【正文】 2 ? 第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 32 【 例 】 電路如圖 (a) 所示，計(jì)算二極管中的電流 ID 。 圖 計(jì)算二極管電流 ( a ) 原電路； ( b ) 等效電路 ( b ) V 6 V ? 6 V R 1 2 k R 2 1 k I 1 I 2 ( a ) 6 V ? 6 V R 1 2 k R 2 1 k A I D I D D E ? E E ? E 解： 可以判斷二極管處于導(dǎo)通狀態(tài) ， 將相應(yīng)的電路模型代入 ， 得到圖 (b) 。 ? 33 ? 第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 33 工作電流 IZ可以在 IZmin到 IZmax的較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié) ， 兩端的反向電壓成為 穩(wěn)定電壓 UZ。 同時(shí) ， 外電路必須對(duì) IZ進(jìn)行限制 ， 防止其太大使管耗過大 ， 甚至燒壞 PN結(jié) ， 如果穩(wěn)壓二極管的最大功耗為PM， 則 IZ應(yīng)小于 IZmax ? PM ? UZ。當(dāng)限流電阻 R = 200 ? 時(shí)，求工作電流 IZ 和輸出電壓 UO；當(dāng) R = 11 k? 時(shí)，再求 IZ 和 UO 。利用這一特性制作的二極管 ， 稱為變?nèi)荻O管 。 變?nèi)荻O管的結(jié)電容與外加反向電壓的關(guān)系由式 (1–5)決定 。 變?nèi)荻O管符號(hào) ? 38 ? 第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 38 其它二極管簡介 二 、 光電二極管是一種將光能轉(zhuǎn)換為電能的半導(dǎo)體器件 ， 其結(jié)構(gòu)與普通二極管相似 ， 只是管殼上留有一個(gè)能入射光線的窗口 。 和普通二極管相比 ， 在結(jié)構(gòu)上不同的是 ，為了便于接受入射光照 ， PN結(jié)面積盡量做的大一些 ， 電極面積盡量小些 ， 而且 PN結(jié)的結(jié)深很淺 ， 一般小于 1微米 。 它由一個(gè) PN結(jié)構(gòu)成 ， 其電路符號(hào)如圖所示 。 發(fā)光二極管符號(hào) 四 、 ? 40 ? 第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 40 其它二極管簡介 藍(lán)色發(fā)光二極管 ? 41 ? 第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 41 其它二極管簡介 五 、 肖特基二極管 當(dāng)金屬與 N型半導(dǎo)體接觸時(shí) ， 在其交界面處會(huì)形成勢壘區(qū) ， 利用該勢壘制作的二極管 ， 稱為肖特基二極管或表面勢壘二極管 。 N 型 半導(dǎo)體 ( a ) 金屬 ( b ) (a)結(jié)構(gòu)示意圖； (b)電路符號(hào) + + + + + + + + + + + + 與 PN結(jié)二極管比較： 相同點(diǎn)：具有單向?qū)щ娦裕? 相異點(diǎn)：肖特基二極管是依靠多數(shù)載流子工作的器件，無少子存 儲(chǔ)效應(yīng)（ CD），高頻特性好。 ? 42 ? 第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 42 二極管應(yīng)用電路舉例 一 、 整流電路 ［例 ］分析圖 (a) 所示的二極管整流電路的工作原理，其中二極管 D的導(dǎo)通電壓 UD(on) = V，交流電阻 rD ? 0。 R L D ? ? u i ? ? u o t u i 0 ( a ) ( b ) ? 43 ? 第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 43 解：當(dāng) ui V時(shí) ， D處于導(dǎo)通狀態(tài) ， 等效成短路 ， 所以輸出電壓 uo = ui ；當(dāng) ui V時(shí) ， D處于截止?fàn)顟B(tài) ， 等效成開路 ， 所以 uo = 0。 電路實(shí)現(xiàn)的是 半波整流 ，但是需要在 ui的正半周波形中扣除 UD(on) 得到輸出 。 RL D1 ? ? ui ? ? uo t ui 0 ( a ) ( b ) D3 D4 D2 ? 45 ? 第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 45 解：當(dāng) ui 0時(shí) ， D1和 D2上加的是正向電壓 ， 處于導(dǎo)通狀態(tài) ，而 D3和 D4上加的是反向電壓 ， 處于截止?fàn)顟B(tài) 。 uo的正極與 ui的負(fù)極通過 D4相連 ， D3則連接了 uo的負(fù)極與 ui的正極 ， 所以 uo = ui。 電路實(shí)現(xiàn)的是 全波整流 。 u i ( a ) R 1 u o R 2 D 1 D 2 u i ( b ) R 1 u o R 2 12RR?? ? A ? ? A ? 47 ? 第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 47 解：當(dāng)輸入電壓 ui 0時(shí) ， 二極管 D1截止 ， D2導(dǎo)通 ， 電路等效為圖 (b) 所示的反相比例放大器 ， uo = (R2 / R1)ui；當(dāng) ui 0時(shí) ， D1導(dǎo)通 ，D2截止 ， 等效電路如圖 (c) 所示 ， 此時(shí) uo = u = u+ = 0。 ui ( a ) R1 uo R2 D1 D2 ui ( b ) R1 uo R2 ui ( c ) R1 uo R2 ( d ) t ui 0 t uo 0 uo ui 0 12RR?? ? A ? ? A ? ? A ? 48 ? 第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 48 例 。如圖所示， uo = ui 2uo1。 因此在任意時(shí)刻有 uo = | ui |，所以該電路也稱為 絕對(duì)值電路 。輸入電壓 ui的波形在圖 (b) 中給出，作出輸出電壓 uo的波形。 當(dāng) ui V時(shí) ， D導(dǎo)通 ， 所以 uo = V；當(dāng) ui V時(shí) ， D截止 ， 其支路等效為開路 ， uo = ui。 R E ? ? u i ? ? u o t u i ( V ) 0 ( a ) ( b ) 2 V D 5 ? 5 2 .7 t u o ( V ) 0 ( c ) ? 5 2 .7 ? 51 ? 第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 51 ［例 ］二極管限幅電路如圖 (a) 所示，其中二極管 D1和D2的導(dǎo)通電壓 UD(on) = V，交流電阻 rD ? 0。 R E ? ? ui ? ? uo t ui ( V ) 0 ( a ) ( b ) 2 V D2 5 ? 5 E 2 V D1 ? 52 ? 第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 52 解： D1處于導(dǎo)通與截止之間的臨界狀態(tài)時(shí) ， 其支路兩端電壓為 E UD(on) = V。 所以 D1實(shí)現(xiàn)了下限幅； D2處于臨界狀態(tài)時(shí) ， 其支路兩端電壓為 E + UD(on) = V。 所以 D2實(shí)現(xiàn)了上限幅 。 R E ? ? u i ? ? u o t u i ( V ) 0 ( a ) ( b ) 2 V D 2 5 ? 5 2 .3 t u o ( V ) 0 ( c ) E 2 V D 1 ? 2 .3 2 .3 ? 2 .3 ? 53 ? 第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 53 限幅電路的基本用途是控制輸入電壓不超過允許范圍 ，以保護(hù)后級(jí)電路的安全工作 。 該電路把ui限幅到 V到 V之間 ，保護(hù)集成運(yùn)放 。 該電路對(duì) ui的限幅范圍是 V到 V。輸入電壓 ui的波形在圖 (b) 中給出，作出輸出電壓 uo的波形。 由此得到圖 (c) 所示的 uo波形 。其中集成運(yùn)放用作反相遲滯比較器，輸出電源電壓 UCC或 UEE， R3隔離輸出的電源電壓與穩(wěn)壓二極管 DZ1和 DZ2限幅后的電壓。經(jīng)過限幅，輸出電壓 uo可以是高電壓 UOH = UZ或低電壓 UOL = UZ。分析電路的工作原理，并作出輸出信號(hào) uo的波形。 不妨假設(shè) ui1 ui2， 則 D1導(dǎo)通后 ， uo = ui1， 結(jié)果 D2上加的是反向電壓 ， 處于截止?fàn)顟B(tài)；反之 ， 當(dāng) ui1 ui2時(shí) ， D2導(dǎo)通 ， D1截止 ， uo = ui2；只有當(dāng) ui1 = ui2時(shí) ， D1和 D2才同時(shí)導(dǎo)通 ， uo = ui1 = ui2。 該電路完成低電平選擇功能 ， 當(dāng)高 、低電平分別代表邏輯 1和邏輯 0時(shí) ， 就實(shí)現(xiàn)了邏輯 “ 與 ” 運(yùn)算 。 解：電路中集成運(yùn)放 A2起 電壓跟隨器 作用 。 波形如圖 (b) 所示 。 ? 61 ? 第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 61 雙極型晶體管 N? 發(fā)射區(qū) N 集電區(qū) P 基區(qū) 發(fā)射結(jié) (e 結(jié) ) 集電結(jié) (c 結(jié) ) 發(fā)射極 e 集電極 c 基極 b P? 發(fā)射區(qū) P 集電區(qū) N 基區(qū) 發(fā)射結(jié) (e 結(jié) ) 集電結(jié) (c 結(jié) ) 發(fā)射極 e 集電極 c 基極 b b c e b c e NPN型晶體管 PNP型晶體管 晶體管的物理結(jié)構(gòu)有如下特點(diǎn)： 發(fā)射區(qū)相對(duì)基區(qū)重?fù)诫s；基區(qū)很薄 ， 只有零點(diǎn)幾到數(shù)微米；集電結(jié)面積大于發(fā)射結(jié)面積 。 這兩種狀態(tài)下 uBE近似等于 UBE(on) ， 所以也可以認(rèn)為 UBE(on) 是導(dǎo)通的晶體管輸入端固定的管壓降；當(dāng) uBE UBE(on) 時(shí) ， 晶體管進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài) 。 這是通過控制發(fā)射結(jié)和集電結(jié)的正偏與反偏來實(shí)現(xiàn)的 。 如果發(fā)射結(jié)反偏或正偏電壓不到 | UBE(on) | ， 則晶體管處于截止?fàn)顟B(tài) ， IB、 IC和 IE均為零 ， 再由外電路計(jì)算極間電壓 UBE、 UCE和 UCB； 2． 如果第 1步判斷發(fā)射結(jié)正偏電壓達(dá)到 | UBE(on) | ， 則晶體管處于放大狀態(tài)或飽和狀態(tài) ， 再判斷集電結(jié)是正偏還是反偏 。 根據(jù)外電路和 UBE(on) 計(jì)算IB， 接下來 IC = ?IB， IE = IB + IC。 這時(shí) UBE = UBE(on) ， UCE = UCE(sat) ， UCB = UCE UBE， 再由這三個(gè)極間電壓和外電路計(jì)算 IB、 IC和 IE。當(dāng)輸入電壓 UI分別為 0 V、 3 V和 5 V時(shí)，判斷晶體管的工作狀態(tài)，并計(jì)算輸出電壓 UO。 當(dāng) UI = 0 V時(shí) ， 晶體管處于截止?fàn)顟B(tài) ， IC = 0， UO = UCC ICRC = 12 V；當(dāng) UI = 3 V時(shí) ， 晶體管處于放大或飽和狀態(tài) ， 假設(shè)晶體管處于放大狀態(tài) ，IB = [UI UBE(on)] / RB = 40 ?A， IC = ?IB = 2 mA， UCB = UC UB = (UCC ICRC) UBE(on) = V 0， 所以集電結(jié)反偏 ， 假設(shè)成立 ，UO = UC = 4 V；當(dāng) UI = 5 V時(shí) ， 計(jì)算得到 UCB = V 0， 所以晶體管處于飽和狀態(tài) ， UO = UCE(sat) 。判斷晶體管的工作狀態(tài)，并計(jì)算 IB、 IC和 UCE。 IC = ?IB = mA， UCB = UC UB = (UCC ICRC) (UCC IBRB) = V 0， 所以集電結(jié)反偏 ， 晶體管處于放大狀態(tài) ， IB = ?A， IC = mA，UCE = UCB + UBE(on) = V。 ???????型晶體管型晶體管 PN P)/e x p ( N PN)/e x p (BESBESCETTUuIUuIiiRIUUUSITO ln?? R U O U I I C V R U O U I I C V ? ? A ? ? A ? 73 ? 第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 73 圖中 ， 輸出電壓 UO