第1章 常用半导体器件 1.1 半导体基础知识 1.2 半导体二极管 1.3 半导体三极管 1.4 场效应管

1.1 半导体基础知识 在自然界中存在着许多不同的物质，根据其导电性能的不同大体可分为导体、 绝缘体和半导体三大类。通常将很容易导电、 电阻率小于10-4Ω·cm的物质，称为导体，例如铜、铝、银等金属材料; 将很难导电、电阻率大于1010Ω·cm的物质，称为绝缘体， 例如塑料、橡胶、陶瓷等材料; 将导电能力介于导体和绝缘体之间、电阻率在10-3~109Ω·cm范围内的物质，称为半导体。常用的半导体材料是硅（Si)和锗(Ge)。

用半导体材料制作电子元器件，不是因为它的导电能力介于导体和绝缘体之间，而是由于其导电能力会随着温度的变化、光照或掺入杂质的多少发生显著的变化，这就是半导体的热敏特性、 光敏特性和掺杂特性。例如，纯净的半导体硅，当温度从30℃升高到40℃时，电阻率减小一半；而金属导体铜，当温度从30℃升高到100℃时， 电阻率的增加还不到 1 倍。又如，纯净硅在室温时的电阻率为 2.14×105Ω·cm，如果在纯净硅中掺入百万分之一浓度的磷原子，此时硅的纯度仍可高达99.9999％，但它的电阻率却下降到 0.2 Ω·cm，几乎减少到原来的百万分之一。可见， 当半导体受热或掺入杂质后，导电性能会发生变化。人们利用半导体的热敏特性和光敏特性可制作各种热敏元件和光敏元件， 利用掺杂特性制成的PＮ结是各种半导体器件的主要组成部分。

1.1.1 本征半导体 纯净的单晶半导体称为本征半导体，即不含任何杂质，结构完整的半导体。  1． 本征半导体的晶体结构 常用的半导体材料硅（Si）和锗（Ge）的原子序数分别为14和32，它们的原子结构如图1-1（a）和（b）所示。由图可见，硅和锗原子的最外层轨道上都有四个电子，同属于四价元素。由于内层电子受原子核的束缚力很大，很难脱离原子核，为简化起见，将内层电子和原子核看成一个整体， 称为惯性核，它的净电量是四个正电子电量。最外层的四个电子受原子核的束缚力较小，有可能成为自由电子，常称为价电子。 硅或锗原子的简化模型如图1-1（c）所示。

图 1-1 硅和锗的原子结构模型 (a) 硅； (b) 锗； (c) 原子简化模型

硅和锗都是晶体，晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵——称为晶格。整块晶体内部晶格排列完全一致的晶体称为单晶。硅和锗的单晶体即为本征半导体。硅或锗制成单晶体后，相邻两个原子的一对最外层电子（即价电子）不但受本身原子核的吸引， 而且受相邻原子核的吸引，从而将两个原子牢固地束缚在一起， 这种共用价电子所形成的束缚作用就叫共价键。硅或锗原子最外层的四个价电子，正好和相邻的四个原子中的价电子组成四个共用电子对，构成四个共价键，使每个硅或锗原子的最外层电子获得稳定结构，如图1-2所示。

图 1-2 硅和锗晶体共价键结构示意图

2． 本征半导体中的两种载流子 在绝对零度（T=-273℃或T=0 K）下，本征半导体中的每个价电子都被束缚在共价键中，不存在自由运动的电子，本征半导体相当于绝缘体。 但在室温下（T=27℃或T=300 K），本征半导体中一部分价电子因受热而获得足够的能量挣脱共价键的束缚成为自由电子，与此同时，在该共价键上留下了空位，这个空位称为空穴。由于本征半导体在室温下每产生一个自由电子必然会有一个空穴出现，即电子与空穴成对产生，称之为电子-空穴对。 这种由于本征半导体受热而产生电子-空穴对的现象称为本征激发。

图 1-3 电子-空穴对的产生和空穴的移动

3． 热平衡载流子的浓度 在本征半导体中不断地进行着激发与复合两种相反的过程， 当温度一定时， 两种状态达到动态平衡，即本征激发产生的电子-空穴对，与复合的电子-空穴对数目相等，这种状态称为热平衡状态。  半导体中自由电子和空穴的多少分别用浓度（单位体积中载流子的数目）ni和pi来表示。处于热平衡状态下的本征半导体，其载流子的浓度是一定的， 并且自由电子的浓度和空穴的浓度相等。 根据半导体物理中的有关理论，可以证明 （1-1）

式中，浓度单位为cm-3，K是常量（硅为3. 88×1016 cm-3K-3/2，锗为1 式中，浓度单位为cm-3，K是常量（硅为3.88×1016 cm-3K-3/2，锗为1.76×1016cm-3K-3/2），T为热力学温度，k是玻尔兹曼常数（8.63×10-5 eV/K），Eg0 是T=0 K（即-273℃）时的禁带宽度（硅为1.21 eV， 锗为0.785 eV）。 式（1-1）表明，本征半导体的载流子浓度和温度、 材料有关。尽管本征半导体在室温情况下具有一定的导电能力，但是，本征半导体中载流子的数目远小于原子数目，因此本征半导体的导电能力是很低的。

1.1.2 杂质半导体 1． N型半导体 在纯净的单晶体硅中，掺入微量的五价杂质元素，如磷、砷、 锑等， 使原来晶格中的某些硅原子被杂质原子所取代，便构成N型半导体。由于杂质原子有五个价电子，其中四个价电子与相邻的四个硅原子的价电子形成共价键，还剩一个价电子，这个价电子不受共价键的束缚，只受原子核的吸引，在室温下，该价电子所获得的热能使它摆脱原子核的吸引而成为自由电子，则杂质原子因失去一个价电子而成为不能移动的杂质正离子，如图1-4所示。

图 1-4 N型半导体结构示意图

在N型半导体中，由于杂质原子产生自由电子的同时并不产生空穴，因此自由电子的浓度远大于空穴的浓度， 故称自由电子为多数载流子（简称多子），空穴为少数载流子（简称少子）。由于五价杂质原子能释放出电子，因此这类杂质原子称为施主原子。

2．P型半导体 在纯净的单晶硅中掺入微量的三价杂质元素，如硼、镓、铟等，便构成P型半导体。由于杂质原子只有三个价电子，当杂质原子替代硅原子的位置后，杂质原子的三个价电子仅与相邻的三个硅原子的价电子形成共价键，与第四个相邻的硅原子不能构成完整的共价键而出现一个空位。这个空位极易接受其它硅原子共价键中的价电子，使杂质原子成为带负电的杂质负离子，同时硅原子的共价键中因缺少一个价电子而产生一个空穴，如图1-5所示。 由于三价杂质原子所产生的空位起着接受电子的作用， 因此称之为受主原子。在P型半导体中，由于掺入的是三价杂质元素， 使空穴浓度远大于自由电子浓度，因此空穴为多数载流子，自由电子是少数载流子。

图 1-5 P型半导体结构示意图

1.1.3 PN结 在一块完整的本征半导体硅或锗片上，利用不同的掺杂工艺， 使其一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体， 在它们的交界处便形成PN结。  半导体器件的核心是PN结。半导体二极管是单个PN结； 半导体三极管具有两个PN结； 场效应管的基本结构也是PN结。

1． PN结的形成 在P型半导体和N型半导体的交界面，由于载流子浓度的差别，载流子会从浓度高的区域向浓度低的区域产生扩散运动。即P型区的多子(空穴)向N型区扩散，N型区的多子(自由电子)向P型区扩散，如图1-6（a）所示。扩散的结果是在交界面附近，P型区一侧由于失去空穴而留下了不能移动的杂质负离子，N型区一侧由于失去电子而留下了不能移动的杂质正离子。扩散到对方的载流子成为异型半导体中的少子而与该区的多子复合，这样， 在交界面两侧就出现了由不能移动的杂质正负离子构成的空间电荷区，也就是PN结，如图1-6（b）所示。由于空间电荷区中的载流子已经复合掉或者说消耗尽了，因此空间电荷区又可称为耗尽层。随着多子扩散运动的进行，空间电荷区交界面两侧的离子电荷量增多，空间电荷区加宽，而空间电荷区以外的P型区和N型区仍处于热平衡状态且保持电中性。

(a) 载流子的扩散运动； (b) 空间电荷区； (c) 电位分布 图 1-6 PN结的形成 (a) 载流子的扩散运动； (b) 空间电荷区； (c) 电位分布

在空间电荷区里，由于杂质正负离子的极性相反，于是产生了由带正电的N型区指向带负电的P型区的电场，因为这个电场是由内部载流子扩散运动形成的， 故称为内电场。在内电场的作用下，少数载流子产生漂移运动， N型区的少子(空穴)漂移到P型区，P型区的少子(自由电子)漂移到N型区。这样，从N型区漂移到P型区的空穴填补了原来交界面上P型区所失去的空穴， 从P型区漂移到N型区的自由电子填补了原来交界面上N型区所失去的自由电子，漂移运动的结果是使空间电荷区变窄。显然， 同类型载流子漂移运动的方向与扩散运动的方向相反。由于内电场阻止多子的扩散运动、增强少子的漂移运动，因此又将这个空间电荷区称为阻挡层。

当多子的扩散运动和少子的漂移运动达到动态平衡时，由多子扩散运动所形成的扩散电流和少子的漂移运动所形成的漂移电流相等，且两者方向相反，此时，空间电荷区的宽度一定，PN结电流为零。在动态平衡时，由内电场产生的电位差称为内建电位差Uho, 如图1-6（c）所示。处于室温时，锗的Uho≈0.2~0.3 V，硅的Uho≈0.5~0.7 V。 

由上述分析可知， 若P型和N型半导体的掺杂浓度不同， 空间电荷区内正、负离子的宽度也将不同，P型区和N型区的掺杂浓度相等时，正离子区与负离子区的宽度也相等，称为对称PN结；当两边掺杂浓度不等时，浓度高的一侧的离子区宽度低于浓度低的一侧， 称为不对称PN结。其中，P型区掺杂浓度大于N型区的称为P+N结；N型区掺杂浓度大于P型区的称为N+P结。

2．PN结的单向导电性 1） 正向特性 若PN结外加正向电压，即PN结的P区接电源的正极， N区接电源的负极，则称PN结处于正向偏置，简称正偏，如图1-7所示。此时，外加电压的方向与内电场方向相反，在外电场的作用下，N型半导体中性区中的自由电子向空间电荷区移动，与空间电荷区中的正离子中和，P型半导体中性区中的空穴向空间电荷区移动， 与空间电荷区的负离子中和，而中性区失去的自由电子和空穴则由外电源源源不断地向N型区和P型区注入，结果是空间电荷区变窄，内电场减弱。由于多子的扩散运动大于少子的漂移运动， 因此当外加电压增大到一定值以后， 扩散电流将大大增加。可见，正向偏置时，PN结中的电流主要是由扩散运动所形成的扩散电流，它是两种多数载流子的电流之和，称为正向电流。为了防止PN结因电流过大而损坏，通常在回路中串联一个电阻R， 起限流作用。

图 1-7 PN结外加正向电压时导通

2） 反向特性 若PN结外加反向电压，即PN结的P区接电源的负极，N区接电源的正极，则称PN结处于反向偏置，简称反偏，如图1-8所示。 此时，外加电压的方向与内电场方向相同，在外电场的作用下， P型区中的空穴和N型区中的自由电子离开PN结而使空间电荷区变宽，内电场加强，促进少子的漂移运动，阻止多子的扩散运动。 此时，流过PN结的电流主要是少子的漂移电流，外电路电流方向与PN结正偏时的正向电流方向相反，称为反向电流，记为I。由于少数载流子是由本征激发产生的，其浓度很低，因此反向电流数值很小。在一定的温度下，当外加反向电压超过某个数值（约为零点几伏）后，反向电流将不再随着外加反向电压的增加而增大， 故又称为反向饱和电流（Reverse Saturation Current），用IS表示。

综上所述，PN结正向偏置时，结电阻很小，回路中产生一个较大的正向电流， PN结呈导通状态；PN结反向偏置时，结电阻很大， 回路中的反向电流很小，几乎接近于零，PN结呈截止状态。 所以，PN结具有单向导电性。

图 1-8 PN结外加反向电压时截止

3） 伏安特性 PN结的伏安特性就是流过PN结的电流与其上所加电压之间的关系。 前面定性地讨论了PN结在外加正向电压和反向电压下电压与电流的关系，下面进一步借助数学方程式描述PN结的伏安特性。 根据理论分析，PN结两端的电压U和流过PN结的电流I之间的关系为 (1-2) 式中, IS为反向饱和电流；UT为温度电压当量，UT=kT/q，其中k为玻尔兹曼常数（即为1.38×10-23 J/K），q为电子电荷（约为1.6×10-19J）, T为PN结的绝对温度。 对于室温T=300 K来说，UT≈26 mV。

从式（1-2）可知，当PN结外加正向电压（U为正）时，I随着Ｕ的增大而增大。若U>>UT，则可得下列近似式：  即I随U按指数规律变化；当PN结外加反向电压（U为负），且|U|<<UT时，eU/UT→0，则I≈-IS。即反向电流与反向电压大小无关。PN结的反向饱和电流IS一般很小（硅PN结的IS为毫微安量级， 锗PN结的IS为微安量级），所以PN结反向特性曲线几乎接近于横坐标。I与U的关系曲线如图1-9所示。 （1-3）

图 1-9 PN结伏安特性曲线

实际上，当PN结处于正向偏置，且外加正向电压不太大时，IS很小，所以I仍是很小的数值，PN结几乎不导通。只有当外加正向电压Ｕ较大时，电流I才会有明显的增加。工程上定义正向电压需达到一定的电压值，正向电流才开始显著上升， 该电压为导通电压, 用Uon表示。通常硅管的Uon≈0.6~0.8 V，锗管的Uon≈0.1~0.3 V。

3． PN结的击穿特性 如前所述， 当PN结外加反向电压时，流过PN结的反向电流很小，但是当反向电压不断增大，超过某一电压值时， 反向电流将急剧增加，这种现象称为PN结的反向击穿。反向电流急剧增加时所对应的反向电压U(BR)称为反向击穿电压,如图1-10 所示。 PN结产生反向击穿的原因有以下两种：

图 1-10 PN结的击穿特性

1） 雪崩击穿 在掺杂浓度较低的PN结中，随着反向电压逐渐增大，空间电荷区（即阻挡层）变宽，内电场加强，使参加漂移运动的载流子加速， 动能加大。当反向电压增大到一定数值时，载流子获得的动能足以把束缚在共价键中的价电子碰撞出来，产生电子-空穴对。新产生的载流子被电场加速后，又碰撞其它中性原子， 又产生新的电子-空穴对。 如此连锁反应，造成载流子急剧增多， 使反向电流“滚雪球”般地骤增，通常将这种反向击穿称为雪崩击穿。雪崩击穿的击穿电压较高，其值随掺杂浓度的降低而增大。

2） 齐纳击穿 当PN结两边的掺杂浓度很高时，阻挡层将变得很薄。这时只要加上不大的反向电压（如4 V以下），阻挡层就可能获得2×106 V/cm以上的电场强度， 该场强足以直接破坏共价键，把价电子从共价键中拉出来，从而获得大量的电子-空穴对，引起PN结中的反向电流急剧增大，这种反向击穿现象称为齐纳击穿。齐纳击穿的反向击穿电压较低，且随着掺杂浓度的增高而减小。 通常情况下，反向击穿电压在7 V以上属于雪崩击穿，4V以下属于齐纳击穿，在4~7 V之间的击穿则两种情况都有。无论哪种击穿， 只要PN结不因电流过大而产生过热损坏，当反向电压降到击穿电压以下（均指绝对值）时，其性能又可恢复到击穿前的情况。

4． PN结的温度特性 由式（1-2）可知，PN结电流的大小与UT和IS有关，而UT和IS均为温度的函数，所以PN结的伏安特性与温度有关。  实验证明，在室温下，温度每升高1℃，在同一正向电流下， PN结正向压降减小2~2.5 mV；温度每升高10℃，反向饱和电流大约增加 1 倍。所以当温度升高时，PN结的正向特性曲线向左移动，反向特性曲线向下移动。  此外, PN结的反向击穿特性也与温度有关。理论分析表明， 雪崩击穿电压随温度升高而增大，具有正的温度系数；齐纳击穿电压随温度的升高而降低，具有负的温度系数。

5． PN结的电容特性 实践证明，PN结的单向导电性仅在直流或外加电压变化非常缓慢的情况下才是正确的。当外加电压变化很快时， PN结的单向导电性就不完全成立， 其主要原因是PN结的电容效应。  什么是电容效应呢？电容器可看成是一个存储电荷的容器， 当电容器两端加上电压时，电容器内将产生电荷的堆积，随着外加电压的变化，堆积的电荷也随之变化。因此，可以把电路中出现的任何一种电荷堆积现象都看成为电容效应。在PN结内部由于载流子运动所产生的电容效应主要有势垒电容和扩散电容。

1） 势垒电容Cb 从前面的讨论可知，PN结实际上就是一个空间电荷区，空间电荷区中不能移动的正、负离子相当于PN结所储存的电荷量。 当PN结外加正向电压时，空间电荷区变窄，电荷量变小；当PN结外加反向电压时，空间电荷区变宽，电荷量增加。  由此可见，随着外加电压U的变化，空间电荷区出现电荷的堆积和消散，与之相应的电荷量Q也随着发生变化，如同电容的充电和放电一样，称此为势垒电容Cb。

势垒电容的大小可用下式表示： (1-4) 式(1-4)表明，势垒电容的大小与PN结的结面积S成正比，与空间电荷区的宽度l成反比，ε为半导体材料的介电系数。由于空间电荷区的宽度l随外加电压U的变化而变化，因此势垒电容是一种非线性电容，Cb与外加电压U之间的关系可用图1-11中的曲线表示。

图 1-11 势垒电容与外加电压的关系

2） 扩散电容Cd PN结处于平衡状态时的少子称为平衡少子。当PN结处于正向偏置时，P区的多子(空穴)扩散到N区，成为N区中的少子，N区中的多子(自由电子)扩散到P区，成为P区中的少子，这种不是靠热激发而存在的少子称为非平衡少子。当外加正向电压一定时，靠近空间电荷区边界的中性区非平衡少子浓度高，远离边界的中性区非平衡少子浓度低。当外加的正向电压增加时，扩散到中性区的非平衡少子浓度相应增大，相应的电荷量随之增大； 当外加正向电压减小时，非平衡少子浓度降低，电荷量减小。这种随着外加正向电压的增大或减小而引起的非平衡少子电荷量变化的电容效应，称为扩散电容Cd。

综上所述，PN结的结电容Cj为势垒电容Cb和扩散电容Cd之和，即 （1-5） 当PN结正向偏置时，PN结结电容以扩散电容为主，Cj≈Cd， 其值为几十皮法到几千皮法；当PN结反向偏置时，PN结结电容以势垒电容为主，Cj≈Cb，其值为几皮法到几十皮法。

1.2 半导体二极管 1.2.1 半导体二极管的结构和符号 将一个PN结用管壳封装起来，在两端加上电极引线就构成了二极管。根据二极管的不同结构，可分为点接触型二极管、面接触型二极管和平面型二极管。  点接触型二极管如图1-12（a）所示，它的制作方法由一根很细的金属触丝和一块半导体的表面接触，在正方向加上很大的瞬时电流， 使触丝和半导体牢固地熔接在一起构成PN结。由于金属丝很细，形成的PN结面积很小，因此结电容也很小，这类管子仅适用于做高频检波和小功率整流。

面接触型二极管如图1-12（b）所示，它是采用合金法将一合金小球经高温熔化在晶片上构成PN结。由于在PN结交界面有较大的结面积，可允许通过较大的电流，其结电容也大，因此不适于高频电路，只能在较低频率下工作，一般仅用作整流管。  平面型二极管如图1-12（c）所示，它是采用扩散法制成的。 当平面管的结面积大时，允许通过的电流也大，适用于大功率整流管；结面积小时，适用作开关管。 二极管的电路符号如图1-12（d）所示。由P区引出的电极是二极管的正极，由N区引出的电极是二极管的负极，三角箭头的方向表示正向电流的方向，正向电流从二极管的正端流入，负端流出。

(a) 点接触型； (b) 面接触型； (c) 平面型； (d) 二极管符号 图 1-12 半导体二极管的结构和符号 (a) 点接触型； (b) 面接触型； (c) 平面型； (d) 二极管符号

1.2.2 二极管的伏安特性 如前所述，二极管的基本结构就是一个PN结，因此二极管具有和PN结相同的特性。 但是，由于管子存在电中性区的体电阻和引线电阻等，在外加正向电压相同的情况下，二极管的正向电流要小于PN结的电流，大电流时更为明显；当外加反向电压时， 由于二极管表面漏电流的存在， 使反向电流增大。 尽管如此， 一般情况下仍用PN结的伏安特性方程式（1 - 2）来描述二极管的电压和电流关系。  通常情况下，二极管的伏安特性曲线都是通过实际测量得到的。 比较简便、直观的测量方法是采用图示仪，它可以直接在示波管的荧光屏上显示出二极管的伏安特性曲线, 如图1-13所示。

图 1-13 实际二极管的伏安特性曲线

由图1-13可见，二极管具有单向导电性。 当外加正向电压超过导通电压Uon时，电流才开始显著上升。为便于工程分析， 通常把正向特性较直部分延长与横轴的交点定为导通电压Uon。 此外，正向特性曲线只在起始上升部分的小电流范围内按指数规律变化；在电流较大时，特性曲线几乎是直线上升，这是因为大电流时，PN结的结电阻比半导体电中性区的体电阻及引线电阻等线性电阻要小，所以电压、 电流关系接近线性关系。反向特性曲线接近于横轴，并有一定的斜度，这是由于二极管的漏电阻造成的。

1.2.3 二极管的主要参数 器件的参数是器件特性的定量描述，也是合理选择和安全运用器件的依据。 各种器件的参数可由手册查得。 常用的二极管主要参数有：  (1) 最大整流电流IF。它是指二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流。在使用时注意不要超过此值，否则二极管会因过热而损坏。  (2) 最大反向工作电压UR。当二极管的反向电压超过最大反向工作电压UR时，管子可能会因反向击穿而损坏。通常UR为二极管反向击穿电压U(BR)的一半。

(3) 反向电流IR。 它是指管子未击穿时的反向电流。 此值越小，二极管的单向导电性越好，随着温度的增加，反向电流会急剧增加， 所以使用时要注意温度的影响。  (4) 最高工作频率fM。它是指二极管正常工作时的上限频率。 超过此值，由于二极管结电容的作用，二极管的单向导电性将遭到破坏。

1.2.4 二极管的等效模型 二极管是一种非线性器件，为了便于分析，在一定的条件下， 可用线性模型来代替二极管，模型称为二极管的等效模型（或等效电路）。根据二极管的伏安特性，对应于不同的应用场合， 可建立不同的等效模型。 1． 理想模型 如果在使用二极管的电路中，忽略二极管的正向电压和反向饱和电流，即假设它们都为零，则认为二极管为理想二极管，其伏安特性如图1-14（a）所示。图中的实线表示理想二极管的伏安特性，虚线表示实际二极管的伏安特性。由图可见，理想二极管正向导通时，其端电压等于零，相当于短路；反向截止时，电流等于零，相当于开路。所以理想二极管相当于一个理想开关， 其电路符号如图1 -14（b）所示。

图 1-14 理想模型 (a)U-I特性； (b) 代表符号

2． 恒压降模型 如果在电路中，电源电压和二极管的导通电压相比来说不够大，就不能把二极管的正向特性当作完全短路来处理，这时可认为二极管正向导通时压降恒定为Uon，小于导通压降，电流为零。 其伏安特性如图1-15（a）所示， 图中实线是电路模型的伏安特性曲线，虚线是实际二极管的特性曲线，二极管的电路等效模型如图1-15（b）所示，为一理想二极管和一恒压源Uon相串联。

图 1-15 恒压降模型 (a) U-I特性； (b) 代表符号

3． 折线模型 为了进一步改善电路模型的准确度，在恒压降模型的基础上，作一定的修正，如图1 - 16（a）所示。图中二极管正向压降大于Uon后，用一斜线来描述电压和电流的关系，斜线的斜率为实际二极管特性曲线的斜率1/rD，rD =ΔU/ΔI。因此等效模型为一理想二极管和恒压源Uon及正向电阻rD相串联，如图1-16（b）所示。

图 1-16 折线模型 (a) U-I特性； (b) 代表符号  

4． 微变等效模型 在二极管的伏安特性曲线上，由直流电压和直流电流所决定的点Q，称为静态工作点（或直流工作点）。如果二极管在工作点Q附近的小范围内工作，则可以用点Q的切线来近似微小变化时的曲线，如图1-17（a）所示。此时，二极管对应微变量所呈现的作用如同一个线性电阻的作用， 故可将二极管等效为一个动态电阻rd，且rd=ΔUD/ΔID，如图1-17（b）所示，称为二极管的微变等效电路。显然，随着二极管静态工作点的不同，rd也不同，所以rd是一个非线性电阻，它随着静态工作点的升高而减小。一般，二极管的正向交流电阻约为几欧到几十欧，反向交流电阻约在几百千欧到几兆欧。

图1-17 二极管的微变等效模型 (a) U-I特性； (b) 代表符号

动态电阻rd还可利用二极管的电流方程求得： 取ID对UD的微分，得微变电导 则 在室温（T=300 K）时， （1-6） 式中, ID为静态工作点Q的电流。

【例1-1】由二极管组成的开关电路如图1-18所示，判断图中二极管是导通还是截止，并确定电路的输出电压Uo（设二极管是理想二极管）。  解首先假设二极管断开，然后求得二极管正极和负极之间将承受的电压。如果该电压大于零， 则二极管导通; 否则，二极管截止。 两个二极管都断开时， 所承受的电压分别为 UD1=6 V-3V=3 V>0 UD2=6 V-0 V=6 V>0 二极管接入后，VD2管承受的正向压降比VD1管高，VD2管优先导通，使Uo钳位在0 V。此时，VD1管因承受反向电压而截止。经判断，电路中二极管VD1导通，VD2截止，输出电压Uo=0 V。

图 1-18 例1-1的电路

1.2.5 稳压二极管 稳压二极管又称齐纳二极管，简称稳压管，它是一种用特殊工艺制造的面接触型硅半导体二极管。  1． 稳压管的伏安特性 稳压管的伏安特性与普通二极管类似。如前所述，二极管处于反向击穿区时，并不一定意味着管子损坏，只要限制流过管子的反向电流， 二极管就不会因过热而烧毁。而且在反向击穿状态下，管子两端电压变化很小，具有恒压性能，利用二极管的这一特点可实现稳压作用，制成稳压管。稳压管在工作时，流过它的电流在IZmin~IZmax之间变化，在这个范围内，稳压管两端的反向电压变化很小，且工作安全。稳压管的伏安特性和符号如图1-19所示。

图 1-19 稳压管的伏安特性和符号 (a) 伏安特性； (b) 符号

2． 稳压管的主要参数 （1） 稳定电压UZ：稳压管反向击穿后的稳定电压值。由于制造工艺的分散性，即使同一型号的稳压管，各个不同的管子稳压值UZ也有些差别。例如型号为2CW13的稳压管，稳定电压为5.5~5.6 V。但对同一只管子，稳定电压UZ应是确定的。  （2）稳定电流IDZ：稳压管正常工作时的参考电流。电流低于此值，稳压效果变差，甚至不起稳压作用；电流高于此值， 只要不超过稳压管的额定功耗， 稳压管可以正常工作，故也将IDZ记作IZmin。

（3）额定功耗PZM：稳压管允许的最大稳定电流IZM（或记作IZmax）和稳定电压UZ的乘积。稳压管的功耗超过此值，会因结温过高而烧毁。对于一只给定的稳压管，可通过手册上给出的PZM，根据IZM = PZM/UZ求得IZM。  （4）动态电阻rz: 稳压管工作在稳压区时，其端电压变化量与端电流变化量之比，即rz=ΔUZ/ΔIDZ。r-z越小，稳压性能越好。 对于同一个稳压管，工作电流越大，rz越小。

（4）动态电阻rz: 稳压管工作在稳压区时，其端电压变化量与端电流变化量之比，即rz=ΔUZ/ΔIDZ。rz越小，稳压性能越好。 对于同一个稳压管，工作电流越大，rz越小。 （5）温度系数α：温度每变化1℃所引起的稳定电压的变化量，即α=ΔUZ/ΔT。通常稳定电压低于4 V的稳压管具有负温度系数（属于齐纳击穿），即温度升高时，稳定电压值下降；稳定电压大于7 V的稳压管具有正温度系数（属于雪崩击穿），即温度升高时，稳定电压值上升；稳定电压在4 ~7 V之间的稳压管， 温度系数较小，说明管子的稳定电压受温度的影响小，性能比较稳定。

在使用稳压管组成稳压电路时，应使外加电源的正极接管子的N区，负极接管子的P区，以保证稳压管工作在反向击穿区。 常用的稳压管稳压电路如图1-20所示。由图可见，稳压管并联在负载RL的两端，以使负载两端电压在Ui和RL变化时保持稳定。 此外，为了保证稳压管正常工作时的反向电流在IZmin~IZmax之间， 在电路中串联一个限流电阻R，只有当R取值合适时，稳压管才能安全地工作在稳压状态。

图 1-20 稳压管稳压电路

1.3 半导体三极管 1.3.1 三极管的结构及符号 根据组合方式不同，三极管有NPN和PNP两种类型，其结构示意图和电路符号如图1-21所示。图1-21(a)中，在一块晶片（硅片或锗片）上用不同的掺杂方式制造出三个掺杂区，依序称为发射区、基区和集电区，发射区和基区之间的PN结称为发射结， 基区和集电区之间的PN结称为集电结。相对于三个区域分别引出三个电极，即发射极e（Emitter）、基极b(Base)和集电极c(Collector) ， 再加上某种形式的封装外壳，便构成三极管。

图 1-21 三极管的结构示意图和电路符号 (a) 结构示意图； (b) 电路符号

图1-21（b）中发射极的箭头方向表示发射结正向导通时实际电流的方向。从图上看，三极管好像是两个反向串联的PN结。 但是，把两个孤立的PN结例如两个二极管反向串联起来并不具有放大作用，而三极管作为一个放大器件具有特殊的内部结构。首先，发射区掺杂浓度很高，即发射结为N+P结或P+N结；其次， 基区必须很薄；第三，集电结结面积很大，以利于收集载流子。 两种三极管的工作原理是相似的，本节以NPN型硅管为例讲述三极管的工作原理、 特性曲线和主要参数。

1.3.2 三极管的工作原理 1． 三极管的PN结偏置 为使三极管正常工作，必须给三极管的两个PN结加上合适的直流电压，或者说，两个PN结必须有合适的偏置。因为每个PN结可有两种偏置方式（正偏和反偏），所以两个PN结共有四种偏置方式， 从而导致三极管有四种不同的工作状态，如表1.1所示。 表1.1 三极管的四种偏置方式 发射结偏置方式 集电结偏置方式 三极管的工作状态 正偏 反偏 放大状态 饱和状态 截止状态 倒置状态

在模拟电子电路中，三极管常作为放大器件使用，因此三极管除具有放大作用的内部结构条件外，还必须有实现放大的外部条件，即保证发射结正向偏置，集电结反向偏置。要实现发射结正偏、集电结反偏，对于NPN管三个电极的电位关系是： 集电极电位UC最高，基极电位UB次之，发射极电位UE最低，即UC>UB>UE；对于PNP管正好相反，即UC<UB<UE。

2． 三极管的三种组态 三极管是三端器件，有三个电极：发射极、基极和集电极，用作四端网络时，其中任何一个电极都可作为输入和输出端口的公共端，因此，三极管有三种连接方式，也称三种组态。以发射极作为信号输入和输出公共端的电路，称为共发射极电路； 以基极作为信号输入和输出公共端的电路，称为共基极电路； 以集电极作为信号输入和输出公共端的电路，称为共集电极电路。 三种电路组态如图1-22所示。

(a) 共发射极电路； (b) 共基极电路； (c) 共集电极电路 图 1-22 三极管的三种组态 (a) 共发射极电路； (b) 共基极电路； (c) 共集电极电路

3． 三极管内部载流子的运动和各极电流的形成 三极管是放大电路的核心器件。要使三极管工作在放大状态，无论哪种组态电路，其外部加电原则都是发射结正向偏置， 集电结反向偏置，其内部载流子的运动规律相同。下面以共射电路为例分析在放大状态下三极管内部载流子的运动状况。  图1-23为共射电路的NPN管内部载流子运动示意图。图1-23中基极电源UBB保证发射结正偏，集电极电源UCC保证集电结反偏，且ＵCC>UBB。

（1） 发射结正向偏置，扩散运动形成发射极电流IE。由于发射结正向偏置，且发射区掺杂浓度高， 因此发射区大量的自由电子扩散到基区，成为基区的非平衡少子，并形成电子电流IEN； 同时，基区的多子(空穴)也扩散到发射区，形成空穴电流IEP，因此发射极电流IE为电子电流IEN和空穴电流IEP之和，即 IE=IEN+IEP  （1-7） 由于发射结为N+P结，流过发射结的空穴电流和电子电流相比可以忽略不计，因此发射极电流IE主要是自由电子扩散运动所形成的电子电流IEN。

（2） 部分非平衡少子与空穴复合形成基极电流IB。由于基区很薄，且掺杂浓度低，因此扩散到基区的自由电子只有极少部分与基区空穴复合，大部分作为基区的非平衡少子到达集电结。基区被复合掉的空穴由基极电源UBB源源不断地补充，从而形成基极电流IB。

（3） 集电结反向偏置，漂移运动形成集电极电流IC。由于集电结反向偏置，且集电结面积大，因此漂移运动大于扩散运动， 基区里到达集电结边缘的非平衡少子漂移到集电区，形成集电极电子电流ICN；同时，基区和集电区的平衡少子也进行漂移运动， 形成反向饱和电流ICBO。由此集电极电流 IC为 IC=ICN+ICBO （1-8） 式中，ICBO很小，近似分析中可忽略不计。

IE=IB+IC （1-9） 4． 三极管的电流分配关系 上面分析了三极管处于放大状态时内部载流子的运动及各极电流的形成。从三极管的外部看，可将三极管视为一个节点， 根据基尔霍夫电流定律有 IE=IB+IC （1-9） 对于一个高质量的三极管，通常希望发射区的绝大多数自由电子能够到达集电区，即ICN在IE中占有尽可能大的比例。为了衡量集电极电子电流ICN所占发射极电流IE的比例大小，一般将ICN和IE的比值定义为共基直流电流放大系数，记作 ，即

（1-10） 将式(1-10)代入式（1-8）可得 （1-11） 当ICBO<<IC时，可将ICBO忽略，则 （1-12） 将式（1-9）代入式（1-11），即得

上式经移项、 整理后为 （1-13） 令 （1-14） 称为共射直流电流放大系数。将式(1-14)代入式（1 - 13），可得 （1-15） 上式中的(1+β)ICBO是基极开路（IB=0）时，流经集电极与发射极之间的电流，称为穿透电流，用ICEO表示，即

（1-16） 则IC又可表示为 （1-17） 通常，ICEO很小，上式可简化为 （1-18） 将式（1-18）代入式（1-9），可得 （1-19）

5. 三极管的电流放大作用 三极管工作在放大状态时，由于其内部结构的特点，即发射区掺杂浓度高、基区薄、集电结宽，使发射区扩散到基区的大量电子， 只有很小的一部分在基区复合形成很小的基极电流IB，大部分越过基区流向集电区，形成集电极电流IC。管子做成后，IC和IB的比例基本上保持一定。所以IC的大小不但取决于IB， 而且远大于IB。因此只要能控制基极的小电流IB，就可实现对大的集电极电流IC的控制。所谓三极管的电流放大作用，就是指这种对电流的控制能力，故常把三极管称为电流控制器件。

将图1-23中的三极管内部结构图用三极管的电路符号表示， 并将ui作为输入电压信号接在基极-发射极回路，称为输入回路； 放大后的信号取自于集电极-发射极回路，称为输出回路，得到图1-24所示的基本放大电路。 由于发射极是两个回路的公共端， 故该电路是共射放大电路。  在图1-24所示电路中，在输入电压ui作用下，三极管的基极电流将在直流电流IB的基础上叠加一个动态电流ΔIB，相应的集电极电流也会在直流电流IC的基础上叠加一个动态电流ΔIC ，ΔIC与ΔIB之比称为共射交流电流放大系数，记作β，即 (1-20)

如果在ui作用下， 基本不变，则集电极电流 因此 (1-21) 式（1-21）表明，三极管工作在放大状态时，β和β相当接近，因此在近似分析中不再对它们加以区分。通常情况下取β为几十至一百多倍的管子为好， 因为β过大，性能不够稳定， β过小，达不到放大效果。

相应地，将集电极动态电流ΔIC和发射极动态电流ΔIE之比定义为共基交流电流放大系数，记作α，即 (1-22) 同理 (1-23) 根据α和β的定义以及三极管中三个电流的关系，可得 所以α与β两个参数之间满足下列关系式 (1-24)

iB=f(uBE)|UCE=常数 (1-25) 1.3.3 三极管的特性曲线 1． 输入特性曲线 1.3.3 三极管的特性曲线 1． 输入特性曲线 输入特性曲线是指在三极管的集电极与发射极之间的电压UCE为某一固定值时，基极电流iB与发射结电压uBE之间的关系曲线。用函数关系表示为 iB=f(uBE)|UCE=常数 (1-25) 从式（1-25）可知，对应不同的UCE值，可作出一族iB~uBE特性曲线，如图1-25所示。

图 1-25 NPN管的共射输入特性曲线

当UCE=0时，相当于集电极和发射极短路，则发射结和集电结并联， 所以，三极管的输入特性与PN结的正向特性相似。  随着UCE的增大，集电结上的偏压将由正偏逐渐转为反偏， 使发射区进入基区的电子更多地流向集电区，因此对应于相同的uBE，流向基极的电流iB比UCE=0时小了，故特性曲线相应地向右移动。实际上，当UCE≥1 V以后，集电结的电场已足够强，使发射区扩散到基区的非平衡少子的绝大部分都到达了集电区，形成集电极电流iC，因此，在相同的uBE下，尽管UCE增加，iB也不再明显地减小，故UCE>1 V以后的输入特性曲线基本重合。由于实际使用时，UCE通常都大于1 V，因此一般选用UCE>1 V的那条特性曲线。

2． 输出特性曲线 输出特性曲线是指在基极电流IB为某一固定值时，集电极电流iC同集电极与发射极之间的电压uCE之间的关系曲线。用函数表示为 (1-26) 对于每一个确定的IB，都有一条输出特性曲线，所以输出特性是一组曲线族，如图1-26所示。  由图1-26可见，对应于不同的IB，各条特性曲线的形状基本相同， 现取一条进行说明。

图 1-26 NPN管的共射输出特性曲线

在uCE较小时，集电结电场强度很小，对到达基区的电子吸引力不够，一旦uCE稍有增加，因此iC就跟着增大，iC受uCE影响较明显，曲线很陡；当uCE超过某一数值时，集电结的电场达到了足以将基区中的大部分非平衡少子拽到集电区的强度，所以，即使uCE再增大，也不会有更多的电子被收集过来，集电极电流iC基本恒定，特性曲线变得比较平坦。  然而实际上，由于集电结上反向电压的增加，集电结加宽， 相应地使基区宽度减小，这样在基区内载流子的复合减小，导致β增大。那么，在IB不变的情况下，iC将随uCE的增大而增大，特性曲线略向上倾斜，这种现象称为基区宽度调制效应。

根据上述输出特性曲线的特点，将三极管的工作范围划分为截止区、放大区和饱和区三个区域。  1） 截止区 输出特性曲线族中，IB=0以下的区域称为截止区。三极管工作在截止区时，发射结和集电结均处于反向偏置，IB=0，IC≤ICEO。通常ICEO很小，因此在近似分析中可以认为三极管的集电极和发射极之间呈高阻态，iC≈0，三极管截止，相当于开关断开。

2） 放大区 在图1-26中虚线以右，各条输出特性曲线较平坦的部分， 称为放大区。三极管工作在放大区时，发射结为正偏，集电结为反偏。在放大区，各条特性曲线几乎平行，且间距也几乎相等，这表明集电极电流iC受基极电流IB控制，而与uCE无关。所以在放大区，三极管可视为一个受基极电流IB控制的受控恒流源， 即β=IC/IB=ΔIC/ΔIB=β为一常数。

3） 饱和区 在图1-26中虚线以左，uCE很小，输出特性曲线陡直上升， 该区域称为饱和区。三极管工作在饱和区时，发射结和集电结均处于正向偏置，集电结收集电子的能力较小，IB增大时，iC增加很少，甚至不增大。从图1-26中可见，不同IB值的各条特性曲线几乎重叠在一起，IB对iC失去控制作用，因此三极管没有放大作用，不能用β来描述基极电流和集电极电流的关系。  工程上定义，uCE=uBE即uCB=0时, 三极管处于临界饱和；uCE<uBE时，则称为饱和。三极管饱和时的管压降用UCES表示，通常，小功率硅管的饱和管压降UCES约为0.3 V，小功率锗管约为0.1 V，所以三极管饱和时，集电极和发射极之间呈低阻态，相当于开关闭合。

1.3.4 三极管的主要参数 三极管的参数用来表征三极管的各种性能和适用范围。由于制造工艺的关系，即使同一型号的管子，其参数的离散性也很大， 晶体三极管手册上所给出的参数只是一般的典型值，了解这些参数的意义，对合理使用管子进行电路设计是十分必要的。  1． 电流放大系数 电流放大系数是表征三极管放大性能的参数。  1） 共射直流电流放大系数β 当忽略穿透电流ICEO时，β近似等于集电极电流与基极电流的直流量之比，即

2） 共射交流电流放大系数β  β定义为集电极电流与基极电流的变化量之比，即 3） 共基直流电流放大系数 当忽略反向饱和电流ICBO时，近似等于集电极电流与发射极电流的直流量之比，即

4） 共基交流电流放大系数α  α定义为集电极电流与发射极电流的变化量之比，即 在近似分析中可认为，

2． 极间反向电流 1） 集电极-基极反向饱和电流ICBO 集电极-基极反向饱和电流ICBO是指发射极开路时，集电极与基极之间的反向电流。在一定的温度下，这个反向电流基本上是个常数，所以称为反向饱和电流。由于ICBO是由少数载流子的运动形成的，因此对温度非常敏感。一个好的小功率锗三极管的ICBO约为几微安至几十微安，硅三极管的ICBO更小，有的可达到纳安数量级。

2） 集电极-发射极穿透电流ICEO 集电极-发射极穿透电流ICEO是指基极开路时，集电极与发射极之间的电流。由式（1-16）知三极管的 越大，该管的ICEO越大。由于ICBO随温度的增加而迅速增大，因此ICEO随温度的增大更为敏感。通常ICBO和ICEO越小，表明管子的质量越好。在实际工作中选用三极管时，不能只考虑β的大小，还要注意选用ICBO和ICEO较小的管子。

3． 极限参数 极限参数是指三极管使用时不允许超过的工作界限，超过此界限，管子性能下降，甚至损坏。  1） 集电极最大允许电流ICM 集电极电流iC在相当大的范围内β值基本不变，但是当iC的数值大到一定程度时，β值将减小。通常ICM表示β值降为正常β值的2/3时所允许的最大集电极电流。

PCM=iCuCE 2） 集电极最大允许功耗PCM 为了保护三极管的集电结不会因为过热而烧毁，集电结上允许耗散功率的最大值为PCM。

图 1-27 三极管的极限损耗线

3） 极间反向击穿电压 三极管上的两个PN结，若所加反向电压超过规定值，就会出现反向击穿，其反向击穿电压不但与管子本身的特性有关， 还与外部电路的连接方法有关。常用的反向击穿电压参数有以下几种：  (1) U（BR）CBO：发射极开路时，集电极-基极间的反向击穿电压。它实际上是集电结的反向击穿电压值，取决于集电结的雪崩击穿电压，其数值较高。

(2) U(BR)CEO： 基极开路时，集电极-发射极之间的反向击穿电压。这个电压的大小与ICEO有直接的关系，当uCE增大时，ICEO明显地增大， 导致集电结出现雪崩击穿。  (3) U(BR)EBO： 集电极开路时，发射极-基极之间的反向击穿电压。它是发射结的反向击穿电压值。

U(BR)CBO>U(BR)CES>U(BR)CER>U(BR)CEO 此外，集电极与发射极之间的击穿电压还有基极-发射极间接有电阻时的U(BR)CER及短路时的U(BR)CES。上述各击穿电压之间的关系为 U(BR)CBO>U(BR)CES>U(BR)CER>U(BR)CEO 综上所述，在三极管的输出特性曲线上，由PCM、ICM和 U (BR)CEO所围成的区域是三极管的安全工作区，如图1-27所示。

1.3.5 温度对三极管参数的影响 由于半导体材料的热敏特性， 三极管的参数几乎都与温度有关。在使用三极管时，主要考虑温度对ICBO、UBEO和β三个参数的影响。  1． 温度对ICBO的影响 ICBO是由三极管集电结反向偏置时平衡少子的漂移运动形成的。当温度升高时，由本征激发所产生的少子浓度增加，从而使ICBO增大。可以证明，温度每升高10℃，ICBO增加约 1 倍。通常硅管的ICBO比锗管的要小，因此硅管比锗管受温度的影响要小。

2． 温度对UBEO的影响 UBEO是三极管发射结正向导通电压，它类似于PN结的导通电压Uon，具有负温度系数，即温度每升高1℃，UBEO将减小2~2.5 mV。  3． 温度对β的影响 温度升高时，注入基区的载流子扩散速度加快，此时，在基区电子与空穴的复合数目减少，因而β增大。实验表明，温度每升高1℃，β将增加0.5%~1.0%。

【例1-2】用直流电压表测得某放大电路中一个三极管的三个电极对地电位分别是：U1=3 V，U2=9 V，U3=3 【例1-2】用直流电压表测得某放大电路中一个三极管的三个电极对地电位分别是：U1=3 V，U2=9 V，U3=3.7 V，试判断该三极管的管型及各电位所对应的电极。  解 由三极管正常放大的工作条件可知，三极管正向偏置时， 硅管的UBE≈0.7 V，锗管的UBE≈0.2 V；对于NPN型管, UC>UB>UE，对于PNP型管, UC<UB<UE。  根据题中已给条件，U3和U1电位差为0.7 V，可判断该管是硅管，且U3和U1所对应的电极一个是基极，一个是发射极，则U2所对应的电极一定是集电极c。又因为U2是三个电极电位中最高的电位，该管是NPN型管子。由U1<U3<U2可知，U1对应发射极e， U2对应集电极c，U3对应基极b。

【例1-3】某三极管的输出特性曲线如图1-28所示。求三极管在UCE=25 V，IC=2 mA处的电流放大系数β，并确定管子的穿透电流ICEO、反向击穿电压UCEO、集电极最大电流ICM和集电极最大功耗PCM。  解 在点Q（UCE=25 V，IC=2 mA）处取ΔIB=60μA-40μA=20 μA=0.02 mA, 此时图中特性曲线上ΔIC对应为ΔIC=2.9-0.90=1 mA 由公式IC=βIB+ICEO可知，当IB=0时，IC=ICEO，从图中可以看出IB=0 的那条输出特性曲线所对应的集电极电流为10μA，所以ICEO=10 μA。

图 1-28 例1-3三极管输出特性曲线

UCEO是基极开路（即IB=0）时，集电极与发射极之间的击穿电压。从IB=0的那条特性曲线可以看出UCE>50 V时，iC迅速增大， 所以UCEO为50 V。  通过UCE=25 V作垂线与PCM线相交，交点的纵坐标iC=3 mA， 所以PCM=iCuuCE=3×25=75 mW。ICM在图中已标出，其值为5 mA。

1.4 场 效 应 管 1.4.1 结型场效应管 1． 结构和符号 结型场效应管又分为N沟道JFET和P沟道JFET。在一块N型半导体两侧制作两个高掺杂的P型区， 形成两个P+N结。将两个P型区连在一起，引出一个电极称为栅极g，在N型半导体两端各引出一个电极，分别称为漏极d和源极s，两个P+N结中间的N型区域称为导电沟道，故该结构是N沟道JFET。N沟道JFET的结构示意图和电路符号如图1-29（a ）、（b）所示，符号上的箭头方向表示栅源之间P+N结正向偏置时，栅极电流的方向由P指向N。

(a) 结构示意图； (b) N沟道JFET符号； (c) P沟道JFET符号 图 1-29 结型场效应管的结构示意图和符号 (a) 结构示意图； (b) N沟道JFET符号； (c) P沟道JFET符号

2． 工作原理 JFET正常工作时，JFET的PN结必须加反偏电压。对于N沟道的JFET， 在栅极和源极之间应加负电压（即栅源电压uGS<0）， 使P+N结处于反向偏置，随着栅源电压uGS变化，两个P+N结的结宽，即耗尽层的宽度发生变化，导电沟道也跟着变化；在漏极和源极加正电压（即漏源电压uDS>0），以形成漏极电流iD。在外加电压uGS一定时，iD的大小由导电沟道的宽度决定。

1）uGS对导电沟道的控制作用 令uDS=0，即将漏极和源极短接，此时N沟道宽度仅受栅源电压uGS的影响。  当uDS=0，且uGS=0时，P+N结耗尽层最窄，导电沟道最宽, 如图1-30（a）所示。当|uGS|增大时，反向电压加大，耗尽层加宽， 导电沟道变窄，如图1-30（b）所示，沟道电阻增大。当|uGS|增大到一定数值时，沟道两侧的耗尽层相碰，导电沟道消失，如图1-30（c）所示，沟道电阻趋于无穷大，称此时的uGS为夹断电压，记作UGS(off)。N沟道的夹断电压UGS(off)是一个负值。

图 1-30

2） uDS对iD的影响 当uGS一定时，若uDS=0，虽然存在导电沟道，但是多数载流子不会产生定向移动，所以漏极电流iD为零。 当加上漏源电压uDS后，多数载流子——自由电子在导电沟道上定向移动，形成了漏极电流iD，同时在导电沟道上产生了由漏极到源极的电压降。 这样从漏极到源极的不同位置上，栅极与沟道之间的P+N结上所加的反向偏置电压是不等的，靠近漏端的P+N结上，反偏电压uGD=uGS-uDS最大，耗尽层最宽，沟道最窄；靠近源端的P+N结上，反偏电压uGS最小，耗尽层最窄，沟道最宽，导电沟道呈楔形，如图1-31（a）所示。由图可见，由于uDS的影响，导电沟道的宽度由漏极到源极逐渐变宽，沟道电阻逐渐减小。

在uDS较小时，沟道靠近漏端的宽度仍然较大，沟道电阻对漏极电流iD的影响较小，漏极电流iD随uDS的增大而线性增加， 漏-源之间呈电阻特性。随着uDS的增大，靠近漏端的耗尽层加宽， 沟道变窄，如图1-31（b）所示，沟道电阻增大，iD随uDS的增大而缓慢地增加。  当uDS的增加使得uGD=uGS-uDS=UGS(off)，即uDS=uGS-UGS(off)时， 靠近漏端两边的P+N结在沟道中A点相碰，这种情况称为预夹断，如图1-31（c）所示。在预夹断处，uDS仍能克服沟道电阻的阻力将电子拉过夹断点，形成电流iD。

当uDS>uGS-UGS(off)以后，相碰的耗尽层扩大，A点向源端移动，如图1-31（d）所示。由于耗尽层的电阻比沟道电阻大得多， 因此uDS>uGS-UGS(off)的部分几乎全部降在相碰的耗尽层上，夹断点A与源极之间沟道上的电场基本保持在预夹断时的强度，iD基本不随uDS的增加而增大，漏极电流趋于饱和。 若uDS继续增加，最终将会导致P+N结发生反向击穿，漏极电流迅速上升。  

图 1-31

综上分析，uGS和uDS对导电沟道均有影响，但改变uGS，P+N结的宽度发生改变，整个沟道宽度改变，沟道电阻改变，漏极电流跟着改变， 所以漏极电流主要受栅源电压uGS的控制。  由以上分析可得下述结论：  (1) JFET栅极和源极之间的PN结加反向偏置电压，故栅极电流iG≈0，输入电阻很高；  (2) JFET是一种电压控制型器件，改变栅源电压uGS，漏极电流iD改变；  (3) 预夹断前，iD与uDS呈线性关系；预夹断后，漏极电流iD趋于饱和。  P沟道JFET正常工作时，其各电极间电压的极性与N沟道JFET的相反。

3． 特性曲线 1） 输出特性曲线 输出特性曲线是指在栅源电压UGS为某一固定值时，漏极电流iD与漏源电压uDS之间的关系曲线， 即 （1-27） 对应于一个uGS，就有一条输出曲线，因此输出特性曲线是一特性曲线族，如图1-32 所示。图中将各条曲线上uDS=uGS-UGS(off)的点连成一条虚线， 该虚线称为预夹断轨迹。

图 1-32 N沟道JFET输出特性曲线

整个输出特性曲线可划分为四个区：  (1) 可变电阻区。预夹断轨迹的左边区域称为可变电阻区。 它是在uDS较小时，导电沟道没有产生预夹断时所对应的区域。 其特点是：uGS不变，iD随uDS增大而线性上升，场效应管漏源之间可看成一个线性电阻。改变uGS，特性曲线的斜率改变，即线性电阻的阻值改变，所以该区域可视为一个受uGS控制的可变电阻区。 

(2) 饱和区。 饱和区又称为放大区或恒流区。它是在uDS较大，导电沟道产生预夹断以后所对应的区域，所以在预夹断轨迹的右边区域。 其特点是：uGS不变，iD随uDS增大仅仅略有增加，曲线近似为水平线，具有恒流特性。若取uGS为不同值时，特性曲线是一族平行线。 因此，在该区域iD可视为一个受电压uGS控制的电流源。 JFET用作放大管时， 一般就工作在这个区域。

(3) 截止区。当uGS<uGS（off）时，导电沟道全部夹断，iD≈0，场效应管处于截止状态，即图中靠近横轴的区域。  (4) 击穿区。击穿区是当uDS增大到一定数值以后，iD迅速上升所对应的区域。该区产生的原因是：加在沟道中耗尽层的电压太高，使栅漏间的P+N结发生雪崩击穿而造成电流iD迅速增大。 栅漏击穿电压记为U(BR)GD。通常不允许场效应管工作在击穿区， 否则管子将损坏。一般把开始出现击穿的uDS值称为漏源击穿电压，记为U(BR)DS，U(BR)DS=uGS-U(BR)GD。由于PN结反向击穿电压总是一定的， 因此uGS越小，出现击穿的uDS越小。

2） 转移特性曲线 由于场效应管栅极输入电流近似为零，因此讨论输入特性是没有意义的。但是，场效应管是一种电压控制型器件，其栅源电压uGS可以控制漏极电流iD，故讨论uGS和iD之间的关系可以研究电压对电流的控制作用。所谓转移特性曲线, 就是在漏源电压UDS为一固定值时，漏极电流和栅源电压之间的关系曲线，即

转移特性曲线可以根据输出特性曲线求得。由于在饱和区内，不同uDS作用下iD基本不变，因此可以用一条转移特性曲线来表示饱和区内iD与uGS的关系。在输出特性曲线的饱和区中作一条垂直于横轴的垂线，如图1-33所示。该垂线与各条输出特性曲线的交点表示场效应管在UDS一定的条件下iD与uGS关系。把各交点的iD与uGS值画在iD~uGS的直角坐标系中，连接各点便得到转移特性曲线。 在工程计算中，饱和区里iD与uGS关系可用转移特性方程来描述，即 (UGS(off)<uGS<0) （1-29） 式中IDSS是uGS=0时的漏极电流，常称为饱和漏极电流。

图 1-33 由输出特性曲线绘制转移特性曲线

【例1-4】结型场效应管共源电路如图1-34所示。已知管子的UGS(off)=-5 V, 试分析: （1）UGS=-7 V, UDS=4 V；（2）UGS=-3 V, UDS=4 V；（3）UGS=-3 V, UDS=1 V三种情况下, 场效应管的工作状态。  解（1） 因为UGS=-7 V<UGS(off)=-5 V，所以 N沟道JFET的导电沟道全部夹断，无论UDS为何值，漏极电流iD=0，故管子工作在截止状态。

（2）因为UGS=-3 V>UGS(off)=-5 V，且预夹断点的漏源电压UDS(预夹断)=UGS-UGS(off) =-3-(-5)=2 V，UDS=4 V大于预夹断处的UDS值，故管子工作在饱和区。  （3）因为UGS=-3 V>UGS(off)=-5 V，且预夹断点的漏源电压UDS(预夹断)=UGS-UGS(off)=-3-（-5)=2 V，UDS=1 V小于预夹断处的UDS值，故管子工作在可变电阻区。

1.4.2 绝缘栅型场效应管 在结型场效应管中，栅极与源极之间PN结是反向偏置，所以栅源之间的电阻很大。但是PN结反偏时总会有反向电流存在，而且反向电流随温度升高而增大，这就限制了输入电阻的进一步提高。 如果在栅极与其它电极之间用一绝缘层隔开，则输入电阻会更高， 这种结构的管子称为绝缘栅型场效应管。 根据绝缘层所用材料的不同，有多种不同类型的绝缘栅型场效应管，目前采用最广泛的一种是以二氧化硅（SiO2）为绝缘层， 称为金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET, MetalOxide Semiconductor Field Effect Transistor），简称MOS管。这种场效应管输入电阻约为108~1010Ω，高的可达1015Ω，并且制造工艺简单，便于集成。

MOS管也有N沟道和P沟道两种类型，每类根据工作方式不同，又可分为增强型和耗尽型。所谓耗尽型, 就是当uGS=0时， 存在导电沟道，iD≠0，（JFET就属于此类）；所谓增强型, 就是uGS=0时，没有导电沟道，iD=0。P沟道和N沟道MOS管的工作原理相似，下面以N沟道MOS管为例来讨论其工作原理和特性。

1． N沟道增强型MOSFET 1) 结构和符号 N沟道增强型MOSFET的结构示意图如图1-35（a）所示。 它以一块掺杂浓度较低的P型硅片为衬底，利用扩散工艺在衬底的上边制作两个高掺杂的N+型区，在两个N+型区表面喷上一层金属铝，引出两个电极，分别称为源极s和漏极d，然后在P型硅表面制作一层很薄的二氧化硅绝缘层，并在两个N+型区之间的绝缘层表面也喷上一层金属铝，引出一个电极称为栅极g。在衬底底部引出引线B，通常衬底与源极接在一起使用。 这样栅极-SiO2绝缘层-衬底形成一个平板电容器，通过控制栅源电压改变衬底中靠近绝缘层处感应电荷的多少，从而控制漏极电流。

图 1-35

2） 工作原理 正常工作时，N沟道MOSFET的栅源电压uGS和漏源电压uDS均为正值。  当uGS=0时，漏-源之间是两个背靠背的PN结，不存在导电沟道。此时，即使漏-源之间加上正电压，也肯定是一个PN结导通， 一个PN结截止， 因此不会有漏极电流iD。

图 1-36

当uDS=0且uGS>0时，由于SiO2绝缘层的作用，栅极电流为零。 但是作为平板电容器，在SiO2绝缘层中产生一个由栅极指向衬底的电场，该电场排斥栅极附近P型衬底的空穴，使之剩下了不能移动的负离子区，形成耗尽层；同时把P型衬底内的少子电子吸引到衬底表面，如图1-36（a）所示；随着uGS增大，一方面耗尽层加宽，另一方面被吸引到衬底表面的电子增多，当uGS增大到一定数值时，在衬底表面形成了一个电子薄层，称为反型层， 如图1-36（b）所示。这个反型层将两个N+型区相连，成为漏-源之间的导电沟道。通常将开始形成反型层所需的uGS值称为开启电压UGS（th）。uGS越大，反型层越厚，导电沟道电阻越小。

uGD=uGS-uDS uDS=uGS-UGS(th) 当uGS>UGS(th)后，若在漏-源之间加正向电压，将有漏极电流iD产生。当uDS较小时，iD随uDS的增大而线性上升。由于iD通过沟道形成自漏极到源极的电位差，因此加在“平板电容器”上的电压将沿着沟道变化。靠近源端的电位最大，其值为uGS，相应沟道最深；靠近漏端电位最小，其值为 uGD=uGS-uDS （1-30） 相应沟道最浅，如图1-36（c）所示。当uGS一定时，随着uDS增大， uGD减小，靠近漏端的沟道深度也减小，直到uGD= UGS(th)，即uGS-uDS=UGS(th)或 uDS=uGS-UGS(th) （1-31）

时，靠近漏端的反型层消失，沟道在A点被夹断，称为预夹断， 如图1-36（d）所示。如果uDS继续增大，夹断区域延长，如图1-36（e）所示。以后，由于uDS的增大部分几乎全部用于克服夹断区对漏极电流的阻力，因此iD几乎不随uDS的增大而变化，管子进入恒流区，iD基本上由uGS控制。

图 1-37 N沟道增强型MOSFET的特性曲线 3） 特性曲线 图 1-37 N沟道增强型MOSFET的特性曲线 (a) 输出特性曲线； (b) 转移特性曲线

同JFET一样，输出特性曲线也分为四个区域，即可变电阻区、饱和区、截止区和击穿区。在饱和区内，转移特性可近似地表示为 （1-32） 式中, IDO是uGS=2UGS(th)时的iD。

2． N沟道耗尽型MOSFET 在制造MOSFET时，如果预先在二氧化硅绝缘层中掺入大量的正离子，那么即使uGS=0，在正离子的作用下，P型衬底表层也会被感应出反型层， 形成N沟道，并与两个N+型区——源区和漏区连接在一起，如图1-38（a）所示。只要在漏-源之间加正向电压就会产生漏极电流iD。

图 1-38 N沟道耗尽型MOSFET结构示意图和耗尽型MOS管符号 (a) 结构示意图； (b) N沟道耗尽型MOS管符号； (c) P沟道耗尽型MOS管符号

如果在栅-源之间加正电压，uGS所产生的外电场增强了正离子所产生的电场，则会吸引更多的自由电子，沟道变宽，沟道电阻变小，iD增大；如果在栅-源之间加负电压，uGS所产生的外电场削弱了正离子所产生的电场，吸引自由电子数量少，沟道变窄， 沟道电阻变大，iD减小；当uGS负到一定值时，导电沟道消失，iD=0，此时的uGS值称为夹断电压UGS（off）。可见耗尽型MOSFET的栅源电压uGS可正、可负，改变uGS可以改变沟道宽度，从而控制漏极电流iD。由于这种管子的栅极和源极是绝缘的，因此栅极基本上无电流。

3． P沟道MOSFET 与N沟道MOSFET相对应，P沟道增强型MOSFET的漏-源之间应加负电压，当uGS<UGS（th）时导电沟道才存在，管子导通，所以开启电压UGS（th）<0；P沟道耗尽型MOSFET的栅源电压uGS可正、可负，夹断电压UGS（off）>0，改变uGS可实现对漏极电流iD的控制。  各种MOSFET的特性比较如表1.2所示。

表1.2 各种FET的特性比较

表1.2 各种FET的特性比较

【例1-5】有一只场效应管，不知道是什么类型的管子，通过实验测出它的输出特性如图1-39所示。试确定该管类型，并分别求出它的UGS（off）（或UGS（th））、IDSS、U（BR）DS的值。 图 1-39 例1-5的输出特性曲线

UGS(off)=+3 V U(BR)DS=-15V IDSS=-4mA 解 由图1-39可知，栅源电压uGS的极性可正、可负，漏源电压uDS为负极性，故题图特性曲线所示的管子是P沟道耗尽型MOSFET。 由图可见 UGS(off)=+3 V U(BR)DS=-15V IDSS=-4mA

1.4.3 场效应管的主要参数 1． 直流参数 （1）夹断电压UGS(off)：实际测试时，uDS为某一固定值，使iD等于一个微小电流（如5μA）时的栅源电压uGS。它是JFET和耗尽型MOSFET的参数。  （2）开启电压UGS(th)：uDS为某一固定值，使iD大于零所需的最小|uGS|。一般场效应管手册给出的是在iD为规定的微小电流（如5μΑ）时的uGS。 它是增强型MOSFET的参数。 

（3）饱和漏极电流IDSS：uGS=0, uGD大于夹断电压|UGS(off)|时所对应的漏极电流。  （4）直流输入电阻RGS(DC)：栅源电压与栅极电流的比值。由于场效应管的栅极几乎不取电流，因此其输入电阻很大。一般JFET的RGS(DC)大于107Ω，而MOSFET的RGS(DC)大于109 Ω。

2． 交流参数 （1） 低频跨导gm：在管子工作于恒流区且uDS为常数时，iD的微变量ΔiD和引起它变化的微变量ΔuGS之比，即 （1-33） 它反映了栅源电压对漏极电流的控制能力，gm愈大, 表示uGS对iD的控制能力愈强。gm的单位是S（西门子）或mS。 通常情况下它在十分之几至几mS的范围内。

gm相当于转移特性上工作点的斜率。它的估算值可通过对式（1-29）和式（1-32）求导得到，即 (1-34) (1-35)

（2）极间电容：场效应管的三个电极间存在着极间电容。 通常栅-源间极间电容Cgs和栅-漏间极间电容Cgd约为 1~3 pF，而漏-源间极间电容Cds约为 0.1~1 pF。 它们是影响高频性能的微变参数，应越小越好。

3． 极限参数 （1）最大耗散功率PDM：uDS和iD的乘积，即PDM=uDSiD。PDM受管子最高温度的限制，当PDM确定后，便可在管子的输出特性曲线上画出临界最大功耗线。  （2）漏源击穿电压U(BR)DS：管子进入恒流区后，使iD急剧上升的uDS值，超过此值，管子会烧坏。  （3）栅源击穿电压U(BR)GS：对于JFET，使栅极与沟道间PN结反向击穿的uGS值；对于MOSFET，使栅极与沟道之间的绝缘层击穿的uGS值。