【模拟电子技术基础】1.晶体三极管与场效应管

0.PN结

0.1 杂质半导体

  N型半导体（N为Negative的字头，由于电子带负电荷而得此名）：掺入少量杂质磷元素（或锑元素）的硅晶体（或锗晶体）中，由于半导体原子（如硅原子）被杂质原子取代，磷原子外层的五个外层电子的其中四个与周围的半导体原子形成共价键，多出的一个电子几乎不受束缚，较为容易地成为自由电子。于是，N型半导体就成为了含电子浓度较高的半导体，其导电性主要是因为自由电子导电。

  P型半导体（P为Positive的字头，由于空穴带正电而得此名）：掺入少量杂质硼元素（或铟元素）的硅晶体（或锗晶体）中，由于半导体原子（如硅原子）被杂质原子取代，硼原子外层的三个外层电子与周围的半导体原子形成共价键的时候，会产生一个“空穴”，这个空穴可能吸引束缚电子来“填充”，使得硼原子成为带负电的离子。这样，这类半导体由于含有较高浓度的“空穴”（“相当于”正电荷），成为能够导电的物质。

0.2 PN结的形成

比较好的介绍视频：人类最伟大的发明–PN结
  PN结是由一个N型半导体和一个P型半导体紧密接触所构成的，其接触界面称为冶金结界面。在一块完整的硅片上，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，我们称两种半导体的交界面附近的区域为PN结。
  在P型半导体和N型半导体结合后，由于N型区内自由电子为多子，空穴几乎为零称为少子，而P型区内空穴为多子，自由电子为少子，在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差。由于自由电子和空穴浓度差的原因，有一些电子从N型区向P型区扩散，也有一些空穴要从P型区向N型区扩散。它们扩散的结果就使P区一边失去空穴，留下了带负电的杂质离子，N区一边失去电子，留下了带正电的杂质离子。开路中半导体中的离子不能任意移动，因此不参与导电。这些不能移动的带电粒子在P和N区交界面附近，形成了一个空间电荷区，空间电荷区的薄厚和掺杂物浓度有关。
  在空间电荷区形成后，由于正负电荷之间的相互作用，在空间电荷区形成了内电场，其方向是从带正电的N区指向带负电的P区。显然，这个电场的方向与载流子扩散运动的方向相反，阻止扩散。
  另一方面，这个电场将使N区的少数载流子空穴向P区漂移，使P区的少数载流子电子向N区漂移，漂移运动的方向正好与扩散运动的方向相反。从N区漂移到P区的空穴补充了原来交界面上P区所失去的空穴，从P区漂移到N区的电子补充了原来交界面上N区所失去的电子，这就使空间电荷减少，内电场减弱。因此，漂移运动的结果是使空间电荷区变窄，扩散运动加强。
  最后，多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。在P型半导体和N型半导体的结合面两侧，留下离子薄层，这个离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。PN结的内电场由N区指向P区。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。
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0.3 PN结特性

  从PN结的形成原理可以看出，要想让PN结导通形成电流，必须消除其空间电荷区的内部电场的阻力。很显然，给它加一个反方向的更大的电场，即P区接外加电源的正极，N区接负极，就可以抵消其内部自建电场，使载流子可以继续运动，从而形成线性的正向电流。而外加反向电压则相当于内建电场的阻力更大，PN结不能导通，仅有极微弱的反向电流（由少数载流子的漂移运动形成，因少子数量有限，电流饱和）。当反向电压增大至某一数值时，因少子的数量和能量都增大，会碰撞破坏内部的共价键，使原来被束缚的电子和空穴被释放出来，不断增大电流，最终PN结将被击穿（变为导体）损坏，反向电流急剧增大。
  这就是PN结的特性（单向导通、反向饱和漏电或击穿导体），也是晶体管和集成电路最基础、最重要的物理原理，所有以晶体管为基础的复杂电路的分析都离不开它。比如二极管就是基于PN结的单向导通原理工作的；而一个PNP结构则可以形成一个三极管，里面包含了两个PN结。二极管和三极管都是电子电路里面最基本的元件。

0.3.1反向击穿性

  PN结加反向电压时，空间电荷区变宽，区中电场增强。反向电压增大到一定程度时，反向电流将突然增大。如果外电路不能限制电流，则电流会大到将PN结烧毁。反向电流突然增大时的电压称击穿电压。基本的击穿机构有两种，即隧道击穿（也叫齐纳击穿）和雪崩击穿，前者击穿电压小于6V，有负的温度系数，后者击穿电压大于6V，有正的温度系数。

  雪崩击穿：阻挡层中的载流子漂移速度随内部电场的增强而相应加快到一定程度时，其动能足以把束缚在共价键中的价电子碰撞出来，产生自由电子—空穴对，新产生的载流子在强电场作用下，再去碰撞其它中性原子，又产生新的自由电子—空穴对，如此连锁反应，使阻挡层中的载流子数量急剧增加，像雪崩一样。雪崩击穿发生在掺杂浓度较低的PN结中，阻挡层宽，碰撞电离的机会较多，雪崩击穿的击穿电压高。

  齐纳击穿：齐纳击穿通常发生在掺杂浓度很高的PN结内。由于掺杂浓度很高，PN结很窄，这样即使施加较小的反向电压（5V以下），结层中的电场却很强（可达2.5×105V/m左右）。在强电场作用下，会强行促使PN结内原子的价电子从共价键中拉出来，形成"电子一空穴对"，从而产生大量的载流子。它们在反向电压的作用下，形成很大的反向电流，出现了击穿。显然，齐纳击穿的物理本质是场致电离。
  采取适当的掺杂工艺，将硅PN结的雪崩击穿电压可控制在8～1000V。而齐纳击穿电压低于5V。在5～8V之间两种击穿可能同时发生。

  热电击穿：当pn结施加反向电压时，流过pn结的反向电流要引起热损耗。反向电压逐渐增大时，对于一定的反向电流所损耗的功率也增大，这将产生大量热量。如果没有良好的散热条件使这些热能及时传递出去，则将引起结温上升。这种由于热不稳定性引起的击穿，称为热电击穿。
  击穿电压的温度特性：温度升高后，晶格振动加剧，致使载流子运动的平 均自由路程缩短，碰撞前动能减小，必须加大反向电压才能发生雪崩击穿具有正的温度系数，但温度升高，共价键中的价电子能量状态高，从而齐纳击穿电压随温度升高而降低，具有负的温度系数。

0.3.2 单向导电性

1.PN结加正向电压时导通

  如果电源的正极接P区，负极接N区，外加的正向电压有一部分降落在PN结区，PN结处于正向偏置。电流便从P型一边流向N型一边，空穴和电子都向界面运动，使空间电荷区变窄，电流可以顺利通过，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是，内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。

2.PN结加反向电压时截止

  如果电源的正极接N区，负极接P区，外加的反向电压有一部分降落在PN结区，PN结处于反向偏置。则空穴和电子都向远离界面的方向运动，使空间电荷区变宽，电流不能流过，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，PN结呈现高阻性。
   在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。
   PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。

0.3.3 伏安特性

  PN结的伏安特性（外特性）如图所示，它直观形象地表示了PN结的单向导电性。
  伏安特性的表达式为：$i_D=I_S(e^{\frac{V_D}{V_T}}-1)$
   式中$i_D$为通过PN结的电流，$V_D$为PN结两端的外加电压，$V_T$为温度的电压当量，$V_T=\frac{kT}{q}=\frac{T}{11600}=0.026V$，其中$k$为波耳兹曼常数（$1.38\times 10^{-23}J/K$），$T$为热力学温度，即绝对温度（300K），q为电子电荷（$1.6\times 10^{-19}J/K$）。在常温下，$V_T\approx 26mv$。为反向饱和电流，对于分立器件，其典型值为$10^{-8}\sim 10^{-14}A$的范围内。集成电路中二极管PN结，其值则更小。
  当$V_D\gg 0$，且$V_D>V_T$时，$i_D\approx I_S{e}^{\frac{V_D}{V_T}}$；
  当$V_D<0$，且$\left|V_D\right|\gg V_T$时，$i_D\approx -I_S\approx 0$。

0.3.4 电容特性

  PN结加反向电压时，空间电荷区中的正负电荷构成一个电容性的器件。它的电容量随外加电压改变，主要有势垒电容（$C_B$）和扩散电容（$C_D$）。势垒电容和扩散电容均是非线性电容。

  势垒电容：势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化。势垒区类似平板电容器，其交界两侧存储着数值相等极性相反的离子电荷，电荷量随外加电压而变化，称为势垒电容，用$C_B$表示，其值为：$C_B=-\frac{dQ}{dT}$。在PN结反偏时结电阻很大，$C_B$的作用不能忽视，特别是在高频时，它对电路有较大的影响。$C_B$不是恒值，而是随$V$而变化，利用该特性可制作变容二极管。
  PN结有突变结和缓变结，现考虑突变结情况，PN结相当于平板电容器，虽然外加电场会使势垒区变宽或变窄 但这个变化比较小可以忽略，则$C_B={\epsilon }_S/L$，已知动态平衡下阻挡层的宽度$L_0$，代入上式可得：$C_T={\epsilon }_S/L_0$。

  扩散电容：PN结正向导电时，多子扩散到对方区域后，在PN结边界上积累，并有一定的浓度分布。积累的电荷量随外加电压的变化而变化，当PN结正向电压加大时，正向电流随着加大，这就要求有更多的载流子积累起来以满足电流加大的要求；而当正向电压减小时，正向电流减小，积累在P区的电子或N区的空穴就要相对减小，这样，当外加电压变化时，有载流子向PN结“充入”和“放出”。PN结的扩散电容CD描述了积累在P区的电子或N区的空穴随外加电压的变化的电容效应。
  因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在 P 区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。反之，由P区扩散到N区的空穴，在N区内也形成类似的浓度梯度分布曲线。扩散电容的示意图如右图所示。
  $C_D$是非线性电容，PN结正偏时,$C_D$较大，反偏时载流子数目很少，因此反偏时扩散电容数值很小。一般可以忽略。

  PN结电容：PN结的总电容$C_j$为$C_T$和$C_D$两者之和,外加正向电压$C_D$很大, $C_j$以扩散电容为主（几十pF到几千pF),外加反向电压$C_D$趋于零， $C_j$以势垒电容为主（几pF到几十pF到）。

0.3.5 二极管分类与特性

1.二极管分类

• 按照频率分类
    最基本的分类方法。二极管根据其特性分为整流二极管、开关二极管、肖特基势垒二极管、齐纳二极管、用于高频的高频二极管。另外，作为保护元件一般使用齐纳二极管，但随着周边电路的精密化、应用微细化，被要求使用更高性能的保护元件 — TVS (Transient Voltage Suppressor)。
  

• 按结构分类
    按原子构造来分类，主要分为现在主流的平面型和耐高压的台面型。
  

• 按形状分类
    二极管有各种各样的形装，大体分为插件形和贴片形。
  

2.整流二极管

  整流二极管 (Rectifier Diode) 顾名思义，是指对一定频率的交流电进行整流的二极管。整流的主要目的是将交流转换为直流，其具有高电压、高电流特性。另外，根据使用频率和使用条件不同，转换效率有所不同，提供低VF（正向电压）、高速开关型、低噪音等产品。

3.开关二极管

  顾名思义，是指具有开关功能的二极管。此二极管具有正向施加电压时电流通过 (ON)，反向施加电压时电流停止 (OFF) 的性能。反向恢复时间 (trr) 短，与其他二极管相比，开关特性优异。

  反向恢复时间 (trr) 是指开关二极管从导通状态到完全关闭状态所经过的时间。一般关断后电子不能瞬间停止，有一定量的反向电流流过。其漏电流越大损耗也越大。还正在开发优化材料或扩散重金属从而缩短trr，抑制反冲后振荡（振铃）的FRD (Fast Recovery Diode) 等产品。

trr是指电压变为反向后，直到电流变为零的时间。
trr快速，则可以实现低损耗、高速开关。

4.肖特基势垒二极管

  一般的二极管是利用PN接合来发挥二极管特性，而肖特基势垒二极管是利用了金属和半导体接合产生的肖特基势垒。与一般的PN结二极管相比，具有正向电压 (VF) 低，开关速度快的特点。但漏电流 (IR) 大，有如果热设计错误则引起热失控的缺点。

  热失控：肖特基势垒二极管在特性上会因正向电流大而导致发热。发热则漏电流 (IR) 变大，同时外壳温度、环境温度也上升。如果热设计错误，发热将高于散热，达不到热平衡持续发热。其结果漏电流 (IR) 也持续增加，最终元器件遭到损坏。这种现象叫做热失控。

5.齐纳二极管

  齐纳二极管利用电流变化时电压恒定的特点，用于恒压电路，作为防止IC免受浪涌电流、静电损坏的保护元件使用。其特点是一般的二极管是正向使用，而齐纳二极管是反向使用。反向击穿电压称为齐纳电压 (VZ) 、此时的电流值称为齐纳电流 (IZ) 。近年来随着电子设备的微细化／高功能化的不断发展，要求保护元件具备更高性能，在这种趋势下逐渐拉大与TVS (Transient Voltage Suppressor) 的差别。

6.TVS二极管

  TVS（Transient Voltage Suppressors），即瞬态电压抑制器，又称雪崩击穿二极管。它是采用半导体工艺制成的单个 PN 结或多个 PN 结集成的器件。TVS 有单向与双向之分，单向 TVS 一般应用于直流供电电路，双向 TVS 应用于电压交变的电路。如图 1 所示，应用于直流电路时单向 TVS 反向并联于电路中，当电路正常工作时，TVS 处于截止状态（高阻态），不影响电路正常工作。当电路出现异常过电压并达到TVS（雪崩）击穿电压时，TVS 迅速由高电阻状态突变为低电阻状态，泄放由异常过电压导致的瞬时过电流到地，同时把异常过电压钳制在较低的水平，从而保护后级电路免遭异常过电压的损坏。当异常过电压消失后，TVS 阻值又恢复为高阻态。

  瞬态电压二极管 (TVS)与齐纳二极管的共同点是：都能用作稳压。当实际电压超过钳位电压时，反向电阻降低，从而吸收哪些过多的能量。但两者有什么区别?

• 齐纳二极管主要用于保证电压的稳定。
• TVS主要用于保护电路避免瞬间高电压如浪涌和静电（ESD）造成的伤害。

  因此, TVS比齐纳二极管具有更快的响应时间(ns级)和更高的浪涌吸收能力。当它的两端受到瞬态电压对它的冲击时，TVS仍能以极高的速度把两端间的阻抗值由高阻抗变为低阻抗，以吸收一个瞬间大电流，从而把它的两端电压钳制在一个预定的数值上，从而保护电路上的元件不受瞬态峰值脉冲的冲击。

7.高频二极管

  由电阻值高的I型半导体制成，其特点是引脚间电容(CT)非常小。正向电压条件下,具有可变电阻特性，反向电压条件下,具有电容器特性。利用其高频特性（引脚间电容小，因此对通信线没有影响），作为高频信号开关（带天线的移动设备），衰减器，AGC电路用可变电阻元件使用。

1.晶体三极管

1.1 介绍

  晶体三极管（transistor）是一种半导体器件，由三个控制电极组成，分别是基极、发射极和集电极。晶体三极管可以作为电子信号放大器和开关，是现代电子设备中最常用的元件之一。基本原理是，当控制电极（基极）施加一个信号电压时，会控制另外两个电极（发射极和集电极）之间的电流。晶体三极管的放大效果是由电流放大而来的，其输出电流是输入电流的某个倍数，倍数称之为放大倍数。
  晶体三极管的种类很多，按照结构分类有NPN型和PNP型。它们的工作原理是一样的，只是电极的类型和极性不同。在电路中，通常使用NPN型晶体三极管作为开关或放大器。

三极管实物图

1.2 输入输出特性

1.2.1 NPN型三级管与PNP型三极管

  PNP是一种BJT，其中一种n型材料被引入或放置在两种p型材料之间。在这样的配置中，设备将控制电流的流动。PNP晶体管由2个串联的晶体二极管组成。二极管的右侧和左侧分别称为集电极-基极二极管和发射极-基极二极管。
  NPN中有一种 p 型材料存在于两种 n 型材料之间。NPN晶体管基本上用于将弱信号放大为强信号。在 NPN 晶体管中，电子从发射极区移动到集电极区，从而在晶体管中形成电流。这种晶体管在电路中被广泛使用。

1.2.2 三极管的3种工作状态

  分别是截止状态、放大状态、饱和状态。

1、三极管工作原理-截止状态

  三极管的截止状态，这应该是比较好理解的，当三极管的发射结反偏，集电结反偏时，三极管就会进入截止状态。
  这就相当于一个关紧了的水龙头，水龙头里的水是流不出来的。

三极管工作原理-截止状态
  截止状态下，三极管各电极的电流几乎为0，集电极和发射极互不相通。

2、三极管工作原理-放大状态

  当三极管发射结正偏，集电结反偏，三极管就会进入放大状态。
  在放大状态下，三极管就相当于是一个受控制的水龙头，水龙头流出水流的大小受开关（基极）控制，开关拧大一点，流出的水就会大一点。
  也就是放大状态下，基极的电流大一点，集电极的电流也会跟着变大！并且$i_c$与$i_b$存在一定比例关系，$i_c=\beta i_b$，β是直流电流放大系数，表示三极管放大能力的大小。

三极管工作原理-放大状态

3、三极管工作原理-饱和状态

  当三极管发射结正偏，集电结正偏时，三极管工作在饱和状态。
  在饱和状态下，三极管集电极电流ic的大小已经不受基极电流$i_b$的控制，$i_c$与$i_b$不再成比例关系。
  饱和状态下的三极管基极电流$i_b$变大时，集电极电流$i_c$也不会变大了，这就相当于水龙头的开关已经开得比较大了，开关再开大时，流出的水流也不会再变大了。

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三极管工作原理-饱和状态

1.2.3 三极管的3种工作类型（接线类型）

  这里主要有三种类型：共基极 (CB)、共集电极 (CC) 和共发射极 (CE)。

1、三极管共基极型（CB）

  在共基极 (CB) 配置中，晶体管的基极端子在输入和输出端子之间是公共的。交流信号从发射极输入，集电极输出，基极为公共极；
  特点：输入输出同相，电压增益高，电流增益低；输入阻抗小信号衰减严重，不适合做电压放大器；频宽很大，常用作宽频、高频放大器和恒流源电路。

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三极管共基极型（CB）

2、三极管共集电极型（CC）

  在公共集电极 (CC) 配置中，集电极端子在输入和输出端子之间是公共的。交流信号从基极输入，从发射极输出，集电极就是公共极，又称射极跟随器；
  特点：电流放大，电压跟随，射极跟随器，输入阻抗大，输出阻抗小；多级放大器的输入级、输出级、缓冲级。

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三极管共集电极型（CC）​​​​​​​

3、三极管共射极型（CE）

  在公共发射极 (CE) 配置中，发射极端子在输入和输出端子之间是公共的。
  特点：管子输出电压与输入电压相位相反，用于多级放大电路的中间级，电压放大器。电流电压功率增益均很大。

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三极管共射极型（CE）

1.2.4 ​​​​​​​三极管的功能应用​​​​​​​

1、三极管放大电路

  三极管是一种电流放大器件，可制成交流或直流信号放大器，由基极输入一个很小的电流从而控制集电极输出很大的电流，如下图所示：

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NPN三极管放大电路

PNP三极管放大电路

  三极管基极（b）电流最小，且远小于另两个引脚的电流；发射极（e）电流最大（等于集电极电流和基极电流之和）；集电极（c）电流 与基极（b）电流之比即为三极管的放大倍数。
  三极管具有放大功能的基本条件是保证基极和发射极之间加正向电压（发射结正偏），基极与集电极之间加反向电压（集电结反偏）。基极相对于发射极为正极性电压，基极相对于集电极为负极性电压。
  基极与发射极之间的PN结称为发射结，基区与集电极之间的PN结称为集电结。PN结两边外加正向电压，即P区接外电源正极，N区接外电源负极，这种接法又称正向偏置，简称正偏。PN结两边外加反向电压，即P区接外电源负极，N区接外电源正极，这种接法又称反向偏置，简称反偏。
  三极管具有放大功能的基本条件是保证基极和发射极之间加正向电压(发射结正偏),基极与集电极之间加反向电压(集电结反偏)。基极相对于发射极为正极性电压，基极相对于集电极为负极性电压。

三极管特性曲线
  输入特性曲线是指当集-射极之间的电压$U_e$为某一常数时，输入回路中的基极(b)电流$I_b$与加在基-射极间的电压$U_{ce}$之间的关系曲线。在放大区，集电极电流与基极电流的关系如图所示。

  在三极管内部，$U_{ce}$的主要作用是保证集电结反偏。当$U_{ce}$很小，不能使集电结反偏时，三极管完全等同于二极管。
   在$U_{ce}$使集电结反偏后，集电结内电场就很强，能将扩散到基区自由电子中的绝大部分拉入集电区，与$U_{ce}$很小(或不存在)相比，$I_b$增大了。因此，$U_{ce}$并不能改变特性曲线的形状，只能使曲线下移一段距离。
  输出特性曲线是指当基极(b)电流$I_b$为常数时，输出电路中集电极©电流$I_c$与集-射极间的电压$U_{ce}$之间的关系曲线。集电极电流与$U_{ce}$的关系曲线如图所示。

  根据三极管不同的工作状态，输出特性曲线分为3个工作区。
  截止区：$I_b=0$曲线以下的区域被称为截止区。$I_b=0$时，$I_C=I_{CEO}$,该电流被称为穿透电流，其值极小，通常忽略不计，故认为此时/c=0,三极管无电流输出，说明三极管已截止。对于NPN型硅管，当$U_{be}<0.5V$,即在死区电压以下时，三极管就已经开始截止。为了可靠截止，常使$U_{ce}<0$。这样，发射结和集电结都处于反偏状态。此时的$U_{ce}$近似等于集电极©电源电压$U_c$,意味着集电极©与发射极(e)之间开路，相当于集电极©与发射极(e)之间的开关断开。
  放大区：在放大区内，三极管的发射结正偏，集电结反偏；$I_c=\beta I_b$,集电极©电流与基极(b)电流成正比。因此，放大区又称为线性区。
  饱和区：特性曲线上升和弯曲部分的区域被称为饱和区，即$U_{ceo}$,集电极与发射极之间的电压趋近零。$I_b$对$I_c$的控制作用已达最大值，三极管的放大作用消失，三极管的这种工作状态被称为临界饱和；若$U_{ce}<U_{be}$,则发射结和集电结都处在正偏状态，这时的三极管为过饱和状态。在过饱和状态下，因为$U_{be}$本身小于1V,而$U_{ce}$比$U_{be}$更小，于是可以认为$U_{ce}$近似于零。这样集电极©与发射极(e)短路，相当于c与e之间的开关接通。

注：根据三极管的特性曲线，若测得NPN型三极管上各电极的对地电位分别为$U_e$=2.1V,$U_b$=2.8V,$U_c$=4.4V,则根据数据推算,$U_b>U_e$,$U_{be}$处于正偏,$U_b<U_c$,$U_{bc}$处于反偏。由此可知，NPN型晶体三极管发射结正偏，集电结反偏，符合晶体三极管放大条件，因此该晶体三极管处于放大状态。若三极管三个电极的静态电流分别为0.06mA、3.66mA和3.6mA,则根据三极管三个引脚静态电流之间的关系$I_e>I_c>I_b$可知，为$I_c$为3.6mA,$I_b$为0.06mA。因此，该三极管的放大系数 $\beta =I_c/I_b=3.6/0.06=60$。

2、三极管的开关功能

  三极管的集电极电流在一定范围内随基极电流呈线性变化，这就是放大特性。当基极电流高过此范围时，三极管集电极电流会达到饱和值 （导通），基极电流低于此范围时，三极管会进入截止状态（断路）， 这种导通或截止的特性在电路中还可起到开关作用，如下图所示：

三极管的开关功能

3、三极管的其他功能作用

• 三极管配合其他元件可以构成振荡器
• 把一只小功率可控硅和一只大功率三极管组合，就可得到一只大功率可控硅，主要作用是扩流
• 两只三极管串联可直接代换调光台灯中的双向触发二极管，主要是代换功能
• 用三极管构成的电路可以模拟其它元器件
• 电阻分压器构成恒压源电路，晶体管用作恒压管
• 晶体管反相器

1.3 主要参数

1、型号
  晶体管的型号是赋予每个晶体管的唯一编号。通过使用晶体管的型号，我们可以搜索它的规格和特点。如果你在电子元器件网站查找晶体管，则可以使用原始电路中使用的晶体管型号。

2、电流增益（$\beta$）
  在任何电路中，晶体管的电流增益都是一个重要参数。电流增益通常称为 $\beta$或 $h_{fe}$。电流是基极电流与集电极电流之比，是衡量晶体管放大能力的指标。如果要将晶体管用作放大器，则选择电流增益较高的晶体管。

3、 集电极-发射极电压 ($V_{CEO}$)
  $V_{CEO}$是晶体管的集电极-发射极结可以处理的最大电压。对于大多数晶体管，$V_{CEO}$ 通常为 30V 或更高，并在基极开路时测量。施加比 $V_{CEO}$更高的电压会损坏你的晶体管。因此，在使用晶体管之前，请检查数据表中的最大$V_{CEO}$。

4、发射极-基极电压 ($V_{EBO}$ )
  $V_{EBO}$是可以施加在发射极-基极结上的最大电压，高于$V_{EBO}$的电压会损坏或破坏你的晶体管。$V_{EBO}$相对小于$V_{CEO}$，大多数晶体管的最大 $V_{EBO}$通常为 6V 或更高，并在集电极开路的情况下测量。

5、集电极-基极电压 ($V_{CBO}$)
  $V_{CBO}$是可以施加在集电极-基极结上的最大电压，它是在发射极开路时测量的。$V_{CBO}$通常为 50V 或更高，$V_{CBO}$相对高于$V_{CEO}$，因为集电极到基极的电压通常高于集电极到发射极的电压。

6、集电极电流 ($I_C$)
  集电极电流是可以流过集电极的最大电流，通常以毫安为单位定义，但对于大功率晶体管，它以安培为单位。集电极电流不应超过其最大值，否则会损坏晶体管，你可以使用电阻来限制集电极电流。

7、总功耗（Ptot）
  总功耗是晶体管消耗的总功率。功耗因晶体管而异，对于小型晶体管，额定功率大约为几百毫瓦，但对于大功率晶体管，它以瓦特为单位。晶体管的功耗可以通过将集电极电流乘以晶体管本身的电压来计算。

2.场效应管

2.1 介绍

  场效应管是利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件。场效应管又是单极型晶体管，即导电过程中几乎只有一种载流子运动，类似金属导电。

  场效应管与双极型晶体管比，它的体积小，重量轻，寿命长等优点，而且输入回路的内阻特别高，噪声低、热稳定性好（因为几乎只利用多子导电）、防辐射能力强以及省电等优点，几乎场效应管占据的绝大部分市场。有利就有弊，而场效应管的放大倍数要小于双极型晶体管的放大倍数（原因后续详解）。

  根据制作主要工艺主要分为结型场效应管(Junction Field Effect Transistor，JFET)和绝缘栅型场效应管(MOS管)，下面来具体来看这两种管子。

2.2 结型场效应管

  结型场效应晶体管(JFET)是在一块N型(或P型)半导体材料两边制作P型(或N型)区形成PN结所构成的，根据导电沟道的不同可分为N沟道和P沟道两种。结型场效应晶体管的外形特点及内部结构如下图所示。

  JEFT有N沟道和P沟道的管子。我们以N沟道JEFT为例，在同一块N型半导体上制作两个高掺杂的P区，并将它们连接在一起，所引出的电极成为栅极g，N型半导体分别引出两个电极，一个称为漏极d，一个称为源极s。P区域N区交界面形成耗尽层，d极与s极间的非耗尽层称为导电沟道。 我们可以根据制作工艺来看，JEFT管子几乎是对称的，因此可以把s极当成d极用，d极当成s极用，用反以后特性曲线基本没怎么变化。这点与三极管差异很大（三极管一般是不能反着用的）。场效应管的s，g，d极对应了三极管的e，b，c极。

2.2.1 工作原理

  在JEFT中我们控制的是中间的导电沟道宽度，因此应该在gs极之间加上负电压。使导电沟道宽度慢慢降低，直到耗尽层占满整个导电沟道。随着加大效果图如下图所示：

$u_{GS}$可以控制导电沟道的宽度。为什么g-s必须加负电压？

  加正向电压也是可以控制导电沟道宽度的，但引入场效应管我们是要从输入回路看几乎不取电流，因此PN结加反向电压，呈现出很大的电阻。

  为了让导电沟道里的电子定向移动，则需要在ds极之间加上正向电压$u_{DS}$，从而形成了d极电流$i_D$，我们来看随着$u_{DS}$加大效果图如下图所示:

  当一定$u_{GS}$时，当$u_{DS}$一定时，由于$u_D$的点位是最高的，针对N型半导体而言，从上到下，随着位置下降，所对应位置的电位降低，知道降低到$u_S$。因此，在N型半导体里从上到下，随着对应点F位置下降，则$u_{FG}$的值也下降，直到降到$u_{SG}$的值。因此沟道的形状出现上述左图形式——远离d极的沟道宽，靠近d极的沟道窄。

  因此随着$u_{DS}$增大会出现预夹断。在夹断之前，随着$u_{DS}$的增大，$i_D$也增大。这是因为$u_{DS}$增大，ds极之间的电场也随着加大，从而给里面的电子已足够的能量使得他们成流。所以$u_{DS}$加大，电流将会越来越大。

  夹断以后，随着$u_{DS}$增大，则夹断的区域沿着沟道方向将会越来越长。现在出现矛盾：

  - $u_{DS}$加大可以使电流增大
  - 夹断区沿着沟道方向越来越长，这对电流形成造成阻力。因此电子需要比较高的速度才能通过夹断区。也就是这时形成电流要更多能量，即$u_{DS}$增大使电流变小

  因此在夹断以后达到一种平衡，$u_{DS}$的增大几乎全部用来克服夹断增长的沟道阻力。于是可以看到$u_{DS}$增大到一定程度后，$i_D$几乎不变。此时$i_D$仅仅取决于​​​​​​​$u_{GS}$

  场效应管：当进入恒流区以后可以等效为电压控制电流源；而三极管在放大区：电流控制的电流源。

2.2.2 特性曲线

1.转移特性曲线

转移特性曲线如下图所示：

  在工作的时候不能超过漏极饱和电流，超过此电流，难以保证栅源之间的电阻很大特点。这是因为这里需要$u_{GS}>0$。而上述工作在恒流区转移特性方程是通过半导体物理知识得到的。

  场效应管和三极管的转移特性方程相比，一个是指数方程，另外一个是幂方程，从而说明了为什么三极管的放大倍数比场效应管放大倍数高的原因。于是要提高场效应管的放大倍数，则工作点要高一点。

2.输出特性曲线

输出特性曲线入下图所示：

  从图中我们可以看出场效应管的工作状态有：截止区、可变电阻区、恒流区。

  - 截止区：$u_{GS}<U_{GS(off)}$
  - 可变电阻区：$u_{DS}<=u_{GS}-U_{GS(off)}$。s极之间可以当做可控电阻来用($u_{GS}$来控制电阻大小)，使用前提就是$u_{DS}$要小。
  - 恒流区：$u_{DS}>u_{GS}-U_{GS(off)}$。$I_D$的大小仅取决于$u_{GS}$ 的大小。

  当$u_{DS}$大到一定程度，漏极电流会骤然增大，管子被击穿。这是由于g-d间的耗尽层破坏而造成的。

  在场效应管中，与三极管参数$\beta =\frac{\Delta i_C}{\Delta i_B}$类似的参数，低频跨导$g_m=\frac{\Delta i_D}{\Delta u_{GS}}$。

2.3 绝缘栅型场效应管

  绝缘栅型场效应晶体管(MOSFET)简称MOS场效应晶体管，由金属、氧化物、半导体材料制成，因其栅极与其他电极完全绝缘而得名。绝缘栅型场效应晶体管除有N沟道和P沟道之分外，还可分别根据工作方式的不同分为增强型与耗尽型。绝缘栅型场效应晶体管的外形特点及内部结构如下图所示。

2.3.1 增强型MOS管

增强型MOS如下图所示：

  其中MOS管符号里虚线表示要形成沟道。我们来看N沟道增强型MOS管的制作工艺：它以一块掺杂P型硅片为衬底，利用扩散工艺制作两个高掺杂的N区，并引出两个电极分别为：s极、d极。半导体上制作一层$Si{O}_2$绝缘层，再在$Si{O}_2$绝缘层上制作一层金属铝，引出电极g极。而衬底引出一极叫衬极，即b极。通常b极和s极连接在一起。

  b极和g极可以看成是一个极板，而中间$Si{O}_2$是绝缘层，故形成电容。当gb电压发变化时，将会改变衬底靠近绝缘层处感应电荷的多少，从而控制漏极电流的大小.

1.工作原理

  我们考虑b极与s极接在一起（当然使用中b极也可以接在s极上）。由于gb之间是一个电容，当给gb施加电压时，g极金属层聚集正电荷，它们排斥P型衬底靠近$Si{O}_2$一侧的空穴，使之剩下不能移动的负离子区，另一方面将衬底的自由电子吸引到耗尽层与绝缘层之间，形成了一个N型薄面，被称为反形层，如下图所示：
  这个反型层就构成了gs之间的导电沟道，使沟道刚形成的gs间的电压称为开启电压$U_{GS(th)}$。$U_{GS}$越大，反型层越厚，导电沟道电阻越小。
  现在有了导电沟道，但里面的电子如何运动需要外加电场来控制。因此：当$U_{GS}$大于开启电压且一定的时候。$U_{DS}$施加正向电压时将会产生漏极电流，
  - $U_{DS}$从0增大的时候，$U_{DS}$随着增大，$i_D$也增大，而且沟道沿着s-d方向逐渐变窄
  - $U_{DS}$大到一定程度。$u_{DS}=u_{GS}-U_{GS(th)}$，沟道在d极一侧出现了夹断点
  - 若$U_{DS}$再继续增大，夹断去也随之增长。在这里$U_{DS}$增大的部分几乎全部用于克服夹断区增长的部分对漏极电流的阻力。从外部看$i_D$几乎不变
  变化如下图所示：

2.输入特性曲线和输出特性曲线

  N沟道增强型MOS的输入和输出特性曲线如下图所示：

  它的特性曲线和结型场效应管很类似，工作状态也有：截止区，可变电阻区，恒流区
  - 截止区： $u_{GS}<U_{GS(TH)}$
  - 可变电阻区：$u_{DS}<u_{GS}-U_{GS(th)},u_{GS}>U_{GS(TH)}$
  - 恒流区:$u_{DS}>u_{GS}-U_{GS(th)},u_{GS}>U_{GS(TH)}$

2.3.2 耗尽型MOS管

  在制造MOS管时，在$Si{O}_2$绝缘层中掺入大量的正离子，则在$u_{GS}=0$的情况下，在正离子作用下P型衬底靠近绝缘层的表层也存在反型层，即d-s之间存在着导电沟道，可以产生漏极电流。如下图所示

  从它的结构我们可以看出：

  - $u_{GS}$为正时，反形层变宽，导电沟道电阻变小
  - $u_{GS}$为负时，反形层变窄，导电沟道电阻变大。减小到一定程度反形层消失，从而导电沟道也消失这说明了耗尽型MOS管在 $u_{GS}$＞0,$u_{GS}$＜0,$u_{GS}$＝0时均可导通，且与结型场效应管不同，由于$Si{O}_2$绝缘层的存在，在$u_{GS}＞0$时仍保持g-s间电阻非常大的特点。

1.输入特性曲线和输出特性曲线

  输入特性曲线如下图所示

  曲线特性和N沟道增强型MOS曲线很类似。

2.3.3 MOS管总结

  若果MOS管衬底不与源极相连。若保证管子工作在特定的区域，则衬-源之间的$u_{BS}$必须保证PN结处于合适的偏置。

  对于MOS管，gb之间的电容很小，只要有很少量的感应电荷就可以产生很高的电压。而又由于$R_{GS(DC)}$很大，感应电荷难于释放，以至于感应电荷所产生的高压会使很薄的绝缘层击穿，造成管子的损坏。因此，无论是在存放还是在工作电路中都应该在gb之间提供直流通路，避免栅极悬空。

2.4 场效应管参数

1.直流参数
  - 开启电压$U_{GS(th)}$——增强型MOS管参数：此电压是使$i_D$大于0所需的最小$|u_{GS}|$值。而手册里是$i_D$为规定的特定微小电流时的$u_{GS}$
  - 夹断电压$U_{GS(off)}$——结型和耗尽型管子参数：手册里$i_D$是为规定的特定微小电流时的$u_{GS}$
  - 饱和漏极电流$I_{DSS}$——结型：$u_{GS}=0$时产生的预先夹断时的漏极电流
  - 直流输入电阻$R_{GS(DC)}$：此值等于栅源电压与栅极电流之比。

2.交流参数

  - 低频跨导 $g_m=\frac{\Delta i_D}{\Delta u_{GS}}{|}_{U_{DS}=constant}$
  - 极间电容：场效应管三个极间均存在极间电容。在高频电路中应考虑电容的影响。管子的最高工作频率$f_M$综合考虑三个电容的影响

3.极限参数

  - 最大漏极电流$I_{DM}$：管子正常工作时漏极电流的上限值
  - 击穿电压$U_{(BR)GS}$：使$i_D$骤然增大的$u_{DS}$的电压，$u_{DS}$超过此值会使管子损坏
  - 最大耗散功率$P_{DM}$：它决定了管子允许的温升。它确定后便可在管子的输出特性曲线画出临界最大功耗，再根据$I_{DM}$和$U_{(BR)DS}$便可得到安全工作区

2.6 场效应管总结

  下图给出了6中场效应的的符号以及输入特性曲线和输出特性曲线：

3. 场效应管与晶体管的比较

   - 场效应管g极基本不取电流（输入电阻高），而三极管b极总要索取一定的电流（信号源提供电流)
   - 场效应管只有多子参与导电，而三极管既有多子又有少子参与导电，而少子手温度、辐射等因素较大。
   - 场效应管噪声系数小。故低噪声放大器输入级一般使用场效应管
   - 场效应管d、s极可以互换会用，互换后特性变化不大。而三极管e、c极互换后特性差异很大，因此只有特殊需要时才互换
   - 场效应管集成工艺更简单，且具有更省电、工作电源电压范围宽等，场效应管使用更加广泛。

4.参考文章

本文参考文章如下，如涉及版权问题，请联系作者:

什么是肖特基二极管？肖特基二极管工作原理详解，几分钟带你搞定 - 知乎 (zhihu.com)

什么是齐纳二极管？齐纳二极管的工作原理？一文帮你搞定

三极管：放大电路的三种类型

一文总结晶体管选用原则，晶体管参数详解，快速搞定晶体管选型 - 知乎 (zhihu.com)

1. 场效应管基础知识 - 知乎 (zhihu.com)

PN结_百度百科 (baidu.com)

三极管的工作原理详解，图文+案例，立马教你搞懂 - 知乎 (zhihu.com)

二极管整理分类_二极管的分类-CSDN博客

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