第1编一般器件.doc

[电子器件：2009.03.23.--2009.05.29.]
*
第一编 一般器件
第一章 稳压二极管
（Zener Diode）
§1.1 特性参数
一、结构特性

[ Unp＞6V：雪崩击穿为主。Unp＜4V（E＞2MV/cm）：奇纳击穿为主。]

（∵ W=∫F·dx ，即U=∫E·dx，∴ E=dU/dx，即E≈U/d ，d越小E越强)
（∵C=εS/d = Q/U，∴高掺杂→ n↑、Q↑→ C↑、d↓，结变薄）

稳压二极管：反向击穿后可逆。（普通二极管：不可逆。）

二、主要参数
稳定电压Uz，工作电流Iz，动态电阻rg，温度系数αT，耗散功率PM等。
(参看附表1.1～1.2)

§1.2 应用举例
一、稳压电路

UL↑→Iz→UR↑→UL↓
(此电路负载电流较小：IL max= IZ max- IZ min)
R作用：限制ID在AB段（不是可有可无的！）
[即R满足关系：(Ui min－UL)/ R ≥ Iz min+ IL max，(Ui max－UL)/ R ≤ Iz max + IL min ]

Ui = UT + UL

(a) (b)
（a）UL↑→ Ub几乎不变、Ue↑→ Ube↓→ Ib↓→ Ie↓→ UL↓
(负载电流大，比单D电路约大β倍)
（b）UL↑→ Ub↓、Ue↑→ Ube → Ib↓→ Ie↓→ UL↓

二、过压保护
侧重于保护，不同于稳压。

(a) (b)
(a) 过压时：UL↑→ Iz → UR↑→UL↓，即UL趋于稳定。
(b) 过压时：Ui↑ →UL↑→Ib↑→Ic↑→UR1↑→UL↓，即UL几乎不变。
（未过压时，ID≈0。）

三、电压限幅

上图：UO = Ui – UD，即输出被截去UZ ；
下图：UO = Ui – IR≈UD，即输出仅保留UZ以下。

两管组合，可构成交流限幅电路。

四、电平移动（或电平转移）

另外，稳压二极管还可用于信号选择、退耦电路、检波电路等。

* 可调稳压器TL431简介：输出电压可调。
美国TI产品，性能优良，价格低廉。
其中：VKA=2.5～36V，IKA=1～100mA，P≤1W，动态电阻=0.2Ω。

TL431的等效电路 电路符号

应用举例：

2.5V稳压电路 可调输出稳压电路 5V精密稳压电路
（分析：1、稳压过程，2、输出电压）
（易知： VR↑→IC→VKA↓，与稳压二极管类似，但输出电压可调）

第二章 恒流二极管
（CRD：Current Regulating Diode or Current Regulative Diode，used for current stabilization.）

§2.1 特性参数

一、结构特性

结构：CRD类于N沟道JFET，UGS=0 。
原理：U↑→ PN结变宽，沟道收窄、直至夹断 → I恒定。

CRD的结构及电路符号 CRD加正向电压的情况
（参看二极管反偏情况）

CRD的伏安特性 JFET的结构及符号

* CRD虽类于结型FET，但着眼于在较大电压和温度范围内使电流变化较小。

二、主要参数

恒定电流IH，动态阻抗ZH（动态电阻越大，恒流效果越好），起始电压US，击穿电压UB，温度系数CT等。

(参看附表2.1～2.2)

§2.2 应用举例

一、恒流电路

(a) (b)
单管恒流电路 高精度恒流电路
（与三极管结合：提高稳定度，扩大电流）
其中，R的选取原则：限制I在恒流区

即：Umin－IH R＞US，Umax－IH R＜UB ；

亦即：(Umax－UB)／IH＜ R＜ (Umin－US)／IH

“高精度恒流电路”恒流原理：

(a)：IOH↑→Ie↑→(Uz不变、Ue↑) Ube↓→Ib↓→ Ic↓、 IOH↓

(b)：IOH↑→Ue↑→（Ib2↑）Ub1↓→ Ube1 →Ib1↓→ Ic1↓、IOH↓
（电压反馈分析）
或：IOH↑→Ue↑→Ib2↑(Ic2↑)→Ib1↓→IOH↓ （电流负反馈）

(a) 小电流 (b) 大电流
高电压恒流电路
（利用T提高耐压）

二、稳压电路

Uo↑→Ib2↑→Ic2↑→Ib↓→Ie↓→Uo↓
小信号电压 高稳定电源

三、波形变换

另外，恒流二极管还可用于差分放大、限流保护等电路。与TL431结合构成精密恒流电路等。

差分放大电路（提高共模抑制比） 精密恒流电路
（因非对称而由共模信号引起的△Ic更小） （ IOH↑→ Ue↑→ ITL↑→ Ib1↓）

* 简介：可调恒流管：IH～R ；
集成恒流管：IH、CT ～ R、RC 。

▲习题一
1、简述图1-4电路和由TL431构成的可调输出稳压电路的稳压原理，以及图1-12电路的电平移动原理。
2、推导单管恒流电路中R的取值范围，并简述图2-10(a)电路的恒流原理和图2-11(b)电路的恒流及扩压原理。
第三章 单结晶体管
（UJT：unijunction transistor）

§3.1 特性参数

一、结构特性
结构：单结晶体管又称双基二极管。（如图）

结构 等效电路 符号 伏安特性

原理：当UE－UA≥UD时，D导通，IE突然增大，但UE却下降。
[ 其中：UA=ηUBB，η=RB1/(RB1+RB2) ]
即当 UE≥UD+ηUBB时，单结管导通,进入负阻区。
（所谓负阻即：△U/△I ＜0 ）
因为：载流子↑→ RB1↓、UA↓ → IE↑、UE↓，（直至谷点）。

二、主要参数

分压比η，峰值电流IP ，谷值电流IV ，谷值电压UV 。（峰值电压UP=UD+ηUBB，不是常数。）(参见附表3.1)

§3.2 应用举例

一、张弛振荡

张弛振荡电路 电压波形
(由C提升电压，至Up跌回，形成振荡)

振荡条件：
(E－Up)/R＞Ip，(E－Uv)/R＜Iv
即：(E－Up)/ Ip＞R＞(E－Uv)/ Iv

振荡周期：
∵E = Uc + iR , 即 E = Uc+RC·dUc/dt （因Q = CU，i= dQ/dt）
∴Uc = E-Ae-t/RC,
带入t=0、Uc=Uv, t=T1、Uc=UP，(且Uv≈0、UD<<E)，可得
T1= RC·ln[(E-Uv)/(E－UP)]≈RC·ln[1/(1－η)]，
类似可得T2≈Rb1C·ln(Up/Uv)，
∴T = T1+T2 ≈ T1≈RC·ln[1/(1－η)]

张弛振荡可用于可控整流、延时继电器等。

可控整流电路 电压波形
(导通时间由T1～RC决定，可调，因此输出电压可调)

二、正弦振荡及锯齿波

正弦振荡 锯齿波
(通过LC谐振选频) (通过CRD对C恒流充电，振荡形成锯齿波)
（*区别：BT：电流控制载流子浓度，需功率。 FET：电压控制载流子浓度，只需电压。如水表）
三、单稳态触发器

导通条件：UE ≥ UD+ηUBB 振荡周期由RC决定
τ1≈1×100=100ms，τ2≈0.047×22=1ms
单稳态触发器 多谐振荡音频电路

* 简介：程控单结晶体管（PUT：programmable unijunction transistor ）
特性类似于UJT，但UP=UG（可调）。

(UA>UG即可触发导通)
PUT的结构、等效电路及符号

PUT应用举例：

T≈RC·ln(1+R2/R1) 输出前沿陡、幅值高的窄脉冲

PUT张弛振荡 脉冲整形电路

第四章 隧道二极管
（ Tunnel Diode ）

§4.1 特性参数

一、结构特性
结构：重掺杂，结区薄。（ n↑→d↓，因Q/U =εS/d ）

结构 符号 伏安特性 原子结构 (单)能级图 (多)能带图
隧道二极管的结构、符号及伏安特性
（类于地球同步卫星。约束条件：力平衡、角速度，故R不可任意）

零偏置O (平衡) 正偏峰值点P (全通) 正偏谷值点V (全禁) 反偏区R (N加+，速增)
隧道二极管在不同偏压下的能带图

原理：(能级)能带结构 → PN结隧道效应 → 特殊的伏安特性。

[*条件：费米能级位于导带和满带内；空间电荷层很薄（10nm以下）；P、N区的空穴和电子在同一能级上有交叠的可能性。导带：即自由电子所具有的能量范围，一般指金属中部分充满的能带，其能带填充情况很容易受电场作用而改变，使金属表现出良好的导电性。价带：指固体中电子恰好填满最低的一系列能带，其最高的满带称为价带。禁带：指能带之间的区域。费米能级约为最后一个费米子（如电子等）占据的量子态。]
TD的优点：开关特性好，速度快、工作频率高。缺点：热稳定性较差。用于高频放大器及高频振荡器（可达毫米波段）或高速开关电路。

二、主要参数

峰值电压UP，峰值电流IP ，谷值电压UV，谷值电流IV ，结电容等。
(参见附表4.1)

§4.2 应用举例

一、多谐振荡

多谐振荡基本电路 电压、电流波形 伏安特性及折线近似
(由L提升电流，至Ip跌回，形成振荡)

振荡条件：D工作于G-D区，且元件参数适当。

多谐振荡器 双稳态触发器及直流负载线

二、单稳态及双稳态触发器

电路 电压波形 直流负载线：Ud = E－IR
(器件约束+回路约束→交点：平衡点)
单稳态触发器及直流负载线

本电路也可构成双稳态触发器，但直流负载线与伏安特性曲线需有三个交点。

三、信号放大

i↑→u↑→iD↓→IL
放大电路及其原理 （D须工作在负阻区）

四、过流保护

IL过流→UD→Ube (且E2反偏) →T截止
过流保护电路及其伏安特性

保护快速，可达μS量级。

另外，隧道二极管还可用于变频电路、开关电路、门电路等。

* 反向二极管（用其反向特性）：导通电压小，用于微波混频或小信号检波等。

▲习题二

1、简述图3-5电路和图3-9电路的工作原理，并推出图3-5电路中R的取值范围。
2、简述图4-6电路和图4-11(a)电路的工作原理。

*附一：“互锁”电路

双稳 单稳 振荡
(原因：R稳定，C不稳)

*附二：能带简介
能带的图像（图1）可以说明金属、半导体和绝缘体的区别。
金属都有部分被电子占据的宽能带，称为导带，在这种能带中空着的电子态的能量与被占的态相连接，能带填充情况很容易被电场作用所改变，表现出良好的导电性。绝缘体则是另一种极端情况，电子恰好填满最低的一系列能带，其最高的满带有时称为价带，更高的各能带都空着。满带与空带之间隔着较宽的禁带，电场很难使能带的填充情况改变，因而不产生电流。半导体的能带填充情况很像绝缘体，但是空导带与价带之间的禁带比绝缘体窄得多，因此可以引入杂质或热激发，使空导带出现了少数电子，或价带中出现少数空穴，或兼有二者，从而有一定的导电性。

-1. 13 -