1、高职高专高职高专“十一五十一五”规划教材规划教材机电类机电类 电电 子子 技技 术术主主 编李加升编李加升 内内 容容 简简 介介 本书为高职高专本书为高职高专“十一五十一五”规划教材，是编者在多年教规划教材，是编者在多年教学改革与实际的基础上，根据教育部最新制定的学改革与实际的基础上，根据教育部最新制定的高职高专高职高专教育电子技术基础课程教学基本要求教育电子技术基础课程教学基本要求，在，在“必需、够用必需、够用”的前提下编写而成的。的前提下编写而成的。书中内容包括常用半导体器件、基本放大电路、负反馈与书中内容包括常用半导体器件、基本放大电路、负反馈与集成运算放大电路、正弦波振荡器、数字电路
2、基础、组合逻集成运算放大电路、正弦波振荡器、数字电路基础、组合逻辑电路、时序逻辑电路、数辑电路、时序逻辑电路、数/模与模模与模/数转换、电力电子技术等。数转换、电力电子技术等。该书内容新，覆盖面宽，淡化理论，注重应用，各章均有该书内容新，覆盖面宽，淡化理论，注重应用，各章均有习题和技能训练。习题和技能训练。本书可作为高等职业院校、高等专科学校、成人高校、民本书可作为高等职业院校、高等专科学校、成人高校、民办高校的电气、电子信息、自动化、机电一体化、计算机等办高校的电气、电子信息、自动化、机电一体化、计算机等专业的教材，也可供从事电子技术工作的工程人员、中职学专业的教材，也可供从事电子技术工作的
3、工程人员、中职学校相关专业的教师参考校相关专业的教师参考。第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 1.1 半导体基本知识半导体基本知识 1.2 半导体二极管半导体二极管 1.3 特殊二极管特殊二极管 1.4 半导体三极管半导体三极管 1.5 场场 效效 应应 管管1.6 实训实训 常用电子仪器的使用常用电子仪器的使用1.1 半导体基本知识半导体基本知识 1.1.1 半导体的特点半导体的特点 根据物体导电能力根据物体导电能力(电阻率电阻率)的不同，自然界的物质可划分为的不同，自然界的物质可划分为导体、绝缘体和半导体。导体、绝缘体和半导体。导体是容易导电的物体，如铁、导体是容易导电的物体，如铁、
4、铜等。绝缘体是几乎不导电的物体，如橡胶等。半导体是铜等。绝缘体是几乎不导电的物体，如橡胶等。半导体是导电性能介于导体和半导体之间的物体，在一定条件下可导电性能介于导体和半导体之间的物体，在一定条件下可导电，半导体的电阻率为导电，半导体的电阻率为 典型的半导体有硅典型的半导体有硅Si和锗和锗Ge以及砷化镓以及砷化镓GaAs等。半导体等。半导体有如下一些特点：有如下一些特点：(1)在外界能源的作用下，导电性能显著变化。半导体的在外界能源的作用下，导电性能显著变化。半导体的电阻率随温度的上升而明显下降，呈负温度系数的作用。电阻率随温度的上升而明显下降，呈负温度系数的作用。半导体的电阻率也随光照的不同
5、而改变。光敏元件、热敏半导体的电阻率也随光照的不同而改变。光敏元件、热敏元件属于此类。元件属于此类。(2)在纯净半导体内掺入杂质，导电性能显著增加。半导在纯净半导体内掺入杂质，导电性能显著增加。半导体的电阻率与所含微量杂质的浓度成正比例关系。二极管、体的电阻率与所含微量杂质的浓度成正比例关系。二极管、三极管属于此类。三极管属于此类。cm101093下一页返回1.1 半导体基本知识半导体基本知识1.本征半导体本征半导体 纯净晶体结构的半导体称之为本征半导体。常用的半导体材纯净晶体结构的半导体称之为本征半导体。常用的半导体材料有硅和锗。它们都是四价元素，原子结构的最外层轨道上料有硅和锗。它们都是四
6、价元素，原子结构的最外层轨道上有四个价电子，本征晶体中各原子之间靠得很近，使原分属有四个价电子，本征晶体中各原子之间靠得很近，使原分属于各原子的四个价电子同时受到相邻原子的吸引，分别与周于各原子的四个价电子同时受到相邻原子的吸引，分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。围的四个原子的价电子形成共价键。如如图图1-1所示。当把硅或所示。当把硅或锗制成晶体时，它们是靠共价键的作用而紧密联系在一起。锗制成晶体时，它们是靠共价键的作用而紧密联系在一起。共价键中的一些价电子由于热运动获得一些能量，从而摆脱共价键中的一些价电子由于热运动获得一些能量，从而摆脱共价键的约束成为自由电子，同时在共价键上留下空位
7、，我共价键的约束成为自由电子，同时在共价键上留下空位，我们称这些空位为空穴，它带正电。在外电场作用下，自由电们称这些空位为空穴，它带正电。在外电场作用下，自由电子产生定向移动，形成电子电流；同时价电子也按一定的方子产生定向移动，形成电子电流；同时价电子也按一定的方向一次填补空穴，从而使空穴产生定向移动，形成空穴电流。向一次填补空穴，从而使空穴产生定向移动，形成空穴电流。因此，在晶体中存在两种载流子，即带负电自由电子和带正因此，在晶体中存在两种载流子，即带负电自由电子和带正电空穴，它们是成对出现的。如电空穴，它们是成对出现的。如图图1-2所示。所示。下一页上一页返回1.1 半导体基本知识半导体基
8、本知识2.杂质半导体杂质半导体在本征半导体中两种载流子的浓度很低，因此导电性很差。在本征半导体中两种载流子的浓度很低，因此导电性很差。我们向晶体中有控制的掺入特定的杂质来改变它的导电性，我们向晶体中有控制的掺入特定的杂质来改变它的导电性，掺入的杂质主要是三价或五价元素。这种掺入杂质的半导体掺入的杂质主要是三价或五价元素。这种掺入杂质的半导体被称为杂质半导体。杂质半导体主要包括被称为杂质半导体。杂质半导体主要包括N型半导体和型半导体和P型半型半导体。任何半导体都是电中性，对外部不显电性。导体。任何半导体都是电中性，对外部不显电性。1)N型半导体型半导体在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷等元素
9、，可形成在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷等元素，可形成 N型半导体，也称电子型半导体。在本征半导体中，掺入型半导体，也称电子型半导体。在本征半导体中，掺入5价价元素，使晶体中某些原子被杂质原子所代替，因为杂质原子元素，使晶体中某些原子被杂质原子所代替，因为杂质原子最外层有最外层有5个价电子，它与周围原子形成个价电子，它与周围原子形成4个共价键后，还多个共价键后，还多余一个自由电子，因此使其中的空穴的浓度远小于自由电子余一个自由电子，因此使其中的空穴的浓度远小于自由电子的浓度。但是，电子的浓度与空穴的浓度的乘积是一个常数，的浓度。但是，电子的浓度与空穴的浓度的乘积是一个常数，与掺杂浓度无关
10、。在与掺杂浓度无关。在N型半导体中自由电子是多数载流子，型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。空穴是少数载流子。下一页上一页返回1.1 半导体基本知识半导体基本知识2)P型半导体型半导体在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等元素形在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等元素形成了成了P型半导体，也称为空穴型半导体。在本征半导体中，型半导体，也称为空穴型半导体。在本征半导体中，掺入掺入3价元素，晶体中的某些原子被杂质原子代替，但是杂质价元素，晶体中的某些原子被杂质原子代替，但是杂质原子的最外层只有原子的最外层只有3个价电子，它与周围的原子形成共价键后，个价电子，它与周围
11、的原子形成共价键后，还多余一个空穴，因此使其中的空穴浓度远大于自由电子的还多余一个空穴，因此使其中的空穴浓度远大于自由电子的浓度。在浓度。在P型半导体中，自由电子是少数载流子，空穴是多型半导体中，自由电子是少数载流子，空穴是多数载流子。数载流子。1.1.1 PN结结通过现代工艺，把一块本征半导体的一边形成通过现代工艺，把一块本征半导体的一边形成P型半导体，型半导体，另一边形成另一边形成N型半导体，于是这两种半导体的交界处就形成型半导体，于是这两种半导体的交界处就形成了一个了一个PN结，它是构成其他半导体的基础。结，它是构成其他半导体的基础。下一页上一页返回1.1 半导体基本知识半导体基本知识1
12、.PN结的形成结的形成当当P型半导体和型半导体和N型半导体接触后，由于两侧的半导体的类型型半导体接触后，由于两侧的半导体的类型不同，电子和空穴的浓度相差很大，因此它们会产生扩散运不同，电子和空穴的浓度相差很大，因此它们会产生扩散运动：电子从动：电子从N区向区向P区扩散；空穴从区扩散；空穴从P去向去向N区扩散。因为它区扩散。因为它们都是带电粒子，它们向另一侧扩散的同时在们都是带电粒子，它们向另一侧扩散的同时在N区留下了带区留下了带正电的空穴，在正电的空穴，在P区留下了带负电的杂质离子，这样就形成区留下了带负电的杂质离子，这样就形成了空间电荷区，也就是形成了电场。通常这个空间电荷区称了空间电荷区，
13、也就是形成了电场。通常这个空间电荷区称为为PN结。它们的形成过程如结。它们的形成过程如图图1-3所示所示在电场的作用下，载流子将作漂移运动，它的运动方向与扩在电场的作用下，载流子将作漂移运动，它的运动方向与扩散运动的方向相反，阻止扩散运动。电场的强弱与扩散的程散运动的方向相反，阻止扩散运动。电场的强弱与扩散的程度有关，扩散的越多，电场越强，同时对扩散运动的阻力也度有关，扩散的越多，电场越强，同时对扩散运动的阻力也越大，当扩散运动与漂移运动相等时，通过界面的载流子为越大，当扩散运动与漂移运动相等时，通过界面的载流子为零。此时，零。此时，PN结的交界区就形成一个缺少载流子的高阻区，结的交界区就形成
14、一个缺少载流子的高阻区，又把它称为阻挡层或耗尽层。又把它称为阻挡层或耗尽层。下一页上一页返回1.1 半导体基本知识半导体基本知识2.PN结的单向导电性结的单向导电性图图1-4 PN结正向导通电路图结正向导通电路图PN结具有单向导电性，这是半导结具有单向导电性，这是半导体二极管的一个重要特性，但其只有在外加电压时才显示出体二极管的一个重要特性，但其只有在外加电压时才显示出来。我们在来。我们在PN结两端加不同方向的电压，可以破坏它原来的结两端加不同方向的电压，可以破坏它原来的平衡，从而使它呈现出单向导电性。平衡，从而使它呈现出单向导电性。1)PN结外加正向电压结外加正向电压PN结外加正向电压的接法
15、是结外加正向电压的接法是P区接电源的正极，区接电源的正极，N区接电源的区接电源的负极。这时外加电压形成电场的方向与自建场的方向相反，负极。这时外加电压形成电场的方向与自建场的方向相反，从而使阻挡层变窄，扩散作用大于漂移作用，多数载流子向从而使阻挡层变窄，扩散作用大于漂移作用，多数载流子向对方区域扩散形成正向电流，方向是从对方区域扩散形成正向电流，方向是从P区指向区指向N区。如区。如图图1-4所示所示这时的这时的PN结处于导通状态，它所呈现的电阻为正向电阻，正结处于导通状态，它所呈现的电阻为正向电阻，正向电压越大，电流也越大。它们的关系是指数关系向电压越大，电流也越大。它们的关系是指数关系下一页
16、上一页返回1.1 半导体基本知识半导体基本知识式中式中 ID流过流过PN结的电流；结的电流；UPN结两端的电压；结两端的电压；UT温度电压当量；温度电压当量；式中式中 k玻尔兹曼常数；玻尔兹曼常数；T绝对温度，在室温下绝对温度，在室温下(300K)时时UT=26m V；q电子电量；电子电量；IS反向饱和电流。反向饱和电流。qKTUT1TUUSDeII下一页上一页返回1.1 半导体基本知识半导体基本知识2)PN结外加反向电压结外加反向电压它的接法与正向相反，即它的接法与正向相反，即P区接电源的负极，区接电源的负极，N区接电源的区接电源的正极。此时的外加电压形成电场的方向与自建场的方向相正极。此时
17、的外加电压形成电场的方向与自建场的方向相同，从而使阻挡层变宽，漂移作用大于扩散作用，少数载同，从而使阻挡层变宽，漂移作用大于扩散作用，少数载流子在电场的作用下，形成漂移电流，它的方向与正向电流子在电场的作用下，形成漂移电流，它的方向与正向电压的方向相反，所以又称为反向电流。因反向电流是少数压的方向相反，所以又称为反向电流。因反向电流是少数载流子形成，故反向电流很小，即使反向电压再增加，少载流子形成，故反向电流很小，即使反向电压再增加，少数载流子也不会增加，反向电压也不会增加，因此它又被数载流子也不会增加，反向电压也不会增加，因此它又被称为反向饱和电流，即称为反向饱和电流，即ID=-IS此时，此
18、时，PN结处于截止状态，结处于截止状态，呈现的电阻为反向电阻，而且阻值很高。呈现的电阻为反向电阻，而且阻值很高。由以上可以看出：由以上可以看出：PN结在正向电压作用下，处于导通状态，结在正向电压作用下，处于导通状态，在反向电压的作用下，处于截止状态，因此在反向电压的作用下，处于截止状态，因此PN结具有单向结具有单向导电性。它的电流和电压的关系通式为导电性。它的电流和电压的关系通式为 1TUUSDeII下一页上一页返回1.1 半导体基本知识半导体基本知识它被称为它被称为PN结的伏安特性方程，如结的伏安特性方程，如图图1-5所示为所示为PN结的伏安结的伏安特性曲线。特性曲线。3.PN结的击穿结的击
19、穿PN结处于反向偏置时，在一定的电压范围内，流过结处于反向偏置时，在一定的电压范围内，流过PN结的结的电流很小，但电压超过某一数值时，反向电流急剧增加，这电流很小，但电压超过某一数值时，反向电流急剧增加，这种现象我们就称为反向击穿。击穿形式分为两种：雪崩击穿种现象我们就称为反向击穿。击穿形式分为两种：雪崩击穿和齐纳击穿。对于硅材料的和齐纳击穿。对于硅材料的PN结来说，击穿电压大于结来说，击穿电压大于7 V时时为雪崩击穿，击穿电压小于为雪崩击穿，击穿电压小于4 V时为齐纳击穿。在时为齐纳击穿。在4 V与与7 V之之间，两种击穿都有。这种现象破坏了间，两种击穿都有。这种现象破坏了PN结的单向导电性
20、，在结的单向导电性，在使用时要避免。击穿并不意味着使用时要避免。击穿并不意味着PN结烧坏。特别是齐纳击穿。结烧坏。特别是齐纳击穿。下一页上一页返回1.1 半导体基本知识半导体基本知识4.PN结的电容效应结的电容效应由于电压的变化将引起电荷的变化，从而出现电容效应，由于电压的变化将引起电荷的变化，从而出现电容效应，PN结内部有电荷的变化，因此它具有电容效应，它的电容效应结内部有电荷的变化，因此它具有电容效应，它的电容效应有两种：势垒电容和扩散电容。势垒电容是由阻挡层内的空有两种：势垒电容和扩散电容。势垒电容是由阻挡层内的空间电荷引起的。扩散电容是间电荷引起的。扩散电容是PN结在正向电压的作用下，
21、多数结在正向电压的作用下，多数载流子在扩散过程中引起电荷的积累而产生的。载流子在扩散过程中引起电荷的积累而产生的。PN结正偏时，结正偏时，扩散电容起主要作用，扩散电容起主要作用，PN结反偏时，势垒电容起主要作用。结反偏时，势垒电容起主要作用。上一页返回1.2 半导体二极管半导体二极管1.2.1 半导体二极管的结构类型半导体二极管的结构类型半导体二极管又称晶体二极管，简称二极管。半导体二极管半导体二极管又称晶体二极管，简称二极管。半导体二极管是由是由PN结加上引线和管壳构成的。它的类型很多。按制造材结加上引线和管壳构成的。它的类型很多。按制造材料分硅二极管和锗二极管，按管子的结构来分有点接触型、
22、料分硅二极管和锗二极管，按管子的结构来分有点接触型、面接触型和平面型三大类。常用二极管的逻辑逻辑符号和外面接触型和平面型三大类。常用二极管的逻辑逻辑符号和外形结构如形结构如图图1-6所示，其具体结构如下。所示，其具体结构如下。点接触型二极管的点接触型二极管的PN结面积小，结电容小，用于检波和变频结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。面接触型二极管的等高频电路。面接触型二极管的PN结面积大，用于工频大电结面积大，用于工频大电流整流电路。平面型二极管往往用于集成电路制造工艺中。流整流电路。平面型二极管往往用于集成电路制造工艺中。PN 结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。结面积可大可小
23、，用于高频整流和开关电路中。下一页返回1.2 半导体二极管半导体二极管1.2.2 半导体二极管的特性及参数半导体二极管的特性及参数1.二极管的特性二极管的特性半导体二极管的伏安特性曲线如半导体二极管的伏安特性曲线如图图1-7所示。处于第一象限的所示。处于第一象限的是正向伏安特性曲线，处于第三象限的是反向伏安特性曲线。是正向伏安特性曲线，处于第三象限的是反向伏安特性曲线。根据理论推导，二极管的伏安特性可从以下个方面分析。根据理论推导，二极管的伏安特性可从以下个方面分析。从二极管的伏安特性曲线可知，当二极管两端加较小的正向从二极管的伏安特性曲线可知，当二极管两端加较小的正向电压时，二极管还不能导通
24、，这一段称为死区电压电压时，二极管还不能导通，这一段称为死区电压(硅管死区硅管死区电压小于电压小于0.5 V，锗管死区电压小于，锗管死区电压小于0.1 V)。超过死区电压后，。超过死区电压后，二极管中电流开始增大，继续增加电压直至只要电压略有增二极管中电流开始增大，继续增加电压直至只要电压略有增加，电流便急剧增大加，电流便急剧增大(点，这时二极管称为导通。这个电压被点，这时二极管称为导通。这个电压被称为导通电压，我们又称它为门限电压或死区电压，一般用称为导通电压，我们又称它为门限电压或死区电压，一般用UON表示，在室温下，硅管的表示，在室温下，硅管的UON约为约为0.6-0.8 V，锗管的，锗
25、管的UON约为约为0.1-0.3 V，一般硅管的导通电压取，一般硅管的导通电压取0.7 V，锗管的取，锗管的取0.3 V。我们一般认为当正向电压大于我们一般认为当正向电压大于UON时，二极管才导通。否则时，二极管才导通。否则截止。导通时二极管在电路中相当于一个开关的接通状态。截止。导通时二极管在电路中相当于一个开关的接通状态。以上为二极管伏安特性曲线中正向特性的特点。以上为二极管伏安特性曲线中正向特性的特点。下一页上一页返回1.2 半导体二极管半导体二极管当二极管两端加反向电压当二极管两端加反向电压(小于某一数值小于某一数值)时，二极管并不是时，二极管并不是理想的截止状态，它会有很小的反向电流
26、，而且反向电流在理想的截止状态，它会有很小的反向电流，而且反向电流在一定范围内基本不随反向电压变化而变化，称为反向饱和电一定范围内基本不随反向电压变化而变化，称为反向饱和电流。一般硅管约为几到几十微安，锗管约为几十到几百微安，流。一般硅管约为几到几十微安，锗管约为几十到几百微安，此时二极管在电路中相当于一个开关的断开状态。由于半导此时二极管在电路中相当于一个开关的断开状态。由于半导体具有热敏特性，因此反向饱和电流将随温度升高而增大。体具有热敏特性，因此反向饱和电流将随温度升高而增大。通常温度每升高通常温度每升高10，其反向饱和电流约增大一倍。当反向，其反向饱和电流约增大一倍。当反向电压增大至某
27、一数值后，反向电流开始急剧增大，二极管将电压增大至某一数值后，反向电流开始急剧增大，二极管将被击穿，有可能把普通的二极管烧坏。以上为二极管伏安特被击穿，有可能把普通的二极管烧坏。以上为二极管伏安特性曲线中的反向特性的特点。性曲线中的反向特性的特点。二极管对温度很敏感，在室温附近，温度每升高二极管对温度很敏感，在室温附近，温度每升高1，正向压，正向压将减小将减小22.5 mV，温度每升高，温度每升高10，反向电流约增加一倍。，反向电流约增加一倍。下一页上一页返回1.2 半导体二极管半导体二极管2.二极管的主要参数二极管的主要参数(1)最大整流电流最大整流电流IF。它是指二极管长期运行时，允许通过
28、管。它是指二极管长期运行时，允许通过管子的最大正向平均电流，由二极管允许的温升所限定。使用子的最大正向平均电流，由二极管允许的温升所限定。使用时，管子的平均电流不得超过此值。否则能使二极管过热而时，管子的平均电流不得超过此值。否则能使二极管过热而损坏。工作电流较大的大功率管子必须按规定安装散热装置。损坏。工作电流较大的大功率管子必须按规定安装散热装置。(2)最大反向工作电压最大反向工作电压UR。它是二极管允许的最大反向工作。它是二极管允许的最大反向工作电压，工作时加在二极管两端的反向电压不得超过此值，否电压，工作时加在二极管两端的反向电压不得超过此值，否则二极管可能被击穿。为了留有余地，一般取
29、击穿电压的则二极管可能被击穿。为了留有余地，一般取击穿电压的1/2-1/3作作UR。(3)二极管的直流电阻二极管的直流电阻RD。加在管子两端的直流电压与直流。加在管子两端的直流电压与直流电流之比，就称为直流电阻，它可表示为电流之比，就称为直流电阻，它可表示为 。它是。它是非线性的，正反向阻值相差越大，二极管的性能越好。非线性的，正反向阻值相差越大，二极管的性能越好。(4)二极管的交流电阻二极管的交流电阻rd。这是指在二极管工作点附近电压的。这是指在二极管工作点附近电压的微变化与相应的电流微变化值之比，就称为该点的交流电阻。微变化与相应的电流微变化值之比，就称为该点的交流电阻。FFDIUR 下一
30、页上一页返回1.2 半导体二极管半导体二极管(5)最大反向电流。最大反向电流是指在室温条件下，在二极最大反向电流。最大反向电流是指在室温条件下，在二极管两端加上规定的最大反向电压时，流过管子的反向电流。管两端加上规定的最大反向电压时，流过管子的反向电流。通常希望值愈小愈好。反向电流愈小，说明二极管的单向导通常希望值愈小愈好。反向电流愈小，说明二极管的单向导电性愈好。此外，由于反向电流是由少数载流子形成的。所电性愈好。此外，由于反向电流是由少数载流子形成的。所以，受温度的影响很大。以，受温度的影响很大。(6)最高工作频率最高工作频率值主要决定于结电容的大小。最高工作频率最高工作频率值主要决定于结
31、电容的大小。结电容愈大，则二极管允许的最高工作频率愈低。结电容愈大，则二极管允许的最高工作频率愈低。1.2.3 普通二极管的应用普通二极管的应用 运用二极管主要是利用它的单向导电性。导通时，可用短路运用二极管主要是利用它的单向导电性。导通时，可用短路来代替它，截止时，可认为它断路。普通二极管主要用于整来代替它，截止时，可认为它断路。普通二极管主要用于整流、检波、钳位、限幅、开关及元件保护等工作。流、检波、钳位、限幅、开关及元件保护等工作。下一页上一页返回1.2 半导体二极管半导体二极管1.限幅电路限幅电路当输入信号电压在一定范围内变化时，输出电压也随着输入当输入信号电压在一定范围内变化时，输出
32、电压也随着输入电压相应的变化；当输入电压高于某一个数值时，输出电压电压相应的变化；当输入电压高于某一个数值时，输出电压保持不变，这就是限幅电路。把开始不变的电压称为限幅电保持不变，这就是限幅电路。把开始不变的电压称为限幅电平。它分为上限幅和下限幅。平。它分为上限幅和下限幅。【例例1.1】试分析试分析图图1-8(a)所示的限幅电路，输入电压的波形所示的限幅电路，输入电压的波形为图为图1-8(b)，画出它的限幅电路的波形。，画出它的限幅电路的波形。解：解：(1)E=0时限幅电平为时限幅电平为0 V。ui0时二极管导通，时二极管导通，uo=0，ui0时，二极管截止，时，二极管截止，uo=ui，它的波
33、形图如，它的波形图如图图1-9所示。所示。(2)当当0EUM时，限幅电平为时，限幅电平为+E。ui+E时，二极管导通，时，二极管导通，uo=E，它的波形图如，它的波形图如图图1-10所所示。示。下一页上一页返回1.2 半导体二极管半导体二极管3)当当-UME1V时这两个时这两个PN结的输入特性基本重合。我们用结的输入特性基本重合。我们用UCE=0和和UCE=2V，两条，两条曲线表示，如曲线表示，如图图1-19(a)所示。所示。2.输出特性输出特性三极管共发射极接法时的输出特性方程为三极管共发射极接法时的输出特性方程为 它的输出特性可分为三个区它的输出特性可分为三个区(如如图图1-19(b)所示
34、的输出特性曲所示的输出特性曲线线)。常数CEUBEBUfI常数BICECUfI下一页上一页返回1.4 半导体三极管半导体三极管1)截止区截止区IB0时，此时的集电极电流近似为零，管子的集电极电压等时，此时的集电极电流近似为零，管子的集电极电压等于电源电压，两个结均反偏，一般将满足于电源电压，两个结均反偏，一般将满足IB0时的区域称为时的区域称为截止区。此时截止区。此时IB近似为零，由于管子的各极电流都基本上等近似为零，由于管子的各极电流都基本上等于零。所以三极管处于截止状态，没有放大作用。其实此时，于零。所以三极管处于截止状态，没有放大作用。其实此时，集电极回路的电流并不真正为零，而是有一个较
35、小的穿透电集电极回路的电流并不真正为零，而是有一个较小的穿透电流。一般硅三极管的穿透电流较小，所以在输出特性曲线上流。一般硅三极管的穿透电流较小，所以在输出特性曲线上无法表示出来。锗三极管的穿透电流较大，约为几十微安到无法表示出来。锗三极管的穿透电流较大，约为几十微安到几百微安，可以认为当发射结反向偏置时，发射区不再向基几百微安，可以认为当发射结反向偏置时，发射区不再向基区注入电子，则三极管处于截止状态。所以，在截止区，三区注入电子，则三极管处于截止状态。所以，在截止区，三极管的发射结和集电结都处于反向偏置状态。极管的发射结和集电结都处于反向偏置状态。对于对于NPN三极管来说，此时三极管来说，
36、此时UBE0，UBC0，UBC0。3)放大区放大区此时此时IC=IB，IC基本不随基本不随UCE变化而变化，此时发射结正偏，变化而变化，此时发射结正偏，集电结反偏。集电结反偏。下一页上一页返回1.4 半导体三极管半导体三极管在放大区内各条输出特性曲线比较平坦，近似为水平的直线，在放大区内各条输出特性曲线比较平坦，近似为水平的直线，表示当表示当IB一定时，一定时，IC的值基本上不随的值基本上不随UCE而变化，同时也说明而变化，同时也说明在放大区的在放大区的IC值基本上与集电极电压值基本上与集电极电压UCE无关。而当基极电流无关。而当基极电流有一个微小的变化量有一个微小的变化量 时，相应地集电极电
37、流将产生较大的时，相应地集电极电流将产生较大的变化量变化量 ，比，比 放大放大 倍，即倍，即 =。对于。对于NPN三极管来说，三极管来说，此时此时UBE0，UBC0。以上介绍了三极管的输入特性和输出特性，管子的特性曲线以上介绍了三极管的输入特性和输出特性，管子的特性曲线和参数是根据需要选用三极管的主要依据，各种型号三极管和参数是根据需要选用三极管的主要依据，各种型号三极管的特性曲线可从半导体器件手册查得，如欲测试某个三极管的特性曲线可从半导体器件手册查得，如欲测试某个三极管的特性曲线除了逐点测试以外，还可利用专用的晶体管特性的特性曲线除了逐点测试以外，还可利用专用的晶体管特性图示仪，它能够在荧
38、光屏上完整地显示三极管的特性曲线族。图示仪，它能够在荧光屏上完整地显示三极管的特性曲线族。BICIBICIBI下一页上一页返回1.4 半导体三极管半导体三极管1.4.4 三极管的主要参数三极管的主要参数1.放大系数放大系数放大系数有两种放大系数有两种(直流和交流直流和交流)，但一般认为，它们二者是相，但一般认为，它们二者是相等的，不必区分它们。等的，不必区分它们。1)共射电流放大系数共射电流放大系数体现共射接法时三极管的电流放大作用，定义为集电极电体现共射接法时三极管的电流放大作用，定义为集电极电流与基极电流的变化量之比，即流与基极电流的变化量之比，即 2)共基电流放大系数共基电流放大系数体现
39、共基接法时三极管的电流放大作用，体现共基接法时三极管的电流放大作用，的定义是集电极的定义是集电极电流与发射极电流的变化量之比，即电流与发射极电流的变化量之比，即 共基电流放大系数和共射电流放大系数共基电流放大系数和共射电流放大系数的关系是的关系是 BCIIECII1,1下一页上一页返回1.4 半导体三极管半导体三极管2.极间的反向电流极间的反向电流极间的反向电流是由少数载流子形成的，一般较小。极间的反向电流是由少数载流子形成的，一般较小。(1)集电极集电极-基极的反向饱和电流基极的反向饱和电流ICBO。ICBO表示当发射极开路表示当发射极开路时，集电极和基极之间的反向电流。时，集电极和基极之间
40、的反向电流。(2)穿透电流穿透电流ICEO。它与。它与ICBO关系为关系为ICBO=(1+)ICBO。穿透电流。穿透电流表示当基极开路时，集电极和发射极之间的电流。表示当基极开路时，集电极和发射极之间的电流。3.极限参数极限参数三极管的极限参数是指使用时不得超过的限度，以保证三极三极管的极限参数是指使用时不得超过的限度，以保证三极管的安全或保证三极管参数的变化不超过规定的允许值。主管的安全或保证三极管参数的变化不超过规定的允许值。主要有以下几项要有以下几项1)集电极最大允许电流集电极最大允许电流ICM当集电极电流过大时，三极管的当集电极电流过大时，三极管的值就要明显减小，此时对应值就要明显减小
41、，此时对应的值就是集电极最大允许电流。当的值就是集电极最大允许电流。当IC=ICM时，管子的时，管子的值下降值下降到额定值的到额定值的2/3。下一页上一页返回1.4 半导体三极管半导体三极管2)集电极集电极-发射极反向击穿电压发射极反向击穿电压U(BR)CEO工作时，工作时，VCE应小于此值，以免击穿。另外温度升高将使应小于此值，以免击穿。另外温度升高将使U(BR)CEO降低，因此应留有一定余量。降低，因此应留有一定余量。3)集电极最大允许耗散功率集电极最大允许耗散功率PCM当三极管工作时，管子两端的压降为当三极管工作时，管子两端的压降为 UCE集电极流过的电流集电极流过的电流为为IC。因此损
42、耗的功率为。因此损耗的功率为PC=ICUCE，集电极消耗的电能将转，集电极消耗的电能将转化为热能使管子的温度升高，如果温度过高，将使三极管的化为热能使管子的温度升高，如果温度过高，将使三极管的性能恶化甚至被损坏，所以集电极损耗有一定的限制。性能恶化甚至被损坏，所以集电极损耗有一定的限制。另外由于半导体的载流子受温度影响，因此三极管的参数受另外由于半导体的载流子受温度影响，因此三极管的参数受温度影响，温度上升，输入特性曲线向左移，基极的电流不温度影响，温度上升，输入特性曲线向左移，基极的电流不变，基极与发射极之间的电压降低。输出特性曲线上移。温变，基极与发射极之间的电压降低。输出特性曲线上移。温
43、度升高，放大系数也增加。晶体三极管和晶体二极管一样，度升高，放大系数也增加。晶体三极管和晶体二极管一样，管内多数载流子和少数载流子均参与导电，而少数载流子的管内多数载流子和少数载流子均参与导电，而少数载流子的浓度与工作温度有着密切的联系。所以，它们的特性在多方浓度与工作温度有着密切的联系。所以，它们的特性在多方面受温度的影响。面受温度的影响。下一页上一页返回1.4 半导体三极管半导体三极管1.4.5 三极管工作状态判定三极管工作状态判定通常判定三极管处于何种工作状态可用下述三种方法。通常判定三极管处于何种工作状态可用下述三种方法。1.三极管结偏置的判定法三极管结偏置的判定法三极管发射结、集电结
44、的偏置和管子工作状态的关系见三极管发射结、集电结的偏置和管子工作状态的关系见表表1-2。2.三极管电流关系判定法三极管电流关系判定法三极管中电流和工作状态的关系见三极管中电流和工作状态的关系见表表1-3，表中的参量称为三，表中的参量称为三极管临界饱和时基极应注入的电流大小。极管临界饱和时基极应注入的电流大小。3.三极管电位判定法三极管电位判定法共射电路三极管基极电位、集电极电位和三极管工作状态的共射电路三极管基极电位、集电极电位和三极管工作状态的关系，见关系，见表表1-4。在三种判定方法中，第三种常用于实验测定，。在三种判定方法中，第三种常用于实验测定，而第二种则常用于解题过程中。而第二种则常
45、用于解题过程中。上一页返回1.5 场场 效效 应应 管管 场效应管是通过改变输入电压来控制输出电流的电压控制器场效应管是通过改变输入电压来控制输出电流的电压控制器件，它不吸收信号源电流，不消耗信号源功率，因此它的输件，它不吸收信号源电流，不消耗信号源功率，因此它的输入电阻很高，还具有温度特性好、抗干扰能力强、便于集成入电阻很高，还具有温度特性好、抗干扰能力强、便于集成等优点。场效应管是一种利用电场效应来控制电流的半导体等优点。场效应管是一种利用电场效应来控制电流的半导体器件，是仅由一种载流子参与导电的半导体器件，又被称为器件，是仅由一种载流子参与导电的半导体器件，又被称为单极型三极管。场效应管
46、分为结型和单极型三极管。场效应管分为结型和MOS型两种，结型包括型两种，结型包括N沟道和沟道和P沟道，沟道，MOS型也包括型也包括N沟道和沟道和P沟道两种，它们又沟道两种，它们又分别包含了增强型和耗尽型。我们要了解场效应管的分类、分别包含了增强型和耗尽型。我们要了解场效应管的分类、场效应管的工作特点及特性曲线。场效应管的工作特点及特性曲线。1.5.1 结型场效应管结型场效应管1.N沟道结型场效应管的结构沟道结型场效应管的结构下一页返回1.5 场场 效效 应应 管管结型场效应管是一种利用耗尽层宽度改变导电沟道的宽窄来结型场效应管是一种利用耗尽层宽度改变导电沟道的宽窄来控制漏极电流的大小的器件。如
47、控制漏极电流的大小的器件。如图图1-20所示，它是在所示，它是在N型半导型半导体硅片的两侧各制造一个体硅片的两侧各制造一个PN结，形成两个结，形成两个PN结夹着一个结夹着一个N型型沟道的结构。沟道的结构。P区即为栅极区即为栅极g(G)，N型硅的一端是漏极型硅的一端是漏极d(D)，另一端是源极另一端是源极s(S)。箭头方向表示栅结正偏或正偏时栅极电。箭头方向表示栅结正偏或正偏时栅极电流方向。流方向。2.结型场效应管的工作原理结型场效应管的工作原理下面以下面以N沟道结型场效应管为例说明结型场效应管的工作原沟道结型场效应管为例说明结型场效应管的工作原理。在理。在D、S间加上正相电压间加上正相电压UD
48、S，则源极和漏极之间形成电，则源极和漏极之间形成电流流ID，我们通过改变栅极和源极的反相电压，我们通过改变栅极和源极的反相电压UGS，就可以改变，就可以改变两个两个PN结阻挡层的结阻挡层的(耗尽层耗尽层)的宽度，这样就改变了沟道电阻，的宽度，这样就改变了沟道电阻，因此就改变了漏极电流因此就改变了漏极电流ID。栅极和源极加正相电压。栅极和源极加正相电压UGS，两，两个个PN结阻挡层的结阻挡层的(耗尽层耗尽层)的宽度变大，无漏极电流的宽度变大，无漏极电流ID，场效，场效应管截止。应管截止。下一页上一页返回1.5 场场 效效 应应 管管3.结型场效应管的特性曲线结型场效应管的特性曲线下面以下面以N沟
49、道结型场效应管为例，说明结型场效应管的特性沟道结型场效应管为例，说明结型场效应管的特性曲线。曲线。1)输出特性曲线输出特性曲线如如图图1-21(a)所示，根据工作特性把它分为四个区域，即可变所示，根据工作特性把它分为四个区域，即可变电阻区、放大区、击穿区和截止区。电阻区、放大区、击穿区和截止区。2)转移特性曲线转移特性曲线转移特性关系方程为转移特性关系方程为 根据这个特性关系可得出它的转移特性曲线如根据这个特性关系可得出它的转移特性曲线如图图1-21(b)所所示。它描述了栅、源之间电压对漏极电流的控制作用。从图示。它描述了栅、源之间电压对漏极电流的控制作用。从图中可以看出，当中可以看出，当UG
50、S=UP时时ID=0。我们称。我们称UP为夹断电压。转为夹断电压。转移特性和输出特性是反映场效应管工作时移特性和输出特性是反映场效应管工作时UGS、UDS、ID之间之间的关系的，它们之间是可以互相转换的。的关系的，它们之间是可以互相转换的。常数GSUGSDUfI下一页上一页返回1.5 场场 效效 应应 管管1.5.2 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管 绝缘栅型场效应管由金属氧化物和半导体制成，所以称为金绝缘栅型场效应管由金属氧化物和半导体制成，所以称为金属氧化物半导体场效应管或简称属氧化物半导体场效应管或简称MOS场效应管。由于这种场场效应管。由于这种场效应管的栅极被绝缘层隔离，因此其输入电阻更高
