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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
2、极管第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结构
3、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。 双色发 光管四色发 光管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、
4、绿色、蓝绿色、蓝 色、紫色、白色等，覆盖了从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
5、管发光颜色为红色， 正向压降为1.7V，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
6、射到PN结上。光电二极管结构如 图（a）所示。 电路符号如图(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
7、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
8、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
9、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。 注：光电流是光照为1000Lx、负载为零、电压为 10V的条件下测定的。部分国产光电二极管参数 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。光电二极管常
10、用于光强的测量，使用时应该反向偏置。 图4-7是光电二极管用于测量光照时的电路，VCC=10V为电源 电压，VD1为光电二极管，电阻R和光电二极管串联。8mV4.3 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 产品外型光电三极管3DU31 典型的光电三极管
11、产品的外型如下图所示，国产光电三极 管的型号是3DU系列和3CU系列，下图所示的是型号 为3DU31的光电三极管。其顶部是透光窗口，由图还可以看 出，它只有两只引脚，其外型与光电二极管很难区分。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
12、电三极管看作为是具 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。Ib0放大后的集电极电流+电源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0.4 1.1m范围，锗光电三极管，所响应的光波，波长在0.5 1.7m。Ib0放大后的集电极电流+电源暗电流：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 光电三极管的输出特性曲线 入射光强
13、CE极间电压集电极电流这一输出特性 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 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
14、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
15、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。 由四层P型半导体和N型半导体 交替组合而成，每一层分别用P1 、N1、P2、N2表示，相邻的不同 类型半导体形成PN结，因此晶闸 管包含三个PN结，从上到下，依 次称为J1、J2、J3结。由于这一 结构上的特点，晶闸管也称四层 器件或PNPN器件。电路符号 结构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。 (a),(b),(c)属螺栓形封装(f),(g)属平板形封装 (d)(g)
16、属小功率晶闸管 4.4 晶闸管简介4.4.2 晶闸管特性1、存在两个阻断状态。让晶闸管的阴极接地，控制极 不加电压，然后在阳极加上正压 或负压，如右图所示。这两种情 况下晶闸管都将处于阻断的状态 ，即流过晶闸管的电流为零。我 们将阳极加负电压时晶闸管所处 的状态称为反向阻断状态；将阳 极加正电压时晶闸管所处的状态 称为正向阻断状态。阳极加正压或负压 控制极 不加电压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 控制极 加电压4.4 晶闸管简介4.4.2 晶闸管特性阳极加正压 3、控制信号撤消后导通状态仍 能维持经过上述触发过程进入导通状 态以后，晶闸管即依靠内部的正 反馈维持导通状态，控制极的电 压已失去控制作用 ，将它撤除 与否都不会影响晶闸管的导通。 可见，只要在控制极一定
