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项目1 认识常用电子元器件
任务1.1 认识半导体
任务1.2 认识二极管
任务1.3 认识三极管
项目导入
电子元器件是电子元件和小型机器、仪器的组成部分，其本身常由若干零件构成，可以在同类产品中通用。最常见的电子元器件有二极管、三极管等。
任务1.3 认识三极管
提出问题
三极管的问世使PN结的应用发生了质的飞跃。作为电子世界中的未来工程技术人员，你了解双极型三极管、单极型三极管的结构组成吗？知道两类三极管分别在电子电路中主要起什么作用吗？了解两种类型的三极管的外部特性特点吗？你知道在工程应用中，两种类型的三极管应参照哪些参数进行选择吗？你会检测三极管的检性及好坏吗？
N
N
P
知识准备
三极管是组成各种电子电路的核心器件。三极管的产生使PN结的应用发生了质的飞跃。
1.3.1 双极型三极管BJT的结构组成
双极型晶体管分有NPN型和PNP型，虽然它们外形各异，品种繁多，但它们的共同特征相同：都有三个分区、两个PN结和三个向外引出的电极：
发射极e
发射结
集电结
基区
发射区
集电区
集电极c
基极b
NPN型
PNP型
P
P
N
NPN型三极管图符号
大功率低频三极管
小功率高频三极管
中功率低频三极管
目前国内生产的双极型硅晶体管多为NPN型（3D系列），锗晶体管多为PNP型（3A系列），按频率高低有高频管、低频管之别；根据功率大小可分为大、中、小功率管。
e
c
b
PNP型三极管图符号
e
c
b
注意：图中箭头方向为发射极电流的方向。
1.3.2 BJT的电流放大作用
晶体管芯结构剖面图
e发射极
集电区N
基区P
发射区N
b基极
c集电极
晶体管实现电流
放大作用的内部结构条件
（1）发射区掺杂浓度很高，以便有足够的载流子供“发射”。
（2）为减少载流子在基区的复合机会，基区应做得很薄，一般为几个微米，且掺杂浓度极低。
（3）为了顺利收集边缘载流子，集电区体积较大，且掺杂浓度界于发射极和基极之间。
可见，双极型三极管并非是两个PN 结的简单组合，而是利用一定的掺杂工艺制作而成。因此，绝不能用两个二极管来代替，使用时也决不允许把发射极和集电极接反。
晶体管实现电流放大作用的外部条件
N
N
P
UBB
RB
＋
－
（1）发射结必须“正向偏置”，以利于发射区电子的扩散，扩散电流即发射极电流ie，扩散电子的少数与基区空穴复合，形成基极电流ib，多数继续向集电结边缘扩散。
UCC
RC
＋
－
（2）集电结必须“反向偏置”，以利于收集扩散到集电结边缘的多数扩散电子，收集到集电区的电子形成集电极电流ic。
IE
IC
IB
整个过程中，发射区向基区发射的电子数等于基区复合掉的电子与集电区收集的电子数之和，即： IE=IB+IC
三极管的集电极电流IC稍小于IE，但远大于IB，IC与IB的
比值在一定范围内基本保持不变。特别是基极电流有微小
的变化时，集电极电流将发生较大的变化。例如，IB由40
μA增加到50μA时，IC将从3.2mA增大到4mA，即：
显然，双极型三极管具有电流放大能力。式中的β值称为
三极管的电流放大倍数。不同型号、不同类型和用途的三
极管，β值的差异较大，大多数三极管的β值通常在几十
至几百的范围。
由此可得：微小的基极电流IB可以控制较大的集电极电流IC，故双极型三极管属于电流控制器件。
结论
由于发射结处正偏，发射区的多数载流子自由电子将不断扩散到基区，并不断从电源补充进电子，形成发射极电流IE。
回顾与总结
1. 发射区向基区扩散电子的过程
由于基区很薄，且多数载流子浓度又很低，所以从发射极扩散过
来的电子只有很少一部分和基区的空穴相复合形成基极电流IB，剩下的绝大部分电子则都扩散到了集电结边缘。
2. 电子在基区的扩散和复合过程
集电结由于反偏，可将从发射区扩散到基区并到达集电区边缘
的电子拉入集电区，从而形成较大的集电极电流IC。
3. 集电区收集电子的过程
只要符合三极管发射区高掺杂、基区掺杂浓度很低，集电区的掺杂浓度介于发射区和基区之间，且基区做得很薄的内部条件，再加上晶体管的发射结正偏、集电结反偏的外部条件，三极管就具有了放大电流的能力。
1. 3.3 BJT的外部特性
所谓特性曲线是指各极电压与电流之间的关系曲线，是三
极管内部载流子运动的外部表现。从工程应用角度来看，外
部特性更为重要。
1. 输入特性
以常用的共射极放大电路为例说明
UCE=0V
UBE /V
IB / A
0
UCE =0V
UBB
UCC
RC
+
+
RB
令UBB从0开始增加
IB
IE=IB
UBE
令UCC为0
UCE=0时的输入特性曲线
UCE为0时
UCE =0.5V
UCE=0V
UBE /V
IB / A
0
UBB
UCC
RC
+
+
RB
令UBB重新从0开始增加
IB
IC
UBE
增大UCC
让UCE=0.5V
UCE =1V
UCE=0.5V
UCE=0.5V的特性曲线
继续增大UCC
让UCE=1V
令UBB重新从0开始增加
UCE=1V
UCE=1V的特性曲线
继续增大UCC使UCE=1V以上的多个值，结果发现：之后
的所有输入特性几乎都与UCE=1V的特性相同，曲线基本不
再变化。
实用中三极管的UCE值一般都超过1V，所以其输入特性通常采用UCE=1V时的曲线。从特性曲线可看出，双极型三极管的输入特性与二极管的正向特性非常相似。
UCE>1V的特性曲线
2. 输出特性
先把IB调到某一固定值保持不变。
当IB不变时，输出回路中的电流IC与管子输出端电压UCE之间的关系曲线称为输出特性。
然后调节UCC使UCE从0增大，观察毫安表中IC的变化并记录下来。
UCE
UBB
UCC
RC
+
+
RB
IC
IB
UBE
mA
A
IE
根据记录可给出IC随UCE变化的伏安特性曲线，此曲线就是晶体管的输出特性曲线。
IB
UCE / V
IC /mA
0
UBB
UCC
RC
+
+
RB
IC
IB
UBE
mA
A
IE
再调节IB1至另一稍小的固定值上保持不变。
仍然调节UCC使UCE从0增
大，继续观察毫安表中IC
的变化并记录下来。
UCE
根据电压、电流的记录值可绘出另一条IC随UCE变化的伏安特性曲线，此曲线较前面的稍低些。
UCE / V
IC /mA
0
IB
IB1
IB2
IB3
IB=0
如此不断重复上述过程，我们即可得到不同基极电流IB对应相应IC、UCE数值的一组输出特性曲线。
输出曲线开始部分很陡，说明IC随UCE的增加而急剧增大。
当UCE增至一定数值时(一般小于1V)，输出特性曲线变得平坦，表明IC基本上不再随UCE而变化。
当IB一定时，从发射区扩散到基区的电子数大致一定。当UCE超过1V以后，这些电子的绝大部分被拉入集电区而形成集电极电流IC 。之后即使UCE继续增大，集电极电流IC也不会再有明显的增加，具有恒流特性。
UCE / V
IC /mA
0
20 A
IB=0
40 A
60 A
IB=100 A
80 A
4
3
2
1
1.5
2.3
当IB增大时，相应IC也增大，输出特性曲线上移， 且IC增大的幅度比对应IB大得多。这一点正是晶体管的电流放大作用。
从输出特性曲线可求出三极管的电流放大系数β。
ΔIB=40 A
取任意再两条特性曲线上的平坦段，读出其基极电流之差；
再读出这两条曲线对应的集电极电流之差ΔIC=1.3mA；
ΔIC
于是我们可得到三极管的电流放大倍数：
β=ΔIC/ΔIB=1.3÷0.04=32.5
UCE / V
IC /mA
0
20 A
IB=0
40 A
60 A
IB=100 A
80 A
4
3
2
1
1.5
2.3
输出特性曲线上一般可分为三个区：
饱和区。当发射结和集电结均为正向偏置时，三极管处于饱和状态。此时集电极电流IC与基极电流IB之间不再成比例关系，IB的变化对IC的影响很小。
截止区。当基极电流IB等于0时，晶体管处于截止状态。实际上当发射结电压处在正向死区范围时，晶体管就已经截止，为让其可靠截止，常使UBE小于和等于零。
放
大
区
晶体管工作在放大状态时，发射结正
偏，集电结反偏。在放大区，集电极电
流与基极电流之间成β倍的数量关系，
即晶体管在放大区时具有电流放大作用
1.3.4 BJT的主要技术参数
1. 集电极最大允许电流ICM
2. 反向击穿电压U(BR)CEO
c
e
b
UCC
U(BR ) CEO
基极开路
指基极开路时集电极与发射极间的反向击穿电压。
使用中若超过此值,晶体管的集电结就会出现雪崩击穿。
当IC = ICM时，晶体管的β值通常下降到正常额定值的三分之二。但当IC>ICM时，晶体管并不一定烧损，但β值明显下降。
3. 集电极最大允许功耗PCM
UCE / V
IC /mA
0
IB=0
4
3
2
1
1.5
2.3
晶体管的功耗PC=UCE*IC。使用中，如果温度过高，晶体管的性能就会下降甚至被损坏，所以集电极损耗有一定的限制，规定集电极所消耗的最大功率不能超过最大允许耗散功率PCM值。如果超过PCM值，则晶体管就会因过热而损坏。
晶体管上的功耗超过PCM，管子将损坏。
安
全
区
晶体管的发射极和集电极是不能互换使用的。因为发射区和集电区的掺杂质浓度差别较大，如果把两个极互换使用，则严重影响晶体管的电流放大能力，甚至造成放大能力丧失。
晶体管的发射极
和集电极能否互
换使用？为什么
晶体管在输出特性曲线的饱和区工作时，UCE晶体管在输出特性曲线的饱和区工作时，其电流放大系数是否也等于β？
为了使发射区扩散电子的绝大多数无法在基区和空穴复合，由于基区掺杂深度很低且很薄，因此只能有极小一部分扩散电子与基区空穴相复合形成基极电流，剩余大部分扩散电子继续向集电结扩散，由于集成电结反偏，这些集结到集电结边缘的自由电子被集电极收集后形成集电极电流。
为什么晶体管基区掺杂质浓度小？而且还要做得很薄？
学习与讨论
思考与问题
使用三极管时，只要①集电极电流超过ICM值；②耗散功率超过PCM值；③集—射极电压超过U（BR）CEO值，三极管就必然损坏。上述说法哪个是对的？
用万用表测量某些三极管的管压降得到下列几组数
据，说明每个管子是NPN型还是PNP型？是硅管还是
锗管？它们各工作在什么区域？
UBE＝0.7V，UCE＝0.3V；
UBE＝0.7V，UCE＝4V；
UBE＝0V，UCE＝4V；
UBE＝－0.2V，UCE＝－0.3V；
UBE＝0V，UCE＝－4V。
NPN硅管，饱和区
NPN硅管，放大区
NPN硅管，截止区
PNP锗管，放大区
PNP锗管，截止区
1.3.5 单极型三极管概述
双极型三极管是利用基极小电流去控制集电极较大电流的
电流控制型器件，因工作时两种载流子同时参与导电而称之
为双极型。单极型三极管因工作时只有多数载流子一种载流
子参与导电，因此称为单极型三极管；单极型三极管是利用
输入电压产生的电场效应控制输出电流的电压控制型器件。
上图所示为单极型三极管产品实物图。单极型管可分为结型和绝缘栅型两大类，其中绝缘栅型场效应管应用最为广泛，其
中又分增强型和耗尽型两类，且各有N沟道和P沟道之分。
单极型三极管可用英文缩写FET表示，与双极型三极管BJT相比，无论是内部的导电机理还是外部的特性曲线，二者都截然不同。FET属于一种新型的半导体器件，尤为突出的是：FET具有高达107~1015的输入电阻，几乎不取用信号源提供的电流，因而具有功耗小，体积小、重量轻、热稳定性好、制造工艺简单且易于集成化等优点。这些优点扩展了单极型三极管的应用范围，单极型三极管在工程实际中通常用于：
①放大；
②在多级放大器输入级用作阻抗变换；
③用作可变电阻；
④用作恒流源；
⑤用作电子开关。
1.3.6 绝缘栅场效应管的结构组成
N+
N+
以P型硅为衬底
B
D
G
S
二氧化硅(SiO2)绝缘保护层
两端扩散出两个高浓度的N区
N区与P型衬底之间形成两个PN结
由衬底引出电极B
由高浓度的N区引出的源极S
由另一高浓度N区引出的漏极D
由二氧化硅层表面直接引出栅极G
杂质浓度较低，电阻率较高。
N+
N+
以P型硅为衬底
B
D
G
S
大多数管子的衬底在出厂前已和源极连在一起
铝电极、金属
（Metal）
二氧化硅氧化物
（Oxide）
半导体
（Semiconductor)
故单极型三极管又称为MOS管。
MOS管电路的连接形式
N+
N+
P型硅衬底
B
D
G
S
+
－
UDS
+
－
UGS
漏极与源极间
电源UDS
栅极与源极间
电源UGS
如果衬底在出厂前未连接到源极上，则要根据电路具体情况正确连接。一般P型硅衬底应接低电位，N型硅衬底应接高电位，由导电沟道的不同而异。
不同类型MOS管的电路图符号
D
S
G
B衬底
N沟道增强型图符号
D
S
G
B衬底
P沟道增强型图符号
D
S
G
B衬底
N沟道耗尽型图符号
D
S
G
B衬底
P沟道耗尽型图符号
由图可看出，衬底的箭头方向表明了场效应管是N沟道还是P沟道：箭头向里是N沟道，箭头向外是P沟道。
虚线表示
增强型
实线表示
耗尽型
1.3.7 MOS管的主要技术参数
1. 开启电压UT
开启电压是增强型MOS管的参数，栅源电压UGS小于UT的绝对值时，MOS管不能导通。
2. 输入电阻RGS
RGS是场效应管的栅源间输入电阻典型值，对于绝缘栅场型MOS管，输入电阻RGS约在1M~100MΩ之间。由于高阻态，所以可认为输入电流基本为零。
3. 最大漏极功耗PDM
最大漏极功耗可由PDM= UDS ID决定，与双极型三极管的PCM相当，管子正常使用时不得超过此值，否则将会由过热而造成管子的损坏。
1.3.6 MOS场效应管的工作原理
以增强型NMOS管为例说明其工作原理。N沟道增强型MOS管不存在原始导电沟道。
当栅源极间电压UGS=0 时，增强型MOS管的漏极和源极之间相当于存在两个背靠背的PN结。
N+
N+
P型硅衬底
B
D
G
S
不存在
原始沟道
+
－
UDS
UGS=0
此时无论UDS是否为0，也无论其极性如何，总有一个PN结处于反偏状态，因此MOS管不导通，ID=0。MOS管处于截止区。
P
PN结
PN结
ID=0
1. 导电沟道的形成
在栅极和衬底间加UGS且与源极连在一起，由于二氧化硅绝缘层的存在，电流不能通过栅极。但金属栅极被充电，因此聚集大量正电荷。
+
－
+
－
N+
N+
P型硅衬底
B
D
G
S
UDS=0
UGS
电场力
排斥空穴
二氧化硅层在
UGS作用下被充
电而产生电场
形成耗尽层
出现反型层
形成
导电沟道
电场吸引电子
导电沟道形成时，对应的栅源间电压UGS=UT称为开启电压。
UT
+
－
+
－
N+
N+
P型硅衬底
B
D
G
S
当UGS>UT、UDS≠0且较小时
UDS
UGS
ID
当UGS继续增大，UDS仍然很小且不变时，ID随着UGS的增大而增大。
此时增大UDS，导电沟道出现梯度，ID又将随着UDS的增大而增大。
直到UGD=UGS－UDS=UT时，相当于UDS增加使漏极沟道缩减到导电沟道刚刚开启的情况，称为预夹断，ID基本饱和。
导电沟道加厚
产生漏极电流
ID
+
－
+
－
N+
N+
P型硅衬底
B
D
G
S
UDS
UGS
在放大恒流区，如果UDS-UGDUGD
沟道出现预夹断时工作在放大状态，放大区ID几乎与UDS的变化无关，只受UGS的控制。即MOS管是利用栅源电压UGS来控制漏极电流ID大小的一种电压控制器件。
2. 漏源间电压UDS和栅源间电压UGS对漏极电流ID的影响
1.3.9 MOS管的使用注意事项
1. MOS管中, 有的产品将衬底引出，形成四个管脚。使用者可视电路需要进行连接。P衬底接低电位，N衬底接高电位。但当源极电位很高或很低时 , 可将源极与衬底连在一起。
2. 场效应管的漏极与源极通常可以互换，且不会对伏安特性曲线产生明显影响。注意：大多产品出厂时已将源极与衬底连在一起了，这时源极与漏极就不能再进行对调使用。
3. MOS管不使用时 , 由于它的输入电阻非常高, 须将各电极短
路 , 以免受外电场作用时使管子损坏。即MOS管在不使用时
应避免栅极悬空，务必将各电极短接。
4. 焊接MOS管时，电烙铁须有外接地线，用来屏蔽交流电
场，以防止损坏管子。特别是焊接绝缘栅场效应管时，最
好断电后再焊接。
单极型晶体管和双极型晶体管的性能比较
1. 场效应管的源极S、栅极G、漏极D分别对应于双极型晶体管的发射极e、基极b、集电极c，它们的作用相似。
2. 场效应管是电压控制电流器件，场效应管栅极基本上不取电流，而双极型晶体管工作时基极总要取一定的电流。所以在只允许从信号源取极小量电流的情况下，应该选用场效应管；而在允许取一定量电流时，选用双极型晶体管进行放大可以得到比场效应管较高的电压放大倍数。
3. 场效应管是多子导电，而双极型晶体管则是既利用多子，又利用少子。由于少子的浓度易受温度、辐射等外界条件的影响，因而场效应管比晶体管的温度稳定性好、抗辐射能力强。在环境条件（温度等）变化比较剧烈的情况下，选用场效应管比较合适。
4. 场效应管的源极和衬底未连在一起时，源极和漏极可以互换使用，耗尽型绝缘栅型管的栅极电压可正可负，灵活性比晶体管强；而双极型晶体管的集电极与发射极由于特性差异很大而不允许互换使用。
5. 与双极型晶体管相比，场效应管的噪声系数较小，所以在低噪声放大器的前级通常选用场效应管，也可以选特制的低噪声晶体管。但总的来说，当信噪比是主要矛盾时，还应选用场效应管。
6. 场效应管和双极型晶体管都可以用于放大或可控开关，但场效应管还可以作为压控电阻使用，而且制造工艺便于集成化，具有耗电少，热稳定性好，工作电源电压范围宽等优点，因此在电子设备中得到广泛的应用。
MOS管在不使用时，应注意避免什么问题？否则会出现何种事故？
在使用MOS管时，为什么栅极不能悬空？
双极型管和MOS管的输入电阻有何不同？
你会做吗？
当UGS为何值时，增强型N沟道MOS管导通？
思考与问题
双极型三极管和单极型三极管的导电机理有什么不同？为什么称晶体管为电流 控件而称MOS管为电压控件？
为什么说场效应管的热稳定性比双极型三极管的热稳定性好？
1. 双极型三极管和单极型三极管的导电机理有什么不同？为什么称晶体管为电流
控件而称MOS管为电压控件？
思考与练习解答
2. 当UGS为何值时，增强型N沟道MOS管导通？
3. 在使用MOS管时，为什么栅极不能悬空？
4. 晶体管和MOS管的输入电阻有何不同？
双极型三极管有多子和少子两种载流子同时参与导电；单极型三极管只有多子参与导电。
晶体管的输出电流IC受基极电流IB的控制而变化，因此称之为电流控件；MOS管的输出电流ID受栅源间电压UGS的控制而变化，所以称为电压控件。
当UGS=UT时，增强型N沟道MOS管开始导通，随着UGS的增加，沟道加宽，ID增大。
由于二氧化硅层的原因，使MOS管具有很高的输入电阻。在外界电压影响下，栅极易产生相当高的感应电压，造成管子击穿，所以MOS管在不使用时应避免栅极悬空，务必将各电极短接。
晶体管的输入电阻rbe一般在几百欧～千欧左右，相对较低；而MOS管绝缘层的输入电阻极高，一般认为栅极电流为零。
本章学习结束，希望同学们对本章内容予以重视，因为这是电子技术基础的基础部分。
Goodbye!

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