《模擬電子技術(shù)1》課件第1章

第一章半導(dǎo)體器件1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)1.2

PN結(jié)1.3半導(dǎo)體三極管1.1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)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,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)作用下,這些電子產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)(稱為漂移運(yùn)動(dòng))形成電流,呈現(xiàn)出較好的導(dǎo)電特性。高價(jià)元素(如惰性氣體)和高分子物質(zhì)(如橡膠,塑料)最外層電子受原子核的束縛力很強(qiáng),極不易擺脫原子核的束縛成為自由電子,所以其導(dǎo)電性極差,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束縛,成為自由電子,也不像絕緣體那樣被原子核束縛得那么緊,因此,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,它們都是四價(jià)元素,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,采用圖1-１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),相鄰兩個(gè)原子的一對(duì)最外層電子(價(jià)電子)成為共有電子,它們一方面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,組成共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。故晶體中,每個(gè)原子都和周圍的４個(gè)原子用共價(jià)鍵的形式互相緊密地聯(lián)系起來(lái),如圖１-２所示。圖1–1硅和鍺簡(jiǎn)化原子結(jié)構(gòu)模型圖1–2本征半導(dǎo)體共價(jià)鍵晶體結(jié)構(gòu)示意圖

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)必然在共價(jià)鍵中留下空位,稱為空穴?？昭◣д?如圖1-３所示。圖1–3本征半導(dǎo)體中的自由電子和空穴

由此可見(jiàn),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。本征半導(dǎo)體中,自由電子與空穴是同時(shí)成對(duì)產(chǎn)生的,因此,它們的濃度是相等的。我們用n和p分別表示電子和空穴的濃度,即ni=pi,下標(biāo)i表示為本征半導(dǎo)體。

價(jià)電子在熱運(yùn)動(dòng)中獲得能量產(chǎn)生了電子-空穴對(duì)。同時(shí)自由電子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中失去能量,與空穴相遇,使電子、空穴對(duì)消失,這種現(xiàn)象稱為復(fù)合。在一定溫度下,載流子的產(chǎn)生過(guò)程和復(fù)合過(guò)程是相對(duì)平衡的,載流子的濃度是一定的。本征半導(dǎo)體中載流子的濃度,除了與半導(dǎo)體材料本身的性質(zhì)有關(guān)以外,還與溫度有關(guān),而且隨著溫度的升高,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)溫度十分敏感。對(duì)于硅材料,大約溫度每升高８℃,本征載流子濃度ni增加1倍；對(duì)于鍺材料,大約溫度每升高１２℃,ｎｉ增加1倍。除此之外,半導(dǎo)體載流子濃度還與光照有關(guān),人們正是利用此特性,制成光敏器件。1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體

1.Ｎ型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中,摻入微量５價(jià)元素,如磷、銻、砷等,則原來(lái)晶格中的某些硅(鍺)原子被雜質(zhì)原子代替。由于雜質(zhì)原子的最外層有５個(gè)價(jià)電子,因此它與周圍４個(gè)硅(鍺)原子組成共價(jià)鍵時(shí),還多余1個(gè)價(jià)電子。它不受共價(jià)鍵的束縛,而只受自身原子核的束縛,因此,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,它不能參與導(dǎo)電,如圖１-４所示。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,即nn>>pn(下標(biāo)ｎ表示是Ｎ型半導(dǎo)體),主要靠電子導(dǎo)電,所以稱為Ｎ型半導(dǎo)體。由于５價(jià)雜質(zhì)原子可提供自由電子,故稱為施主雜質(zhì)。Ｎ型半導(dǎo)體中,自由電子稱為多數(shù)載流子；空穴稱為少數(shù)載流子。圖1-4N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。此時(shí)電子濃度與空穴濃度之間,可以證明有如下關(guān)系：

即在一定溫度下,電子濃度與空穴濃度的乘積是一個(gè)常數(shù),與摻雜濃度無(wú)關(guān)。

2.P型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中,摻入微量３價(jià)元素,如硼、鎵、銦等,則原來(lái)晶格中的某些硅(鍺)原子被雜質(zhì)原子代替。由于雜質(zhì)原子的最外層只有３個(gè)價(jià)電子,當(dāng)它和周圍的硅(鍺)原子組成共價(jià)鍵時(shí),因?yàn)槿鄙僖粋€(gè)電子,所以形成一個(gè)空位。其它共價(jià)鍵的電子,只需擺脫一個(gè)原子核的束縛,就轉(zhuǎn)至空位上,形成空穴。因此,在較少能量下就可形成空穴,并留下帶負(fù)電的雜質(zhì)離子,它不能參與導(dǎo)電,如圖１-５所示。顯然,這種雜質(zhì)半導(dǎo)體中空穴濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電子濃度,即ｐｐ>>ｎｐ(下標(biāo)ｐ表示是Ｐ型半導(dǎo)體),主要靠空穴導(dǎo)電,所以稱為Ｐ型半導(dǎo)體。由于３價(jià)雜質(zhì)原子可接受電子,相應(yīng)地在鄰近原子中形成空穴,故稱為受主雜質(zhì)。Ｐ型半導(dǎo)體中,自由電子稱為少數(shù)載流子；空穴稱為多數(shù)載流子。Ｐ型半導(dǎo)體與Ｎ型半導(dǎo)體雖然各自都有一種多數(shù)載流子,但對(duì)外仍呈現(xiàn)電中性。它們的導(dǎo)電特性主要由摻雜濃度決定。這兩種摻雜半導(dǎo)體是構(gòu)成各種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。圖1–5P型半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)1.２ＰＮ結(jié)1.2.1異型半導(dǎo)體接觸現(xiàn)象在Ｐ型和Ｎ型半導(dǎo)體的交界面兩側(cè),由于電子和空穴的濃度相差懸殊,因而將產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。電子由Ｎ區(qū)向Ｐ區(qū)擴(kuò)散；空穴由Ｐ區(qū)向Ｎ區(qū)擴(kuò)散。由于它們均是帶電粒子(離子),因而電子由Ｎ區(qū)向Ｐ區(qū)擴(kuò)散的同時(shí),在交界面Ｎ區(qū)剩下不能移動(dòng)(不參與導(dǎo)電)的帶正電的雜質(zhì)離子；空穴由Ｐ區(qū)向Ｎ區(qū)擴(kuò)散的同時(shí),在交界面Ｐ區(qū)剩下不能移動(dòng)(不參與導(dǎo)電)的帶負(fù)電的雜質(zhì)離子,于是形成了空間電荷區(qū)。在Ｐ區(qū)和Ｎ區(qū)的交界處形成了電場(chǎng)(稱為自建場(chǎng))。在此電場(chǎng)作用下,載流子將作漂移運(yùn),其運(yùn)動(dòng)方向正好與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方向相反,阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。電荷擴(kuò)散得越多,電場(chǎng)越強(qiáng),因而漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng),對(duì)擴(kuò)散的阻力越大。當(dāng)達(dá)到平衡時(shí),擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的作用與漂移運(yùn)動(dòng)的作用相等,通過(guò)界面的載流子總數(shù)為０,即ＰＮ結(jié)的電流為０。此時(shí)在ＰＮ區(qū)交界處形成一個(gè)缺少載流子的高阻區(qū),我們稱為阻擋層(又稱為耗盡層)。上述過(guò)程如圖１－６(ａ)、(ｂ)所示。圖1-6PN結(jié)的形成1.2.2ＰＮ結(jié)的單向?qū)щ娞匦?.ＰＮ結(jié)外加正向電壓

若將電源的正極接Ｐ區(qū),負(fù)極接Ｎ區(qū),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)與自建場(chǎng)方向相反,削弱了自建場(chǎng),使阻擋層變窄,如圖１-７(ａ)所示。顯然,擴(kuò)散作用大于漂移作用,在電源作用下,多數(shù)載流子向?qū)Ψ絽^(qū)域擴(kuò)散形成正向電流,其方向由電源正極通過(guò)Ｐ區(qū)、Ｎ區(qū)到達(dá)電源負(fù)極。

此時(shí),ＰＮ結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài),它所呈現(xiàn)出的電阻為正向電阻,其阻值很小。正向電壓愈大,正向電流愈大。其關(guān)系是指數(shù)關(guān)系：式中,ＩＤ為流過(guò)ＰＮ結(jié)的電流；U為ＰＮ結(jié)兩端電壓；

,稱為溫度電壓當(dāng)量,其中k為玻耳茲曼常數(shù),Ｔ為絕對(duì)溫度,q為電子的電量,在室溫下即Ｔ＝３００Ｋ時(shí),ＵＴ＝２６ｍＶ；ＩＳ為反向飽和電流。電路中的電阻Ｒ是為了限制正向電流的大小而接入的限流電阻。圖1-7PN結(jié)單向?qū)щ娞匦?.ＰＮ結(jié)外加反向電壓若將電源的正極接Ｎ區(qū),負(fù)極接Ｐ區(qū),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)與自建場(chǎng)方向相同,增強(qiáng)了自建場(chǎng),使阻擋層變寬,如圖１-７(ｂ)所示。此時(shí)漂移作用大于擴(kuò)散作用,少數(shù)載流子在電場(chǎng)作用下作漂移運(yùn)動(dòng),由于其電流方向與正向電壓時(shí)相反,故稱為反向電流。由于反向電流是由少數(shù)載流子所形成的,故反向電流很小,而且當(dāng)外加反向電壓超過(guò)零點(diǎn)幾伏時(shí),少數(shù)載流子基本全被電場(chǎng)拉過(guò)去形成漂移電流,此時(shí)反向電壓再增加,載流子數(shù)也不會(huì)增加,因此反向電流也不會(huì)增加,故稱為反向飽和電流,即ＩＤ＝－ＩＳ。

此時(shí),ＰＮ結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài),呈現(xiàn)的電阻稱為反向電阻,其阻值很大,高達(dá)幾百千歐以上。綜上所述：ＰＮ結(jié)加正向電壓,處于導(dǎo)通狀態(tài)；加反向電壓,處于截止?fàn)顟B(tài),即ＰＮ結(jié)具有單向?qū)щ娞匦?。將上述電流與電壓的關(guān)系寫(xiě)成如下通式：

此方程稱為伏安特性方程,如圖１-８所示,該曲線稱為伏安特性曲線。(1-1)圖1-8PN結(jié)伏安特性1.2.3ＰＮ結(jié)的擊穿

PN結(jié)處于反向偏置時(shí),在一定電壓范圍內(nèi),流過(guò)ＰＮ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(guò)某一數(shù)值(ＵＢ)后,反向電流急劇增加,這種現(xiàn)象稱為反向擊穿,如圖１-８所示。ＵＢ稱為擊穿電壓。ＰＮ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),阻擋層內(nèi)電場(chǎng)很強(qiáng),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,獲得很大的能量,在運(yùn)動(dòng)中與其它原子發(fā)生碰撞時(shí),有可能將價(jià)電子“打”出共價(jià)鍵,形成新的電子、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),如此鏈鎖反應(yīng),使反向電流迅速增大。這種擊穿稱為雪崩擊穿。所謂“齊納”擊穿,是指當(dāng)ＰＮ結(jié)兩邊摻入高濃度的雜質(zhì)時(shí),其阻擋層寬度很小,即使外加反向電壓不太高(一般為幾伏),在ＰＮ結(jié)內(nèi)就可形成很強(qiáng)的電場(chǎng)(可達(dá)2×106V/cm),將共價(jià)鍵的價(jià)電子直接拉出來(lái),產(chǎn)生電子-空穴對(duì),使反向電流急劇增加,出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。

對(duì)硅材料的ＰＮ結(jié),擊穿電壓ＵＢ大于７V時(shí)通常是雪崩擊穿,小于４V時(shí)通常是齊納擊穿；ＵＢ在４V和７V之間時(shí)兩種擊穿均有。由于擊穿破壞了ＰＮ結(jié)的單向?qū)щ娞匦?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ＰＮ結(jié)被損壞。當(dāng)PN結(jié)反向擊穿時(shí),只要注意控制反向電流的數(shù)值(一般通過(guò)串接電阻Ｒ實(shí)現(xiàn)),不使其過(guò)大,以免因過(guò)熱而燒壞ＰＮ結(jié),當(dāng)反向電壓(絕對(duì)值)降低時(shí),ＰＮ結(jié)的性能就可以恢復(fù)正常。穩(wěn)壓二極管正是利用了ＰＮ結(jié)的反向擊穿特性來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的,當(dāng)流過(guò)ＰＮ結(jié)的電流變化時(shí),結(jié)電壓保持ＵＢ基本不變。1.2.4ＰＮ結(jié)的電容效應(yīng)按電容的定義即電壓變化將引起電荷變化,從而反映出電容效應(yīng)。而ＰＮ結(jié)兩端加上電壓,ＰＮ結(jié)內(nèi)就有電荷的變化,說(shuō)明ＰＮ結(jié)具有電容效應(yīng)。ＰＮ結(jié)具有兩種電容：勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容。1.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。空間電荷區(qū)是由不能移動(dòng)的正負(fù)雜質(zhì)離子所形成的,均具有一定的電荷量,所以在ＰＮ結(jié)儲(chǔ)存了一定的電荷,當(dāng)外加電壓使阻擋層變寬時(shí),電荷量增加,如圖１-９所示；反之,外加電壓使阻擋層變窄時(shí),電荷量減少。即阻擋層中的電荷量隨外加電壓變化而改變,形成了電容效應(yīng),稱為勢(shì)壘電容,用ＣＴ表示。理論推導(dǎo)圖1-9阻擋層內(nèi)電荷量隨外加電壓變化

圖1-10勢(shì)壘電容和外加電壓的關(guān)系

2擴(kuò)散電容CD

擴(kuò)散電容是ＰＮ結(jié)在正向電壓時(shí),多數(shù)載流子在擴(kuò)散過(guò)程中引起電荷積累而產(chǎn)生的。當(dāng)ＰＮ結(jié)加正向電壓時(shí),Ｎ區(qū)的電子擴(kuò)散到Ｐ區(qū),同時(shí)Ｐ區(qū)的空穴也向Ｎ區(qū)擴(kuò)散。顯然,在ＰＮ區(qū)交界處(x＝０),載流子的濃度最高。由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),離交界處愈遠(yuǎn),載流子濃度愈低,這些擴(kuò)散的載流子在擴(kuò)散區(qū)積累了電荷,總的電荷量相當(dāng)于圖1－11中曲線１以下的部分(圖１－１１表示了Ｐ區(qū)電子ｎp的分布)。若ＰＮ結(jié)正向電壓加大,則多數(shù)載流子擴(kuò)散加強(qiáng),電荷積累由曲線１變?yōu)榍€２,電荷增加量為ΔＱ；反之,若正向電壓減少,則積累的電荷將減少。這就是擴(kuò)散電容效應(yīng)CD,擴(kuò)散電容正比于正向電流,即ＣD∝I。所以ＰＮ結(jié)的結(jié)電容Ｃｊ包括兩部分,即Cj＝ＣＴ＋ＣＤ。一般說(shuō)來(lái),ＰＮ結(jié)正偏時(shí),擴(kuò)散電容起主要作用,Ｃｊ≈ＣＤ；當(dāng)ＰＮ結(jié)反偏時(shí),勢(shì)壘電容起主要作用,即Ｃｊ≈ＣＴ。圖1-11P區(qū)中電子濃度的分布曲線及電荷的積累

1.2.5半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管是由ＰＮ結(jié)加上引線和管殼構(gòu)成的。二極管的類型很多,按制造二極管的材料分,有硅二極管和鍺二極管。從管子的結(jié)構(gòu)來(lái)分,有以下幾種類型：點(diǎn)接觸型二極管。面接觸型二極管。硅平面型二極管。圖1–12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本質(zhì)上就是一個(gè)ＰＮ結(jié),但是對(duì)于真實(shí)的二極管器件,考慮到引線電阻和半導(dǎo)體的體電阻以及表面漏電流等因素的影響,二極管的特性與ＰＮ結(jié)理論特性略有差別。實(shí)測(cè)特性曲線如圖１－１３所示,其特點(diǎn)如下：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),正向電流很小,只有當(dāng)正向電壓高于某一值后,才有明顯的正向電流。該電壓稱為導(dǎo)通電壓,又稱為門限電壓或死區(qū)電壓,用Ｕｏｎ表示。在室溫下,硅管的Ｕｏｎ約為０.６～０.８V,鍺管的Ｕｏｎ約為０.１～０.３V。通常認(rèn)為,當(dāng)正向電壓Ｕ＜Ｕon時(shí),二極管截止；Ｕ＞Ｕｏｎ時(shí),二極管導(dǎo)通。

(2)反向特性：二極管加反向電壓,反向電流數(shù)值很小,且基本不變,稱反向飽和電流。硅管反向飽和電流為納安(ｎΑ)數(shù)量級(jí),鍺管的為微安數(shù)量級(jí)。當(dāng)反向電壓加到一定值時(shí),反向電流急劇增加,產(chǎn)生擊穿。普通二極管反向擊穿電壓一般在幾十伏以上(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)溫度很敏感,溫度升高,正向特性曲線向左移,反向特性曲線向下移。其規(guī)律是：在室溫附近,在同一電流下,溫度每升高１℃,正向壓降減?。病?５ｍV；溫度每升高１０℃,反向電流約增大1倍。2.二極管的主要參數(shù)

(1)最大整流電流ＩＦ。它是二極管允許通過(guò)的最大正向平均電流。工作時(shí)應(yīng)使平均工作電流小于ＩＦ,如超過(guò)ＩＦ,二極管將過(guò)熱而燒毀。此值取決于ＰＮ結(jié)的面積、材料和散熱情況。

(2)最大反向工作電壓ＵＲ。這是二極管允許的最大工作電壓。當(dāng)反向電壓超過(guò)此值時(shí),二極管可能被擊穿。為了留有余地,通常取擊穿電壓的一半作為ＵＲ。(3)反向電流ＩＲ。指二極管未擊穿時(shí)的反向電流值。此值越小,二極管的單向?qū)щ娦栽胶?。由于反向電流是由少?shù)載流子形成,所以ＩＲ值受溫度的影響很大。

(4)最高工作頻率ｆＭ。ｆＭ的值主要取決于ＰＮ結(jié)結(jié)電容的大小,結(jié)電容越大,則二極管允許的最高工作頻率越低。(5)二極管的直流電阻ＲＤ。加到二極管兩端的直流電壓與流過(guò)二極管的電流之比,稱為二極管的直流電阻ＲＤ,即

此值可由二極管特性曲線求出,如圖1-14所示。工作點(diǎn)電壓為ＵＦ＝１.５V,電流ＩＦ＝５０ｍΑ,則（1-2）圖1-14求直流電阻圖1－15求交流電阻(6)二極管的交流電阻ｒｄ。在二極管工作點(diǎn)附近,電壓的微變值ΔＵ與相應(yīng)的微變電流值ΔＩ之比,稱為該點(diǎn)的交流電阻ｒｄ,即從其幾何意義上講,當(dāng)ΔＵ→０時(shí)(1-3)(1-4)ｒｄ就是工作點(diǎn)Ｑ處的切線斜率倒數(shù)。顯然,ｒ也是非線性的,即工作電流越大,ｒｄ越小。交流電阻ｒｄ也可從特性曲線上求出,如圖１-１５所示。過(guò)Ｑ點(diǎn)作切線,在切線上任取兩點(diǎn)Ａ、Ｂ,查出這兩點(diǎn)間的ΔＵ和ΔＩ

,則得

交流電阻rd也可利用PN結(jié)的電流方程(1-1)求出。取I的微分可得即式中,IDQ為二極管工作點(diǎn)的電流,單位取mA。式(1-5)的近似等式在室溫條件下(T=300K)成立。對(duì)同一工作點(diǎn)而言,直流電阻RD大于交流電阻rd；對(duì)不同工作點(diǎn)而言,工作點(diǎn)愈高,RD和rd愈低。(1-5)表1-1半導(dǎo)體二極管的典型參數(shù)1.2.6穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管的工作機(jī)理是利用ＰＮ結(jié)的擊穿特性。由圖１－１６(ａ)曲線可知,如果二極管工作在反向擊穿區(qū),則當(dāng)反向電流在較大范圍內(nèi)變化ΔＩ時(shí),管子兩端電壓相應(yīng)的變化ΔＵ卻很小,這說(shuō)明它具有很好的穩(wěn)壓特性。其符號(hào)如圖１－１６(ｂ)所示。

圖1-16穩(wěn)壓管伏安特性和符號(hào)使用穩(wěn)壓管組成穩(wěn)壓電路時(shí),需要注意幾個(gè)問(wèn)題：穩(wěn)壓二極管正常工作是在反向擊穿狀態(tài),即外加電源正極接管子的Ｎ區(qū),負(fù)極接Ｐ區(qū)；其次,穩(wěn)壓管應(yīng)與負(fù)載并聯(lián),由于穩(wěn)壓管兩端電壓變化量很小,因而使輸出電壓比較穩(wěn)定；必須限制流過(guò)穩(wěn)壓管的電流Ｉz,使其不超過(guò)規(guī)定值,以免因過(guò)熱而燒毀管子。同時(shí),還應(yīng)保證流過(guò)穩(wěn)壓管電流Iz大于某一數(shù)值(穩(wěn)定電流),以確保穩(wěn)壓管有良好的穩(wěn)壓特性。如圖１－１７所示,其中限流電阻Ｒ即起此作用。圖1-17穩(wěn)壓管電路1.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)定工作電壓。由于穩(wěn)定電壓隨著工作電流的不同而略有變化,因而測(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Ｕｚ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,其穩(wěn)定電壓值不同。同一型號(hào)的管子,由于制造工藝的分散性,各個(gè)管子的Ｕｚ值也有差別。例如穩(wěn)壓管２DW7C,其Ｕｚ＝６.1～６.５V,表明均為合格產(chǎn)品,其穩(wěn)定值有的管子是６.１V,有的可能是６.５V等等,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。

2.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,低于此值時(shí)穩(wěn)壓效果較差。工作時(shí)應(yīng)使流過(guò)穩(wěn)壓管的電流大于此值。一般情況是,工作電流較大時(shí),穩(wěn)壓性能較好。但電流要受管子功耗的限制,即Izmax=Pz/Uz

3.電壓溫度系數(shù)α

α指穩(wěn)壓管溫度變化１℃時(shí),所引起的穩(wěn)定電壓變化的百分比。一般情況下,穩(wěn)定電壓大于７V的穩(wěn)壓管,α為正值,即當(dāng)溫度升高時(shí),穩(wěn)定電壓值增大。如２CW１７,Ｕｚ＝９～10.5V,α＝０.０９%/℃,說(shuō)明當(dāng)溫度升高１℃時(shí),穩(wěn)定電壓增大0.09%。而穩(wěn)定電壓小于４V的穩(wěn)壓管,α為負(fù)值,即當(dāng)溫度升高時(shí),穩(wěn)定電壓值減小,如２CW11,Ｕｚ＝３.２～４.５V,α＝－(０.０５%～０.０３%)／℃,若α＝－０.０５%／℃,表明當(dāng)溫度升高１℃時(shí),穩(wěn)定電壓減小0.05%。穩(wěn)定電壓在４～７V間的穩(wěn)壓管,其α值較小,穩(wěn)定電壓值受溫度影響較小,性能比較穩(wěn)定。

4.動(dòng)態(tài)電阻rz

ｒｚ是穩(wěn)壓管工作在穩(wěn)壓區(qū)時(shí),兩端電壓變化量與電流變化量之比,即ｒｚ＝ΔＵ／ΔＩ。ｒｚ值越小,則穩(wěn)壓性能越好。同一穩(wěn)壓管,一般工作電流越大時(shí),ｒｚ值越小。通常手冊(cè)上給出的ｒｚ值是在規(guī)定的穩(wěn)定電流之下測(cè)得的。5.額定功耗Pz

由于穩(wěn)壓管兩端的電壓值為Ｕｚ,而管子中又流過(guò)一定的電流,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。Ｐｚ取決于穩(wěn)壓管允許的溫升。表１-２給出幾種穩(wěn)壓管的典型參數(shù)。其中２DW7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,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),一個(gè)二極管被反向偏置,溫度系數(shù)為正值；而另一個(gè)二極管被正向偏置,溫度系數(shù)為負(fù)值,二者互相補(bǔ)償,使１、２兩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)壓管約小一個(gè)數(shù)量級(jí)。如２DW7C,α=0.005%/℃。表1–2穩(wěn)壓管的典型參數(shù)1.2.7二極管的應(yīng)用二極管的運(yùn)用基礎(chǔ),就是二極管的單向?qū)щ娞匦?因此,在應(yīng)用電路中,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ＵＤ＝０.７V(硅管,如是鍺管用０.３V)代替,或近似用短路線代替。截止時(shí),一般將二極管斷開(kāi),即認(rèn)為二極管反向電阻為無(wú)窮大。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

當(dāng)輸入信號(hào)電壓在一定范圍內(nèi)變化時(shí),輸出電壓隨輸入電壓相應(yīng)變化；而當(dāng)輸入電壓超出該范圍時(shí),輸出電壓保持不變,這就是限幅電路。通常將輸出電壓uo開(kāi)始不變的電壓值稱為限幅電平,當(dāng)輸入電壓高于限幅電平時(shí),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),輸出電壓保持不變的限幅稱為下限幅。限幅電路如圖１-１８所示。改變Ｅ值就可改變限幅電平。圖1–18并聯(lián)二極管上限幅電路

Ｅ＝０V,限幅電平為０V。uｉ＞０時(shí)二極管導(dǎo)通,uo＝０V；ui＜０V,二極管截止,uo＝uｉ。波形如圖１-19(a)所示。如果０＜Ｅ＜Um,則限幅電平為＋Ｅ。uｉ＜Ｅ,二極管截止,uo＝uｉ；uｉ＞Ｅ,二極管導(dǎo)通,uo＝Ｅ。波形圖如圖１-１９(ｂ)所示。如果－Ｕm＜Ｅ＜０,則限幅電平為-E,波形圖如圖１-19(ｃ)所示。圖1-19二極管并聯(lián)上限幅電路波形關(guān)系圖1-20并聯(lián)下限幅電路圖1-21串聯(lián)限幅電路圖1-22雙向限幅電路

2二極管門電路二極管組成門電路,可實(shí)現(xiàn)一定的邏輯運(yùn)算。如圖１－23所示。該電路中只要有一路輸入信號(hào)為低電平,輸出即為低電平；僅當(dāng)全部輸入均為高電平時(shí),輸出才為高電平。這在邏輯運(yùn)算中稱為“與”運(yùn)算。圖1-23二極管“與”門電路1.2.8其它二極管

1.發(fā)光二極管

發(fā)光二極管簡(jiǎn)稱LED,它是一種將電能轉(zhuǎn)換為光能的半導(dǎo)體器件,主要是由Ⅲ～Ⅴ族化合物半導(dǎo)體如砷化鎵(GaAs)、磷化鎵(GaP)制成,其符號(hào)如圖1－24所示。它由一個(gè)PN結(jié)組成。當(dāng)加正向電壓時(shí),P區(qū)和N區(qū)的多數(shù)載流子擴(kuò)散至對(duì)方與多數(shù)載流子復(fù)合,復(fù)合過(guò)程中,有一部分以光子的形式放出,使二極管發(fā)光。發(fā)出的光波可以是紅外光或可見(jiàn)光。砷化鎵是發(fā)射紅外光,如果在砷化鎵中摻入一些磷即可發(fā)出紅色可見(jiàn)光；而磷化鎵可發(fā)綠光。發(fā)光二極管常用作顯示器件,如指示燈、七段數(shù)碼管,矩陣顯示器等。工作時(shí)加正向電壓,并接入限流電阻,工作電流一般為幾毫安至幾十毫安。電流愈大,發(fā)出的光愈強(qiáng),但是會(huì)出現(xiàn)亮度衰退的老化現(xiàn)象,使用壽命將縮短。發(fā)光二極管導(dǎo)通時(shí)管壓降為1.8V~2.2V。圖1-24發(fā)光二極管符號(hào)

2.光電二極管光電二極管是將光能轉(zhuǎn)換為電能的半導(dǎo)體器件。光電二極管的符號(hào)如圖1-25所示。其結(jié)構(gòu)與普通二極管相似,只是在管殼上留有一個(gè)能使光線照入的窗口。光電二極管被光照射時(shí),產(chǎn)生大量的電子和空穴,從而提高了少子的濃度,在反向偏置下,產(chǎn)生漂移電流,從而使反向電流增加。這時(shí)外電路的電流隨光照的強(qiáng)弱而改變,此外還與入射光的波長(zhǎng)有關(guān)。圖1-25光電二極管符號(hào)

3.光電耦合器件將光電二極管和發(fā)光二極管組合起來(lái)可組成二極管型的光電耦合器。如圖1－26所示,它以光為媒介可實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的傳遞。在輸入端加入電信號(hào),則發(fā)光二極管的光隨信號(hào)而變,它照在光電二極管上則在輸出端產(chǎn)生了與信號(hào)變化一致的電信號(hào)。由于發(fā)光器件和光電器件分別接在輸入、輸出回路中,相互隔離,因而常用于信號(hào)的單方向傳輸,但需要電路間電隔離的場(chǎng)合。通常光電耦合器用在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的接口電路中。圖1-26光電耦合器件

4.變?nèi)荻O管利用PN結(jié)的勢(shì)壘電容隨外加反向電壓的變化特性可制成變?nèi)荻O管,其符號(hào)如圖1-27所示。變?nèi)荻O管主要用于高頻電子線路,如電子調(diào)諧、頻率調(diào)制等。圖1-27變?nèi)荻O管符號(hào)1.3半導(dǎo)體三極管圖1-28幾種半導(dǎo)體三極管的外形1.3.1三極管的結(jié)構(gòu)及類型圖1–29三極管的結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)無(wú)論是NPN型或是PNP型的三極管,它們均包含三個(gè)區(qū):發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)。三極管的三個(gè)區(qū)相應(yīng)地引出三個(gè)電極：發(fā)射極（e)、基極(b)和集電極(c)。同時(shí),在三個(gè)區(qū)的兩兩交界處,形成兩個(gè)PN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,因此共有四種三極管類型。它們對(duì)應(yīng)的型號(hào)分別為：3A(鍺PNP)、3B(鍺NPN)、3C(硅PNP)、3D(硅NPN)四種系列。由于硅NPN三極管用得最廣,故在無(wú)特殊說(shuō)明時(shí),下面均以硅NPN三極管為例來(lái)講述。1.3.2三極管的三種連接方式因?yàn)榉糯笃饕话闶?端網(wǎng)絡(luò),而三極管只有3個(gè)電極,所以組成放大電路時(shí),勢(shì)必要有一個(gè)電極作為輸入與輸出信號(hào)的公共端。根據(jù)所選擇的公共端電極的不同，三極管有共發(fā)射極、共基極和共集電極三種不同的連接方式(對(duì)交流信號(hào)而言),如圖1－30所示。圖1-30三極管的三種連接方式1.3.3三極管的放大作用三極管盡管從結(jié)構(gòu)上看,相當(dāng)于兩個(gè)二極管背靠背地串聯(lián)在一起，但是,當(dāng)我們用單獨(dú)的兩個(gè)二極管按上述關(guān)系串聯(lián)起來(lái)時(shí)將會(huì)發(fā)現(xiàn),它們并不具有放大作用。其原因是,為了使三極管實(shí)現(xiàn)放大,必須由三極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部條件來(lái)保證。從三極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)看,應(yīng)具有以下三點(diǎn)：第一,發(fā)射區(qū)進(jìn)行重?fù)诫s,因而多數(shù)載流子電子濃度遠(yuǎn)大于基區(qū)多數(shù)載流子空穴濃度。第二,基區(qū)做得很薄,通常只有幾微米到幾十微米,而且是低摻雜。第三,集電極面積大,以保證盡可能收集到發(fā)射區(qū)發(fā)射的電子。

1.載流子的傳輸過(guò)程我們分三個(gè)過(guò)程討論三極管內(nèi)部載流子的傳輸過(guò)程。

(1)發(fā)射。由于發(fā)射結(jié)正向偏置,則發(fā)射區(qū)的電子大量地?cái)U(kuò)散注入到基區(qū),與此同時(shí),基區(qū)的空穴也向發(fā)射區(qū)擴(kuò)散。由于發(fā)射區(qū)是重?fù)诫s,因而注入到基區(qū)的電子濃度,遠(yuǎn)大于基區(qū)向發(fā)射區(qū)擴(kuò)散的空穴數(shù),在下面的分析中,將這部分空穴的作用忽略不計(jì)。

(2)擴(kuò)散和復(fù)合。由于電子的注入,使基區(qū)靠近發(fā)射結(jié)處電子濃度很高。集電結(jié)反向運(yùn)用,使靠近集電結(jié)處的電子濃度很低(近似為０)。因此在基區(qū)形成電子濃度差,從而電子靠擴(kuò)散作用,向集電區(qū)運(yùn)動(dòng)。電子擴(kuò)散的同時(shí),在基區(qū)將與空穴相遇產(chǎn)生復(fù)合。由于基區(qū)空穴濃度比較低,且基區(qū)做得很薄,因此,復(fù)合的電子是極少數(shù),絕大多數(shù)電子均能擴(kuò)散到集電結(jié)處,被集電極收集。

(3)收集。由于集電結(jié)反向運(yùn)用,在結(jié)電場(chǎng)作用下,通過(guò)擴(kuò)散到達(dá)集電結(jié)的電子將作漂移運(yùn)動(dòng),到達(dá)集電區(qū)。因?yàn)?集電結(jié)的面積大,所以基區(qū)擴(kuò)散過(guò)來(lái)的電子,基本上全部被集電區(qū)收集。此外,因?yàn)榧娊Y(jié)反向偏置,所以集電區(qū)中的空穴和基區(qū)中的電子(均為少數(shù)載流子)在結(jié)電場(chǎng)作用下作漂移運(yùn)動(dòng)。上述載流子的傳輸過(guò)程如圖１－31所示。圖1–31三極管中載流子的傳輸過(guò)程2.電流分配圖1-32三極管電流分配

集電極電流ＩＣ由兩部分組成：ＩＣｎ和ＩＣＢＯ,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,稱為反向飽和電流。于是有

ＩＣ＝ＩＣｎ＋ＩＣＢＯ(1-6)

發(fā)射極電流ＩＥ也由兩部分組成：ＩＥｎ和ＩＥｐ。ＩＥｎ為發(fā)射區(qū)發(fā)射的電子所形成的電流,ＩＥｐ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?fù)诫s,所以ＩＥｐ忽略不計(jì),即ＩＥ≈ＩＥｎ。ＩＥｎ又分成兩部分,主要部分是ＩＣｎ,極少部分是ＩＢｎ。ＩＢｎ是電子在基區(qū)與空穴復(fù)合時(shí)所形成的電流,基區(qū)空穴是由電源ＵＢＢ提供的,故它是基極電流的一部分?；鶚O電流ＩＢ是ＩＢｎ與ＩＣＢＯ之差：(1-7)(1-8)

發(fā)射區(qū)注入的電子絕大多數(shù)能夠到達(dá)集電極,形成集電極電流,即要求ＩＣｎ>>ＩＢｎ。通常用共基極直流電流放大系數(shù)衡量上述關(guān)系,用α來(lái)表示,其定義為(1-9)一般三極管的α值為0.97～0.99。將(１-９)式代入(１-６)式,可得(1-10)通常ＩＣ>>ＩCBO,可將ＩＣＢＯ忽略,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,即將此式代入(1-10)式得(1-12)經(jīng)過(guò)整理后得令

β稱為共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)。當(dāng)IC>>ICBO時(shí),β又可寫(xiě)成(1-13)(1-14)則其中ICEO稱為穿透電流,即一般三極管的β約為幾十～幾百。β太小,管子的放大能力就差,而β過(guò)大則管子不夠穩(wěn)定。(1-15)(1-16)表1-3三極管電流關(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從表中可看出,任一列三個(gè)電流之間的關(guān)系均符合公式ＩＥ＝ＩＣ＋ＩＢ,而且除一、二列外均符合以下關(guān)系：相應(yīng)地,將集電極電流與發(fā)射極電流的變化量之比,定義為共基極交流電流放大系數(shù),即我們還可看出,當(dāng)三極管的基極電流ＩＢ有一個(gè)微小的變化時(shí),例如由０.０２mA變?yōu)椋?０４mA(ΔＩＢ＝０.０２mA),相應(yīng)的集電極電流產(chǎn)生了較大的變化,由1.14mA變?yōu)?.33mA(ΔＩＣ＝1.19mA),這就說(shuō)明了三極管的電流放大作用。我們定義這兩個(gè)變化電流之比為共發(fā)射極交流電流放大系數(shù),即(1-17)(1-18)故(1-19)

顯然β與β,α與α其意義是不同的,但是在多數(shù)情況下β≈β,α≈α。例如,從表１-３知,在ＩＢ＝００３mA附近,設(shè)ＩＢ由００２mA變?yōu)椋埃埃磎A,可求得1.3.4三極管的特性曲線圖1–33三極管共發(fā)射極特性曲線測(cè)試電路1.輸入特性

當(dāng)ＵＣＥ不變時(shí),輸入回路中的電流ＩＢ與電壓ＵＢＥ之間的關(guān)系曲線稱為輸入特性,即圖1-34三極管的輸入特性

ＵＣＥ＝０V時(shí),從三極管的輸入回路看,相當(dāng)于兩個(gè)ＰＮ結(jié)(發(fā)射結(jié)和集電結(jié))并聯(lián)。當(dāng)ｂ、ｅ間加上正電壓時(shí),三極管的輸入特性就是兩個(gè)正向二極管的伏安特性。

ＵＣＥ≥１V,ｂ、ｅ間加正向電壓,此時(shí)集電極的電位比基極高,集電結(jié)為反向偏置,阻擋層變寬,基區(qū)變窄,基區(qū)電子復(fù)合減少,故基極電流IB下降。與ＵＣＥ＝０V時(shí)相比,在相同的條件下,ＩＢ要小得多。結(jié)果輸入特性將右移。當(dāng)ＵＣＥ繼續(xù)增大時(shí),嚴(yán)格地講,輸入特性應(yīng)該繼續(xù)右移。但是,當(dāng)ＵＣＥ大于某一數(shù)值以后(如１V),在一定的ＵＢＥ之下,集電結(jié)的反向偏置電壓已足以將注入基區(qū)的電子基本上都收集到集電極,此時(shí)ＵＣＥ再增大,ＩＢ變化不大。因此ＵＣＥ＞１V以后,不同ＵＣＥ值的各條輸入特性幾乎重疊在一起。所以常用ＵＣＥ＞１V(例如２V)的一條輸入特性曲線來(lái)代表ＵＣＥ更高的情況。2.輸出特性

當(dāng)ＩＢ不變時(shí),輸出回路中的電流ＩＣ與電壓ＵＣＥ之間的關(guān)系曲線稱為輸出特性,即圖1-35三極管的輸出特性

(1)截止區(qū)。

一般將ＩＢ≤０的區(qū)域稱為截止區(qū),在圖中為ＩＢ＝０的一條曲線的以下部分。此時(shí)ＩＣ也近似為零。由于各極電流都基本上等于零,因而此時(shí)三極管沒(méi)有放大作用。其實(shí)ＩＢ＝０時(shí),ＩＣ并不等于零,而是等于穿透電流ICEO。一般硅三極管的穿透電流小于１μA,在特性曲線上無(wú)法表示出來(lái)。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),發(fā)射區(qū)不再向基區(qū)注入電子,則三極管處于截止?fàn)顟B(tài)。所以,在截止區(qū),三極管的兩個(gè)結(jié)均處于反向偏置狀態(tài)。對(duì)ＮＰＮ三極管,ＵＢＥ＜０,ＵBC＜０。(2)放大區(qū)。

此時(shí)發(fā)射結(jié)正向運(yùn)用,集電結(jié)反向運(yùn)用。在曲線上是比較平坦的部分,表示當(dāng)ＩＢ一定時(shí),ＩＣ的值基本上不隨ＵCE而變化。在這個(gè)區(qū)域內(nèi),當(dāng)基極電流發(fā)生微小的變化量ΔＩＢ時(shí),相應(yīng)的集電極電流將產(chǎn)生較大的變化量ΔＩＣ,此時(shí)二者的關(guān)系為ΔＩＣ＝βΔＩＢ該式體現(xiàn)了三極管的電流放大作用。對(duì)于ＮＰＮ三極管,工作在放大區(qū)時(shí)ＵＢＥ≥０.７V,而ＵＢＣ＜０。(3)飽和區(qū)。

曲線靠近縱軸附近,各條輸出特性曲線的上升部分屬于飽和區(qū)。在這個(gè)區(qū)域,不同ＩＢ值的各條特性曲線幾乎重疊在一起,即當(dāng)ＵＣＥ較小時(shí),管子的集電極電流