半導體二極管三極管和場效應管

本文格式為Word版，下載可任意編輯——半導體二極管三極管和場效應管第4章半導體二極管及其應用

電子電路區(qū)別于以前所學電路的主要特點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體器件——二極管、穩(wěn)壓管、晶體管、絕緣柵場效應管等。由于本課程的任務不是研究這些器件內部的物理過程，而是探討它們的應用，因此，在簡單介紹這些器件的外部特性的基礎上，探討它們的應用電路。

4.1PN結和半導體二極管

4.1.1PN結的單向導電性

我們在物理課中已經知道，在純凈的四價半導體晶體材料（主要是硅和鍺）中摻入微量三價（例如硼）或五價（例如磷）元素，半導體的導電能力就會大大加強。這是由于形成了有傳導電流能力的載流子。摻入五價元素的半導體中的多數(shù)載流子是自由電子，稱為電子半導體或N型半導體。而摻入三價元素的半導體中的多數(shù)載流子是空穴，稱為空穴半導體或Ｐ型半導體。在摻雜半導體中多數(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，并且溫度升高時，少數(shù)載流子數(shù)目會增加。

在一塊半導體基片上通過適當?shù)陌雽w工藝技術可以形成Ｐ型半導體和Ｎ型半導體的交接面，稱為PN結。PN結具有單向導電性：當PN結加正向電壓時，Ｐ端電位高于N端，PN結變窄,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PN結加反向電壓時，Ｎ端電位高于Ｐ端，PN結變寬,由少子形成的電流微小，視為截止(不導通)，見圖4-1(b)。

RI外加電場NPEI≈0外加電場NPRE自建電場自建電場（a）PN結加正向電壓（b）PN結加反向電壓圖4-1PN結的單向導電性

4.1.２半導體二極管

半導體二極管就是由一個PN結加上相應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結的單向導電性，二極管導通時電流方向是由陽極通過管子內部流向陰極。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；按結構來分，有點接觸型，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（b）點接觸型（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、結構和外形示意圖

圖4-2是常用二極管的符號、結構及外形的示意圖。二極管的符號如圖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有這個符號或色點、色圈來表示二極管的極性，左邊實心箭頭的符號是工程上常用的符號，右邊的符號為新規(guī)定的符號。

從工藝結構來看，點接觸型二極管（一般為鍺管）如圖4-2(b)其特點是結面積小，因此結電容小，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)字電路里的開關元件；面接觸型二極管（一般為硅管）如圖4-2(c)其特點是結面積大，結電容大，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)，結面積大的可用于大功率整流，結面積小的，適用于脈沖數(shù)字電路作開關管。

4.1.3二極管的伏安特性

二極管的電流與電壓的關系曲線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PN結，具有單向導電性，其實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

當外加正向電壓很低時，管子內多數(shù)載流子的擴散運動沒形成，故正向電流幾乎為零。當正向電壓超過一定數(shù)值時，才有明顯的正向電流，這個電壓值稱為死區(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，當正向電壓大于死區(qū)電壓后，30正向電流迅速增長，曲線接近上升直線，在伏安特性的

這一部分，當電流迅速增加時，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溫度很敏感，溫度升高時，正向特性曲線向左移，如圖4-3所示，這說明，對應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，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，當反向電壓在一定范圍內增大時，反向電流的大小基本恒定，而與反向電壓大小無關，故稱為反向飽和電流，一般小功率鍺管的反向電流可達幾十μA，而小功率硅管的反向電流要小得多，一般在0.1μA以下，當溫度升高時，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

當二極管的外加反向電壓大于一定數(shù)值（反向擊穿電壓）時，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)由廠家產品手冊給出，由于制造工藝方面的原因，既使同一型號的管子，參數(shù)也存在一定的分散性，因此手冊常給出某個參數(shù)的范圍，半導體二極管的主要參數(shù)有以下幾個：

１．最大整流電流IDM

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

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數(shù)值，管子將會有擊穿的危險。

３．反向峰值電流IRM

IRM是指二極管加反向電壓VRM時的反向電流值，IRM越小二極管的單向導電性愈好。IRM

受溫度影響很大，使用時要加以注意。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，由于ＰＮ結的電容效應，單向導電作用退化。?M指的是二極管單向導電作用開始明顯退化的交流信號的頻率。

4.1.5二極管的等效電路及其應用

由于二極管的伏安特性是非線性的，為了分析計算方

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，若二極管導通時的正向壓降遠小于和它串聯(lián)

元件的電壓，二極管截止時反向電流遠小于與之并聯(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開關，當外加正向

——204

0

電壓時，二極管導通，正向壓降為０，相當于開關閉合，當外加反向電壓時，二極管截止，反向電流為０，相當于開關斷開，理想二極管的等效電路如圖4-4。利用理想二極管表示實際二極管進行電路的分析和計算可以得出比較滿意的結果，但稍有一些誤差。

2．二極管應用電路舉例

R二極管的應用范圍很廣，主要都是利用它的單向導電性。

Dvivo下面介紹幾種應用電路。

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)二極管導通的條件是vi＞VS，由于D為理想二極

管，D一旦導通，管壓降為零，此時vo＝VS

vob）當vi≤VS時，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，vo和vi的波形在時間軸上要對應，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（條件）和輸出信號（結果）之間存在著一定的因果關系即規(guī)律關系。在規(guī)律電路中，尋常用符號0和1來表示兩種對立的規(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，反之為負規(guī)律。

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

例4-2圖4-6所示為最簡單的與門電路及規(guī)律圖符號。它是由二極管D1、D2和電阻R及電源VCC組成。圖中A、B為兩個輸入端，F(xiàn)為輸出端。設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的正向導通壓降。試分析電路的輸入與輸出之間的關系。

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解：（1）當輸入端A、B均為低電平0時，即VA=VB=0V時，二極管D1、D2均為正向偏置而導通，使輸出端F的電壓VF=0V，即輸出端F為低電平0。

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

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

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

（4）當輸入端A、B均為高電平1時，即VA=VB=3V時，D1、D2均為正向偏置而導通，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，只有當所有輸入端都是高電平1時，輸出端才是高電平1，否則輸出端均為低電平0。這種“只有當決定一事件結果的所有條件都滿足時，結果才發(fā)生〞的規(guī)律關系稱為與（And）規(guī)律，與門電路滿足與規(guī)律關系。與規(guī)律也稱為規(guī)律乘、與運算。尋常用符號“·〞表示，設A、B、F分別為規(guī)律變量，則與運算的表達式可寫成以下形式：

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，輸出變量F才為1；只要A、B中有一個為0，F(xiàn)便為0。換言之，也就是“有0出0，全1出1〞。這一結論也適合于有多個變量參與的與運算。

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。它也是由二極管和電阻組成的。圖中A、B是兩個輸入端，F(xiàn)是輸出端。設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的正向導通壓降。通過分析（詳細過程讀者可以自己分析）可知，只要A、B當中有一個是高電平（規(guī)律1）輸出就是高電平（規(guī)律1）。只有當A、B同時為低電平（規(guī)律0）時，輸出才是低電平（規(guī)律0）。這種“在決定一事件結果的所有條件中，只要有一個或一個以上滿足時結果就發(fā)生〞的規(guī)律關系稱或（Or）規(guī)律?；蜷T電路滿足或規(guī)律關系。

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≥