半導(dǎo)體二極管三極管和場(chǎng)效應(yīng)管

本文格式為Word版，下載可任意編輯——半導(dǎo)體二極管三極管和場(chǎng)效應(yīng)管第4章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用

電子電路區(qū)別于以前所學(xué)電路的主要特點(diǎn)是電路中引入各種電子器件。電子器件的類型好多，目前使用得最廣泛的是半導(dǎo)體器件——二極管、穩(wěn)壓管、晶體管、絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管等。由于本課程的任務(wù)不是研究這些器件內(nèi)部的物理過程，而是探討它們的應(yīng)用，因此，在簡(jiǎn)單介紹這些器件的外部特性的基礎(chǔ)上，探討它們的應(yīng)用電路。

4.1PN結(jié)和半導(dǎo)體二極管

4.1.1PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

我們?cè)谖锢碚n中已經(jīng)知道，在純凈的四價(jià)半導(dǎo)體晶體材料（主要是硅和鍺）中摻入微量三價(jià)（例如硼）或五價(jià)（例如磷）元素，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力就會(huì)大大加強(qiáng)。這是由于形成了有傳導(dǎo)電流能力的載流子。摻入五價(jià)元素的半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子是自由電子，稱為電子半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體。而摻入三價(jià)元素的半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子是空穴，稱為空穴半導(dǎo)體或Ｐ型半導(dǎo)體。在摻雜半導(dǎo)體中多數(shù)載流子（稱多子）數(shù)目由摻雜濃度確定，而少數(shù)載流子（稱少子）數(shù)目與溫度有關(guān)，并且溫度升高時(shí)，少數(shù)載流子數(shù)目會(huì)增加。

在一塊半導(dǎo)體基片上通過適當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體工藝技術(shù)可以形成Ｐ型半導(dǎo)體和Ｎ型半導(dǎo)體的交接面，稱為PN結(jié)。PN結(jié)具有單向?qū)щ娦裕寒?dāng)PN結(jié)加正向電壓時(shí)，Ｐ端電位高于N端，PN結(jié)變窄,由多子形成的電流可以由Ｐ區(qū)向Ｎ區(qū)流通，見圖4-1(a),而當(dāng)PN結(jié)加反向電壓時(shí)，Ｎ端電位高于Ｐ端，PN結(jié)變寬,由少子形成的電流微小，視為截止(不導(dǎo)通)，見圖4-1(b)。

RI外加電場(chǎng)NPEI≈0外加電場(chǎng)NPRE自建電場(chǎng)自建電場(chǎng)（a）PN結(jié)加正向電壓（b）PN結(jié)加反向電壓圖4-1PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

4.1.２半導(dǎo)體二極管

半導(dǎo)體二極管就是由一個(gè)PN結(jié)加上相應(yīng)的電極引線及管殼封裝而成的。由Ｐ區(qū)引出的電極稱為陽極，Ｎ區(qū)引出的電極稱為陰極。由于PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，二極管導(dǎo)通時(shí)電流方向是由陽極通過管子內(nèi)部流向陰極。二極管的種類好多，按材料來分，最常用的有硅管和鍺管——202

兩種；按結(jié)構(gòu)來分，有點(diǎn)接觸型，面接觸型和硅平面型幾種；按用途來分，有普通二極管、整流二極管、穩(wěn)壓二極管等多種。

陽極陽極陽極陽極陽極陰極陰極陰極陰極陰極

（a）符號(hào)（b）點(diǎn)接觸型（c）面接觸型（d）硅平面型（e）外形示意圖

圖4-2常用二極管的符號(hào)、結(jié)構(gòu)和外形示意圖

圖4-2是常用二極管的符號(hào)、結(jié)構(gòu)及外形的示意圖。二極管的符號(hào)如圖4-2（a）所示。箭頭表示正向電流的方向。一般在二極管的管殼表面標(biāo)有這個(gè)符號(hào)或色點(diǎn)、色圈來表示二極管的極性，左邊實(shí)心箭頭的符號(hào)是工程上常用的符號(hào)，右邊的符號(hào)為新規(guī)定的符號(hào)。

從工藝結(jié)構(gòu)來看，點(diǎn)接觸型二極管（一般為鍺管）如圖4-2(b)其特點(diǎn)是結(jié)面積小，因此結(jié)電容小，允許通過的電流也小，適用高頻電路的檢波或小電流的整流，也可用作數(shù)字電路里的開關(guān)元件；面接觸型二極管（一般為硅管）如圖4-2(c)其特點(diǎn)是結(jié)面積大，結(jié)電容大，允許通過的電流較大，適用于低頻整流；硅平面型二極管如圖4-2(d)，結(jié)面積大的可用于大功率整流，結(jié)面積小的，適用于脈沖數(shù)字電路作開關(guān)管。

4.1.3二極管的伏安特性

二極管的電流與電壓的關(guān)系曲線I=f（V），稱為二極管的伏安特性。其伏安特性曲線如圖4-3所示。二極管的核心是一個(gè)PN結(jié)，具有單向?qū)щ娦裕鋵?shí)際伏安特性與理論伏安特性略有區(qū)別。由圖4-3可見二極管的伏安特性曲線是非線性的，可分為三部分：正向特性、反向特性和反向擊穿特性。

1．正向特性

當(dāng)外加正向電壓很低時(shí)，管子內(nèi)多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)沒形成，故正向電流幾乎為零。當(dāng)正向電壓超過一定數(shù)值時(shí)，才有明顯的正向電流，這個(gè)電壓值稱為死區(qū)電壓，尋常硅管的死區(qū)電壓約為0.5V，I(mA)75℃20℃鍺管的死區(qū)電壓約為0.2V，當(dāng)正向電壓大于死區(qū)電壓后，30正向電流迅速增長(zhǎng)，曲線接近上升直線，在伏安特性的

這一部分，當(dāng)電流迅速增加時(shí)，二極管的正向壓降變化很小，硅管正向壓降約為0.6～0.7V，鍺管的正向壓降約為0.2～0.3V。二極管的伏安特性對(duì)溫度很敏感，溫度升高時(shí)，正向特性曲線向左移，如圖4-3所示，這說明，對(duì)應(yīng)同樣大小的正向電流，正向壓降隨溫升而減小。研

2010死區(qū)60402000.40.8V(V)20℃75℃圖4-3二極管的伏安特性

究說明，溫度每升高1C，正向壓降減小2mV。

2.反向特性

二極管加上反向電壓時(shí)，形成很小的反向電流，且在一定溫度下它的數(shù)量基本維持不變，因此，當(dāng)反向電壓在一定范圍內(nèi)增大時(shí)，反向電流的大小基本恒定，而與反向電壓大小無關(guān)，故稱為反向飽和電流，一般小功率鍺管的反向電流可達(dá)幾十μA，而小功率硅管的反向電流要小得多，一般在0.1μA以下，當(dāng)溫度升高時(shí)，少數(shù)載流子數(shù)目增加，使反向電流增大，特性

0

曲線下移，研究說明，溫度每升高10C，反向電流近似增大一倍。

3．反向擊穿特性

當(dāng)二極管的外加反向電壓大于一定數(shù)值（反向擊穿電壓）時(shí)，反向電流突然急劇增加稱為二極管反向擊穿。反向擊穿電壓一般在幾十伏以上。

4.1.4二極管的主要參數(shù)

二極管的特性除用伏安特性曲線表示外，參數(shù)同樣能反映出二極管的電性能,器件的參數(shù)是正確選擇和使用器件的依據(jù)。各種器件的參數(shù)由廠家產(chǎn)品手冊(cè)給出，由于制造工藝方面的原因，既使同一型號(hào)的管子，參數(shù)也存在一定的分散性，因此手冊(cè)常給出某個(gè)參數(shù)的范圍，半導(dǎo)體二極管的主要參數(shù)有以下幾個(gè)：

１．最大整流電流IDM

IDM指的是二極管長(zhǎng)期工作時(shí)，允許通過的最大的正向平均電流。在使用時(shí)，若電流超過這個(gè)數(shù)值，將使ＰＮ結(jié)過熱而把管子燒壞。

２．反向工作峰值電壓VRM

VRM是指管子不被擊穿所允許的最大反向電壓。一般這個(gè)參數(shù)是二極管反向擊穿電壓的一半，若反向電壓超過這個(gè)數(shù)值，管子將會(huì)有擊穿的危險(xiǎn)。

３．反向峰值電流IRM

IRM是指二極管加反向電壓VRM時(shí)的反向電流值，IRM越小二極管的單向?qū)щ娦杂?。IRM

受溫度影響很大，使用時(shí)要加以注意。硅管的反向電流較小，一般在幾微安以下，鍺管的反向電流較大，為硅管的幾十到幾百倍。

４．最高工作頻率?M

二極管在外加高頻交流電壓時(shí)，由于ＰＮ結(jié)的電容效應(yīng)，單向?qū)щ娮饔猛嘶?M指的是二極管單向?qū)щ娮饔瞄_始明顯退化的交流信號(hào)的頻率。

4.1.5二極管的等效電路及其應(yīng)用

由于二極管的伏安特性是非線性的，為了分析計(jì)算方

KD便，在特定的條件下，我們可以將其線性化處理，視為理

想元件。

1．理想二極管等效電路

圖4-4理想二極管等效電路在電路中，若二極管導(dǎo)通時(shí)的正向壓降遠(yuǎn)小于和它串聯(lián)

元件的電壓，二極管截止時(shí)反向電流遠(yuǎn)小于與之并聯(lián)元件

的電流，那么可以忽略管子的正向壓降和反向電流把二極管理想化為一個(gè)開關(guān)，當(dāng)外加正向

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0

電壓時(shí)，二極管導(dǎo)通，正向壓降為０，相當(dāng)于開關(guān)閉合，當(dāng)外加反向電壓時(shí)，二極管截止，反向電流為０，相當(dāng)于開關(guān)斷開，理想二極管的等效電路如圖4-4。利用理想二極管表示實(shí)際二極管進(jìn)行電路的分析和計(jì)算可以得出比較滿意的結(jié)果，但稍有一些誤差。

2．二極管應(yīng)用電路舉例

R二極管的應(yīng)用范圍很廣，主要都是利用它的單向?qū)щ娦浴?/p>

Dvivo下面介紹幾種應(yīng)用電路。

VS(1)限幅電路：限幅器的功能就是限制輸出電壓的幅度。例4-1圖4-5（a）就是利用二極管作為正向限幅器的電（a）vi路圖。已知vi=Vmsinωt，且Vm>VS，試分析工作原理，并Vm作出輸出電壓vo的波形。VSωt解：a)二極管導(dǎo)通的條件是vi＞VS，由于D為理想二極

管，D一旦導(dǎo)通，管壓降為零，此時(shí)vo＝VS

vob）當(dāng)vi≤VS時(shí)，二極管截止，該支路斷開，R中無電流，VS其壓降為０。所以vo＝vi

ωtc)根據(jù)以上分析，可作出vo的波形，如圖4-5（b）所示，

（b）由圖可見，輸出電壓的正向幅度被限制在VS值。

注意：作圖時(shí)，vo和vi的波形在時(shí)間軸上要對(duì)應(yīng)，這樣才圖4-5例4-1能正確反映vo的變化過程。

(2)二極管門電路

門電路是一種規(guī)律電路，在輸入信號(hào)（條件）和輸出信號(hào)（結(jié)果）之間存在著一定的因果關(guān)系即規(guī)律關(guān)系。在規(guī)律電路中，尋常用符號(hào)0和1來表示兩種對(duì)立的規(guī)律狀態(tài)。用1表示高電平，用0表示低電平，稱為正規(guī)律，反之為負(fù)規(guī)律。

基本的規(guī)律關(guān)系有三種：與規(guī)律、或規(guī)律、非規(guī)律。與此相對(duì)應(yīng)的門電路就有與門、或門、非門。由這三種基本門電路可以組成其他多種復(fù)合門電路。

例4-2圖4-6所示為最簡(jiǎn)單的與門電路及規(guī)律圖符號(hào)。它是由二極管D1、D2和電阻R及電源VCC組成。圖中A、B為兩個(gè)輸入端，F(xiàn)為輸出端。設(shè)VCC=5V，A、B輸入端的高電平（規(guī)律1）為3V，低電平（規(guī)律0）為0V，并忽略二極管D1、D2的正向?qū)▔航?。試分析電路的輸入與輸出之間的關(guān)系。

VCCRFAB&F表4-1電路的規(guī)律電平表4-2電路的真值表D1ABD2A(V)B(V)F(V)003303030003A0010B0101F0001圖4-6二極管與門電路及符號(hào)解：（1）當(dāng)輸入端A、B均為低電平0時(shí)，即VA=VB=0V時(shí)，二極管D1、D2均為正向偏置而導(dǎo)通，使輸出端F的電壓VF=0V，即輸出端F為低電平0。

（2）當(dāng)輸入端A為低電平0，B為高電平1，即VA=0V，VB=3V時(shí)，D1陰極電位低于

D2陰極電位，D1導(dǎo)通，使VF=0V，因而D2為反向偏置而截止，輸出端F為低電平0。

（3）當(dāng)輸入端A為高電平1，B為低電平0，即VA=3V，VB=0V時(shí)，D1、D2的工作狀況與（2）相反，輸出端F仍為低電平0。

（4）當(dāng)輸入端A、B均為高電平1時(shí)，即VA=VB=3V時(shí)，D1、D2均為正向偏置而導(dǎo)通，使輸出端F的電壓VF=3V，即輸出端F為高電平1。

從上述分析可知，只有當(dāng)所有輸入端都是高電平1時(shí)，輸出端才是高電平1，否則輸出端均為低電平0。這種“只有當(dāng)決定一事件結(jié)果的所有條件都滿足時(shí)，結(jié)果才發(fā)生〞的規(guī)律關(guān)系稱為與（And）規(guī)律，與門電路滿足與規(guī)律關(guān)系。與規(guī)律也稱為規(guī)律乘、與運(yùn)算。尋常用符號(hào)“·〞表示，設(shè)A、B、F分別為規(guī)律變量，則與運(yùn)算的表達(dá)式可寫成以下形式：

F＝A·B或F＝AB

上式讀作F等于A與B。規(guī)律與的含義是：只有輸入變量A、B都為1時(shí)，輸出變量F才為1；只要A、B中有一個(gè)為0，F(xiàn)便為0。換言之，也就是“有0出0，全1出1〞。這一結(jié)論也適合于有多個(gè)變量參與的與運(yùn)算。

表4-1列出了圖4-6所示電路輸入與輸出規(guī)律電平的關(guān)系。但在規(guī)律電路分析中，尋常用規(guī)律0、1來描述輸入與輸出之間的關(guān)系，所列出的表稱為真值表（即規(guī)律狀態(tài)表）。上述與門的真值表如表4-2所示。

另外，圖4-7給出了或門電路及規(guī)律圖符號(hào)。它也是由二極管和電阻組成的。圖中A、B是兩個(gè)輸入端，F(xiàn)是輸出端。設(shè)A、B輸入端的高電平（規(guī)律1）為3V，低電平（規(guī)律0）為0V，并忽略二極管D1、D2的正向?qū)▔航?。通過分析（詳細(xì)過程讀者可以自己分析）可知，只要A、B當(dāng)中有一個(gè)是高電平（規(guī)律1）輸出就是高電平（規(guī)律1）。只有當(dāng)A、B同時(shí)為低電平（規(guī)律0）時(shí)，輸出才是低電平（規(guī)律0）。這種“在決定一事件結(jié)果的所有條件中，只要有一個(gè)或一個(gè)以上滿足時(shí)結(jié)果就發(fā)生〞的規(guī)律關(guān)系稱或（Or）規(guī)律?；蜷T電路滿足或規(guī)律關(guān)系。

D1AB表4-3電路的規(guī)律電平A(V)B(V)F(V)000033303333表4-4電路的真值表A0010B0101F0111D2RFAB≥