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模拟电路基础入门知识资料教学教材.doc

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#*n 01单元 半导体器件基础半导体的导电特性导体、绝缘体和半导体本征半导体的导电特性杂质半导体的导电特性PN结晶体二极管二极管的结构与伏安特性半导体二极管的主要参数半导体二极管的等效电路 与开关特性稳压二极管 晶体三极管三极管的结构与分类三极管内部载流子的运动规律、电流分配关系和放大作用三极管的特性曲线三极管的主要参数三极管的开关特性 场效应管结型场效应管绝缘栅型场效应管特殊半导体器件发光二极管光敏二极管和光敏三极管02单元 基本放大电路基本放大电路的工作原理基本放大电路的组成直流通路与静态工作点交流通路与放大原理放大电路的性能指标放大电路的图解分析法放大电路的静态图解分析放大电路的动态图解分析输出电压的最大幅度与非线性失真分析微变等效电路分析法晶体管的h参数晶体管的微变等效电路用微变等效电路法分析放大电路静态工作点的稳定温度变化对静态工作点的影响工作点稳定的电路场效应管放大电路场效应管放大电路的静态分析多级放大电路多级放大电路的级间耦合方式 多级放大电路的分析方法放大电路的频率特性单级阻容耦合放大电路的频率特性 多级阻容耦合放大电路的频率特性 03单元 负反馈放大电路反馈的基本概念和分类反馈的基本概念和一般表达式反馈放大电路的类型与判断负反馈放大电路基本类型举例电压串联负反馈放大电路电流并联负反馈放大电路电流串联负反馈放大电路电压并联负反馈放大电路负反馈对放大电路性能的影响降低放大倍数提高放大倍数的稳定性展宽通频带减小非线性失真改变输入电阻和输出电阻负反馈放大电路的分析方法深度负反馈放大电路的近似计算*方框图法分析负反馈放大电路04单元 功率放大器功率放大电路的基本知识概述甲类单管功率放大电路互补对称功率放大电路OCL类互补放大电路OTL甲乙类互补对称电路复合互补对称电路变压器耦合推挽功率放大电路05单元 直接耦合放大电路概述直接耦合放大电路中的零点漂移基本差动放大电路的分析基本差动放大电路基本差动放大电路抑制零点漂移的原理基本差动放大电路的静态分析基本差动放大电路的动态分析差动放大电路的改进 06单元 集成运算放大器集成电路基础知识集成电路的特点集成电路恒流源有源负载的基本概念集成运放的典型电路及参数典型集成运放F007电路简介集成运放的主要技术参数集成运放的应用概 述运放的基本连接方式集成运放在信号运算方面的应用集成运放在使用中应注意的问题07单元 直流电源整流电路半波整流电路全波整流电路桥式整流电路倍压整流电路滤波电路电容滤波电路电感滤波电路复式滤波电路有源滤波电路稳压电路并联型硅稳压管稳压电路串联型稳压电路的稳压原理带有放大环节的串联型稳压电路稳压电源的质量指标提高稳压电源性能的措施 08单元 正弦波振荡电路自激振荡原理自激振荡的条件自激振荡的建立和振幅的稳定正弦波振荡电路的组成LC正弦波振荡电路变压器反馈式振荡电路三点式LC振荡电路三点式LC振荡电路的构成原则电感三点式振荡电路电容三点式振荡电路克拉泼与席勒振荡电路(改进型电容三点式振荡电路)石英晶体振荡器石英晶体的基本特性和等效电路石英晶振:并联型晶体振荡电路石英晶振:串联型晶体振荡电路RC振荡电路RC相移振荡电路文氏电桥振荡电路09单元 调制、解调和变频调制方式调幅调幅原理调幅波的频谱调幅波的功率调幅电路检 波小信号平方律检波大信号直线性检波调 频调频的特点调频波的表达式调频电路:变容二极管调频电路调频与调幅的比较鉴 频对称式比例鉴频电路不对称式比例鉴频电路变 频变频原理变频电路10单元 无线广播与接受无线电广播与接收无线电波的传播 超外差收音机超外差收音机方框图超外差收音机性能指标LC谐振回路LC串联谐振回路LC并联谐振回路输入回路统 调中频放大电路自动增益电路整机电路分析 半导体导电特性导体、绝缘体和半导体    自然界的各种物质就其导电性能来说、可以分为导体、绝缘体和半导体三大类。    导体具有良好的导电特性,常温下,其内部存在着大量的自由电子,它们在外电场的作用下做定向运动形成较大的电流。因而导体的电阻率很小,只有金属一般为导体,如铜、铝、银等。    绝缘体几乎不导电,如橡胶、陶瓷、塑料等。在这类材料中,几乎没有自由电子,即使受外电场作用也不会形成电流,所以,绝缘体的电阻率很大,在以上。    半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间,如硅、锗、硒等,它们的电阻率通常在之间。半导体之所以得到广泛应用,是因为它的导电能力受掺杂、温度和光照的影响十分显著。如纯净的半导体单晶硅在室温下电阻率约为,若按百万分之一的比例掺入少量杂质(如磷)后,其电阻率急剧下降为,几乎降低了一百万倍。半导体具有这种性能的根本原因在于半导体原子结构的特殊性。本征半导体的导电特性        常用的半导体材料是单晶硅(Si)和单晶锗(Ge)。所谓单晶,是指整块晶体中的原子按一定规则整齐地排列着的晶体。非常纯净的单晶半导体称为本征半导体。    一、本征半导体的原子结构半导体锗和硅都是四价元素,其原子结构示意图如图Z0102所示。它们的最外层都有4个电子,带4个单位负电荷。通常把原子核和内层电子看作一个整体,称为惯性核,如图Z0101所示。    惯性核带有4个单位正电荷,最外层有4个价电子带有4个单位负电荷,因此,整个原子为电中性。    二、本征激发    一般来说,共价键中的价电子不完全象绝缘体中价电子所受束缚那样强,如果能从外界获得一定的能量(如光照、升温、电磁场激发等),一些价电子就可能挣脱共价键的束缚而成为自由电子。    理论和实验表明:在常温(T=300K)下,硅共价键中的价电子只要获得大于电离能EG(= 1.1eV)的能量便可激发成为自由电子。本征锗的电离能更小,只有0.72 eV。    当共价键中的一个价电子受激发挣脱原子核的束缚成为自由电子的同时,在共价键中便留下了一个空位子,称为"空穴"。当空穴出现时,相邻原子的价电子比较容易离开它所在的共价键而填补到这个空穴中来使该价电子原来所在共价键中出现一个新的空穴,这个空穴又可能被相邻原子的价电子填补,再出现新的空穴。价电子填补空穴的这种运动无论在形式上还是效果上都相当于带正电荷的空穴在运动,且运动方向与价电子运动方向相反。为了区别于自由电子的运动,把这种运动称为空穴运动,并把空穴看成是一种带正点荷的载流子。     电子一空穴对    本征激发    复合:当自由电子在运动过程中遇到空穴时可能会填充进去从而恢复一个共价键,与此同时消失一个"电子一空穴"对,这一相反过程称为复合。    动态平衡:在一定温度条件下,产生的"电子一空穴对"和复合的"电子一空穴对"数量相等时,形成相对平衡,这种相对平衡属于动态平衡,达到动态平衡时"电子一空穴对"维持一定的数目。    可见,在半导体中存在着自由电子和空穴两种载流子,而金属导体中只有自由电子一种载流子,这也是半导体与导体导电方式的不同之处。杂质半导体的导电特性    本征半导体的导电能力很弱,热稳定性也很差,因此,不宜直接用它制造半导体器件。半导体器件多数是用含有一定数量的某种杂质的半导体制成。根据掺入杂质性质的不同,杂质半导体分为N型半导体和P型半导体两种。    一、N型半导体    在本征半导体硅(或锗)中掺入微量的5价元素,例如磷,则磷原子就取代了硅晶体中少量的硅原子,占据晶格上的某些位置。如图Z0103所示。    由图可见,磷原子最外层有5个价电子,其中4个价电子分别与邻近4个硅原子形成共价键结构,多余的1个价电子在共价键之外,只受到磷原子对它微弱的束缚,因此在室温下,即可获得挣脱束缚所需要的能量而成为自由电子,游离于晶格之间。失去电子的磷原子则成为不能移动的正离子。磷原子由于可以释放1个电子而被称为施主原子,又称施主杂质。    在本征半导体中每掺入1个磷原子就可产生1个自由电子,而本征激发产生的空穴的数目不变。这样,在掺入磷的半导体中,自由电子的数目就远远超过了空穴数目,成为多数载流子(简称多子),空穴则为少数载流子(简称少子)。显然,参与导电的主要是电子,故这种半导体称为电子型半导体,简称N型半导体。    二、P型半导体    在本征半导体硅(或锗)中,若掺入微量的3价元素,如硼,这时硼原子就取代了晶体中的少量硅原子,占据晶格上的某些位置,如图Z0104所示。由图可知,硼原子的3个价电子分别与其邻近的3个硅原子中的3个价电子组成完整的共价键,而与其相邻的另1个硅原子的共价键中则缺少1个电子,出现了1个空穴。这个空穴被附近硅原子中的价电子来填充后,使3价的硼原子获得了1个电子而变成负离子。同时,邻近共价键上出现1个空穴。由于硼原子起着接受电子的作用,故称为受主原子,又称受主杂质。    在本征半导体中每掺入1个硼原子就可以提供1个空穴,当掺入一定数量的硼原子时,就可以使半导体中空穴的数目远大于本征激发电子的数目,成为多数载流于,而电子则成为少数载流子。显然,参与导电的主要是空穴,故这种半导体称为空穴型半导体,简称P型半导体。PN结    一、PN结的形成    在一块完整的硅片上,用不同的掺杂工艺使其一边形成N型半导体,另一边形成P型半导体,那么在两种半导体交界面附近就形成了PN结,如图Z0105所示。由于P区的多数载流子是空穴,少数载流子是电子;N区多数载流于是电子,少数载流子是空穴,这就使交界面两侧明显地存在着两种载流子的浓度差。因此,N区的电子必然越过界面向P区扩散,并与P区界面附近的空穴复合而消失,在N区的一侧留下了一层不能移动的施主正离子;同样,P区的空穴也越过界面向N区扩散,与N区界面附近的电子复合而消失,在P区的一侧,留下一层不能移动的受主负离子。扩散的结果,使交界面两侧出现了由不能移动的带电离子组成的空间电荷区,因而形成了一个由N区指向P区的电场,称为内电场。随着扩散的进行,空间电荷区加宽,内电场增强,由于内电场的作用是阻碍多子扩散,促使少子漂移,所以,当扩散运动与漂移运动达到动态平衡时,将形成稳定的空间电荷区,称为PN结。由于空间电荷区内缺少载流子,所以又称PN结为耗尽层或高阻区。    二、PN结的单向导电性    PN结在未加外加电压时,扩散运动与漂移运动处于动态平衡,通过PN结的电流为零。当电源正极接P区,负极接N区时,称为给pN结加正向电压或正向偏置,如图Z0106所示。由于PN结是高阻区,而P区和N区的电阻很小,所以正向电压几乎全部加在PN结两端。在PN结上产生一个外电场,其方向与内电场相反,在它的推动下,N区的电子要向左边扩散,并与原来空间电荷区的正离子中和,使空间电荷区变窄。同样,P区的空穴也要向右边扩散,并与原来空间电荷区的负离子中和,使空间电荷区变窄。结果使内电场减弱,破坏了PN结原有的动态平衡。于是扩散运动超过了漂移运动,扩散又继续进行。与此同时,电源不断向P区补充正电荷,向N区补充负电荷,结果在电路中形成了较大的正向电流IF。而且IF 随着正向电压的增大而增大。    当电源正极接N区、负极接P区时,称为给PN结加反向电压或反向偏置。反向电压产生的外加电场的方向与内电场的方向相同,使PN结内电场加强,它把P区的多子(空穴)和N区的多子(自由电子)从PN结附近拉走,使PN结进一步加宽, PN结的电阻增大,打破了PN结原来的平衡,在电场作用下的漂移运动大于扩散运动。这时通过PN结的电流,主要是少子形成的漂移电流,称为反向电流 IR。由于在常温下,少数载流子的数量不多,故反向电流很小,而且当外加电压在一定范围内变化时,它几乎不随外加电压的变化而变化,因此反向电流又称为反向饱和电流。当反向电流可以忽略时,就可认为PN结处于截止状态。值得注意的是,由于本征激发随温度的升高而加剧,导致电子一空穴对增多,因而反向电流将随温度的升高而成倍增长。反向电流是造成电路噪声的主,要原因之一,因此,在设计电路时,必须考虑温度补偿问题。    综上所述,PN结正偏时,正向电流较大,相当于PN结导通,反偏时,反向电流很小,相当于PN结截止。这就是PN结的单向导电性。     三、PN结的击穿特性    当PN结上加的反向电压增大到一定数值时,反向电流突然剧增,这种现象称为PN结的反向击穿。PN结出现击穿时的反向电压称为反向击穿电压,用VB表示。反向击穿可分为雪崩击穿和齐纳击穿两类。     1.雪崩击穿    当反向电压较高时,结内电场很强,使得在结内作漂移运动的少数载流子获得很大的动能。当它与结内原子发生直接碰撞时,将原子电离,产生新的"电子一空穴对"。这些新的"电子一空穴对",又被强电场加速再去碰撞其它原子,产生更多的"电子一空穴对"。如此链锁反应,使结内载流子数目剧增,并在反向电压作用下作漂移运动,形成很大的反向电流。这种击穿称为雪崩击穿。显然雪崩击穿的物理本质是碰撞电离。    2.齐纳击穿    齐纳击穿通常发生在掺杂浓度很高的PN结内。由于掺杂浓度很高,PN结很窄,这样即使施加较小的反向电压(5V以下),结层中的电场却很强(可达左右)。在强电场作用下,会强行促使PN结内原子的价电子从共价键中拉出来,形成"电子一空穴对",从而产生大量的载流子。它们在反向电压的作用下,形成很大的反向电流,出现了击穿。显然,齐纳击穿的物理本质是场致电离。    采取适当的掺杂工艺,将硅PN结的雪崩击穿电压可控制在8~1000V。而齐纳击穿电压低于5V。在5~8V之间两种击穿可能同时发生。晶体二极管二极管的结构与伏安特性     晶体二极管也称半导体二极管,它是在PN结上加接触电极、引线和管壳封装而成的。按其结构,通常有点接触型和面结型两类。常用符号如图Z0107中V、VD(本资料用D)来表示。                  点接触型适用于工作电流小、工作频率高的场合;(如图Z0108)    面结合型适用于工作电流较大、工作频率较低的场合;(如图Z0109)    平面型适用于工作电流大、功率大、工作频率低的场合。(如图Z0110)    按使用的半导体材料分,有硅二极管和锗二极管;按用途分,有普通二极管、整流二极管、检波二极管、混频二极管、稳压二极管、开关二极管、光敏二极管、变容二极管、光电二极管等。     二极管是由一个PN结构成的,它的主要特性就是单向导电性,通常主要用它的伏安特性来表示。    二极管的伏安特性是指流过二极管的电流iD与加于二极管两端的电压uD之间的关系或曲线。用逐点测量的方法测绘出来或用晶体管图示仪显示出来的U~I曲线,称二极管的伏安特性曲线。图Z0111 是二极管的伏安特性曲线示意图,依此为例说明其特性。    一、正向特性由图可以看出,当所加的正向电压为零时,电流为零;当正向电压较小时,由于外电场远不足以克服PN结内电场对多数载流子扩散运动所造成的阻力,故正向电流很小(几乎为零),二极管呈现出较大的电阻。这段曲线称为死区。     当正向电压升高到一定值Uγ(Uth )以后内电场被显著减弱,正向电流才有明显增加。Uγ 被称为门限电压或阀电压。Uγ视二极管材料和温度的不同而不同,常温下,硅管一般为0.5V左右,锗管为0.1V左右。在实际应用中,常把正向特性较直部分延长交于横轴的一点,定为门限电压Uγ的值,如图中虚线与U轴的交点。    当正向电压大于Uγ以后,正向电流随正向电压几乎线性增长。把正向电流随正向电压线性增长时所对应的正向电压,称为二极管的导通电压,用UF来表示。通常,硅管的导通电压约为0.6~0.8V (一般取为0.7V),锗管的导通电压约为0.1~0.3V (一般取为0.2V)。    二、反向特性    当二极管两端外加反向电压时,PN结内电场进一步增强,使扩散更难进行。这时只有少数载流子在反向电压作用下的漂移运动形成微弱的反向电流IR。反向电流很小,且几乎不随反向电压的增大而增大(在一定的范围内),如图Z0111中所示。但反向电流是温度的函数,将随温度的变化而变化。常温下,小功率硅管的反向电流在nA数量级,锗管的反向电流在μA数量级。    三、反向击穿特性    当反向电压增大到一定数值UBR时,反向电流剧增,这种现象称为二极管的击穿,UBR(或用VB表示)称为击穿电压,UBR视不同二极管而定,普通二极管一般在几十伏以上且硅管较锗管为高。    击穿特性的特点是,虽然反向电流剧增,但二极管的端电压却变化很小,这一特点成为制作稳压二极管的依据。四、二极管伏安特性的数学表达式    由理论分析可知,二极管的伏安特性可近似用下面的数学表达式来表示:式中,iD为流过二极管的电流,uD。为加在二极管两端的电压,VT称为温度的电压当量,与热力学温度成正比,表示为VT = kT/q其中T为热力学温度,单位是K;q是电子的电荷量,;k为玻耳兹曼常数,室温下,可求得VT = 26mV。IR(sat)是二极管的反向饱和电流。    五、温度对二极管伏安特性的影响    二极管是温度的敏感器件,温度的变化对其伏安特性的影响主要表现为:随着温度的升高,其正向特性曲线左移,即正向压降减小;反向特性曲线下移,即反向电流增大。一般在室温附近,温度每升高1°C,其正向压降减小2~2.5mV;温度每升高10°C:,反向电流大约增大1倍左右。    综上所述,二极管的伏安特性具有以下特点:    ① 二极管具有单向导电性;    ② 二极管的伏安特性具有非线性;    ③ 二极管的伏安特性与温度有关。半导体二极管的主要参数    描述二极管特性的物理量称为二极管的参数,它是反映二极管电性能的质量指标,是合理选择和使用二极管的主要依据。在半导体器件手册或生产厂家的产品目录中,对各种型号的二极管均用表格列出其参数。二极管的主要参数有以下几种:   1.最大平均整流电流IF(AV)   IF(AV)是指二极管长期工作时,允许通过的最大正向平均电流。它与PN结的面积、材料及散热条件有关。实际应用时,工作电流应小于IF(AV),否则,可能导致结温过高而烧毁PN结。   2.最高反向工作电压VRM    VRM是指二极管反向运用时,所允许加的最大反向电压。实际应用时,当反向电压增加到击穿电压VBR 时,二极管可能被击穿损坏,因而,VRM通常取为(1/2 ~ 2/3)VBR 。   3.反向电流IR   IR是指二极管未被反向击穿时的反向电流。理论上IR =IR(sat),但考虑表面漏电等因素,实际上IR 稍大一些。IR 愈小,表明二极管的单向导电性能愈好。另外,IR 与温度密切相关,使用时应注意。   4.最高工作频率fM   fM是指二极管正常工作时,允许通过交流信号的最高频率。实际应用时,不要超过此值,否则二极管的单向导电性将显著退化。fM的大小主要由二极管的电容效应来决定。   5.二极管的电阻   就二极管在电路中电流与电压的关系而言,可以把它看成一个等效电阻,且有直流电阻与交流电阻之别。   (1)直流等效电阻RD    直流电阻定义为加在二极管两端的直流电压UD与流过二极管的直流电流ID 之比,即            RD的大小与二极管的工作点有关。通常用万用表测出来的二极管电阻即直流电阻。不过应注意的是,使用不同的欧姆档测出来的直流等效电阻不同。其原因是二极管工作点的位置不同。一般二极管的正向直流电阻在几十欧姆到几千欧姆之间,反向直流电阻在几十千欧姆到几百千欧姆之间。正反向直流电阻差距越大,二极管的单向导电性能越好。    (2)交流等效电阻rd              rd亦随工作点而变化,是非线性电阻。通常,二极管的交流正向电阻在 几~几十欧姆之间。    需要指出的是,由于制造工艺的限制,即使是同类型号的二极管,其参数的分散性很大。通常半导体手册上给出的参数都是在一定测试条件下测出的,使用时应注意条件。   半导体二极管的型号命名    二极管的型号命名通常根据国家标准GB-249-74规定,由五部分组成。第一部分用数字表示器件电极的数目;第二部分用汉语拼音字母表示器件材料和极性;第三部分用汉语拼音字母表示器件的类型;第四部分用数字表示器件序号;第五部分用汉语拼音字母表示规格号。如表Z101所示。半导体二极管的等效电路与开关特性   一、二极管的电容效应    二极管具有电容效应。它的电容包括势垒电容CB和扩散电容CD。   1.势垒电容CB(Cr)    前面已经讲过,PN结内缺少导电的载流子,其电导率很低,相当于介质;而PN结两侧的P区、N区的电导率高,相当于金属导体。从这一结构来看,PN结等效于一个电容器。    事实上,当PN结两端加正向电压时,PN结变窄,结中空间电荷量减少,相当于电容"放电",当PN结两端加反向电压时,PN结变宽,结中空间电荷量增多,相当于电容"充电"。这种现象可以用一个电容来模拟,称为势垒电容。势垒电容与普通电容不同之处,在于它的电容量并非常数,而是与外加电压有关。当外加反向电压增大时,势垒电容减小;反向电压减小时,势垒电容增大。目前广泛应用的变容二极管,就是利用PN结电容随外加电压变化的特性制成的。   2.扩散电容CD    PN结正向偏置时,N区的电子向P区扩散,在P区形成一定的非平衡载流子的浓度分布,即靠近PN结一侧浓度高,远离PN结的一侧浓度低。显然,在P区积累了电子,即存贮了一定数量的负电荷;同样,在N区也积累了空穴,即存贮了一定数即正电荷。当正向电压加大时,扩散增强,这时由N区扩散到P区的电子数和由P区扩散到N区的空穴数将增多,致使在两个区域内形成了电荷堆积,相当于电容器的充电。相反,当正向电压减小时,扩散减弱,即由N区扩散到P区的电子数和由P区扩散到N区的空穴数减少,造成两个区域内电荷的减少,、这相当于电容器放电。因此,可以用一个电容来模拟,称为扩散电容。    总之,二极管呈现出两种电容,它的总电容Cj相当于两者的并联,即Cj=CB + CD。二极管正向偏置时,扩散电容远大于势垒电容 Cj≈CD ;而反向偏置时,扩散电容可以忽略,势垒电容起主要作用,Cj≈CB 。    二、二极管的等效电路    二极管是一个非线性器件,对于非线性电路的分析与计算是比较复杂的。为了使电路的分析简化,可以用线性元件组成的电路来模拟二极管。使线性电路的电压、电路关系和二极管外特性近似一致,那么这个线性电路就称为二极管的等效电路。显然等效电路是在一定条件下的近似。    二极管应用于直流电路时,常用一个理想二极管模型来等效,可把它看成一个理想开关。正偏时,相当于"开关"闭合(ON),电阻为零,压降为零;反偏时,相当于"开关"断开(OFF),电阻为无限大,电流为零。由于理想二极管模型突出表现了二极管最基本的特性--单向导电性,所以广泛应用于直流电路及开关电路中。    在直流电路中如果考虑到二极管的电阻和门限电压的影响。实际二极管可用图Z0112所示的电路来等效。    在二极管两端加直流偏置电压和工作在交流小信号的条件下,可以用简化的电路来等效。图中rs为二极管P区和N区的体电阻。    三、二极管的开关特性    二极管正偏时导通,相当于开关的接通;反偏时截止相当于开关的断开,表明二极管具有开关特性。不过一个理想的开关,在接通时开关本身电阻为零,压降为零,而断开时电阻为无穷大,电流为零,而且要求在高速开关时仍具有以上特性,不需要开关时间。但实际二极管作为开关运用,并不是太理想的。因为二极管正向导通时,其正向电阻和正向降压均不为零;反向戳止时,其反向电阻也不是无穷大,反向电流也不为零。并且二极管开、关状态的转换需要一定时间.这就限制了它的开关速度。因此作开关时,应选用正向电阻RF小、反向电阻RR大、开关时间小的开关二极管。稳压二极管    硅稳压二极管(简称硅稳压管)实质上是一个硅晶体二极管。稳压二极管的实例和管子的符号如图Z0113所示。   1.二极管的击穿现象    由二极管的伏安特性可知,当加于它两端的反偏电压超过反向击穿电压之后,二极管将发生击穿现象。二极管的击穿通常有三种情况,即雪崩击穿、齐纳击穿和热击穿。   (1)雪崩击穿    对于掺杂浓度较低的PN结,结较厚,当外加反向电压高到一定数值时,因外电场过强,使PN结内少数载流子获得很大的动能而直接与原子碰撞,将原子电离,产生新的电子空穴对,由于链锁反应的结果,使少数载流子数目急剧增多,反向电流雪崩式地迅速增大,这种现象叫雪崩击穿。雪崩击穿通常发生在高反压、低掺杂的情况下。    (2)齐纳击穿    对于采用高掺杂(即杂质浓度很大)形成的PN结,由于结很薄(如0.04μm)即使外加电压并不高(如4V),就可产生很强的电场(如)将结内共价键中的价电子拉出来,产生大量的电子一空穴对,使反向电流剧增,这种现象叫齐纳击穿(因齐纳研究而得名)。齐纳击穿一般发生在低反压、高掺杂的情况下。   (3)热击穿    在使用二极管的过程中,如由于PN结功耗(反向电流与反向电压之积)过大,使结温升高,电流变大,循环反复的结果,超过PN结的允许功耗,使PN结击穿的现象叫热击穿。热击穿后二极管将发生永久性损坏。    对于硅PN结,击穿电压在7V以上的为雪崩击穿;4V以下的为齐纳击穿;在。4~7V之间的两种情况都有。无论哪种击穿,只要控制反向电流的数值不致引起热击穿,当反向电压下降到击穿电压以下,其性能可以恢复到未击穿前的状况。   2. 稳压管的击穿特性 稳压管的正向特性与一般二极管相同,而反向击穿特性很陡峭。   3. 稳压管的主要参数   (1) 稳定电压VZ   Vz稳压管反向击穿后其电流为规定值时它两端的电压值。不同型号的稳压管其Vz的范围不同;同种型号的稳压管也常因工艺上的差异而有一定的分散性。所以,Vz一般给出的是范围值,例如2CW11的Vz在3.2~4.5V (测试电流为10mA)。当然,二极管(包括稳压管)的正向导通特性也有稳压作用,但稳定电压只有0.6~0. 8V,且随温度的变化较大,故一般不常用。   (2)稳定电流IZ   IZ是指稳压管正常工作时的参考电流。Iz 通常在最小稳定电流IZmin与最大稳定电流IZmax之间。其中IZmin 是指稳压管开始起稳压作用时的最小电流,电流低于此值时,稳压效果差;IZmax是指稳压管稳定工作时的最大允许电流,超过此电流时,只要超过额定功耗,稳压管将发生永久性击穿。故一般要求 IZmin< Iz < IZmax 。   (3)动态电阻rZ    rZ是指在稳压管正常工作的范围内,电压的微变量与电流的微变量之比。rZ 越小,表明稳压管性能越好。   (4)额定功耗PZ     Pz是由管子温升所决定的参数, Pz=Vz IZmax 。   (5)温度系数α    α是指Vz受温度影响的程度。硅稳压管在VZ<4V时α<0;在VZ>7V时,α>0;在VZ = 4~7V时,α很小三极管的结构与分类   晶体三极管   晶体三极管又称半导体三极管,简称晶体管或三极管。在三极管内,有两种载流子:电子与空穴,它们同时参与导电,故晶体三极管又称为双极型晶体三极管,简记为BJT(英文Bipo1ar Junction Transistor的缩写)。它的基本功能是具有电流放大作用。   一、结构    图Z0113和图Z0114 给出了NPN和PNP型两类三极管的结构示意图和表示符号。它有两个PN结(分别称为发射结和集电结),三个区(分别称为发射区、基区和集电区),从三个区域引出三个电极(分别称为发射极e、基极b和集电极c)。发射极的箭头方向代表发射结正向导通时的电流的实际流向。     为了保证三极管具有良好的电流放大作用,在制造三极管的工艺过程中,必须作到:    ① 使发射区的掺杂浓度最高,以有效地发射载流子;    ② 使基区掺杂浓度最小,且区最薄,以有效地传输载流子;    ③ 使集电区面积最大,且掺杂浓度小于发射区,以有效地收集载流子。          二、分类    在实际应用中,从不同的角度对三极管可有不同的分类方法。    按材料分,有硅管和锗管;    按结构分,有NPN型管和PNP型管;    按工作频率分,有高频管和低频管;    按制造工艺分,有合金管和平面管;    按功率分,有中、小功率管和大功率管等等。三极管内部载流子的运动规律、电流分配关系和放大作用   一、三极管的三种连接方式    三极管在电路中的连接方式有三种:①共基极接法;②共发射极接法,③共集电极接法。如图Z0115所示。共什么极是指电路的输入端及输出端以这个极作为公共端。必须注意,无论那种接法,为了使三极管具有正常的电流放大作用,都必须外加大小和极性适当的电压。即必须给发射结加正向偏置电压,发射区才能起到向基区注入载流子的作用;必须给集电结加反向偏置电压(一般几~几十伏),在集电结才能形成较强的电场,才能把发射区注入基区,并扩散到集电结边缘的载流子拉入集电区,使集电区起到收集载流子的作用。   二、三极管内部载流子的运动规律    在发射结正偏、集电结反偏的条件下,三极管内部载流子的运动,可分为3个过程,下面以NPN型三极管为例来讨论(共射极接法)。    1.发射区向基区注入载流子的过程    由于发射结外加正向电压,发射区的电子载流子源源不断地注入基区,基区的多数载流子空穴,也要注入发射区。如图Z0116所示,二者共同形成发射极电流IE。但是,由于基区掺杂浓度比发射区小2~3个数量级,注入发射区的空穴流与注入基区的电子流相比,可略去。          2. 载流子在基区中扩散与复合的过程由发射区注入基区的电子载流子,其浓度从发射结边缘到集电结边缘是逐渐递减的,即形成了一定的浓度梯度,因而,电子便不断地向集电结方向扩散。由于基区宽度制作得很小,且掺杂浓度也很低,从而大大地减小了复合的机会,使注入基区的95%以上的电子载流子都能到达集电结。故基区中是以扩散电流为主的,且扩散与复合的比例决定了三极管的电流放大能力。    3.集电区收集载流子的过程    集电结外加较大的反向电压,使结内电场很强,基区中扩散到集电结边缘的电子,受强电场的作用,迅速漂移越过集电结而进入集电区,形成集电极电流Inc。另一方面,集电结两边的少数载流子,也要经过集电结漂移,在c,b之间形成所谓反向饱和电流ICBO,不过,ICBO一般很小,因而集电极电流                INC +ICBO ≈ INC           GS0105 同时基极电流              IB = IPB +IE -ICBO≈IPB - ICBO    GS0106     反向饱和电流ICBO与发射区无关,对放大作用无贡献,但它是温度的函数,是管子工作不稳定的主要因素。制造时,总是尽量设法减小它。    三、三极管的电流分配关系与放大作用    1.电流分配关系    由图Z0116可知,三极管三个电极上的电流组成如下:发射极电流IE             IE=INE+IPE ≈INE        GS0107 基极电流IB              IB = IPB + IPE - ICBO ≈IPB - ICBO 集电极电流IC             IC=INC +ICBO≈ INC同时由图Z0116也可看出              INE= INC +IPB        GS0108由以上诸式可得到             IE=IC+ IB          GS0109     它表明,发射极电流IE按一定比例分配为集电极电流Ic和基极电流 IB 两个部分,因而晶体三极管实质上是一个电流分配器件。对于不同的晶体管,尽管IC与IB的比例是不同的,但上式总是成立的,所以它是三极管各极电流之间的基本关系式。由图Z0116也可以看出,INC 代表由发射区注入基区进而扩散到集电区的电子流,IPB代表从发射区注入基区被复合后形成的电流。对于一个特定的三极管,这二者的比例关系是确定的,通常将这个比值称为共发射极直流电流放大系数。用表示,即 如果忽略ICBO,则 该式说明IB对IC有控制作用。    变换一下式GS0110,可写成    令则上式可写成:    此式表明,集电极电流由两部分组成:一部分是,它表示IC与IB的比例关系,另一部分是称为穿透电流其意义将在三极管参数中介绍。    综合共射极三极管的电流分配关系,可写为          三极管的电流分配关系还可以用由发射区传输到集电区的电子流 INC与发射极总发射的电子流IE之间的比例关系来表示。将这二者的比值称为共基极直流电流放大系数,用表示即:由于 IC = INC+IICBO,且IC >>ICBO,故:                  该式说明IE对IC也有控制作用。    由上可得出共基极电流分配关系为                和都是描述三极管的同一过程,它们之间必然存在着内在联系。由它们各自的表达式知:即:一般≤1 (约0.9~0.99), >>1(约20~200)。   2.三极管的放大作用图Z0117为共射接法的三极管放大电路。待放大的输入信号ui接在基极回路,负载电阻Rc接在集电极回路,Rc两端的电压变化量uo就是输出电压。由于发射结电压增加了ui(由UBE 变成UBE + uI)引起基极电流增加了ΔIB,集电极电流随之增加了ΔIC ,ΔIC =βΔIB,它在RC形成输出电压uo=ΔICRC=βΔIB RC 。   只要Rc取值较大,便有uo >>?font size="+1">ui ,从而实现了放大。三极管的特性曲线    三极管外部各极电压和电流的关系曲线,称为三极管的特性曲线,又称伏安特性曲线。它不仅能反映三极管的质量与特性,还能用来定量地估算出三极管的某些参数,是分析和设计三极管电路的重要依据。    对于三极管的不同连接方式,有着不同的特性曲线。应用最广泛的是共发射极电路,其基本测试电路如图Z0118所示,共发射极特性曲线可以用描点法绘出,也可以由晶体管特性图示仪直接显示出来。   一、输入特性曲线    在三极管共射极连接的情况下,当集电极与发射极之间的电压UBE 维持不同的定值时,UBE和IB之间的一簇关系曲线,称为共射极输入特性曲线,如图Z0119所示。输入特性曲线的数学表达式为:       IB=f(UBE)| UBE = 常数       GS0120 由图Z0119 可以看出这簇曲线,有下面几个特点:    (1)UBE = 0的一条曲线与二极管的正向特性相似。这是因为UCE = 0时,集电极与发射极短路,相当于两个二极管并联,这样IB与UCE 的关系就成了两个并联二极管的伏安特性。     (2)UCE由零开始逐渐增大时输入特性曲线右移,而且当UCE的数值增至较大时(如UCE>1V),各曲线几乎重合。这是因为UCE由零逐渐增大时,使集电结宽度逐渐增大,基区宽度相应地减小,使存贮于基区的注入载流子的数量减小,复合减小,因而IB减小。如保持IB为定值,就必须加大UBE ,故使曲线右移。当UCE 较大时(如UCE >1V),集电结所加反向电压,已足能把注入基区的非平衡载流子绝大部分都拉向集电极去,以致UCE再增加,IB 也不再明显地减小,这样,就形成了各曲线几乎重合的现象。    (3)和二极管一样,三极管也有一个门限电压Vγ,通常硅管约为0.5~0.6V,锗管约为0.1~0.2V。    二、输出特性曲线输出特性曲线如图Z0120所示。测试电路如图Z0117。输出特性曲线的数学表达式为:    由图还可以看出,输出特性曲线可分为三个区域:    (1)截止区:指IB=0的那条特性曲线以下的区域。在此区域里,三极管的发射结和集电结都处于反向偏置状态,三极管失去了放大作用,集电极只有微小的穿透电流IcEO。    (2)饱和区:指绿色区域。在此区域内,对应不同IB值的输出特性曲线簇几乎重合在一起。也就是说,UCE较小时,Ic虽然增加,但Ic增加不大,即IB失去了对Ic的控制能力。这种情况,称为三极管的饱和。饱和时,三极管的发射给和集电结都处于正向偏置状态。三极管集电极与发射极间的电压称为集一射饱和压降,用UCES表示。UCES很小,通常中小功率硅管UCES<0.5V;三极管基极与发射极之间的电压称为基一射饱和压降,以UCES表示,硅管的UCES在0.8V左右。    OA线称为临界饱和线(绿色区域右边缘线),在此曲线上的每一点应有|UCE| = |UBE|。它是各特性曲线急剧拐弯点的连线。在临界饱和状态下的三极管,其集电极电流称为临界集电极电流,以Ics表示;其基极电流称为临界基极电流,以IBS表示。这时Ics与IBS 的关系仍然成立。    (3)放大区:在截止区以上,介于饱和区与击穿区之间的区域为放大区。在此区域内,特性曲线近似于一簇平行等距的水平线,Ic的变化量与IB的变量基本保持线性关系,即ΔIc=βΔIB,且ΔIc >>ΔIB ,就是说在此区域内,三极管具有电流放大作用。此外集电极电压对集电极电流的控制作用也很弱,当UCE>1 V后,即使再增加UCE,Ic 几乎不再增加,此时,若IB 不变,则三极管可以看成是一个恒流源。    在放大区,三极管的发射结处于正向偏置,集电结处于反向偏置状态。三极管的主要参数    三极管的参数反映了三极管各种性能的指标,是分析三极管电路和选用三极管的依据。    一、电流放大系数    1.共发射极电流放大系数    (1)共发射极直流电流放大系数,它表示三极管在共射极连接时,某工作点处直流电流IC与IB的比值,当忽略ICBO时          (2)共发射极交流电流放大系数β它表示三极管共射极连接、且UCE恒定时,集电极电流变化量ΔIC与基极电流变化量ΔIB之比,即    管子的β值大小时,放大作用差;β值太大时,工作性能不稳定。因此,一般选用β为30~80的管子。    2.共基极电流放大系数    共基极直流电流放大系数它表示三极管在共基极连接时,某工作点处IC 与 IE的比值。在忽略ICBO的情况下    (2)共基极交流电流放大系数α,它表示三极管作共基极连接时,在UCB 恒定的情况下,IC和IE的变化量之比,即:     通常在ICBO很小时,与β,与α相差很小,因此,实际使用中经常混用而不加区别。    二、极间反向电流    1.集-基反向饱和电流ICBO    ICBO是指发射极开路,在集电极与基极之间加上一定的反向电压时,所对应的反向电流。它是少子的漂移电流。在一定温度下,ICBO 是一个常量。随着温度的升高ICBO将增大,它是三极管工作不稳定的主要因素。在相同环境温度下,硅管的ICBO比锗管的ICBO小得多。    2.穿透电流ICEO    ICEO是指基极开路,集电极与发射极之间加一定反向电压时的集电极电流。ICEO与ICBO的关系为:    ICEO = ICBO+ICBO=(1+)ICBO GS0125    该电流好象从集电极直通发射极一样,故称为穿透电流。ICEO和ICBO一样,也是衡量三极管热稳定性的重要参数。    三、频率参数频率参数是反映三极管电流放大能力与工作频率关系的参数,表征三极管的频率适用范围。    1.共射极截止频率fβ    三极管的β值是频率的函数,中频段β=βo几乎与频率无关,但是随着频率的增高,β值下降。当β值下降到中频段βO1/倍时,所对应的频率,称为共射极截止频率,用fβ表示。    2.特征频率fT    当三极管的β值下降到β=1时所对应的频率,称为特征频率。在fβ~fT的范围内,β值与f几乎成线性关系,f越高,β越小,当工作频率f>fT,时,三极管便失去了放大能力。    四、极限参数1.最大允许集电极耗散功率PCM    PCM 是指三极管集电结受热而引起晶体管参数的变化不超过所规定的允许值时,集电极耗散的最大功率。当实际功耗Pc大于PCM时,不仅使管子的参数发生变化,甚至还会烧坏管子。PCM可由下式计算:     PCM =ICUCE GS0126    当已知管子的PCM 时,利用上式可以在输出特性曲线上画出PCM 曲线。2.最大允许集电极电流ICM    当IC很大时,β值逐渐下降。一般规定在β值下降到额定值的2/3(或1/2)时所对应的集电极电流为ICM当IC>ICM时,β值已减小到不实用的程度,且有烧毁管子的可能。    3.反向击穿电压BVCEO与BVCEO    BVCEO是指基极开路时,集电极与发射极间的反向击穿电压。    BVCBO是指发射极开路时,集电极与基极间的反向击穿电压。一般情况下同一管子的    BVCEO(0.5~0.8)BVCBO 。三极管的反向工作电压应小于击穿电压的(1/2~1/3),以保证管子安全可靠地工作。    三极管的3个极限参数PCM 、ICM、BVCEO和前面讲的临界饱和线 、截止线所包围的区域,便是三极管安全工作的线性放大区。一般作放大用的三极管,均须工作于此区。三极管的开关特性    在脉冲与数字电路中,三极管作为最基本的开关元件得到了普遍的应用。三极管工作在饱和状态时,其UCES≈0,相当于开关的接通状态;工作在截止状态时,IC≈0,相当于开关的断开状态,因此,三极管可当做开关器件使用。    (这部分内容将在16单元:"脉冲波形的产生与整形"中再作详细介绍 。)结型场效应管    场效应管    场效应管(Fjeld Effect Transistor简称FET )是利用电场效应来控制半导体中电流的一种半导体器件,故因此而得名。场效应管是一种电压控制器件,只依靠一种载流子参与导电,故又称为单极型晶体管。与双极型晶体三极管相比,它具有输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、功耗小、制造工艺简单和便于集成化等优点。    场效应管有两大类,结型场效应管JFET和绝缘栅型场效应管IGFET,后者性能更为优越,发展迅速,应用广泛。图Z0121 为场效应管的类型及图形、符号。    一、结构与分类    图 Z0122为N沟道结型场效应管结构示意图和它的图形、符号。它是在同一块N型硅片的两侧分别制作掺杂浓度较高的P型区(用P+表示),形成两个对称的PN结,将两个P区的引出线连在一起作为一个电极,称为栅极(g),在N型硅片两端各引出一个电极,分别称为源极(s)和漏极(d)。在形成PN结过程中,由于P+区是重掺杂区,所以N一区侧的空间电荷层宽度远大    二、工作原理    N沟道和P沟道结型场效应管的工作原理完全相同,只是偏置电压的极性和载流子的类型不同而已。下面以N沟道结型场效应管为例来分析其工作原理。电路如图Z0123所示。由于栅源间加反向电压,所以两侧PN结均处于反向偏置,栅源电流几乎为零。漏源之间加正向电压使N型半导体中的多数载流子-电子由源极出发,经过沟道到达漏极形成漏极电流ID。    1.栅源电压UGS对导电沟道的影响(设UDS=0)在图Z0123所示电路中,UGS <0,两个PN结处于反向偏置,耗尽层有一定宽度,ID=0。若|UGS| 增大,耗尽层变宽,沟道被压缩,截面积减小,沟道电阻增大;若|UGS| 减小,耗尽层变窄,沟道变宽,电阻减小。这表明UGS控制着漏源之间的导电沟道。当UGS负值增加到某一数值VP时,两边耗尽层合拢,整个沟道被耗尽层完全夹断。(VP称为夹断电压)此时,漏源之间的电阻趋于无穷大。管子处于截止状态,ID=0。    2.漏源电压UGS对漏极电流ID的影响(设UGS=0)当UGS=0时,显然ID=0;当UDS>0且尚小对,P+N结因加反向电压,使耗尽层具有一定宽度,但宽度上下不均匀,这是由于漏源之间的导电沟道具有一定电阻,因而漏源电压UDS沿沟道递降,造成漏端电位高于源端电位,使近漏端PN结上的反向偏压大于近源端,因而近漏端耗尽层宽度大于近源端。显然,在UDS较小时,沟道呈现一定电阻,ID随UDS成线性规律变化(如图Z0124曲线OA段);若UGS再继续增大,耗尽层也随之增宽,导电沟道相应变窄,尤其是近漏端更加明显。由于沟道电阻的增大,ID增长变慢了(如图曲线AB段),当UDS增大到等于|VP|时,沟道在近漏端首先发生耗尽层相碰的现象。这种状态称为预夹断。这时管子并不截止,因为漏源两极间的场强已足够大,完全可以把向漏极漂移的全部电子吸引过去形成漏极饱和电流IDSS (这种情况如曲线B点):当UDS>|VP|再增加时,耗尽层从近漏端开始沿沟道加长它的接触部分,形成夹断区 。由于耗尽层的电阻比沟道电阻大得多,所以比|VP|大的那部分电压基本上降在夹断区上,使夹断区形成很强的电场,它完全可以把沟道中向漏极漂移的电子拉向漏极,形成漏极电流。因为未被夹断的沟道上的电压基本保持不变,于是向漏极方向漂移的电子也基本保持不变,管子呈恒流特性(如曲线BC段)。但是,如果再增加UDS达到BUDS时(BUDS称为击穿电压)进入夹断区的电子将被强电场加速而获得很大的动能,这些电子和夹断区内的原子碰撞发生链锁反应,产生大量的新生载流予,使ID急剧增加而出现击穿现象(如曲线CD段)。    由此可见,结型场效应管的漏极电流ID受UGS和UDS的双重控制。这种电压的控制作用,是场效应管具有放大作用的基础。     三、特性曲线    1.输出特性曲线    输出特性曲线是栅源电压UGS取不同定值时,漏极电流ID 随漏源电压UDS 变化的一簇关系曲线,如图Z0124所示。由图可知,各条曲线有共同的变化规律。UGS越负,曲线越向下移动)这是因为对于相同的UDS,UGS越负,耗尽层越宽,导电沟道越窄,ID越小。    由图还可看出,输出特性可分为三个区域即可变电阻区、恒流区和击穿区。"    ◆可变电阻区:预夹断以前的区域。其特点是,当0<UDS<|VP|时,ID几乎与UDS呈线性关系增长,UGS愈负,曲线上升斜率愈小。在此区域内,场效应管等效为一个受UGS控制的可变电阻。    ◆恒流区:图中两条虚线之间的部分。其特点是,当UDS>|VP|时,ID几乎不随UDS变化,保持某一恒定值。ID的大小只受UGS的控制,两者变量之间近乎成线性关系,所以该区域又称线性放大区。    ◆击穿区:右侧虚线以右之区域。此区域内UDS>BUDS,管子被击穿,ID随UDS的增加而急剧增加。    2.转移特性曲线    当UDS一定时,ID与UGS之间的关系曲线称为转移特性曲线。实验表明,当UDS>|VP|后,即恒流区内,ID 受UDS影响甚小,所以转移特性通常只画一条。在工程计算中,与恒流区相对应的转移特性可以近似地用下式表示:      式GS0127中VP≤UGS≤0,IDSS是UGS=0时的漏极饱和电流。 绝缘栅型场效应管    在结型场效应管中,栅极和沟道间的PN结是反向偏置的,所以输入电阻很大。但PN结反偏时总会有一些反向电流存在,这就限制了输入电阻的进一步提高。如果在栅极与沟道间用一绝缘层隔开,便制成了绝缘栅型场效应管,其输入电阻可提高到。根据绝缘层所用材料之不同,绝缘栅场效应管有多种类型,目前应用最广泛的一种是以二氧化硅(SiO2)为绝缘层的金属一氧化物一半导体(Meial-Oxide-Semiconductor)场效应管,简称MOS场效应管(MOSFET)。它也有N沟道和P沟道两类,每类按结构不同又分为增强型和耗尽型。    一、增强型MOS管    1.结构与符号    图Z0125是N沟道增强型MOS管的结构示意图和符号。它是在一块P型硅衬底上,扩散两个高浓度掺杂的N+区,在两个N+区之间的硅表面上制作一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层,然后在SiO2和两个N型区表面上分别引出三个电极,称为源极s、栅极g和漏极d。在其图形符号中,箭头表示漏极电流的实际方向。    2.工作原理    绝缘栅场效应管的导电机理是,利用UGS 控制"感应电荷"的多少来改变导电沟道的宽窄,从而控制漏极电流ID。若UGS=0时,源、漏之间不存在导电沟道的为增强型MOS管,UGS=0 时,漏、源之间存在导电沟道的为耗尽型MOS管。    图Z0125中衬底为P型半导体,在它的上面是一层SiO2薄膜、在SiO2薄膜上盖一层金属铝,如果在金属铝层和半导体之间加电压UGS,则金属铝与半导体之间产生一个垂直于半导体表面的电场,在这一电场作用下,P型硅表面的多数载流子-空穴受到排斥,使硅片表面产生一层缺乏载流子的薄层。同时在电场作用下,P型半导体中的少数载流子-电子被吸引到半导体的表面,并被空穴所俘获而形成负离子,组成不可移动的空间电荷层(称耗尽层又叫受主离子层)。UGS愈大,电场排斥硅表面层中的空穴愈多,则耗尽层愈宽,且UGS愈大,电场愈强;当UGS 增大到某一栅源电压值VT(叫临界电压或开启电压)时,则电场在排斥半导体表面层的多数载流子-空穴形成耗尽层之后,就会吸引少数载流子-电子,继而在表面层内形成电子的积累,从而使原来为空穴占多数的P型半导体表面形成了N型薄层。由于与P型衬底的导电类型相反,故称为反型层。在反型层下才是负离子组成的耗尽层。这一N型电子层,把原来被PN结高阻层隔开的源区和漏区连接起来,形成导电沟道。用图Z0126所示电路来分析栅源电压UGS控制导电沟道宽窄,改变漏极电流ID 的关系:当UGS=0时,因没有电场作用,不能形成导电沟道,这时虽然漏源间外接有ED电源,但由于漏源间被P型衬底所隔开,漏源之间存在两个PN结,因此只能流过很小的反向电流,ID ≈0;当UGS>0并逐渐增加到VT 时,反型层开始形成,漏源之间被N沟道连成一体。这时在正的漏源电压UDS作用下;N沟道内的多子(电子)产生漂移运动,从源极流向漏极,形成漏极电流ID。显然,UGS愈高,电场愈强,表面感应出的电子愈多,N型沟道愈宽沟道电阻愈小,ID愈大。    3.输出特性曲线    N沟道增强型MOS管输出特性曲线如图Z0127所示,它是UGS为不同定值时,ID 与UDS之间关系的一簇曲线。由图可见,各条曲线变化规律基本相同。现以UGS=5V一条曲线为例来进行分析。设UGS >VT,导电沟道已形成。当UDS= 0时,沟道里没有电子的定向运动,ID=0;当UDS>0且较小时,沟道基本保持原状,表现出一定电阻,ID随UDS线性增大 ;当UDS较大时,由于电阻沿沟道递增,使UDS沿沟道的电位从漏端到源端递降,所以沿沟道的各点上,栅极与沟道间的电位差沿沟道从d至s极递增,导致垂直于P型硅表面的电场强度从d至s极也递增,从而形成沟道宽度不均匀,漏端最窄,源端最宽如图Z0126所示。随着UDS的增加,漏端沟道变得更窄,电阻相应变大,ID上升变慢 ;当UDS继续增大到UDS =UGS - VT时,近漏端的沟道开始消失,漏端一点处被夹断;如果UDS再增加,将出现夹断区。这时,UDS增加的部分基本上降在夹断区上,使夹断部分的耗尽层变得更厚,而未夹断的导电沟道不再有多大变化,所以ID将维持刚出现夹断时的数值,趋于饱和,管子呈现恒流特性。    对于不同的UGS值,沟道深浅也不同,UGS愈大,沟道愈深。在恒流区,对于相同的UDS 值,UGS大的ID 也较大,表现为输出特性曲线上移。    二、耗尽型MOS管    N沟道耗尽型MOS管和N沟道增强型MOS管的结构基本相同。差别在于耗尽型MOS管的SiO2绝缘层中掺有大量的正离子,故在UGS= 0时,就在两个N十区之间的P型表面层中感应出大量的电子来,形成一定宽度的导电沟道。这时,只要UDS>0就会产生ID。    对于N沟道耗尽型MOS管,无论UGS为正或负,都能控制ID的大小,并且不出现栅流。这是耗尽型MOS管区别于增强型MOS管的主要特点。    对于P沟道场效应管,其工作原理,特性曲线和N沟道相类似。仅仅电源极性和电流方向不同而已。发光二极管    发光二极管是一种直接能把电能转变为光能的半导体器件。与其它发光器件相比,具有体积小、功耗低、发光均匀、稳定、响应速度快、寿命长和可靠性高等优点,被广泛应用于各种电子仪器、音响设备、计算机等作电流指示、音频指示和信息状态显示等。    一、发光原理    发光二极管的管芯结构与普通二极管相似,由一个PN结构成。当在发光二极管PN结上加正向电压时,空间电荷层变窄,载流子扩散运动大于漂移运动,致使P区的空穴注入N区,N区的电子注入P区。当电子和空穴复合时会释放出能量并以发光的形式表现出来。    二、种类和符号    发光二极管的种类很多,按发光材料来区分有磷化镓(GaP)发光二极管、磷砷化镓(GaAsP)发光二极管、砷铝镓(GaAIAs)发光二极管等;按发光颜色来分有发红光、黄光、绿光以及眼睛看不见的红外发光二极管等;若按功率来区别可分为小功率(HG 400系列)、中功率(HG50系列)和大功率(HG52系列)发光二极管:另外还有多色、变色发光二极管等等。    发光二极管及在电路中的符号,如图Z0128所示。     小功率的发光二极管正常工作电流在10 ~ 30mA范围内。通常正向压降值在1.5 ~ 3V范围内。发光二极管的反向耐压一般在6V左右。    发光二极管的伏安特性与整流二极管相似。为了避免由于电源波动引起正向电流值超过最大允许工作电流而导致管子烧坏,通常应串联一个限流电阻来限制流过二极管的电流。由于发光二极管最大允许工作电流随环境温度的升高而降低,因此,发光二极管不宜在高温环境中使用。     发光二极管的反向耐压(即反向击穿电压)值比普通二极管的小,所以使用时,为了防止击穿造成发光二极管不发光,在电路中要加接二极管来保护。光敏二极管和光敏三极管    光敏二极管和光敏三极管是光电转换半导体器件,与光敏电阻器相比具有灵敏度高、高频性能好,可靠性好、体积小、使用方便等优。    一、光敏二极管    1.结构特点与符号    光敏二极管和普通二极管相比虽然都属于单向导电的非线性半导体器件,但在结构上有其特殊的地方。    光敏二极管在电路中的符号如图Z0129 所示。光敏二极管使用时要反向接入电路中,即正极接电源负极,负极接电源正极。    2.光电转换原理    根据PN结反向特性可知,在一定反向电压范围内,反向电流很小且处于饱和状态。此时,如果无光照射PN结,则因本征激发产生的电子-空穴对数量有限,反向饱和电流保持不变,在光敏二极管中称为暗电流。当有光照射PN结时,结内将产生附加的大量电子空穴对(称之为光生载流子),使流过PN结的电流随着光照强度的增加而剧增,此时的反向电流称为光电流。不同波长的光(兰光、红光、红外光)在光敏二极管的不同区域被吸收形成光电流。被表面P型扩散层所吸收的主要是波长较短的兰光,在这一区域,因光照产生的光生载流子(电子),一旦漂移到耗尽层界面,就会在结电场作用下,被拉向N区,形成部分光电流;彼长较长的红光,将透过P型层在耗尽层激发出电子一空穴对,这些新生的电子和空穴载流子也会在结电场作用下,分别到达N区和P区,形成光电流。波长更长的红外光,将透过P型层和耗尽层,直接被N区吸收。在N区内因光照产生的光生载流子(空穴)一旦漂移到耗尽区界面,就会在结电场作用下被拉向P区,形成光电流。因此,光照射时,流过PN结的光电流应是三部分光电流之和。    二、光敏三极管    光敏三极管和普通三极管的结构相类似。不同之处是光敏三极管必须有一个对光敏感的PN结作为感光面,一般用集电结作为受光结,因此,光敏二极管实质上是一种相当于在基极和集电极之间接有光敏二极管的普通二极管。其结构 及符号如图Z0130所示。    当人射光子在基区及集电区被吸收而产生电子一空穴对时,便形成光生电压。由此产生的光生电流由基极进入发射极,从而在集电极回路中得到一个放大了β倍的信号电流。因此,光敏三极管是一种相当干将基极、集电极光敏二极管的电流加以放大的普通晶体管放大。基本放大电路的组成    利用放大器件工作在放大区时所具有的电流(或电压)控制特性,可以实现放大作用,因此,放大器件是放大电路中必不可少的器;    为了保证器件工作在放大区,必须通过直流电源给器件提供适当的偏置电压或电流,这就需要有提供偏置的电路和电源;    为了确保信号能有效地输入和输出,还必须设置合理的输入电路和输出电路。    可见,放大电路应由放大器件、直流电源和偏置电路、输入电路和输出电路几部分组成。     图Z0201 共发射极放大电路的三种画法.      图中NPN型晶体管T是整个电路的核心,它担负着放大的任务;    直流电源EC(几V~几十V),一方面通过Rb给晶体管的发射结提供正向偏压,通过RC给集电结提供反向偏压,另一方面提供负载所需信号的能量;    Rb决定基极偏置电流IB的大小,称为基极偏置电阻(一般为几十kΩ~几百kΩ)。    Rc将集电极电流的变化转换为电压的变化,提供给负载,称为集电极负载电阻(一般为几kΩ~几十kΩ);     电容C1、C2的作用是隔断放大电路与信号源、放大电路与负载之间的直流通路,仅让交流信号流通过,即隔直通交。C1称为输入耦合电容,C2称为输出耦合电容。    C1、Rb、EC及T的b、e极构成信号的输入电路;    C2、Rc、EC及T的c、e极构成信号的输出电路。    Rb、EC构成晶体管的偏置电路。晶体管的发射极是输入回路和输出回路的公共端,所以称这种电路为共发射极放大电路。与晶体管的3个电极相对应,还可构成共基极放大电路和共集电极放大电路。    在分析放大电路时,常以公共端作为电路的零电位参考点,称
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