數(shù)字輔導(dǎo)1
第一章 半導(dǎo)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：錄像 4 學(xué)時，面授 2 學(xué)時。具體安排如下：
1、錄像內(nèi)容
( 1 ) 緒論、半導(dǎo)體二極管
( 2 ) 半導(dǎo)體二極管、晶體三極管
( 3 ) 品體三極管
( 4 ) 絕緣柵場效應(yīng)管（ MOS 管）
2、面授內(nèi)容
( 1 ) 二極管、三極管、 MOS 管的主要參數(shù)，選用方法和使用注意事項；
( 2 ) 特殊二極管及其應(yīng)用
（二）教學(xué)要求
1、重點掌握的內(nèi)容
( l ) 半導(dǎo)體二極管單向?qū)щ姷脑?，伏安特性曲線，開關(guān)應(yīng)用時開關(guān)條件和開關(guān)狀態(tài)下的特點，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(yīng)的等效電路。三極管的選用方法。
( 3 ) MOS 管的工作原理，開關(guān)應(yīng)用時開關(guān)條件和開關(guān)狀態(tài)下的特點， MOS 管的使用特點。
2、一般掌握的內(nèi)容
( l ) 半導(dǎo)體的兩種載流子，擴(kuò)散和漂移的概念， PN 結(jié)形成的原因， PN 結(jié)外加正向電壓或反向電壓時的導(dǎo)電性能。
( 2 ) 二極管的主要參數(shù)，幾種常用的特殊二極管，它們的工作原理和特點。
(3 ) 三極管的主要參數(shù)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，三個極限工作區(qū)的意義和劃分。
（4 ) 增強(qiáng)型 MOS 針的輸出特性和轉(zhuǎn)移特性，三種工作狀態(tài)的區(qū)域劃分，各自的工作特點。M OS 管的主要參數(shù)。
3、一般了解的內(nèi)容
( 1 ) 二極管的極間電容效應(yīng)和開關(guān)時問，常用二極管的類型、型號，特殊二極管的主要參數(shù)。
( 2 ) 三極管內(nèi)部載流子運動過程，三極管的開關(guān)時間，三極管的類型、型號。
（3）耗盡型MOS管的工作原理、特性曲線、主要參數(shù)、MOS管的開關(guān)時間。
重點和難點的分析
一、半導(dǎo)體的基本知識
（一）PN結(jié)的形成
通過一定的工藝，在同一個半導(dǎo)體硅片上形成兩個互相接觸的 P 型區(qū)和 N 型區(qū)，它們的交界面處則形成 PN 結(jié)。
P 型半導(dǎo)體的多數(shù)載流子是空穴， N 型半導(dǎo)體的多數(shù)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稱為擴(kuò)散。交界面兩側(cè)的多子擴(kuò)散到對方后很快復(fù)合而消失，在交界面處留下不能移動的離子 — 空間電荷，這一區(qū)域稱為空間電荷區(qū)，又稱為耗盡層，如圖 l 所示。由于空問電荷區(qū)的出現(xiàn)．正負(fù)電荷形成一個內(nèi)電場．它將阻止多子繼續(xù)擴(kuò)散，同時又促使少子漂移。擴(kuò)散使空間電荷區(qū)加寬，漂移使空問電荷區(qū)變窄。兩種運動同時進(jìn)行著，當(dāng)擴(kuò)散流強(qiáng)度等于漂移流強(qiáng)度時， PN 結(jié)達(dá)到動態(tài)平衡，空間電荷區(qū)也就達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)。
圖一
（二）PN 結(jié)的單向?qū)щ娦?/span>
當(dāng) PN 結(jié)的 P 區(qū)接電源正極，N 區(qū)接電源負(fù)極，外加正向電壓時，PN結(jié)內(nèi)多子擴(kuò)散電流形成較人的正向電流，PN 結(jié)的導(dǎo)通電阻很小，稱其處于導(dǎo)通狀態(tài)；相反，外加反向電壓時，PN 結(jié)內(nèi)少子漂移電流形成很微弱的反向電流，兒乎為零。PN 結(jié)相當(dāng)于一個非常大的電阻，稱其處于截止?fàn)顟B(tài)。PN 結(jié)這種外加正間電壓導(dǎo)通，外加反向電壓截止的性能稱為單向?qū)щ娞匦?/strong>。
【 例 l 】 PN 結(jié)內(nèi)部存在內(nèi)電場，若將 P 區(qū)端和 N 區(qū)端用導(dǎo)線連接，是否有電流流通？為什么？
答：當(dāng)川導(dǎo)線連接 PN 結(jié)的兩端時，沒有電流流通。 PN 結(jié)在沒有外加電壓的條件下，擴(kuò)散電流和漂移電流大小相等．方向相反，處于動態(tài)平衡狀態(tài)，所以流過交界面的靜態(tài)電流為零。因此導(dǎo)線上也不會有電流流通。也就是說，PN結(jié)內(nèi)電場形成的電位差，主要用來抵消由于濃度差形成的多子擴(kuò)散電流，從而保持 P 區(qū)和 N 區(qū)的電中性。（這里忽略了導(dǎo)線與半導(dǎo)體接觸電位差的影響）。
【 說 明 】 本思考題主要是幫助同學(xué)們熟悉內(nèi)電場的作用。
二、半導(dǎo)體二極管
（一）二極管伏安特性曲線的特點
圖 2 是硅二極管的伏安特性曲線，現(xiàn)以該曲線為例，分析其各部分的特點：
圖二
大，它的數(shù)值基本不變，所以又稱為反向飽和電流，用IS表示。但是，少數(shù)載流子受溫度影響大，當(dāng)外界溫度升高時，IS會顯著增大。
3．擊穿特性（u≤UBR 的區(qū)域）
二極管發(fā)生電擊穿，|u|稍有增加，|i|急劇增大，曲線幾乎和縱軸平行，u≈UBR。只要反向電流不超過最大允許值，PN 結(jié)不會損壞，當(dāng)反向電壓去掉后， PN 結(jié)仍保持原來的性能。
【 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，iD1 = ？二極管壓降 UD1= ?
( 2 ) u I2=2V 時，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(shè)二極管導(dǎo)通，電流為iD，由電路圖可知
uD= uI - iD R ( l )
從外電路看, uD 和iD之間是線性關(guān)系；而二極管兩端電壓和電流是非線性關(guān)系，故實際的電壓和電流值必然在上述兩種關(guān)系曲線的交點上。
圖四
（1）根據(jù)式1 可知，當(dāng)uI =1V 時，若iD= 0，則 uD = 1V
若uD = 0V ，iD= uI/R=2mA ，故可在坐標(biāo)圖中求得A點和B點，連接AB直線稱為作負(fù)載線。負(fù)載線與特性曲線交點 Ql 稱為工作點，見圖4。由圖可知
iD1 = 1.3mA ,
uD1 = 0 . 3V
（2）當(dāng) uI =2V時，可作負(fù)載線 CD, 求出工作點Q2，可得
iD2 = 3 . 5mA uD2 = 0 . 4V
(3) 從所求結(jié)果可知，當(dāng) ul 增大一倍時, iD2要比iD1大一倍多。這是因為二極管正向特性按指數(shù)規(guī)律上升，外加電壓增大一倍，電流的增加要大于一倍。
【 說 明 】本題幫助同學(xué)熟悉二機(jī)管的炸線性特性以及在特性曲線上作負(fù)載線的方法。
【 例 3 】 圖 5 ( a ) ( b )分別是二極管電路。若二極管特性曲線如圖 2 所示，已知 uI =10sin50πt 時。試畫出輸出uO1 和uO2 的波形。
圖五
解：根據(jù)二極管特性曲線，當(dāng)外加正向電壓較大時，二極管導(dǎo)通，內(nèi)阻很小，其阻值可以忽略，而且 UD≈0 . 7V；而當(dāng)外加電壓uI＜0 . 7V時，iD很小，故可近似認(rèn)為和加反向電壓一樣，iD≈0。
(1) 圖（a）電路中，當(dāng) uI > 0 . 7V 時， D 導(dǎo)通，
圖六 圖七
uO2 = uI
當(dāng)uI ≥UD+5V時，D1 導(dǎo)通，D2截止
iD =
uO2 = UD+5≈5.7V
根據(jù)以上分析結(jié)果，畫出輸入和輸出波形圖如圖6所示。
【 說 明 】 本題用來熟悉二機(jī)管電路的分析方法。
（二）二極管開關(guān)特性的應(yīng)用
由于半導(dǎo)體二極管具有單向?qū)щ娞匦?，?dāng)外加正向電壓時，管子導(dǎo)通；當(dāng)外加反向電壓時，管子截止。因此，可以把二極管當(dāng)當(dāng)作受外加電壓控制的開關(guān)。
1、開關(guān)應(yīng)用的等效電路模型
圖7是最簡單的二極管開關(guān)電路，uSS為外加電壓，D為開關(guān)二極管，R為限流電阻。
我們分幾種情況進(jìn)行分析：
( l ) 當(dāng)外加電壓uSS和電阻R 很小時，二極管的開啟UON電壓和導(dǎo)通電阻不能忽略，二極管伏安特性可近似為圖8所示折線，其開關(guān)狀態(tài)的等效電路模型如圖8（a )所示。圖中
rON =
圖八
（ 2 ）當(dāng)外加電壓uSS較大，但二極管導(dǎo)通電壓不能忽略．而R〉〉rON時，管子導(dǎo)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(dāng)uSS＜0.7V 時，iD=0，相當(dāng)于開關(guān)K斷開；當(dāng)uSS≥0 . 7V 時，uD≈0.7V。相當(dāng)于開關(guān) K 閉合。在數(shù)子電路中，會經(jīng)常采用這種等效模型。
( 3 ）當(dāng)uSS和 R 都很大，二極管的導(dǎo)通壓降和導(dǎo)通電阻均可忽略時，一般認(rèn)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、常用的二極管開關(guān)條件和特點
在數(shù)字電路中，一般認(rèn)為滿足圖8 (b) 所示模型的條件，因此硅二極管開關(guān)條件和開關(guān)狀態(tài)下的特點如表（一）所示。
【 例 4 】 二極管開關(guān)電路如圖9所示。若二極管導(dǎo)通時UD =0.7V , rON = 0，試求， uA 和 uB 在0V 和 5V 兩種電壓中變化時，三個二極管的工作狀態(tài)如何變化？對應(yīng)的輸出電壓 uO是多少伏?
（表 一） 二極管開關(guān)條件和特點
圖九
解: 因為 RL阻值較大，負(fù)載電流很小，可以忽略它的分流作用對電路的影響，下面分幾種情況來分析估算。
（1）當(dāng) uA = uB = 0V 時；三個二極管都處于正向偏置下，D1、D2和 D3 都處于導(dǎo)通狀態(tài)。故
這時 D2承受反向偏置電壓處于截止?fàn)顟B(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(dāng)uA = 5V、uB = 0V，D1截止、D2和 D3導(dǎo)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(shù)值和二極管工作狀態(tài)如表 （二）所示?？梢娫撾娐分挥休斎刖鶠楦唠娖綍r，輸出為高電平，否則輸出低電平。
【 說 明 】本題訓(xùn)練二極管作開關(guān)應(yīng)用時，電路的估算方法。
（三）二極管的電容效應(yīng)
二極管兩端的外加電壓發(fā)生變化時，PN 結(jié)中的電荷量也將隨之變化，它說明二極管具有一定的電容效應(yīng)。通常把二極管的電容效應(yīng)分成兩部分討論，即勢壘電容和擴(kuò)散電容。 1、勢壘電容 CB
勢壘電容是由于 PN 結(jié)中存在空間電荷而形成的，又稱為結(jié)電容，一般用 CB表示。
表（二） 例 4 狀態(tài)表
PN 結(jié)的交界面處存在不能移動的正、負(fù)離子，它們具有一定的電荷量，形成空間電荷區(qū)。當(dāng)二極管外加正向電壓時，空間電荷區(qū)變窄，電荷量減少；當(dāng)二極管外加反向電壓時，空間電荷區(qū)變寬，電荷量增多。因此，二極管外加電壓變化時， PN 結(jié)的空間電荷量將隨之改變，如同電容器的充、放電過程一樣。由此等效的電容量即為勢壘電容。理論和實驗證明，勢壘電容的大小可用下式表示。
式中ε為半導(dǎo)體材料的介電常數(shù)，S 為結(jié)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所示的曲線表示。
2、擴(kuò)散電容 CD
擴(kuò)散電容是由于多數(shù)載流子在擴(kuò)散過程中毛．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，無論是 P 區(qū)還是N 區(qū)的多數(shù)載流子都要向?qū)Ψ絽^(qū)擴(kuò)散。多子克服內(nèi)電場的阻力擴(kuò)散到對方區(qū)域后，并不是立即與該區(qū)的多子復(fù)合而消失，而是在一定的路程內(nèi)繼續(xù)擴(kuò)散，逐漸復(fù)合。所以在一定范田內(nèi)存儲一定數(shù)量電荷，并按濃度梯度遞減的規(guī)律分布。
由于實際二極管的PN結(jié)大多是不對稱的，P區(qū)滲雜濃度大于 N 區(qū)滲雜濃度，所以存儲電荷主要表現(xiàn)在弱摻雜的 N 型區(qū)，即 P 區(qū)的多子空穴擴(kuò)散到 N 型區(qū)后形成的存儲電菏
圖十 圖十一
圖11是 N 區(qū)空穴的濃度分布曲線。曲線 1 表示在外加某個正向電壓下，N 區(qū)中空穴濃度Pn分布曲線。可見．在 P 區(qū)和 N 區(qū)的交界處（x= 0）的空穴濃度最高，隨著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(qū)熱平衡子濃度PnO。曲線下包含的面積正比于存儲電荷L量Q。
當(dāng)正向電壓增大時，多子擴(kuò)散運動增強(qiáng)，在 N 區(qū)空穴濃度也增高，如圖 1 1中曲線 2 所示。所以 N 區(qū)存儲電荷址也增多了，圖中斜線部分的面積則與增加的電荷量△Q 相對應(yīng)。相反，如果外加正向電壓減小，則在 N 區(qū)存儲電荷址減少?？傊?，在正向電壓下由于P 區(qū)多子的擴(kuò)散，N 型區(qū)中存儲了一定量空穴正電荷Q 。為了保持 N 型區(qū)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 如同電容器兩個極板上的電荷，在外加正向電壓變化時，好象電容器充放電一樣，存儲電荷量隨之改變，這就是擴(kuò)散電容的效應(yīng)。PN結(jié)反偏時，多子擴(kuò)散很微弱，擴(kuò)散電容的作用可以忽略。
綜上所述， PN 結(jié)的等效總電容Ci 應(yīng)當(dāng)是勢壘電容CB與擴(kuò)散電容CD之和，即
Ci = CB+CD ( 3 )
一般來說，當(dāng)二極管外加正向電壓時，擴(kuò)散電存起主要作用；當(dāng)二極管外加反向電壓時，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(yīng)，不僅影響其開關(guān)時間，而且當(dāng)信號頻率很高時，二極管將失去單向?qū)щ娦?，不能再作開關(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(jié)構(gòu)特點和電流分配
1、結(jié)構(gòu)特點
圖 11 (a) 是 NPN 硅三極管的結(jié)構(gòu)示意圖，它由三個區(qū)：發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)，兩個結(jié)：發(fā)射結(jié)、集電結(jié)，三個引出電極：發(fā)射極、基極和集電極組成。
它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有以下特征：
（1）發(fā)射區(qū)摻雜濃度高，因而多數(shù)載流子的濃度很高；
（2）基區(qū)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(qū)摻雜也較低，它的多子濃度低于發(fā)射區(qū)，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)，三個電極間必須外加合適的電源電壓，即：
（1）發(fā)射結(jié)外加正向電壓，又稱為正向偏置，且UBE＞0.5V
（2）集電結(jié)外加反向電壓，又稱為反向偏置，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(qū)向基區(qū)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(qū)收集，形成集電極收集電流ICN，少部分在基區(qū)形成基極復(fù)合電流IBN，故
B、基極電流 IB
基極電流IB包含基極復(fù)合電流IBN和集電區(qū)少子漂移到基區(qū)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(shù)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(fù)含電流的比值是一個常數(shù)，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，稱為穿透電流。它的數(shù)值一般很小，通常可以忽略其影響。這時，三極管集電極電流和發(fā)射極電流只受基極電流控制。當(dāng)改變基極電流的大小時，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(yuǎn)遠(yuǎn)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。由輸出特性可以了解三極管以下性能：
1、當(dāng) uBE ＜0.5V 時，IB≤0，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)。因此,IB = 0的一條曲線以下部分稱為截止區(qū)。此時，三極管各極電流基本上等于零。
嚴(yán)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(wěn)定性差。
圖十二
2、 當(dāng) uBE ≥0 . 5V , uBC＜0V 時，三極管工作在放大狀態(tài)。此時，IC≈βIB，△iC =β△IB，所以集電極電流受基極電流控制，而與 uCE無關(guān)。曲線近似水平的直線。這部分稱為放大區(qū)。
在特性曲線放大區(qū)，可以根據(jù) △IB 對應(yīng)的 △iC值求出共射電流放大系數(shù)β值和共基電流放大系數(shù)α值。
3、當(dāng) uBE ≈0 . 7V、uBC＞0。 V 時，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(yīng)不同的IB值的各條曲線幾乎重疊在一起，這一區(qū)域稱為飽和區(qū)。
在飽和區(qū)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(qū)
為了確保二極管安全工作，一般規(guī)定了一些極限參數(shù)，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。特性曲線中，超過上述極限參數(shù)的區(qū)域稱為非安全工作區(qū)，包括：過流區(qū)、過壓區(qū)和過損耗區(qū)，見圖 l 2 (b)。三極管正常工作時不應(yīng)進(jìn)入非安全工作區(qū)。
【 例 5 】 某三極管特性曲線如圖 13 ( a ) 所示。已知ICM = 40mA , U（BR）CEO≥5OV , PCM = 400mW，試標(biāo)出曲線的放大區(qū)，截止區(qū)和飽和區(qū)，過壓區(qū)、過流區(qū)和過損耗區(qū)，并估算UCE = 15V、IC = 15mA 時管子的β值和α值。
解：在圖 13 中，按照已知參數(shù)可以在輸出特性上分別注明各區(qū)的范圍。因為 PCM = iC
·uCE ，可以假設(shè)一個 iC 值，求出對應(yīng)的uCE 值，確定特性中的一個點，這樣逐點描出過損耗區(qū)的范圍，見圖 13 (b)。
在對應(yīng)UCE = 15V、IC＝ 15mA 的 Q 點，取 △IB＝200μA，求得 △iC ＝ l0mA ，故
【 說 明 】本題用來熟悉三極管的輸出特性，又叫利用特性曲線求解β、α的方法。
（三）三極管的開關(guān)狀態(tài)和等效電路
在數(shù)字電路中，三極管經(jīng)常被當(dāng)作開關(guān)使用。管子截止?fàn)顟B(tài)和飽和狀態(tài)是開關(guān)工作時的兩種穩(wěn)態(tài)，而放大狀態(tài)是管子從一種穩(wěn)態(tài)向另一種穩(wěn)態(tài)過渡的狀態(tài)。
圖十三
1、三極管開關(guān)條件和開關(guān)狀態(tài)下的特點
表 3 列出了 NPN 硅三極管開關(guān)條件和開關(guān)狀態(tài)下的特點。
表（三） 三極管開關(guān)條件和特點
2、開關(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?fàn)顟B(tài)下的等效電路。iB = 0，iC = 0，故c - e 之間如同斷開的開關(guān)。
圖 14 (b) 是三極管放大狀態(tài)下的等效電路。iB＞0, b -e 之間等效為一個可變電阻rbe，其值和工作電流大小有關(guān)；c -e 間相當(dāng)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 是三極管開關(guān)電路。若三極管導(dǎo)通電壓為 0 . 5V，飽和時 UBE= 0 . 7V , UCES = 0 . 3V ，試求：
( 1 ) uI分別為 0 . 3V 和 10V 時，三極管的工作狀態(tài)，對應(yīng)的 uO =？
（2）三極管剛剛進(jìn)入飽和或剛剛進(jìn)入截止區(qū)時對應(yīng)的uI值各是多少伏了
圖十四
圖十五
解： ( l ) 當(dāng) uI = 0.3V 時，假設(shè)三極管已經(jīng)截止，根據(jù)截止三極管的特點，可畫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(shè)成立。根據(jù)iB = 0、iC = 0的特點，可求出
uO = VCC = 12V
當(dāng) uI =10V時，假設(shè)三極管已飽和，根據(jù)飽和三極管的特點可畫出輸入等效電路如圖 16 ( b ) 所示?？梢郧蟮?/span>
可見， iB ＞IBS，二極管已飽和的假設(shè)成立。根據(jù)飽和三極管的特點可求出
( 2 ) 根據(jù)三極管的開關(guān)條件，管子進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)必須滿足下面的不等式：
故
可見，uI =4 . 5V 時，三極管剛剛進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。
根據(jù)三極管開關(guān)條件，管子進(jìn)入飽和狀態(tài)必須滿足下列不等式
可見，uI = 7 . 1V 時，三極管剛剛進(jìn)入飽和工作狀態(tài)。
【 說 明 】 本題用來熟悉三機(jī)管的開關(guān)條件和開關(guān)狀態(tài)下的工作特點，幫助掌握分析開關(guān)電路的方法
（四） PNP 型三極管的特點
PNP 型三極管和 NPN 型三極管在結(jié)構(gòu)特點和工作原理方面基本上是相同的。只是由于它的三個區(qū)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。
1、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外加電壓
圖十七
PNP 型三極管發(fā)射區(qū)和集電區(qū)是 P 型半導(dǎo)體，基區(qū)是 N 型半導(dǎo)體，如圖17 (a )所示。它的發(fā)射區(qū)多數(shù)載流子（空穴）濃度很高，集電區(qū)空穴濃度較低，基區(qū)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(jié)正向偏置，集電結(jié)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(fù)極分別接集電極和基極，見圖17。
在外加電壓作用下，發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射空穴，形成射極電流IE ，其方向與空穴運動方向相同，即由發(fā)射極流入三極管。基極電流IB主要由外電路補(bǔ)充基區(qū)復(fù)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?？梢姡?/span>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(guī)定的正方向與實際方向相同，而uBE和uBC規(guī)定的正方向與實際方向相反，故 uBE 和 uCE 為負(fù)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。注意兩個特性曲線橫座標(biāo)uBE 和 uCE為負(fù)值。
圖十八
由圖18輸入特性曲線可以看到，PNP 型鍺管基極導(dǎo)通電壓uBE約為一0.1V。三極管工作在放大狀態(tài)時uBE約為一0.2V。從輸出特性曲線可知，當(dāng)管子截止時，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(dāng)管子飽和時，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(dǎo)通電壓數(shù)值較小。利用這些特點可以實現(xiàn)特殊要求的電路，另外也可以在電路中區(qū)分出 PNP 型鍺管。
【 例7 】已知由 PNP 管組成的開關(guān)電路如圖19 所示。若導(dǎo)通電壓uBE = -0.1V ，飽和時 uCES = 0.1V, 試問：uI分別為0V、-2V 和-5V 時，管子的工作狀態(tài)，對應(yīng)的uO各是多少伏？
解： ( 1 ) 當(dāng) uI = 0V 時，uBE = 0V 大于導(dǎo)通電壓-0 . 1V ，故管子截止，iC = 0。故
uO = VCC = - 10V
圖十九
( 2 ) 當(dāng) uI = - 2V 時，uBE＜一 0 . 1V，可見管子已導(dǎo)通。假設(shè)三極管已進(jìn)入飽和狀態(tài)，可知
由于iB＜IBS，所以原來假設(shè)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(dāng) uI = - 5V 時，根據(jù)前面分析，可以求出基極電流為
可見 iB ＞IBS，三極管已經(jīng)飽和．故
【 說 明 】本題用來熟悉 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(biāo)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(jù)給出的管腳電壓，按上述特點可以區(qū)分出各管的管型，畫出對應(yīng)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(biāo)在圖中。
【 說 明 】本題練習(xí)根據(jù)管腳電壓判斷管型的方法。
四、絕緣柵場效應(yīng)管（ MOS 管）
由于本課主要使用增強(qiáng)型 MOS 管，這里以增強(qiáng)型管為例進(jìn)行分析輔導(dǎo)。
（一）增強(qiáng)型 MOS 管的結(jié)構(gòu)和工作原理
圖22 ( a ) ( b ) 分別畫出 N 溝道和 P 溝道增強(qiáng)型 MOS 管的結(jié)構(gòu)示意圖以及正常 工作時外電路連接形式。
圖二十一
圖二十二
1、NMOS 管
當(dāng) uGS＜UTN 時，管子內(nèi)部漏源極之間沒有形成導(dǎo)電溝道，盡管uDS＞0V，漏極電流 iD = 0，管子處于截止?fàn)顟B(tài)。
當(dāng) uGS＞UTN時，管子內(nèi)部漏源之間形成導(dǎo)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)過導(dǎo)電溝道流向源極，如圖22 ( a ) 所示。
2、PMOS 管
當(dāng) uGS＞UTP（負(fù)值）時，漏源之間沒有形成導(dǎo)電溝道，漏極電流 iD = 0，管子處于截止?fàn)顟B(tài)。
當(dāng) uGS＞UTP（負(fù)值）時，漏源之間形成導(dǎo)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)過導(dǎo)電溝道流向漏極，如圖22 ( b ) 所示。
（二）增強(qiáng)型 MOS 管的特性曲線
圖23 ( a ) ( b )分別畫出 NMOS 、PMOS管的輸出特性和轉(zhuǎn)移特性。圖中規(guī)定 iD 的正方向是從漏極經(jīng)過溝道流向源極，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
曲線中 iD 、 uGS 、 uDS 、 UTN均為正值。從轉(zhuǎn)移特性可知，當(dāng) uGS＜UTN 時 iD = 0，管子截止，當(dāng)uGS＞UTN 時，iD＞0，管子導(dǎo)通。
從輸出特性可知，當(dāng) uGS＞UTN，且uDS 較小時，管子工作在可變電阻區(qū)。這時改變uGS 可以控制導(dǎo)電溝道的寬窄。從而改變管子的導(dǎo)通電阻值。uGS愈大，溝道愈寬，管子導(dǎo)通電阻愈小，曲線愈陡，在同樣的漏源電壓下，電流iD值愈大。在數(shù)字電路中，MOS 管作開關(guān)應(yīng)用時，管子導(dǎo)通多是工作在可變電阻區(qū)。因此，外加信號uGS愈大，管子導(dǎo)通電阻愈小，管壓降愈小，S～D 之間更接近于閉合的開關(guān)。
當(dāng)uGS＞UTN且uDS 較大時，管子工作在恒流區(qū)。由于這時管子的導(dǎo)電溝道靠近漏極一端出現(xiàn)了預(yù)夾斷現(xiàn)象，增大uDS只改變溝道的夾斷長度，而不改變漏極電流的大小，所以iD 只由uGS的大小決定。對應(yīng)不同的 uGS，特性曲線近似是一組平行橫軸的直線。一般稱它為恒流區(qū)，也稱飽和區(qū)。
當(dāng) uDS繼續(xù)加大而趨近一定限度時，和晶體三極管一樣，NMOS 管也會擊穿。所以輸出特性中這一區(qū)域稱為擊穿區(qū)。使用 NMOS 管時，外加電壓不應(yīng)超過管子的擊穿電壓。
2 . PMOS 管
曲線中 iD 、 uGS 、 uDS 、 UTN均為負(fù)值。在連接 PMOS 管外電路時，一定要注意它的電流和電壓的方向，尤其外加電源不應(yīng)接錯，否則會損壞器件。
關(guān)于PMOS管的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性的分析，除去電壓、電流萬向與 NMOS 管不同之外，其它基本相同，這里不再贅述。
（三） MOS 管的開關(guān)應(yīng)用和等效電路
1、開關(guān)條件和開關(guān)狀態(tài)下的特點
NMOS 和 PMOS 管的并關(guān)條件和開關(guān)狀態(tài)下的特點如表 4 所示。
表（四）MOS管開關(guān)條件和特點
2、MOS 管開關(guān)應(yīng)用時的等效電路
圖24 表示 MOS 管截止和導(dǎo)通時的等效電路。
( l ) 當(dāng) NMOS 管uGS＜UTN或 PMOS 管uGS＞UTN 時，圖中開關(guān) K 斷開，iD = 0。因此，G 、D 、S 三極間斷開，D～S 之間相當(dāng)于斷開的開關(guān)。
( 2) 當(dāng) NMOS 管 uGS≥UTN或PMOS 管uGS≤ UTN時，圖中開關(guān) K 閉合，管子導(dǎo)通，D～S 之間相當(dāng)于閉合的開關(guān)，導(dǎo)通電阻rDS(On) 約為幾百歐姆。
3、MOS 管的主要特點
( 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，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(dá)幾皮法，影響開關(guān)速度，而且柵極感應(yīng)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(dǎo)電，故有單極型三極管之稱。它與雙極型二極管比，具有噪聲小、溫度穩(wěn)定性好的優(yōu)點。
(4 ) MOS 管結(jié)構(gòu)對稱，漏極和源極可以互換使用，不影響其性能指標(biāo)，因此應(yīng)用時比較靈活、方便。
【 例 9 】圖25是 PMOS 反相器電路，己知UTP = - 4V , 導(dǎo)通電阻 ro n = 500Ω，
試問：uI分別為0V 和-10V 時的uO值是多少？
解：
圖二十五
可見，該電路輸入低電平時，輸出高電平；輸入高電平時，輸出低電平，具有反相功能。
【 說 明 】本題用來熟悉 PMOS 管的開關(guān)特性，訓(xùn)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，試問電路仍保持反相功能，連接形式如何變化？當(dāng)uI分別為0V和-10V時， uO值各是多少？
解: 因為NMOS管要求 uDS、uGS為正電壓條件才能導(dǎo)通，故應(yīng)將-10V 電源接在源極，而漏極通過電阻RD接地，襯底應(yīng)接在源極一邊，柵極作輸入端，漏極作輸出端。電路連線見圖26所示。
當(dāng)uI = 0V 時，uGS ＝ 10V ＞UTN，NMOS 管通，導(dǎo)通電阻 rON = 500Ω
圖二十六
NMOS 管截止, iD = 0,
故 uO = 0V
可見，uI為高電平時，uO為低電平；uO為低電平時，uI為高電平，電路具有反相功能。
【 說 明 】本題用來熟悉 PMOS管和NMOS管外接電路連接形式的不同，另外在只負(fù)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 時對應(yīng)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） 該電路由性能對稱的 NMOS 管和 PMOS 管組成，即|UT| = 4V , ro n = 500V
當(dāng)uI = 0時，uGSN＜UTN , NMOS 管截止，UGSP = -l0V ＜UTP, PMOS 管導(dǎo)通。因為iDN = 0，故
圖二十七
管導(dǎo)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(dāng) uI = 0V 時，NMOS 管截止，iDN = 0，故
uO = 10V
當(dāng) uI = l0V 時，NMOS 管導(dǎo)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，輸出高電平；輸入高電平時，輸出低電平，實現(xiàn)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(wěn)態(tài)時總有一個管子截止，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，PMOS 管導(dǎo)通電阻比 RD 小很多，所以開關(guān)時間也比后者短。
