【正文】 和二極管的反偏截止 、 正偏導(dǎo)通相似 ， 三極管也可以工作在開關(guān)狀態(tài) ， 是基本的開關(guān)器件之一 ， 主要應(yīng)用于數(shù)字電路 。 開關(guān)狀態(tài)的三極管工作于截止區(qū)或飽和區(qū) ， 分別相當(dāng)于斷開和閉合的開關(guān) ， 而放大區(qū)只是出現(xiàn)在三極管飽和與截止的相互轉(zhuǎn)換過程中 ， 是個(gè)瞬間的過渡過程 。 圖 133為三極管構(gòu)成的受輸入 ui控制的開關(guān)應(yīng)用電路 。 第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 圖 133 三極管的開關(guān)應(yīng)用 第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 1） 截止條件 從前面的分析知道 ， 為保證三極管可靠截止 ， 要求 uBE≤0， 所以圖 133中的三極管若工作于截止區(qū) ， 必須有 ui≤0。 截止區(qū)的三極管各電極電流近似為零 ， 各電極間看成是開路狀態(tài) ， 相當(dāng)于斷開的開關(guān) ， 輸出電壓約為電源電壓 12 V， 其等效電路如圖 134所示 。 第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 圖 134 三極管截止時(shí)的等效電路 第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 2） 飽和條件 從圖 133可以看出 ， iB的增大使 iC隨之增大 ， 導(dǎo)致管壓降降低到接近于零 ， 從而造成三極管的飽和 ， 此時(shí)的集電極電流達(dá)到最大值 。 三極管剛剛進(jìn)入飽和區(qū)時(shí)稱為臨界飽和 ， 臨界時(shí)的管壓降 uCE已經(jīng)很小 ， 接近 UCE(sat)， 并可近似為零 ， iC仍約為 β倍的 iB。 定義臨界飽和時(shí)的 iC 和 iB叫做臨界飽和集電極電流 IC(sat)和臨界飽和基極電流 IB(sat)， 所以有 cCCcs atCECCs atC RURUUI ??? )()( （ 122） 第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 對應(yīng)的臨界飽和基極電流為 ?)()(s a tCs a tBII ? （ 123） 在臨界飽和的基礎(chǔ)上 ， 如果 iB繼續(xù)增大 ， 由于管壓降已經(jīng)達(dá)到最小值 UCE(sat)， 對應(yīng)的集電極電流達(dá)到最大值IC(sat)， 不能繼續(xù)隨 iB增大 ， 意味著三極管進(jìn)入了飽和區(qū) ， 因此三極管的飽和條件就是 iB≥IB(sat) （ 124） 第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 式中的 iB是電路中的實(shí)際基極電流 ， 從圖 133中可以看出 bBEiB RUui ??因此對于圖 133來說 ， ui越大 ， iB就越大 ， 管子就越向飽和的方向發(fā)展 。 若 iB＜ IB(sat)， 說明相應(yīng)的集電極電流 iC＜ IC(sat)， 三極管仍工作于放大區(qū) ， 此時(shí)的集電極電流與基極電流成 β倍的關(guān)系 ， 沒有達(dá)到集電極電流飽和的程度 。 第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 圖 135 三極管飽和時(shí)的等效電路 第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 表 11 三極管三種工作狀態(tài)的比較 第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 3． 三極管的測試 由于三極管內(nèi)部是由兩個(gè) PN結(jié)構(gòu)成的， 因此， 和二極管類似， 也可以用萬用表對三極管的電極、 好壞作大致的判斷。 需要注意一點(diǎn)： 無論是基極和集電極之間的正向電阻， 還是基極與發(fā)射極之間的正向電阻， 都應(yīng)在幾千歐姆到十幾千歐姆的范圍內(nèi)， 一般硅管的正向阻值為 6～ 20 kΩ， 鍺管約為 1～ 5 kΩ， 而反向電阻則應(yīng)趨近于無窮大。 若測出的電阻不論正向反向， 均為零， 說明此結(jié)已經(jīng)擊穿； 如測出的電阻均為無窮大， 說明此結(jié)已斷。 第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 對于數(shù)字萬用表來說， 測試更加方便， 除可利用“ ” 擋測量管內(nèi)的 PN結(jié)以外， 還有專門測量三極管β值的插孔， 測量時(shí)只需將擋位撥至測量三極管的位置， 并將 NPN管或 PNP管的三個(gè)管腳插入對應(yīng)的 e、 b、 c插孔中， 就可以讀出 β值的大小。 常見三極管的管腳排列位置見圖 136所示。 第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 圖 136 常見三極管的管腳排列 第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 場效應(yīng)晶體管 晶體三極管的自由電子和空穴兩種載流子均參與導(dǎo)電， 是雙極型晶體管。 本節(jié)要介紹的場效應(yīng)晶體管（ FET， Field Effect Transistor）只有一種載流子 ——多子（要么是自由電子， 要么是空穴）參與導(dǎo)電， 所以是一種單極型器件。 第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 三極管是利用基極電流來控制集電極電流的 ， 是電流控制器件 。 在正常工作時(shí) ， 發(fā)射結(jié)正偏 ， 當(dāng)有電壓信號輸入時(shí) ， 一定要產(chǎn)生輸入電流 ， 導(dǎo)致三極管的輸入電阻較小 ， 一方面降低了管子獲得輸入信號的能力 ， 而且在某些測量儀表中將導(dǎo)致較大的誤差 ， 這是我們所不希望的 。 而場效應(yīng)管是一種電壓控制器件 ， 它只用信號源電壓的電場效應(yīng) ， 來控制管子的輸出電流 ， 輸入電流幾乎為零 ， 因此具有高輸入電阻的特點(diǎn)； 同時(shí)場效應(yīng)管受溫度和輻射的影響也比較小 ， 又便于集成化 ， 因此場效應(yīng)管已廣泛地應(yīng)用于各種電子電路中 ， 也成為當(dāng)今集成電路發(fā)展的重要方向 。 第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 結(jié)型場效應(yīng)管 結(jié)型場效應(yīng)管是利用半導(dǎo)體內(nèi)的電場效應(yīng)進(jìn)行工作的 ， 也稱體內(nèi)場效應(yīng)器件 。 1． 結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和類型 結(jié)型場效應(yīng)管 （ 簡稱 JFET） 的結(jié)構(gòu)示意圖如圖 137（ a） 所示 。 它是在一塊摻雜濃度較低的 N型硅片兩側(cè) ， 制作兩個(gè)高濃度的 P型區(qū) （ 用 P+表示 ） ， 形成兩個(gè) PN結(jié) 。 兩個(gè) P+區(qū)連接起來引出一個(gè)電極稱為柵極 g。 在中間的 N型半導(dǎo)體材料兩端各引出一個(gè)電極分別叫做源極 s和漏極 d。 它們分別相當(dāng)于晶體三極管的基極 b、 發(fā)射極 e和集電極 c， 不同的是場效應(yīng)管的源極 s和漏極d是對稱的 ， 可以互換使用 。 第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 兩個(gè) PN結(jié)中間的 N型區(qū)域流過 JFET的電流 ， 所以稱為導(dǎo)電溝道 。 把以上結(jié)構(gòu)封裝起來 ， 并引出相應(yīng)的電極引線 ， 就是 N溝道結(jié)型場效應(yīng)管 。 圖 137（ b） 為它的電路符號 ， 其中的箭頭表示由 P區(qū) （ 柵極 ） 指向 N區(qū)（ 溝道 ） 的方向 。 第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 圖 137 N溝道 JFET （ a） 結(jié)構(gòu)示意圖 。 （ b） 電路符號 第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 圖 138 P溝道 JFET (a) 結(jié)構(gòu)示意圖； (b) 電路符號 第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 2． 工作原理 N溝道 JFET的偏置電路如圖 139（ b） 所示 。 電源電壓 UGG使柵源之間的 PN結(jié)反偏 ， 以產(chǎn)生柵源電壓 uGS， 起到電壓控制作用； 漏極和源極之間的電源電壓 UDD用來產(chǎn)生漏源之間的電壓 uDS， 并由此產(chǎn)生溝道電流 、 也就是漏極電流 iD。 習(xí)慣上將 N溝道 JFET的漏極接電源電壓正極 。 第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 從圖中可以看出， JFET的輸入 PN結(jié)是反偏的， iG≈0， 幾乎不從信號源處取電流， 所以 JFET的輸入電阻相當(dāng)高。 因?yàn)?JFET是用柵源電壓 uGS來控制漏極電流iD的， 下面分別考慮不同 uGS情況下管子的工作情況。 第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 1） uGS＝ 0 V uGS＝ 0 V時(shí)的電路如圖 139（ a） 所示 。 N型硅中的多子自由電子在 uDS的作用下 ， 由源極向漏極移動 ， 形成由漏極流入的漏極電流 iD， 并且有iD=iS。 可見 ， 漏源電壓 uDS一定的情況下 ， 漏極電流iD只與溝道的摻雜濃度 、 截面積 、 長度等制造因素有關(guān) 。 由于在 uGS =0時(shí)溝道最寬 ， 因此此時(shí)的漏極電流最大 ， 叫做漏極飽和電流 IDSS。 第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 圖 139 N溝道 JFET的電壓控制作用 第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 2） 0＞ uGS＞ UGS(off) 柵源之間加上負(fù)的柵極電壓 UGG后 ， 如圖 139（ b）所示 。 此時(shí)的兩個(gè) PN結(jié)均處于反向偏置 ， 空間電荷區(qū)的變寬 （ 因?yàn)?P+區(qū)為高摻雜濃度 ， 而耗盡層 P+區(qū)和N區(qū)的正負(fù)離子電荷量是相等的 ， 所以這個(gè)耗盡層在P+區(qū)很薄 ， 而在 N區(qū)較寬 ） 使 N型導(dǎo)電溝道變窄 ， 漏極電流 iD變小 。 第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 圖 140 場效應(yīng)管對交流輸入電壓的放大作用 第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 3） uGS＜ UGS(off) 當(dāng) uGS負(fù)到一定程度時(shí)， 兩側(cè)的耗盡區(qū)逐漸變寬而合攏， 使導(dǎo)電溝道消失， 漏極電流減小為 0， 如圖 139（ c)所示。 我們將此時(shí)的 uGS稱為夾斷電壓 UGS(off)。 對于 P溝道的結(jié)型場效應(yīng)管， 為保證 PN結(jié)反偏， 其正常工作時(shí)的 uGS應(yīng)該為正值， 習(xí)慣上將漏極接 UDD負(fù)極。 此時(shí)溝道內(nèi)的載流子為多子空穴， 形成的電流iD與空穴的流動方向相同， 由源極指向漏極， 與 N溝道 JFET的漏極電流方向相反。 第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 總之 ， 我們可以知道： （ 1） 正常工作時(shí) ， JFET的柵源之間的 PN結(jié)是外加反偏電壓的 ， 而反偏 PN結(jié)的電流很小 ， 因此 JFET的輸入電阻很大 ， 柵極幾乎不從信號源取電流 。 （ 2） 在 UDD不變的情況下（即 uDS不變）， 柵源之間很小的電壓變化可以引起漏極電流 iD相當(dāng)大的變化。 第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 （ 3） 在 UGG不變時(shí) ， 若在柵源間加一個(gè)小的交流輸入信號 ui， 則漏極電流就會隨 ui做同樣變化 ， 并通過 Rd把漏極電流的變化轉(zhuǎn)變成電壓的變化輸出 ， 這就是場效應(yīng)管對交流輸入電壓的放大過程 。 第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 3． 伏安特性曲線 和三極管相類似 ， 圖 141接法的場效應(yīng)管放大電路稱為共柵極放大電路 ， 下面仍以 N溝道結(jié)型場效應(yīng)管為例 ， 介紹共柵極放大電路的常用伏安特性曲線 。 第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 圖 141 共柵極放大電路 第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 1） 轉(zhuǎn)移特性曲線 因?yàn)閳鲂?yīng)管的柵極輸入電流 iG≈0， 所以不必描述輸入電流與輸入電壓的關(guān)系 。 轉(zhuǎn)移特性曲線是指在漏極電壓 uDS一定時(shí) ， 輸出回路的漏極電流 iD與輸入回路柵源電壓 uGS之間的關(guān)系曲線 。 用函數(shù)式表示為 常數(shù)?? DSuGSD ufi |)(（ 125） 第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 如圖 142（ a）所示為某 N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線。 當(dāng) uGS＝ 0 V時(shí)， 溝道電阻最小， 漏極電流最大， 此時(shí) iD＝ IDSS。 當(dāng)柵極電壓越負(fù)， 管內(nèi) PN結(jié)反壓越大時(shí)， 耗盡區(qū)越寬， iD越小。 當(dāng) uGS＜ UGS(off)時(shí)， 兩個(gè)耗盡區(qū)完全合攏， 溝道電阻趨于無窮大， iD≈0。 第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 圖 142 N溝道 JFET的伏安特性曲線 （ a） 轉(zhuǎn)移特性曲線 。 （ b） 輸出特性曲線 第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 iD、 uGS的關(guān)系可用一個(gè)公式來表示 2)()1(of fGSGSD SSD UuIi ?? （ 0≥uGS≥UGS(off)） （ 126） 第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 2） 漏極特性曲線 漏極特性曲線又叫