12半导体二极管 二、光电二极管 光电二极管是远红外线接收管,是一种光能与电能进行转换的器件。PN 结型光电二极管充分利用PN结的光敏特性,将接收到的光的变化转换成电流 的变化。它的几种常见外形如图1.2.13(a所示,符号见图(b) 受光面 受光面 受光面 图1.2.13光电二极管的外形和符号 (a》外形(b)符号 图1214(a)所示为光电二极管的伏安特性。在无光照时,与普通二极管 样,具有单向导电性。外加正向电压时,电流与端电压成指数关系,见特性曲 线的第一象限;外加反向电压时,反向电流称为暗电流,通常小于02A。 无光照 照度1 度度2一 大↑照度3一 DyY 图1.2.14光电二极管的伏安特性 a)伏安特性 (b)工作在第一象限的等效电路 (c)工作在第三象限的等效电路(d)工作在第四象展的等效电路 在有光照时特性曲线下移,它们分布在第三、四象限内。在反向电压的一
第一章常用半导体器件 定范围内,即在第三象限,特性曲线是一组横轴的平行线。光电二极管在反压下 受到光照而产生的电流称为光电流,光电流受入射照度的控制。照度一定时,光 电二极管可等效成恒流源。照度愈大,光电流愈大,在光电流大于几十微安时, 与照度成线性关系。这种特性可广泛用于遥控、报警及光电传感器之中。 待性曲线在第四象限时呈光电池特性。 图(b)、(c)、(d)所示分别是光电二极管工作在特性曲线的第-、三、四象限 时的原理电路。图(b)所示电路与普通二极管加正向电压的情况相同。图(c)中 的电流仅决定于光电二极管受光面的入射照度,电阻R将电流的变化转换成电 压的变化,wR=R。图(d)中,当R一定时,入射照度愈大,愈大,R上获得的 能量也愈大,此时光电二极管作为微型电光池。 由于光电二极管的光电流较小,所以当将其用于测量及控制等电路中时,需 首先进行放大和处理。 除上述特殊二极管外,还有利用PN结势垒电容制成的变容二极管,可用于 电子调谐、频率的自动控制、调频调幅、调相和滤波等电路之中;利用高掺杂材料 形成PN结的隧道效应制成的隧道二极管,可用于振荡、过载保护、脉冲数字电 路之中;利用金属与半导体之间的接触势垒而制成的肖特基二极管,因其正向导 通电压小、结电容小而用于微波混频、检测、集成化数字电路等场合。 【例123】电路如图1.2.15所示,已知发光二极管的导通电压UD=16 V,正向电流为5~20mA时才能发光。试问: 1)开关处于何种位置时发光二极管 可能发光? (2)为使发光二极管发光,电路中R的 取值范围为多少? (6V 解:(1)当开关断开时发光二极管有可 能发光。当开关闭合时发光二极管的端电 压为零,因而不可能发光。 (2)因为lom=5mA,Ilon=20mA,图1.2.15例1.2.3电路图 所以 R=v- UD 1.6 Doin 5kn=0.88k02 R V-Up_6-1.6ka=0.22ka R的取值范围为220~880
1.3双极型晶体管 23 1.3双极型晶体管 双极型晶体管(BT①)又称晶体三极管、半导体三极管等,后面简称晶体管。 图1.3.1所示为晶体管的几种常见外形。图(a)、(b)所示为小功率管,图(c)所 示为中等功率管,图(d)所示为大功率管。 集电极 图1.3.1晶体管的几种常见外形 a)小功率管(b)小功率管(c)中功率管(d)大功率管 13.1晶体管的结构及类型 根据不同的掺杂方式在同一个硅片上制造出三个掺杂区域,并形成两个 PN结,就构成晶体管。采用平面工艺制成的NPN型硅材料晶体管的结构如图 1.3.2(a)所示,位于中间的P区称为基区,它很薄且杂质浓度很低;位于上层的 N区是发射区,掺杂浓度很高;位于下层的N区是集电区,因而集电结面积很 大;晶体管的外特性与三个区域的上述特点紧密相关。它们所引出的三个电极 分别为基极b、发射极e和集电极c 图(b)所示为NPN型管的结构示意图,发射区与基区间的PN结称为发射 结,基区与集电区间的PN结称为集电结。图(c所示为NPN型管和PNP型管 的符号。 本节以NPN型硅管为例讲述晶体管的放大作用特性线和主要参数。 1.3.2晶体管的电流放大作用 放大是对模拟信号最基本的处理。在生产实际和科学实验中,从传感器获 ①BT是英文 Bipolar Junction Transistor的缅写
第一章常用半导体件 儿微米 几百微米 发射区基区集电区 发射极 集电极 发射结 集电结 NPN型 NP平 基极 (b) 图1.3.2晶体管的结构和符号 (a)NPN型硅管的结构(b)NPN型管的结构示意图 (c)NPN型和PNP型管的符号 得的电信号都很微弱,只有经过放大后才能作进一步的处理,或者使之具有足够 的能量来推动执行机构。晶体管是放大电路的核心元件,它能够控制能量的转 换将输入的任何微小变化不失真地放大输出,放大的对象是变化量。 图1.33所示为基本放大电路,△u1为 输人电压信号,它接人基极一发射极回路 称为输人回路;放大后的信号在集电极-发 射极回路称为输出回路。由于发射极是两A 个回路的公共端故称该电路为共射放大电△mC 路。因为晶体管工作在放大状态的外部条2 件是发射结正向偏置且集电反向偏置,所 以在输入回路应加基极电源B在输出回 路应加集电极电源vcVm和Vc的极性图133基本共射放大电路 应如图13.3所示,且Ⅴc于VB晶体管的放大作用表现为小的基极电流 可以控制大的集电极电流。下面从内部载流子的运动与外部电流的关系上来作 进一步的分析
13双极型晶体管 25 晶体管内部载流子的运动 当图133所示电路中△u=0时,晶体管内部载流子运动示意图如图 1.3.4所示。 1.发射结加正向电压,扩散运动 形成发射极电流I 因为发射结加正向电压,又因为 R 发射区杂质浓度高,所以大量自由电 子因扩散运动越过发射结到达基区。 与此同时,空穴也从基区向发射区扩 R 散,但由于基区杂质浓度低,所以空 穴形成的电流非常小,近似分析时可 忽略不计。可见,扩散运动形成了发 射极电流lE 2.扩散到基区的自由电子与空图134品体管内部载流子运动与 穴的复合运动形成基极电流IB 外部电流 由于基区很薄,杂质浓度很低, 集电结又加了反向电压,所以扩散到基区的电子中只有极少部分与空穴复合,其 余部分均作为基区的非平衡少子达到集电结。又由于电源VB的作用,电子与 空穴的复合运动将源源不断地进行,形成基极电流I。 3.集电结加反向电压漂移运动形成集电极电流Ⅰ 由于集电结加反向电压且其结面积较大,基区的非平衡少子在外电场作用 下越过集电结到达集电区,形成漂移电流。与此同时集电区与基区的平衡少子 也参与漂移运动,但它的数量很小近似分析中可忽略不计。可见,在集电极电 源vc的作用下,漂移运动形成集电极电流Ic 、晶体警的电流分配关系 设由发射区向基区扩散所形成的电子电流为IEN,基区向发射区扩散所形 成的空穴电流为lEF,基区内复合运动所形成的电流为IN,基区内非平衡少子 (即发射区扩散到基区但未被复合的自由电子)漂移至集电区所形成的电流为 IcN,平衡少子在集电区与基区之间的漂移运动所形成的电流为Icpo,见图 1.34中所标注,则 IE= len +I Icn Ibn+I CBO (1.3.1) (13.2)