【正文】 ? 54 ? 第四章 常用半導體器件原理 54 圖中 ， 當 V ui V時 ， 二極管 D1和 D2都截止 ，ui直接輸入 A / D；當 ui V時 ， D1導通 ， D2截止 ， A / D的輸入電壓被限制在 V；當 ui V時 ， D1截止 ， D2導通 ， A / D的輸入電壓被限制在 V。 設 二極管的導通電壓 UD(on) = V， 在圖中 ， 當 V ui V時 ， 二極管 D1和 D2都截止 ， 電阻 R1和 R2中沒有電流 ， 集成運放的兩個輸入端之間的電壓為 ui；當 ui V時 ， D1導通 ， D2截止 ， R D1和 R2構(gòu)成回路 ， 對 ui分壓 ， 集成運放輸入端的電壓被限制在 UD(on) = V；當 ui V時 ， D1截止 ， D2導通 ， R D2和 R2 u i D 1 D 2 R 2 R 1 u o u i A / D 5 V D 1 D 2 R ? ? A E 構(gòu)成回路 ， 對 ui分壓 ， 集成運放輸入端的電壓被限制在 UD(on) = V。 綜合 uo的波形如圖 (c) 所示 ， 該電路把 ui超出 ? V的部分削去后進行輸出 ， 完成 雙向限幅 。 當 ui V時 ， D2導通 ， uo = V；當ui V時 ， D2截止 ， 支路等效為開路 ， uo = ui。 當 ui V時 ， D1導通 ， uo = V；當 ui V時 ， D1截止 ， 支路等效為開路 ， uo = ui。輸入電壓 ui的波形在圖 (b) 中給出，作出輸出電壓 uo的波形。 于是可以根據(jù) ui的波形得到 uo的波形 ， 如圖 (c) 所示 ， 該電路把 ui超出 V的部分削去后進行輸出 ， 是 上限幅 電路 。 R E ? ? u i ? ? u o t u i ( V ) 0 ( a ) ( b ) 2 V D 5 ? 5 t u o ( V ) 0 ( c ) ? 5 2 .7 ? 50 ? 第四章 常用半導體器件原理 50 解： D處于導通與截止之間的臨界狀態(tài)時 ， 其支路兩端電壓為 E + UD(on) = V。 ui R uo1 R D1 D2 R R ? 2 R uo ? ? A1 ? ? A2 ? 49 ? 第四章 常用半導體器件原理 49 二 、 限幅電路 ［例 ］二極管限幅電路如圖 (a) 所示，其中二極管 D的導通電壓 UD(on) = V，交流電阻 rD ? 0。當 ui 0時， uo1 = ui， uo = ui；當 ui 0時， uo = ui。為了實現(xiàn)精密全波整流，可以利用集成運放加法器，將半波整流的輸出與原輸入電壓加權相加。 據(jù)此可以根據(jù) ui的波形畫出 uo的波形以及傳輸特性 ， 如圖 (d) 所示 。 R L D 1 ? ? u i ? ? uo t u i 0 t u o 0 ( a ) ( b ) D 3 D 4 D 2 ( c ) u o u i 0 1 ? 1 ? 46 ? 第四章 常用半導體器件原理 46 ［例 ］分析圖示電路的輸出電壓 uo的波形和傳輸特性。 于是可以根據(jù) ui的波形得到 uo的波形 ， 如圖 (b) 所示 ， 傳輸特性則如圖 (c) 所示 。 輸出電壓 uo的正極與 ui的正極通過 D1相連 ， 它們的負極通過 D2相連 ， 所以 uo = ui；當 ui 0時 ， D1和 D2上加的是反向電壓 ， 處于截止狀態(tài) ，而 D3和 D4上加的是正向電壓 ， 處于導通狀態(tài) 。 R L D ? ? u i ? ? u o t u i 0 t 0 ( a ) ( b ) 0 .7 V u o ( c ) u o u i 0 0 .7 V 1 ? 44 ? 第四章 常用半導體器件原理 44 ［例 ］分析圖 (a) 所示的二極管橋式整流電路的工作原理，其中的二極管 D1 ~ D4為理想二極管，輸入電壓 ui的波形如圖 (b) 所示。 于是可以根據(jù) ui的波形得到 uo的波形 ， 如圖 (b) 所示 ， 傳輸特性則如圖 (c) 所示 。輸入電壓 ui的波形如圖 (b) 所示。 導通電壓和反向擊穿電壓均比 PN結(jié)低。 它的原理結(jié)構(gòu)圖和對應的電路符號如圖 1–24所示 。 當發(fā)光二極管正偏時 ， 注入到 N區(qū)和 P區(qū)的載流子被復合時 ， 會發(fā)出可見光和不可見光 。 前級 后級 光電二極管符號 ? 39 ? 第四章 常用半導體器件原理 39 其它二極管簡介 三 、 發(fā)光二極管是一種將電能轉(zhuǎn)換為光能的半導體器件 。 圖示出了光電二極管的電路符號 ， 其中 ， 受光照區(qū)的電極為前級 ， 不受光照區(qū)的電極為后級 。它的主要參數(shù)有：變?nèi)葜笖?shù) 、 結(jié)電容的壓控范圍及允許的最大反向電壓等 。 它的電路符號如圖所示 。 I Z ? ? R L R ? ? D Z I L U O U I ? ? U Z 1 2 V 1 k 解：當 R ? 200 ? 時 ， 穩(wěn)壓二極管 DZ處于擊穿狀態(tài) )mA(24LZZIZ ????RURUUI)V(6ZO ?? UU)V(1ILLO ??? URRRU當 R ? 11 k? 時 ， DZ 處于截止狀態(tài) ， IZ ? 0 ? 37 ? 第四章 常用半導體器件原理 37 其它二極管簡介 一 、 變?nèi)荻O管 如前所述 ， PN結(jié)加反向電壓時 ， 結(jié)上呈現(xiàn)勢壘電容 ， 該電容隨反向電壓增大而減小 。 uD iD 0 ? IZ m i n ? IZ m a x ? UZ i D IZ UZ uD ? ? ? ? ( a ) ( b ) 圖 4 .3 . 8 穩(wěn)壓二極管 ( a ) 電路符號； ( b ) 伏安特性 穩(wěn)壓二極管 ? 34 ? 第四章 常用半導體器件原理 34 穩(wěn)壓二極管 通常 : UZ 5V時具有負溫度系數(shù) (因齊納擊穿具有負溫系數(shù) )； UZ7V時具有正溫度系數(shù) (因雪崩擊穿具有正溫系數(shù) )； UZ在 5V到 7V之間時，溫度系數(shù)可達最小 ? 35 ? 第四章 常用半導體器件原理 35 I Z ? ? R L R ? ? D Z I L U O U I ? ? U Z LZZIZ RURUUI ???Z m i nL m i nZZIm i n IRURUU ???m a xm i nLZm i nLZ m i nZIm i n RRURIUUR ????Z m a xL m a xZZIm a x IRURUU ???m i nm a xLZm a xLZ m a xZIm a x RRURIUUR ????m i nLZm i nLZ m i nZIm i nm a xLZm a xLZ m a xZIm a x RURIUURRURIUU??????? 36 ? 第四章 常用半導體器件原理 36 ［例 ］穩(wěn)壓二極管電路如圖所示，穩(wěn)定電壓 UZ = 6 V。 IZ應大于 IZmin以保證較好的穩(wěn)壓效果 。 節(jié)點 A 的電壓 UA ? E ? I1R1 ? ? I2R2 ? ? E ? UD(on) ? ? ， 解得 I1 ? mA， I2 ? mA， 于是 ID ? I1 ? I2 ? mA 。已知二極管的導通電壓 UD(on) = V，交流電阻 rD 近似為零。 減小 ， 雪崩擊穿電壓增大，齊納擊穿電壓減小。 ? 29 ? 第四章 常用半導體器件原理 29 二 、 二極管的管壓降 u D i D U D ( on) 0 伏安特性曲線 Q E E ? R 負載線 U D I D ? ? E i D ? ? u D ( a ) ( b ) R 圖 二極管的管壓降 ( a ) 電路； ( b ) 伏安特性和負載特性 D 當電源電壓 E 變化時 ， 負載線平移到新的位置 ， 雖然 ID 有比較大的變化 ， UD 變化卻不大 ， 仍然近似等于 UD(on) ， 所以也可以認為 UD(on) 是導通的二極管兩端固定的管壓降 。 Z:整流 (1N4001) ； K:開關 (1N4148) GaAsAlGaAs 諧振腔發(fā)光二極管 Ge二極管 Si二極管 ? 28 ? 第四章 常用半導體器件原理 28 晶體二極管 二極管的伏安特性 一一 指數(shù)特性 )1()1( TDD /S/SD ???? UukTqu eIeIiIS 為反向飽和電流， q 為電子電量 ( ? 10? 19C) ； UT = kT/q，稱為熱電壓，在室溫 27℃ 即 300 K 時，UT = 26 mV。 ? 27 ? 第四章 常用半導體器件原理 27 晶體二極管 PN結(jié)＋電極引線＋封裝 二極管 P N 正極 負極 結(jié)構(gòu)示意圖 電路符號 負極 正極 新： 舊： 負極 正極 分類： 材料：硅 /鍺 ； 結(jié)構(gòu)：點接觸 /面接觸 功能： 普通二極管、穩(wěn)壓二極管、變?nèi)荻O管、光電二極管等 2:二極管 2AP 2CZ… . A: N型鍺材料； B:P型鍺材料； C: N型硅材料 。 CT 和 CD 都隨外加電壓的變化而改變 ， 所以都是非線性電容 。 當反向電壓 u 絕對值增大時， CT 將減小 。 可逆性： P=UI PMAX 串限流電阻 穩(wěn)壓二極管 ? 25 ? 第四章 常用半導體器件原理 25 PN 結(jié)的電容特性 PN 結(jié)能夠存貯電荷，而且電荷的變化與外加電壓的變化有關，這說明 PN 結(jié)具有電容效應。 u i 0 － UBR 1 輕摻雜 , 外加反向電壓 耗盡區(qū)較寬 少子漂移被加速 ， 動能增大 碰撞 電子 、 空穴對 ( UBR7V ) 2 重摻雜 ， 外加反向電壓 耗盡區(qū)很窄 強電場 耗盡區(qū)中性原子的價電子直接拉出共價鍵 ， 產(chǎn)生大量電子 、 空穴對 ， 使反向電流急劇增大 。在 T=300K(27℃ )時， UT =26mV 正 : U UT , e u/UT 1 , i≈ISe u/UT 反 : U UT , e u/UT 1 , i≈IS u i 0 － UBR ? ? ? ?? ?1/e x p/e x p2 ??? ?? n k TqVkTqTAAI b?? ?kTqTAAI b /e x p20 ??? ?? PN 結(jié)的擊穿特性 當 PN 結(jié)上的反向電壓足夠大時，其中的反向電流會急劇增大，這種現(xiàn)象稱為 PN 結(jié)的擊穿。 K : 玻爾茲曼常數(shù)（ *106V/K） 。而在反偏時，少子只能提供很小的漂移電流，并且基本上不隨反向電壓而變化。 在摻雜濃度不對稱的 PN 結(jié)中 ， 耗盡區(qū)在重摻雜一邊延伸較小 ， 而在輕摻雜一邊延伸