工藝技術(shù)_基本半導(dǎo)體分立器件

第1章基本半導(dǎo)體分立器件 1 1半導(dǎo)體的基本知識(shí)與PN結(jié)1 2半導(dǎo)體二極管1 3特殊二極管1 4半導(dǎo)體三極管1 5場(chǎng)效應(yīng)晶體管習(xí)題 1 1半導(dǎo)體的基本知識(shí)與PN結(jié) 1 1 1半導(dǎo)體的基本特性在自然界中存在著許多不同的物質(zhì) 根據(jù)其導(dǎo)電性能的不同大體可分為導(dǎo)體 絕緣體和半導(dǎo)體三大類 通常將很容易導(dǎo)電 電阻率小于10 4 cm的物質(zhì) 稱為導(dǎo)體 例如銅 鋁 銀等金屬材料 將很難導(dǎo)電 電阻率大于1010 cm的物質(zhì) 稱為絕緣體 例如塑料 橡膠 陶瓷等材料 將導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間 電阻率在10 3 109 cm范圍內(nèi)的物質(zhì) 稱為半導(dǎo)體 常用的半導(dǎo)體材料是硅 Si 和鍺 Ge 1 熱敏性所謂熱敏性就是半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨著溫度的升高而迅速增加 半導(dǎo)體的電阻率對(duì)溫度的變化十分敏感 例如純凈的鍺從20 升高到30 時(shí) 它的電阻率幾乎減小為原來(lái)的1 2 2 光敏性半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨光照的變化有顯著改變的特性叫做光敏性 一種硫化鎘薄膜 在暗處其電阻為幾十兆歐姆 受光照后 電阻可以下降到幾十千歐姆 只有原來(lái)的1 自動(dòng)控制中用的光電二極管和光敏電阻 就是利用光敏特性制成的 而金屬導(dǎo)體在陽(yáng)光下或在暗處 其電阻率一般沒(méi)有什么變化 3 雜敏性所謂雜敏性就是半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力因摻入適量雜質(zhì)而發(fā)生很大的變化 在半導(dǎo)體硅中 只要摻入億分之一的硼 電阻率就會(huì)下降到原來(lái)的幾萬(wàn)分之一 所以 利用這一特性 可以制造出不同性能 不同用途的半導(dǎo)體器件 而金屬導(dǎo)體即使摻入千分之一的雜質(zhì) 對(duì)其電阻率也幾乎沒(méi)有什么影響 半導(dǎo)體之所以具有上述特性 根本原因在于其特殊的原子結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電機(jī)理 1 1 2本征半導(dǎo)體在近代電子學(xué)中 最常用的半導(dǎo)體材料就是硅和鍺 下面以它們?yōu)槔?介紹半導(dǎo)體的一些基本知識(shí) 一切物質(zhì)都是由原子構(gòu)成的 而每個(gè)原子都由帶正電的原子核和帶負(fù)電的電子構(gòu)成 由于內(nèi)層電子受原子核的束縛較大 很難活動(dòng) 因此物質(zhì)的特性主要由受原子核的束縛力較小的最外層電子 也就是價(jià)電子來(lái)決定 硅原子和鍺原子的電子數(shù)分別為32和14 所以它們最外層的電子都是四個(gè) 是四價(jià)元素 其原子結(jié)構(gòu)可以表示成如圖1 1所示的簡(jiǎn)化模型 圖1 1硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型 在實(shí)際應(yīng)用中 必須將半導(dǎo)體提煉成單晶體 使它的原子排列由雜亂無(wú)章的狀態(tài)變成有一定規(guī)律 整齊地排列的晶體結(jié)構(gòu) 如圖1 2所示 稱為單晶 硅和鍺等半導(dǎo)體都是晶體 所以半導(dǎo)體管又稱晶體管 通常把純凈的不含任何雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體 圖1 2本征硅 或鍺 的晶體結(jié)構(gòu) a 結(jié)構(gòu)圖 b 平面示意圖與共價(jià)鍵 從圖1 2 b 的平面示意圖可以看出 硅和鍺原子組成單晶的組合方式是共價(jià)鍵結(jié)構(gòu) 每個(gè)價(jià)電子都要受到相鄰的兩個(gè)原子核的束縛 每個(gè)原子的最外層就有了八個(gè)價(jià)電子而形成了較穩(wěn)定的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu) 所以 半導(dǎo)體的價(jià)電子既不像導(dǎo)體的價(jià)電子那樣容易掙脫成為自由電子 也不像在絕緣體中被束縛的那樣緊 由于導(dǎo)電能力的強(qiáng)弱 在微觀上看就是單位體積中能自由移動(dòng)的帶電粒子數(shù)目的多少 因此 半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間 1 本征激發(fā)與復(fù)合在絕對(duì)零度 273 時(shí) 半導(dǎo)體中的價(jià)電子不能脫離共價(jià)鍵的束縛 所以在半導(dǎo)體中沒(méi)有自由電子 半導(dǎo)體呈現(xiàn)不能導(dǎo)電的絕緣體特性 當(dāng)溫度逐漸升高或在一定強(qiáng)度的光照下 本征硅或鍺中的一些價(jià)電子從熱運(yùn)動(dòng)中獲得了足夠的能量 掙脫共價(jià)鍵的束縛而成為帶單位負(fù)電荷的自由電子 同時(shí) 在原來(lái)的共價(jià)鍵位置上留下一個(gè)相當(dāng)于帶有單位正電荷電量的空位 稱之為空穴 也叫空位 這種現(xiàn)象 叫做本征激發(fā) 在本征激發(fā)中 帶一個(gè)單位負(fù)電荷的自由電子和帶一個(gè)單位正電荷的空穴總是成對(duì)出現(xiàn)的 所以稱之為自由電子 空穴對(duì) 如圖1 3所示 圖1 3本征激發(fā)產(chǎn)生自由電子 空穴對(duì) 自由電子和空穴在熱運(yùn)動(dòng)中又可能重新相遇結(jié)合而消失 叫做復(fù)合 本征激發(fā)和復(fù)合總是同時(shí)存在 同時(shí)進(jìn)行的 這是半導(dǎo)體內(nèi)部進(jìn)行的一對(duì)矛盾運(yùn)動(dòng) 在溫度一定的情況下 本征激發(fā)和復(fù)合達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡 單位時(shí)間本征激發(fā)出的自由電子 空穴對(duì)數(shù)目正好等于復(fù)合消失的數(shù)目 這樣在整塊半導(dǎo)體內(nèi) 自由電子和空穴的數(shù)目保持一定 一般在室溫時(shí) 純硅中的自由電子濃度n和空穴濃度p為ni n p 1 5 1010 個(gè) cm3 1 1 對(duì)于純鍺來(lái)說(shuō) 這個(gè)數(shù)據(jù)約為2 5 1013個(gè) cm3 而金屬導(dǎo)體中的自由電子濃度約為1022個(gè) cm3 從數(shù)字上可以看出 本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力是很差的 溫度越高 本征激發(fā)越激烈 產(chǎn)生的自由電子 空穴對(duì)越多 當(dāng)半導(dǎo)體重新達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)的自由電子或空穴的濃度就越高 導(dǎo)電能力就越強(qiáng) 這實(shí)際上就是半導(dǎo)體材料具有熱敏性和光敏性的本質(zhì)原因 2 自由電子運(yùn)動(dòng)與空穴運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)分析 我們知道在本征半導(dǎo)體中 每本征激發(fā)出一個(gè)自由電子 就會(huì)留下一個(gè)空穴 這時(shí)本來(lái)不帶電的原子 就相當(dāng)于帶正電的正離子 或者說(shuō)留下的這個(gè)空穴相當(dāng)于帶一個(gè)單位的正電荷 在熱能或外加電場(chǎng)的作用下 鄰近原子帶負(fù)電的價(jià)電子很容易跳過(guò)來(lái)填補(bǔ)這個(gè)空位 這相當(dāng)于此處的空穴消失了 但卻轉(zhuǎn)移到相鄰的那個(gè)原子處去了 如圖1 4所示 價(jià)電子由B到A的運(yùn)動(dòng) 就相當(dāng)于空穴從A移動(dòng)到B 圖1 4空穴運(yùn)動(dòng) 圖1 5本征半導(dǎo)體中載流子的導(dǎo)電方式 因此 半導(dǎo)體中有兩種載流子 一種是帶負(fù)電荷的自由電子 一種是帶正電荷的空穴 它們?cè)谕饧与妶?chǎng)的作用下都會(huì)出現(xiàn)定向移動(dòng) 微觀上載流子的定向運(yùn)動(dòng) 在宏觀上就形成了電流 自由電子逆電場(chǎng)方向移動(dòng)形成電子電流IN 空穴順電場(chǎng)方向移動(dòng)形成空穴電流IP 如圖1 5所示 所以半導(dǎo)體在外加電場(chǎng)作用下 電路中總的電流I是空穴電流IP和電子電流IN的和 即I IN IP 1 2 1 1 3雜質(zhì)半導(dǎo)體由于半導(dǎo)體具有雜敏性 因此利用摻雜可以制造出不同導(dǎo)電能力 不同用途的半導(dǎo)體器件 根據(jù)摻入雜質(zhì)的不同 又可分為N型 電子型 半導(dǎo)體和P型 空穴型 半導(dǎo)體 1 N型半導(dǎo)體在四價(jià)的本征硅 或鍺 中 摻入微量的五價(jià)元素磷 P 之后 磷原子由于數(shù)量較少 不能改變本征硅的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu) 而是和本征硅一起組成共價(jià)鍵 如圖1 6所示 圖1 6N型半導(dǎo)體 在N型半導(dǎo)體中 由于摻雜帶來(lái)的自由電子濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于本征載流子濃度 因此多子濃度約等于摻雜的雜質(zhì)濃度 遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于少子空穴的濃度 所以當(dāng)外加電場(chǎng)時(shí) 流過(guò)N型半導(dǎo)體的電流應(yīng)為I IN IP IN 1 3 2 P型半導(dǎo)體在四價(jià)的本征硅 或鍺 中摻入微量的三價(jià)元素硼 B 之后 參照上述分析 硼原子也和周圍相鄰的硅原子組成共價(jià)鍵結(jié)構(gòu) 如圖1 7所示 圖1 7P型半導(dǎo)體 三價(jià)硼原子的最外層只有三個(gè)價(jià)電子 和相鄰的三個(gè)硅原子組成共價(jià)鍵后 尚缺一個(gè)價(jià)電子不能組成共價(jià)鍵 因此出現(xiàn)了一個(gè)空位 即空穴 這樣鄰近原子的價(jià)電子就可以跳過(guò)來(lái)填補(bǔ)這個(gè)空位 所以硼原子摻入后一方面提供了一個(gè)帶正電荷的空穴 一方面自己成為了帶負(fù)電的離子 即摻入一個(gè)硼原子就相當(dāng)于摻入了一個(gè)能接受電子的空穴 所以稱三價(jià)元素硼為受主雜質(zhì) 此時(shí)雜質(zhì)半導(dǎo)體中的空穴濃度約等于摻雜濃度 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自由電子濃度 稱空穴為多子 自由電子為少子 這種雜質(zhì)半導(dǎo)體叫做P型 空穴型 半導(dǎo)體 同樣 這種P型半導(dǎo)體在外加電場(chǎng)的作用下 總的電路電流應(yīng)為I IN IP IP 1 4 整塊半導(dǎo)體宏觀上仍為電中性 1 1 4PN結(jié)的形成與單向?qū)щ娦詭缀跛械陌雽?dǎo)體器件都是由不同數(shù)量和結(jié)構(gòu)的PN結(jié)構(gòu)成的 因此 我們先來(lái)了解PN結(jié)的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn) 1 PN結(jié)的形成在一塊本征半導(dǎo)體上通過(guò)某種摻雜工藝 使其形成N型區(qū)和P型區(qū)兩部分后 在它們的交界處就形成了一個(gè)特殊薄層 這就是PN結(jié) 1 多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)建立內(nèi)電場(chǎng)如圖1 8 a 所示 和 分別代表P區(qū)和N區(qū)的受主和施主離子 為了簡(jiǎn)便起見(jiàn) 硅原子未畫(huà)出 由于P區(qū)的多子是空穴 N區(qū)的多子是自由電子 因此在P區(qū)和N區(qū)的交界處自由電子和空穴都要從高濃度處向低濃度處擴(kuò)散 這種載流子在濃度差作用下的定向運(yùn)動(dòng) 叫做擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 多子擴(kuò)散到對(duì)方區(qū)域后 使對(duì)方區(qū)域的多子因復(fù)合而耗盡 所以P區(qū)和N區(qū)的交界處就僅剩下了不能移動(dòng)的帶電施主和受主離子 N區(qū)形成正離子區(qū) P區(qū)形成負(fù)離子區(qū) 形成了一個(gè)電場(chǎng)方向從N區(qū)指向P區(qū)的空間電荷區(qū) 這個(gè)電場(chǎng)稱為內(nèi)建電場(chǎng) 簡(jiǎn)稱內(nèi)電場(chǎng) 如圖1 8 b 所示 在這個(gè)區(qū)域內(nèi) 多子已擴(kuò)散到對(duì)方因復(fù)合而消耗殆盡 所以又稱耗盡層 在耗盡層以外的區(qū)域仍呈電中性 圖1 8PN結(jié)的形成 a 多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) b PN結(jié)中的內(nèi)電場(chǎng)與少子漂移 2 內(nèi)電場(chǎng)阻礙多子擴(kuò)散 幫助少子漂移運(yùn)動(dòng) 形成平衡PN結(jié)由于內(nèi)電場(chǎng)的方向是從N區(qū)指向P區(qū) 因此這個(gè)內(nèi)電場(chǎng)的方向?qū)Χ嘧赢a(chǎn)生的電場(chǎng)力正好與其擴(kuò)散方向相反 對(duì)多子的擴(kuò)散起了一個(gè)阻礙的作用 使多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)逐漸減弱 內(nèi)電場(chǎng)對(duì)P區(qū)和N區(qū)的少子同樣產(chǎn)生了電場(chǎng)力的作用 由于P區(qū)的少子是自由電子 N區(qū)的少子是空穴 因此內(nèi)電場(chǎng)對(duì)少子的運(yùn)動(dòng)起到了加速的作用 這種少數(shù)載流子在電場(chǎng)力作用下的定向移動(dòng) 稱為漂移運(yùn)動(dòng) 如圖1 8 b 所示 2 PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦晕醇油獠侩妷簳r(shí) PN結(jié)內(nèi)無(wú)宏觀電流 只有外加電壓時(shí) PN結(jié)才顯示出單向?qū)щ娦?1 外加正偏電壓時(shí)PN結(jié)導(dǎo)通將PN結(jié)的P區(qū)接較高電位 比如電源的正極 N區(qū)接較低電位 比如電源的負(fù)極 稱為給PN結(jié)加正向偏置電壓 簡(jiǎn)稱正偏 如圖1 9所示 PN結(jié)正偏時(shí) 外加電場(chǎng)使PN結(jié)的平衡狀態(tài)被打破 由于外電場(chǎng)與PN結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)方向相反 內(nèi)電場(chǎng)被削弱 擴(kuò)散增強(qiáng) 漂移幾乎減弱為0 因此 PN結(jié)中形成了以擴(kuò)散電流為主的正向電流IF 因?yàn)槎嘧訑?shù)量較多 所以IF較大 為了防止較大的IF將PN結(jié)燒壞 應(yīng)串接限流電阻R 擴(kuò)散電流隨外加電壓的增加而增加 當(dāng)外加電壓增加到一定值后 擴(kuò)散電流隨正偏電壓的增大而呈指數(shù)上升 由于PN結(jié)對(duì)正向偏置呈現(xiàn)較小的電阻 理想狀態(tài)下可以看成是短路情況 因此稱之為正偏導(dǎo)通狀態(tài) 圖1 9PN結(jié)外加正偏電壓 圖1 10PN結(jié)外加反偏電壓 2 外加反偏電壓時(shí)PN結(jié)截止將PN結(jié)的P區(qū)接較低電位 比如電源的負(fù)極 N區(qū)接較高電位 比如電源的正極 稱為給PN結(jié)加反向偏置電壓 簡(jiǎn)稱反偏 如圖1 10所示 PN結(jié)反偏時(shí) 外加電場(chǎng)方向與內(nèi)電場(chǎng)方向相同 內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng) 使多子擴(kuò)散減弱到幾乎為零 而漂移運(yùn)動(dòng)在內(nèi)電場(chǎng)的作用下 有所增強(qiáng) 在PN結(jié)電路中形成了少子漂移電流 漂移電流和正向電流的方向相反 稱為反向電流IR 1 2半導(dǎo)體二極管 1 2 1二極管的結(jié)構(gòu)與類型導(dǎo)體二極管按其結(jié)構(gòu)的不同 可分為點(diǎn)接觸型 面接觸型和平面型三種 常見(jiàn)二極管的結(jié)構(gòu) 外形和電路符號(hào)如圖1 11所示 二極管的兩極分別叫做正極或陽(yáng)極 P區(qū) 負(fù)極或陰極 N區(qū) 圖1 11半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu) 外形與電路符號(hào) a 點(diǎn)接觸型 b 面接觸型 c 平面型 d 電路符號(hào) e 常見(jiàn)二極管的外形 1 2 2二極管的伏安特性曲線與近似模型1 伏安特性曲線二極管的伏安特性也就是PN結(jié)的伏安特性 把二極管的電流隨外加偏置電壓的變化規(guī)律 稱為二極管的伏安特性 以曲線的形式描繪出來(lái) 就是伏安特性曲線 二極管的伏安特性曲線如圖1 12所示 下面分三部分對(duì)二極管的伏安特性曲線進(jìn)行分析 圖1 12二極管的伏安特性 1 正向特性 外加正偏電壓UF當(dāng)UF 0時(shí) IF 0 PN結(jié)處于平衡狀態(tài) 即圖1 12中的坐標(biāo)原點(diǎn) 當(dāng)UF開(kāi)始增加時(shí) 即正向特性的起始部分 由于此時(shí)UF較小 外電場(chǎng)還不足以克服PN結(jié)的內(nèi)電場(chǎng) 正向擴(kuò)散電流仍幾乎為零 只有當(dāng)UF大于死區(qū)電壓 鍺管約0 1V 硅管約0 5V 后 外加電場(chǎng)才足以克服內(nèi)電場(chǎng) 使擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)迅速增加 才開(kāi)始產(chǎn)生正向電流IF 2 反向特性 外加反向偏壓UR當(dāng)外加反向偏壓時(shí) 宏觀電流是由少子組成的反向漂移電流 當(dāng)反向電壓UR在一定范圍內(nèi)變化時(shí) 反向電流IR幾乎不變 所以又稱為反向飽和電流IS 當(dāng)溫度升高時(shí) 少子數(shù)目增加 所以IS增加 室溫下一般硅管的反向飽和電流小于1 A 鍺管為幾十到幾百微安 如圖中B段所示 3 擊穿特性 外加反壓增大到一定程度擊穿特性屬于反向特性的特殊部分 當(dāng)UR繼續(xù)增大 并超過(guò)某一特定電壓值時(shí) 反向電流將急劇增大 這種現(xiàn)象稱之為擊穿 發(fā)生擊穿時(shí)的UR叫擊穿電壓UBR 如圖1 12中C段所示 如果PN結(jié)擊穿時(shí)的反向電流過(guò)大 比如沒(méi)有串接限流電阻等原因 使PN結(jié)的溫度超過(guò)PN結(jié)的允許結(jié)溫 硅PN結(jié)約為150 200 鍺PN結(jié)約為75 100 時(shí) PN結(jié)將因過(guò)熱而損壞 圖1 13二極管的近似模型 a 理想模型 b 恒壓降模型 2 二極管的近似模型1 理想模型所謂理想模型就是將二極管的單向?qū)щ娞匦岳硐牖?認(rèn)為正偏二極管的管壓降為0V 忽略其0 7V或0 3V的導(dǎo)通電壓 相當(dāng)于短路導(dǎo)線 而當(dāng)二極管處于反偏狀態(tài)時(shí) 認(rèn)為二極管的等效電阻為無(wú)窮大 反向電流為0 如圖1 13 a 的伏安特性曲線所示 一般在電源電壓遠(yuǎn)大于二極管的導(dǎo)通壓降時(shí) 利用理想模型來(lái)分析 不會(huì)產(chǎn)生較大的誤差 2 恒壓降模型恒壓降模型的伏安特性曲線如圖1 13 b 所示 其反偏模型還是理想的 但認(rèn)為二極管正偏導(dǎo)通后的管壓降是一個(gè)恒定值 對(duì)于硅管和鍺管來(lái)說(shuō) 分別取0 7V和0 3V的典型值 這個(gè)模型比理想模型更接近實(shí)際情況 因此應(yīng)用比較廣泛 一般在二極管電流大于1mA時(shí) 恒壓降模型的近似精度還是相當(dāng)高的 1 2 3二極管的主要參數(shù)為了正確選用及判斷二極管的好壞 必須對(duì)其主要參數(shù)有所了解 1 最大整流電流IF指二極管在一定溫度下 長(zhǎng)期允許通過(guò)的最大正向平均電流 否則會(huì)使二極管因過(guò)熱而損壞 另外 對(duì)于大功率二極管 必須加裝散熱裝置 2 反向擊穿電壓UBR管子反向擊穿時(shí)的電壓值稱為反向擊穿電壓UBR 一般手冊(cè)上給出的最高反向工作電壓URM約為反向擊穿電壓的一半 以保證二極管正常工作的余量 3 反向電流IR 反向飽和電流IS 指在室溫和規(guī)定的反向工作電壓下 管子未擊穿時(shí) 的反向電流 這個(gè)值越小 則管子的單向?qū)щ娦跃驮胶?它隨溫度的增加而按指數(shù)上升 4 結(jié)電容與最高工作頻率fMPN結(jié)加電壓后 其空間電荷區(qū)會(huì)發(fā)生變化 這種變化造成的電容效應(yīng)稱為結(jié)電容 5 二極管的溫度特性半導(dǎo)體具有熱敏性 而電子電路又不可避免地要受到外界溫度及電路本身發(fā)熱的影響 所以 溫度變化容易造成半導(dǎo)體器件工作不穩(wěn)定 研究溫度對(duì)半導(dǎo)體器件的影響是十分必要的 圖1 14所示的正向特性中 對(duì)于同一電流 溫度每升高1 二極管的正向壓降將減小2 2 5mV 即二極管的正向特性曲線將隨溫度的升高而左移 溫度對(duì)二極管的反向特性影響更大 當(dāng)溫度每升高10 反向飽和電流IS將增加一倍 二極管的反向擊穿電壓也受溫度的影響 圖1 14溫度對(duì)二極管伏安特性的影響 1 2 4二極管在電子技術(shù)中的應(yīng)用二極管在電子技術(shù)中廣泛地應(yīng)用于整流 限幅 鉗位 開(kāi)關(guān) 穩(wěn)壓 檢波等方面 大多是利用其正偏導(dǎo)通 反偏截止的特點(diǎn) 1 整流應(yīng)用利用二極管的單向?qū)щ娦钥梢园汛笮『头较蚨甲兓恼医涣麟娮優(yōu)閱蜗蛎}動(dòng)的直流電 如圖1 15所示 這種方法簡(jiǎn)單 經(jīng)濟(jì) 在日常生活及電子電路中經(jīng)常采用 根據(jù)這個(gè)原理 還可以構(gòu)成整流效果更好的單相全波 單相橋式等整流電路 圖1 15二極管的整流應(yīng)用 a 二極管整流電路 b 輸入與輸出波形 2 限幅應(yīng)用利用二極管的單向?qū)щ娦?將輸入電壓限定在要求的范圍之內(nèi) 叫做限幅 圖1 16 a 所示的雙向限幅電路中 交流輸入電壓ui和直流電壓E1都對(duì)二極管VD1起作用 相應(yīng)的VD2也同時(shí)受ui和E2的控制 在假設(shè)VD1 VD2為理想二極管時(shí) 有如下限幅過(guò)程發(fā)生 當(dāng)輸入電壓ui 3V時(shí) VD1導(dǎo)通 VD2截止 uo 3V 當(dāng)ui 3V時(shí) VD2導(dǎo)通 VD1截止 uo 3V 當(dāng)ui在 3V與 3V之間時(shí) VD1和VD2均截止 因此uo ui 輸出波形如圖1 16 b 所示 圖1 16二極管的限幅應(yīng)用 a 雙向限幅電路 b 輸入與輸出波形 3 穩(wěn)壓應(yīng)用在需要不高的穩(wěn)定電壓輸出時(shí) 可以利用幾個(gè)二極管的正向壓降串聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn) 還有一種穩(wěn)壓二極管 可以專門(mén)用來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定電壓輸出 穩(wěn)壓二極管有不同的系列 用以實(shí)現(xiàn)不同的穩(wěn)定電壓輸出 4 開(kāi)關(guān)應(yīng)用在數(shù)字電路中經(jīng)常將半導(dǎo)體二極管作為開(kāi)關(guān)元件來(lái)使用 因?yàn)槎O管具有單向?qū)щ娦?可以相當(dāng)于一個(gè)受外加偏置電壓控制的無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān) 如圖1 17所示 為監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)組工作的某種儀表的部分電路 其中us是需要定期通過(guò)二極管VD加入記憶電路的信號(hào) ui為控制信號(hào) 圖1 17二極管的開(kāi)關(guān)應(yīng)用 當(dāng)控制信號(hào)ui 10V時(shí) VD的負(fù)極電位被抬高 二極管截止 相當(dāng)于 開(kāi)關(guān)斷開(kāi) us不能通過(guò)VD 當(dāng)ui 0V時(shí) VD正偏導(dǎo)通 us可以通過(guò)VD加入記憶電路 此時(shí)二極管相當(dāng)于 開(kāi)關(guān)閉合 情況 這樣 二極管VD就在信號(hào)ui的控制下 實(shí)現(xiàn)了接通或關(guān)斷us信號(hào)的作用 5 二極管的識(shí)別與簡(jiǎn)單測(cè)試1 二極管的極性判別有的二極管從外殼的形狀上可以區(qū)分電極 有的二極管的極性用符號(hào) 印在外殼上 箭頭指向的一端為負(fù)極 還有的二極管用色環(huán)或色點(diǎn)來(lái)標(biāo)志 靠近色環(huán)的一端是負(fù)極 有色點(diǎn)的一端是正極 2 性能測(cè)試二極管正 反向電阻的測(cè)量值相差愈大愈好 一般二極管的正向電阻測(cè)量值為幾百歐姆 反向電阻為幾十千歐姆到幾百千歐姆 如果測(cè)得正 反向電阻均為無(wú)窮大 說(shuō)明內(nèi)部斷路 若測(cè)量值均為零 則說(shuō)明內(nèi)部短路 如測(cè)得正 反向電阻幾乎一樣大 這樣的二極管已經(jīng)失去單向?qū)щ娦?沒(méi)有使用價(jià)值了 1 3特殊二極管 1 3 1穩(wěn)壓二極管1 穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線穩(wěn)壓二極管簡(jiǎn)稱穩(wěn)壓管 是一種用特殊工藝制造的面結(jié)型硅半導(dǎo)體二極管 可以穩(wěn)定地工作于擊穿區(qū)而不損壞 穩(wěn)壓二極管的外形 內(nèi)部結(jié)構(gòu)均與普通二極管相似 其電路符號(hào) 伏安特性曲線如圖1 18所示 圖1 18穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線與電路符號(hào) a 伏安特性曲線 b 電路符號(hào) 2 穩(wěn)壓管的主要參數(shù)1 穩(wěn)定電壓UZUZ就是穩(wěn)壓管的反向擊穿電壓 它的大小取決于制造時(shí)的摻雜濃度 2 最小穩(wěn)定電流IZmin穩(wěn)壓管正常工作時(shí)的最小電流值定義為最小穩(wěn)定電流 記為IZmin 一般在幾毫安以上 穩(wěn)壓管正常工作時(shí)的電流應(yīng)大于IZmin 以保證穩(wěn)壓效果 3 最大穩(wěn)定電流IZM和最大耗散功率PZM穩(wěn)壓管允許流過(guò)的最大電流和最大功耗叫做最大穩(wěn)定電流IZM和最大耗散功率PZM 通過(guò)管子的電流太大 會(huì)使管子內(nèi)部的功耗增大 結(jié)溫上升而燒壞管子 所以穩(wěn)壓管正常工作時(shí)的電流和功耗不應(yīng)超過(guò)這兩個(gè)極限參數(shù) 一般有PZM UZ IZM 1 5 4 動(dòng)態(tài)電阻rz穩(wěn)壓管反向擊穿時(shí)的動(dòng)態(tài)電阻 定義為電流變化量 IZ引起的穩(wěn)定電壓變化量 UZ 1 6 動(dòng)態(tài)電阻是反映穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓性能好壞的重要參數(shù) rz越小 反向擊穿區(qū)曲線越陡 穩(wěn)壓效果就越好 5 穩(wěn)定電壓UZ的溫度系數(shù)K穩(wěn)定電壓UZ的溫度系數(shù)K定義為溫度變化1 引起的穩(wěn)定電壓UZ的相對(duì)變化量 即 1 7 1 3 2發(fā)光二極管與光電二極管發(fā)光二極管和光電二極管都屬于光電子器件 光電子器件在電子系統(tǒng)中也有十分廣泛地應(yīng)用 具有抗干擾能力強(qiáng) 損耗小等優(yōu)點(diǎn) 1 發(fā)光二極管發(fā)光二極管屬于電光轉(zhuǎn)換器件的一種 是可以將電能直接轉(zhuǎn)換成光能的半導(dǎo)體器件 簡(jiǎn)稱 LED 是英文LightEmittingDiode的縮寫(xiě) 其電路符號(hào)如圖1 19所示 圖1 19發(fā)光二極管的電路符號(hào) 發(fā)光二極管也具有單向?qū)щ娦?當(dāng)外加反偏電壓時(shí) 二極管截止 不發(fā)光 當(dāng)外加正偏電壓導(dǎo)通時(shí) 因流過(guò)正向電流而發(fā)光 其發(fā)光機(jī)理是由于正偏時(shí)電子與空穴復(fù)合并釋放出能量所致 而顏色與發(fā)光二極管的材料和摻雜元素有關(guān) 發(fā)光二極管可以分為發(fā)不可見(jiàn)光和發(fā)可見(jiàn)光兩種 前者有發(fā)紅外光的砷化鎵發(fā)光二極管等 后者有發(fā)紅光 黃光 綠光以及藍(lán)光和紫光的發(fā)光二極管等 發(fā)光二極管的工作電流一般約為幾至幾十毫安 正偏電壓比普通二極管要高 約為1 5 3V 具有功耗小 體積小 可直接與集成電路連接使用的特點(diǎn) 并且穩(wěn)定 可靠 長(zhǎng)壽 105 106小時(shí) 光輸出響應(yīng)速度快 1 100MHz 應(yīng)用十分方便和廣泛 除應(yīng)用于信號(hào)燈指示 儀器儀表 家電等 數(shù)字和字符指示 接成七段顯示數(shù)碼管 等發(fā)光顯示方式以外 另一種重要應(yīng)用是將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào) 通過(guò)光纜傳輸 接受端配合光電轉(zhuǎn)換器件再現(xiàn)電信號(hào) 實(shí)現(xiàn)光電耦合 光纖通信等應(yīng)用 2 光電二極管光電二極管也叫光敏二極管 它的結(jié)構(gòu)和一般二極管相似 也具有單向?qū)щ娦?光電二極管的PN結(jié)被封裝在透明玻璃外殼中 其PN結(jié)裝在管子的頂部 可以直接受到光的照射 光敏二極管的電路符號(hào)如圖1 20所示 圖1 20光電二極管的電路符號(hào) 圖1 21遠(yuǎn)距離光電傳輸?shù)脑?1 3 3變?nèi)荻O管我們?cè)谟懻摪雽?dǎo)體二極管時(shí)已經(jīng)知道 二極管在高頻應(yīng)用時(shí) 必須要考慮結(jié)電容的影響 而所謂的變?nèi)荻O管 就是結(jié)電容隨反向電壓的增加而減小的二極管 圖1 22 a 所示為變?nèi)荻O管的電路符號(hào) 圖1 22 b 為某種變?nèi)荻O管的特性曲線 圖1 22變?nèi)荻O管 a 電路符號(hào) b 結(jié)電容與反偏電壓的關(guān)系 縱坐標(biāo)為對(duì)數(shù)刻度 結(jié)電容由勢(shì)壘電容CB和擴(kuò)散電容CD兩部分組成 我們知道 當(dāng)PN結(jié)兩端的電壓發(fā)生改變時(shí) 會(huì)使空間電荷區(qū)寬度發(fā)生改變 空間電荷區(qū)存儲(chǔ)電荷的多少發(fā)生變化就表現(xiàn)為PN結(jié)的電容效應(yīng) 在二極管正偏的多子擴(kuò)散過(guò)程中 多子擴(kuò)散到對(duì)方區(qū)域后 在對(duì)方區(qū)域形成一定的濃度梯度 越靠近PN結(jié)處的濃度越大 這個(gè)梯度隨外加正向電壓的大小而增減 這也是一種存 放電荷的作用 所以我們可以得到圖1 23所示的PN結(jié) 二極管 高頻等效電路 圖1 23PN結(jié)的高頻等效電路 1 4半導(dǎo)體三極管 1 4 1三極管的結(jié)構(gòu)與類型半導(dǎo)體三極管又叫晶體三極管 由于它在工作時(shí)半導(dǎo)體中的電子和空穴兩種載流子都起作用 因此屬于雙極型器件 也叫做BJT BipolarJunctionTransistor 雙極結(jié)型晶體管 半導(dǎo)體三極管的種類很多 按照半導(dǎo)體材料的不同可分為硅管 鍺管 按功率分有小功率管 中功率管和大功率管 按照頻率分有高頻管和低頻管 按照制造工藝分有合金管和平面管等 通常 按照結(jié)構(gòu)的不同分為兩種類型 NPN型管和PNP型管 圖1 24給出了NPN和PNP管的結(jié)構(gòu)示意圖和電路符號(hào) 符號(hào)中的箭頭方向是三極管的實(shí)際電流方向 圖1 25所示為幾種常見(jiàn)三極管的外形圖 三極管的型號(hào)命名方法參見(jiàn)附錄A 圖1 24三極管的結(jié)構(gòu)與電路符號(hào) a NPN型三極管 b PNP型三極管 圖1 25常見(jiàn)三極管的外形 1 4 2三極管的基本工作原理由于NPN管和PNP管的結(jié)構(gòu)對(duì)稱 工作原理完全相同 下面以NPN管為例 討論三極管的基本工作原理 1 三極管內(nèi)部載流子的傳輸過(guò)程和二極管一樣 要使三極管能控制載流子的傳輸以達(dá)到電流放大的目的 必須給三極管加上合適的偏置電壓 NPN三極管的偏置情況如圖1 26所示 圖1 26三極管內(nèi)的載流子運(yùn)動(dòng)規(guī)律 1 發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子 形成發(fā)射極電流IE在圖1 26中 由于發(fā)射結(jié)正偏 因此 高摻雜濃度的發(fā)射區(qū)多子 自由電子 越過(guò)發(fā)射結(jié)向基區(qū)擴(kuò)散 形成發(fā)射極電流IE 發(fā)射極電流的方向與電子流動(dòng)方向相反 是流出三極管發(fā)射極的 與此同時(shí) 基區(qū)多子空穴也向發(fā)射區(qū)擴(kuò)散 但因基區(qū)摻雜濃度低 數(shù)量和發(fā)射區(qū)的電子相比很少 可以忽略不計(jì) 2 電子在基區(qū)的擴(kuò)散與復(fù)合 形成基極電流IB發(fā)射區(qū)來(lái)的電子注入基區(qū)后 由于濃度差的作用繼續(xù)向集電結(jié)方向擴(kuò)散 但因?yàn)榛鶇^(qū)多子為空穴 所以在擴(kuò)散過(guò)程中 有一部分自由電子要和基區(qū)的空穴復(fù)合 在制造三極管時(shí) 基區(qū)被做得很薄 只有微米數(shù)量級(jí) 摻雜濃度又低 因此被復(fù)合掉的只是一小部分 大部分自由電子可以很快到達(dá)集電結(jié) 而UBB的正極接三極管的基區(qū) 所以不斷地從基區(qū)抽走電子形成新的空穴以補(bǔ)充被復(fù)合掉的空穴 維持基區(qū)空穴濃度不變 這些被抽走的電子形成了流入基極的基極電流IB 3 集電區(qū)收集電子形成集電極電流IC大部分從發(fā)射區(qū) 發(fā)射 來(lái)的自由電子很快擴(kuò)散到了集電結(jié) 由于集電結(jié)反偏 在這個(gè)較強(qiáng)的從N區(qū) 集電區(qū) 指向P區(qū) 基區(qū) 的內(nèi)電場(chǎng)的作用下 自由電子很快就被吸引 漂移過(guò)了集電結(jié) 到達(dá)集電區(qū) 形成集電極電流的主要成分I C 集電極電流的方向是流入集電極的 2 電流分配關(guān)系發(fā)射極電流IE在基區(qū)分為基區(qū)內(nèi)的復(fù)合電流I B和繼續(xù)向集電極擴(kuò)散的電流I C兩個(gè)部分 I C與I B的比例 取決于制造三極管時(shí)的結(jié)構(gòu)和工藝 管子制成后 這個(gè)比例基本上是個(gè)定值 定義三極管的直流電流放大系數(shù) 為I C與I B的比值 即 1 8 因?yàn)閺陌l(fā)射區(qū)注入基區(qū)的載流子在基區(qū)復(fù)合掉的很少 所以 一般在幾十到二百之間 越大 三極管的電流放大能力越強(qiáng) 從式 1 8 中可以解出 1 9 式中 ICEO 1 ICBO叫做穿透電流 將三極管看成是一個(gè)節(jié)點(diǎn) 還可以得到發(fā)射極電流IE與IB IC的關(guān)系 即IE IC IB 1 IB 1 11 由于 較大 通常認(rèn)為IE IC 一般小功率管基極電流通常是微安級(jí)別 而IC和IE的數(shù)量級(jí)可以達(dá)到毫安級(jí) 1 10 3 三極管的電流放大作用如圖1 27 a 所示稱為三極管的共發(fā)射極放大電路 因?yàn)檫@個(gè)電路中包含由三極管的基極與發(fā)射極構(gòu)成的輸入回路和由集電極與發(fā)射極構(gòu)成的輸出回路 三極管的發(fā)射極作為輸入和輸出回路的公共端 所以稱為共發(fā)射極放大電路 電源UBB接于輸入回路 使三極管的發(fā)射結(jié)正偏 UCC接于輸出回路使集電結(jié)反偏 在這種偏置下 可以引起三極管內(nèi)載流子有規(guī)律的傳輸 產(chǎn)生IB IC IE電流 并在集電極電阻上產(chǎn)生輸出電壓UO 其中 IC為 倍的IB 即輸出電流IC為輸入電流IB的 倍 這是對(duì)直流電流的放大作用 圖1 27三極管的電流放大作用 a 沒(méi)加入交流信號(hào)時(shí) b 加入交流信號(hào)后的電流放大作用 在電子電路中 我們更關(guān)心的是三極管對(duì)微弱的變化信號(hào)的放大作用 在電子電路中所說(shuō)的放大指的是對(duì)變化的交流信號(hào)的放大 而不是直流 在圖1 27 a 電路的輸入回路中串入待放大的輸入信號(hào) UI 如圖1 27 b 所示 這樣發(fā)射結(jié)的外加電壓將等于UBB UI 外加電壓的變化 相應(yīng)使發(fā)射極電流產(chǎn)生 IE的變化 由于三極管的電流分配關(guān)系是一定的 因此 IE將引起相應(yīng)的 IC和 IB 我們定義 IC與 IB的比值為晶體管的交流電流放大系數(shù) 即 1 12 IC IB 1 13 IE 1 IB 1 14 輸出電流 IC是輸入電流 IB的 倍 可見(jiàn)三極管對(duì)變化的輸入電流 IB有放大作用 一般為幾十到二百之間 1 4 3三極管的特性曲線三極管的伏安特性曲線是指三極管各極間電壓與各電極電流之間的關(guān)系曲線 它是管內(nèi)載流子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的外部體現(xiàn) 可以指導(dǎo)我們?cè)陔娐吩O(shè)計(jì)中合理地選擇和使用三極管 還可以在特性曲線上作圖對(duì)三極管的放大性能進(jìn)行分析 三極管和二極管一樣是非線性元件 所以其伏安特性曲線也是非線性的 常用三極管伏安特性曲線有輸入特性曲線和輸出特性曲線 這些曲線和電路的接法有關(guān) 這里仍以最常用的NPN管構(gòu)成的共發(fā)射極電路為例來(lái)分析三極管的特性曲線 1 輸入特性曲線輸入特性曲線是指當(dāng)集電極與發(fā)射極之間電壓uCE為一常數(shù)時(shí) 輸入回路中加在三極管基極與發(fā)射極之間的發(fā)射結(jié)電壓uBE和基極電流iB之間的關(guān)系曲線 用函數(shù)關(guān)系式表示為 1 15 圖1 28三極管的輸入 輸出特性曲線 a 輸入特性曲線 b 輸出特性曲線 2 輸出特性曲線輸出特性曲線是在基極電流iB一定的情況下 三極管的集電極輸出回路中 集電極與發(fā)射極之間的管壓降uCE和集電極電流iC之間的關(guān)系曲線 用函數(shù)式表示為 1 16 圖1 29三極管的三個(gè)工作區(qū)域 1 截止區(qū)習(xí)慣上把iB 0的區(qū)域稱為截止區(qū) 即iB 0的輸出特性曲線和橫坐標(biāo)軸之間的區(qū)域 若要使iB 0 三極管的發(fā)射結(jié)就必須在死區(qū)以內(nèi)或反偏 為了使三極管能夠可靠截止 通常給三極管的發(fā)射結(jié)加反偏電壓 2 放大區(qū)在這個(gè)區(qū)域內(nèi) 發(fā)射結(jié)正偏 集電結(jié)反偏 iC與iB之間滿足電流分配關(guān)系iC iB ICEO 輸出特性曲線近似為水平線 3 飽和區(qū)如果發(fā)射結(jié)正偏時(shí) 出現(xiàn)管壓降uCE 0 7V 對(duì)于硅管來(lái)說(shuō) 也就是uCB 0的情況 我們稱三極管進(jìn)入飽和區(qū) 所以飽和區(qū)的發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均處于正偏狀態(tài) 飽和區(qū)中的iB對(duì)iC的影響較小 放大區(qū)的 也不再適用于飽和區(qū) 1 4 4三極管的主要參數(shù)三極管的參數(shù)是表征管子的性能和它的適用范圍的 是電路設(shè)計(jì)和調(diào)整的依據(jù) 了解這些參數(shù)對(duì)于合理使用三極管十分必要 1 電流放大系數(shù)根據(jù)工作狀態(tài)的不同 在直流和交流兩種情況下 分別有直流電流放大系數(shù) 和交流電流放大系數(shù) 1 共發(fā)射極直流電流放大系數(shù) 在共發(fā)射極電路沒(méi)有交流輸入信號(hào)的情況下 IC ICEO 與IB的比值稱為直流電流放大系數(shù) 這和式 1 8 的定義是一致的 即 1 17 2 共發(fā)射極交流電流放大系數(shù) 指在共發(fā)射極電路中 輸出集電極電流的變化量與輸入基極電流的變化量的比值 即 1 18 式中 值是衡量三極管放大能力的重要指標(biāo) 2 極間反向電流1 集電極 基極間反向飽和電流ICBO指在發(fā)射極斷開(kāi)時(shí) IE 0 基極和集電極之間的反向電流 下標(biāo)中的 O 代表發(fā)射極開(kāi)路 測(cè)量電路如圖1 30所示 ICBO的實(shí)質(zhì)就是集電結(jié)反偏時(shí)集電區(qū)和基區(qū)的少子漂移電流 所以受溫度影響較大 ICBO的值一般很小 在室溫下 小功率硅管的ICBO 1 A 小功率鍺管約為10 A左右 ICBO的大小標(biāo)志集電結(jié)質(zhì)量的好壞 ICBO越小越好 一般在工作環(huán)境溫度變化較大的場(chǎng)所都選擇硅管 圖1 30測(cè)量ICBO的電路 2 集電極 發(fā)射極間反向電流ICEO指基極開(kāi)路時(shí) 集電極與發(fā)射極之間加一定反向電壓時(shí)的集電極電流 由于這個(gè)電流從集電極穿過(guò)基區(qū)流到發(fā)射極 因此又叫穿透電流 測(cè)試電路如圖1 31所示 ICEO與反向飽和電流ICBO的關(guān)系為ICEO ICBO ICBO 1 ICBO 1 19 ICEO與ICBO一樣 屬于少子漂移電流 受溫度影響較大 是衡量管子質(zhì)量的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn) 圖1 31測(cè)量ICEO的電路 3 極限參數(shù)三極管正常工作時(shí) 管子上的電壓和電流是有一定限度的 否則會(huì)使三極管工作不正常 使特性變壞 甚至損壞 因此要規(guī)定允許的最高工作電壓 流經(jīng)三極管的最大工作電流和允許的最大耗散功率等 這些電壓 電流和功率值稱為三極管的極限參數(shù) 選擇和使用管子時(shí) 必須保證三極管的工作狀態(tài)不能超過(guò)這些極限值 1 基極開(kāi)路時(shí)集電極與發(fā)射極之間的反向擊穿電壓U BR CEO電源電壓UCC使集電結(jié)反偏 并產(chǎn)生管壓降uCE 當(dāng)uCE增大到一定程度時(shí) 會(huì)將集電結(jié)擊穿 使集電極電流iC迅速增加 甚至損壞三極管 基極開(kāi)路時(shí)的U BR CEO是各種情況下以及各電極間反向擊穿電壓的最小值 所以使用時(shí)只要注意三極管各電極間的電壓不要超過(guò)U BR CEO就可以了 2 集電極最大允許電流ICM當(dāng)集電極電流超過(guò)某一定值時(shí) 三極管性能變差 甚至損壞管子 例如 值將隨IC的增加而下降 集電極最大允許電流ICM 就是表示 下降到額定值的1 3 2 3時(shí)的IC值 一般規(guī)定在正常工作時(shí) 流過(guò)三極管的集電極電流iC ICM 圖1 32三極管的安全工作區(qū) 3 集電極最大允許耗散功率PCM這個(gè)參數(shù)表示集電結(jié)上允許損耗功率的最大值 PCM與環(huán)境溫度有關(guān) 溫度越高 PCM越小 手冊(cè)中給出的PCM值是在常溫 25 并加規(guī)定尺寸散熱器 大功率管 的情況下測(cè)得的 一般有PCM iC uCE 1 20 1 4 5溫度對(duì)三極管參數(shù)的影響溫度對(duì)晶體管的各種參數(shù)都有影響 影響最大的是ICBO 和發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓UBE 1 溫度對(duì)ICBO的影響ICBO是由集電區(qū)少子向基區(qū)漂移及基區(qū)少子向集電區(qū)漂移而形成的電流 由于少子的數(shù)量與環(huán)境溫度有關(guān) 當(dāng)溫度升高時(shí) 少子急劇增加 因此ICBO隨著溫度變化按指數(shù)規(guī)律變化 無(wú)論硅管和鍺管 都可以近似地認(rèn)為 溫度每升高10 ICBO就增大一倍 即 1 21 2 溫度對(duì) 的影響三極管的電流放大系數(shù) 隨著溫度升高而增大 這是由于溫度升高時(shí) 基區(qū)中載流子運(yùn)動(dòng)速度加快 復(fù)合機(jī)會(huì)減少 使IC IB增大 即 值增大 無(wú)論是硅管還是鍺管 溫度每升高1 相應(yīng)地增大0 5 1 在三極管的輸出特性曲線上表現(xiàn)為曲線間隔變大 3 溫度對(duì)發(fā)射結(jié)正向壓降UBE的影響溫度升高后 三極管內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)加劇 電流隨溫度升高而增加 所以溫度升高后 在電流相同的條件下 發(fā)射結(jié)電壓UBE減小 溫度系數(shù)約為 2 5mV 同二極管的輸入特性曲線類似 溫度升高時(shí) 三極管輸入特性曲線向左移動(dòng) 1 4 6三極管在電子技術(shù)中的應(yīng)用半導(dǎo)體三極管是電子電路的核心元器件 應(yīng)用十分廣泛 盡管三極管可以組成運(yùn)算放大電路 功率放大電路 振蕩電路 反相器 數(shù)字邏輯電路等 但可歸納為放大應(yīng)用和開(kāi)關(guān)應(yīng)用兩大類 1 放大應(yīng)用在模擬電子電路中 三極管主要工作于放大狀態(tài) 可以把輸入基極電流 IB放大 倍以 IC的形式輸出 因此三極管的放大應(yīng)用 就是利用三極管的電流控制作用把微弱的電信號(hào)增強(qiáng)到所要求的數(shù)值 利用三極管的電流放大作用 可以得到各種形式的電子電路 2 開(kāi)關(guān)應(yīng)用和二極管的反偏截止 正偏導(dǎo)通相似 三極管也可以工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài) 是基本的開(kāi)關(guān)器件之一 主要應(yīng)用于數(shù)字電路 開(kāi)關(guān)狀態(tài)的三極管工作于截止區(qū)或飽和區(qū) 分別相當(dāng)于斷開(kāi)和閉合的開(kāi)關(guān) 而放大區(qū)只是出現(xiàn)在三極管飽和與截止的相互轉(zhuǎn)換過(guò)程中 是個(gè)瞬間的過(guò)渡過(guò)程 圖1 33為三極管構(gòu)成的受輸入ui控制的開(kāi)關(guān)應(yīng)用電路 圖1 33三極管的開(kāi)關(guān)應(yīng)用 1 截止條件從前面的分析知道 為保證三極管可靠截止 要求uBE 0 所以圖1 33中的三極管若工作于截止區(qū) 必須有ui 0 截止區(qū)的三極管各電極電流近似為零 各電極間看成是開(kāi)路狀態(tài) 相當(dāng)于斷開(kāi)的開(kāi)關(guān) 輸出電壓約為電源電壓12V 其等效電路如圖1 34所示 圖1 34三極管截止時(shí)的等效電路 2 飽和條件從圖1 33可以看出 iB的增大使iC隨之增大 導(dǎo)致管壓降降低到接近于零 從而造成三極管的飽和 此時(shí)的集電極電流達(dá)到最大值 三極管剛剛進(jìn)入飽和區(qū)時(shí)稱為臨界飽和 臨界時(shí)的管壓降uCE已經(jīng)很小 接近UCE sat 并可近似為零 iC仍約為 倍的iB 定義臨界飽和時(shí)的iC和iB叫做臨界飽和集電極電流IC sat 和臨界飽和基極電流IB sat 所以有 1 22 對(duì)應(yīng)的臨界飽和基極電流為 1 23 在臨界飽和的基礎(chǔ)上 如果iB繼續(xù)增大 由于管壓降已經(jīng)達(dá)到最小值UCE sat 對(duì)應(yīng)的集電極電流達(dá)到最大值IC sat 不能繼續(xù)隨iB增大 意味著三極管進(jìn)入了飽和區(qū) 因此三極管的飽和條件就是iB IB sat 1 24 式中的iB是電路中的實(shí)際基極電流 從圖1 33中可以看出 因此對(duì)于圖1 33來(lái)說(shuō) ui越大 iB就越大 管子就越向飽和的方向發(fā)展 若iB IB sat 說(shuō)明相應(yīng)的集電極電流iC IC sat 三極管仍工作于放大區(qū) 此時(shí)的集電極電流與基極電流成 倍的關(guān)系 沒(méi)有達(dá)到集電極電流飽和的程度 圖1 35三極管飽和時(shí)的等效電路 表1 1三極管三種工作狀態(tài)的比較 3 三極管的測(cè)試由于三極管內(nèi)部是由兩個(gè)PN結(jié)構(gòu)成的 因此 和二極管類似 也可以用萬(wàn)用表對(duì)三極管的電極 好壞作大致的判斷 需要注意一點(diǎn) 無(wú)論是基極和集電極之間的正向電阻 還是基極與發(fā)射極之間的正向電阻 都應(yīng)在幾千歐姆到十幾千歐姆的范圍內(nèi) 一般硅管的正向阻值為6 20k 鍺管約為1 5k 而反向電阻則應(yīng)趨近于無(wú)窮大 若測(cè)出的電阻不論正向反向 均為零 說(shuō)明此結(jié)已經(jīng)擊穿 如測(cè)出的電阻均為無(wú)窮大 說(shuō)明此結(jié)已斷 對(duì)于數(shù)字萬(wàn)用表來(lái)說(shuō) 測(cè)試更加方便 除可利用 擋測(cè)量管內(nèi)的PN結(jié)以外 還有專門(mén)測(cè)量三極管 值的插孔 測(cè)量時(shí)只需將擋位撥至測(cè)量三極管的位置 并將NPN管或PNP管的三個(gè)管腳插入對(duì)應(yīng)的e b c插孔中 就可以讀出 值的大小 常見(jiàn)三極管的管腳排列位置見(jiàn)圖1 36所示 圖1 36常見(jiàn)三極管的管腳排列 1 5場(chǎng)效應(yīng)晶體管 晶體三極管的自由電子和空穴兩種載流子均參與導(dǎo)電 是雙極型晶體管 本節(jié)要介紹的場(chǎng)效應(yīng)晶體管 FET FieldEffectTransistor 只有一種載流子 多子 要么是自由電子 要么是空穴 參與導(dǎo)電 所以是一種單極型器件 三極管是利用基極電流來(lái)控制集電極電流的 是電流控制器件 在正常工作時(shí) 發(fā)射結(jié)正偏 當(dāng)有電壓信號(hào)輸入時(shí) 一定要產(chǎn)生輸入電流 導(dǎo)致三極管的輸入電阻較小 一方面降低了管子獲得輸入信號(hào)的能力 而且在某些測(cè)量?jī)x表中將導(dǎo)致較大的誤差 這是我們所不希望的 而場(chǎng)效應(yīng)管是一種電壓控制器件 它只用信號(hào)源電壓的電場(chǎng)效應(yīng) 來(lái)控制管子的輸出電流 輸入電流幾乎為零 因此具有高輸入電阻的特點(diǎn) 同時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管受溫度和輻射的影響也比較小 又便于集成化 因此場(chǎng)效應(yīng)管已廣泛地應(yīng)用于各種電子電路中 也成為當(dāng)今集成電路發(fā)展的重要方向 1 5 1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管是利用半導(dǎo)體內(nèi)的電場(chǎng)效應(yīng)進(jìn)行工作的 也稱體內(nèi)場(chǎng)效應(yīng)器件 1 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和類型結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管 簡(jiǎn)稱JFET 的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 37 a 所示 它是在一塊摻雜濃度較低的N型硅片兩側(cè) 制作兩個(gè)高濃度的P型區(qū) 用P 表示 形成兩個(gè)PN結(jié) 兩個(gè)P 區(qū)連接起來(lái)引出一個(gè)電極稱為柵極g 在中間的N型半導(dǎo)體材料兩端各引出一個(gè)電極分別叫做源極s和漏極d 它們分別相當(dāng)于晶體三極管的基極b 發(fā)射極e和集電極c 不同的是場(chǎng)效應(yīng)管的源極s和漏極d是對(duì)稱的 可以互換使用 兩個(gè)PN結(jié)中間的N型區(qū)域流過(guò)JFET的電流 所以稱為導(dǎo)電溝道 把以上結(jié)構(gòu)封裝起來(lái) 并引出相應(yīng)的電極引線 就是N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管 圖1 37 b 為它的電路符號(hào) 其中的箭頭表示由P區(qū) 柵極 指向N區(qū) 溝道 的方向 圖1 37N溝道JFET a 結(jié)構(gòu)示意圖 b 電路符號(hào) 圖1 38P溝道JFET a 結(jié)構(gòu)示意圖 b 電路符號(hào) 2 工作原理N溝道JFET的偏置電路如圖1 39 b 所示 電源電壓UGG使柵源之間的PN結(jié)反偏 以產(chǎn)生柵源電壓uGS 起到電壓控制作用 漏極和源極之間的電源電壓UDD用來(lái)產(chǎn)生漏源之間的電壓uDS 并由此產(chǎn)生溝道電流 也就是漏極電流iD 習(xí)慣上將N溝道JFET的漏極接電源電壓正極 從圖中可以看出 JFET的輸入PN結(jié)是反偏的 iG 0 幾乎不從信號(hào)源處取電流 所以JFET的輸入電阻相當(dāng)高 因?yàn)镴FET是用柵源電壓uGS來(lái)控制漏極電流iD的 下面分別考慮不同uGS情況下管子的工作情況 1 uGS 0VuGS 0V時(shí)的電路如圖1 39 a 所示 N型硅中的多子自由電子在uDS的作用下 由源極向漏極移動(dòng) 形成由漏極流入的漏極電流iD 并且有iD iS 可見(jiàn) 漏源電壓uDS一定的情況下 漏極電流iD只與溝道的摻雜濃度 截面積 長(zhǎng)度等制造因素有關(guān) 由于在uGS 0時(shí)溝道最寬 因此此時(shí)的漏極電流最大 叫做漏極飽和電流IDSS 圖1 39N溝道JFET的電壓控制作用 2 0 uGS UGS off 柵源之間加上負(fù)的柵極電壓UGG后 如圖1 39 b 所示 此時(shí)的兩個(gè)PN結(jié)均處于反向偏置 空間電荷區(qū)的變寬 因?yàn)镻 區(qū)為高摻雜濃度 而耗盡層P 區(qū)和N區(qū)的正負(fù)離子電荷量是相等的 所以這個(gè)耗盡層在P 區(qū)很薄 而在N區(qū)較寬 使N型導(dǎo)電溝道變窄 漏極電流iD變小 圖1 40場(chǎng)效應(yīng)管對(duì)交流輸入電壓的放大作用 3 uGS UGS off 當(dāng)uGS負(fù)到一定程度時(shí) 兩側(cè)的耗盡區(qū)逐漸變寬而合攏 使導(dǎo)電溝道消失 漏極電流減小為0 如圖1 39 c 所示 我們將此時(shí)的uGS稱為夾斷電壓UGS off 對(duì)于P溝道的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管 為保證PN結(jié)反偏 其正常工作時(shí)的uGS應(yīng)該為正值 習(xí)慣上將漏極接UDD負(fù)極 此時(shí)溝道內(nèi)的載流子為多子空穴 形成的電流iD與空穴的流動(dòng)方向相同 由源極指向漏極 與N溝道JFET的漏極電流方向相反 總之 我們可以知道 1 正常工作時(shí) JFET的柵源之間的PN結(jié)是外加反偏電壓的 而反偏PN結(jié)的電流很小 因此JFET的輸入電阻很大 柵極幾乎不從信號(hào)源取電流 2 在UDD不變的情況下 即uDS不變 柵源之間很小的電壓變化可以引起漏極電流iD相當(dāng)大的變化 3 在UGG不變時(shí) 若在柵源間加一個(gè)小的交流輸入信號(hào)ui 則漏極電流就會(huì)隨ui做同樣變化 并通過(guò)Rd把漏極電流的變化轉(zhuǎn)變成電壓的變化輸出 這就是場(chǎng)效應(yīng)管對(duì)交流輸入電壓的放大過(guò)程 3 伏安特性曲線和三極管相類似 圖1 41接法的場(chǎng)效應(yīng)管放大電路稱為共柵極放大電路 下面仍以N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管為例 介紹共柵極放大電路的常用伏安特性曲線 圖1 41共柵極放大電路 1 轉(zhuǎn)移特性曲線因?yàn)閳?chǎng)效應(yīng)管的柵極輸入電流iG 0 所以不必描述輸入電流與輸入電壓的關(guān)系 轉(zhuǎn)移特性曲線是指在漏極電壓uDS一定時(shí) 輸出回路的漏極電流iD與輸入回路柵源電壓uGS之間的關(guān)系曲線 用函數(shù)式表示為 1 25 如圖1 42 a 所示為某N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線 當(dāng)uGS 0V時(shí) 溝道電阻最小 漏極電流最大 此時(shí)iD IDSS 當(dāng)柵極電壓越負(fù) 管內(nèi)PN結(jié)反壓越大時(shí) 耗盡區(qū)越寬 iD越小 當(dāng)uGS UGS off 時(shí) 兩個(gè)耗盡區(qū)完全合攏 溝道電阻趨于無(wú)窮大 iD 0 圖1 42N溝道JFET的伏安特性曲線 a 轉(zhuǎn)移特性曲線 b 輸出特性曲線 iD uGS的關(guān)系可用一個(gè)公式來(lái)表示 0 uGS UGS off 1 26 2 漏極特性曲線漏極特性曲線又叫輸出特性曲線 它是指在柵壓uGS一定時(shí) 漏極電流iD與漏極電壓uDS之間的關(guān)系曲線 用函數(shù)式表示為 1 27 如圖1 42 b 為某N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性曲線 和三極管相似 也可以分為包括擊穿區(qū)在內(nèi)的四個(gè)區(qū) 1 可變電阻區(qū) 當(dāng)uDS較小時(shí) 溝道寬度主要由柵源電壓uGS決定 當(dāng)uGS一定時(shí) 溝道寬度和形狀幾乎不變 此時(shí)iD隨uDS的增加而線性增加 JFET等效成一個(gè)線性電阻 若改變uGS的大小 等效線性電阻的阻值也隨之改變 此區(qū)內(nèi)的場(chǎng)效應(yīng)管可以看成是一個(gè)受柵極電壓控制的電阻 一般有幾百歐姆左右 因此稱本區(qū)為可變電阻區(qū) 如圖1 42 b 中的 區(qū)所示 2 放大區(qū) 場(chǎng)效應(yīng)管的放大區(qū)又叫做飽和區(qū) 如圖1 42 b 中的 區(qū)所示 由于此區(qū)的uDS較大 導(dǎo)電溝道呈現(xiàn)倒楔形 當(dāng)uGS不變時(shí) 隨著uDS的繼續(xù)增加 g d方向的反向偏壓高于g s方向 因此 靠近漏極的兩個(gè)耗盡區(qū)率先合攏 叫做預(yù)夾斷 隨著uDS的增大 合攏部分逐漸向下延伸 使溝道電阻也變大 此時(shí)漏極電流iD幾乎不隨uDS的增加而變化 曲線平坦 所以此區(qū)又稱為飽和區(qū)或恒流區(qū) 3 截止區(qū) 當(dāng)柵極電壓很負(fù) 在uGS UGS off 時(shí) 導(dǎo)電溝道被完全夾斷 這時(shí)的溝道電阻幾乎為無(wú)窮大 而iD 0 將uGS UGS off 的區(qū)域稱為截止區(qū) 如圖1 42 b 中的 區(qū)所示 4 擊穿區(qū) 當(dāng)uDS很高 可以使柵漏之間的PN結(jié)承受過(guò)高的反壓而擊穿 此時(shí)的iD電流會(huì)突然增大 造成管子的破壞性擊穿 如圖1 42 b 中所示 P溝道的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的電流電壓和N溝道管子的極性相反 性能比較參見(jiàn)表1 2 4 主要參數(shù)1 直流參數(shù) 1 夾斷電壓UGS off 當(dāng)uDS為某一固定數(shù)值時(shí) 使iD為零或一個(gè)微小電流 如1 A或10 A時(shí) 柵源間所加的偏壓uGS稱為夾斷電壓UGS off 2 漏極飽和電流IDSS 在uGS 0V的條件下 漏源所加電壓大于 UGS off 時(shí)的溝道電流稱為漏極飽和電流IDSS 表示管子用于放大時(shí)可能輸出的最大電流 3 直流輸入電阻Rgs 指在漏源之間短路的情況下 柵源之間所加電壓UGS與柵極電流IG之比 即 1 28 一般Rgs 107 這是一個(gè)相當(dāng)大的數(shù)值 2 交流參數(shù)場(chǎng)效應(yīng)管的交流參數(shù)主要是低頻跨導(dǎo)gm 定義為在uDS為某一固定數(shù)值的條件下 漏極電流的變化量 ID與其對(duì)應(yīng)的柵源電壓的變化量 UGS之比 即 1 29 或 1 30 這個(gè)參數(shù)表示uGS對(duì)iD的控制能力 其單位是 S A V 或mS mA V gm是衡量場(chǎng)效應(yīng)管放大能力的重要參數(shù) 相當(dāng)于三極管的 值 跨導(dǎo)gm的大小一般在0 1 十幾mS之間 可利用式 1 26 求導(dǎo)得到 所以gm的大小是隨uGS而變化的 表現(xiàn)在輸出特性曲線上 對(duì)于等間隔的 UGS 對(duì)應(yīng)的輸出特性曲線族是不均勻的 3 極限參數(shù)和三極管極限參數(shù)的概念類似 場(chǎng)效應(yīng)管的極限參數(shù)主要有漏源擊穿電壓U BR DS 柵源擊穿電壓U BR GS和最大漏極耗散功率PDM等 1 5 2絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管絕緣