作者：杨振坤
出版社：电子工业出版社
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应用电工电子技术(下册)试读：
前言
21世纪是科技飞速发展的时代，其学科交叉、信息沟通、技术融合的发展特点，推动了机械、能源动力、过程装备与控制、车辆工程、航空航天等相关设计与制造业的进步，其中扮演重要角色的电工技术、电子技术及电气控制技术，正在发挥着越来越重要的作用。因此，掌握电工电子技术的基本理论和基本技能，已成为工科高等学校非电类本科生更为迫切的基本的学习要求。
本书是在作者多年从事电工电子技术课程教学实践、教学改革，以及主持“电工电子技术”国家精品课程建设，并已主编出版《电工技术》、《电工电子技术》、《电工电子学CAI》等多本相关教材的基础上，总结提高、精简内容，为非电类相关专业应用型本科教学需要而编写的。全书分为上、下两册，每册均配有完整的多媒体课件。
本册共8章。包括半导体器件、基本放大电路、集成运算放大器、集成运算放大器的应用、集成直流稳压电源、组合逻辑电路、时序逻辑电路、数/模转换和模/数转换等内容。
考虑到既要满足应用型本科人才的培养需求，又要符合教学基本要求，适应时代的发展，且有利于组织教与学，本书力求在内容的取舍、广度、深度，以及如何加强应用性诸方面做一些尝试与探索。
本书的编写除了具备上册编写的风格外，还具有以下特点：（1）每章的开篇增加了知识点及相关知识点的基本教学要求，以使读者在学习本章之初就对学习的重点及达到的要求做到心中有数。（2）增加了以概述本部分知识工程应用实例和相关实物图片为主的引例，作为每一章的前言部分，从而增强读者学习的目的性和兴趣。（3）在重视基本概念、基本原理和基本分析方法较详尽阐述的基础上，更加注重应用例题的分析，例如在组合逻辑和时序逻辑电路、集成运算放大器应用及数/模转换和模/数转换等部分，都为读者提供了较多的工程应用电路，以利于加强综合应用能力的培养与训练。（4）加强集成电路的应用，减少分立元件电路的内容。模拟电路部分，在保证教学基本要求的前提下，尽量减少分立电路的参数分析与计算，加强集成运算放大器和集成稳压电源的分析与应用。数字电路部分则直接由小规模集成电路入手，重点介绍中规模集成电路的应用。
本书的编写由杨振坤教授主持。第1章由樊琛、刘会玲编写，第3、4章由樊琛编写，第2、5章由杨振坤编写，第6、7章由李娜娜编写，第8章由刘会玲编写，陈国联提供了1、3、4、6章的部分素材，曹凡做了部分电路图的编辑与制作工作。全书经杨振坤教授修改、补充和定稿。
本书由西安电子科技大学温正中教授审阅，他从机电结合的角度，提出了宝贵的意见和修改建议，在此深表谢意。
在编写过程中，作者借鉴了有关参考资料。在此，对参考资料的作者、西安交通大学城市学院和机械系、物理教学实验中心的领导与教师们、西安交通大学电工电子教学实验中心的同仁，以及帮助此书出版的单位一并表示衷心的感谢。
由于编者的水平所限，且时间仓促，书中难免有疏漏和不妥之处，敬请广大师生和读者提出宝贵意见，以便不断改进与提高。
反馈意见请发送电子邮件至dgx_yang＠mail.xjtu.edu.cn。本书配套有相应的教学支持材料，需要的教师请登录华信教育资源网www.hxedu.com.cn，免费注册后下载。
编 者
于西安交通大学
第1章 半导体器件
【教学要求】
【引例】
自从1948年第一个晶体管问世以来，半导体技术有了飞速的发展。由于半导体器件具有质量轻、体积小、耗能低、寿命长、可靠性高等优点，在现代工业、农业、国防和科学技术中获得了广泛应用。
半导体器件（Semiconductor Device）是用半导体材料制成的电子器件，常见的有半导体二极管、晶体管、场效应管和光电管等。半导体器件是构成各种电子电路的最基本元器件，支撑着通信、计算机、网络技术等电子信息产业的发展。
在半导体器件的基础上发展起来的集成电路，使电子技术进入了一个新的里程碑。集成电路是由二极管、晶体管等半导体器件和电阻、电容器等元件，按一定的工艺集成在一块半导体单晶片上，完成特定系统功能的器件或部件。集成电路的发展从小规模到中规模，直到大规模、超大规模集成电路，可以把成千上万个半导体器件集成到一块芯片上，是当前控制、测试及计算机技术发展所必需的基础电子器件。集成电路的规模和技术已经成为衡量一个国家综合实力的重要标志。图1.0.1（a）为8088微处理器，IBM公司用此处理器生产了第一台个人计算机，图1.0.1（b）为奔腾微处理器芯片，图1.0.1（c）为IC卡。
半导体器件的基本结构、工作原理、特性和参数是学习电子技术和分析电子电路必不可少的基础，同时PN结又是构成各种半导体器件的共同基础。因此，本章首先介绍半导体的基础知识和PN结的基本原理，然后重点讨论半导体二极管、晶体管、场效应管和光电管。对半导体器件的内部机理只做简单的介绍，重点讨论其外部特征及其应用。图1.0.1 集成电路芯片
1.1 半导体基础知识
自然界中的各种物质，根据其导电能力由强到弱，依次可以分为导体、半导体和绝缘体三大类。导体是导电能力强、电阻率低的物质，如铜、银、铝等金属物质；绝缘体是导电能力弱、电阻率高且稳定的物质，如玻璃、橡胶、塑料、陶瓷等；半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的物质，如硅（Si）、锗（Ge）、硒（Se）等，它们具有稳定的晶体结构。1.1.1 半导体的导电特性
1.半导体的基本特性
半导体在常态下更接近于绝缘体，但在受热、掺杂或光照后，其导电能力明显增强。半导体材料有以下特性。（1）热敏性
大多数半导体对温度变化敏感，其导电性能随温度的升高而升高。利用半导体的热敏性可以制成各种热敏器件，如测量温度、流量、液位的测量元件；具有控制功能的热敏开关、限流器及电路补偿元件等。热敏开关可以应用于空调、微波炉、电热开水壶、蒸汽枪等电热器具中。（2）光敏性
光照增强，导电能力增强，这就是半导体的光敏性。利用半导体的光敏性可以制成各种光电器件，如光敏电阻、光电二极管等。同时，利用半导体受光后产生电动势的性质可以制作太阳能电池，从而有效地利用太阳的辐射能量。太阳能发电是一种新兴的可再生能源，许多城市已经安装了太阳能路灯，如图1.1.1所示。图1.1.1 太阳能路灯（3）掺杂性
在纯净的半导体材料中掺入少量杂质，可使其导电能力增强，半导体的这种性质称为掺杂特性。例如在纯净的硅中掺入百万分之一的-3-3硼，硅的电阻率就从大约 2×10Ω.m 减小到约 4×10Ω.m，利用这种特性可以制作不同用途的器件，如半导体二极管、稳压管、晶体管、场效应管等。
半导体的这些导电性能，在于其内部结构的特殊性。下面介绍半导体物质的内部结构和导电特征。
2.本征半导体
硅和锗是常见的半导体材料。硅和锗的原子在结构上的共同特点是，其原子外层轨道上都有4个电子（通常称为价电子），两个相邻的原子共用1对价电子，形成共价键。当把它们制成单晶体时，其原子间排列整齐且有规律，如图1.1.2所示。半导体一般都具有这种晶体结构，所以半导体也称为晶体。图1.1.2 本征半导体结构图
本征半导体就是完全纯净的、具有晶体结构的半导体。
当本征半导体被加热或受到光照时，共价键中的价电子将获得能量而挣脱共价键的束缚成为自由电子，这种现象称为本征激发。同时在共价键中留下一个空位，称为空穴。本征激发产生的自由电子带负电。具有空穴的原子因失去一个价电子而带正电，它可以吸引相邻原子中的价电子来填补这个空穴，因此，在相邻原子的共价键中形成了一个新的空穴，这样就随着价电子的迁移而形成了空穴的反向移动。由于空穴移动到哪里，哪里的原子就因失去电子而带正电，所以可以等效地视为空穴带有正电荷。在半导体中存在着自由电子和空穴两种带电粒子，这是半导体导电机理不同于导体只有自由电子导电的特殊性质，通常把这两种带电粒子统称为载流子。
本征激发的自由电子和空穴总是成对出现的，同时也在不断地消失，这一现象称为复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中的载流子数量将保持不变。当温度升高或受到光照时，本征激发随之加强，半导体中的载流子数目增加，其导电性能会显著地提高，这一特性即为半导体的热敏性和光敏性。
3.P型半导体和N型半导体
根据半导体掺入的杂质不同，可以分为P型半导体（Positive-type semiconductor）和N型半导体（Negative-type semiconductor）。
如果在本征半导体材料（如硅或锗）中掺入微量的三价杂质元素硼，因硼原子外层只有3个价电子，在形成共价键结构时，将因缺少一个价电子而形成一个空位，硼原子就会吸引周围共价键上的价电子来填补这个空位，硼原子得到一个价电子而成为负离子，同时在失去价电子的共价键上形成了一个带正电的空穴。虽然掺入的三价杂质相对数量很少，但绝对原子数很多。因此，在这种掺杂半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子，称为P型半导体，如图1.1.3所示。图1.1.3 P型半导体
如果在本征半导体材料中掺入微量的五价杂质元素磷，因磷原子外层有5个价电子，而在形成共价键结构时只需4个价电子，这样，多余的第五个价电子就很容易挣脱磷原子的束缚而成为自由电子，同时磷原子因失去一个价电子而成为正离子。在这种掺杂半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子，称为N型半导体，如图1.1.4所示。图1.1.4 N型半导体
多数载流子是由掺杂产生的，多数载流子数目取决于掺杂浓度；少数载流子是由本征激发产生的，少数载流子数目的多少与环境温度有很大关系。
无论是P型半导体还是N型半导体，从整体上看，正、负电荷量总是相等的，对外保持电中性。1.1.2 PN结的形成及其特性
1.PN结的形成
在N型（或P型）半导体基片上，采用离子注入工艺在局部区域掺入高浓度的三价（或五价）元素作为补偿杂质，使该区域形成P型（或N型）区，则在P区和N区之间的交界面附近，将形成一个很薄的空间电荷区，称为PN结。
PN结的形成机理如图1.1.5所示，其过程如下：由于P型和N型半导体之间存在着多数载流子浓度上的显著差异（P区内有大量的空穴，而电子数目很少；N区内有大量的电子，而空穴数目很少），浓度高的多数载流子将越过P型和N型半导体的交界处，向浓度低的半导体区扩散，即P区的空穴要向N区扩散；N区的电子要向P区扩散。扩散到对方的载流子与该区的多数载流子相遇而复合，这样，在P区一侧留下不能移动的负离子，在N区一侧留下不能移动的正离子，由正负离子组成的空间电荷区就是PN结，也称为耗尽层。图1.1.5 PN结的形成
随着PN结的形成，产生了由N区指向P区的内电场，内电场一方面会阻止多数载流子的进一步扩散；另一方面它会吸引少数载流子（P区的电子和N区的空穴）越过空间电荷区而进入对方区域，这称为少数载流子的漂移，少数载流子的漂移将使内电场减小。实际上，在PN结开始形成时，多数载流子的扩散运动占优势，随着扩散运动的进行，空间电荷区逐渐加宽，内电场增强，于是多数载流子的扩散运动减弱，而少数载流子的漂移运动加强，直到多数载流子的扩散运动与少数载流子的漂移运动达到动态平衡以后，空间电荷区的宽度才相对稳定下来，此时多数载流子的扩散电流与少数载流子的漂移电流相等，通过PN结的净电流为零。
2.PN结的单向导电性
上面所讨论的PN结处于平衡状态。如果给PN结外加电压，则会打破PN结内多数载流子扩散运动和少数载流子漂移运动的平衡状态，从而使PN结的导电性能发生变化，PN结的单向导电性如图1.1.6所示。
在图1.1.6（a）中，当PN结上施加正向电压时，即P区接电源正极，N区接电源负极。此时P区电位高于N区，称为正向偏置（简称正偏），外加电场方向与PN结内电场方向相反，在这个外加电场的作用下，PN结的平衡状态被打破，P区中的多数载流子空穴和N区内的多数载流子电子都向PN结内移动，当P区的空穴进入PN结后，就要和原来的一部分负离子中和，使PN结内P区一侧的负电荷量减少，同样，当N区的电子进入PN结时，中和了一部分正离子，使PN结内N区一侧的正电荷量减少，结果，使空间电荷区变窄，内电场被削弱，多数载流子易于通过PN结，因此，形成较大的正向电流I，此时PN结呈现F低阻导通状态。图1.1.6 PN结的单向导电性
在图1.1.6（b）中，如果给PN结施加反向电压，此时N区电位高于P区，称为反向偏置（简称反偏）。外加电场方向与PN结内电场方向一致，内电场被加强，空间电荷区加宽，多数载流子很难通过PN结，但是，内电场的加强，却有利于少数载流子的漂移运动，因此少数载流子的漂移形成了反向电流I，由于少数载流子数量很少，反向R电流I数值很小，并且受环境温度影响较大。此时可以认为PN结基R本上不导通，呈现高阻截止状态。
综上所述，PN结具有单向导电性：正向偏置时，PN结导通；反向偏置时，PN结截止。二极管、晶体管等半导体器件的工作特性都是以PN结的单向导电性为基础的。
1.2 半导体二极管
半导体二极管是最常用的半导体器件之一。学习时，需要了解二极管的结构和类型，掌握二极管的伏安特性和主要参数。1.2.1 半导体二极管的结构
半导体二极管是由PN结加上相应的电极引线和管壳构成的。电极引线连接PN结正、负两端引出，与P区相连的引线称为阳极（或正极），与N区相连的引线称为阴极（或负极），管壳将PN结和部分电极引线封装起来。根据管壳材质不同，可以分为玻璃封装、塑料封装和金属封装。图1.2.1是半导体二极管的实物图和结构示意图。图1.2.1 半导体二极管实物和结构示意图
按内部结构不同，二极管可分为点接触型、面接触型和平面型三种。点接触型二极管的结面积小，如图1.2.2（a）所示，因而结电容效应也小，适用于高频场合，主要用在高频检波、脉冲电路中，但允许通过的电流也小。面接触型二极管的结面积较大，如图1.2.2（b）所示，可通过较大的电流，适用于整流，但电容效应也较大，不适用于高频场合，主要应用于低频电路和整流电路。硅平面型的二极管是一种特制的硅二极管，如图1.2.2（c）所示，是用制造平面管的工艺制成的，它不仅能通过较大的电流，而且性能稳定可靠。结面积大的硅平面型二极管能通过较大的电流，适宜作为大功率整流用；结面积小的硅平面型二极管结电容小，适宜作为高频开关用。依据半导体材料的不同，二极管又分为硅管（一般为面接触型二极管）和锗管（一般为点接触型二极管）。二极管的电路符号如图1.2.2（d）所示。图1.2.2 二极管的结构类型和符号1.2.2 二极管的伏安特性和主要参数
1.伏安特性
伏安特性是指二极管两端的电压U和通过它的电流I之间的关系，即I=f（U），可用伏安特性曲线来表示，它形象地体现了二极管的单向导电性。二极管的伏安特性曲线可以通过实验获得，在二极管的两端加电压，测出流经二极管的电流，即可获得二极管的伏安特性曲线。伏安特性曲线也可以通过晶体管特性图示仪测得。
根据二极管两端所加电压的正负，特性曲线分为正向特性和反向特性两部分。图1.2.3所示为2AP15锗管和2CZ52硅管的伏安特性曲线。图1.2.3 二极管的伏安特性曲线（1）正向特性
当正向电压较小时，正向电流几乎为零，其原因是由于外电场还较弱，不足以克服内电场对多数载流子扩散运动的阻力。当正向电压大于一定值U后，外电场足以克服内电场对多数载流子扩散运动的T阻力，正向电流才会明显增大。这一定值电压U称为死区电压或阈T值电压。一般硅管的死区电压约为0.5V，锗管约为0.1V。当正向电压超过死区电压后，管子处于正向导通，其正向压降很小，硅管的正向电压U约为0.6～0.8V，锗管约为0.2～0.3V。D（2）反向特性
在二极管上加反向电压时，由于少数载流子的漂移运动，形成很小的反向电流。反向电流有两个特点：一是随温度的上升增长很快，二是反向电压不超过一定范围U时，反向电流的大小基本恒定，（BR）与反向电压的高低无关，故称为反向饱和电流。而当反向电压增大到一定数值U时，反向电流将急剧增大，二极管失去单向导电性，（BR）这种现象称为击穿，击穿时的反向电压U称为反向击穿电压。（BR）击穿按程度分为电击穿和热击穿，击穿后如果撤除外加反向电压，其性能仍可恢复，叫电击穿，电击穿后二极管不一定损坏。发生击穿后，如果单向电流不加限制，就会使二极管因内部温度过高而损坏，这种现象称为热击穿。电击穿是可逆的，而热击穿是不可逆的，将造成二极管的永久损坏。
由于二极管伏安特性是非线性的，给实际应用带来不便，所以常将二极管理想化：当二极管正向偏置导通时，认为其正向电压为零，二极管相当于短路；当二极管反向偏置截止时，认为其反向电流为零，二极管相当于开路。图1.2.4 温度对伏安特性的影响（3）温度对伏安特性的影响
在实际应用中，温度对二极管伏安特性的影响比较大，会造成二极管工作不稳定。温度升高，二极管导通电流I增加，正向曲线左移；D而共价键中激发的少数载流子数量将增多，从而引起反向饱和电流增加，所以反向特性曲线下移。如图1.2.4所示，实线是温度为t时的特1性曲线，虚线是温度升高到t时的特性曲线。2
2.主要参数
二极管的特性除了可用伏安特性曲线表示外，还可用参数来说明，二极管的主要参数如下。（1）最大整流电流IF
二极管长期运行时允许通过的最大正向平均电流，称为最大整流电流，其值由PN结的面积和散热条件及半导体材料决定。使用时，实际通过二极管的平均电流不能超过此值，否则会导致二极管因过热而损坏。（2）反向工作峰值电压URMW
为保证二极管不被反向击穿而规定的最大反向工作电压，称为反向工作峰值电压。一般为反向击穿电压U的一半或三分之二，（BR）如2CP10硅二极管的反向工作峰值电压为25V，而反向击穿电压为50V。（3）反向峰值电流IRM
I是指二极管加上反向工作峰值电压时的反向电流值。反向电RM流越小，二极管的单向导电性能越好。反向电流受温度影响很大，在高温运行时要特别注意。小功率硅管的反向电流一般在几个微安以下。锗管的反向电流为硅管的几十到几百倍，受温度的影响比硅管大。（4）最高工作频率fM
f是二极管的最高工作频率。因为PN结具有电容效应，二极管M在高频时应用，单向导电性将明显变差。【例1.2.1】 图1.2.5（a）所示电路中，利用二极管单向导电的特性将输入波形进行整形。已知u=15sinωt，试画出u和u的波形。其iio中，二极管正向导通电压忽略不计。图1.2.5 例1.2.1的图【解】 u和u的波形如图1.2.5（b）所示，当u为正半周时，二极ioi管处于正向偏置而导通，由于忽略二极管的正向导通压降，故u=u，当u为负半周时，二极管处于反向偏置而截止，所以u=0。在oiio实际应用中，经常利用二极管的单向导电性将输入波形整形后输出所需的波形，这种电路称为整流电路，将在第5章中详细介绍。1.2.3 二极管的应用举例
二极管的应用范围很广，利用它的单向导电性，可组成整流、检波、限幅、钳位等电路，还可用它构成其他元件或电路的保护电路，以及在脉冲与数字电路中作为开关元件等。
在作电路分析时，一般可将二极管视为理想元件，即认为其正向电阻为零，正向导通时为短路特性，正向压降忽略不计。反向电阻为无穷大，反向截止时为开路特性，反向漏电流可以忽略不计。
1.隔离作用
由前述可知，二极管的主要特性是单向导电性，也就是在正向电压的作用下，导通电阻很小；而在反向电压作用下导通电阻极大或无穷大。利用该特性对某个方向的电压可以起到隔离作用，在实际应用中可以作为开关元件来使用。
图1.2.6所示电路是监测电动机组工作的某种仪表的部分电路。其中，u为定时通过二极管VD输入到存储电路的监测信号，u为控制Li信号。图1.2.6 二极管隔离作用的应用实例
当U-u
2.钳位作用
钳位作用是使信号的起始电平固定在某一值上，表现为将输入信号上移或下移，而并不改变输入信号的波形。【例1.2.2】 在图1.2.7中，输入端A的电位U=+14V，B的电位AU=0V，求输出端F的电位U。电阻R接+15V电源。BF图1.2.7 例1.2.2的图【解】 因为B端电位比A端电位低，此时，二极管VD承受的正向B电压高于VD，所以VD优先导通。导通后二极管的正向压降ABU=0.7V，因此U=U+U=0+0.7V=0.7V。当VD导通后，VD承受DFBDBA的是反向电压，因此工作在截止状态。
在此电路中，VD是钳位二极管，起钳位作用，将F端的电位钳B制在0.7V上，而VD是隔离二极管，起隔离作用，将输入端A和输出A端F隔离开来。
3.限幅
限幅电路又称削波电路，主要是限制传输信号的幅值，使输出信号的幅值保持在某一数值之下，使后续电路正常工作。
限幅电路按功能分为上限幅电路、下限幅电路和双向限幅电路三种。上限幅电路在输入电压高于某一上限电平时产生限幅作用；下限幅电路在输入电压低于某一下限电平时产生限幅作用；双向限幅电路则在输入电压过高或过低的两个方向上均产生限幅作用。
限幅电路应用非常广泛，常用于整形、波形变换、过压保护等电路。【例1.2.3】 如图1.2.8（a）所示电路是由二极管VD、VD组成的12双向限幅电路。现以二极管VD、VD为理想二极管，E =E =5V，1212u =10sinωtV来分析限幅电路的工作原理，并画出输出电压u的波io形。图1.2.8 例1.2.3的图【解】 分析二极管的应用电路时，常将二极管理想化。为了判断理想二极管在电路中的工作状态，可先求出二极管阳极和阴极之间的端电压和极性，若阳极到阴极之间的端电压为正，说明阳极电位高于阴极电位，二极管接入后必导通，否则二极管将处于截止状态。
在图1.2.8（a）中，u为正半周且u<+5V时，VD、VD均截止，ii12u=u；当u>+5V时，VD导通，VD仍截止，输出u保持在+5V，一oii12o直保持到u小于+5V时为止。当u在+5V和-5V之间时，VD、VD反向ii12偏置而截止，u=u；当u<-5V时，VD立即导通，VD仍截止，u保oii21o持在-5V，并一直保持到u>-5V为止。i
电路输出电压u的波形如图1.2.8（b）所示。可见，电路起到了o削波限幅作用。【例 1.2.4】 在图 1.2.9（a）所示电路中，已知输入电压 u i=10sinωt，电源电动势 E=5V，VD为理想二极管，试画出输出电压uo的波形。【解】 当u≤+5V时，二极管VD截止，u=E=5V；当u≥+5V时，二ioi极管VD导通，u=u，输出电压u的波形如图1.2.9（b）所示，可见oio该电路也是一个削波电路，可以在输出端得到大于+5V的电压波形。图1.2.9 例1.2.4的图1.2.4 二极管的识别与简单测试
1.二极管的极性识别
二极管的极性识别一般分为外观识别和简单测试识别，外观识别又分为形状识别、符号识别和色环识别。从外形上看，金属封装二极管管体的正极一端为平面形，负极一端为半圆面形。从符号上看，塑封二极管管体上印有彩色标记的一端为负极，另一端为正极。从色环上看，一般靠近色环的一端是负极，有色点的一端是正极。对外观上标志不清楚的二极管判断极性时，也可以采用万用表测试的方法。
2.二极管的简单测试
判断二极管性能好坏或者判断二极管极性时，可采用万用表法判别。将万用表置于R×100挡或R×1k挡，两表笔分别接二极管的两个电极，如图1.2.10所示。测电阻，对调两表笔，再测电阻。两次测量的结果中，阻值较大的为反向电阻，阻值较小的为正向电阻。阻值较小时，黑表笔接的是二极管的正极，红表笔接的是二极管的负极；阻值较大时则相反。图1.2.10 用万用表测试二极管1.2.5 稳压管
稳压二极管简称稳压管，稳压管是一种由特殊工艺制成的面接触型半导体硅二极管，在电路中与适当的电阻配合可以稳定电压，故称为稳压管。其电路符号、伏安特性和常见稳压管实物图如图1.2.11所示。图1.2.11 稳压管的伏安特性和电路符号
1.伏安特性
稳压管的伏安特性曲线与普通二极管的伏安特性曲线类似，但其反向特性曲线更陡，如图1.2.11（a）所示。稳压管工作于反向击穿区，当稳压管被反向击穿后，在反向特性曲线的AB段流过管子的电流变化很大，而管子两端的电压变化却很小，这就达到了稳压的效果。稳压管与一般二极管不一样，它的反向击穿是可逆的，当去掉反向电压之后，稳压管又恢复正常，但是，如果反向电流超过最大的允许值，稳压管将发生热击穿而损坏。
2.主要参数（1）稳定电压UZ
稳定电压是指稳压管在正常工作下管子的端电压，其值随工作电流和温度的不同略有变化。手册中所列的都是在一定条件（工作电流、温度）下的数值，即使是同一型号的稳压管，由于工艺和其他方面的原因，稳压值也有一定的分散性。例如，2CW12型稳压管在I=10mAZ时，U的值在4.5～5.5V之间。Z（2）稳定电流IZ
稳定电流是指稳压管正常工作时的电流参考值。电流大于此值时（不能超过最大稳定电流值），稳定性能会好一些，但管子的功耗要增加。（3）电压温度系数αU
电压温度系数 α是说明稳压值受温度变化影响的系数，其数值U为温度每升高 1℃，稳压值的相对变化量。例如，某 2CW12 型稳压管的电压温度系数为 0.04%/℃，如果 25℃时的稳压值是5V，那么55℃时的稳压值将是5+5×（55-25）×0.04%=5.06V。一般来说，UZ值小于4V的稳压管，电压温度系数为负值；U值高于7V的稳压管，Z电压温度系数为正值；而U值为6V左右的稳压管，电压温度系数较Z小，稳定性较好。（4）动态电阻rZ
动态电阻也称交流电阻，是稳压管两端电压的变化量与相应的电流变化量的比值，即
可见，r越小，稳压管的反向伏安特性越陡，其动态电阻越小，Z稳压性能越好。（5）额定功率损耗P和最大稳定电流INZmax
I是指稳压管正常工作时允许通过的最大反向电流，电流值Zmax超过此值，管子将过热而损坏。P是指稳压管在允许结温下的最大N功率损耗。PN结上的功率损耗为
显然，P过大将引起PN结的温度超过允许值而发生热击穿损坏，Z因此对稳压管的功率损耗应有一定的限制。【例1.2.5】 如图1.2.12所示，已知R=1.8kΩ，稳压管两端的电压值U =15V，稳压管承受的最大电流值I=20mA。试求通过稳压管ZZM的电流I。R是限流电阻，其值是否合适?Z【解】
所以，电阻值合适。【例1.2.6】图1.2.13所示电路中，硅稳压管VD和VD的稳定电Z1Z2压分别为8V、6V，正向压降均为0.7V，试求输出电压U。o【解】 因为稳压管VD和VD接在+20V电压两端，反向导通，Z1Z2因此
U=U +U =8+6=14VoVDZ1VDZ2
即输出电压U为14V。o图1.2.12 例1.2.5的图图1.2.13 例1.2.6的图【例1.2.7】如图1.2.14所示，已知稳压管正常工作的电流范围是I=5mA，I=38mA，试求负载R允许的变化范围。ZminZmaxL图1.2.14 例1.2.7的图【解】 稳压管正常工作时流过限流电阻R的电流为
流过负载R的电流最大值I和最小值I分别为LLmaxLmin
因此
R的变化范围为0.15kΩ＜R＜0.86kΩ。L【练习与思考】
1.2.1 二极管的正向特性有何特点?硅管和锗管的伏安特性（U，I）有何不同之处?硅管和锗管导通时，其导通压降各约为多BER少?
1.2.2 为什么二极管的反向饱和电流与外加反向电压大小基本无关，而受环境温度的影响比较大?硅管和锗管相比较，哪种管子的反向电流受温度影响较大?
1.2.3 怎样用万用表来识别二极管的阳极和阴极、判断管子的好坏?
1.2.4 稳压管与二极管相比较有何特点?为使稳压管正常工作，电流应如何选择?
1.3 晶体管
晶体管又称半导体三极管或简称三极管，是最重要的一种半导体器件。本节将对晶体管结构、内部载流子运动过程、特性曲线及参数进行讨论，重点说明晶体管的电流放大作用及其外部特性。1.3.1 基本结构和分类
晶体管内部由空穴和自由电子两种载流子参与导电，又称双极型晶体管。晶体管的种类很多，按照工作频率高低可分为高频管和低频管；按照功率的大小可分为小功率管和大功率管；按照半导体材料可分为硅管和锗管。常见晶体管外形如图1.3.1所示。图1.3.1 常见晶体管的外形图
晶体管的管心结构，目前最常见的有平面型和合金型两类，硅管主要是平面型，锗管则主要是合金型。不论是平面型还是合金型，都具有NPN和PNP三层。因此，晶体管又分为NPN型和PNP型两类。
图1.3.2（a）是平面结构NPN型硅晶体管的管心结构，其结构示意图如图1.3.2（b）所示，中间薄层为P型半导体，厚度约有几微米至几十微米，称为基区。两边的N型半导体分别称为发射区和集电区，集电区的几何尺寸比发射区大，但发射区的掺杂浓度比集电区高，因此晶体管的发射区和集电区并不对称。晶体管内有两个PN结：发射区与基区交界处的PN结称为发射结，集电区与基区交界处的PN结称为集电结。从晶体管的基区、集电区和发射区向外引出的三个电极则分别称为基极、集电极和发射极。NPN型晶体管的电路符号如图1.3.2（c）所示。PNP型锗晶体管的管心结构和电路符号如图1.3.3所示。图1.3.2 NPN型硅晶体管结构和电路符号图1.3.3 PNP型锗晶体管结构和电路符号
NPN型和PNP型晶体管的工作原理类似，仅在使用时电源极性连接不同，故本节以NPN型晶体管为例介绍晶体管的放大作用、特性曲线和主要参数。
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