第二阶段：半导体器件深入

>d **目标**：理解二极管、BJT（双极型晶体管）、FET（场效应管）的工作机制与特性，为放大电路学习奠定基础。

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### **1. 二极管深入**
**1.1 PN结的形成与单向导电性**  
- **PN结核心原理**  
  - **掺杂**：P型半导体（空穴多）、N型半导体（自由电子多）。  
  - **扩散与内建电场**：P区和N区接触后，载流子扩散形成耗尽层，产生内建电场阻止进一步扩散。  
- **外加电压的影响**  
  - **正向偏置**（P接正，N接负）：耗尽层变窄，电流导通（需超过阈值电压，硅管≈0.7V）。  
  - **反向偏置**：耗尽层变宽，几乎无电流（仅有微小反向饱和电流）。

**1.2 二极管的伏安特性曲线**  
- **正向特性**  
  - 死区（未导通）→ 阈值电压→ 指数上升的导通过程。  
- **反向特性**  
  - 微小漏电流 → **反向击穿区**（电压超过反向击穿电压时，电流剧增）。  
- **难点解析**  
  - **为什么二极管反向恢复需要时间**？  
    - PN结反向偏置时，存储的电荷需要时间消散，导致开关应用中存在延迟（如高频整流需选快恢复二极管）。

**1.3 典型二极管类型**  
| 类型             | 特性与用途                                                                 |  
|------------------|--------------------------------------------------------------------------|  
| **整流二极管**   | 高耐压、大电流（如1N4007用于电源整流）。                                   |  
| **稳压二极管**   | 工作在反向击穿区，用于稳压（如5.1V稳压管）。                               |  
| **肖特基二极管** | 低正向压降（≈0.3V）、高速开关（常用于开关电源）。                            |  
| **LED**          | 发光特性，需限流电阻（导通压降1.8-3.3V）。                                 |

**实验建议**：  
- 用万用表二极管档测量正向压降，区分硅管（0.5-0.7V）和锗管（0.2-0.3V）。

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### **2. 双极型晶体管（BJT）**
**2.1 结构符号与放大条件**  
- **结构与类型**  
  - NPN型（主流）与PNP型：三端（发射极E、基极B、集电极C）。  
- **放大工作条件**  
  - **发射结正偏**（V_BE > 0.7V）、**集电结反偏**（V_CB > 0）。  
  - **放大区的电流关系**：\( I_C = β \times I_B \)，\( I_E = I_B + I_C ≈ (β+1)I_B \)。

**2.2 三极管的三种工作模式**  
| 工作区     | 发射结偏置 | 集电结偏置 | 特性                                | 应用场景                  |  
|------------|------------|------------|-----------------------------------|-------------------------|  
| **放大区** | 正偏       | 反偏       | \( I_C ≈ βI_B \)，线性放大          | 信号放大                 |  
| **饱和区** | 正偏       | 正偏       | \( V_{CE} ≈ 0.2V \)，开关导通        | 数字电路开关（低电平）     |  
| **截止区** | 反偏       | 反偏       | \( I_C ≈ 0 \)，开关断开              | 数字电路开关（高电平）     |

**难点解析**：  
- **如何判断三极管的工作模式**？  
  - **电压法**：若 \( V_{CE} < 0.3V \) → 饱和区；若 \( I_B = 0 \) → 截止区；否则放大区。  
- **为什么β值不稳定**？  
  - β受温度、生产工艺和集电极电流影响，实际设计需预留余量（如通过负反馈稳定β）。

**2.3 共射特性曲线**  
- **输入特性曲线**（\( I_B \) vs \( V_{BE} \)） → 类似二极管正向曲线。  
- **输出特性曲线**（\( I_C \) vs \( V_{CE} \)）  
  - 曲线水平段（放大区）：\( I_C \)由\( I_B \)控制，几乎不随\( V_{CE} \)变化。  
  - 曲线陡峭区（饱和区）：\( V_{CE} \)极低，\( I_C \)受外电路电阻限制。

**实验建议**：  
- 用三极管（如2N3904）和可调电阻搭建开关电路，观察LED的亮灭。

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### **3. 场效应管（FET）**  
**3.1 JFET（结型场效应管）**  
- **结构与符号**  
  - N沟道JFET：栅极（G）与P型半导体夹层，漏极（D）和源极（S）在N区两端。  
- **工作原理**  
  - **电压控制器件**：栅源电压\( V_{GS} \)改变耗尽区宽度，控制漏源电流\( I_D \)。  
  - **夹断电压（\( V_P \)）**：当\( V_{GS} = V_P \)时，\( I_D ≈ 0 \)。  
- **特性曲线**  
  - **转移特性**（\( I_D \) vs \( V_{GS} \)）：平方关系，\( I_D = I_{DSS}(1 - \frac{V_{GS}}{V_P})^2 \)。  
  - **输出特性**（\( I_D \) vs \( V_{DS} \)）：分可变电阻区、饱和区、击穿区。

**3.2 MOSFET（金属-氧化物半导体场效应管）**  
- **类型与符号**  
  - **增强型MOSFET**：默认无导电沟道，需正（N沟）或负（P沟）栅压开启。  
  - **耗尽型MOSFET**：默认有沟道，可通过栅压关闭（应用较少）。  
- **工作原理**  
  - **栅极电容效应**：栅极与沟道间的绝缘层形成电容，栅压改变沟道载流子浓度。  
  - **阈值电压（\( V_{TH} \)）**：增强型MOSFET开启的最小栅源电压。

**难点解析**：  
- **为何MOSFET输入阻抗极高**？  
  - 栅极与沟道之间由氧化物绝缘层隔离，几乎无电流流过（电压控制优势）。  
- **为什么功率电路常用MOSFET**？  
  - 开关速度快、驱动功率低、无二次击穿（适合高频开关电源、电机驱动）。

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### **半导体器件常见问题汇总**  
1. **二极管反向击穿一定会损坏吗**？  
   - 不一定，稳压二极管专门工作在反向击穿区，但普通二极管反向击穿可能损坏。  
2. **如何从外观区分BJT的E、B、C极**？  
   - 通常中间为基极（B），小功率NPN管常见引脚顺序为E-B-C（具体需查数据手册）。  
3. **温度对三极管有何影响**？  
   - β值随温度升高而增大→可能导致热失控（需通过负反馈或散热设计抑制）。

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### **实验设计**  
1. **二极管伏安特性测量**：  
   - 用电位器调节电压，记录二极管的正反向电流，绘制伏安曲线。  
2. **三极管开关电路测试**：  
   - 搭建NPN三极管驱动LED的开关电路，通过调节基极电阻观察开关状态。  
3. **MOSFET控制电机通断**：  
   - 用增强型MOSFET（如IRF540）和Arduino输出PWM信号，控制电机转速。

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通过这一阶段的系统学习，你将掌握半导体器件的核心原理与特性，并具备初步的电路设计与分析能力。下一步进入放大电路学习时，可结合器件特性理解其非线性行为！