模擬電子技術(shù)第一章

1、第一章第一章 半半 導(dǎo)導(dǎo) 體體 器器 件件 1.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí) 1.2PN結(jié)結(jié) 1.3 半導(dǎo)體三極管半導(dǎo)體三極管 1.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí) 物質(zhì)按導(dǎo)電性能可分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。物質(zhì)按導(dǎo)電性能可分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。 物質(zhì)的導(dǎo)電特性取決于原子結(jié)構(gòu)。導(dǎo)體一般為低價(jià)元素物質(zhì)的導(dǎo)電特性取決于原子結(jié)構(gòu)。導(dǎo)體一般為低價(jià)元素, 如銅、鐵、鋁等金屬如銅、鐵、鋁等金屬, 其最外層電子受原子核的束縛力很小其最外層電子受原子核的束縛力很小, 因而極易掙脫原子核的束縛成為自由電子。因此在外電場(chǎng)作因而極易掙脫原子核的束縛成為自由電子。因此在外電場(chǎng)作用下用下, 這些電子產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)

2、這些電子產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)(稱為漂移運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng))形成電流形成電流, 呈現(xiàn)出呈現(xiàn)出較好的導(dǎo)電特性。高價(jià)元素較好的導(dǎo)電特性。高價(jià)元素(如惰性氣體如惰性氣體)和高分子物質(zhì)和高分子物質(zhì)(如橡如橡膠膠, 塑料塑料)最外層電子受原子核的束縛力很強(qiáng)最外層電子受原子核的束縛力很強(qiáng), 極不易擺脫原子極不易擺脫原子核的束縛成為自由電子核的束縛成為自由電子, 所以其導(dǎo)電性極差所以其導(dǎo)電性極差, 可作為絕緣材料。可作為絕緣材料。而半導(dǎo)體材料最外層電子既不像導(dǎo)體那樣極易擺脫原子核的而半導(dǎo)體材料最外層電子既不像導(dǎo)體那樣極易擺脫原子核的束縛束縛, 成為自由電子成為自由電子, 也不像絕緣體那樣被原子核束縛得那么也不像絕緣體那

3、樣被原子核束縛得那么緊緊, 因此因此, 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性介于二者之間。半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性介于二者之間。 1.1.1 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 純凈晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。常用的半導(dǎo)純凈晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。常用的半導(dǎo)體材料是硅和鍺體材料是硅和鍺, 它們都是四價(jià)元素它們都是四價(jià)元素, 在原子結(jié)構(gòu)中最外層在原子結(jié)構(gòu)中最外層軌道上有四個(gè)價(jià)電子。為便于討論軌道上有四個(gè)價(jià)電子。為便于討論, 采用圖采用圖 1- 所示的簡(jiǎn)所示的簡(jiǎn)化原子結(jié)構(gòu)模型。把硅或鍺材料拉制成單晶體時(shí)化原子結(jié)構(gòu)模型。把硅或鍺材料拉制成單晶體時(shí), 相鄰兩個(gè)相鄰兩個(gè)原子的一對(duì)最外層電子原子的一對(duì)最外層電子(價(jià)電子價(jià)電子)成為共有

4、電子成為共有電子, 它們一方面它們一方面圍繞自身的原子核運(yùn)動(dòng)圍繞自身的原子核運(yùn)動(dòng), 另一方面又出現(xiàn)在相鄰原子所屬的另一方面又出現(xiàn)在相鄰原子所屬的軌道上。即價(jià)電子不僅受到自身原子核的作用軌道上。即價(jià)電子不僅受到自身原子核的作用, 同時(shí)還受到同時(shí)還受到相鄰原子核的吸引。于是相鄰原子核的吸引。于是, 兩個(gè)相鄰的原子共有一對(duì)價(jià)電子兩個(gè)相鄰的原子共有一對(duì)價(jià)電子, 組成共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。故晶體中組成共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。故晶體中, 每個(gè)原子都和周圍的個(gè)原子每個(gè)原子都和周圍的個(gè)原子用共價(jià)鍵的形式互相緊密地聯(lián)系起來用共價(jià)鍵的形式互相緊密地聯(lián)系起來,如圖如圖 - 所示。所示。 4圖圖 1 1 硅和鍺簡(jiǎn)化原子硅和鍺簡(jiǎn)化原子結(jié)構(gòu)模

5、型結(jié)構(gòu)模型 4共價(jià)鍵價(jià)電子44444444圖圖 1 2 本征半導(dǎo)體共價(jià)鍵晶體結(jié)構(gòu)示意圖本征半導(dǎo)體共價(jià)鍵晶體結(jié)構(gòu)示意圖 444444444自由電子空穴 共價(jià)鍵中的價(jià)電子由于熱運(yùn)動(dòng)而獲得一定的能量共價(jià)鍵中的價(jià)電子由于熱運(yùn)動(dòng)而獲得一定的能量, 其中其中少數(shù)能夠擺脫共價(jià)鍵的束縛而成為自由電子少數(shù)能夠擺脫共價(jià)鍵的束縛而成為自由電子, 同時(shí)必然在共同時(shí)必然在共價(jià)鍵中留下空位價(jià)鍵中留下空位, 稱為空穴?？昭◣д姺Q為空穴?？昭◣д? 如圖如圖 1-所示。所示。 圖 1 3 本征半導(dǎo)體中的自由電子和空穴 由此可見由此可見, 半導(dǎo)體中存在著兩種載流子：半導(dǎo)體中存在著兩種載流子：帶負(fù)電的自由電子和帶正電的空穴。

6、本征半帶負(fù)電的自由電子和帶正電的空穴。本征半導(dǎo)體中導(dǎo)體中, 自由電子與空穴是同時(shí)成對(duì)產(chǎn)生的自由電子與空穴是同時(shí)成對(duì)產(chǎn)生的, 因此因此, 它們的濃度是相等的。我們用它們的濃度是相等的。我們用n和和p分分別表示電子和空穴的濃度別表示電子和空穴的濃度, 即即ni=pi, 下標(biāo)下標(biāo)i表示表示為本征半導(dǎo)體。為本征半導(dǎo)體。 價(jià)電子在熱運(yùn)動(dòng)中獲得能量產(chǎn)生了電子價(jià)電子在熱運(yùn)動(dòng)中獲得能量產(chǎn)生了電子-空穴對(duì)。同空穴對(duì)。同時(shí)自由電子在運(yùn)動(dòng)過程中失去能量時(shí)自由電子在運(yùn)動(dòng)過程中失去能量, 與空穴相遇與空穴相遇, 使電子、使電子、 空穴對(duì)消失空穴對(duì)消失, 這種現(xiàn)象稱為復(fù)合。在一定溫度下這種現(xiàn)象稱為復(fù)合。在一定溫度下, 載

7、流子載流子的產(chǎn)生過程和復(fù)合過程是相對(duì)平衡的的產(chǎn)生過程和復(fù)合過程是相對(duì)平衡的, 載流子的濃度是一載流子的濃度是一定的。本征半導(dǎo)體中載流子的濃度定的。本征半導(dǎo)體中載流子的濃度, 除了與半導(dǎo)體材料本除了與半導(dǎo)體材料本身的性質(zhì)有關(guān)以外身的性質(zhì)有關(guān)以外, 還與溫度有關(guān)還與溫度有關(guān), 而且隨著溫度的升高而且隨著溫度的升高, 基本上按指數(shù)規(guī)律增加。因此基本上按指數(shù)規(guī)律增加。因此, 半導(dǎo)體載流子濃度對(duì)溫度半導(dǎo)體載流子濃度對(duì)溫度十分敏感。對(duì)于硅材料十分敏感。對(duì)于硅材料, 大約溫度每升高大約溫度每升高, 本征載流本征載流子濃度子濃度ni增加增加 1 倍；對(duì)于鍺材料倍；對(duì)于鍺材料, 大約溫度每升高大約溫度每升高,

8、增加增加 1 倍。倍。 除此之外除此之外, 半導(dǎo)體載流子濃度還半導(dǎo)體載流子濃度還與光照有與光照有關(guān)關(guān), 人們正是利用此特性人們正是利用此特性, 制成光敏器件。制成光敏器件。 1.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體 1. 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中在本征半導(dǎo)體中, 摻入微量?jī)r(jià)元素?fù)饺胛⒘績(jī)r(jià)元素, 如磷、銻、砷等如磷、銻、砷等, 則則原來晶格中的某些硅原來晶格中的某些硅(鍺鍺)原子被雜質(zhì)原子代替。由于雜質(zhì)原子原子被雜質(zhì)原子代替。由于雜質(zhì)原子的最外層有個(gè)價(jià)電子的最外層有個(gè)價(jià)電子, 因此它與周圍個(gè)硅因此它與周圍個(gè)硅(鍺鍺)原子組成共價(jià)原子組成共價(jià)鍵時(shí)鍵時(shí), 還多余還多余 1 個(gè)價(jià)電子。個(gè)價(jià)電子。 它不

9、受共價(jià)鍵的束縛它不受共價(jià)鍵的束縛, 而只受自身而只受自身原子核的束縛原子核的束縛, 因此因此, 它只要得到較少的能量就能成為自由電子它只要得到較少的能量就能成為自由電子, 并留下帶正電的雜質(zhì)離子并留下帶正電的雜質(zhì)離子, 它不能參與導(dǎo)電它不能參與導(dǎo)電, 如圖如圖-所示。所示。顯然顯然, 這種雜質(zhì)半導(dǎo)體中電子濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空穴的濃度這種雜質(zhì)半導(dǎo)體中電子濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空穴的濃度, 即即nnpn(下標(biāo)表示是型半導(dǎo)體下標(biāo)表示是型半導(dǎo)體), 主要靠電子導(dǎo)電主要靠電子導(dǎo)電, 所以稱為所以稱為型半導(dǎo)體。由于價(jià)雜質(zhì)原子可提供自由電子型半導(dǎo)體。由于價(jià)雜質(zhì)原子可提供自由電子, 故稱為施主故稱為施主雜質(zhì)。型半導(dǎo)體雜質(zhì)。型

10、半導(dǎo)體中中, 自由電子稱為多數(shù)載流子；空穴稱為少自由電子稱為多數(shù)載流子；空穴稱為少數(shù)載流子。數(shù)載流子。 444454444鍵外電子施主原子圖圖 1 - 4 N型半導(dǎo)體共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)型半導(dǎo)體共價(jià)鍵結(jié)構(gòu) 雜質(zhì)半導(dǎo)體中多數(shù)載流子濃度主要取決于摻入的雜雜質(zhì)半導(dǎo)體中多數(shù)載流子濃度主要取決于摻入的雜質(zhì)濃度。由于少數(shù)載流子是半導(dǎo)體材料共價(jià)鍵提供的質(zhì)濃度。由于少數(shù)載流子是半導(dǎo)體材料共價(jià)鍵提供的, 因而其濃度主要取決于溫度。因而其濃度主要取決于溫度。 此時(shí)電子濃度與空穴此時(shí)電子濃度與空穴濃濃度之間度之間, 可以證明有如下關(guān)系：可以證明有如下關(guān)系： 221111nnnpn pnp 即在一定溫度下即在一定溫度下, 電子

11、濃度與空穴濃度的乘積是一電子濃度與空穴濃度的乘積是一個(gè)常數(shù)個(gè)常數(shù), 與摻雜濃度無關(guān)。與摻雜濃度無關(guān)。 2. P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中在本征半導(dǎo)體中, 摻入微量?jī)r(jià)元素?fù)饺胛⒘績(jī)r(jià)元素, 如硼、鎵、銦等如硼、鎵、銦等, 則則原來晶格中的某些硅原來晶格中的某些硅(鍺鍺)原子被雜質(zhì)原子原子被雜質(zhì)原子代替。代替。 444444444空位受主原子圖 1 5 P型半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu) 1. 結(jié)結(jié) 1.2.1 異型半導(dǎo)體接觸現(xiàn)象異型半導(dǎo)體接觸現(xiàn)象 P(a) 多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)NP(b) 平衡時(shí)阻擋層形成N耗盡層空間電荷區(qū)自建場(chǎng)圖 1 - 6 PN結(jié)的形成 1.2.2 結(jié)的單向?qū)щ娞匦越Y(jié)的單向?qū)щ娞匦?

12、1. 結(jié)外加正向電壓結(jié)外加正向電壓 若將電源的正極接區(qū)若將電源的正極接區(qū), 負(fù)極接區(qū)負(fù)極接區(qū), 則稱此為正向則稱此為正向接法或正向偏置。此時(shí)外加電壓在阻擋層內(nèi)形成的電場(chǎng)接法或正向偏置。此時(shí)外加電壓在阻擋層內(nèi)形成的電場(chǎng)與自建場(chǎng)方向相反與自建場(chǎng)方向相反, 削弱了自建場(chǎng)削弱了自建場(chǎng), 使阻擋層變窄使阻擋層變窄, 如圖如圖-()所示。所示。 顯然顯然, 擴(kuò)散作用大于漂移作用擴(kuò)散作用大于漂移作用, 在電源作在電源作用下用下, 多數(shù)載流子向?qū)Ψ絽^(qū)域擴(kuò)散形成正向電流多數(shù)載流子向?qū)Ψ絽^(qū)域擴(kuò)散形成正向電流, 其方向其方向由電源正極通過區(qū)、區(qū)到達(dá)電源負(fù)極。由電源正極通過區(qū)、區(qū)到達(dá)電源負(fù)極。 此時(shí)此時(shí), 結(jié)處于導(dǎo)通

13、狀態(tài)結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài), 它所呈現(xiàn)出的電阻為正向它所呈現(xiàn)出的電阻為正向電阻電阻, 其阻值很小。其阻值很小。 正向電壓愈大正向電壓愈大, 正向電流愈大。其關(guān)正向電流愈大。其關(guān)系是指數(shù)關(guān)系：系是指數(shù)關(guān)系： TUUDSII e=式中式中, 為流過結(jié)的電流；為流過結(jié)的電流；U為結(jié)兩端電壓；為結(jié)兩端電壓； , 稱為溫度電壓當(dāng)量稱為溫度電壓當(dāng)量, 其中其中k為玻耳茲曼常數(shù)為玻耳茲曼常數(shù), 為絕對(duì)溫度為絕對(duì)溫度,q為電子的電量為電子的電量,在室溫下即在室溫下即時(shí)時(shí),；為反向飽和電流。電路中的電阻為反向飽和電流。電路中的電阻是為了限制正向電流的大小而接入的限流電阻。是為了限制正向電流的大小而接入的限流電阻。TkT

14、Uq=NP外電場(chǎng)(a) 外加正向電壓PN(b) 外加反向電壓自建場(chǎng)IDR外電場(chǎng)自建場(chǎng)RUU圖 1 - 7 PN結(jié)單向?qū)щ娞匦?2. 結(jié)外加反向電壓結(jié)外加反向電壓 若將電源的正極接區(qū)若將電源的正極接區(qū), 負(fù)極接區(qū)負(fù)極接區(qū), 則稱此為反向接法則稱此為反向接法或反向偏置。此時(shí)外加電壓在阻擋層內(nèi)形成的電場(chǎng)與自建或反向偏置。此時(shí)外加電壓在阻擋層內(nèi)形成的電場(chǎng)與自建場(chǎng)方向相同場(chǎng)方向相同, 增強(qiáng)了自建場(chǎng)增強(qiáng)了自建場(chǎng), 使阻擋層變寬使阻擋層變寬, 如圖如圖-()所所示。示。 此時(shí)漂移作用大于擴(kuò)散作用此時(shí)漂移作用大于擴(kuò)散作用, 少數(shù)載流子在電場(chǎng)作用下少數(shù)載流子在電場(chǎng)作用下作漂移運(yùn)動(dòng)作漂移運(yùn)動(dòng), 由于其電流方向與正

15、向電壓時(shí)相反由于其電流方向與正向電壓時(shí)相反, 故稱為反故稱為反向電流。向電流。 由于反向電流是由少數(shù)載流子所形成的由于反向電流是由少數(shù)載流子所形成的, 故反向電故反向電流很小流很小, 而且當(dāng)外加反向電壓超過零點(diǎn)幾伏時(shí)而且當(dāng)外加反向電壓超過零點(diǎn)幾伏時(shí), 少數(shù)載流子少數(shù)載流子基本全被電場(chǎng)拉過去形成漂移電流基本全被電場(chǎng)拉過去形成漂移電流, 此時(shí)反向電壓再增加此時(shí)反向電壓再增加, 載流子數(shù)也不會(huì)增加載流子數(shù)也不會(huì)增加, 因此反向電流也不會(huì)增加因此反向電流也不會(huì)增加, 故稱為反故稱為反向飽和電流向飽和電流, 即即 。 此時(shí)此時(shí), 結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài), 呈現(xiàn)的電阻稱為反向電呈現(xiàn)的電阻稱為反向電阻

16、阻, 其阻值很大其阻值很大, 高達(dá)幾百千歐以上。高達(dá)幾百千歐以上。 綜上所述：結(jié)加正向電壓綜上所述：結(jié)加正向電壓, 處于導(dǎo)通狀態(tài)；加反處于導(dǎo)通狀態(tài)；加反向電壓向電壓, 處于截止?fàn)顟B(tài)處于截止?fàn)顟B(tài), 即結(jié)具有單向?qū)щ娞匦?。即結(jié)具有單向?qū)щ娞匦浴?將上述電流與電壓的關(guān)系寫成如下通式：將上述電流與電壓的關(guān)系寫成如下通式： 此方程稱為伏安特性方程此方程稱為伏安特性方程, 如圖如圖 - 所示所示, 該曲線稱為該曲線稱為伏安特性曲線。伏安特性曲線。 (1)TUUDSIIe(1-1)UIOUB圖 1 - 8 PN結(jié)伏安特性 1.2.3 結(jié)的擊穿結(jié)的擊穿 PN結(jié)處于反向偏置時(shí)結(jié)處于反向偏置時(shí), 在一定電壓范圍內(nèi)

17、在一定電壓范圍內(nèi), 流過流過結(jié)的電流是很小的反向飽和電流。但是當(dāng)反向電結(jié)的電流是很小的反向飽和電流。但是當(dāng)反向電壓超過某一數(shù)值壓超過某一數(shù)值()后后, 反向電流急劇增加反向電流急劇增加, 這種現(xiàn)這種現(xiàn)象稱為反向擊穿象稱為反向擊穿, 如圖如圖 - 所示。所示。稱為擊穿電壓。稱為擊穿電壓。 結(jié)的擊穿分為雪崩擊穿和齊納擊穿。結(jié)的擊穿分為雪崩擊穿和齊納擊穿。 當(dāng)反向電壓足夠高時(shí)當(dāng)反向電壓足夠高時(shí), 阻擋層內(nèi)電場(chǎng)很強(qiáng)阻擋層內(nèi)電場(chǎng)很強(qiáng), 少數(shù)載流子在少數(shù)載流子在結(jié)區(qū)內(nèi)受強(qiáng)烈電場(chǎng)的加速作用結(jié)區(qū)內(nèi)受強(qiáng)烈電場(chǎng)的加速作用, 獲得很大的能量獲得很大的能量, 在運(yùn)動(dòng)中與在運(yùn)動(dòng)中與其它原子發(fā)生碰撞時(shí)其它原子發(fā)生碰撞時(shí),

18、 有可能將價(jià)電子有可能將價(jià)電子“打打”出共價(jià)鍵出共價(jià)鍵, 形成形成新的電子、新的電子、 空穴對(duì)。這些新的載流子與原先的載流子一道空穴對(duì)。這些新的載流子與原先的載流子一道, 在強(qiáng)電場(chǎng)作用下碰撞其它原子打出更多的電子、空穴對(duì)在強(qiáng)電場(chǎng)作用下碰撞其它原子打出更多的電子、空穴對(duì), 如如此鏈鎖反應(yīng)此鏈鎖反應(yīng), 使反向電流迅速增大。這種擊穿稱為雪崩擊穿。使反向電流迅速增大。這種擊穿稱為雪崩擊穿。 所謂所謂“齊納齊納”擊穿擊穿, 是指當(dāng)結(jié)兩邊摻入高濃度的雜是指當(dāng)結(jié)兩邊摻入高濃度的雜質(zhì)時(shí)質(zhì)時(shí), 其阻擋層寬度很小其阻擋層寬度很小, 即使外加反向電壓不太高即使外加反向電壓不太高(一般為一般為幾伏幾伏), 在結(jié)內(nèi)就可

19、形成很強(qiáng)的電場(chǎng)在結(jié)內(nèi)就可形成很強(qiáng)的電場(chǎng)(可達(dá)可達(dá)2106 V/cm), 將共價(jià)鍵的價(jià)電子直接拉出來將共價(jià)鍵的價(jià)電子直接拉出來, 產(chǎn)生電子產(chǎn)生電子-空穴對(duì)空穴對(duì), 使反向電使反向電流急劇增加流急劇增加, 出出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象?，F(xiàn)擊穿現(xiàn)象。 對(duì)硅材料的結(jié)對(duì)硅材料的結(jié), 擊穿電壓擊穿電壓大于大于V時(shí)通常是雪時(shí)通常是雪崩擊穿崩擊穿, 小于小于V時(shí)通常是齊納擊穿；時(shí)通常是齊納擊穿；在在V和和V之之間時(shí)兩種擊穿均有。由于擊穿破壞了結(jié)的單向?qū)щ娞亻g時(shí)兩種擊穿均有。由于擊穿破壞了結(jié)的單向?qū)щ娞匦孕? 因而一般使用時(shí)應(yīng)避免出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。因而一般使用時(shí)應(yīng)避免出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。 發(fā)生擊穿并不一定意味著結(jié)被損壞。當(dāng)發(fā)生擊穿并不

20、一定意味著結(jié)被損壞。當(dāng)PN結(jié)反結(jié)反向擊穿時(shí)向擊穿時(shí), 只要注意控制反向電流的數(shù)值只要注意控制反向電流的數(shù)值(一般通過串接電一般通過串接電阻阻實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)), 不使其過大不使其過大, 以免因過熱而燒壞結(jié)以免因過熱而燒壞結(jié), 當(dāng)反向當(dāng)反向電壓電壓(絕對(duì)值絕對(duì)值)降低時(shí)降低時(shí), 結(jié)的性能就可以恢復(fù)正常。穩(wěn)壓結(jié)的性能就可以恢復(fù)正常。穩(wěn)壓二極管正是利用了結(jié)的反向擊穿特性來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的二極管正是利用了結(jié)的反向擊穿特性來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的, 當(dāng)流過結(jié)的電流變化時(shí)當(dāng)流過結(jié)的電流變化時(shí), 結(jié)電壓保持結(jié)電壓保持基本不變。基本不變。 1.2.4 結(jié)的電容效應(yīng)結(jié)的電容效應(yīng) 按電容的定義按電容的定義 QdQCCUdU=或即電壓變化將

21、引起電荷變化即電壓變化將引起電荷變化, 從而反映出電容效應(yīng)。而從而反映出電容效應(yīng)。而結(jié)兩端加上電壓結(jié)兩端加上電壓, 結(jié)內(nèi)就有電荷的變化結(jié)內(nèi)就有電荷的變化, 說明說明結(jié)具有電容效應(yīng)。結(jié)具有兩種電容結(jié)具有電容效應(yīng)。結(jié)具有兩種電容： 勢(shì)壘電勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容。容和擴(kuò)散電容。 1.勢(shì)壘電容勢(shì)壘電容CT 勢(shì)壘電容是由阻擋層內(nèi)空間電荷引起的?？臻g電荷區(qū)勢(shì)壘電容是由阻擋層內(nèi)空間電荷引起的?？臻g電荷區(qū)是由不能移動(dòng)的正負(fù)雜質(zhì)離子所形成的是由不能移動(dòng)的正負(fù)雜質(zhì)離子所形成的,均具有一定的電均具有一定的電荷量荷量, 所以在結(jié)儲(chǔ)存了一定的電荷所以在結(jié)儲(chǔ)存了一定的電荷, 當(dāng)外加電壓使阻擋當(dāng)外加電壓使阻擋層變寬時(shí)層變寬時(shí),

22、 電荷量增加電荷量增加, 如圖如圖 - 所示；反之所示；反之, 外加電壓外加電壓使阻擋層變窄時(shí)使阻擋層變窄時(shí), 電荷量減少。即阻擋層中的電荷量隨外電荷量減少。即阻擋層中的電荷量隨外加電壓變化而改變加電壓變化而改變, 形成了電容效應(yīng)形成了電容效應(yīng), 稱為勢(shì)壘電容稱為勢(shì)壘電容,用用表示。表示。理論推導(dǎo)理論推導(dǎo) TdQSCdUWe=WW WU U圖圖 1 - 9 阻擋層內(nèi)電荷量隨外加電壓變化阻擋層內(nèi)電荷量隨外加電壓變化 OUCj圖圖 1 - 10 勢(shì)壘電容和外加電壓的關(guān)系勢(shì)壘電容和外加電壓的關(guān)系 2擴(kuò)散電容擴(kuò)散電容CD xO2Qnp1圖圖 1-11 P區(qū)中電子濃度的分布曲線區(qū)中電子濃度的分布曲線及電

23、荷的積累及電荷的積累 2擴(kuò)散電容擴(kuò)散電容CD 擴(kuò)散電容是結(jié)在正向電壓時(shí)擴(kuò)散電容是結(jié)在正向電壓時(shí), 多數(shù)載流多數(shù)載流子在擴(kuò)散過程中引起電荷積累而產(chǎn)生的。當(dāng)子在擴(kuò)散過程中引起電荷積累而產(chǎn)生的。當(dāng)結(jié)加正向電壓時(shí)結(jié)加正向電壓時(shí),區(qū)的電子擴(kuò)散到區(qū)區(qū)的電子擴(kuò)散到區(qū), 同時(shí)同時(shí)區(qū)的空穴也向區(qū)擴(kuò)散。區(qū)的空穴也向區(qū)擴(kuò)散。 顯然顯然, 在區(qū)交界處在區(qū)交界處(x), 載流子的濃度最高。由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)載流子的濃度最高。由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng), 離交離交界處愈遠(yuǎn)界處愈遠(yuǎn), 載流子濃度愈低載流子濃度愈低, 這些擴(kuò)散的載流子這些擴(kuò)散的載流子, 在擴(kuò)散區(qū)積累了電荷在擴(kuò)散區(qū)積累了電荷, 總的電荷量相當(dāng)于圖總的電荷量相當(dāng)于圖 1 - 11中

24、曲線以下的部分中曲線以下的部分(圖圖-表示了區(qū)電子表示了區(qū)電子p的分布的分布)。若結(jié)正向電壓加大。若結(jié)正向電壓加大, 則多數(shù)載流子則多數(shù)載流子擴(kuò)散加強(qiáng)擴(kuò)散加強(qiáng), 電荷積累由曲線變?yōu)榍€電荷積累由曲線變?yōu)榍€, 電荷增加電荷增加量為量為；反之；反之, 若正向電壓減少若正向電壓減少, 則積累的電荷將則積累的電荷將減少減少, 這就是擴(kuò)散電容效應(yīng)這就是擴(kuò)散電容效應(yīng)CD, 擴(kuò)散電容正比于正向擴(kuò)散電容正比于正向電流電流, 即即DI。所以結(jié)的結(jié)電容。所以結(jié)的結(jié)電容包括兩部包括兩部分分, 即即Cj。一般說來。一般說來, 結(jié)正偏時(shí)結(jié)正偏時(shí), 擴(kuò)擴(kuò)散電容起主要作用散電容起主要作用, ；當(dāng)結(jié)反偏時(shí)；當(dāng)結(jié)反偏時(shí), 勢(shì)

25、勢(shì)壘電容起主要作用壘電容起主要作用, 即即。 1.2.5 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管 半導(dǎo)體二極管是由結(jié)加上引線和管殼構(gòu)成的。半導(dǎo)體二極管是由結(jié)加上引線和管殼構(gòu)成的。 二極管的類型很多二極管的類型很多, 按制造二極管的材料分按制造二極管的材料分, 有硅二極有硅二極管和鍺二極管。管和鍺二極管。 從管子的結(jié)構(gòu)來分從管子的結(jié)構(gòu)來分, 有以下幾種類型：有以下幾種類型： (1) 點(diǎn)接觸型二極管。點(diǎn)接觸型二極管。(2) 面接觸型二極管。面接觸型二極管。(3) 硅平面型二極管。硅平面型二極管。 陰極引線陽極引線二氧化硅保護(hù)層P型硅N型硅(c) 平面型金屬觸絲陽極引線N型鍺片陰極引線外殼(a) 點(diǎn)接觸型鋁合金小

26、球N型硅陽極引線PN 結(jié)金銻合金底座陰極引線(b) 面 接 觸 型陰極陽極(d) 符號(hào)圖圖 1 12 半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào) 1. 二極管的特性二極管的特性 108642120.80.48400.40.81.2602090902060I / mAU / V806040202010200 1005020757550I / mAU / V20300300200 100(a) 2AP22(鍺管)的伏安特性曲線(b) 2CP1020 (鍺管)的伏安特性曲線01圖 1 13 二極管的伏安特性曲線 (1) 正向特性：正向電壓低于某一數(shù)值時(shí)正向特性：正向電壓低于某一數(shù)值時(shí), 正向電

27、流正向電流很小很小, 只有當(dāng)正向電壓高于某一值后只有當(dāng)正向電壓高于某一值后, 才有明顯的正向電才有明顯的正向電流。該電壓稱為導(dǎo)通電壓流。該電壓稱為導(dǎo)通電壓, 又稱為門限電壓或死區(qū)電壓又稱為門限電壓或死區(qū)電壓, 用用表示。在室溫下表示。在室溫下, 硅管的硅管的約為約為. V, 鍺管的鍺管的約為約為. V。通常認(rèn)為。通常認(rèn)為, 當(dāng)正向當(dāng)正向電壓電壓on時(shí)時(shí), 二極管截止；二極管截止；時(shí)時(shí), 二極管導(dǎo)通。二極管導(dǎo)通。 (2) 反向特性：二極管加反向電壓反向特性：二極管加反向電壓, 反向電流數(shù)值很反向電流數(shù)值很小小, 且基本不變且基本不變, 稱反向飽和電流。硅管反向飽和電流為稱反向飽和電流。硅管反向飽

28、和電流為納安納安()數(shù)量級(jí)數(shù)量級(jí), 鍺管的為微安數(shù)量級(jí)。當(dāng)反向電壓加鍺管的為微安數(shù)量級(jí)。當(dāng)反向電壓加到一定值時(shí)到一定值時(shí), 反向電流急劇增加反向電流急劇增加, 產(chǎn)生擊穿。普通二極管產(chǎn)生擊穿。普通二極管反向擊穿電壓一反向擊穿電壓一般在幾十伏以上般在幾十伏以上(高反壓管可達(dá)幾千伏高反壓管可達(dá)幾千伏)。 (3) 二極管的溫度特性：二極管的特性對(duì)溫度很二極管的溫度特性：二極管的特性對(duì)溫度很敏感敏感, 溫度升高溫度升高, 正向特性曲線向左移正向特性曲線向左移, 反向特性曲線反向特性曲線向下移。向下移。 其規(guī)律是：在室溫附近其規(guī)律是：在室溫附近, 在同一電流下在同一電流下, 溫溫度每升高度每升高, 正向壓

29、降減小正向壓降減小.V；溫度每；溫度每升高升高, 反向電流約增大反向電流約增大 1 倍。倍。 2.二極管的主要參數(shù)二極管的主要參數(shù) (1) 最大整流電流最大整流電流。它是二極管允許通過的最大。它是二極管允許通過的最大正向平均電流。工作時(shí)應(yīng)使平均工作電流小于正向平均電流。工作時(shí)應(yīng)使平均工作電流小于, 如超如超過過, 二極管將過熱而燒毀。此值取決于結(jié)的面積、二極管將過熱而燒毀。此值取決于結(jié)的面積、材料和散熱情況。材料和散熱情況。 (2) 最大反向工作電壓最大反向工作電壓。這是二極管允許的最大。這是二極管允許的最大工作電壓。當(dāng)反向電壓超過此值時(shí)工作電壓。當(dāng)反向電壓超過此值時(shí), 二極管可能被擊穿。二極

30、管可能被擊穿。為了留有余地為了留有余地, 通常取擊穿電壓的一半作為通常取擊穿電壓的一半作為。 (3) 反向電流反向電流。指二極管未擊穿時(shí)的反向電流。指二極管未擊穿時(shí)的反向電流值。此值越小值。此值越小, 二極管的單向?qū)щ娦栽胶?。由于反向電二極管的單向?qū)щ娦栽胶谩Ｓ捎诜聪螂娏魇怯缮贁?shù)載流子形成流是由少數(shù)載流子形成, 所以所以值受溫度的影響很大。值受溫度的影響很大。 (4) 最高工作頻率最高工作頻率。的值主要取決于的值主要取決于結(jié)結(jié)電容的大小結(jié)結(jié)電容的大小, 結(jié)電容結(jié)電容越大越大, 則二極管允許的最高工則二極管允許的最高工作頻率越低。作頻率越低。 (5) 二極管的直流電阻二極管的直流電阻。加到二極管

31、兩端的直。加到二極管兩端的直流電壓與流過二極管的電流之比流電壓與流過二極管的電流之比, 稱為二極管的直流電稱為二極管的直流電阻阻, 即即此值可由二極管特性曲線求出此值可由二極管特性曲線求出, 如圖如圖- 所示。工所示。工作點(diǎn)電壓為作點(diǎn)電壓為.V, 電流電流, 則則FDFURI=31.53050 10FDFURI-=W0UFU / VIFI / mAQ1220406080圖圖 1 - 14 求直流電阻求直流電阻 (6) 二極管的交流電阻二極管的交流電阻。在二極管工作點(diǎn)附近。在二極管工作點(diǎn)附近, 電壓的微變值電壓的微變值與相應(yīng)與相應(yīng)的微變電流值的微變電流值之比之比, 稱為該稱為該點(diǎn)的交流電阻點(diǎn)的交

32、流電阻, 即即 dUrI從其幾何意義上講從其幾何意義上講, 當(dāng)當(dāng)時(shí)時(shí) ddUrdI=就是工作點(diǎn)就是工作點(diǎn)處的切線斜率倒數(shù)。顯然處的切線斜率倒數(shù)。顯然, 也是非也是非線性的線性的, 即工作電流越大即工作電流越大, 越小。交流電阻越小。交流電阻也可也可從特性曲線上求出從特性曲線上求出, 如圖如圖 - 所示。過所示。過點(diǎn)作切點(diǎn)作切線線, 在切線上任取兩在切線上任取兩點(diǎn)、點(diǎn)、 , 查出這兩點(diǎn)間的查出這兩點(diǎn)間的和和, 則得則得 32 112.5(800) 10DQdIUrI圖1-15 求交流電阻 交流電阻交流電阻rd也可利用也可利用PN結(jié)的電流方程結(jié)的電流方程(1 - 1)求出。求出。 取取I的微分可得

33、的微分可得 即即式中式中, IDQ為二極管工作點(diǎn)的電流為二極管工作點(diǎn)的電流,單位取單位取mA。式。式(1- 5)的的近似等式在室溫條件下近似等式在室溫條件下(T=300 K)成立。成立。 對(duì)同一工作點(diǎn)而言對(duì)同一工作點(diǎn)而言, 直流電阻直流電阻RD大于交流電阻大于交流電阻rd；對(duì)；對(duì)不同工作點(diǎn)而言不同工作點(diǎn)而言,工作點(diǎn)愈高工作點(diǎn)愈高, RD和和rd愈低。愈低。 (1)TTUUUUSDSTTIIdId I ee dUdUUU=-=26()TDDDQUmVrII（1-51-5） 1.2.6 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管 (b)符號(hào)UIOU(a)伏安特性IVDz圖圖 1 - 16 穩(wěn)壓管伏安特性和符號(hào)穩(wěn)壓管伏安

34、特性和符號(hào) UIUORRLILIzIRVDz圖圖 1 -17 穩(wěn)壓管電路穩(wěn)壓管電路 1. 穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓Uz 穩(wěn)定電壓是穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū)時(shí)的穩(wěn)定工作穩(wěn)定電壓是穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū)時(shí)的穩(wěn)定工作電壓。由于穩(wěn)定電壓隨著工作電流的不同而略有變化電壓。由于穩(wěn)定電壓隨著工作電流的不同而略有變化, 因因而測(cè)試而測(cè)試Uz時(shí)應(yīng)使穩(wěn)壓管的電流為規(guī)定值。穩(wěn)定電壓時(shí)應(yīng)使穩(wěn)壓管的電流為規(guī)定值。穩(wěn)定電壓是根據(jù)要求挑選穩(wěn)壓管的主要依據(jù)之一。不同型號(hào)的穩(wěn)是根據(jù)要求挑選穩(wěn)壓管的主要依據(jù)之一。不同型號(hào)的穩(wěn)壓管壓管, 其穩(wěn)定電壓值不同。同一型號(hào)的管子其穩(wěn)定電壓值不同。同一型號(hào)的管子, 由于制造工由于制造工藝的分散性藝的分

35、散性, 各個(gè)管子的各個(gè)管子的值也有差別。例如穩(wěn)壓管值也有差別。例如穩(wěn)壓管DW7C, 其其.1.V, 表明均為合格產(chǎn)品表明均為合格產(chǎn)品, 其穩(wěn)定其穩(wěn)定值有的管子是值有的管子是.V, 有的可能是有的可能是.V等等等等, 但這并不但這并不意味著同一個(gè)管子的穩(wěn)定電壓的變化范圍有如此大。意味著同一個(gè)管子的穩(wěn)定電壓的變化范圍有如此大。 2. 穩(wěn)定電流穩(wěn)定電流Iz 穩(wěn)定電流是使穩(wěn)壓管正常工作時(shí)的最小電流穩(wěn)定電流是使穩(wěn)壓管正常工作時(shí)的最小電流, 低于低于此值時(shí)穩(wěn)壓效果較差。工作時(shí)應(yīng)使流過穩(wěn)壓管的電流大此值時(shí)穩(wěn)壓效果較差。工作時(shí)應(yīng)使流過穩(wěn)壓管的電流大于此值。一般情況是于此值。一般情況是, 工作電流較大時(shí)工作電流

36、較大時(shí), 穩(wěn)壓性能較好。穩(wěn)壓性能較好。但電流要但電流要受管子功耗的限制受管子功耗的限制, 即即 Iz max=Pz/Uz。 3. 電壓溫度系數(shù)電壓溫度系數(shù) 指穩(wěn)壓管溫度變化指穩(wěn)壓管溫度變化時(shí)時(shí), 所引起的穩(wěn)定電壓變化所引起的穩(wěn)定電壓變化的百分比。一般情況下的百分比。一般情況下, 穩(wěn)定電壓大于穩(wěn)定電壓大于V的穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓管, 為為正值正值, 即當(dāng)溫度升高時(shí)即當(dāng)溫度升高時(shí), 穩(wěn)定電壓值增大。如穩(wěn)定電壓值增大。如CW,10.5V, .%/, 說明當(dāng)溫度升高說明當(dāng)溫度升高時(shí)時(shí), 穩(wěn)定電壓增大穩(wěn)定電壓增大0.09%。而穩(wěn)定電壓小于。而穩(wěn)定電壓小于V的穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓管, 為負(fù)值為負(fù)值, 即當(dāng)溫度升高時(shí)即當(dāng)溫

37、度升高時(shí), 穩(wěn)定電壓值減小穩(wěn)定電壓值減小, 如如CW11, .V,(.%.%), 若若.%, 表明當(dāng)溫度升高表明當(dāng)溫度升高時(shí)時(shí), 穩(wěn)定電穩(wěn)定電壓減小壓減小0.05%。穩(wěn)定電壓在。穩(wěn)定電壓在V間的穩(wěn)壓管間的穩(wěn)壓管, 其其值較值較小小, 穩(wěn)定電壓值受溫度影響較小穩(wěn)定電壓值受溫度影響較小, 性能比較穩(wěn)定性能比較穩(wěn)定。 4. 動(dòng)態(tài)電阻動(dòng)態(tài)電阻rz 是穩(wěn)壓管工作在穩(wěn)壓區(qū)時(shí)是穩(wěn)壓管工作在穩(wěn)壓區(qū)時(shí), 兩端電壓變化量與兩端電壓變化量與電流變化量之比電流變化量之比, 即即。值越小值越小, 則則穩(wěn)壓性能越好。同一穩(wěn)壓管穩(wěn)壓性能越好。同一穩(wěn)壓管,一般工作電流越大時(shí)一般工作電流越大時(shí), 值越小。值越小。 通常手冊(cè)上給

38、出的通常手冊(cè)上給出的值是在規(guī)定的穩(wěn)定值是在規(guī)定的穩(wěn)定電流之下測(cè)得的。電流之下測(cè)得的。 5. 額定功耗額定功耗Pz 由于穩(wěn)壓管兩端的電壓值為由于穩(wěn)壓管兩端的電壓值為,而管子中又流過一定而管子中又流過一定的電流的電流, 因此要消耗一定的功率。這部分功耗轉(zhuǎn)化為熱能因此要消耗一定的功率。這部分功耗轉(zhuǎn)化為熱能, 會(huì)使穩(wěn)壓管發(fā)熱。會(huì)使穩(wěn)壓管發(fā)熱。取決于穩(wěn)壓管允許的溫升。取決于穩(wěn)壓管允許的溫升。 表表-給出幾種穩(wěn)壓管的典型參數(shù)。其中給出幾種穩(wěn)壓管的典型參數(shù)。其中DW7系列系列的穩(wěn)壓管是一種具有溫度補(bǔ)償效應(yīng)的穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓管是一種具有溫度補(bǔ)償效應(yīng)的穩(wěn)壓管,用于電子設(shè)備用于電子設(shè)備的精密穩(wěn)壓源中。管子內(nèi)部實(shí)際上包

39、含兩個(gè)溫度系數(shù)相反的精密穩(wěn)壓源中。管子內(nèi)部實(shí)際上包含兩個(gè)溫度系數(shù)相反的二極管對(duì)接在一起。當(dāng)溫度變化時(shí)的二極管對(duì)接在一起。當(dāng)溫度變化時(shí), 一個(gè)二極管被反向偏一個(gè)二極管被反向偏置置, 溫度系數(shù)為正值；而另一個(gè)二極管被正向偏置溫度系數(shù)為正值；而另一個(gè)二極管被正向偏置, 溫度系溫度系數(shù)為負(fù)值數(shù)為負(fù)值, 二者互相補(bǔ)償二者互相補(bǔ)償, 使、兩端之間的電壓隨溫度使、兩端之間的電壓隨溫度的變化很小。它們的電壓溫度系數(shù)比其它一般的穩(wěn)壓管約的變化很小。它們的電壓溫度系數(shù)比其它一般的穩(wěn)壓管約小一個(gè)數(shù)量級(jí)。如小一個(gè)數(shù)量級(jí)。如DW7C, =0.005%/。 1.2.7 二極管的應(yīng)用二極管的應(yīng)用 二極管的運(yùn)用基礎(chǔ)二極管的運(yùn)

40、用基礎(chǔ), 就是二極管的單向?qū)щ娞匦跃褪嵌O管的單向?qū)щ娞匦? 因此因此, 在應(yīng)用電路中在應(yīng)用電路中, 關(guān)鍵是判斷二極管的導(dǎo)通或截止。關(guān)鍵是判斷二極管的導(dǎo)通或截止。二極管導(dǎo)通時(shí)一般用電壓源二極管導(dǎo)通時(shí)一般用電壓源.V(硅管硅管, 如是鍺如是鍺管用管用.V)代替代替, 或近似用短路線代替。截止時(shí)或近似用短路線代替。截止時(shí), 一般一般將二極管斷開將二極管斷開, 即認(rèn)為二極管反向電阻為無窮大。即認(rèn)為二極管反向電阻為無窮大。 二極管的整流電路放在第十章直流電源中討論。二極管的整流電路放在第十章直流電源中討論。 1. 限幅電路限幅電路 當(dāng)輸入信號(hào)電壓在一定范圍內(nèi)變化時(shí)當(dāng)輸入信號(hào)電壓在一定范圍內(nèi)變化時(shí), 輸

41、出電壓隨輸出電壓隨輸入電壓相應(yīng)變化；輸入電壓相應(yīng)變化； 而當(dāng)輸入電壓超出該范圍時(shí)而當(dāng)輸入電壓超出該范圍時(shí), 輸出輸出電壓保持不變電壓保持不變, 這就是限幅電路。通常將輸出電壓這就是限幅電路。通常將輸出電壓uo開開始不變的電壓值稱為限幅電平始不變的電壓值稱為限幅電平, 當(dāng)輸入電壓高于限幅電當(dāng)輸入電壓高于限幅電平時(shí)平時(shí), 輸出電壓保持不變的限幅稱為上限幅；當(dāng)輸入電輸出電壓保持不變的限幅稱為上限幅；當(dāng)輸入電壓低于限幅電平時(shí)壓低于限幅電平時(shí), 輸出電壓保持不變的限幅稱為下限輸出電壓保持不變的限幅稱為下限幅。幅。 限幅電路如圖限幅電路如圖-所示。改變值就可改變限所示。改變值就可改變限幅電平。幅電平。 V

42、DuiuoRE圖圖 1 18 并聯(lián)二極管上限幅電路并聯(lián)二極管上限幅電路 V, 限幅電平為限幅電平為V。u時(shí)二極管導(dǎo)通時(shí)二極管導(dǎo)通, uoV； uiV, 二極管截止二極管截止, uou。波形如圖。波形如圖-19(a)所示。所示。 如果如果Um, 則限幅電平為則限幅電平為。u, 二極二極管截止管截止, uou；u, 二極管導(dǎo)通二極管導(dǎo)通, uo。波形圖如。波形圖如圖圖 - ()所示。所示。 如果如果m, 則限幅電平為則限幅電平為-E, 波形圖如圖波形圖如圖 - 19()所示。所示。 tuiO(b)EuotOEtui(a)UmuoOtUmOtuiO(c)EuoEOt圖圖 1 - 19 二極管并聯(lián)上限

43、幅電路波形關(guān)系二極管并聯(lián)上限幅電路波形關(guān)系VDuiuoER圖圖 1 - 20 并聯(lián)下限幅電路并聯(lián)下限幅電路 VDuiuoR(a)上限幅EVDuiuoR(b)下限幅E圖圖 1 - 21 串聯(lián)限幅電路串聯(lián)限幅電路VD1uiuoRE1VD2E2圖圖 1 - 22 雙向限幅電路雙向限幅電路 2二極管門電路二極管門電路 UAUoVD1RUC CVD2VD3UBUC圖圖 1 - 23 二極管二極管“與與”門電路門電路 1.2.8 其它二極管其它二極管1. 發(fā)光二極管發(fā)光二極管圖圖 1 - 24 發(fā)光二極管符號(hào)發(fā)光二極管符號(hào) 2. 光電二極管光電二極管圖圖 1 - 25 光電二極管符號(hào)光電二極管符號(hào) 3.

44、光電耦合器件光電耦合器件 輸入輸出圖 1 - 26 光電耦合器件 4. 變?nèi)荻O管變?nèi)荻O管 圖圖 1 - 27 變?nèi)荻O管符號(hào)變?nèi)荻O管符號(hào)1.3 半導(dǎo)體三極管半導(dǎo)體三極管 圖圖 1 - 28 幾種半導(dǎo)體三極管的外形幾種半導(dǎo)體三極管的外形 1.3.1 三極管的結(jié)構(gòu)及類型三極管的結(jié)構(gòu)及類型 圖 1 29 三極管的結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào) 無論是無論是NPN型或是型或是PNP型的三極管型的三極管,它們均包含三個(gè)它們均包含三個(gè)區(qū)區(qū): 發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū), 并相應(yīng)地引出三個(gè)電極：并相應(yīng)地引出三個(gè)電極：發(fā)射極（發(fā)射極（e)、基極、基極(b)和集電極和集電極(c)。同時(shí)。同時(shí),在三個(gè)區(qū)的兩

45、在三個(gè)區(qū)的兩兩交界處兩交界處, 形成兩個(gè)形成兩個(gè)PN結(jié)結(jié), 分別稱為發(fā)射結(jié)和集電結(jié)。分別稱為發(fā)射結(jié)和集電結(jié)。常用的半導(dǎo)體材料有硅和鍺常用的半導(dǎo)體材料有硅和鍺, 因此共有四種三極管類型。因此共有四種三極管類型。它們對(duì)應(yīng)的型號(hào)分別為：它們對(duì)應(yīng)的型號(hào)分別為：3A(鍺鍺PNP)、3B(鍺鍺NPN)、3C(硅硅PNP)、3D(硅硅NPN)四種系列。四種系列。 1.3.2 三極管的三種連接方式三極管的三種連接方式 becIBIEIC(a) 共基極beIBIEIC(b) 共發(fā)射極beIBIEIC(c) 共集電極cc圖圖 1 - 30 三極管的三種連接方式三極管的三種連接方式1.3.3 三極管的放大作用三極管

46、的放大作用 1. 載流子的傳輸過程載流子的傳輸過程(1) 發(fā)射。發(fā)射。 (2) 擴(kuò)散和復(fù)合。擴(kuò)散和復(fù)合。 (3) 收集。收集。 IBRbUBBeIENPNICRcUCCcb圖圖 1 31 三極管中載流子的傳輸過程三極管中載流子的傳輸過程2. 電流分配電流分配 IBRbUB BeIENPNICRcUC CcICnICB ObIBn圖圖 1 - 32 三極管電流分配三極管電流分配 集電極電流集電極電流由兩部分組成：由兩部分組成：和和, 前者是由發(fā)射區(qū)發(fā)射的電子被集電極收集后形成的前者是由發(fā)射區(qū)發(fā)射的電子被集電極收集后形成的, 后者是由集電區(qū)和基區(qū)的少數(shù)載流子漂移運(yùn)動(dòng)形成的后者是由集電區(qū)和基區(qū)的少數(shù)

47、載流子漂移運(yùn)動(dòng)形成的,稱為反向飽和電流。稱為反向飽和電流。 于是有于是有 (1 - 6) 發(fā)射極電流發(fā)射極電流也由兩部分組成：也由兩部分組成：和和。為發(fā)射區(qū)發(fā)射的電子所形成的電流為發(fā)射區(qū)發(fā)射的電子所形成的電流, 是由基是由基區(qū)向發(fā)射區(qū)擴(kuò)散的空穴所形成的電流。因?yàn)榘l(fā)射區(qū)是重區(qū)向發(fā)射區(qū)擴(kuò)散的空穴所形成的電流。因?yàn)榘l(fā)射區(qū)是重?fù)诫s摻雜, 所以所以忽略不計(jì)忽略不計(jì), 即即。又分成又分成兩部分兩部分, 主要部分是主要部分是, 極少部分是極少部分是。是電是電子在基區(qū)與空穴復(fù)合時(shí)所形成的電流子在基區(qū)與空穴復(fù)合時(shí)所形成的電流, 基區(qū)空穴是由電基區(qū)空穴是由電源源提供的提供的,故它是基極電流的一部分。故它是基極電流

48、的一部分。 基極電流基極電流是是與與之差：之差： BBnCBOIII=-(1-7)(1-8)EEnCnBnIIII 發(fā)射區(qū)注入的電子絕大多數(shù)能夠到達(dá)集電極發(fā)射區(qū)注入的電子絕大多數(shù)能夠到達(dá)集電極, 形成形成集電極電流集電極電流, 即要求即要求。 通常用共基極直流電流放大系數(shù)衡量上述關(guān)系通常用共基極直流電流放大系數(shù)衡量上述關(guān)系, 用用來表示來表示, 其定義為其定義為(1-9)一般三極管的一般三極管的值為值為0.970.99。將將(-)式代入式代入(-)式式, 可得可得 (1-10)CnCnEnEIIIIa-=CCnCBOECBOIIIIIa-=+=+通常通常CBO, 可將可將忽略忽略, 由上式可得

49、出由上式可得出 (1-11)三極管的三個(gè)極的電流滿足節(jié)點(diǎn)電流定律三極管的三個(gè)極的電流滿足節(jié)點(diǎn)電流定律, 即即ECBIII=+將此式代入將此式代入(1 - 10)式得式得(1-12)CEII()CCBCBOIIIIa-=+經(jīng)過整理后得經(jīng)過整理后得 令令 稱為共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)。當(dāng)稱為共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)。當(dāng)ICICBO時(shí)時(shí),又可寫成又可寫成(1-13)(1-14)111CBCBOIIIaaa-=+-1CBII則則其中其中ICEO稱為穿透電流稱為穿透電流, 即即 一般三極管的一般三極管的約為幾十幾百。約為幾十幾百。太小太小, 管子管子的放大能的放大能力就差力就差, 而而過大則管子不夠穩(wěn)定

50、。過大則管子不夠穩(wěn)定。 (1)CBCBOBCEOIIIII (1)CEOCBOII表表1 - 3 三極管電流關(guān)系的一組典型數(shù)據(jù)三極管電流關(guān)系的一組典型數(shù)據(jù) IB/mA -0.00100.010.020.030.040.05IC/mA0.0010.010.561.141.742.332.91IE/mA00.010.571.161.772.372.96,BCECEIIIII相應(yīng)地相應(yīng)地, 將集電極電流與發(fā)射極電流的變化量之比將集電極電流與發(fā)射極電流的變化量之比, 定義為共定義為共基極交流電流放大系數(shù)基極交流電流放大系數(shù), 即即故故 常數(shù)CEUBCII常數(shù)CBUECII/1/1CCCEBECCEII

51、IIIIIII 顯然顯然與與, 與與其意義是不同的其意義是不同的, 但是在多數(shù)情況但是在多數(shù)情況下下, 。 例如例如, 從表從表 - 知知, 在在mA附近附近, 設(shè)設(shè)由由mA變?yōu)樽優(yōu)閙A, 可求得可求得983. 077. 174. 1983. 016. 137. 214. 133. 25803. 074. 15 .5902. 004. 014. 133. 2BCBCIIII1.3.4 三極管的特性曲線三極管的特性曲線 圖圖 1 33 三極三極管共發(fā)射極特性曲線測(cè)試電路管共發(fā)射極特性曲線測(cè)試電路 1.輸入特性輸入特性 當(dāng)當(dāng)不變時(shí)不變時(shí), 輸輸入回路中的電流入回路中的電流與與電壓電壓之間的之間的關(guān)

52、系曲關(guān)系曲線稱為輸入特性線稱為輸入特性, 即即 IB / mAUBE / V00.20.40.6UCE 0 VUCE 2 V圖圖 1 - 34 三極管的輸入特性三極管的輸入特性 常數(shù)CEUBEBUfI)( 2.輸出特性輸出特性 當(dāng)當(dāng)不變時(shí)不變時(shí), 輸出輸出回路中的電流回路中的電流與電壓與電壓之間的關(guān)系曲之間的關(guān)系曲線稱線稱為輸出特性為輸出特性, 即即UCE / V5101501234飽和區(qū)截止區(qū)IB 80 A60 A放大區(qū)IC / mA40 A20 A0 A圖圖 1 - 35 三極管的輸出特性三極管的輸出特性 常數(shù)BICECUfI)( (1) 截止區(qū)。截止區(qū)。 一般將一般將的區(qū)域稱為截止區(qū)的區(qū)

53、域稱為截止區(qū), 在圖中為在圖中為的的一條曲線的以下部分。此時(shí)一條曲線的以下部分。此時(shí)也近似為零。由于各極電流也近似為零。由于各極電流都基本上等于零都基本上等于零, 因而此時(shí)三極管沒有放大作用。因而此時(shí)三極管沒有放大作用。 其實(shí)其實(shí)時(shí)時(shí), 并不等于零并不等于零, 而是等于穿透電流而是等于穿透電流ICEO。 一般硅三極管的穿透電流小于一般硅三極管的穿透電流小于A, 在特性曲線上無法在特性曲線上無法表示出來。鍺三極管的穿透電流約幾十至幾百微安。表示出來。鍺三極管的穿透電流約幾十至幾百微安。 當(dāng)發(fā)射結(jié)反向偏置時(shí)當(dāng)發(fā)射結(jié)反向偏置時(shí), 發(fā)射區(qū)不再向基區(qū)注入電子發(fā)射區(qū)不再向基區(qū)注入電子, 則三則三極管處于截

54、止?fàn)顟B(tài)。所以極管處于截止?fàn)顟B(tài)。所以, 在截止區(qū)在截止區(qū), 三極管的兩個(gè)結(jié)均處三極管的兩個(gè)結(jié)均處于反向偏置狀態(tài)。對(duì)三極管于反向偏置狀態(tài)。對(duì)三極管, , BC。 (2) 放大區(qū)。放大區(qū)。 此時(shí)發(fā)射結(jié)正向運(yùn)用此時(shí)發(fā)射結(jié)正向運(yùn)用, 集電結(jié)反向運(yùn)用。集電結(jié)反向運(yùn)用。 在曲線上是在曲線上是比較平坦的部分比較平坦的部分, 表示當(dāng)表示當(dāng)一定時(shí)一定時(shí), 的值基本上不隨的值基本上不隨CE而變化。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)而變化。在這個(gè)區(qū)域內(nèi),當(dāng)基極電流發(fā)生微小的變化當(dāng)基極電流發(fā)生微小的變化量量時(shí)時(shí), 相應(yīng)的集電極電流將產(chǎn)生較大的變化量相應(yīng)的集電極電流將產(chǎn)生較大的變化量, 此時(shí)二者的關(guān)系為此時(shí)二者的關(guān)系為 該式體現(xiàn)了三極管的電流放大作用。該式體現(xiàn)了三極管的電流放大作用。 對(duì)于三極管對(duì)于三極管, 工作在放大區(qū)時(shí)工作在放大區(qū)時(shí).V, 而而。 (3) 飽和區(qū)。飽和區(qū)。 曲線靠近縱軸附近曲線靠近縱軸附近, 各條輸出特性曲線的上升部分屬于飽各條輸出特性