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1、实用模拟电子技术教程,主编：徐正惠,副主编：刘希真 张小冰,第一篇 常用半导体器件 介绍常用半导体器件，包括晶体二极管、晶体三极管、场效应管和其他半导体器件的结构、工作原理、分类、主要性能指标、国家标准规定的命名方法以及主要应用。,第4章 其他常用电子半导体器件 学习要求：掌握发光二极管正向压降、正常工作电流、发光颜色等主要参数；掌握发光管基本应用电路设计计算方法；了解光电二极管、三极管的结构和主要用途；掌握晶闸管特点以及其阻断、导通状态之间的转换条件；了解晶闸管可控整流的原理；了解单结晶体管的结构、特性和主要用途；能读懂单结晶体管组成的脉冲发生电路。,第一篇 常用半导体器件,4.1 发光二极
2、管,第4章 其他常用电子半导体器件,4.1.1 发光二极管结构和产品外型,1、三极管的结构和分类,发光二极管按所发光的性质，分为红外光发光管、激光发光管和可见光发光管，首先介绍可见光发光二极管。,结构,发光二极管的管芯结构与普通二极管相似，也是一个PN结，两个电极，P区引出的为正极，N区引出的为负极，但所用的半导体材料是磷化镓（GaP）、磷砷化镓（GaAsP）、砷铝镓（GaAIAs）等。,外型,4.1 发光二极管,发光二极管的外型有圆形、长方形等，典型的产品外型如图所示，(a)左边有三只引脚的是双色发光管，(b)是帖片封装的发光管。发光管电路符号如(c)所示。,4.1 发光二极管,双色发光管的
3、结构如图所示，实际上，是将两种颜色的发光管做在一起，引出三个引脚，一个公共端。当G脚加正电压时发绿光，R脚加正压时发红光。改变引脚的电压，使同一个封装里的不同管子发光，外观上看，好象在变换发光颜色，因此也称为变色发光二极管。,4.1 发光二极管-4.1.2 工作原理,发光管所加正向电压超过开启电压后，即有电流流过发光管，由于所使用半导体材料的不同，发光管电流形成过程中电子和空穴复合，其释放出的能量以发光的形式表现出来，这就是发光管的工作原理。所发光的颜色（波长）决定于制造时所使用材料的能带结构，可以发出各种颜色的光，目前已制成的有粉红色、红色、黄色、橙色、绿色、蓝绿色、蓝色、紫色、白色等，覆盖
4、了从375nm-700nm波长的范围。,工作原理,4.1 发光二极管,1、红外发光二极管 红外发光管与可见光发光管的区别是所发射的光的波长，常用红外发光管所发射的光波长有940、950、880nm等，属红外光范围。常见的型号有SIR系列、PLT系列、GL系列、HIR系列等，常用于电视机、空调机的遥控。,4.1.4 红外发光管和激光发光管,2、激光发光二极管 激光二极管所发射的是激光，波长有红光635nm、650nm、670nm，绿光532nm，红外808nm、850nm、980nm等。,4.1 发光二极管,4.1.5发光管基本应用电路设计,例4-1：已知发光管发光颜色为红色，正向压降为1.7V
5、，电源电压为VCC（=5V），要求发光管工作电流ID=20mA（中等亮度），求串联限流电阻R1的数值。,可见光发光二极管主要用于显示，典型的应用电路如图所示。发光管要正向偏置，电阻R1起限流作用，根据所使用的电源电压，调节R1的阻值，可以控制发光管的工作电流。,解：VCC应等于R1和发光管电压降之和，因此,解出R1，求得：,4.2 光电二极管,4.2.1结构与外型,结构,光电二极管的结构也和普通二极管相似，由一个PN结组成，引出两个电极，由P区引出的为正极，N区引出的为负极。与普通二极管不同的是光电二极管必须封装在透明的外壳中，以便光线直接照射到PN结上。光电二极管结构如图（a）所示。,电路符
6、号如图(b)所示。光电二极管的符号与发光管不同，发光管符号中的箭头向外，表示发光，光电二极管符号中的箭头向里，表示外来光照在光电二极管上。,外型,4.2 光电二极管,4.2.2工作原理,光电二极管工作时加反向电压。普通二极管反向偏置时流过的电流是有少数载流子形成的反向饱和电流。这个电流很小，因为P区的少数载流子电子和N+区的少数载流子空穴数量都很少。光电二极管情况就不同，入射光通过透明的封装，照射在PN结上会激发出大量的电子-空穴对，这些激发出来的载流子参加了导电，就使反向电流大大增加。而且光强越强，激发的载流子数就越多，反向电流也越大，因此这一反向电流与光强有确定的比例关系。由于光电二极管的
7、这一特性，光电二极管也称光敏二极管，常用于路灯、冲床等遥控。,4.2 光电二极管,4.2.3 特性曲线,不同光照时，光电二极管两端电压uD和流过电流iD之间的关系，称为光电二极管的伏安特性曲线。典型的光电二极管的特性曲线如图所示。图中画出了三条曲线，最上面一条是无光照时的特性曲线，其下面的三条是有光照射时的特性曲线，最下面的曲线，光照最强。,无光照时的特性曲线和普通二极管一样，具有单向导电性。外加正向电压时，电流与电压成指数关系；外加反向电压时，流过光电二极管的电流称为暗电流，通常小于0.2A。,4.2 光电二极管,4.2.3 特性曲线,有光照时，特性曲线下移，由图可知，外加反向电压时，光照引
8、起的电流基本不随反向电压的大小变化，这一电流称为光电流。照度越大，光电流也越大，在光电流大于几十微安时，光电流与照度成线性关系。,4.2 光电二极管,4.2.4 主要参数,光谱特性：光电二极管具有一定的光谱响应范围，硅光电二极管光谱响应范围是波长0.41.1m的光。,暗电流：在无光照条件下，加有一定反向工作电压的光电二极管的反向漏电流，称为暗电流。它等于反向饱和电流、复合电流、表面漏电流和热电流之和，其大小一般在10-810-9安范围内。,光电流：在受到一定光照的条件下，加有一定反向工作电压的光电二极管中流过的电流，称为光电流。,最高反向工作电压：允许的最高反向工作电压。,4.2 光电二极管,
9、4.2.4 主要参数,常用国产光电二极管的型号有2CU系列和2DU系列等，部分国产2CU系列光电二极管的参数如下表所示。,4.2 光电二极管,4.2.5 基本应用电路,有光照时，光电流在电阻上产生与光电流成正比的电压，有时这个电压过于微弱，不能直接用来显示或记录，因此，常需要通过放大电路对其放大。例如，光强10Lx时，光电流只有0.8A左右，如果电阻R=10k，R两端的电压只有8mV。,4.3 光电三极管,4.3.1 结构和产品外型,结构,图(b)是光电三极管的电路符号。,光电三极管管芯结构和晶体管相似处，它也包含两个PN结，NPN型光电三极管的管芯结构如图(a)所示。与晶体管不同的是：光电三
10、极管的引脚只有从两个N区引出的集电极c和发射极e，基极没有外引脚；管芯封装在有透光窗口的管壳内，使管芯的集电结可以直接接收入射光。,4.3 光电三极管,4.3.1 结构和产品外型,产品外型,4.3 光电三极管,4.3.2 工作原理,当光照射到集电区和基区形成的PN结（集电结）上时，这个PN结相当于光电二极管，于是产生光电流Ib0。这个电流是集电结的反向饱和电流，因此，光电流的方向是从集电极流向基极。现在基极无外引脚，电流Ib0就全部流向发射极，于是，光电流Ib0实际上就成为光电三极管的基极电流。和晶体管一样，从发射结注入基极电流时，在集电极将产生放大了的集电极电流，因此，可以将光电三极管看作为
11、是具有放大作用的光电器件，光照的情况下，集电极所得到的光电流要比光电二极管的光电流大倍。,4.3 光电三极管,4.3.3 主要参数,光谱特性：硅光电三极管所响应的光波，其波长在0.41.1m范围，锗光电三极管，所响应的光波，波长在0.51.7m。,暗电流：在无光照条件下，c、e极之间加有一定电压UCE时，c、e极之间之间的漏电流，称为暗电流。,光电流：在加有一定工作电压的条件下，受到一定光照射（通常是1000lx）时的集电极电流，称为光电流。,4.3 光电三极管,4.3.3 主要参数,这一输出特性曲线和晶体管的特性曲线十分相似，所不同的是输出特性曲线族每条曲线的参数不是基极电流，而是入射光的照
12、度。,4.3 光电三极管,4.3.4 典型应用电路,待测光照射在光电三极管的基极，形成光电流，经三极管放大（1+）倍后从发射极输出，电阻R两端的电压是R和发射极电流IE的乘积，与光电二极管相比，相同的电阻R上的信号电压大增大了，因此光电三极管测量光强时的灵敏度要比二极管高。,光电三极管测量光强度的基本电路如下图所示,在提高灵敏度的同时且降低了频率特性，光电三极管的缺点是频率特性比光电二极管差。,4.4 晶闸管简介,4.3.4 典型应用电路,何谓晶闸管？晶闸管是晶体闸流管的简称，也称可控硅。从上世纪50年代诞生以来，晶闸管已经发展成一个庞大的家族，主要成员有单向晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管、逆
13、导晶闸管、可关断晶闸管、快速晶闸管等等。,主要用途 普通晶闸管最基本的用途就是可控整流，二极管的整流是不可控制的，加正压时导通，加反向电压时截止。晶闸管除了阳极（相当于二极管正极）和阴极（相当于二极管负极）之外，还有一个控制极，给控制极施加信号能控制晶闸管导通的时间，正是由于这一优点，晶闸管的应用十分广泛。,4.4 晶闸管简介,4.4.1 晶闸管的外形和结构,1、结构,晶闸管对外共有三个引脚，从P1区引出的称为阳极，用符号A表示；从P2区引出的称为控制极（也称门极），用符号G表示；从N2区引出的称为阴极，用符号C表示。,4.4 晶闸管简介,4.4.1 晶闸管的外形和结构,2、外形,晶闸管是大功
14、率器件，一般都用在较高电压和较大电流的场合，常常需要安装散热片，因此其外形都制造得便于安装和散热。,4.4 晶闸管简介,4.4.2 晶闸管特性,4.4 晶闸管简介,4.4.2 晶闸管特性,2、在控制极施加触发信号可使晶闸管导通 对于处于正向阻断状态的晶闸管，阳极A和阴极C之间加正向电压的同时，在控制极G和阴极C之间也加上正向电压，如右图所示，只要这个电压足够大，就能使晶闸管迅速进入完全导通的状态。,阳极加正压,4.4 晶闸管简介,4.4.2 晶闸管特性,4.4 晶闸管简介,4.4.2 晶闸管特性,4.4 晶闸管简介,4.4.2 晶闸管特性,总结上述讨论，晶闸管有以下四个性质：,1、存在两个阻断
15、状态：正向阻断状态和反向阻断状态,2、在控制极施加触发信号可使晶闸管导通 阳极加正向电压的同时，在控制极G也加上正向电压可使晶闸管从正向阻断状态进入导通状态,3、控制信号撤消后导通状态仍能维持 进入导通状态以后，控制极的电压即失去控制作用，撤除与否都不会影响晶闸管的导通,4、有两种途径返回阻断状态 其一，改变电压极性使晶闸管反向偏置（阳极加负压）；其二，减小阳极电流，,4.4 晶闸管简介,4.4.3 晶闸管简单应用举例,1、用晶闸管实现可控整流,（1）二极管整流和晶闸管可控整流电路结构比较：,4.4 晶闸管简介,4.4.3 晶闸管简单应用举例,1、用晶闸管实现可控整流,（2）二极管整流的功能,
16、4.4 晶闸管简介,4.4.3 晶闸管简单应用举例-1、用晶闸管实现可控整流,（3）晶闸管可控整流,t1t2、t3t4期间，输入电压为负半周，晶闸管和二极管反向偏置，无论晶闸管还是二极管整流，这期间的输出电压u0均为零。,4.4 晶闸管简介,在0t1、t2t3期间，输入电压为正半周，晶闸管和二极管都正向偏置，二极管导通，输出电压是正向半波。但晶闸管是否导通，还要看控制极电压，只有控制极出现正脉冲电压后，晶闸管才开始导通，此后一直维持导通状态 控制正脉冲出现时间，即可以调节输出电压平均值。,4.4 晶闸管简介,图(b)与(c)相比，前者脉冲出现早，导通时间长，输出电压波形较宽，平均电压较高；后者
17、正脉冲出现时间迟，正半周时导通时间短，输出电压波形较窄，平均电压就低。于是，使用晶闸管整流，可以通过控制极脉冲出现时间迟早的调节来控制输出电压的平均值，于是就实现了可控整流。,4.4 晶闸管简介,晶闸管导通时间可以用位相角来描述，整个正半周所对应的相位是180（或），工程上称为电角度，晶闸管从开始导通至阳极电压变负（进入负半周）而阻断这段时间所对应的电角度，称为晶闸管的导通角。图(b)和(c)标出了导通角所对应的时间长度，按照一个周期对应2相位角的比例，即可换算出导通角，图(b)的导通时间长，导通角也大。,4.4 晶闸管简介,2、晶闸管恒温控制器,控制电路组成：晶闸管构成的温度控制器电路如右图
18、所示。图中D1D4为整流二极管，G1为晶闸管，H为220V，5W的钨丝灯泡，用作指示，WJ是可调式电接点玻璃水银温度计，也称导电表。,在讨论恒温控制电路工作原理之前，首先介绍导电表的构造和工作原理,4.4 晶闸管简介,将铂丝调整到预设的温度（例如50）并固定后，导电表就具有以下功能：温度低于设定值时，两根引线之间相互断开；温度高于设定值时两引线彼此接通。,导电表结构如右图其测温部分即为水银温度计，与普通水银温度计不同，在其水银柱上方还有一根金属铂丝，铂丝和水银柱各经一根引出线引出。温度升高时，水银柱上升与铂丝相接触，两根引出线之间便接通；温度下降，水银柱与铂丝脱开，两根引线之间就断开。导电表中
19、铂丝的高度可以通过顶部调整帽（内部装有磁钢）的旋转来进行调节，调整到所需要的位置后，旋转固定螺丝，铂丝的位置就可以固定下来。,4.4 晶闸管简介,2、晶闸管恒温控制器,恒温控制器工作原理：正半周时，电流由电网经电阻丝D2晶闸管D4电网；负半周时，电流由电网经D3晶闸管D1电阻丝电网，可见电阻丝和晶闸管是串联关系。因此，电阻丝是否有电流通过，决定于晶闸管是否导通：晶闸管导通，电阻丝就通电加热；晶闸管处于阻断状态，电阻丝就停止加热。,恒温箱温度的高低决定于电阻丝通电加热时间的长短，电阻丝加热时间的长短又决定于晶闸管的导通时间，因此调节晶闸管的导通角，就可以实现恒温箱温度的控制。,4.4 晶闸管简介
20、,2、晶闸管恒温控制器,恒温控制器工作原理：如果恒温箱温度低于设定值，则导电表断开，整流后的单向脉动电压经灯泡加到晶闸管的控制极，晶闸管被触发导通，于是电阻丝通电加热。加热后，恒温箱温度随之上升，温度升高到设定值以上时，导电表两引线之间短路，触发极和阴极之间彼此短路，触发电压为零，晶闸管处于阻断状态，电阻丝停止热。,因电阻丝停止加热，恒温箱温度开始下降，温度降到设定值以下时，导电表又断开，晶闸管触发导通，开始新一轮加热，如此反复，就可实现恒温箱温度的控制。,4.4 晶闸管简介,2、晶闸管恒温控制器,导电表的控温精度可达1，许多医疗上常用的恒温培养箱不少产品采取上述控温方法，右图是303系列导电
21、表电热恒温培养箱的外型，其箱体顶部所插的即为导电表。这种系列产品温度调节范围是：室温+560，温度均匀度+/-1，温度波动+/-0.5，功率400W。由于只有加热元件，没有降温的元件，因此这类培养箱只能工作在室温5以上的温度范围内。,4.4 晶闸管简介,1、额定正向平均电流IF在环境温度小于40和标准散热条件下，允许连续通过晶闸管阳极的工频（50Hz）正弦半波电流的平均值。使用时，应根据不同的需要选择不同额定正向平均电流的晶闸管。例如恒温培养箱电阻丝的加热功率为2千瓦，则应选用IF为10安培或略高的晶闸管。,4.4.4 晶闸管主要技术参数,2、维持电流IH在规定的环境温度下，控制极开路时晶闸管
22、维持导通的最小阳极电流。正向阳极电流小于IH时，晶闸管自动阻断。,4.4 晶闸管简介,4、反向击穿电压UBR是指在额定结温下，晶闸管阳极与阴极之间施加正弦半波反向电压，当其反向漏电电流急剧增加时所对应的峰值电压。,4.4.4 晶闸管主要技术参数,3、触发电压UG和触发电流IG 室温情况下，当A-C电压UAC=6V时使晶闸管从阻断状态进入完全导通所需要的最小控制极直流电压和电流。UG一般为15V，IG为几十几百毫安。,4.5 单结晶体管,常用单结晶体管构成的触发电路具有结构简单、调节方便的优点，可克服上述电路的缺点。单结管组成的触发电路已在晶闸管控制电路中得到广泛的应用。,晶闸管的导通情况由控制
23、极电压控制，在恒温箱控制电路中晶闸管的控制电压直接取自阳极电压，阳极电压由零开始上升，当它大于触发电压且产生大于触发电流时，晶闸管即进入导通状态，这种触发方式的缺点是晶闸管的导通角不能随意调节。,4.5 单结晶体管,结构,4.5.1 结构和产品外型,产品外型,4.5 单结晶体管,4.5.2 单结管的基本特性,通过电位器RP的调节改变发射极电压，测量相应的发射极电流，可以得到发射极电流IE随发射极-基极b1间电压UEB1变化的曲线，称为单结晶体管的特性曲线，如图(b)所示。,分析特性曲线即可说明单结管特性,4.5 单结晶体管-4.5.2 单结管的基本特性,发射极电压UEB1小于峰点电压UP时，发
24、射极电流开始时小于零（发射极电流为反向电流），接近UP时电流变正，等于峰点电压UP时发射极电流等于峰点电流IP，单结管特性曲线的这个区域称为截止区。截止区的特点是发射极电流小于峰点电流，而且基本不随UEB1变化，峰点电流IP很小，可以认为单结管处于截止状态。,4.5 单结晶体管-4.5.2 单结管的基本特性,UEB1一旦超过UP，发射极电流迅速增加，只要电流不超过谷点电流IV，在电流增加的同时，发射极e和基极b1间电压UEB1不增反降。特性曲线这一区域的特点伏安特性曲线的斜率为负（见图中曲线B2B1），称为负阻区。,4.5 单结晶体管-4.5.2 单结管的基本特性,发射极电流IE大于谷点电流I
25、V的区域为饱和区。在这个区域，电流继续增加时，发射极电压略有增加，恢复正电阻特性。UEB1小于谷点电压UV，单结管又返回截止状态。,4.5 单结晶体管-4.5.2 单结管的基本特性,由此，可以将单结管的主要特性总结如下：发射极电压UEB1小于峰点电压UP时，单结管处于截止状态；UEB1一旦超过UP，单结管导通并迅速进入负阻状态，电压下降，电流增大；UEB1小于谷点电压UV，单结管又返回截止状态。,4.5 单结晶体管-4.5.3 典型应用,电源VCC通过电阻R向电容C充电，电容两端电压uC指数上升，如图(b)中uC曲线的上升支所示。电压上升至峰点电压UP以前，单结管处于截止状态，不影响电容的充电
26、。当电容电压上升到UP以后，单结管导通，进入负阻区，电容C经单结管e-b1和电阻R1放电，电容C两端电压迅速下降，如图(b)中uC曲线的下降支所。在此期间，电容C的快速放电电流在R1上产生一尖脉冲电压，如（b)的u0所示。,1、单结管脉冲发生电路,4.5 单结晶体管-4.5.3 典型应用,2、晶闸管可控触发,图中单结管T1和电位器RP、电阻R1、R2、电容C组成触发信号发生电路。,经过桥式整流，负载电阻和晶闸管两端的电压是右图上部所示的单向脉动电压uA(t)。下面分析半周期时间内单结管及晶闸管工作情况。,电压uA从零开始上升，电源通过电位器RP对电容C充电，电容两端电压不断上升，当电压超过单结管峰点电压Up时，单结管导通进入负阻区，电容经R2迅速放电，B点输出尖脉冲使晶闸管导通。调节电位器RP可以控制尖脉冲发出时间，从而实现了可控制的整流。,4.5 单结晶体管-4.5.3 典型应用,2、晶闸管可控触发,第4章讲授到此结束 谢谢大家！,
