《電子技術》課件第1章

第1章半導體基本知識及其器件1.1

半導體基本知識1.2半導體二極管1.3半導體三極管1.4場效應管本章小結習題一1.1半導體基本知識

1.1.1概述

1.半導體的概念自然界中的物質按其導電性能不同分為導體、半導體和絕緣體三類。大多數(shù)金屬為導體;塑料、玻璃、橡膠等為絕緣體;另外還有一些物質如硅(Si)、鍺(Ge)、砷化鎵(GaAs)等,它們的導電能力介于導體和絕緣體之間,我們稱之為半導體(semiconductor)。半導體之所以能成為制作半導體元器件的材料,并不是因為它的導電能力介于導體和絕緣體之間,而是由于它具有一些獨特的導電性能。

2.半導體的特性由于組成物質的內部結構不同,半導體具有如下特殊性質。(1)熱敏特性。大多數(shù)半導體對溫度的變化很敏感,且其導電能力會隨溫度的升高而明顯增強,這種特性稱為熱敏特性。利用該特性可以將某些半導體制成各種熱敏元器件,例如熱敏電阻器、溫度傳感器等。

(2)光敏特性。許多半導體在受到光的照射后,其導電能力會變得很強,這種特性稱為光敏特性。例如,硫化鎘在常態(tài)時的電阻值高達幾十千歐,而在受到光照后,其電阻值可下降至幾十歐。利用這種特性可制成各種光電元件或器件,如光敏電阻、光電二極管、光電探測器件等。此外,半導體還具有被光照射后產(chǎn)生電動勢的性質,太陽能電池就是其應用實例。

(3)摻雜特性。在純凈的半導體中摻入微量的某種物質(通常稱為雜質)后,半導體的導電能力就可能提高幾十萬乃至幾百萬倍,半導體的這種特性稱為摻雜特性。利用此特性可制成各種半導體器件,如二極管、三極管、場效應管和晶閘管等。

(4)接觸作用及整流特性。實驗證實,在半導體與金屬的接觸面上具有整流作用。例如,在一塊N型半導體上豎立一根金屬針,并接上一交流電壓,則電流從金屬針向N型半導體方向的流動較易,而反方向的流動則較難,這樣的接觸作用稱為整流作用。這對于檢波二極管、整流二極管的制作有重要的啟示作用。

3.半導體的分類半導體按材料劃分,用得最多的有硅(Si)和鍺(Ge)半導體,它們都是四價元素;按是否摻雜,半導體又可分為本征半導體和雜質半導體。1.1.2本征半導體本征半導體是指具有完全的晶體結構的純凈半導體。當本征半導體在室溫下或受到光照及其他外界能量的激發(fā)時,會產(chǎn)生一定數(shù)量的可移動的、帶負電的自由電子和帶正電的、可移動的空穴,即在本征半導體中,自由電子和空穴是成對出現(xiàn)的,電子數(shù)=空穴數(shù)。這種現(xiàn)象稱為本征激發(fā),如圖1.1.1所示。圖1.1.1本征半導體的結構示意圖當有外電場作用時,自由電子和空穴均能作定向移動而形成電流,此時它們都是載流子,即在半導體中有電子和空穴兩種載流子參與導電。因此,本征半導體的導電能力的大小取決于自由電子和空穴數(shù)目的多少,而其數(shù)目的多少又與溫度等因素有關。在常溫下的電子－空穴對是很少的,因而本征半導體的導電能力很差,難以制造出有實用價值的半導體器件。若在本征半導體中摻入某些微量的其他元素,則半導體的導電性能又是怎樣的呢？1.1.3雜質半導體在本征半導體中,人為地摻入極其微量的其他元素(稱為雜質),可以制成雜質半導體。根據(jù)摻入雜質的不同,可分為電子型半導體和空穴型半導體兩種。因為電子帶負電(Negative),所以電子型半導體又稱為N型半導體;因為空穴帶正電(Positive),所以空穴型半導體又稱為P型半導體。

1.N型半導體在本征半導體中摻入少量的五價元素如磷(P)等,在常溫下,一個磷原子很容易在釋放一個自由電子的同時而成為不能移動的正離子,加上由于本征激發(fā)產(chǎn)生的空穴－電子對,此時自由電子數(shù)遠多于空穴數(shù),以自由電子導電為主,稱為N型半導體,如圖1.1.2所示。自由電子在這里是多數(shù)載流子,稱為多子;空穴是少數(shù)載流子,稱為少子。圖1.1.2

N型半導體

2.P型半導體在本征半導體中摻入微量的三價元素如硼(B)等,在常溫下,一個硼原子很容易在形成一個空穴的同時而本身成為不能移動的負離子,加上由于本征激發(fā)產(chǎn)生的空穴－電子對,此時空穴數(shù)遠多于自由電子數(shù),以空穴導電為主。這種半導體稱為P型半導體,如圖1.1.3所示?？昭ㄔ谶@里是多子,而自由電子是少子。圖1.1.3

P型半導體1.1.4

PN結的形成利用特殊的摻雜工藝,在同一塊單晶硅(或鍺)片的一邊形成P型半導體區(qū)間(P區(qū)),另一邊形成N型半導體區(qū)間(N區(qū)),于是在兩種雜質半導體的交界處存在電子和空穴的濃度差,P區(qū)的空穴向N區(qū)擴散,N區(qū)的電子向P區(qū)擴散,在交界面兩側留下了不能移動的正負離子層。N區(qū)失去電子產(chǎn)生正離子,P區(qū)失去空穴產(chǎn)生負離子,于是在交界面處形成一個很薄的、相對穩(wěn)定的正負離子區(qū),稱為空間電荷區(qū),即所謂的PN結,如圖1.1.4所示。圖1.1.4平衡狀態(tài)下的PN結在PN結內,固定的正、負離子間必然會產(chǎn)生一個空間電場E,這個電場稱為內建電場,簡稱內電場。內電場對擴散運動起阻礙作用,電子和空穴的擴散運動隨著內電場的加強而逐步減弱,直至達到平衡,形成穩(wěn)定的空間電荷區(qū),即PN結。1.1.5

PN結的特性

1.正偏導通當PN結的P區(qū)接外電源正極、N區(qū)接外電源負極時,這種在PN結上加正向電壓的方式稱為正向偏置(簡稱正偏)。如圖1.1.5所示,當PN結正偏后,外電場使空間電荷區(qū)變窄,形成較大的電流,稱為正向電流IF,它隨著正向電壓的增加而增大。所以,當PN結正偏時,其正向電阻很小,可有很大的正向電流流過,此時稱為PN結導通。圖1.1.5

PN結正偏

2.反偏截止將PN結的P區(qū)接外電源的負極、N區(qū)接外電源的正極,這種在PN結上加反向電壓的方式稱為反向偏置(簡稱反偏)。如圖1.1.6所示,外電場使空間電荷區(qū)展寬,內電場增強,只能形成很小的電流,稱為反向電流IR,通常它不隨反向電壓而改變,故又稱為反向飽和電流IS。因此,當PN結反偏時,其反向電阻很大,常溫下,只有很小的反向電流流過,PN結基本不導電,此時稱為PN結截止。但當溫度升高時,由于導電粒子數(shù)增多,反向電流也就增大。溫度每升高10℃,反向電流約增加一倍。

3.PN結的反向擊穿特性當PN結反偏時,如果外加的反向電壓增大到一定數(shù)值,則反向電流會突然增加,這種現(xiàn)象稱為PN結的反向擊穿。發(fā)生擊穿所需要的電壓稱為反向擊穿電壓U(BR)。PN結被擊穿后,如果擊穿本身并沒有破壞PN結,則當反向電壓降下來以后,其性能可以恢復,此種擊穿稱為電擊穿。如果對其電流不加限制,則PN結有可能由于過熱而造成永久性損壞,這種擊穿稱為熱擊穿。在實際應用中,一定要避免出現(xiàn)熱擊穿。1.2半導體二極管1.2.1概述

半導體二極管簡稱二極管,是有源器件中最普通、最簡單的一種,其種類很多,應用廣泛。

1.二極管的分類

二極管的種類很多,其分類方法也有多種。

(1)按半導體材料不同,二極管可分為硅(Si)二極管、鍺(Ge)二極管以及砷化鎵(GaAs)二極管等。

(2)按用途不同,二極管可分為整流二極管、檢波二極管、穩(wěn)壓二極管、開關二極管、發(fā)光二極管、光敏二極管以及磁敏二極管等。

(3)按外殼封裝材料劃分,有塑料封裝、玻璃封裝和金屬封裝等。其中,普通二極管多采用塑料封裝;大功率整流二極管多采用金屬封裝,并且有一個螺帽,以便固定在散熱器上;檢波二極管多采用玻璃封裝等。

(4)按二極管的內部結構,可分為點接觸型、面接觸型和平面型等。另外,為適應小型化的發(fā)展,也為了降低成本,較新的設計都采用體積小的貼片二極管。圖1.2.1給出了部分二極管的實物圖。圖1.2.1部分二極管的實物圖

2.二極管的結構和符號如圖1.2.2(a)所示,在一個PN結的兩端各加上相應的電極引線,并用管殼封裝起來(若為集成電路,則不單獨封裝),就構成了一個二極管。由P區(qū)引出的電極稱為正極,由N區(qū)引出的電極稱為負極,其電路符號如圖1.2.2(b)所示,其箭頭方向表示正向電流的流通方向。二極管常用文字符號V或VD

表示。二極管的命名方法見附錄。圖1.2.2二極管的結構和符號1.2.2二極管的伏安特性二極管的伏安特性是指二極管兩端的電壓降uD與流過管子的電流iD之間的關系,用曲線可形象地表示出來。如圖1.2.3所示,可以通過逐點測試描繪,也可以用晶體管圖示儀直接描繪。由圖1.2.3可見,二極管的伏安特性有正向特性和反向特性兩部分。圖1.2.3二極管的伏安特性曲線

1.正向特性當二極管的正極接外電源的正極(或高電位),負極接外電源的負極(或低電位)時,二極管加了正向電壓,此時二極管兩端的電壓與流過管子的電流之間的關系曲線對應于圖1.2.3的OB段,為正向特性曲線。在正向特性的起始部分OA段,由于加在二極管上的正向電壓較小,外電場不足以克服PN結的內電場,因此二極管呈現(xiàn)較大的電阻值,此時的正向電流IF很小,幾乎為零。這一段所對應的電壓為死區(qū)電壓。其大小與PN結的材料及環(huán)境溫度有關。通常,硅二極管的死區(qū)電壓約為0.5V,鍺管的約為0.1V。當正向電壓升高到大于死區(qū)電壓時,內電場被大大削弱,正向電流增加很快,而正向電阻變得很小,二極管正向導通,正向電流隨著正向電壓的微增而猛增,其特性曲線變得很陡,二極管兩端電壓幾乎恒定,如圖1.2.3中AB段所示。通常,將二極管進入正向導通區(qū)的正向電壓稱為正向導通電壓(或管壓降)UD(on)。硅管的導通電壓約為0.7V,鍺管的約為0.2V。二極管的正向特性曲線說明:當二極管外加正向電壓時并不一定能導通,必須是正向電壓達到或超過導通電壓UD(on)時,二極管才真正導通。

2.反向特性當二極管(正極接低電位,負極接高電位)加上反向電壓時,外電場加強了PN結的內電場,二極管內只形成很小的反向電流IR。由于室溫下在相當大的反向電壓范圍內,反向電流IR幾乎恒定,因此稱為反向飽和電流IS,如圖1.2.3中OC段所示。一般硅管的反向電流比鍺管小得多,例如小功率硅管的反向飽和電流IS小于0.1μA,鍺管為幾十微安。反向飽和電流受溫度影響很大,當溫度升高時,反向飽和電流會成倍地增大,所以,硅管的溫度穩(wěn)定性比鍺管的要好。

3.反向擊穿特性當加在二極管上的反向電壓增加時,在起始一段,反向電流沒多大變化。但當反向電壓增加到某一數(shù)值時,反向電流劇增,二極管反向導通,這種現(xiàn)象稱為二極管的反向擊穿特性,如圖1.2.3中CD段所示。發(fā)生擊穿時的電壓叫反向擊穿電壓,常用UBR表示。反向擊穿電壓一般很高,低的幾十伏,高的幾千伏。反向擊穿的二極管一般被損壞后就不能使用了。所以,在實際應用中,應將外加反向電壓限制在一定范圍內(＜UBR),限制反向電流,避免管子出現(xiàn)反向擊穿而燒壞。二極管的反向特性曲線說明:當二極管加反向電壓時是截止的,不能導通;當反向電壓達到反向擊穿電壓UBR時,二極管會被反向擊穿而導通。由特性曲線可直觀地看出:通過二極管的電流與加在其兩端的電壓不成線性關系(近似成指數(shù)關系),所以二極管是非線性器件。

4.溫度對二極管特性的影響溫度對二極管的特性有顯著的影響。當溫度升高時,正向特性曲線向左移,反向特性曲線向下移。變化規(guī)律是:在室溫附近,溫度每升高1℃,正向壓降約減小2~2.5mV;溫度每升高10℃,反向電流約增大一倍。1.2.3二極管的等效電路由于二極管是一個非線性器件,當對其電路進行定量分析時會很困難,因此在工程上,通常用一定條件下的相應等效電路(或電路模型)來代替二極管,從而簡化計算。

1.理想二極管的等效電路理想二極管就是忽略二極管的正向導通電壓與反向工作時的反向電流,即認為其伏安特性曲線如圖1.2.4(a)中實線所示(虛線為二極管的實際伏安特性曲線)。此時給二極管施加正向電壓,二極管導通,其正向電壓降為零,二極管相當于短路,對應圖1.2.4(a)中正的縱半軸,即相當于開關閉合,對應圖1.2.4(b);加反向電壓時,二極管截止,其反向電阻無限大,反向電流為零,二極管相當于開路,對應圖1.2.4(a)中負的橫半軸,即相當于開關斷開,對應圖1.2.4(c),這時的二極管稱為理想二極管,其實質是把二極管看成一個理想開關。此即為二極管的理想開關模型。圖1.2.4理想二極管的開關等效示意圖

2.保留正向導通電壓UD(on)的等效電路二極管正向導通時,其兩端有一定的電壓,由于伏安特性曲線很陡,近似地認為導通電壓恒定不變,因此其伏安特性曲線如圖1.2.5(a)中實線所示。圖1.2.5(b)畫出了保留正向導通電壓時二極管導通的等效電路。這種情況實質是把二極管看成為一個理想二極管和電壓源UD(on)相串聯(lián)。當外加正向電壓超過導通電壓UD(on)時,二極管導通,且認為二極管上的管壓降不再變化(恒壓降),就等于UD(on);當外加電壓為正向電壓但小于導通電壓UD(on)或外加反向電壓時,二極管截止,反向電阻為無限大,反向電流為零,二極管相當于開路。此即為普通二極管的開關模型,也稱恒壓降模型。圖1.2.5普通二極管的恒壓降等效示意圖以上分析的二極管的開關等效電路模型都是一種工程近似的思想,到底在什么情況下用什么模型還要視具體情況而定,例如當外加電源電壓遠大于二極管的管壓降時,可采用理想二極管模型,將二極管的管壓降略去進行計算,所得結果與實際值誤差不大;當電源電壓較低時,采用恒壓降模型較為合理。此外,在數(shù)字電路中二極管通常作為理想開關使用。

【例1.2.1】如圖1.2.6(a)所示接有二極管的電路,試回答以下問題:

(1)分析二極管處于何種狀態(tài)，并分別用二極管的恒壓降模型和理想模型求電路中的輸出電壓UO值。(當無特別說明時,一般認為二極管為硅管,全書同。)

(2)若U1和U2分別換成3V和1V呢？

(3)若U1和U2的極性都換成上負下正,那么結果怎樣？圖1.2.6例1.2.1圖

解:(1)假設先將A、B兩點斷開(即二極管不接入電路中),如圖1.2.6(b)所示,則UA=10V,UB=5V,可見重新接入二極管后,二極管的正極電位(=UA)將高于負極電位(=UB),二極管處于正向導通狀態(tài)。當二極管為恒壓降模型時,原電路的等效電路如圖1.2.6(c)所示,則實際UAB=UD(on)=0.7V,所以

UO=U1－UAB=10V－0.7V=9.3V當二極管為理想模型時,原電路的等效電路如圖1.2.6(d)所示,實際UAB=0V,所以UO=U1－UAB=10V－0V=10V結論:10V和9.3V數(shù)值很接近,說明當外加電源電壓U1(=10V)遠大于二極管的管壓降UD(on)(=0.7V)時,可采用理想二極管模型,將二極管的管壓降略去進行計算,所得結果與實際值誤差不大。

(2)當U1=3V,U2=1V時,同樣假設先將A、B斷開(即斷開二極管),則UA=3V,UB=1V,可見重新接入二極管后,二極管的正極電位將高于負極電位,二極管仍處于正向導通狀態(tài)。當二極管為恒壓降模型時,實際UAB=UD(on)=0.7V,所以UO=U1－UAB=3V－0.7V=2.3V當二極管為理想模型時,實際UAB=0V,所以UO=U1－UAB=3V－0V=3V結論:當外加電源電壓U1(=3V)與二極管的管壓降接近時,采用恒壓降模型較合理。

(3)若U1和U2的極性都換成上負下正,則二極管的正極電位將低于負極電位,二極管處于反向截止狀態(tài),電路中電流為0,所以電阻R上的壓降為0,UO=U2。

【例1.2.2】如圖1.2.7(a)所示電路中,設二極管為理想模型。求電路中輸出電壓UO的值,并說明二極管處于何種狀態(tài)。

解:假設先將V1、V2斷開,則UB1=0V,UB2=－12V,UA=－9V,所以將V1、V2重新接入后,V1導通,UA被V1鉗位在0V,V2一定截止。原電路的等效電路如圖1.2.7(b)所示,所以UO=UAB1=0－0=0V。圖1.2.7例1.2.2圖1.2.4二極管的主要參數(shù)二極管的參數(shù)是其性能和適用范圍的定量指標。了解二極管的主要參數(shù),對于合理選用二極管,正確使用和測試二極管及進行相關電路分析是很有好處的。二極管的參數(shù)一般可以從晶體管手冊中查到,也可從特性曲線上求得,或直接測量得到。二極管的主要技術參數(shù)如下所述。

1.最大整流電流IFM

IFM是指二極管長期運行時允許承受的最大正向平均電流,其大小由PN結的面積和散熱條件決定。在選用二極管時,工作電流應限制在IFM以下,若超過此值,則將因過流導致結溫過高而燒毀二極管。

2.最高反向工作電壓URM

URM是指二極管運行時允許承受的最大反向峰值電壓值。若超過此值,則二極管就有被反向擊穿的危險。為避免二極管被反向擊穿,通常將二極管的反向擊穿電壓UBR的一半定為URM,而器件手冊中給出的URM=(1/2～2/3)UBR。

3.反向電流IR

反向電流是二極管在未擊穿時反向電流的數(shù)值。IR值越小,管子的單向導電性越好,工作越穩(wěn)定。溫度對IR影響很大,在使用時應注意環(huán)境溫度不宜過高。

4.最高允許工作頻率fM

最高允許工作頻率是指保證二極管單向導電作用的工作頻率的上限值。fM主要由PN結的結電容大小決定,PN結的結電容越大,fM就越小。例如點接觸型的鍺二極管,由于其PN結面積較小,因此其PN結的結電容很小,其fM可達數(shù)百兆赫茲;面接觸型的硅整流管其fM只有3kHz。在使用時,如果工作頻率超過fM,則結電容的容抗(XC=1/(ωC))將變小,使二極管在反向偏置下的等效阻抗值變小,反向電流增大,使二極管的單向導電性能變差,甚至失去單向導電特性。

5.二極管的等效電阻二極管端電壓與流過的電流之比稱為二極管的等效電阻。二極管是一個非線性器件,不同的端電壓,會有不同的等效電阻。二極管的等效電阻在不同工作狀態(tài)下也有不同數(shù)值。二極管的等效電阻通常有直流電阻(又稱為靜態(tài)電阻)RD和交流電阻(又稱為動態(tài)或微變電阻)rd兩種。對于特別用途的二極管,它自有不同的參數(shù)。應當指出,由于制造工藝的限制,即使同一型號的器件,其參數(shù)的分散性也很大。選用器件時,既要了解其參數(shù)的意義和數(shù)值,又必須弄清各參數(shù)的測試條件。1.2.5普通二極管的極性判別和檢測

1.極性判別由于二極管有正負極之分,在電路中不能隨意接,因此在使用時一定要先判別極性。

(1)直接看二極管的外殼標記。如圖1.2.1所示,普通二極管的外殼上均印有型號和極性標記。

(2)借助萬用表測量。當遇到二極管的型號標記不清時,可利用二極管正向導通電阻值小,反向截止電阻值很大的原理來簡單地確定二極管的極性。通常將萬用表置于R×100Ω或R×1kΩ擋,測量二極管兩引腳之間的阻值,正、反各測一次,會出現(xiàn)阻值一大一小,以阻值大的一次為準,紅表筆接的為二極管的正極,黑表筆接的為二極管的負極。(我們知道,萬用表的正端(+)紅表筆接表內電池的負極,而負端(－)黑表筆接表內電池的正極。)

2.二極管的檢測二極管的常見故障有開路、短路和性能不良。在檢測二極管時,常將萬用表置于R×100Ω或R×1kΩ擋(對于面接觸型的大電流整流管,可用R×1Ω或R×10Ω擋),測二極管的正、反向電阻。當黑表筆接二極管正極,紅表筆接二極管負極時,正向電阻值一般應在幾十歐到幾百歐之間。當紅、黑表筆對調后,反向電阻值一般應在幾百千歐以上。測量結果如符合上述情況,則可初步判定該被測管子是好的。若正、反向測量結果均很小(接近零歐姆),則說明該被測管內PN結擊穿或短路;若正、反向測量結果均很大(接近∞),則說明該被測管子內部已斷路;若正、反向電阻值差距小,則說明二極管性能不良。這三種結果均說明該被測管不能再使用。必須注意:用萬用表測量二極管時不能用R×10kΩ擋,因為在高阻擋中使用的電池電壓比較高(一般大于9V,有的表中用22.5V),這個電壓超過了某些檢波二極管的最大反向電壓,會將二極管擊穿。測量時,一般也不用R×1Ω或R×10Ω擋,因為使用R×1Ω擋時,歐姆表的內電阻只有12～24Ω,和二極管正向相接時,電流很大,容易把二極管燒壞。因此,一般測量二極管時最好用R×100Ω或R×1kΩ擋。1.2.6特殊二極管普通二極管是指利用二極管的單向導電性制成的二極管,如整流二極管、檢波二極管等。除了普通二極管外,還有一些特殊用途的二極管,如穩(wěn)壓二極管、發(fā)光二極管、光電二極管和變容二極管等。

1.穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管簡稱穩(wěn)壓管。從原理上講,它與普通二極管沒有什么兩樣,只是在制造工藝上采取了一些措施,使其能在擊穿區(qū)內安全工作。由于硅材料的溫度穩(wěn)定性較好,穩(wěn)壓管都是用硅材料做成的,因此又叫“硅穩(wěn)壓管”。穩(wěn)壓管的伏安特性及符號如圖1.2.8所示。圖1.2.8穩(wěn)壓管的特性曲線和符號由圖1.2.8可見,它的正向伏安特性與普通二極管的相同;當反向電壓達到擊穿電壓(即穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ)后,它的反向伏安特性非常陡直。用電阻R將流過穩(wěn)壓管的反向擊穿電流IZ限制在IZmin和IZmax之間時,穩(wěn)壓管兩端的電壓UZ幾乎不變。這種擊穿區(qū)內即使流過穩(wěn)壓管的電流在較大范圍內變化,但穩(wěn)壓管兩端電壓基本不變的特性,稱為穩(wěn)壓特性。利用穩(wěn)壓管的這種特性,就能達到穩(wěn)壓的目的。穩(wěn)壓管的主要參數(shù)如下所述。

1)穩(wěn)定電壓UZ

UZ是穩(wěn)壓管在起穩(wěn)壓作用時,其兩端的反向電壓值。例如2CW14(2CW55)的UZ=6～7.5V。

2)最大工作電流IZM

IZM是指穩(wěn)壓管長時間工作時,允許通過的最大反向電流值。在使用穩(wěn)壓管時,其工作電流不應超過此值,否則管子將被燒壞。

3)額定功率PZM

PZM是指穩(wěn)壓管不產(chǎn)生熱擊穿的最大損耗功率,它等于UZ與IZM的乘積,即PZM=UZIZM

(1.2.1)

4)穩(wěn)定電流IZ

IZ是穩(wěn)壓管穩(wěn)壓時的工作電流,在IZmin～IZmax之間,通常取IZ=(1/2～1/4)IZmax,有時手冊上不給出IZmax的值,而是給出PM、UZ,此時可用式(1.2.2)確定:IＺmax=PM/UZ

(1.2.2)

2.發(fā)光二極管和光電二極管

1)發(fā)光二極管發(fā)光二極管也具有單向導電的性質,依賴PN結內電光效應,能將電能直接轉換成光能。當發(fā)光二極管正向偏置時,能發(fā)出紅、黃、綠等鮮艷的光來,其亮度隨電流的增大而提高。發(fā)光二極管是一種電流控制器件,工作時只需加1.5～3V的正向電壓和幾毫安的電流就能正常發(fā)光,它的工作電源既可以是直流的,也可以是交流的。發(fā)光二極管常用字母LED(LightEmittingDiode)表示,其符號如圖1.2.9所示。圖1.2.9發(fā)光二極管的符號發(fā)光二極管的用途很廣。它可作為電源通斷指示的指示燈。因為發(fā)光二極管比小燈泡的耗電低得多,而且壽命也長得多,所以在很多電子儀器或儀表上都可以看到它。發(fā)光二極管還可用來制作數(shù)碼顯示管。由于發(fā)光二極管在發(fā)射波長、功率以及調制頻率等若干指標上均能與光通信系統(tǒng)相匹配,滿足系統(tǒng)的要求,因此它與激光二極管一同被認為是光通信最理想的光源。

2)光電二極管光電二極管又稱光敏二極管,它是利用半導體的光敏特性制造的。光電二極管的結構與普通二極管類似,其符號如圖1.2.10所示。使用時,光電二極管的PN結工作在反向偏置狀態(tài):無光照時,流過光電二極管的電流(稱暗電流)很小;在光的照射下,流過管子的反向電流(稱光電流)隨光照強度的增加而上升。例如,2DUIB光電二極管的暗電流小于0.1μΑ,光電流達20μΑ。所以,光電二極管是一種能將光信號轉化為電信號的二極管。光電二極管用于光電檢測、光譜分析、熱釋成像等各個領域。圖1.2.10光電二極管的符號1.2.7二極管的應用二極管的用途很廣泛，如整流、穩(wěn)壓、限幅和鉗位等。

1.整流電路整流電路是小功率(200W以下)直流穩(wěn)壓電源的組成部分,其主要功能是利用二極管的單向導電性,將市電電網(wǎng)的單相正弦交流電轉變成單向的脈動直流電,然后再經(jīng)濾波電路和穩(wěn)壓電路,得到平滑而穩(wěn)定的直流電壓。整流電路在所有需要交流市電供電的電子設備中都有使用。

1)電路組成圖1.2.11所示是一種常見的整流電路,因為圖(a)中四個二極管V1～V4

接成電橋形式,電橋的一條對角線頂點接變壓器次級電壓u2,另一條對角線頂點接負載RL,所以此種電路稱為橋式整流電路。四個二極管接成的電橋通常被分裝起來,稱為整流橋,如圖1.2.11(b)所示。圖1.2.11單相橋式整流電路

2)工作原理在交流電壓u2的正半周,變壓器次級a點電位高于b點電位,所以二極管V1和V2導通。如圖1.2.12(a)所示,電流的通路是:a－V1－RL－V2－b,于是在負載電阻RL上得到上正下負的電壓uo,二極管V3和V4因承受反向電壓而截止。當電壓u2極性相反時,變壓器次級b點電位高于a點電位,因此二極管V3和V4導通。如圖1.2.12(b)所示,電流通路是:b－V3－RL－V4

－a,同樣在負載電阻RL上得到上正下負的電壓uo。圖1.2.12橋式整流電路的工作原理示意圖由此可見,四只二極管兩兩一組,交替導電。無論u2為正半周還是負半周,

uo都有正的脈動電壓輸出,所以這是一個全波整流。其工作波形如圖1.2.13所示圖1.2.13單相橋式整流電路的輸入、輸出波形

2.硅穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓電路整流濾波電路雖然可以把交流電變?yōu)槠交闹绷麟?但當交流電網(wǎng)電壓和負載電路變化時,輸出電壓仍會隨著變動。為此,通常在整流濾波后加接穩(wěn)壓電路,使輸出電壓穩(wěn)定。最簡單的穩(wěn)壓電路是穩(wěn)壓管的單管穩(wěn)壓電路。

1)工作原理硅穩(wěn)壓管的單管穩(wěn)壓電路如圖1.2.14所示。整流濾波后的直流電壓為穩(wěn)壓電路的輸入電壓Ui,穩(wěn)壓管VZ的穩(wěn)定電壓UZ是穩(wěn)壓電路的輸出電壓UO,R為限流電阻。由圖1.2.14可見,電路中的電壓和電流有如下關系式:UO=UZ=Ui－IR

I=IO+IZ

(1.2.3)圖1.2.14硅穩(wěn)壓管的單管穩(wěn)壓電路

(1)當交流電網(wǎng)波動而負載電阻RL未變動時,若電網(wǎng)電壓上升即Ui升高,則穩(wěn)壓管的UZ將隨之增大。由穩(wěn)壓管的伏安特性(圖1.2.8)可知,UZ的微小增加會引起工作電流IZ顯著增加,從而使流過限流電阻的電流I增大,R上的壓降UR(=IR)增加,使得Ui的增量絕大部分降落在R上,以保持UO穩(wěn)定,即同理,當Ui降低時,也會使得Ui的降低量絕大部分降落在R上,從而使UO保持穩(wěn)定。

(2)當電網(wǎng)未波動即Ui不變,而負載電阻RL變動時,假設負載電阻RL變小,則IO增大,使總電流I增大,從而造成穩(wěn)壓管的UZ下降。但由于穩(wěn)壓管的端電壓UZ略有下降而使流過穩(wěn)壓管的電流IZ大大減小,IO的增大部分幾乎和IZ的減小部分相等,使總電流I幾乎不變,因而保持了輸出電壓UO的穩(wěn)定,即同理可分析RL增大的情況。由此可見,穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓功能是利用穩(wěn)壓管端電壓UZ的微小變化,引起電流IZ較大的變化,再通過限流電阻R的電壓調節(jié)作用來實現(xiàn)輸出電壓基本恒定的。由于在電路中起控制作用的元件VZ與負載電阻RL是并聯(lián)的,因此這種電路叫并聯(lián)型穩(wěn)壓電路。并聯(lián)型穩(wěn)壓電路結構簡單,但受穩(wěn)壓管最大電流限制,又不能任意調節(jié)輸出電壓,所以只適用于輸出電壓不需調節(jié),負載電流小,要求不甚高的場合。

2)穩(wěn)壓管的選擇選擇穩(wěn)壓管時,一般可按以下公式估算:

UZ=UO

IZmax=(1.5~3)IOmax

Ui=(2~3)UZ同時,在工作中,當Ui和RL變化時,又必須保證穩(wěn)壓管電流IZ在IZmin～IZmax的范圍內,因此,必須合理選擇限流電阻R。為了提高穩(wěn)壓性能,應選動態(tài)電阻小的穩(wěn)壓管,或者在允許范圍內加大限流電阻R的值。

3.限幅電路限幅電路就是限制輸出信號幅度的電路。為了保護某些器件不受大的信號電壓的作用而損壞,往往利用二極管的導通和截止來限制信號的幅度,這就是限幅。圖1.2.15(a)就是一個簡單的上限幅電路。在此,我們采用二極管的理想模型來進行分析。由電路可知:當ui＞E時,二極管V導通,uo=E=3V,即將uo的最大電壓限制在3V;當ui＜3時,二極管V截止,二極管支路開路,uo=ui。圖1.2.15(b)中畫出了輸入ui=Umsinωt(V)的正弦波(Um＞3V)時該電路的輸出波形。圖1.2.15上限幅電路及其波形在實際應用中,限幅電路不但有上限幅電路,還有下限幅電路和上下限幅電路等,可根據(jù)實際需要進行選擇和設計。

4.鉗位電路

鉗位電路是使輸出電位鉗制在某一數(shù)值上保持不變的電路。如圖1.2.16所示,設二極管V1、V2為理想二極管。圖1.2.16鉗位電路當輸入UA＝UB＝0V時,二極管V1、V2均“正偏導通鉗位”,鉗制輸出F點的電位,使UF＝UA＝UB＝0V。當UA＝0V,UB＝3V時,V1、V2都可能正偏導通,但V1會“優(yōu)先導通鉗位”,使輸出UF＝UA＝0V,同時使V2反偏截止。當UA＝3V,UB＝0V時,V1、V2都可能正偏導通,但V2會“優(yōu)先導通鉗位”,使輸出UF＝UB＝0V,同時使V1反偏截止。當輸入UA＝UB＝3V時,二極管V1、V2均“正偏導通鉗位”,使UF＝UA＝UB＝3V。這也是后面數(shù)字電路中的與門電路?？傊?二極管的應用很廣泛,除以上列舉的之外,二極管還可以用作檢波電路(檢波電路就是把信號從已調波中檢出來的電路),這里不再贅述。1.3半導體三極管半導體三極管在電子電路中是必不可少的器件。半導體三極管在工作過程中,電子和空穴都參與導電,故又稱為雙極型晶體管(BJT),簡稱晶體管或三極管。三極管的最大特點就是具有電流放大作用。它為什么會有電流放大作用呢？這得從三極管的結構、內部載流子的運動過程以及三極管的特性曲線等方面來解釋和描述。1.3.1三極管概述

1.三極管的分類三極管的種類很多,通常按以下幾方面進行分類:

(1)根據(jù)內部結構不同,三極管可分為NPN型和PNP型兩類。

(2)根據(jù)制造材料的不同,三極管又可分為硅管和鍺管兩類。它們的特性大同小異,只是硅管受溫度影響較小,工作較穩(wěn)定,應用較廣泛。目前我國生產(chǎn)的硅管多為NPN型,而鍺管多為PNP型,所以NPN型管的應用也較廣。

(3)根據(jù)用途不同,三極管可分為放大管和開關管等。(4)根據(jù)工作頻率不同,三極管可大致分為高頻管和低頻管等,以3MHz為分界線。

(5)根據(jù)功率不同,三極管可分為小功率管、中功率管和大功率管。三極管的外形很多。圖1.3.1給出了部分三極管的常見外形。圖1.3.1三極管的實物圖

2.三極管的結構三極管的結構示意圖如圖1.3.2所示。由圖1.3.2可知,三極管中有三塊雜質半導體,這三塊雜質半導體的排列可以是N-P-N,也可以是P-N-P。因此,三極管在結構上有兩種類型:NPN型和PNP型。這三塊雜質半導體分別稱為集電區(qū)、基區(qū)和發(fā)射區(qū)。從三個區(qū)各自引出三個電極,它們分別叫做集電極c、基極b和發(fā)射極e。把集電區(qū)與基區(qū)之間形成的PN結稱為集電結,發(fā)射區(qū)與基區(qū)之間的PN結稱為發(fā)射結。圖1.3.2三極管的結構示意圖需要指出,三極管絕不是兩個PN結的簡單組合,它是在純凈的硅或鍺的晶片上制成三個摻雜區(qū),形成有內在聯(lián)系的兩個PN結。同時為保證三極管有電流放大作用,這三個摻雜區(qū)應滿足如下工藝要求。發(fā)射區(qū)的摻雜濃度最高,以利于發(fā)射多數(shù)載流子而形成一個大電流;集電區(qū)的幾何尺寸最大,結面積也更大,摻雜濃度小于發(fā)射區(qū),其作用是收集發(fā)射區(qū)發(fā)出的多數(shù)載流子;基區(qū)即中間的那個區(qū)域,摻雜濃度很低,又做得很薄(幾微米至幾十微米),這是為了使發(fā)射區(qū)發(fā)射的多數(shù)載流子通過此區(qū)的時間很短,以盡量減少其復合,其作用是傳輸和控制發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子。

3.三極管的電路符號三極管的兩種電路符號如圖1.3.3所示。為了區(qū)分,在發(fā)射極上加了方向不同的箭頭,箭頭方向表示發(fā)射結正偏時,發(fā)射極上正向電流的方向。箭頭向外的是NPN型管,向內的是PNP型管。由符號還可區(qū)分三個電極:帶箭頭的是發(fā)射極,和發(fā)射極在同一邊的是集電極,單獨在一邊的是基極。圖1.3.3三極管的電路符號三極管通常用文字符號V或VT表示。各種類型管子的型號和符號的意義(命名)見附錄。1.3.2三極管內部的電流分配關系和放大原理

1.三極管的四種工作狀態(tài)三極管的發(fā)射結和集電結可以加四種不同組合的偏置電壓,這樣便有四種對應的工作狀態(tài),如表1.3.1所示。在模擬電路中,主要運用放大狀態(tài);在數(shù)字電路中,則運用飽和與截止兩種狀態(tài)。表1.3.1三極管的四種工作狀態(tài)

2.放大狀態(tài)下三極管的電流分配與放大原理三極管的最大特點是具有電流放大作用。NPN型三極管比PNP型三極管的應用更廣。下面就以NPN型三極管為例來討論三極管的放大原理。

1)三極管處于放大狀態(tài)的工作條件三極管要處于放大狀態(tài),必須具備內部條件和適當?shù)耐獠織l件。其內部條件就是它的制造工藝要求,適當?shù)耐獠織l件就是要求外加電壓保證“發(fā)射結正向偏置,集電結反向偏置”,即對于NPN型管,要求UC＞UB＞UE,對于PNP型管,要求UE＞UB＞UC。

2)三極管中三個電極的電流分配如圖1.3.4所示,基極電源UBB通過基極限流電阻RB給發(fā)射結提供一個正偏壓,集電極電源UCC(＞UBB)通過集電極電阻RC給集電結一個反偏壓,所以NPN型三極管處于放大狀態(tài)。圖1.3.4三極管電流分配示意圖

(1)發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子,形成很大的IE。由圖1.3.4可知,由于發(fā)射結正偏,因此在正向電壓作用下,發(fā)射區(qū)(N區(qū))高濃度的電子不斷地擴散到基區(qū),并不斷地由電源得到補充而形成很大的發(fā)射極電流IE,其方向與電子流動方向相反,即從發(fā)射極流出。

(2)電子在基區(qū)的復合,形成很小的IB。進入基區(qū)的一小部分電子與基區(qū)濃度很低的空穴復合,并由基極電源UBB向基區(qū)提供空穴,從而形成從基極流向發(fā)射極的很小的基極電流IB。它是發(fā)射極電流IE

之中的很小一部分。

(3)集電區(qū)收集電子,形成較大的IC。由于基區(qū)做得很薄,且摻雜濃度很低,因此從發(fā)射區(qū)過來的電子大多數(shù)在集電結反偏電壓的強電場作用下,向集電區(qū)漂移,并迅速被集電區(qū)收集,形成從集電極流向發(fā)射極的較大的集電極電流IC。顯然,它也是發(fā)射極電流之一,且是主要部分。由以上分析可知,三極管三個電極的電流關系為

IE=IB+IC

(1.3.1)

IE>IC>>IB

(1.3.2)

IE≈IC

(1.3.3)3)放大作用通常所說的三極管的電流放大作用有兩方面的含義。(1)三極管的直流電流放大作用。令式(1.3.4)變形得:IC=IB

(1.3.5)由以上分析可知,三極管按工藝要求制成后,當外加工作電壓能確保其“發(fā)射結正偏,集電結反偏”時,其內就能產(chǎn)生一個很大的發(fā)射極電流。同時能產(chǎn)生一個小小的基極電流和一個較大的集電極電流,且滿足如有一個單位的基極電流,就必然有倍的集電極電流(

>>1),即可認為“三極管能以一個小的IB來產(chǎn)生一個大的IC”,所以三極管是一個電流放大器件。稱為共發(fā)射極電路(后面章節(jié)將有解釋)的直流電流放大系數(shù)。

(2)三極管的交流電流放大作用。在圖1.3.4中,當三極管的發(fā)射結兩端的電壓發(fā)生變化時,IE變化,

IB隨之變化,

IC也會隨IB的變化按一定比例明顯變化。令

β=ΔIC/ΔIB

(或表示為β=ic/ib)

(1.3.6)則有ΔIC=βΔIB

(1.3.7)這說明三極管的基極電流對集電極電流具有控制作用——小的基極電流的變化就會引起集電極電流的很大變化。利用這一關系可實現(xiàn)三極管對電流的放大和控制作用,也就是常說的三極管的電流放大作用。其中,β是一個遠大于1的系數(shù),稱為共發(fā)射極電路的交流電流放大系數(shù)。通常β與在數(shù)值上近似相等,所以一般不予區(qū)分,一律用β表示。

【例1.3.1】假設基極電流的變化量ΔIB=10μA,β=100,根據(jù)ΔIC=βΔIB的關系式,計算集電極電流的變化量ΔIC。解:ΔIC=βΔIB=100×10=1000

μΑ可認為在基極加了一個10μΑ的電流信號,在集電極上產(chǎn)生了一個1000μΑ的電流信號,即實現(xiàn)了電流放大。由以上分析可知,IB和IC都是IE的一部分,它們之間的比例關系主要取決于晶體管的結構和摻雜情況。管子造好了,它們之間的比例關系就確定下來了。三極管是一個電流控制型器件,三極管放大的本質是IB對IC的控制作用。β是三極管的重要參數(shù),稱為共發(fā)射極的電流放大系數(shù),在器件手冊中可以查到,亦可通過實測獲得。

4)穿透電流ICEO在以上分析三極管的工作過程時,忽略了一個因素,即在集電結處于反偏時,集電區(qū)的空穴和基區(qū)的電子會向對方作漂移運動,形成反向飽和電流,用ICBO表示。它基本上與反向電壓的大小無關,數(shù)值很小,但受溫度的影響很大,是三極管性能不穩(wěn)定的一個因素。所以在設計電路時,有時要考慮如何減小它對電路的影響。在實際應用中,希望ICBO值越小越好。當考慮ICBO時,三極管的基極電流和集電極電流應為

IB=IBN－ICBO(1.3.8)

IC=ICN＋ICBO(1.3.9)則=(1.3.11)由式(1.3.10)變形得:

IC=IB＋(1+)ICBO=IB＋ICEO

(1.3.11)其中:ICEO=(1+)ICBO(1.3.12)

ICEO稱為穿透電流,它是基極開路(IB=0)時,在c、e之間的電壓作用下,從集電極穿過兩個PN結到達發(fā)射極的電流,它也是溫度的函數(shù)，其值越小越好。通常ICEO容易測量,將測得數(shù)值除以可算出ICBO。1.3.3三極管共發(fā)射極電路的特性曲線三極管的特性曲線是指三極管各極電壓與電流之間的關系曲線,它是三極管內部載流子運動的外部表現(xiàn)形式,管子的一些重要參數(shù)、工作狀態(tài)都可通過特性曲線反映出來。特性曲線可以用晶體管特性圖示儀來直接顯示,也可通過一定的測試電路來測量并描畫出來。由于三極管有三個電極,因此根據(jù)所選公共端電極的不同,可分為共發(fā)射極電路、共集電極電路和共基極電路(第2章將會討論)。這三種電路都有兩個回路,分別稱為輸入回路和輸出回路。輸入回路的一對電極形成輸入特性曲線,輸出回路的一對電極形成輸出特性曲線。由于共發(fā)射極接法用得最多,因此這里僅介紹共發(fā)射極接法的特性曲線。圖1.3.5所示為NPN型三極管共發(fā)射極電路的特性曲線。圖1.3.5

NPN型三極管共發(fā)射極電路的特性曲線

1.輸入特性曲線

uCE為固定值時,三極管的輸入量iB和uBE之間的關系稱為共射輸入特性。其函數(shù)式為

iB=f(uBE)|uCE=常數(shù)

(1.3.13)

實測的NPN型硅三極管的共射極輸入特性曲線如圖1.3.5(b)所示,當uCE為不同常數(shù)(如0V、1V)時,iB和uBE

之間存在一族曲線。由圖1.3.5(a)可見,當uCE=0V時,三極管c、e短路,發(fā)射結和集電結均正偏,相當于兩個二極管并聯(lián),所以這時的輸入特性曲線類似于二極管正向伏安特性曲線。當uCE增加時,特性曲線右移,這是因為集電結收集載流子的能力增強,所以在同樣的uBE下,iB減小。在uCE≥1V后,集電結收集載流子的能力已達極限程度,即使再增加uCE,iB也不會明顯減小了,所以特性曲線基本不再右移,可近似認為是重合的。因此,當uCE≥1V時,只畫一條輸入特性曲線。

2.輸出特性曲線

iB為固定值時,三極管的輸出量iC和uCE之間的關系稱為共射輸出特性。其函數(shù)表達式為

iC=f(uCE)|iB=常數(shù)

(1.3.14)

圖1.3.5(c)所示為NPN型硅三極管共射輸出特性曲線族。對應不同的iB,iC和uCE之間形成一族形狀基本相同的曲線。這族曲線可以劃分為三個區(qū),每個區(qū)域對應一種工作狀態(tài)。

1)飽和區(qū)圖1.3.5(c)中虛線與iC軸之間的區(qū)域稱飽和區(qū)。虛線為臨界飽和線,為飽和區(qū)與放大區(qū)的分界點。在飽和區(qū)中,發(fā)射結和集電結均正偏。飽和時的uCE通常用UCES表示,一般小功率三極管的UCES≤0.3V(硅管=0.3V,鍺管=0.1V);電流iC用ICS表示,其值可能很大(≈UCC/RC),與三極管的參數(shù)無關?？傊?三極管飽和時,iC不受iB的控制,即iC≠βiB;此時三極管的c、e之間可近似地等效為一個閉合的開關。

2)截止區(qū)通常把iB=0(或iC≤ICEO)的輸出特性曲線與uCE軸之間的區(qū)域稱為截止區(qū)。當

iB=0時,由式(1.3.11)可得iC=ICEO≈0,uCE≈UCC,表明三極管c、e之間呈現(xiàn)高阻狀態(tài),三極管可近似等效為一個斷開的開關。因此,截止區(qū)的特點是:發(fā)射結和集電結均為反向偏置;處于截止狀態(tài)的三極管集電極電流幾乎為零,沒有放大作用。在數(shù)字電路中,三極管工作于飽和區(qū)和截止區(qū),即工作于開關狀態(tài)。

3)放大區(qū)圖1.3.5(c)中飽和區(qū)以右,截止區(qū)以上的區(qū)域稱為放大區(qū)。由圖1.3.5(c)可知,在放大區(qū)內,發(fā)射結正偏,集電結反偏,故三極管工作于放大狀態(tài);當iB=常數(shù),三極管端電壓uCE增大時,iC幾乎不變,特性曲線幾乎與橫軸平行,即具有恒流特性。所以放大區(qū)的特點是:iC主要受iB的控制,即iC=βiB,iB等量增加時,曲線等間隔地平行上移,曲線族之間的間距反映了β值的大小。由三極管的輸入特性和輸出特性曲線可看出,三極管也是一個非線性器件,也就是說,它的電流－電壓關系也不符合歐姆定律。

【例1.3.2】如果測得如圖1.3.6中所示三極管的各管腳對地的電位值,問各三極管分別工作在哪個區(qū)？圖1.3.6例1.3.2圖

解:由圖1.3.6(a)可知:三極管為NPN型,又UB＞UE,所以發(fā)射結正偏,

UB＞UC,所以集電結正偏,因此三極管工作在飽和區(qū)。圖(b)中三極管也為NPN型,又UB＞UE,所以發(fā)射結正偏,UB＜UC,所以集電結反偏,因此三極管工作在放大區(qū)。圖(c)中三極管也為NPN型,又UB＜UE,UB＜UC,所以發(fā)射結和集電結均反偏,因此三極管工作在截止區(qū)。圖(d)中三極管為PNP型,又UB＜UE,所以發(fā)射結正偏,UB＞UC,所以集電結反偏,因此三極管工作在放大區(qū)。

3.溫度對三極管特性的影響當溫度升高時,由于分子的熱運動加劇,載流子動能加大,因此在uBE還未達到導通電壓值時,就有大量載流子越過發(fā)射結擴散到基區(qū),表現(xiàn)在輸入特性曲線上,使曲線右移,即對應一定的iB、uBE要減小。

β(或α)是兩部分電流的比例系數(shù),它取決于材料、摻雜濃度和管子結構,而這些都和溫度有關。因此,β(或α)值將隨溫度變化,表現(xiàn)在輸出特性曲線上,即是曲線族間的間距將隨溫度的變化而變化。溫度是引起三極管工作不穩(wěn)定的主要原因之一,因此,在運用時,即使是器件集成度很高的情況下,也要考慮到溫度的影響。1.3.4三極管的主要參數(shù)三極管的參數(shù)用來表征管子性能的優(yōu)劣和適用范圍,它是選用三極管的依據(jù)。了解這些參數(shù)的意義,對于合理使用和充分利用三極管達到設計電路的經(jīng)濟性和可靠性是十分必要的。

1.電流放大系數(shù)

α、β都是三極管的電流放大系數(shù)。其中,α稱共基極電流放大系數(shù),為三極管的集電極電流與發(fā)射極電流之比,其值小于1。由于一般iB甚小,相應的α值為0.95～0.995,因此α接近于1。β稱為共發(fā)射極電流放大系數(shù),β值很大,通常小功率管在20～200之間,大功率管的β值則小得多,有時還不到10,可是超β管的β值可達5000。沒有特別說明時,β表示直流和交流兩種情況下在共射極接法時的電流放大系數(shù)。

2.極間反向電流

1)集電極-基極反向飽和電流ICBO

ICBO表示發(fā)射極開路,c、b間加上一定的反向電壓時的反向電流。ICBO實際上是集電結的反向電流,它只取決于少數(shù)載流子的濃度和結的溫度。在給定溫度(如t=25℃)下,該反向電流基本上是常數(shù),故稱之為反向飽和電流。一般三極管的ICBO

值很小(微安級),小功率硅管的ICBO值小于或等于1μΑ,小功率鍺管的ICBO值在10μΑ左右。

ICBO值會隨溫度的升高而增大,因此,從溫度穩(wěn)定性和可靠性的角度考慮,在環(huán)境溫度變化大的場合宜選用硅管。

2)集電極－發(fā)射極反向飽和電流(穿透電流)ICEO

ICEO表示基極開路,c、e間加上一定的反向電壓時的集電極電流。由于是從集電區(qū)穿過基區(qū)流至發(fā)射區(qū)的,因此又稱為穿透電流。溫度越高,其值越大。在指定溫度(如t=25℃)下,ICEO值越小,管子的質量越好。

ICBO和ICEO都是衡量三極管質量好壞的重要參數(shù)。由于ICEO>>ICBO,測量起來也容易,因此常常把ICEO作為判斷三極管質量的重要依據(jù)。一般小功率鍺管的ICEO值較大,在幾十微安至幾百微安范圍內,而硅管的只有幾微安。在選用三極管時,應選ICEO值小的管子。

3.極限參數(shù)一般來說,各種器件都有一個使用極限值要求。在選擇和使用三極管時也不宜超過一定限度,若超過這些參數(shù),則可能造成管子性能下降甚至永久性損壞。這些參數(shù)主要包括如下幾個:

1)集電極最大允許電流ICM

集電極電流iC過大時,β值會明顯下降。ICM是指當β下降到其正常值的2/3時,所對應的最大允許集電極電流。在使用中,當IC超過ICM時,β顯著下降,將造成管子性能下降甚至燒壞管子,所以要求工作電流IC＜ICM。一般小功率管的ICM值為幾十毫安,大功率管的ICM值可為幾安或更高。

2)反向擊穿電壓三極管有兩個PN結,當反向電壓超過每個PN結的規(guī)定值時,就會發(fā)生擊穿現(xiàn)象,其擊穿原理和二極管類似。但因為三極管的兩個結是相互影響的,所以在不同條件下,將有不同的擊穿值——U(BR)CBO、U(BR)CEO、U(BR)EBO。

(1)U(BR)CBO是當發(fā)射極開路時,集電結不致?lián)舸┒试S加在集電極-基極間的最高反向電壓。超過此值,集電結將被擊穿。此值一般為幾十伏。

(2)U(BR)CEO是當基極開路時,集電結不致?lián)舸┒试S加在集電極-發(fā)射極間的最高電壓。U(BR)CEO實際上是外加電壓在兩個結上的壓降,此時對應發(fā)射結正偏,集電結反偏。因此,可能被反向擊穿的是集電結。此時通過集電結的電流iCEO比iCBO大得多,所以相比發(fā)射極開路時,更容易發(fā)生擊穿,因此U(BR)CEO＜U(BR)CBO。使用三極管時,應使uCE＜U(BR)CEO,以避免三極管發(fā)生擊穿而損壞。

(3)U(BR)EBO是當集電極開路時,發(fā)射結不致?lián)舸┒试S加在發(fā)射極-基極間的最高反向電壓。超過此值,發(fā)射結將被擊穿。一般這個值較低,只有幾伏。當三極管工作于截止區(qū)時,切勿使發(fā)射結反偏電壓超過此值。3)集電極最大允許功耗(耗散功率)PCM

集電極損耗功率PC=iC×uCE。由于發(fā)射結正向偏壓只有0.7V左右,因此uCE主要降在集電結上,所以PC近似為損耗在集電結上的功率。當集電極電流流動時,集電結的耗散功率將轉化為熱功率,使結溫升高。當功率超過某個數(shù)值時,將因PN結溫度過高導致熱擊穿而使三極管燒毀。這個數(shù)值就稱為最大允許耗散功率PCM。此值過大,則器件溫度升得過高,有可能造成永久性損壞。因此,各種類型的三極管都規(guī)定了一個最大允許集電極損耗功率PCM,使用時不得超過此值,以確保三極管安全工作。

PCM主要受結溫的限制。通常,鍺管允許結溫為70～90℃,硅管約為150℃。對于大功率管(PCM≥1W),為提高PCM值,常采用散熱措施,如加大散熱片、強迫風冷等,以加快散熱。

PCM(=uCEiC)可能發(fā)生在uCE較大、iC較小的情況下,也可能發(fā)生在uCE較小、iC較大的情況下。為此,在三極管輸出特性曲線上畫出管子的最大允許功耗線,再綜合ICM和U(BR)CEO的要求,就可以畫出它的安全工作區(qū)。如圖1.3.7所示,當PCM為某一常數(shù)時,iC與uCE的關系在輸出特性曲線上為一雙曲線,圖中雙曲線的左下方為iC×uCE＜PCM的區(qū)域。由iC＜ICM、uCE＜U(BR)CEO以及這條雙曲線在輸出特性曲線上圍成的區(qū)域稱為安全工作區(qū),其他部分稱為過損耗區(qū)或非安全區(qū)。圖1.3.7三極管的安全工作區(qū)

4.晶體管的選擇

(1)要注意工作時的最大集電極電流iC不應超過ICM。

(2)要注意工作時的反向擊穿電壓,特別是uCE不應超過U(BR)CEO。

(3)依據(jù)使用條件選PCM在安全區(qū)工作的管子,并給予適當?shù)纳嵋蟆?/p>

(4)要依據(jù)使用要求,即是小功率還是大功率,是低頻、高頻還是超高頻,工作電源的極性,β值的大小等要求。1.3.5三極管的簡易檢測及判別方法對于三極管的類型和性能,有條件的話可使用專用特性圖示儀及晶體管直流參數(shù)測試儀進行判別和測試。三極管的管腳及管型的判別是電子技術初學者的一項基本功,對于型號標志清楚的三極管,可通過產(chǎn)品說明書或半導體器件手冊查閱其管腳或型號;對于標志含糊或不清楚的管子,通?？捎萌f用表進行分辨及測試。

1.三個電極的目測法小功率三極管有金屬外殼封裝和塑料外殼封裝兩種。金屬外殼封裝如圖1.3.8(a)所示,管殼上帶有定位銷,將管底朝上,從定位銷起,按順時針方向,三電極依次為e、b、c。如管殼上無定位銷,且三根電極在半圓內,則將有三根電極的半圓置于上方,將管底朝上,按順時針方向,三電極依次為e、b、c。圖1.3.8小功率三極管管腳的簡易識別對于塑料外殼封裝,面對平面,三根電極置于下方,從左至右,三根電極依次為e、b、c,如圖1.3.8(b)所示。

2.導電類型和電極的萬用表判別法我們知道,三極管是含有兩個P