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1、第2章 常用半导体器件第1页，共74页，编辑于2022年，星期一2.1 半导体特性和半导体特性和PN结结2.1.1 半导体特性半导体特性 导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体半导体。一般来说，半导体的电阻率在（10-41010）m的范围内。半导体是构成电子元器件的重要材料，最常用的半导体材料是硅（Si）和锗（Ge）两种元素。纯净的晶体结构的半导体称为本征半导体本征半导体。本征半导体是通过一定的工艺过程形成的单晶体，其中每个硅或锗原子最外层的4个价电子，均与它们相邻的4个原子的价电子共用，从而形成共价键，见图1.1（a）。本征半导体中原子间的共价键具有较强的束缚力，每个原子都趋于稳定，它
2、们是否有足够的能量挣脱共价键的束缚与热运动、即温度紧密相关。在热力学温度零度（约-273）时，价电子基本不能移动，因而在外电场作用下半导体中电流为零，此时它相当于绝缘体。但在常温下，由于热运动价电子被激活，有些获得足够能量的价电子会征脱共价键成为自由电子，与此同时共价键中就流下一个空位，称为空穴空穴。这种现象称为本征激发本征激发，如图1.1（b）所示。由于电子带负电荷，所以空穴表示缺少一个负电荷，即空穴具有正电荷粒子的特性。第2页，共74页，编辑于2022年，星期一 在电子、空穴对产生的同时，运动中的自由电子也有可能去填补空穴，使电子和空穴成对消失，这种现象称为复合复合。在外电场作用下，一方面
3、带负电荷的自由电子作定向移动，形成电子电流；另一方面价电子会按电场方向依次填补空穴，产生空穴的定向移动，形成空穴电流。能够运动的、可以参与导电的带点粒子称为载流子载流子，因而自由电子和空穴是半导体中的两种载流子。由于它们所带电荷极性相反，所以电子电流和空穴电流的方向相反。第3页，共74页，编辑于2022年，星期一 在一定温度下，电子、空穴对的产生和复合都在不停地进行，最终处于一种动态平衡状态，使半导体中载流子的浓度一定。当温度升高时，本征半导体中载流子浓度将增大。由于导电能力决定于载流子数目，因此半导体的导电能力将随温度升高而增强。温度是影响半导体器件性能的一个重要的外部因素。2.1.2 PN
4、结结 在常温下，本征半导体中载流子浓度很低，因而导电能力很弱。为了改善导电性能并使其具有可控性，需在本征半导体中掺入微量的其它元素（称为杂质）。这种掺入杂质的半导体称为杂质半导体杂质半导体。因掺入杂质的性质不同，可分为N型半导体型半导体和P型半导体型半导体。1.N型半导体型半导体 在本征半导体硅（或锗，此处以硅为例）中掺入微量的5价元素磷（P），由于磷原子最外层的5个价电子中有4个与相邻硅原子组成共价键，如图1.2（a）所示，多余一个价电子受磷原子核的束缚力很小，很容易成为自由电子，而磷原子本身因失去电子成为不能移动的杂质正离子。当然，在杂质半导体中，同本征半导体一样，由于热运动仍然产生自由电
5、子空穴对，但这种热运动产生的载流子浓度远小于掺杂而产生的自由电子数，所以在这种半导体中，自由电子数远超过空穴数，它是以电子导电为主的杂质型半导体，因为电子带负电，所以称为N型半导体。N型半导体中，自由电子是多数载流子（简称多子多子），空穴是少数载流子（简称少子少子）。杂质离子带正电。第4页，共74页，编辑于2022年，星期一 2.P型半导体型半导体 在本征硅中掺入三价元素硼（B），由于硼有三个价电子，每个硼原子与相邻的4个硅原子组成共价键时，因缺少一个电子而产生一个空位（不是空穴，因为硼原子仍呈中性），如图1.2（b）所示。在室温或其它能量激发下，与硼原子相邻的的硅原子共价键上的电子就可能填补
6、这些空位，从而在电子原来所处的位置上形成带正电荷的空穴，硼原子本身则因获得电子而成为不能移动的杂质负离子。每个硼原子都能产生一个空穴，这种半导体的空穴数远大于自由电子数，它是以空穴导电为主的杂质型半导体，因为空穴带正电，所以成为P型半导体。P型半导 第5页，共74页，编辑于2022年，星期一 以后，为简单起见，通常只画出其中的正离子和等量的自由电子来表示N型半导体；同样地，只画出负离子和等量的空穴来表示P型半导体，分别如图1.3（a）和1.3（b）所示。综上所述，掺入杂质后，由于载流子的浓度提高，因而杂质半导体的导电性能将增强，而且掺入的杂质越多，多子浓度越高，导电性能也就越强，实现了导电性能
7、的可控性。例如，在4价的硅中掺入百分之一的3价杂质硼后，在室温时的电阻率与本征半导体相比，将下降到五十万分之一，可见导电能力大大提高了。当然，仅仅提高导电能力不是最终目的，因为导体的导电能力更强。杂质半导体的奇妙之处在于，掺入不同性质、不同浓度的杂质，并使P型半导体和N型半导体采用不同的方式组合，可以制造出形形色色、品种繁多、用途各异的半导体器件。第6页，共74页，编辑于2022年，星期一 如果将一块半导体的一侧掺杂成为P型半导体，而另一侧掺杂成为N型半导体，则在二者的交界处将形成一个PN结结。1.PN结的形成结的形成 （1）多子的扩散运动将P型半导体和N型半导体制作在一起，在两种半导体的交界
8、面就出现了电子和空穴的浓度差。物质总是从浓度高的地方向浓度低的地方扩散，自由电子和空穴也不例外。因此，P区中的多子（即空穴）将向N区扩散，而N区中的多子（即自由电子）将向P区扩散。扩散运动的结果就使两种半导体交界面附近出现了不能移动的带电离子区，P区出现负离子区，N区出现正离子区。如图2.4所示。这些带电离子形成了一个很薄的空间电荷区空间电荷区，产生了内电场内电场。第7页，共74页，编辑于2022年，星期一 （2）少子的漂移运动 一方面，随着扩散运动的进行，空间电荷区加宽使内电场增强；另一方面，内电场又将阻止多子的扩散运动，而使P区中的少子电子向N区运动，N区中的少子空穴向P区运动，这种在电场
9、作用下少子的运动称为漂移运动漂移运动。少子漂移运动的方向正好与多子扩散运动的方向相反。因而漂移运动的结果是使空间电荷区变窄，使内电场减弱。当参与扩散运动的多子与参与少子漂移运动的少子数目相等时，即达到了动态平衡，此时，空间电荷区的宽度不再变化，PN结处于相对稳定状态。空间电荷区又称耗尽层耗尽层。若无外加电压或其它激发因素作用时，流过PN结的电流为零。2.PN结的单向导电性结的单向导电性 在PN结两端外加电压，称为给PN加上偏置偏置。当P区电位高于N区时称为正向偏正向偏置置；反之，当N区电位高于P区时称为反向偏置反向偏置。PN结最重要的特性就是单向导电单向导电性性。（1）PN结正向偏置 给PN结
10、加正向偏置电压，如图1.5所示。这时外电场与内电场方向相反，削弱了内电场，空间电荷区变窄，正向电流I较大，PN结在正向偏置时呈现较小电阻，PN结变为导通状态。正向偏置电压稍有增加，PN结的正向电流I急剧增加，为了防止大的正向电流把PN结烧毁，实际电路都要串接限流电阻R。第8页，共74页，编辑于2022年，星期一 （2）PN结反向偏置 给PN结加反向偏置电压，如图1.6所示。这时外电场与内电场方向相同，空间电荷区变宽，内电场增强，因而有利于少子的漂移而不利于多子的扩散。由于电源的作用，少子的漂移形成了反向电流IS。但是，少子的浓度非常低，使得反向电流很小，一般为微安（A）数量级。所以可以认为PN
11、结反向偏置时基本不导电。综上所述，PN结正向偏置时导通，表现出的正向电阻很小，正向电流I较大；反向偏置时截止，表现出的反向电阻很大，反向电流IS几乎为零。第9页，共74页，编辑于2022年，星期一2.2 半导体二极管半导体二极管2.2.1 二极管的结构和符号二极管的结构和符号 在PN结的两端引出两个电极并将其封装在金属或塑料管壳内，就构成二极管二极管。二极管通常由管芯、管壳和电极三部分组成，管壳起保护管芯的作用，如图1.7所示。从P区引出的电极称为正极或阳极阳极，从N区引出的电极称为负极或阴极阴极。二极管的外形图和电路符号如图2.8所示。二极管一般用字母D表示。第10页，共74页，编辑于202
12、2年，星期一 二极管的种类很多，分类方法也不同。按制造所用材料分类，主要有硅二极管和锗二极管；按其结构分类，有点接触型和面接触型二极管。点接触型二极管的结面积小，极间电容小，不能承受高的反向电压和大的正向电流。这种类型的管子适于作高频检波和脉冲数字电路里的开关元件。面接触型二极管的结面积大，可承受较大的电流，但极间电容也大，适合于低频整流。小电流二极管常用玻璃壳塑料壳封装，为便于散热，大电流二极管一般使用金属外壳。通过电流在1A以上的二极管常加散热片以帮助散热。2.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 二极管的伏安特性是指二极管两端外加电压u和流过二极管的电流i之间的关系。以硅管为例，其伏
13、安特性如图1.9所示。理论分析指出，理想情况下二极管电流i与其外加电压u之间的关系为：称为二极管的电流方程。式中IS为反向饱和电流；UT为温度电压当量，常温下，UT 26mV。(2.1)第11页，共74页，编辑于2022年，星期一 1.正向特性正向特性 二极管两端不加电压时，其电流为零，故特性曲线从坐标原点开始，如图1.9（a）。当外加正向电压时，二极管内有正向电流通过。正向电压较小，且小于Uon时，外电场不足以克服内电场，故多数载流子的扩散运动仍受较大阻碍，二极管的正向电流很小，此时二极管工作于死区死区，称Uon为死区的开启电压开启电压。硅管的Uon约为0.5 V，锗管约为0.2 V。当正向
14、电压超过Uon后，内电场被大大削弱，电流将随正向电压的增大按指数规律增大，二极管呈现出很小的电阻。硅管的正向导通电压为0.60.8 V（常取0.7 V），锗管为0.10.3 V。第12页，共74页，编辑于2022年，星期一2.反向特性反向特性 当外加反向电压时，外电场和内电场方向相同，阻碍扩散运动进行，有利于漂移运动。二极管中由少子形成反向电流。反向电压增大时，反向电流随着稍有增加，当反向电压大到一定程度时，反向电流将基本不变，即达到饱和，因而称该反向电流为反向饱和电流反向饱和电流，用IS表示。通常硅管的IS可达10-9A数量级，锗管为10-6A数量级。反向饱和电流越小，管子的单向导电性越好。
15、当反向电压增大到图中的UBR时，在外部强电场作用下，少子的数目会急剧增加，因而使得反向电流急剧增大。这种现象称为反向击穿反向击穿，电压UBR称为反向击穿反向击穿电压电压。各类二极管的反向击穿电压大小不同，通常为几十到几百伏，最高可达300伏以上。PN结被击穿后，常因功耗过大而造成永久性的损坏。前面已指出，半导体中的少子浓度受温度影响，因而二极管的伏安特性对温度很敏感。实验证明，当温度升高时，正向特性曲线向左移，反向特性曲线向下移。如图1.9（b）所示。第13页，共74页，编辑于2022年，星期一 需要指出的是，有时为了分析方便，将二极管理想化，忽略其正向导通电压和反向饱和电流，于是得到图1.1
16、0所示理想二极管理想二极管的伏安特性。对于理想二极管，认为正偏导通时相当于开关闭合，反偏截止时相当于开关断开。2.2.3 二极管的主要参数二极管的主要参数 每种半导体器件都有一系列表示其性能特点的参数，并汇集成器件手册，供使用者查找选择。半导体二极管的主要参数有：1.直流参数直流参数 （1）最大整流电流IF 指二极管长期运行时，允许通过管子的最大正向平均电流。使用时，管子的平均电流不得超过此值，否则可能使二极管过热而损坏。（2）最高反向工作电压UR 工作时加在二极管两端的反向电压不得超过此值，否则二极管可能被击穿。为了留有余地，通常将击穿电压UBR的一半定为UR。（3）反向电流IRIR是指在室
17、温条件下，在二极管两端加上规定的反向电压时，流过管子的反向电流。通常希望IR值愈小愈好。反向电流愈小，说明二极管的单向导电性愈好。此时，由于反向电流是由少数载流子形成，所以IR受温度的影响很大。第14页，共74页，编辑于2022年，星期一 2.交流参数交流参数 （1）微变电阻rD 微变电阻是指二极管两端电压在某一直流值附近作微小 变化时所呈现出的等效电阻，如图1.11所示。图中曲线为 正向伏安特性，在Q点二极管的电流为直流量IDQ，rD可用Q点处切线斜率的倒数来表示，即(2.2)rD也可从二极管的电流方程求出，求i 对u的微分，即 由于i在Q点附近变化很小，因而可用IDQ取代之，所以(2.3)
18、(2.4)第15页，共74页，编辑于2022年，星期一 通常rD在几欧到几十欧之间。（2）极间电容 极间电容分为势垒电容Cb和扩散电容Cd两种。势垒电容Cb 在二极管外加电压变化时，空间电荷量发生变化，类似电容的充、放电，PN结这种电容效应等效为势垒电容Cb。扩散电容Cd 当二极管正向偏置时，多子的扩散形成正向电流。在正向电压变化时，扩散路程中载流子的浓度和浓度差也产生变化，这种变化相当于电荷量的积累与释放，因而显示出电容效应，其所对应的电容称为扩散电容Cd。二极管的结电容C j=C b+C d，正向偏置时以扩散电容Cd为主；反向偏置时以势垒电容C b为主。C b和C d的取值取决于结面积、外
19、加电压、通过的电流等因素。（2）最高工作频率f M 当二极管在高频条件下工作时，将受到极间电容的影响。fM主要决定于极间电容的大小。极间电容愈大，则二极管允许的最高工作频率愈低。当工作频率超过f M时，二极管将失去单向导电性。第16页，共74页，编辑于2022年，星期一2.2.4 二极管的应用电路二极管的应用电路 在二极管的应用电路中，主要是利用二极管的单向导电性。在分析应用电路时，应当掌握一条基本原则，即判断二极管是处于导通状态还是截止状态，其方法是先将二极管断开，然后观察（或计算）阳、阴两极是正向电压还是反向电压，若为正向电压则二极管导通，否则截止。二极管导通时，一般用电压源UD=0.7
20、V（硅管，若是锗管则用0.3 V）代替，或近似用短路线代替（理想二极管）；二极管截止时，一般将二极管断开，即认为二极管反向电阻无穷大。1.整流电路整流电路 整流电路是直流稳压电源的组成部分。所谓整流，就是利用二极管的单向导电性，将交流电压变成单方向的脉动直流电压。在整流电路中，加在电路两端的交流电压远大于二极管的导通电压Uon，而整流输出电流远大于二极管的反向饱和电流IS，所以，在分析整流电路时，二极管均用理想模型代替。小功率整流电路形式有单向半波整流电路、单向全波整流电路和单向桥式整流电路三种。此处先以单向半波整流电路为例介绍整流电路的工作原理，后面稳压电源部分还会全面介绍。第17页，共74
21、页，编辑于2022年，星期一 例例2.1 图2.12（a）所示整流电路中，二极管D为理想二极管。已知输入电压u i为图2.12（b）所示的正弦波，试画出输出电压uo的波形。解：解：因为D为理想二极管，所以当u i 0时，二极管D正偏导通，相当于开关闭合，故uo=u i 当u i 0时，二极管D反偏截止，相当于开关断开，故uo=0 由以上分析画出uo的波形，如图1.12（b）所示。从uo的波形可知，电阻R上得到了单向脉动直流电压。第18页，共74页，编辑于2022年，星期一 2.限幅电路限幅电路 当输入信号电压在一定范围内变化时，输出电压随输入电压相应变化；而当输入电压超出该范围时，输出电压保持
22、不变，这种电路就是限幅电路。通常将输出电压uo保持不变的电压值称为限幅电平限幅电平，当输入电压高于限幅电平时，输出电压保持不变的限幅称为上限幅；当输入电压低于限幅电平时，输出电压保持不变的限幅称为下限幅。二极管限幅电路有串联、并联、双向限幅电路。在图2.13所示电路中，二极管与输出端并联，所以此电路叫做并联限幅电路。当输入正弦信号ui处于正半周，且其数值大于二极管的导通电压Uon时，二极管导通，uo=Uon。当u i处于负半周或其数值小于二极管的导通电压Uon时，二极管截止，此时u i的波形全部传送到输出端，即uo=u i，输出电压uo的波形如图1.14所示。并联限幅电路限制了信号的正半周。第
23、19页，共74页，编辑于2022年，星期一 下面再看一道双限幅电路的例子。例例2-2 在图2.15（a）所示电路中，已知两只二极管的导通压降Uon均为0.7 V，试画出输出电压uo与输入电压ui的关系曲线（即电压传输特性）。解：解：此题中二极管不能视为理想二极管。图（a）中两只二极管D1、D2方向相反，所以当ui 0.7 V时，D1导通，D2截止，uo=Uon=0.7 V；当ui-0.7 V时，D1截止，D2导通，uo=-Uon=-0.7 V；当-0.7 Vui 0.7 V时，D1、D2均截止，相当于开关断开，uo=ui，uo与ui成正比例关系。由以上分析可画出uo与ui的关系曲线，如图2.1
24、5（b）所示。该电路为一个双向限幅电路，D1、D2的接法使uo的大小限在-0.7 V+0.7 V之内。第20页，共74页，编辑于2022年，星期一 3.逻辑运算（开关）电路逻辑运算（开关）电路 在开关电路中，我们一般把二极管看成理想模型，即二极管导通时两端电压为零，截止时两端电阻为无穷大。在图2.16（a）的电路中只要有一路输入信号为低电平，输出即为低电平，仅当全部输入为高电平时，输出才为高电平，这在逻辑运算中称为“与与”逻辑运算。图（b）电路中，当只要有一路输入信号为高电平，输出即为高电平，仅当全部输入为低电平时，输出才为低电平，这种运算称为“或或”逻辑运算。第21页，共74页，编辑于202
25、2年，星期一 4.检波电路检波电路 在电视、通信电路中，经常用二极管检波，现以广播系统为例来分析检波电路。为了使频率较低的语音信号能远距离传输，往往用表达语音信号的电压波形去控制频率一定的高频正弦波电压的幅度，称为调制调制。调制后的高频信号经天线可以发送到远方。这种幅度被调制的调幅波被收音机输入调谐回路“捕获”后，经放大，可由检波电路检出调制的语音信号。图1.17为接收这种广播信号的示意图，并画出了由二极管组成的检波电路。第22页，共74页，编辑于2022年，星期一 2.2.5 特殊二极管特殊二极管 1.稳压二极管稳压二极管 （1）伏安特性及电路符号 由二极管的特性曲线可知，如果二极管工作在反
26、向击穿区，则当反向电流的变化量I较大时，管子两端相应的电压变化量U却很小，说明其具有“稳压”特性。利用这种特性可以做成稳压管稳压管。所以，稳压管实质上就是一个二极管，但它通常工作在反向击穿区。只要击穿后的反向电流不超过允许范围，稳压管就不会发生热击穿损坏。为此，必须在电路中串接一个限流电阻。反向击穿后，当流过稳压管的电流在很大范围内变化时，管子两端的电压几乎不变，从而可以获得一个稳定的电压。综上所述，在使用稳压管组成稳压电路时，需要注意几个问题：首先，稳压二极管正常工作是在反向击穿状态，即外加电源正极接二极管的阴极，负极接阳极；其次，稳压管应与负载并联，由于稳压管两端电压变化量很小，因而使得输
27、出电压比较稳定；最后，必须限制流过稳压管的电流，使其不超过规定值，以免因过热而烧毁二极管。同时，还应保证流过稳压管的电流大于某一数值（稳定电流），以确保稳压管有良好的稳压特性。稳压管的伏安特性及电路符号如图2.18（a）和（b）所示。第23页，共74页，编辑于2022年，星期一 （2）主要参数 稳定电压UZ 当稳压管反向击穿，且使流过的电流为规定的测试电流时，稳压管两端的电压值即为稳定电压UZ。对于同一种型号的稳压管，UZ有一定的分散性，因此一般都给出其范围。例如型号为2CW14的稳压管的UZ为6V7.5V，但对于某一只稳压管，UZ为一个确定值。第24页，共74页，编辑于2022年，星期一 稳
28、定电压的温度系数a 稳定电压随温度变化而略有改变。温度每上升1oC时，稳定电压变化的百分数就称为稳定电压的温度系数。当UZ小于4 V时，a一般为负，即UZ随温度上升而略有减小；当UZ大于7 V时，a一般为正，即UZ随温度上升而略有增加；当UZ在4 V7 V之间时，则两种情况都有，但其数值较小。在稳压性能要求较高的情况下可选用温度补偿型稳压管。稳定电流IZ 稳定电流IZ是保证稳压管正常稳压的最小工作电流，电流低于此值时稳压效果不好。IZ一般为毫安数量级。如5 mA或10 mA。最大耗散功率PZM和最大稳定电流IZM 当稳压管工作在稳压状态时，管子消耗的功率等于稳定电压UZ与流过稳压管电流的乘积，
29、该功率将转化为PN结的温升。最大耗散功率PZM是在结温升允许的情况下的最大功率，一般为几十毫瓦至几百毫瓦。因PZM=UZ IZM，由此即可确定最大稳定电流IZM。动态电阻rZ 动态电阻rZ的定义为：稳压管两端的稳定电压UZ与相应的电流变化量IZ之比，即rZ=UZ/IZ。不同的稳压管，rZ各不相同。rZ越小，表明在电流变化时，稳定电压变化越小，即稳压效果越好。rZ一般为几欧到几十欧。第25页，共74页，编辑于2022年，星期一 例例2.3 图2.19所示是利用稳压管组成的稳压电路。其中U I为未经稳定的直流输入电压，R为限流电阻，UO为稳压电路的输出电压。试分析此电路的稳压原理。解：解：使UO不
30、稳定的原因有两个：一是U I的变化，另一个是负载电阻RL的变化。下面分析当这两个因素变化时，电路是如何稳定输出电压的。U I不稳定时，设UI增加，这将使UO有增加的趋势，但UO增加使稳压管两端反向电压UZ增加。由于稳压管动态电阻极小，所以将使流过管子的电流IZ大大增加，限流电阻R上的电流IR=IZ+IL也跟着大大增加，限流电阻上的压降IRR也增加，其结果是UI的增加量绝大部分降在限流电阻R上，从而使输出电压基本维持恒定。当RL变化时，设RL减小，这将使UO有降低的趋势，但UO减小使稳压管两端反向电压UZ减小。由于稳压管动态电阻极小，所以将使流过稳压管的电流IZ大大减小，限流电阻R上的电流IR=
31、IZ+IL也跟着大大减小，其结果是限流电阻R上的电压减小，补偿了UO的下降，使输出电压UO几乎不减小，稳定在UZ的数值。第26页，共74页，编辑于2022年，星期一 例例2.4 在图2.19所示电路中，已知输入电压UI=12 V，稳压管DZ的稳定电压UZ=6 V，稳定电流IZ=5mA，额定功耗PZM=90 mW，试问输出电压Uo能否等于6 V。解：解：稳压管正常稳压时，其工作电流IDZ应满足IZIDZIZmax，而即 5mA I DZ 15 mA （2.5）设电路中DZ能正常稳压，则Uo=UZ=6V。由图中可求出 I DZ不在式（2.5）的范围内，因此不能正常稳压，Uo将小于UZ。若要电路能够
32、稳压，则应减小R的阻值。第27页，共74页，编辑于2022年，星期一2.发光二极管发光二极管 发光二极管是一种将电能转换成光能的半导体器件。其基本结构是一个PN结，采用砷化镓、磷化镓等半导体材料制造而成。它的伏安特性与普通二极管类似，但由于材料特殊，其正向导通电压较大，约为12 V。当管子正向导通时将会发光。发光二极管简写为LED（Light Emitting Diode）。发光二极管具有体积小、工作电压低、工作电流小（1030 mA）、发光均匀稳定、响应速度快和寿命长等优点。常用作显示器件，如指示灯、七段显示器、矩阵显示器等。常见的LED发光颜色有红、黄、绿等，还有发出不可见光的红外发光二极
33、管。发光二极管的电路符号和外形如图2.20所示。图2.21所示为七段数码管显示器的外形和电路图。第28页，共74页，编辑于2022年，星期一3.光电二极管光电二极管 光电二极管又叫光敏二极管，它是一种能将光信号转换为电信号的器件。光电二极管的基本结构也是一个PN结，但管壳上有一个窗口，使光线可以照射到PN结上。光电二极管工作在反偏状态下。当无光照时，与普通二极管一样，反向电流很小，称为暗电流。当有光照时，其反向电流随光照强度的增加而增加，称为光电流。图1.22所示为光电二极管的电路符号和特性曲线。第29页，共74页，编辑于2022年，星期一 光电二极管与发光二极管可用于构成红外线遥控电路。图1
34、.23所示为红外遥控电路示意图。当按下发射电路中的按钮时，编码器电路产生出调制的脉冲信号，由发光二极管将电信号转换成光信号发射出去。接收电路中的光电二极管将光脉冲信号转换为电信号，经放大、解码后，由驱动电路驱动负载动作。当按下不同按钮时，编码器产生不同的脉冲信号，以示区别。接收电路中的解码器可以解调出这些信号，并控制负载做出不同的动作。第30页，共74页，编辑于2022年，星期一4.变容二极管变容二极管 利用PN结的势垒电容随外加反向电压变化的特性可制成变容二极管。变容二极管工作在反偏状态下，此时，PN结结电容的数值随外加电压的大小而变化。因此，变容二极管可做可变电容使用。图1.24所示为变容
35、二极管的电路符号和C-U关系曲线。第31页，共74页，编辑于2022年，星期一 变容二极管在高频电路中得到广泛应用，可用于自动调谐、调频、调相等。图2.25所示为变容二极管的一个应用电路，这是一个电调谐改变LC回路谐振频率的回路。变容二极管V与电感L组成LC谐振回路，当改变电位器的中心触点位置时，加在V上的反偏电压发生变化，其电容量相应改变，从而改变了LC回路的谐振频率。图中的C为隔直流电容器。第32页，共74页，编辑于2022年，星期一2.2.6 二极管的简易测试二极管的简易测试 测试二极管一方面是测试其性能的好坏，即是否具有单向导电性，另一方面通过测试找出二极管的正、负极。二极管的测试方法
36、很多，本节只介绍用万用表测试的方法。万用表及其欧姆档的内部等效电路如实验图1.26所示。图中E为表内电源，r为等效内阻，I 为被测回路中的实际电流。由图可见，黑表笔接表内电源正端，红表笔接表内电源的负端。进行测试时，将万用表的挡位选择开关打向R100或R1 k（）档（R1挡电流太大，用R10 k挡电压太大，都易损坏管子），并将两表笔分别接到二极管的两端，如图1.27所示，若测得阻值小，再将红黑表笔对调测试，若测得阻值大，则表明二极管是好的；在测得阻值小的那一次中，与黑表笔相连的管脚为二极管的正极，与红表笔相连的管脚为二极管的负极。若上述两次测得的阻值都很小，则表明管子内部已被短路；若两次测得的
37、阻值都很大，则表明管子内部已经断路，出现短路和断路时，说明管子已损坏。第33页，共74页，编辑于2022年，星期一2.2.7 二极管使用注意事项二极管使用注意事项二极管使用时，应注意以下注意事项：（1）二极管应按照用途、参数及使用环境选择。（2）使用二极管时，正、负极不可接反。通过二极管的电流、承受的反向电压及环境温度等都不应超过手册中所规定的极限值。（3）更换二极管时，应用同类型或高一级的代替。（4）二极管的引线弯曲处距离外壳端面应不小于2 mm，以免造成引线折断或外壳破裂。第34页，共74页，编辑于2022年，星期一（5）焊接时应选用35 W以下的电烙铁，焊接要迅速，并用镊子夹住引线根部，
38、以助散热，防止烧坏管子。（6）安装时，应避免靠近发热元件，对功率较大的二极管，应注意良好的散热。（7）二极管在容性负载电路中工作时，二极管整流电流应大于负载电流的20%。第35页，共74页，编辑于2022年，星期一2.3 半导体三极管半导体三极管 晶体三极管又称为半导体三极管、双极型晶体管，简称晶体管晶体管或三极管三极管。它具有电流放大作用，是构成各种电子电路的基本元件。2.3.1 三极管的结构和符号三极管的结构和符号 三极管有NPN型型和PNP型型两种类型，它们的结构示意图及电路符号如图2.28所示。第36页，共74页，编辑于2022年，星期一 三极管有三个区、三个电极和两个PN结：中间层称
39、为基区基区，外面两层分别称为发射区发射区和集电区集电区；从三个区各引一个电极出来，分别称为基极基极（b）、发射极发射极（e）和集电极集电极（c）；基区与集电区之间的PN结称为集电结集电结，基区与发射区之间的PN结称为发射结发射结。三极管的内部结构在制造工艺上的特点如下：（1）发射区的掺杂浓度远大于集电区的掺杂浓度；（2）基区很薄，一般为1m至几m；（3）集电结面积大于发射结面积。三极管按材料不同分为硅管和锗管。目前我国制造的硅管多为NPN型，锗管多为PNP型。不论是硅管还是锗管，NPN管还是PNP管，它们的基本工作原理是相同的。本结主要讨论NPN管。三极管的外形如图2.29所示。第37页，共7
40、4页，编辑于2022年，星期一2.3.2 三极管的电流放大原理三极管的电流放大原理 通过改变加在三极管三个电极上的电压可以改变其两个PN结的偏置电压，从而使三极管有三种工作状态：当发射结和集电结均反偏时，处于截止状态截止状态；当发射结正偏、集电结反偏时，处于放大状态放大状态；当发射结和集电结均正偏时，处于饱饱和状态和状态。模拟电子线路中，三极管主要工作在放大状态，是构成放大电路的核心元件；数字电子线路中，三极管则工作在截止和饱和状态，充当开关使用。当三极管处于放大状态时，能将输入的小电流放大为输出端的大电流。下面以NPN型三极管为例来分析其放大原理。1.三极管内部载流子的运动三极管内部载流子的
41、运动 图2.30所示电路中，当电源电压VCCVBB且各电源、电阻取值合适时，能保证发射结正偏、集电结反偏，即保证三极管处于放大状态。三极管的放大作用是通过载流子的运动体现出来的，其内部载流子的运动有三个过程：（1）发射区向基区注入电子由于发射结正向偏置，载流子的运动主要以多子的扩散运动为主。发射区的多子（电子）不断通过发射结扩散到基区，基区的多子（空穴）也通过发射结扩散到发射区，如图1.28所示。这两种多子的扩散运动形成的扩散电流即为发射极电流IE。由于发射区的掺杂浓度远大于基区，因而IE主要以电子电流为主，空穴电流可以忽略不计。第38页，共74页，编辑于2022年，星期一 （2）电子在基区的
42、扩散和复合发射区的电子注入基区后，靠近发射结附近浓度很高，离结越远浓度越低。由于浓度差电子将继续向集电结方向扩散，又由于基区很薄、杂质浓度低，电子在扩散过程中只有很少一部分与基区的空穴复合掉，形成基极电流I B n。（3）集电区收集电子由于集电结反向偏置，有利于少子的漂移运动。从发射区注入基区的电子便成为了基区的少子，它们扩散到集电结附近后很容易在集电结电场作用下漂移到集电区，被集电区收集，形成集电极电流I C n。与此同时，由于集电结反向偏置，基区本身的少子（电子）与集电区的少子（空穴）将在结电场的作用下形成漂移电流，即反向饱和电流，称为ICBO。ICBO数值很小，可以忽略不计，但由于它受温
43、度影响大，将影响管子的性能。第39页，共74页，编辑于2022年，星期一 由以上分析可知，三极管内部有两种载流子参与导电，故称为双极型晶体管双极型晶体管。三极管三个电极电流IB、IC、IE分别为：IB=IB n-ICBO （2.6）IC=IC n+ICBO （2.7）IE=IC n+IB n=（IC n+ICBO）+（IB n-ICBO）=IC+IB （2.8）2.各极电流之间的关系各极电流之间的关系 在图2.30所示电路中，IB所在回路称为输入回路输入回路，IC所在回路称为输出回路输出回路，而发射极为两个回路的公共端，因此，该电路称为共射放大电路共射放大电路。该电路中电流IE主要是由发射区扩
44、散到基区的电子而产生的；IB主要是由发射区扩散过来的电子在基区与空穴复合而产生的；IC主要是由发射区注入基区的电子漂移到集电区而形成的。当管子制成以后，复合和漂移所占的比例就确定了，也就是说IC与IB的比值也接确定了，这个比值就称为共发射极直流电流放大系数直流电流放大系数 ，即 由于IB远小于IC，因此 1，一般NPN型三极管的为几十倍至一百多倍。(1.9)第40页，共74页，编辑于2022年，星期一 实际电路中，三极管主要用于放大动态信号。当输入回路加上动态信号后，将引起发射结电压的变化，从而使发射极电流、基极电流变化，集电极电流也将随之变化。集电极电流的变化量与基极电流变化量的比值称为共发
45、射极交流电流放大系数交流电流放大系数 式（2.10）表明三极管具有将基极电流变化量放大倍的能力，这就是三极管的电流放大作用。因为在近似分析中可以认为 =，故在实际应用中不再加以区分。2.3.3 三极管的共射特性曲线三极管的共射特性曲线 三极管的共射特性曲线是指三极管在共射接法下各电极电压与电流之间的关系曲线，分为输入特性曲线输入特性曲线和输出特性曲线输出特性曲线。1.输入特性输入特性 输入特性是指当UCE不变时，基极电流iB与电压uBE之间的关系曲线，即 IB=f（UBE）UCE=常数 图1.31中给出了UCE在两种不同取值情况下的输入特性。输入特性有如下几个特点：（1）当UCE=0时，相当于
46、两个PN结（发射结与集电结）并联，此时输入特性与二极管伏安特性相似。(2.10)第41页，共74页，编辑于2022年，星期一 （2）当UCE 0时，随着UCE 的增大，特性曲线右移，这时集电结由正偏逐渐转为反偏，集电结电场对发射区注入基区的电子的吸引力增强，因而使基区内与空穴复合的电子减少，表现为在相同UBE下对应的IB减少。当UCE大于某一数值（例如1 V）以后，特性曲线右移很少。这是因为集电结反偏后，其反偏电压已足将注入基区的电子基本上都收集到集电极，即使UCE再增大，IB也不会减小很多。所以，常常用UCE 1V的一条曲线（例如UCE=2V）来代表UCE 更高的情况。2.输出特性输出特性
47、输出特性是指当IB不变时，集电极电流IC与电压UCE之间的关系曲线，即 IC=f（UCE）IB=常数三极管的输出特性如图2.32所示。从图中可以看出，三极管的输出特性为一组曲线，对应不同的IB，输出特性不同，但它们的形状基本相同。在输出特性曲线上可以划分为三个区域：截止区、放大区和饱和区。下面分别进行介绍。第42页，共74页，编辑于2022年，星期一 （1）截止区 一般将IB0的区域称为截止区，在图中为IB=0的一条曲线以下部分。此时，集电结和发射结均处于反向偏置，IC也近似为零，三极管处于截止状态，没有放大作用。（2）放大区 在放大区内，各条输出特性曲线比较平坦，近似为水平的直线，表示当IB
48、一定时，IC的值基本上不随UCE而变化。而当基极电流有一个微小的变化量IB时，相应的集电极电流将产生较大的变化量IC，且满足IC=IB，体现出三极管的电流放大作用。第43页，共74页，编辑于2022年，星期一 （3）饱和区 图2.32中靠近纵坐标的附近，各条输出特性曲线的上升部分属于三极管的饱和区。此时，集电结和发射结均处于正向偏置。由于集电结正偏，不利于少子漂移，因而不利于集电区收集从发射区注入基区的电子，使得在相同的IB下IC比放大区的小。在饱和区，不满足IC=IB。一般称UCE =UBE时三极管的工作状态为临界饱和状态临界饱和状态。饱和时的UCE称为饱和管压降，记作UCES，一般小功率硅
49、三极管的UCES0.4 V。例例2.5 图2.33中三极管各电极电位已标出，试判断三极管分别处于何种工作状态（饱和、放大、截止或已损坏），若处于放大或饱和状态，请判断是硅管还是锗管。第44页，共74页，编辑于2022年，星期一 解：解：判断三极管的工作状态主要是分析其两个PN结的偏置状态；而判断管子的材料主要是看其导通时发射结的压降，若UBE=0.7 V左右则为硅管，UBE=0.2 V左右为锗管。（a）NPN型管，UBE=0.1-(-0.2)=0.3 V，发射结正偏；UBC=0.1-6=-5.9 V，集电结反偏，故该管工作在放大状态，且为锗管。（b）PNP型管，UBE=0.31=-0.7 V，
50、发射结正偏；UBC=0.3-（-2）=2.3 V，集电结反偏，故该管工作在放大状态，且为硅管。（c）NPN型管，UBE=-3-(-2)=-1 V，发射结反偏；UBC=-30=-3 V，集电结反偏，该管工作在截止状态。（d）PNP型管，UBE=5.3 6=-0.7 V，发射结正偏；UBC=5.3-5.5=-0.2 V，集电结正偏，该管工作在饱和状态，硅管。（e）NPN型管，UBE=44=0 V，发射结压降为零；UBC=4-4=0 V，集电结压降也为零，故该管可能被击穿，已损坏；也可能因电路连线问题而使之截止。例例1.6 在图1.34（a）所示电路中，已知三极管发射结正偏时Uon=0.7 V，深度