電子技術與數字電路（第二版）01 半導體器件

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

硅和鍺的最外層電子既不像導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，所以其導電性介于導體和絕緣體之間，呈現出典型的半導體導電特性。1.本征半導體將硅和鍺這樣的半導體材料經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，稱為單晶體，也稱本征半導體。在本征半導體中，每個原子與相鄰的4個原子結合，每一原子的4個價電子分別為相鄰的4個原子所共有，組成所謂共價鍵結構，如圖1.2所示。

圖1.2共價鍵結構示意圖

共價鍵中的電子不像絕緣體中的價電子被束縛得那樣緊。一些價電子獲得一定能量（如溫度升高或被光照）后，可以克服共價鍵的束縛而成為自由電子，這種現象稱為電子“激發”。此時，本征半導體具有了一定的導電能力，但由于自由電子的數量很少，所以它的導電能力比較微弱。同時，在原來的共價鍵中留下一個空位，這種空位稱為空穴。空穴因失掉一個電子而帶正電。由于正負電的相互吸引作用，空穴附近共價鍵中的價電子會來填補這個空位，于是又會產生新的空穴，又會有相鄰的價電子來填補，如此進行下去就形成了空穴移動，如圖1.3所示

圖1.3空穴和自由電子半導體中存在著兩種運載電荷的粒子，稱為載流子，即帶負電的自由電子和帶正電的空穴。在本征半導體中，自由電子和空穴總是成對產生，成為電子-空穴對，所以兩種載流子濃度是相等的。在室溫條件下，本征半導體中載流子的數目很少，所以導電性能較差。溫度升高時，載流子濃度將按指數規律增加。2.雜質半導體若在本征半導體中摻入少量的雜質元素，就能顯著地改善半導體的導電性能。根據所摻雜質的不同，摻雜后的半導體可分為N（Negative）型半導體和P（Positive）型半導體兩種。（1）N型半導體如果在純凈的硅（或鍺）晶體中摻入少量的5價雜質元素（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原子所代替，就形成了N型半導體。

由于這種雜質原子最外層有5個價電子，其中4個與周圍硅原子形成共價鍵，因此還多出一個電子。這個多出的電子由于不受共價鍵的束縛便成為可以導電的自由電子，而雜質原子成為不可移動的正離子，如圖1.4所示。

圖1.4N型半導體結構在N型半導體中，自由電子的濃度將遠遠高于空穴的濃度，因此自由電子稱為多數載流子（簡稱多子），而其中的空穴稱為少數載流子（簡稱少子）。由于雜質原子可以提供電子，故稱為施主原子。N型半導體主要靠施主原子提供的電子導電，摻入的雜質原子越多，自由電子的濃度也就越高，導電性能就越強。（2）P型半導體如果在純凈的硅（或鍺）晶體中摻入少量的3價雜質元素（如硼B、鋁Al、鎵Ga等），則原來晶格中的某些硅原子的位置將被雜質原子所代替，就形成了P型半導體。由于這種雜質原子最外層有3個價電子，在與周圍4個硅原子形成共價鍵時，就產生了一個空穴，如圖1.5所示。當相鄰硅原子的外層電子由于熱運動填補此空穴時，雜質原子成為不可移動的負離子，同時在硅原子的共價鍵中又產生了一個新的空穴。

圖1.5P型半導體結構在P型半導體中，空穴的濃度將遠遠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。由于雜質原子中形成的空穴可以吸收電子，故稱這樣的雜質原子為受主原子。P型半導體主要靠受主原子提供的空穴導電，摻入的雜質原子越多，空穴的濃度就越高，導電性能就越強。N型半導體和P型半導體雖然各自都有一種多數載流子，但在整個半導體中正、負電荷數是相等的，即從總體上看，仍然保持著電中性。1.1.2PN結及其單向導電特性在一塊本征半導體上，一邊摻入施主雜質，使之成為N型半導體，另一邊摻入受主雜質，使之成為P型半導體，那么在N型和P型半導體的交界面附近，就會形成具有特殊物理性能的PN結。PN結是構成各種半導體器件的基礎。1.PN結的形成在N型半導體和P型半導體的交界處存在著較大的電子和空穴濃度差。N型區中的電子要向P型區擴散，P型區中的空穴要向N型區擴散。如圖1.6所示，靠近交界處的箭頭表示了兩種載流子的擴散方向。

圖1.6多子的擴散運動帶電粒子的擴散不會無限制地進行下去，因為帶電粒子一旦擴散到對方就會發生復合現象，從而使電子和空穴因復合而消失。N型區的電子向P型區擴散，并與P型區的空穴復合，使P型區失去空穴而留下不能移動的帶負電的離子。P型區的空穴也要向N型區擴散，并與N型區的電子復合，使N型區失去電子而留下帶正電的離子。這些正、負離子所占的空間稱作“空間電荷區”。由于空間電荷區內缺少可以自由運動的載流子，所以又稱“耗盡層”，如圖1.7所示。圖1.7PN結的形成空間電荷區中的正、負離子之間形成一個內電場，方向是由N型區指向P型區。內電場對兩邊多子的進一步擴散起阻擋作用，所以空間電荷區也稱為“阻擋層”。內電場可以使兩邊的少子產生漂移運動。漂移運動的方向與擴散運動相反。擴散運動使空間電荷區加寬，內電場增強，于是擴散阻力增大；漂移運動使空間電荷區變窄，內電場減弱，使擴散容易進行。當擴散運動和漂移運動作用相等時，便處于動態平衡狀態，空間電荷區不再擴大，這種動態平衡狀態下的空間電荷區就是PN結。2.PN結的單向導電性如果在PN結兩端外加電壓，將破壞其原來的平衡狀態。當外加電壓極性不同時，PN結表現出截然不同的導電性能，即呈現出單向導電性。當電源的正極接P區，負極接N區，稱為“加正向電壓”或“正向偏置”，如圖1.8所示。這時外加電場方向與內電場方向相反，外電場將P區和N區的多數載流子推向空間電荷區，使其空窄，削弱了內電場，破壞了原來的平衡，使擴散運動加劇，而漂移運動減弱。由于電源的作用，擴散運動源源不斷地進行，從而形成正向電流，PN結導通。

圖1.8PN結外加正向電壓時導通PN結導通時的結壓降只有零點幾伏，所以應在它所在的回路中串聯一個電阻，以限制回路中的電流，防止PN結因正向電流過大而損壞。當電源的正極接N區，負極接P區，稱為“加反向電壓”或“反向偏置”，如圖1.9所示。反向偏置時，外加電場與內電場方向相同，外電場將N區和P區的多數載流子拉向電源電極方向，使空間電荷區變寬，內電場增加，阻止擴散運動的進行，而加劇漂移運動的進行，形成反向電流（也稱漂移電流）。

圖1.9PN結外加反向電壓時截止反向電流是由少數載流子的漂移運動形成的，當溫度不變時，少數載流子的濃度不變，反向電流在一定范圍內將不隨外加電場的大小而變化，所以常把反向電流稱為“反向飽和電流”。由于少數載流子數目極少，所以反向電流近似為零，可以認為PN結反向偏置時處于截止狀態。PN結加正向電壓時，呈現較小的正向電阻，形成較大的正向電流，PN結處于導通狀態；PN結加反向電壓時，呈現很大的反向電阻，流過很小的反向電流，PN結近似于截止狀態。這種只允許一個方向電流通過的特性稱為PN結的單向導電性。3.PN結的伏安特性式1-1給出了流過PN結的電流I與PN結兩端電壓U之間的關系式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結的伏安特性曲線。圖1.10PN結的伏安特性曲線當PN結加正向電壓時，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呈指數規律增加，如圖中OA段，這段曲線稱為PN結的正向伏安特性。當PN結加反向電壓時，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不隨外加電壓變化而變化的常數，如圖中的OB段，這段曲線稱為PN結的反向伏安特性。4.PN結的擊穿當加于PN結的反向電壓增大到一定數值時，反向電流突然急劇增大，如圖1.10中的BE段所示，這種現象稱為PN結的反向擊穿。對應于電流開始劇增的反向電壓UBR，稱為擊穿電壓。PN結的擊穿分為“雪崩擊穿”和“齊納擊穿”兩種類型。雪崩擊穿是指PN結內作漂移運動的少數載流子受強電場的加速作用可獲得很大的能量，當它與PN結內的原子碰撞時，把其中的價電子碰撞出來，產生新的電子-空穴對。新的電子-空穴對在強電場的作用下，再去碰撞其他原子，產生更多的電子-空穴對，如同雪崩一樣。齊納擊穿發生在高濃度摻雜的PN結中。由于雜質濃度高，所以形成的PN結很窄，即使外加反向電壓并不很高，結內電場強度就很強，它可以把結內的束縛電子從共價鍵中拉出來引起反向電流的劇增。需要指出，發生上述兩種擊穿后，只要反向電流的熱效應不致損壞PN結，當反向電壓降到擊穿電壓以下時，PN結的性能仍可恢復。1.2半導體二極管1.2.1二極管的結構與分類如果在一個PN結的兩端加上電極引線并用外殼封裝起來，便構成一只半導體二極管，簡稱二極管。由P區引出的電極稱為陽極或正極，由N區引出的電極為陰極或負極。常見的二極管的結構及符號表示如圖1.11所示。圖1.11二極管的結構和符號二極管的類型很多，按制造材料來分，有硅二極管和鍺二極管；按二極管的結構來分，主要有點接觸型和面接觸型。1.點接觸型其結構如圖1.11（a）所示。它是用一根細金屬絲壓在晶片上，在接觸點形成PN結。由于它的結面積小，因而不能通過較大的電流，但結電容小，適用于高頻檢波及小電流高速開關電路中。2.面接觸型其結構如圖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，但結電容較大，只適用于低頻及整流電路中。3.平面型其結構如圖1.11（c）所示。它用二氧化硅作保護層，使PN結不受污染，從而大大地減小了PN結兩端的漏電流，因此，它的質量較好。其中結面積大的作大功率整流管，結面積小的作高頻管或高速開關管。1.2.2二極管的伏安特性二極管的特性實際上是PN結特性，考慮到引線電阻及表面漏電流等因素的影響，實測的二極管伏安特性與PN結伏安特性存在一定偏差。圖1.12是實測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.正向特性當二極管兩端加很低的正向電壓時（如圖1.12中①所指部分），外電場還不能克服PN結內電場對多數載流子擴散運動所形成的阻力，因此這時的正向電流仍很小，二極管呈現的電阻較大。當二極管兩端的電壓超過一定數值即閾值電壓后（如圖1.12中②所指部分），內電場被大大削弱，二極管的電阻變得很小，于是電流增長很快。閾值電壓又稱開啟電壓或死區電壓，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.反向特性當二極管兩端加上反向電壓時（如圖1.12中③所指部分），由于少數載流子的漂移運動，因而形成很小的反向電流。反向電流有兩個特性，一是它隨溫度的增長而增長；二是當反向電壓不超過某一數值時，反向電流不隨反向電壓改變而改變，因此這個電流稱為反向飽和電流。當外加反向電壓過高時，反向電流將突然增大（如圖1.12中④所指部分），二極管失去單向導電特性，這種現象稱為反向擊穿。產生擊穿時加在二極管上的反向電壓稱為反向擊穿電壓UBR。3.溫度對二極管特性的影響溫度對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。實驗表明，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，反向電流增大。實驗表明，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小于和它串聯的電壓，反向電流遠小于和它并聯的電流，則二極管可用理想二極管來等效。對于理想二極管，正向偏置時，二極管管壓降為零，相當于短路；反向偏置時，反向電流為零，二極管相當于開路。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

因為UB＜UA，所以二極管D2優先導通，又由于二極管為理想元件，則輸出F的電位為UF=UB=0V。當D2導通后，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1.最大整流電流IFMIFM是指二極管長期運行時，允許通過的最大平均電流。其大小主要取決于PN結的結面積，并且受結溫的限制。使用時，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定的反向電壓時，流過二極管的反向電流。IR越小，管子的單向導電性能越好。4.最高工作頻率fMfM值主要決定于PN結的結電容大小，結電容越大，二極管允許的最高工作頻率越低。

1.2.4特殊二極管1.穩壓二極管（1）穩壓管的工作特性穩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數值的電阻配合后能夠起穩定電壓的作用，故稱穩壓管（也稱齊納二極管）。穩壓管的伏安特性曲線與普通二極管類似，如圖1.14（a）所示，其差異是穩壓管的反向特性曲線比較陡。圖1.14（b）是穩壓管的符號表示。圖1.14穩壓管的伏安特性曲線與符號穩壓管工作于反向擊穿狀態，利用其反向電流變化量ΔIZ很大時而管子兩端電壓的變化量ΔUZ卻很小的特點，在電路中達到穩壓的目的。與一般二極管不同的是，穩壓管的反向擊穿是可逆的。當反向電壓去掉之后，穩壓管又可恢復正常。這一特性是由制造工藝來達到的。需注意的是，如果反向電流超過允許范圍，穩壓管將因過熱而損壞。（2）穩壓管的主要參數（a）穩定電壓UZ

它是穩壓管在正常工作下管子兩端的電壓。這一參數隨工作電流和溫度的不同略有改變，且不同管子的參數值存在一定的分散性。例如，手冊中給出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定電壓變化有如此之大。（b）穩定電流IZ

它是穩壓管正常工作時的電流值，原則上應選IZmin＜IZ＜IZmax。

IZmin是穩壓管能夠正常穩壓的最小工作電流，電流低于此值時穩壓效果變壞，甚至不穩壓。

IZmax是穩壓管能夠正常穩壓的最大工作電流，電流高于此值時會因PN結溫度過高而損壞。（c）動態電阻rZ

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

它是指保證穩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。其管殼上備有一個玻璃窗口,以便接受光照。它利用光粒子激發共價鍵中的束縛電子而獲取光生電子，從而把光能轉變為電能,其靈敏度的典型值為0.1μA/Lx(Lx—光照強度單位，勒克斯)。光電二極管的伏安特性曲線及符號表示如圖1.15所示，其主要特點是反向電流與光照強度成正比。人們日常生活中使用的太陽能電池正是由若干這種光電二極管組成的儲能電路。圖1.15光電二極管的伏安特性曲線及符號3.發光二極管發光二極管簡寫為LED（LightEmittingDiode），其符號表示及正向導通發光時的工作電路如圖1.16所示。在正向偏置的二極管中，多數載流子擴散到對方要被復合，復合過程是載流子釋放能量的過程，在每個復合的晶格上輻射成一粒光子。硅（鍺）半導體發射光的波長不在可見光譜內，故不能做成發光二極管。砷化鎵（GaAs）、磷化鎵（GaP）等化合物半導體材料制成的PN結復合時可以發射可見光，光的顏色視具體的半導體材料而定。

圖1.16發光二極管的符號及其工作電路當發光二極管正向偏置時，其發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。由于發光二極管的工作電壓低（1.5V~3V）、工作電流小（5mA~10mA），所以用發光二極管做為顯示器件具有響應速度快、功率小、驅動簡單和壽命長等優點。常見的發光二極管除可以單個使用外，還有七段數碼管，它可以顯示0~9的10個字形符號。發光二極管廣泛應用于數字鐘、計算機及各種數字化儀器的數字顯示中。1.2.5二極管的應用1.單相半波整流電路單相半波整流電路是一種最簡單的整流電路。圖1.17（a）所示電路為純電阻負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為負載電阻。圖1.17單相半波整流電路及其波形圖設變壓器副邊電壓u2=U2msinωt。當u2為正半周時，其極性為上正下負，即a點電位高于b點電位，二極管因承受正向電壓而導通。此時有電流流過負載，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u2為負半周時，其極性為上負下正，即a點電位低于b點電位，二極管因承受反向電壓而截止。此時負載上無電流流過，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，在負載電阻RL上呈現的電壓波形如圖1.17（b）所示。由于這種電路只在整個交流周期的半個周期二極管導通，才有電流流過負載，輸出電壓是單方向的脈動電壓，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定電壓（限幅電壓）的限制。圖1.18（a）是一個二極管限幅電路，UL為限幅電壓。在實際電路的分析中，通常把二極管看成理想器件，即當其正向通導時，相當于短路，反向截止時，相當于開路。對于圖1.18（a）的電路，當輸入電壓ui高于限幅電壓UL時，加在二極管上的電壓（ui-UL）為正，二極管導通，相當于短路，輸出電壓uo被限定在UL值上；反之，當輸入電壓ui低于限幅電壓UL時，加在二極管上的電壓（ui-UL）為負，二極管截止，uo=ui。即uo與ui的關系為

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，當限幅電壓UL取不同極性和數值時，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，當限幅電壓UL取不同極性和數值時，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.穩壓電路最簡單的直流穩壓電源是采用穩壓管來穩定電壓的。如圖1.19所示，將穩壓管與適當數值的限流電阻R相配合即組成了穩壓管直流穩壓電路。穩壓管DZ工作在反向擊穿狀態，電阻R起限流和調壓作用。穩壓電路的輸入電壓UI

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

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

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

代入相關數值后得(10V-6V)/Rmin=30mA+6V/1kΩRmin=4V/36mA≈111Ω當穩壓管中的電流為最小工作電流時，有(UI-UZ)/Rmax=IZmin+UZ/RL代入相關數值后得(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體器件按照參與導電的載流子情況可分為電子和空穴兩種載流子參與導電的“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）又稱半導體三極管，簡稱晶體管。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晶體管的結構晶體管由兩個PN結和三個電極構成，按PN結的組成方式分為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，它們都具有三個區：集電區、基區和發射區，并相應地引出三個電極:集電極、基極和發射極，分別用c、b、e來表示。基區與發射區之間的PN結稱為發射結，基區與集電區之間的PN結稱為集電結。晶體管符號中的箭頭表示管內正向電流的方向。箭頭指向管外的為NPN管，箭頭指向管內的為PNP管。圖1.21晶體管結構示意圖和圖形符號晶體管的結構在工藝上具有以下特點：（1）發射區進行重摻雜，以便于產生較多的載流子；（2）基區很薄且摻雜濃度低，有利于發射區載流子穿過基區到達集電區；（3）集電區輕摻雜，但面積大，以保證盡可能多地收集到從發射區發出的載流子。正是由于晶體管結構的上述特點，才使它產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信號進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。晶體管結構上的特點決定了它的電流放大作用的內部條件，為了實現電流放大，還必須具備一定的外部條件，這就是要使它的發射結處于正向偏置，集電結處于反向偏置。如圖1.22所示為NPN型晶體管的電源接法:UBB是基極電源，其極性使發射結處于正向偏置；UCC是集電極電源，其極性使集電結處于反向偏置。圖1.22給出了晶體管內部載流子的運動情況以及各電極電流分配示意圖。

圖1.22晶體管內部載流子運動情況及電流分配示意圖1.晶體管內部載流子的運動情況（1）發射區向基區發射電子由于發射結正向偏置，從而使多子（自由電子）的擴散運動加強，發射區的自由電子通過發射結不斷擴散到基區，并不斷從電源UCC的負極補充進電子，形成發射極電流IE。（2）電子在基區的擴散和復合從發射區擴散到基區的自由電子開始都聚集在發射結附近，而靠近集電結的自由電子很少，形成了濃度上的差別，因而自由電子向集電結繼續擴散。由于基區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中的空穴復合，所形成的電流記為IBE。（3）集電區收集電子由于集電結反向偏置，它有利于該PN結兩邊半導體中少子的運動（漂移運動），而對多子的擴散運動起阻擋作用，即阻擋集電區的自由電子向基區擴散，但可以將從發射區擴散到基區并到達集電區邊緣的自由電子拉入集電區，從而形成電流ICE，ICE是集電極電流IC的主要成分。此外，還有集電區和基區的少子漂移運動所形成的反向電流，稱為集電極—基極反向飽和電流，記作ICBO。ICBO的數值很小，它是構成集電極電流IC和基極電流IB的一小部分。2.晶體管的電流分配關系及電流放大系數由圖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）

發射極電流IE=ICE+IBE（1-5）縱合上述3式，可得晶體管3個電極的電流關系為IE=IB+IC，且IB<<IC。表明由晶體管發射區發射的電子絕大多數通過基區到達集電區，只有少數電子在基區與空穴復合，這就是晶體管的電流分配關系。

當基極電流IB有一變化量ΔIB時，集電極電流IC和發射極電流IE也有相應的變化量ΔIC和ΔIE，ΔIE=ΔIB+ΔIC，且ΔIB<<ΔIC。這表明當晶體管的基極電流有一個小的變化量ΔIB時，會引起集電極電流有一個較大的變化量ΔIC。這體現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，兩者數值較為接近，所以常用β≈β這個近似關系進行估算。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構類型有關。以NPN晶體管為例，有共基極、共發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，僅以應用較廣的共發射極接法為例，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出，也可以通過如圖1.24所示的實驗電路測試繪制出來。

圖1.24晶體管特性曲線測試電路1.輸入特性曲線輸入特性曲線是指當晶體管的集電極-發射極電壓UCE為常數時，輸入回路中基極電流IB與發射結電壓UBE之間的關系曲線。其函數關系式為

IB=f(UBE)UCE=常數（1-8）圖1.25所示為實測的輸入特性曲線。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。晶體管導通時,NPN型硅管的發射結電壓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，對應于不同的UCE值，可做出一簇IB-UBE關系曲線，但實際上，當UCE≥1V以后，集電結已反向偏置，并且內電場已足夠強，而基區又很薄，可以把從發射區擴散到基區的電子中的絕大部分拉入集電區。此時，只要UBE保持不變，即使UCE增加，IB也不會再有明顯的減小。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晶體管的基極電流IB為常數時，輸出回路中集電極電流IC與集電極-發射極電壓UCE之間的關系曲線。其函數關系式為

IC=f(UCE)IB=常數（1-9）固定一個IB值對應一條輸出特性曲線，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區域：截止區、放大區和飽和區。1.3.4晶體管的主要參數共射電流放大系數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場效應晶體管1.4.1場效應晶體管的主要特點與分類

場效應晶體管（FieldEffectTransistor，FET）是另一種常用的半導體器件，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。場效應晶體管是電壓控制器件，它是利用輸入回路的電場效應來控制輸出回路電流的一種半導體器件，它的輸出電流決定于輸入電壓的高低，基本上不需要信號源提供電流，因此它的輸入電阻很高，可高達109~1014Ω。與雙極型晶體管相比，場效應晶體管具有噪聲低、熱穩定性好、抗輻射能力強、耗電少、制造工藝簡單等優點。場效應晶體管按其結構可分為結型場效應晶體管（JFET）和絕緣柵型場效應晶體管（InsulatedGateFET,IGFET）兩大類。絕緣柵型場效應晶體管也稱金屬-氧化物-半導體場效應晶體管（Metal-Oxide-SemiconductorFET，MOSFET），簡稱MOS管。1.4.2絕緣柵型場效應晶