1、第一章第一章 半半 导导 体体 器器 件件 1.1 半导体基础知识半导体基础知识 1.2PN结结 1.3 半导体三极管半导体三极管 1.1 半导体基础知识半导体基础知识 物质按导电性能可分为导体、绝缘体和半导体。物质按导电性能可分为导体、绝缘体和半导体。物质的导电特性取决于原子结构。导体一般为低价元素物质的导电特性取决于原子结构。导体一般为低价元素,如铜、铁、铝等金属如铜、铁、铝等金属,其最外层电子受原子核的束缚力很小其最外层电子受原子核的束缚力很小,因而极易挣脱原子核的束缚成为自由电子。因此在外电场作因而极易挣脱原子核的束缚成为自由电子。因此在外电场作用下用下,这些电子产生定向运动这些电子产
2、生定向运动(称为漂移运动称为漂移运动)形成电流形成电流,呈现出呈现出较好的导电特性。高价元素较好的导电特性。高价元素(如惰性气体如惰性气体)和高分子物质和高分子物质(如橡如橡胶胶,塑料塑料)最外层电子受原子核的束缚力很强最外层电子受原子核的束缚力很强,极不易摆脱原子极不易摆脱原子核的束缚成为自由电子核的束缚成为自由电子,所以其导电性极差所以其导电性极差,可作为绝缘材料。可作为绝缘材料。而半导体材料最外层电子既不像导体那样极易摆脱原子核的而半导体材料最外层电子既不像导体那样极易摆脱原子核的束缚束缚,成为自由电子成为自由电子,也不像绝缘体那样被原子核束缚得那么也不像绝缘体那样被原子核束缚得那么紧紧
3、,因此因此,半导体的导电特性介于二者之间。半导体的导电特性介于二者之间。1.1.1 本征半导体本征半导体 纯净晶体结构的半导体称为本征半导体。常用的半导纯净晶体结构的半导体称为本征半导体。常用的半导体材料是硅和锗体材料是硅和锗,它们都是四价元素它们都是四价元素,在原子结构中最外层在原子结构中最外层轨道上有四个价电子。为便于讨论轨道上有四个价电子。为便于讨论,采用图采用图 1-所示的简所示的简化原子结构模型。把硅或锗材料拉制成单晶体时化原子结构模型。把硅或锗材料拉制成单晶体时,相邻两个相邻两个原子的一对最外层电子原子的一对最外层电子(价电子价电子)成为共有电子成为共有电子,它们一方面它们一方面围
4、绕自身的原子核运动围绕自身的原子核运动,另一方面又出现在相邻原子所属的另一方面又出现在相邻原子所属的轨道上。即价电子不仅受到自身原子核的作用轨道上。即价电子不仅受到自身原子核的作用,同时还受到同时还受到相邻原子核的吸引。于是相邻原子核的吸引。于是,两个相邻的原子共有一对价电子两个相邻的原子共有一对价电子,组成共价键结构。故晶体中组成共价键结构。故晶体中,每个原子都和周围的个原子每个原子都和周围的个原子用共价键的形式互相紧密地联系起来用共价键的形式互相紧密地联系起来,如图如图-所示。所示。4图图 1 1 硅和锗简化原子硅和锗简化原子结构模型结构模型 4共价键价电子44444444图图 1 2 本
5、征半导体共价键晶体结构示意图本征半导体共价键晶体结构示意图 444444444自由电子空穴 共价键中的价电子由于热运动而获得一定的能量共价键中的价电子由于热运动而获得一定的能量,其中其中少数能够摆脱共价键的束缚而成为自由电子少数能够摆脱共价键的束缚而成为自由电子,同时必然在共同时必然在共价键中留下空位价键中留下空位,称为空穴。空穴带正电称为空穴。空穴带正电,如图如图 1-所示。所示。图 1 3 本征半导体中的自由电子和空穴 由此可见由此可见,半导体中存在着两种载流子：半导体中存在着两种载流子：带负电的自由电子和带正电的空穴。本征半带负电的自由电子和带正电的空穴。本征半导体中导体中,自由电子与空
6、穴是同时成对产生的自由电子与空穴是同时成对产生的,因此因此,它们的浓度是相等的。我们用它们的浓度是相等的。我们用n和和p分分别表示电子和空穴的浓度别表示电子和空穴的浓度,即即ni=pi,下标下标i表示表示为本征半导体。为本征半导体。价电子在热运动中获得能量产生了电子价电子在热运动中获得能量产生了电子-空穴对。同空穴对。同时自由电子在运动过程中失去能量时自由电子在运动过程中失去能量,与空穴相遇与空穴相遇,使电子、使电子、空穴对消失空穴对消失,这种现象称为复合。在一定温度下这种现象称为复合。在一定温度下,载流子载流子的产生过程和复合过程是相对平衡的的产生过程和复合过程是相对平衡的,载流子的浓度是一
7、载流子的浓度是一定的。本征半导体中载流子的浓度定的。本征半导体中载流子的浓度,除了与半导体材料本除了与半导体材料本身的性质有关以外身的性质有关以外,还与温度有关还与温度有关,而且随着温度的升高而且随着温度的升高,基本上按指数规律增加。因此基本上按指数规律增加。因此,半导体载流子浓度对温度半导体载流子浓度对温度十分敏感。对于硅材料十分敏感。对于硅材料,大约温度每升高大约温度每升高,本征载流本征载流子浓度子浓度ni增加增加 1 倍；对于锗材料倍；对于锗材料,大约温度每升高大约温度每升高,增加增加 1 倍。倍。除此之外除此之外,半导体载流子浓度还半导体载流子浓度还与光照有与光照有关关,人们正是利用此
8、特性人们正是利用此特性,制成光敏器件。制成光敏器件。1.1.2 杂质半导体杂质半导体 1.型半导体型半导体 在本征半导体中在本征半导体中,掺入微量价元素掺入微量价元素,如磷、锑、砷等如磷、锑、砷等,则则原来晶格中的某些硅原来晶格中的某些硅(锗锗)原子被杂质原子代替。由于杂质原子原子被杂质原子代替。由于杂质原子的最外层有个价电子的最外层有个价电子,因此它与周围个硅因此它与周围个硅(锗锗)原子组成共价原子组成共价键时键时,还多余还多余 1 个价电子。个价电子。它不受共价键的束缚它不受共价键的束缚,而只受自身而只受自身原子核的束缚原子核的束缚,因此因此,它只要得到较少的能量就能成为自由电子它只要得到
9、较少的能量就能成为自由电子,并留下带正电的杂质离子并留下带正电的杂质离子,它不能参与导电它不能参与导电,如图如图-所示。所示。显然显然,这种杂质半导体中电子浓度远远大于空穴的浓度这种杂质半导体中电子浓度远远大于空穴的浓度,即即nnpn(下标表示是型半导体下标表示是型半导体),主要靠电子导电主要靠电子导电,所以称为所以称为型半导体。由于价杂质原子可提供自由电子型半导体。由于价杂质原子可提供自由电子,故称为施主故称为施主杂质。型半导体杂质。型半导体中中,自由电子称为多数载流子；空穴称为少自由电子称为多数载流子；空穴称为少数载流子。数载流子。444454444键外电子施主原子图图 1-4 N型半导体
10、共价键结构型半导体共价键结构 杂质半导体中多数载流子浓度主要取决于掺入的杂杂质半导体中多数载流子浓度主要取决于掺入的杂质浓度。由于少数载流子是半导体材料共价键提供的质浓度。由于少数载流子是半导体材料共价键提供的,因而其浓度主要取决于温度。因而其浓度主要取决于温度。此时电子浓度与空穴此时电子浓度与空穴浓浓度之间度之间,可以证明有如下关系：可以证明有如下关系：221111nnnpn pnp 即在一定温度下即在一定温度下,电子浓度与空穴浓度的乘积是一电子浓度与空穴浓度的乘积是一个常数个常数,与掺杂浓度无关。与掺杂浓度无关。2.P型半导体型半导体 在本征半导体中在本征半导体中,掺入微量价元素掺入微量价
11、元素,如硼、镓、铟等如硼、镓、铟等,则则原来晶格中的某些硅原来晶格中的某些硅(锗锗)原子被杂质原子原子被杂质原子代替。代替。444444444空位受主原子图 1 5 P型半导体的共价键结构 1.结结 1.2.1 异型半导体接触现象异型半导体接触现象 P(a)多数载流子的扩散运动NP(b)平衡时阻挡层形成N耗尽层空间电荷区自建场图 1 -6 PN结的形成 1.2.2 结的单向导电特性结的单向导电特性 1.结外加正向电压结外加正向电压 若将电源的正极接区若将电源的正极接区,负极接区负极接区,则称此为正向则称此为正向接法或正向偏置。此时外加电压在阻挡层内形成的电场接法或正向偏置。此时外加电压在阻挡层
12、内形成的电场与自建场方向相反与自建场方向相反,削弱了自建场削弱了自建场,使阻挡层变窄使阻挡层变窄,如图如图-()所示。所示。显然显然,扩散作用大于漂移作用扩散作用大于漂移作用,在电源作在电源作用下用下,多数载流子向对方区域扩散形成正向电流多数载流子向对方区域扩散形成正向电流,其方向其方向由电源正极通过区、区到达电源负极。由电源正极通过区、区到达电源负极。此时此时,结处于导通状态结处于导通状态,它所呈现出的电阻为正向它所呈现出的电阻为正向电阻电阻,其阻值很小。其阻值很小。正向电压愈大正向电压愈大,正向电流愈大。其关正向电流愈大。其关系是指数关系：系是指数关系：TUUDSII e=式中式中,为流过
13、结的电流；为流过结的电流；U为结两端电压；为结两端电压；,称为温度电压当量称为温度电压当量,其中其中k为玻耳兹曼常数为玻耳兹曼常数,为绝对温度为绝对温度,q为电子的电量为电子的电量,在室温下即在室温下即时时,；为反向饱和电流。电路中的电阻为反向饱和电流。电路中的电阻是为了限制正向电流的大小而接入的限流电阻。是为了限制正向电流的大小而接入的限流电阻。TkTUq=NP外电场(a)外加正向电压PN(b)外加反向电压自建场IDR外电场自建场RUU图 1 -7 PN结单向导电特性 2.结外加反向电压结外加反向电压 若将电源的正极接区若将电源的正极接区,负极接区负极接区,则称此为反向接法则称此为反向接法或
14、反向偏置。此时外加电压在阻挡层内形成的电场与自建或反向偏置。此时外加电压在阻挡层内形成的电场与自建场方向相同场方向相同,增强了自建场增强了自建场,使阻挡层变宽使阻挡层变宽,如图如图-()所所示。示。此时漂移作用大于扩散作用此时漂移作用大于扩散作用,少数载流子在电场作用下少数载流子在电场作用下作漂移运动作漂移运动,由于其电流方向与正向电压时相反由于其电流方向与正向电压时相反,故称为反故称为反向电流。向电流。由于反向电流是由少数载流子所形成的由于反向电流是由少数载流子所形成的,故反向电故反向电流很小流很小,而且当外加反向电压超过零点几伏时而且当外加反向电压超过零点几伏时,少数载流子少数载流子基本全
15、被电场拉过去形成漂移电流基本全被电场拉过去形成漂移电流,此时反向电压再增加此时反向电压再增加,载流子数也不会增加载流子数也不会增加,因此反向电流也不会增加因此反向电流也不会增加,故称为反故称为反向饱和电流向饱和电流,即即。此时此时,结处于截止状态结处于截止状态,呈现的电阻称为反向电呈现的电阻称为反向电阻阻,其阻值很大其阻值很大,高达几百千欧以上。高达几百千欧以上。综上所述：结加正向电压综上所述：结加正向电压,处于导通状态；加反处于导通状态；加反向电压向电压,处于截止状态处于截止状态,即结具有单向导电特性。即结具有单向导电特性。将上述电流与电压的关系写成如下通式：将上述电流与电压的关系写成如下通
16、式：此方程称为伏安特性方程此方程称为伏安特性方程,如图如图-所示所示,该曲线称为该曲线称为伏安特性曲线。伏安特性曲线。(1)TUUDSIIe(1-1)UIOUB图 1-8 PN结伏安特性 1.2.3 结的击穿结的击穿 PN结处于反向偏置时结处于反向偏置时,在一定电压范围内在一定电压范围内,流过流过结的电流是很小的反向饱和电流。但是当反向电结的电流是很小的反向饱和电流。但是当反向电压超过某一数值压超过某一数值()后后,反向电流急剧增加反向电流急剧增加,这种现这种现象称为反向击穿象称为反向击穿,如图如图-所示。所示。称为击穿电压。称为击穿电压。结的击穿分为雪崩击穿和齐纳击穿。结的击穿分为雪崩击穿和
17、齐纳击穿。当反向电压足够高时当反向电压足够高时,阻挡层内电场很强阻挡层内电场很强,少数载流子在少数载流子在结区内受强烈电场的加速作用结区内受强烈电场的加速作用,获得很大的能量获得很大的能量,在运动中与在运动中与其它原子发生碰撞时其它原子发生碰撞时,有可能将价电子有可能将价电子“打打”出共价键出共价键,形成形成新的电子、新的电子、空穴对。这些新的载流子与原先的载流子一道空穴对。这些新的载流子与原先的载流子一道,在强电场作用下碰撞其它原子打出更多的电子、空穴对在强电场作用下碰撞其它原子打出更多的电子、空穴对,如如此链锁反应此链锁反应,使反向电流迅速增大。这种击穿称为雪崩击穿。使反向电流迅速增大。这
18、种击穿称为雪崩击穿。所谓所谓“齐纳齐纳”击穿击穿,是指当结两边掺入高浓度的杂是指当结两边掺入高浓度的杂质时质时,其阻挡层宽度很小其阻挡层宽度很小,即使外加反向电压不太高即使外加反向电压不太高(一般为一般为几伏几伏),在结内就可形成很强的电场在结内就可形成很强的电场(可达可达2106 V/cm),将共价键的价电子直接拉出来将共价键的价电子直接拉出来,产生电子产生电子-空穴对空穴对,使反向电使反向电流急剧增加流急剧增加,出出现击穿现象。现击穿现象。对硅材料的结对硅材料的结,击穿电压击穿电压大于大于V时通常是雪时通常是雪崩击穿崩击穿,小于小于V时通常是齐纳击穿；时通常是齐纳击穿；在在V和和V之之间时
19、两种击穿均有。由于击穿破坏了结的单向导电特间时两种击穿均有。由于击穿破坏了结的单向导电特性性,因而一般使用时应避免出现击穿现象。因而一般使用时应避免出现击穿现象。发生击穿并不一定意味着结被损坏。当发生击穿并不一定意味着结被损坏。当PN结反结反向击穿时向击穿时,只要注意控制反向电流的数值只要注意控制反向电流的数值(一般通过串接电一般通过串接电阻阻实现实现),不使其过大不使其过大,以免因过热而烧坏结以免因过热而烧坏结,当反向当反向电压电压(绝对值绝对值)降低时降低时,结的性能就可以恢复正常。稳压结的性能就可以恢复正常。稳压二极管正是利用了结的反向击穿特性来实现稳压的二极管正是利用了结的反向击穿特性
20、来实现稳压的,当流过结的电流变化时当流过结的电流变化时,结电压保持结电压保持基本不变。基本不变。1.2.4 结的电容效应结的电容效应 按电容的定义按电容的定义 QdQCCUdU=或即电压变化将引起电荷变化即电压变化将引起电荷变化,从而反映出电容效应。而从而反映出电容效应。而结两端加上电压结两端加上电压,结内就有电荷的变化结内就有电荷的变化,说明说明结具有电容效应。结具有两种电容结具有电容效应。结具有两种电容：势垒电势垒电容和扩散电容。容和扩散电容。1.势垒电容势垒电容CT 势垒电容是由阻挡层内空间电荷引起的。空间电荷区势垒电容是由阻挡层内空间电荷引起的。空间电荷区是由不能移动的正负杂质离子所形
21、成的是由不能移动的正负杂质离子所形成的,均具有一定的电均具有一定的电荷量荷量,所以在结储存了一定的电荷所以在结储存了一定的电荷,当外加电压使阻挡当外加电压使阻挡层变宽时层变宽时,电荷量增加电荷量增加,如图如图-所示；反之所示；反之,外加电压外加电压使阻挡层变窄时使阻挡层变窄时,电荷量减少。即阻挡层中的电荷量随外电荷量减少。即阻挡层中的电荷量随外加电压变化而改变加电压变化而改变,形成了电容效应形成了电容效应,称为势垒电容称为势垒电容,用用表示。表示。理论推导理论推导 TdQSCdUWe=WW WU U图图 1 -9 阻挡层内电荷量随外加电压变化阻挡层内电荷量随外加电压变化 OUCj图图 1 -1
22、0 势垒电容和外加电压的关系势垒电容和外加电压的关系 2扩散电容扩散电容CD xO2Qnp1图图 1-11 P区中电子浓度的分布曲线区中电子浓度的分布曲线及电荷的积累及电荷的积累 2扩散电容扩散电容CD 扩散电容是结在正向电压时扩散电容是结在正向电压时,多数载流多数载流子在扩散过程中引起电荷积累而产生的。当子在扩散过程中引起电荷积累而产生的。当结加正向电压时结加正向电压时,区的电子扩散到区区的电子扩散到区,同时同时区的空穴也向区扩散。区的空穴也向区扩散。显然显然,在区交界处在区交界处(x),载流子的浓度最高。由于扩散运动载流子的浓度最高。由于扩散运动,离交离交界处愈远界处愈远,载流子浓度愈低载
23、流子浓度愈低,这些扩散的载流子这些扩散的载流子,在扩散区积累了电荷在扩散区积累了电荷,总的电荷量相当于图总的电荷量相当于图 1-11中曲线以下的部分中曲线以下的部分(图图-表示了区电子表示了区电子p的分布的分布)。若结正向电压加大。若结正向电压加大,则多数载流子则多数载流子扩散加强扩散加强,电荷积累由曲线变为曲线电荷积累由曲线变为曲线,电荷增加电荷增加量为量为；反之；反之,若正向电压减少若正向电压减少,则积累的电荷将则积累的电荷将减少减少,这就是扩散电容效应这就是扩散电容效应CD,扩散电容正比于正向扩散电容正比于正向电流电流,即即DI。所以结的结电容所以结的结电容包括两部包括两部分分,即即Cj
24、。一般说来。一般说来,结正偏时结正偏时,扩扩散电容起主要作用散电容起主要作用,；当结反偏时；当结反偏时,势势垒电容起主要作用垒电容起主要作用,即即。1.2.5 半导体二极管半导体二极管 半导体二极管是由结加上引线和管壳构成的。半导体二极管是由结加上引线和管壳构成的。二极管的类型很多二极管的类型很多,按制造二极管的材料分按制造二极管的材料分,有硅二极有硅二极管和锗二极管。管和锗二极管。从管子的结构来分从管子的结构来分,有以下几种类型：有以下几种类型：(1)点接触型二极管。点接触型二极管。(2)面接触型二极管。面接触型二极管。(3)硅平面型二极管。硅平面型二极管。阴极引线阳极引线二氧化硅保护层P型
25、硅N型硅(c)平面型金属触丝阳极引线N型锗片阴极引线外壳(a)点接触型铝合金小球N型硅阳极引线PN 结金锑合金底座阴极引线(b)面 接 触 型阴极阳极(d)符号图图 1 12 半导体二极管的结构和符号半导体二极管的结构和符号 1.二极管的特性二极管的特性 108642120.80.48400.40.81.2602090902060I/mAU/V806040202010200 1005020757550I/mAU/V20300300200 100(a)2AP22(锗管)的伏安特性曲线(b)2CP1020(锗管)的伏安特性曲线01图 1 13 二极管的伏安特性曲线 (1)正向特性：正向电压低于某一
26、数值时正向特性：正向电压低于某一数值时,正向电流正向电流很小很小,只有当正向电压高于某一值后只有当正向电压高于某一值后,才有明显的正向电才有明显的正向电流。该电压称为导通电压流。该电压称为导通电压,又称为门限电压或死区电压又称为门限电压或死区电压,用用表示。在室温下表示。在室温下,硅管的硅管的约为约为.V,锗管的锗管的约为约为.V。通常认为通常认为,当正向当正向电压电压on时时,二极管截止；二极管截止；时时,二极管导通。二极管导通。(2)反向特性：二极管加反向电压反向特性：二极管加反向电压,反向电流数值很反向电流数值很小小,且基本不变且基本不变,称反向饱和电流。硅管反向饱和电流为称反向饱和电流
27、。硅管反向饱和电流为纳安纳安()数量级数量级,锗管的为微安数量级。当反向电压加锗管的为微安数量级。当反向电压加到一定值时到一定值时,反向电流急剧增加反向电流急剧增加,产生击穿。普通二极管产生击穿。普通二极管反向击穿电压一反向击穿电压一般在几十伏以上般在几十伏以上(高反压管可达几千伏高反压管可达几千伏)。(3)二极管的温度特性：二极管的特性对温度很二极管的温度特性：二极管的特性对温度很敏感敏感,温度升高温度升高,正向特性曲线向左移正向特性曲线向左移,反向特性曲线反向特性曲线向下移。向下移。其规律是：在室温附近其规律是：在室温附近,在同一电流下在同一电流下,温温度每升高度每升高,正向压降减小正向压
28、降减小.V；温度每温度每升高升高,反向电流约增大反向电流约增大 1 倍。倍。2.二极管的主要参数二极管的主要参数 (1)最大整流电流最大整流电流。它是二极管允许通过的最大。它是二极管允许通过的最大正向平均电流。工作时应使平均工作电流小于正向平均电流。工作时应使平均工作电流小于,如超如超过过,二极管将过热而烧毁。此值取决于结的面积、二极管将过热而烧毁。此值取决于结的面积、材料和散热情况。材料和散热情况。(2)最大反向工作电压最大反向工作电压。这是二极管允许的最大。这是二极管允许的最大工作电压。当反向电压超过此值时工作电压。当反向电压超过此值时,二极管可能被击穿。二极管可能被击穿。为了留有余地为了
29、留有余地,通常取击穿电压的一半作为通常取击穿电压的一半作为。(3)反向电流反向电流。指二极管未击穿时的反向电流。指二极管未击穿时的反向电流值。此值越小值。此值越小,二极管的单向导电性越好。由于反向电二极管的单向导电性越好。由于反向电流是由少数载流子形成流是由少数载流子形成,所以所以值受温度的影响很大。值受温度的影响很大。(4)最高工作频率最高工作频率。的值主要取决于的值主要取决于结结电容的大小结结电容的大小,结电容结电容越大越大,则二极管允许的最高工则二极管允许的最高工作频率越低。作频率越低。(5)二极管的直流电阻二极管的直流电阻。加到二极管两端的直。加到二极管两端的直流电压与流过二极管的电流
30、之比流电压与流过二极管的电流之比,称为二极管的直流电称为二极管的直流电阻阻,即即此值可由二极管特性曲线求出此值可由二极管特性曲线求出,如图如图-所示。工所示。工作点电压为作点电压为.V,电流电流,则则FDFURI=31.53050 10FDFURI-=W0UFU/VIFI/mAQ1220406080图图 1 -14 求直流电阻求直流电阻 (6)二极管的交流电阻二极管的交流电阻。在二极管工作点附近。在二极管工作点附近,电压的微变值电压的微变值与相应与相应的微变电流值的微变电流值之比之比,称为该称为该点的交流电阻点的交流电阻,即即 dUrI从其几何意义上讲从其几何意义上讲,当当时时 ddUrdI=
31、就是工作点就是工作点处的切线斜率倒数。显然处的切线斜率倒数。显然,也是非也是非线性的线性的,即工作电流越大即工作电流越大,越小。交流电阻越小。交流电阻也可也可从特性曲线上求出从特性曲线上求出,如图如图-所示。过所示。过点作切点作切线线,在切线上任取两在切线上任取两点、点、,查出这两点间的查出这两点间的和和,则得则得 32 112.5(800)10DQdIUrI图1-15 求交流电阻 交流电阻交流电阻rd也可利用也可利用PN结的电流方程结的电流方程(1 -1)求出。求出。取取I的微分可得的微分可得 即即式中式中,IDQ为二极管工作点的电流为二极管工作点的电流,单位取单位取mA。式。式(1-5)的
32、的近似等式在室温条件下近似等式在室温条件下(T=300 K)成立。成立。对同一工作点而言对同一工作点而言,直流电阻直流电阻RD大于交流电阻大于交流电阻rd；对对不同工作点而言不同工作点而言,工作点愈高工作点愈高,RD和和rd愈低。愈低。(1)TTUUUUSDSTTIIdId I ee dUdUUU=-=26()TDDDQUmVrII（1-51-5）1.2.6 稳压二极管稳压二极管(b)符号UIOU(a)伏安特性IVDz图图 1 -16 稳压管伏安特性和符号稳压管伏安特性和符号 UIUORRLILIzIRVDz图图 1-17 稳压管电路稳压管电路 1.稳定电压稳定电压Uz 稳定电压是稳压管工作在
33、反向击穿区时的稳定工作稳定电压是稳压管工作在反向击穿区时的稳定工作电压。由于稳定电压随着工作电流的不同而略有变化电压。由于稳定电压随着工作电流的不同而略有变化,因因而测试而测试Uz时应使稳压管的电流为规定值。稳定电压时应使稳压管的电流为规定值。稳定电压是根据要求挑选稳压管的主要依据之一。不同型号的稳是根据要求挑选稳压管的主要依据之一。不同型号的稳压管压管,其稳定电压值不同。同一型号的管子其稳定电压值不同。同一型号的管子,由于制造工由于制造工艺的分散性艺的分散性,各个管子的各个管子的值也有差别。例如稳压管值也有差别。例如稳压管DW7C,其其.1.V,表明均为合格产品表明均为合格产品,其稳定其稳定
34、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,但这并不但这并不意味着同一个管子的稳定电压的变化范围有如此大。意味着同一个管子的稳定电压的变化范围有如此大。2.稳定电流稳定电流Iz 稳定电流是使稳压管正常工作时的最小电流稳定电流是使稳压管正常工作时的最小电流,低于低于此值时稳压效果较差。工作时应使流过稳压管的电流大此值时稳压效果较差。工作时应使流过稳压管的电流大于此值。一般情况是于此值。一般情况是,工作电流较大时工作电流较大时,稳压性能较好。稳压性能较好。但电流要但电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.电压温度系数电压温度系数 指稳压管温度
35、变化指稳压管温度变化时时,所引起的稳定电压变化所引起的稳定电压变化的百分比。一般情况下的百分比。一般情况下,稳定电压大于稳定电压大于V的稳压管的稳压管,为为正值正值,即当温度升高时即当温度升高时,稳定电压值增大。如稳定电压值增大。如CW,10.5V,.%/,说明当温度升高说明当温度升高时时,稳定电压增大稳定电压增大0.09%。而稳定电压小于。而稳定电压小于V的稳压管的稳压管,为负值为负值,即当温度升高时即当温度升高时,稳定电压值减小稳定电压值减小,如如CW11,.V,(.%.%),若若.%,表明当温度升高表明当温度升高时时,稳定电稳定电压减小压减小0.05%。稳定电压在。稳定电压在V间的稳压管
36、间的稳压管,其其值较值较小小,稳定电压值受温度影响较小稳定电压值受温度影响较小,性能比较稳定性能比较稳定。4.动态电阻动态电阻rz 是稳压管工作在稳压区时是稳压管工作在稳压区时,两端电压变化量与两端电压变化量与电流变化量之比电流变化量之比,即即。值越小值越小,则则稳压性能越好。同一稳压管稳压性能越好。同一稳压管,一般工作电流越大时一般工作电流越大时,值越小。值越小。通常手册上给出的通常手册上给出的值是在规定的稳定值是在规定的稳定电流之下测得的。电流之下测得的。5.额定功耗额定功耗Pz 由于稳压管两端的电压值为由于稳压管两端的电压值为,而管子中又流过一定而管子中又流过一定的电流的电流,因此要消耗
37、一定的功率。这部分功耗转化为热能因此要消耗一定的功率。这部分功耗转化为热能,会使稳压管发热。会使稳压管发热。取决于稳压管允许的温升。取决于稳压管允许的温升。表表-给出几种稳压管的典型参数。其中给出几种稳压管的典型参数。其中DW7系列系列的稳压管是一种具有温度补偿效应的稳压管的稳压管是一种具有温度补偿效应的稳压管,用于电子设备用于电子设备的精密稳压源中。管子内部实际上包含两个温度系数相反的精密稳压源中。管子内部实际上包含两个温度系数相反的二极管对接在一起。当温度变化时的二极管对接在一起。当温度变化时,一个二极管被反向偏一个二极管被反向偏置置,温度系数为正值；而另一个二极管被正向偏置温度系数为正值
38、；而另一个二极管被正向偏置,温度系温度系数为负值数为负值,二者互相补偿二者互相补偿,使、两端之间的电压随温度使、两端之间的电压随温度的变化很小。它们的电压温度系数比其它一般的稳压管约的变化很小。它们的电压温度系数比其它一般的稳压管约小一个数量级。如小一个数量级。如DW7C,=0.005%/。1.2.7 二极管的应用二极管的应用 二极管的运用基础二极管的运用基础,就是二极管的单向导电特性就是二极管的单向导电特性,因此因此,在应用电路中在应用电路中,关键是判断二极管的导通或截止。关键是判断二极管的导通或截止。二极管导通时一般用电压源二极管导通时一般用电压源.V(硅管硅管,如是锗如是锗管用管用.V)
39、代替代替,或近似用短路线代替。截止时或近似用短路线代替。截止时,一般一般将二极管断开将二极管断开,即认为二极管反向电阻为无穷大。即认为二极管反向电阻为无穷大。二极管的整流电路放在第十章直流电源中讨论。二极管的整流电路放在第十章直流电源中讨论。1.限幅电路限幅电路 当输入信号电压在一定范围内变化时当输入信号电压在一定范围内变化时,输出电压随输出电压随输入电压相应变化；输入电压相应变化；而当输入电压超出该范围时而当输入电压超出该范围时,输出输出电压保持不变电压保持不变,这就是限幅电路。通常将输出电压这就是限幅电路。通常将输出电压uo开开始不变的电压值称为限幅电平始不变的电压值称为限幅电平,当输入电
40、压高于限幅电当输入电压高于限幅电平时平时,输出电压保持不变的限幅称为上限幅；当输入电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压低于限幅电平时,输出电压保持不变的限幅称为下限输出电压保持不变的限幅称为下限幅。幅。限幅电路如图限幅电路如图-所示。改变值就可改变限所示。改变值就可改变限幅电平。幅电平。VDuiuoRE图图 1 18 并联二极管上限幅电路并联二极管上限幅电路 V,限幅电平为限幅电平为V。u时二极管导通时二极管导通,uoV；uiV,二极管截止二极管截止,uou。波形如图。波形如图-19(a)所示。所示。如果如果Um,则限幅电平为则限幅电平为。u,二极二极管截止管截止,u
41、ou；u,二极管导通二极管导通,uo。波形图如。波形图如图图-()所示。所示。如果如果m,则限幅电平为则限幅电平为-E,波形图如图波形图如图-19()所示。所示。tuiO(b)EuotOEtui(a)UmuoOtUmOtuiO(c)EuoEOt图图 1 -19 二极管并联上限幅电路波形关系二极管并联上限幅电路波形关系VDuiuoER图图 1 -20 并联下限幅电路并联下限幅电路 VDuiuoR(a)上限幅EVDuiuoR(b)下限幅E图图 1 -21 串联限幅电路串联限幅电路VD1uiuoRE1VD2E2图图 1 -22 双向限幅电路双向限幅电路 2二极管门电路二极管门电路 UAUoVD1RU
42、C CVD2VD3UBUC图图 1 -23 二极管二极管“与与”门电路门电路 1.2.8 其它二极管其它二极管1.发光二极管发光二极管图图 1 -24 发光二极管符号发光二极管符号 2.光电二极管光电二极管图图 1-25 光电二极管符号光电二极管符号 3.光电耦合器件光电耦合器件 输入输出图 1 -26 光电耦合器件 4.变容二极管变容二极管 图图 1 -27 变容二极管符号变容二极管符号1.3 半导体三极管半导体三极管 图图 1 -28 几种半导体三极管的外形几种半导体三极管的外形 1.3.1 三极管的结构及类型三极管的结构及类型 图 1 29 三极管的结构示意图和符号 无论是无论是NPN型
43、或是型或是PNP型的三极管型的三极管,它们均包含三个它们均包含三个区区:发射区、基区和集电区发射区、基区和集电区,并相应地引出三个电极：并相应地引出三个电极：发射极（发射极（e)、基极基极(b)和集电极和集电极(c)。同时同时,在三个区的两在三个区的两两交界处两交界处,形成两个形成两个PN结结,分别称为发射结和集电结。分别称为发射结和集电结。常用的半导体材料有硅和锗常用的半导体材料有硅和锗,因此共有四种三极管类型。因此共有四种三极管类型。它们对应的型号分别为：它们对应的型号分别为：3A(锗锗PNP)、3B(锗锗NPN)、3C(硅硅PNP)、3D(硅硅NPN)四种系列。四种系列。1.3.2 三极
44、管的三种连接方式三极管的三种连接方式 becIBIEIC(a)共基极beIBIEIC(b)共发射极beIBIEIC(c)共集电极cc图图 1 -30 三极管的三种连接方式三极管的三种连接方式1.3.3 三极管的放大作用三极管的放大作用 1.载流子的传输过程载流子的传输过程(1)发射。发射。(2)(2)扩散和复合。扩散和复合。(3)(3)收集。收集。IBRbUBBeIENPNICRcUCCcb图图 1 31 三极管中载流子的传输过程三极管中载流子的传输过程2.电流分配电流分配 IBRbUB BeIENPNICRcUC CcICnICB ObIBn图图 1 -32 三极管电流分配三极管电流分配 集
45、电极电流集电极电流由两部分组成：由两部分组成：和和,前者是由发射区发射的电子被集电极收集后形成的前者是由发射区发射的电子被集电极收集后形成的,后者是由集电区和基区的少数载流子漂移运动形成的后者是由集电区和基区的少数载流子漂移运动形成的,称为反向饱和电流。称为反向饱和电流。于是有于是有 (1-6)发射极电流发射极电流也由两部分组成：也由两部分组成：和和。为发射区发射的电子所形成的电流为发射区发射的电子所形成的电流,是由基是由基区向发射区扩散的空穴所形成的电流。因为发射区是重区向发射区扩散的空穴所形成的电流。因为发射区是重掺杂掺杂,所以所以忽略不计忽略不计,即即。又分成又分成两部分两部分,主要部分
46、是主要部分是,极少部分是极少部分是。是电是电子在基区与空穴复合时所形成的电流子在基区与空穴复合时所形成的电流,基区空穴是由电基区空穴是由电源源提供的提供的,故它是基极电流的一部分。故它是基极电流的一部分。基极电流基极电流是是与与之差：之差：BBnCBOIII=-(1-7)(1-8)EEnCnBnIIII 发射区注入的电子绝大多数能够到达集电极发射区注入的电子绝大多数能够到达集电极,形成形成集电极电流集电极电流,即要求即要求。通常用共基极直流电流放大系数衡量上述关系通常用共基极直流电流放大系数衡量上述关系,用用来表示来表示,其定义为其定义为(1-9)一般三极管的一般三极管的值为值为0.970.9
47、9。将将(-)式代入式代入(-)式式,可得可得(1-10)CnCnEnEIIIIa-=CCnCBOECBOIIIIIa-=+=+通常通常CBO,可将可将忽略忽略,由上式可得出由上式可得出(1-11)三极管的三个极的电流满足节点电流定律三极管的三个极的电流满足节点电流定律,即即ECBIII=+将此式代入将此式代入(1-10)式得式得(1-12)CEII()CCBCBOIIIIa-=+经过整理后得经过整理后得 令令 称为共发射极直流电流放大系数。当称为共发射极直流电流放大系数。当ICICBO时时,又可写成又可写成(1-13)(1-14)111CBCBOIIIaaa-=+-1CBII则则其中其中IC
48、EO称为穿透电流称为穿透电流,即即 一般三极管的一般三极管的约为几十几百。约为几十几百。太小太小,管子管子的放大能的放大能力就差力就差,而而过大则管子不够稳定。过大则管子不够稳定。(1)CBCBOBCEOIIIII (1)CEOCBOII表表1 -3 三极管电流关系的一组典型数据三极管电流关系的一组典型数据 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相应地相应地,将集电极电流与发射极电流的变化量之比将集电极电流与发射极电流的
49、变化量之比,定义为共定义为共基极交流电流放大系数基极交流电流放大系数,即即故故 常数CEUBCII常数CBUECII/1/1CCCEBECCEIIIIIIIII 显然显然与与,与与其意义是不同的其意义是不同的,但是在多数情况但是在多数情况下下,。例如例如,从表从表-知知,在在mA附近附近,设设由由mA变为变为mA,可求得可求得983.077.174.1983.016.137.214.133.25803.074.15.5902.004.014.133.2BCBCIIII1.3.4 三极管的特性曲线三极管的特性曲线 图图 1 33 三极三极管共发射极特性曲线测试电路管共发射极特性曲线测试电路 1.
50、输入特性输入特性 当当不变时不变时,输输入回路中的电流入回路中的电流与与电压电压之间的之间的关系曲关系曲线称为输入特性线称为输入特性,即即 IB/mAUBE/V00.20.40.6UCE 0 VUCE 2 V图图 1 -34 三极管的输入特性三极管的输入特性 常数CEUBEBUfI)(2.输出特性输出特性 当当不变时不变时,输出输出回路中的电流回路中的电流与电压与电压之间的关系曲之间的关系曲线称线称为输出特性为输出特性,即即UCE/V5101501234饱和区截止区IB 80 A60 A放大区IC/mA40 A20 A0 A图图 1 -35 三极管的输出特性三极管的输出特性 常数BICECUf
