第1篇 模擬電子技術(shù)

第1章 常用半導(dǎo)體器件

1.1 半導(dǎo)體二極管（Semiconductor Diode）

1.1.1 半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和符號

半導(dǎo)體二極管又稱晶體二極管，簡稱二極管。世界上第一個晶體二極管誕生于1946年，而1947年第一個晶體三極管制成后，使半導(dǎo)體技術(shù)得到了極為迅速的發(fā)展。在這個基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展起來的集成電路技術(shù)更把半導(dǎo)體器件所具有的微型化、低耗能、高可靠性等一系列優(yōu)點(diǎn)發(fā)揮得淋漓盡致，使半導(dǎo)體器件在全世界各個領(lǐng)域都獲得了廣泛的應(yīng)用。

半導(dǎo)體二極管是用半導(dǎo)體材料制成的。半導(dǎo)體是導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)，如硅、鍺。純凈的半導(dǎo)體又稱本征半導(dǎo)體，其原子都按一定規(guī)律整齊排列，呈晶體結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體材料受熱或受光照后，其導(dǎo)電性能會變強(qiáng)，這就是半導(dǎo)體的熱敏特性和光敏特性。另外，在本征半導(dǎo)體中摻入微量的雜質(zhì)后，導(dǎo)電性能會顯著提高，這就是半導(dǎo)體的摻雜特性。在本征半導(dǎo)體中摻入不同種類的雜質(zhì)元素，就能得到導(dǎo)電性能不同的半導(dǎo)體材料。如果在硅晶體中摻入微量的三價硼元素，就會得到以空穴載流子為主的空穴型半導(dǎo)體，空穴載流子是帶正電荷的，空穴型半導(dǎo)體又稱為P型半導(dǎo)體。如果在硅晶體中摻入微量的五價磷元素，就會得到以電子載流子為主的電子型半導(dǎo)體，電子載流子是帶負(fù)電荷的，電子型半導(dǎo)體又稱為N型半導(dǎo)體。如果通過一定的生產(chǎn)工藝把P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起，就會在它們的交界處形成一個具有特殊性能的薄層，稱為PN結(jié)。PN結(jié)是構(gòu)成各種半導(dǎo)體器件的核心部分。給PN結(jié)裝上相應(yīng)的電極引出端及管殼，就制成了半導(dǎo)體二極管。半導(dǎo)體二極管的圖形符號、外形及結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。

1.1.2 PN結(jié)和它的單向?qū)щ娦?/h4>

PN結(jié)具有單向?qū)щ娦裕@是半導(dǎo)體二極管的一個重要特性，但該特性只有在外加電壓時才顯示出來。

演示實(shí)驗：

觀察半導(dǎo)體二極管的單向?qū)щ娦浴?/p>

如圖1-2（a）所示，二極管的正極接電源正端，二極管的負(fù)極接電源負(fù)端，這種接法稱為二極管外加正偏電壓（正向偏置），此時燈亮，表示有較大的電流流過二極管，表明二極管導(dǎo)通。二極管的正極接電源負(fù)端，二極管的負(fù)極接電源正端，這種接法稱二極管外加反偏電壓（反向偏置），如圖1-2（b）所示，此時燈不亮，表示沒有電流流過二極管，表明二極管截止。

圖1-2 半導(dǎo)體二極管的單向?qū)щ娦?/p>

由上述演示實(shí)驗可知：半導(dǎo)體二極管外加正偏電壓時導(dǎo)通，外加反偏電壓時截止。這就是半導(dǎo)體二極管的單向?qū)щ娦浴?/p>

1.1.3 半導(dǎo)體二極管的伏安特性曲線

演示實(shí)驗：

觀察二極管的伏安特性曲線。

應(yīng)用晶體管特性圖示儀（如JT-1，QT-2等）來觀察及測量半導(dǎo)體二極管的伏安特性曲線。

圖1-3所示為小功率硅二極管的伏安特性曲線。從二極管的伏安特性曲線可知，當(dāng)二極管兩端加較小的正向電壓時，二極管還不能導(dǎo)通，這一段（OA 段）稱為死區(qū)電壓（硅管死區(qū)電壓小于0.5V，鍺管死區(qū)電壓小于0.1V）。超過死區(qū)電壓后，二極管中電流開始增大，繼續(xù)增加電壓直至只要電壓略有增加，電流便急劇增大（B點(diǎn)），這時二極管導(dǎo)通（硅管導(dǎo)通電壓約為0.7V，鍺管約為0.3V），此時二極管在電路中相當(dāng)于一個開關(guān)的接通狀態(tài)。以上為二極管伏安特性曲線中正向特性的特點(diǎn)。

當(dāng)二極管兩端加反向電壓（小于某一數(shù)值）時，二極管并不是理想的截止?fàn)顟B(tài)，它會有很小的反向電流，而且反向電流在一定范圍內(nèi)基本不隨反向電壓變化而變化（OC段），稱為反向飽和電流（一般硅管約為幾微安到幾十微安，鍺管約為幾十微安到幾百微安），此時二極管在電路中相當(dāng)于一個開關(guān)的斷開狀態(tài)。由于半導(dǎo)體具有熱敏特性，因此反向飽和電流將隨溫度升高而增大。通常溫度每升高10℃，其反向飽和電流約增大一倍。當(dāng)反向電壓增大至某一數(shù)值后，反向電流開始急劇增大（D點(diǎn)），二極管將被擊穿，有可能把普通的二極管燒壞。以上為二極管伏安特性曲線中的反向特性的特點(diǎn)。

1.1.4 半導(dǎo)體二極管的主要參數(shù)（Parameters）

1. 最大整流電流IF

最大整流電流是指二極管在室溫下長期運(yùn)行允許通過的最大正向平均電流。超過這一數(shù)值二極管將因過熱而燒壞。工作電流較大的大功率管子還必須按規(guī)定安裝散熱裝置。

2. 最高反向工作電壓VRM

最高反壓工作電壓是指允許加在二極管上的反向電壓的最大值。使用時應(yīng)保證反向電壓在任何情況下都不要超過這一數(shù)值，以避免二極管被反向擊穿。

此外，還有正向壓降、反向電流、工作頻率等參數(shù)，選用二極管時也應(yīng)視具體情況而加以考慮。

1.1.5 特殊二極管的作用

二極管的種類很多，利用PN結(jié)的單向?qū)щ娦蕴攸c(diǎn)工作的有整流二極管、檢波二極管、開關(guān)二極管等。此外，人們還根據(jù)PN結(jié)的其他特點(diǎn)制造出了一些具有特殊用途的二極管，如穩(wěn)壓二極管、發(fā)光二極管、光電二極管及變?nèi)荻O管等。以下簡單介紹常見的幾種二極管。

1. 穩(wěn)壓二極管（其圖形符號為）

根據(jù)前面的介紹我們知道，當(dāng)二極管上外加的反向電壓增大到一定數(shù)值以后，二極管的反向電流會劇增，這就是反向擊穿現(xiàn)象。對整流二極管來說，反向擊穿就意味著管子失去單向?qū)щ娦远鴵p壞。但是如果能利用二極管反向擊穿時通過管子的電流在很大范圍內(nèi)變化，而管子兩端的電壓卻幾乎不變的特點(diǎn)，就可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。穩(wěn)壓二極管就是通過對半導(dǎo)體進(jìn)行特殊工藝處理后，使它能夠有一個陡峭的反向擊穿特性。穩(wěn)壓管實(shí)質(zhì)上是工作在反向擊穿狀態(tài)下的二極管，未反向擊穿時，和一般的整流二極管沒有太大區(qū)別，因為它工作在反向擊穿狀態(tài)，所以反向電流較大，在實(shí)際應(yīng)用中需要在外電路串聯(lián)一個限流電阻，對反向電流加以限制，使穩(wěn)壓管能安全工作。

常用穩(wěn)壓管有2CW和2DW系列。主要參數(shù)有：穩(wěn)壓電壓VZ、穩(wěn)定電流IZ、最大穩(wěn)定電流IZM、動態(tài)電阻rZ和最大耗散功率PZM。

2. 發(fā)光二極管（其圖形符號為）（英文縮寫LED）

發(fā)光二極管的PN結(jié)是工作在正向偏置狀態(tài)的。發(fā)光二極管是用特殊的半導(dǎo)體材料，如砷化鎵等制成的，砷化鎵半導(dǎo)體輻射紅光；磷化鎵半導(dǎo)體輻射綠光或黃光等。發(fā)光二極管的PN結(jié)正向特性比較特殊，相當(dāng)一部分工作電流約為10～30mA時，正向電壓降約為1.5～3V，這點(diǎn)在使用中要注意，不要與一般二極管的正向?qū)妷合嗷煜０l(fā)光二極管常用做電子設(shè)備中的顯示器。

發(fā)光二極管具有體積小、響應(yīng)快、光度強(qiáng)、壽命長、污染低、適用范圍廣等特點(diǎn)。隨著人類環(huán)保意識的增強(qiáng)，有著“綠色照明光源”之稱的白光LED將逐步取代現(xiàn)有的燈泡照明產(chǎn)品。白光是多種單色光合成的復(fù)合光。目前國內(nèi)市場的白光LED大多用藍(lán)光LED芯片和熒光粉封裝而成。供電電源在6～24V，特別適用于公共場所。

3. 光電二極管（圖開符號為）

光電二極管PN結(jié)工作在反向偏置狀態(tài)，它的反向工作電流與光照強(qiáng)度成正比。這是利用半導(dǎo)體光敏特性制造的光接收器件，當(dāng)光照強(qiáng)度增加時，PN結(jié)兩側(cè)的少數(shù)載流子濃度增大，當(dāng)二極管反偏時，反向電流也增大。即光電二極管反向電流隨光照增加而增大。

光電二極管常用于光檢測。若制成大面積光電二極管，即可作為光電池。

4. 變?nèi)荻O管（圖形符號為）

變?nèi)荻O管PN結(jié)工作在反向偏置狀態(tài)，當(dāng)其外加反向電壓增加時，結(jié)電容（主要是勢壘電容）隨反向電壓增加而減少，利用結(jié)電容隨外加電壓改變而改變的特性制造出變?nèi)荻O管，它在高頻電子技術(shù)中應(yīng)用較多。

自我檢查題

1. 半導(dǎo)體二極管具有特性，即外加_____電壓，二極管導(dǎo)通，有_____的電流通過二極管；外加_____電壓，二極管截止，只有_____的反向電流通過二極管。

A. 導(dǎo)電；

B. 單向?qū)щ姡?/p>

C. 正向偏置；

D. 反向偏置；

E. 較大；

F. 很小

2. PN結(jié)具有單向?qū)щ娦裕鋵?dǎo)電方向是從_____。

A. P區(qū)到N區(qū)；

B. N區(qū)到P區(qū)

3. 通常小功率硅二極管的正向?qū)▔航凳莀____V，小功率鍺二極管的正向?qū)▔航凳莀____V。

A. 0.1V；

B. 0.3V；

C. 0.5V；

D. 0.7V

4. 電路如圖1-4所示，試確定二極管是正向偏置還是反向偏置。設(shè)二極管正向偏置時的正向壓降為0.7V，分別估算圖1-4（a）和圖1-4（b）中的VA，VB，VC，VD，VAB，VCD。

5. 一個硅二極管的反向飽和電流在25℃時是10μA，那么在55℃時它的反向飽和電流約為多少？