搜索
1第一章半导体二极管及其应用§1、1半导体的导电特性一、什么是半导体1、自然界的物质若按导电能力划分，可分为导体、半导体和绝缘体三种。半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间，电阻率通常为10-3～10-9cm。2、半导体分为：本征半导体和杂质半导体本征半导体：纯净的单晶半导体称为本征半导体。本征半导体中的载流子(自由电子空穴对)在常温下数量少、导电能力差。杂质半导体：在本征半导体中掺入微量有用元素后形成的半导体称为杂质半导体。根据掺入杂质的不同可分为：P型半导体和N型半导体两种。3、N型半导体：在本征半导体中掺入五价杂质原子，例如掺入磷原子，可形成N型半导体。P型半导体：在本征半导体中掺入三价杂质原子，如硼、镓等形成了P型半导体。由上述分析我们得出：杂质半导体内部有两种载流子(自由电子、空穴)参与导电。当杂质半导体加上电场时，两种载流子产生定向运动共同形成半导体中的电流。主要靠自由电子导电的杂质半导体是N型半导体，主要靠空穴导电的杂质半导体是P型半导体。二、PN结及其单向导电性1、PN结的形成在同一块本征半导体晶片上，采用特殊的掺杂工艺，在两侧分别掺入三价元素和五价元素，一侧形成P型半导体，另一侧形成N型半导体，则在这两种半导体交界面的两侧分别留下了不能移动的正负离子，形成一个具有特殊导电性能的空间电荷区，称为PN结。2、PN结的单向导电性PN结的导电特性决定了半导体器件的工作特性，是我们研究二极管、三极管等半导体器件的基础。（1）PN结加正向电压P区接外加电源正极，N区接负极时称PN结加正向电压(也称正向偏置)，外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是，内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，故PN结呈现低阻性。我们称PN结加正向电压时导通。（2）PN结加反向电压P区接外加电源负极，N区接正极时称PN结加反向电压(也称反向偏置)，外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散几乎无法进行。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性，加正向电压时导通，加反向电压时截止。2§1、2半导体二极管及其应用一、二极管的结构类型在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。1、二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。(1)点接触型二极管PN结面积小，结电容小，高频性能好，用于检波和变频等高频电路。（2）面接触型二极管PN结面积大，用于工频大电流整流电路。(3)平面型二极管PN结面积可大可小，性能稳定可靠，常用于高频整流和开关电路以及集成电路制造工艺中。2、按制造材料分：硅二极管和锗二极管。3、二极管的逻辑逻辑符号为：二、二极管的伏安特性曲线半导体二极管的伏安特性(即电压-电流特性)曲线如图所示。处于第一象限的是正向伏安特性曲线，处于第三象限的是反向伏安特性曲线。(一)正向特性当正向电压低于某一数值时，正向电流很小，只有当正向电压高于某一值时，二极管才有明显的正向电流，这个电压被称为导通电压，我们又称它为门限电压或死区电压。在室温下，硅管的死区电压约为0.6----0.8V，锗管的死区电压约为0.1--0.3v，我们一般认为当正向电压大于UON时，二极管才导通。否则截止。(二)反向特性二极管的反向电压一定时，反向电流很小，而且变化不大（反向饱和电流），但反向电压大于某一数值时，反向电流急剧变大，产生击穿。三、二极管的主要参数及其受温度的影响(一)主要参数我们描述器件特性的物理量，称为器件的特性。二极管的特性有：最大整流电流IF：它是二极管允许通过的最大正向平均电流。最大反向工作电压UR：二极管允许的最大工作电压，我们一般取击穿电压的一般作UR。反向电流IR：二极管未击穿时的电流，它越小，二极管的单向导电性越好。最高工作频率fM：它的值取决于PN结结电容的大小，电容越大，频率约高。(二)温度对伏安特性的影响硅二极管温度每增加8℃，反向电流将约增加一倍；锗二极管温度每增加12℃，反向电流大约增加一倍。另外，无论是硅二极管还是锗二极管，温度每升高1℃，正向压降VF大约减小2～2.5mV，即具有负的温度系数。四、二极管的命名规则及其参数手册的使用二极管的型号命名规则3国家标准对二极管型号的命名方法如下：2AP9用数字代表同类型器件的不同型号。用字母代表器件的类型。用字母代表器件的材料。2代表二极管。例如，2AP1是N型锗材料制成的普通二极管，2CZllD是N型硅材料制成的整流管。五、二极管的应用二极管在工程中的应用非常广泛，利用二极管的单向导电性，可实现整流、限幅、钳位、检波、保护、开关等。（一）整流下图所示为半波整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路。（二）限幅当输入信号电压在一定范围内变化时，输出电压也随着输入电压相应的变化；当输入电压高于某一个数值时，输出电压保持不变，这就是限幅电路。我们把开始不变的电压称为限幅电平上限幅和下限幅。设D为理想二极管，当D导通时，D可看作一短路线。例1.试。它分为分析图(1)所示的限幅电路,输入电压的波形为图(2),画出它的限幅电路的波形(1)E=0时限幅电平为0v。ui0时二极管导通，uo=0，ui0时，二极管截止，uo=ui，它的波形图为：如图（3）所示(2)当0EUM时，限幅电平为+E。ui+E时，二极管截止，uo=ui；ui+E时,二极管导通,uo=E,它的波形图为:如图(4)所示(3)当-UME0时,限幅电平为负数,它的波形图为:如图(5)所示（三）钳位钳位电路是使输出电位钳制在某一数值上保持不变的电路。如图A所示。设二极管为理想二4极管，只要CCCUV，适当选择DR，二极管VD始终处于导通状态，不论负载改变多少，电路的输出端电压ov始终被钳制在CU，即ov=CU。图A图B（四）续流保护工程应用中，常用二极管来保护其他元器件免受过高电压的损害。如图B所示电路，为防止含电感元件电路在换路时出现高电压损坏元器件，可以采用二极管续流电路来实现保护。正常工作时，续流二极管不导通，当电感与电压断开瞬时，电感电流仍维持原大小并按原方向继续流动，此时续流二极管为电感提供了放电通路。放电时电感两端电压始终等于续流二极管的正向电压，从而避免了电感上出现高电压。§1、3特种二极管及其应用齐纳二极管：稳压管，反向击穿后，由于电流变化很大但电流变化很小。光电二极管:光照变化为电流发光二极管:彩色二极管激光二极管:发射的为红外线本章小结1．半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的一种材料，具有热敏性、光敏性和掺杂性。2．半导体中有两种载流子—自由电子和空穴，而载流子的运动方式有两种—扩散运动和漂移运动。本征热激发使半导体中产生自由电子空穴对，但数目很少，并与温度有密切关系。在本征半导体中掺入杂质，可形成P型和N型杂质半导体，但它们整体上都是电中性。3．PN结具有单向导电性，即正偏时导通，反偏时截止。4．半导体二极管的核心是PN结，故半导体二极管具有单向导电性。二极管的伏安特性和参数分别以不同方式、从不同的侧面描述了二极管的特性。由于二极管的伏安特性是非线性的，所以它是非线性器件。5第二章半导体三极管及其共射极基本放大器§2、1半导体三极管(BJT)半导体三极管有两大类型，一是双极型三极管，二是单极型场效应管。本章讨论双极型半导体三极管，通常用BJT表示，以下简称三极管。一：三极管的结构及类型通过工艺的方法,把两个二极管背靠背的连接起来级组成了三极管。按PN结的组合方式有PNP型和NPN型，它们的结构示意图和符号图分别为：如图（1）、（2）所示不管是什麽样的三极管，它们均包含三个区：发射区，基区，集电区，同时相应的引出三个电极：发射极，基极，集电极。同时又在两两交界区形成PN结，分别是发射结和基点结。二、三极管的电流分配关系与放大作用（这一问题是重点）1、我们知道，把两个二极管背靠背的连在一起，是没有放大作用的，要想使它具有放大作用，必须做到一下几点：发射区中掺杂基区必须很薄基电结的面积应很大工作时：发射结应正向偏置，集电结应反向偏置三极管结构上的特点具备了三极管电流放大作用的内部条件，但为实现它的电流放大作用，还必须具备一定的外部条件，必须提供放大的能量。使三极管具有电流放大作用的外部条件是：三极管发射结加正向偏置电压，集电结加反向偏置电压。2、载流子的传输过程因为发射结正向偏置，且发射区进行重掺杂，所以发射区的多数载流子扩散注入至基区，又由于集电结的反向作用，故注入至基区的载流子在基区形成浓度差，因此这些载流子从基区扩散至集电结，被电场拉至集电区形成集电极电流。而留在基区的很少，因为基区做的很薄。我们再用图形来说明一下，如图（3）所示：3、电流的分配关系由于载流子的运动，从而产生相应电流，它们的关系如下：其中：ICEO为发射结少数载流子形成的反向饱和电流；ICBO为IB=0时，集电极和发射极之间的穿透电流。为共基极电流的放大系数，为共发射极电流的放大系数。可定义为：放大系数有两种（直流和交流），但我们一般认为，它们二者是相等的，不区分它们。6三：三极管的特性曲线1、输入特性它与PN结的正向特性相似，三极管的两个PN结相互影响，因此，输出电压UCE对输入特性有影响，且UCE1,时这两个PN结的输入特性基本重合。我们用UCE=0和UCE=1,两条曲线表示，如图（4）所示2、输出特性它的输出特性可分为三个区：（如图（5）的特性曲线）(1)截止区：IB=0时，此时的集电极电流近似为零，管子的集电极电压等于电源电压，两个结均反偏(2)饱和区：此时两个结均处于正向偏置，UCE=0.3V(3)放大区：此时IC=ßIB，IC基本不随UCE变化而变化，此时发射结正偏，集电结反偏。四：三级管主要参数1.放大系数它主要是表征管子放大能力。它有共基极的放大系数和共发射极的放大系数。二者的关系是：2.极间的反向电流（它们是有少数载流子形成的）（1）：基电极--基极的反向饱和电流。（2）ICEO：穿透电流，它与ICBO关系为：ICEO=（1+ß）ICBO3．极间反向击穿电压指三极管某一个极开路时，另两个极间的最大允许的反向电压。超过这个电压，管子会击穿。（1）集电极开路时，发射极与基极间的反向击穿电压EBOBRV)(。（2）基极开路时，集电极与发射极间的反向击穿电压CEOBRV)(。（3）发射极开路，集电极与基极间的反向击穿电压为CBOBRV)(。4、集电极最大允许功率损耗CECCMviP表示集电结上允许损耗功率的最大值，超过此值就会使管子性能变坏甚至烧毁。五：参数与温度的关系由于半导体的载流子受温度影响，因此三极管的参数受温度影响，温度上升，输入特性曲线向左移，基极的电流不变，基极与发射极之间的电压降低。输出特性曲线上移。温度升高，放大系数也增加。7§2、2BJT组成的共射极基本放大电路我们知道三极管可以通过控制基极电流来控制集电极的电流，来达到放大的目的。放大电路就是利用三极管的这种特性来组成放大电路。我们下面以共发射极的接法为例来说明一下。一、放大的基本概念放大电路（又称放大器）广泛应用于各种电子设备中，如音响设备、视听设备、精密测量仪器、自动控制系统等。放大电路的功能是将微弱的电信号（电流、电压）进行放大得到所需要的信号。放大器必须接直流电源才能工作，因为放大器输出信号功率比输入信号功率大得多，输出功率是从直流电源转化而来的。所以放大电路实质上是一种能量转换器，是用较小的能量去控制较大能量，它将直流电能转换成交流电能输出给负载。二、放大电路的三种基本组态三极管有三个电极，其中两个可以作为输入,两个可以作为输出，这样必然有一个电极是公共电极，因此，构成放大器时可以有三种连接方式，也称三种组态，见下图：（1）共基极，如图（1）所示（2）共发射极如图（2）所示（3）共集电极如图（3）所示三、共射极基本放大电路1．电路构成（如右图）由前面的讨论我们得出三极管具有电流放大作用，放大作用的内因是三极管生产制造时，从结构上、生产工艺上就保证了