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2020-10-26
2020-10-20
+,來(lái) 監(jiān)測(cè)輸出電平的高低,當(dāng)輸出為高電平時(shí), +,亮 ;當(dāng)輸出為低電平時(shí), +,-滅。已知 +,-的正向 壓降為 )",參考工作電流為 #* ./,試確定限流電 阻 !的阻值。干式恒溫器, 解: ( ! 0 !1) ! 0 &** ! #* 2#* 1& 二、光電二極管 光電二極管是一種將光信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)的半導(dǎo)體器件,其電路符號(hào)如圖 #$ %$ !所示。光電二極管的結(jié)構(gòu)與普通二極管類似,但在管殼上有一個(gè)用于接 收光照的玻璃窗口。使用時(shí)光電二極管的 34結(jié)應(yīng)工作在反向偏置狀態(tài),在光 信號(hào)的照射下,反向電流隨光照強(qiáng)度的增加而上升(這時(shí)的反向電流叫光電 流)。光電流也與入射光的波長(zhǎng)有關(guān)。 顯然,將發(fā)光二極管和光電器件組合可以實(shí)現(xiàn)光電耦合。例如圖 #$ %$ 5所 示電路中,發(fā)光二極管 "# 所發(fā)出的光將按照輸入信號(hào)的規(guī)律變化,光電二極管 ") 接收到這種光信號(hào)后,將光信號(hào)還原為按照輸入信號(hào)的規(guī)
律變化的電信號(hào)輸 出,從而實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的光電耦合。利用光電耦合可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的光傳輸,也常構(gòu) 成光電耦合器。 圖 #$%$ %(例 #$ %$)電路 圖 #$ %$ !(光電二極管的電路符號(hào)圖 #$ %$ 5(光電耦合器 !" #" &%變?nèi)荻䴓O管 變?nèi)荻䴓O管是利用 34結(jié)反偏時(shí)結(jié)電容的壓控特性制成的器件,下面先介 )( ,.特殊二極管 紹 !"結(jié)的結(jié)電容。 !"結(jié)的結(jié)電容由勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容兩部分構(gòu)成。當(dāng)外加于 !"結(jié)兩端 的電壓值變化時(shí),將引起空間電荷區(qū)寬度的變化,也就引起空間電荷區(qū)內(nèi)電荷量 的變化,所以 !"結(jié)顯示出電容效應(yīng),這種電容效應(yīng)稱為勢(shì)壘電容,用 !# 表示。 例如當(dāng)反偏電壓值減小時(shí), "區(qū)的部分電子和 !區(qū)的部分空穴將進(jìn)入空間電荷 區(qū)與部分雜質(zhì)離子中和,這就好像將電子和空穴存入 !"結(jié),相當(dāng)于向勢(shì)壘電容 充電;反之,當(dāng)反偏電壓值增大時(shí),部分電子和空穴將離開(kāi)空間電荷區(qū),相當(dāng)于勢(shì) 壘電容放電,這種充放電作用與普通電容在外加電壓作用下的充放電作用是相 似的。勢(shì)壘電容相當(dāng)于一個(gè)平板電容,其值與空間電荷區(qū)的面積成正比,與空間 電荷區(qū)的寬度成反比。由于空間電荷區(qū)的寬度隨外加電壓值的改變而改變,因 此勢(shì)壘電容也隨外加電壓值的改變而改變,是非線性電容,這一點(diǎn)與普通電容不 一樣。 !"結(jié)還有另一個(gè)電容效應(yīng),它由多子在擴(kuò)散過(guò)程中的積累所引起。當(dāng) !" 結(jié)加正向電壓時(shí), "區(qū)的多子電子擴(kuò)散到 !區(qū), !區(qū)的多子空穴擴(kuò)散到 "區(qū),這 些擴(kuò)散到 !"結(jié)另一側(cè)的載流子稱為非平衡少子。非平衡少子在 !"結(jié)的邊緣 處濃度大,離結(jié)遠(yuǎn)的地方濃度。ㄒ?yàn)楸粡?fù)合掉了),說(shuō)明在 !區(qū)有電子的積累, 在 "區(qū)有空穴的積累。當(dāng)正向電壓增大時(shí),非平衡少子增多,載流子的積累也 增多,相當(dāng)于 !區(qū)和 "區(qū)被充入電荷;反之,當(dāng)正向電壓減小時(shí),非平衡少子減 少,載流子的積累也減少,相當(dāng)于從 !區(qū)和 "區(qū)取出電荷,因此呈現(xiàn)出電容效 應(yīng),這種電容稱為擴(kuò)散電容,用 !$ 表示。 !$ 的值也隨外加電壓值的改變而改 變,因而也是非線性電容。擴(kuò)散電容 !$ 值通常大于勢(shì)壘電容 !# 值,一般 !$ 約 幾十 %&到 ’( ’) !&,而 !# 僅為 ’(*+)’’ %&。 !"結(jié)的結(jié)電容通常用 !1 表示, !12 !$3 !# 。正向偏置時(shí), !1 以擴(kuò)散電容 !$ 為 主;反向偏置時(shí), !1 以勢(shì)壘電容 !# 為主。 一般情況下 !1 很小,對(duì)低頻電路的影響不 大,可不予考慮。當(dāng)工作頻率很高時(shí),必須 考慮 !"結(jié)結(jié)電容的影響。 !"結(jié)的結(jié)電容隨反向電壓的增加而減 小,利用這種效應(yīng)制成的二極管稱為變?nèi)荻?極管,其符號(hào)和典型電容電壓特性如圖 )( ,( -所示。變?nèi)荻䴓O管常在高頻電路中 用作壓控電容。 圖 )( ,( -.變?nèi)荻䴓O管的符號(hào) 與電容電壓特性 (/)符號(hào) .( 0)電容電壓特性 +(第 !章%半導(dǎo)體二極管及其電路分析 !" #" #$肖特基二極管 肖特基二極管又稱肖特基表面勢(shì)壘二極管,其內(nèi) 部是一個(gè)金屬半導(dǎo)體結(jié)。所謂金屬半導(dǎo)體結(jié),是在金 屬和低摻雜 &型半導(dǎo)體的交界處所形成的類似于 ’& 結(jié)的空間電荷區(qū),其伏安特性與 ’&結(jié)相似,也具有單 向?qū)щ娦浴5,肖特基二極管與普通二極管相比有 兩個(gè)重要特點(diǎn):一是肖特基二極管的導(dǎo)通電壓較低,約 為 ("# );二是肖特基二極管只利用一種載流子(電 子)導(dǎo)電,不存在普通二極管的少子儲(chǔ)存現(xiàn)象,因此工 作速度快,適用于高頻高速電路。肖特基二極管的符 號(hào)如圖 !" #" $所示。 討論題 % % !"#"!%穩(wěn)壓管與普通二極管相比有何異同?說(shuō)明穩(wěn)壓管使用中應(yīng)注意哪些問(wèn)題。 !"#" *%簡(jiǎn)述穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的工作原理,說(shuō)明穩(wěn)壓電路中限流電阻的作用。 !"#" +%發(fā)光二極管和光電二極管有何用途?使用中應(yīng)注意哪些問(wèn)題? 本章小結(jié) !"半導(dǎo)體有電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電。本征半導(dǎo)體的自由電子和 空穴由本征激發(fā)產(chǎn)生,它們是成對(duì)的,其濃度較低,因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力 較差。本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)元素雜質(zhì),則成為 &型半導(dǎo)體,其中電子是多子, 空穴是少子;若摻入三價(jià)元素雜質(zhì),則成為 ’型半導(dǎo)體,其中空穴是多子,電子 是少子。雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能主要由多子決定,多子主要由摻雜產(chǎn)生,其濃度 很大且基本不受溫度影響,因此雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能較好。雜質(zhì)半導(dǎo)體中的 少子由本征激發(fā)產(chǎn)生,其濃度隨溫度升高而增加,因此溫度對(duì)雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電 性能有較大影響。 *" ’&結(jié)也稱為阻擋層、勢(shì)壘區(qū)或耗盡區(qū),它是構(gòu)成各種半導(dǎo)體器件的核 心,其主要特性是單向?qū)щ娦,? ’&結(jié)在正偏時(shí)導(dǎo)通,呈現(xiàn)很小的結(jié)電阻,產(chǎn)生 較大的正向電流;反偏時(shí)截止,呈現(xiàn)很大的結(jié)電阻,反向電流近似為零。當(dāng)反偏 電壓超過(guò)反向擊穿電壓值時(shí), ’&結(jié)將發(fā)生反向擊穿。 ’&結(jié)還存在電容效應(yīng),由 于結(jié)電容很小,低頻電路一般不考慮其影響,但工作頻率很高
時(shí),必須考慮 ’& 結(jié)結(jié)電容對(duì)電路性能的影響。 +"二極管本質(zhì)上是一個(gè) ’&結(jié),其主要特性是單向?qū)щ娦。?dāng)正偏電壓小 圖 !" #"$%肖特基二極管 的電路符號(hào) 習(xí)99題:5 于死區(qū)電壓 !!" 時(shí),正向電流約為零;當(dāng)正偏電壓大于 !!" 后,二極管導(dǎo)通,導(dǎo)通后 的二極管近似地具有恒壓特性,其導(dǎo)通壓降 !#($%)對(duì)硅管約為 &’( ),對(duì)鍺管約 為 &’* );當(dāng)反偏電壓值小于反向擊穿電壓值 !(+,)時(shí),二極管截止,流過(guò)的電流 為很小的反向飽和電流,通?珊雎圆挥(jì);當(dāng)反偏電壓值達(dá)到或超過(guò)反向擊穿電 壓值時(shí),二極管發(fā)生反向擊穿。普通二極管應(yīng)工作于單向?qū)щ妳^(qū),避免工作到反 向擊穿區(qū)。為安全起見(jiàn),二極管使用時(shí)要串接限流電阻。溫度對(duì)二極管的特性 有顯著影響,溫度升高時(shí),反向電流增加,死區(qū)電壓和導(dǎo)通電壓減小。 -’在工程實(shí)際中,主要采用模型法分析二極管應(yīng)用電路,分析的關(guān)鍵是根 據(jù)電路的具體情況選擇合適的二極管模型。對(duì)于直流電路和大信號(hào)工作電路, 應(yīng)采用理想模型或恒壓降模型進(jìn)行分析,當(dāng)二極管回路的電源電壓遠(yuǎn)大于 !#($%)時(shí),理想模型較為簡(jiǎn)便;當(dāng)電源電壓較低時(shí),采用恒壓降模型較為合理。對(duì) 于既有直流電源又有小信號(hào)源的電路,一般先利用恒壓降模型進(jìn)行靜態(tài)分析,求 出二極管的靜態(tài)工作點(diǎn),然后求出二極管的小信號(hào)模型參數(shù) " ,再利用二極管的 . 小信號(hào)模型對(duì)電路進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析,最后根據(jù)題目要求進(jìn)行綜合分析。 /’穩(wěn)壓二極管是一種特殊的面接觸型硅二極管,其單向?qū)щ娦耘c普通二極 管相似,但反向擊穿特性曲線很陡,穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路正是利用這種良好的反向恒 壓特性來(lái)達(dá)到穩(wěn)壓的目的。構(gòu)成穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路時(shí),必須給穩(wěn)壓管加上足夠大 的反偏電壓,使穩(wěn)壓管工作于反向擊穿區(qū);同時(shí)要給穩(wěn)壓管串接大小適當(dāng)?shù)南蘖?電阻 #,使穩(wěn)壓管的工作電流 $#0 滿足 $012% " $#0 "$03 。 4’發(fā)光二極管是一種通以正向電流就會(huì)發(fā)光的二極管,使用時(shí)應(yīng)加正偏電 壓,并串接合適的限流電阻。其工作電流典型值為 5& 16左右。發(fā)光二極管能 將電信號(hào)轉(zhuǎn)為光信號(hào),光電二極管則能將光信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào),使用時(shí)光電二極管 應(yīng)加反偏電壓,使其工作于截止?fàn)顟B(tài),這樣其反向電流將隨光照強(qiáng)度的變化而變 化。將發(fā)光器件和光電器件組合,可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的光電耦合和光傳輸。 (’ 78結(jié)的結(jié)電容隨反向電壓的增加而減小,利用這種效應(yīng)制成的二極管 稱為變?nèi)荻䴓O管,它常在高頻電路中用作壓控電容。肖特基二極管的內(nèi)部是一 個(gè)類似于 78結(jié)的金屬半導(dǎo)體結(jié),與普通二極管相比它有兩個(gè)重要特點(diǎn):一是導(dǎo) 通電壓較低,約為 &’-);二是工作速度快,適用于高頻高速電路。 習(xí)99題 9 9 5’59某二極管在室溫(:&& ;)下的反向飽和電流為 &’5 <6,試分析二極管外加電壓在
&’/=&’( )之間變化時(shí),二極管電流的變化范圍。 5’ *9二極管電路如圖 75’ *所示,二極管的導(dǎo)通電壓 !#($%) >&’( ),試分別求出 #為 5?!、-?!時(shí)電路中的電流 $5 、$* 、$@ 和輸出電壓 !@ 。 %$第 "章&半導(dǎo)體二極管及其電路分析 "# %&圖 !"# %所示各電路中,設(shè)二極管具有理想特 性,試判斷各二極管是導(dǎo)通還是截止,并求出 ’(兩端的 電壓 !’( 。 "# )&二極管電路如圖 !"# )所示,二極管導(dǎo)通電壓 !*(+,) -.#/ 0,!1 -2 0,試求電路中的電流 " " 、" $ 、" ( 和輸 出電壓 !( 。 "# 3&圖 !"# )所示電路中,當(dāng) !1-24"0時(shí),試分析 !( 的變化范圍。 圖 !"# $ 圖 !"# % "# 2&二極管電路如圖 !"# 2所示,設(shè)二極管具有理想特性, #5 365, !$ 0,試畫出 #( 波形。 "# /&在圖 !"# /所示電路中,設(shè) #5 -".65, !$ 0,且二 極管具有理想特性,當(dāng)開(kāi)關(guān) 7閉合和斷開(kāi)時(shí),試對(duì)應(yīng)畫出 #( 的波形。 "# 8&圖 !"# 8所示電路中,設(shè) #5 -"# 365, !$ 0,二極 管具有理想特性,試分別畫出開(kāi)關(guān) 7處于 ’、9、:時(shí),輸出 電壓 #( 的波形。 "# ;&圖 !"# ;所示電路中, 0" 、0$ 為硅二極管, 0% 為 鍺二極管,試畫出各電路的電壓傳輸特性,并畫出各電路 在相應(yīng)輸入電壓作用下的輸出電壓波形。 圖 !"# ) 習(xí)))題 圖 !"# $ 圖 !"# %圖 !"# & 圖 !"# ’ "# "()二極管電路及二極管伏安特性曲線如圖 !"# "(所示, !分別為 *+!、,(( !,用圖 解法求 " - 、#- 。 "# "")圖 !"# ""所示電路中,設(shè)二極管導(dǎo)通電壓 #-(./) 0 (#%1,$2 0 ,32/ !%(41),&對(duì) 交流信號(hào)的容抗近似為零,試求二極管兩端的電壓 $- 和流過(guò)二極管的電流 ’ - 。 "# "*)圖 !"# "*所示電路中,穩(wěn)壓管 1" 、1* 的穩(wěn)定電壓分別為 #5" 0&#, 1、#5* 0$ 1,試 求 6、7兩端的電壓 #67 。 "# "8)穩(wěn)壓電路如圖 !"# "8所示, #9 0"( 1,穩(wěn)壓管參數(shù)為 #5 0$ 1," 5 0"( 46," 5: 0 8( 46,試求:(*)限流電阻 !所消耗的功率。 (")流過(guò)穩(wěn)壓管的電流及耗散功率; &(第 "章’半導(dǎo)體二極管及其電路分析 圖 !"# "$ 圖 !"# ""圖 !"# "% ’ ’ "# "(’試求圖 !"# "&所示電路安全穩(wěn)壓工作所允許的 輸入電壓 !) 的變化范圍。 "# "*’穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路如圖 !"# "*所示,穩(wěn)壓管的參 數(shù)為 !+, -.," + ,* /0,#+1 ,%*$ /2,輸入電壓 !) ,%$ ., 試:、" 4+ (%)分析當(dāng) $5!) 穩(wěn) (")求 !3;開(kāi)路、 增加 "$6時(shí), 壓管是否能安全工作?(&)分析當(dāng) !) 減小 "$6,$5 ," 7! 時(shí),穩(wěn)壓管是否工作在穩(wěn)壓狀態(tài)? "# "-’圖 !"# "-所示電路中, %) , "$89: !&( .),穩(wěn)壓管參數(shù)為 !+" , !+% ,* .,!4(;:) , $#< .,試畫出 %3 的波形。 圖 !"# "& 圖 !"# "*圖 !"# " 附錄 $二極管使用常識(shí)4% !" !#$設(shè)計(jì)一穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路,要求輸出電壓為 %&,負(fù)載電流允許范圍為 ’ ()’ *+,已 知輸入直流電壓為
,&,其變化范圍不超過(guò) -!’.,試畫出電路,確定穩(wěn)壓管型號(hào)、限流電阻 的阻值及功率。 附錄 $二極管使用常識(shí) 一、二極管的選擇與使用注意事項(xiàng) 使用中,應(yīng)根據(jù)二極管在電路中的作用和技術(shù)要求,結(jié)合貨源與價(jià)格,選擇 經(jīng)濟(jì)實(shí)用的管子。一般原則是:要求反向工作電壓高時(shí)選硅管;要求反向電流小 時(shí)選硅管;要求耐高溫時(shí)選硅管;要求溫度穩(wěn)定性好時(shí)選硅管;要求導(dǎo)通電壓或 正向壓降低時(shí)選鍺管;要求工作電流大時(shí)選結(jié)面積大的管子(一般為面接觸型 硅管);要求工作頻率高時(shí)選結(jié)面積小的管子(一般為點(diǎn)接觸型鍺管)。例如,整 流電路中的二極管電流大、反向電壓高、工作頻率不高,應(yīng)選用整流二極管;檢波