1、第第8章章 常用半导体器件及应用常用半导体器件及应用8.1 半导体二极管半导体二极管8.2 稳压二极管稳压二极管8.3 发光二极管发光二极管8.4 二极管的应用举例二极管的应用举例(半波整流半波整流)8.5 晶体三极管晶体三极管8.6 三极管的应用举例三极管的应用举例8.1 半导体二极管半导体二极管8.1.1半导体基础知识半导体基础知识1.本征半导体本征半导体自然界的物质按其导电性能分为导体、绝缘体和半导体。半自然界的物质按其导电性能分为导体、绝缘体和半导体。半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间。半导体的主要性质导体的导电能力介于导体和绝缘体之间。半导体的主要性质有对光、电、热的敏感性和掺杂性
2、。纯净晶体结构的半导体有对光、电、热的敏感性和掺杂性。纯净晶体结构的半导体称之为本征半导体。常用的半导体材料有硅和锗。称之为本征半导体。常用的半导体材料有硅和锗。2.杂质半导体杂质半导体在本征半导体中有控制的掺人特定的杂质可以改变它的导电在本征半导体中有控制的掺人特定的杂质可以改变它的导电性，这种半导体被称为杂质半导体。在本征半导体中，掺人性，这种半导体被称为杂质半导体。在本征半导体中，掺人五价兀索五价兀索(如磷元素如磷元素)使晶体中某些原子被杂质原子所代替，使晶体中某些原子被杂质原子所代替，形成形成N型半导体。型半导体。下一页返回8.1 半导体二极管半导体二极管3.PN结结通过现代工艺，把一
3、块本征半导体的一边形成通过现代工艺，把一块本征半导体的一边形成P型半导体，型半导体，另一边形成另一边形成N型半导体，这两种半导体的交界处就形成了型半导体，这两种半导体的交界处就形成了PN结。结。PN结具有单向导电特性。当结具有单向导电特性。当PN结外加正向电压结外加正向电压(外加外加正向电压的正极接正向电压的正极接P区一侧，负极接区一侧，负极接N区一侧区一侧)，形成较大的，形成较大的正向电流时，正向电流时，PN结呈现很小的正向电阻，结呈现很小的正向电阻，PN结导通结导通;当当PN结外加反向电压结外加反向电压(外加反向电压的正极接外加反向电压的正极接N区一侧，负极接区一侧，负极接P区一侧区一侧)
4、，反向电流很小时，反向电流很小时，PN结呈现很大的反向电阻，结呈现很大的反向电阻，PN结截止。结截止。上一页 下一页返回8.1 半导体二极管半导体二极管8.1.2半导体二极管的结构与符号半导体二极管的结构与符号将将PN结的两端加上相应的电极引线和管壳，就制成了半导体结的两端加上相应的电极引线和管壳，就制成了半导体二极管，它的电路符号如二极管，它的电路符号如图图8-1(c)所示。其中三角形表示所示。其中三角形表示P区，为阳极区，为阳极;粗短线表示粗短线表示N区，为阴极。半导体二极管按其区，为阴极。半导体二极管按其结构的不同，可以分为点接触型和面接触型两类，如图结构的不同，可以分为点接触型和面接触
5、型两类，如图8-1(a)和和(b)所示。所示。8.1.3半导体二极管的单向导电性半导体二极管的单向导电性当外加正向电压时，二极管导通。导通时，二极管的正向压当外加正向电压时，二极管导通。导通时，二极管的正向压降几乎为零，二极管相当于短路。当外加反向电压时，二极降几乎为零，二极管相当于短路。当外加反向电压时，二极管截止。截止时，二极管的反向电流几乎为零，二极管相当管截止。截止时，二极管的反向电流几乎为零，二极管相当于开路。于开路。上一页 下一页返回8.1 半导体二极管半导体二极管8.1.4半导体二极管的伏安特性半导体二极管的伏安特性二极管中通过的电流随管子两端施加的电压变化的关系曲线二极管中通过
6、的电流随管子两端施加的电压变化的关系曲线称为伏安特性曲线，如称为伏安特性曲线，如图图8-2所示。二极管的伏安特性由三所示。二极管的伏安特性由三部分组成。部分组成。(1)正向特性。在正向特性的起始部分，当外加正向电压很正向特性。在正向特性的起始部分，当外加正向电压很低时，外电场不能克服低时，外电场不能克服PN结的内电场，这个时候正向电流很结的内电场，这个时候正向电流很小，几乎为零当正向电压超过一定的数值后，内电场被大大小，几乎为零当正向电压超过一定的数值后，内电场被大大削弱，电流增长很快。削弱，电流增长很快。上一页 下一页返回8.1 半导体二极管半导体二极管这个一定数值的正向电压称为门坎电压这个
7、一定数值的正向电压称为门坎电压Uth(又称死区电压又称死区电压).其大小与材料及环境温度有关。通常硅管的门坎电压约为其大小与材料及环境温度有关。通常硅管的门坎电压约为0.5 V.锗管的约为锗管的约为0.2V。当正向电压超过死区电压值时。当正向电压超过死区电压值时.正向正向电流随外加电压的增加而明显增大电流随外加电压的增加而明显增大.二极管正向电阻变得很小。二极管正向电阻变得很小。当二极管完全导通后当二极管完全导通后.正向压降基本维持不变一般硅管的约为正向压降基本维持不变一般硅管的约为0.6-0.8V,锗管的约为锗管的约为0.2-0.3V。(2)反向特性。在二极管加上反向电压时反向特性。在二极管
8、加上反向电压时.由于少数载流子漂由于少数载流子漂移运动移运动.形成很小的反向电流。反向电流的大小与反向电压的形成很小的反向电流。反向电流的大小与反向电压的高低无关高低无关.故通常称它为反向饱和电流。如果温度升高故通常称它为反向饱和电流。如果温度升高.由于由于少数载流子增加少数载流子增加.反向电流将随之急剧增加一般硅管的反向电反向电流将随之急剧增加一般硅管的反向电流要比锗管的小得多。流要比锗管的小得多。上一页 下一页返回8.1 半导体二极管半导体二极管（3）反向击穿特性。当反向电压增加到一定的数值时，强）反向击穿特性。当反向电压增加到一定的数值时，强电场将电场将PN结击穿，反向电流突然急剧增加，
9、二极管失去单向结击穿，反向电流突然急剧增加，二极管失去单向导电性，这种现象称为二极管反向击穿，这个数值的反向电导电性，这种现象称为二极管反向击穿，这个数值的反向电压称为反向击穿电压压称为反向击穿电压UBR。普通二极管被击穿。普通二极管被击穿 后，往往因电后，往往因电流过大管子过热而损坏，不能再恢复原来的工作性能。流过大管子过热而损坏，不能再恢复原来的工作性能。8.1.5半导体二极管的主要参数半导体二极管的主要参数半导体二极管的参数规定了二极管的性能指标和适用范围半导体二极管的参数规定了二极管的性能指标和适用范围.是是使用时的主要依据。下面介绍二极管的几个主要参数。使用时的主要依据。下面介绍二极
10、管的几个主要参数。上一页 下一页返回8.1 半导体二极管半导体二极管最大整流电流最大整流电流IFM。它是指二极管长期运行时，允许通过的。它是指二极管长期运行时，允许通过的最大正向电流，它由最大正向电流，它由PN结的面积和散热条件决定。结的面积和散热条件决定。最高反向工作电压最高反向工作电压URM。它是指保证二极管不被击穿的反。它是指保证二极管不被击穿的反向电压，为了安全运行一般手册中规定为反向击穿电压的一向电压，为了安全运行一般手册中规定为反向击穿电压的一半。半。最大反向电流最大反向电流IRM。它是指在二极管上加最高反向工作电。它是指在二极管上加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流越小，说明
11、管子的单向导电性能压时的反向电流。反向电流越小，说明管子的单向导电性能越好。越好。上一页返回8.2 稳压二极管稳压二极管 8.2.1稳压二极管的伏安特性稳压二极管的伏安特性稳压二极管是用特殊工艺制造的面接触型硅二极管，因为它稳压二极管是用特殊工艺制造的面接触型硅二极管，因为它具有稳定电压的功能，故称为稳压管。稳压管的电路符号及具有稳定电压的功能，故称为稳压管。稳压管的电路符号及伏安特性曲线如伏安特性曲线如图图8-4所示。由图可见，稳压管的正向特性所示。由图可见，稳压管的正向特性曲线与普通二极管的相似，而反向击穿特性曲线比较陡，稳曲线与普通二极管的相似，而反向击穿特性曲线比较陡，稳压管正是工作于
12、特性曲线的反向击穿区域。当反向电压大到压管正是工作于特性曲线的反向击穿区域。当反向电压大到某一个数值时反向电流急剧增大，稳压管被反向击穿，但这某一个数值时反向电流急剧增大，稳压管被反向击穿，但这种击穿不是破坏性的，只要在电路中串联一个适当的限流电种击穿不是破坏性的，只要在电路中串联一个适当的限流电阻，就能保证稳压管不因过热而烧坏。在击穿状态下，流过阻，就能保证稳压管不因过热而烧坏。在击穿状态下，流过管子的电流在很大范围内变化时，管子两端的电压几乎不变，管子的电流在很大范围内变化时，管子两端的电压几乎不变，利用这一特点可以达到稳压的目的。利用这一特点可以达到稳压的目的。下一页返回8.2 稳压二极
13、管稳压二极管8.2.2稳压二极管的主要参数稳压二极管的主要参数1.稳定电流稳定电流IZ稳定电流是稳压管正常工作时的额定电流。工作电流小于稳定电流是稳压管正常工作时的额定电流。工作电流小于IZ时，稳压效果较差时，稳压效果较差;工作电流大于工作电流大于IZ时时.在不超过稳压管额定在不超过稳压管额定功耗的条件下，工作电流越大，稳压效果越好，只是管子的功耗的条件下，工作电流越大，稳压效果越好，只是管子的功耗增加。功耗增加。2.稳定电压稳定电压UZ稳定电压是稳压管工作电流为规定值时稳压管两端的电压，稳定电压是稳压管工作电流为规定值时稳压管两端的电压，也就是反向击穿电压。因制造工艺不易控制，同型号管子的也
14、就是反向击穿电压。因制造工艺不易控制，同型号管子的稳定电压也有少许差别。稳定电压也有少许差别。上一页 下一页返回8.2 稳压二极管稳压二极管3.动态电阻动态电阻rZ动态电阻是稳压管上电压变化量与电流变化量之比，动态电阻是稳压管上电压变化量与电流变化量之比，即即 。动态电阻越小，反向击穿特性曲线越陡。动态电阻越小，反向击穿特性曲线越陡.稳压效稳压效果越好。果越好。rZ的数值通常在几欧至几十欧之间，随工作电流不的数值通常在几欧至几十欧之间，随工作电流不同而变化同而变化.电流越大，电流越大，rZ越小。越小。4.额定功耗额定功耗Pz在管子不致于过热损坏前提下的最大功率损耗值在管子不致于过热损坏前提下的
15、最大功率损耗值5.稳定电压温度系数稳定电压温度系数T描述稳定电压对于温度的敏感程度。描述稳定电压对于温度的敏感程度。T越小越小.稳定电压受温稳定电压受温度影响越小度影响越小.管子的性能也越好管子的性能也越好上一页返回8.3 发光二极管发光二极管发光二极管是一种将电能转换成光能的特殊二极管，它在二发光二极管是一种将电能转换成光能的特殊二极管，它在二极管的正向特性区工作。当发光二极管通过一定的正向电流极管的正向特性区工作。当发光二极管通过一定的正向电流时，由于电子与空穴直接复合放出能量，发出一定波长的可时，由于电子与空穴直接复合放出能量，发出一定波长的可见光。根据制作材料不同见光。根据制作材料不同
16、.如砷化镓、磷砷化镓、磷化镓等如砷化镓、磷砷化镓、磷化镓等.能分别发出红、黄、绿等颜色的光。发光二极管的正向工作能分别发出红、黄、绿等颜色的光。发光二极管的正向工作电压约为电压约为2 V工作电流一般为几个毫安到几十毫安之间。工作电流一般为几个毫安到几十毫安之间。发光二极管的工作电压低，功耗小，体积小，响应速度快。发光二极管的工作电压低，功耗小，体积小，响应速度快。它主要用作指不灯，除单个使用外，也常做成七段式和矩阵它主要用作指不灯，除单个使用外，也常做成七段式和矩阵式，作为数字、文字和图形显不器件。它的电气符号如式，作为数字、文字和图形显不器件。它的电气符号如图图8-5所示，外形除圆形外，还有
17、矩形、三角形等。所示，外形除圆形外，还有矩形、三角形等。返回8.4 二极管的应用举例二极管的应用举例(半波整流半波整流)单向半波整流电路如单向半波整流电路如图图8-6所示。其中所示。其中u1、u2分别表不变压分别表不变压器的一次侧和二次侧交流电压，器的一次侧和二次侧交流电压，RL为负载电阻。为负载电阻。设变压器二次绕组的交流电压。设变压器二次绕组的交流电压。，其中，其中u2为为变压器二次侧电压有效值。在变压器二次侧电压有效值。在0时间内，即在时间内，即在u2的正半周的正半周内内.变压器二次侧电压是上端为正，下端为负，二极管变压器二次侧电压是上端为正，下端为负，二极管VD承承受正向电压而导通，此
18、时有电流流过负载，并且和二极管上受正向电压而导通，此时有电流流过负载，并且和二极管上的电流相等的电流相等.即即iL=iD。忽略二极管上的压降，负载上输出电。忽略二极管上的压降，负载上输出电压压uo=u2输出波形与输出波形与u2相同。相同。在在 2时间内，即在时间内，即在u2负半周内，变压器二次绕组的上负半周内，变压器二次绕组的上端为负，下端为正，二极管端为负，下端为正，二极管VD承受反向电压，此时二极管截承受反向电压，此时二极管截止，负载上无电流流过，输出电压止，负载上无电流流过，输出电压uo=0，此时，此时u2电压全部电压全部加在二极管加在二极管VD上，电路波形如上，电路波形如图图8-7所示
19、。所示。返回8.5 晶体三极管晶体三极管8.5.1晶体管的基本结构晶体管的基本结构根据结构不同，半导体三极管分为根据结构不同，半导体三极管分为PNP型管和型管和NPN型管，型管，其结构示意图和电路符号如其结构示意图和电路符号如图图8-8(a)和和(b)所示。所示。管子有三个电极管子有三个电极:发射极发射极e、基极、基极b和集电极和集电极c。从内部结构看，两种类型的晶体管都有三个导电区域从内部结构看，两种类型的晶体管都有三个导电区域.分别称分别称为发射区、基区和集电区。形成了两个为发射区、基区和集电区。形成了两个PN结，在发射区和基结，在发射区和基区之间形成的区之间形成的PN结称为发射结结称为发
20、射结;而集电区与基区之间形成的而集电区与基区之间形成的PN结称为集电结。结称为集电结。下一页返回8.5 晶体三极管晶体三极管在在PNP型晶体管中，发射区是型晶体管中，发射区是P型半导体。它的多数载流子型半导体。它的多数载流子是空穴，从发射区向基区扩散的是空穴流，所以电流方向由是空穴，从发射区向基区扩散的是空穴流，所以电流方向由发射极流向基极。在发射极流向基极。在NPN型晶体管中，发射区是型晶体管中，发射区是N型半导体，型半导体，它的多数载流子是自由电子，从发射区向基区扩散的是电子它的多数载流子是自由电子，从发射区向基区扩散的是电子流流.所以电流的方向由基极指向发射极。不同类型的晶体管在所以电流
21、的方向由基极指向发射极。不同类型的晶体管在电路中用不同的图形符号表不。电路中用不同的图形符号表不。如如图图8-8(c)所示，三极管在制造工艺有如下特点所示，三极管在制造工艺有如下特点:发射区的发射区的掺杂浓度最高，集电区掺杂浓度低于发射区的，且面积大，掺杂浓度最高，集电区掺杂浓度低于发射区的，且面积大，基区很薄一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。基区很薄一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。上一页 下一页返回8.5 晶体三极管晶体三极管8.5.2晶体管的电流放大作用晶体管的电流放大作用用较小的电流去控制较大的电流，称为电流放大。现以用较小的电流去控制较大的电流，称为电流放大。现以
22、NPN型晶体管为例说明晶体管的电流放大作用，工作原理如型晶体管为例说明晶体管的电流放大作用，工作原理如图图8-9所示。电源所示。电源EB和和EC的极性应按图连接，且使的极性应按图连接，且使EBUBR(CEO)，将导致，将导致iC剧增剧增.可能使管子因击穿而损坏。可能使管子因击穿而损坏。以上所介绍的参数中以上所介绍的参数中 和和ICEO为晶体管的性能参为晶体管的性能参数数;ICM、PCM和和UBR(CEO)是极限参数是极限参数.用来说明晶体管的使用用来说明晶体管的使用限制范围。限制范围。上一页返回8.6 三极管的应用举例三极管的应用举例8.6.1 放大电路的组成及各元器件的作用放大电路的组成及各
23、元器件的作用如如图图8-12所示是一个简单的共发射极放大电路所示是一个简单的共发射极放大电路.它由三极管、它由三极管、电阻、电容等元件组成。图中电阻、电容等元件组成。图中VT是是NPN型的三极管型的三极管.它是整它是整个电路的核心个电路的核心.起放大作用。直流电源起放大作用。直流电源VCC为三极管集电极提为三极管集电极提供反向偏置电压供反向偏置电压.保证集电结反偏。保证集电结反偏。RC是集电极负载电阻是集电极负载电阻.其其作用是将三极管集电极电流的变化转变成电压的变化作用是将三极管集电极电流的变化转变成电压的变化.送到输送到输出端。若没有出端。若没有RC.则输出端的电压始终等于电源电压则输出端
24、的电压始终等于电源电压VCC.就就不会随输人信号变化了。直流电源不会随输人信号变化了。直流电源VCC通过基极电阻通过基极电阻RB为三为三极管发射结提供正向偏置电压极管发射结提供正向偏置电压.并为基极提供所需的电流并为基极提供所需的电流IB(常称为偏置电流常称为偏置电流)。电容。电容C1和和C2称为耦合电容称为耦合电容.它们的作它们的作用是用是“隔直流，通交流隔直流，通交流”.即对直流信号来说即对直流信号来说.电容的容抗为电容的容抗为无穷大无穷大.相当于开路相当于开路;但对交流信号而言但对交流信号而言.电容呈现的容抗很小电容呈现的容抗很小.可近似认为短路。可近似认为短路。ui为待放大的微弱的电信
25、号。为待放大的微弱的电信号。下一页返回8.6 三极管的应用举例三极管的应用举例8.6.2静态分析静态分析在没有加人信号在没有加人信号(ui=0)时时.放大电路中各处的电压、电流都放大电路中各处的电压、电流都是直流量是直流量.称为直流工作状态称为直流工作状态.简称为静态。简称为静态。静态时，三极管各电极的直流电流及各电极间的直流电压分静态时，三极管各电极的直流电流及各电极间的直流电压分别用别用IBQ、ICQ、UBEQ、UCEQ表示，这些电流、电压的数值表示，这些电流、电压的数值可用三极管特性曲线上的一个确定的点表示可用三极管特性曲线上的一个确定的点表示.习惯上称它们为习惯上称它们为静态工作点静态
26、工作点.用用Q表示。静态工作点可以通过放大电路的直流表示。静态工作点可以通过放大电路的直流通路通路(直流电流流通的途径直流电流流通的途径)用近似计算法求得。用近似计算法求得。具体步骤如下具体步骤如下:画放大电路的直流通路画放大电路的直流通路.标出各支路电流。由于电容有隔标出各支路电流。由于电容有隔离直流的作用离直流的作用.对直流相当于开路对直流相当于开路.根据这一点可画出放大电根据这一点可画出放大电路的直流通路如路的直流通路如图图8-13 所示。所示。上一页 下一页返回8.6 三极管的应用举例三极管的应用举例由基极回路依由基极回路依KVL求求IBQ由图可知式中由图可知式中UBE可近似为常数，硅
27、管的约为可近似为常数，硅管的约为0.7V，锗管的，锗管的约为约为0.2V。当。当VBBUBE时得时得VBB和和RB选定后，选定后，IBQ即为固定值，故此放大电路又称为固即为固定值，故此放大电路又称为固定偏流电路。定偏流电路。根据三极管的电流分配关系根据三极管的电流分配关系.由由IBQ求得。求得。上一页 下一页返回8.6 三极管的应用举例三极管的应用举例8.6.3动态分析动态分析输人端加上输人信号输人端加上输人信号(ui0)后后.电路中既有直流电量电路中既有直流电量.也有交也有交流电量流电量.各电极的电流和各极间的电压都在静态值的基础上随各电极的电流和各极间的电压都在静态值的基础上随输人信号作用
28、相应变化。一般用放大电路的交流通路输人信号作用相应变化。一般用放大电路的交流通路(交流电交流电流流通的途径流流通的途径)来研究交流量及放大电路的动态性能。由放大来研究交流量及放大电路的动态性能。由放大电路画其交流通路的原则是电路画其交流通路的原则是:(1)原理图中的耦合电容原理图中的耦合电容C1、C2都视为短路。都视为短路。(2)电源电源VCC的内阻很小的内阻很小.对交流信号也可视为对交流信号也可视为短路。根据这些原则短路。根据这些原则.可画出如可画出如图图8-13(c)所示的交流通路。所示的交流通路。在共射极放大电路中在共射极放大电路中.要求信号既能被放大要求信号既能被放大.又要不失真又要不
29、失真.则必则必须设置合适的静态工作点。否则须设置合适的静态工作点。否则.静态工作点过高静态工作点过高.进人饱和进人饱和区区.引起饱和失真引起饱和失真;静态工作点过低静态工作点过低.进人截止区进人截止区.引起截止失真。引起截止失真。上一页返回图图8-1半导体二极管的结构与符号半导体二极管的结构与符号返回图图8-2 2CZ52A的伏安特性的伏安特性返回图图8-4 稳压管的伏安特性曲线和电稳压管的伏安特性曲线和电路符号路符号返回图图8-5 发光二极管的电路符号发光二极管的电路符号返回图图8-6 单相半波整流电路单相半波整流电路返回图图8-7 半波整流电路波形图半波整流电路波形图返回图图8-8 半导体三极管的结构和符号半导体三极管的结构和符号返回图图8-9 晶体管的工作原理晶体管的工作原理返回图图8-10 输入特性曲线输入特性曲线返回图图8-11 共发射极输出特性曲线共发射极输出特性曲线返回图图8-12 单管共发射极放大电路单管共发射极放大电路返回图图8-13 放大电路的直流通路和交流放大电路的直流通路和交流通路通路返回
