《低频电子线路分析》-低频电子线路分析-第二章

2.1半导体基础知识自然界中存在的各种物体对电流的传导有着不同的阻碍作用，物体对电流传导的能力叫做物体的导电性能。按物体导电性能的好坏可将它们划分为:导体、半导体和绝缘体。我们通常把电阻系数小、导电性能好的物体叫做导体，如银、铜、铝等;电阻系数大，导电性能很差的物体叫绝缘体，如陶瓷、橡胶、塑料等;导电性能介于导体和绝缘体之间的物体叫做半导体，如硅、锗、硒、氧化铜等。其中，硅和锗是用来制造半导体器件最多的材料。半导体之所以能引起入们注意并广泛用来制造半导体器件，其主要原因并不在于其导电能力介于导体与绝缘体之间，而是其导电能力在不同条件下有很大的差异，主要表现在以下几个方面。下一页返回2.1半导体基础知识(1)热敏性:半导体的导电能力对温度非常敏感，当环境温度升高时，其导电能力极大地增强。利用光热敏性可制成热敏元件，例如自动控制电路中的热敏电阻。(2)光敏性:半导体的导电能力随光照的不同而不同，当光照增强时，其导电能力极大地增强。利用光敏性可制成光敏元件，例如自动控制电路中用的光电二极管、光电三极管等。(3)杂敏性:半导体导电能力受杂质影响极大，称为杂敏性。在纯净半导体中，只要掺入极微量的杂质，导电能力就急剧增加。利用杂敏性可以制造出各种不同性能、不同用途的半导体器件，如二极管、三极管、晶闸管等。上一页下一页返回2.1半导体基础知识2.1.1本征半导体本征半导体是一种完全纯净的、不含杂质的半导体单晶，如图2.1所示，又称为纯净半导体，因为它的纯度可以达到99.9999999%，常称为“九个9”。它在物理结构上为共价键，每个原子通过共价键和相邻的生个原子紧密地联系着，即每个价电子为相邻的两个原子所共有，这样每个原子的最外层都具有8个电子，呈稳定结构，如图2.2所示。在热力学温度零度和没有外界激发时，本征半导体中虽然具有大量的价电子，但没有自由电子，此时半导体呈电中性。上一页下一页返回2.1半导体基础知识当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚而参与导电，成为自由电子，这一现象称为本征激发(也称热激发)。因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子一空穴对，如图2.3所示。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合。在一定温度下本征激发和复合会达到动态平衡，此时，载流子浓度一定，且自由电子数和空穴数相等。上一页下一页返回2.1半导体基础知识2.1.2杂质半导体在本征半导体中掺入微量的杂质，就形成了杂质半导体。杂质半导体是半导体器件的基本材料。杂质元素价电子的不同，可以改变半导体中两种载流子的浓度。根据掺入杂质种类的不同，半导体可以分N型半导体和P型半导体。1.N型半导体在本征半导体硅(或锗)中掺入微量五价元素(如磷)后，就形成N型半导体，如图2.4所示。由于每掺入一个五价的磷原子，同相邻生个硅(或锗)原子组成共价键时，有一个多余的价电子不能构成共价键，这个价电子就变成了自由电子。上一页下一页返回2.1半导体基础知识因此在这种掺杂半导体中，自由电子的数量极大地增加，成为参与导电的主要载流子(简称多子)，而空穴是少数载流子(简称少子)，由于自由电子数远远大于空穴数，导电以电子导电为主，故此类半导体亦被称为电子型半导体，即N型半导体。2.P型半导体在本征半导体硅(或锗)中掺入微量三价元索如硼(或锢)等，就形成P型半导体，如图2.5所示。由于每掺入一个三价的硼原子，同相邻生个硅(或锗)原子组成共价键时，就会因为缺少一个电子而提供一个空穴，因此在这种掺杂半导体中，空穴的数量极大地增加，成为参与导电的多子，上一页下一页返回2.1半导体基础知识而空穴是少子，由于空穴数远远大于自由电子数，导电以空穴导电为主，故此类半导体亦被称为空穴型半导体，即P型半导体。需要提醒的是:无论是本征半导体还是杂质半导体，它们参与导电的载流子均包括带正电的空穴和带负电的电子，杂质半导体的导电性能与其掺杂浓度和温度有关，掺杂浓度越大、温度越高，其多子载流子数目越多，因而导电能力越强。上一页下一页返回2.1半导体基础知识2.1.3PN结1.PN结的形成通过一定的掺杂工艺，在同一块半导体基片的一边掺杂成P型，另一边掺杂成N型，P型和N型的交界面处就会形成PN结。P区和N区中的载流子存在一定的浓度差，浓度差导致多子向另一边扩散，上一页下一页返回2.1半导体基础知识从而产生了空间电荷和内电场，如图2.6所示。内电场将阻止多子扩散而促进少子漂移，当扩散与漂移达到动态平衡时，交界面上就会形成稳定的空间电荷区(又称势皇区、耗尽层)，即PN结形成，如图2.7所示。需要强调的是，PN结并不是P型半导体和N型半导体的简单组合。2.PN结的特性1）PN结加正向电压如图2.8(a)所示，PN结的P区接电源正极，N区接电源负极，即给PN结加正向电压，也称为正向偏置。上一页下一页返回2.1半导体基础知识这时，外电场的方向与PN结的内电场方向正好相反。在外电场作用下，外电场削弱了内电场，P区的多数载流子空穴和N区的多数载流子电子都移向PN结，扩散电流大于漂移电流，使PN结空间电荷区变窄。在正向偏置电压作用下，PN结呈现低阻状态，可视为PN结正向导通。2）PN结加反向电压如图2.8(b）所示,PN结的P区接电源负极，N区接电源正极，即给PN结加反向电压，也称为反向偏置。这时，外电场的方向与PN结的内电场方向正好相同。在外电场作用下，外电场增强了内电场，阻碍了P区的多子(空穴)和N区的多子(电子)的打散，增强了少子的漂移，上一页下一页返回2.1半导体基础知识从而形成一个微小的反向漂移电流，此时PN结空间电荷区变宽。在反向偏置电压作用下，PN结呈现高阻状态，可视为PN结反向截止。需要说明的是，反向电流是由本征激发产生的少子形成的电流，电流值很小，一般为微安数量级，并且具有明显的饱和特征，基本与反向电压无关，所以也称为反向饱和电流。不过，该电流受温度影响较大，使用时需要注意。可见，PN结正向偏置时，正向电阻很小，可视为正向导通:而反向偏置时，反向电阻很大，可视为反向截止，这就是PN结的单向导电性。上一页返回2.2晶体二极管2.2.1晶体二极管的结构和符号将一个PN结加上两个电极引线和外部管壳即可以构成半导体二极管。从P区引出的电极称为阳极，从N区引出的电极称为阴极，如图2.9所示。按照制造工艺的不同，二极管的结构主要分为点接触型和面接触型两类。下一页返回2.2晶体二极管1.点接触型二极管如图2.10（a)所示，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，再通过特殊工艺—电流法而形成的。由于是点接触，其PN结的静电容量小，只允许通过较小的电流(不超过几十毫安)，适用于高频小电流电路，如收音机的检波等。点接触型二极管正向特性和反向特性都差，因此，不能使用于大电流和整流。因为构造简单，所以价格便官’。对于小信号的检波、整流、调制、混频和限幅等一般用途而言，它是应用范围较广的类型。上一页下一页返回2.2晶体二极管2.面接触型二极管如图2.10(b）所示，面接触型二极管的PN结面积较大，它的PN结采用合金法或扩散法制成。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。二极管的种类很多，按照所用材料的不同可分为硅二极管和锗二极管;按照用途，则可分为整流二极管、稳压二极管、开关二极管及变容二极管等。上一页下一页返回2.2晶体二极管2.2.2晶体二极管的特性和主要参数1.伏安特性加在二极管两端的电压与流过二极管的电流之间的关系特性曲线称为半导体二极管的伏安特性。这一关系曲线如图2.11所示。(1)正向特性:图2.11所示的OAC段为二极管的正向特性曲线。此时，二极管加正向电压，即P接正极，N接负极，它分为正向死区和正向导通区两部分。上一页下一页返回2.2晶体二极管当正向电压较小时，外电场不足以克服内电场，这时的正向电流几乎为零，二极管呈现较大的电阻如图2.11所示的OAˊ段，这段电压称为门槛电压，或死区电压，记作UTH。硅管的死区电压约为0.5V,锗管的死区电压约为0.1V。当正向电压大于死区电压后，随着电压逐渐加大，此时流过二极管的电流迅速增大，二极管呈现较小的正向电阻。此时二极管完全导通，如图2.11所示的AC段。一般硅管正向导通压降为0.6～0.7V,锗管为0.2～0.3V。通常认为的二极管正向导通区就是工作在这一段。上一页下一页返回2.2晶体二极管(2)反向特性:图2.11所示的OBD段为二极管的反向特性曲线。此时，二极管加反向电压，即P接负极，N接正极，它分为反向截止区和反向击穿区两部分。当外加反向电压时，由于少数载流子的漂移，形成一个很小的反向电流，又由于少子的数目有限，当反向电压不断增大时并不能带来反向电流的增长，因此，反向电流又称为反向饱和电流，记为IS，如图2.11所示的OBˊ段。上一页下一页返回2.2晶体二极管随着反向电压不断增长，当超过某一数值电压后，反向电流会急剧增加，这种现象称为反向击穿，如图2.11所示的BD段。此时所对应的反向电压称为反向击穿电压，记为UBR。普通二极管反向击穿后，将使二极管失去单向导电性，严重时可能会烧坏元器件，因此，在平时的使用中需要注意反向工作电压应小于反向击穿电压。此外还需要注意一点，就是温度对二极管反向电流的影响。通常温度升高，少子数目会增多，反向电流将增大。一般硅管的反向饱和电流比锗管小得多，因此硅管的热稳定性比锗管高。上一页下一页返回2.2晶体二极管2.主要参数二极管的特性除了用伏安特性曲线来表示，还可以用它的参数来表征。这些参数是用于描述二极管性能优劣和安全适用范围的指标，可以作为选择及使用二极管的依据。二极管的主要参数有以下几个。1）最大整流电流IF最大整流电流IF是指二极管在长时间运行时允许通过的最大正向平均电流。工作时正向工作电流应小于IF，否则电流过大时会导致PN结过热而烧毁。上一页下一页返回2.2晶体二极管2)最高反向工作电压UBR最高反向工作电压UBR是指二极管运行时允许外加的最高反向电压。为避免二极管的反向击穿，通常取其为反向击穿电压的1/2或2/3。3)反向电流IR反向电流IR是指二极管加上反向电压末被击穿时的反向电流值。该值越小，说明二极管的单向导电性越好，由于反向电流是由少子漂移形成的，受温度影响较大，使用时需注意。上一页下一页返回2.2晶体二极管4）最高工作频率fM最高工作频率fM是二极管工作频率的最高极限值。该参数主要由PN结的结电容大小来决定，结电容越小，二极管允许的最高工作频率越高。使用时，应注意信号频率的大小，否则，二极管将失去单向导电性。需要指出的是，从半导体器件手册中查到各种二极管的参数都是在一定条件下测得的数值，当条件发生改变时，相应参数也会有所改变。上一页下一页返回2.2晶体二极管2.2.3晶体二极管的等效电路从前面的分析可以知道，二极管是一个非线性元件。为了简化电路分析，工程上通常将二极管近似为一个线性元件来处理，通常二极管的线性等效电路有以下两种。1.二极管的理想等效电路根据二极管的单向导电性，将二极管看成是理想二极管，即二极管正向导通时，正向压降视为零，反向截止时，反向电流视为零，其伏安特性可用两段直线来表不，如图2.12所示。分析时可以用一个理想开关来等效，正偏时，开关闭合，反偏时，开关打开。当信号电压远远大于二极管的正向电压时常常采用这种等效。上一页下一页返回2.2晶体二极管2.二极管的简化等效电路这种等效也是用两段直线来表不，如图2.13所示，由于二极管正向导通时存在导通压降，记为Uon。通常硅管取0.7V,锗管取0.3V。二极管反偏截止时，仍然等效为开关断开。当电源电压降较高，电流较大时，用恒压降模型较合理。例2.1图2.14所示为硅二极管与恒压源E和限流电阻R构成的直流电路，求二极管的电流和电压。上一页下一页返回2.2晶体二极管解：将二极管用恒压源模型近似来估算二极管电压和电流，有上一页下一页返回2.2晶体二极管2.2.4稳压二极管1.电路符号与伏安特性稳压二极管是一种通过特殊工艺制成的面接触型硅二极管。利用二极管反向击穿特性，加上特殊工艺处理，当反向电流小于最大稳定值时，管子仅发生击穿而不会损坏。它是专门为稳定电压而使用的。图2.15所示为稳压管的电路符号，它的外形与内部结构和普通二极管相似，对外具有两个电极。其伏安特性也与普通二极管的相似，略有差异的是它的反向特性，图2.16所示为稳压管的伏安特性。在反向击穿区内，上一页下一页返回2.2晶体二极管当反向电流出现很大变化时，稳压二极管两端电压的变化却很小，电压UZ称为稳定电压。从伏安特性曲线可以看出，它的反向特性比普通二极管的更加陡直，这正是它用来稳压的依据所在。对于普通的二极管来说，它的反向电流随着反向击穿电压的到来而剧增，二极管被击穿。在实际应用中应串联适当的限流电阻，以免二极管因电流过大而被烧毁。而对于稳压管来说，如果它的反向电流超过其最大稳定电流，稳压管也会造成不可逆的热击穿，从而使稳压管损坏。因此，稳压管在使用中，也必须在电路中串联一个限流电阻。上一页下一页返回2.2晶体二极管很显然，稳压管通常工作在反向击穿区，图2.17所示为稳压管的典型稳压电路。若Ui增大，UO也会随着增大，负载电流IO也增加，加在稳压管两端的反向电压也跟着增加，使得流过稳压管的电流IZ极大地增加，从图2.17可以分析出，IR=IZ十IO，可见IR必定显著增长，从而使限流电阻尺上的电压极大地增大，造成的结果是Ui，增大的分量绝大部分转移到限流电阻R上去了，使输出电压UO基本维持稳定。反之，若Ui减小时，分析同理。读者可以自行分析。上一页下一页返回2.2晶体二极管另外，通常情况下，稳定电压大于6V时，雪崩击穿占优势，稳压管具有正温度系数;小于5V时，齐纳击穿占优势，稳压管具有负温度系数;5～6V时，上述两种击穿同时存在。2.主要参数1)稳定电压UZ指稳压管流过规定的稳定电流时，稳压管两端的反向电压值。该值近似等于稳压管的反向击穿电压。需要注意的是，由于制造工艺的原因，同一型号的稳压管，其稳定电压值也具有一定的分散性。上一页下一页返回2.2晶体二极管2)稳定电流几指稳压管进入正常稳压状态时流过的工作电流，该值一般是指最小稳定电流，如果稳压管的工作电流小于这一数值，稳压效果变差。3)最大稳定电流IZmax指稳压管长期工作时所允许的最大工作电流，如果电流超过此值，稳压管将不再稳压。4)最大耗散功率PZ为了保证稳压管不发生热击穿的最大功率损耗。上一页下一页返回2.2晶体二极管5)动态电阻rZ在稳压管的稳压范围内，稳压管两端的电压变化量与相应的电流变化量之比，即rZ=ΔUZ/ΔIZ。rZ一般很小，在几欧至几十欧之间。rZ越小，稳压性能越好。2.2.5其他常用二极管简介上一页下一页返回2.2晶体二极管1.发光二极管发光二极管简称LED，是一种将电能转换为光能的半导体器件，其内部结构是由磷化稼或磷砷化稼等Ⅲ族与V族元素的化合物构成的PN结。使用时，将二极管处于正向偏置状态，P区和N区内的电子一空穴直接复合致使能量释放而发光。采用不同的材料可发出红、橙、黄、绿、蓝色光等。发光二极管的符号和应用电路如图2.18所示。上一页下一页返回2.2晶体二极管发光二极管是一种冷光源，常用来作为显不器件,可单个使用，也可做成7段式数码显不器或矩阵显不屏。由于光电二极管的工作电流很小，工作时，需要串联接入限流电阻，以免工作电流过大而烧坏管子。2.光电二极管光电二极管又称为光敏二极管，是一种将光能转换为电能的半导体器件。其结构与普通二极管类似，在它的PN结处，通过管壳上的一个玻璃窗日能接收外部的光照。使用时，将二极管处于反向偏置状态，通过光照，反向电流随光照强度的增加而上升。其符号、电路以及伏安特性曲线如图2.19所示。上一页下一页返回2.2晶体二极管光电二极管可以用于光的测量，也可以作为能源即光电池。3.变容二极管变容二极管是利用PN结之间电容可变的原理制成的半导体器件，在高频调谐、通信等电路中作压控可变电容器使用，实现电压一频率变换、电子调谐、调频或自动频率控制等。变容二极管属于反偏压二极管，改变其PN结上的反向偏压，即可改变PN结电容量。反向偏压越高，结电容则越少，反向偏压与结电容之间的关系是非线性的。变容二极管有玻璃外壳封装(玻封)、塑料封装(塑封)、金属外壳封装(金封)和无引线表面封装等多种封装形式。图2.20所示为变容二极管的电路图形符号。上一页下一页返回2.2晶体二极管4.肖特基二极管肖特基二极管(SchottkyBarrierIDiode,SBD)是肖特基势皇二极管的简称，是近年来问世的低功耗、大电流、超高速半导体器件。它是一种利用金属与半导体接触形成的具有肖特基特性的“金属半导体结”的二极管。其金属层可以采用钨、金、钥、镍等材料。其半导体材料常采用硅或砷化稼，多为N型半导体。这种器件由多数载流子导电，所以，其反向饱和电流较以少数载流子导电的PN结大得多。由于肖特基二极管中少数载流子的存储效应甚微，所以其频率仅受肖特基势皇电容的充、放电时间(即RC时间常数)限制，因而，它是高频和快速开关的理想器件。上一页返回2.3双极型晶体三极管2.3.1晶体三极管的结构和符号双极型晶体三极管(BipolarJunctionTransistor,BJT)又称为晶体三极管或晶体管，它是利用光刻、扩散等工艺制成具有3个电极的晶体管。其内部分为3个区域，即发射区、基区和集电区，从3个区域各自引出一个电极，分别称为发射极E（Emitter}、基极B(Base)和集电极C(Collector)。三极管具有两个PN结，发射区与基区之间的PN结称为发射结，集电区与基区之间的PN结称为集电结。根据PN结组合方式的不同，三极管可以分为NPN型和PNP型，下一页返回2.3双极型晶体三极管图2.21所示为三极管的结构T意图和电路符号，NPN型和PNP型三极管在电路符号上的区别在于发射极箭头方向的不同，箭头方向表不发射结正向偏置时，发射极电流的实际方向。常用三极管的外形结构如图2.22所示。2.3.2晶体三极管的主要参数三极管的参数是用来描述其性能和安全适用范围的指标，是作为三极管选择和使用的主要依据。常用的三极管主要参数有以下几个。上一页下一页返回2.3双极型晶体三极管1.电流放大系数(1)共发射极直流电流放大系数。(2)共发射极交流电流放大系数。上一页下一页返回2.3双极型晶体三极管可见，和的定义是不同的，前者反映的是静态时集电极电流与基极电流的比值，后者反映的是动态时两个电流的比值。对于同一个三极管来说，在相同条件下，通常=。在选择三极管时，应适当选择电流放大系数，值太小的管子电流放大能力较差;值太大的管子工作稳定性变差。通常低频管的值一般选择20～700，而高频管的值只要大于70即可。上一页下一页返回2.3双极型晶体三极管如果三极管接成共基极放大电路，则其电流放大系数定义为集电极电流与发射极电流之比，用a表不，即

(2-3)不难看出，由于三极管中集电极电流小于或接近于发射极电流，因此a是小于1而接近于1的数。根据以上关系式可以得到a与β的关系为(2-4)上一页下一页返回2.3双极型晶体三极管2.极间反向饱和电流1)反向饱和电流ICBOICBO是指发射极开路，集电结在反向电压作用下形成的反向饱和电流。该电流是少子漂移运动形成的，所以它受温度影响很大，当温度升高时，电流将增加。通常小功率硅管的ICBO＜1μA,锗管的ICBO在10μA左右。ICBO的大小反映了三极管的温度稳定性,ICBO越小，受温度影响越小，三极管的工作越稳定，说明其稳定性越好。2)穿透电流ICEO上一页下一页返回2.3双极型晶体三极管ICEO是指基极开路，集电极一发射极间加上一定的正向电压时，流过集电极和发射极之间的反向电流。由于它是从集电极穿透基极到发射极的，因此得名“穿透电流”。它与ICBO的关系为

ICEO=（1+β）ICBO（2一5)ICEO也是由少数载流子产生的，温度升高,ICEO增大，ICEO和ICBO一样，它的大小也是衡量三极管热稳定性的重要参数。上一页下一页返回2.3双极型晶体三极管3.极限参数三极管的极限参数是保证三极管安全工作的重要指标。三极管正常工作时均不允许超过极限参数。否则，管子性能将下降甚至毁坏管子。1)集电极最大允许电流ICM当集电极电流太大时，三极管的电流放大系数β值将下降。通常把IC增大到β值下降为正常值的2/3时所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM。为了保证三极管的正常工作，在实际使用中，流过集电极的电流必须小于最大允许电流。否则，管子性能将明显下降，甚至烧坏管子。上一页下一页返回2.3双极型晶体三极管2)集电极一发射极间的反向击穿电压U(BR)CEOU(BR)CEO是指当基极开路时，加在集电极与发射极之间的最大允许反向电压。实际使用时，必须满足UCE＜U(BR)CEO3)集电极最大允许功率损耗PCM三极管工作时，集电极电流通过集电结，集电结必将发热。这一热能就是三极管的集电极功率损耗PC=UCE·IC。当三极管的功率损耗大于PCM时，三极管温度升高加快将使管子性能变差，甚至烧坏管子。因此，在使用三极管时，PC必须小于PCM。上一页下一页返回2.3双极型晶体三极管三极管的3个极限参数PCM、ICM、U(BR)CEO在输出特性曲线上围成的区域，便是三极管安全工作的线性放大区，如图2.23所示。一般作放大用的三极管，均须工作于此区。2.3.3三极管的放大性能1.三极管具备放大作用的条件1)内部条件(1)基区做得很薄，且掺杂浓度最低。(2)发射区的掺杂浓度最高。(3)集电区掺杂浓度比发射区低，但集电结面积大于发射结面积。上一页下一页返回2.3双极型晶体三极管2)外部条件即发射结正向偏置，集电结反向偏置。图2.24(a)所T为NPN型管的偏置电路:图2.24(b)所示为PNP型管的偏置电路。对于NPN型管，基极电源UBB为正，使发射结处于正偏状态，集电极电源UCC也为正，但必须满足UCC>UBB，才能使集电结处于反偏状态。而对于PNP型管，读者可以自行分析。上一页下一页返回2.3双极型晶体三极管2.三极管内部载流子的运动规律当三极管同时满足上述两个条件时，它就具备了放大的可能。图2.25所示为NPN三极管内部载流子运动的示意图。1）发射区向基区发射电子形成发射极电流IENPN型三极管的发射区是掺杂浓度很高的N型半导体，在发射结加上正偏电压的情况下，发射区的多子—自由电子源源不断地越过发射结到达基区，形成电子电流，同时基区的多子—空穴也源源不断地越过发射结到达发射区，形成空穴电流，电子电流和空穴电流共同形成了发射极电流IE。上一页下一页返回2.3双极型晶体三极管但由于基区做得很薄，且掺杂浓度低，空穴浓度远远低于发射区的电子浓度。因此，空穴电流可以忽略不计，可以认为电子电流就是发射极电流。2)电子在基区复合与扩散形成基极电流IB由发射区打散到基区的电子，靠近发射结处的浓度要高于靠近集电结处，又出现了浓度差，致使电子继续向集电结扩散。大量的电子在基区的扩散过程中，由于基区掺杂浓度很低，绝大部分电子打散到集电结边沿，只有很少部分电子与基区的多子空穴进行复合，形成很小的基极电流IB，方向如图2.25所示。上一页下一页返回2.3双极型晶体三极管3)集电极收集电子形成集电极电流IC由于集电结反偏，增强了内电场，在强大的电场力作用下，扩散进入基区的大量电子被收集到集电区中，形成大部分集电极电流，同时该电场促进了集电区的少子—空穴和基区的少子—电子的漂移运动，它们将形成反向饱和电流ICBO，该电流也是集电极电流的一部分，通常该值很小，但受温度影响很大。ICBO值越小，说明三极管的热稳定性越好。通过上面的分析可以看出，三极管内部既有电子的运动，也有空穴的运动，两种载流子同时参与导电，所以通常把这种类型的管子称为双极型三极管。上一页下一页返回2.3双极型晶体三极管3.电流放大作用从以上分析可以看出，集电极电流IC由两部分组成:发射区发射的电子被集电极收集后形成的ICN，以及集电区和基区的少数载流子进行漂移运动而产生的反向饱和电流ICBO，即IC=ICN+ICBO。由于ICBO远远小于ICN，因此，集电极电流近似为ICN，ICBO可以忽略不计。基极电流也由两部分组成:发射区的电子扩散到基区后和基区的空穴复合形成的电流IBN，以及集电极流向基极的反向饱和电流ICBO，即IB=IBN-ICBO。上一页下一页返回2.3双极型晶体三极管所以可以得出，发射极电流IE也由两部分组成:集电极电流IC和基极电流IB，即IE=IC十IB。由于入远远大于IB，所以IC与IE相差甚微。定义晶体管共发射极直流电流放大系数为。基极电流虽然远远小于集电极电流，但基极电流却对集电极电流起着控制作用，基极电流的微小变化，将引起集电极电流的巨大变化，这就是三极管的电流放大作用，通常称双极性三极管为电流控制器件。上一页下一页返回2.3双极型晶体三极管4.三极管的特性曲线三极管的特性曲线是全面反映三极管各电极间电压与电流之间关系的曲线，包括输入特性曲线和输出特性曲线。图2.26所示为三极管的特性曲线测试电路。目前也可以用晶体管特性图不仪观测晶体管的特性，比较直观。1)输入特性曲线三极管的输入特性曲线是指当集一射极之间的电压μCE一定时，基极电流iB与基一射电压μBE之间的关系曲线，即

(2-6)上一页下一页返回2.3双极型晶体三极管如图2.27所示，三极管的输入特性曲线与二极管的正向伏安特性曲线相类似，只不过与μCE的数值有关。(1)当μCE=0时，从输入端看进去，发射结和集电结均处于正向偏置，相当于两个PN结并联连接。(2)当μCE=1V时，从图2.27中可见，曲线形状基本末变，μCE=1V的曲线位置比μCE=0时的曲线稍向右移，当μCE≥1V以后，输入特性曲线不再明显右移，基本重合，所以通常用μCE=1V的曲线来表示三极管的输入特性曲线。上一页下一页返回2.3双极型晶体三极管(3)与二极管正向特性曲线形状一样，发射结也存在一段死区。常温下硅管的死区电压约为0.5V,锗管约为0.2V。发射结正向导通压降也与二极管一样，硅管为0.6-0.7V,锗管为0.2-0.3V。2)输出特性曲线输出特性曲线是指当基极电流iB一定时，集电极电流iC与管压降μCE之间的关系曲线，即

(2-7)上一页下一页返回2.3双极型晶体三极管如图2.28所示，三极管输出特性曲线为一簇曲线。不同的iB值，对应不同的输出特性曲线，每条曲线的形状基本一致，当iB进行等量增加时，曲线呈现等间隔平行上移的状态。根据输出特性曲线的形状，可将其划分成3个区域:截止区、放大区和饱和区。(1)截止区。通常将iB=0以下的区域称为截止区。当iB=0时，iC=ICEO，而穿透电流很小，所以输出特性曲线几乎和水平电压轴重合。此时，发射结零偏或反向偏置，集电结反向偏置，这时μCE=UCC，三极管的C-E相当于开路状态，即开关断开。上一页下一页返回2.3双极型晶体三极管(2)放大区(也称恒流区)。将iB>0以上的区域称为放大区。这一区域是一簇接近于平行且间隔也较均匀的平坦曲线。三极管的发射结正向偏置，集电结反向偏置。三极管具有电流放大的能力，iC随着iB的变化而变化，即iC=iB。通过观察曲线，不难发现，三极管还具有很好的恒流特性。如输出特性曲线图2.28所示，已知ΔiC=1.9mA,ΔiB=40μA，我们不难求出三极管的交流电流放大系数为上一页下一页返回2.3双极型晶体三极管(3)饱和区。将μCE≤μBE。的区域称为饱和区。此时，发射结和集电结均处于正向偏置，在μCE很小时，即使iB增大，iC几乎不再增大，集电极电流达到饱和状态，可见iC只随μCE的增加而迅速增大，不再与iB成比例，三极管失去了放大作用，将μCE≈μBE定义为放大状态和饱和状态的临界点，此时所对应的μCE值称为饱和压降，用μCES表示。一般小功率管的μCES≤0.3V。在理想条件下，μCES≈0，三极管C-E相当于短路状态，即开关闭合。上一页下一页返回2.3双极型晶体三极管2.3.4常用三极管简介1.光电三极管光电三极管也称光敏三极管，这是在光电二极管的基础上发展起来的光电元件。和光电二极管一样，光电三极管也能把输入的光信号变成电信号输出，但与光电二极管不同的是，它将光信号变成的电信号进行放大，因而其灵敏度比光电二极管高得多。为了对光有良好的响应，要求基区面积做得比发射区面积大得多，以扩大光照面积，提高光敏感性。其原理电路相当于在基极和集电极间接入光电二极管的三极管，一般外形只引出集电极和发射极两个电极，这种管子的光窗日即为基极。其等效电路和电路符号如图2.29所示。上一页下一页返回2.3双极型晶体三极管2.复合管复合管是采用复合连接方式，将两只以上的三极管的集电极连在一起，而把第一只三极管的发射极直接接到第二只三极管的基极，并依此类推连接，最后引出E、B、C三个电极。图2.30所示为两只三极管组成的达林顿管。达林顿电路有4种接法:NPN十NPN,PNP十PNP,NPN十PNP,PNP十NPN。前两种是同极性接法，后两种是异极性接法。复合三极管的极性取决于第一只管子，等效三极管的放大倍数是两个三极管放大倍数的乘积。由同型管构成的复合管又称达林顿接法，是由Darlington首先提出的，简称达林顿管。上一页下一页返回2.3双极型晶体三极管复合三极管的最大特点是电流放大倍数很高，所以多用于较大功率输出的电路中。它极大地降低了器件对驱动功率的要求，促进了大功率晶体管在电力电子装置中的普及应用，并将在功率晶体管的模块组件化中发挥作用。3.开关三极管开关三极管是一种饱和与截止状态变换速度较快的三极管。开关三极管的开关过程需要一定的响应时间，开关响应时间的长短表不了三极管开关特性的好坏。开关三极管分为小功率开关三极管和高压大功率开关三极管等，广泛应用于各种脉冲电路、开关电路及功率输出电路中。上一页返回2.4单极型场效应管2.4.1场效应管的结构和符号场效应管(FieldEffectTransistor,FET)是利用电场效应来控制半导体电流的一种半导体器件，故因此而得名。场效应管是一种电压控制器件，只依靠一种载流子(多子)参与导电，故又称为单极型晶体管。与双极型晶体三极管相比，它具有输入阻抗高(106—1016Ω)、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、功耗小、成本低、制造工艺简单和便于集成化等优点，因此被广泛应用于数字电路、通信设备及大规模集成电路中。下一页返回2.4单极型场效应管场效应管分为两大类，即结型场效应管((JFET)和绝缘栅型场效应管(MOSFET)，每种类型均分为两种不同的沟道:N沟道和P沟道，而MOS管又分为增强型和耗尽型两种形式。所以场效应管的分类有6种，详见下文及表2.1。MOS管性能更为优越，发展迅速，应用广泛。上一页下一页返回2.4单极型场效应管上一页下一页返回2.4单极型场效应管2.4.2场效应管的主要参数1.直流参数(1)开启电压UGS(th):开启电压是MOS增强型管的参数，若栅源电压UGS小于开启电压的绝对值，则场效应管不能导通。(2)夹断电压UGS(off):夹断电压是耗尽型场效应管的参数，当UGS=UGS(off)。时，漏极电流为零。(3)饱和漏极电流IDSS:IDSS是耗尽型场效应管的参数，当UGS=0时所对应的漏极电流。(4)直流输入电阻RGS（DC）:场效应管的栅源输入电阻。对于结型管，反偏时RGS约大于107Ω,;对于绝缘栅型管，RGS为109一1015Ω。上一页下一页返回2.4单极型场效应管2.交流参数（1）低频跨导gm：低频跨导反映了栅压uGS对漏极电流iD的控制作用，gm是表征场效应管放大能力的重要参数，类似于双极性三极管的β。gm可以在转移特性曲线上求取，单位是mS(毫西门子)。它的大小与管子的工作点位置有关。(2)级间电容:场效应管的3个电极间均存在极间电容。通常CGS和CGD为1～3pF，而CDS为0.1～1pF。在高频电路中，应考虑极间电容的影响。上一页下一页返回2.4单极型场效应管

3.极限参数(1)最大漏极电流IDM:场效应管正常工作时漏极电流的上限值，相当于双极型晶体管的ICM。(2)栅一源击穿电压U(BR)GS:栅、源间所能承受的最大电压。对于结型管是指栅极与沟道间的PN结的反向击穿电压，对于绝缘栅型管是指二氧化硅绝缘层击穿时的电压。(3)漏一源击穿电压U(BR)DS:场效应管进入恒流区后，使iD骤然增大的uDS值称为漏一源击穿电压，uDS超过此值会使管子烧坏。(4)最大耗散功率PDM:可由PDM=UDSID决定，与双极型三极管的只PCM相当。上一页下一页返回2.4单极型场效应管2.4.3场效应管的放大性能1.结型场效应管1)结构图2.31所示为N沟道结型场效应管(JFET)的结构T意图和电路符号。在一块N型半导体两侧通过特殊工艺做出两个高掺杂浓度的P区，形成两个对称的PN结，将两侧P区连在一起引出的电极称成栅极(G），从N型半导体两端引出的两个电极分别称为源极(S）和漏极(U）。上一页下一页返回2.4单极型场效应管2)工作原理结型场效应管按导电沟道的不同可分为N沟道和P沟道两种类型，两者结构不同，但工作原理完全相同，下面以N沟道结型场效应管为例进行说明。图2.32所示为N沟道结型场效应管的工作原理不意图。结型场效应管正常工作时，要求两个PN结均处于反偏状态，所以对于N沟道结型场效应管来说，栅源电压uGS必须为负电压，漏源电压uDS必须为正电压。在正向漏源电压uDS作用下，通过控制不同的栅源电压uGS，可以控制漏极电流iD。上一页下一页返回2.4单极型场效应管当uGS=0时，两个PN结均处于零偏置，耗尽层很薄，导电沟道最宽，沟道电阻最小。当uGS＜0时，由于栅源间加反向电压，所以两侧PN结均处于反向偏置，耗尽层有一定宽度，沟道电阻变大。随着uGS反向不断增大，在uGS的作用下，耗尽层变宽，导电沟道变窄，沟道电阻逐渐变大。可见，uGS的变化会改变导电沟道的宽窄，影响沟道电阻的大小，从而使得沟道电流iD也跟着改变。当uGS负值增加到某一数值UP时，两边耗尽层相接，整个导电沟道消失，被耗尽层完全夹断，这种现象称为夹断，UP称为夹断电压。此时，沟道电阻趋于无穷大，管子处于截止状态，iD=0。上一页下一页返回2.4单极型场效应管由于漏极电流通过的中间区域为N型半导体，因此导电沟道为N型，称为N沟道结型场效应管。总之，栅源电压uGS起着控制漏极电流iD大小的作用，它是一种电压控制型器件，并且由于反向栅源电压作用，所以输入电阻很高，可达107Ω数量级。3)特性曲线(1)输出特性曲线。所谓输出特性是指栅源电压uGS取不同定值时，漏极电流iD随漏源电压uDS变化的一簇关系曲线。上一页下一页返回2.4单极型场效应管图2.33(a)所示为N沟道结型场效应管的输出特性曲线，从图中可以看出，各条曲线具有相同的变化规律。uGS的值越小，曲线越向下移动，这是因为对于相同的uDS,uGS的值越小，耗尽层越宽，导电沟道越窄,iD越小。由图还可以看出，输出特性可分为4个区域，即可变电阻区、恒流区、击穿区和截止区。①可变电阻区。预夹断以前的区域。它的特点是:当0<uDS<∣UP∣时，iD几乎与uDS呈线性关系增长，uGS值越小，曲线上升越快，斜率越小。工作在该区的场效应管等效为一个受uGS控制的可变电阻，即压控电阻。上一页下一页返回2.4单极型场效应管②恒流区。预夹断点之后，曲线趋于水平的区域。它特点是:当uDS>∣UP∣时，iD几乎不随uDS化，保持某一恒定值。iD的大小只受uGS的控制，场效应管作为放大器件应用时，均工作在这一区域，所以又称为放大区。③击穿区。曲线以右上翘的区域。它的特点是:uDS>U(BR)DS，漏极电流iD迅速上升，管子被击穿，甚至被烧毁。正常时，场效应管不允许工作在此区域。上一页下一页返回2.4单极型场效应管④截止区。曲线靠近横轴的区域，也称为夹断区。它的特点是:uGS＜UP，导电沟道被完全夹断，漏极电流iD≈0。(2)转移特性曲线。所谓转移特性是指漏源电压uDS一定时，漏极电流iD与栅源电压uGS之间的关系曲线。

图2.33(b)所示为N沟道结型场效应管的输出特性曲线，由图可以看出，当uDS>UP后，即恒流区内，iD受uDS影响很小，所以转移特性通常只画一条，可以近似地用式(2一8)表示(2一8)式中UP≤uGS≤0;IDS是uGS=0时的漏极饱和电流。上一页下一页返回2.4单极型场效应管

2.绝缘栅场效应管绝缘栅型场效应管(MOSFET)又称为金属一氧化物一半导体(Metal一Oxide-Semiconductor)场效应管，简称MOS管。MOS管具有极高的输入电阻，广泛应用于集成电路中。MOS管按其工作原理可分为增强型和耗尽型两大类，每一类又可分为N沟道和P沟道。这里重点介绍N沟道增强型MOS管的工作原理。1）结构图2.34所示为N沟道增强型MOS管的结构T意图和电路符号。它是用一块掺杂浓度较低的P型硅半导体作为衬底，在其上打散两个高掺杂的N区，并在其上引出源极S和漏极D，在P型半导体上覆盖一层二氧化硅(SiO2)绝缘层，上一页下一页返回2.4单极型场效应管氧化层上的金属电极为栅极G。由于栅极与其他两个电极之间是绝缘的，所以称为绝缘栅。通常衬底和源极相连，图中箭头表T为N沟道，方向由P指向N.2)工作原理如图2.35(a)所示，当uGS=0时，漏极D和源极S之间形成两个背靠背的PN结。由于没有导电沟道，所以漏极电流iD为零。上一页下一页返回2.4单极型场效应管当uGS＞0时，栅极与衬底之间产生一个垂直于半导体表面的电场，此电场将P型硅片的少子—电子吸引到N区，这样在P型衬底表面就会形成一个由电子堆积成的N型表面层，称为“反型层”，于是在漏区和源区直接按形成一个N型导电沟道，简称N沟道。此时，若在漏极和源极之间加上一定的正向电压uDS，就会形成漏极电流iD，管子导通，如图2.35(b)所示。把开始出现漏极电流iD时的栅源电压uGS称为开启电压，用UT表示。显然，uGS越高，导电沟道越宽，漏极电流iD越大，即漏极电流iD的大小受控于栅源电压uGS。上一页下一页返回2.4单极型场效应管3)特性曲线(1）输出特性曲线。如图2.36(b)所示,N沟道增强型MOS管的输出特性与结型场效应管相似，只不过栅源电压uGS为正向偏置而已，这里就不再重复。(2)转移特性曲线。图2.36(a)所示为N沟道增强型MOS管的转移特性曲线。从图中可以看出，当栅源电压uGS很小时，导电沟道还没形成，所以漏极电流iD为零，但随着栅源电压uGS慢慢增加，当uGS大于开启电压UT后，形成反型层导电沟道，产生漏极电流iD，并且随着栅源电压uGS的不断增大，导电沟道不断加宽，漏极电流跟着增大。上一页下一页返回2.4单极型场效应管其他各种类型场效应管的电路符号和特性曲线均列于表2.1中，供读者参考。上一页返回2.5可控硅可控硅((SCR)是可控硅整流元件的简称，也称为晶闸管，常见的可控硅外观如图2.37所示。它具有体积小、结构相对简单、功能强等特点可J控硅的功用不仅是整流，还可以用做无触点开关以快速接通或切断电路，实现将直流电变成交流电的逆变，将一种频率的交流电变成另一种频率的交流电，以小电流控制大电流，克服了用继电器控制有火花产生的缺点，且动作快、寿命长、可靠性好，是弱电控制强电的首选器件。可控硅这种通过触发信号(小的触发电流)来控制导通(可控硅中通过大电流)的可控特性，是它区另别于普通硅整流二极管的重要特征。下一页返回2.5可控硅1.可控硅的类型、结构及符号1)可控硅的类型可控硅按不同的分类方式，主要有以下几种类型。

(1）按关断、导通及控制方式分类可分为单向可控硅、双向可控硅、逆导可控硅、门极关断可控硅(GTO),BTG可控硅、温控可控硅和光控可控硅等多种。(2)按引脚和极性分类可分为二极可控硅、三极可控硅和四极可控硅。(3)按封装形式分类可分为金属封装可控硅、塑封可控硅和陶瓷封装可控硅3种类型。其中，上一页下一页返回2.5可控硅金属封装可控硅又分为螺栓形、平板形、圆壳形等多种;塑封可控硅又分为带散热片型和不带散热片型两种。(4）按电流容量分类可分为大功率可控硅、中功率可控硅和小功率可控硅3种。通常，大功率可控硅多采用金属壳封装，而中、小功率可控硅则多采用塑封或陶瓷封装。(5)按关断速度分类可分为普通口1控硅和高频(快速)可控硅。上一页下一页返回2.5可控硅2)可控硅的结构及符号(1)单向可控硅。单向可控硅是由3个PN结PNPN组成的四层三端半导体器件，有3个电极，即阳极A,阴极K和控制极C1，其内部结构和电路符号如图2.38所示。与具有一个PN结的二极管相比，单向可控硅正向导通受控制极电流控制