電子技術(shù)與數(shù)字電路（第二版）01 半導(dǎo)體器件

第1章半導(dǎo)體器件本章主要內(nèi)容(1)半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)(2）半導(dǎo)體二極管（3）雙極型晶體管（4）場(chǎng)效應(yīng)晶體管1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)1.1.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性自然界中的物質(zhì)，按其導(dǎo)電能力的強(qiáng)弱可分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體三種類型。半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間。導(dǎo)體一般為低價(jià)元素，例如銀、銅等金屬材料都是良好的導(dǎo)體，它們的原子結(jié)構(gòu)中的最外層電子極易掙脫原子核的束縛而成為自由電子，在外電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生定向移動(dòng)，形成電流。高價(jià)元素（如隋性氣體）或高分子物質(zhì)（如橡膠），它們的原子結(jié)構(gòu)中的最外層電子極難掙脫原子核的束縛成為自由電子，其導(dǎo)電性極差，稱為絕緣體。常用的半導(dǎo)體材料有硅（Si）和鍺（Ge）等，硅原子中共有14個(gè)電子圍繞原子核旋轉(zhuǎn)，最外層軌道上有4個(gè)電子，如圖1.1（a）所示。原子最外層軌道上的電子通常稱為價(jià)電子，因此硅為4價(jià)元素。鍺原子中共有32個(gè)電子圍繞原子核旋轉(zhuǎn)，最外層軌道上的電子數(shù)也為4個(gè)，如圖1.1（b）所示，所以鍺也為4價(jià)元素。為了簡(jiǎn)便起見，常用帶+4電荷的正離子和周圍的4個(gè)價(jià)電子來表示一個(gè)4價(jià)元素的原子，如圖1.1（c）所示。圖1.1硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)示意圖

硅和鍺的最外層電子既不像導(dǎo)體那樣容易掙脫原子核的束縛，也不像絕緣體那樣被原子核所緊緊束縛，所以其導(dǎo)電性介于導(dǎo)體和絕緣體之間，呈現(xiàn)出典型的半導(dǎo)體導(dǎo)電特性。1.本征半導(dǎo)體將硅和鍺這樣的半導(dǎo)體材料經(jīng)一定的工藝高純度提煉后，其原子排列將變成非常整齊的狀態(tài)，稱為單晶體，也稱本征半導(dǎo)體。在本征半導(dǎo)體中，每個(gè)原子與相鄰的4個(gè)原子結(jié)合，每一原子的4個(gè)價(jià)電子分別為相鄰的4個(gè)原子所共有，組成所謂共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)，如圖1.2所示。

圖1.2共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)示意圖

共價(jià)鍵中的電子不像絕緣體中的價(jià)電子被束縛得那樣緊。一些價(jià)電子獲得一定能量（如溫度升高或被光照）后，可以克服共價(jià)鍵的束縛而成為自由電子，這種現(xiàn)象稱為電子“激發(fā)”。此時(shí)，本征半導(dǎo)體具有了一定的導(dǎo)電能力，但由于自由電子的數(shù)量很少，所以它的導(dǎo)電能力比較微弱。同時(shí)，在原來的共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位，這種空位稱為空穴?？昭ㄒ蚴У粢粋€(gè)電子而帶正電。由于正負(fù)電的相互吸引作用，空穴附近共價(jià)鍵中的價(jià)電子會(huì)來填補(bǔ)這個(gè)空位，于是又會(huì)產(chǎn)生新的空穴，又會(huì)有相鄰的價(jià)電子來填補(bǔ)，如此進(jìn)行下去就形成了空穴移動(dòng)，如圖1.3所示

圖1.3空穴和自由電子半導(dǎo)體中存在著兩種運(yùn)載電荷的粒子，稱為載流子，即帶負(fù)電的自由電子和帶正電的空穴。在本征半導(dǎo)體中，自由電子和空穴總是成對(duì)產(chǎn)生，成為電子-空穴對(duì)，所以兩種載流子濃度是相等的。在室溫條件下，本征半導(dǎo)體中載流子的數(shù)目很少，所以導(dǎo)電性能較差。溫度升高時(shí)，載流子濃度將按指數(shù)規(guī)律增加。2.雜質(zhì)半導(dǎo)體若在本征半導(dǎo)體中摻入少量的雜質(zhì)元素，就能顯著地改善半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能。根據(jù)所摻雜質(zhì)的不同，摻雜后的半導(dǎo)體可分為N（Negative）型半導(dǎo)體和P（Positive）型半導(dǎo)體兩種。（1）N型半導(dǎo)體如果在純凈的硅（或鍺）晶體中摻入少量的5價(jià)雜質(zhì)元素（如磷P、砷As、銻Sb等），則原來晶格中的某些硅原子的位置將被雜質(zhì)原子所代替，就形成了N型半導(dǎo)體。

由于這種雜質(zhì)原子最外層有5個(gè)價(jià)電子，其中4個(gè)與周圍硅原子形成共價(jià)鍵，因此還多出一個(gè)電子。這個(gè)多出的電子由于不受共價(jià)鍵的束縛便成為可以導(dǎo)電的自由電子，而雜質(zhì)原子成為不可移動(dòng)的正離子，如圖1.4所示。

圖1.4N型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)在N型半導(dǎo)體中，自由電子的濃度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于空穴的濃度，因此自由電子稱為多數(shù)載流子（簡(jiǎn)稱多子），而其中的空穴稱為少數(shù)載流子（簡(jiǎn)稱少子）。由于雜質(zhì)原子可以提供電子，故稱為施主原子。N型半導(dǎo)體主要靠施主原子提供的電子導(dǎo)電，摻入的雜質(zhì)原子越多，自由電子的濃度也就越高，導(dǎo)電性能就越強(qiáng)。（2）P型半導(dǎo)體如果在純凈的硅（或鍺）晶體中摻入少量的3價(jià)雜質(zhì)元素（如硼B(yǎng)、鋁Al、鎵Ga等），則原來晶格中的某些硅原子的位置將被雜質(zhì)原子所代替，就形成了P型半導(dǎo)體。由于這種雜質(zhì)原子最外層有3個(gè)價(jià)電子，在與周圍4個(gè)硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，就產(chǎn)生了一個(gè)空穴，如圖1.5所示。當(dāng)相鄰硅原子的外層電子由于熱運(yùn)動(dòng)填補(bǔ)此空穴時(shí)，雜質(zhì)原子成為不可移動(dòng)的負(fù)離子，同時(shí)在硅原子的共價(jià)鍵中又產(chǎn)生了一個(gè)新的空穴。

圖1.5P型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)在P型半導(dǎo)體中，空穴的濃度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于自由電子的濃度，因此空穴為多子，而其中的自由電子為少子。由于雜質(zhì)原子中形成的空穴可以吸收電子，故稱這樣的雜質(zhì)原子為受主原子。P型半導(dǎo)體主要靠受主原子提供的空穴導(dǎo)電，摻入的雜質(zhì)原子越多，空穴的濃度就越高，導(dǎo)電性能就越強(qiáng)。N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體雖然各自都有一種多數(shù)載流子，但在整個(gè)半導(dǎo)體中正、負(fù)電荷數(shù)是相等的，即從總體上看，仍然保持著電中性。1.1.2PN結(jié)及其單向?qū)щ娞匦栽谝粔K本征半導(dǎo)體上，一邊摻入施主雜質(zhì)，使之成為N型半導(dǎo)體，另一邊摻入受主雜質(zhì)，使之成為P型半導(dǎo)體，那么在N型和P型半導(dǎo)體的交界面附近，就會(huì)形成具有特殊物理性能的PN結(jié)。PN結(jié)是構(gòu)成各種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。1.PN結(jié)的形成在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的交界處存在著較大的電子和空穴濃度差。N型區(qū)中的電子要向P型區(qū)擴(kuò)散，P型區(qū)中的空穴要向N型區(qū)擴(kuò)散。如圖1.6所示，靠近交界處的箭頭表示了兩種載流子的擴(kuò)散方向。

圖1.6多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)帶電粒子的擴(kuò)散不會(huì)無限制地進(jìn)行下去，因?yàn)閹щ娏Ｗ右坏U(kuò)散到對(duì)方就會(huì)發(fā)生復(fù)合現(xiàn)象，從而使電子和空穴因復(fù)合而消失。N型區(qū)的電子向P型區(qū)擴(kuò)散，并與P型區(qū)的空穴復(fù)合，使P型區(qū)失去空穴而留下不能移動(dòng)的帶負(fù)電的離子。P型區(qū)的空穴也要向N型區(qū)擴(kuò)散，并與N型區(qū)的電子復(fù)合，使N型區(qū)失去電子而留下帶正電的離子。這些正、負(fù)離子所占的空間稱作“空間電荷區(qū)”。由于空間電荷區(qū)內(nèi)缺少可以自由運(yùn)動(dòng)的載流子，所以又稱“耗盡層”，如圖1.7所示。圖1.7PN結(jié)的形成空間電荷區(qū)中的正、負(fù)離子之間形成一個(gè)內(nèi)電場(chǎng)，方向是由N型區(qū)指向P型區(qū)。內(nèi)電場(chǎng)對(duì)兩邊多子的進(jìn)一步擴(kuò)散起阻擋作用，所以空間電荷區(qū)也稱為“阻擋層”。內(nèi)電場(chǎng)可以使兩邊的少子產(chǎn)生漂移運(yùn)動(dòng)。漂移運(yùn)動(dòng)的方向與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)相反。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使空間電荷區(qū)加寬，內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)，于是擴(kuò)散阻力增大；漂移運(yùn)動(dòng)使空間電荷區(qū)變窄，內(nèi)電場(chǎng)減弱，使擴(kuò)散容易進(jìn)行。當(dāng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)作用相等時(shí)，便處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，空間電荷區(qū)不再擴(kuò)大，這種動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)下的空間電荷區(qū)就是PN結(jié)。2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦匀绻赑N結(jié)兩端外加電壓，將破壞其原來的平衡狀態(tài)。當(dāng)外加電壓極性不同時(shí)，PN結(jié)表現(xiàn)出截然不同的導(dǎo)電性能，即呈現(xiàn)出單向?qū)щ娦浴．?dāng)電源的正極接P區(qū)，負(fù)極接N區(qū)，稱為“加正向電壓”或“正向偏置”，如圖1.8所示。這時(shí)外加電場(chǎng)方向與內(nèi)電場(chǎng)方向相反，外電場(chǎng)將P區(qū)和N區(qū)的多數(shù)載流子推向空間電荷區(qū)，使其空窄，削弱了內(nèi)電場(chǎng)，破壞了原來的平衡，使擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加劇，而漂移運(yùn)動(dòng)減弱。由于電源的作用，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)源源不斷地進(jìn)行，從而形成正向電流，PN結(jié)導(dǎo)通。

圖1.8PN結(jié)外加正向電壓時(shí)導(dǎo)通PN結(jié)導(dǎo)通時(shí)的結(jié)壓降只有零點(diǎn)幾伏，所以應(yīng)在它所在的回路中串聯(lián)一個(gè)電阻，以限制回路中的電流，防止PN結(jié)因正向電流過大而損壞。當(dāng)電源的正極接N區(qū)，負(fù)極接P區(qū)，稱為“加反向電壓”或“反向偏置”，如圖1.9所示。反向偏置時(shí)，外加電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向相同，外電場(chǎng)將N區(qū)和P區(qū)的多數(shù)載流子拉向電源電極方向，使空間電荷區(qū)變寬，內(nèi)電場(chǎng)增加，阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，而加劇漂移運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，形成反向電流（也稱漂移電流）。

圖1.9PN結(jié)外加反向電壓時(shí)截止反向電流是由少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)形成的，當(dāng)溫度不變時(shí)，少數(shù)載流子的濃度不變，反向電流在一定范圍內(nèi)將不隨外加電場(chǎng)的大小而變化，所以常把反向電流稱為“反向飽和電流”。由于少數(shù)載流子數(shù)目極少，所以反向電流近似為零，可以認(rèn)為PN結(jié)反向偏置時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)。PN結(jié)加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)較小的正向電阻，形成較大的正向電流，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)；PN結(jié)加反向電壓時(shí)，呈現(xiàn)很大的反向電阻，流過很小的反向電流，PN結(jié)近似于截止?fàn)顟B(tài)。這種只允許一個(gè)方向電流通過的特性稱為PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴?.PN結(jié)的伏安特性式1-1給出了流過PN結(jié)的電流I與PN結(jié)兩端電壓U之間的關(guān)系式I=IS(eU/UT-1)（1-1）式中，IS為反向飽和電流；UT是溫度的電壓當(dāng)量，在常溫（300K）下，UT=26mV。把式（1-1）繪成曲線，如圖1.10所示，稱為PN結(jié)的伏安特性曲線。圖1.10PN結(jié)的伏安特性曲線當(dāng)PN結(jié)加正向電壓時(shí)，在U大于UT幾倍以后，式（1-1）中eU/UT>>1，于是I≈ISeU/UT，表明正向電流I隨電壓U呈指數(shù)規(guī)律增加，如圖中OA段，這段曲線稱為PN結(jié)的正向伏安特性。當(dāng)PN結(jié)加反向電壓時(shí)，U＜0，在|U|大于UT幾倍后，式（1-1）中的eU/UT→0，于是I≈-IS，即反向電流基本上是一個(gè)不隨外加電壓變化而變化的常數(shù)，如圖中的OB段，這段曲線稱為PN結(jié)的反向伏安特性。4.PN結(jié)的擊穿當(dāng)加于PN結(jié)的反向電壓增大到一定數(shù)值時(shí)，反向電流突然急劇增大，如圖1.10中的BE段所示，這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。對(duì)應(yīng)于電流開始劇增的反向電壓UBR，稱為擊穿電壓。PN結(jié)的擊穿分為“雪崩擊穿”和“齊納擊穿”兩種類型。雪崩擊穿是指PN結(jié)內(nèi)作漂移運(yùn)動(dòng)的少數(shù)載流子受強(qiáng)電場(chǎng)的加速作用可獲得很大的能量，當(dāng)它與PN結(jié)內(nèi)的原子碰撞時(shí)，把其中的價(jià)電子碰撞出來，產(chǎn)生新的電子-空穴對(duì)。新的電子-空穴對(duì)在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，再去碰撞其他原子，產(chǎn)生更多的電子-空穴對(duì)，如同雪崩一樣。齊納擊穿發(fā)生在高濃度摻雜的PN結(jié)中。由于雜質(zhì)濃度高，所以形成的PN結(jié)很窄，即使外加反向電壓并不很高，結(jié)內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度就很強(qiáng)，它可以把結(jié)內(nèi)的束縛電子從共價(jià)鍵中拉出來引起反向電流的劇增。需要指出，發(fā)生上述兩種擊穿后，只要反向電流的熱效應(yīng)不致?lián)p壞PN結(jié)，當(dāng)反向電壓降到擊穿電壓以下時(shí)，PN結(jié)的性能仍可恢復(fù)。1.2半導(dǎo)體二極管1.2.1二極管的結(jié)構(gòu)與分類如果在一個(gè)PN結(jié)的兩端加上電極引線并用外殼封裝起來，便構(gòu)成一只半導(dǎo)體二極管，簡(jiǎn)稱二極管。由P區(qū)引出的電極稱為陽(yáng)極或正極，由N區(qū)引出的電極為陰極或負(fù)極。常見的二極管的結(jié)構(gòu)及符號(hào)表示如圖1.11所示。圖1.11二極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)二極管的類型很多，按制造材料來分，有硅二極管和鍺二極管；按二極管的結(jié)構(gòu)來分，主要有點(diǎn)接觸型和面接觸型。1.點(diǎn)接觸型其結(jié)構(gòu)如圖1.11（a）所示。它是用一根細(xì)金屬絲壓在晶片上，在接觸點(diǎn)形成PN結(jié)。由于它的結(jié)面積小，因而不能通過較大的電流，但結(jié)電容小，適用于高頻檢波及小電流高速開關(guān)電路中。2.面接觸型其結(jié)構(gòu)如圖1.11（b）所示。它用合金法做成較大接觸面積，允許通過較大電流，但結(jié)電容較大，只適用于低頻及整流電路中。3.平面型其結(jié)構(gòu)如圖1.11（c）所示。它用二氧化硅作保護(hù)層，使PN結(jié)不受污染，從而大大地減小了PN結(jié)兩端的漏電流，因此，它的質(zhì)量較好。其中結(jié)面積大的作大功率整流管，結(jié)面積小的作高頻管或高速開關(guān)管。1.2.2二極管的伏安特性二極管的特性實(shí)際上是PN結(jié)特性，考慮到引線電阻及表面漏電流等因素的影響，實(shí)測(cè)的二極管伏安特性與PN結(jié)伏安特性存在一定偏差。圖1.12是實(shí)測(cè)二極管伏安特性曲線，該特性曲線可以分為正向特性和反向特性兩部分。圖1.12二極管伏安特性1.正向特性當(dāng)二極管兩端加很低的正向電壓時(shí)（如圖1.12中①所指部分），外電場(chǎng)還不能克服PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多數(shù)載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)所形成的阻力，因此這時(shí)的正向電流仍很小，二極管呈現(xiàn)的電阻較大。當(dāng)二極管兩端的電壓超過一定數(shù)值即閾值電壓后（如圖1.12中②所指部分），內(nèi)電場(chǎng)被大大削弱，二極管的電阻變得很小，于是電流增長(zhǎng)很快。閾值電壓又稱開啟電壓或死區(qū)電壓，隨管子的材料和溫度的不同而改變，硅管約為0.6V，鍺管約為0.2V。2.反向特性當(dāng)二極管兩端加上反向電壓時(shí)（如圖1.12中③所指部分），由于少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)，因而形成很小的反向電流。反向電流有兩個(gè)特性，一是它隨溫度的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)；二是當(dāng)反向電壓不超過某一數(shù)值時(shí)，反向電流不隨反向電壓改變而改變，因此這個(gè)電流稱為反向飽和電流。當(dāng)外加反向電壓過高時(shí)，反向電流將突然增大（如圖1.12中④所指部分），二極管失去單向?qū)щ娞匦?，這種現(xiàn)象稱為反向擊穿。產(chǎn)生擊穿時(shí)加在二極管上的反向電壓稱為反向擊穿電壓UBR。3.溫度對(duì)二極管特性的影響溫度對(duì)二極管特性有較大影響，隨著溫度的升高，將使正向特性曲線向左移，反向特性曲線向下移。正向特性曲線左移，表明在相同的正向電流下，二極管正向壓降隨溫度升高而減小。實(shí)驗(yàn)表明，溫度每升高1℃，正向壓降約減小2mV。反向特性曲線下移，表明溫度升高時(shí)，反向電流增大。實(shí)驗(yàn)表明，溫度每升高10℃，反向電流約增大一倍。4.理想二極管特性在電路中，如果二極管正向壓降遠(yuǎn)小于和它串聯(lián)的電壓，反向電流遠(yuǎn)小于和它并聯(lián)的電流，則二極管可用理想二極管來等效。對(duì)于理想二極管，正向偏置時(shí)，二極管管壓降為零，相當(dāng)于短路；反向偏置時(shí)，反向電流為零，二極管相當(dāng)于開路。例1.1

在如圖1.13所示的電路中，已知輸入端A的電位UA=3V，輸入端B的電位UB=0V，電阻R接+5V電源，設(shè)二極管D1和D2均為理想二極管，試求輸出端F的電位UF。

圖1.13例1.1的電路圖解

因?yàn)閁B＜UA，所以二極管D2優(yōu)先導(dǎo)通，又由于二極管為理想元件，則輸出F的電位為UF=UB=0V。當(dāng)D2導(dǎo)通后，D1上加的是反向電壓，因而D1截止。在本例中，二極管D2起鉗位作用，把F端的電位鉗制在0V；D1起隔離作用，把輸入端A和輸出端F隔離開來。1.2.3二極管的主要參數(shù)1.最大整流電流IFMIFM是指二極管長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，允許通過的最大平均電流。其大小主要取決于PN結(jié)的結(jié)面積，并且受結(jié)溫的限制。使用時(shí)，二極管的平均電流不要超過此值，否則可能使二極管因過熱而損壞。2.最高反向工作電壓UDRMUDRM是指二極管使用時(shí)允許加在二極管上的最大反向電壓，通常取反向擊穿電壓URB的1/2。3.反向電流IRIR是指在室溫下，在二極管兩端加上規(guī)定的反向電壓時(shí)，流過二極管的反向電流。IR越小，管子的單向?qū)щ娦阅茉胶谩?.最高工作頻率fMfM值主要決定于PN結(jié)的結(jié)電容大小，結(jié)電容越大，二極管允許的最高工作頻率越低。

1.2.4特殊二極管1.穩(wěn)壓二極管（1）穩(wěn)壓管的工作特性穩(wěn)壓二極管是一種具有特殊用途的面接觸型二極管，由于它在電路中與適當(dāng)數(shù)值的電阻配合后能夠起穩(wěn)定電壓的作用，故稱穩(wěn)壓管（也稱齊納二極管）。穩(wěn)壓管的伏安特性曲線與普通二極管類似，如圖1.14（a）所示，其差異是穩(wěn)壓管的反向特性曲線比較陡。圖1.14（b）是穩(wěn)壓管的符號(hào)表示。圖1.14穩(wěn)壓管的伏安特性曲線與符號(hào)穩(wěn)壓管工作于反向擊穿狀態(tài)，利用其反向電流變化量ΔIZ很大時(shí)而管子兩端電壓的變化量ΔUZ卻很小的特點(diǎn)，在電路中達(dá)到穩(wěn)壓的目的。與一般二極管不同的是，穩(wěn)壓管的反向擊穿是可逆的。當(dāng)反向電壓去掉之后，穩(wěn)壓管又可恢復(fù)正常。這一特性是由制造工藝來達(dá)到的。需注意的是，如果反向電流超過允許范圍，穩(wěn)壓管將因過熱而損壞。（2）穩(wěn)壓管的主要參數(shù)（a）穩(wěn)定電壓UZ

它是穩(wěn)壓管在正常工作下管子兩端的電壓。這一參數(shù)隨工作電流和溫度的不同略有改變，且不同管子的參數(shù)值存在一定的分散性。例如，手冊(cè)中給出2CW14的UZ=（6~7.5）V，是指有的管子是6V，有的是7V等等，而不是指每只管子的穩(wěn)定電壓變化有如此之大。（b）穩(wěn)定電流IZ

它是穩(wěn)壓管正常工作時(shí)的電流值，原則上應(yīng)選IZmin＜IZ＜IZmax。

IZmin是穩(wěn)壓管能夠正常穩(wěn)壓的最小工作電流，電流低于此值時(shí)穩(wěn)壓效果變壞，甚至不穩(wěn)壓。

IZmax是穩(wěn)壓管能夠正常穩(wěn)壓的最大工作電流，電流高于此值時(shí)會(huì)因PN結(jié)溫度過高而損壞。（c）動(dòng)態(tài)電阻rZ

它是指穩(wěn)壓管兩端電壓的變化量與相應(yīng)的電流變化量的比值，即rZ=ΔUZ/ΔIZ。穩(wěn)壓管的反向伏安特性曲線越陡，則動(dòng)態(tài)電阻越小，穩(wěn)壓性能越好。（d）最大耗散功率PZM

它是指保證穩(wěn)壓管安全工作所允許的最大功率損耗，PZM=UZ·IZmax。2.光電二極管光電二極管也是一種特殊二極管，又稱光敏二極管。其管殼上備有一個(gè)玻璃窗口,以便接受光照。它利用光粒子激發(fā)共價(jià)鍵中的束縛電子而獲取光生電子，從而把光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?其靈敏度的典型值為0.1μA/Lx(Lx—光照強(qiáng)度單位，勒克斯)。光電二極管的伏安特性曲線及符號(hào)表示如圖1.15所示，其主要特點(diǎn)是反向電流與光照強(qiáng)度成正比。人們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫奶?yáng)能電池正是由若干這種光電二極管組成的儲(chǔ)能電路。圖1.15光電二極管的伏安特性曲線及符號(hào)3.發(fā)光二極管發(fā)光二極管簡(jiǎn)寫為L(zhǎng)ED（LightEmittingDiode），其符號(hào)表示及正向?qū)òl(fā)光時(shí)的工作電路如圖1.16所示。在正向偏置的二極管中，多數(shù)載流子擴(kuò)散到對(duì)方要被復(fù)合，復(fù)合過程是載流子釋放能量的過程，在每個(gè)復(fù)合的晶格上輻射成一粒光子。硅（鍺）半導(dǎo)體發(fā)射光的波長(zhǎng)不在可見光譜內(nèi)，故不能做成發(fā)光二極管。砷化鎵（GaAs）、磷化鎵（GaP）等化合物半導(dǎo)體材料制成的PN結(jié)復(fù)合時(shí)可以發(fā)射可見光，光的顏色視具體的半導(dǎo)體材料而定。

圖1.16發(fā)光二極管的符號(hào)及其工作電路當(dāng)發(fā)光二極管正向偏置時(shí)，其發(fā)光亮度隨注入電流的增大而提高。為限制其工作電流，通常都要串接限流電阻R。由于發(fā)光二極管的工作電壓低（1.5V~3V）、工作電流?。?mA~10mA），所以用發(fā)光二極管做為顯示器件具有響應(yīng)速度快、功率小、驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單和壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。常見的發(fā)光二極管除可以單個(gè)使用外，還有七段數(shù)碼管，它可以顯示0~9的10個(gè)字形符號(hào)。發(fā)光二極管廣泛應(yīng)用于數(shù)字鐘、計(jì)算機(jī)及各種數(shù)字化儀器的數(shù)字顯示中。1.2.5二極管的應(yīng)用1.單相半波整流電路單相半波整流電路是一種最簡(jiǎn)單的整流電路。圖1.17（a）所示電路為純電阻負(fù)載的單相半波整流電路。圖中Tr為電源變壓器，它的作用是將交流電網(wǎng)電壓u1變換為整流電路所需要的交流電壓u2，即變壓器原邊電壓為u1，副邊電壓為u2；D為整流二極管，RL為負(fù)載電阻。圖1.17單相半波整流電路及其波形圖設(shè)變壓器副邊電壓u2=U2msinωt。當(dāng)u2為正半周時(shí)，其極性為上正下負(fù)，即a點(diǎn)電位高于b點(diǎn)電位，二極管因承受正向電壓而導(dǎo)通。此時(shí)有電流流過負(fù)載，并且和二極管上的電流相等。忽略二極管上的電壓降，則負(fù)載兩端的輸出電壓等于變壓器副邊電壓，即uo=u2，輸出電壓uo的波形與變壓器副邊電壓u2的波形相同。當(dāng)u2為負(fù)半周時(shí)，其極性為上負(fù)下正，即a點(diǎn)電位低于b點(diǎn)電位，二極管因承受反向電壓而截止。此時(shí)負(fù)載上無電流流過，輸出電壓uo=0，變壓器副邊電壓u2全部加在二極管D上。綜上所述，在負(fù)載電阻RL上呈現(xiàn)的電壓波形如圖1.17（b）所示。由于這種電路只在整個(gè)交流周期的半個(gè)周期二極管導(dǎo)通，才有電流流過負(fù)載，輸出電壓是單方向的脈動(dòng)電壓，故稱此種電路為單相半波整流電路。2.限幅電路所謂限幅，是指輸出電壓的幅度受到規(guī)定電壓（限幅電壓）的限制。圖1.18（a）是一個(gè)二極管限幅電路，UL為限幅電壓。在實(shí)際電路的分析中，通常把二極管看成理想器件，即當(dāng)其正向通導(dǎo)時(shí)，相當(dāng)于短路，反向截止時(shí)，相當(dāng)于開路。對(duì)于圖1.18（a）的電路，當(dāng)輸入電壓ui高于限幅電壓UL時(shí)，加在二極管上的電壓（ui-UL）為正，二極管導(dǎo)通，相當(dāng)于短路，輸出電壓uo被限定在UL值上；反之，當(dāng)輸入電壓ui低于限幅電壓UL時(shí)，加在二極管上的電壓（ui-UL）為負(fù)，二極管截止，uo=ui。即uo與ui的關(guān)系為

uo=UL(ui＞UL)ui(ui＜UL)（1-2）由此得到輸出電壓uo的波形如圖1.18（b）所示。顯然，當(dāng)限幅電壓UL取不同極性和數(shù)值時(shí)，輸出電壓波形也將不同。由此得到輸出電壓uo的波形如圖1.18（b）所示。顯然，當(dāng)限幅電壓UL取不同極性和數(shù)值時(shí)，輸出電壓波形也將不同。圖1.18二極管限幅電路及其工作波形3.穩(wěn)壓電路最簡(jiǎn)單的直流穩(wěn)壓電源是采用穩(wěn)壓管來穩(wěn)定電壓的。如圖1.19所示，將穩(wěn)壓管與適當(dāng)數(shù)值的限流電阻R相配合即組成了穩(wěn)壓管直流穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓管DZ工作在反向擊穿狀態(tài)，電阻R起限流和調(diào)壓作用。穩(wěn)壓電路的輸入電壓UI

通常是整流濾波電路的輸出電壓，穩(wěn)壓電路的輸出電壓Uo即為負(fù)載電阻RL兩端的電壓，它等于穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ。由圖1.19可知

Uo=UI-IR=UI-R(IZ+Io)

圖1.19穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路當(dāng)交流電網(wǎng)電壓波動(dòng)或者負(fù)載電流變化而引起Uo變化時(shí)，該電路的穩(wěn)壓過程是:只要Uo略有增加，IZ便會(huì)顯著增加，總電流I=IZ+Io隨之增加，電阻R上的壓降IR同時(shí)增加，從而使得Uo自動(dòng)降低，近似保持不變；如果Uo降低，則穩(wěn)壓過程與上述相反。穩(wěn)壓管直流穩(wěn)壓電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其性能受穩(wěn)壓管最大電流限制，而且輸出電壓不能根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以這種穩(wěn)壓電路只適用于輸出電壓不需要調(diào)節(jié)、負(fù)載電流小、穩(wěn)壓要求不太高的場(chǎng)合。例1.2在圖1.19所示的穩(wěn)壓電路中，若穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ=6V,其最小工作電流IZmin=10mA，最大工作電流IZmax=30mA；負(fù)載電阻RL=1kΩ；輸入電壓UI=10V。求限流電阻R的取值范圍。解當(dāng)穩(wěn)壓管中的電流為最大工作電流時(shí)，有(UI-UZ)/Rmin=IZmax+UZ/RL

代入相關(guān)數(shù)值后得(10V-6V)/Rmin=30mA+6V/1kΩRmin=4V/36mA≈111Ω當(dāng)穩(wěn)壓管中的電流為最小工作電流時(shí)，有(UI-UZ)/Rmax=IZmin+UZ/RL代入相關(guān)數(shù)值后得(10V-6V)/Rmax=10mA+6V/1kΩ

Rmax=4V/16mA=250Ω所以限流電阻R的取值范圍為111~250Ω。1.3雙極型晶體管常用的半導(dǎo)體器件按照參與導(dǎo)電的載流子情況可分為電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的“雙極型”和只涉及一種載流子的“單極型”兩大類。雙極型晶體管（bipolartransister）又稱半導(dǎo)體三極管，簡(jiǎn)稱晶體管。它是電子線路中的核心器件。圖1.20所示為晶體管的幾種常見外形，其中圖1.20（a）所示為低頻小功率管，圖1.20（b）所示為高頻小功率管，圖1.20（c）所示為低頻大功率管。

圖1.20幾種晶體管的外形1.3.1晶體管的結(jié)構(gòu)晶體管由兩個(gè)PN結(jié)和三個(gè)電極構(gòu)成，按PN結(jié)的組成方式分為NPN型和PNP型兩種類型，如圖1.21所示。由圖可見，無論是NPN型還是PNP型的晶體管，它們都具有三個(gè)區(qū)：集電區(qū)、基區(qū)和發(fā)射區(qū)，并相應(yīng)地引出三個(gè)電極:集電極、基極和發(fā)射極，分別用c、b、e來表示?；鶇^(qū)與發(fā)射區(qū)之間的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)，基區(qū)與集電區(qū)之間的PN結(jié)稱為集電結(jié)。晶體管符號(hào)中的箭頭表示管內(nèi)正向電流的方向。箭頭指向管外的為NPN管，箭頭指向管內(nèi)的為PNP管。圖1.21晶體管結(jié)構(gòu)示意圖和圖形符號(hào)晶體管的結(jié)構(gòu)在工藝上具有以下特點(diǎn)：（1）發(fā)射區(qū)進(jìn)行重?fù)诫s，以便于產(chǎn)生較多的載流子；（2）基區(qū)很薄且摻雜濃度低，有利于發(fā)射區(qū)載流子穿過基區(qū)到達(dá)集電區(qū)；（3）集電區(qū)輕摻雜，但面積大，以保證盡可能多地收集到從發(fā)射區(qū)發(fā)出的載流子。正是由于晶體管結(jié)構(gòu)的上述特點(diǎn)，才使它產(chǎn)生了電流控制和放大作用。1.3.2晶體管的電流控制作用對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大是模擬電路的基本功能之一。晶體管是放大電路的核心器件。晶體管結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)決定了它的電流放大作用的內(nèi)部條件，為了實(shí)現(xiàn)電流放大，還必須具備一定的外部條件，這就是要使它的發(fā)射結(jié)處于正向偏置，集電結(jié)處于反向偏置。如圖1.22所示為NPN型晶體管的電源接法:UBB是基極電源，其極性使發(fā)射結(jié)處于正向偏置；UCC是集電極電源，其極性使集電結(jié)處于反向偏置。圖1.22給出了晶體管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)情況以及各電極電流分配示意圖。

圖1.22晶體管內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)情況及電流分配示意圖1.晶體管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)情況（1）發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射電子由于發(fā)射結(jié)正向偏置，從而使多子（自由電子）的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，發(fā)射區(qū)的自由電子通過發(fā)射結(jié)不斷擴(kuò)散到基區(qū)，并不斷從電源UCC的負(fù)極補(bǔ)充進(jìn)電子，形成發(fā)射極電流IE。（2）電子在基區(qū)的擴(kuò)散和復(fù)合從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)的自由電子開始都聚集在發(fā)射結(jié)附近，而靠近集電結(jié)的自由電子很少，形成了濃度上的差別，因而自由電子向集電結(jié)繼續(xù)擴(kuò)散。由于基區(qū)摻雜濃度很低且做得很薄，所以自由電子只有很少一部分與基區(qū)中的空穴復(fù)合，所形成的電流記為IBE。（3）集電區(qū)收集電子由于集電結(jié)反向偏置，它有利于該P(yáng)N結(jié)兩邊半導(dǎo)體中少子的運(yùn)動(dòng)（漂移運(yùn)動(dòng)），而對(duì)多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)起阻擋作用，即阻擋集電區(qū)的自由電子向基區(qū)擴(kuò)散，但可以將從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)并到達(dá)集電區(qū)邊緣的自由電子拉入集電區(qū)，從而形成電流ICE，ICE是集電極電流IC的主要成分。此外，還有集電區(qū)和基區(qū)的少子漂移運(yùn)動(dòng)所形成的反向電流，稱為集電極—基極反向飽和電流，記作ICBO。ICBO的數(shù)值很小，它是構(gòu)成集電極電流IC和基極電流IB的一小部分。2.晶體管的電流分配關(guān)系及電流放大系數(shù)由圖1.22可得晶體管各電極的電流分別為

集電極電流IC=ICE+ICBO（1-3）

基極電流IB=IBE-ICBO（1-4）

發(fā)射極電流IE=ICE+IBE（1-5）縱合上述3式，可得晶體管3個(gè)電極的電流關(guān)系為IE=IB+IC，且IB<<IC。表明由晶體管發(fā)射區(qū)發(fā)射的電子絕大多數(shù)通過基區(qū)到達(dá)集電區(qū)，只有少數(shù)電子在基區(qū)與空穴復(fù)合，這就是晶體管的電流分配關(guān)系。

當(dāng)基極電流IB有一變化量ΔIB時(shí)，集電極電流IC和發(fā)射極電流IE也有相應(yīng)的變化量ΔIC和ΔIE，ΔIE=ΔIB+ΔIC，且ΔIB<<ΔIC。這表明當(dāng)晶體管的基極電流有一個(gè)小的變化量ΔIB時(shí)，會(huì)引起集電極電流有一個(gè)較大的變化量ΔIC。這體現(xiàn)了晶體管的電流放大作用。集電極電流的變化量ΔIC與基極電流的變化量ΔIB之比稱為共射交流電流放大系數(shù)β:β=ΔIC/ΔIB（1-6）集電極電流IC與基極電流IB之比稱為共射直流電流放大系數(shù)β:

β=IC/IB（1-7）從定義上來看，β和β是不相同的，但在晶體管的輸出特性曲線（下面將介紹）近于平行的情況下，兩者數(shù)值較為接近，所以常用β≈β這個(gè)近似關(guān)系進(jìn)行估算。1.3.3晶體管的特性曲線晶體的特性曲線和它的連接方式及結(jié)構(gòu)類型有關(guān)。以NPN晶體管為例，有共基極、共發(fā)射極和共集電極三種連接方式，如圖1.23所示。

圖1.23晶體管的三種連接方式這里，僅以應(yīng)用較廣的共發(fā)射極接法為例，討論晶體管的輸入和輸出特性曲線。這些特性曲線可以用晶體管特性圖示儀直接測(cè)出，也可以通過如圖1.24所示的實(shí)驗(yàn)電路測(cè)試?yán)L制出來。

圖1.24晶體管特性曲線測(cè)試電路1.輸入特性曲線輸入特性曲線是指當(dāng)晶體管的集電極-發(fā)射極電壓UCE為常數(shù)時(shí)，輸入回路中基極電流IB與發(fā)射結(jié)電壓UBE之間的關(guān)系曲線。其函數(shù)關(guān)系式為

IB=f(UBE)UCE=常數(shù)（1-8）圖1.25所示為實(shí)測(cè)的輸入特性曲線。由圖可見，晶體管的輸入特性曲線與二極管的正向特性曲線相似。和二極管一樣，晶體管輸入特性也有開啟電壓，硅管的開啟電壓約為0.5V，鍺管約為0.2V。晶體管導(dǎo)通時(shí),NPN型硅管的發(fā)射結(jié)電壓UBE=0.6~0.7V，PNP型鍺管的UBE=-0.2~-0.3V。

圖1.25晶體管輸入特性曲線從理論上說，對(duì)應(yīng)于不同的UCE值，可做出一簇IB-UBE關(guān)系曲線，但實(shí)際上，當(dāng)UCE≥1V以后，集電結(jié)已反向偏置，并且內(nèi)電場(chǎng)已足夠強(qiáng)，而基區(qū)又很薄，可以把從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)的電子中的絕大部分拉入集電區(qū)。此時(shí)，只要UBE保持不變，即使UCE增加，IB也不會(huì)再有明顯的減小。也就是說，UCE＞1V以后的輸入特性曲線基本上是重合的。所以，通常在器件手冊(cè)中只給出UCE≥1V的一條輸入特性曲線。

2.輸出特性曲線輸出特性曲線是指當(dāng)晶體管的基極電流IB為常數(shù)時(shí)，輸出回路中集電極電流IC與集電極-發(fā)射極電壓UCE之間的關(guān)系曲線。其函數(shù)關(guān)系式為

IC=f(UCE)IB=常數(shù)（1-9）固定一個(gè)IB值對(duì)應(yīng)一條輸出特性曲線，改變IB值可得到一簇輸出特性曲線，如圖1.26所示。圖1.26晶體管輸出特性曲線在輸出特性曲線上可劃分三個(gè)區(qū)域：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。1.3.4晶體管的主要參數(shù)共射電流放大系數(shù)β和β

極間反向電流ICBO和ICEO

集電極最大允許電流ICM

集-射極反向擊穿電壓U(BR)CEO

集電極最大允許耗散功率PCM1.4場(chǎng)效應(yīng)晶體管1.4.1場(chǎng)效應(yīng)晶體管的主要特點(diǎn)與分類

場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FieldEffectTransistor，F(xiàn)ET）是另一種常用的半導(dǎo)體器件，其外形與雙極型晶體管相似，但兩者的控制特性卻有很大的不同。場(chǎng)效應(yīng)晶體管是電壓控制器件，它是利用輸入回路的電場(chǎng)效應(yīng)來控制輸出回路電流的一種半導(dǎo)體器件，它的輸出電流決定于輸入電壓的高低，基本上不需要信號(hào)源提供電流，因此它的輸入電阻很高，可高達(dá)109~1014Ω。與雙極型晶體管相比，場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)、耗電少、制造工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。場(chǎng)效應(yīng)晶體管按其結(jié)構(gòu)可分為結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（JFET）和絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（InsulatedGateFET,IGFET）兩大類。絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)晶體管也稱金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Metal-Oxide-SemiconductorFET，MOSFET），簡(jiǎn)稱MOS管。1.4.2絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)晶