半导体元件及其特性课件

半導體元件及其特徵

實訓1常用半導體元件的識別與性能測方法1用萬用表簡易判別二極體、三極管

(一)實訓目的

(1)認識常用晶體二極體和三極管的外形特徵。

(2)學會使用萬用表判別晶體二極體的極性和三極管的管腳。(3)熟悉用萬用表判別二極體和三極管的品質。

(二)預習要求

(1)預習PN結的外加正、反向電壓的工作原理和三極管電流放大原理。

(2)預習萬用表電阻擋的使用方法。

(三)實訓原理

1.二極體的外形特徵

（1）二極體共有兩根引腳，兩根引腳有正、負之分，在使用中兩根引腳不能接反，否則會損壞二極體或損壞電路中的其他元件。

（2）二極體的兩根引腳軸向伸出。（3）有一部分二極體外殼上標出二極體的電路符號，以便識別二極體的正負極引腳。

2．萬用表測試二極體的原理晶體二極體內部實質上是一個PN結。當外加正向電壓，也即P端電位高於N端電位時，二極體導通呈低電阻，當外加反向電壓，也即N端電位高於P端電位時，二極體截止呈高電阻。因此可應用萬用表的電阻擋鑒別二極體的極性和判別其品質的好壞。實圖1.1所示為萬用表電阻擋的等效電路。由圖可知，表外電路的電流方向從萬用表負端（-）流向正端（+），即萬用表處於電阻擋時，其（-）端為內電源的正極，（+）端為內電源的負極。

由等效電路圖可算出電阻擋在n倍率下輸出的短路電流值。測試時，可由指針偏轉角占全量程刻度的百分比θ（可通過指針所處直流電壓刻度位置估算之）估算流經被測元器件的直流電流。可用下式計算：

I=θ(1.1)在測試小功率二極體時一般使用R×100(Ω)或R×1k(Ω)擋，不致損壞管子。

3.萬用表測試三極管的原理

1）基極和管型的判斷三極管內部有兩個PN結，即集電結和發射結，實圖1.2（a）所示為NPN型三極管。與二極管相似，三極管內的PN結同樣具有單向導電性。

因此可用萬用表電阻擋判別出基極b和管型。例如,NPN型三極管，當用黑表棒接基極b，用紅表棒分別搭試集電極c和發射極e，測的阻值均較小；反之，表棒位置交換後，測的阻值均較大。但在測試時未知電極和管型，因此對三個電極腳要調換測試，直到符合上述測量結果為止。然後，再根據在公共端電極上表棒所代表的電源極性，可判別出基極b和管型。如實圖1.2（b）所示。

2）集電極和發射極的判別這可根據三極管的電流放大作用進行判別。實圖1.3所示的電路，當未接上Rb時,無IB，則IC=ICEO很小，測得c、e間電阻大；

當接上Rb，則有IB，而IC=βIB+ICEO，因此，IC顯然要增大，測得c、e間電阻比未接上Rb時為小。如果c、e調頭，三極管成反向運用，則β小，無論Rb接與不接，c、e間電阻均較大，因此可判斷出c和e極。例如，測量的管型是NPN型，若符合β大的情況，則與黑表棒相接的是集電極c。

3）反向穿透電流ICEO的檢查ICEO的大小是衡量三極管品質的一個重要指標，要求越小越好。按產品指標是在UCE某定值下測ICEO，因此用萬用表電阻擋測試時，僅為一參考值測量方法仍如實圖1.3所示，此時基極應開路，根據指針偏轉角的百分比θ，由式（1.1）可估算出ICEO的大小。4）共發射極直流電流放大係數β的性能測試測試方法與2）中判別c、e極方法相似。由三極管電流放大倍數原理可知，在接Rb時測得阻值比未接Rb時為小，即θ角百分比越大，表明三極管的電流放大係數越大。在掌握上述一些測試方法後，即可判別二極體和三極管的PN結是否損壞，是開路還是短路。這是在實用上判斷管子是否良好所經常採用的簡便方法。應該指出，在用萬用表測量電晶體時，應該使用R×100(Ω)或R×1k(Ω)的電阻擋。若放在R×10k(Ω)擋上，則因萬用表內接有較高電壓的電池，有可能將PN結擊穿。若用R×1(Ω)擋，則因萬用表的等效電阻較小，會使過大的電流流過PN結，有可能會燒壞電晶體。

(四)實訓設備和器件萬用表一只；二極體：2AP型，2CP型各一只；三極管：3AX31,3DG6各一只；電阻：100kΩ一只；壞的二極體、三極管若干只。

(五)實訓內容

1．測試二極體的正、負極性和正反向電阻

用萬用表電阻擋（R×100(Ω)或R×1k(Ω)擋）判別二極體的正、負極。

2．判別三極管的管腳和管型（NPN型和PNP型）

（1）用萬用表電阻擋（R×100(Ω)或R×1k(Ω)擋）先判別基極b和管型。

（2）判別出集電極c和發射極e，測定ICEO和β的大小。（3）用萬用表測試壞的二極體和三極管，鑒別分析管子品質和損壞情況。

(六)實訓報告

(1)將測得數據進行分析整理，填入實表1.1。實表1.1正、反向電阻測量值二極體類型2AP型2CP型萬用表電阻擋R×100(Ω)R×1K(Ω)R×100(Ω)R×1K(Ω)正向電阻反向電阻(2)根據測量結果，總結出一般晶體二極體正向電阻、反向電阻的範圍。

(七)思考題通過實訓，你能否回答下列問題?

(1)能否用萬用表測量大功率三極管？測量時使用哪一擋，為什麼？

(2)為什麼用萬用表不同電阻擋測二極體的正向（或反向）電阻值時，測得的阻值不同?

(3)用萬用表測得的晶體二極體的正、反向電阻是直流電阻還是交流電阻？用萬用表R×10(Ω)擋和R×1k(Ω)擋去測量同一個二極體的正向電阻時，所得的結果是否相同？為什麼？(4)我們知道，二極體的反向電阻較大，需用萬用表歐姆擋的R×1k(Ω)或R×10k(Ω)擋去測量。有人在測量二極體的反向電阻時，為了使表筆和管腳接觸良好，用兩手分別把兩個接觸處捏緊，結果發現管子的反向電阻比實際值小很多，這是為什麼？

方法2用逐點法測試二極體和三極管的特性曲線

(一)實訓目的

(1)通過用普通萬用表測試二極體和三極管的特性曲線，加深理解其特性曲線的物理意義。

(2)瞭解被測管子各極間的電壓和電流在數值上的關係和特點。

(二)預習要求

(1)測量二極體的正向和反向伏安特性對電源的連接和數值有什麼要求？在測試同一條伏安特性過程中，為什麼不要變更萬用表的量程？

(2)共發射極直流與交流電流放大係數概念上有什麼區別？(3)三極管的輸入特性和輸出特性應在什麼條件下進行測量？對測量電錶有什麼要求？

(4)測試鍺材料三極管的伏安特性時，若測試時間過長，為什麼會影響測量結果？

(三)實訓原理

1.二極體伏安特性測試用逐點法測試二極體正、反向伏安特性。逐點改變加在二極體兩端電壓UVD，測出各點電壓UVD和與UVD相對應的電流IVD，即可描繪出伏安特性曲線。

2.三極管共發射極組態伏安特性測試

三極管共發射極組態的伏安特性有輸入特性和輸出特性。輸入特性可用函數式:

IB=f(UBE)|UCE=常數

來表示，即在UCE電壓保持不變情況下，基極輸入回路中UBE和IB之間的關係。一般當UCE>2V後，輸入特性基本重合。輸出特性可用函數式：

IC=f(UCE)|IB=常數

來表示，即在基極電流IB保持不變情況下，在集電極輸出回路中UCE和IC之間的關係。

3.實訓電路實訓電路如實圖1.4和實圖1.5所示。

(四)實訓內容

1.測量二極體正、反向特性按實圖1.4接線。

(1)測正向伏安特性時，將S、S′各與1、1′相接，電源E=3V，電流用直流毫安培表擋測量。

(2)測反向伏安特性時，S、S′各與2、2′相接，電源E=30V，電流用直流微安擋測量。測量時，調節電位器RP使二極體兩端電壓從零開始逐點增加，並測出各點電壓相對應的電流值IVD,記錄於實表1.2和實表1.3內。

實表1.2二極體的正向特性

UVD/V

00.100.150.200.250.300.400.500.600.70UVD/MA實表1.3二極體的反向特性-UVD/V

0248121620242832-IVD/uA

2.測量三極管的輸入特性

（1）按實圖1.5接線，在開啟電源前，將UBB調至3V，UCC置於零位，然後開啟電源，仍使UCC=0V，並維持不變，即UCE=0V，然後調節RP，使UBE由0V開始逐漸增大，讀測並記錄與UBE各點相對應的IB，填入實表1.4中。實表1.4三極管的輸入特性UBE/V00.100.300.500.550.600.650.700.750.80Uce=0VIB/MAUce=2V實表1.5三極管的輸出特性

00.200.501510020406080100120

(五)實訓報告

(1)整理數據，填好表格。

(2)根據測試結果，用方格座標描繪二極體正、反向特性曲線和三極管輸入、輸出特性曲線。

(3)通過輸出特性曲線，在UCE=6V,IB=60μA的工作點上求取共發射極直流電流放大係數和交流電流放大係數β。(六)思考題

(1)如果要測試矽二極體的正向特性，應如何較合理地安排測試點，為什麼？

(2)測試PNP型三極管時，電源應如何連接？1.1半導體二極體

1.1.1PN結的形成與特性

1．PN結的形成在半導體材料(矽、鍺)中摻入不同雜質可以分別形成N型和P型兩種半導體。N型半導體主要靠自由電子導電，稱自由電子為多數載流子，而空穴(帶正電荷的載流子)數量遠少於電子數量，稱空穴為少數載流子。P型半導體主要靠空穴導電，稱空穴為多數載流子，而自由電子遠少於空穴的數量，稱自由電子為少數載流子。注意：不論N型半導體還是P型半導體都是電中性，對外不顯電性。

當P型半導體和N型半導體接觸以後，由於交界兩側半導體類型不同，存在電子和空穴的濃度差。這樣，P區的空穴向N區擴散，N區的電子向P區擴散,如圖1.1.1(a)所示。由於擴散運動，在P區和N區的接觸面就產生正負離子層。N區失掉電子產生正離子，P區得到電子產生負離子。通常稱這個正負離子層為PN結。如圖1.1.1（b）所示。在ＰＮ結的Ｐ區一側帶負電，Ｎ區一側帶正電。ＰＮ結便產生了內電場，內電場的方向從Ｎ區指向Ｐ區。內電場對擴散運動起到阻礙作用，電子和空穴的擴散運動隨著內電場的加強而逐步減弱，直至停止。在介面處形成穩定的空間電荷區，如圖１.1.1（b）所示。

當P型半導體和N型半導體接觸以後，由於交界兩側半導體類型不同，存在電子和空穴的濃度差。這樣，P區的空穴向N區擴散，N區的電子向P區擴散,如圖1.1.1(a)所示。由於擴散運動，在P區和N區的接觸面就產生正負離子層。N區失掉電子產生正離子，P區得到電子產生負離子。通常稱這個正負離子層為PN結。如圖1.1.1（b）所示。在ＰＮ結的Ｐ區一側帶負電，Ｎ區一側帶正電。ＰＮ結便產生了內電場，內電場的方向從Ｎ區指向Ｐ區。內電場對擴散運動起到阻礙作用，電子和空穴的擴散運動隨著內電場的加強而逐步減弱，直至停止。在介面處形成穩定的空間電荷區，如圖１.1.1（b）所示。

2.PN結的特性

1）PN結的正嚮導通特性給PN結加正向電壓，即P區接正電源，N區接負電源，此時稱PN結為正向偏置，如圖1.1.2（a）所示。這時PN結外加電場與內電場方向相反，當外電場大於內電場時，外加電場抵消內電場，使空間電荷區變窄，有利於多數載流子運動，形成正向電流。外加電場越強，正向電流越大，這意味著PN結的正向電阻變小。

2）PN結的反向截止特性

給PN結加反向電壓，即電源正極接N區，負極接P區，稱PN結反向偏置，如圖1.1.2（b）所示。這時外加電場與內電場方向相同，使內電場的作用增強,PN結變厚，多數載流子運動難於進行，有助於少數載流子運動，形成電流IR，少數載流子很少，所以電流很小，接近於零，即PN結反向電阻很大。綜上所述，PN結具有單向導電性，加正向電壓時，PN結電阻很小，電流IR較大，是多數載流子的擴散運動形成的；加反向電壓時，PN結電阻很大，電流IR很小，是少數載流子運動形成的。將一個PN結加上相應的兩根外引線，然後用塑膠、玻璃或鐵皮等材料做外殼封裝就成為最簡單的二極體。其中，正極從P區引出，為陽極；負極從N區引出，為陰極。根據所用材料不同，二極體可分為鍺管和矽管。

1.1.2二極體的結構和類型

接在二極體P區的引出線稱二極體的陽極，接在N區的引出線稱二極體的陰極。如圖1.1.3(a)所示。二極體的符號如圖1.1.3(b)所示，其中三角箭頭表示正向電流的方向，正向電流從二極體的陽極流入，陰極流出。二極體有許多類型。從工藝上分，有點接觸型和麵接觸型；按用途分，有整流管、檢波二極體、穩壓二極體、光電二極體和開關二極體等。

1．點接觸型二極體

如圖1.1.3(c)所示。這是用一根含雜質元素的金屬絲壓在半導體晶片上，經特殊工藝、方法，使金屬絲上的雜質摻入到晶體中，從而形成導電類型與原晶體相反的區域而構成的PN結。因而其結面積小，允許通過的電流小，但結電容小，工作頻率高，適合用作高頻檢波器件。

2．面接觸型二極體如圖1.1.3(d)所示。由於面接觸型二極體的PN結接觸面積較大，PN結電容較大，一般適用於在較低的頻率下工作；由於接觸面積大，允許通過較大電流和具有較大功率容量，適用於作整流器件。

1.1.3二極體的特性及參數

1．二極體伏安特性

理論分析指出，半導體二極體電流I與端電壓U之間的關係可表示為

I=IS(

-1)(1.1.1)此式稱為理想二極體電流方程。式中，IS稱為反向飽和電流，UT稱為溫度的電壓當量，常溫下UT≈26mV。實際的二極體伏安特性曲線如圖1.1.4所示。圖中，實線對應矽材料二極體，虛線對應鍺材料二極體。1）正向特性當二極體承受正向電壓小於某一數值(稱為死區電壓)時，還不足以克服PN結內電場對多數載流子運動的阻擋作用，這一區段二極體正向電流IF很小，稱為死區。死區電壓的大小與二極體的材料有關，並受環境溫度影響。通常，矽材料二極體的死區電壓約為0.5V，鍺材料二極體的死區電壓約為0.1V。當正向電壓超過死區電壓值時，外電場抵消了內電場，正向電流隨外加電壓的增加而明顯增大，二極體正向電阻變得很小。當二極體完全導通後，正向壓降基本維持不變，稱為二極體正嚮導通壓降UF。一般矽管的UF為0.7V，鍺管的UF為0.3V。以上是二極體的正向特性。2）反向特性當二極體承受反向電壓時，外電場與內電場方向一致，只有少數載流子的漂移運動，形成的漏電流IR極小，一般矽管的IR為幾微安以下，鍺管IR較大，為幾十到幾百微安。這時二極體反向截止。當反向電壓增大到某一數值時，反向電流將隨反向電壓的增加而急劇增大，這種現象稱二極體反向擊穿。擊穿時對應的電壓稱為反向擊穿電壓。普通二極體發生反向擊穿後，造成二極體的永久性損壞，失去單向導電性。以上是二極體的反向特性。

2．二極體的主要參數二極體參數是反映二極體性能品質的指標。必須根據二極體的參數來合理選用二極體。二極體的主要參數有4項。1）最大整流電流IFM

IFM是指二極體長期工作時允許通過的最大正向平均電流值，由PN結的面積和散熱條件所決定，用IFM表示。工作時，管子通過的電流不應超過這個數值，否則將導致管子過熱而損壞。

2）最高反向工作電壓URM

URM是指二極體不擊穿所允許加的最高反向電壓。

超過此值二極體就有被反向擊穿的危險。URM通常為反向擊穿電壓的1/2~2/3，以確保二極體安全工作。

3）最大反向電流IRMIRM是指二極體在常溫下承受最高反向工作電壓URM時的反向漏電流，一般很小，但其受溫度影響較大。當溫度升高時，IRM顯著增大。

4）最高工作頻率fM

fM是指保持二極體單向導通性能時，外加電壓允許的最高頻率。二極體工作頻率與PN結的極間電容大小有關，容量越小，工作頻率越高。二極體的參數很多，除上述參數外，還有結電容、正向壓降等，實際應用時，可查閱半導體器件手冊。

1.1.4半導體二極體的應用二極體是電子電路中最常用的半導體器件。利用其單向導電性及導通時正向壓降很小的特點，可用來進行整流、檢波、鉗位、限幅、開關以及元件保護等各項工作。

1．整流所謂整流,就是將交流電變為單方向脈動的直流電。利用二極體的單向導電性可組成單相、三相等各種形式的整流電路，然後再經過濾波、穩壓，便可獲得平穩的直流電。這些內容將在第7章詳細介紹。

2．鉗位利用二極體正嚮導通時壓降很小的特性，可組成鉗位電路，如圖1.1.5所示。

圖中，若A點UA=0，二極體VD可正嚮導通，其壓降很小，故F點的電位也被鉗制在0V左右，即UF≈0。

3．限幅利用二極體正嚮導通後其兩端電壓很小且基本不變的特性，可以構成各種限幅電路，使輸出電壓幅度限制在某一電壓值以內。圖1.1.6(a)為一正負對稱限幅電路，設輸入電壓ui=10sinωt(V),Us1=Us2=5V。當-Us2<ui<Us1時，VD1、VD2都處於反向偏置而截止，因此i=0,uo=ui。當ui>Us1時，VD1處於正向偏置而導通，使輸出電壓保持在Us1。

當ui<-Us1時，VD2處於正向偏置而導通，輸出電壓保持在-Us2。由於輸出電壓uo被限制在+Us1與-Us2之間，即|uo|≤5V,好像將輸入信號的高峰和低谷部分削掉一樣,因此這種電路又稱為削波電路。輸入、輸出波形如圖1.1.6(b)所示。

4．元件保護在電子線路中，常用二極體來保護其他元器件免受過高電壓的損害，如圖1.1.7所示電路，L和R是線圈的電感和電阻。

在開關S接通時，電源E給線圈供電，L中有電流流過，儲存了磁場能量。在開關S由接通到斷開的暫態，電流突然中斷，L中將產生一個高於電源電壓很多倍的自感電動勢eL，eL與E疊加作用在開關S的端子上，在S的端子上產生電火花放電，這將影響設備的正常工作，使開關S壽命縮短。接入二極體VD後，eL通過二極體VD產生放電電流i,使L中儲存的能量不經過開關S放掉，從而保護了開關S。除以上用途外，還有許多特殊結構的二極體，例如發光二極體、熱敏二極體等。隨著半導體技術的發展，二極體應用範圍越來越多，其中發光二極體是應用較多的一種二極體。

1.1.5特種二極體

1.發光二極體及其應用

1)發光二極體的符號及特性發光二極體的符號如圖1.1.8(a)所示。它是一種將電能直接轉換成光能的固體器件，簡稱LED(LightEmittingDiode)。發光二極體和普通二極體相似，也由一個PN結組成。發光二極體在正嚮導通時，由於空穴和電子的複合而發出能量，發出一定波長的可見光。光的波長不同，顏色也不同。常見的LED有紅、綠、黃等顏色。發光二極體的驅動電壓低、工作電流小，具有很強的抗振動和抗衝擊能力。由於發光二極體體積小、可靠性高、耗電省、壽命長，被廣泛用於信號指示等電路中。

發光二極體的伏安特性如圖1.1.8（b）所示。它和普通二極體的伏安特性相似，只是在開啟電壓和正向特性的上升速率上略有差異。當所施加正向電壓UF未達到開啟電壓時，正向電流幾乎為零，但電壓一旦超過開啟電壓時，電流急劇上升。發光二極體的開啟電壓通常稱做正向電壓，它取決於製作材料的禁帶寬度。例如GaAsP紅色LED約為1.7V，而GaP綠色的LED則約為2.3V。幾種常見的發光材料的主要參數如表1.1.1所示。LED的反向擊穿電壓一般大於5V，但為使器件長時間穩定而可靠的工作，安全使用電壓選擇在5V以下。2)發光二極體的應用

(1)電源通斷指示發光二極體作為電源通斷指示電路，如圖1.1.9所示，通常稱為指示燈，在實際應用中給人提供很大的方便。發光二極體的供電電源既可以是直流的也可以是交流的，但必須注意的是，發光二極體是一種電流控制器件，應用中只要保證發光二極體的正向工作電流在所規定的範圍之內，它就可以正常發光。具體的工作電流可查閱有關資料。

(2)數碼管是電子技術中應用的主要顯示器件，其就是用發光二極體經過一定的排列組成的，如圖1.1.10(a)所示。

這是最常用的七段數碼顯示。要使它顯示0~9的一系列數字只要點亮其內部相應的顯示段即可。七段數碼顯示有共陽極(圖1.1.10(b))和共陰極(圖1.1.10(c))之分。數碼管的驅動方式有直流驅動和脈衝驅動兩種，應用中可任意選擇。數碼管應用十分廣泛，可以說，凡是需要指示或讀數的場合，都可採用數碼管顯示。其他的光電器件還有光電二極體、鐳射二極體等，有關內容讀者可參閱相關資料。

2.穩壓二極體矽穩壓二極體簡稱穩壓管，是一種特殊的二極體，它與電阻配合具有穩定電壓的特點。1）穩壓管的伏安特性通過實驗測得穩壓管伏安特性曲線如圖1.1.11所示。從特性曲線可以看到，穩壓管正向偏壓時，其特性和普通二極體一樣；反向偏壓時，開始一段和二極體一樣，當反向電壓達到一定數值以後，反向電流突然上升，而且電流在一定範圍內增長時，管兩端電壓只有少許增加，變化很小，具有穩壓性能。這種“反向擊穿”是可恢復的，只要外電路限流電阻保障電流在限定範圍內，就不致引起熱擊穿而損壞穩壓管。穩壓管的符號見圖1.1.11。

2）穩壓管的主要參數

(1)穩定電壓值UVDZ:穩壓管在正常工作時管子的端電壓,一般為3~25V，高的可達200V。

(2)穩定電流IVDZ:穩壓管正常工作時的參考電流。開始穩壓時對應的電流最小，為最小穩壓電流IVDZmin；對應額定功耗時的穩壓電流為最大穩壓電流IVDZmax。正常工作電流IVDZ取VD2min~IVDZmax間某個值。

(3)動態電阻rVDZ:穩壓管端電壓的變化量ΔUVDZ與對應電流變化量ΔIVDZ之比，即

其值為幾歐至十幾歐。

(4)穩定電壓的溫度係數:當溫度變化1℃時穩壓管的穩壓值UVDZ的相對變化量。例如,2CW17的電壓溫度係數為9×10-4/℃。穩壓值低於4V的穩壓管，電壓溫度係數為負（表現為齊納擊穿）；高於7V的穩壓管，係數為正（表現為雪崩擊穿）；而6V左右的管子（呈現兩種擊穿），穩壓值受溫度影響較小。

(5)穩壓管額定功耗PVDZM

:保證穩壓管安全工作所允許的最大功耗。其大小為

PVDZM=UVDZIVDZmax

3）穩壓二極體的應用穩壓二極體用來構成的穩壓電路，如圖1.1.12所示。

UI是不穩定的可變直流電壓，希望得到穩定的電壓UO，故在兩者之間加穩壓電路。它由限流電阻R和穩壓管VDZ構成，RL是負載電阻。例1.1在圖1.1.13中，已知穩壓二極體的UVDZ=6.3V,當UI=±20V，R=1kΩ時，求UO。已知穩壓二極體的正嚮導通壓降UF=0.7V。解當UI=+20V,VDZ1反向擊穿穩壓，UVDZ1=6.3V，VDZ2正嚮導通，UF2=0.7V，則UO=+7V；同理，UI=-20V,UO=-7V。1.2半導體三極管

1.2.1三極管的結構及類型三極管是由兩個PN結、3個雜質半導體區域組成的，因雜質半導體有P、N型兩種，所以三極管的組成形式有NPN型和PNP型兩種。結構和符號如圖1.2.1所示。

1.三極管的結構及類型不管是NPN型還是PNP型三極管，都有三個區：基區、發射區、集電區，以及分別從這三個區引出的電極：發射極e、基極b和集電極c;兩個PN結分別為發射區與基區之間的發射結和集電區與基區之間的集電結。

三極管基區很薄，一般僅有1微米至幾十微米厚，發射區濃度很高，集電結截面積大於發射結截面積。注意，PNP型和NPN型三極管表示符號的區別是發射極的箭頭方向不同，這個箭頭方向表示發射結加正向偏置時的電流方向。使用中要注意電源的極性，確保發射結永遠加正向偏置電壓，三極管才能正常工作。三極管根據基片的材料不同，分為鍺管和矽管兩大類，目前國內生產的矽管多為NPN型（3D系列），鍺管多為PNP型（3A系列）；從頻率特性分，可分為高頻管和低頻管；從功率大小分，可分為大功率管、中功率管和小功率管，等等。實際應用中採用NPN型三極管較多，所以下麵以NPN型三極管為例加以討論，所得結論對於PNP三極管同樣適用。

2.三極管電流分配和放大作用為了定量地瞭解三極管的電流分配關係和放大原理，我們先做一個試驗，試驗電路如圖1.2.2所示。電源UB使發射結承受正向偏置電壓，而電源UCC>UBB，使集電結承受反向偏置電壓，這樣做的目的是使三極管能夠具有正常的電流放大作用。通過改變電阻Rb，基極電流IB、集電極電流IC和發射極電流IE都發生變化，表1.2.1為試驗所得一組數據。

將表中數據進行比較分析，可得出如下結論：

IE=IC+IB，三個電流之間的關係符合基爾霍夫電流定律。IC≈IE，IB雖然很小，但對IC有控制作用，IC隨IB改變而改變。例如IB由40μA增加到50μA，IC從3.2mA增加到4mA,即

β稱為三極管的電流放大係數，它反映三極管的電流放大能力，也可以說電流IB對IC的控制能力。1)三極管內部載流子的運動規律三極管電流之間為什麼具有這樣的關係呢？這可以通過在三極管內部載流子的運動規律來解釋。

(1)發射區向基區發射電子。由圖1.2.3可知，電源UBB經過電阻Rb加在發射結上，發射結正偏，發射區的多數載流子——自由電子不斷地越過發射結而進入基區，形成發射極電流IE。同時，基區多數載流子也向發射區擴散，但由於基區很薄，可以不考慮這個電流。因此，可以認為三極管發射結電流主要是電子流。(2)基區中的電子進行擴散與複合。電子進入基區後，先在靠近發射結的附近密集，漸漸形成電子濃度差，在濃度差的作用下，促使電子流在基區中向集電結擴散，被集電結電場拉入集電區，形成集電結電流IC。也有很小一部分電子與基區的空穴複合，形成複合電子流。擴散的電子流與複合電子流的比例決定了三極管的放大能力。

(3)集電區收集電子。由於集電結外加反向電壓很大，這個反向電壓產生的電場力將阻止集電區電子向基區擴散，同時將擴散到集電結附近的電子拉入集電區而形成集電結主電流ICN。

另外集電區的少數載流子——空穴也會產生漂移運動，流向基區，形成反向飽和電流ICBO，其數值很小，但對溫度卻非常敏感。

2）三極管的電流分配關係綜合載流子的運動規律，三極管內的電流分配如圖1.2.4所示，圖中的箭頭表示電流方向。由於三極管基區的雜質濃度很低，且厚度很薄，這就減小了電子和空穴複合的機會，所以從發射區注入到基區的電子只有很小一部分在基區複合掉，絕大部分到達集電區。這就是說構成發射極電流IE的兩部分中，IBE部分是很小的，ICE部分所占百分比是大的，若它們的比值用hFE本表示，則有hFE本表示三極管的電流放大能力，稱為本征電流放大係數。它的大小取決於基區中載流子擴散與複合的比例關係，這種比例關係是由管子內部結構決定的，一旦管子製成後，這種比例關係（hFE本值）也就確定了。對照圖1.2.4並結合式（1.2.1），各極電流滿足下列分配關係：

IB=IBE-ICBO

IC=ICE+ICBO

=hFE本IBE+ICBO

=hFE本(IB+ICBO)+ＩCBO

=hFE本IB+(1+hFE本)ICBO

=hFE本IB+ICEO

ICEO=(1+hFE本)ICBO

IE=ICE+IBE

=(IC-ICBO)+(IB+ICBO)

=IC+IB

由三極管內部的載流子運動規律可知，集電極電流IC主要來源於發射極電流IE（IC受IE控制），而同集電極外電路幾乎無關，只要加到集電結上的反向電壓能夠把從基區擴散到集電結附近的電子吸引到集電區即可。這就是三極管的電流控制作用。三極管能實現放大作用也是以此為基礎的，這也是三極同二極體一個質的區別所在。

IE的大小是由發射結上的外加正向電壓UBE的大小決定的，UBE的變化將引起IE的變化，IE的變化再引起IB和IC的變化，所以，實質上是發射結上的正向電壓UBE對各極電流有控制作用。UBE變化能引起IC變化的現象，本應理解為電壓控制，但二者的關係是非線性的，表達起來很不方便，而從式（1.2.2）可知，當ICBO（或ICEO）可忽略時，則有IC≈hFE本IB，表明IC同IB（或IE）有一個比例關係，使用起來很方便，所以通常說IC受IB（或IE）控制，或者說，IC隨IB（或IE）成正比變化。於是也就把雙極型三極管稱為“電流控制器件”。

這裏還需指出，三極管的結構特點是它具有電流控制作用的內部依據，而發射結正向偏置、集電結反向偏置是它實現電流控制作用的外部條件。這是因為IC受IB（或IE）控制，是在滿足上述外部條件下實現的，因此，三極管在作放大運用時的直流供電必須滿足這個外部條件。

3）放大作用將圖1.2.4所示的三極管模型用其符號表示重繪於圖1.2.5上。在基極回路（b、e間）加入一個待放大的信號電壓us;在集電極回路（c、e間）串入一個負載電阻RL，RL兩端電壓變數為ΔuO。基極接信號稱輸入端，集電極接負載，稱之為輸出端，發射極既接信號又接負載，稱之為公共端。這種連接方式稱為共發射極接法。1.2.2三極管的特性曲線

圖1.2.6是測試三極管共射極接法特性的電路圖。

1.共射輸入特性圖1.2.7給出了某三極管的輸入特性。下麵，我們分兩種情況進行討論。

1)當UCE=0時的輸入特性（圖中曲線①）當UCE=0時，相當於集電極和發射極間短路，三極管等效成兩個二極體並聯，其特性類似於二極體的正向特性。2)當UCE≥1V時的輸入特性（圖中曲線②）當UCE≥1V時，輸入特性曲線右移（相對於UCE=0時的曲線），表明對應同一個UBE值，IB減小了，或者說，要保持IB不變，UBE需增加。這是因為集電結加反向電壓，使得擴散到基區的載流子絕大部分被集電結吸引過去而形成集電極電流IC,只有少部分在基區複合，形成基極電流IB,所以IB減小而使曲線右移。對應輸入特性曲線某點（例如圖1.2.8的Q點）切線斜率的倒數，稱為三極管共射極接法（Q點處）的交流輸入電阻，記作rbe,即

2.輸出特性曲線

輸出特性曲線是指當三極管基極電流IB為常數時，集電極電流IC與集電極、發射極間電壓UCE之間的關係，即

IC=f(UCE)|IB

=常數在圖1.2.6中，先調節RP1為一定值，例如IB=40μA，然後調節RP2使UCE由零開始逐漸增大，就可作出IB=40μA時的輸出特性。同樣做法，把IB調到0μA,20μA,60μA……，就可以得一組輸出特性曲線。如圖1.2.9所示。1）截止區

2）放大區

(1)對應同一個IB值，|UCE|增加時，IC基本不變（曲線基本與橫軸平行）。

(2)對應同一個UCE值，IB增加，IC顯著增加，並且IC的變數ΔIC與IB的變數ΔIB基本為正比關係（曲線簇等間距）。

3）飽和區

1.2.3三極管的主要參數

1.電流放大係數β

動態（交流）電流放大係數β：當集電極電壓UCE為定值時，集電極電流變化量ΔIC與基極電流變化量ΔIB之比，即

靜態（直流）電流放大係數：三極管為共發射極接法，在集電極-發射極電壓UCE一定的條件下，由基極直流電流IB所引起的集電極直流電流與基極電流之比，稱為共發射極靜態（直流）電流放大係數，記作

2.極間反向截止電流１)發射極開路，集電極－基極反向截止電流ICBO

ICBO可以通過圖1.2.10所示電路進行測量。２)基極開路，集電極－發射極反向截止電流ICEOICEO是當三極管基極開路而集電結反偏和發射結正偏時的集電極電流。測試電路如圖1.2.11所示。

3.極限參數

3.極限參數集電極最大允許電流ICM：當IC超過一定數值時β下降，β下降到正常值的2/3時所對應的IC值為ICM，當IC>ICM時，可導致三極管損壞。反向擊穿電壓U（BR）CEO：基極開路時，集電極、發射極之間最大允許電壓為反向擊穿電壓U（BR）CEO，當UCE

>U（BR）CEO時，三極管的IC、IE劇增，使三極管擊穿。為可靠工作，使用中取

根據給定的PCM值可以作出一條PCM曲線如圖1.2.12所示，由PCM、ICM和U（BR）CEO包圍的區域為三極管安全工作區。例2.1在圖1.2.6所示電路中，若選用3DG6D型號的三極管，（1）電源電壓UCC最大不得超過多少伏？（2）根據IC≤ICM的要求，RP2電阻最小不得小於多少千歐姆？解：查表，3DG6D參數是：ICM=20mA,U(BR)CEO=30V,PCM=100mW。(1)UCC=(2)UCE=UCC-ICRP2

IC=

其中，UCE最低一般為0.5V，故可略。由IC＜ICM，所以,故

1.2.4複合三極管

複合三極管是把兩個三極管的管腳適當的連接起來使之等效為一個三極管，典型結構如圖1.2.13所示。以圖1.2.13(a)為例分析。

ic=ic1+ic2=β1ib1+β2ib2

=β1ib1+β2(1+β1)ib1

≈β1ib1+β2β1ib1

=β1ib1（1+β2）

≈

β1β2ib1

即

β=

說明複合管的電流放大係數β近似等於兩個管子電流放大係數的乘積。同時有

ICEO=ICEO2+β2ICEO1

表明複合管具有穿透電流大的缺點。1.3場效應管

1.3.1結型場效應管

1.結構及符號結型場效應管也是具有PN結的半導體器件，圖1.3.1（a）繪出了N溝道結型場效應管的結構（平面）示意圖。它是一塊N型半導體材料作襯底，在其兩側作出兩個雜質濃度很高的P+型區，形成兩個PN結。從兩邊的P型區引出兩個電極並聯在一起，成為柵極(G)；在N型襯底材料的兩端各引出一個電極，分別稱為漏極（D）和源極（S）。兩個PN結中間的N型區域稱為導電溝道，它是漏、源極之間電子流通的途徑。這種結構的管子被稱為N型溝道結型場效應管，它的代表符號如圖1.3.1（b）所示。

如果用P型半導體材料作襯底，則可構成P溝道結型場效應管，其代表符號如圖1.3.1(c)所示。N溝道和P溝道結型場效應管符號上的區別，在於柵極的箭頭方向不同，但都要由P區指向N區。

2.基本工作原理。上述兩種結構的結型場效應管工作原理完全相同，下麵我們以N型溝道結型場效應管為例進行分析。研究場效應管的工作原理，主要是講輸入電壓對輸出電流的控制作用。在圖1.3.2中，繪出了當漏源電壓UDS=0時，柵源電壓UGS大小對導電溝道影響的示意圖。

（1）當UGS=0時，PN結的耗盡層如圖1.3.2(a)中陰影部分所示。耗盡層只占N型半導體體積的很小一部分，導電溝道比較寬，溝道電阻較小。（2）當在柵極和源極之間加上一個可變直流負電源UGG時，此時柵源電壓UGS為負值，兩個PN結都處於反向偏置，耗盡層加寬，導電溝道變窄，溝道電阻加大，如圖1.3.2(b)所示。而且柵源電壓UGS愈負，導電溝道愈窄，溝道電阻愈大。（3）當柵源電壓UGS負到某一值時，兩邊的耗盡層近於碰上，仿佛溝道被夾斷，溝道電阻趨於無窮大，如圖1.3.2（c）所示。此時的柵源電壓稱為柵源截止電壓（或夾斷電壓），並以UGS（off）表示。GS(off)時由以上的分析可知，改變柵源電壓UGS的大小，就能改變導電溝道的寬窄，也就能改變溝道電阻的大小。如果在漏極和源極之間接入一個適當大小的正電源UDD，則N型導電溝道中的多數載流子（電子）便從源極通過導電溝道向漏極作漂移運動，從而形成漏極電流ID。顯然，在漏源電壓UDS一定時，ID的大小是由導電溝道的寬窄（即電阻的大小）決定的，當UGS=UGS（off）時，ID≈0。於是我們得出結論：柵源電壓UGS對漏極電流ID有控制作用。這種利用電壓所產生的電場控制半導體中電流的效應，稱為“場效應”。場效應管因此得名。ID=f(UGS)|UDS=常數

圖1.3.3給出了某N溝道結型場效應管的轉移特性。從圖中可以看出UGS對ID的控制作用。UGS=0時的ID，稱為柵源短路時漏極電流，記為IDSS。使ID≈0時的柵源電壓就是柵源截止電壓UGS（off）。從圖中還可看出，對應不同的UDS，轉移特性不同。但是，當UDS大於一定數值後，不同的UDS,轉移特性是很靠近的，這時可以認為轉移特性重合為一條曲線，使分析得到簡化。此外，圖1.3.3中的轉移特性，可以用一個近似公式來表示：ID≈IDSS(1-

0≥UGS≥UGS(off)

這樣，只要給出IDSS和UGS（off）就可以把轉移特性中其他點估算出來。

2)輸出特性曲線輸出特性曲線（也叫漏極特性）是指在柵源電壓UGS一定時，漏極電流ID與漏源電壓UDS之間關係。函數表示為

ID=f(UDS)|UGS

=常數圖1.3.4給出了某N溝道結型場效應管的的輸出特性。從圖中可以看出，管子的工作狀態可分為可變電阻區、恒流區和擊穿區這三個區域。(1)可變電阻區：特性曲線上升的部分稱為可變電阻區。在此區內，UDS較小，ID隨UDS的增加而近於直線上升，管子的工作狀態相當於一個電阻，而且這個電阻的大小又隨柵源電壓UGS的大小變化而變（不同UGS的輸出特性的切斜率不同），所以把這個區域稱為可變電阻區。

(2)恒流區：曲線近於水準的部分稱為恒流區（又稱飽和區）。在此區內，UDS增加，ID基本不變（對應同一UGS），管子的工作狀態相當於一個“恒流源”，所以把這部分區域稱為恒流區。

在恒流區內，ID隨UGS的大小而改變，曲線的間隔反映出UGS對ID的控制能力。從這種意義來講，恒流區又可稱為線性放大區。場效應管作放大運用時，一般就工作在這個區域。恒流區產生的物理原因，是由於漏源電壓UDS在N溝道的縱向產生電位梯度，使得從漏極至源極溝道的不同位置上，溝道-柵極間的電壓不相等，靠近漏端最大，耗盡層也最寬，而靠近源端的耗盡層最窄。這樣，在UGS和UDS的共同作用下，導電溝道呈楔型，如圖1.3.5所示。

由於耗盡層的電阻比溝道的電阻大得多，所以UDS增加的部分幾乎全部降落在夾斷處的耗盡層上，在導電溝道上的電位梯度幾乎不變，因而ID就幾乎不變，出現恒流現象。從上面的分析，可以得到N溝道結型場效應管產生夾斷（即出現恒流）的條件為

UGD≥UGS(off)UGS(off)＜0

或UGS-UDS≤UGS（off）即UDS≥UGS—UGS（off）

(3)擊穿區:

特性曲線快速上翹部分稱為擊穿區。在此區內，UDS較大，ID劇增，出現了擊穿現象。場效應管工作時，不允許進入這個區域。

1.3.2絕緣柵場效應管

1.N溝道增強型絕緣柵場效應管的結構

N溝道增強型絕緣柵場效應管的結構如圖1.3.6(a)所示。它的製作過程是：以一塊雜質濃度較低的P型矽半導體薄片作襯底，利用擴散方法在上面形成兩個高摻雜的N+區，並在N+區上安置兩個電極，分別稱為源極（S）和漏極（D）；然後在半導體表面覆蓋一層很薄的二氧化矽絕緣層，並在二氧化矽表面再安置一個金屬電極，稱為柵極（G）；柵極同源極、漏極均無電接觸，故稱“絕緣柵極”。

由於這種管子是由金屬、氧化物和半導體所組成，所以又稱為金屬氧化物半導體場效應管，簡稱MOS場效應管。它是目前應用最廣的一種。根據柵極（金屬）和半導體之間絕緣材料的不同，絕緣柵場效應管有各種類型，例如以氮化矽作絕緣層的MNS管，以氧化鉛作絕緣層的MAIS管，等等。如果以N型矽作襯底，可製成P溝道增強型絕緣柵場效應管。N溝道和P溝道增強型絕緣柵場效應管的符號分別如圖1.3.6(b)和(c)所示，它們的區別是襯底的箭頭方向不同。

2.N溝道增強型絕緣柵場效應管的工作原理

在圖1.3.6（a）中，如果將柵、源極短路，那末不論漏、源極間加的電壓極性如何，總會有一個PN結呈反向偏置，漏、源極間將無電流。

如果在柵、源極間加上一個正電源UGG，並將襯底與源極相連，如圖1.3.7所示。此時，柵極（金屬）和襯底（P型矽片）相當於以二氧化矽為介質的平板電容器，在正柵源電壓UGS（即柵-襯底電壓UGU）的作用下，介質中便產生一個垂直於P型襯底表面的由柵極指向襯底的電場，從而將襯底裏的電子感應到表面上來。當UGS較小時，感應到襯底表面上的電子數很少，並被襯底表層的大量空穴複合掉；直至UGS增加超過某一臨界電壓時，介質中的強電場才在襯底表面層感應出“過剩”的電子。

於是，便在P型襯底的表面形成一個N型層——稱為反型層。這個反型層與漏、源的N+區之間沒有PN結阻擋層，而具有良好的接觸，相當於將漏、源極連在一起（見圖1.3.7）。若此時加上漏源電壓UDS，就會產生ID。形成反型層的臨界電壓，稱為柵源閾電壓（或稱為開啟電壓），用UGS(th)表示。這個反型層就構成源極和漏極的N型導電溝道，由於它是在電場的感應下產生的，故也稱為感生溝道。顯然，N型導電溝道的厚薄是由柵源電壓UGS的大小決定的。改變UGS，可以改變溝道的厚薄，也就是能夠改變溝道的電阻，從而可以改變漏極電流iD的大小。於是，我們得出結論：柵源電壓UGS能夠控制漏極電流ID。

上述這種在UGS=0時沒有導電溝道，而必須依靠柵源正電壓的作用，才能形成導電溝道的場效應管，稱為增強型場效應管。

N溝道增強型絕緣柵場效應管的特性曲線（示意圖）如圖1.3.8所示。圖1.3.8（a）的轉移特性是在UDS為某一固定值的條件下測出的，當UGS<UGS(th)時，ID=0；當UGS≥UGS(th)時，導電溝道形成，並且ID隨UGS的增大而增大。圖1.3.8（b）為輸出特性,同結型場效應管的情況類似。

3.N溝道耗盡型絕緣柵場效應管的工作原理

N溝道耗盡型絕緣柵場效應管的結構和增強型基本相同，只是在製作這種管子時，預先在二氧化矽絕緣層中摻有大量的正離子。圖1.3.8

N溝道增強型絕緣柵場效應管伏安特性

(a)轉移特性；(b)輸出特性

這樣，即使在UGS=0時，由於正離子的作用，也能在P型襯底表面形成感生溝道，將源區和漏區連接起來，如圖1.3.9所示。當漏、源極之間加上正電壓UDS時，就會有較大的漏極電流ID。如果UGS為負，介質中的電場被削弱，使N型溝道中感應的負電荷減少，溝道變薄（電阻增大），因而ID減小。這同結型場效應管相似，故稱為“耗盡型”。所不同的是，N溝道耗盡型絕緣柵場效應管可在UGS>0的情況下工作，此時在N型溝道中感應出更多的負電荷，使ID更大。不論柵源電壓為正還是為負都能起控制ID大小的作用，而又基本無柵流，這是這種管子的一個重要特點。

耗盡型絕緣柵場效應管的符號如圖1.3.10所示。圖（a）為Ｎ溝道耗盡型絕緣柵場效應管的符號，圖（b）為Ｐ溝道耗盡型絕緣柵場效應管的符號。二者的區別只是襯底Ｕ的箭頭方向不同。Ｎ溝道耗盡型絕緣柵場效應管的特性曲線如圖1.3.11所示。

現在，我們對ＭＯＳ管的符號再作進一步說明。在圖1.3.6（b）、（c）和圖1.3.10（a）、（b）中畫出了四種類型ＭＯＳ管各自的符號。在Ｎ溝道ＭＯＳ管符號中，襯底上的箭頭是向內的（由Ｐ型襯底指向Ｎ型溝道）；而在Ｐ溝道ＭＯＳ管的符號中，襯底上的箭頭是向外的，（由Ｐ型溝道指向Ｎ型襯底）。在增強型ＭＯＳ管的符號中，Ｓ、Ｄ和襯底Ｕ之間是斷開的，表示UGS＝０時導電溝道沒有形成；在耗盡型ＭＯＳ管的符號中，Ｓ、Ｄ和Ｕ是連在一起的，表示UGS=0時導電溝道業已存在。此外，在積體電路中，如無需區別溝道類型、工作型式時，MOS管可採用圖1.3.12所示的簡化符號。

1.3.3場效應管的主要參數

(1)開啟電壓UGS(th):當UDS為常數時，形成ID所需的最小|UGS|值，稱開啟電壓。

(2)夾斷電壓UGS(off):在UDS固定時，使ID為某一微小電流(如1μA、10μA)所需的UGS值。

(3)低頻跨導gm:UDS為定值時，漏極電流ID的變化量ΔID與引起這個變化的柵源電壓UGS的變化量ΔUGS的比值，即(4)漏源擊穿電壓U（BR）GS:管子發生擊穿，ID急劇上升時的UDS值；UDS<U（BR)GS。

(5)最大耗散功率PDM:PD=IDUDS<PDM。不能超過PDM，否則要燒壞管子。

(6)最大漏極電流IDM：管子工作時，ID不允許超過這個值。

1.３.４場效應管與三極管的比較

(1)場效應管是電壓控制器件，而三極管是電流控制器件，但都可獲得較大的電壓放大倍數。

(2)場效應管溫度穩定性好，三極管受溫度影響較大。

(3)場效應管制造工藝簡單，便於集成化，適合製造大規模積體電路。

(4)場效應管存放時，各個電極要短接在一起，防止外界靜電感應電壓過高時擊穿絕緣層使其損壞。焊接時電烙鐵應有良好的接地線，防止感應電壓對管子的損壞。1.4晶閘管

1.4.1晶閘管的基本結構晶閘管是在電晶體的基礎上發展起來的一種大功率半導體器件，由四層半導體Ｐ1、Ｎ１、Ｐ２、Ｎ２製成，形成三個ＰＮ結Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３，如圖1.4.1(ａ)所示。由最外的Ｐ１層引出的電極為陽極Ａ，最外的Ｎ２層引出的電極為陰極Ｋ，由中間的Ｐ２層引出的電極為控制極Ｇ，然後用外殼封裝起來，圖1.4.1(ｂ)為示意圖。圖1.4.1(ｃ)是晶閘管的表示符號。普通型晶閘管有螺栓式和平板式。圖1.4.2(ａ)是螺栓式晶閘管，圖中帶有螺栓的是陽極引出端，同時可以利用它固定散熱片，另一端較粗的一根是陰極引出線，另一根較細的是控制極引出線。圖1.4.2(