第 1 章 常用半导体元器件 半导体元器件是用半导体材料制成的电子元器件，随着电子技术的飞速 发展，各种新型半导体元器件层出不穷。半导体元器件是组成各种电子电路 的核心元件，学习电子技术必须首先了解半导体元器件的基本结构和工作原 理，掌握它们的特性和参数 。 本章从讨论半导体的导电特性和 PN 结的单向 导电性开始，分别介绍二极管、双极型晶体管、绝缘栅场效应晶体管和半导 体光电器件等常用的半导体元器件 。 1.1 半导体的导电特性 1.1.1 导体、绝缘体和半导体 自然界的物质，按导电能力的强弱可 分为导体、绝缘体和半导体三类。 物质的导电能力可以用 电导率 σ 或 电阻率 ρ 来衡量，二者互为倒数。物质的 导电能力越强，其电导率越大，电阻率越小。 导电能力很强的物质称为 导体 。金属一般都是导体，如银、铜、铝、铁 等。原因是其原子最外层的电子受原子核的束缚作用很小，可以自由移动， 成为 自由电子 。在外电场个用下，自由电子逆电场方向运动而形成电流。导 体的主要特征是电阻率 ρ 很小，一般在 0.01 ～ 1 m/mm 2?? 之间，例如铜的 电阻率为 0.0175 m/mm 2?? 。 绝缘 体 是 导电能力极弱 的物质。这种物质的核外电子被束缚得很紧，因 而不能自由移动。如橡胶、塑料、陶瓷、石英等都是绝缘体。绝缘体的电阻 率大于 10 14 m/mm 2?? 。 半导体 是 导电能力介于导体和绝缘体之间的 物质 。 其电阻率在 10～ 1013 m/mm 2?? 之间。 如硅、锗、硒、砷化镓等都属于半导体。例如，在 27℃ 时， 纯硅的电阻率为 21 × 108 m/mm 2?? ；纯锗的电阻率为 47× 108 m/mm 2?? 。此外，半导体还具有不同于其他物质的一些特性： ( 1) 热敏特性 金属的电阻率随温度的变化很小，例如，温度每升高 1 ℃ ，铜的电阻率增加 0.4% 左右，即温度升高 100 ℃ ，电阻率增加不到一半。 电子技术 而半导体的导电能力对温度变化反应灵敏，电阻率随温度升高而显著降低。 例如，纯锗在温度从 20 ℃ 升高到 30 ℃ 时，其电阻率就要降低一半左右。利 用这种特性可以制成各种半导体热敏元件，用来检测温度变化。 ( 2) 光敏特性 金属的电阻率不受光照的影响，但半导体的导电能力对 光照敏感，光照可使半导体的电阻率显著减小。利用这种 特性可以制成各种 光敏元件。 (3) 掺杂特性 金属中含有少量杂质时，电阻率没有显著变化。但若在 纯净的半导体中加入微量杂质，其电阻率会发生很大变化，导电能力可增加 几十万乃至几百万倍。例如在纯硅中掺入百分之一的硼后，硅的电阻率会从 21 × 10 8 m/mm 2?? 降到 4 × 10 3 m/mm 2?? 左右。利用这种特性可制成半 导体二极管，三极管，场效应晶体管及晶闸管等各种不同用途的半导体器件。 为什么半导体会有这些不同于其他物质的特点呢？这要从其原子结构去 分析。 1.1.2 半导体的原子结构和共价键 在现代电子技术中，用得最多的半导体是锗和硅，它们的原子结构如图 1-1 所示。锗和硅的最外层电子都是 4 个，因此都是四价元素。最外层电子受 原子核束缚力最小，称为 价电子 。物质的化学性质是由价电子数决定的，半 导体的导电性质也与价电子有关。 a) 锗 （ Ge） b) 硅（ Si） c) 简化模型 图 1-1 锗和硅的原子结构 根据原子之间排列形式的不同，可把物质分成 晶体 和 非晶体 两大类。所 谓晶体就是这些物质的原子是按一定的规则整齐地排列着， 组成某种形式的 晶体点阵。现在所用的半导体材料都制成晶体。例如，将锗和硅材料提纯并 形成单晶体后，锗和硅原子就是按四角形系统组成晶体点阵，即每个原子处 于正四面体中心，而有四个其他原子位于四面体的顶点，如图 1-2 所示。由 于原子之间靠得很近，原来分属于每个离子的价电子就要受到相邻原子的影 响而使价电子为两个原子所共有，即形成了晶体中的 共价键 结构。图 1-3 是 +14 +4+32 第 1 章 常用半导体元器件 硅 晶体中共价键结构平面示意图。 图 1-2 晶体中原子的排列方式 图 1-3 硅晶体中的共价键结构平面示意图 1.1.3 本征半导体的导电机理 本征半导体 就是 完全纯净的，具有完整晶体结构的半导体。它是相对 于杂质半导体而言的。例如，纯锗和纯硅。 本征半导体共价健结构中的电子受到两个原子核的吸引力而被束缚。 它们不象导体中的价电子那么自由，但也不像绝缘体中的电子被束缚得那么 紧。在室温下，由于热激发，会使一些价电子获得足够的能量而挣脱共价键 的束缚成为 自由电子 。这种现象叫做 本征激发 。当电子跑出其价键成为自由 电子后，共价键中就留下一个空位，这个空位称作 空穴 。在本征半导体中， 自由电子和空穴总是成对出现的，有一个自由电子就有一个空穴，如图 1 - 4 所示。挣脱共键价束缚的电子类 似于导体中的自由电子，在电场的作用下将 逆电场方向运动形成电流。那么空穴是 否也能移动并参与导电呢？失去价电子 的原子成为带正电的正离子，因此可以 把空穴看成是带正电的粒子，它能够吸 引邻近共健中的价电子来填补这个空 穴。这时失去了价电子的邻近共价键中 出现的空穴又可以吸引其邻近的价电子 来递补，从而又出现一个空穴。如此进 行下去，就相当于空穴在移动。空穴是 带正电的，价电子填充空穴的移动相当 于带正电荷的粒子 ( 空穴 ) 的移动，也会 形成电流。 SiSi SiSi Si Si SiSi Si 硅原子 价电子 共价键 图 1-4 空穴和自由电子的形成 SiSi SiSi Si Si SiSi Si 空穴 自由 电子 电子技术 总之，在外加电场作用下，半导体中出现两部分电流：即自由电子作定 向移动而形成的 电子电流 和 仍被原子核束缚的价电子递补空穴而形成的 空穴 电流 。因此，自由电子和空穴都称为 载流子 。两种载流子同时参与导电是半 导体导电方式的最大特点，也是半导体和金属在导电原理上的本质区别所在。 自由电子会不会填补空穴呢？会的，自由电子填补空穴叫做 复合 。在一 定的温度下，本征半导体中的电子空穴对的数目保持一定，也就是说，电子 和空穴对不断产生，同时又不断复合，处于一种动态平衡状态。温度愈高， 载流子数目愈多，导电能力也愈强。所以，温度是影响半导体导电性能力的 一个很重要的外部因素。 1.1.4 N 型半导体和 P 型半导体 本征半导体虽有自由电子和 空穴两种载流子，但由于数量极少，导电能 力很弱。如果在其中掺入微量的杂质 ( 某种元素 ) ，就会使掺杂后的半导体 ( 称 作 杂质半导体 ) 的导电能力显著增强。因所掺入的杂质不同，杂质半导体可分 为 N 型和 P 型两大类。 （ 1） N 型半导体 若在四价的硅 ( 或锗 ) 晶体中掺入少量五价元素磷 (P)， 晶体点阵中磷原子就会占据某些硅原子原来的位置，如图 1-5 所示。磷原子 中的 5 个价电子只有 4 个能够和相邻的硅原子组成共价键结构，余下的一个 电子因不受共价键的束缚，容易挣脱磷原子核的吸引而成为自由电子。于是 自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这 种半导体的主要导电方式，故 称其为 电子型半导体 或 N 型半导体 。 N 型半导体中，由于自由电子数远大于 空穴数，因此自由电子是 多数载流子 ( 简称 多子 ) ，空穴是 少数载流子 ( 简称 少 子 ) 。由于磷原子是施放电子的，故称磷为 施主杂质 。 （ 2） P 型半导体 若在硅 ( 或锗 ) 的晶体中掺入三价元素硼 （ B） ，由于硼 原子只有 3 个价电子，因而在组成共价键结构时，因缺少一个价电子而多出 一个空穴，如图 1-6 所示。于是半导体中空穴数目大量增加，空穴导电成为 这种半导体的主要导电方式，故称它为 空穴型半导体 或 P 型半导体 。由于硼 原子是接受电子的，故称为 受主杂 质 。在 P 型半导体中，空穴为多子，自由 电子为少子。 第 1 章 常用半导体元器件 图 1-5 硅晶体中掺入磷元素 图 1-6 硅晶体中掺入硼元素 不论是 N 型半导体还是 P 型半导体，尽管都有一种载流子占多数，但是 整个晶体仍是电中性的。 【练习与思考】 1.1.1 电子导电和空穴导电有什么区别？空穴电流是不是由自由电子递补空 穴形成的？ 1.1.2 N 型半导体中的自由电子多于空穴， P 型半导体中的空穴多于自由电 子，是否 N 型半导体带负电，而 P 型半导体带正电？ 1.2 PN 结及其单向导电性 虽然 P 型和 N 型半导体的导电能 力比本征半导体增强了许多，但并不能 直接用来制造半导体器件。通常采用一定的掺杂工艺，在一块晶片的两边掺 入不同的杂质，分别形成 P 型半导体和 N 型半导体，在它们的交界面处就会 形成 PN 结 ，它是构成各种半导体器件的基础。那么 PN 结是怎样形成的，有 何特性呢 ? 1.2.1 PN 结的形成 掺杂工艺完成后，一块半导体晶片中形成 P 型和 N 型的两个异型区。 P 区内空穴很多而电子很少， N 区内电子很多而空穴很少，多数载流子由于浓 度的差异而产生 扩散运动 。空穴要从浓度高的 P 区向 N 区扩散，并与 N 区的 电子复合；电子要从浓度高的 N 区向 P 区扩散， 并与 P 区的空穴复合。扩散 使得 P 区和 N 区分别因失去空穴和电子而在交界面两侧留下带负电和正电的 离子，形成了一个 空间电荷区 ，如图 1 - 7 所示。这个空间电荷区就是 PN 结。 SiSi PSi Si Si SiSi Si 自由 电子 施主 杂质 SiSi BSi Si Si SiSi Si 空穴 受主 杂质 电子技术 图 1-7 PN 结的形成 空间电荷区的正负离子虽然带有电荷，但它们不能移动，因而不能参与 导电。在这个区域内，多数载流子已扩散到对方并被复合掉了，或者说消耗 尽了，所以空间电荷区也称为 耗尽层 ，它的电阻率很高。 正负离子在空间电荷区形成一个电场，称为 内电场 。由于内电场的方向 与扩散运动的方向相反，即对多数载流子 ( P 区的空穴和 N 区的自由电子 ) 的 扩散起阻挡作 用，所以空间电荷区又称为 阻挡层 。 虽然内电场阻碍多数载流子的扩散运动，但对少数载流子 ( P 区的电子和 N 区的空穴 ) 越过空间电荷区进入对方区域起着推动作用。这种少数载流子在 电场作用下有规则的运动称为 漂移运动 。漂移运动使交界面两侧 P 区和 N 区 由于扩散运动而失去的空穴和电子得到一些补充，其作用与扩散运动相反。 由此可见， PN 结的形成过程中存在着两种运动：一种是多数载流子因浓 度差而产生的扩散运动，另一种是少数载流子在内电场作用下产生的漂移运 动。这两种运动相互制约，最终，从 P 区扩散到 N 区的空穴数与从 N 区漂移 到 P 区的空穴数相 等，从 N 区扩散到 P 区的电子数与从 P 区漂移 N 区的电子 数相等，在一定条件下达到动态平衡，使 PN 结处于相对稳定状态。 1.2.2 PN 结的单向导电性 PN 结在没有外加电压时，其中的扩 散和漂移处于动态平衡， PN 结内无电流通 过。那么在 PN 结两端加上外部电压后， 情况会怎样？ （ 1） PN 结外加正向电压 将 PN 结 P 区接电源正极， N 区接电源负极，称为 PN 结 外加正向电压 ，又叫 正向偏置 ，如图 1-8 所示 。 PN 结正向偏置时，外电场与内 电场方向相反，从而削弱了内电场，破坏 空间电荷区 内电场方向 P区 N区 变窄 内电场外电场 P N E R FI 图 1-8 PN 结正向偏置 第 1 章 常用半导体元器件 了 PN 结原有的动态平衡，使得空间电荷区的宽度减小，多数载流子的扩 散 运动显著增强，形成较大的 扩散电流 ，而少数载流子的漂移运动减弱。所以 在外加正向电压的 PN 结中，扩散电流占主导地位， PN 结呈现的电阻很低， 在外电路中形成较大的流入 P 区的 正向电流 IF。 （ 2） PN结加反向电压 将 PN 结 N 区接电源正极， P 区接电源负极， 称为 PN 结 外加反向电压 ，又叫 反向偏置 ，如图 1-9 所示。 PN 结反向偏置时， 外电场与内电场方向相同，同样也破坏了 PN 结原有的动态平衡。外电场驱 使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走，使得空间电荷增加，空间电荷区 变宽，内电场增强，使多数载流子的扩散运动难以进行，扩散电 流趋近于零。 同时，内电场的增强也加强了少数载流子的漂移运动，但由于少数载流子数 量很少，因此 反向电流 IR 不大， PN 结呈 现很高的反向电阻。又因为少数载流子是 由于价电子获得能量挣脱共价键的束缚 而产生的，环境温度愈高，少数载流子的 数量愈多。所以，温度对反向电流的影响 很大。由于一定温度下，少数载流子的数 目是一定的，当电压超过某数值后，全部 少数载流子都参与导电，此时反向电流几 乎与外加电压的大小无关，故称为 反向饱 和电流 。 总之，外加正向电压时， PN 结电阻很低，正向电流很大 , PN 结处于导 通状 态；外加反向电压时，结电阻很高，反向电流很小， PN 结处于截止状 态。这就是 PN 结的单向导电性 。 【练习与思考】 1.2.1 为什么说扩散运动是多数载流子的运动，漂移运动是少数载流子的运 动？ 1.2.2 空间电荷区既然是由带电的正、负离子形成的，为什么它的电阻率很 高？ 加宽 内电场外电场 P N 0R ≈I E R 图 1-9 PN 结反向偏置 电子技术 1.2 半导体二极管 1.3.1 二极管的基本结构 半导体二极管是由一个 PN 结加上电极引出线和外壳构成的， P 区一侧 引出的电极称为 阳极 ， N 区一侧引出的电极称为 阴极 ， 电路符号如图 1-10a 所示 。 半导体二极管有很多类型。按材料的不同，常用的二极 管可分为硅管 和锗管两种；按 PN 结结构形式的不同，又可分为点接触型、面接触型和平 面型等。 (1) 点接触型二极管 结构如图 1-10b 所示，由三价金属铝的触丝与锗 结合构成 PN 结。其特点是 PN 结的结面积很小，因而结电容小，适用于高 频（可达几百兆赫兹）电路。但不能通过较大的电流，也不能承受高的反向 电压。主要用于高频检波和开关电路。 (2) 面接触型二极管 结构如图 1-10c 所示， PN 结是用扩散法或合金法 做成的。其特点是 PN 结的结面积大，能通过较大的电流 ( 可达几千安培 ) ， 但结电容也大，适用于频率较低的整流电路。 (3) 平面型二极管 结构如图 1-10d 所示。它是采用先进的集成电路制 造工艺制成的。其特点是结面积较大时，能通过较大的电流，适用于大功率 整流电路；结面积较小时，结电容较小，工作频率较高，适用于开关电路。 a) 电路符号 b) 点接触型二极管 c) 面接触型二极管 d) 平面型二极管 图 1-10 半导体二极管的电路符号及结构分类 阴极引线阳极引线 阳极 A 阴极 K 金属触丝 外壳 N型锗片 PN结VD 阳极引线 阴极引线 二氧化硅 保护层 P区 N型硅片 阳极引线 阴极引线 PN结铝合金 N型硅 金锑合金 基底 第 1 章 常用半导体元器件 1.3.2 二极管的伏安特性 描述电压与电流之间关系的特性称为伏安特性。二极管的伏安特性可用 伏安特性曲线和伏安特性方程两种形式来表示。 1. 二极管的伏安特性曲线 伏安特性曲线可以直观地反映出二极管的单向导电性。不同类型的二极 管，其参数不尽相同，但其伏安特性曲线的形状大致相同，如图 1-11 所示。 由曲线形状可知，二极管是非线性元件，其伏安特性分为 正向特性 、 反向特 性 和 反向击穿特性 三部分。 （ 1）正向特性 当外加正向电 压较低时，由于外电场还不足以克服 PN 结内电场对多数载流子扩散运动 的阻力，因此，这时的正向电流近似 为零，呈现较大的电阻。这一段（ OA 段）曲线称为二极管的 死区 ，对应的 电压称为 死区电压 ， 其数值与材料及 环境温度有关，硅管的死区电压约为 0.5V，锗管约为 0.2V。 当正向电压超过死区电压后， 内电场被大大削弱，二极管的电阻变 得很小，正向电流迅速增加，这时的 二极管才真正导通。由于这段特性很陡，在正常工作范围内，正向电压变化 很小，硅二极管的 正向导通压降 约为 0.6~0.7V，锗二极管约为 0.2~0.3V，当 电流较小时取下限值，当电流较大时取上限值。 （ 2）反向特性 当二极管上加反向电压时，少数载流子的漂移运动形 成很小的反向电流（ OB 段）。反向电流有两个特点：一是具有正温度特性， 即随温度的 升高而增大；二是在反向电压不超过某一范围时，反向电流的大 小基本恒定，故称为 反向饱和电流 。一般硅管的反向饱和电流比锗管小，前 者在几微安以下，而后者可达数百微安。 （ 3）反向击穿特性 当外加反向电压过高时（ BC 段），反向电流突然 增大，二极管失去单向导电性，这种现象叫作 PN 结的 反向 击穿 ( 电击穿 ) 。 产生击穿时的反向电压称为 反向击穿电压 。发生击穿的原因是外加的电场过 强，强制性地把原子的外层价电子拉出来，使载流子数目急剧上升。而处于 强电场中的载流子又因获得强电场所供给的能量，而将其他价电子撞击出来， 如此形成连锁反应， 反向电流愈来愈大，最后使得二极管反向击穿。 mA/Di V/Du 硅管锗管 B B A A CC O 图 1 - 11 二极管的伏安特性曲线 电子技术 一般来讲，二极管的 电击穿 是可以恢复的，只要外加电压减小即可恢复 常态。但普通二极管发生电击穿后，反向电流很大，且反向电压很高，因而 消耗在二极管 PN 结上的功率很大，致使 PN 结温度升高。而结温升高会使 反向电流继续增大，形成恶性循环，最终造成 PN 结因过热而烧毁 ( 称作 热击 穿 ) 。二极管热击穿后便会失去单向导电性造成永久损坏。 在正常工作范围内，当电源电压远 大于二极管正向导通压降时，实际工作 中可将二极管近似看成 理想二极管 ，其 伏安特性曲线如图 1-12 所示。二极管 正 向导通 时，忽略 正向导通压降和电阻， 二极管相当于短路；二极管 反向截止 时， 忽略反向饱和电流，反向电阻无穷大， 二极管相当于开路。 2. 二极管的伏安特性方程 二极管是一种非线性元件，其中的 电流 Di 和两端的电压 Du 间的函数关系 可近似用式 （ 1-1） 表示。 )1(e TD /SD ?= VuIi （ 1-1） 式中， IS 为反向饱和电流； VT 为 温度的电压当量 ，常温（ T =300K） 时， VT =26mV； uD 和 VT 在式中采用同一单位。 式 ( 1-1) 称作半导体二极管的伏安特性方程。当二极管外加正向电压，且 TD Vu >> 时，式中的 1e TD / >>Vu ，故 1 可略去，即正向电压与电流近似为指 数关系；当二极管外加反向电压时， uD 为负，若 TD Vu >> ，指数项接近于 零，故 SD Ii ≈ ，即二极管的反向电流基本上与电压无关。 1.3.3 二极管的主要参数 二极管的参数简要标明了二极管的性能和使用条 件，是正确选择和使用 二极管的依据。主要参数包括： (1) 最大整流电流 IF 最大整流电流 又称额定 正向平均电流 ，是指二极 管长时间使用时，允许流过的最大正向平均电流。它由 PN 结的面积和散热 条件决定，大功率二极管在使用时，应加装规定尺寸的散热片。当实际电流 超过该值时，二极管将因 PN 结过热而损坏。 (2) 最高反向工作电压 UR 最高反向工作电压 指保证二极管不被击穿所 允许施加的最高反向电压，一般规定为反向击穿电压的一半或三分之二。 mA/Di V/Du O 图 1 - 12 理想二极管的伏安特性 第 1 章 常用半导体元器件 (3) 最大反向电流 IRM 最大反向电流 指二极管加上最高反向工作电压 时的反向电流 值。反向电流越小，则二极管的单向导电性越好，并且受温度 的影响也越小。 其他参数，如二极管的最高工作频率、最大整流电流下的正向压降、结 电容等，可在需要时查阅产品手册，但要注意给出参数的测试条件和产品制 造过程中难以避免的分散性。 1.3.4 稳压 二极管 稳压二极管 简称 稳压管 ，又称 齐纳二极管 ，是一种用特殊工艺制造的面 接触型硅半导体二极管。它在电路中与适当阻值的电阻配合能起稳定电压的 作用。其电路符号如图 1-13a 所示。 a) 电路符号 b) 伏安特性曲线 图 1-13 稳压二极管的电路符号和伏安特 性曲线 稳压管的伏安特性曲线形状与普通二极管的类似，如图 1-13b 所示，只 是稳压管的反向特性曲线比普通二极管更陡一些。反向击穿后，电流在很大 范围内变化，管子两端的电压变化很小，因此可以稳压。与普通二极管不同， 稳压管工作在反向击穿区，它的反向击穿是可逆的，当去掉反向电压后，击 穿可以恢复。 稳压管的主要参数有如下几个 : (1) 稳定电压 UZ 稳定电压 是稳压管反向击穿后的在正常工作电压。一 般手册中所给出的都是在一定工作电流及温度等条件下的数值。由于工艺方 面的原因，即使同一型号的稳压管，其稳压值也有一定的离散性， 例如 2CW14 稳压管的稳定电压为 6～ 7.5V。 (2) 稳定电流 IZ 和最大稳定电流 IZmax 稳定电流 是指工作电压等于稳定 电压时的反向电流。 最大稳定电流 是指稳压管允许通过的最大反向电流。使 用稳压管时，工作电流不能超 IZmax值，否则稳压管将会发生热击穿而烧毁。 mA/I V/U 阴极 OZ U? ZI? ZU ZmaxI 阳极 VS 电子技术 所以，应注意采取适当的限流措施。 (3) 最大耗散功率 PZM 最大耗散功率 是指稳压管不发生热击穿的最大 功率损耗。 PZM=UZIZmax，已知 UZ 和 PZM 和就可以求出 IZmax。 (4) 动态电阻 rZ 动态电阻 是稳压管在反向击穿区稳定工作时，端电压 的变化量与相应电流变化量的比值，即 Z Z Z I Ur ? ?= （ 1-2） 它是衡量稳压管稳压性能好坏的指标。 rZ 愈小，则由 ZI? 引起的 UZ 变化量 ZU? 愈小，稳压性能愈好。 (5) 电压温度系数 Ua 电压温度系数 就是当温度变化 1℃时， UZ 变化的 百分比数，用以表示稳压管的温度稳定性。一般来说，低于 6V 的稳压管， 它的温度系数是负的；高于 6V 的稳压管，电压温度系数是正的；而 6V 左右 的稳压管，稳压值受温度的影响就比较小。 如果温度变化范围比较大，又要求稳压值的温度稳定性好，可选择具有 温度补偿的稳压管。如 2DW 系列的稳压管就是 由两个同型号的稳压管反向串接起来的，如图 1-14 所示 。工作时一个稳压管正向导通（作温度 补偿管），具有负温度系数；另一个稳压管反向 击穿（作稳压管），具有正温度系数。两者相互 补偿，使得整体的温度稳定性大大增强，即 1、 2 端的电压基本不受温度影响。也可利用 3 端单独 使用两边的稳压管。 1.3.5 二极管的应用 二极管的应用非常广泛范围很广，利用它的单向导电性和正向导通、反 向截止、反向击穿（稳压管）等工作状态，可以组成各种应用电路。下面介 绍几种简单的应用。 （ 1） 整流电路 利用二极管的单向导电性可以将交流电变为脉动的直流 电，这种变换称为 整流 。图 1-15 是简单的整流电路。 图 1-15 整流电路 21 3 图 1-14 具有温度补偿的 稳压二极管 T VD R 第 1 章 常用半导体元器件 （ 2） 钳位电路 二极管的钳位作用是指利用二 极管正向导通压降相对稳定，且数值较小（有时可 近似为零）的特点，来限制电路中某点的电位。例 如图 1-16 中，二极管的钳位作用使 Vo 被限制 0～ 6V 范围内。当开关 S 断开 时，由于二极管正向偏置， 若忽略其正向导通压降，阳极电位 Vo 被钳制在 6V； 当开关 S 闭合时，二极管截止， Vo 为零伏。 （ 3） 隔离电路 二极管的隔离作用是指利用二 极管截止时，通过的电流近似为零，两极之间相当 于断路的特点，来隔断电路或信号的联系。例如图 1-17 中，当 A 点电位 VA=0 时，二极管 VD1 导通， 起钳位作用使 Vo=0，这时若 VB = +6V，则 VD2 截 止， B 点的电位对输出 Vo 没有影响， VD2 起到了将 输出与输入 B 隔离的作用。 （ 4） 限幅电路 图 1-18a 为一二极管双向限幅 电路 ，用来限制输出电压的幅度。输入、输出波形 如图 1-18b 所示。 a) 电路图 b) 波形图 图 1-18 二极管双向限幅电路 在 ui 的正半周，当 ui<6V 时， VD1、 VD2 设均截止，输出 ui = uo；当 ui>6V 时， VD1 正偏导通， VD2 反偏截止，输出 uo =6V。 在 ui 的负半周，当 ui>－ 6V 时， VD1、 VD2 设均截止，输出 ui = uo；当 ui<－ 6V 时， VD2 导通， VD1 截止，输出 uo =－ 6V。 VDR +12V +6V VoS 图 1-16 钳位电路 +12V VD2 R Vo A B VD1 图 1-17 隔离电路 R VD1 VD2 6V 6V ui uo 0 6 12 6 tw 0 6 6 tw p2u i/V u o/V 电子技术 （ 5） 稳压电路 利用稳压管组成的简单 稳压电路如图 1-19 所示。 R 为限流电阻，用来 限制流过稳压管的电流。当稳压管处于反向击 穿状态时，稳定电压 UZ 基本不变，故负载电 阻 RL 两端的电压 uo 基本稳定，在一定范围内 不受 ui 和 RL 变化的影响。 【练习与思考】 1.3.1 如何使用万用表的电阻档判断二极管的好坏极性？ 1.3.2 把一节 1.5V 的电池直接接到（正向接法）二极管的两端，会不会发生 什么问题？ 1.3.3 为什么二极管的反向饱和电流与外加反向电压基本无关，而当温度升 高时会明显增大？ 1.3.4 为什么稳压管的动态电阻愈小，则稳压效果愈好？ 1.3.5 在图 1-19 中， RL=100?，电压 ui 随时间在 9～ 12V 范围内波动，要 求电压 uo 稳定为 6V。试确定稳压管 VS 和电阻 R 的参数。 1.3 双极型晶体管 半导体三极管分为双极型晶体管和场效应晶体管两大类。由于双极型晶 体管的发明和应用较场效应晶体管早得多，因而习惯上把双极型晶体管简称 为三极管或晶体管。 双极型晶体管 BJT （ Bipolar Junction Transistor）由两个 背对背的 PN 结构成，在工作过程中两种载流子（电子和空穴）都参与导电， 故 有“双极型”之称，以区别于一种载流子导电的场效应晶体管。 1.4.1 双极型晶体管的结构 双极型晶体管有 NPN 和 PNP 两种类型，图 1-20a 和 b 是其结构示意图和 电路符号。双极型晶体管的实际结构差别很大，以满足各种应用对工作特性 和制造工艺的具体要求。 R VSui uo RL 图 1-19 稳压管稳压电路 第 1 章 常用半导体元器件 a) NPN 型 b) PNP 型 图 1-20 双极型晶体三极管的结构示意图和电路符号 NPN 型和 PNP 型 BJT 都含有三个掺杂区（ 发射区 、 基区 、 集电区 ）和 两个 PN 结。发射区与基区间的 PN 结称为 发 射结 ，集电区与基区的 PN 结称 为 集电结 。由发射区、基区、集电区各引出一个电极，对应称为 发射极 E、 基极 B、 集电极 C。为了具有电流放大作用， BJT 按如下工艺制造： 1) 基区很薄且掺杂浓度很低。 2) 发射区掺杂浓度很高，与基区相差很大。 3) 发射区的掺杂浓度比集电区高，而集电区尺寸比发射区大。发射区与 集电区虽是同型半导体，但两者并不对称，使用时Ｅ，Ｃ两极不能互换。 NPN 型和 PNP 型晶体管的工作原理类似，只是在使用时电源极性连接不 同，下面以 NPN 型晶体管为例来分析讨论。 1.4.2 双极型晶体管的电流放大作 用 BJT 的电流放大作用有其 内部条件 和 外部条件 。内部条件是基区很薄且 掺杂浓度远低于发射区，由制造工艺实现；外部条件是发射结正向偏置，集 电结反向偏置，由外部电路提供。 在图 1-21 中，基极电阻 RB 与基极电源 UB 组成基极电路，使发射结正向 偏置；集电极电阻 RC 与集电极电源 UCC 组成集电极电路，使集电结反向偏置。 由于发射极是基极电路和集电极电路的公共端，故称这种电路为 共发射极电 路 。 在发射结正向偏置电压的作用下，发射区的电子不断通过发射结扩散到 基区，由于基区很薄且空穴浓度很低，发射区进入基区的电子只有一少部分 与基区 的空穴复合，而绝大部分继续扩散到集电结的边缘。当然，基区的空 穴也会扩散到发射区，但因为基区的掺杂浓度很低，故形成的电流（图中未 P P N C E B 集电区 发射区 基区 集电结 发射结 E C B N N P C E B 集电区 发射区 基区 集电结 发射结 E C B V V 电子技术 画出）很小，可以忽略。 由于集电结处于反向偏置，其 空间电荷区中的电场很强，因此， 扩散到集电结的边缘的电子在电 场作用下以漂移的方式越过集电 结，被集电区收集。另外，电场的 作用也会使集电区的空穴（少数载 流子）向基区漂移，形成由集电区 流向基区的 反向饱和电流 （图中未 画出），其大小取决于少数载流子 的浓度，因此很小。 内部载流子的运动对应形成 了发射极电流 IE、基极电流 IB 和集 电极电流 IC。它们之 间的关系为 BCE III += (1-3) 由于 BJT 制成后其内部尺寸和掺杂浓度是确定的，所以发射区所发射的 电子在基区复合的比例以及被集电区收集的比例也是基本确定的。由此形成 IE、 IB 和 IC 之间的比例关系，且在数值上 IC 接近于 IE 而远大于 IB。这样，当 IB 但发生微小变化时， IC 会对应响应较大的变化。这就是 BJT 的电流放大作 用，也就是通常所说的基极电流对集电极电流的控制作用。 1.4.3 双极型晶体管的特性曲线 BJT 的特性曲线能 直观地描述各极电压与电流之间的关系，是 BJT 内部 载流子运动的外部表现。由于 BJT 是三端元件，其特性描述不像二极管那样 简单，而且与电路连接形式有关，最常用的是共发射极接法时的输入特性曲 线和输出特性曲线。这些特性曲线可用特性图示仪直观地显示出来，也可以 通过图 1-22 所示的电路进行测试。电路中使用的是 NPN 型硅管 3DG6。 图 1-22 BJT 特性测试电路 B N P N E C RB RC UB UCC IC IB IE 图 1-21 共发射极电路中载流子的运动 RB RC UB UCC IC V mAI B UCEU BE 3DG6 μA V V 第 1 章 常用半导体元器件 （ 1）输入特性曲线 在共发射极电路中，输入信号接入基极电路，故基 极与发射极组成的回路称为输入回路。 输入特性曲线 是指当集 — 射极电压 UCE 为常数时，输入回路中基 极电流 IB 与基 — 射极电压 UBE 之间的关系曲线 IB = f (UBE)，如图 1-23 所示。 严格地讲，对于不同的 UCE，输入特性不是一条而是一组曲线。但是对 硅管而言，当 UCE > 1V 时，集电结已反向偏置，并且内电场已足够大，可以 把从发射区扩散到基区的电子中的绝大部分拉入集电区。如果此时再增大 UCE，只要 UBE 保持不变，从发射区发射到基区的电子数就一定， IB 也就基本 不变。就是说， UCE > 1V 后输入特性曲线基本上是重合的。所以，通常只画 出 UCE = 1V 的一条输入特性曲线。 由图 1-23 可见，和二极管的伏安 特性一样， BJT 输入特性也有一段死区。 只有在发射结外加电压大于死区电压时， IB 才会出现。硅管的死区电压约为 0.5V，锗管的死区电压不超过 0.2V。在政党工作情况下， NPN 型硅管的发射 结压降为 0.6~0.7V， PNP 型锗管的发射结压降为 0.2~0.3V。 （ 2） 输出特性曲线 在共发射极电路中，输出信号从集电极取出，因此 把集电极、发射极和电源 UCC 组成的回路称为输出回路。 输出特性曲线 是指 当基极电流 IB 为常数时，输出回路中集电极电流 IC 与集 -射极电压 UCE 之间 的关系曲线 IC = f (UCE)。对于不同的 IB，可得出不同的曲线，所以 BJT 的输 出特性曲线是一组曲线。如图 1-24 所示。 图 1-23 BJT 的输入特性曲线 图 1-24 BJT 的输出特性曲线 当 IB 一定时，从发射区扩散到基区的电子数大致是一定的。在 UCE 超过 一定数值（约 1V）以后，这些电子的绝大部分被拉入集电区而形成 IC，以致 4 3 1 2 3 6 9 120 V/CEU 0B =I μA20 μA40 μA60 μA100 μA80 放 大 区 饱和区 截止区 20 40 60 80 100 0 0.4 0.8 V/BEU V1CEU ≥I B/μ A I C/mA 电子技术 于当 UCE 继续增高时， IC 不再有明显的增加，形成恒流特性。 当 IB 增大时，相应的 IC 也增大，而且在一定范围内近似成正比例，这就 是 BJT 电流放大作用的表现。 通常把 BJT 的输出特性曲线分为三个工作区（见图 1-24）。 (1) 放大区 输出特性曲线上接近于水平的部分是 放大区 。在放大区， IC 与 IB 近似成正比，故放大区也称为线性区。如前所述， BJT 工作在放大状态 时，发射结处于正向偏置，集电结处于反向偏置。 (2) 截止区 IB = 0对应 的输出特性曲线以下的区域称为 截止区 。 IB = 0 时集电极电流用表示 ICEO，其值很小，若忽略不计，则 BJT 集电极与发射极 之间相等于开路，即相等于一个断开的电子开关。对于 NPN 型硅管，当 UBE<0.5V 时，即已开始截止，但是为了截止可靠，常使 UBE≤ 0。截止时集 电结处于反向偏置。 (3) 饱和区 当 UCE<UBE 时，集电极电位低于基极，集电结与发射结均 处于正向偏置， BJT 工作在饱和状态。在 饱和区 ， IB 的变化对 IC 的影响较小， 两者不成正比。饱和区集电极与发射极之间的电压 UCES称为 BJT的 饱和压降 ， 其值很小，通常硅管约为 0.3V，锗管约为 0.1V， 若忽略不计，则 BJT 集电极 与发射极之间相等于短路，即相等于一个闭合的电子开关。 在放大电路中， BJT 主要 工作于放大区；而在开关电路或脉冲数字电路 中， BJT 主要 工作于饱和区和截止区。 1.4.4 双极型晶体管 的主要参数 BJT 的参数用来表 征其性能和适用范围，是选择元件、设计电路的依据。 BJT 的参数很多，主要的参数有下面几个。 (1) 电流放大系数 当 BJT 接成共发射极电路时，静态 ( 无输入信号 ) 时 集电极电流 IC 与基极电流 IB 的比值称为共发射极 静态电流 ( 直流 ) 放大系数 B C I I=b （ 1-4） 当 BJT 工作在动态 ( 有输入信号 ) 时，基极电流变化量 ?IB 与对应集电极 电流变化量 ?IC 的比值称为 动态电流 ( 交流 ) 放大系数 B C I I ? ?=b （ 1-5） 两者的含义虽然不同，但在输出特性曲线近于等 间 距（ IB 等差变化）水 平且 ICEO 很小的情况下，两者较为接近，因此实际应用中一般不作严格区分。 常用的小功率 BJT 的 b值约为 20~150。 b值随温度升高而增大，在输出特性曲 第 1 章 常用半导体元器件 线反映为曲线上移且曲线的间距增大。 (2) 集 — 基极反向饱和电流 ICBO 集 — 基极反向饱和电流 是当发射极开 路时的集电极电流。 ICBO 是由少数载流子的漂移运动造成的，受温度的影响 大。在室温下，小功率锗管的 ICBO 约为几微安到几十微安，小功率硅管 在 1μA 以下，且硅管温度稳定性优于锗管。 (3) 集 — 射极反向饱和电流 ICEO 集 — 射极反向饱和电流 是当基极开路 时的集电极电流。因为它好像是从集电极直接穿透 BJT 而到达发射极的，所 以又称为 穿透电流 。 ICEO 受温度的影响很大，在数值约为 ICBO 的 b倍， ICBO 愈 大、 b愈高， BJT 的温度稳定性愈差。一般硅管的 ICEO 比锗管的小 2～ 3 个数 量级。 (4) 集电极最大允许电流 ICM 集电极电流 IC 超过一定值时， BJT 的 b值 要下降。当 b值下降到正常值的三分之二时的集电极电流，称为 集电极最大允 许电流 ICM。因此，在使 用 BJT 时， IC 超过 ICM 并不一定会使 BJT 损坏，但 以降低 b值为代价。 (5) 集 -射极反向击穿电压 U(BR)CEO 基极开路时，加在集电极和发射之 间的最大允许电压称为 集 -射极反向击穿电压 U(BR)CEO。当 BJT 的集 -射极电压 UCE>U(BR)CEO 时，集电结将被反向击穿， ICEO 会突然大幅度上升。手册中给出 的 U(BR)CEO 一般是常温 (25℃ )时的值，温度升高后，其数值要降低，使用时应 特别注意。 (6) 集电极最大允许耗散功率 PCM BJT 工作时集电极的功率损耗 PC=ICUCE。 PC 的存在使集电结 的结温升 高，若 PC>PCM 时将会导致 BJT 过热损 坏。由此而限定的 PC 称为 集电极最大 允许耗散功率 PCM。 PCM 主要受结温限 制，一般来说，锗管允许结温约为 70～ 90℃，硅管约为 150℃。 根据 BJT 的 PCM 值，可在 BJT 输出 特性曲线上作出 PCM 曲线，它是一条双 曲线。由 ICM、 U(BR)CEO、 PCM 三个极限 参数共同界定了 BJT 的 安全工作区 ，如 图 1-25 所示。 1.4.5 双极型晶体管简化 的小信号模型 O CEU CMI (BR)CEOU CEOI CI CMP 安全工作区 图 1-25 BJT 的安全工作区 电子技术 从 BJT 的特性曲线可以看到，它的输入特性曲线和输出特性曲线都是非 线性的，因此， BJT 是一个非线性元件。但是 ，如果 BJT 工作在特性曲线近 似于直线的部分，而且工作信号是变化范围很小的小信号，那么在这小范围 内，局部的特性曲线就可以近似看成是一小段直线。如此进行 线性化 处理后， 在这种工作条件下的 BJT 就可以用一个线性电路等效模型来描述，使电路的 分析和计算得以简化。这样的线性电路模型称为 BJT 的 小信号模型 ，其建立 的过程如图 1-26 所示。其中，图 1-26a 为共发射极电路的局部。 a) 局部电路 b) Q 点附近的输入特性曲线 c) 模型 图 1-26 BJT 小信号模型的建立 在共发射极电路中，设 BJT 工作在放大区的 Q 点处，基极电路对应的电 压和电流分别为 UBEQ 和 IBQ。当基 — 射极电压在 UBEQ 的基础上出现一个小的 变化量 ?UBE 时，基极电流也会产生一个对应的变化量 ?IB。如图 1-26b 所示， 由于变化量 ?UBE 和 ?IB 比较小， Q 点附近的输入特性曲线可以近似看成是直 线，则 ?UBE 和 ?IB 之间的关系可以用动态电阻来反映，即 B BE be I Ur ? ?= （ 1-6） rbe 称为 BJT 的输入电阻 ， 一般为几百到几千欧 。低频小功率 BJT 的 rbe 常用 下 面数值公式估算 EQ bbe mV26)1( Irr ++≈ b （ 1-7） 式中， IEQ 为 Q 点对应的发射极电流，单位为 mA； rb 为基区电阻，当 IEQ<5mA 时，约为 200?。 由于 工作在放大区， BJT 的 IC 受 IB 的控制，变化量 ?IB 也会使集电极电 流产生变化量 ?IC。若将输出特性近似为一组以 IB 为参变量的平行于横轴的直 线，则 ?IC 只受 ?IB 的控制，而与 UCE 无关。因此集电极与发射极之间可以用 一个 ?IC=b?IB 的电流控制电流源（ CCCS） 来等效，如图 1-26c 所示。 BI? CI? BEU? CEU? C E B BI O BEU BEQU BQI Q BI? BEU? B E C BEU? BI? CI? CEU? BI?? ber 第 1 章 常用半导体元器件 上述电路 模型只适用于小信号的情况，且因忽略了 UCE 对 IB 和 IC 的影响， 故称为 简化的小信号模型 。 【练习与思考】 1.4.1 BJT 的发射极和集电极是否可以调换使用，为什么？ 1.4.2 BJT 具有电流放大作用的内部条件和外部条件各是什么？ 1.4.3 如何用万用表的电阻档一只双极型晶体管的类型和区分三个电极？ 1.4.4 根据图 1-27 所示各 BJT 三个电极的电位，判断它们分别处于何种工作 状态？ 图 1-27 题 1.4.4 的图 1.4.5 在使用 BJT 时，只要①集电极电流超过散功率散功率 ICM 值；② 耗散功率 超过 PCM 值；③集 -射极电压超过 U(BR)CEO 值， BJT 就必然损坏。上 述几种说法是否都是正确的？ 1.4 绝缘栅型场效应晶体管 场效应晶体管 FET （ Field Effect Transistor）是利用外加电压产生的电场 强度来控制其导电能力的一种半导体器件。按其结构可分为结型场效应晶体 管和绝缘栅型场效应晶体管两大类。这里仅介绍应用更为广泛的绝缘栅型场 效应晶体管（ Insulated Gate FET， IGFET）。 1.5.1 基本结构和工作原理 绝缘栅 型 场效应 晶体 管 按 其导电类型的不同，分为 N 沟道 和 P 沟道 两类， 每 一类又分为 增强型 和 耗尽型 两种。 N 沟道绝缘栅 型 场效应 晶体 管的结构如图 1-28 所示。它以一块掺杂浓度 较低的 P 型硅片作为衬底，在其中扩散两个掺杂浓度很高的 N+型区，并引出 两个电极，分别称为 源极 S 和 漏极 D。型硅片表面覆盖一层极薄底二氧化硅 绝缘层，在两个 N+型区之间的绝缘层上制作一个金属电极称为 栅极 G。因栅 极与其他电极及硅片之间是绝缘的，故有 绝缘栅 型 之称 ；或者按其 金属 — 氧 化物 — 半导体 的材料构成，称其为 MOSFET ( Metal Oxide Semiconductor FET)。 0V 6V 1V 3.7V 3V 3.3V 6V 2V 2.7V 电子技术 a) 耗尽型 b) 增强型 图 1-28 N沟道绝缘栅 型 场效应 晶体 管的结构 如图 1-28a 所示， 在制造 N 沟道 MOSFET 时， 如果 在 二氧化硅绝缘层中 掺入大量正离子，就会在两个 N+型区之间的型衬底表面形成足够强的电场， 这个电场将会排斥 P 型衬底中的空穴，并把衬底中的电子吸引到表面，形成 一个 N 型薄层，将两个 N+型区即漏极和源极沟通。这个 N 型薄层称为 N 型 导电沟道 ，又因是 P 型衬底中的 N 型层而称为 反型层 。这种 MOSFET 在制 造时导电沟道已经形成，称为 耗尽型 MOSFET。 如图 1-28b 所示。 如果导电沟 道不是预先在制造时形成的，而是 利用外 加 栅 -源 电压 形成 电场产生的，则此类 称为增强型 MOSFET。 P 沟道 MOSFET 因在 N 型衬底中生成 P 型反型层而得名。其结构和工作 原理与 N 沟道 MOSFET 相似。只是使用的 栅 -源和漏 - 源电压得极性与 N 沟 道 MOSFET 的相反。各类型 MOSFET 的电路符号如图 1-29 所示。在 增强型 MOSFET 的符号中，源极 S 和漏极 D 间的连线是断开的，表示 UGS=0 时导电 沟道尚未形成。 a) N 沟道耗尽型 b) N 沟道增强型 c)P 沟道耗尽型 d)P 沟道增强型 图 1-29 MOSFET 的电路符号 由于 MOSFET 工作时只有一种极性的载流子（ N 沟道是电子、 P 沟道是 空穴）参与导电，故亦称为 单极型晶体管 。与双极型晶体管的共发射极接法 类似， MOSFET 常采用 共源极 接法，如图 1-30 所示。 G D S G D S G D S G D S N+ N+ G P型衬底 DS 绝缘层N沟道 GSU N+ N+ G P型衬底 DS 绝缘层N沟道 耗尽层 第 1 章 常用半导体元器件 当 栅 -源电压 UGS为某一数值时， 增强型 MOSFET 的漏 — 源极之间形成 N 型 导电沟 道， 在正电源 UDD 的作用下，沟道中的电子 从源极侧向漏极运动，形成 漏极电流 ID。如 果栅 -源电压增加，则垂直于衬底的表面电场 强度加强，从而使导电沟道加宽，引起漏极 电流 ID 增大。因此， MOSFET 是利用电场效 应改变导电沟道来控制漏 极电流 ID 的，或者 说，是利用电压 UGS来控制漏极电流 ID 的。 MOSFET 与 BJT 都是半导体三极管 ， MOSFET 的源极、漏极、栅极分别 相当于 BJT 的发射极、集电极、基极。 BJT 的集电极电流 IC 受基极电流 IB 控制，是一种 电流控制元件 ；而的 MOSFET 漏极电流 ID 受 栅 -源电压 UGS控 制，是一种 电压 控制元件 。但 与 BJT 相比 MOSFET 具有输入电阻大、耗电少、 噪声底、热稳定性好、抗辐射能力强等优点，常用于低噪声放大器的前级或 环境条件变化较大的场合。另外， MOSFET 的制造工艺比较简单，占用芯片 面积小，特别适用于制造 大规模集成电路。 与 BJT 类似， MOSFET 不仅可以通过 UGS对 ID 的控制用于信号 放大，而 且也可以作为开关元件， 通过 UGS 控制其导通或关断，广泛应用于 开关电路 和脉冲数字电路中。当然，因应用领域和特性要求不同，其结构、工艺及称 谓也有很大差异。 1.5.2 绝缘栅型场效应晶体管的特性曲线 由于 MOSFET 的栅极是绝缘的，栅极电流 IG≈ 0，因此不研究 IG 和 UGS 之间的关系。 ID 和 UDS、 UGS之间的关系可用输出特性和转移特性来表示。所 谓输出特性是以 UGS为参变量的 ID 和 UDS之间的关系 ID = f (UDS)； 所谓 转移 特性 是以 UDS为参变量的 ID 和 UGS之间的关系 ID = f (UGS)。图 1-31 所示为 N 沟道增强型 MOSFET 的 转移特性曲线和输出特性曲线。 图 1-30 共源极电路 G D S UDS UGS RD ID UG UDD V 电子技术 a) 移特性曲线 b) 输出特性曲线 图 1-31 N沟道增强型 MOSFET 的转移特性曲线和输出特性曲线 N 沟道增强型的 MOSFET 不具有原始导电沟道 , 漏、源两个 N+型区之 间被 P 型衬底隔开，漏极和源极之间相当于两个背靠背的 PN 结。当 0<UGS<UGS(th) 时， 导电沟道尚未联通，不管漏 — 源电压 UDS的极性如 何，总 有一个 PN 结是反向偏置的，所以漏极电流 ID≈ 0。只有当 UDS >UGS(th) 时 , 才 会有漏极电流 ID 出现。在一定的漏 — 源电压 UDS 作用下，使 MOSFET 由不 导通变为导通的临界栅 — 源电压称为 开启电压 UGS(th)。如图 1-31a 所示， 转移 特性 反映着 UGS对 ID 的控制特性。 MOSFET 的 输出特性曲线 亦称 漏极特性曲线 ，如图 1-31b 所示。当 UDS 较小时，在一定的 UGS作用下， ID 几乎随 UDS的增大而线性增大， ID 增长的 斜率取决于 UGS 的大小。在这个区域内，漏极和源极之间可看作一个受 UGS 控制的可变电阻， 故称为 可变电阻区 。当 UDS较大时， ID 几乎不再随 UDS的 增大而变化，但在一定的 UDS下， ID 随 UGS的增加而增长，故这个区域称为 线性放大区 或 恒流区 ，用于放大时就工作在这个区域。如果漏 - 源电压过大， 当其超过 最大漏 -源极击穿电压 UDS(BR) 时，将会使漏区与衬底间的 PN 结反向 击穿，进入击穿区使 MOSFET 损坏。 P 沟道增强型 MOSFET 漏极电源、栅极电源的极性均与 N 沟道增强型 MOSFET 相反，故其转移 特性曲线在第三象限。也就是说， P 沟道增强型 MOSFET 漏极和源极间应加负极性电源，栅极电位应比源极电位低 GS(th)U 时 MOSFET 才能导通。 耗尽型 MOSFET 由于 具有原始导电沟道，所以 UGS＝ 0 时漏极电流已经 存在，用 IDSS 表示，称为 饱和漏极电流 。 N 沟道 耗尽型 MOSFET 的转移 特性 曲线和输出特性曲线如图 1-32 所示。 O V/DSU mA/DI 恒 流 区 可 变 电 阻 区 mA/DI O V/GSU 常数=DSU GS(th)U 击 穿 区 DS(BR)U V2GS =U V3 V4 V5 第 1 章 常用半导体元器件 当 UGS减小（即向负值方向增大）到某一数值时， N 型沟道消失， ID≈ 0， 耗尽型 MOSFET 处于夹断状态（即截止），此时的栅 -源电压称为 夹断电压 UGS(off) ，如图 1-32a 所示。可见，耗尽型 MOSFET 不论 栅 -源电压 UGS是正 是负或是零，都能控制漏极电流 ID，这个 特点使其应用具有更大的灵活性。 a) 移特性曲线 b) 输出特性曲线 图 1-32 N沟道 耗尽型 MOSFET 的转移特性曲线和输出特性曲线图 实验表明，在 图 1-32b 所示输出特性曲线的恒流区内， N 沟道 耗尽型 MOSFET 的 ID 可近似表示为 )(1 GS(off)GS 2 GS(off) GS DSSD UUU UII > ??? ? ??? ? ?= （ 1-8） 与增强型 MOSFET 一样，耗尽型也有Ｎ沟道和Ｐ沟道之分。无论哪种类 型的 MOSFET，使用时必须注意所加电压的极性。 增强型和耗尽型绝缘栅场效应晶体管的主要区别就在 于是否有原始导电 沟道。所以，如果要判别一个没有型号的 MOSFET 是增强型还是耗尽型，只 要检查它在零栅压下，在漏、源极间加电压时是否能导通，就可作出判别。 1.5.3 缘栅场型场效应晶体管的主要参数 增强型 MOSFET 的开启电压 UGS(th) 、耗尽型 MOSFET 的夹断电压 UGS(off) 和饱和漏极电流 IDSS 以及共同的 最大漏 — 源极击穿电压 UGS(BR) 等 参数已经 在上文中介绍，此外的主要参数有下面几个。 (1) 栅 -源直流输入电阻 RGS 栅 -源直流输入电阻 是在 漏 、 源两极短路的 情况下，外加 栅 -源直流电压 与栅极直流电流的比值。由于 MOSFET 是电压 控制元件，所以 RGS 很大，一般大于 109?，这是 MOSFET 的优点之一。但 是正是由于 RGS 很大，应该注意可能出现栅极感应电压过高而造成绝缘层击 穿的问题。为了避免这种损坏，保存 MOSFET 时，应将其各电极短接；在电 O V/DSU mA/DI 可 变 电 阻 区 mA/DI O V/GSU 常数=DSU GS(off)U 击 穿 区 DS(BR)U V0GS =U V1? V2? V1 DSSI 恒 流 区 电子技术 路中栅、源极之间应有直流通路；焊接时，电烙铁应断电或具有良好的接地 线。 (2) 栅 -源击穿电压 UGS(BR) 栅 -源击穿电压 是在增大 MOSFET UGS的过 程中，绝缘层击穿使 IG 迅速增大时的 UGS值。 (3) 最大漏极电流 IDM 和 最大耗散功率 PDM IDM 和 PDM 都是 MOSFET 的极限参数。 IDM 是 MOSFET 工作时允许流过的最大漏极电流。 PDM 是 MOSFET 正常工作时，其漏极允许的耗散功率（ PD ＝ IDUDS）最大值，受 MOSFET 最高工作温度的限制。 (4) 低频跨导 gm 低频跨导 是在 UDS为某一固定值时，漏极电流的微小 变化 ?ID 和对应的输入电压变化量 ?UGS之比，即 常数=? ?= DSUGS D m U Ig ( 1-9) 其单位常采用 μS 和 mS（ S 即西 [ 门子 ] ，是电导的单位）。它的大小是转移特 性曲线在工作点处 的斜率，工作点的位置不同，值也不同。 gm表征栅 -源电压 对漏极电流控制作用的大小，是衡量 MOSFET 放大能力的参数。 1.5.4 缘栅场型场效应晶体管简化的小信号模型 和 BJT 一样，当 MOSFET 在低频小信号状态下 工作时，可以用它线性的小信号模型电路来代替。 MOSFET 的输出特性曲线在线性放大区内比较 平坦，可以近似看成是和横轴平行的直线，故 ID 仅 受 UGS 控制，与 UDS 无关。由式 ( 1-9) 可知， ?ID＝ gm?UGS，因此可用一个电压控制电流源（ VCCS）来 建立 MOSFET 简化的小信号模型，如图 1-33 所示 。 受控电流源 gm?UGS 受电压 ?UGS 的控制。由于 MOSFET 的栅 -源输入电阻很大，故可认为栅、源极 间是开路的。 【练习与思考】 1.5.1 说明增强型绝缘栅场效应晶体管的工作原理，它和双极型晶体管的工 作原理有何不同？各自的特点是什么？ 1.5.2 N沟道增强型和耗尽型 MOSFET 有何区别？说明 UGS(th)和 UGS(off)的物 理意义。 1.5.3 N沟道和 P 沟道 MOSFET 在正常工作时，其外接电源极性有何区别？ 1.5.4 场效应晶体管在使用中应注意什么问题？ 图 1-33 MOSFET 简化的小信号模型 G S D GSU? DI? GSmg U? 第 1 章 常用半导体元器件 1.6 半导体光电器件 光和电是不 同形式的能量，相互的转换是可逆的。半导体器件可以作为 光、电能量转换的媒体。在光照作用下，照射光中的光子能够破坏半导体晶 体的共价键，释放出电子；在电场作用下，电子与空穴复合发出的能量也能 以一定波长的光的形式辐射。采用不同材料、工艺、结构制造的，用于光、 电能量或信号转换的半导体电子器件统称为 半导体光电器件 。这类器件种类 繁多，如发光二极管、激光二极管、光电池、光敏电阻、光敏二极管、光电 三极管、光耦合器等。因其具有响应速度快、传输损耗小、抗干扰能力强等 突出优点，适用于能量转换、信息传输与显示、信号传感与隔离，因而在 现 代电子技术中应用日趋广泛。本节仅介绍几种常用半导体光电器件。 1.6.1 发光二极管 半导体发光二极管 是一种将电能直接转换成光能的固体器件，简称 LED (Light-emitting Diode)，其电路符号如图 1-34a 所示。 和普通二极管相似， LED 也是由一个 PN 结构成， PN 结封装在透明管壳 内，且同样具有单向导电的特性。 LED 之所以能发光，是由于它在结构、材 料等方面与的普通二极管有所不同。它的 PN 结面做得比较宽，半导体材料 的掺杂浓度也比普通二极管高得多。在正向导通时， P 区的空穴注入到 N 区， N 区的电 子注入到 P 区，相互注入的大量电子和空穴相遇而复合，复合所释 放出的能量大部分以发光的形式输出。发光的波长由制造 LED 所使用的材料 和杂质掺杂浓度而定，波长不同，发颜色光也不一样。砷化镓 LED 发红外光， 磷化镓 LED 发绿光，磷砷化镓发红光或黄光。 发光二极管的工作电压一般在 2V 以下，工作电流为几毫安至十几毫安。 用于发光指示的简单电路如图 1-34b 所示。其中 R 为 限流电阻 ，在一定的范 围内，电流愈大，发光愈强。 a) LED 的电路符号 b)简单的发光指示电路 图 1-34 LED 的电路符号及其简单的发光指 示电路 A K R S E V V 电子技术 由于 LED 具有抗振动和抗冲击能力、体积小、可靠性高、耗电省和寿命 长等优点，广泛用于信号指示和传输。作为显示器件， LED 的外形有方形、 矩形和圆形等。除单个使用外，也常作为七段式数码显示器或矩阵式显示器 件使用，用于显示数字和字符。 七段式数码显示器 简称 数码管 ，其结构如图 1-35a 所示。 COM 为公共端， 两个 COM 引脚于数码管内部联接。数码管每个字段内置一个 LED，选择不 同字段发光，可显示不同的字形。数码管中共有个 LED，其中七个用于字段， 一个用于小数点，数码管制造时有 共阴极 和 共阳极 两种接法，分别如图 1-35b 和 c 所示。相对于公共端来说，前者，某一字段接高电位时发光；后者，接 低电位时发光。 a) 结构 b) 共阴极 c) 共阳极 图 1-35 七段式数码显示器 1.6.2 光 敏 二极管 光敏二极管 又称 光 电 二极管 。使用光敏二极管时，应反向接入电路，即 应将阳极接低电位，阴极接高电位。光敏二极管的管壳上有透明聚光窗，由 于 PN 结的光敏特性，当有光线照射时，光敏二极管在一定的反向偏置电压 范围内，其反向电流将随光射强度的增加而线性地增加。无光照时，光敏二 极管的伏安特性 与普通二极管一样。光敏二极管的符号和伏安特性曲线如图 1-36 所示。 a b c d e f g COM a b c d e f g COM a bgf a bgf e d c c d e COM 第 1 章 常用半导体元器件 a) 符号 b) 伏安特性曲线 图 1-36 光敏二极管的符号和伏安特性曲线 光敏二极管的主要参数有： (1) 暗电流 无光照时的反向饱和电流。一般小于 1μ A 。 (2) 光电流 指在额定照度下的反向电流，一般为几十毫安。 (3) 灵敏度 指在给定波长（如 0.9μ m）的单位光功率时，光敏二极管 产生的光电流。一般≥ 0.5μ A/μ W。 (4) 峰值波长 使光敏二极管具有最大响应灵敏度（光电流最大）的光 波长。一般光敏二极管峰 值波长在可见光和红外线范围内。 (5) 响应时间 指加定量光照后，光电流达到稳定值的 63％所需的时间， 一般为 10－ 7s。 需要注意的是，光敏二极管的暗电流随温度变化而变化，因此，对稳定 性要求较高的电路，需要考虑进行温度补偿。 1.6.3 双极型光电三极管 双极型光电晶体三极管 俗称 光电三极管 ，其结构与普通 BJT 相似，而且 也分 NPN 型和 PNP 型两类。光电三极管的管脚引线有三个的，也有两个的。 三引线结构中，基极可以接偏置电路，用于预调工作点；两引线结构中，聚 光窗口即为基极，只能由光照进行控制。它们的电路符号如 图 1-37 所示。 光电三极管的光电转换是在基极 — 集电极耗尽层内进行的，与光电二极 管相同。在光激发下产生的许多电子 — 空穴对（即 光生载流子 ），其电子流向 集电区被集电极所收集，空穴流向基区作为基极电流被放大 β倍，其放大原理 与普通 BJT 相同。根据工作原理，可以把光电三极管看成在一个普通 BJT 的 基极和集电极之间接一个反向偏置的光敏二极管，如图 1-38 所示。 O 暗电流 光 照 增 强 ID UD A K V 电子技术 图 1-37 光电三极管的电路符号 图 1-38 光电三极管工作原理示意图 在光敏面积相同的条件下，光电流的放大作用使得光电三极管比光敏二 极管的 灵敏度要高出约 β倍。因此，光电三极管的光敏面积可以做得很小，更 适用于要求较高封装密度的场合。 光电三极管的特征参数和极限参数与光敏二极管和普通 BJT 相似。 1.6.4 光耦合器 光耦合器 简称 光耦 ，是发光器件和光电器件的组合体，图 1-39 为其原理 示意图。使用时将电信号送入光耦合器输入侧的发光器件，发光器件将电信 号转换成光信号，由输出侧的受光器件（光电器件）接收并再转换成电信号。 由于输入与输出之间没有直接电气联系，信号传输是通过光耦合的，所以也 称其为 光电隔离器 。 光耦合器常见的封装形式有管形金属壳真空密封 式、双列直插密封式和 光导纤维连接式等三种。图 1-40 是双列直插式光耦的内部结构图。这种光耦 合器的发光器件和受光器件封装在同一不透明的外壳内，由透明、绝缘的树 脂隔开。 图 1-39 光耦合器的原理示意图 图 1-40 双列直插式光耦的内部结构图 发光器件常用发光二极管。受光器件则根据输出电路的不同要求，有光 敏二极管型、光电三极管型、光电复合三极管型、光电晶闸管型和光电集成 电路型等。图 1-41 为几种常用光耦合器的符号。 C E B C E E C 发光 器件 受光 器件输入 输出 发光 器件 透明 树脂 受光器件引脚 外壳 第 1 章 常用半导体元器件 a) 光敏二极管型 b) 光电三极管型 c) 光电晶闸管型 图 1-41 几种常用光耦合器的符号 光电耦合器具有如下特点： 1) 光耦合器的发光器件与受光器件互不接触，绝缘电阻很高，一般可达 1010Ω以上，并能承受 2000V 以上的高压，因此经常用来隔离强电和弱电系 统。 2) 光耦合器的发光二极管是电流驱动器件，输入电阻很小，而干扰源一 般内阻较大，且能量很小，很难使发光二极管误动作，所以光耦合器有极强 的抗干扰能力。 3) 光耦合器具有较高的信号传递速度，响应时间一般为数微秒，高速型 光耦合器的响应时间可以小于 100ns。 光耦合器的用途很广，常用于 信号隔离转换，脉冲系统的电平匹配，微 机控制系统的输入、输出接口等。 【练习与思考】 1.6.1 发光二极管的工作电压和工作电流一般在什么范围？ 1.6.2 为什么在用 光敏二极管测光的电路中经常会有温度补偿电路环节？ 电子技术 本章习题 【习题 1-1】 电路如图 1-42 所示， 求电位 oV 。二极管的正向压降可忽 略不计。 【习题 1-2】 电路如图 1-43 所示， 试判断 4 个二极管的工作状态并求 电位 oV 。二极管的正向压降可忽略不计。 图 1-42 习题 1-1 的图 图 1-43 习题 1-2 的图 【习题 1-3】 电路如图 1-18a 所示，设 VD1、 VD2 均为理想二极管，试画 出－ 10V≤ ui≤ 10V 范围内的传输特性曲线 uo＝ f (ui)。 【习题 1-4】 在图 1-44 所示的各电路中，已知 5V=E ， Vsin10i tu w= 。 二极管的正向压降可忽略不计。试分别画出输出电压 ou 的波形。 a) b) c) d) 图 1-44 习题 1-4 的图 +12V VD1 VD2 Vo VD3 0V 4V 6V ?k10 +10V VD1 VD2 V o VD3 0V 4V 6V 10V R1 R2 VD4 R VD E ui uo R VD E ui uo R VD E ui uo R VD E ui uo 第 1 章 常用半导体元器件 【习题 1-5】 二极管电路如图 1-45 所示，求电流 1I 、 2I 、 3I 、 I 。 【习题 1-6】 二极管电路如图 1-46 所示，求电流 1I 、 2I 、 3I 、 I 。 图 1-45 习题 1-5 的图 图 1-46 习题 1-6 的图 【习题 1-7】 有两个稳压管 VS1、 VS2，其稳定电压分别是 5.5V 和 8.5V， 正向压降都是 0.5V。如果要得到 0.5V、 3V、 6V、 9V 和 14V 几种稳定电压， 这两个稳压管（还有限流电阻）应该如何连接？画出各电路。 【习题 1-8】 电路如图 1-47 所示， VS1 的稳定电压为 5V， VS2 的稳定电 压 为 7V，两稳压管的正向压降均为 0.5V，输入电压 Vsin10i tu ω= ，试画出 输出电压 ou 的波形图。 【习题 1-9】 电路如图 1-48 所示，稳压管 VS1、 VS2 的稳定电压均为 10V， 试画出 0≤ ui≤ 30V 范围内的传输特性曲线 uo＝ f (ui)。 图 1-47 习题 1-8 的图 图 1-48 习题 1-9 的图 【习题 1-10】 某一双极型晶体管的 PCM=100mW ， ICM=20mA， U(BR)CEO=15V，试问在下列几 种情况下，哪种是正常工作？（ 1） UCE=3V， IC=10mA；（ 2） UCE=2V， IC=40mA；（ 3） UCE=6V， IC=20mA。 【习题 1-11】 图 1-49 为某一绝缘栅型场效应晶体管的输出特性曲线，试 由此图判断：（ 1）此属于哪一种类型；（ 2）其夹断电压 UGS(off)大约是多少； VD1 VD2 VD3 9V6V 4V ?k1 I1 I2 I3 I VD1 VD2 VD3 3V6V 4V ?k1 I1 I2 I3 I R VS1 ui uo VS2 VS1 ui uo VS2R1 R2 电子技术 （ 3）饱和漏极电流 IDSS 是多少。 【习题 1-12】 在图 1-50 所示电路中，为使 BJT 工作在饱和状态， RB1 的 阻值最大应为多少？ 图 1-49 习题 1-11 的图 图 1-50 习题 1-12 的图 0 V/ DSU? V0GS =U V1? V2 V1 V3 4 8 12 - I D /mA V12 V12? V3 30=b RB2 RB1 ?k30 ?k3 RC V