)用

二極管在電路中主要起開關(guān)、限幅、隔離等作用。

例1.1如圖1.13所示，設(shè)二極管是理想二極管，試分析其工作過程。

解輸入電壓ui在正半周且ui>US時(shí)，二極管VD導(dǎo)通，將輸出uo的幅度限制在uom=US。當(dāng)ui<US時(shí)，二極管承受反向電壓而截止，二極管VD兩端相當(dāng)于開路，所以u(píng)o=ui。二極管使輸出電壓uom≤US，這種作用稱為限幅。圖1.13二極管限幅電路(a)電路圖；(b)波形圖1.2.6特殊二極管

1．穩(wěn)壓二極管

穩(wěn)壓二極管是一種特殊的面接觸型硅二極管，在一定條件下能起到穩(wěn)定電壓的作用。它工作在反向擊穿區(qū)，當(dāng)電流在很大范圍內(nèi)變化時(shí)，電壓基本不變，該電壓稱為穩(wěn)定電壓UZ。穩(wěn)壓二極管的外形、電路符號(hào)及伏安特性如圖1.14所示。

常見的穩(wěn)壓二極管有2CW18、2CW21A、2CW55A等。圖1.14穩(wěn)壓管的外形圖、伏安特性曲線及圖形符號(hào)(a)外形圖；(b)電路符號(hào)；(c)伏安特性

2．光電二極管

光電二極管又稱光敏二極管，作為光敏器件使用時(shí)，其PN結(jié)工作在反偏狀態(tài)。光電二極管是一種光接收器件，它的管殼上有一個(gè)玻璃窗口以便接受光照，當(dāng)二極管的PN結(jié)受到光的照射時(shí)，少數(shù)載流子數(shù)量增加，在反偏電壓作用下，反向電流隨光照強(qiáng)度的增加而上升。光電二極管可用于光的測(cè)量，光電二極管的外形及符號(hào)如圖1.15所示。圖1.15光電二極管的外形及符號(hào)(a)外形圖；(b)電路符號(hào)

3.發(fā)光二極管

發(fā)光二極管是一種把電能轉(zhuǎn)換成光能的半導(dǎo)體器件，簡(jiǎn)稱LED，電路符號(hào)如圖1.16所示。圖1.16發(fā)光二極管的外形及符號(hào)

(a)外形圖；(b)電路符號(hào)發(fā)光二極管具有單向?qū)щ娦阅?，區(qū)別于普通二極管的是加正向電壓時(shí)導(dǎo)通并伴有發(fā)光現(xiàn)象。發(fā)光二極管所發(fā)光線可分為可見光和不可見光，可見光主要有紅、黃、綠、橙、藍(lán)光等，不可見光有紅外線。發(fā)光二極管主要用于信號(hào)指示、數(shù)字顯示、數(shù)碼管及廣告大屏幕等。

發(fā)光二極管引腳較長(zhǎng)者為正極，較短者為負(fù)極，若管帽上有凸起標(biāo)志，則靠近標(biāo)志的管腳為正極。

4．變?nèi)荻O管

變?nèi)荻O管是利用二極管PN結(jié)反偏時(shí)，結(jié)電容大小隨外加電壓的變化而改變制作的，其反偏電壓越大，結(jié)電容越小。變?nèi)荻O管符號(hào)如圖1.17所示。

變?nèi)荻O管的容量一般為幾十到幾百皮法，它主要用于高頻電路中的自動(dòng)調(diào)諧等。圖1.17變?nèi)荻O管的電路符號(hào)復(fù)習(xí)與討論

1.2-1二極管的圖形符號(hào)和文字符號(hào)分別是什么？

1.2-2二極管如何命名？各部分的含義是什么？

1.2-3試比較硅、鍺這兩種半導(dǎo)體材料的二極管伏安特性曲線的異同。

1.2-4二極管主要有哪些極限參數(shù)和性能質(zhì)量參數(shù)？

1.2-5如何用萬用表測(cè)量二極管的好壞和正負(fù)極？

本節(jié)內(nèi)容對(duì)應(yīng)本章練習(xí)題1.1中的(3)、(4)，1.2中的(4)～(6)，1.3～1.8。

1.3半導(dǎo)體三極管

半導(dǎo)體三極管是電子線路的基本元件，也是構(gòu)成放大電路的基本組成元件，在電路中起著極其重要的作用。

1.3.1半導(dǎo)體三極管的外形、結(jié)構(gòu)及分類

1．三極管的外形

常見的半導(dǎo)體三極管外形如圖1.18所示。圖1.18常見的半導(dǎo)體三極管外形圖(a)硅酮塑料封裝；(b)金屬封裝小功率管；(c)金屬封裝大功率管

2．三極管的結(jié)構(gòu)

在一塊半導(dǎo)體晶片上，采用特殊工藝制作兩個(gè)PN結(jié)，就形成了晶體三極管。它要么有兩個(gè)N區(qū)、一個(gè)P區(qū)，稱為NPN型三極管；要么有兩個(gè)P區(qū)、一個(gè)N區(qū)，稱為PNP型三極管。晶體三極管中間的區(qū)域叫做基區(qū)，兩邊分別為發(fā)射區(qū)和集電區(qū)，從這三個(gè)區(qū)各引出一個(gè)金屬電極，分別稱為基極(用b表示)、發(fā)射極(用e表示)和集電極(用c表示)。集電區(qū)和基區(qū)之間的PN結(jié)稱為集電結(jié)，基區(qū)和發(fā)射區(qū)之間的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)。三極管的結(jié)構(gòu)及符號(hào)如圖1.19所示。兩種管子符號(hào)中箭頭的方向不同，帶箭頭的電極為發(fā)射極，箭頭的方向?yàn)榘l(fā)射結(jié)的正方向，即發(fā)射結(jié)加正偏電壓時(shí)的電流方向。

三極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：發(fā)射區(qū)摻雜濃度高，基區(qū)很薄且摻雜濃度低,集電結(jié)面積大，這也是三極管具有放大作用的內(nèi)部條件。

三極管型號(hào)的命名方法與二極管相似，見附錄一。圖1.19三極管的結(jié)構(gòu)及符號(hào)(a)NPN型三極管；(b)PNP型三極管

3．三極管的分類

按照不同的分類方法，三極管可分為以下幾種。

(1)按結(jié)構(gòu)不同分為NPN型和PNP型；

(2)按材料不同分為硅管和鍺管；

(3)按其功率大小分為大、中、小功率管；

(4)按頻率高低分為低頻、高頻管。知識(shí)窗

什么叫單極型晶體管和雙極型晶體管？

單極型和雙極型晶體管的區(qū)別是半導(dǎo)體中參與導(dǎo)電的載流子是一種還是兩種。單極型晶體管只有一種載流子(多數(shù)載流子)參與導(dǎo)電，例如后面講到的場(chǎng)效應(yīng)管；雙極型晶體管中兩種載流子(多數(shù)載流子和少數(shù)載流子)都參與導(dǎo)電，例如晶體三極管。1.3.2三極管的放大條件及電流放大作用

1．三極管放大的外部條件

三極管實(shí)現(xiàn)放大，除了滿足內(nèi)部結(jié)構(gòu)要求外，還必須有合適的外部條件。三極管實(shí)現(xiàn)放大作用的外部條件是：發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置。對(duì)于NPN型三極管，集電極電壓必須高于基極電壓，基極電壓高于發(fā)射極電壓，即UC>UB>UE；而對(duì)于PNP型三極管，要求UC<UB<UE。NPN型三極管工作時(shí)電源接線如圖1.20(a)所示，PNP型三極管工作時(shí)電源接線如圖1.20(b)所示。圖1.20三極管工作時(shí)電源接線圖(a)NPN型；(b)PNP型

2.三極管各極電流的分配關(guān)系和電流放大作用

為了了解三極管各個(gè)電極的電流分配及它們之間的關(guān)系，我們先做一個(gè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)電路如圖1.21所示。由于電路發(fā)射極是公共端，因此這種接法稱為共發(fā)射極接法。圖1.21測(cè)試三極管各極電流分配關(guān)系的電路圖1.21中，UCC通過基極電阻Rb和電位器RP將正向電壓加到基極和發(fā)射極之間，為發(fā)射結(jié)提供正向偏置，從而形成基極電流IB和發(fā)射極電流IE；UCC將電壓加到集電極與發(fā)射極之間，為集電結(jié)提供反向偏置。

調(diào)節(jié)可變電阻RP改變基極電流IB，從而引起IC、IE的變化，測(cè)得各組數(shù)據(jù)如表1-1所示。表1-1三極管各電極電流測(cè)試值

表中所測(cè)數(shù)據(jù)表明：

IE=IB+IC(1.1)

此結(jié)果符合基爾霍夫電流定律，即發(fā)射極電流(流出電流)等于集電極電流(流入電流)與基極電流(流入電流)之和。

從表中的數(shù)據(jù)還可以看出：IC>>IB，而且當(dāng)調(diào)節(jié)電位器RP使IB有一個(gè)微小的變化時(shí)，就能夠引起集電極電流IC較大的變化，這就是三極管實(shí)現(xiàn)放大作用的實(shí)質(zhì)，用小電流IB控制大電流IC。因此，三極管是一種電流控制的電流源(CCCS)。從表1-1中可以看出，當(dāng)三極管外部工作條件滿足并且處于放大狀態(tài)時(shí)，其集電極電流和基極電流的比值基本為一常數(shù)。三極管接成共發(fā)射極電路時(shí)，集電極電流IC與基極電流IB的比值稱為共發(fā)射極電流放大倍數(shù)，即直流電流放大倍數(shù)，用表示：

(1.2)

即直流電流放大倍數(shù)表示三極管的直流放大能力。

集電極電流的變化量ΔIC與基極電流的變化量ΔIB的比值稱為交流電流放大倍數(shù)，用β表示：

(1.3)

交流電流放大倍數(shù)表明三極管的交流放大能力。

顯然，和β的含義是不同的，但兩者數(shù)值較為接近，≈β，今后在估算時(shí)，都用β表示。知識(shí)窗

三極管β值的標(biāo)識(shí)

由于半導(dǎo)體器件的離散性較大，即使同型號(hào)管子的β數(shù)值也可能相差很大。為了便于選用三極管，國(guó)產(chǎn)管通常采用色標(biāo)來表示β的大小，部分三極管色標(biāo)對(duì)應(yīng)的β值見表1-2。1.3.3三極管的特性曲線

三極管的伏安特性曲線，是指三極管各極電壓與電流之間的關(guān)系曲線。三極管是非線性元件，所以其伏安特性曲線也是非線性的。三極管伏安特性曲線分為輸入特性曲線和輸出特性曲線。最常用的是共發(fā)射極接法時(shí)的輸入特性曲線和輸出特性曲線。圖1.22為三極管特性曲線測(cè)試電路。圖1.22三極管的特性曲線測(cè)試電路

1．輸入特性曲線

集電極與發(fā)射極之間的電壓UCE為常數(shù)時(shí)，輸入回路中加在三極管基極與發(fā)射極之間的發(fā)射結(jié)電壓UBE和基極電流IB之間的關(guān)系曲線，稱為輸入特性曲線，如圖1.23(a)所示。函數(shù)關(guān)系式為

(1.4)當(dāng)UCE=0時(shí)，從輸入端看進(jìn)去，相當(dāng)于兩個(gè)PN結(jié)并聯(lián)且正向偏置，此時(shí)的特性曲線類似于二極管的正向伏安特性曲線。UCE增大時(shí)，輸入特性曲線右移，這說明UCE對(duì)輸入特性有影響。特性曲線右移表明，同樣的UBE，IB將減小。UCE愈大，曲線愈向右移，但從UCE大于一定值(一般當(dāng)UCE>1V，集電極反偏)后，曲線基本重合，因此只需測(cè)試一條UCE>1V的輸入特性曲線。這說明，當(dāng)三極管實(shí)現(xiàn)放大作用的外部工作條件滿足時(shí)(發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置)，基極電流IB和發(fā)射結(jié)電壓UBE之間的關(guān)系是基本確定的。輸入特性曲線與二極管正向特性曲線一樣，也有一段死區(qū)電壓。一般硅管的死區(qū)電壓約為0.5V，鍺管約為0.1V。當(dāng)發(fā)射結(jié)導(dǎo)通后，導(dǎo)通壓降硅管為0.6～0.7V，鍺管為0.2～0.3V。圖1.23三極管的特性曲線(a)輸入特性曲線；(b)輸出特性曲線

2．輸出特性曲線

當(dāng)IB為常數(shù)時(shí)，輸出回路中集電極電流IC與集-射極電壓UCE之間的關(guān)系曲線，稱為輸出特性曲線。函數(shù)關(guān)系為

(1.5)

當(dāng)IB取不同值時(shí)，可以測(cè)得不同曲線，所以輸出特性曲線是一個(gè)曲線簇，如圖1.23(b)所示。根據(jù)三極管集電結(jié)、發(fā)射結(jié)的偏置情況，可將輸出特性曲線分成三個(gè)區(qū)域：放大區(qū)、飽和區(qū)、截止區(qū)。

1)放大區(qū)

將IB＞0、UCE＞1V、曲線比較平坦的區(qū)域稱為放大區(qū)，即UCE＞UBE。在放大區(qū)，發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置，集電極電流IC與基極電流IB成正比，即IC=βIB。當(dāng)UCE＞1V后，無論UCE怎樣變化，IC幾乎保持不變，具有恒流特性。

2)截止區(qū)

截止區(qū)指IB=0以下的區(qū)域，此時(shí)發(fā)射結(jié)、集電結(jié)均為反向偏置，三極管各極電流接近于0，e、b、c極之間可近似看做開路。

3)飽和區(qū)

飽和區(qū)指UCE≤UBE的區(qū)域。此時(shí)發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均正偏，三極管中IB失去對(duì)IC的控制作用，即三極管失去放大作用。此時(shí)所對(duì)應(yīng)的UCE值稱為飽和壓降，用UCES表示。一般小功率管的UCES在0.4V以下(硅管約為0.3V，鍺管約為0.1V)，大功率管的UCES為1～3V。理想情況可以認(rèn)為UCES≈0，c、e間相當(dāng)于短路。知識(shí)窗

能否根據(jù)三極管輸出特性曲線判斷β的大小？

從三極管的輸出特性曲線上可以看出，電流放大系數(shù)β相當(dāng)于兩條輸出特性曲線間的縱向間距ΔIC

與所對(duì)應(yīng)的基極電流增量ΔIB的比值。如果在同一測(cè)試條件下，還可以根據(jù)不同三極管的輸出特性曲線疏密來比較β的大小，即輸出特性曲線越密，β越小。所以，可以根據(jù)三極管輸出特性曲線判斷(或計(jì)算)β的大小。1.3.4三極管的主要參數(shù)及溫度的影響

1.主要參數(shù)

三極管的主要參數(shù)，除了前面討論的共射極直流電流放大倍數(shù)、共射極交流電流放大倍數(shù)β(≈β)以外，還有極間反向電流以及一些極限參數(shù)：

1)集電極—基極反向飽和電流ICBO

ICBO是晶體管發(fā)射極開路時(shí)，集電極和基極間的反向漏電流，在溫度一定的情況下，ICBO接近于常數(shù)，所以又叫反向飽和電流。常溫時(shí)，小功率硅管的ICBO小于1μA，鍺管的ICBO約為10μA。

2)穿透電流ICEO

ICEO為基極開路時(shí)，由集電區(qū)穿過基區(qū)流入發(fā)射區(qū)的電流。ICEO＝ICBO+βICBO，即

ICEO=(1+β)ICBO

(1.6)

而集電極電流IC為

(1.7)

3)集電極最大耗散功率PCM

集電極最大耗散功率PCM指集電結(jié)允許功率損耗的最大值，其大小由集電結(jié)所允許的最高工作溫度決定。一般硅管允許結(jié)溫為150℃，鍺管約為70℃，當(dāng)溫度過高時(shí)，管子容易燒壞。所以，當(dāng)PC=UCEIC<PCM時(shí)，才能保證管子正常工作。

4)集電極最大允許電流ICM

集電極電流IC增大到一定程度時(shí)，β值下降。規(guī)定β下降到正常值的2/3時(shí)所對(duì)應(yīng)的集電極電流為ICM。

5)反向擊穿電壓

當(dāng)基極開路時(shí)，集電極與發(fā)射極之間所能承受的最高反向電壓U(BR)CEO

稱為集電極與發(fā)射極之間的反向擊穿電壓，實(shí)際使用時(shí)要求滿足UCE<U(BR)CEO。

當(dāng)發(fā)射極開路時(shí)，集電極與基極之間所能承受的最高反向電壓U(BR)CBO稱為集電極與基極之間的反向擊穿電壓。

當(dāng)集電極開路時(shí)，發(fā)射極與基極之間所能承受的最高反向電壓U(BR)EBO

稱為發(fā)射極與基極之間的反向擊穿電壓。U(BR)EBO一般約為5V。

2.溫度對(duì)三極管參數(shù)的影響

三極管的各種參數(shù)都受溫度的影響，主要表現(xiàn)在ICBO、β和UBE。

1)溫度對(duì)ICBO的影響

ICBO是由集電區(qū)的少子及基區(qū)的少子所形成的電流，溫度越高，電子的熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的少子就越多，所以ICBO增加。ICBO的增加導(dǎo)致ICEO增加,三極管輸出特性曲線上移。實(shí)驗(yàn)測(cè)得溫度每升高10℃，ICBO約增加一倍。

2)溫度對(duì)UBE的影響

三極管在IB相同的條件下，輸入特性曲線隨溫度升高而左移，UBE減小。一般溫度每升高1℃，UBE減小2～2.5mV。

3)溫度對(duì)放大倍數(shù)β的影響

溫度升高時(shí)，三極管放大倍數(shù)β增大。

為了使三極管放大電路工作穩(wěn)定，應(yīng)盡量減小溫度變化，以提高放大電路的穩(wěn)定性。1.3.5三極管的引腳判別及性能測(cè)試

1.基極的判別

我們知道，每個(gè)三極管都有發(fā)射結(jié)和集電結(jié)兩個(gè)PN結(jié)，所以根據(jù)PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，就可以很快把基極判別出來。將萬用表歐姆擋選到R×1k或R×100，如圖1.24(a)所示。先假定某一管腳為基極，以黑表筆相接，用紅表筆分別接觸另外兩個(gè)電極，當(dāng)發(fā)現(xiàn)測(cè)得的兩阻值都很小(或都很大)時(shí)，將黑、紅表筆對(duì)調(diào)，重復(fù)測(cè)量一次，如果阻值都很大(或都很小)，則此假定正確，該電極為基極。

在上述的測(cè)量中其實(shí)已經(jīng)包括了三極管類型的判定。若最初是用黑表筆與假定的基極相接，且阻值都小的情況，為NPN型；反之，為PNP型。

如果測(cè)得阻值一大一小，重新假定另一個(gè)電極為基極，繼續(xù)測(cè)量，直到確定基極為止。

2.集電極、發(fā)射極的判斷

萬用表歐姆擋仍處于R×1k或R×100，以NPN型管為例，假定另兩個(gè)管腳中一個(gè)為集電極，在集電極和基極間接一個(gè)大電阻R(100kΩ左右)，如圖1.24(b)所示，用黑表筆接假定的集電極，紅表筆接發(fā)射極，測(cè)得一阻值，并記錄；重新假定另一個(gè)電極為集電極，重復(fù)上述過程，測(cè)得另一阻值。比較兩次測(cè)量阻值的大小，阻值小的那次測(cè)量中，假設(shè)是正確的。其中R也可以用手指(人體電阻)代替，但由于手指接觸松緊不同，要特別注意防止誤判，如圖1.24(c)所示。圖1.24三極管管腳測(cè)試電路圖(a)基極的測(cè)量；(b)集電極、發(fā)射極的測(cè)量；(c)用手指充當(dāng)電阻如果萬用表具有測(cè)量三極管β值的功能，則可以利用此功能判斷三極管的管腳。可以假定除基極之外的另兩個(gè)管腳中一個(gè)為集電極，一個(gè)為發(fā)射極，插入萬用表中測(cè)量β值的插孔中，測(cè)量管子的β值，如果測(cè)量值較大，說明假定是正確的。如果測(cè)量β的值較小，重新假定集電極和發(fā)射極，插入插孔重新測(cè)量。如果兩次測(cè)量結(jié)果均較小，說明管子可能已經(jīng)損壞。

3．三極管的選擇

根據(jù)電路的需要選擇三極管，一般會(huì)考慮工作頻率、集電極電流、電流放大倍數(shù)、反向擊穿電壓、耗散功率和熱穩(wěn)定性等因素。選擇時(shí)應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：

(1)盡量選擇硅管，因?yàn)殒N管的熱穩(wěn)定性差，只有在需要低電壓導(dǎo)通的場(chǎng)合才會(huì)考慮。

(2)三極管工作時(shí)，不能超越三極管的極限參數(shù)ICM、PCM、U(BR)CEO等，要留些余量，避免損壞管子。當(dāng)功率較大時(shí)，應(yīng)加裝散熱片。復(fù)習(xí)與討論

1.3-1按極性可將三極管分為哪兩類？從符號(hào)上怎么區(qū)別？

1.3-2三極管電流IB、IC和IE之間有什么關(guān)系？

1.3-3三極管實(shí)現(xiàn)放大的內(nèi)部條件和外部條件分別是什么？

1.3-4如何理解三極管的電流放大作用？

1.3-5畫出三極管的輸入、輸出特性曲線，并敘述其特點(diǎn)。

1.3-6用萬用表如何判定三極管的管腳和類型？

本節(jié)內(nèi)容對(duì)應(yīng)本章練習(xí)題1.1中的(5)～(7)，1.2中的(7)、(8)，1.9～1.14。1.4場(chǎng)效應(yīng)管

場(chǎng)效應(yīng)管也是由PN結(jié)組成的半導(dǎo)體有源器件，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，所以稱為電壓控制型器件。它在現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)和超大規(guī)模集成電路中得到廣泛應(yīng)用。其工作過程中只有一種載流子(多數(shù)載流子)參與導(dǎo)電，又稱為單極型場(chǎng)效應(yīng)管。知識(shí)窗

與三極管相比，場(chǎng)效應(yīng)管有哪些主要特點(diǎn)？

(1)場(chǎng)效應(yīng)管的輸入電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于三極管，可高達(dá)1015Ω；

(2)場(chǎng)效應(yīng)管的熱穩(wěn)定性好，噪聲小，而且抗輻射能力強(qiáng)；

(3)制造工藝簡(jiǎn)單、成本低、壽命長(zhǎng)而且體積小，便于大規(guī)模集成。場(chǎng)效應(yīng)管根據(jù)結(jié)構(gòu)不同，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)(即MOS管)兩大類；依其材料和制造工藝的不同，可分為N溝道場(chǎng)效應(yīng)管和P溝道場(chǎng)效應(yīng)管。1.4.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管

1.結(jié)構(gòu)和符號(hào)

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)、符號(hào)及實(shí)物外形如圖1.25所示。N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)，是在一塊N型硅半導(dǎo)體材料兩端各引出一個(gè)電極，一端稱做源極S，一端稱做漏極D，在N形材料兩側(cè)采用特殊工藝制作兩個(gè)高摻雜的P區(qū)，形成兩個(gè)PN結(jié)。兩側(cè)P區(qū)從內(nèi)部相連后引出一個(gè)電極，稱為柵極G。源極S和漏極D之間的電流溝道，稱為導(dǎo)電溝道(N溝道)，該溝道的多數(shù)載流子是自由電子。這種結(jié)構(gòu)稱為N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管。圖1.25

N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)、符號(hào)及實(shí)物外形(a)N溝道結(jié)構(gòu)示意圖；(b)N溝道符號(hào)及實(shí)物外形同理，在P型硅半導(dǎo)體材料兩端各引出一電極，并制作兩個(gè)N區(qū)，則構(gòu)成P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，其符號(hào)如表1-4所示。

2．工作原理

場(chǎng)效應(yīng)管工作在放大狀態(tài)時(shí)，外加電壓也需要滿足一定的條件，其工作原理如圖1.26所示。對(duì)于N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，柵極和導(dǎo)電溝道之間的PN結(jié)上的電壓必須為反向電壓，即UGS≤0，UGD≤0。當(dāng)UGS的大小改變時(shí)，PN結(jié)的寬度改變，導(dǎo)電溝道的寬度及溝道電阻也隨之變化。當(dāng)UDS

不變時(shí)，UGS可以控制漏極電流ID的變化。所以場(chǎng)效應(yīng)管為電壓控制型器件，可以等效為一個(gè)電壓控制的電流源(VCCS)。圖1.26

N溝道場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理

P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理相同，只是UDS為負(fù)電壓，UGS為正電壓，它也是利用UGS電壓來控制漏極電流

ID的。

3．特性曲線

場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線分為轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線。

1)轉(zhuǎn)移特性曲線

當(dāng)UDS一定時(shí)，漏極電流ID與柵源電壓UGS之間的關(guān)系曲線稱為轉(zhuǎn)移特性曲線，即

(1.8)

N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線如圖1.27(a)所示。圖1.27

N溝道JFET的伏安特性曲線(a)轉(zhuǎn)移特性曲線；(b)輸出特性曲線當(dāng)UGS=0時(shí)，ID最大，稱為飽和漏電流IDSS。

當(dāng)|UGS|增大時(shí)，溝道電阻增大，漏極電流ID減小。當(dāng)UGS=UGS(off)時(shí)，溝道夾斷，ID=0。UGS(off)稱為夾斷電壓。

當(dāng)UGS(off)≤UGS≤0時(shí)，漏極電流ID為

(1.9)

2)輸出特性曲線

當(dāng)柵源電壓一定，即UGS為定值時(shí)，漏極電流ID與漏—源極電壓UDS之間的關(guān)系曲線，稱為輸出特性曲線，即

(1.10)

實(shí)驗(yàn)測(cè)得，N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性曲線如圖1.27(b)所示。正常工作時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管可以分為3個(gè)工作區(qū)：

(1)可變電阻區(qū)。當(dāng)UGS不變時(shí)，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，漏源之間相當(dāng)于一個(gè)線性電阻RDS，這個(gè)電阻在UDS

較小時(shí)，主要由UGS決定，此時(shí)，溝道電阻近似為定值。當(dāng)UGS改變時(shí)，RDS隨之改變，故稱為可變電阻區(qū)。

(2)放大區(qū)(恒流區(qū))。當(dāng)UDS≥UGS-UGS(off)，即UGD=UGS-UDS≤UGS(off)時(shí)，導(dǎo)電溝道將發(fā)生預(yù)夾斷，溝道的電流幾乎不受溝道兩端的電壓UDS控制。在該區(qū)域ID幾乎不隨UDS

的增大而增大，而是隨著UGS的增大而增大，ID只受UGS的控制，體現(xiàn)出場(chǎng)效應(yīng)管電壓控制電流的控制作用。當(dāng)UGS

一定時(shí)，ID具有恒流特性。場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成放大電路時(shí)，應(yīng)該工作在該區(qū)域。

(3)截止區(qū)。當(dāng)UGS＜UGS(off)時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)電溝道將全部夾斷，漏極電流ID近似為0，無電流流過，場(chǎng)效應(yīng)管截止。

如果UDS繼續(xù)增大到一定值時(shí)，漏極電流ID急速加大，漏極D和源極S之間將會(huì)擊穿，若不限制，場(chǎng)效應(yīng)管將被損壞。該區(qū)域叫擊穿區(qū)，此時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管已不能正常工作。1.4.2絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管輸入電阻一般為106～109Ω，而絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的輸入電阻可超過109Ω，最高達(dá)1015Ω，故該類場(chǎng)效應(yīng)管應(yīng)用較為廣泛。絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管又稱為MOS管，按導(dǎo)電溝道可分為N溝道和P溝道兩種，按工作方式可分為增強(qiáng)型和耗盡型兩類。

1．N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管

1)結(jié)構(gòu)和符號(hào)

N溝道增強(qiáng)型絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管簡(jiǎn)稱增強(qiáng)型NMOS管，其結(jié)構(gòu)如圖1.28(a)所示。它是以一塊摻雜濃度較低，電阻率較高的P型硅為襯底，在襯底表面制作兩個(gè)摻雜濃度高的N區(qū)(用N+表示)作為源極S和漏極D，再在硅片上覆蓋一層二氧化硅絕緣層，噴鍍一層鋁作柵極G，最后引出電極封裝而成。由于柵極與漏源之間絕緣，故稱為絕緣柵型。因?yàn)槭怯媒饘?Metal)、氧化物(Oxide)和半導(dǎo)體(Semiconductor)制成，所以它又稱為金屬—氧化物—半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管，簡(jiǎn)稱MOS管。圖1.28(b)是增強(qiáng)型N溝道絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的圖形符號(hào)，箭頭向內(nèi)表示N溝道。若采用N型硅作襯底，源極、漏極為P+型，則導(dǎo)電溝道為P溝道，增強(qiáng)型P溝道場(chǎng)效應(yīng)管的電路符號(hào)如圖1.28(c)所示。其符號(hào)與N溝道類似，只是箭頭方向朝外。圖1.28

N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)及圖形符號(hào)

(a)N溝道結(jié)構(gòu)示意圖；(b)N溝道符號(hào)；(c)P溝道符號(hào)

2)工作原理

如圖1.29所示，給N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管加漏源電壓UDD、柵源電壓UGS，當(dāng)UGS=0時(shí)，漏極和源極之間相當(dāng)于兩個(gè)PN結(jié)背靠背串聯(lián)，其中一個(gè)PN結(jié)是反向的，漏極和源極間的電流很小，幾乎為0。當(dāng)UGS>0時(shí)，在柵極與襯底間將形成一個(gè)指向襯底的電場(chǎng)，此電場(chǎng)排斥P型襯底中的空穴，而吸引P型襯底中的自由電子到柵極下面。當(dāng)UGS足夠大時(shí)，在柵極下面形成一個(gè)高密度的電子層，由于電子層與P型襯底中多數(shù)載流子(空穴)的極性相反，所以稱為反型層。它將兩個(gè)N+區(qū)連接在一起，稱為N型導(dǎo)電溝道，在外加電壓UDS的作用下，形成漏極電流ID。通常，把形成導(dǎo)電溝道時(shí)所需的最小柵源電壓稱為開啟電壓，用UGS(th)表示。改變UGS可以控制溝道寬度，進(jìn)而控制漏極電流ID。圖1.29

N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理(a)結(jié)構(gòu)示意圖；(b)N溝道電路圖

3)特性曲線

(1)轉(zhuǎn)移特性曲線。增強(qiáng)型N溝道MOS管的轉(zhuǎn)移特性曲線如圖1.30(a)所示。若UDS足夠大(例如UDS＝10V)，使場(chǎng)效應(yīng)管工作在放大區(qū)，則其轉(zhuǎn)移特性曲線基本不變。圖1.30

N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管的伏安特性曲線

(a)轉(zhuǎn)移特性曲線；(b)輸出特性曲線當(dāng)UGS<UGS(th)時(shí)，ID≈0，這相當(dāng)于晶體管輸入特性曲線的死區(qū)；當(dāng)UGS=UGS(th)時(shí)，導(dǎo)電溝道開始形成，隨著UGS的增大，ID也增大，這說明ID開始受到UGS的控制。它們之間的關(guān)系可用下式近似表示：

(1.11)

式中，ID0是UGS=2UGS(th)時(shí)的ID值。

(2)輸出特性曲線。N溝道增強(qiáng)型絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性曲線如圖1.30(b)所示。UGS(th)=2V，當(dāng)UGS>2V時(shí)，才開始產(chǎn)生ID電流，正常工作時(shí)也分為可變電阻區(qū)、放大區(qū)(恒流區(qū))和截止區(qū)，當(dāng)UDS太大時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管也會(huì)被擊穿，對(duì)應(yīng)的區(qū)域叫做擊穿區(qū)。

2．N溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管

N溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)如圖1.31(b)所示,圖1.31(c)為其電路符號(hào)。制造該管時(shí)，在二氧化硅絕緣層中就摻入了大量的正離子，所產(chǎn)生的電場(chǎng)使場(chǎng)效應(yīng)管在UGS=0時(shí)，就已經(jīng)形成了原始的導(dǎo)電溝道。圖1.31

N溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)(a)外形圖；(b)結(jié)構(gòu)圖；(c)N溝道圖形符號(hào)在UDS為常數(shù)的條件下，當(dāng)UGS=0時(shí)，漏、源極間已經(jīng)導(dǎo)通，流過的是原始導(dǎo)電溝道的漏極電流IDSS。當(dāng)UGS<0時(shí)，即加反向電壓時(shí)，導(dǎo)電溝道變窄，ID減小。UGS負(fù)值愈高，溝道愈窄，ID也就愈小。當(dāng)UGS達(dá)到一定的負(fù)值時(shí)，導(dǎo)電溝道被夾斷，ID≈0，這時(shí)的UGS稱為夾斷電壓，用UGS(off)表示。

圖1.32(a)和(b)分別為N溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線。由圖可見，耗盡型絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管不論柵－源電壓UGS是正是負(fù)或零，都能控制漏極電流ID，這個(gè)特點(diǎn)使它的應(yīng)用具有較大的靈活性。一般情況下，這類管子還是工作在負(fù)柵－源電壓的狀態(tài)。圖1.32

N溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管特性曲線(a)轉(zhuǎn)移特性曲線；(b)輸出特性曲線實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)UGS≥UGS(off)時(shí)，ID與UGS的關(guān)系可用下式表示：

(1.12)

式中：IDSS為UGS=0的漏極電流；UGS(off)為夾斷電壓。知識(shí)窗

使用MOS管有什么注意事項(xiàng)？

(1)保存:要將MOS管各電極短路保存，以免感應(yīng)電壓過高造成擊穿，可以給各極加短路環(huán)，放在金屬盒子里或插在導(dǎo)電泡沫上；

(2)測(cè)試：不能用萬用表，必須用測(cè)試儀，而且在測(cè)試時(shí)應(yīng)先接入測(cè)試儀，再去除短路線，在任何時(shí)候，柵極都不能懸空；

(3)焊接：電烙鐵要有良好接地，在焊接時(shí)保持各極短路狀態(tài)。

各種場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)和特性曲線比較如表1-4所示。表1-4各種場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)和特性曲線比較

續(xù)表一

續(xù)表二

復(fù)習(xí)與討論

1.4-1什么是場(chǎng)效應(yīng)管？根據(jù)結(jié)構(gòu)不同，場(chǎng)效應(yīng)管可分為哪幾類？根據(jù)材料不同，可分為哪幾類？

1.4-2畫出N溝通增強(qiáng)型和N溝通耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)。

1.4-3場(chǎng)效應(yīng)管的三個(gè)電極，分別相當(dāng)于三極管的哪個(gè)電極？

本節(jié)內(nèi)容對(duì)應(yīng)本章練習(xí)題1.1(8)，1.2中的(9)、(10)，1.15～1.17。

本章小結(jié)

1.半導(dǎo)體的特性

導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)叫做半導(dǎo)體，常用的半導(dǎo)體有硅、鍺等材料。半導(dǎo)體中有自由電子和空穴兩種載流子。純凈的不含雜質(zhì)的導(dǎo)體(本征半導(dǎo)體)，在常溫下，載流子數(shù)目較少，導(dǎo)電能力較差。半導(dǎo)體具有熱敏特性、光敏特性和摻雜特性。

2.PN結(jié)及單向?qū)щ娞匦?/p>

在純凈的半導(dǎo)體中摻入三價(jià)或五價(jià)元素，可形成P型和N型半導(dǎo)體。經(jīng)特殊工藝制作形成PN結(jié)，是構(gòu)成半導(dǎo)體器件的核心。單個(gè)PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，正偏時(shí)導(dǎo)通，反偏時(shí)截止。小功率二極管的正向?qū)▔航涤善錁?gòu)成材料決定，一般硅管為0.7V，鍺管約為0.3V。理想二極管的導(dǎo)通電壓為零，反向電流為零。

3.晶體三極管的放大條件

三極管是由三個(gè)區(qū)、兩個(gè)PN結(jié)組成的，按極性可分為NPN型和PNP型兩大類。三極管內(nèi)部三個(gè)區(qū)的特點(diǎn)分別是：基區(qū)很薄，發(fā)射區(qū)摻雜濃度很高，集電結(jié)面積大。這也是三極管的內(nèi)部放大條件。三極管之所以具有電流放大作用，是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部工作條件共同決定的。三極管處在放大狀態(tài)的外部工作條件是：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。三極管是一種電流控制型器件。

4.晶體三極管的三個(gè)工作區(qū)(三種工作狀態(tài))

晶體三極管正常工作時(shí)有三種工作狀態(tài)，即三個(gè)工作區(qū)。

1)放大區(qū)(放大狀態(tài))

三極管處于放大區(qū)的條件：發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置。

三極管處于放大區(qū)的特點(diǎn)：IC=βIB。

2)飽和區(qū)(飽和狀態(tài))

飽和條件：發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為正向偏置。

飽和時(shí)的特點(diǎn)：IB失去對(duì)IC的控制作用，即失去放大作用，IC＜βIB；三極管飽和時(shí)，飽和壓降UCES≈0.3V，理想狀態(tài)時(shí)，可以認(rèn)為UCES等于零。

3)截止區(qū)(截止?fàn)顟B(tài))

截止條件：發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為反向偏置。

截止時(shí)的特點(diǎn)：IB≈0，IC≈0，IE≈0。

三極管在模擬電路中作為放大器件使用時(shí)，必須工作在放大區(qū)；在數(shù)字電路中作為電子開關(guān)使用時(shí)，工作在飽和區(qū)和截止區(qū)。知識(shí)窗

模擬電路和數(shù)字電路

電子技術(shù)中所講的“信號(hào)”是指變化的電壓或電流，即電信號(hào)。電信號(hào)分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)兩大類。

模擬信號(hào)是指在時(shí)間上信號(hào)的幅度連續(xù)變化的信號(hào)，如溫度、壓力、語音等物理量的信號(hào)。工作在模擬信號(hào)下的電子電路稱為模擬電子線路，簡(jiǎn)稱模擬電路。例如，常用的調(diào)幅、調(diào)頻收音機(jī)，目前通用的電視發(fā)射系統(tǒng)和電視接收機(jī)，指針式萬用表等。

數(shù)字信號(hào)指時(shí)間上和數(shù)值上都是離散的、不連續(xù)的信號(hào)。數(shù)字信號(hào)所表現(xiàn)的形式是信號(hào)在“有”和“無”兩種狀態(tài)間快速轉(zhuǎn)換，是一系列矩形脈沖串。工作在數(shù)字信號(hào)下的電子電路稱為數(shù)字電子線路，簡(jiǎn)稱數(shù)字電路。例如，數(shù)字顯示萬用表、數(shù)字顯示電子表等均為數(shù)字電路。模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的波形圖如圖1.33所示。圖1.33模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)波形圖

(a)模擬信號(hào)波形；(b)數(shù)字信號(hào)波形

5.晶體三極管的伏安特性曲線和參數(shù)

三極管的特性可以用伏安特性曲線來描述，三極管的參數(shù)是正確運(yùn)用三極管的重要依據(jù)，根據(jù)它們可以判斷三極管的質(zhì)量好壞，以及正確使用的范圍。

6.場(chǎng)效應(yīng)管及其分類

場(chǎng)效應(yīng)管是一種電壓控制型器件。場(chǎng)效應(yīng)管分為結(jié)型和絕緣柵型，其中絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管又分為增強(qiáng)型和耗盡型，每一種都包含N溝道和P溝道兩種類型。場(chǎng)效應(yīng)管正常工作時(shí)有三個(gè)工作區(qū)域，即可變電阻區(qū)、放大區(qū)、夾斷區(qū)，分別相當(dāng)于三極管的飽和區(qū)、放大區(qū)、截止區(qū)。練習(xí)題

1.1判斷題

(1)P型半導(dǎo)體是在純凈的半導(dǎo)體中摻入微量五價(jià)元素(例如磷)后形成的，自由電子數(shù)遠(yuǎn)大于空穴數(shù)。(

)

(2)在半導(dǎo)體中摻入雜質(zhì)的意義不是為了提高其導(dǎo)電能力，而是為了形成P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，從而構(gòu)成半導(dǎo)體器件。(

)

(3)正向電阻越大，反向電阻越小，表明二極管的單向?qū)щ娞匦栽胶谩?

)

(4)二極管正向?qū)〞r(shí)電阻很小，反向截止時(shí)電阻極大，所以理想二極管相當(dāng)于一個(gè)內(nèi)阻為零的開關(guān)。(

)

(5)三極管對(duì)電流的放大作用實(shí)質(zhì)是對(duì)能量的控制作用。

(

)

(6)當(dāng)三極管處于截止區(qū)時(shí)，發(fā)射結(jié)、集電結(jié)均反向偏置，近似看做開路。(

)

(7)既然三極管由兩個(gè)PN結(jié)組成，那么用兩個(gè)二極管串聯(lián)就可以組成三極管。(

)

1.2填空題

(1)純凈的半導(dǎo)體摻入微量雜質(zhì)后，電阻率將__________，溫度升高和受到光的照射時(shí)，導(dǎo)電能力將明顯__________。

(2)PN結(jié)的基本特性是__________。PN結(jié)加正向電壓，是指__________區(qū)電位高，__________區(qū)電位低。

(3)N型半導(dǎo)體的多子是__________，P型半導(dǎo)體的多子是__________。

(4)若二極管正反向電阻均趨于無窮大，表明二極管__________，若正反向電阻均趨于零，表明二極管__________。

(5)二極管的正向壓降由其構(gòu)成材料決定，一般硅管為_________V，鍺管為___________V。

(6)穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓時(shí)工作在__________區(qū)。

(7)三極管放大的內(nèi)部條件是__________很薄，__________摻雜濃度很高，__________面積較大，外部條件是__________正偏，__________反偏。

(8)三極管輸入特性是指__________之間的函數(shù)關(guān)系，輸出特性是指__________之間的函數(shù)關(guān)系。

(9)場(chǎng)效應(yīng)管三個(gè)電極D、G和S分別稱為__________極、__________極和__________極，相當(dāng)于三極管的__________極、__________極和__________極。

(10)場(chǎng)效應(yīng)管與三極管相比，主要特點(diǎn)是__________遠(yuǎn)高于三極管，__________穩(wěn)定性比三極管好。

1.3在實(shí)驗(yàn)室某同學(xué)用萬用表測(cè)量二極管的反向電阻時(shí)，用兩只手捏緊被測(cè)二極管管腳與表筆接觸的地方，以保證表筆和管腳接觸良好，當(dāng)發(fā)現(xiàn)測(cè)量的反向阻值較小時(shí)，就判定管子的性能不好。實(shí)際上，該二極管在電路中卻可以正常工作，試問原因何在？怎樣正確用萬用表判斷二極管的好壞與極性？

1.4現(xiàn)有甲、乙、丙三個(gè)二極管，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得，當(dāng)對(duì)二極管加0.5V的正向電壓時(shí)，甲管電流為0.5mA,乙管為5mA，丙管為3mA；當(dāng)對(duì)二極管加反向電壓時(shí)，甲管電流為1μA,乙管為0.1μA，丙管為5μA。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，試判斷哪一個(gè)二極管的性能最好？

1.5由理想二極管組成的電路如圖1.34所示，R＝3kΩ，試確定輸出電壓UO。圖1.34題1.5圖

1.6電路如圖1.35所示。已知VD為理想二極管，R=3kΩ，試根據(jù)圖中的電路判斷二極管是否導(dǎo)通，并求UO。

1.7電路如圖1.36所示。已知VD1和VD2均為理想二極管，R=3kΩ，試根據(jù)圖中的電路判斷二極管是否導(dǎo)通，并求輸出電壓UO。圖1.35題1.6圖圖1.36題1.7圖

1.8電路如圖1.37所示。若穩(wěn)壓二極管VD和VD的穩(wěn)定電壓分別為6V和8V，R=2kΩ，求電路的輸出電壓UO。圖1.37題1.8圖

1.9從電路符號(hào)上看，如何區(qū)分NPN和PNP型三極管？3DG6是什么類型的元器件？

1.10在某次三極管放大電路測(cè)試中，測(cè)得三極管三個(gè)電極對(duì)地電壓U1、U2、U3的數(shù)值如下：

(1)U1=3.5V，U2=2.8V，U3=1.5V；

(2)U1=11.8V，U2=12V，U3=5V；

(3)U1=6V，U2=11.3V，U3=12V；

(4)U1=3V，U2=9V，U3=9V；

(5)U1=－11V，U2=－6V，U3=－6.7V。

判斷它們是NPN型管還是PNP型管,是硅管還是鍺管，并確定各電極。

1.11用萬用表測(cè)得某一電極對(duì)另兩個(gè)電極的正向電阻均較小，反向電阻均較大，能否判斷這個(gè)三極管兩個(gè)PN結(jié)均好？若又測(cè)得c和e兩極間正反向電阻均趨向于無窮大，能否初步判斷這個(gè)三極管的好壞？

1.12電路如圖1.38所示。根據(jù)三極管各管腳對(duì)地電壓，判斷哪個(gè)管子已經(jīng)損壞，正常工作的管子各工作在什么狀態(tài)。圖1.38題1.12圖

1.13已知三極管處于放大工作狀態(tài)，β＝80，ICBO=1μA，IB=15μA，求IC及IE。

1.14電路如圖1.39所示。在測(cè)試某二極管時(shí)，出現(xiàn)了圖1.39所示的兩種實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

(1)兩次測(cè)量中哪一次指針偏轉(zhuǎn)的角度大？偏轉(zhuǎn)角度大時(shí)，阻值大還是阻值小？

(2)按照(a)、(b)圖中紅黑表筆的連接方式，測(cè)量的是二極管的正向電阻，還是反向電阻?

(3)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果判斷二極管的好壞。

(4)區(qū)分(a)圖中二極管的P極和N極。

(5)區(qū)分(b)圖中二極