半導體器件基礎

1、項目一 半導體器件基礎模塊一 二極管授課班級××××時間××年×月×日授課班級時 間年 月 日年 月 日年 月 日年 月 日年 月 日年 月 日年 月 日授課章節(jié)目的和要求掌握二極管工作原理及常用應用電路重點和難點二極管工作原理及常用應用電路1.1半導體與PN結自然界的物質(zhì)，按導電能力的不同，可分為導體、絕緣體和半導體三大類。通常將電阻率小于10-4歐姆·厘米的物質(zhì)稱為導體，例如金、銀、銅、鐵等金屬都是良好的導體。電阻率大于109歐姆·厘米的物質(zhì)稱為絕緣體，例如橡膠、塑料等。導電能力介于導體和絕

2、緣體之間的物質(zhì)稱為半導體。1.1.1半導體的基本知識常用的半導體材料有硅（Si）、鍺（Ge）、砷化鎵（GaAs）等。半導體除了與其他物質(zhì)不同的導電能力之外，還有許多特點，如受到外界影響（光照、溫度變化）或摻入雜質(zhì)時，其電阻會顯著變化。利用半導體的這些特性，人們可制造出各種半導體器件。圖1.1 半導體原子結構圖圖1.2 本征半導體結構圖1.本征半導體純度很高、晶體結構完整的半導體稱為本征半導體。理想的本征半導體是由單一元素構成的單晶硅。硅和鍺的原子結構示意圖如圖1-1所示，它們的最外層電子數(shù)為4個，這層電子受原子核的束縛力較弱，稱為價電子，所以硅和鍺都是四價元素。如圖1.1所示。在硅晶體中，價電

3、子不僅受到自身原子核的約束，同時還會受到相鄰原子核的吸引。因此價電子一方面圍繞自身原子核運動，另一方面又會出現(xiàn)在相鄰原子核的軌道上，形成穩(wěn)定的共價鍵結構。由于價電子不易擺脫原子核束縛成為自由電子，因此本征半導體導電能力較差。本征半導體晶體結構示意圖如圖1.2所示。(a)(b)圖1.3 P型半導體結構圖(a)P型半導體晶體結構圖; (b)P型半導體示意圖但是，如果能從外界獲得能量，有少數(shù)價電子就會掙脫共價鍵的束縛成為自由電子。與此同時，在共價鍵上留下一個空位，稱為空穴。由于存在空位，使附近共價鍵的價電子很容易過來填補，于是又留下一個新的空位。其他地方的電子又有可能來填補后一個空位。從效果上看，這

4、種電子填補空穴的運動，相當于帶正電的空穴在運動一樣。所以空穴是帶正電的載流子。在本征半導體中，電子和空穴總是成對出現(xiàn)的，稱為電子-空穴對。這時電子和空穴的數(shù)目總是相等的。隨著溫度升高，電子-空穴的數(shù)量增多，半導體的導電性增強。2.雜質(zhì)半導體如果在本征半導體中摻入微量的雜質(zhì)，其導電能力會顯著變化。根據(jù)摻入雜質(zhì)的不同，可以分為P型半導體和N型半導體。(1)P型半導體在本征半導體硅中摻入微量的三價元素硼（B），就形成P型半導體，如圖1.3所示。硅原子與硼原子組成共價鍵時少一個電子，即產(chǎn)生一個空穴。每摻入一個硼原子就提供一個空穴，而相鄰硅原子中的價電子有可能過來填補這個空穴，使硼原子多出一個電子，成為

5、帶負電的離子。P型半導體中空穴的濃度比電子的濃度高得多，它主要靠空穴導電。(a)(b)圖1.4 N型半導體結構圖(a)N型半導體晶體結構圖; (b)N型半導體示意圖 (2)N型半導體圖1.5 PN結的形成在本征半導體中摻入微量的五價元素磷（P）就形成N型半導體，如圖1.4所示。擁有5個價電子的磷原子與周圍的硅原子組成共價鍵時，會多出一個價電子，這個電子很容易成為自由電子，所以N型半導體中電子的濃度比空穴的濃度高得多，它主要靠電子導電。1.1.2 PN結及單向導電性1PN結的形成當采用某種方法使半導體中一部分區(qū)域成為P型，另一部分區(qū)域成為N型半導體時，其交界上就會形成一個很薄的空間電荷區(qū)，如圖1

6、.5所示。由于交界面兩側存在載流子濃度差，P區(qū)中的多數(shù)載流子（空穴）就要向N區(qū)擴散；同樣，N區(qū)的多數(shù)載流子（電子）也向P區(qū)擴散。在擴散中，電子與空穴復合，因此在交界面上，靠N區(qū)一側就留下不可移動的正電荷離子，而靠P區(qū)一側就留下不可移動的負電荷離子，從而形成空間電荷區(qū)。在空間電荷區(qū)產(chǎn)生一個從N區(qū)指向P區(qū)的內(nèi)電場(自建電場)。隨著擴散的進行，內(nèi)電場不斷增強。內(nèi)電場的加強又反過來阻礙擴散運動，但卻使P區(qū)的少數(shù)載流子電子向N區(qū)漂移，N區(qū)的少數(shù)載流子空穴向P區(qū)漂移。當擴散和漂移達到動態(tài)平衡時，即擴散運動的載流子數(shù)等于漂移運動的載流子數(shù)時，就形成一定厚度的空間電荷區(qū)，稱其為PN結。在這個空間電荷區(qū)內(nèi)，能移

7、動的載流子極少，故又稱為耗盡層或阻擋層。2PN結的單向導電性PN結外加正向電壓（稱為正向偏置），即電源正極接P區(qū)，負極接N區(qū)，如圖1.6（a）所示。這時，外電場方向與內(nèi)電場方向相反，內(nèi)電場被削弱，空間電荷區(qū)變薄，多數(shù)載流子的擴散運動大大超過少數(shù)載流子的漂移運動。同時電源的不斷向P區(qū)補充空穴，向N區(qū)補充電子，其結果使電路中形成較大的正向電流，PN結處于正向導通狀態(tài)。PN結外加反向電壓（稱為反向偏置），就是將電源的正極接N區(qū)，負極接P區(qū)，如圖1.6(b)所示。這時外電場方向與內(nèi)電場方向一致，空間電荷區(qū)變厚，多數(shù)載流子的擴散運動受到阻礙，但少數(shù)載流子的漂移運動得到加強。由于少數(shù)載流子的數(shù)目很少，故只

8、有很小的電流通過，PN處于幾乎不導電的截止狀態(tài)。綜上所述，PN結正向偏置時，處于導通狀態(tài)，有較大電流通過；PN結反向偏置時，處于截止狀態(tài)，反向電流很少，這就PN結的單向導電性。圖1.6 PN結的單向導電性(a)正向導通;(b)反向截止1.2 半導體二極管半導體二極管簡稱二極管，是一種非線性半導體器件。它具有單向導電特性，可用于整流、穩(wěn)壓、檢波、限幅等場合。1.2.1二極管的結構二極管是在PN結的外面裝上管殼，再引出兩個電極而做成的。從P區(qū)引出的電極稱為陽極（正極）；從N區(qū)引出的電極稱為陰極（負極）。常見二極管的外形如圖1.7(a) 所示，二極管的結構，圖形符號如圖1.7(b) 所示。二極管的類

9、型很多，按制造二極管的材料來分，有硅二極管和鍺二極管；按用途來分，有整流二極管，開關二極管，穩(wěn)壓二極管等；按結構來分，主要有點接觸型和面接觸。點接觸型二極管的PN結面積小，結電容也小，因而不允許通過較大的電流，但可在大高頻下工作。而面接觸型的二極管由于PN結面積大，可以通過較大的電流，但只在較低頻率下工作。(a)(b)(c)（d）圖1.7 二極管的結構類型及外形（a） 二極管的實物圖 （b）二極管的點接觸型結構（c）二極管的面接觸型結構 (d) 二極管的圖形符號1.2.2二極管的特性二極管兩端電壓與通過二極管電流之間的關系曲線稱為二極管的伏安特性，如圖1.8 所示。伏安特性表明二極管具有單向導

10、電特性。圖1.8 二極管伏安特性曲線1.正向特性當加在二極管的正向電壓數(shù)值較小時，由于外電場不足以克服內(nèi)電場對多數(shù)載流子擴散運動的阻力，正向電流幾乎為零，二極管不導通。在特性曲線上對應的這部分區(qū)域稱為“死區(qū)”。死區(qū)電壓的大小與材料的類型有關，一般硅二極管為0.5伏左右；鍺二極管為0.1伏左右。當正向電壓大于死區(qū)電壓時，外電場削弱了內(nèi)電場對擴散運動的阻力，正向電流增大，二極管導通。這時，正向電壓稍有增大，電流會迅速增加，電壓與電流的關系呈現(xiàn)指數(shù)關系。圖中曲線顯示，管子正向導通后其管壓降很小（硅管為0.60.7V，鍺管為0.20.3V），相當于開關閉合。2.反向特性當二極管加反向電壓時，外電場增強

11、了內(nèi)電場對擴散運動的阻力，擴散運動很難進行，但少數(shù)載流子在這兩個電場的作用下很容易通過PN結，形成很小的反向電流。由于少數(shù)載流子的數(shù)目很少，即使增加反向電壓，反向電流仍基本保持不變，故稱此電流為反向飽和電流。所以，如果給二極管加反向電壓，二極管將處于截止狀態(tài)，這時相當于開關斷開。如果繼續(xù)增加反向電壓，當超過UB時，反向電流急劇增大，這種現(xiàn)象稱為反向擊穿。UB為反向擊穿電壓。反向擊穿后，如果不對反向電流的數(shù)值加以限制，將會燒壞二極管。所以普通二極管不允許工作在反向擊穿區(qū)。1.2.3二極管的參數(shù)為了正確、合理地使用二極管，必須了解二極管的主要參數(shù)。1.最大整流電流IF最大整流電流是指二極管長期運行

12、時，允許通過管子的最大正向平均電流。因為電流通過PN結要引起管子發(fā)熱，電流太大，發(fā)熱量超過限度，就會使PN結燒壞。2.反向擊穿電壓URM指允許加在二極管上的反向電壓的最大值。一般手冊上給出的最高反向工作電壓約為擊穿電壓的一半，以確保管子安全運行。3.反向飽和電流IS指在室溫下，二極管兩端加上規(guī)定反向電壓時的反向電流。其數(shù)值愈小，說明二極管的單向導電性愈好。硅材料二極管的反向電流比鍺材料二極管的反向電流要小。另外，二極管受溫度的影響較大，當溫度增加時，反向電流會急劇增加，在使用需要加以注意。二極管參數(shù)還有最高工作頻率、正向壓降、結電容等，此處不再說明。表1.1 國外1N系列普通二極管和主要技術參

13、數(shù) 主要技術參數(shù) 型號最高反向工作電壓（V）最大整流電流（A）最在正向壓降（V）反向電流（A）1N40015011101N400210011101N400440011101N4007100011101N540110031.2101N540440031.2101N540780031.2101N5408100031.2101.2.4特殊二極管電子設備中除廣泛使用整流二極管、開關二極管外，還常常使用一些特殊功能的二極管，下面分別予以介紹。1.硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管是一種能穩(wěn)定電壓的二極管，如圖1.9為它的伏安特性及符號圖。其正向特性曲線與普通二極管相似，反向特性段比普通二極管更陡些，穩(wěn)壓管正常工作在

14、反向擊穿區(qū)AB段內(nèi)。在此區(qū)段，反向電流在IZminIZmin變化時，管子兩端電壓變化很小，起到穩(wěn)壓作用。若反向電流小于IZmin時，管子將工作在特性曲線的彎曲部分，管子兩端電壓不能保持穩(wěn)定；若反向電流大于IZman時，管子可能過熱而損壞，所以在應用中，穩(wěn)壓管通常串聯(lián)一個電阻來限制電流。圖1.9 穩(wěn)壓管的伏安特性穩(wěn)壓管有以下幾個主要參數(shù)（1）穩(wěn)定電壓UZ 是指在規(guī)定測試條件下，穩(wěn)壓管工作在擊穿區(qū)時的穩(wěn)定電壓值。由于制造工藝的原因，同型號穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值不可能都相等。但對每一個穩(wěn)壓管來說，對應一定的工作電流只有一個確定值，選用時應以實際測量為準。例如2CW53型硅穩(wěn)壓二極管,在測試電流IZ=10mA

15、時穩(wěn)定電壓UZ為4.05.8V。（2）最小穩(wěn)定電流Izmix 指穩(wěn)壓管進入反擊穿區(qū)時的轉折點電流。穩(wěn)壓管工作時，反向電流必須大于Izmin，否則不能穩(wěn)壓。（3）最大穩(wěn)定電流Izmax 指穩(wěn)壓管長期工作時，允許通過的最大反向電流。例如2CW53型穩(wěn)壓管的Izmax=41mA。在使用穩(wěn)壓二極管時，工作電流不允許超過Izmax，否則可能會過熱燒壞管子。（4）穩(wěn)定電流IZ 指穩(wěn)壓管在穩(wěn)定電壓下的工作電流，其范圍在IzminIzmix之間。（5）耗散功率PZM 指穩(wěn)壓管穩(wěn)定電壓UZ與最大穩(wěn)定電流Izmax的乘積。在使用中若超過這個數(shù)值，管子將被燒壞。（6）動態(tài)電阻rZ 是指穩(wěn)壓管工作在穩(wěn)壓區(qū)時，兩端電壓

16、變化量與電流變化量之比，即rZ=UZ/IZ，動態(tài)電阻愈小，穩(wěn)壓性能愈好。如圖1.10為最簡單的硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路，穩(wěn)壓管的作為穩(wěn)壓元件與負載RL并聯(lián)，R為限流電阻。電路在正常工作時，負載RL兩端的直流電壓UO就等于穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓。圖1.10 簡單的穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路2發(fā)光二極管發(fā)光二極管(LED)是一種能把電能轉換成光能的半導體器件。它由磷砷化鎵(GaAsP)、磷化鎵（GaP）等半導體材料制成。當PN結加正向電壓時，多數(shù)載流子在進行擴散運動的過程相遇而復合，其過剩的能量以光子的形式釋放出來，從而產(chǎn)生一定波長的光。發(fā)光的顏色取決于所采用的半導體材料。目前使用的有紅、綠、黃、藍、紫等顏色的發(fā)光二極管。

17、發(fā)光二極管的實物圖和符號如圖1.11所示。(a)(b)圖1.11 發(fā)光二極管(a)實物圖 (b)圖形符號發(fā)光二極管與指示燈相比，具有體積小、工作電壓低、工作電流小、發(fā)光均勻穩(wěn)定、響應速度快和壽命長等優(yōu)點，因而LED是一種優(yōu)良的發(fā)光器件，在各種電子設備、家用電器以及顯示裝置中得到廣泛應用。發(fā)光二極管的正向工作電壓比普通二級管高，約1V2V；反向擊穿電壓比普通二極管低，約5V左右。一般發(fā)光亮度與工作電流有關。發(fā)光二極管有電流驅動型和電壓驅動型兩類。對于電流驅動型，使用時必須加限流電阻RS，RS阻值的大小按Rs=(UUF)IF來選擇。圖1.12為直流電流驅動電路。在發(fā)光二極管的產(chǎn)品說明或相關手冊中，

18、有的給出其正向電流，有的給出管子的最大電流IFM。一般IF為IFM的60%。在實際使用時，為確保發(fā)光管長期穩(wěn)定工作、防止老化，管子的平均工作電流不能高于手冊給出的正向電流值IF。圖1.12發(fā)光二極管直流電流驅動電路表1-2 部分發(fā)光二極管的主要技術參數(shù)技術參數(shù)型號發(fā)光顏色波長(nm)最大耗散功率(mW)最大工作電流(mA)正向電壓(V)反向電壓(V)反向電流(A)材料封裝形式BT102紅70050202.5550GaPD,W,C,TBT103綠56550202.5550GaPBT104黃58550202.5550GaPBT111紅65050202550GaAsPBT116-X(高亮)紅6601

19、00202.55100GaAlAs3光敏二極管光敏二極管的PN結與普通二極管不同，其P區(qū)比N區(qū)薄得多。另外，為了獲得光照，在其管殼上設有一個玻璃窗口。光敏二極管在反向偏置狀態(tài)下工作。無光照時，光敏二極管在反向電壓作用下，通過管子的電流很?。皇艿焦庹諘r，PN結將產(chǎn)生大量的載流子，反向電流明顯增大。這種由于光照射而產(chǎn)生的電流稱為光電流，它的大小與光照度有關。光敏二極管的符號和應用電路如圖1.13所示圖1.13光敏二極管的符號和應用電路小知識二極管器件的種類很多，了解器件的命名規(guī)律和方法，就能快速識別器件的類別及大致性能，給器件的選購，代換和使用帶來很大的方便。按照國家標準的規(guī)定，國產(chǎn)二極管的規(guī)定由

20、五部分組成。第一部分用數(shù)額表示器件的電極數(shù)目，“2”表示二極管第二部分的拼音字表示器件的材料和極性，“A”為N型鍺管，“B”為P型鍺管，“C”為N型硅管，“D”為P型硅管。第三部分拼音字母表示器件類型，“P”表示普通管，“Z”表示整流管，“W”表示穩(wěn)壓管。第四部分的數(shù)字表示器件序號，序號不同的二極管特性不同，第五部分的拼音字母表示規(guī)格號。例如2AP1是N型鍺材料普通二極管，2CZ55是N型硅材料整流二極管。小技能用萬用表可以測量二極管的極性和好壞（1）用萬用表的R×1K或R×100擋，分別接二極管的兩個電極，在測得一個數(shù)據(jù)后，對調(diào)兩表筆，再測出另一個數(shù)據(jù)。阻值小的為正向電阻

21、，從而可判斷出黑表筆接的是二極管的正極，紅表筆的接的是負極。（2）分別用萬用表的R×1K或R×100擋測量二極管的正反向電阻，如果正向電阻較小（幾千歐以下），而反向電阻較大（幾百千歐以上），則說明二極管是好的；如果正反電阻都很小，說明二極管已被擊穿；如果正反電阻都很大，說明二極管已斷路。1.3 二極管整流電路電子設備需要穩(wěn)定的直流電源供電，才能正常工作，而電網(wǎng)供給的都是交流電，因此必須將交流電變換成直流電，這一過程稱為整流。本節(jié)主要介紹單相半波整流電路和單相橋式整流電路。1.3.1單相半波整流電路1.電路組成及工作原理圖1.14為單相半波整流電路，T為電源變壓器，V為整流二

22、極管，RL1為負載電阻。設變壓器副邊電壓為 U2變壓器副邊電壓有效值。(a)(b)圖1.14 單相半波整流電路及波形在u2的正半周（0）期間，變壓器副邊繞組的極性是上正下負，二極管V承受正向電壓導通，此時有電流i0（i0=iV）流過負載RL1 ，其壓降為UL= i0RL1 ，如果忽略V的管壓降uV ，則uLu2 ，負載上的電壓uL與u2基本相等。在u2的負半周（2）期間，變壓器副邊繞組的極性變?yōu)樯县撓抡?，二極管V承受反向電壓截止，此時電流i00，負載上的電壓uO 0，變壓器上的電壓u2全部加到二極管上。從電流的第二個周期開始又重復上述過程。盡管電源變壓器側是交流電壓u2，但經(jīng)二極管變換后，負載

23、RL上的電壓極性始終不變（上正下負），也就是負載得到的電壓是直流電壓。由于在一個周期內(nèi)，二極管導電半個周期，負載RL只獲得半個周期的電壓，故稱為半波整流。經(jīng)半波整流后獲得的是波動較大的脈動直流電。2.電壓和電流計算負載上獲得的是脈動直流電壓，其大小用平均值Uo來衡量。流過負載電流的平均值為流過二極管的平均電流與負載電流相等。故二極管反向截止期承受的最高反向電壓等于變壓器副邊電壓的最大值，所以單相半波整流電路簡單，元件少，但輸出電流脈動很大，變壓器利用率低。因此半波整流僅適用于要求不高的場合。1.3.2單相橋式整流電路1電路組成和工作管理圖1.15為單相橋式整流電路的三種畫法。它由整流變壓器，四

24、個二極管和負載電阻組成。圖1.15橋式整流電路的三種畫法在u2的正半周（0）時，二極管V1、V3承受正向電壓導通，V2、V4承受反向電壓而截止，電流i0從變壓器副邊a端經(jīng)V1、RL、V3回到b端，電流在電阻RL上產(chǎn)生壓降UO 。如果忽略V1、V3的管壓降，則UOU2 。在U2的負半周（2）時，V1、V3反向截止，V2、V4承受正向電壓而導通，電流i0從變壓副邊b端開發(fā)經(jīng)V4、RL、V2 回到a端。忽略V2、V4的管壓降，負載的電壓UO U2。可見，在U2的一個周期內(nèi)，V1 、V3 和V2 、V4輪流導通，流過負載RL的電流i0的方向始終不變，負載的電壓為單方向的脈動直流電壓。波形如圖1.16所

25、示。2.電流和電流計算負載的平均電壓圖1.16橋式整流電路波形圖 =負載的平均電流在每個周期內(nèi)，兩組二極管輪流導通，各導電半個周期，所以每只二極管的平均電流應為負載電流的一半，即 在一組二極管正向導通期間，另一組二極管反向截止，其承受的最高反向電壓變變壓器副邊電壓的峰值橋式整流比半波整流電路復雜，但輸出電壓脈動比半波整流小一倍，變壓器的利用率也較高，因此橋式整流電路得到廣泛的應用?！纠?-1】 已知單相橋式整流電路中的負載電阻RL =200，變壓器副邊電壓有效值U2=36，試求：（1）負載上的平均電壓和平均電流；（2）二極管隨的最高反壓和通過的平均電話，并選擇二極管。解：(1) 負載上的平均電

26、壓 負載上的平均電流(2)二極管承受的最高反壓 二極管的平均電流選擇整流二極管1N4002，其參數(shù)為IF=1A，URM=100V，滿足要求。 1.4濾波電路整流電路把交流電變成脈動的直流電。這種直流電波動很大，主要是含有許多不同幅值和頻率的交流成份。為了獲得平穩(wěn)的直流電，必須利用濾波器將交流成分濾掉。常用濾波電路有電容濾波、電感濾波和復合式濾波等。1.4.1電容濾波電路利用電容器對直流開路，對交流短路的特點，將電容與負載并聯(lián)，交流成份被電容濾掉，負載便得到平滑的直流電壓。圖1.17為帶電容濾波的單相半波整流電路。圖1.17電容濾波電路當u2的正半周從零開始上升時，二極管V正向導通，電源通過二極

27、管對電容充電，電容的電壓uc逐漸上升。當電源電壓達到最大值，電容電壓也充電到最大值。隨后電源電壓開始下降，由于電容電壓不能突變，結果u2小于uc,二極管V承受反向電壓截止。這時已充電的電容便向負載電阻放電，電容電壓逐漸下降。在整個負半周期間，二極管V仍加反壓截止，電容繼續(xù)放電。當u2的第二個周期正半周開始時，u2小于uc，二極管V仍未導通。隨著電容放電，uc逐漸下降，到曲線B點后，u2大于uc，V重新導通。如此不斷重復，負載上就得一個比較平穩(wěn)的直流電壓。顯然，時間常數(shù)RLC越大，放電越慢，負載得到的電壓越平穩(wěn)，濾波效果越好。因此，實用上通常選擇容量較大的電解電容作為濾波電容。濾波電容按以下公式

28、估算：T為交流電周期電路接入濾波電容后，輸出的平均電壓增大，通常按下式估算圖1.18 為橋式整流電容濾波電路。它的工作原理與半波整流相同。差別在于橋式電路每半個周期電容有一次充放電過程，因此輸出電壓的脈動更小，更平滑。濾波電容和輸出電壓按下式估算 圖1.18 橋式整流電容濾波電路電容濾波電路雖然簡單,但輸出直流電壓的平滑程度與負載有關。當負載減小時，時間常數(shù)RLC減小，輸出電壓的紋波增大，所以它不適用于負載變化較大的場合。電容濾波也不適用于負載電流較大的場合，因為負載電流大（RL較小），這時只有增大電容的容量，才能取得好濾波效果。但電容容量太大，會使電容體增大，成本上升，而且大的充電電流也容易

29、引起二極管損壞?！纠?-2】 已知單相橋式整流電容濾波電路中的負載電阻RL=100，輸出電壓UO=12V，交流電源頻率f =50HZ，試確定整流變壓器的副邊電壓，并選擇整流二極管和濾波電容。解： 由UO=1.2U2 得變壓器副邊電壓有效值二極管的平均電流二極管承受的最高反壓選用1N4001，其參數(shù)為IF =1A，URM =50V濾波電容由式RLC=（35）T/2估算，取5倍系數(shù)選擇容易為680F，耐壓為50V的電解電容，1.4.2電感濾波電路圖1.19電感濾波電路利用電感線圈交流阻抗很大，直流電阻很小的特點，將電感線圈與負載電阻R串聯(lián)，就組成電感濾波電路。如圖1.19 所示。整流電路輸出的脈動

30、直流電壓中的直流成份在電感線圈上形成的壓降很小，而交流成份卻幾乎全都降落在電感上，負載電阻上得平穩(wěn)的直流電壓。電感量越大，電壓越平穩(wěn)，濾波效果越好。但電感量大會引起電感的體積過大，成本增加，輸出電壓下降。電感濾波適用于輸出電流大、負載經(jīng)常變動的場合，其缺點是體積大、易引起電磁干擾。1.4.3復式濾波電路將電容濾波和電感濾波組合起來，可獲得比單個濾波器更好的濾波效果，這就復式濾波器。常見有型和型兩類復合濾波器。(a)(b)圖1.20復合濾波器(a)型濾波器 (b)型濾波器1型濾波器為了減小負載電壓的脈動程度，在電感線圈后面再接電容，如圖1.20（a）所示，這樣先經(jīng)過電感濾波，去掉大部分交流成份，

31、然后再經(jīng)電容濾波，濾除剩余的交流成分，使負載電阻得到一個更平滑的直流電壓，這種電路性能與電感濾波電路基本相同。2型濾波器圖1.20(b)為型濾波器，它是在電感的前后各并聯(lián)一個電容。整流器輸出的脈動直流電先經(jīng)過C1濾波，再經(jīng)過電感L和電容C2濾波，使交流成分大大降低，在負載得到平滑的直流電壓。模塊二 三極管授課班級××××時間××年×月×日授課班級時 間年 月 日年 月 日年 月 日年 月 日年 月 日年 月 日年 月 日授課章節(jié)目的和要求掌握三極管基本工作原理、種類及其應用；掌握三極管的識別、檢測及使用方法。重點和

32、難點三極管工作原理及常用應用電路2.1 半導體三極管半導體三極管又稱晶體三極管，簡稱三極管，是1946年由美國科學家肖克利等人發(fā)明的，這是二十世紀最重要的成就之一。三極管內(nèi)部有兩種載流子（自由電子和空穴）參加導電，故屬于雙極型半導體器件。圖2.1為三極管實物圖。2.1.1三極管的結構和類型1.結構三極管是由兩個PN結組成的，按結構分為NPN型和PNP型兩種，如圖2.2所示。圖2.1 三極管實物圖 （a） (b)圖2.2 三極管的結構示意圖和符號（a）NPN型；(b) PNP型不管是PNP型還是NPN型三極管，都有發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)。從三個區(qū)引出的電極分別稱為發(fā)射極e、基極b、集電極c。在三個

33、區(qū)的兩兩交界處形成兩個PN結，分別稱為發(fā)射結和集電結。三極管并不是兩個PN結的簡單組合，它是在一塊半導體基片上制造出三個摻雜區(qū)，形成兩個有內(nèi)在聯(lián)系的PN結。為此，在制造三極管時，應使發(fā)射區(qū)的摻雜濃度較高；基區(qū)很薄，且摻雜濃度較低；集電區(qū)摻雜濃度最低而且面積大。2.分類（1）按管芯所用的半導體材料不同，分為硅管和鍺管。硅管受溫度影響小，工作較穩(wěn)定。（2）按三極管內(nèi)部結構分為NPN型和PNP型兩類，我國生產(chǎn)的硅管多為NPN型，鍺管多為PNP型。（3）按使用功率分，有大功率管(Pc1W),中功率（Pc在0.51W），小功率(Pc0.5W)。（4）按照工作頻率分，有高頻管（fr3MHZ ）和低頻管（f

34、r3MHZ）。（5）按用途不同，分為普通放大三極管和開關三極管。（6）按封裝形式不同，分為金屬殼封裝管和塑料封裝管、陶瓷環(huán)氧封裝管。2.1.2三極管的電流放大原理1.工作電壓要使三極管起放大作用，必須外接直流工作電源。外接電源應使三極管的發(fā)射結加正向偏置電壓，集電結加反向偏置電壓。圖2.3（a）、（b）分別為NPN型和PNP型三極管電路的雙電源接法。采用雙電源供電，在實際使用中很不方便，這時可將兩個電源合并成一個電源UCC，再將Rb阻值增大并改接到UCC上。圖2.3 三極管的電源接法(a) NPN型管電源接法；(b) PNP型管電源接法2.放大原理下面以NPN型三極管為例討論三極管的電流放大原

35、理。如圖2.4所示，當發(fā)射結處于正向偏置，發(fā)射區(qū)的大量電子因擴散運動而越過發(fā)射結進入基區(qū)。同時基區(qū)的空穴也會向發(fā)射區(qū)擴散，但是數(shù)量很少，可以忽略。所以發(fā)射極電流IE主要是由發(fā)射區(qū)電子擴散運動形成的。電子進入基區(qū)后，有少數(shù)與基區(qū)的空穴復合，為了維持基區(qū)空穴數(shù)目不變，電源將不斷地向基區(qū)提供空穴（實際上是抽走電子），從而在基極形成基極電流IB。進入基區(qū)的大多數(shù)電流繼續(xù)向集電極擴散，在集電結反向電壓的作用下很容易越過集電結到達集電極，形成集電極電流IC。發(fā)射極電流IE、基極電流 IB、集電極電流IC的關系是IE = IB + IC在三極管在制成后，三個區(qū)的厚薄及摻雜濃度便確定，因此發(fā)射區(qū)所發(fā)射的電子在

36、基區(qū)復合的百分數(shù)和到達集電極的百分數(shù)大體確定，即IC與IB存在固定的比例關系，用公式表示為IC= IB 共發(fā)射極電流放大系數(shù)如果基極電流IB增大，集電極電流IC 也按比例相應增大；反之，IB減少時，IC也按比例減小，通常基極電流IB的值為幾十微安，而集電極電流為毫安級，兩者相差幾十倍以上。因此用很小的基極電流就可以控制很大的集電極電流，這就是三極管電流放大原理。圖2.4 三極管內(nèi)部載流子運動示意圖2.1.3三極管的特性曲線三極管的特性曲線是指三極管各電極電壓與電流的關系曲線，它是內(nèi)部載流子運動的外部表現(xiàn)，在分析三極管放大電路時要使用特性曲線。三極管的特性曲線分為輸入特性和輸出特性曲線。用三極管

37、組成電路時，信號從一個電極輸入，另一個電極輸出，第三個極作為公共端。因為可以選用不同的電極作為公共端，所以三極管電路就有共發(fā)射極、共集電極和共基極三種不同的接法，如圖2.5所示。這里以共發(fā)射極接法為例討論電路的輸入和輸出特性曲線。圖2.5 三極管的三種接法(a) 共發(fā)射極接法 （b）共集電極接法 （c）共基極接法1.共發(fā)射極輸入特性曲線輸入特性曲線是指三極管集電極與發(fā)射極之間電壓UCE 一定時，基極電流IB與基極、發(fā)射極之間電壓U BE的關系曲線，即IB = f(U BE)| UCE = 常數(shù)（a）（b）圖2.6 三極管的特性曲線（a）輸入特性；（b）輸出特性當UCE =0（C、E極短接），發(fā)

38、射結和集電結相當于兩個正向接法的二極管相并聯(lián)，這時得到的特性曲線和二極管的正向伏安曲線很相似，如圖2.6(a)所示。當UCE 0時，曲線將向右移。這是因為集電結加反向電壓后，集電結吸引電子的能力增強，使得從發(fā)射區(qū)進入基區(qū)的電子更多地流向集電區(qū)，所以在相同的U BE下IB 要減小，曲線也就相應地向右移動了。UCE不同，對應的輸入特性曲線應有所不同，但實際上UCE 1V以后，所有的特性曲線幾乎是重合的。這是因為UCE1V后，集電結已將發(fā)射區(qū)發(fā)射的電子中的大部份拉到集電結，UCE再增加，IB也不會再明顯增加了。從輸入特性曲線可以看出，只有當發(fā)射結電壓U BE大于死區(qū)電壓時，輸入回路才會產(chǎn)生電流IB，

39、通常硅管死區(qū)電壓為0.5V，鍺管為0.1V。當三極管導通后，其發(fā)射結電壓與二極管的管壓降相同，硅管電壓為0.60.7V，鍺管為0.20.3V。2.共發(fā)射極輸出特性曲線輸出特性曲線是指在基極電流IB一定的情況下集電極電流IC與集電極、發(fā)射極之間電壓UCE之間的關系，即IC = f(U CE)| IB = 常數(shù)固定IB值，每改變一個UCE值得到對應的IC值，由此繪出一條輸出特性曲線。IB值不同，特性曲線也不同，所以特性曲線是一族與曲線。如圖2.6(b)所示。輸出特性曲線可能劃分為放大區(qū)、飽和區(qū)和截止區(qū)。（1）放大區(qū)：發(fā)射結電壓正向偏置且大于死區(qū)電壓，集電結反向偏置，IC完全受IB控制，與UCE無關

40、。IB增值大（或減?。琁C也按照比例增大（或減?。龢O管具有電流放大作用，所以稱這個區(qū)域為放大區(qū)。（2）截止區(qū)：IB = 0的特性曲線與橫軸之間的區(qū)域稱為截止區(qū)。其特點是三極管的發(fā)射結電壓小于死區(qū)電壓或反向偏置，基極電流IB =0，集電極電流IC等于一個很小的穿透電流ICEO。在截止區(qū)，三極管是不導通的。（3）飽和區(qū)：發(fā)射結和集電結都處于正向偏置，IC不受IB影響的控制，三極管失去電流放大作用。理想狀態(tài)下，UCE = 0?！纠?-1】測得電路中三極管各電極的電位如下所示，判斷其工作狀態(tài)。（1）NPN型管 1V、0.3V、3V(2) PNP型管 0.2V、0V、0V解：多數(shù)NPN型三極管由硅

41、材料制成，PN結的導通壓降為0.60.7V；而多數(shù)PNP型三極管由鍺材料制成，PN結的導通壓降為0.20.3V，由此可以判斷（1）題的三極管處于放大狀態(tài)，（2）題的三極管處于飽和狀態(tài)。2.1.4三極管的主要參數(shù)三極管的參數(shù)是用來表征其性能和適用范圍的，了解這些參數(shù)是合理選用三極管的前提。三極管的主要參數(shù)有以下幾個。1.共發(fā)射極電流放大系數(shù)交流電流放大系數(shù) 直流電流放大系數(shù) 它是集電極電流與基極電流之比，它表示三極管的電流放大能力。通常有交流電流放大系數(shù)和直流電流放大系數(shù)之分。由于它們在數(shù)值上比較接近，為了使用方便，常認為兩者相等。值可以用儀器測量，也可以直接從輸出特性曲線上求取，其數(shù)值在201

42、50之間。太小放大能力差，太大了管子性能不穩(wěn)定。2.極間反向電流(1)集電極反向飽和電流ICBO 指發(fā)射極開路時，集電結加反向電壓時形成的反向電流。ICBO越小，管子性能越好。另外，ICBO受溫度影響較大，使用時必須注意。(2）穿透電流ICEO 是指基極開路時，集電極與發(fā)射極之間的反向電流。ICEO對放大不起作用，還會消耗無用功率，引起管子工作不穩(wěn)定，因此，希望ICEO越小越好。ICEO與ICBO關系如下：ICEO =（1+）ICBO3極限參數(shù)(1）集電極最大允許電流ICM 指三極管的參數(shù)變化不超過允許值時集電極允許的最大電流。當管子的集電極電流超過ICM時，管子性能將顯著下降，甚至可能燒壞管

43、子。(2)集電極最大允許損耗PCM 指三極管長期工作時最大允許損耗的功率。由于PCM = UCEIC ，三極管工作時，大部功率消耗在集電結上，引起集電結溫度升高。過高的結溫將損壞三極管，PCM就是根據(jù)最高允許結溫度定出的，使用中三極管的實際功率損耗PC不應超過PCM。需要指出的是PCM與管子的散熱條件和環(huán)境溫度有關，通過散熱片改善散熱條件或降低環(huán)境溫度均可以提高PCM。(3)極間反向擊穿電壓 三極管各電極間的反向電壓超過一定值，都會引起管子擊穿。最常用的三極管的反向擊穿電壓是BUCEO和BUCBO。BUCEO是指基極開路時，集電極與發(fā)射極之間的反向擊穿電壓。BUCBO是指當發(fā)射極開路時，集電極

44、與基極之間的反向擊穿電壓。BUCEO和BUCBO均可在手冊中查到。ICM、PCM、BUCEO三個極限參數(shù)決定了三極管的安全工作區(qū)，如圖2.7所示。在使用管子時，不能超過上述三個極限數(shù)值，也不允許其中兩個參數(shù)同時達到極限值。圖2.7 三極管的安全工作區(qū)需要指出的是，溫度對三極管的所有參數(shù)都有影響，尤其對ICBO，UBE和三個參數(shù)。（1）ICBO隨溫度升高而急劇增加。當溫度升高時，基區(qū)和集電區(qū)產(chǎn)生的電子空穴對增多，導致ICBO上升，溫度硅管的ICBO受溫度影響比鍺管大，但硅管的ICBO在數(shù)值上較小，因此硅管工作比鍺管穩(wěn)定。（2）UBE隨溫度升高而減小。當溫度升高時，大多管的UBE減小2.5mV。（

45、3）隨溫度升高而增大。溫度每升高10C，要增加0.5%1.0%左右。表2.1列出常用小功率三極管的參數(shù)主要技術參數(shù)型號PCM/mWBUCEO/VBUCBO/VBUEBO/VICM/mAUCESfT/MHz類型9012500253055001200.6100PNP9013500253055001200.6100NPN9014400455051002000.3150NPN9015400455051002000.3150PNP90183000530530800.51100NPN805010002540615001200.6100NPN805510002540615001200.6100PNPC181

46、5400506061501000.3100NPNA1015400506061501000.3100PNP2N55516251601806600800.2100NPN2N54016251601806600800.2100PNP2.1.5特殊三極管1.光電三極管光電三極管也稱為光敏三極管。當光照到三極管的PN結時，在PN結附近產(chǎn)生的電子空穴對數(shù)量隨之增加，集電極電流增大，集電極電阻減小，其等效電路和電路符號如圖2.8所示。2.達林頓三極管達林頓三極管又稱復合管。這種復合管是由兩只輸出功率大小不等的三極管按一定接線規(guī)律復合而成。根據(jù)內(nèi)部兩只三極管復合的不同，有四種形式的達林頓三極管。復合以后的極性取

47、決于第一只三極管，例如若第一只三極管是NPN型三極管，則復合以后的極性為NPN型。達林頓三極管主要作為功率放大管和電源調(diào)整管，如圖2.9所示。3.帶阻尼管的行輸出三極管這種三極管是將阻尼二極管和電阻封裝在管殼內(nèi)。在基極與發(fā)射極之間接入一只小電阻，可提高管子的高反向耐壓值。將阻尼二極管裝在三極管的內(nèi)部，減小了引線電阻，有利于改善行掃描線性和減小行頻干擾。帶阻尼管的三極管主要用作為電視機行輸出三極管。圖2.8 光電三極管的等效電路與符號(a)等效電路;(b)符號圖2.9 達林頓三極管圖2.10 帶阻尼管三極管小知識1中國的半導體三極管是按國家標準（GB249-74）命名的，分立器件型號由五部分組成

48、：第一部分表示器件電極數(shù)目；第二部分表示器件的材料和極性；第三部分表示器件的類型；第四和第五部分表示器件序號和規(guī)格號。例如3DG100A的前三位數(shù)分別表示三極管、NPN型硅材料、高頻小功率管，100和A分別表示序號和規(guī)格號。2從國外進口的三極管大多數(shù)來自北美、日本、韓國和歐盟等國家和地區(qū)。常見有2N××××、2SC×××、2SD×××等系列。小技能1三極管類型的判斷將萬用表撥到R×100或R×1K擋上。紅筆表任意接觸三極管的一個電極，黑筆表依次接觸另外兩個電極，分別測量它們之

49、間的電阻值。若紅表筆接觸某個電極時，其余兩個電極與該電極之間均為低電阻時，則該管為PNP型，而且紅表筆接觸的電極為B極。與此相反，若同時出現(xiàn)幾十至上百千歐大電阻時，則該管為NPN型，這時紅表筆所接觸的電極為B極。當然也可以黑筆表為基準，重復上述測量過程。若同時出現(xiàn)低電阻的情況，則管子為NPN型；若同時出現(xiàn)高阻的情況，則該管為PNP型。2電極判斷在判斷出管型和基極的基礎上，任意假定一個電極為C極，另一個為E極。對于PNP型管，令紅表筆接C極，黑表筆接E極，再用手碰一下B、C極，觀察一下萬用表指針擺動的幅度。然后將假設的C、E極對調(diào)，重復上述的測試步驟，比較兩次測量中指針的擺動幅度，測量時擺動幅度

50、大，則說明假定的C、E極是對的。對于NPN型管，則令黑表筆接C極，紅表筆接E極，重復上述過程。模塊三 場效應管授課班級××××時間××年×月×日授課班級時 間年 月 日年 月 日年 月 日年 月 日年 月 日年 月 日年 月 日授課章節(jié)目的和要求掌握場效應管基本工作原理、種類及其應用；掌握場效應管的識別、檢測及使用方法。重點和難點場效應管工作原理及常用應用電路3.1場效應管場效應是指半導體材料的導電能力隨電場的改變而變化的效應。前面介紹的半導體三極管是通過基極電流控制輸出電流的器件，為電流控制型器件。場效應管則是利

51、用輸入電壓產(chǎn)生電場效應來控制輸出電流的，屬于電壓控制型器件。3.1.1 場效應管的特點和分類三極管在工作時，有兩種載流子參與導電（電子與空穴），稱為雙極型晶體管；而場效應管工作時，只有一種載流子參與導電（電子或空穴），所以稱為單極型晶體管。場效應管的外形與三極管相似，如圖3.1所示。圖3.1場效應管實物圖圖3.2場效應管分類根據(jù)場效應管的結構不同，可以分為結型場效應管（JFET）和絕緣柵型場效應管（MOSFET）兩種。結型場效應管是利用半導體內(nèi)電場效應工作的。根據(jù)其體內(nèi)的導電溝道所用的材料不同，分為N溝道和P溝道兩種，它的輸入阻抗高達10M。絕緣柵型場效應管又稱為金屬氧化物半導體場效應管（簡稱

52、MOS管），它是利用半導體表面的電場效應工作的。絕緣柵場效應管分為增強型和耗盡型，而每一種根據(jù)其導電溝道的不同又分為N溝和P溝道兩類，如圖3.2所示。3.1.2 N溝道耗盡型絕緣柵場效應管1結構及符號圖3.3為N溝道耗盡型絕緣柵場效應管的結構示意圖，它以一塊低摻雜濃度的P型硅片作襯底，用擴散的辦法形成兩個高摻雜濃度的N型區(qū)（用N+表示），并引出兩個電極分別作為漏極D和源極S。在P型硅表面上生長一層很薄的SiO2絕緣層，再覆蓋一層金屬薄層，并引出一個電極作為場效應管的柵極G。另外，從襯底引出一個引線B，引線B一般在制造時就與源極S相連。由于柵極G與源極S、漏極D及P型襯底之間是完全絕緣的，故稱為

53、絕緣柵器件。(a)(b)(c)圖3.3 絕緣柵場效應管的結構示意圖和符號（a）結構 （b）N溝道圖形符號 (c) P溝道圖形符號2工作原理制造管子時，預先在SiO2絕緣層中摻入大量的正離子。在正離子產(chǎn)生的正向電場作用下，P型襯底中的空穴被排斥并移到襯底的下方，電子則被吸引到襯底與SiO2絕緣層的交界面上來，形成N型薄層，稱為反型層。反型層將兩個N+區(qū)連通，形成漏極與源極之間的導電溝道如圖3.4所示。此時，若在漏、源極之間加上正向電壓UDS，則電子便從源極經(jīng)N溝道（反型層）向漏極漂移，形成漏極飽和電流IDSS。當UGS0，即柵、源極之間加上正向電壓時，由于管子存在SiO2絕緣層，不會形成柵極電流IG，但會從溝道中感應出更多的負電荷，導電溝道變寬，漏極電流ID大于漏極飽和電流IDSS。當UGS0，即柵、源極之間加上負電壓時，N溝道的負電荷減少，導電溝道變窄，從而使ID減少。當UGS負電壓增大到某一固定值時，溝道被夾斷，ID=0，此時的UGS電壓稱為夾斷電壓，用UGS(off)或UP表示。圖3.4 N溝道耗盡型絕緣柵管的工作原理3特性曲線（1）轉移特性曲線轉移特性表示漏極電壓UDS為一定值時，漏極電流ID與柵源電壓UGS之間的關系，即轉移特性表示UGS對ID的控制能力，反映了管子的放大作用。如圖3.5（a）所示