第8章模板课件

第8章常见半导体器件及应用8.1半导体基础知识8.2半导体二极管8.3二极管的应用8.4半导体三极管8.5三极管的应用8.6场效应管8.7仿真实验习题8

8.1半导体基础知识

所谓半导体,就是指它的导电特性处于导体和绝缘体之间,如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。半导体具有热敏性、光敏性、掺杂性。

所谓热敏性,指的是半导体对温度反应灵敏,环境温度升高,它的导电性能增强。因此,人们根据这种特性制成各种热敏元件,如双金属片、热电偶、铂热电阻、热敏电阻等。光敏性指的是半导体对光照反应灵敏,它受到光照时,导电性能变得很强;无光照时,基本不导电。基于此,人们可制作出各种光敏元件,如光敏二极管、光敏三极管等。另外,若在纯净的半导体中掺入某种杂质后,它的导电性能可以大大增强到原来的几十万到几百万倍,半导体二极管、三极管、场效应管等应运而生。

8.1.1本征半导体

本征半导体指的是完全纯净的、具有晶体结构的半导体。由于半导体具有晶体结构,所以由半导体构成的管件也称为晶体管。典型的本征半导体有硅、锗。它们的原子结构示意图如图8.1.1所示。由图8.1.1可见,纯净的硅和锗都属于四价元素,其原子的最外层有四个价电子,它们呈晶体结构排列,原子排列整齐,为了达到原子最外层有八个电子的稳定状态,

最外层的四个价电子与相邻的四个原子所共有,形成了共价键结构。图8.1.1硅、锗原子结构图

硅原子共价键结构示意图如图8.1.2所示。从示意图中可以看到,一旦形成共价键后,每个原子的最外层价电子都两

两成为相邻两个原子所需要的价电子,每一对价电子同时受到两个相邻原子核的吸引而被紧紧地束缚在一起。这种束缚使得价电子不像导体那样容易挣脱原子核的束缚,也不像绝缘体那样被原子核束缚得很紧。因此,半导体的导电性介于导体与绝缘体之间。图8.1.2硅原子共价键结构图

常温下,这些束缚的价电子很难脱离共价键成为自由电子。但是共价键中的价电子在获得一定的能量(受光照、环境温度升高、辐射等)后,会发生本征激发现象,如图8.1.3所示,即价电子在一定的能量下可以挣脱共价键的束缚成为自由电子,同时在共价键上留下一个空位,这个空位被称为空穴。自由电子带负电,空穴因失去一个电子带正电。由于共价键破裂而形成的自由电子和空穴称为电子空穴对。图8.1.3本征激发

8.1.2杂质半导体

本征半导体中虽然有自由电子和空穴两种载流子参与导电,但是数量极少,因此导电性能很差。如果在其中掺入适量的杂质,可大大提高半导体的导电性能,故掺入微量杂质的半

导体称为杂质半导体。杂质半导体可分为N型半导体和P型半导体两类。

1.N型半导体

如果在本征半导体硅或锗中掺入五价(磷、砷等)元素,则这些元素的原子最外层有五个价电子,这个元素与相邻的硅原子形成共价键的时候,因存在一个多余的价电子不受共价键的束缚,从而形成自由电子,如图8.1.4(a)所示。五价元素掺得越多,自由电子的浓度就越大,导电能力就大大增强。其中,自由电子是多数载流子(多子),而由本征激发出来的空穴是少数载流子(少子),因而这类半导体主要靠自由电子导电,故称为电子半导体,也叫N型半导体

图8.1.4(b)给出了N型半导体表示法。其中“⊕”代表磷原子,“●”代表自由电子。图8.1.4N型半导体结构及表示法

2.P型半导体

如果在本征半导体硅或锗中掺入三价(硼、铝等)元素,则这些元素的原子最外层有三个价电子,这个元素与相邻的硅原子形成共价键的时候,因缺少一个价电子,从而形成空穴,

如图8.1.5(a)所示。三价元素掺得越多,空穴的浓度就越大,导电能力越强。其中,空穴是多数载流子(多子),而由本征激发出来的自由电子是少数载流子(少子),因而这类半导体主要

靠空穴导电,故称为空穴半导体,也叫P型半导体。

图8.1.5(b)给出了P型半导体表示法。其中“”代表硼原子,“”代表空穴。图8.1.5P型半导体结构及表示法

8.1.3PN结的形成及特性

1.PN结的形成

在同一块半导体基片上的不同区域通过掺入不同的杂质形成P型半导体和N型半导体,由于P区空穴浓度大,电子浓度小,而N区电子浓度大,空穴浓度小,因此电子和空穴存在

浓度差,P区空穴就向N区扩散,同样N区电子向P区扩散。图解如图8.1.6(a)所示。图8.1.6PN结的形成

向对方扩散的多子在两种半导体的交界面附近基本复合掉,仅在交界面的两侧留下了不能移动的等量的正、负离子,形成空间电荷区,建立了从正离子指向负离子的内电场。所以说多子的扩散使得空间电荷区变宽。图解如图8.1.6(b)所示。

由于内电场方向与多子扩散方向相反,因此内电场阻碍多子的扩散。内电场越宽,场强就越大,阻碍多子扩散的能力就越强。同时,做杂乱无章运动的少子进入内电场后,在电场

力的作用下,做与扩散反方向的运动,这种运动我们称为漂移运动。图解如图8.1.6(c)所示。

内电场的场强越大,漂移运动越明显,内电场促进少子的漂移,这种漂移使得在空间电荷区的边界处的正、负离子容易捕获漂移过来的电子和空穴(正离子捕获电子,负离子捕获

空穴),从而使得空间电荷区变窄。图解如图8.1.6(d)所示。

在无外电场的情况下,最终扩散运动和漂移运动达到动态平衡,空间电荷区的左右边界确定,此时的空间电荷区称为PN结。PN结的宽度保持在一个相对稳定的状态。PN结也叫空间电荷区、内电场。由于在PN结内,多子都复合耗尽掉,因此PN结也叫耗尽层。

2.PN结的特性

1)外加正压

PN结外加正压指的是P型半导体接外加电压正极,N型半导体接外加电压负极,如图8.1.7所示。此时外电场的方向和内电场的方向相反,多子扩散和少子漂移的动态平衡被打破,多子向对方进行扩散。向对方扩散的多子一部分在空间电荷区中复合掉,另一部分被空间电荷区内左右两边的正、负离子捕获(正离子捕获电子,负离子捕获空穴),空间电荷区变窄,内电场的作用被削弱,削弱的内电场使得多子的扩散能力进一步加强,更多的多子向对方扩散,从而形成较大的扩散电流(正向电流)。图8.1.7PN外加正压

2)外加反压

PN结外加反压指的是P型半导体接外加电压负极,N型半导体接外加电压正极,如图8.1.8所示。此时外电场的方向和内电场的方向相同,少子在外电场的作用下做定向移动,由于少子的排列在靠近空间电荷区的地方较多,离空间电荷区较远的地方较少,因此空间电荷区外侧两边的多子容易被做定向移动的少子复合掉(N区的电子被少子空穴复合掉,P区的空穴被少子电子复合掉),仅剩下不能移动的正、负离子,空间电荷区变宽,内电场增强,增强的内电场更加促进少子的漂移,阻碍多子的扩散,而少子的数量很少,形成的漂移电流很

小(反向电流)。这么小的电流我们一般忽略不计,因此,我们称PN结反向截止。PN结截止时,结电阻很大。图8.1.8PN外加反压

8.2半导体二极管

8.2.1二极管的基本结构与分类几种常见的二极管实物图如图8.2.1所示,二极管的内部结构和符号如图8.2.2所示。从二极管的内部结构来看,将一个PN结连上电极引线,再封装到管壳中,就成了半导体二极管,简称二极管。从P区引出的为阳极(又称正极),从N区引出的为阴极(又称负极),文字符号用VD表示。图8.2.1半导体二极管实物图

二极管按照材料可分为硅管、锗管、砷化镓管;按照结构可分为点接触型、面接触型、平面型;按照用途可分为普通二极管、整流二极管、开关二极管、稳压二极管、发光二极管、光敏二极管、变容二极管等。图8.2.2半导体二极管内部结构和符号

8.2.2二极管的伏安特性与基本参数

1.伏安特性

所谓二极管伏安特性,指的是二极管两端电压和流过二极管电流之间的关系。其关系曲线如图8.2.3所示。通过这条曲线可以看出,二极管和PN结一样具有单向导电性,即当二极管两端加正向电压时导通,加反向电压时截止。

在一般情况下,二极管的伏安特性近似为理想化,即在二极管正向导通时管压降取零值,二极管近似成导线;二极管反向截止时电流取零值,二极管近似成开路。这样的二极管称为理想二极管。图8.2.3二极管的伏安特性曲线

2.主要参数

二极管的主要参数如下。

(1)最大整流电流ICM:指二极管长期使用时,允许流过二极管的最大正向平均电流。使用时通过二极管的正向电流要小于此电流,否则可能导致二极管的热损坏。

(2)反向工作峰值电压URM:指保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压,一般是二极管反向击穿电压的一半或三分之二。二极管一旦击穿就不能正常使用。

(3)反向峰值电流IRM:指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流大,说明管子的单向导电性差,其受温度的影响大,温度越高,反向电流越大。

(4)最高工作频率fM:指二极管应用时单向导电性出现明显差异的频率。

8.2.3二极管的命名及选用

1.二极管的命名

1)国产二极管命名规则

国产二极管的型号由五部分组成。

第一部分:用阿拉伯数字表示器件的电极数目,如2表示二极管。

第二部分:用汉语拼音字母表示器件的材料和极性,如A表示N型锗材料,B表示P型锗材料,C表示N型硅材料,D表示P型硅材料。

第三部分:用汉语拼音字母表示器件的类型,如P表示普通管,V表示微波管,W表示稳压管,C表示参量管,Z表示整流管,L表示整流堆,S表示隧道管,N表示阻尼管,U表示光电器件,K表示开关管。

第四部分:用数字表示器件序号。

第五部分:用汉语拼音字母表示规格号,如A、B、C、D、E…表示耐压档次,A是25V耐压,B是50V耐压,C是100V耐压,字母越大,耐压值越高。

2)国外二极管命名规则

目前我们最常用的国外二极管是1N系列,如1N4001、1N4002、1N4007等。

1N是日本电子元件命名法:“1”代表有一个PN结的二极管,“N”代表注册标志,“4007”代表登记号。

2.半导体二极管的选用

通常小功率锗二极管的正向电阻值为300~500Ω,硅管为1kΩ或更大些。锗管反向电阻为几十千欧姆,硅管反向电阻在500kΩ以上(大功率二极管的数值要大得多)。正反向电

阻差值越大越好。

点接触二极管的工作频率高,不能承受较高的电压和通过较大的电流,多用于检波、小电流整流或高频开关电路。面接触二极管的工作电流和能承受的功率都较大,但适用的频率较低,多用于整流、稳压、低频开关电路等方面。

8.2.4二极管的测量与判别

1.二极管极性判断

对于2AP1~2AP7、2AP11~2AP17等系列的二极管,二极管有色点的一端为正极。

对于透明玻璃壳封装的二极管,内部连触丝的一端是正极,连半导体片的一端是负极。

对于1N4000系列的塑封二极管,有圆环标志的一端是负极。

对于无标记的二极管,可用万用表电阻挡测量二极管正、反向阻值来判别二极管的正、负极。二极管具有正向电阻小、反向电阻大的特点。将万用表拨到“R×100”或“R×1k”挡,用红、黑表笔分别与二极管的两极相接,测量二极管正、反向阻值。当所测的阻值较小时,与黑表笔相接的一端为二极管的正极;当所测的阻值较大时,与红表笔相接的一端为二极管的正极。

2.二极管好坏判断

万用表拨到“R×100”或“R×1k”挡,用红、黑表笔分别与二极管的两极相接,测量二极管正、反向阻值。一般二极管的正向阻值约为几十到几百欧姆,反向阻值约为几千欧姆到几百千欧姆。如果测得的正、反向电阻均很小,说明管子内部短路;反之,如果测得的正、反向电阻均很大,则说明管子内部开路。在这两种情况下,管子就不能使用了。

8.3二极管的应用

8.3.1普通二极管的应用举例普通二极管的应用主要是利用它的单向导电性。它可以用于限幅、检波、整流、元件保护等。应用1:限幅限幅又叫削波,它是把输出的信号限制在一定的范围内,或者说是将输入信号的某部分削去。

例8.3.1如图8.3.1(a)所示,已知ui=sinωtV,VD1和VD2均为硅二极管,导通压降为0.7V,试画出uo。图8.3.1二极管限幅电路

解当ui≤-0.7V时,二极管VD2导通,VD1截止,输出电压uo=-0.7V。

当-0.7V<ui<0.7V时,二极管VD1和VD2均截止,输出电压uo=ui。

当ui≥0.7V时,二极管VD1导通,VD2截止,输出电压uo=0.7V。

输出波形如图8.3.1(b)所示。从此波形可看出,输出波形被限制在-0.7V到+0.7V之间。

应用2:检波

无线电技术中经常要进行信号的远距离输送,即需要将低频信号装载到高频振荡信号上并由天线发射出去。检波的目的是将高频振荡信号去除,还原需要的低频信号。

图8.3.2(a)所示的波形表示已经装载了低频信号的高频振荡信号。图8.3.2(b)所示的电路为检波器。其中的二极管VD为检波二极管,此管采用点接触型二极管,输入波形经过VD管后产生如图8.3.2(c)的波形;电容C用于滤除高频信号;负载RL用于获取所需要的低频信号,检波器最后在负载RL上获得的波形如图8.3.2(d)所示。图8.3.2二极管检波电路

应用3:钳位与隔离

例8.3.2如图8.3.3所示的电路中,已知输入端A的电位为+3V,输入端B的电位为0V,电阻R为12kΩ,电源E点电位为-12V,二极管的导通电压为0.2V,试确定输出端Y

的电位及流过电阻R上的电流I。图8.3.3二极管钳位、隔离电路

解当多个二极管共阴极连接或共阳极连接时,需要通过优先导通原则判断哪个二极管导通。图8.3.3中,VDA两端电压为3-(-12)=15V,VDB两端电压为0-(-12)=12V。VDA两端电压大于VDB两端电压,故VDA优先导通,此时Y点的电位被钳位为3-0.2=2.8V。当Y点电位被钳位后再看VDB,其两端的电压为0-2.8=-2.8V,故VDB管截止。而流过R的电流为

应用4:续流保护

二极管也可用做保护器件。图8.3.4所示电路中,当开关S闭合时,二极管VD因受反压而截止,电压U发出的电流全部流过电感L。当开关S断开时,由于电感中的电流不能突变,此时二极管VD导通,为电感的放电提供续流通道。而二极管VD的导通又使得电感两端的电压在0.7V左右,这就限制了电感两端出现过高的电压。如果没有这个续流二极管VD,电感线圈的电流被强制迅速降为零,此时电感两端会感应出很大的瞬时电压,这个电压加到开关S两端会产生电弧,损坏开关S。因此二极管在此电路中起到了续流和保护的作用。图8.3.4二极管续流、保护电路

8.3.2整流二极管及其应用

整流二极管是一种利用二极管的单向导电性,将交流电能转变为直流电能的半导体器件。它的结构、符号、伏安特性基本和8.2节介绍的相同。但是整流二极管需要通过较大的电流(可达上千安培),因此它是一种大面积的功率器件。整流二极管可用半导体锗或硅等材料制造,该管具有结电容大、工作频率较低(一般在几十千赫兹)、反向电压高(可从25V至3000V)等特点。2CP系列整流二极管的电流容量在1A以下,2CZ系列整流二极管的电流容量在1A以上。

整流二极管主要用于各种低频整流电路,一般用于电源整流电路中。图8.3.5(a)所示电路为典型的单相半波整流电路。当如图8.3.5(b)所示的正弦交流220V电压作为输入电送入此单相半波整流电路后,由于二极管的单向导电性,二极管在电源电压的正半周时导通,在电源电压的负半周时截止,则在负载RL两端得到的是如图8.3.5(c)所示的单相脉动直流电。图8.3.5单相半波整流电路

实例1:两地控制一盏灯电路

图8.3.6所示电路为两地控制一盏灯电路。其工作原理如下:图8.3.6两地控制一盏灯电路

当SA1与SA2同时拨到上端时,二极管VD1、VD3顺串,220V交变的正弦输入电如果在正半周(L正N负),则电路导通,照明灯EL亮;如果输入电在负半周(L负N正),则电

路不导通,照明灯EL不亮。

当SA1与SA2同时拨到下端时,二极管VD2、VD4亦顺串,220V交变的正弦输入电如果在正半周(L正N负),则二极管VD2、VD4受反压,电路不导通,照明灯EL不亮;如果输入电在负半周(L负N正),则电路导通,照明灯EL亮。

当SA1与SA2拨的方向不同时,二极管是反串的,此时不论220V交变的正弦输入电是正半周还是负半周,照明灯EL均不亮。

从这个电路可知,由于二极管的存在,电路变成了半波供电,灯的亮度将降低。这种方式的工作电路与全波电路相比,可延长灯的寿命。这种方法适用于两个开关相距较远、对灯

的亮度要求不高的场合,比如楼梯的照明灯控制。

实例2:日光灯电子快速启辉器

图8.3.7所示为一只二极管VD和一只电容器C组成的日光灯电子快速启辉器。这种启辉器速度快,可大大减少日光灯的预热时间,从而延长日光灯管的使用寿命。图8.3.6两地控制一盏灯电路

其工作原理如下:

开灯时,闭合开关S,220V交变的正弦输入电在某一半周时,电源电流经整流器、灯丝、二极管给电容充电;而当220V交变的正弦输入电在另一半周时,电源电压与电容电压

叠加,击穿二极管(击穿时间短,电流不大,一般不会造成二极管的损坏),产生高压,点燃日光灯。在灯点燃后,两端灯丝间电压降到50~108V,低于二极管的击穿电压,日光灯正常工

作。二极管一般选反向击穿电压为190V左右的二极管。图8.3.7日光灯电子快速启辉器

8.3.3稳压二极管及其应用

稳压二极管是一种按特殊工艺制造成的面接触型硅二极管,其外形基本与普通二极管一样。由于它在电路中与适当阻值的电阻配合能起到稳压作用,因此称为稳压管。其实物图与符号分别如图8.3.8和图8.3.9所示。图8.3.8稳压管实物图图8.3.9稳压管符号

稳压管的伏安特性曲线如图8.3.10所示。它的伏安特性曲线与一般二极管的伏安特性曲线相比,其正向曲线基本相同。但是稳压管通过了专门的设计,与普通二极管相比较有两个特别的地方:一是稳压管工作在反向击穿区,它的反向击穿电压比较低,反向击穿电压就是稳压值,且它的反向特性曲线都比较陡,为了防止稳压管热击穿而损坏,电路中要串联限流电阻;二是稳压管的反向击穿是可逆的,当外加电压去掉后,稳压管又恢复常态,故它可长期工作在反向击穿区而不至于损坏。图8.3.10稳压管的伏安特性曲线

与一般二极管不同,稳压管的主要参数如下所述。

(1)稳定电压UZ:指稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。这个数值随工作电流和温度的不同略有改变,即使同一型号的稳压二极管,稳定电压值也有一定的分散性,例如,2CW14硅稳压二极管的稳定电压为6~7.5V。

(2)稳定电流IZ:指稳压管在稳定电压下流过的反向电流。它是稳压管正常工作时的最小电流值。为了使稳压管工作在稳压区,稳压管的工作电流应该大于或等于IZ。稳压管的工作电流越大,稳定效果越好。

(3)最大稳定电流IZM:指稳压管允许流过的最大反向电流。稳压管在工作时不应超过此值。

(4)最大耗散功率PZM:指稳压管不致发生热击穿的最大功率损耗,即

(5)动态电阻rZ:指稳压管两端电压变化量与相应电流变化量的比值,即

应用1:浪涌保护

图8.3.11所示电路是由稳压二极管构成的浪涌保护电路。电路中K1是继电器,VDZ是稳压二极管,R1是限流电阻,RL是负载电阻。当工作电压Ui没有浪涌出现时,Ui电压没有高到足以使稳压二极管VDZ导通的程度,这时VDZ截止,没有电流流过继电器K1的电流线圈,K1的常闭触点保持接通状态,Ui通过继电器触点为负载RL正常供电。当工作电压Ui出现浪涌时,由于电压升高,稳压二极管VDZ导通,这时有电流流过继电器K1的电流线圈,K1的常闭触点断开,电压Ui不能通过继电器触点为负载RL供电,从而达到保护负载RL的目的。图8.3.11浪涌保护电路

应用2:电弧抑制

图8.3.12所示为由稳压二极管构成的电弧抑制电路,这种电路通常用于一些功率较大的电磁铁吸合控制电路中。VDZ为稳压二极管,L是电感,RS是限流电阻。当线圈在导通状态下突然切断时,线圈中储存的电磁将迅速释放,此时会产生高压,这个高压使得稳压管VDZ导通,则电磁能量通过稳压管支路释放,从而保持线圈中的电流流动,这个过程中电磁能量消耗在电阻RS上。由此,开关关断时产生的电弧就被减弱或消除。图8.3.12电弧抑制电路

应用3:稳压

典型的稳压电路如图8.3.13所示。由这种电路可制成如图8.3.14所示的稳压电源,其具体的原理及稳压管的选型见第11章“直流稳压电源”。图8.3.13稳压电路图8.3.14稳压电源

8.3.4发光二极管及其应用

发光二极管又称LED管,它是一种将电能转换成光能的器件,它用元素周期表中Ⅲ、Ⅴ族元素的化合物如砷化镓、磷化镓等制成。这种半导体材料制成的PN结,在受正压时,在电子和空穴复合过程中,一部分能量以光子的形式释放出,发出一定波长的可见光。光的波长不同,颜色也不同,因此常见的LED管有红色、绿色、黄色等。图8.3.15(a)为发光二极管的实物图,图8.3.15(b)为发光二极管的符号,图8.3.15(c)为发光二极管的伏安特性曲线。图8.3.15发光二极管

实例1:LED电源指示电路

图8.3.16所示电路为典型的LED电源指示电路。Ui为输入的直流电,VD为发光二极管,R为限流电阻。当直流电Ui输入到电路中时,发光二极管VD发光。通过的电流由限流电阻R确定。这种电路具有体积小、耗能少、寿命长、色彩艳丽等特点。图8.3.16LED电源指示电路

实例2:简易小夜灯

图8.3.17所示电路为简易小夜灯的电路。小夜灯对亮度的要求不高,但需要通宵点亮,利用发光二极管作小夜灯来照亮,其亮度适中,功耗低,使用寿命长。该电路中小夜灯工作

电流仅为10mA,若按每晚点亮8小时计算,则连续使用2个月才耗去1度电。图8.3.17简易小夜灯电路

实例3:简单LED稳压电路

大多数发光二极管的正向管压降为2V,因此可将发光二极管作为2V的稳压二极管或基准电压源来使用。图8.3.18(a)所示电路利用发光二极管VD1的管压降来提供+2V的直流稳压输出。VD1的管压降即为稳压电路的输出电压Uo。R1为限流电阻。当输入电压Ui在一定范围内变化时,由于VD1的管压降基本恒定不变,所以输出电压Uo=2V不变,达到稳压的目的。图8.3.18(b)为提高输出电压的稳压电路,此时输出电压Uo等于VD1和VD2两个二极管正向管压降之和,即Uo=2V+UVD2。图8.3.18(c)为另一种提供输出电压的稳压电路,在没有合适的稳压二极管时,可以用此方法提供稳压二极管的电压。图8.3.18简单LED稳压电路

8.3.5光敏二极管及其应用

光敏二极管又称为光电二极管,也是一种具有PN结的半导体二极管,它的特点是PN结的结面积较大,管壳上有透明聚光窗。它工作在反向偏置下,当无光照射时,伏安特性与

普通二极管一样,反向电流很小,称为暗电流;当有光照射时,半导体的共价键中的电子获得能量,产生的电子空穴对增多,反向电流增加。而且该管在一定的反向电压范围内,反向

电流随光照强度的增加而线性增加,此时相当于一个恒流源。图8.3.19(a)为光敏二极管的实物图,图8.3.19(b)为光敏二极管的符号,图8.3.19(c)为光敏二极管的伏安特性曲线。图8.3.19光敏二极管

光敏二极管与本书后续知识相结合可构成各种应用电路。

(1)光敏二极管与三极管相结合,构成基于光信号触发的

基本放大电路。

(2)光敏二极管与运算放大器相结合,构成定位检测电

路、光探测电路。

(3)光敏二极管与三极管、继电器相结合,构成开关电路,

比如路灯光控电路。

(4)将其制作成大面积的光电二极管时,可当做一种能源,称为光电池,硅光电池电路如图8.3.20所示。图8.3.20光电池电路

8.3.6变容二极管及其应用

变容二极管是利用PN结的电容层具有电容特性制成的半导体二极管,具有相当大的内部电容量,在电路中可当做电容使用,因此又称“可变电抗二极管”。图8.3.21为变容二极管的实物图,图8.3.22为变容二极管的符号,图8.3.23为变容二极管的PN结电容特性曲线及等效电路。图8.3.21变容二极管的实物图图8.3.22变容二极管的符号图8.3.23变容二极管PN结的电容特性曲线及等效电路

变容二极管的伏安特性曲线和普通二极管一样,不同的是它工作在反向偏置区。结电容的大小与加到二极管上的电压大小有关,反向偏压越小,结电容越大;反之,则结电容越小。

从它的特性曲线中可看出,反向偏压与结电容是非线性关系。

变容二极管可用于无线电通信设备或仪器的倍频、限幅和频率微调等电路。现如今在电视机和调谐收音机的调谐电路中得到了广泛应用。图8.3.24为由变容二极管组成的调

电路。图8.3.24变容二极管调谐电路

8.4半导体三极管

8.4.1三极管的基本结构与分类常见三极管的外形如图8.4.1所示。半导体三极管的种类很多:从制造工艺分有平面型和合金型;从所用的材料分有硅管和锗管,硅管一般是平面型,锗管一般是合金型;从工作频率分有高频管和低频管;从功率分有大、中、小功率管;从结构分有NPN型管和PNP型管。图8.4.1常见三极管外形

三极管的内部结构和符号如图8.4.2所示。

从图中可见,无论是NPN型还是PNP型三极管结构上都有相同的地方,都包括基区、发射区、集电区;从这三个区分别引出基极(B)、发射极(E)、集电极(C);基区与发射区之间的PN结称为发射结,基区与集电区之间的PN结称为集电结。这两种三极管的不同之处是:NPN管基区是P型半导体,集电区和发射区是N型半导体;而PNP管基区是N型半导体,集电区和发射区是P型半导体。符号上NPN管箭头往外,PNP管箭头往里。另外,在制造工艺上,以NPN管为例,基区做得很薄,集电区面积做得最大,而发射区采用高掺杂技术做成,使用时不可混淆。图8.4.2三极管的内部结构及符号

8.4.2三极管的电流放大作用

在三极管发射结正偏、集电结反偏的情况下,三极管具有电流放大的作用,我们可以通过实验来掌握三极管的电流放大原理和其中的电流分配关系。以NPN硅三极管为例,为了使三极管发射结正偏,集电结反偏,三极管集电极电压>基极电压>发射极电压。根据这个原则,搭建实验线路如图8.

4.3所示。

这里发射极为公共端,因此这种接法的电路称为共发射极电路。改变电阻RB的阻值,记录测量的基极电流IB、

集电极电流IC、发射极电流IE到表8.4.1。图8.4.3三极管电流放大实验电路

通过实验结果可得实验结论如下:

(1)无论三极管的电流变化如何,三个电流始终满足KCL,即IE=IC+IB。

(2)IC和IE电流较大,IB很小,因此IE≈IC。

(3)IB很小,但对IC有控制作用,IC随着IB的改变而改变,两者有相应的比例关系,基极电流的微小变化ΔIB引起集电极电流的较大变化ΔIC,这就是三极管的电流放大作用。

8.4.3三极管的特性曲线

1.输入特性曲线

输入特性曲线是指当集射极电压UCE为常数时,输入电路中的基极电流IB与基射极电压UBE之间的关系曲线。该曲线如图8.4.4所示。由图可见,三极管的输入特性与二极管的伏安特性相似。图8.4.4三极管输入特性曲线

2.输出特性曲线

输出特性曲线是指当基极电流IB为常数时,输出回路中集电极电流IC与集射极电压UCE之间的关系曲线。该曲线如图8.4.5所示。由图可见,由于在不同的IB下可得到不同的曲线,所以三极管的输出特性曲线是一组曲线。当IB增大时,相应的IC也增大,曲线上移,而且IB微小的增加会引起IC较大的增加,这就是三极管的电流放大作用。图8.4.5三极管输出特性曲线

例8.4.1图8.4.6所示各三极管均为硅管,测得的各管脚的电压值分别如图8.4.6所示,试分析各三极管工作在什么区。图8.4.6例8.4.1图

解在图8.4.6(a)中,UBE=0.75V,UCE=0.3V,则发射结正偏,集电结正偏,所以该三极管工作在饱和区。

在图8.4.6(b)中,UBE=0.62V,UCE=6V,则发射结正偏,集电结反偏,所以该三极管工作在放大区。

在图8.4.6(c)中,UBE=-0.2V,UCE=6V,则发射结反偏,集电结反偏,所以该三极管工作在截止区。

例8.4.2图8.4.7所示各三极管均为NPN管且工作在放大状态,且测得的各管脚对地电位如图8.4.7所示。试判断各三极管的管脚及类型。图8.4.7例8.4.2图

解通过前面的学习可知,对于NPN型的三极管如果工作在放大状态,UBE≈0.6~0.7V为硅管,UBE≈0.2~0.3V为锗管,其三个管脚的电位关系为VC>VB>VE。

在图8.4.7(a)中,7V对应的管脚为C极,1.6V对应的管脚为B极,1V对应的管脚为E极,UBE=1.6-1=0.6V。因此该管为硅管。

在图8.4.7(b)中,10V对应的管脚为C极,3V对应的管脚为B极,2.8V对应的管脚为E极,UBE=3-2.8=0.2V。因此该管为锗管。

8.4.4三极管的主要参数

三极管的主要参数如下所述。

(1)集基极反向漏电电流ICEO:指当发射极开路、集电极上加一反向电压时,流过集电极的反向电流。该电流越小,管子受温度的影响越小。

(2)集射反向饱和电流ICEO:指当基极开路时,流过集电极、发射极之间的反向电流。此电流也称为穿透电流,它越小越好。ICEO=(1+β)ICEO。

(3)集电极最大允许电流ICM:晶体管的集电极电流IC若超过一定的数值,它的电流放大倍数β将显著下降,下降到2/3时所对应的集电极电流为集电极最大允许电流ICM。

(4)集射极击穿电压U(BR)CEO:指基极开路时,允许加在集电极和发射极之间的最大电压。

(5)集电极最大允许耗散功率PCM:指集电极电流流过集电结时要产生功率损耗,使集电结发热,当结温超过一定数值后,管子性能变坏,甚至于烧坏。为了使管子结温不超过允许值,规定了此参数。三极管工作时,设管子两端的压降为UCE,集电极流过的电流为IC,则PCM=UCEIC。

8.4.5三极管的命名及选用

1.三极管的命名

国产三极管的型号由五部分组成。

第一部分:用阿拉伯数字表示器件的电极数目,如3表示三极管。

第二部分:用汉语拼音字母表示器件的材料和极性。如A表示PNP型锗材料,B表示NPN型锗材料,C表示PNP型硅材料,D表示NPN型硅材料,E表示化合物材料。

第三部分:用汉语拼音字母表示器件的类型,如G表示高频小功率管,X表示低频小功率管,A表示高频大功率管,D表示低频大功率管,T表示闸流管,K表示开关管,V表示微

波管,B表示雪崩管,J表示阶跃恢复管,U表示光敏管(光电管),J表示结型场效应晶体管。

第四部分:用数字表示器件序号。

第五部分:用汉语拼音字母表示规格号。

2.三极管的选用

选用三极管既要符合设备及电路的要求,又要符合节约的原则。选管时一般应考虑工作频率、集电极电流、耗散功率、电流放大系数、反向击穿电压、稳定性及饱和压降等参数。这些因素具有相互制约的关系,在选管时应抓住主要矛盾,兼顾次要因素。

低频管的特征频率一般在2.5MHz以下,而高频管的特征频率从几十兆赫兹到几百兆赫兹甚至更高,选管时应使特征频率为工作频率的3~10倍。原则上讲,高频管可以代换低频管,但是高频管的功率一般都比较小,动作范围窄,在代换时应注意功率条件。

选择三极管时一般希望β选大一些,但也不是越大越好。

β太高容易引起自激振荡。另外,一般β高的管子工作大多不稳定,受温度影响大,通常β多选在40~100之间。但低噪声、高β值的管子(1815、9011~9015等)其β值达数百时温度稳定性仍较好。另外,对整个电路来说还应该从各级的配合来选择β。例如,前级用β高的,后级就可以用β较低的管子;

反之,前级用β较低的,后级就可以用β较高的管子。

另外,集射反向击穿电压UCEO的值应选得大于电源电压,穿透电流越小,对温度的稳定性越好。普通硅管的稳定性比锗管好得多,但普通硅管的饱和压降较锗管大,在某些电

路中会影响电路的性能,应根据电路的具体使用情况选用。选用三极管的耗散功率时应根据不同电路的要求留有一定的裕量。对高频放大、中频放大、振荡器等电路用的三极管,应选用特征频率高、极间电容较小的三极管,以保证在高频情况下仍有较高的功率增益和稳定性。

8.4.6三极管的测量与判别

1.三极管类型和引脚判断

1)从封装外形上判引脚

对于常用的9011、9012、9013、9014、9015、9018、8050、8550、C2078等系列中小功率塑料三极管,如图8.4.8(a)所示,把印有型号的平面朝向自己,三个引脚向下放置,从左向右依次为发射极(E)、基极(B)、集电极(C)。对于如图8.4.8(b)所示的三极管,金属帽底端有一个小突起,将底端面朝自己,距离这个突起最近的是发射极(E),然后顺时针依次是基极(B)、集电极(C)。对于如图8.4.8(c)所示的三极管,金属帽底端没有突起,将底端面朝自己,顺时针依次是发射极(E)、基极(B)、集电极(C)。图8.4.8三极管引脚判断

2)用万用表判三极管类型和引脚

将万用表拨到“R×100”挡,将任意一个表笔固定在三极管任意一个引脚上,用另一个表笔测另两个引脚,如果一次导通,一次不通,则固定的引脚不是基极。表笔色不变,另换一个引脚作为测量的固定脚,再测量,如果两次都不导通,则交换表笔,重复上述步骤。直到测到两次都通,则固定的引脚为基极。如果固定的表笔是黑表笔,则三极管是NPN型;如果固定的表笔是红表笔,则三极管是PNP型。

NPN管:任意假设一个为集电极,用黑表笔接在假设的集电极上,红表笔接在假设的发射极上,将手蘸湿捏住集电极和基极,记录阻值,然后假设另一个极为集电极,重复上述过程,记录阻值,阻值大的那一次假设正确,则黑表笔接的为集电极,红表笔接的为发射极。

PNP管:任意假设一个为集电极,用红表笔接在假设的集电极上,黑表笔接在假设的发射极上,将手蘸湿捏住集电极和基极,记录阻值,然后假设另一个极为集电极,重复上述过程,记录阻值,阻值大的那一次假设正确,则红表笔接的为集电极,黑表笔接的为发射极。

2.三极管好坏判断

(1)用前面的方法判不出引脚,则三极管是坏的。

(2)以NPN型管为例,当将黑表笔接基极、红表笔分别接集电极和发射极时,测出的两个PN结的正向电阻应为几百欧姆或几千欧姆,然后把表笔对调再测两个PN结的反向电阻,一般应为几十千欧姆或几百千欧姆以上。然后再用万用表测发射极和集电极之间的电阻,测完后对调表笔再测一次,两次的阻值都应在几十千欧姆以上,这样的三极管可以基本上断定是好的。

3.三极管的放大能力判断

将万用表调到“R×100”或“R×1k”挡,以NPN型管为例,红表笔接发射极,黑表笔接集电极,测出的阻值一般应为几十千欧姆以上;然后在基极和集电极之间串接一个100kΩ的电阻,这时用万用表所测的阻值应明显地减少,变化越大,说明该三极管的放大能力越大,三极管正常;如果变化很小或根本没有变化,则说明该三极管没有放大能力或放大量很小。

8.5三极管的应用

8.5.1普通三极管的应用举例

普通三极管的应用大致如下:

(1)普通三极管与合适的电路相组合,可构成基本放大器、差分放大器、反馈放大器、功率放大器、振荡器等。此时的三极管基本工作在放大区。这些电路的结构、原理、计算选择、应用等将在后续的章节作重点介绍。

(2)普通三极管工作在饱和区和截止区,此时三极管就相当于开关,即三极管工作在截止区,相当于开关断开,三极管工作在饱和区,相当于开关闭合。这样的三极管与相关电路相配合,可构成与门、或门、非门、触发器、组合逻辑电路、时序逻辑电路等。这些电路的结构、原理和应用也将会在后续的章节作重点介绍。

实例:简易水位控制电路

简易水位控制电路如图8.5.1所示。图中VT1、VT2、VT3做开关用,当VT1的基极只要有微弱的电流输入时,VT

1、VT2、VT3均饱和导通。C1为旁路电容器。M为直流电动机。水箱内装有由两电极构成的水位传感器。当水面淹没电极时,电极导通,导通电阻大约为50kΩ,否则不通。图8.5.1简易水位控制电路

8.5.2达林顿管及其应用

达林顿管又称为复合管,它是把两只或多只三极管的电极做适当连接,作为一只管子使用。由两只三极管复合成的复合管通常有四种接法,如图8.5.2所示。复合时一般前一只管子是小功率管,后一只管子是大功率管。复合管的等效管型由第一只管的管型确定。在组合成复合管时,管子的各极电流必须保持畅通。复合管的电流放大倍数β≈第一只管的电流放大倍数β1×第二只管的电流放大倍数β2。图8.5.2不同类型的复合管

达林顿管的典型应用如下。

(1)用做大功率开关电路,比如电机调速、逆变电路等。

(2)用于驱动小型继电器、蜂鸣器等,如图8.5.3所示。

图中,虚线框内是小功率NPN达林顿管FN020。当Ui输入高电压时,FN020导通,则有电流流过继电器KR的线圈,继电器动作。当Ui输入低电压时,FN020不导通,继电器KR不动作。图8.5.3复合管驱动继电器电路

(3)用于驱动LED智能显示屏。LED智能显示屏是由微型计算机控制的,以LED矩阵板作显示器系统,可显示各种文字及图案。系统中的行驱动器和列驱动器均可采用高电流放大倍数、高速、低压降的达林顿管控制LED矩阵板上相应的像素发光。

8.5.3光敏三极管及其应用

光敏三极管是由光敏二极管和三极管结合而成的,其等效电路、符号和伏安特性如图8.5.4所示。从伏安特性曲线图中可知,光照强度越高,集电极电流IC越大。光敏三极管的灵敏度较高,比光敏二极管提高了β倍,但是响应的速度要比光敏二极管慢。图8.5.4光敏三极管

实例1:简易路灯控制器

如图8.5.5所示,图中L是路灯,J是继电器,J1是继电器的常开开关,VD是续流二极管,E是直流电源电压。白天时光敏三极管V导通,B点电位接近于零,则三极管VT不

导通,继电器J的线圈没有电流流过,J1的常开开关不闭合,路灯L不亮。到了晚上,无光照,光敏三极管V不导通,三极管VT的基极电位接近于直流电源电压E,则三极管VT饱

和导通,继电器J线圈得电,常开开关J1闭合,路灯L亮起,为马路进行照明。图8.5.5简易路灯控制器

实例2:红外检测器

红外检测器主要用于检测红外遥控发射装置是否正常工作。其电路如图8.5.6所示。当红外遥控发射装置发出的红外光照射到光敏三极管VT1时,其内阻减小,驱动VT2导通,

发光二极管VD1也导通发光。由于发光二极管VD1的亮度取决于照射到光敏三极管VT1的红外光的强度,因此,根据发光二极管VD1的发光亮度,可以估计出红外发射装置上的电池是否能继续使用。图8.5.6红外检测器

8.6场效应管

场效应管是一种较新型的半导体器件,其外形与一般的三极管相似,但两者的控制方式是不同的。三极管是电流控制型器件,输入电阻低;场效应管是电压控制型器件,输入电阻高,工作时只有一种载流子参与导电,具有稳定性好、噪声低、抗干扰能力强等特点。

8.6.1场效应管的基本结构与工作原理

1.基本结构

图8.6.1(a)、(b)给出了四种绝缘栅场效应管的符号。图8.6.1(c)为N沟道增强型绝缘栅场效应管结构图。该管用一块低掺杂的P型硅片作为衬底,利用扩散工艺制作成两个高掺杂的N+区,并引出两个电极,分别为源极S和漏极D。另外半导体之上制作一层二氧化硅(SiO2)绝缘层,再在SiO2之上制作一层金属铝,引出电极,作为栅极G。通常衬底与源极接在一起使用,大多数管子在出厂时已经连接好。图8.6.1场效应管结构和符号

2.工作原理

以N沟道增强型MOS管为例,其工作原理如下:

当UDS>0V、UGS=0V时,漏极与源极之间相当于两个背靠背的二极管,漏极、源极之间不会形成电流,即MOS管处于截止状态。图解见图8.6.2(a)。

在UDS=0V的情况下,将UDS从零开始正向增大,由于SiO2绝缘层的存在,栅极电流为零,但栅极金属层将聚集正电荷,形成纵向电场,该电场向下排斥P型衬底中靠近SiO2绝缘层的多子空穴,剩下不能移动的负离子,形成耗尽层。随着UGS的增大,耗尽层将纵向加宽,同时继续向下排斥空穴,向上吸引电子,当电子的浓度大于空穴的浓度时,P型半导体就被反型成N型半导体,此时导电沟道产生,这个导电沟道也叫反型层。这个反型层将两个N+区连通,则MOS管的漏极和源极间将没有耗尽层,均为N区。此时的栅极和源极间电压UGS为开启电压U