电工电子技术4

模块6半导体及其器件6.1半导体的基础知识6.2二极管6.3特殊二极管6.4双极型晶体管6.5单极型晶体管电子元器件是组成电子设备和仪器的小型部件，通常由多个零件构成，可以在同类产品中通用，主要包括二极管、三极管等。这些元件大多由半导体材料制成，称为半导体器件，自20世纪50年代初发展以来，以其体积小、重量轻、寿命长、功耗低和效率高等优点，广泛应用于现代电子设备中。随着集成电路，尤其是大规模和超大规模集成电路的出现，电子设备在微型化和可靠性方面取得了显著进展。为了有效使用这些元器件，工程技术人员需了解半导体的特性、PN结的单向导电性以及常用二极管、三极管的技术参数，从而确保在工程实践中的正确使用，并推动电子元器件的持续创新和发展。学习引导知识目标：半导体拥有诸多独特的特性，其中包括导电性能的变化能力、对光的敏感反应、对热的敏感反应，以及掺杂特性等。在半导体材料的范畴中，本征半导体与杂质半导体在导电机制上呈现出明显的差异。PN结作为半导体器件的核心组成部分，其原理建立在扩散与漂移运动的平衡之上，体现出正向导通而反向截止的单向导电特性。基于这些原理，半导体二极管和三极管等器件被广泛地研发出来，并在各自特定的应用场景中发挥着不可替代的重要作用。学习目标技能目标：查阅晶体管手册，根据工程需求选择合适的二极管、三极管和MOS管。整流用面接触型二极管，高频放大用点接触型二极管。

用万用表检测二极管极性及好坏，正向电阻小、反向电阻大且差值大则为完好。

判别三极管类型，区分基极、集电极、发射极，并初步判断电流放大能力。

检测MOS管导通性，注意防静电。搭建基础电路如二极管整流、稳压管稳压和LED发光，正确串联限流电阻，验证器件功能，如LED正向发光和稳压管输出固定电压。学习目标素养目标：工程安全与规范意识：树立“参数不超限、静电防护、正确偏置”的器件使用规范，培养严谨的电子电路操作习惯。抽象问题拆解能力：能将复杂半导体器件拆解为“PN结+结构优化”的基础单元，建立“从基础原理到器件功能”的逻辑分析思维。技术应用与创新意识：结合半导体器件在电路中的作用理解“基础器件支撑电子设备”的技术逻辑，激发对集成电路、半导体产业的认知兴趣，培养“理论指导实践”的工程思维。学习目标6.1

半导体的基础知识提出问题什么叫本征半导体、杂质半导体？半导体的独特性能有哪些？本征激发和复合的概念你理解多少？PN结的形成及其独特性能是什么？核心提示：掌握半导体“光敏、热敏、掺杂性”三大独特性能，理解本征/杂质半导体的导电机理，明确PN结正向导通、反向阻断的单向导电性。知识准备半导体基础知识包括半导体材料及其独特的导电机理，涵盖了本征半导体和杂质半导体的概念。此外，它还详细阐述了PN结的形成过程及其显著的单向导电特性。金属导体的电导率一般在105s/cm量级；塑料、云母等绝缘体的电导率通常是10-22~10-14s/cm量级；半导体的电导率则在10-9~102s/cm量级。半导体的导电能力虽然介于导体和绝缘体之间，但半导体的应用却极其广泛，这是由半导体的独特性能决定的：光敏性——半导体受光照后，其导电能力大大增强；热敏性——受温度的影响，半导体导电能力变化很大；掺杂性——在半导体中掺入少量特殊杂质，其导电能力极大地增强；半导体材料的独特性能是由其内部的导电机理所决定的。6.1.1半导体的独特性能实践1：半导体光敏、热敏特性测试实验器材：光敏电阻（半导体）、1.5V电池、小功率灯泡、手电筒、热吹风机、导线。2.实验步骤：（1）光敏性测试：将光敏电阻、电池、灯泡串联，暗环境下观察灯泡亮度（较暗）；（2）用手电筒照射光敏电阻，观察灯泡变亮；（3）热敏性测试：保持电路不变，用热吹风机低温档吹光敏电阻，观察灯泡进一步变亮：温度升高，导电能力增强。3.现象总结：半导体受光照、升温后导电能力显著增强，验证光敏性与热敏性。知识总结1.半导体靠自由电子和空穴两种载流子导电，区别于导体仅靠自由电子；2.杂质半导体（N型/PN型）通过掺杂提升导电能力，是器件的基础；3.PN结单向导电性是二极管、三极管等器件的核心原理，反向击穿需区分可控（利用）与不可控（避免）。6.1.2本征半导体与杂质半导体最常用的半导体为硅(Si)和锗(Ge)。它们的共同特征是四价价元素，即每个原子最外层电子数为4个。++Si(硅原子)Ge(锗原子)硅原子和锗原子的简化模型图Si+4Ge+4因为原子呈电中性，所以简化模型图中的原子核只用带圈的+4符号表示即可。天然的硅和锗是不能制作成半导体器件的。它们必须先经过高度提纯，形成晶格结构完全对称的本征半导体。本征半导体原子核最外层的价电子都是4个，称为四价元素，它们排列成非常整齐的晶格结构。在本征半导体的晶格结构中，每一个原子均与相邻四个原子的价电子两两组成电子对，构成共价键结构。＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4实际上半导体的晶格结构是三维的。晶格结构共价键结构1.本征半导体＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4从共价键晶格结构来看，每个原子外层都具有8个价电子。但价电子是相邻原子共用，所以稳定性并不能象绝缘体那样好。在游离走的价电子原位上留下一个不能移动的空位，叫空穴。受光照或温度上升影响，共价键中价电子的热运动加剧，一些价电子会挣脱原子核的束缚游离到空间成为自由电子。热运动造成晶体中出现自由电子的现象称为本征激发。本征激发的结果，造成了半导体内部自由电子载流子的产生，由此本征半导体的电中性被破坏，使失掉电子的原子变成带正电荷的离子。由于共价键是定域的，使得这些带正电离子不能移动，成为晶体中固定不动的部分，即它们不能参与导电。＋＋本征激发和复合＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4受光照或温度上升影响，共价键中其它一些价电子直接跳进空穴，使失电子的原子重新恢复电中性。价电子填补空穴的现象称为复合。此时整个晶体带电吗？为什么？参与复合的价电子又会留下一个新的空位，而这个新的空穴仍会被邻近共价键中跳出来的价电子填补上，这种价电子填补空穴的复合运动使本征半导体中又形成一种不同于本征激发下的电荷迁移，为区别于本征激发下自由电子载流子的运动，我们把价电子填补空穴的复合运动称为空穴载流子运动。＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4半导体中这两种载流子，其中自由电子载流子运动可以形容为没有座位的人依次定向移动；空穴载流子运动则可形容为有座位的人依次向前挪动座位的运动。半导体内部的这两种运动总是共存的，且在一定温度下达到动态平衡。半导体的导电机理在金属导体中存在大量的自由电子，这些自由电子是一种带电的微粒子，在外电场作用下定向移动形成电流。即金属导体内部只有自由电子一种载流子参与导电。半导体由于本征激发而产生自由电子载流子，由复合运动产生空穴载流子，因此，半导体中同时参与导电的通常有两种载流子，且两种载流子总是电量相等、符号相反，电流的方向规定为空穴载流的方向即自由电子的反方向。半导体中同时有两种载流子参与导电，是它与金属导体在导电机理上的本质区别，同时也是半导体导电方式的独特之处。

本征半导体虽然有自由电子和空穴两种载流子，但由于数量极少导电能力仍然很低。如果在其中掺入某种元素的微量杂质，将使掺杂后的杂质半导体的导电性能大大增强。+五价元素磷(P)＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4P掺入磷杂质的硅半导体晶格中，自由电子的数量大大增加。因此自由电子是这种半导体的导电主流。

在室温情况下，本征硅中的磷杂质等于10-6数量级时，电子载流子的数目将增加几十万倍。掺入五价元素的杂质半导体由于自由电子多而称为电子型半导体，也叫做N型半导体。2.杂质半导体＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4三价元素硼(B)B+掺入硼杂质的硅半导体晶格中，空穴载流子的数量大大增加。因此空穴成为这种半导体的导电主流。一般情况下，杂质半导体中的多数载流子的数量可达到少数载流子数量的1010倍或更多，因此，杂质半导体比本征半导体的导电能力可增强几十万倍。

掺入三价元素的杂质半导体，由于空穴载流子的数量大大于自由电子载流子的数量而称为空穴型半导体，也叫做P型半导体。在P型半导体中，多数载流子是空穴，少数载流子是自由电子，而不能移动的离子带负电。－不论是N型半导体还是P型半导体，其中的多子和少子的移动都能形成电流。但是，由于多子的数量远大于少子的数量，因此起主要导电作用的是多数载流子。注意：掺入杂质后虽然形成了N型或P型半导体，但整个半导体晶体仍然呈电中性。一般可近似认为多数载流子的数量与杂质的浓度相等。P型半导体中的空穴多于自由电子，是否意味着它带正电？自由电子导电和空穴导电的区别在哪里？空穴载流子的形成是否是自由电子填补空穴的运动形成的？何谓杂质半导体中的多子和少子

？N型半导体中的多子是什么？少子是什么？思考与问题6.1.3PN结及其单向导电性1.PN结的形成

杂质半导体的导电能力虽然比本征半导体极大增强，但它们并不能称为半导体器件。在电子技术中，PN结是一切半导体器件的“元概念”和技术起始点。在一块晶片的两端分别注入三价元素硼和五价元素磷++++++++++++++++－－－－－－－－－－－－－－－－P区N区空间电荷区内电场PN结形成的过程中，多数载流子的扩散和少数载流子的漂移共存。开始时多子的扩散运动占优势，扩散运动的结果使PN结加宽，内电场增强；另一方面，内电场又促使了少子的漂移运动：P区的少子电子向N区漂移，补充了交界面上N区失去的电子，同时，N区的少子空穴向P区漂移，补充了原交界面上P区失去的空穴，显然漂移运动减少了空间电荷区带电离子的数量，削弱了内电场，使PN结变窄。最后，扩散运动和漂移运动达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本稳定，即PN结形成。PN结内部载流子基本为零，因此导电率很低，相当于介质。但PN结两侧的P区和N区导电率很高，相当于导体，这一点和电容比较相似，所以说PN结具有电容效应。PN结正向偏置时的情况PN结反向偏置的情况

2.PN结的单向导电性

PN结的上述“正向导通，反向阻断”作用，说明它具有单向导电性，PN结的单向导电性是它构成半导体器件的基础。由于常温下少数载流子的数量不多，故反向电流很小，而且当外加电压在一定范围内变化时，反向电流几乎不随外加电压的变化而变化，因此反向电流又称为反向饱和电流。PN结中反向电流的讨论反向饱和电流由于很小一般可以忽略，从这一点来看，PN结对反向电流呈高阻状态，也就是所谓的反向阻断作用。值得注意的是，由于本征激发随温度的升高而加剧，导致电子—空穴对增多，因而反向电流将随温度的升高而成倍增长。反向电流是造成电路噪声的主要原因之一，因此，在设计电路时，必须考虑温度补偿问题。2.受温度和光照影响，半导体的本征激发产生电子、空穴对；同时，复合运动又使得其它价电子不断地“转移跳进”空穴中。一定温度下，电子、空穴对的激发和复合最终达到动态平衡。平衡状态下，半导体中的载流子浓度一定，即反向饱和电流的数值基本不发生变化。1.半导体中少子的浓度虽然很低，但少子对温度非常敏感，因此温度对半导体器件的性能影响很大。而多子因浓度基本上等于杂质原子的掺杂浓度，所以说多子的数量基本上不受温度的影响。4.PN结的单向导电性是指：PN结正向偏置时，呈现的电阻很小几乎为零，因此多子构成的扩散电流极易通过PN结；PN结反向偏置时，呈现的电阻趋近于无穷大，因此电流无法通过被阻断。3.空间电荷区的电阻率很高，是指其内电场阻碍多数载流子扩散运动的作用，由于这种阻碍作用，使得扩散电流难以通过空间电荷区，即空间电荷区对扩散电流呈现高阻作用。学习与归纳3.PN结的反向击穿问题PN结反向偏置时，在一定的电压范围内，流过PN结的电流很小，基本上可视为零值。但当电压超过某一数值时，反向电流会急剧增加，这种现象称为PN结反向击穿。反向击穿发生在空间电荷区。击穿的原因主要有两种：当PN结上加的反向电压大大超过反向击穿电压时，处在强电场中的载流子获得足够大的能量碰撞晶格，将价电子碰撞出来，产生电子空穴对，新产生的载流子又会在电场中获得足够能量，再去碰撞其它价电子产生新的电子空穴对，如此连锁反应，使反向电流越来越大，这种击穿称为雪崩击穿。（1）雪崩击穿雪崩击穿属于碰撞式击穿，其电场较强，外加反向电压相对较高。通常出现雪崩击穿的电压均在7V以上。

当PN结两边的掺杂浓度很高，阻挡层又很薄时，阻挡层内载流子与中性原子碰撞的机会大为减少，因而不会发生雪崩击穿。（2）齐纳击穿PN结非常薄时，即使阻挡层两端加的反向电压不大，也会产生一个比较强的内电场。这个内电场足以把PN结内中性原子的价电子从共价键中拉出来，产生出大量的电子—空穴对，使PN结反向电流剧增，这种击穿现象称为齐纳击穿。可见，齐纳击穿发生在高掺杂的PN结中，相应的击穿电压较低，一般均小于5V。雪崩击穿是一种碰撞的击穿，齐纳击穿是一种场效应击穿，二者均属于电击穿。电击穿过程通常可逆：只要迅速把PN结两端的反向电压降低，PN结即可恢复到原状态。利用电击穿时PN结两端电压变化很小电流变化很大的特点，人们制造出工作在反向击穿区的稳压管。若PN结两端加的反向电压过高，反向电流将急剧增长，从而造成PN结上热量不断积累，引起其结温的持续升高，当这个温度超过PN结最大允许结温时，PN结就会发生热击穿，热击穿将使PN结永久损坏。热击穿的过程是不可逆的，实用中应避免发生。（3）热击穿工程实例探寻半导体的应用及其发展前景［案例］请学习者通过网上网下查阅半导体二极管、三极管的产生、发展和用途，联系身边所熟悉的家电及其他电器，尽量多地收集一些半导体器件的用途以及发展前景，说一说你对世界和我国半导体行业发展的感想、展望和期待。

目前，全球半导体行业仍旧保持高景气度。2022年全球半导体设备销售额基本达到1140亿美元。半导体的发展中，汽车成为重要增长极，尤其是新能源汽车销量持续旺盛，拉动模拟、功率及MCU需求，汽车MCU销售额预计将以7.7%的复合年增长率增长，市场规模有望达到215亿美元，再创历史新高。半导体的发展前景能否说出PN结有何特性？半导体与金属导体的导电机理有何不同？什么是本征激发？什么是复合？少数载流子和多数载流子是如何产生的

？试述雪崩击穿和齐纳击穿的特点。这两种击穿能否造成PN结的永久损坏

？思考与问题

空间电荷区的电阻率为什么很高？

谢希德（1921年3月19日—2000年3月4日），福建泉州人，固体物理学家、教育家及社会活动家，中国科学院院士、复旦大学原校长

。

1946年谢希德从从厦门大学数理系毕业后进入上海户江大学任教；1947年赴美国史密斯学院留学；1949年获得硕士学位后她转入麻省理工学院专攻理论物理；1951年获得博士学位后，即谋划回国；1952年绕道英国回到中国并被分配到上海复旦大学物理系任教授；1956年被国务院调到北京大学联合筹建半导体专业组；1958年夏谢希德又调回复旦大学，参加该大学与中国科学院上海分院联合主办的技术物理研究所，并任该所副所长；1980年当选为中国科学院数理学部委员，1981年获美国史密斯学院、美国纽约学院荣誉博士学位；1983年1月出任复旦大学校长；1989年当选为第三世界科学院院士；1990年当选为美国文理科学院外籍院士；1997年出任上海杉达学院校长；2000年3月4日逝世于上海，享年79岁。

科技兴则民族兴，科技强则国家强，核心科技是国之重器。核心技术并不是那么容易引进的，也不可能一蹴而就，需要国人不忘初心，砥砺前行。2021年，我国半导体存储器生产线大规模扩产，并带动全球存储器设备投资。实际需要必将极大地推动器件的不断创新，作为未来的电子工程技术人员，我们必须对半导体及其常用器件有初步的了解和认识，为在实际工程中正确使用半导体器件打下基础。拓展阅读6.2二极管提出问题二极管的基本结构、伏安特性是什么？选择二极管需参考哪些参数？如何检测二极管的极性和好坏？核心提示：掌握二极管“PN结封装”的结构，正向导通：硅管：0.7V、锗管：0.3V，反向截止的伏安特性，会用万用表检测极性与好坏。知识准备1904年，英国卓越的电气工程师约翰·安布罗斯·弗莱明基于热离子阀进行深入研究，在爱迪生效应的启发下，成功发明了世界上第一个具有实用价值的真空二极管。这项具有突破性的发明为他赢得了专利权，并在当时引发了轩然大波。真空二极管的设计精妙，通过在真空管内配置金属阴极和阳极，实现了对交变电流的高效整流。这一卓越特性使其迅速成为无线电检波技术的中流砥柱，为无线电通信的飞跃性发展铺设了坚实的基石。二极管的问世，不仅破解了当时无线电技术中的核心难题，更为电子器件领域的创新与进步提供了强大动力，开启了电子技术新纪元。

把PN结用管壳封装，然后在P区和N区分别向外引出一个电极，即可构成一个二极管。二极管是电子技术中最基本的半导体器件之一。根据其用途分有检波管、开关管、稳压管和整流管等。硅高频检波管开关管稳压管整流管发光二极管

电子工程实际中，二极管应用得非常广泛，上图所示即为各类二极管的部分产品实物图。6.2.1

二极管的基本结构与类型特点：外壳金属触丝N型锗片正极引线负极引线半导体二极管主要是依靠PN结而工作的。根据PN结构造面的特点，晶体二极管可分类如下：

1.点接触型二极管PN结

点接触型二极管是在锗或硅材料的单晶片上压触一根金属针后，再通过电流而形成的。点接触型二极管正向特性和反向特性相对较差，因此，不能使用于大电流和整流。但是，点接触型二极管构造简单、价格便宜，其PN结的静电容量小，因此适用于高频电路的检波、脉冲电路及计算机中的开关元件。N型锗面接触型二极管的“PN结”面积较大，允许通过较大的电流（几安到几十安），主要用于把交流电变换成直流电的“整流”电路中，也可以用于大电流开关元件。负极引线底座金锑合金PN结铝合金小球正极引线2.面接触型二极管面接触型二极管采用合金法工艺制成的，结构如图示：特点：3.平面型二极管硅平面型二极管采用扩散法工艺制成：在半导体N型硅单晶片上扩散P型杂质，利用硅片表面氧化膜的屏蔽作用，在N型硅单晶片上仅选择性地扩散一部分而形成的PN结。结构如图示：负极引线P型硅二氧化硅层PN结正极引线平面型二极管的P区和N区部分表面，因被二氧化硅氧化膜覆盖，所以稳定性好且寿命较长。这种特制的硅二极管，不仅能通过较大的电流而在电路中起整流作用，而且性能稳定可靠，还可用于开关作用、脉冲电路以及高频电路。特点：根据用途二极管又可分为普通二极管、稳压二极管、发光二极管、光电二极管、检波二极管、整流二极管等。部分二极管的电路图符号以及文字符号如下：普通二极管图符号稳压二极管图符号发光二极管图符号VDVDZVD除了上述三种主要结构类型，二极管还有许多其他种类，例如键型二极管、合金型二极管、肖特基二极管以及外延型二极管等。由于种类繁多，这里不再详细叙述。光电二极管图符号VD变容二极管图符号VD6.2.2二极管的伏安特性U(V)0.500.8-50-25I(mA)204060

(

A)4020二极管的伏安特性是指流过二极管的电流与两端所加电压的函数关系。二极管既然是一个PN结，其伏安特性当然具有“单向导电性”。二极管的伏安特性呈非线性，特性曲线上大致可分为四个区：外加正向电压超过死区电压(硅管0.5V，锗管0.1V)时，内电场大大削弱，正向电流迅速增长，二极管进入正向导通区。死区正向导通区反向截止区当外加正向电压较低时，由于外电场还不能克服PN结内电场对多数载流子扩散运动的阻力，故正向电流很小，几乎为零。这一区域称之为死区。外加反向电压超过反向击穿电压UBR时，反向电流突然增大，二极管失去单向导电性，进入反向击穿区。反向击穿区反向截止区内反向饱和电流很小，可近似视为零值。正向导通区和反向截止区的讨论U(V)0.500.8-50-25I(mA)204060

(

A)4020死区正向导通区反向截止区反向击穿区当外加正向电压大于死区电压时，二极管由死区进入导通区，导通区中的正向电流随电压的增大迅速增大，但导通后二极管的端电压却几乎不变，硅二极管的正向导通电压典型值约为0.7V，锗二极管的正向导通电压典型值约为0.3V。考虑到二极管的正向导通压降，二极管正向偏置时，通常应串联分压限流电阻。在二极管两端加反向电压时，将有很小的、由少子漂移运动形成的反向饱和电流通过二极管。反向电流有两个特点：一是它随温度的上升增长很快，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，而与反向电压的高低无关(与少子的数量有限)。所以通常把反向截止区中由少子形成的漂移电流称为反向饱和电流。6.2.3二极管的主要参数1.最大耗散功率Pmax：耗散功率指通过二极管的电流与加在二极管两端电压的乘积。最大耗散功率是二极管不能承受的最高温度的极限值。超过此值，二极管将烧损。3.最高反向工作电压URM：指二极管长期安全运行时所能承受的最大反向电压值。手册上一般取击穿电压的一半作为最高反向工作电压值。4.反向电流IR：指二极管未击穿时的反向电流。IR值越小，二极管的单向导电性越好。反向电流随温度的变化而变化显著，这一点要特别加以注意。5.最高工作频率fM：此值由PN结的结电容大小决定。若二极管的工作频率超过该值，则二极管的单向导电性将变差。2.最大整流电流IDM：指二极管长期使用时，允许通过二极管的最大正向平均电流值。1.整流

将交流电变成单方向脉动直流电的过程称为整流。二极管半波整流电路T220V~RLVDIN40016.2.4二极管的应用举例u2ωt0uoωt0二极管全波整流电路T220V~RLVD1VD2uituo

t桥式整流电路简化图二极管桥式整流电路VD4T220V~RLVD1VD2VD3T220V~RL二极管全波整流电路二极管桥式整流电路2.

钳位图示二极管钳位电路中，限流电阻R的一端与直流电源U+相连，另一端与二极管阳极相连，二极管阴极连接端为电路输入端A，阳极向外的引出端F点是电路的输出端。

当图中输入端A点电位低于U＋时，则二极管(按理想二极管处理)VD正偏导通，忽略二极管的管压降，则输出端F的数值被钳位在A电位；当输入端A点电位较U＋高时，二极管则处于反偏不能导通，此时电阻R上无电流通过，输出端F的电位就被钳制在U+电位。FAU＋RVD用理想二极管组成的电路如下图所示，试求图中电压U及电流I的大小。解(a)二极管正向偏置导通，例10kΩ+5VIU－5V10kΩ+5VIU－5V10kΩ+5VIU－5V10kΩ+5VIU－5V（a）（b）（c）（d），U被钳位在－5V。(c)二极管反向偏置截止，I＝0，U被钳位在－5V。其余两题练习。

对于二极管应用电路，讨论时主要以二极管的单向导电性为关键，以此作为分析二极管是否导通或截止的依据，对电路进行分析。3.限幅图示为二极管双向限幅电路。已知：图中二极管均为硅管，设导通时其管压降试画出输出电压UO的波形。例入电压ui>＋0.7V时，二极管VD1导通，VD2截止，输出电压维持在VD＝0.7V的导通电压值不变；当ui<－0.7V时，VD2导通，VD1截止，输出电压维持在－0.7V不变。除此两段时间外，输入电压均小于±0.7V，两个二极管均为截止状态，所以输出与输入相同。可见，该电路中的二极管在电路中起着限幅作用。其电路输出电压波形为：

由图示电路和输入电路电压的波形图可看出：当输分析+－VDuS10kΩIN4148+－uoiD图示为理想二极管限幅电路。电源uS是一个周期性的矩形脉冲，高电平幅值为+5V，低电平幅值为-5V。试分析电路的输出电压为多少。分析uS+5V-5Vt0当输入电压ui=－5V时，二极管反偏截止，此时电路可视为开路，输出电压uo=0V；当输入电压ui=+5V时，二极管正偏导通，导通时二极管管压降近似为零，故输出电压uo≈+5V。显然输出电压uo限幅在0~+5V之间。uo例注意：分析开关电路较为简单，通常把二极管进行理想化处理，即正偏时视其为“短路”，截止时视其为“开路”。正向导通时相当一个闭合的开关UD≈0+－+－VDUD≈∞+－VD+－+－VDPN+－反向阻断时相当一个打开的开关+－+－VDPN*二极管的开关作用6.2.5二极管的极性判别和好坏检测工程实例案例1分析：二极管的极性可通过测量二极管正、反电阻来判别。过程：选择万用表的“R×100”或“R×1k”的欧姆挡，用万用表的红、黑表笔分别接触二极管的两个电极，观察万用表偏转度。注意：指针万用表的黑表笔与表内电池正极相连（数字万用表则是红表笔与表内电池正极相连），即为电源正极。根据二极管的单向导电性，当指针万用表的指针偏转较大时说明二极管为正向偏置，此时与黑表笔相连的电极是二极管的阳极，与红表笔相接触的是二极管阴极；若指针偏转较小则说明二极管为反向偏置，与黑表笔相连的电极就是二极管的阴极。用数字万用表判别时，可直接读出二极管的结电阻值，若测得阻值很小，说明二极管正向偏置，此时与红表笔相接触的是二极管阳极；若测得阻值较大，说明二极管反向偏置，与黑表笔相连的是二极管阳极。案例2分析：

检测二极管好坏时，仍然选择指针式万用表“R×100”或“R×1k”的欧姆挡，万用表的红、黑表笔分别接触二极管的两个电极，观察万用表偏转度；把红、黑表笔对调分别接触二极管的两个电极，观察万用表指针偏转度。如果两次偏转度相差很大（即二极管正向、反向偏置时阻值相差很大）时，说明二极管是好的；如两次接触二极管的阻值相差不大且两次阻值都很小，说明此二极管已被击穿；若两次接触二极管的阻值都很大且两次阻值相差不大，说明此二极管绝缘老化内部不通，判断已经损坏。注意事项：如果用数字万用表检测，则其红表笔接内部电池正极，正向电阻测量时红表笔接二极管阳极。知识总结1.二极管核心是PN结，伏安特性非线性，正向导通有固定管压降；2.检测二极管的核心是利用单向导电性，测正反电阻差值；3.应用时需匹配参数：如整流选大电流管，高频选点接触管，避免超极限参数。半导体二极管工作在击穿区，是否一定被损坏？为什么？

何谓死区电压？硅管和锗管死区电压的典型值各为多少？为何会出现死区电压？

把一个1.5V的干电池直接正向联接到二极管的两端，会出现什么问题？二极管的伏安特性曲线上分为几个区？能否说明二极管工作在各个区时的电压电流情况？

检验学习效果为什么二极管的反向电流很小且具有饱和性？当环境温度升高时又会明显增大

？6.3

特殊二极管提出问题常用特殊二极管有哪些？它们的工作区域、功能的区别是什么？如何使用稳压管、发光二极管？核心提示：明确稳压管的反向击穿区特性、发光二极管的正向导通区特性等特殊二极管的工作区域，掌握其核心功能与简易应用。知识准备常用的特殊二极管种类繁多，包括稳压二极管、发光二极管、光电二极管、变容二极管以及激光二极管等。每一种类型的特殊二极管都有其特定的应用场景和独特的功能。在学习过程中，应重点理解各种特殊二极管的主要用途及其工作原理，这样才能更好地应用它们。I(mA)40302010

0-5-10-15-20(μA)0.40.8－12－8－4U(V)

在反向击穿区，稳压二极管的反向电压几乎不随反向电流的变化而变化、这是稳压二极管的显著特性。VDZ稳压二极管通常是一种特殊的面接触型二极管，其反向击穿可逆。正向特性与普通二极管相似反向ΔIZΔUZ6.3.1稳压二极管实物图图符号及文字符号显然稳压管的伏安特性曲线比普通二极管的更加陡峭。+US－DZ使用稳压二极管时应该注意的事项（1）稳压二极管正负极的判别DZ+－（2）稳压二极管使用时，应反向接入电路UZ－（3）稳压管应接入限流电阻（4）电源电压应高于稳压二极管的稳压值（5）稳压管都是硅管。其稳定电压UZ最低为3V，高的可达300V，稳压二极管在工作时的正向压降约为0.6V。思索与回顾

稳压二极管的正常工作区域是反向击穿区。通常在齐纳击穿和雪崩击穿后稳压管两端电压基本不变：但当外加反向电压超过击穿电压时，通过二极管的电流会急剧增加。

稳压二极管的使用要点：稳压管正向偏置时，死区电压较高：1.3~3V，电流5~20mA时需串联限流电阻，避免稳压二极管过流烧毁。在反向击穿状态下，让通过管子的电流在一定范围内变化，这时管子两端电压变化很小，稳压二极管就是利用这一点达到“稳压”效果的。6.3.2发光二极管发光二极管简称为LED。是由镓与砷或磷的化合物制成的二极管。当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管。在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。

从结构图看，发光管的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以其抗震性能好。发光管的核心部分和普通二极管一样是PN结，在PN结中注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。实物图图符号和

文字符号VDLED发光二极管具有效率高、寿命长、不易破损、开关速度高、高可靠性等传统光源所不可及的优点。发光管正常工作时应正向偏置，因其属于功率型器件，因此死区电压较普通二极管高很多，其正偏工作电压最少也要在1.3V以上。数字电路中，发光管常用来作为数码及图形显示的七段式或阵列器件。发光二极管早在1962年出现，早期只能发出低光度的红光，之后发展出其他单色光的版本，时至今日能发出的光已遍及可见光、红外线及紫外线，光度也提高到相当的数值。随着技术的不断进步，发光管的用途也在不断扩展，初时仅作为指示灯、显示板等用，目前已被广泛应用于显示器、电视机采光装饰和照明等。光电二极管也称光敏二极管，是将光信号变成电信号的半导体器件，其核心部分也是一个PN结。光电二极管PN结的结面积较小、结深很浅，一般小于一个微米。VD光电二极管的正常工作状态是反向偏置。在反向电压下，无光照时，反向电流很小，称为暗电流；有光照射时，携带能量的光子进入PN结，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分价电子挣脱共价键的束缚，产生电子—空穴对，称光生载流子。光生载流子在反向电压作用下形成反向光电流，其强度与光照强度成正比。6.3.3

光电二极管光电二极管和普通二极管一样具有“单向导电性”，光电管管壳上有一个能射入光线的“窗口”，这个窗口用有机玻璃透镜进行封闭，入射光通过透镜正好射在管芯上。实物图图符号和

文字符号变容二极管双称可变电抗二极管，是一种利用PN结的势垒电容与其反向偏置电压的依赖关系及原理制成的二极管，其结构如：6.3.4

变容二极管变容二极管的作用是利用PN结之间电容可变的原理制作的，变容二极管正常工作时应反向偏置，改变其PN结上的反向偏置电压，即可改变PN结电容量。反向偏压越高，结电容则越小，反向偏压与结电容之间的关系是非线性关系。实物图图符号和

文字符号VD变容二极管通常用于高频电路做调谐元件，或者在通信等电路中作可变电容使用。激光二极管的物理结构是在发光二极管的PN结间安置一层具有光活体的半导体，其端面经过抛光后具有部分反射功能，因而形成一个光谐振腔。在正向偏置情况下，LED结发射出光并与光谐振腔相互作用，从而进一步激励从结上发射出单波长的激光，这种激光的物理性质与材料有关。

6.3.5

激光二极管实物图图符号和

文字符号VD激光二极管的工作原理理论上和气体激光器相似，当激光二极管有源层内的载流子在大量反转情况下，少量自发辐射产生的光子由于谐振腔两端面往复反射而产生感应辐射，造成选频谐振正反馈，就可从PN结发出具有良好谱线的相干光——激光。激光二极管在计算机上的光盘驱动器，激光打印机中的打印头等小功率光电设备中得到了广泛的应用

。6.3.6

其它特殊二极管及其工程应用工程实例案例：特殊二极管还包括肖特基二极管、恢复二极管、隧道二极管等，通过网上网下查询，能否说出它们的工程应用？案例操作：

特殊二极管中，肖特基二极管因具有快速开关速度和低压降特性，常用于射频功率放大器、混频器、频率倍增器等高频电路中。例如在射频通信系统中，肖特基二极管用于信号检测、混频和频率倍增等功能。恢复二极管具有快速恢复时间和低反向恢复电流特性，常用于电源和变频器等高效能电路中，例如在变频器中用于改善电源的效率和稳定性。隧道二极管具有负差电阻特性，可用于微波电路、振荡器和超快速开关等。例如在微波接收器中用于提高接收器的灵敏度和选择性。结论：上述实例展示了特殊二极管在各种领域中的重要作用和广泛应用。实践3稳压管稳压效果与LED导通测试1.实验器材：UZ=5V的稳压管、红光LED、1.5V电池3节、1kΩ电阻2个、导线、面包板。2.实验步骤：（1）稳压管测试：将稳压管反向与1kΩ电阻和4.5V电池串联，用万用表测稳压管两端电压约5V，验证稳压；（2）LED测试：将LED正向（长脚阳极）与1kΩ电阻与4.5V电池相串联，观察LED发光；对调LED极性，LED不亮:验证单向导通。3.现象总结：稳压管反向击穿后电压稳定；LED正向导通发光、反向截止。知识总结1.特殊二极管均基于PN结特性，工作区域不同：稳压管反向击穿区、LED正向导通区；2.使用时需注意偏置方向，如稳压管反向偏置、LED正向偏置，且必加限流电阻避免烧毁；3.功能各有侧重：稳压管稳压、LED发光、光电二极管感光，实际应用中应按需选择。1.利用稳压管或普通二极管的正向压降，是否也可以稳压？你会做吗？检验学习效果2.现有两只稳压管，它们的稳定电压分别为6V和8V，正向导通电压为0.7V。试问：(1)若将它们串联相接，可得到几种稳压值？各为多少？(2)若将它们并联相接，又可得到几种稳压值？各为多少？3.在右图所示电路中，发光二极管导通电压UD＝1.5V，正向电流在5~15mA时才能正常工作。试问图中开关S在什么位置时发光二极管才能发光？R的取值范围又是多少？

RDS+5V6.4认识双极型三极管提出问题双极型三极管BJT的结构、电流放大原理是什么？如何通过输入、输出特性曲线判断三极管的工作区域？如何检测三极管极性？核心提示：掌握三极管“发射区高掺、基区薄且低掺、集电区大”的结构特点，理解“发射结正偏、集电结反偏”的放大条件，会用万用表判别三极管极性及好坏。知识准备双极型三极管是构成多种电子电路的核心元件。它的出现使PN结的应用实现了质的突破。通过特定的工艺手段，将两个PN结巧妙地背靠背结合，便形成了一个三极管。三极管按PN结组合形式分为PNP型和NPN型，。国内硅三极管多为NPN型3D系列，锗三极管多为PNP型3A系列。BJT因电子和空穴共同导电，因之称作双极型三极管。

双极型三极管BJT的特性与单一PN结不同，主要功能是对电路中的电流进行放大。NNP三极管是组成各种电子电路的核心器件。三极管的产生使PN结的应用发生了质的飞跃。6.4.1基本结构和类型双极型晶体管分有NPN型和PNP型，虽然它们外形各异，品种繁多，但它们的共同特征相同：都有三个分区、两个PN结和三个向外引出的电极：发射极e发射结集电结基区发射区集电区集电极c基极bNPN型PNP型PPNNPN型三极管图符号大功率低频三极管小功率高频三极管中功率低频三极管目前国内生产的双极型硅晶体管多为NPN型（3D系列），锗晶体管多为PNP型（3A系列），按频率高低有高频管、低频管之别；根据功率大小可分为大、中、小功率管。

ecbPNP型三极管图符号ecb注意：图中箭头方向为发射极电流的方向。6.4.2电流放大作用晶体管芯结构剖面图e发射极集电区N基区P发射区Nb基极c集电极晶体管实现电流放大作用的内部结构条件（1）发射区掺杂浓度很高，以便有足够的载流子供“发射”。（2）为减少载流子在基区的复合机会，基区应做得很薄，一般为几个微米，且掺杂浓度极低。（3）为了顺利收集边缘载流子，集电区体积较大，且掺杂浓度界于发射极和基极之间。可见，双极型三极管并非是两个PN结的简单组合，而是利用一定的掺杂工艺制作而成。因此，绝不能用两个二极管来代替，使用时也决不允许把发射极和集电极接反。晶体管实现电流放大作用的外部条件NNPUBBRB＋－（1）发射结必须“正向偏置”，以利于发射区电子的扩散，扩散电流即发射极电流ie，扩散电子的少数与基区空穴复合，形成基极电流ib，多数继续向集电结边缘扩散。UCCRC＋－（2）集电结必须“反向偏置”，以利于收集扩散到集电结边缘的多数扩散电子，收集到集电区的电子形成集电极电流ic。IEICIB整个过程中，发射区向基区发射的电子数等于基区复合掉的电子与集电区收集的电子数之和，即：IE=IB+IC三极管的集电极电流IC稍小于IE，但远大于IB，IC与IB的比值在一定范围内基本保持不变。特别是基极电流有微小的变化时，集电极电流将发生较大的变化。例如，IB由40μA增加到50μA时，IC将从3.2mA增大到4mA，即：显然，双极型三极管具有电流放大能力。式中的β值称为三极管的电流放大倍数。不同型号、不同类型和用途的三极管，β值的差异较大，大多数三极管的β值通常在几十至几百的范围。

由此可得：微小的基极电流IB可以控制较大的集电极电流IC，故双极型三极管属于电流控制器件。

结论由于发射结处正偏，发射区的多数载流子自由电子将不断扩散到基区，并不断从电源补充进电子，形成发射极电流IE。回顾与总结1.发射区向基区扩散电子的过程由于基区很薄，且多数载流子浓度又很低，所以从发射极扩散过来的电子只有很少一部分和基区的空穴相复合形成基极电流IB，剩下的绝大部分电子则都扩散到了集电结边缘。2.电子在基区的扩散和复合过程集电结由于反偏，可将从发射区扩散到基区并到达集电区边缘的电子拉入集电区，从而形成较大的集电极电流IC。3.集电区收集电子的过程只要符合三极管发射区高掺杂、基区掺杂浓度很低，集电区的掺杂浓度介于发射区和基区之间，且基区做得很薄的内部条件，再加上晶体管的发射结正偏、集电结反偏的外部条件，三极管就具有了放大电流的能力。6.4.3特性曲线所谓特性曲线是指各极电压与电流之间的关系曲线，是三极管内部载流子运动的外部表现。从工程应用角度来看，外部特性更为重要。1.输入特性曲线以常用的共射极放大电路为例说明UCE=0VUBE

/VIB

/A0UCE=0VUBBUCCRC++RB令UBB从0开始增加IBIE=IBUBE令UCC为0UCE=0时的输入特性曲线UCE为0时UCE=0.5VUCE=0VUBE

/VIB

/A0UBBUCCRC++RB令UBB重新从0开始增加IBICUBE增大UCC让UCE=0.5VUCE=1VUCE=0.5VUCE=0.5V的特性曲线继续增大UCC让UCE=1V令UBB重新从0开始增加UCE=1VUCE=1V的特性曲线继续增大UCC使UCE=1V以上的多个值，结果发现：之后的所有输入特性几乎都与UCE=1V的特性相同，曲线基本不再变化。实用中三极管的UCE值一般都超过1V，所以其输入特性通常采用UCE=1V时的曲线。从特性曲线可看出，双极型三极管的输入特性与二极管的正向特性非常相似。UCE>1V的特性曲线2.输出特性曲线先把IB调到某一固定值保持不变。当IB不变时，输出回路中的电流IC与管子输出端电压UCE之间的关系曲线称为输出特性。然后调节UCC使UCE从0增大，观察毫安表中IC的变化并记录下来。UCEUBBUCCRC++RBICIBUBEmAAIE根据记录可给出IC随UCE变化的伏安特性曲线，此曲线就是晶体管的输出特性曲线。IBUCE/VIC

/mA0UBBUCCRC++RBICIBUBEmAAIE再调节IB1至另一稍小的固定值上保持不变。仍然调节UCC使UCE从0增大，继续观察毫安表中IC的变化并记录下来。UCE根据电压、电流的记录值可绘出另一条IC随UCE变化的伏安特性曲线，此曲线较前面的稍低些。UCE/VIC

/mA0IBIB1IB2IB3IB=0如此不断重复上述过程，我们即可得到不同基极电流IB对应相应IC、UCE数值的一组输出特性曲线。输出曲线开始部分很陡，说明IC随UCE的增加而急剧增大。当UCE增至一定数值时(一般小于1V)，输出特性曲线变得平坦，表明IC基本上不再随UCE而变化。当IB一定时，从发射区扩散到基区的电子数大致一定。当UCE超过1V以后，这些电子的绝大部分被拉入集电区而形成集电极电流IC。之后即使UCE继续增大，集电极电流IC也不会再有明显的增加，具有恒流特性。UCE/VIC

/mA020AIB=040A60AIB=100A80A43211.52.3当IB增大时，相应IC也增大，输出特性曲线上移，且IC增大的幅度比对应IB大得多。这一点正是晶体管的电流放大作用。从输出特性曲线可求出三极管的电流放大系数β。ΔIB=40A取任意再两条特性曲线上的平坦段，读出其基极电流之差；再读出这两条曲线对应的集电极电流之差ΔIC=1.3mA；ΔIC于是我们可得到三极管的电流放大倍数：

β=ΔIC/ΔIB=1.3÷0.04=32.5UCE/VIC

/mA020AIB=040A60AIB=100A80A43211.52.3输出特性曲线上一般可分为三个区：饱和区。当发射结和集电结均为正向偏置时，三极管处于饱和状态。此时集电极电流IC与基极电流IB之间不再成比例关系，IB的变化对IC的影响很小。截止区。当基极电流IB等于0时，晶体管处于截止状态。实际上当发射结电压处在正向死区范围时，晶体管就已经截止，为让其可靠截止，常使UBE小于和等于零。放大区晶体管工作在放大状态时，发射结正偏，集电结反偏。在放大区，集电极电流与基极电流之间成β倍的数量关系，即晶体管在放大区时具有电流放大作用6.4.4极限参数1.集电极最大允许电流ICM2.集电极－发射极反向击穿电压U(BR)CEOcebUCCU(BR)CEO基极开路指基极开路时集电极与发射极间的反向击穿电压。使用中若超过此值,晶体管的集电结就会出现雪崩击穿。当IC

=

ICM时，晶体管的β值通常下降到正常额定值的三分之二。但当IC>ICM时，晶体管并不一定烧损，但β值明显下降。3.集电极最大允许耗散功率PCMUCE/VIC

/mA0IB=043211.52.3晶体管的功耗PC=UCE*IC。使用中，如果温度过高，晶体管的性能就会下降甚至被损坏，所以集电极损耗有一定的限制，规定集电极所消耗的最大功率不能超过最大允许耗散功率PCM值。如果超过PCM值，则晶体管就会因过热而损坏。晶体管上的功耗超过PCM，管子将损坏。安

全

区6.4.5用万用表测试三极管工程实例案例：利用实验室中的万用表和三极管实物，进行三极管的极性判别以及电流放大倍数的估算。案例操作步骤：

1.判别基极和管子的类型选用万用表欧姆挡的“R×100”或“R×1k”挡位，红表笔所连接的是万用表内部电池的负极，黑表笔连接着万用表内部电池的正极。先用黑表笔与假设基极的引脚相接触，红表笔接触另外两个引脚，观察万用表指针偏度。如此重复上述步骤测3次，其中必有一次万用表指针偏转度都很大（或都很小），对应黑表笔接触的电极就是基极，且管子是NPN型（或PNP型）的。用万用表测试三极管工程实例案例：利用实验室中的万用表和三极管实物，进行三极管的极性判别以及电流放大倍数的估算。案例操作步骤：2.判别集电极

因为三极管发射极和集电极正确连接时

大（表针抾动幅度大），反接时

就小得多，因此，先假设一个集电极，用欧姆挡连接（对NPN型管，发射极接黑表笔，集电极接红表笔），测量时，用手捏住基极和假设的集电极，两极不能接触，若万用表指针撰动幅度大，而把两极对调后指针摆动小，则说明假设是正确的，从而确定集电极和发射极。3.电流放大系数

的估算

选用欧姆挡的“R×100”或“R×1k”挡位，对NPN型管红表笔接发射极，黑表笔接集电极。测量时，用手捏住基极和集电极（两极不能接触）和把手放开两种情况下指针抎动的大小，摆动越大，

值越高。实践4三极管极性判别与放大能力简易测试1.实验器材：NPN三极管9013、指针万用表R×1k挡、1kΩ电阻、1.5V电池。2.实验步骤：（1）基极判别：黑表笔接假设基极，红表笔接另外两极，若两次正向电阻都小，则假设基极正确，且NPN型；（2）集电极与发射极判别：假设集电极接黑表笔、发射极接红表笔，在基极与发射极间串1kΩ电阻，测集电极和发射极之间小电阻；对调两极，电阻大时，则原假设集电极和发射极正确；（3）放大能力判断：上述正确连接时，电阻越小，β越大，放大能力越强。3.注意事项：PNP型三极管判别时，红表笔接基极。知识总结1.三极管是电流控制器件，放大条件为发射结正偏、集电结反偏，核心是IC≈βIB；2.工作区域决定功能：放大区用于放大电路，饱和/截止区用于开关电路；3.极性判别利用PN结单向导电性，放大能力可通过简易电阻测试初步判断。晶体管的发射极和集电极是不能互换使用的。因为发射区和集电区的掺杂质浓度差别较大，如果把两个极互换使用，则严重影响晶体管的电流放大能力，甚至造成放大能力丧失。晶体管的发射极和集电极能否互换使用？为什么?

晶体管在输出特性曲线的饱和区工作时，UCE<UBE，集电结也处于正偏，这时内电场被大大削弱，因此极不利于集电区收集从发射区到达集电结边缘的电子，这种情况下，集电极电流IC与基极电流IB不再是β倍的关系，因此，晶体管的电流放大能力大大下降。晶体管在输出特性曲线的饱和区工作时，其电流放大系数是否也等于β？为了使发射区扩散电子的绝大多数无法在基区和空穴复合，由于基区掺杂深度很低且很薄，因此只能有极小一部分扩散电子与基区空穴相复合形成基极电流，剩余大部分扩散电子继续向集电结扩散，由于集成电结反偏，这些集结到集电结边缘的自由电子被集电极收集后形成集电极电流。为什么晶体管基区掺杂质浓度小？而且还要做得很薄？学习与讨论检验学习效果3.使用三极管时，只要①集电极电流超过ICM值；②耗散功率超过PCM值；③集—射极电压超过U（BR）CEO值，三极管就必然损坏。上述说法哪个是对的？

4.

用万用表测量某些三极管的管压降得到下列几组数据，说明每个管子是NPN型还是PNP型？是硅管还是锗管？它们各工作在什么区域？

UBE＝0.7V，UCE＝0.3V；

UBE＝0.7V，UCE＝4V；

UBE＝0V，UCE＝4V；

UBE＝－0.2V，UCE＝－0.3V；

UBE＝0V，UCE＝－4V。NPN硅管，饱和区NPN硅管，放大区NPN硅管，截止区PNP锗管，放大区PNP锗管，截止区1.三极管的发射极和集电极是否可以互换使用？这什么？2.三极管在输出特性曲线的饱和区工作时，其电流放大系数是否也等于β？6.5

单极型晶体管提出问题

MOS管的结构特点、工作原理是什么？与双极型三极管的区别是什么？使用MOS管需注意哪些事项？核心提示：掌握MOS管“绝缘栅、电压控制”的特点，理解增强型MOS管导电沟道的形成过程，明确栅极悬空的危害。知识准备单极型三极管与双极型三极管相比，是一种新型的半导体器件。它们在导电机理和特性曲线上都不同。单极型三极管输入电阻极高，几乎不取用信号源电流，因此具有功耗小、体积小、热稳定性好、易于集成等优点。这使得单极型三极管在大规模和超大规模数字集成电路中得到广泛应用。根据结构不同，单极型三极管可分为结型和绝缘栅型两类。结型管通过半导体内电场效应控制电流，绝缘栅型管通过半导体表面电场效应控制漏极电流，通常称为场效应管。目前，应用最广的是以二氧化硅为绝缘介质的金属-氧化物-半导体绝缘栅型场效应管，简称MOS管。

双极型三极管是利用基极小电流去控制集电极较大电流的电流控制型器件，因工作时两种载流子同时参与导电而称之为双极型。单极型三极管因工作时只有多数载流子一种载流子参与导电，因此称为单极型三极管；单极型三极管是利用输入电压产生的电场效应控制输出电流的电压控制型器件。上图所示为单极型三极管产品实物图。单极型管可分为结型和绝缘栅型两大类，其中绝缘栅型场效应管应用最为广泛，其中又分增强型和耗尽型两类，且各有N沟道和P沟道之分。单极型三极管可用英文缩写FET表示，与双极型三极管BJT相比，无论是内部的导电机理还是外部的特性曲线，二者都截然不同。FET属于一种新型的半导体器件，尤为突出的是：FET具有高达107~1015的输入电阻，几乎不取用信号源提供的电流，因而具有功耗小，体积小、重量轻、热稳定性好、制造工艺简单且易于集成化等优点。这些优点扩展了单极型三极管的应用范围，单极型三极管在工程实际中通常用于：①放大；②在多级放大器输入级用作阻抗变换；③用作可变电阻；④用作恒流源；⑤用作电子开关。

6.5.1

MOS管的基本结构N+N+以P型硅为衬底BDGS二氧化硅(SiO2)绝缘保护层两端扩散出两个高浓度的N区N区与P型衬底之间形成两个PN结由衬底引出电极B由高浓度的N区引出的源极S由另一高浓度N区引出的漏极D由二氧化硅层表面直接引出栅极G杂质浓度较低，电阻率较高。N+N+以P型硅为衬底BDGS大多数管子的衬底在出厂前已和源极连在一起铝电极、金属（Metal）二氧化硅氧化物（Oxide）半导体（Semiconductor)故单极型三极管又称为MOS管。MOS管电路的连接形式N+N+P型硅衬底BDGS+－UDS+－UGS漏极与源极间电源UDS栅极与源极间电源UGS

如果衬底在出厂前未连接到源极上，则要根据电路具体情况正确连接。一般P型硅衬底应接低电位，N型硅衬底应接高电位，由导电沟道的不同而异。不同类型MOS管的电路图符号DSGB衬底N沟道增强型图符号DSGB衬底P沟道增强型图符号DSGB衬底N沟道耗尽型图符号DSGB衬底P沟道耗尽型图符号由图可看出，衬底的箭头方向表明了场效应管是N沟道还是P沟道：箭头向里是N沟道，箭头向外是P沟道。虚线表示增强型实线表示耗尽型6.5.2MOS管的工作原理以增强型NMOS管为例说明其工作原理。N沟道增强型MOS管不存在原始导电沟道。当栅源极间电压UGS=0时，增强型MOS管的漏极和源极之间相当于存在两个背靠背的PN结。N+N+P型硅衬底BDGS不存在原始沟道+－UDSUGS=0此时无论UDS是否为0，也无论其极性如何，总有一个PN结处于反偏状态，因此MOS管不导通，ID=0。MOS管处于截止区。PPN结PN结ID=01.导电沟道的形成在栅极和衬底间加UGS且与源极连在一起，由于二氧化硅绝缘层的存在，电流不能通过栅极。但金属栅极被充电，因此聚集大量正电荷。+－+－N+N+P型硅衬底BDGSUDS=0UGS电场力排斥空穴二氧化硅层在UGS作用下被充电而产生电场形成耗尽层出现反型层形成导电沟道电场吸引电子

2.可变电阻区

很明显，在0<UGS<UT的范围内，漏源极之间的N沟道尚未连通，管子处于截止状态，漏极电流ID＝0的。当

UGS一定，且

UGS从0开始增大，UGS＝UGS

－UDS<UGS（eff)时，即在

UGS很小的情况下，

UDS的变化直接影响整个沟道的电场强度，在此区域随着

UDS的增大，

ID增大很快。当

UDS再继续增大到

UGD＝UGS

－UDS

＝UGS（off)时，导电沟道在漏极一侧出现了夹断点，称为预夹断。对应预夹断状态的漏源电压UDS

和漏极电流ID

称为饱和电压和饱和电流。这种情况下，UDS

的变化直接影响着

ID的变化，导电沟道相当于一个受控电阻，阻值的大小与

UGS相关。

UGS越大，管子的输出电阻变得越大。利用管子的这种特性可把MOS管作为一个可变电阻使用。3.恒流区当

UGS

≥UT且在漏源间加正向电压UDS时，便会产生漏极电流ID。当

UDS使沟道产生预夹断后仍继续增大，夹断区随之延长，而且

UDS增大的部分几乎全部用于克服夹断区对ID的阻力，这时从外部看ID几乎不随UDS

的增大而变化

，管子进入恒流区。在恒流区，ID的大小仅由UGS的大小来决定。MOS管用于放大作用时，就工作在此区域。在线性放大区，MOS管的输出大电流ID

受输入小电压UGS的控制，因此常把MOS管称为电压控制型器件。MOS管工作在放大区的条件应符合。4.截止区当

UGS

小于UGS（off)时，管子的导电沟道完全夹断，漏极电流ID＝0，MOS管截止；在

UGS<UT时，

管子导电沟道没有形成，使ID＝0，管子处于截止状态。ID+－+－N+N+P型硅衬底BDGSUDSUGS在放大恒流区，如果UDS-UGD<UT时，沟道完全夹断，ID=0，管子又回到截止区。但继续增大UDS，使管子出现雪崩击穿时，ID电流急剧增大，管子将进入击穿区。UGD沟道出现预夹断时工作在放大状态，放大区ID几乎与UDS的变化无关，只受UGS的控制。即MOS管是利用栅源电压UGS来控制漏极电流ID大小的一种电压控制器件。5.击穿区6.5.3

MOS管的使用注意事项1.MOS管中,有的产品将衬底引出，形成四