基本半导体分立器件

第1章基本半导体分立器件1.1半导体的基本知识与PN结1.2半导体二极管1.3特殊二极管1.4半导体三极管1.5场效应晶体管习题

1.1半导体的基本知识与PN结1.1.1半导体的基本特性在自然界中存在着许多不同的物质，根据其导电性能的不同大体可分为导体、绝缘体和半导体三大类。通常将很容易导电、电阻率小于10-4Ω·cm的物质，称为导体，例如铜、铝、银等金属材料；将很难导电、电阻率大于1010Ω·cm的物质，称为绝缘体，例如塑料、橡胶、陶瓷等材料；将导电能力介于导体和绝缘体之间、电阻率在10-3～109Ω·cm范围内的物质，称为半导体。常用的半导体材料是硅（Si）和锗（Ge）。1.热敏性所谓热敏性就是半导体的导电能力随着温度的升高而迅速增加。半导体的电阻率对温度的变化十分敏感。例如纯净的锗从20℃升高到30℃时，它的电阻率几乎减小为原来的1/2。2.光敏性半导体的导电能力随光照的变化有显著改变的特性叫做光敏性。一种硫化镉薄膜，在暗处其电阻为几十兆欧姆，受光照后，电阻可以下降到几十千欧姆，只有原来的1%。自动控制中用的光电二极管和光敏电阻，就是利用光敏特性制成的。而金属导体在阳光下或在暗处，其电阻率一般没有什么变化。3.杂敏性所谓杂敏性就是半导体的导电能力因掺入适量杂质而发生很大的变化。在半导体硅中，只要掺入亿分之一的硼，电阻率就会下降到原来的几万分之一。所以，利用这一特性，可以制造出不同性能、不同用途的半导体器件，而金属导体即使掺入千分之一的杂质，对其电阻率也几乎没有什么影响。半导体之所以具有上述特性，根本原因在于其特殊的原子结构和导电机理。1.1.2本征半导体在近代电子学中，最常用的半导体材料就是硅和锗，下面以它们为例，介绍半导体的一些基本知识。一切物质都是由原子构成的，而每个原子都由带正电的原子核和带负电的电子构成。由于内层电子受原子核的束缚较大，很难活动，因此物质的特性主要由受原子核的束缚力较小的最外层电子，也就是价电子来决定。硅原子和锗原子的电子数分别为32和14，所以它们最外层的电子都是四个，是四价元素。其原子结构可以表示成如图1-1所示的简化模型。图1-1硅和锗的原子结构简化模型在实际应用中，必须将半导体提炼成单晶体——使它的原子排列由杂乱无章的状态变成有一定规律、整齐地排列的晶体结构，如图1-2所示，称为单晶。硅和锗等半导体都是晶体，所以半导体管又称晶体管。通常把纯净的不含任何杂质的半导体称为本征半导体。图1-2本征硅（或锗）的晶体结构（a）结构图；（b）平面示意图与共价键从图1-2（b）的平面示意图可以看出，硅和锗原子组成单晶的组合方式是共价键结构。每个价电子都要受到相邻的两个原子核的束缚，每个原子的最外层就有了八个价电子而形成了较稳定的共价键结构。所以，半导体的价电子既不像导体的价电子那样容易挣脱成为自由电子，也不像在绝缘体中被束缚的那样紧。由于导电能力的强弱，在微观上看就是单位体积中能自由移动的带电粒子数目的多少，因此，半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间。1．．本本征征激激发发与与复复合合在绝绝对对零零度度（（－－273℃℃））时时，，半半导导体体中中的的价价电电子子不不能能脱脱离离共共价价键键的的束束缚缚，，所所以以在在半半导导体体中中没没有有自自由由电电子子，，半半导导体体呈呈现现不不能能导导电电的的绝绝缘缘体体特特性性。。当温温度度逐逐渐渐升升高高或或在在一一定定强强度度的的光光照照下下，，本本征征硅硅或或锗锗中中的的一一些些价价电电子子从从热热运运动动中中获获得得了了足足够够的的能能量量，，挣挣脱脱共共价价键键的的束束缚缚而而成成为为带带单单位位负负电电荷荷的的自自由由电电子子。。同同时时，，在在原原来来的的共共价价键键位位置置上上留留下下一一个个相相当当于于带带有有单单位位正正电电荷荷电电量量的的空空位位，，称称之之为为空空穴穴，，也也叫叫空空位位。。这这种种现现象象，，叫叫做做本本征征激激发发。。在在本本征征激激发发中中，，带带一一个个单单位位负负电电荷荷的的自自由由电电子子和和带带一一个个单单位位正正电电荷荷的的空空穴穴总总是是成成对对出出现现的的，，所所以以称称之之为为自自由由电电子子——空空穴穴对对，，如如图图1-3所所示示。。图1-3本本征征激激发发产产生生自自由由电电子子——空空穴穴对对自由由电电子子和和空空穴穴在在热热运运动动中中又又可可能能重重新新相相遇遇结结合合而而消消失失，，叫叫做做复复合合。。本本征征激激发发和和复复合合总总是是同同时时存存在在、、同同时时进进行行的的，，这这是是半半导导体体内内部部进进行行的的一一对对矛矛盾盾运运动动。。在在温温度度一一定定的的情情况况下下，，本本征征激激发发和和复复合合达达到到动动态态平平衡衡，，单单位位时时间间本本征征激激发发出出的的自自由由电电子子——空空穴穴对对数数目目正正好好等等于于复复合合消消失失的的数数目目，，这这样样在在整整块块半半导导体体内内，，自自由由电电子子和和空空穴穴的的数数目目保保持持一一定定。。一一般般在在室室温温时时，，纯纯硅硅中中的的自自由由电电子子浓浓度度n和空穴穴浓度度p为ni=n=p≈1.5××1010(个个/cm3)（（1-1）对于纯纯锗来来说，，这这个数数据约约为2.5×1013个/cm3，而而金属属导体体中的的自由由电子子浓度度约为为1022个/cm3。从从数字字上可可以看看出，，本本征半半导体体的导导电能能力是是很差差的。。温温度越越高，，本本征激激发越越激烈烈，产产生生的自自由电电子——空穴穴对越越多，，当当半导导体重重新达达到动动态平平衡时时的自自由电电子或或空穴穴的浓浓度就就越高高，导导电电能力力就越越强。。这这实际际上就就是半半导体体材料料具有有热敏敏性和和光敏敏性的的本质质原因因。2．自自由由电子子运动动与空空穴运运动经过分分析，，我我们知知道在在本征征半导导体中中，每每本本征激激发出出一个个自由由电子子，就就会会留下下一个个空穴穴，这这时时本来来不带带电的的原子子，就就相相当于于带正正电的的正离离子，，或或者说说留下下的这这个空空穴相相当于于带一一个单单位的的正电电荷。。在在热能能或外外加电电场的的作用用下，，邻邻近原原子带带负电电的价价电子子很容容易跳跳过来来填补补这个个空位位，这这相相当于于此处处的空空穴消消失了了，但但却却转移移到相相邻的的那个个原子子处去去了，，如如图1-4所示示，价价电电子由由B到到A的的运动动，就就相相当于于空穴穴从A移动动到B。图1-4空空穴穴运动动图1-5本本征征半导导体中中载流流子的的导电电方式式因此，，半半导体体中有有两种种载流流子：：一一种是是带负负电荷荷的自自由电电子，，一一种是是带正正电荷荷的空空穴。。它它们在在外加加电场场的作作用下下都会会出现现定向向移动动。微微观观上载载流子子的定定向运运动，，在在宏观观上就就形成成了电电流。。自自由电电子逆逆电场场方向向移动动形成成电子子电流流IN，空空穴顺顺电场场方向向移动动形成成空穴穴电流流IP，如如图1-5所示示。所所以以半导导体在在外加加电场场作用用下，，电电路中中总的的电流流I是空穴穴电流流IP和电子子电流流IN的和，，即即I=IN+IP（1-2））杂杂质半半导体体由于半半导体体具有有杂敏敏性，，因因此利利用掺掺杂可可以制制造出出不同同导电电能力力、不不同同用途途的半半导体体器件件。根根据据掺入入杂质质的不不同，，又又可分分为N型（电电子型型）半半导体体和P型（空空穴型型）半半导体体。1．N型型半导导体在四价价的本本征硅硅（或或锗））中，，掺掺入微微量的的五价价元素素磷（（P））之后后，磷磷原原子由由于数数量较较少，，不不能改改变本本征硅硅的共共价键键结构构，而而是是和本本征硅硅一起起组成成共价价键，，如如图1-6所示示。图1-6N型半半导体体在N型型半导导体中中，由由于于掺杂杂带来来的自自由电电子浓浓度远远远高高于本本征载载流子子浓度度，因因此此多子子浓度度约等等于掺掺杂的的杂质质浓度度，远远远远高于于少子子空穴穴的浓浓度。。所所以当当外加加电场场时，，流流过N型半半导体体的电电流应应为I=IN+IP≈IN（1-3））2．P型型半导导体在四价价的本本征硅硅（或或锗））中掺掺入微微量的的三价价元素素硼（（B））之后后，参参照照上述述分析析，硼硼原原子也也和周周围相相邻的的硅原原子组组成共共价键键结构构，如如图图1-7所所示。。图1-7P型半半导体体三价硼硼原子子的最最外层层只有有三个个价电电子，，和和相邻邻的三三个硅硅原子子组成成共价价键后后，尚尚缺缺一个个价电电子不不能组组成共共价键键，因因此此出现现了一一个空空位，，即即空穴穴。这这样样邻近近原子子的价价电子子就可可以跳跳过来来填补补这个个空位位。所所以以硼原原子掺掺入后后一方方面提提供了了一个个带正正电荷荷的空空穴，，一一方面面自己己成为为了带带负电电的离离子，，即即掺入入一个个硼原原子就就相当当于掺掺入了了一个个能接接受电电子的的空穴穴，所所以以称三三价元元素硼硼为受受主杂杂质，，此此时杂杂质半半导体体中的的空穴穴浓度度约等等于掺掺杂浓浓度，，远远远大大于自自由电电子浓浓度，，称称空穴穴为多多子、、自自由电电子为为少子子。这这种种杂质质半导导体叫叫做P型（（空穴穴型））半导导体。。同样，，这这种P型半半导体体在外外加电电场的的作用用下，，总总的电电路电电流应应为I=IN+IP≈IP（1-4））整块半半导体体宏观观上仍仍为电电中性性。结结的形形成与与单向向导电电性几乎所所有的的半导导体器器件都都是由由不同同数量量和结结构的的PN结构构成的的，因因此此，我我们们先来来了解解PN结的的结构构与特特点。。1．PN结的的形成成在一块块本征征半导导体上上通过过某种种掺杂杂工艺艺，使使其其形成成N型型区和和P型型区两两部分分后，，在在它们们的交交界处处就形形成了了一个个特殊殊薄层层，这这就就是PN结结。1）多多子的扩扩散运动动建立内内电场如图1-8（a）所示示，和分分别代代表P区区和N区区的受主主和施主主离子（（为了简简便起见见，硅硅原子未未画出）），由由于P区的多多子是空空穴，N区的的多子是是自由电电子，因因此在在P区和和N区的的交界处处自由电电子和空空穴都要要从高浓浓度处向向低浓度度处扩散散。这这种载流流子在浓浓度差作作用下的的定向运运动，叫叫做扩扩散运动动。多子扩散散到对方方区域后后，使使对方区区域的多多子因复复合而耗耗尽，所所以P区和N区的交交界处就就仅剩下下了不能能移动的的带电施施主和受受主离子子，N区形成成正离子子区，P区形形成负离离子区，，形成成了一个个电场方方向从N区指向向P区的的空间电电荷区，，这个个电场称称为内建建电场，，简称称内电场场，如如图1-8（b）所示示。在在这个区区域内，，多子子已扩散散到对方方因复合合而消耗耗殆尽，，所以以又称耗耗尽层。。在耗耗尽层以以外的区区域仍呈呈电中性性。图1-8PN结的的形成（a）多多子的的扩散运运动;（（b））PN结中的的内电场场与少子子漂移2）内内电场阻阻碍多子子扩散、、帮助助少子漂漂移运动动，形形成平衡衡PN结结由于内内电场的的方向是是从N区区指向P区，因因此这这个内电电场的方方向对多多子产生生的电场场力正好好与其扩扩散方向向相反，，对多多子的扩扩散起了了一个阻阻碍的作作用，使使多子子扩散运运动逐渐渐减弱。。内电电场对P区和N区的少少子同样样产生了了电场力力的作用用。由由于P区区的少子子是自由由电子，，N区区的少子子是空穴穴，因因此内电电场对少少子的运运动起到到了加速速的作用用。这这种少数数载流子子在电场场力作用用下的定定向移动动，称称为漂移移运动，，如图图1-8（b））所示。。2．PN结的的单向导导电特性性未加外部部电压时时，PN结内内无宏观观电流，，只有有外加电电压时，，PN结才显显示出单单向导电电性。1）外外加正偏偏电压时时PN结结导通将PN结结的P区区接较高高电位（（比如电电源的正正极），，N区区接较低低电位（（比如电电源的负负极），，称为为给PN结加正正向偏置置电压，，简称称正偏，，如图图1-9所示。。PN结正正偏时，，外加加电场使使PN结结的平衡衡状态被被打破，，由于于外电场场与PN结的内内电场方方向相反反，内内电场被被削弱，，扩散散增强，，漂移移几乎减减弱为0，因因此，PN结结中形成成了以扩扩散电流流为主的的正向电电流IF。因因为多子子数量较较多，所所以IF较大。。为了了防止较较大的IF将PN结烧坏坏，应应串接限限流电阻阻R。扩扩散电电流随外外加电压压的增加加而增加加，当当外加电电压增加加到一定定值后，，扩散散电流随随正偏电电压的增增大而呈呈指数上上升。由由于PN结对对正向偏偏置呈现现较小的的电阻（（理想状状态下可可以看成成是短路路情况）），因因此称之之为正偏偏导通状状态。图1-9PN结外加加正偏电电压图1-10PN结外外加反偏偏电压2）外外加反偏偏电压时时PN结结截止将PN结结的P区区接较低低电位（（比如电电源的负负极），，N区区接较高高电位（（比如电电源的正正极），，称为为给PN结加反反向偏置置电压，，简称称反偏，，如图图1-10所示示。PN结反反偏时，，外加加电场方方向与内内电场方方向相同同，内内电场增增强，使使多子子扩散减减弱到几几乎为零零。而而漂移运运动在内内电场的的作用下下，有有所增强强，在在PN结结电路中中形成了了少子漂漂移电流流。漂漂移电流流和正向向电流的的方向相相反，称称为反反向电流流IR。1.2半半导体体二极管管二二极管的的结构与与类型导体二极极管按其其结构的的不同，，可分分为点接接触型、、面接接触型和和平面型型三种。。常见见二极管管的结构构、外外形和电电路符号号如图1-11所示。。二极极管的两两极分别别叫做正正极或阳阳极（P区），，负极极或阴极极（N区区）。图1-11半半导体二二极管的的结构、、外形形与电路路符号（a）点点接触触型;（（b））面接接触型;（c）平平面型;（d）电电路符符号;（（e））常见见二极管管的外形形二二极管的的伏安特特性曲线线与近似似模型1．伏安安特性曲曲线二极管的的伏安特特性也就就是PN结的伏伏安特性性。把把二极管管的电流流随外加加偏置电电压的变变化规律律，称称为二极极管的伏伏安特性性，以以曲线的的形式描描绘出来来，就就是伏安安特性曲曲线。二二极管管的伏安安特性曲曲线如图图1-12所示示，下下面分三三部分对对二极管管的伏安安特性曲曲线进行行分析。。图1-12二二极管管的伏安安特性1）正正向特性性——外外加正偏偏电压UF当UF＝0时，，IF＝0，PN结结处于平平衡状态态，即即图1-12中的坐坐标原点点。当当UF开始增加加时，即即正向向特性的的起始部部分。由由于此此时UF较小，外外电场场还不足足以克服服PN结结的内电电场，正正向扩扩散电流流仍几乎乎为零。。只有有当UF大于死区区电压（（锗管约约0.1V，，硅管管约0.5V）后，，外加加电场才才足以克克服内电电场，使使扩散散运动迅迅速增加加，才才开始产产生正向向电流IF。2）反反向特性性——外外加反向向偏压UR当外加反反向偏压压时，宏宏观电电流是由由少子组组成的反反向漂移移电流。。当反反向电压压UR在一定范范围内变变化时，，反向向电流IR几乎不变变，所所以又称称为反向向饱和电电流IS。当温温度升高高时，少少子数数目增加加，所所以IS增加。室室温下下一般硅硅管的反反向饱和和电流小小于1μμA，，锗管管为几十十到几百百微安，，如图图中B段段所示。。3）击击穿特性性——外外加反压压增大到到一定程程度击穿特性性属于反反向特性性的特殊殊部分。。当UR继续增大大，并并超过某某一特定定电压值值时，反反向电电流将急急剧增大大，这这种现象象称之为为击穿。。发生生击穿时时的UR叫击穿电电压UBR，如图图1-12中C段所示示。如果PN结击击穿时的反向向电流过大（（比如没有串串接限流电阻阻等原因），，使PN结结的温度超过过PN结的允允许结温（硅硅PN结约为为150～200℃，，锗PN结结约为75～～100℃℃）时，PN结将因过过热而损坏。。图1-13二二极管的近近似模型（a）理想想模型;（（b）恒压压降模型2．二极管的的近似模型1）理想模型型所谓理想模型型就是将二极极管的单向导导电特性理想想化，认为为正偏二极管管的管压降为为0V，忽忽略其0.7V或0.3V的的导通电压，，相当于短短路导线；而而当二极管管处于反偏状状态时，认认为二极管的的等效电阻为为无穷大，反反向电流为为0，如图图1-13（（a）的伏安安特性曲线所所示。一般般在电源电压压远大于二极极管的导通压压降时，利利用理想模型型来分析，不不会产生较较大的误差。。2）恒压降模模型恒压降模型的的伏安特性曲曲线如图1-13（b））所示，其其反偏模型还还是理想的，，但认为二二极管正偏导导通后的管压压降是一个恒恒定值，对对于硅管和锗锗管来说，分分别取0.7V和0.3V的的典型值。这这个模型比比理想模型更更接近实际情情况，因此此应用比较广广泛，一般般在二极管电电流大于1mA时，恒恒压降模型型的近似精度度还是相当高高的。二二极管的主主要参数为了正确选用用及判断二极极管的好坏，，必须对其其主要参数有有所了解。1．最大整整流电流IF指二极管在一一定温度下，，长期允许许通过的最大大正向平均电电流，否则则会使二极管管因过热而损损坏。另外外，对于大大功率二极管管，必须加加装散热装置置。2．反向击击穿电压UBR管子反向击穿穿时的电压值值称为反向击击穿电压UBR。一般手册册上给出的最最高反向工作作电压URM约为反向击穿穿电压的一半半，以保证证二极管正常常工作的余量量。3．反向电电流IR（反向饱和电电流IS）指在室温和规规定的反向工工作电压下（（管子未击穿穿时）的反向向电流。这这个值越小，，则管子的的单向导电性性就越好。它它随温度的的增加而按指指数上升。4．结电容容与最高工作作频率fMPN结加电压压后，其空空间电荷区会会发生变化，，这种变化化造成的电容容效应称为结结电容。5．二极管管的温度特性性半导体具有热热敏性，而而电子电路又又不可避免地地要受到外界界温度及电路路本身发热的的影响。所所以，温度度变化容易造造成半导体器器件工作不稳稳定，研究究温度对半导导体器件的的影响是十分分必要的。图1-14所所示的正向特特性中，对对于同一电流流，温度每每升高1℃℃，二极管管的正向压降降将减小2～～2.5mV。即二二极管的正向向特性曲线将将随温度的升升高而左移。。温度对二二极管的反向向特性影响更更大：当温温度每升高10℃，反反向饱和电电流IS将增加一倍。。二极管的的反向击穿电电压也受温度度的影响。图1-14温温度对二极极管伏安特性性的影响二二极管在电电子技术中的的应用二极管在电子子技术中广泛泛地应用于整整流、限幅幅、钳位、、开关、稳稳压、检检波等方面，，大多是利利用其正偏导导通、反偏偏截止的特点点。1．整流应用用利用二极管的的单向导电性性可以把大小小和方向都变变化的正弦交交流电变为单单向脉动的直直流电，如如图1-15所示。这这种方法简单单、经济，，在日常生生活及电子电电路中经常采采用。根据据这个原理，，还可以构构成整流效果果更好的单相相全波、单单相桥式等整整流电路。图1-15二二极管的整整流应用(a)二极极管整流电路路;(b)输入入与输出波形形2．限幅应用用利用二极管的的单向导电性性，将输入入电压限定在在要求的范围围之内，叫叫做限幅。图1-16（（a）所示的的双向限幅电电路中，交交流输入电压压ui和直流电压E1都对二极管VD1起作用；相相应的VD2也同时受ui和E2的控制。在在假设VD1、VD2为理想二极管管时，有如如下限幅过程程发生：当当输入电压ui＞3V时，，VD1导通，VD2截止，uo＝3V；当当ui＜-3V时时，VD2导通，VD1截止，uo＝－3V；；当ui在－3V与与+3V之之间时，VD1和VD2均截止，因因此uo＝ui，输出波形形如图1-16（b）所所示。图1-16二二极管的限限幅应用（a）双向向限幅电路;（b）输输入与输出出波形3．稳压应用用在需要不高的的稳定电压输输出时，可可以利用几个个二极管的正正向压降串联联来实现。还还有一种稳稳压二极管，，可以专门门用来实现稳稳定电压输出出。稳压二二极管有不同同的系列，用用以实现不不同的稳定电电压输出。4．开关应用用在数字电路中中经常将半导导体二极管作作为开关元件件来使用，因因为二极管管具有单向导导电性，可可以相当于一一个受外加偏偏置电压控制制的无触点开开关。如图1-17所示，为为监测发电机机组工作的某某种仪表的部部分电路。其其中us是需要定期通通过二极管VD加入记忆电路路的信号，ui为控制信号。。图1-17二二极管的开开关应用当控制信号ui=10V时时，VD的负极电位被被抬高，二二极管截止，，相当于““开关断开””，us不能通过VD；当ui=0V时，，VD正偏导通，us可以通过VD加入记忆电路路。此时二二极管相当于于“开关闭合合”情况。这这样，二二极管VD就在信号ui的控制下，实实现了接通通或关断us信号的作用用。5．二极管管的识别与简简单测试1）二极管管的极性判别别有的二极管从从外壳的形状状上可以区分分电极；有有的二极管的的极性用符号号“””印在外壳上上，箭头指指向的一端为为负极；还还有的二极管管用色环或色色点来标志(靠近色环的的一端是负极极，有色点点的一端是正正极)。2）性能测测试二极管正、反反向电阻的的测量值相差差愈大愈好，，一般二极极管的正向电电阻测量值为为几百欧姆，，反向电阻阻为几十千欧欧姆到几百千千欧姆。如如果测得正、、反向电阻阻均为无穷大大，说明内内部断路；若若测量值均均为零，则则说明内部短短路；如测测得正、反反向电阻几乎乎一样大，这这样的二极极管已经失去去单向导电性性，没有使使用价值了。。1.3特特殊二极极管稳稳压二极管管1．稳压二极极管的伏安特特性曲线稳压二极管简简称稳压管，，是一种用用特殊工艺制制造的面结型型硅半导体二二极管，可可以稳定地工工作于击穿区区而不损坏。。稳压二极极管的外形、、内部结构构均与普通二二极管相似，，其电路符符号、伏安安特性曲线如如图1-18所示。图1-18稳稳压二极管管的伏安特性性曲线与电路路符号（a）伏安安特性曲线;（b）电电路符号2．稳压管管的主要参数数1）稳定电电压UZUZ就是稳压管的的反向击穿电电压，它的的大小取决于于制造时的掺掺杂浓度。2）最小稳稳定电流IZmin稳压管正常工工作时的最小小电流值定义义为最小稳定定电流，记记为IZmin，一般在几几毫安以上。。稳压管正正常工作时的的电流应大于于IZmin，以保证稳稳压效果。3）最大稳稳定电流IZM和最大耗散功功率PZM稳压管允许流流过的最大电电流和最大功功耗叫做最大大稳定电流IZM和最大耗散功功率PZM。通过管子子的电流太大大，会使管管子内部的功功耗增大，结结温上升而而烧坏管子，，所以稳压压管正常工作作时的电流和和功耗不应超超过这两个极极限参数。一一般有PZM=UZ·IZM（1-5）4）动态电电阻rz稳压管反向击击穿时的动态态电阻，定定义为电流变变化量ΔIZ引起的稳定电电压变化量ΔΔUZ。（1-6）动态电阻是反反映稳压二极极管稳压性能能好坏的重要要参数，rz越小，反向向击穿区曲线线越陡，稳稳压效果就越越好。5）稳定电电压UZ的温度系数K稳定电压UZ的温度系数K定义为温度度变化1℃℃引起的稳定定电压UZ的相对变化量量，即（1-7）发发光二极管管与光电二极极管发光二极管和和光电二极管管都属于光电电子器件，光光电子器件件在电子系统统中也有十分分广泛地应用用，具有抗抗干扰能力强强、损耗小小等优点。1．发光二极极管发光二极管属属于电光转换换器件的一种种，是可以以将电能直接接转换成光能能的半导体器器件，简称称“LED””，是英文文LightEmittingDiode的缩缩写，，其其电路路符号号如图图1-19所示示。图1-19发发光二二极管管的电电路符符号发光二二极管管也具具有单单向导导电性性：当当外外加反反偏电电压时时，二二极极管截截止，，不不发光光；当当外外加正正偏电电压导导通时时，因因流流过正正向电电流而而发光光。其其发发光机机理是是由于于正偏偏时电电子与与空穴穴复合合并释释放出出能量量所致致，而而颜颜色与与发光光二极极管的的材料料和掺掺杂元元素有有关。。发发光二二极管管可以以分为为发不不可见见光和和发可可见光光两种种。前前者者有发发红外外光的的砷化化镓发发光二二极管管等;后后者有有发红红光、、黄黄光、、绿绿光以以及蓝蓝光和和紫光光的发发光二二极管管等。。发光二二极管管的工工作电电流一一般约约为几几至几几十毫毫安，，正正偏电电压比比普通通二极极管要要高，，约约为1.5～3V，具具有有功耗耗小，，体体积小小，可可直直接与与集成成电路路连接接使用用的特特点。。并并且稳稳定、、可可靠、、长长寿（（105～～106小小时））、光光输输出响响应速速度快快（1～100MHz），应应用用十分分方便便和广广泛，，除除应用用于信信号灯灯指示示（仪仪器仪仪表、、家家电等等）、、数数字和和字符符指示示（接接成七七段显显示数数码管管）等等发光光显示示方式式以外外，另另一一种重重要应应用是是将电电信号号转变变为光光信号号，通通过过光缆缆传输输，接接受受端配配合光光电转转换器器件再再现电电信号号，实实现现光电电耦合合、光光纤纤通信信等应应用。。2．光光电二二极管管光电二二极管管也叫叫光敏敏二极极管，，它它的结结构和和一般般二极极管相相似，，也也具有有单向向导电电性。。光光电二二极管管的PN结结被封封装在在透明明玻璃璃外壳壳中，，其其PN结装装在管管子的的顶部部，可可以以直接接受到到光的的照射射。光光敏敏二极极管的的电路路符号号如图图1-20所示示。图1-20光光电二二极管管的电电路符符号图1-21远远距离离光电电传输输的原原理变变容容二极极管我们在在讨论论半导导体二二极管管时已已经知知道：：二二极管管在高高频应应用时时，必必须须要考考虑结结电容容的影影响，，而而所谓谓的变变容二二极管管，就就是是结电电容随随反向向电压压的增增加而而减小小的二二极管管。图图1-22（（a））所示示为变变容二二极管管的电电路符符号，，图图1-22（b）为为某种种变容容二极极管的的特性性曲线线。图1-22变变容二二极管管（a））电路路符号号;（b））结结电容容与反反偏电电压的的关系系（纵纵坐标标为对对数刻刻度））结电容容由势势垒电电容CB和扩散散电容容CD两部分分组成成。我们知知道，，当当PN结两两端的的电压压发生生改变变时，，会会使空空间电电荷区区宽度度发生生改变变，空空间间电荷荷区存存储电电荷的的多少少发生生变化化就表表现为为PN结的的电容容效应应。在在二二极管管正偏偏的多多子扩扩散过过程中中，多多子子扩散散到对对方区区域后后，在在对对方区区域形形成一一定的的浓度度梯度度，越越靠靠近PN结结处的的浓度度越大大，这这个个梯度度随外外加正正向电电压的的大小小而增增减，，这这也是是一种种存、、放放电荷荷的作作用。。所所以我我们可可以得得到图图1-23所示示的PN结结（二二极管管）高高频等等效电电路。。图1-23PN结结的高高频等等效电电路1.4半半导导体三三极管管三三极管管的结结构与与类型型半导体体三极极管又又叫晶晶体三三极管管，由由于于它在在工作作时半半导体体中的的电子子和空空穴两两种载载流子子都起起作用用，因因此此属于于双极极型器器件，，也也叫做做BJT（（BipolarJunctionTransistor，，双双极结结型晶晶体管管）。。半导体体三极极管的的种类类很多多，按按照照半导导体材材料的的不同同可分分为硅硅管、、锗锗管；；按按功率率分有有小功功率管管、中中功功率管管和大大功率率管；；按按照频频率分分有高高频管管和低低频管管；按按照照制造造工艺艺分有有合金金管和和平面面管等等。通通常常，按按照照结构构的不不同分分为两两种类类型：：NPN型管管和PNP型管管，图图1-24给给出了了NPN和和PNP管管的结结构示示意图图和电电路符符号，，符符号中中的箭箭头方方向是是三极极管的的实际际电流流方向向。图1-25所示示为几几种常常见三三极管管的外外形图图，三三极极管的的型号号命名名方法法参见见附录录A。。图1-24三三极管管的结结构与与电路路符号号（a））NPN型型三极极管;（（b））PNP型三三极管管图1-25常常见三三极管管的外外形三三极管管的基基本工工作原原理由于NPN管和和PNP管管的结结构对对称，，工工作原原理完完全相相同，，下下面以以NPN管管为例例，讨讨论论三极极管的的基本本工作作原理理。1．三三极极管内内部载载流子子的传传输过过程和二极极管一一样，，要要使三三极管管能控控制载载流子子的传传输以以达到到电流流放大大的目目的，，必必须给给三极极管加加上合合适的的偏置置电压压，NPN三三极管管的偏偏置情情况如如图1-26所所示。。图1-26三三极管内的的载流子运动动规律1）发射区向向基区注入电电子，形成成发射极电流流IE在图1-26中，由于于发射结正偏偏，因此，，高掺杂浓浓度的发射区区多子（自由由电子）越过过发射结向基基区扩散，形形成发射极极电流IE，发射极极电流的方向向与电子流动动方向相反，，是流出三三极管发射极极的（与此同同时，基区区多子空穴也也向发射区扩扩散，但因因基区掺杂浓浓度低，数数量和发射区区的电子相比比很少，可可以忽略不计计）。2）电子在在基区的扩散散与复合，形形成基极电电流IB发射区来的电电子注入基区区后，由于于浓度差的作作用继续向集集电结方向扩扩散。但因因为基区多子子为空穴，所所以在扩散散过程中，有有一部分自自由电子要和和基区的空穴穴复合。在在制造三极管管时，基区区被做得很薄薄，只有微微米数量级、、掺杂浓度度又低，因因此被复合掉掉的只是一小小部分，大大部分自由电电子可以很快快到达集电结结。而UBB的正极接三极极管的基区，，所以不断断地从基区抽抽走电子形成成新的空穴以以补充被复合合掉的空穴，，维持基区区空穴浓度不不变，这些被被抽走的电子子形成了流入入基极的基极极电流IB。3）集电区区收集电子形形成集电极电电流IC大部分从发射射区“发射””来的自由电电子很快扩散散到了集电结结。由于集集电结反偏，，在这个较较强的从N区区（集电区））指向P区（（基区）的内内电场的作用用下，自由由电子很快就就被吸引、漂漂移过了集集电结，到到达集电区，，形成集电电极电流的主主要成分I′C。集电极电电流的方向是是流入集电极极的。2．电流分分配关系发射极电流IE在基区分为基基区内的复合合电流I′B和继续向集电电极扩散的电电流I′C两个部分，I′C与I′B的比例，取取决于制造三三极管时的结结构和工艺，，管子制成成后，这个个比例基本上上是个定值。。定义三极极管的直流电电流放大系数数β为I′C与I′B的比值，即即（1-8）因为从发射区区注入基区的的载流子在基基区复合掉的的很少，所所以β一般在几十到到二百之间。。β越大，三极极管的电流放放大能力越强强。从式（（1-8）中中可以解出（1-9）式中，ICEO=(1+β)ICBO叫做穿透电流流。将三极管看成成是一个节点点，还可以以得到发射极极电流IE与IB、IC的关系，即即IE=IC+IB=（1+β）IB（1-11））由于β较大，通常常认为IE≈IC。一般小功功率管基极电电流通常是微微安级别，而而IC和IE的数量级可以以达到毫安级级。（1-10））3．三极管管的电流放大大作用如图1-27（a）所示示称为三极管管的共发射极极放大电路。。因为这个个电路中包含含由三极管的的基极与发射射极构成的输输入回路和由由集电极与发发射极构成的的输出回路，，三极管的的发射极作为为输入和输出出回路的公共共端，所以以称为共发射射极放大电路路。电源UBB接于输入回路路，使三极极管的发射结结正偏，UCC接于输出回路路使集电结反反偏。在这这种偏置下，，可以引起起三极管内载载流子有规律律的传输，产产生IB、IC、IE电流，并在在集电极电阻阻上产生输出出电压UO。其中，IC为β倍的IB，即输出电电流IC为输入电流IB的β倍，这是对对直流电流的的放大作用。。图1-27三三极管的电电流放大作用用（a）没加加入交流信号号时；（b）加入交交流信号后的的电流放大作作用在电子电路中中，我们更更关心的是三三极管对微弱弱的变化信号号的放大作用用，在电子子电路中所说说的放大指的的是对变化的的交流信号的的放大，而而不是直流。。在图1-27（a））电路的输入入回路中串入入待放大的输输入信号ΔUI，如图1-27（b））所示，这这样发射结的的外加电压将将等于UBB+ΔUI。外加电压压的变化，相相应使发射射极电流产生生ΔIE的变化。由由于三极管的的电流分配关关系是一定的的，因此ΔΔIE将引起相应的的ΔIC和ΔIB。我们定义义ΔIC与ΔIB的比值为晶体体管的交流电电流放大系数数β，即（1-12））ΔIC=βΔIB（1-13））ΔIE=(1+β)ΔIB(1-14)输出电流ΔIC是输入电流ΔΔIB的β倍，可见三三极管对变化化的输入电流流ΔIB有放大作用，，β一般为几十到到二百之间。。三三极管的特特性曲线三极管的伏安安特性曲线是是指三极管各各极间电压与与各电极电流流之间的关系系曲线，它它是管内载流流子运动规律律的外部体现现，可以指指导我们在电电路设计中合合理地选择和和使用三极管管，还可以以在特性曲线线上作图对三三极管的放大大性能进行分分析。三极极管和二极管管一样是非线线性元件，所所以其伏安安特性曲线也也是非线性的的。常用三三极管伏安特特性曲线有输输入特性曲线线和输出特性性曲线。这这些曲线和电电路的接法有有关。这里里仍以最常用用的NPN管管构成的共发发射极电路为为例来分析三三极管的特性性曲线。1．输入特特性曲线输入特性曲线线是指当集电电极与发射极极之间电压uCE为一常数时，，输入回路路中加在三极极管基极与发发射极之间的的发射结电压压uBE和基极电流iB之间的关系曲曲线。用函函数关系式表表示为（1-15））图1-28三三极管的输输入、输出出特性曲线（a）输入入特性曲线;（b）输输出特性曲曲线2．输出特特性曲线输出特性曲线线是在基极电电流iB一定的情况下下，三极管管的集电极输输出回路中，，集电极与与发射极之间间的管压降uCE和集电极电流流iC之间的关系曲曲线。用函函数式表示为为（1-16）图1-29三三极管管的三三个工工作区区域1）截截止止区习惯上上把iB≤0的的区域域称为为截止止区，，即即iB＝0的的输出出特性性曲线线和横横坐标标轴之之间的的区域域。若若要要使iB≤0，，三三极管管的发发射结结就必必须在在死区区以内内或反反偏，，为为了使使三极极管能能够可可靠截截止，，通通常给给三极极管的的发射射结加加反偏偏电压压。2）放放大大区在这个个区域域内，，发发射结结正偏偏，集集电电结反反偏。。iC与iB之间满满足电电流分分配关关系iC＝βiB＋ICEO，输输出特特性曲曲线近近似为为水平平线。。3）饱饱和和区如果发发射结结正偏偏时，，出出现管管压降降uCE＜0.7V（（对于于硅管管来说说），，也也就是是uCB＜0的的情况况，我我们们称三三极管管进入入饱和和区。。所所以饱饱和区区的发发射结结和集集电结结均处处于正正偏状状态。。饱饱和区区中的的iB对iC的影响较较小，放放大区区的β也不再适适用于饱饱和区。。三三极管的的主要参参数三极管的的参数是是表征管管子的性性能和它它的适用用范围的的，是是电路设设计和调调整的依依据。了了解这这些参数数对于合合理使用用三极管管十分必必要。1．电电流放大大系数根据工作作状态的的不同，，在直直流和交交流两种种情况下下，分分别有直直流电流流放大系系数β和交流电电流放大大系数β。1）共发发射极直直流电流流放大系系数β在共发射射极电路路没有交交流输入入信号的的情况下下，（（IC－ICEO）与IB的比值称称为直流流电流放放大系数数β，这和和式（1-8））的定义义是一致致的，即即（1-17）2）共发发射极交交流电流流放大系系数β指在共发发射极电电路中，，输出出集电极极电流的的变化量量与输入入基极电电流的变变化量的的比值，，即（1-18）式中，β值是衡量量三极管管放大能能力的重重要指标标。2．极极间反向向电流1）集集电极——基极间间反向饱饱和电流流ICBO指在发射射极断开开时（IE＝0），，基极极和集电电极之间间的反向向电流，，下标标中的““O”代代表发射射极开路路，测测量电路路如图1-30所示。。ICBO的实质就就是集电电结反偏偏时集电电区和基基区的少少子漂移移电流，，所以以受温度度影响较较大。ICBO的值一般般很小，，在室室温下，，小功功率硅管管的ICBO≤1μA；小小功率锗锗管约为为10μA左右。。ICBO的大小标标志集电电结质量量的好坏坏，ICBO越小越好好，一一般在工工作环境境温度变变化较大大的场所所都选择择硅管。。图1-30测测量ICBO的电路2）集集电极——发射极极间反向向电流ICEO指基极开开路时，，集电电极与发发射极之之间加一一定反向向电压时时的集电电极电流流。由由于这个个电流从从集电极极穿过基基区流到到发射极极，因因此又叫叫穿透电电流，测测试电电路如图图1-31所示示。ICEO与反向饱饱和电流流ICBO的关系为为ICEO=ICBO+βICBO=(1+β)ICBO（1-19）ICEO与ICBO一样，属属于少少子漂移移电流，，受温温度影响响较大，，是衡衡量管子子质量的的一个标标准。图1-31测测量ICEO的电路3．极极限参数数三极管正正常工作作时，管管子上上的电压压和电流流是有一一定限度度的，否否则会会使三极极管工作作不正常常，使使特性变变坏，甚甚至损损坏。因因此要要规定允允许的最最高工作作电压、、流经经三极管管的最大大工作电电流和允允许的最最大耗散散功率等等。这这些电压压、电电流和功功率值称称为三极极管的极极限参数数。选选择和使使用管子子时，必必须保保证三极极管的工工作状态态不能超超过这些些极限值值。1）基基极开路路时集电电极与发发射极之之间的反反向击穿穿电压U（BR））CEO电源电压压UCC使集电结结反偏，，并产产生管压压降uCE。当uCE增大到一一定程度度时，会会将集集电结击击穿，使使集电电极电流流iC迅速增加加，甚甚至损坏坏三极管管。基基极开路路时的U（BR））CEO是各种情情况下以以及各电电极间反反向击穿穿电压的的最小值值，所所以使用用时只要要注意三三极管各各电极间间的电压压不要超超过U（BR））CEO就可以了了。2）集集电极最最大允许许电流ICM当集电极极电流超超过某一一定值时时，三三极管性性能变差差，甚甚至损坏坏管子，，例如如β值将随IC的增加而而下降。。集电电极最大大允许电电流ICM，就是是表示β下降到额额定值的的1/3～2/3时的的IC值，一一般规定定在正常常工作时时，流流过三极极管的集集电极电电流iC＜ICM。图1-32三三极管的的安全工工作区3）集集电极最最大允许许耗散功功率PCM这个参数数表示集集电结上上允许损损耗功率率的最大大值。PCM与环境温温度有关关，温温度越高高，PCM越小。手手册中中给出的的PCM值是在常常温（25℃℃）并加加规定尺尺寸散热热器（大大功率管管）的情情况下测测得的。。一般般有PCM=iC·uCE（1-20）温温度对三三极管参参数的影影响温度对晶晶体管的的各种参参数都有有影响，，影响响最大的的是ICBO、β和发射结结导通电电压UBE。1．温温度对ICBO的影响ICBO是由集电电区少子子向基区区漂移及及基区少少子向集集电区漂漂移而形形成的电电流。由由于少少子的数数量与环环境温度度有关，，当温温度升高高时，少少子急急剧增加加，因因此ICBO随着温度度变化按按指数规规律变化化。无无论硅管管和锗管管，都都可以近近似地认认为，温温度每每升高10℃℃，ICBO就增大一一倍，即即（1-21）2．温温度对β的影响三极管的的电流放放大系数数β随着温度度升高而而增大。。这是是由于温温度升高高时，基基区中中载流子子运动速速度加快快，复复合机会会减少，，使IC/IB增大，，即β值增大。。无论论是硅管管还是锗锗管，温温度每每升高1℃，，β相应地增增大0.5％～～1％。。在三三极管的的输出特特性曲线线上表现现为曲线线间隔变变大。3．温温度对发发射结正正向压降降UBE的影响温度升高高后，三三极管管内部载载流子运运动加剧剧，电电流随温温度升高高而增加加。所所以温度度升高后后，在在电流相相同的条条件下，，发射射结电压压UBE减小，温温度系系数约为为－2.5mV／℃，，同二二极管的的输入特特性曲线线类似，，温度度升高时时，三三极管输输入特性性曲线向向左移动动。1.4.6三极管管在电子技技术中的应应用半导体三极极管是电子子电路的核核心元器件件，应用用十分广泛泛。尽管管三极管可可以组成运运算放大电电路、功功率放大电电路、振振荡电路、、反相器器、数字字逻辑电路路等，但但可归纳为为放大应用用和开关应应用两大类类。1．放大大应用在模拟电子子电路中，，三极管管主要工作作于放大状状态，可可以把输入入基极电流流ΔIB放大β倍以ΔIC的形式输出出。因此此三极管的的放大应用用，就是是利用三极极管的电流流控制作用用把微弱的的电信号增增强到所要要求的数值值。利用用三极管的的电流放大大作用，可可以得到到各种形式式的电子电电路。2．开关关应用和二极管的的反偏截止止、正偏偏导通相似似，三极极管也可以以工作在开开关状态，，是基本本的开关器器件之一，，主要应应用于数字字电路。开开关状态态的三极管管工作于截截止区或饱饱和区，分分别相当当于断开和和闭合的开开关，而而放大区只只是出现在在三极管饱饱和与截止止的相互转转换过程中中，是个个瞬间的过过渡过程。。图1-33为三三极管构成成的受输入入ui控制的开关关应用电路路。图1-33三极管管的开关应应用1）截止止条件从前面的分分析知道，，为保证证三极管可可靠截止，，要求uBE≤0，所所以图1-33中的的三极管若若工作于截截止区，必必须有ui≤0。截截止区的三三极管各电电极电流近近似为零，，各电极极间看成是是开路状态态，相当当于断开的的开关，输输出电压压约为电源源电压12V，其其等效电电路如图1-34所所示。图1-34三极管管截止时的的等效电路路2）饱和和条件从图1-33可以看看出，iB的增大使iC随之增大，，导致管管压降降低低到接近于于零，从从而造成三三极管的饱饱和，此此时的集电电极电流达达到最大值值。三极极管刚刚进进入饱和区区时称为临临界饱和，，临界时时的管压降降uCE已经很小，，接近UCE(sat)，并可近近似为零，，iC仍约为β倍的iB。定义临临界饱和时时的iC和iB叫做临界饱饱和集电极极电流IC(sat)和临界饱和和基极电流流IB(sat)，所以有有（1-22）对应的