1.1.1 半导体基础知识
1.半导体:导电性能介于导体和绝缘体之间的物质.常用的半导体材料有硅(Si),锗(Ge), 硒(Se)和砷化镓(GaAs)等.
2.本征半导体: 纯净的不含任何杂质,晶体结构排列整齐的半导体.
3.共价键:相邻原子共有价电子所形成的束缚.
4.半导体中有自由电子和空穴两种载流子参与导电.
5.半导体的特性
热敏特性和光敏特性:即温度升高或受到光照,半导体材料的导电能力增强.
掺杂特性即在本征半导体中掺入某种微量元素(杂质)后,它的导电能力增强,利用该特性可形成杂质半导体._
(1)N型半导体:四价的本征半导体(硅)中掺入微量五价元素磷,就形成了N型半导体.
(2)P型半导体:在四价的本征半导体(硅)中掺入微量三价元素(硼)就形成P型半导体.
总结:
(1)N型半导体中自由电子为多数载流子,简称多子,空穴为少数载流子,简称少子.
(2)P型半导体中空穴为多子,自由电子为少子.
(3)杂质半导体中,多子的浓度与掺杂浓度有关,而少子温度只与温度有关.
(4)空位与空穴:P型半导体形成共价键过程中所形成的空缺的位子为空位,而邻近共价键中电子填补这一空位而形成的空位称为空穴.
1.1.2 二极管的结构,类型,电路符号
1.通过一定的生产工艺把半导体的P区和N区部分结合在一起,则它们的交界处就会形成一个具有单向导电性的薄层,称为PN结(PN Juntion).
2.以PN结为管芯,在结的两侧,即P区和N区均接上电极引线,并以外壳封装,就制成了半导体二极管,简称二极管(Diode).
3.半导体二极管内部结构示意图和电路符号见图1.1.3,电路符号箭头方向表示二极管导通时的电流方向.
图1.1.3 二极管内部结构示意图和电路符号
a)内部结构 b)电路符号
4.二极管的分类
(1)按所用材料不同划分:硅管和锗管;
(2)按制造工艺不同划分:点接触型(如图1.1.4(a)所示)和面接触型(如图1.1.4(b)所示);其中,点接触型PN结的结电容(Junction capacitance)很小,允许通过的电流也很小(几十毫安以下),故适用于高频检波,变频,高频振荡等场合.如国产检波二极管2AP系列和开关二极管2AK系列.面接触型二极管PN结面积大,允许通过的电流较大,结电容也大,适用于工作频率较低的场合,一般用作整流器件.如国产硅二极管2CP和2CZ系列.
5.国产半导体器件命名方法见下图所示,半导体器件的型号由五个部分组成.
如2AP9,"2"表示电极数为2,"A"表示N型锗材料,"P"表示普通管,"9"表示序号.0
查附录表A―1练习:说明半导体器件的型号2AP8A和2CZ82F各部分的含义.
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1.1.3 二极管的伏安特性(Volt-ampere characteristics)
1.二极管的伏安特性方程为:
I=Is(-1) (1.1.1)
式中,Is为反向饱和电流,室温下为常数;u为加在二极管两端电压;UT为温度的电压当量,当温度为室温27℃时,UT≈26mV.
当PN结正向偏置时,若u≥UT,则式(1.1.1)可简化为:IF≈ISeu/UT.
当PN结反向偏置时,若|u|≥UT,则式(1.1.1)可简化为:IR≈-IS.可知- IS与反向电压大小基本无关,且IR越小表明二极管的反向性能越好.
2.二极管的伏安特性曲线
如图1.1.6所示,二极管的伏安特性曲线分为三部分:
(1)正向特性:如图OABC段所示,其中OA段为死区,AB段为缓冲区,BC段为正向导通区.缓冲区对应有二极管导通压降UF,只有当u≥UF时,二极管才处于完全导通状态.硅二极管UF为0.7~0.8V,一般取0.7V,锗管UF为0.2~0.3V,通常取0.2V.当二极管为理想二极管时,UF=0.
(2)反向特性:如图OD段所示,二极管处于截止状态,在电路中相当于开关处于关断状态.
(3)反向击穿特性:如图所示,反向电流在E处急剧上升,这种现象称之为反向击穿(Reverse breakdown),此时所对应的电压为反向击穿电压UBR.对于非特殊要求的二极管,反向击穿时会使二极管PN结过热而损坏.
3. 温度对二极管特性的影响
半导体二极管的导电特性与温度有关,伏安特性随温度变化而变化.通常温度升高1℃,硅和锗二极管导通时的正向压降UF将减小2.5mv左右.
从反向特性看,半导体二极管温度每升高10℃,反向电流增加约一倍.当温度升高时,二极管反向击穿电压UBR会有所下降.
1.1.3.1 二极管的单向导电性
1.如图1.1.5所示,当图(a)中的开关闭合时,灯泡亮,而当图(b)中的开关闭合时,灯泡不亮,这是因为在图(a)中开关闭合时二极管正向偏置,而图(b)中二极管处于反向偏置.
2.二极管阳极电位高于阴极电位,称为二极管(PN结)正向偏置,简称正偏(Forward bias);二极管阳极电位低于阴极电位,称为二极管(PN结)反向偏置,简称反偏(Reverse bias).
3.结论:
(1)二极管正偏导通,反偏截止的这种特性称为单向导电性(Onilateral conductivity);
(2)二极管正偏导通时,渡过二极管的正向电流(Forward current)IF较大,此时二极管呈现出较小的正向电阻.
(3)二极管反偏截止时,流过二极管的反向饱和电流(Reverse saturation current)IS很小,此时,二极管呈现出较大的反向电阻.IS主要由少子运动形成的,它会随温度上升而显著增加.
1.1.4二极管的应用
一,二极管的主要参数(Parameter):
1.最大整流电流IF
最大整流电流IF是指二极管长期运行时允许通过的最大正向直流电流.IF与PN结的材料,面积及散热条件有关.大功率二极管使用时,一般要加散热片.在实际使用时,流过二极管最大平均电流不能超过IF,否则二极管会因过热而损坏.
2.最高反向工作电压URM(反向峰值电压)
URM是指二极管在使用时允许外加的最大反向电压,其值通常取二极管反向击穿电压的一半左右.在实际使用时,二极管所承受的最大反向电压值不应超过URM,以免二极管发生反向击穿.
3.反向电流IR
IR是指在室温下,二极管未击穿时的反向电流值.
4.最高工作频率
二极管的工作频率若超过一定值,就可能失去单向导电性,这一频率称为最高工作频率.
主要由PN结的结电容的大小来决定.点接触型二极管结电容较小,可达几百兆赫兹.面接触型二极管结电容较大,只能达到几十兆赫兹.
注意!手册上给出的参数是在一定测试条件下测得的数值.如果条件发生变化,相应参数也会发生变化.因此,在选择使用二极管时注意留有余量.
二极管阳极,阴极一般在二极管管壳上都注有识别标记,有的印有二极管电路符号.对于玻璃或塑料封装外壳的二极管,有色点或黑环一端为阴极.对于极性不明的二极管,可用万用表电阻档测二极管正,反向电阻,加以判断.
半导体二极管在低频电路中主要用于组成整流电路,限幅和小电压稳压电路等.
二,二极管限幅电路
限幅电路(Limiting Circuit):又称削波电路,是用来限制输入信号电压范围的电路.
单向限幅电路(Single Limiter):
上限幅电路:就是使输入信号上半周电压幅度被限制在一定值的电路.
下限幅电路:就是使输入信号下半周电压幅度被限制在一定值的电路.
双向限幅电路(Double Limiter):就是使输入信号的上,下半周电压幅度均被限制在各自一定值的电路.
1.1.4.2 低电压稳压电路
利用半导体二极管在正偏导通时导通电压基本不变的特性可组成低电压稳压电路.
1.2特种二极管
1.2.1 稳压二极管(Voltage regulator diode)
稳压二极管就是通过半导体特殊工艺处理后,使它具有很陡峭的反向击穿特性的二极管.又称齐纳二极管(Zener diode),简称稳压管.稳压二极管的电路符号与其伏安特性如图1.2.1所示.常用稳压二极管有2CW和2DW系列.
2.稳压管主要参数
(1)稳定电压UZ 它是指稳压管中电流为规定值IZ时的反向击穿电压.
(2)稳定电流IZ 它是指保持稳定电压UZ时的电流.也就是管子的最小稳定电流IZmin=IZ.当反向击穿电流小于IZmin时,管子不能稳压或效果不好.
(3)最大耗散功率PM和最大工作电流IZM
PM为稳压管所允许的最大功率,IZM为稳压管允许流过的最大工作电流,超过PM或IZM时,管子因温度过高而损坏.
PM=UZIZM
(4)动态内阻rZ 它是指稳压管两端电压变化量ΔUZ与相应电流变化量ΔIZ之比值.它反映管子的稳压性能,rZ越小,稳压性能越好.
(5)稳定电压的温度系数CTV
稳压管中流过的电流为IZ时,环境温度每变化10C,稳定电压相对变化量(用百分数表示)称为稳定电压的温度系数.它表示温度变化对稳定电压UZ的影响程度.
通常UZ8V的稳压管具有正温度系数,而UZ在6V左右时稳压管(如2DW7型)的温度系数最小.
1.2.2 变容二极管(Varactor diode)
1.变容二极管是利用PN结反偏时结电容大小随外加电压而变化的特性制成的.其电路符号如图1.2.2所示.
2.它主要在高频电路中用作自动调谐,调频,调相等,例如在电视接收机的调谐回路中作可变电容等.
1.2.3 肖特基二极管(又称为金属半导体二极管)
1.肖特基二极管是利用金属和N型或P型半导体接触形成具有单向导电性的二极管,其电路符号如图1.2.3所示.
2.肖特基二极管的工作速度快,故在数字集成电路中与晶体三极管做在一起,形成肖特基晶体管,以提高开关速度.还可用作高频检波和续流二极管等.
1.2.4 快速恢复二极管
快速恢复二极管电路符号如图1.2.4所示.它主要用于高速整流之中,在开关电源和逆变电源中作整流二极管,以降低关断损耗,提高效率和减小噪声.
1.2.5 SMT与微型二极管简介
目前,电子元器件正朝着短,小,轻,薄的方向发展.各种微型元器件相继问世,应用于计算机,电子仪器设备,家用电器中,如照相机,电子表,VCD,DVD等.随着微型元器件的问世,表面装配技术(Surface Mounting Technology,缩写为SMT)迅速推广应用,逐步取代传统的印制电路板打孔安装技术,表面装配技术也称为表面贴装技术.
微型元器件(亦称片状元器件)具有以下特点:
(1)微型化,例如电阻3216R,其外形尺寸3.2mm×1.6mm×0.6mm,电容1005C外形尺寸为1.0mm×0.5mm×0.35mm.
(2)引出端没有引线或只有很短的引线.
(3)能满足SMT的要求,能实现印制电路板中的印制导线高密度化.例如印制导线的线宽和线距可缩小为0.05~0.1mm.
微型元器件很多,从结构形状上划分,有薄片矩形,圆柱形,扁平异形等;从功能上分类,可分为无源微型元件SMC(如片状电阻器,电容器,电感器,滤波器和陶瓷振荡器等)和有源微型器件SMD(如微形二极管,晶体三极管,场效应管和数字,模拟集成器件等).
常见微型二极管有以下三种.
1.圆柱形无引线二极管
圆柱形微型二极管外形图如图1.2.5所示,图中标注尺寸单位为mm.它无引线,两个端面作阳极,阴极.外形尺寸有φ1.5mm×3.5mm和φ2.7mm×5.2mm.这种管子采用卷带式和盘式包装.
2.塑封矩形薄片二极管
这种微型二极管外形尺寸为3.8mm×1.5mm×1.1mm.包装采用卷带式和盘式.
3.SOT-23封装片状二极管
SOT-23封装形式有三条翼形短引线,外形如图1.2.6所示,图中标注尺寸单位为mm.
1.3.1三极管的结构,电路符号及分类
半导体三极管分为双极型三极管(Bipolar junction transistor,BJT)和单极型三极管.双极型三极管又称为晶体三极管,简称三极管(或晶体管),它是多数载流子与少数载流子均参与导电的三极管.)单极型三极管又称为场效应管(Field effect transistor,FET),它工作时只有多数载流子参与导电.
1.三极管的分类
(1)按结构划分:NPN和PNP.
(2)按所用半导体材料划分:硅管和锗管.
(3)按用途划分:放大管和开关管.
(4)按工作频率划分:低频管和高频管.
(5)按功率大小划分:小功率管,中功率管,大功率管.
2.三极管的结构,电路符号
三极管结构与符号如图所示.
它们有三区:集电区,基区,发射区;三极:各对应引出的电极分别称为集电极c(Collector),基极b(Base)和发射极e(Emitter);两结:发射区与基区之间的PN结称为发射结Je,基区与集电区之间的PN结称为集电结Jc.
晶体三极管是由两个PN结组成的
发射结
集电结
注意:
(1)两种管子的电路符号用发射极箭头方向的不同以示区别,箭头方向表示发射结正偏时发射极电流的实际方向.
(2)三极管具有信号放大作用.
(3)三极管具有电流放大作用的制造工艺条件:基区很薄且掺杂浓度低,发射区掺杂浓度高,集电结的面积比发射结的面积大等.
(4)在使用时三极管的发射极和集电极不能互换..
3.三极管命名方法
参阅附录表
查表练习:
3AX85C,3DX200B,3AK10,3AG53E,3AD50A,3DD101C.
1.3.2 三极管的电流放大作用及其放大基本条件
一,三极管各极的电流分配
NPN
RC
Rb
VCC
VBB
+
_
IB
IC
IE
Vo
现以 NPN型三极管的放大状态为例,来说明三极管内部的电流关系.
在发射结正偏,集电结反偏条件下,三极管中载流子的运动:
(1)发射区向基区注入电子:在VBB作用下,发射区向基区注入电子形成IEN,基区空穴向发射区扩散形成IEP.
IEN >> IEP方向相同
VBB
VCC
(2)电子在基区复合和扩散:由发射区注入基区的电子继续向集电结扩散,扩散过程中少部分电子与基区空穴复合形成电流IBN.由于基区薄且浓度低,所以IBN较小.
(3) 集电结收集电子:由于集电结反偏,所以基区中扩散到集电结边缘的电子在电场作用下漂移过集电结,到达集电区,形成电流ICN.
VBB
VCC
二,三极管的电流放大作用
1.三极管的电流放大作用就是基极电流IB的微小变化控制了集电极电流IC较大的变化.
2.三极管放大电流时,被放大的IC是由电源VCC提供的,并不是三极管自身生成的,放大的实质是小信号对大信号的控制作用.
3.三极管是一种电流控制器件.
三,三极管放大的基本条件
1.三极管具有放大作用的偏置条件:发射结正向偏置(Forward bias),集电结反向偏置(Reverse bais).
2.要使NPN型三极管具有放大作用则其三个极的电位关系必须满足:UC>UB>UE;对PNP型三极管则与之相反,即必须满足:UC0.3V的区域,即曲线的平坦部分.放大区的特点:① 发射结正偏导通,集电结反偏,且为0.7V(硅管)或0.2V(锗管);>1V;② iC与iB有固定关系,即iC=βiB,体现了三极管的放大作用.曲线间隔的大小反映出三极管电流放大能力的大小,即β值的大小;③iC大小与uCE基本无关.
(2)饱和区(Saturation region)
是指iB>0,uCE ≤0.3V的区域.饱和区的特点:①发射结和集电结均为正偏,且为0.7 V(硅管)或0.2V(锗管);=0.3V(硅管)或0.1V(锗管).② iC不受iB控制,即失去放大作用.③当uBE=uCE时,集电结零偏,为临界饱和状态.此时UCE称为饱和压降,用uCE(sat)表示;大小为0.3V(硅管)或0.1V(锗管).
(3)截止区(Cutoff region)
是指iB=0曲线以下的区域.特点:发射结反偏或零偏,集电结反偏,管子失去放大作用,处于截止状态,iC很小.此时的iC称为三极管的穿透电流ICEO.
(4)击穿区(Breakdown region)
当三极管uCE增大到某一值时,iC将急剧增加,特性曲线迅速上翘,这时三极管发生击穿.工作时应避免管子击穿.
4.PNP管特性曲线
由于电源电压极性和电流方向不同,PNP管与NPN管的特性曲线是相反,"倒置"的.
1.3.4 三极管的主要参数及温度对特性的影响
三极管的参数用来表征管子性能优劣和适用范围,它是合理选用三极管的依据.
一,电流放大系数(Current amplification factor)
电流放大系数是表征三极管放大能力的参数.电路工作状态有两种:电路无交流信号输入而工作在直流状态时,称为静态;电路有交流信号输入而工作在交流状态时,称为动态.
1.共射电流放大系数
,常数,前者反映静态时集电极电流与基极电流之比值;而后者反映动态时的电流放大作用.一般与β数值相近,在实际应用中=β,本课程统一用β表示.
.β与温度的关系
温度升高,β值增大.每升高1℃,β值增加0.5%~1%,反映在输出特性曲线上就是各条曲线的间距增大.
3.共基电流放大系数
,常数,前者反映静态时集电极电流与发射极电流之比值,而后者反映动态时的电流放大作用.
4.α与β的关系 .
二,极间反向电流
极间反向电流是由少数载流子形成的,其大小表征了管子的温度特性.
1.ICBO指发射极开路时,集电极和基极之间的反向饱和电流.ICBO很小,但受温度影响较大,温度升高,ICBO增加.一般硅管热稳定性比锗管好.图1.3.6a为该参数的测试电路.
2.ICEO是指基极开路时,集电极和发射极之间的反向饱和电流,又称为穿透电流.ICEO=(1+β) ICBO,且ICEO越小越好.其测试电路如图1.3.6b所示.
三,极限参数
它是表征三极管能安全工作的参数.
1.集电极最大允许电流ICM(Maximum allowable collector current)
是指当β下降到正常β值的2/3时所对应的IC值.当IC超过这个值时,放大性能下降或损坏管子.
2.反向击穿电压(Reverse breakdown voltage)
(1)U(BR)CBO 发射极开路时,集电极-基极之间允许施加的最高反向电压,其值通常为几十伏,有的管子高达几百伏.超过此值,集电结发生反向击穿.
(2)U(BR)EBO 集电极开路时,发射极-基极之间允许施加的最高反向电压,一般为几伏至几十伏,有的甚至小于1伏.超过此值,发射结发生反向击穿.
(3) U(BR)CEO 基极开路时,集电极与发射极之间所能承受的最高反向电压.超过此值,集电结发生反向击穿.IC急剧增加,为可靠工作,使用时VCC取U(BR)CEO的1/2或2/3.在输出特性曲线中,iB=0的曲线开始急剧上翘所对应的电压即为U(BR)CEO ,其值比U(BR)CBO小.温度升高,管子的反向击穿电压下降.
3.集电极最大允许耗散功率PCM(Maximum allowable power dissipation)
PCM的大小主要决定于允许的集电结结温.一般硅管约为150℃,锗管约为70℃.显然,PCM的大小与管子的散热条件及环境温度有关.且PCM= iCuCE,由此可画出三极管的安全工作区如图1.3.7所示.使用中,不允许超出安全工作区.
1.3.5 微型三极管简介
微型三极管又称表面安装三极管或贴片三极管,它的尺寸很小.下面介绍两种封装形式的微型三极管.
一,SOT-23塑封微型三极管
SOT-23封装的小功率三极管有三条翼形引线,功耗一般为150~300mW,它的外形如图1.3.8a所示.如日本NEC公司的2SC3583,2SC3585等.
二,SOT-143塑封微型三极管
SOT-143封装的片状三极管的外形尺寸如图1.3.8b所示,它有四条翼形短引线,用来封装高频三极管,采用卷带和盘式包装.
由于微型三极管体积小,管壳上不可能印上型号,故用代号或标记(标志)表示型号,其标记由字母和数字组成,最多不超过4 位.
微型三极管体积小,其功能与传统三极管功能相同.电路设计时,应考虑散热条件.另外,它还具有以下优点:可靠性高,抗振性好,高频特性佳,有利于电子设备实现自动化生产,降低产品生产成本.
