项目一
常用半导体器件基础知识

任务1-1　二极管的特性与测试

任务1-1-1　半导体基本知识

自然界中的物质，按其导电能力可分为导体、半导体和绝缘体。半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间。最常用的半导体材料有硅（Si）、锗（Ge）和砷化镓（GaAs）等。半导体的导电特性（电阻率）受到各种因素的影响：

热敏特性。温度升高，大多数半导体的电阻率下降。由于半导体的电阻率对温度特别灵敏，利用这种特性就可以做成各种热敏元件。

光敏特性。许多半导体受到光照辐射，电阻率下降。利用这种特性可制成各种光电元件。

掺杂特性。在纯净的半导体中有控制、有选择地掺入微量的有用杂质（某种元素），它的导电能力就可增加至10 ⁴ 甚至10 ⁶ 倍。利用这种特性制成两种类型的掺杂半导体，以这两种半导体为基础的PN结，构成了系列的半导体器件，如半导体二极管、三极管、集成电路等。

1. 本征半导体

纯净的半导体称为本征半导体。自然界所有的物质都是由原子组成，原子又由带正电的原子核和若干带负电的电子组成。如硅、锗材料，它们都是4价元素，每个硅原子最外层都有4个价电子（最外层电子称价电子），硅原子除了吸住本身的价电子，还吸住相邻的价电子，组成一对对的共价键。硅和锗制成单晶体后，都是共价键结构，原子最外层有4个价电子，如图1-1所示为硅或锗晶体的共价键结构。

在本征半导体中，原子外层价电子所受到原子核的束缚力没有绝缘体里价电子那么大，因此在室温下，总有少数价电子因受热而获得能量，摆脱原子核的束缚，从共价键中挣脱出来，成为自由电子。与此同时，失去价电子的硅或锗原子在该共价键上留下了一个空位，这个空位称为空穴。由于本征硅或锗每产生一个自由电子必然会有一个空穴出现，即电子与空穴成对出现，称为电子空穴对。

本征激发就是在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位（空穴）的过程。如图1-2所示为本征半导体的本征激发示意图。在室温下，本征半导体内产生的电子空穴对数目是很少的。自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程称为复合。本征半导体中既有电子载流子，又有空穴载流子，存在两种载流子是半导体导电的一个重要特征。

1. 杂质半导体

在本征半导体中掺入微量元素，可以改善半导体材料的导电性能，这类半导体称为杂质半导体。杂质半导体有N型半导体和P型半导体两类。

如果在本征半导体中掺入微量五价元素，如磷（P）、砷（As）等，这样就形成了N型半导体，也叫电子型半导体。N型半导体的结构如图1-3（a）所示。N型半导体的多数载流子是电子，少数载流子是空穴。

如果在本征半导体中掺入微量三价元素，如硼（B）、铟（In）等，这样就形成了P型半导体，也叫空穴型半导体。P型半导体的结构如图1-3（b）所示。P型半导体的多数载流子是空穴，少数载流子是电子。

2.PN 结

（1）PN结的形成

P型或N型半导体的导电能力虽然较高，但并不能直接用来制造半导体器件。PN结是构成各种半导体的基础。PN结是采用特定的制作工艺，在同一块半导体基片的两边分别形成N型和P型半导体。由于P区和N区半导体交界面两侧的两种载流子的浓度有很大的差异，这时，在N区和P区之间的交界面附近形成一个极薄的空间电荷层，称为PN结。PN结的形成如图1-4所示。

（2）PN结的单向导电性

PN结具有单向导电性。当外加电压时，P区一端的电位高于N区一端的电位时，PN结正向偏置，简称正偏。如图1-5所示PN结加正向电压时，空间电荷区变窄，PN结电阻很低，正向电流较大，PN结处于导通状态。

当外加电压时，P区一端的电位低于N区一端的电位时，PN结反向偏置，简称反偏。如图1-6所示PN结加反向电压时，空间电荷区变宽，PN结呈现高电阻，处于反向截止状态。

综上所述，PN结正偏时导通，呈现很小的电阻，形成较大的电流；反偏时截止，呈现很大的电阻，反向电流近似为零。因此，PN结具有单向导电性。

任务1-1-2　半导体二极管

1. 二极管的结构与符号

二极管内部由一个PN结构成，在PN结的两端各引出金属电极，然后用外壳封装起来就构成了二极管。几种常见的二极管外形如图1-7（a）所示。

二极管的电路符号如图1-7（b）所示，由P区引出的电极称为正极（阳极），由N区引出的电极称为负极（阴极），电路符号中的箭头方向表示正向电流的流向。

按PN结面积的大小，半导体二极管可分为点接触型和面接触型两类；按PN结材料不同，可分为硅管和锗管两类；按用途不同，可分为检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关二极管等。

2. 二极管的伏安特性

二极管最主要的特性就是单向导电性，可以用伏安特性曲线来表示。二极管的伏安特性指的是二极管两端的电压与流过二极管的电流之间的关系。如图1-8（a）所示为硅二极管的伏安特性曲线。

（1）正向特性

OA 段：当二极管两端所加的正向电压较小时，几乎没有电流流过二极管。在这段区域，二极管实际上没有导通，二极管呈现很大的电阻，该区为“死区”。硅管的死区电压约为0.5V，锗管的死区电压约为0.1V。

A 点以后，正向电压大于死区电压，有较大的正向电流流过二极管，称为二极管导通。

BC 段：在这个区域内，正向电压略有增加，电流就会增大很多，这时二极管呈现很小的电阻，二极管处于充分导通状态。硅管的导通电压约为0.7V，锗管的导通电压约为0.2V。

（2）反向特性

OD 段：当二极管两端加反向电压时，只有很小的反向电流流过二极管。在同样的温度下，硅管的反向电流比锗管小得多，反向电流越大，表明二极管的反向性能越差。

D 点以后，当加在二极管两端的反向电压增大到 U _BR 时，二极管反向电流将突然增大，二极管失去单向导电性，这种现象称为电击穿。发生击穿时的电压 U _BR 称为反向击穿电压。若二极管的反向电压超过此值时，没有适当的限流措施，会因电流大、电压高而损坏二极管，这种现象叫作热击穿。

3. 二极管的主要参数

（1）最大整流电流 I _F

指二极管长期运行允许通过的电流平均值。使用时，管子的平均电流值不能大于这个数值，否则会使二极管中PN结的温度超过允许值而损坏。

（2）最大反向工作电压 U _RM

指管子工作时所允许加的最高反向电压，超过此值二极管可能有击穿的危险。

（3）反向电流 I _R

指二极管未被击穿时的反向电流。反向电流越小，管子的单向导电性能越好。

（4）最高工作频率 f _M

指二极管具有单向导电性的最高工作频率。由于PN结具有电容效应，当工作频率大于 f _M ，其单向导电性明显变差，甚至失去单向导电性。所以使用二极管时需注意信号的频率，应小于最高工作频率。

任务1-1-3　半导体二极管的等效电路

二极管的伏安特性是非线性的，在电路中分析时较为复杂。在应用中，常常将二极管的伏安特性进行线性化处理。常用的有下面两种方法：

1. 理想二极管的伏安特性

理想二极管的伏安特性如图1-9（a）粗线所示，虚线为二极管的实际伏安特性。由图可知，理想二极管正偏时导通，导通压降为0，相当于开关闭合；反偏时截止，电流为0，相当于开关断开。

2. 二极管的恒压特性

如图1-9（b）所示为二极管的恒压特性曲线。由图可知，当二极管两端的电压大于导通电压时，二极管导通，两端的电压硅管约为0.7V，锗管约为0.2V；二极管两端的电压小于此值时，二极管截止。显然，这种等效更接近实际二极管的特性。

任务1-1-4　半导体二极管的应用电路

1. 限幅电路

在电子电路中，为了降低信号的幅度以满足电路工作的需要，常利用二极管构成限幅电路。如图1-10（a）所示为二极管的限幅电路，VD ₁ 和VD ₂ 为理想二极管。

在图1-10（a）所示电路中，若输入电压 u _i 为正弦波信号，且幅值大于 U _C1 （= U _C2 ）的，当 u _i 为正半周时，VD ₂ 总是截止的，若 u _i < U _C1 ，VD ₁ 也是截止的，输出电压 u _o = u _i ；若 u _i > U _C1 ，VD ₁ 正偏导通， u ₀ = U _C1 。

当 u _i 为负半周时，VD ₁ 总是截止的，若 u _i >- U _C2 ，VD ₂ 是截止的，输出电压 u _o = u _i ；若 u _i <- U _C2 ，VD ₂ 正偏导通， u ₀ =- U _C2 。 u _o 的波形如图1-10（b）所示。可见，输出电压正、负半波的幅度同时受到了限制，该电路称为双向限幅电路。

2. 整流电路

（1）单相半波整流电路

如图1-11（a）所示为单相半波整流电路图，电路中用变压器将电网的交流正弦电压 u ₁ 变成 u ₂ 。当 u ₂ 为正半周时，二极管VD导通，有电流流过二极管和负载。当 u ₂ 为负半周时，二极管反向偏置而截止，因此二极管电流和负载电流均为零。图1-11（b）画出了半波整流电路中的波形图。

（2）单相全波整流电路

全波整流电路是在半波整流电路的基础上加以改进而得到的。利用具有中心抽头的变压器与两个二极管配合，使两个二极管在正、负半周内轮流导电，而且两者流过负载的电流保持同一方向，从而使正、负半周在负载上均有输出电压。如图1-12所示为单向全波整流电路及波形图。

u ₂ 正半周时，VD ₁ 导通，VD ₂ 截止， 流过 R _L ，在负载上得到上正下负的输出电压； u ₂ 负半周时，VD ₁ 截止，VD ₂ 导通， 流过 R _L ，产生的电压极性也为上正下负。因此，在负载上可以得到一个单方向的全波脉动直流电压。

任务1-2　三极管的特性与测试

在电子设备中，经常需要对微弱的电信号进行放大。在生产实践和科学实验中，从传感器获得的模拟信号通常很微弱，只有经过放大后才能进一步处理，或者使之具有足够的能量来驱动执行机构，完成特定的工作。由两个PN结组成的半导体晶体管具有这种放大作用，广泛地应用于收音机电路、家用电子产品或工业控制电路中。

晶体管又称双极型三极管，简称BJT（即Bipolar Junction Transistor）。它有空穴和自由电子两种载流子参与导电，是一种电流控制型半导体器件。晶体管是通过一定的工艺将两个PN结相结合所构成的器件。晶体管的种类很多，按照制造材料的不同，分为硅管和锗管；按照结构的不同，分为NPN型管和PNP型管；按照频率分，有低频管和高频管；按照功率分，有小、中、大功率管。

任务1-2-1　晶体管的结构与符号

如图1-13所示为晶体管的结构示意图和符号。其中图1-13（a）所示为NPN型晶体管，图1-13（b）所示为PNP型晶体管。从图中可以看出，他们有3个区，分别是集电区、基区和发射区，并相应引出三个电极，即集电区引出集电极c，基区引出基极b，发射区引出发射极e。晶体管有两个PN结，集电区和基区的PN结称为集电结，发射区和基区的PN结称为发射结。晶体管的电路符号中箭头指示了发射极的位置及电流流向，NPN型晶体管的电路符号箭头方向是流出，PNP型晶体管的电路符号箭头方向是流入的。

不论是NPN型晶体管还是PNP型晶体管，它们的结构都有一个共同特点，即发射区掺杂浓度很高，基区很薄且掺杂浓度很低，集电区掺杂浓度很低但集电结的面积很大，这是晶体管具有电流放大的内部条件。发射区的作用是发射载流子，基区的作用是传输载流子，集电区的作用是接收从发射区发射过来的载流子。

任务1-2-2　晶体管的工作原理

1. 晶体管的偏置

发射区掺杂浓度很高，基区很薄且掺杂浓度很低，集电区掺杂浓度很低但集电结的面积很大，这是晶体管实现放大的内部条件。实现放大的外部条件是发射结正偏、集电结反偏。如图1-14所示为NPN管组成放大电路的外部电路。基极电源 U _BB 经限流电阻 R _B 在基极b和发射极e之间加正向电压 U _BE >0，发射结正偏；集电极电源 U _CC 通过集电极电阻 R _C 给集电结加反向电压即 U _CB >0。因为 U _CE = U _CB + U _BE ，所以只要 U _CE > U _BE ，便可使 U _CB <0，实现集电结反偏。由以上分析可知，当NPN管处放大状态时， U _C > U _B > U _E 。如图1-14（b）所示为PNP管组成放大电路的外部电路，如果发射结正偏，集电结反偏，则要满足 U _C < U _B < U _E 。

2. 晶体管内部载流子的运动和各级电流的形成

图1-15中，基极和发射极所在的回路是晶体管的输入回路，集电极和发射极所在的回路是晶体管的输出回路，图中输入回路和输出回路的公共端是发射极，所以这种连接方式称为共发射极电路。

（1）发射区向基区注入电子

如图1-15所示为晶体管内部载流子的运动和各极电流，由于发射结加的是正向电压，有利于发射区的多子向基区扩散，同时，基区的空穴也要扩散到发射区，其数量很少，可以忽略。外电源不断地向发射区补充电子，从而形成发射极电流 I _E 。由于电流的方向与电子的运动方向相反，所以发射极电流 I _E 是从发射极流出管外。

（2）电子在基区的扩散与复合

由发射区来的电子到达基区后，基区很薄且浓度低，电子要继续向集电结扩散，在扩散的过程中，少数电子与基区的空穴复合，形成基极电流 I _B ，并且基极电流很小。

（3）集电区收集电子

由于集电结加的是反向电压，所以集电区的多子和基区的多子很难发生扩散运动，但是对发射区来的电子有很强的吸引力，使得电子漂移到集电区，形成集电极电流 I _C 。注意： I _C 是由发射区越过基区来的载流子形成的，而不是集电区本身的多子运行形成的。

当然，在分析的过程中，还存在反向饱和电流 I _CBO ， I _CBO 很小，多数情况下可以忽略。

3. 晶体管各极电流的分配关系

由分析晶体管内部载流子的运动可知，晶体管从发射区扩散到基区的电子，一小部分在基区复合，大部分到达集电区。 I _B 、 I _C 是由 I _E 分配得到的，它们之间的关系为

I _E =I _B +I _C （1-1）

且 I _B ≪ I _C 。

I _C 与 I _B 的比值反映了晶体管的电流放大能力，通常用 来表示，即

称为晶体管的共发射极直流放大系数。当晶体管制成时， β -的值就确定了，由式（1-2）可得

I _C = （1-3）

由式（1-1）和（1-3）可知

I _E = I _B + I _C = I _B + =（1+ ） I _B

图1-16为晶体管的电路方向和分配关系。NPN管和PNP管电路分配关系相同，都满足式（1-1），但是由于形成载流子的极性不同，所以电流的方向也不同。

任务1-2-3　晶体管的伏安特性

1. 共发射极输入特性曲线

共发射极输入特性指的是当 U _CE 为常数时， U _BE 和 I _B 之间的函数关系，即

如图1-17所示为NPN硅管的输入特性曲线。由图可见：

①晶体管的输入特性曲线与二极管的伏安特性曲线相似，有死区电压，当 U _BE 大于死区电压时发射结导通，导通后 U _BE 近似为常数。

②当 U _CE >1V后，曲线重合为同一曲线。在实际使用时， U _CE 多数大于1V，通常所说的输入特性曲线指的就是最右边这条，一般硅管的死区电压约为0.5V，导通电压约为0.7V。对于锗管死区电压约为0.1V，导通电压约为0.2V。

2. 共发射极输出特性曲线

晶体管的共发射极输出特性是指当基极电流为常数时，集电极与发射极电压 U _CE 和集电极电流 I _C 之间的函数关系，即

如图1-18所示为NPN硅管的共发射极输出特性曲线。从图上可知晶体管的三个工作区，即放大区、饱和区和截止区。

（1）放大区

图中 I _B >0曲线近似于水平的区域是放大区。在放大区，晶体管处于饱和状态，发射结正偏、集电结反偏。并且有 I _C = βI _B ， I _C 和 I _B 成正比关系，管子具有线性放大作用。

（2）饱和区

U _CE 很小时紧靠纵轴的很陡的曲线为饱和区。在此区域时，晶体管处于饱和状态，发射结和集电结均正偏。此时，管压降 U _CE 称为饱和压降，记为 U _CE（sat） ，硅管约为0.3V，锗管约为0.1V， I _C ≠ βI _B 。

（3）截止区

I _B ≤0曲线以下的区域称为截止区。在该工作区，晶体管处于截止状态，发射结和集电结均反偏， I _B =0， I _C ≈0，集电极和发射极间呈现很高的电阻，相当于开关断开。

另外，由于晶体管存在死区电压，所以当硅管 U _BE <0.5V或锗管 U _BE <0.1时，晶体管截止。

任务1-2-4　晶体管的主要参数

晶体管的主要参数有电流放大系数、极间反向电流和晶体管的极限参数。电流放大系数表征放大性能的参数；极间反向电流表征稳定性的参数；晶体管的极限参数表征安全工作的参数。

1. 电流放大系数

（1）共射直流电流放大系数

其定义为：

（2）共射交流电流放大系数 β

其定义为：

从定义上可以看出， 和 β 的含义是不同的，但是两个参数的值较为接近。在应用中，常把 ≈ β 。在手册或万用表上有时用 h _FE 来代表 。

2. 极间反向电流

（1）反向饱和电流 I _CBO

I _CBO 称为集电极—基极反向饱和电流，它是发射极开路时流过集电结的反向电流。

（2）穿透电流 I _CEO

I _CEO 称为穿透电流，它是基极开路时，从集电极到发射极的电流。

I _CBO 、 I _CEO 受温度的影响较大，随着温度的升高而增大，其值越小，受温度的影响就越小，管子的温度稳定性就越好。

3. 晶体管的极限参数

（1）集电极最大允许电流 I _CM

当集电极电流超过了最大允许电流时，不一定损坏管子，但是 β 值会下降，如果电流过大，那么就可能会烧坏管子。

（2）集电极最大允许耗散功率 P _CM

晶体管的损耗功率主要为集电结功耗，通常用 P _C 表示， P _C = i _CuCE 。 P _CM 就是在允许的集电结的温度下，集电极允许消耗的最大功率。当 P _C > P _CM 时，管子可能烧坏。

（3）反向击穿电压 U _（BR）CEO 、 U _（BR）CBO 和 U _（BR）EBO

U _（BR）CEO 是基极开路时集电极—发射极间反向击穿电压。

U _（BR）CBO 是发射极开路时集电极—基极间反向击穿电压。

U _（BR）EBO 是集电极开路时发射极—基极间反向击穿电压。

由晶体管的极限参数 I _CM 、 P _CM 和 U _（BR）CEO 可以画出管子的安全工作区，如图1-19所示。使用时，不允许将晶体管的工作点设在安全工作区之外。

任务1-3　场效应管的特性与测试

场效应晶体管又称单极型半导体三极管，简称FET，它利用改变电场强弱来控制固体材料的导电能力。它由一种载流子参与导电，故称为单极性半导体三极管。

场效应管出现于20世纪60年代初，是一种电压控制型半导体器件。与晶体管相比，场效应管的突出优点是输入阻抗非常高，能满足高内阻的信号源对放大电路的要求，是比较理想的前置输入级放大器件。此外，场效应管还具有噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、功耗低、制造工艺简单、便于集成等优点，有着非常广泛的应用。

场效应管按照结构的不同可以分为结型场效应管（Junction type Field Effect Transistor，JFET）和金属—氧化物—半导体场效应管（即Metal-Oxide-Semiconductor type Field Effect Transistor，MOSFET）。MOSFET又称绝缘栅型场效应管（Insulation Gate type Field Effect Transistor，IGFET）。结型场效应管和MOS场效应管都有N沟道和P沟道之分，MOS管还有增强型和耗尽型之分，所以场效应管共有六种类型。

任务1-3-1　结型场效应管

1. 结型场效应管的结构

N沟道结型场效应管的结构示意图和符号如图1-20所示，它是一块N型半导体材料两侧通过扩散的方法形成两个高浓度P ⁺ 区，这样形成两个PN结。两边P ⁺ 区引出两个电极并连在一起称为栅极G，两个从N区引出的电极分别称为源极S和漏极D。

两个PN结中间的N型区域称为导电沟道，因为导电沟道是N型半导体，所以称为N沟道结型场效应管。由于存在原始沟道，故结型场效应管属于耗尽型。如图1-20（b）所示为N沟道结型场效应管的符号，场效应管符号中箭头的方向总是从P型半导体指向N型半导体，根据箭头的方向就知道管子的类型。

另外，若中间半导体改用P型半导体，两侧是高掺杂的N ⁺ ，则得到P沟道结型场效应管，其结构示意图和符号如图1-21所示。

2. 工作原理

以N沟道结型场效应管为例进行分析。结型场效应管的栅极不是绝缘的，为了使场效应管呈现高输入阻抗，栅极电路近似为零，应使栅极和沟道间的PN结截止。要达到这样的结果，N沟道结型场效应管的栅极电位不能高于源极和漏极，要保证 u _GS ≤0。在漏极和源极之间需加正向电压，即 u _DS >0，这时N沟道中的多数载流子在电场作用下，就会由源极流向漏极，形成漏极电流 i _D 。

当栅源电压 u _GS =0时，导电沟道没有受任何电场的作用，PN结处于平衡状态，沟道这时是最宽的，电流 i _D 也是最大的，如图1-22（a）所示。

当栅源加上负电压 u _GS 时，沟道两侧的P ⁺ N结将变宽，使导电沟道变窄，沟道电阻增大，漏极电流 i _D 减小，如图1-22（b）所示。当 u _GS 负值大到一定值时，沟道消失，如图1-22（c），漏源之间呈现很大的电阻，此时的栅—源极之间的电压称为夹断电压 u _GS，off ，漏极电流 i _D 为零。控制漏极电流 i _D 的大小是通过改变 u _GS 大小来实现的，从而实现压控电流作用。

3. 结型场效应管的伏安特性

（1）转移特性

转移特性描述 u _DS 为某一常数时，漏极电流 i _D 与栅源电压 u _GS 之间的函数关系，表达式为

它反映的是输入电压 u _GS 对输出电流 i _D 的控制作用。

如图1-23所示为N沟道结型场效应管的转移特性曲线。从图中可以看出，随着反偏电压 u _GS 增大，漏极电流 i _D 减小。当 u _GS =0时，漏极电流最大，当 u _GS = u _GS，off ，漏极电流为零。

（2）输出特性

输出特性是以 u _GS 常数时，漏极电流 i _D 与漏源电压 u _DS 之间的函数关系，即

如图1-24所示为N沟道结型场效应管的一簇输出特性曲线。输出曲线可分为以下三个工作区域。

①可变电阻区。这时管子可看作是一个由电压控制的可变电阻。当 u _DS 较小时，漏源之间相当于一个线性电阻 R _DS ，改变 u _GS 可改变直线的斜率，电阻值也改变，这个区域称为可变电阻区。该区域类似于晶体管的饱和区。

②恒流区。在这个区域，电流 i _D 几乎不随 u _DS 的增大而增大， i _D 趋向恒定值。在恒流区， i _D 只受 u _GS 的控制，而与 u _DS 无关，输出特性曲线几乎为水平的直线。类似于晶体管的放大区。

③截止区。管子处于沟道完全夹断的情况， i _D ≈0，称为夹断区或截止区。

任务1-3-2　MOS场效应管

1. 增强型MOS管

这种场效应管由金属、氧化物和半导体组成，故称MOS管。又因为这种场效应管的栅极被绝缘层（SiO ₂ ）隔离，栅极与源极、漏极之间是绝缘的，故称绝缘栅。其输入电阻更高，可达10 ⁹ Ω以上，所以栅极电流为零。

（1）结构与符号

我们以N沟道为例讨论增强型MOS管。对于P沟道增强型MOS管，可以自行分析。如图1-25（a）所示为增强型NMOS管的结构示意图。它是以P型硅片作衬底，在衬底上通过扩散工艺形成两个N ⁺ 型区作为源极S和漏极D，再在两个区中间的硅片表面上制作一层很薄的二氧化硅（SiO ₂ ）绝缘层，通过一定的工艺在上面喷一层金属铝作为栅极G。管子的衬底引线B通常在管内与源极相连。如图1-25（b）所示为增强型NMOS管的电路符号，虚线表示无源始沟道。

（2）工作原理

增强型NMOS管的基本工作原理示意图如图1-26所示。在图1-26（a）中，栅源电压 u _GS =0。由于两个N区被P区衬底隔开，形成两个背靠背的PN结，无论 u _DS 的极性如何，总有一个PN结是反偏，D、S之间没有电流流过，即 i _D =0。

当栅源电压 u _GS 为正电压时，在栅极下面的SiO ₂ 绝缘层中产生一个由栅极指向P型衬底的电场，该电场排斥空穴吸引电子，如图1-26（b）所示，当 u _GS 足够大时，该电场可吸引足够多的电子，在栅极附近形成一个N型薄层，又称反型层。

将开始形成反型层的栅源电压称为开启电压，记为 u _GS，th 。这种管子无原始导电沟道，只有栅源电压 u _GS 大于开启电压 u _GS，th 时，才有沟道产生，并且栅源电压 u _GS 越大，沟道就越宽，漏极电流 i _D 就越大。这体现了场效应管压控电流作用，输出电流 i _D 的大小受控栅源电压 u _GS 大小的控制。

（3）特性曲线

与结型N沟道场效应管的特性类似，N沟道增强型MOS管的特性曲线也分为输出特性和转移特性，如图1-27所示。其中，图1-27（a）为N沟道增强型MOS管的转移特性曲线、图1-27（b）为N沟道增强型MOS管的输出特性曲线，输出特性同样分为可变电阻区、放大区和截止区。输出特性曲线指 的关系曲线。

增强型MOS管的转移特性同样以 u _DS 为参变量，漏极电流 i _D 随栅源电压 u _GS 变化的关系曲线，即

2. 耗尽型NMOS管

耗尽型NMOS管的结构与增强型NMOS管的结构基本相同，所不同的是耗尽型NMOS管在制作过程中预先在SiO ₂ 绝缘层中掺入大量正离子。N沟道耗尽型MOS管的结构和符号如图1-28所示。由于正离子的存在，即使 u _GS =0，漏源之间也存在导电沟道。因此在D、S之间加上正电压 u _DS ，就会有电流 i _D 产生。当 u _GS >0时，沟道变宽，电流 i _D 增大；当 u _GS <0时，沟道变窄，电流 i _D 减小；当 u _GS 负到一定值时，沟道消失， i _D =0，此时 u _GS 的值称为夹断电压，用 u _GS，off 表示。

耗尽型NMOS管特性曲线如图1-29所示，其中图1-29（b）为转移特性，参数 I _DSS 称为漏极饱和电流，指的是 u _GS =0时的漏极电流。由以上分析可知，耗尽型NMOS管在 u _GS 为正、负、零时，均可导通工作，因此应用起来也比增强型管灵活方便。

关于P沟道的FET在这里就不讲了，读者可以自行分析。为了比较方便，把各种场效应管的符号、转移特性和输出特性对应地画在表1-1中。

任务1-3-3　场效应管的主要参数

1. 直流参数

（1）开启电压 u _GS，th 和夹断电压 u _GS，off

对于增强型的场效应管有开启电压，就是管子产生沟道时的栅源电压称为开启电压，用 u _GS，th 表示；对于耗尽型的场效应管有夹断电压，耗尽型管子有个特点就是存在原始沟道，那么使这个沟道消失的栅源电压称为夹断电压，用 u _GS，off 表示。

（2）饱和漏极电流 I _DSS

饱和漏极电流是对于耗尽型场效应管来说，指栅源电压 u _GS =0时的漏极电流。

（3）直流输入电阻 R _GS

指栅源间所加一定电压与栅极电流的比值。 R _GS 一般大于10 ⁸ Ω。

2. 交流参数

（1）低频跨导 g _m

指在 u _DS 为常数时，漏极电流变化量与栅源电压变化量之比，称为跨导或互导。即

g _m 是衡量场效应管放大能力的重要参数，反映了 u _GS 对 i _D 的控制能力，单位是西门子，单位符号为S。

（2）漏极输出电阻 r _ds

指在 u _GS 为常数时，漏源电压变化量与相应的漏极电流变化量之比，即

r _ds 反映了 u _DS 对 i _D 的影响，在放大区时， r _ds 很大，在应用中往往可以忽略。

3. 极限参数

（1）最大漏源电压 U _（BR）DS

指漏极和源极间所能承受的最大电压。当 U _DS 逐渐增加，超过 U _（BR）DS 时，漏源间发生击穿， I _D 开始剧增，从而烧坏管子。

（2）最大栅源电压 U _（BR）GS

指栅极和源极间所能承受的最大反向电压。使用时 u _GS 不允许超过此值，否则会烧坏管子。

（3）最大耗散功率 P _DM

指管子允许承受的最大功率，类似于晶体管的 P _CM 。

任务1-4　其他常用半导体器件与测试

1. 稳压二极管

（1）硅稳压二极管的伏安特性

稳压二极管是一种用特殊工艺制成的面接触型硅半导体二极管，其伏安特性和符号如图1-30所示。二极管的反向击穿并一定意味着管子损坏。只要限制流过管子的反向电流，就能使管子不因过热而烧坏，而且在反向击穿状态下，当反向电流在很大的范围内变化时，管子两端电压几乎不变，因此常使管子工作于反向电击穿状态，用来稳定直流电压。当稳压管工作时，流过它的反向电流在 I _Zmin ~ I _Zmax 范围内变化，在这个范围内，稳压管工作安全，且两端的反向电压变化很小。

（2）稳压二极管的主要参数

①稳定电压 U _Z 。

指稳压管中的电流为规定电流时，稳压管两端的电压。

②稳定电流 I _Z 。

稳定电流也称最小稳压电流 I _Zmin ，即保证稳压管正常工作时的电流参考值。如果流过稳压管的电流低于此值，稳压效果差；如果流过稳压管的电流高于此值，只要不超过额定功耗都可以正常工作。

③最大允许工作电流 I _ZM 。

I _ZM 为稳压管允许流过的最大工作电流。这是一个极限参数，使用时不应超过此值，否则会使管子过热而损坏。

④最大允许耗散功率 P _ZM 。

P _ZM 为稳压管所允许的最大功耗。它也是一个极限参数，其大小 P _ZM = U _Z I _ZM 。

（3）硅稳压管的稳压原理

硅稳压管组成的稳压电流如图1-31所示。其中 U _i 为未经稳定的直流输入电压， R 为限流电阻， R _L 为负载电阻， U _o 为稳压电路的输出电压。

由图1-31可知，当稳压二极管正常稳压工作时，有下述方程式：

U _o =U _i -I _R R=U _Z

I _R =I+I _o

使 U _o 不稳定的原因主要有两个：一是 U _i 的变化，另一个是 R _L 的变化。下面对这两种因素变化时，电路如何稳定电压进行分析。

当负载电阻不变而交流电网电压增加时，稳压过程如下：

U _i ↑→ U _o ↑→ U _Z ↑→ I _Z ↑↑→ I _R ↑→ U _R = RI _R ↑→ U _o ↓

当电网电压不变而负载电阻 R _L 减小时，稳压过程如下：

R _L ↓→I _L ↑→ I _R ↑→ U _R ↑→ U _Z ↓（ U _o ↓）→ I _Z ↓↓→ I _R ↓→ U _R ↓→ U _o ↑

2. 发光二极管

发光二极管（Light Emitting Diode，LED）是一种通以正向电流就会发光的二极管。它由GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成，其核心是PN结。发光二极管具有正向导通，反向截止的特性，除此之外，它还具有发光特性。光的颜色主要取决于制造所用的半导体材料。砷化镓半导体辐射红色光，磷化镓半导体辐射绿色光等。现在已有红、黄、绿及蓝光发光二极管，但其中蓝光二极管成本高，价格高，使用不普遍。如图1-32所示为发光二极管伏安特性和符号。

发光二极管的伏安特性与普通二极管相似，不过它的正向导通电压比普通二极管高，应用时，加正向电压，并接入限流电阻，发光二极管通过电流就能发光。

发光二极管由于具有功耗低、体积小、用电省、可靠性高、寿命长和响应快等优点，广泛应用于仪器仪表、计算机、汽车、电子玩具、通信、音响设备、自动控制、军事等领域。

随着LED材料的革新、工艺的改进和生产规模的提高，LED将提高光效、降低价格，可以预测在照明领域LED的应用会越来越广，将真正替代白炽灯、荧光灯等传统光源，称为新一代的绿色光源。

3. 光电二极管

光电二极管（又称光敏二极管）是将光信号变成电信号的半导体器件。其PN结工作在反偏状态。光敏二极管是一种光接收器件，它的管壳上有一个玻璃口以便接受光照，为了便于接受入射光照，PN结面积尽量做得大一些。光电二极管的符号如图1-33所示。没有光照时，反向电流很小；当有光照时，就会产生电流，并且光照越强，电流越大。

光敏二极管一般作为光电检测器件，将光信号转变成电信号。这类器件应用非常广泛。例如，应用于光的测量、光电自动控制、光纤通信的光接收机等。大面积的光敏二极管可用做能源，即光电池。

实训1　二极管的识别与检测

一、普通二极管的检测

普通二极管（包括检波二极管、整流二极管、阻尼二极管、开关二极管、续流二极管）是由一个PN结构成的半导体器件，具有单向导电特性。通过用万用表检测其正、反向电阻值，可以判别出二极管的电极，还可估测出二极管是否损坏。

（1）极性的判别。将万用表置于R×100挡或R×1k挡，两表笔分别接二极管的两个电极，测出一个结果后，对调两表笔，再测出—个结果。两次测量的结果中，有一次测量出的阻值较小（为正向电阻），另一次测量出的阻值较大（为反向电阻）。在阻值较小的一次测量中，黑表笔接的是二极管的正极，红表笔接的是二极管的负极。此法适用于指针万用表，如图1-34所示。

（2）单向导电性能的检测及好坏的判断。通常，锗材料二极管的正向电阻值为1kΩ左右，反向电阻值为300kΩ左右。硅材料二极管的正向电阻值为5kΩ左右，反向电阻值为无穷大（表针不动）。正向电阻越小越好，反向电阻越大越好，正、反向电阻值相差越悬殊，说明二极管的单向导电特性越好。

若测得二极管的正、反向电阻均接近0或阻值较小，则说明这二极管内部已击穿短路或漏电损坏。若测得二极管的正、反向电阻值均为无穷大，则说明该二极管已开路损坏。

注意：

数字式万用表的电阻挡不宜检查二极管。因为数字式万用表电阻挡所提供的测试电流太小，而二极管属于非线性元件，正、反向电阻与测试的电流有很大关系，因此测出来的电阻与正常值相差很大，难以判定，可以用数字万用表的二极管挡来测试二极管的极性。

另外，数字万用表红表笔所接的是电池的正极，黑表笔接电池的负极，而指针式刚好相反，也就是数字表的表笔输出是红正黑负，而指针表是黑正红负。

二、三极管的识别与检测

（1）基极的判别。晶体三极管是由两个PN结构成，将万用表置于欧姆挡R×1k挡，用两笔去搭接晶体管的任意两引脚，如果阻值很大（几百千欧以上），将表笔对调再测一次，如果阻值也很大，则说明所测的这两个引脚为集电极C和发射极E，剩下的那只引脚为基极B。

（2）晶体管基极确定后，用指针万用表黑表笔接基极，红表笔接另外两引脚中的任意一个，如果测得电阻值很大（几百千欧以上），则该管是PNP型管；如果测得的电阻值较小（几千欧以下），则该管是NPN型管。

（3）集电极的判别及 β 值的测量。

基极和管子类型确定后，将三极管插入万用表的晶体管测量插座中，将万用表置于测量 β 挡（或h _FE 挡），读出 β 值，对调c-e再读一次，记下值大的那一次 β 值，即为晶体管的电流放大系数，发射极和集电极就可以确定了。 β 值越大，放大能力就越强，反之，放大能力就越差。

注意 ：测量时手不要接触引脚。

思考 ：如果是数字式万用表的话，测量的方法又是怎样的呢，自己总结一下方法。

实训2　二极管伏安特性曲线的测试

一、实训目的

（1）掌握二极管伏安特性的测试方法。

（2）熟悉电压表和电流表的使用方法。

二、实训设备

直流稳压电源1台，万用表1只，二极管（2CZ）2只，620Ω电阻1只，220Ω电位器1只，面包板1块，导线若干。

三、内容及要求

二极管的伏安特性曲线是指加在二极管两端的电压与流过二极管的电流的关系曲线。测量二极管伏安特性曲线的电路图如图1-35所示。利用逐点测量法，调节电位器 R _P ，改变电压 U ₁ ，分别测出二极管VD两端的电压 U _D 和流过二极管的电流 I _D ，在坐标上找到测量的点（ U _D ， I _D ）描绘出伏安特性曲线 u _D = f （ i _D ）。

实训步骤：

（1）按图1-35所示在面包板上连接电路，经检验无误后，接通5V直流电源。

（2）调节电位器 R _P ，使电压 U ₁ 按表1-2所示从0逐渐增大至5V，用万用表测出电阻 R _P 两端电压 U _R 和二极管两端电压 U _D ，测出的值填入表1-2中。

（3）利用公式 I _D = U _R / R _P ，算出流过二极管的电流，填入表1-2中。

（4）用同样的方法测量两次，填入表1-2。对两次的测量值取平均值，即可得到二极管的正向特性。

（5）将图1-34所示的电路的电源正、负极性互换，使二极管反偏。

（6）调节电位器 R _P ，按表1-3所示的 U ₁ 值，分别测出对应的 U _R 和 U _D 值，填入表1-3中。

（7）按照表1-2和1-3中的测量数值，在坐标上绘出这些点，把这些点连起来就是二极管的伏安特性曲线。

四、分析与思考

（1）根据二极管的伏安特性曲线总结二极管的正向特性和反向特性。

（2）从画出的曲线上看看二极管的死区电压和导通电压分别是多少？

项目小结

1.硅和锗是两种常用的制造半导体器件的材料。在半导体中，有电子和空穴两种载流子。半导体分为本征半导体和杂质半导体，杂质半导体有N型半导体和P型半导体两类。

PN结是半导体二极管和其他半导体器件的核心，它具有单向导电性。当PN结正偏时导通；当PN结反偏时截止。

2.半导体二极管是一种具有单向导电性的半导体器件，由PN结和两个电极封装构成。二极管的伏安特性曲线分为正向特性和反向特性两个部分。硅管的导通电压约为0.7V，锗管的导通电压约为0.2V。

3.二极管两端加过大的反向电压时，先出现可逆的电击穿，再增大反向电压时，将产生不可逆的热击穿，烧坏管子。

4.二极管的主要参数有：额定整流电流、最高允许反向工作电压、反向电流和最高工作频率。

5.二极管有两种模型：理想模型和恒压模型。利用二极管的单向导电性可构成限幅电路和整流电路等。

6.晶体管又叫半导体三极管，有两个PN结：发射结和集电结；三个区：基区、集电区和发射区；三个电极：基极、集电极和发射极。晶体管有NPN和PNP两类，根据材料不同有硅管和锗管。

偏置条件不同，晶体管有放大、饱和和截止工作状态。各工作状态的特点见下表。

7.晶体管的主要参数有电流放大系数 β ，极间反向电流 I _CBO 和 I _CEO ，晶体管的极限参数 I _CM 、 P _CM 、 U _（BR）CEO 等。其中 β 、 I _CBO 和 I _CEO 表示管子性能的优劣， β 越大，管子的电流放大能力越强，但也不宜过高； I _CBO 和 I _CEO 反映管子的温度稳定性，其值越小，受温度的影响就越小，管子的工作稳定性就越好。极限参数表征了管子的安全工作范围，晶体管工作时，应满足 i _C < I _CM ， u CE< U _（BR）CEO ， P _C < P _CM 。

8.场效应管是一种电压控制器件，只靠一种载流子（多数载流子）导电，属于单极型器件。

9.场效应管（FET）有结型场效应管和MOS场效应管两大类型。MOS场效应管也称绝缘栅型场效应管。它们都有N沟道和P沟道两类。MOS场效应管又分为增强型和耗尽型；结型场效应管只有耗尽型。共有六种，请注意比较它们的符号和特性曲线。

10.存在原始沟道的是耗尽型管，其主要参数有夹断电压 u _GS，off 、饱和漏极电流 I _DSS 和低频跨导 g _m 等。无原始沟道的为增强型管，它只有在栅源电压值大于开启电压时，才会有导电沟道。其主要参数有开启电压 u _GS，th 和低频跨导 g _m 等。 g _m 反映的是 u _GS 对 i _D 的控制能力，表征了场效应管放大能力的参数。

11.硅稳压管是一种模拟电子电路中常用的特种二极管。常使其工作于反向击穿状态，用来稳定直流电压。它的正向特性与普通硅二极管相似。发光二极管加正向电压时导通，反向电压时截止，只是正向导通电压比普通二极管高。光电二极管工作于反偏状态，它是把光信号转换成电信号的半导体器件。

思考与练习

填空题

1.半导体中有___和___两种载流子参与导电。

2.本征半导体中，若掺入微量的五价元素，则形成___型半导体，其多数载流子是___；若掺入微量的三价元素，则形成___型半导体，其多数载流子是___。

3.PN结加正向电压时____，加反向电压时____，这种特性称为PN结的___。

4.二极管正向导通的最小电压称为___电压，使二极管反向电流急剧增大所对应的电压称为___电压。

5.在常温下，硅二极管的死区电压约为___V，导通后的正向压降为___V。

6.晶体管从结构上可以分成___和___两种类型，它工作时有___种载流子参与导电，因此又称为___。

7.晶体管具有电流放大作用的外部条件是发射结___，集电结___。

8.当NPN型晶体管处于放大状态时，3个电极中___极的电位最高，___极的电位最低。

9.当晶体管工作于放大区时，发射结的正向导通压降硅管为___，锗管为___。

10.晶体管的输出特性曲线通常分为三个工作区域，分别是____、____和___。

11.某晶体管工作在放大区，如果基极电流为20μA时，集电极电流为2 mA，则 为___。若基极电流增大至25μA，集电极电流相应地增大至2.6 mA，则 为___。

12.场效应管从结构上可以分为两大类：___和___；根据导电沟道的不同又可分为___和___两类；对于MOSFET，根据栅源电压为零时是否存在导电沟道，又可以分为___和___。

13.场效应管有___种载流子参与导电，故场效应管又称___型器件。

14.场效应管与晶体管比较，___为电压控制型器件，___为电流控制型器件，___的输入电阻高。

选择题

1.二极管的导通条件是（ ）。

A. U _D >0 B. U _D >死区电压 C. U _D >击穿电压

2.若晶体管的两个PN结都反偏时，则晶体管处于（ ）；若两个PN都正偏时，则晶体管处于（ ）。

A.截止状态 B.饱和状态 C.放大状态

3.用万用表的电阻挡测量一只能正常放大的晶体管，若用正极接触一只引脚，负极分别接触另外两只引脚时测得的电阻值较小，则该晶体管是（ ）。

A.PNP型 B.NPN型 C.不确定

4.用万用表测得晶体管任意两个极之间的电阻均很小，说明该管（ ）。

A.两个PN结都短路 B.发射结击穿，集电结正常 C.两个PN结都断路

5.场效应管是用（ ）控制漏极电流。

A.基极电压 B.栅源电压 C.基极电流

6.表征场效应管放大能力的重要参数是（ ）。

A. u _GS，off B. g _m C. I _DSS

7.下列场效应管中，无原始导电沟道的为（ ）。

A.N沟道JFET B.增强型MOS管 C.耗尽型NMOS管

8.稳压二极管是利用PN结的（ ）。

A.单向导电性 B.反向击穿特性 C.电容特性

9.光敏二极管是在（ ）下工作。

A.正向电压 B.反向电压 C.都可以

分析计算题

1.如图1-36所示，设二极管D为理想二极管，试判下几种情况二极管是导通还是截止，并求 U _AO 。

（1） V _D1 =6V、 V _D2 =12V

（2） V _D1 =6V、 V _D2 =-12V

（3） V _D1 =-6V、 V _D2 =-12V

2.二极管电路如图1-37所示，设二极管为理想的，设 u _i =（5sin ωt ）V，试画出 u ₀ 的波形。

3.在图1-38所示的电路中，设 u _i =（10sin ωt ）V，且二极管具有理想特性，当S闭合和断开时，试对应画出 u _o 的波形。

4.图1-39（a）、（b）所示电路中，设二极管是理想的，是根据图1-39（c）所示输入电压 u _o 波形，画出输出电压 u _o 波形。

5.图1-40所示电路中的晶体管为硅管，试判断其工作状态。

6.两只处于放大状态的晶体管，测得①、②、③脚对地电位分别为-8V、-3V、-3.2V和3V、12V、3.7V，试判断管脚名称，并说明是PNP型管还是NPN型管，是硅管还是锗管？

7.测得某晶体管各极电流如图1-41所示，试判断中哪个是基极、发射极和集电极，并说明该管是NPN型还是PNP型，它的 β 值为多少？

8.场效应管的转移特性如图1-42所示，试指出各场效应管的类型并画出电路符号；对于耗尽型管求出 u _GS，off 、 I _DSS ，对于增强型管求出 u _GS，th 。