电子电路电气 第三章

第3章

半导体基础及常用器件3.1半导体的基础知识3.2半导体二极管3.3三极管

3.1半导体的基础知识

3.1.1半导体的特性导体的最外层电子数通常是1~3个,绝缘体的最外层电子数往往是6~8个,而半导体的最外层电子数为4个,常温下存在的自由电子数介于导体和绝缘体之间,因而在常温下半导体的导电能力也介于导体和绝缘体之间。

常用的半导体材料有硅、锗、硒等。现在市场上更多地使用硅半导体材料制成各种半导体器件。

半导体的导电能力虽然介于导体和绝缘体之间,但半导体的应用却极其广泛,这是由半导体

的独特性能决定的。半导体有以下特性:

(1)热敏性:随着环境温度变化,半导体的导电能力变化很大。

(2)光敏性:受到光照时,有的半导体导的电率会迅速增加。

(3)掺杂性:在半导体中掺入微量特定杂质,其导电性可能大大增加。

根据半导体的以上特点,可将半导体做成各种热敏、光敏元件以及二极管、三极管等半导体器件。3.1.2本征半导体

天然的硅和锗是不能制作成半导体器件的,它们必须经过拉单晶工艺提炼成纯净的单晶体。单晶体的晶格结构完全对称,其原子排列得非常整齐,故常被称为晶体,同时也被为本征半导体。

常温下,本征半导体中的束缚价电子很难脱离共价键的束缚成为自由电子,因此本征半导体的自由电子数目很少,导电性能很弱,本征半导体的共价键结构如图3-1所示。图3-1硅晶体共价键结构

半导体的共价键并不是非常坚固,在受到温度、光、磁等能量的激发作用时,共价键中的一些价电子获得足够的能量,从而摆脱共价键的束缚,带负电荷的电子便可以移动了,从而形成了电流。这个电子离开原子后,共价键就少了一个电子,留下一个空位置(称为空穴),该原子同时变成了带正电荷的离子。因为这种带正电荷的离子都有一个空穴,我们可以将空穴视为带正电荷的“粒子”(实际上空穴不是粒子,但是原子有空穴,就代表此处有正电荷)。

这种由于热激发产生了一对“自由电子”和“空穴”的过程,称为本征激发。自由电子带负电荷,空穴带正电荷。自由电子和空穴都是半导体的载流子。同理,自由电子和空穴也可以复合。

本征半导体通常很少见,大多都是杂质半导体。3.1.3杂质半导体

1.P

型半导体

在本征半导体(如纯净的硅片)中掺入少量的三价元素(如硼)后,三价硼原子取代了纯净硅片上的硅原子,由于硼原子最外层只带3个电子,在与最外层带4个电子的硅原子形成共价键之后,将会产生一个带正电荷的空穴,这种掺入三价杂质元素的半导体称为P型半导体,P型半导体主要靠空穴导电,P代表正极性Positive。P型半导体结构如图3-2左侧部分所示。

2.N

型半导体

在本征半导体中掺杂五价元素(如磷)后,磷原子取代了纯净硅片上的硅原子,由于磷原子最外层带5个电子,与最外层带4个电子的硅原子形成共价键之后,将会剩下1个带负电荷的电子,多出的1个电子几乎不受束缚,较为容易地成为自由电子。这种掺入五价杂质元素的半导体称为电子型半导体或N型半导体,N型半导体主要靠自由电子导电,N代表负极性Negative。N型半导体结构如图3-2右侧部分所示。图3-2杂质半导体3.1.4PN结

把一块P型半导体和N型半导体紧密连接在一起时(实际上只能用化学方法将两个原来独立的锗片合在一起),就会发现一个奇怪的现象:在它们的两端加上适当的电压时,会产生单向导电现象。这是由于在P型半导体与N型半导体的交界面上形成了一个PN结的结构,单向导电现象就发生在这一薄薄的PN结中。PN结是晶体管的基础,它是由扩散形成的,如图3-3所示。图3-3PN结

PN结最显著的特点是单向导电性。

(1)PN结正向导通。把电源电压的正极与P区引出端相连,负极与N区引出端相连时,称为PN结正向偏置。在一定范围内,外电场愈强,正向电流愈大,这种情况称为PN结正向导通。

(2)PN结反向截止。把电源的正负极位置对换,即P区接电源负极,N区接电源正极,称为PN结反向偏置,在一定范围内,反向电流极小,通常认为反向偏置的PN结不导电,即反向截止。PN结的单向导电特性如图3-4所示。图3-4PN结的单向导电特性

3.2半导体二极管

将PN结两端各加上一根相应的电极引线,再用外壳进行封装,就构成一个二极管。二极管是最早诞生的半导体器件之一,其应用非常广泛,特别是在各种电子电路中,利用二极管和电阻、电容等元器件进行合理的连接,构成不同功能的电路,可以实现对交流电整流,对调制信号检波、限幅和钳位及对电源电压稳压等多种功能。无论是在常见的收音机电路,还是在其他家用电器产品或工业控制电路中,都可以找到二极管的踪迹。3.2.1二极管的基本结构与类型

1.部分二极管实物图2.常见二极管电路图符号

图3-5所示是常见二极管的电路图符号,在电路图中通常用字母VD表示二极管。二极管只

有两根引脚,电路图符号中表示出了这两根引脚,同时也表示出了二极管的正负极性,三角形底

边这端为正极,另一端为负极。电路图符号形象地表示了二极管工作电流的方向,流过二极管的

电流从其正极(P区)流向负极(N区),电路图形符号中三角形的指向是电流流动的方向。图3-5常见二极管电路图符号3.二极管的种类

二极管种类的一般性说明见表3-2。3.2.2二极管的主要特性

1.二极管的单向导电性

二极管共有两种工作状态:截止和导通。二极管截止和导通需要有一定的工作条件。

1)二极管正向导通工作状态

如果给二极管正极加的电压高于负极电压,只要正向电压达到一定的值,二极管便导通,导通后二极管相当于一个导体,二极管的两根引脚之间的电阻很小,相当于接通。二极管导通后,所在回路存在电流,电流流动方向从二极管的正极流向负极,如图3-6所示,电流不能从负极流向正极,否则说明二极管已经损坏。二极管导通的条件为正向偏置电压大到一定程度,硅管为0.6~0.8V,锗管为0.2~0.3V。图3-6二极管正向导通2)二极管截止工作状态

如果给二极管正极加的电压低于负极电压,我们称这种情况为二极管反向偏置(PN结反偏)。

给二极管加上反向偏置电压后,二极管两根引脚之间的电阻很大,相当于开路,二极管处于截止

状态,如图3-7所示。只要加的是反向偏置电压,二极管中就没有电流流动。如果加的反向偏置电压过大,二极管就会被击穿,此时电流将从负极流向正极,说明二极管已经损坏。

图3-7二极管反向截止3)二极管导通和截止工作状态判断方法

在分析二极管电路时,一般要首先判断二极管的工作状态。二极管工作状态识别方法说明见

表3-3。

2.二极管的伏安特性

加到二极管两端的电压U与流过二极管的电流I之间的关系,称为二极管的伏安特性。二极管的伏安特性曲线直观地表现了二极管的单向导电性,如图3-8所示。

图3-8二极管伏安特性曲线

曲线中横轴是电压U,即加到二极管两极引脚之间的电压,正电压表示正极电压高于负极电压,负电压表示正极电压低于负极电压。纵轴是流过二极管的电流I,正方向表示电流从正极流向负极,负方向表示电流从负极流向正极。

从图3-8二极管的正向特性曲线可以看出,给二极管加的正向电压小于一定值时,正向电流很小,当正向电压达到一定程度后,正向电流迅速增大,并且正向电压稍增大一点,正向电流就增大许多。使二极管正向电流开始迅速增大的正向电压称为正向导通电压。

从图3-8二极管的反向特性曲线可以看出,给二极管加的反向电压小于一定值时,反向电流始终很小,当所加的反向电压达到一定值时,反向电流迅速增大,二极管处于电击穿状态。使反向电流开始迅速增大的反向电压称为反向击穿电压。当二极管处于反向击穿状态时,它便失去了单向导电性

3.电击穿

电击穿不是永久性的击穿,将加在二极管上的反向电压去掉后,二极管仍然能够恢复正常特性,不会损坏,只是存在损伤。利用电击穿时PN结两端电压变化很小而电流变化很大的特点,人们制造出了工作在反向击穿区的稳压管。

4.热击穿

若PN结两端加的反向电压过高,则反向电流将急剧增加,从而造成PN结上的热量不断积累,引起其结温的持续升高,当这个温度超过PN结最大允许结温时,PN结就会发生热击穿,从而使PN结永久损坏。3.2.3二极管的主要参数

(1)最高工作频率fM,是指二极管能承受的最高频率。若通过PN结的交流电频率高于此值,则二极管就可能失去单向导电性,它主要是由PN结的结电容大小决定的。

(2)最高反向工作电压URM,是指二极管长期正常工作时所允许的最高反向电压。若超过此值,则PN结就有被击穿的可能。对于交流电来说,最高反向工作电压也就是二极管的最高工作电压,一般为反向击穿电压的1/2~2/3。锗二极管的最高反向工作电压一般为数十伏以下,而硅二极管可达数百伏。

(3)最大反向电流IR,是指二极管的两端加上最高反向电压时的反向电流值。反向电流越大,则二极管的单向导电性能越差,这样的管子容易烧坏,整流效率也差。硅二极管的反向电流约在1mA以下,大的有几十微安,大功率的管子也有高达几十毫安的。锗二极管的反向电流比硅二极管大得多,一般可达几百微安。

(4)最大整流电流IFM,是指二极管能长期正常工作的最大正向电流。因为当电流通过二极管时,二极管就会发热,如果正向电流超过此值,二极管就会有烧坏的危险,所以用二极管整流时,流过二极管的正向电流(既输出直流)不允许超过最大整流电流。锗二极管的最大整流电流一般在几十毫安以下,硅二极管的最大整流电流可达数百安。3.2.4二极管的应用

1.整流

整流二极管主要用于整流电路,即把交流电变换成脉动直流电。整流二极管都是面结型,因此结电容较大,使得其工作频率较低,一般为3kHz以下。

2.开关

二极管在正向电压作用下的电阻很小,处于导通状态,相当于一只接通的开关;在反向电压作用下,电阻很大,处于截止状态,如同一只断开的开关。利用二极管的开关特性,可以使其作为数字电路的开关元件。

3.限幅

二极管正向导通后,它的正向压降基本保持不变(硅管为0.7V,锗管为0.3V)。利用这一特性,在电路中将其作为限幅元件,可以把信号幅度限制在一定范围内。

4.检波

检波二极管的主要作用是把高频信号中的低频信号检出,这种二极管的结构为点接触型,其结电容较小,工作频率较高,一般都采用锗材料制成。

5.阻尼

阻尼二极管多用在高频电压电路中,能承受较高的反向击穿电压和较大的峰值电流,一般用在电视机电路中。常用的阻尼二极管有2CN1、2CN2、BSBS44等。

6.稳压

稳压二极管是利用二极管的反向击穿特性制成的,在电路中其两端的电压保持基本不变,起到稳定电压的作用。常用的稳压管有2CW55、2CW56等。3.2.5特殊二极管

1.发光二极管

当半导体中的电子与空穴复合时能辐射出可见光,由此制出了发光二极管(LightEmittingDiode,LED)。发光二极管由含镓(Ga)、砷(As)、磷(P)、氮(N)等元素的半导体材料制成,是一种常用的发光器件。

发光二极管在照明领域应用广泛,在电路及仪表中通常作为指示灯显示文字或数字。发光二极管可以将电能转换为光能,同时也具有普通二极管的单向导电性。当发光二极管外加正向电压时,二极管导通,电能转换成光能,二极管发光。

发光二极管的发光颜色主要由制作管子的材料以及掺入杂质的种类决定。目前常见的发光二极管的发光颜色主要有蓝色、绿色、黄色、红色、橙色、白色等。其中白色发光二极管是新型产

品,主要应用在手机背光灯、液晶显示器背光灯以及照明等方面。

发光二极管的工作电流通常为2mA~25mA。工作电压(即正向压降)随着材料的不同而不同。普通绿色、黄色、红色、橙色发光二极管的工作电压约2V;白色发光二极管的工作电压通常高于2.4V;蓝色发光二极管的工作电压通常高于3.3V。发光二极管的工作电流不能超过额定值太高,否则,有烧毁的危险。因此通常在发光二极管回路中串联一个限流电阻。2.光电二极管

光电二极管和普通二极管一样,也是由一个PN结组成的半导体器件,具有单向导性。其外观如图3-9所示。

光电二极管在制作时采用比较大的PN结。在反向电压下,没有光照时光电二极管反向电流极其微弱;有光照时反向电流迅速增加,此时反向电流称为光电流。光电流随着光照强度的增加而增大。利用光电二极管的这一特点,通常把它作为电路中的光电传感器件。

光电二极管还应用于消费电子领域,例如CD播放器、烟雾探测器以及家用电器的红外遥控设备。在科学研究与工业领域,光电二极管通常被用来测量光强,因为它比其他光导材料具有更好的线性。图3-9光电二极管3.稳压二极管

稳压二极管是一种特殊的面接触型硅二极管,它利用PN结反向击穿时的电压基本上不随电流的变化而变化这一特点达到稳压的目的。因为稳压二极管在电路中能起稳压作用,因此将其称为稳压二极管。其电路图符号见图35,伏安特性曲线如图3-10所示。由图3-10可以看出,其正向特性与普通二极管相似,反向击穿特性较普通二极管陡直,说明反向电压达到稳压值时,即使电压有一微小的增加,反向电流也会骤增,此时二极管处于击穿状态。图3-10稳压二极管的伏安特性曲线

如果在电路中串联一个适当的限流电阻,就能保证稳压二极管工作于可逆的电击穿状态,而不会达到热击穿使管子烧毁。在电击穿状态下,通过稳压二极管的电流在很大范围内变化,而二极管两端的电压几乎不变,利用这一点可以达到稳压的目的。

稳压二极管的主要参数如下:

(1)稳定电压Uz:稳压二极管反向击穿后稳定工作时的电压值称为稳定电压;稳压二极管的型号不同,Uz

的大小不同,可以根据需要查手册确定。

(2)稳定电流Iz:它是指稳压二极管工作电压等于Uz

时的稳定工作电流。

(3)动态电阻Rz:稳压二极管在反向击穿时,电压变化量ΔUz

与电流变化量ΔIz

之比称为动态电阻,动态电阻越小说明稳压性能越好。

(4)最大稳定电流Izm:它是指稳压二极管的最大允许电流,在使用时实际电流不得超过此值,否则可能导致稳压二极管因热击穿而损坏。

(5)耗散功率Pzm:反向电流通过稳压二极管的PN结时,会产生一定的功率耗散使PN结的结温升高,Pzm

是稳压二极管正常工作时能够耗散的最大功率,它等于稳定电压Uz

与最大稳定电流Izm

的乘积。

(6)温度系数α:稳压管的温度变化会导致稳定电压发生微小变化,因此温度变化1℃所引起两端电压的相对变化量即是温度系数。温度系数越小越好,说明稳压管受温度影响很小。

3.3三

极

管

三极管是半导体基本元器件之一,全称为半导体三极管,俗称晶体管。半导体三极管是电子电路的核心元件,三极管的产生使PN结的应用发生了质的飞跃。

通过一定的工艺措施,将两个PN结背靠背地有机结合起来,就构成了一个三极管。两个PN结把整块半导体分成三部分,中间部分是基区,两侧部分是发射区和集电区,按PN结的组合方式,三极管可分为PNP型和NPN型两种。

三极管在中文含义里面只是对三个引脚的放大器件的统称,我们常说的三极管实物如图3-11所示。三极管的三根引脚,分别为基极(B)、集电极(C)和发射极(E),各引脚不能相互代用。图3-11三极管实物图3.3.1三极管的种类

在电子电路发展的早期,由于锗晶体较易获得,主要研制应用的是锗晶体三极管。硅晶体出现后,由于硅管生产工艺很高效,锗管逐渐被淘汰。经过半个世纪的发展,三极管种类繁多,形貌各异。

三极管额定功率越大,其体积就越大,又由于封装技术的不断更新发展,三极管有多种多样的封装形式。目前用得最多的是塑料封装三极管,其次为金属封装三极管。常见的三极管种类及实物说明见表3-4。实物图及名称说

明金属封装大功率三极管

大功率三极管是指它的输出功率比较大,用来对信号进行功率放大。通常情况下,三极管输出的功率越大,其体积越大。金属封装大功率三极管体积较大,结构为帽子形状,帽子顶部用来安装散热片,其金属外壳本身就是一个散热部件,两个孔用来固定三极管。这种金属封装的三极管只有基极和发射极两根引脚,集电极就是三极管的金属外壳塑料封装大功率三极管

塑料封装大功率三极管有3根引脚,顶部有一个开孔的小散热片。因为大功率三极管的功率比较大,三极管容易发热,因此要设置散热片,根据这个特点可以判断一个三极管是不是大功率三极管塑料封装小功率三极管

塑料封装小功率三极管是电子电路中用得最多的三极管。它的形状有很多种,3根引脚的分布也不同。小功率三极管主要用来放大信号电压和作为各种控制电路中的控制器件金属封装高频三极管

高频三极管的工作频率很高,采用金属封装,其金属外壳可以起到屏蔽的作用贴片三极管

贴片三极管与其他贴片元器件一样,它的3根引脚非常短,一般安装在电路板的铜箔电路一面3.3.2三极管的结构

三极管按材料可分为锗管和硅管,这两种三极管分别又有NPN和PNP两种结构形式,通常使用最多的是硅NPN和锗PNP两种三极管。

1.NPN型三极管

NPN型三极管由三块半导体构成,包括两块N型和一块P型半导体,其中P型半导体在中间,两块N型半导体在两侧。NPN型三极管结构和电路图符号如图3-12所示,在P型和N型半导体的交界面处形成两个PN结,这两个PN结与前面介绍的二极管PN结具有相似的特性。图3-12NPN三极管结构示意图与电路图符号2.PNP型三极管

图3-13所示是PNP型三极管,它与NPN型三极管基本相似,只是用了两块P型半导体,一块N型半导体。PNP与NPN三极管电路图符号的不同之处是发射极箭头方向不同。PNP型三极管电路图符号中发射极箭头朝内,而NPN型三极管相反,以此可以方便地区别电路中这两种极性的三极管。

图3-13PNP型三极管结构示意图及电路图符号3.3.3三极管的电流放大作用

1.三极管各电极上的电流分配

将NPN型晶体三极管接成如图314所示的电路。在电路中用三个电流表分别测量三极管的集电极电流IC、基极电流IB和发射极电流IE。改变电路中基极电压源的数值而使基极电流IB发生变化,便可相应地测出集电极电流IC及发射极电流IE的大小。表35为三个电流表中读出的8组IB、IC、IE的数值。图3-14共发射极接法的三极管电路

根据表35中的8组数值,我们可以得出以下结论:(1)发射极电流等于集电极电流与基极电流之和,这就是三极管中三个电极上的电流分配关系,即IE=IB+IC。(2)从表35中还可以看到,当基极电流IB从0.02mA变化到0.04mA时(变化量ΔIB=0.04-0.02=0.02mA),集电极电流也相应地从0.98mA变化到1.96mA,(变化量ΔIC=1.96-0.98=0.98mA),这说明基极电流IB的微小变化,能引起集电极电流IC的较大变化,即三极管基极电流对集电极电流有放大作用。

通常将集电极电流的变化量ΔIC与基极电流的变化量ΔIB之比,称为共射极电流放大系数,或称为电流放大倍数,用符号β表示。从表35中可算出该三极管的电流放大倍数,即

电流放大倍数是晶体三极管的重要参数,三极管的β值一般在10~200之间,有些三极管用顶部颜色来表示β的分挡值。黄色:电流放大倍数为25~50;绿色:50~65;紫色:65~85;白色:85~110;棕色:110~140;黑色:140~180。

2.三极管放大电流的基本条件

三极管能够放大电流必须具备一定的外部条件:三极管的发射结加正向电压(发射结正偏),集电结加反向电压(集电结反偏)。3.3.4三极管的伏安特性

三极管伏安特性曲线是反映三极管各电极电压和电流之间相互关系的曲线,是用来描述晶体三极管工作特性的曲线,常用的特性曲线有输入特性曲线和输出特性曲线。这里以图3-14所示的共发射极电路来分析三极管的特性曲线。

1.输入特性曲线

输入特性曲线表示当发射极与集电极之间的电压UCE为常数时,输入电路中基极电流IB与输入电压UBE(即基极与发射极间电压)之间的关系曲线,如图3-15所示。图3-14共发射极接法的三极管电路图3-15三极管输入特性曲线

从输入曲线图可看出,当UCE=0时,晶体三极管的输入特性曲线与二极管的正向伏安特性曲线相似,这是因为此时发射结和集电结都正向偏置,三极管相当于两个二极管并联。

当UCE不等于0时,保持UBE不变,IB随UCE值的增加而减小,这是因为有了UCE的作用,原来的发射极流入基极的电流有一部分流到集电极去了。当UCE增加到1V以后再继续增加,由于发射极电流绝大部分已经流进集电极,因此IB基本稳定,通常只画出UCE>1V的一条输入特性曲线即可。

三极管在正常工作时,UBE是很小的,仅有零点几伏。如果UBE太大可能导致由于IB剧烈增加而损坏三极管,一般情况下,硅管发射结电压UBE

在0.7V左右,锗管发射结电压UBE在0.3V左右。2.输出特性曲线

输出特性曲线表示基极电流IB一定时,三极管输出电压UCE与输出电流IC之间的关系曲线,如图3-16所示。图中的每条曲线表示,当固定一个IB值时,调节集电极电阻RC

所测得的不同UCE下的IC值。根据输出特性曲线,三极管的工作状态分为三个区域。图3-16三极管的输出特性曲线(1)放大区。输出特性曲线近于水平的部分是放大区,此区域中三极管的发射结正向偏置,集电结反向偏置。放大区的特点是IC=βIB,即集电极电流的大小受基极电流的控制,这就是三极管的电流放大作用。从图3-16中可以看出,当UCE超过某一数值后曲线基本上是平直的,这是因为当集电结电压增大后,原来流入基极的电流绝大部分被集电极拉走,所以当UCE再继续增大时,电流IC变化很小。在放大电路中,必须使三极管工作在放大区。

(2)截止区。截止区是包括IB=0及IB<0(即IB与原方向相反)的一组工作曲线。当IB=0