數字輔導1
第一章 半導體幾極管、二極管和 MOS管
教學(xué)安排與教學(xué)要求
（一）教學(xué)安排
本章共 6 學(xué)時(shí)：錄像 4 學(xué)時(shí)，面授 2 學(xué)時(shí)。具體安排如下：
1、錄像內容
( 1 ) 緒論、半導體二極管
( 2 ) 半導體二極管、晶體三極管
( 3 ) 品體三極管
( 4 ) 絕緣柵場(chǎng)效應管（ MOS 管）
2、面授內容
( 1 ) 二極管、三極管、 MOS 管的主要參數，選用方法和使用注意事項；
( 2 ) 特殊二極管及其應用
（二）教學(xué)要求
1、重點(diǎn)掌握的內容
( l ) 半導體二極管單向導電的原理，伏安特性曲線(xiàn)，開(kāi)關(guān)應用時(shí)開(kāi)關(guān)條件和開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的特點(diǎn)，選用方法。
( 2 ) 晶體三極管的原理，輸入特性和輸出特性，截止、放大、飽和三種工作狀態(tài)，每種工作狀態(tài)的條件及相應的等效電路。三極管的選用方法。
( 3 ) MOS 管的工作原理，開(kāi)關(guān)應用時(shí)開(kāi)關(guān)條件和開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的特點(diǎn)， MOS 管的使用特點(diǎn)。
2、一般掌握的內容
( l ) 半導體的兩種載流子，擴散和漂移的概念， PN 結形成的原因， PN 結外加正向電壓或反向電壓時(shí)的導電性能。
( 2 ) 二極管的主要參數，幾種常用的特殊二極管，它們的工作原理和特點(diǎn)。
(3 ) 三極管的主要參數β、α、ICBO和ICEO的物理意義，它們之間的關(guān)系及其對三極管性能的影響，三個(gè)極限工作區的意義和劃分。
（4 ) 增強型 MOS 針的輸出特性和轉移特性，三種工作狀態(tài)的區域劃分，各自的工作特點(diǎn)。M OS 管的主要參數。
3、一般了解的內容
( 1 ) 二極管的極間電容效應和開(kāi)關(guān)時(shí)問(wèn)，常用二極管的類(lèi)型、型號，特殊二極管的主要參數。
( 2 ) 三極管內部載流子運動(dòng)過(guò)程，三極管的開(kāi)關(guān)時(shí)間，三極管的類(lèi)型、型號。
（3）耗盡型MOS管的工作原理、特性曲線(xiàn)、主要參數、MOS管的開(kāi)關(guān)時(shí)間。
重點(diǎn)和難點(diǎn)的分析
一、半導體的基本知識
（一）PN結的形成
通過(guò)一定的工藝，在同一個(gè)半導體硅片上形成兩個(gè)互相接觸的 P 型區和 N 型區，它們的交界面處則形成 PN 結。
P 型半導體的多數載流子是空穴， N 型半導體的多數載流子是自由電子，因為兩者濃度差異而引起的載流子定向運動(dòng)稱(chēng)為擴散。交界面兩側的多子擴散到對方后很快復合而消失，在交界面處留下不能移動(dòng)的離子 — 空間電荷，這一區域稱(chēng)為空間電荷區，又稱(chēng)為耗盡層，如圖 l 所示。由于空問(wèn)電荷區的出現．正負電荷形成一個(gè)內電場(chǎng)．它將阻止多子繼續擴散，同時(shí)又促使少子漂移。擴散使空間電荷區加寬，漂移使空問(wèn)電荷區變窄。兩種運動(dòng)同時(shí)進(jìn)行著(zhù)，當擴散流強度等于漂移流強度時(shí)， PN 結達到動(dòng)態(tài)平衡，空間電荷區也就達到了穩定狀態(tài)。
圖一
（二）PN 結的單向導電性
當 PN 結的 P 區接電源正極，N 區接電源負極，外加正向電壓時(shí)，PN結內多子擴散電流形成較人的正向電流，PN 結的導通電阻很小，稱(chēng)其處于導通狀態(tài)；相反，外加反向電壓時(shí)，PN 結內少子漂移電流形成很微弱的反向電流，兒乎為零。PN 結相當于一個(gè)非常大的電阻，稱(chēng)其處于截止狀態(tài)。PN 結這種外加正間電壓導通，外加反向電壓截止的性能稱(chēng)為單向導電特性。
【 例 l 】 PN 結內部存在內電場(chǎng)，若將 P 區端和 N 區端用導線(xiàn)連接，是否有電流流通？為什么？
答：當川導線(xiàn)連接 PN 結的兩端時(shí)，沒(méi)有電流流通。 PN 結在沒(méi)有外加電壓的條件下，擴散電流和漂移電流大小相等．方向相反，處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，所以流過(guò)交界面的靜態(tài)電流為零。因此導線(xiàn)上也不會(huì )有電流流通。也就是說(shuō)，PN結內電場(chǎng)形成的電位差，主要用來(lái)抵消由于濃度差形成的多子擴散電流，從而保持 P 區和 N 區的電中性。（這里忽略了導線(xiàn)與半導體接觸電位差的影響）。
【 說(shuō) 明 】 本思考題主要是幫助同學(xué)們熟悉內電場(chǎng)的作用。
二、半導體二極管
（一）二極管伏安特性曲線(xiàn)的特點(diǎn)
圖 2 是硅二極管的伏安特性曲線(xiàn)，現以該曲線(xiàn)為例，分析其各部分的特點(diǎn)：
圖二
大，它的數值基本不變，所以又稱(chēng)為反向飽和電流，用IS表示。但是，少數載流子受溫度影響大，當外界溫度升高時(shí)，IS會(huì )顯著(zhù)增大。
3．擊穿特性（u≤UBR 的區域）
二極管發(fā)生電擊穿，|u|稍有增加，|i|急劇增大，曲線(xiàn)幾乎和縱軸平行，u≈UBR。只要反向電流不超過(guò)最大允許值，PN 結不會(huì )損壞，當反向電壓去掉后， PN 結仍保持原來(lái)的性能。
【 例 2 】 圖 3 ( a )是二極管電路，圖（b）是二極管正向伏安特性。試求：
( 1 ) ull = 1V 時(shí)，iD1 = ？二極管壓降 UD1= ?
( 2 ) u I2=2V 時(shí)，iD2 = ？UD2= ？
( 3 ) uI增加了一倍，iD2 是否比 iD1 增加一倍？為什么？
圖三
解：假設二極管導通，電流為iD，由電路圖可知
uD= uI - iD R ( l )
從外電路看, uD 和iD之間是線(xiàn)性關(guān)系；而二極管兩端電壓和電流是非線(xiàn)性關(guān)系，故實(shí)際的電壓和電流值必然在上述兩種關(guān)系曲線(xiàn)的交點(diǎn)上。
圖四
（1）根據式1 可知，當uI =1V 時(shí)，若iD= 0，則 uD = 1V
若uD = 0V ，iD= uI/R=2mA ，故可在坐標圖中求得A點(diǎn)和B點(diǎn)，連接AB直線(xiàn)稱(chēng)為作負載線(xiàn)。負載線(xiàn)與特性曲線(xiàn)交點(diǎn) Ql 稱(chēng)為工作點(diǎn)，見(jiàn)圖4。由圖可知
iD1 = 1.3mA ,
uD1 = 0 . 3V
（2）當 uI =2V時(shí)，可作負載線(xiàn) CD, 求出工作點(diǎn)Q2，可得
iD2 = 3 . 5mA uD2 = 0 . 4V
(3) 從所求結果可知，當 ul 增大一倍時(shí), iD2要比iD1大一倍多。這是因為二極管正向特性按指數規律上升，外加電壓增大一倍，電流的增加要大于一倍。
【 說(shuō) 明 】本題幫助同學(xué)熟悉二機管的炸線(xiàn)性特性以及在特性曲線(xiàn)上作負載線(xiàn)的方法。
【 例 3 】 圖 5 ( a ) ( b )分別是二極管電路。若二極管特性曲線(xiàn)如圖 2 所示，已知 uI =10sin50πt 時(shí)。試畫(huà)出輸出uO1 和uO2 的波形。
圖五
解：根據二極管特性曲線(xiàn)，當外加正向電壓較大時(shí)，二極管導通，內阻很小，其阻值可以忽略，而且 UD≈0 . 7V；而當外加電壓uI＜0 . 7V時(shí)，iD很小，故可近似認為和加反向電壓一樣，iD≈0。
(1) 圖（a）電路中，當 uI > 0 . 7V 時(shí)， D 導通，
圖六 圖七
uO2 = uI
當uI ≥UD+5V時(shí)，D1 導通，D2截止
iD =
uO2 = UD+5≈5.7V
根據以上分析結果，畫(huà)出輸入和輸出波形圖如圖6所示。
【 說(shuō) 明 】 本題用來(lái)熟悉二機管電路的分析方法。
（二）二極管開(kāi)關(guān)特性的應用
由于半導體二極管具有單向導電特性，當外加正向電壓時(shí)，管子導通；當外加反向電壓時(shí)，管子截止。因此，可以把二極管當當作受外加電壓控制的開(kāi)關(guān)。
1、開(kāi)關(guān)應用的等效電路模型
圖7是最簡(jiǎn)單的二極管開(kāi)關(guān)電路，uSS為外加電壓，D為開(kāi)關(guān)二極管，R為限流電阻。
我們分幾種情況進(jìn)行分析：
( l ) 當外加電壓uSS和電阻R 很小時(shí)，二極管的開(kāi)啟UON電壓和導通電阻不能忽略，二極管伏安特性可近似為圖8所示折線(xiàn)，其開(kāi)關(guān)狀態(tài)的等效電路模型如圖8（a )所示。圖中
rON =
圖八
（ 2 ）當外加電壓uSS較大，但二極管導通電壓不能忽略．而R〉〉rON時(shí)，管子導通電阻可以忽略，二極管伏安特性和等效電路可近似圖8 (b) 所示。當uSS＜0.7V 時(shí)，iD=0，相當于開(kāi)關(guān)K斷開(kāi)；當uSS≥0 . 7V 時(shí)，uD≈0.7V。相當于開(kāi)關(guān) K 閉合。在數子電路中，會(huì )經(jīng)常采用這種等效模型。
( 3 ）當uSS和 R 都很大，二極管的導通壓降和導通電阻均可忽略時(shí)，一般認為是理想二極管，它的伏安特性和等效電路模型如圖8（c）所示。
2、常用的二極管開(kāi)關(guān)條件和特點(diǎn)
在數字電路中，一般認為滿(mǎn)足圖8 (b) 所示模型的條件，因此硅二極管開(kāi)關(guān)條件和開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的特點(diǎn)如表（一）所示。
【 例 4 】 二極管開(kāi)關(guān)電路如圖9所示。若二極管導通時(shí)UD =0.7V , rON = 0，試求， uA 和 uB 在0V 和 5V 兩種電壓中變化時(shí)，三個(gè)二極管的工作狀態(tài)如何變化？對應的輸出電壓 uO是多少伏?
（表 一） 二極管開(kāi)關(guān)條件和特點(diǎn)
圖九
解: 因為 RL阻值較大，負載電流很小，可以忽略它的分流作用對電路的影響，下面分幾種情況來(lái)分析估算。
（1）當 uA = uB = 0V 時(shí)；三個(gè)二極管都處于正向偏置下，D1、D2和 D3 都處于導通狀態(tài)。故
這時(shí) D2承受反向偏置電壓處于截止狀態(tài)，故 uB不影響uP的電位。又因 D3 受正向偏置，所以
uO = uP 一UD3 = 0V
同理．當uA = 5V、uB = 0V，D1截止、D2和 D3導通，uP = 0.7V ，uO = 0V
由上述分析可知，該電路在不同輸入狀態(tài)下，輸出電壓的數值和二極管工作狀態(tài)如表 （二）所示?？梢?jiàn)該電路只有輸入均為高電平時(shí)，輸出為高電平，否則輸出低電平。
【 說(shuō) 明 】本題訓練二極管作開(kāi)關(guān)應用時(shí)，電路的估算方法。
（三）二極管的電容效應
二極管兩端的外加電壓發(fā)生變化時(shí)，PN 結中的電荷量也將隨之變化，它說(shuō)明二極管具有一定的電容效應。通常把二極管的電容效應分成兩部分討論，即勢壘電容和擴散電容。 1、勢壘電容 CB
勢壘電容是由于 PN 結中存在空間電荷而形成的，又稱(chēng)為結電容，一般用 CB表示。
表（二） 例 4 狀態(tài)表
PN 結的交界面處存在不能移動(dòng)的正、負離子，它們具有一定的電荷量，形成空間電荷區。當二極管外加正向電壓時(shí)，空間電荷區變窄，電荷量減少；當二極管外加反向電壓時(shí)，空間電荷區變寬，電荷量增多。因此，二極管外加電壓變化時(shí)， PN 結的空間電荷量將隨之改變，如同電容器的充、放電過(guò)程一樣。由此等效的電容量即為勢壘電容。理論和實(shí)驗證明，勢壘電容的大小可用下式表示。
式中ε為半導體材料的介電常數，S 為結面積，L為耗盡層寬度。由于耗盡層寬度是隨外加電壓的方向和大小不同而變化的，所以勢壘電容的大小也隨外加電壓的變化而改變。它們的關(guān)系可用圖10所示的曲線(xiàn)表示。
2、擴散電容 CD
擴散電容是由于多數載流子在擴散過(guò)程中毛．任電荷的積累而形成的，一般用CD表示。
二極管外加正向電壓時(shí)，無(wú)論是 P 區還是N 區的多數載流子都要向對方區擴散。多子克服內電場(chǎng)的阻力擴散到對方區域后，并不是立即與該區的多子復合而消失，而是在一定的路程內繼續擴散，逐漸復合。所以在一定范田內存儲一定數量電荷，并按濃度梯度遞減的規律分布。
由于實(shí)際二極管的PN結大多是不對稱(chēng)的，P區滲雜濃度大于 N 區滲雜濃度，所以存儲電荷主要表現在弱摻雜的 N 型區，即 P 區的多子空穴擴散到 N 型區后形成的存儲電菏
圖十 圖十一
圖11是 N 區空穴的濃度分布曲線(xiàn)。曲線(xiàn) 1 表示在外加某個(gè)正向電壓下，N 區中空穴濃度Pn分布曲線(xiàn)?？梢?jiàn)．在 P 區和 N 區的交界處（x= 0）的空穴濃度最高，隨著(zhù)與交界面的距離了的增大空穴濃度逐漸降低，最后趨向于 N 區熱平衡子濃度PnO。曲線(xiàn)下包含的面積正比于存儲電荷L量Q。
當正向電壓增大時(shí)，多子擴散運動(dòng)增強，在 N 區空穴濃度也增高，如圖 1 1中曲線(xiàn) 2 所示。所以 N 區存儲電荷址也增多了，圖中斜線(xiàn)部分的面積則與增加的電荷量△Q 相對應。相反，如果外加正向電壓減小，則在 N 區存儲電荷址減少?？傊?，在正向電壓下由于P 區多子的擴散，N 型區中存儲了一定量空穴正電荷Q 。為了保持 N 型區的電中性，必須從陰極外電路流入電子，其電荷總量為-Q 。這樣，+Q 和-Q 如同電容器兩個(gè)極板上的電荷，在外加正向電壓變化時(shí)，好象電容器充放電一樣，存儲電荷量隨之改變，這就是擴散電容的效應。PN結反偏時(shí)，多子擴散很微弱，擴散電容的作用可以忽略。
綜上所述， PN 結的等效總電容Ci 應當是勢壘電容CB與擴散電容CD之和，即
Ci = CB+CD ( 3 )
一般來(lái)說(shuō)，當二極管外加正向電壓時(shí)，擴散電存起主要作用；當二極管外加反向電壓時(shí)，勢壘電容起主要作用。通常CB和CD的值約為幾皮法～幾十皮法。
由于二極管的電容效應，不僅影響其開(kāi)關(guān)時(shí)間，而且當信號頻率很高時(shí)，二極管將失去單向導電性，不能再作開(kāi)關(guān)使用，所以二極管都有最高工作頻率的限制。
三、晶體三極管
（一）三極管的結構特點(diǎn)和電流分配
1、結構特點(diǎn)
圖 11 (a) 是 NPN 硅三極管的結構示意圖，它由三個(gè)區：發(fā)射區、基區和集電區，兩個(gè)結：發(fā)射結、集電結，三個(gè)引出電極：發(fā)射極、基極和集電極組成。
它的內部結構有以下特征：
（1）發(fā)射區摻雜濃度高，因而多數載流子的濃度很高；
（2）基區做得很薄，通常只有幾微米到幾十微米，而且摻雜濃度很低，因此多子濃度很低；
（3）集電區摻雜也較低，它的多子濃度低于發(fā)射區，所以集電極和發(fā)射極不能互換使用。
圖十一
2、電流分配
要使三極管正常工作在放大狀態(tài)，三個(gè)電極間必須外加合適的電源電壓，即：
（1）發(fā)射結外加正向電壓，又稱(chēng)為正向偏置，且UBE＞0.5V
（2）集電結外加反向電壓，又稱(chēng)為反向偏置，且 UBC＜0V。
圖1 1 ( b ) 是三極管外加合適的電源電壓后，各極電流分配示意圖。
A 、發(fā)射極電流IE
發(fā)射區向基區發(fā)射自由電子，形成發(fā)射極電流IE，其中大部分被集電區收集，形成集電極收集電流ICN，少部分在基區形成基極復合電流IBN，故
B、基極電流 IB
基極電流IB包含基極復合電流IBN和集電區少子漂移到基區形成的基極反向飽和電流ICBO。前者由基極流入，后者由基極流出，故
C、集電極電流IC
集電極電流IC包含集電極收集電流ICN 和基極反向飽和電流ICBO，兩者方向都是由集電極流入，故
D、共發(fā)射極電流放大系數β
三極管制成后，只要工作在放大狀態(tài)，它的集電極收集電流和墓極復含電流的比值是一個(gè)常數，即
而且β值約為幾十至幾百之間。
從上述公式可以得到下面重要關(guān)系式
其中，ICEO=（1+β）ICBO，稱(chēng)為穿透電流。它的數值一般很小，通?？梢院雎云溆绊?。這時(shí)，三極管集電極電流和發(fā)射極電流只受基極電流控制。當改變基極電流的大小時(shí)，若其變化量為△IB，則集電極電流和發(fā)射極電流都產(chǎn)生較大的變化，它們分別為
因為俘遠遠大于 1 ，所以二極管具有電流放大作用。在共發(fā)射極電路中，一般它還其有電壓放大作用。
（二）三極管共發(fā)射極輸出特性
圖12 ( a )是硅三極管共發(fā)射極的輸出特性曲線(xiàn)。由輸出特性可以了解三極管以下性能：
1、當 uBE ＜0.5V 時(shí)，IB≤0，三極管處于截止狀態(tài)。因此,IB = 0的一條曲線(xiàn)以下部分稱(chēng)為截止區。此時(shí)，三極管各極電流基本上等于零。
嚴格地講，IB = 0，集電極電流 iC并不為零，iC 近似等于穿透電流ICEO。硅三極管穿透電流非常小，約小于一微安，鍺三極管約為幾十～幾百微安。穿透電流受溫度影響較大，所以 ICEO大的管子溫度穩定性差。
圖十二
2、 當 uBE ≥0 . 5V , uBC＜0V 時(shí)，三極管工作在放大狀態(tài)。此時(shí)，IC≈βIB，△iC =β△IB，所以集電極電流受基極電流控制，而與 uCE無(wú)關(guān)。曲線(xiàn)近似水平的直線(xiàn)。這部分稱(chēng)為放大區。
在特性曲線(xiàn)放大區，可以根據 △IB 對應的 △iC值求出共射電流放大系數β值和共基電流放大系數α值。
3、當 uBE ≈0 . 7V、uBC＞0。 V 時(shí)，集電極電流iC不再受基極電流 IB的控制，三極管進(jìn)入飽和狀態(tài)。輸出特性靠近縱軸的上升部分，對應不同的IB值的各條曲線(xiàn)幾乎重疊在一起，這一區域稱(chēng)為飽和區。
在飽和區三極管失去了放大作用，uCE =UCES ≤0.3V , iC的值主要由外電路決定。
4、非安全工作區
為了確保二極管安全工作，一般規定了一些極限參數，有集電極最大允許電流 ICM、集電極擊穿電壓 U (BR)）和集電極最大允許功耗PCM。特性曲線(xiàn)中，超過(guò)上述極限參數的區域稱(chēng)為非安全工作區，包括：過(guò)流區、過(guò)壓區和過(guò)損耗區，見(jiàn)圖 l 2 (b)。三極管正常工作時(shí)不應進(jìn)入非安全工作區。
【 例 5 】 某三極管特性曲線(xiàn)如圖 13 ( a ) 所示。已知ICM = 40mA , U（BR）CEO≥5OV , PCM = 400mW，試標出曲線(xiàn)的放大區，截止區和飽和區，過(guò)壓區、過(guò)流區和過(guò)損耗區，并估算UCE = 15V、IC = 15mA 時(shí)管子的β值和α值。
解：在圖 13 中，按照已知參數可以在輸出特性上分別注明各區的范圍。因為 PCM = iC
·uCE ，可以假設一個(gè) iC 值，求出對應的uCE 值，確定特性中的一個(gè)點(diǎn)，這樣逐點(diǎn)描出過(guò)損耗區的范圍，見(jiàn)圖 13 (b)。
在對應UCE = 15V、IC＝ 15mA 的 Q 點(diǎn)，取 △IB＝200μA，求得 △iC ＝ l0mA ，故
【 說(shuō) 明 】本題用來(lái)熟悉三極管的輸出特性，又叫利用特性曲線(xiàn)求解β、α的方法。
（三）三極管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)和等效電路
在數字電路中，三極管經(jīng)常被當作開(kāi)關(guān)使用。管子截止狀態(tài)和飽和狀態(tài)是開(kāi)關(guān)工作時(shí)的兩種穩態(tài)，而放大狀態(tài)是管子從一種穩態(tài)向另一種穩態(tài)過(guò)渡的狀態(tài)。
圖十三
1、三極管開(kāi)關(guān)條件和開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的特點(diǎn)
表 3 列出了 NPN 硅三極管開(kāi)關(guān)條件和開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的特點(diǎn)。
表（三） 三極管開(kāi)關(guān)條件和特點(diǎn)
2、開(kāi)關(guān)狀態(tài)下等效電路
圖 14 為三極管三種工作狀態(tài)下的等效電路。
圖 14 (a) 是三極管截止狀態(tài)下的等效電路。iB = 0，iC = 0，故c - e 之間如同斷開(kāi)的開(kāi)關(guān)。
圖 14 (b) 是三極管放大狀態(tài)下的等效電路。iB＞0, b -e 之間等效為一個(gè)可變電阻rbe，其值和工作電流大小有關(guān)；c -e 間相當于受 iB控制的電流源，即iC ＝βiB 。
圖 14 (c) 是三極管飽和后的等效電路。 iB ≥IBS =
【 例 6 】 圖 15 是三極管開(kāi)關(guān)電路。若三極管導通電壓為 0 . 5V，飽和時(shí) UBE= 0 . 7V , UCES = 0 . 3V ，試求：
( 1 ) uI分別為 0 . 3V 和 10V 時(shí)，三極管的工作狀態(tài)，對應的 uO =？
（2）三極管剛剛進(jìn)入飽和或剛剛進(jìn)入截止區時(shí)對應的uI值各是多少伏了
圖十四
圖十五
解： ( l ) 當 uI = 0.3V 時(shí)，假設三極管已經(jīng)截止，根據截止三極管的特點(diǎn)，可畫(huà)出輸入等效電路如圖16（a）所示?？梢郧蟮?/span>
圖十六
可以求得
故三極管已截止的假設成立。根據iB = 0、iC = 0的特點(diǎn)，可求出
uO = VCC = 12V
當 uI =10V時(shí)，假設三極管已飽和，根據飽和三極管的特點(diǎn)可畫(huà)出輸入等效電路如圖 16 ( b ) 所示?？梢郧蟮?/span>
可見(jiàn)， iB ＞IBS，二極管已飽和的假設成立。根據飽和三極管的特點(diǎn)可求出
( 2 ) 根據三極管的開(kāi)關(guān)條件，管子進(jìn)入截止狀態(tài)必須滿(mǎn)足下面的不等式：
故
可見(jiàn)，uI =4 . 5V 時(shí)，三極管剛剛進(jìn)入截止狀態(tài)。
根據三極管開(kāi)關(guān)條件，管子進(jìn)入飽和狀態(tài)必須滿(mǎn)足下列不等式
可見(jiàn)，uI = 7 . 1V 時(shí)，三極管剛剛進(jìn)入飽和工作狀態(tài)。
【 說(shuō) 明 】 本題用來(lái)熟悉三機管的開(kāi)關(guān)條件和開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的工作特點(diǎn)，幫助掌握分析開(kāi)關(guān)電路的方法
（四） PNP 型三極管的特點(diǎn)
PNP 型三極管和 NPN 型三極管在結構特點(diǎn)和工作原理方面基本上是相同的。只是由于它的三個(gè)區摻雜情況與 NPN 管不同，所以在外加電壓、電流方向等方面存在著(zhù)差別。因為 PNP 型鍺三極管較多，故這里以鍺管為例介紹 PNP 型三極管的特點(diǎn)。
1、內部結構和外加電壓
圖十七
PNP 型三極管發(fā)射區和集電區是 P 型半導體，基區是 N 型半導體，如圖17 (a )所示。它的發(fā)射區多數載流子（空穴）濃度很高，集電區空穴濃度較低，基區做得很薄、而且多子（自由電子）濃度很低。
為了保證三極管工作在放大狀態(tài)，要求發(fā)射結正向偏置，集電結反向偏置。因此，外加電壓的方向與 NPN 管相反，即 uBE＜ 0V , uBC＞0V，電源 VCC 和 VBB 的正極接發(fā)射極，負極分別接集電極和基極，見(jiàn)圖17。
在外加電壓作用下，發(fā)射區向基區發(fā)射空穴，形成射極電流IE ，其方向與空穴運動(dòng)方向相同，即由發(fā)射極流入三極管?；鶚O電流IB主要由外電路補充基區復合掉的自由電子形成的，故其方向是由管子流出基極；集電極電流IC主要由收集的空穴流組成，其方向也是由管子流出集電極?？梢?jiàn)，IE、IB和IC的方向正好與 NPN 管相反，所以 PNP 三極管的符號如圖17 (b) 所示，發(fā)射極的箭頭方向指向基極和集電極。由圖中可以看出，IE、IB和IC 規定的正方向與實(shí)際方向相同，而uBE和uBC規定的正方向與實(shí)際方向相反，故 uBE 和 uCE 為負值。
2 、PNP 管的伏安特性
圖18 是 PNP 鍺管 3AX31 的輸入特性和輸出特性。注意兩個(gè)特性曲線(xiàn)橫座標uBE 和 uCE為負值。
圖十八
由圖18輸入特性曲線(xiàn)可以看到，PNP 型鍺管基極導通電壓uBE約為一0.1V。三極管工作在放大狀態(tài)時(shí)uBE約為一0.2V。從輸出特性曲線(xiàn)可知，當管子截止時(shí)，iB = 0，但iC值還較大，它近似等于穿透電流 ICEO，約為幾十微安。當管子飽和時(shí)，飽和管壓降較小，uCES 約為-0.1V。它與 NPN 型硅三極管相比，不僅電壓、電流方向不同，而且導通電壓數值較小。利用這些特點(diǎn)可以實(shí)現特殊要求的電路，另外也可以在電路中區分出 PNP 型鍺管。
【 例7 】已知由 PNP 管組成的開(kāi)關(guān)電路如圖19 所示。若導通電壓uBE = -0.1V ，飽和時(shí) uCES = 0.1V, 試問(wèn)：uI分別為0V、-2V 和-5V 時(shí)，管子的工作狀態(tài)，對應的uO各是多少伏？
解： ( 1 ) 當 uI = 0V 時(shí)，uBE = 0V 大于導通電壓-0 . 1V ，故管子截止，iC = 0。故
uO = VCC = - 10V
圖十九
( 2 ) 當 uI = - 2V 時(shí)，uBE＜一 0 . 1V，可見(jiàn)管子已導通。假設三極管已進(jìn)入飽和狀態(tài)，可知
由于iB＜IBS，所以原來(lái)假設三極管飽和是不對的．三極管一定工作在放大狀態(tài)，故
（3）當 uI = - 5V 時(shí)，根據前面分析，可以求出基極電流為
可見(jiàn) iB ＞IBS，三極管已經(jīng)飽和．故
【 說(shuō) 明 】本題用來(lái)熟悉 PNP 鍺管的性能，了解這種電路的估算方法。
【 例 8 】 測得工作在放大電路中三極管各電極的電位如圖20 所示。分別判斷它們是 NPN 管，還是 PNP 管，是硅管還是鍺管，并標出 e、b、c
圖二十
解：因為三極管工作在放大狀態(tài)下，硅管uBE ≈0. 7V ，鍺管|uBE|≈0 . 2V，另外NPN 管 uBE＞0V，UBC＜0V；PNP 管uBE ＜0V , uBC ＞0。所以，根據給出的管腳電壓，按上述特點(diǎn)可以區分出各管的管型，畫(huà)出對應的三極管符號如圖 21所示。
由圖可知：管 a 是 NPN 硅管，管 b 是 NPN 鍺管，管 d是 PNP 硅管，管 d 是 PNP 鍺管。e、b、c標在圖中。
【 說(shuō) 明 】本題練習根據管腳電壓判斷管型的方法。
四、絕緣柵場(chǎng)效應管（ MOS 管）
由于本課主要使用增強型 MOS 管，這里以增強型管為例進(jìn)行分析輔導。
（一）增強型 MOS 管的結構和工作原理
圖22 ( a ) ( b ) 分別畫(huà)出 N 溝道和 P 溝道增強型 MOS 管的結構示意圖以及正常 工作時(shí)外電路連接形式。
圖二十一
圖二十二
1、NMOS 管
當 uGS＜UTN 時(shí)，管子內部漏源極之間沒(méi)有形成導電溝道，盡管uDS＞0V，漏極電流 iD = 0，管子處于截止狀態(tài)。
當 uGS＞UTN時(shí)，管子內部漏源之間形成導電溝道，在外加電源VDD 作用下，有漏極電流產(chǎn)生（即iD＞0），其方向是以漏極經(jīng)過(guò)導電溝道流向源極，如圖22 ( a ) 所示。
2、PMOS 管
當 uGS＞UTP（負值）時(shí)，漏源之間沒(méi)有形成導電溝道，漏極電流 iD = 0，管子處于截止狀態(tài)。
當 uGS＞UTP（負值）時(shí)，漏源之間形成導電溝道，在外加電源的作用下，有漏極電流產(chǎn)生（即而iD＞0 )，其方向是從源極經(jīng)過(guò)導電溝道流向漏極，如圖22 ( b ) 所示。
（二）增強型 MOS 管的特性曲線(xiàn)
圖23 ( a ) ( b )分別畫(huà)出 NMOS 、PMOS管的輸出特性和轉移特性。圖中規定 iD 的正方向是從漏極經(jīng)過(guò)溝道流向源極，uDS 和 uGS 的正方向是指漏極（D）和柵極（G）到源極（S）的電壓。
圖二十三
1、 NMOS 管
曲線(xiàn)中 iD 、 uGS 、 uDS 、 UTN均為正值。從轉移特性可知，當 uGS＜UTN 時(shí) iD = 0，管子截止，當uGS＞UTN 時(shí)，iD＞0，管子導通。
從輸出特性可知，當 uGS＞UTN，且uDS 較小時(shí)，管子工作在可變電阻區。這時(shí)改變uGS 可以控制導電溝道的寬窄。從而改變管子的導通電阻值。uGS愈大，溝道愈寬，管子導通電阻愈小，曲線(xiàn)愈陡，在同樣的漏源電壓下，電流iD值愈大。在數字電路中，MOS 管作開(kāi)關(guān)應用時(shí)，管子導通多是工作在可變電阻區。因此，外加信號uGS愈大，管子導通電阻愈小，管壓降愈小，S～D 之間更接近于閉合的開(kāi)關(guān)。
當uGS＞UTN且uDS 較大時(shí)，管子工作在恒流區。由于這時(shí)管子的導電溝道靠近漏極一端出現了預夾斷現象，增大uDS只改變溝道的夾斷長(cháng)度，而不改變漏極電流的大小，所以iD 只由uGS的大小決定。對應不同的 uGS，特性曲線(xiàn)近似是一組平行橫軸的直線(xiàn)。一般稱(chēng)它為恒流區，也稱(chēng)飽和區。
當 uDS繼續加大而趨近一定限度時(shí)，和晶體三極管一樣，NMOS 管也會(huì )擊穿。所以輸出特性中這一區域稱(chēng)為擊穿區。使用 NMOS 管時(shí)，外加電壓不應超過(guò)管子的擊穿電壓。
2 . PMOS 管
曲線(xiàn)中 iD 、 uGS 、 uDS 、 UTN均為負值。在連接 PMOS 管外電路時(shí)，一定要注意它的電流和電壓的方向，尤其外加電源不應接錯，否則會(huì )損壞器件。
關(guān)于PMOS管的轉移特性和輸出特性的分析，除去電壓、電流萬(wàn)向與 NMOS 管不同之外，其它基本相同，這里不再贅述。
（三） MOS 管的開(kāi)關(guān)應用和等效電路
1、開(kāi)關(guān)條件和開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的特點(diǎn)
NMOS 和 PMOS 管的并關(guān)條件和開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的特點(diǎn)如表 4 所示。
表（四）MOS管開(kāi)關(guān)條件和特點(diǎn)
2、MOS 管開(kāi)關(guān)應用時(shí)的等效電路
圖24 表示 MOS 管截止和導通時(shí)的等效電路。
( l ) 當 NMOS 管uGS＜UTN或 PMOS 管uGS＞UTN 時(shí)，圖中開(kāi)關(guān) K 斷開(kāi)，iD = 0。因此，G 、D 、S 三極間斷開(kāi)，D～S 之間相當于斷開(kāi)的開(kāi)關(guān)。
( 2) 當 NMOS 管 uGS≥UTN或PMOS 管uGS≤ UTN時(shí)，圖中開(kāi)關(guān) K 閉合，管子導通，D～S 之間相當于閉合的開(kāi)關(guān)，導通電阻rDS(On) 約為幾百歐姆。
3、MOS 管的主要特點(diǎn)
( 1 ) MOS 管是一種電壓控制器件，改變輸入電壓 uGS，可以改變管子的工作狀態(tài)。
（2 ) MOS管柵極與其它各極之間有一層絕緣性能很好的SiO2隔開(kāi)，所以輸入電阻
很大，靜態(tài)情況下輸入端幾乎不取電流。但是輸入端柵極有電容，其值可達幾皮法，影響開(kāi)關(guān)速度，而且柵極感應電荷不易泄放，容易引起柵極擊穿。
圖二十四
(3 ) MOS 管利用一種極性的載流子導電，故有單極型三極管之稱(chēng)。它與雙極型二極管比，具有噪聲小、溫度穩定性好的優(yōu)點(diǎn)。
(4 ) MOS 管結構對稱(chēng)，漏極和源極可以互換使用，不影響其性能指標，因此應用時(shí)比較靈活、方便。
【 例 9 】圖25是 PMOS 反相器電路，己知UTP = - 4V , 導通電阻 ro n = 500Ω，
試問(wèn)：uI分別為0V 和-10V 時(shí)的uO值是多少？
解：
圖二十五
可見(jiàn)，該電路輸入低電平時(shí)，輸出高電平；輸入高電平時(shí)，輸出低電平，具有反相功能。
【 說(shuō) 明 】本題用來(lái)熟悉 PMOS 管的開(kāi)關(guān)特性，訓練 MOS 電路的估算方法。
【 例10 】若圖 25 中，電源電壓不變而將PMOS 管改為NMOS管,UTN = 4V ,
ro n =500Ω，試問(wèn)電路仍保持反相功能，連接形式如何變化？當uI分別為0V和-10V時(shí)， uO值各是多少？
解: 因為NMOS管要求 uDS、uGS為正電壓條件才能導通，故應將-10V 電源接在源極，而漏極通過(guò)電阻RD接地，襯底應接在源極一邊，柵極作輸入端，漏極作輸出端。電路連線(xiàn)見(jiàn)圖26所示。
當uI = 0V 時(shí)，uGS ＝ 10V ＞UTN，NMOS 管通，導通電阻 rON = 500Ω
圖二十六
NMOS 管截止, iD = 0,
故 uO = 0V
可見(jiàn)，uI為高電平時(shí)，uO為低電平；uO為低電平時(shí)，uI為高電平，電路具有反相功能。
【 說(shuō) 明 】本題用來(lái)熟悉 PMOS管和NMOS管外接電路連接形式的不同，另外在只負電源電壓條件下，NMOS管的使用方法。
【 例 1 1 】圖 26為 CMOS 反相器電路，若 NMOS 管和PMOS 管的性能同前例，試求：
① uI為 0V 和 l0V 時(shí)對應的 uO。
② 若將 PMOS 管改為 I0kΩ的電阻，uO值是多少？
③ 比較上面兩種電路的性能
解：
（1） 該電路由性能對稱(chēng)的 NMOS 管和 PMOS 管組成，即|UT| = 4V , ro n = 500V
當uI = 0時(shí)，uGSN＜UTN , NMOS 管截止，UGSP = -l0V ＜UTP, PMOS 管導通。因為iDN = 0，故
圖二十七
管導通，UGSP = 0V＞UTP，PMOS管截止。因為 iDP = 0 , 故
uO ＝ 0V
( 2 ) 若將 PMOS 管改為 RD = I0kΩ，可求出：
當 uI = 0V 時(shí)，NMOS 管截止，iDN = 0，故
uO = 10V
當 uI = l0V 時(shí)，NMOS 管導通， ro n = 500V，故
(3 ) 比較上述兩種電路；兩者均能在輸入低電平時(shí)，輸出高電平；輸入高電平時(shí)，輸出低電平，實(shí)現反相器的功能。但前者給出低電平為0V，而后者為 0 . 48V，所以 CMOS 電路跳變幅度幾乎和電源電壓相等，它的電源利用率較高。另外，它在穩態(tài)時(shí)總有一個(gè)管子截止，靜態(tài)電流為零，所以它比后者靜態(tài)功耗低。第三在輸出高電平時(shí)，PMOS 管導通電阻比 RD 小很多，所以開(kāi)關(guān)時(shí)間也比后者短。
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