第一章 电子技术教案

引言

♦课程介绍

一、什么是电子技术

电子技术是把电子元器件组成的电子电路应用到科学、技术、生产、生

活各项领域的应用技术，电子电路是信息社会产生、传送、处理信号的（硬

件）载体。

注：常用的电子元器件

元件：电阻、电容、电感

器件：半导体二极管和三极管、电子管、集成电路、传感器、变压器、

滤波器、继电器等。

二、课程的性质、特点、要求以及学习方法

课程性质：技术基础课

课程特点：

1.实践性、工程性强，多采用近似方法分析计算

2.小信号下非线性电路按线性电路处理

3.内容复杂、不断更新

4.入门难

学习要求：理解基本原理掌握基本方法熟悉基本电路理论联系实际

学习方法

1.从外特性上认识理解基本元器件，淡化对其物理机理的追究

2.从系统角度认识电路，理解不同电路耦合时，它们之间作为信号源与

负载的相对关系，以及输入、输出电阻的相互影响

3.归纳分析计算不同电路参数的基本方法，不死记硬背公式

4.把非线性电路作为线性电路对待

5.重视实践，注重理性认识和感性认识的相辅相成

6.坚持预习，及时复习，认真听课，独立并及时完成作业和实验作业

♦课堂教学内容

「模拟电子技术一电路工作在连续信号下（1—3章）

电子技术J

I数字电子技术一电路工作在离散信号下（6—9章）

模拟部分：

1.基本器件

半导体管：二极管、三极管（双极性，晶体三极管。单极性，场效应管）

集成器件：集成运算放大器、集成功率放大器、集成模拟乘法器、线性集成

稳压器）

教学内容：工作原理、性能参数、外特性

2.基本电路

共发射极放大电路、

共集电极放大电路晶体三极管构成

共基极放大电路-

基本放大电路形式〈

差分放大电路

（互补对称功率放大电路

基本应用电路：运算电路

教学内容：电路的工作原理和分析方法

数字部分：

数字逻辑基础、集成逻辑门电路、组合逻辑电路的分析和设计、集成触

发器、时序逻辑电路的分析和设计、半导体存储器及数-模和模-数转换等

第一章半导体基础及常用器件

半导体器件是在20世纪50年代初发展起来的电子器件，它具有体积小、

质量小、使用寿命长、输入功率小等优点。本章主要介绍本征半导体、P型和

N型半导体的特征及PN结的形成过程；二极管的伏安特性及其分类、用途；

三极管的电流放大原理，其输入和输出特性的分析方法；双极型和单极型三

极管在控制原理上的区别。

讲授新课

1.1半导体的基本知识

1.导体、绝缘体和半导体

物质按导电性能可分为导体、绝缘体和半导体。物质的导电特性取决于原

子结构。

(1)导体

导体一般为低价元素，如铜、铁、铝等金属，其最外层电子受原子核的

束缚力很小，因而极易挣脱原子核的束缚成为自由电子。因此在外电场作用下,

这些电子产生定向运动(称为漂移运动)形成电流，呈现出较好的导电特性。

(2)绝缘体

高价元素(如惰性气体)和高分子物质(如橡胶，塑料)最外层电子受原子

核的束缚力很强，极不易摆脱原子核的束缚成为自由电子，所以其导电性极

差，可作为绝缘材料。

(3)半导体

半导体的最外层电子数一般为4个，既不像导体那样极易摆脱原子核的

束缚，成为自由电子，也不像绝缘体那样被原子核束缚得那么紧，因此，半导

体的导电特性介于二者之间。常用的半导体材料有硅、楮、硒等。

2.半导体的独特性能

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。

3.本征半导体

纯净晶体结构的半导体称为本征半导体。常用的半导体材料是硅和

楮，它们都是四价元素，在原子结构中最外层轨道上有四个价电子。如图1.1.1

图1.1.1Si和Ge的原子结构

为便于讨论，采用图1.1.2所示的

简化原子结构模型。

图1.1.2Si和Ge的原子结构的简化模型

把硅或铸材料拉制成单晶体时，相邻两个原子的一对最外层电子（价电子）

成为共有电子，它们一方面围绕自身的原子核运动，另一方面又出现在相邻

原子所属的轨道上。即价电子不仅受到自身原子核的作用，同时还受到相邻原

子核的吸引。于是，两个相邻的原子共有一对价电子，组成共价键结构。故晶

体中，每个原子都和周一..._______一相紧密地联系起来，如

\«/\•/\•/

图1.1.3所不。-+4Y«一

图1.1.3单晶硅和信的共价键结构示意图

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。

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。

游离走的价电子原位上留下一个不能移动的空位，叫空穴。

由于热激发而在晶体中出现电子空穴对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运动的产生，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，这些带正电的离子不会移动，即不能参与导电，

成为晶体中固定不动的带正电离子。

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。

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。

自由电子载流子运动可以形容为没有座位人的移动；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：

半导体的导电机理与金属导体导电机理有本质上的区别：

金属导体中只有自由电子一种载流子参与导电；而半导体中则是本征激发

下的自由电子和复合运动形成的空穴两种载流子同时参与导电。两种载流子

电量相等、符号相反，即自由电子载流子和空穴载流子的运动方向相反。

结论:

1.本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少

2.半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电

3.本征半导体导电能力弱，并与温度有关。

4.杂质半导体

在本征半导体中，有选择地掺入少量其它元素，会使其导电性能发生显

著变化。这些少量元素统称为杂质。掺入杂质的半导体称为杂质半导体。根

据掺入的杂质不同，有N型半导体和P型半导体两种。

(1)

在本征半导体中，掺入微量5价元素，如磷、锚、碑等，则原来晶格中

的某些硅(楮)原子被杂质原子代替。由于杂质原子的最外层有5个价电子，因

此它与周围4个硅（楮）原子组成共价键时，还多余1个价电子。它不受共价

键的束缚，而只受自身原子核的束缚，因此，它只要得到较少的能量就能成为

自由电子，并留下带正电的杂质离子，它不能参与导电，如图1.1.4所示。显

然，这种杂质半导体中电子浓度远远大于空穴的浓度，即为＞＞为（下标n表示

是N型半导体），主要靠电子导电，所以称为N型半导体。由于5价杂质原子可

提供自由电子，故称为施主杂质。N型半导体中，自由电子称为多数载流子；

空穴称为少数载流子。

图1.1.4N型半导体原子结构示意图

（2）P型半导体

在本征硅（或楮）中掺入少量的三价元素，如硼、铝、锢等，就得到P型

半导体。这时杂质原子替代了晶格中的某些硅原子，它的三个价电子和相邻

的四个硅原子组成共价键时，只有三个共价键是完整的，第四个共价键因缺

少一个价电子而出现一个空位，如图1.1.5所示。

图1.1.5P型半导体原子结构示意图

(3)P型、N型半导体的简化图示

图1.1.6所示为P型、N型半导体的简化图

QoQoQoQo©•©•©•©•

㊉•㊉••㊉:㊉.

Qoeee

/\/\

多数载流子少数载流子多数载流子少数载流子

图1.1.6P型、N型半导体的简化图

结论：

N型半导体：自由电子称为多数载流子；空穴称为少数载流子，载流子数。

电子数

P型半导体：空穴称为多数载流子；自由电子称为少数载流子，载流子数a

空穴数

5.PN结

(1)PN结的形成

1)载流子的浓度差引起多子的扩散

在一块完整的晶片上，通过一定的掺杂工艺，一边形成P型半导体,另一边

形成N型半导体。P型半导体和N型半导体有机地结合在一起时，因为P区

一侧空穴多，N区一侧电子多，所以在它们的界面处存在空穴和电子的浓度

差。于是P区中的空穴会向N区扩散，并在N区被电子复合。而N区中的

电子也会向P区扩散，并在P区被空穴复合。这样在P区和N区分别留下

了不能移动的受主负离子和施主正离子。上述过程如图1.17(a)所示。结果在

界面的两侧形成了由等量正、负离子组成的空间电荷区，如图1.1.7(b)所示。

PNP-色班巴」N

㊀6㊀;㊀6旦夕丝㊉.㈤㊀㊀㊀®㊉•①

OoO(X—0OO

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QG)。㊀㊀0O000©©®

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㊀aw豆㊀。Q㊀㊀㊀©。电O苍

(«)

S）

图1.1.7PN结的形成

2）复合使交界面形成空间电荷区（耗尽层）

空间电荷区的特点：无载流子，阻止扩散进行，利于少子的漂移。

3）扩散和漂移达到动态平衡

扩散电流等于漂移电流，总电流/=Oo

（2）PN结的单向导电特性

在PN结两端外加电压,称为给PN结以偏置电压。

1）PN结正向偏置

给PN结加正向偏置电压，即P区接电源正极,N区接电源负极，此时称PN

结为正向偏置（简称正偏），如图1..1.8所示。由于外加电源产生的外电场的方

向与PN结产生的内电场方向相反,削弱了内电场，使PN结变薄，有利于两区多

数载流子向对方扩散，形成正向电流，此时PN

7?

图1.1.8PN结加正向电压

2.PN

给PN结加反向偏置电压，即N区接电源正极,P区接电源负极，称PN结反

向偏置（简称反偏），如图1.1.9所示。

（内电场

《外电场

Q;―

图1.1.9PN结加反向电压

由于外加电场与内电场的方向一致，因而加强了内电场，使PN结加宽，阻碍

了多子的扩散运动。在外电场的作用下，只有少数载流子形成的很微弱的电流,

称为反向电流。

注：少数载流子是由于热激发产生的，因而PN结的反向电流受温度影响

很大。

结论：PN结具有单向导电性，即加正向电压时导通,加反向电压时截止。

6、PN

当加于PN结的反向电压增大到一定值时，反向电流会急剧增大，这种现

象称为PN结击穿。PN结发生反向击穿的机理可以分为两种。

1）雪崩击穿

在轻掺杂的PN结中，当外加反向电压时，耗尽区较宽，少子漂移通过

耗尽区时被加速，动能增大。当反向电压大到一定值时，在耗尽区内被加速

而获得高能的少子，会与中性原子的价电子相碰撞，将其撞出共价键，产生

电子、空穴对。新产生的电子、空穴被强电场加速后，又会撞出新的电子、

空穴对。

2）齐纳击穿

在重掺杂的PN结中，耗尽区很窄，所以不大的反向电压就能在耗尽区

内形成很强的电场。当反向电压大到一定值时，强电场足以将耗尽区内中性

原子的价电子直接拉出共价键，产生大量电子、空穴对，使反向电流急剧增

大。这种击穿称为齐纳击穿或场致击穿。PN结，

LfeR>7V时为雪崩击穿；LfeR<5V时为齐纳击穿；SR介于5~7V时，两种

击穿都有。

本节小节

1.本征半导体的特性

2.两种杂质半导体的导电机理

3.PN结的形成及单向导电性

1.2二极管

复习并导入新课

上节课主要介绍了半导体的一些基本特性，其中重点讲述了PN结的形成

及其单向导电性。在PN结加上电极引线和管壳便构成了晶体二极管。

1.二极管的基本结构与类型

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。

二极管的结构外形及在电路中的文字符号如图1.2.1所示，在图1.2.1(b)所示

电路符号中，箭头指向为正向导通电流方向。

v

Na

引线引线

⑷S)

图1.2.1晶体二极管结构示意图及电路符号

:根据PN结面积大小,有点接触型、面接触型二极管，其结构如图

(a)点接触型

正极引线负极引线

8e

(c)平面型

图1.1.2二极管的结构

点接触型：结面积小，适用于高频检波、脉冲电路及计算机中的开关元件。

面接触型：结面积大，适用于低频整流器件。

2.二极管的伏安特性

半导体二极管的核心是PN结,它的特性就是PN结的特性一单向导电性。

常利用伏安特性曲线来形象地描述二极管的单向导电性。

若以电压为横坐标,电流为纵坐标，用作图法把电压、电流的对应值用平滑

的曲线连接起来，就构成二极管的伏安特性曲线，如图1.2.2所示(图中虚线为

楮管的伏安特性，实线为硅管的伏安特性卜其数学表达式为

iD=/s（e"-D（121）

%=竺

q（1.2.2）

图1.2.2二极管的伏安特性曲线

说明：

1）正向特性

二极管两端加正向电压时，就产生正向电流，当正向电压较小时，正向电

流极小（几乎为零），这一部分称为死区，相应的A（A'）点的电压称为死区电压

或门槛电压（也称阈值电压），硅管约为0.5V,错管约为0.1V,如图1.6中OA（OA'）

段。

当正向电压超过门槛电压时，正向电流就会急剧地增大，二极管呈现很小

电阻而处于导通状态。这时硅管的正向导通压降约为0.6~0.7V,楮管约为

O2~0.3V,如图1.2.2中AB(A'B')段。

二极管正向导通时,要特别注意它的正向电流不能超过最大值，否则将烧

坏PN结。

2)反向特性

二极管两端加上反向电压时，在开始很大范围内，二极管相当于非常大的

电阻,反向电流很小，且不随反向电压而变化。此时的电流称之为反向饱和电流

任见图1.2.2中0C(0C')段。

3)反向击穿特性

二极管反向电压加到一定数值时，反向电流急剧增大，这种现象称为反向

击穿。此时对应的电压称为反向击穿电压，用生R表示，如图1.11中CD(C'D')

段。

4)温度对特性的影响

由于二极管的核心是一个PN结，它的导电性能与温度有关，温度升高时

二极管正向特性曲线向左移动，正向压降减小;反向特性曲线向下移动,反向电

流增大。

3.二极管的主要参数

器件参数是定量描述器件性能质量和安全工作范围的重要数据，是我们

合理选择和正确使用器件的依据。参数一般可以从产品手册中查到，也可以

通过直接测量得到。下面介绍晶体二极管的主要参数及其意义。

1）最大整流电流/DM。它是二极管允许通过的最大正向平均电流。工作

时应使平均工作电流小于/F,如超过/F,二极管将过热而烧毁。此值取决

于PN结的面积、材料和散热情况。

2）最大反向工作电压"RM。这是二极管允许的最大工作电压。当反向电

压超过此值时，二极管可能被击穿。为了留有余地，通常取击穿电压的一半作

为〃Ro

3）反向电流/R。指二极管未击穿时的反向电流值。此值越小，二极管的

单向导电性越好。由于反向电流是由少数载流子形成，所以/R值受温度的影

响很大。

4）最高工作频率FM。的值主要取决于PN结结电容的大小，结电容

越大，则二极管允许的最高工作频率越低。

4.二极管的应用举例

（1）二极管的开关作用

正向导通时相当

注意：分析实际电路时为简单化，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”。

(2)二极管的整流作用

将交流电变成单方向脉动直流电的过程称为整流。利用二极管的单向导电

性能就可获得各种形式的整流电路。

图示为一限幅电路。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：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=OV;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。

本节小结

1.二极管的伏安特性

2.二极管的主要参数

3.二极管的应用

1.3特殊二极管

引言

前面主要讨论了普通二极管，另外还有一些特殊用途的二极管，如稳压二

极管、发光二极管、光电二极管和变容二极管等，现介绍如下。

1.稳压管

稳压管是由硅材料制成的特殊面接触型二极管，与普通二极管不同的是，

稳压管的正常工作区域是PN结的反向齐纳击穿区，故而也称为齐纳二极管。

(1)稳压管的工作特性

稳压二极管简称稳压管，它的特性曲线和符号如图1.4.1所示。

(b)符号

(a)伏安特性曲线

图1.4.1稳压二极管的特性曲线和符号

显然稳压管的伏安特性曲线比普通二极管的更加陡峭。稳压二极管的反

向电压几乎不随反向电流的变化而变化、这就是稳压二极管的显著特性。

(2)稳压二极管的主要参数

1)稳定电压生。

稳定电压是稳压管工作在反向击穿区时的稳定工作电压。由于稳定电

压随着工作电流的不同而略有变化，因而测试UL时应使稳压管的电流为规定

值。稳定电压是根据要求挑选稳压管的主要依据之一。不同型号的稳压

管，其稳定电压值不同。同一型号的管子，由于制造工艺的分散性，各个管子

的"z值也有差别。例如稳压管2DW7C,其〃z=6.1~6.5V,表明均为

合格产品，其稳定值有的管子是6.1V,有的可能是6.5V等等，但这并不意

味着同一个管子的稳定电压的变化范围有如此大。

2)稳定电流区

稳定电流是使稳压管正常工作时的最小电流，低于此值时稳压效果较

差。工作时应使流过稳压管的电流大于此值。一般情况是，工作电流较大时,

稳压性能较好。但电流要受管子功耗的限制，即

fz.max=fk/Lfco

3）耗散功率住m

由于稳压管两端的电压值为"z,而管子中又流过一定的电流，因此要消

耗一定的功率。这部分功耗转化为热能，会使稳压管发热。尸z取决于稳压管

允许的温升。

4）动态电阻忆

/Z是稳压二极管在击穿状态下，两端电压变化量与其电流变化量的比值。

反映在特性曲线上，是工作点处切线斜率的倒数。々随工作电流增大而减小。

/Z的数值一般为几欧姆到几十欧姆。

2.发光二极管

发光二极管与普通二极管一样,也是由PN结构成的，同样具有单向导

电性，但在正向导通时能发光,所以它是一种把电能转换成光能的半导体器件。

电路符号如图142所示。当发光二极管正偏时，注入到N区和P区的载流

子被复合时，会发出可见无和不Nk

V

图142发光二极管电路符号

单个发光二极管常作为电子设备通断指示灯或快速光源及光电耦合器

中的发光元件等。发光二极管一般使用碑化镂、磷化锡等材料制成。现有的

发光二极管能发出红黄绿等颜色的光。发光管正常工作时应正向偏置，因死

区电压较普通二极管高，因此其正偏工作电压一般在1.3V以上。

发光管属功率控制器件，常用来作为数字电路的数码及图形显示的七段

式或阵列器件。

3.光电二极管

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。

光电二极管工作在反偏状态，它的管壳上有一个玻璃窗口，以便接受光

照，如图1.4.3所示。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结后，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，产生电子一空穴对，称为光生载流子。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。

光电二极管的检测方法和普通二极管的一样，通常正向电阻为几千欧，反

向电阻为无穷大。否则光电二极管质量变差或损坏。当受到光线照射时，反向

电阻显著变化，正向电阻不变。

V

图1.4.3光电二极管电路符号

本节小结

本节主要介绍了几种特殊二极管，需掌握的内容是：稳压二极管的特性

及其主要参数；发光二极管及光电二极管的主要特性及电路符号。

1.4双极型三极管

引言

三极管具有放大作用，是组成各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。它分为双极型和单极型两种类型。

本节主要讨论双极型三极管的结构、工作原理、特性曲线和主要参数。

讲授新课

2.1双极型三极管

双极型三极管是由三层杂质半导体构成的器件，由于这类三极管内部的

电子载流子和空穴载流子同时参与导电，故称为双极型三极管。它有三个电

极，所以又称为半导体三极管、晶体三极管等，以后我们简称为三极管。

1、双极型三极管基本结构和类型

按PN结的组合方式有PNP型和NPN型，它们的结构示意图和符号图

分别为：如图2.1.1(a)、(b)所示

基电四二c?基颦Lc?

p

发射极《..然发射吗

图2.1.1三极管的结构示意图与电路符号

(a)NPN型；(b)PNP型

无论是NPN型管还是PNP型管,它们内部均含有三个区:发射区、基区、

集电区。从三个区各引出一个金属电极分别称为发射极(e卜基极(b)和集

电极(c)；同时在三个区的两个交界处形成两个PN结，发射区与基区之间形成

的PN结称为发射结，集电区与基区之间形成的PN结称为集电结。三极管的

电路符号如图211所示，符号中的箭头方向表示发射结正向偏置时的电流方

向。2、电流放大作用

三极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，基区做得很薄，一般为几个微米，

且掺杂浓度较发射极低。

(3)集电区体积较大，且为了顺利收集边缘载流子，掺杂浓度很低。

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。

三极管实现放大作用的外部条件是发射结正向偏置，集电结反向偏置。

1.放大状态下晶体管中载流子的传输过程

当晶体管处在发射结正偏、集电结反偏的放大状态下，管内载流子的运

动情况可用图212说明。我们按传输顺序分以下几个过程进行描述。

图2.1.2晶体管内载流子的运动和各极电流

(1)发射区向基区注入电子

由于e结正偏，因而结两侧多子的扩散占优势，这时发射区电子源源不

断地越过e结注入到基区，形成电子注入电流4No与此同时，基区空穴也向

发射区注入，形成空穴注入电流4Po因为发射区相对基区是重掺杂，基区空

穴浓度远低于发射区的电子浓度，所以满足4P«4N.可忽略不计。因此，

发射极电流4=4N，其方向与电子注入方向相反。

(2)电子在基区中边扩散边复合

注入基区的电子，成为基区中的非平衡少子，它在e结处浓度最大，而

在c结处浓度最小(因c结反偏，电子浓度近似为零)。因此，在基区中形成了

非平衡电子的浓度差。在该浓度差作用下，注入基区的电子将继续向c结扩

散。在扩散过程中，非平衡电子会与基区中的空穴相遇，使部分电子因复合

而失去。但由于基区很薄且空穴浓度又低，所以被复合的电子数极少，而绝

大部分电子都能扩散到c结边沿。基区中与电子复合的空穴由基极电源提供，

形成基区复合电流瓜N，它是基极电流/B的主要部分。

(3)扩散到集电结的电子被集电区收集

由于集电结反偏，在结内形成了较强的电场，因而，使扩散到c结边沿

的电子在该电场作用下漂移到集电区，形成集电区的收集电流公N。该电流是

构成集电极电流6的主要部分。另外，集电区和基区的少子在c结反向电压

作用下，向对方漂移形成C结反向饱和电流/CB0,并流过集电极和基极支路，

构成6、后的另一部分电流。

2.电流分配关系

由以上分析可知，晶体管三个电极上的电流与内部载流子传输形成的电

流之间有如下关系】E"1EN=[BN+【CN

y【B=1CN_【CBO

C-^CNT'CBO

(2.1.1)

式(2.1.1)表明，在e结正偏、c结反偏的条件下，晶体管三个电极上的

电流不是孤立的，它们能够反映非平衡少子在基区扩散与复合的比例关系。

这一比例关系主要由基区宽度、掺杂浓度等因素决定，管子做好后就基本确

定了。反之，一旦知道了这个比例关系，就不难得到晶体管三个电极电流之

间的关系，从而为定量分析晶体管电路提供方便。

为了反映扩散到集电区的电流与基区复合电流4N之间的比例关系，

定义共发射极直流电流放大系数为

1=(2.1.2)

1BNB+‘CTO

其含义是：基区每复合一个电子，则有万个电子扩散到集电区去。

方值一般在20~200之间。

确定了万值之后,由式(2.1.1)、(2.1.2)可得

―K+(]+CBO=B+1CEO-

《〃=(1+西+a+小心。=a+西+心。

VIB=IE-IC

(2.1.3)

式中，/用=（1+方）3o称为穿透电流。因6BO很小，在忽略其影响时，则

有

*_（2.1.4）

（2.1.5）

3.晶体三极管的特性曲线

晶体管伏安特性曲线是描述晶体管各极电流与极间电压关系的曲线，它

对于了解晶体管的导电特性非常有用。晶体管有三个电极，通常用其中两个

分别作输入、输出端，第三个作公共端，这样可以构成输入和输出两个回路。

实际中，有图2.1.3所示的三种基本接法（组态），分别称为共发射极、共集电

极和共基极接法。其中，共发射极接法更具代表性，所以我们主要讨论共发

射极伏安特性曲线。

图213晶体管的三种基本接法・

（a）共发射极；（b）共集电极；（c）共基极

晶体管特性曲线包括输入和输出两组特性曲线。这两组曲线可以在晶体

1）共发射极输入特性曲线

共射输入特性曲线是以"CE为参变量时，后与生E间的关系曲线，即典

型的共发射极输入特性曲线如图2.1.5所示。

图2.1.5共发射极输入特性曲线

⑴在t/CE-1V的条件下，当勿E<3E(orQ时，后=。。的E(on)为晶体管的

导通电压或死区电压，硅管约为0.5~0.6V,铺管约为0.1V。当3E>%E(on)

时，随着4E的增大，后开始按指数规律增加，而后近似按直线上升。

(2)当“CE=0时，晶体管相当于两个并联的二极管，所以b,e间加正向

电压时，后很大。对应的曲线明显左移，见图2.1.5。

(3)当〃CE在0~1V之间时，随着〃CE的增加，曲线右移。特别在0<UCE

V%E(sat)的范围内，即工作在饱和区时，移动量会更大些。

(4)当的E<0时，晶体管截止，后为反向电流。若反向电压超过某一值时,

e结也会发生反向击穿

2)共发射极输出特性曲线

共射输出特性曲线是以后为参变量时，公与"CE间的关系曲线，即

ZC=/(“CE)|%=常数

典型的共射输出特性曲线如图216所示。由图可见，输出特性可以划分

为三个区域，对应于三种工作状态。现分别讨论如下。

/B=40MA

饱

3OpA

和

区

2(hA

图2.1.6共射输出特性曲线

(1)放大区

e结为正偏，c结为反偏的工作区域为放大区。由图2-5可以看出，在放

大区有以下两个特点：

a.基极电流6对集电极电流Q有很强的控制作用，即心有很小的变化量

△后时，/c就会有很大的变化量△6＞为此，用共发射极交流电流放大系数尸

来表示这种控制能力。£定义为

R-

P—A1k片常数

反映在特性曲线上，为两条不同后曲线的间隔。

b."cE变化对4的影响很小。在特性曲线上表现为，4一定而生E增大

时，曲线略有上翘(七略有增大)。这是因为%E增大，C结反向电压增大，使

C结展宽，所以有效基区宽度变窄，这样基区中电子与空穴复合的机会减少，

即G要减小。而要保持/B不变，所以心将略有增大。这种现象称为基区宽度

调制效应，或简称基调效应。从另一方面看，由于基调效应很微弱，UCE在

很大范围内变化时4基本不变。因此，当％一定时，集电极电流具有恒流

(2)

e结和c结均处于正偏的区域为饱和区。通常把“CE=3E(即c结零偏)

的情况称为临界饱和，对应点的轨迹为临界饱和线。

注：温度对晶体管特性曲线的影响

温度对晶体管的生E、4)BO和尸有不容忽视的影响。其中，3E、九B0

随温度变化的规律与PN结相同，即温度每升高1℃,生E减小2~2.5mV;

温度每升高10℃,4:BO增大一倍。温度对£的影响表现为，£随温度的升高

而增大，变化规律是：温度每升高1℃,£值增大0.5%~1%(即△/?/£六

(0.5-1)%/℃)0

4.三极管的极限参数

1.集电极最大允许电流43M

尸与/C的大小有关，随着/C的增大，尸值会减小。/CM一般指£下降到正

常值的2/3时所对应的集电极电流。当/c>/CM时，虽然管子不致于损坏，但

£值已经明显减小。因此，晶体管线性运用时，匕不应超过6M。

2.集电极最大允许耗散功率PCM

晶体管工作在放大状态时，C结承受着较高的反向电压，同时流过较大的

电流。因此，在C结上要消耗一定的功率，从而导致C结发热，结温升高。

当结温过高时，管子的性能下降，甚至会烧坏管子，因此需要规定一个功耗

限额。

PCM与管芯的材料、大小、散热条件及环境温度等因素有关。一个管子

的生M如已确定，则由化M=6%E可知，化M在输出特性上为一条分与

UCE乘积为定值P(ZM的双曲线，称为PcM功耗线。如图2.1.7所示。

3.击穿电压

MBR)CBO指发射极开路时，集电极-基极间的反向击穿电压。

qBR)CEO指基极开路时，集电极-发射极间的反向击穿电压。

"BR)CEO<3BR)CB0。

"BR)EB。指集电极开路时，发射极-基极间的反向击穿电压。普通晶体

管该电压值比较小，只席几伏。

工作区

4BR)CEO

图2.1.7晶体管的安全工作区

1.5单极型三极管

引言

单极型三极管又称场效应管（简称FET），其主要特点是输入电阻非常高，

可达108-1015Q,另外还有噪声低、热稳定性好、抗辐射能力、寿命长等优

点。场效应管按结构分为结型场效应管（JFET）和金属-氧化物-半导体场效

应管（MOSFET）两类。本节主要介绍MOS场效应管。

新课讲授

1.MOS管的基本结构

以增强型N沟道MOSFET为例

D

B

S

(b)

（a）结构（b）符号

2.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=O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。此时无论6bs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，方=0。MO