第一章半導體器件1.1半導體基礎知識1.2

PN結1.3半導體三極管1.1半導體基礎知識

物質按導電性能可分為導體、絕緣體和半導體。物質的導電特性取決于原子結構。導體一般為低價元素,如銅、鐵、鋁等金屬,其最外層電子受原子核的束縛力很小,因而極易掙脫原子核的束縛成為自由電子。因此在外電場作用下,這些電子產生定向運動(稱為漂移運動)形成電流,呈現出較好的導電特性。高價元素(如惰性氣體)和高分子物質(如橡膠,塑料)最外層電子受原子核的束縛力很強,極不易擺脫原子核的束縛成為自由電子,所以其導電性極差,可作為絕緣材料。而半導體材料最外層電子既不像導體那樣極易擺脫原子核的束縛,成為自由電子,也不像絕緣體那樣被原子核束縛得那么緊,因此,半導體的導電特性介于二者之間。1.1.1本征半導體純凈晶體結構的半導體稱為本征半導體。常用的半導體材料是硅和鍺,它們都是四價元素,在原子結構中最外層軌道上有四個價電子。為便于討論,采用圖1-１所示的簡化原子結構模型。把硅或鍺材料拉制成單晶體時,相鄰兩個原子的一對最外層電子(價電子)成為共有電子,它們一方面圍繞自身的原子核運動,另一方面又出現在相鄰原子所屬的軌道上。即價電子不僅受到自身原子核的作用,同時還受到相鄰原子核的吸引。于是,兩個相鄰的原子共有一對價電子,組成共價鍵結構。故晶體中,每個原子都和周圍的４個原子用共價鍵的形式互相緊密地聯系起來,如圖１-２所示。圖1–1硅和鍺簡化原子結構模型圖1–2本征半導體共價鍵晶體結構示意圖

共價鍵中的價電子由于熱運動而獲得一定的能量,其中少數能夠擺脫共價鍵的束縛而成為自由電子,同時必然在共價鍵中留下空位,稱為空穴。空穴帶正電,如圖1-３所示。圖1–3本征半導體中的自由電子和空穴

由此可見,半導體中存在著兩種載流子：帶負電的自由電子和帶正電的空穴。本征半導體中,自由電子與空穴是同時成對產生的,因此,它們的濃度是相等的。我們用n和p分別表示電子和空穴的濃度,即ni=pi,下標i表示為本征半導體。

價電子在熱運動中獲得能量產生了電子-空穴對。同時自由電子在運動過程中失去能量,與空穴相遇,使電子、空穴對消失,這種現象稱為復合。在一定溫度下,載流子的產生過程和復合過程是相對平衡的,載流子的濃度是一定的。本征半導體中載流子的濃度,除了與半導體材料本身的性質有關以外,還與溫度有關,而且隨著溫度的升高,基本上按指數規律增加。因此,半導體載流子濃度對溫度十分敏感。對于硅材料,大約溫度每升高８℃,本征載流子濃度ni增加1倍；對于鍺材料,大約溫度每升高１２℃,ｎｉ增加1倍。除此之外,半導體載流子濃度還與光照有關,人們正是利用此特性,制成光敏器件。1.1.2雜質半導體

1.Ｎ型半導體在本征半導體中,摻入微量５價元素,如磷、銻、砷等,則原來晶格中的某些硅(鍺)原子被雜質原子代替。由于雜質原子的最外層有５個價電子,因此它與周圍４個硅(鍺)原子組成共價鍵時,還多余1個價電子。它不受共價鍵的束縛,而只受自身原子核的束縛,因此,它只要得到較少的能量就能成為自由電子,并留下帶正電的雜質離子,它不能參與導電,如圖１-４所示。顯然,這種雜質半導體中電子濃度遠遠大于空穴的濃度,即nn>>pn(下標ｎ表示是Ｎ型半導體),主要靠電子導電,所以稱為Ｎ型半導體。由于５價雜質原子可提供自由電子,故稱為施主雜質。Ｎ型半導體中,自由電子稱為多數載流子；空穴稱為少數載流子。圖1-4N型半導體共價鍵結構

雜質半導體中多數載流子濃度主要取決于摻入的雜質濃度。由于少數載流子是半導體材料共價鍵提供的,因而其濃度主要取決于溫度。此時電子濃度與空穴濃度之間,可以證明有如下關系：

即在一定溫度下,電子濃度與空穴濃度的乘積是一個常數,與摻雜濃度無關。

2.P型半導體在本征半導體中,摻入微量３價元素,如硼、鎵、銦等,則原來晶格中的某些硅(鍺)原子被雜質原子代替。由于雜質原子的最外層只有３個價電子,當它和周圍的硅(鍺)原子組成共價鍵時,因為缺少一個電子,所以形成一個空位。其它共價鍵的電子,只需擺脫一個原子核的束縛,就轉至空位上,形成空穴。因此,在較少能量下就可形成空穴,并留下帶負電的雜質離子,它不能參與導電,如圖１-５所示。顯然,這種雜質半導體中空穴濃度遠遠大于電子濃度,即ｐｐ>>ｎｐ(下標ｐ表示是Ｐ型半導體),主要靠空穴導電,所以稱為Ｐ型半導體。由于３價雜質原子可接受電子,相應地在鄰近原子中形成空穴,故稱為受主雜質。Ｐ型半導體中,自由電子稱為少數載流子；空穴稱為多數載流子。Ｐ型半導體與Ｎ型半導體雖然各自都有一種多數載流子,但對外仍呈現電中性。它們的導電特性主要由摻雜濃度決定。這兩種摻雜半導體是構成各種半導體器件的基礎。圖1–5P型半導體的共價鍵結構1.２ＰＮ結1.2.1異型半導體接觸現象在Ｐ型和Ｎ型半導體的交界面兩側,由于電子和空穴的濃度相差懸殊,因而將產生擴散運動。電子由Ｎ區向Ｐ區擴散；空穴由Ｐ區向Ｎ區擴散。由于它們均是帶電粒子(離子),因而電子由Ｎ區向Ｐ區擴散的同時,在交界面Ｎ區剩下不能移動(不參與導電)的帶正電的雜質離子；空穴由Ｐ區向Ｎ區擴散的同時,在交界面Ｐ區剩下不能移動(不參與導電)的帶負電的雜質離子,于是形成了空間電荷區。在Ｐ區和Ｎ區的交界處形成了電場(稱為自建場)。在此電場作用下,載流子將作漂移運,其運動方向正好與擴散運動方向相反,阻止擴散運動。電荷擴散得越多,電場越強,因而漂移運動越強,對擴散的阻力越大。當達到平衡時,擴散運動的作用與漂移運動的作用相等,通過界面的載流子總數為０,即ＰＮ結的電流為０。此時在ＰＮ區交界處形成一個缺少載流子的高阻區,我們稱為阻擋層(又稱為耗盡層)。上述過程如圖１－６(ａ)、(ｂ)所示。圖1-6PN結的形成1.2.2ＰＮ結的單向導電特性1.ＰＮ結外加正向電壓

若將電源的正極接Ｐ區,負極接Ｎ區,則稱此為正向接法或正向偏置。此時外加電壓在阻擋層內形成的電場與自建場方向相反,削弱了自建場,使阻擋層變窄,如圖１-７(ａ)所示。顯然,擴散作用大于漂移作用,在電源作用下,多數載流子向對方區域擴散形成正向電流,其方向由電源正極通過Ｐ區、Ｎ區到達電源負極。

此時,ＰＮ結處于導通狀態,它所呈現出的電阻為正向電阻,其阻值很小。正向電壓愈大,正向電流愈大。其關系是指數關系：式中,ＩＤ為流過ＰＮ結的電流；U為ＰＮ結兩端電壓；

,稱為溫度電壓當量,其中k為玻耳茲曼常數,Ｔ為絕對溫度,q為電子的電量,在室溫下即Ｔ＝３００Ｋ時,ＵＴ＝２６ｍＶ；ＩＳ為反向飽和電流。電路中的電阻Ｒ是為了限制正向電流的大小而接入的限流電阻。圖1-7PN結單向導電特性2.ＰＮ結外加反向電壓若將電源的正極接Ｎ區,負極接Ｐ區,則稱此為反向接法或反向偏置。此時外加電壓在阻擋層內形成的電場與自建場方向相同,增強了自建場,使阻擋層變寬,如圖１-７(ｂ)所示。此時漂移作用大于擴散作用,少數載流子在電場作用下作漂移運動,由于其電流方向與正向電壓時相反,故稱為反向電流。由于反向電流是由少數載流子所形成的,故反向電流很小,而且當外加反向電壓超過零點幾伏時,少數載流子基本全被電場拉過去形成漂移電流,此時反向電壓再增加,載流子數也不會增加,因此反向電流也不會增加,故稱為反向飽和電流,即ＩＤ＝－ＩＳ。

此時,ＰＮ結處于截止狀態,呈現的電阻稱為反向電阻,其阻值很大,高達幾百千歐以上。綜上所述：ＰＮ結加正向電壓,處于導通狀態；加反向電壓,處于截止狀態,即ＰＮ結具有單向導電特性。將上述電流與電壓的關系寫成如下通式：

此方程稱為伏安特性方程,如圖１-８所示,該曲線稱為伏安特性曲線。(1-1)圖1-8PN結伏安特性1.2.3ＰＮ結的擊穿

PN結處于反向偏置時,在一定電壓范圍內,流過ＰＮ結的電流是很小的反向飽和電流。但是當反向電壓超過某一數值(ＵＢ)后,反向電流急劇增加,這種現象稱為反向擊穿,如圖１-８所示。ＵＢ稱為擊穿電壓。ＰＮ結的擊穿分為雪崩擊穿和齊納擊穿。

當反向電壓足夠高時,阻擋層內電場很強,少數載流子在結區內受強烈電場的加速作用,獲得很大的能量,在運動中與其它原子發生碰撞時,有可能將價電子“打”出共價鍵,形成新的電子、空穴對。這些新的載流子與原先的載流子一道,在強電場作用下碰撞其它原子打出更多的電子、空穴對,如此鏈鎖反應,使反向電流迅速增大。這種擊穿稱為雪崩擊穿。所謂“齊納”擊穿,是指當ＰＮ結兩邊摻入高濃度的雜質時,其阻擋層寬度很小,即使外加反向電壓不太高(一般為幾伏),在ＰＮ結內就可形成很強的電場(可達2×106V/cm),將共價鍵的價電子直接拉出來,產生電子-空穴對,使反向電流急劇增加,出現擊穿現象。

對硅材料的ＰＮ結,擊穿電壓ＵＢ大于７V時通常是雪崩擊穿,小于４V時通常是齊納擊穿；ＵＢ在４V和７V之間時兩種擊穿均有。由于擊穿破壞了ＰＮ結的單向導電特性,因而一般使用時應避免出現擊穿現象。發生擊穿并不一定意味著ＰＮ結被損壞。當PN結反向擊穿時,只要注意控制反向電流的數值(一般通過串接電阻Ｒ實現),不使其過大,以免因過熱而燒壞ＰＮ結,當反向電壓(絕對值)降低時,ＰＮ結的性能就可以恢復正常。穩壓二極管正是利用了ＰＮ結的反向擊穿特性來實現穩壓的,當流過ＰＮ結的電流變化時,結電壓保持ＵＢ基本不變。1.2.4ＰＮ結的電容效應按電容的定義即電壓變化將引起電荷變化,從而反映出電容效應。而ＰＮ結兩端加上電壓,ＰＮ結內就有電荷的變化,說明ＰＮ結具有電容效應。ＰＮ結具有兩種電容：勢壘電容和擴散電容。1.勢壘電容CT

勢壘電容是由阻擋層內空間電荷引起的。空間電荷區是由不能移動的正負雜質離子所形成的,均具有一定的電荷量,所以在ＰＮ結儲存了一定的電荷,當外加電壓使阻擋層變寬時,電荷量增加,如圖１-９所示；反之,外加電壓使阻擋層變窄時,電荷量減少。即阻擋層中的電荷量隨外加電壓變化而改變,形成了電容效應,稱為勢壘電容,用ＣＴ表示。理論推導圖1-9阻擋層內電荷量隨外加電壓變化

圖1-10勢壘電容和外加電壓的關系

2擴散電容CD

擴散電容是ＰＮ結在正向電壓時,多數載流子在擴散過程中引起電荷積累而產生的。當ＰＮ結加正向電壓時,Ｎ區的電子擴散到Ｐ區,同時Ｐ區的空穴也向Ｎ區擴散。顯然,在ＰＮ區交界處(x＝０),載流子的濃度最高。由于擴散運動,離交界處愈遠,載流子濃度愈低,這些擴散的載流子在擴散區積累了電荷,總的電荷量相當于圖1－11中曲線１以下的部分(圖１－１１表示了Ｐ區電子ｎp的分布)。若ＰＮ結正向電壓加大,則多數載流子擴散加強,電荷積累由曲線１變為曲線２,電荷增加量為ΔＱ；反之,若正向電壓減少,則積累的電荷將減少。這就是擴散電容效應CD,擴散電容正比于正向電流,即ＣD∝I。所以ＰＮ結的結電容Ｃｊ包括兩部分,即Cj＝ＣＴ＋ＣＤ。一般說來,ＰＮ結正偏時,擴散電容起主要作用,Ｃｊ≈ＣＤ；當ＰＮ結反偏時,勢壘電容起主要作用,即Ｃｊ≈ＣＴ。圖1-11P區中電子濃度的分布曲線及電荷的積累

1.2.5半導體二極管半導體二極管是由ＰＮ結加上引線和管殼構成的。二極管的類型很多,按制造二極管的材料分,有硅二極管和鍺二極管。從管子的結構來分,有以下幾種類型：點接觸型二極管。面接觸型二極管。硅平面型二極管。圖1–12半導體二極管的結構和符號

1.二極管的特性二極管本質上就是一個ＰＮ結,但是對于真實的二極管器件,考慮到引線電阻和半導體的體電阻以及表面漏電流等因素的影響,二極管的特性與ＰＮ結理論特性略有差別。實測特性曲線如圖１－１３所示,其特點如下：圖1–13二極管的伏安特性曲線(1)正向特性：正向電壓低于某一數值時,正向電流很小,只有當正向電壓高于某一值后,才有明顯的正向電流。該電壓稱為導通電壓,又稱為門限電壓或死區電壓,用Ｕｏｎ表示。在室溫下,硅管的Ｕｏｎ約為０.６～０.８V,鍺管的Ｕｏｎ約為０.１～０.３V。通常認為,當正向電壓Ｕ＜Ｕon時,二極管截止；Ｕ＞Ｕｏｎ時,二極管導通。

(2)反向特性：二極管加反向電壓,反向電流數值很小,且基本不變,稱反向飽和電流。硅管反向飽和電流為納安(ｎΑ)數量級,鍺管的為微安數量級。當反向電壓加到一定值時,反向電流急劇增加,產生擊穿。普通二極管反向擊穿電壓一般在幾十伏以上(高反壓管可達幾千伏)。(3)二極管的溫度特性：二極管的特性對溫度很敏感,溫度升高,正向特性曲線向左移,反向特性曲線向下移。其規律是：在室溫附近,在同一電流下,溫度每升高１℃,正向壓降減小２～２.５ｍV；溫度每升高１０℃,反向電流約增大1倍。2.二極管的主要參數

(1)最大整流電流ＩＦ。它是二極管允許通過的最大正向平均電流。工作時應使平均工作電流小于ＩＦ,如超過ＩＦ,二極管將過熱而燒毀。此值取決于ＰＮ結的面積、材料和散熱情況。

(2)最大反向工作電壓ＵＲ。這是二極管允許的最大工作電壓。當反向電壓超過此值時,二極管可能被擊穿。為了留有余地,通常取擊穿電壓的一半作為ＵＲ。(3)反向電流ＩＲ。指二極管未擊穿時的反向電流值。此值越小,二極管的單向導電性越好。由于反向電流是由少數載流子形成,所以ＩＲ值受溫度的影響很大。

(4)最高工作頻率ｆＭ。ｆＭ的值主要取決于ＰＮ結結電容的大小,結電容越大,則二極管允許的最高工作頻率越低。(5)二極管的直流電阻ＲＤ。加到二極管兩端的直流電壓與流過二極管的電流之比,稱為二極管的直流電阻ＲＤ,即

此值可由二極管特性曲線求出,如圖1-14所示。工作點電壓為ＵＦ＝１.５V,電流ＩＦ＝５０ｍΑ,則（1-2）圖1-14求直流電阻圖1－15求交流電阻(6)二極管的交流電阻ｒｄ。在二極管工作點附近,電壓的微變值ΔＵ與相應的微變電流值ΔＩ之比,稱為該點的交流電阻ｒｄ,即從其幾何意義上講,當ΔＵ→０時(1-3)(1-4)ｒｄ就是工作點Ｑ處的切線斜率倒數。顯然,ｒ也是非線性的,即工作電流越大,ｒｄ越小。交流電阻ｒｄ也可從特性曲線上求出,如圖１-１５所示。過Ｑ點作切線,在切線上任取兩點Ａ、Ｂ,查出這兩點間的ΔＵ和ΔＩ

,則得

交流電阻rd也可利用PN結的電流方程(1-1)求出。取I的微分可得即式中,IDQ為二極管工作點的電流,單位取mA。式(1-5)的近似等式在室溫條件下(T=300K)成立。對同一工作點而言,直流電阻RD大于交流電阻rd；對不同工作點而言,工作點愈高,RD和rd愈低。(1-5)表1-1半導體二極管的典型參數1.2.6穩壓二極管穩壓二極管的工作機理是利用ＰＮ結的擊穿特性。由圖１－１６(ａ)曲線可知,如果二極管工作在反向擊穿區,則當反向電流在較大范圍內變化ΔＩ時,管子兩端電壓相應的變化ΔＵ卻很小,這說明它具有很好的穩壓特性。其符號如圖１－１６(ｂ)所示。

圖1-16穩壓管伏安特性和符號使用穩壓管組成穩壓電路時,需要注意幾個問題：穩壓二極管正常工作是在反向擊穿狀態,即外加電源正極接管子的Ｎ區,負極接Ｐ區；其次,穩壓管應與負載并聯,由于穩壓管兩端電壓變化量很小,因而使輸出電壓比較穩定；必須限制流過穩壓管的電流Ｉz,使其不超過規定值,以免因過熱而燒毀管子。同時,還應保證流過穩壓管電流Iz大于某一數值(穩定電流),以確保穩壓管有良好的穩壓特性。如圖１－１７所示,其中限流電阻Ｒ即起此作用。圖1-17穩壓管電路1.穩定電壓Uz

穩定電壓是穩壓管工作在反向擊穿區時的穩定工作電壓。由于穩定電壓隨著工作電流的不同而略有變化,因而測試Uz時應使穩壓管的電流為規定值。穩定電壓Ｕｚ是根據要求挑選穩壓管的主要依據之一。不同型號的穩壓管,其穩定電壓值不同。同一型號的管子,由于制造工藝的分散性,各個管子的Ｕｚ值也有差別。例如穩壓管２DW7C,其Ｕｚ＝６.1～６.５V,表明均為合格產品,其穩定值有的管子是６.１V,有的可能是６.５V等等,但這并不意味著同一個管子的穩定電壓的變化范圍有如此大。

2.穩定電流Iz

穩定電流是使穩壓管正常工作時的最小電流,低于此值時穩壓效果較差。工作時應使流過穩壓管的電流大于此值。一般情況是,工作電流較大時,穩壓性能較好。但電流要受管子功耗的限制,即Izmax=Pz/Uz

3.電壓溫度系數α

α指穩壓管溫度變化１℃時,所引起的穩定電壓變化的百分比。一般情況下,穩定電壓大于７V的穩壓管,α為正值,即當溫度升高時,穩定電壓值增大。如２CW１７,Ｕｚ＝９～10.5V,α＝０.０９%/℃,說明當溫度升高１℃時,穩定電壓增大0.09%。而穩定電壓小于４V的穩壓管,α為負值,即當溫度升高時,穩定電壓值減小,如２CW11,Ｕｚ＝３.２～４.５V,α＝－(０.０５%～０.０３%)／℃,若α＝－０.０５%／℃,表明當溫度升高１℃時,穩定電壓減小0.05%。穩定電壓在４～７V間的穩壓管,其α值較小,穩定電壓值受溫度影響較小,性能比較穩定。

4.動態電阻rz

ｒｚ是穩壓管工作在穩壓區時,兩端電壓變化量與電流變化量之比,即ｒｚ＝ΔＵ／ΔＩ。ｒｚ值越小,則穩壓性能越好。同一穩壓管,一般工作電流越大時,ｒｚ值越小。通常手冊上給出的ｒｚ值是在規定的穩定電流之下測得的。5.額定功耗Pz

由于穩壓管兩端的電壓值為Ｕｚ,而管子中又流過一定的電流,因此要消耗一定的功率。這部分功耗轉化為熱能,會使穩壓管發熱。Ｐｚ取決于穩壓管允許的溫升。表１-２給出幾種穩壓管的典型參數。其中２DW7系列的穩壓管是一種具有溫度補償效應的穩壓管,用于電子設備的精密穩壓源中。管子內部實際上包含兩個溫度系數相反的二極管對接在一起。當溫度變化時,一個二極管被反向偏置,溫度系數為正值；而另一個二極管被正向偏置,溫度系數為負值,二者互相補償,使１、２兩端之間的電壓隨溫度的變化很小。它們的電壓溫度系數比其它一般的穩壓管約小一個數量級。如２DW7C,α=0.005%/℃。表1–2穩壓管的典型參數1.2.7二極管的應用二極管的運用基礎,就是二極管的單向導電特性,因此,在應用電路中,關鍵是判斷二極管的導通或截止。二極管導通時一般用電壓源ＵＤ＝０.７V(硅管,如是鍺管用０.３V)代替,或近似用短路線代替。截止時,一般將二極管斷開,即認為二極管反向電阻為無窮大。二極管的整流電路放在第十章直流電源中討論。1.限幅電路

當輸入信號電壓在一定范圍內變化時,輸出電壓隨輸入電壓相應變化；而當輸入電壓超出該范圍時,輸出電壓保持不變,這就是限幅電路。通常將輸出電壓uo開始不變的電壓值稱為限幅電平,當輸入電壓高于限幅電平時,輸出電壓保持不變的限幅稱為上限幅；當輸入電壓低于限幅電平時,輸出電壓保持不變的限幅稱為下限幅。限幅電路如圖１-１８所示。改變Ｅ值就可改變限幅電平。圖1–18并聯二極管上限幅電路

Ｅ＝０V,限幅電平為０V。uｉ＞０時二極管導通,uo＝０V；ui＜０V,二極管截止,uo＝uｉ。波形如圖１-19(a)所示。如果０＜Ｅ＜Um,則限幅電平為＋Ｅ。uｉ＜Ｅ,二極管截止,uo＝uｉ；uｉ＞Ｅ,二極管導通,uo＝Ｅ。波形圖如圖１-１９(ｂ)所示。如果－Ｕm＜Ｅ＜０,則限幅電平為-E,波形圖如圖１-19(ｃ)所示。圖1-19二極管并聯上限幅電路波形關系圖1-20并聯下限幅電路圖1-21串聯限幅電路圖1-22雙向限幅電路

2二極管門電路二極管組成門電路,可實現一定的邏輯運算。如圖１－23所示。該電路中只要有一路輸入信號為低電平,輸出即為低電平；僅當全部輸入均為高電平時,輸出才為高電平。這在邏輯運算中稱為“與”運算。圖1-23二極管“與”門電路1.2.8其它二極管

1.發光二極管

發光二極管簡稱LED,它是一種將電能轉換為光能的半導體器件,主要是由Ⅲ～Ⅴ族化合物半導體如砷化鎵(GaAs)、磷化鎵(GaP)制成,其符號如圖1－24所示。它由一個PN結組成。當加正向電壓時,P區和N區的多數載流子擴散至對方與多數載流子復合,復合過程中,有一部分以光子的形式放出,使二極管發光。發出的光波可以是紅外光或可見光。砷化鎵是發射紅外光,如果在砷化鎵中摻入一些磷即可發出紅色可見光；而磷化鎵可發綠光。發光二極管常用作顯示器件,如指示燈、七段數碼管,矩陣顯示器等。工作時加正向電壓,并接入限流電阻,工作電流一般為幾毫安至幾十毫安。電流愈大,發出的光愈強,但是會出現亮度衰退的老化現象,使用壽命將縮短。發光二極管導通時管壓降為1.8V~2.2V。圖1-24發光二極管符號

2.光電二極管光電二極管是將光能轉換為電能的半導體器件。光電二極管的符號如圖1-25所示。其結構與普通二極管相似,只是在管殼上留有一個能使光線照入的窗口。光電二極管被光照射時,產生大量的電子和空穴,從而提高了少子的濃度,在反向偏置下,產生漂移電流,從而使反向電流增加。這時外電路的電流隨光照的強弱而改變,此外還與入射光的波長有關。圖1-25光電二極管符號

3.光電耦合器件將光電二極管和發光二極管組合起來可組成二極管型的光電耦合器。如圖1－26所示,它以光為媒介可實現電信號的傳遞。在輸入端加入電信號,則發光二極管的光隨信號而變,它照在光電二極管上則在輸出端產生了與信號變化一致的電信號。由于發光器件和光電器件分別接在輸入、輸出回路中,相互隔離,因而常用于信號的單方向傳輸,但需要電路間電隔離的場合。通常光電耦合器用在計算機控制系統的接口電路中。圖1-26光電耦合器件

4.變容二極管利用PN結的勢壘電容隨外加反向電壓的變化特性可制成變容二極管,其符號如圖1-27所示。變容二極管主要用于高頻電子線路,如電子調諧、頻率調制等。圖1-27變容二極管符號1.3半導體三極管圖1-28幾種半導體三極管的外形1.3.1三極管的結構及類型圖1–29三極管的結構示意圖和符號無論是NPN型或是PNP型的三極管,它們均包含三個區:發射區、基區和集電區。三極管的三個區相應地引出三個電極：發射極（e)、基極(b)和集電極(c)。同時,在三個區的兩兩交界處,形成兩個PN結,分別稱為發射結和集電結。常用的半導體材料有硅和鍺,因此共有四種三極管類型。它們對應的型號分別為：3A(鍺PNP)、3B(鍺NPN)、3C(硅PNP)、3D(硅NPN)四種系列。由于硅NPN三極管用得最廣,故在無特殊說明時,下面均以硅NPN三極管為例來講述。1.3.2三極管的三種連接方式因為放大器一般是4端網絡,而三極管只有3個電極,所以組成放大電路時,勢必要有一個電極作為輸入與輸出信號的公共端。根據所選擇的公共端電極的不同，三極管有共發射極、共基極和共集電極三種不同的連接方式(對交流信號而言),如圖1－30所示。圖1-30三極管的三種連接方式1.3.3三極管的放大作用三極管盡管從結構上看,相當于兩個二極管背靠背地串聯在一起，但是,當我們用單獨的兩個二極管按上述關系串聯起來時將會發現,它們并不具有放大作用。其原因是,為了使三極管實現放大,必須由三極管的內部結構和外部條件來保證。從三極管的內部結構來看,應具有以下三點：第一,發射區進行重摻雜,因而多數載流子電子濃度遠大于基區多數載流子空穴濃度。第二,基區做得很薄,通常只有幾微米到幾十微米,而且是低摻雜。第三,集電極面積大,以保證盡可能收集到發射區發射的電子。

1.載流子的傳輸過程我們分三個過程討論三極管內部載流子的傳輸過程。

(1)發射。由于發射結正向偏置,則發射區的電子大量地擴散注入到基區,與此同時,基區的空穴也向發射區擴散。由于發射區是重摻雜,因而注入到基區的電子濃度,遠大于基區向發射區擴散的空穴數,在下面的分析中,將這部分空穴的作用忽略不計。

(2)擴散和復合。由于電子的注入,使基區靠近發射結處電子濃度很高。集電結反向運用,使靠近集電結處的電子濃度很低(近似為０)。因此在基區形成電子濃度差,從而電子靠擴散作用,向集電區運動。電子擴散的同時,在基區將與空穴相遇產生復合。由于基區空穴濃度比較低,且基區做得很薄,因此,復合的電子是極少數,絕大多數電子均能擴散到集電結處,被集電極收集。

(3)收集。由于集電結反向運用,在結電場作用下,通過擴散到達集電結的電子將作漂移運動,到達集電區。因為,集電結的面積大,所以基區擴散過來的電子,基本上全部被集電區收集。此外,因為集電結反向偏置,所以集電區中的空穴和基區中的電子(均為少數載流子)在結電場作用下作漂移運動。上述載流子的傳輸過程如圖１－31所示。圖1–31三極管中載流子的傳輸過程2.電流分配圖1-32三極管電流分配

集電極電流ＩＣ由兩部分組成：ＩＣｎ和ＩＣＢＯ,前者是由發射區發射的電子被集電極收集后形成的,后者是由集電區和基區的少數載流子漂移運動形成的,稱為反向飽和電流。于是有

ＩＣ＝ＩＣｎ＋ＩＣＢＯ(1-6)

發射極電流ＩＥ也由兩部分組成：ＩＥｎ和ＩＥｐ。ＩＥｎ為發射區發射的電子所形成的電流,ＩＥｐ是由基區向發射區擴散的空穴所形成的電流。因為發射區是重摻雜,所以ＩＥｐ忽略不計,即ＩＥ≈ＩＥｎ。ＩＥｎ又分成兩部分,主要部分是ＩＣｎ,極少部分是ＩＢｎ。ＩＢｎ是電子在基區與空穴復合時所形成的電流,基區空穴是由電源ＵＢＢ提供的,故它是基極電流的一部分。基極電流ＩＢ是ＩＢｎ與ＩＣＢＯ之差：(1-7)(1-8)

發射區注入的電子絕大多數能夠到達集電極,形成集電極電流,即要求ＩＣｎ>>ＩＢｎ。通常用共基極直流電流放大系數衡量上述關系,用α來表示,其定義為(1-9)一般三極管的α值為0.97～0.99。將(１-９)式代入(１-６)式,可得(1-10)通常ＩＣ>>ＩCBO,可將ＩＣＢＯ忽略,由上式可得出(1-11)三極管的三個極的電流滿足節點電流定律,即將此式代入(1-10)式得(1-12)經過整理后得令

β稱為共發射極直流電流放大系數。當IC>>ICBO時,β又可寫成(1-13)(1-14)則其中ICEO稱為穿透電流,即一般三極管的β約為幾十～幾百。β太小,管子的放大能力就差,而β過大則管子不夠穩定。(1-15)(1-16)表1-3三極管電流關系的一組典型數據IB/mA-0.00100.010.020.030.040.05IC/mA0.0010.010.561.141.742.332.91IE/mA00.010.571.161.772.372.96從表中可看出,任一列三個電流之間的關系均符合公式ＩＥ＝ＩＣ＋ＩＢ,而且除一、二列外均符合以下關系：相應地,將集電極電流與發射極電流的變化量之比,定義為共基極交流電流放大系數,即我們還可看出,當三極管的基極電流ＩＢ有一個微小的變化時,例如由０.０２mA變為０.０４mA(ΔＩＢ＝０.０２mA),相應的集電極電流產生了較大的變化,由1.14mA變為2.33mA(ΔＩＣ＝1.19mA),這就說明了三極管的電流放大作用。我們定義這兩個變化電流之比為共發射極交流電流放大系數,即(1-17)(1-18)故(1-19)

顯然β與β,α與α其意義是不同的,但是在多數情況下β≈β,α≈α。例如,從表１-３知,在ＩＢ＝００３mA附近,設ＩＢ由００２mA變為００４mA,可求得1.3.4三極管的特性曲線圖1–33三極管共發射極特性曲線測試電路1.輸入特性

當ＵＣＥ不變時,輸入回路中的電流ＩＢ與電壓ＵＢＥ之間的關系曲線稱為輸入特性,即圖1-34三極管的輸入特性

ＵＣＥ＝０V時,從三極管的輸入回路看,相當于兩個ＰＮ結(發射結和集電結)并聯。當ｂ、ｅ間加上正電壓時,三極管的輸入特性就是兩個正向二極管的伏安特性。

ＵＣＥ≥１V,ｂ、ｅ間加正向電壓,此時集電極的電位比基極高,集電結為反向偏置,阻擋層變寬,基區變窄,基區電子復合減少,故基極電流IB下降。與ＵＣＥ＝０V時相比,在相同的條件下,ＩＢ要小得多。結果輸入特性將右移。當ＵＣＥ繼續增大時,嚴格地講,輸入特性應該繼續右移。但是,當ＵＣＥ大于某一數值以后(如１V),在一定的ＵＢＥ之下,集電結的反向偏置電壓已足以將注入基區的電子基本上都收集到集電極,此時ＵＣＥ再增大,ＩＢ變化不大。因此ＵＣＥ＞１V以后,不同ＵＣＥ值的各條輸入特性幾乎重疊在一起。所以常用ＵＣＥ＞１V(例如２V)的一條輸入特性曲線來代表ＵＣＥ更高的情況。2.輸出特性

當ＩＢ不變時,輸出回路中的電流ＩＣ與電壓ＵＣＥ之間的關系曲線稱為輸出特性,即圖1-35三極管的輸出特性

(1)截止區。

一般將ＩＢ≤０的區域稱為截止區,在圖中為ＩＢ＝０的一條曲線的以下部分。此時ＩＣ也近似為零。由于各極電流都基本上等于零,因而此時三極管沒有放大作用。其實ＩＢ＝０時,ＩＣ并不等于零,而是等于穿透電流ICEO。一般硅三極管的穿透電流小于１μA,在特性曲線上無法表示出來。鍺三極管的穿透電流約幾十至幾百微安。當發射結反向偏置時,發射區不再向基區注入電子,則三極管處于截止狀態。所以,在截止區,三極管的兩個結均處于反向偏置狀態。對ＮＰＮ三極管,ＵＢＥ＜０,ＵBC＜０。(2)放大區。

此時發射結正向運用,集電結反向運用。在曲線上是比較平坦的部分,表示當ＩＢ一定時,ＩＣ的值基本上不隨ＵCE而變化。在這個區域內,當基極電流發生微小的變化量ΔＩＢ時,相應的集電極電流將產生較大的變化量ΔＩＣ,此時二者的關系為ΔＩＣ＝βΔＩＢ該式體現了三極管的電流放大作用。對于ＮＰＮ三極管,工作在放大區時ＵＢＥ≥０.７V,而ＵＢＣ＜０。(3)飽和區。

曲線靠近縱軸附近,各條輸出特性曲線的上升部分屬于飽和區。在這個區域,不同ＩＢ值的各條特性曲線幾乎重疊在一起,即當ＵＣＥ較小時,管子的集電極電流