课程设计任务书 课程设计任务书
目录： 实验目的 (1) 实验内容 (1) 实验仪器 (1) 实验原理 (1) 注意事项 (4) 实验步骤 (5) 实验结果 (12) 实验总结 (15) 参考文献 (15)
光电二极管特性测试实验 一、实验目的 1、学习光电二极管的基本工作原理； 2、掌握光电二极管的基本特性参数及其测量方法，并完成对其光照灵敏度、伏安特性、时间响应特性和光谱响应特性的测量； 3、通过学习，能够对其他光伏器件有所了解。 二、实验内容 1、光电二极管暗电流测试实验 2、光电二极管伏安特性测试实验 3、光电二极管光照特性测试实验 4、光电二极管时间特性测试实验 5、光电二极管光谱特性测试实验 三、实验仪器 1、光电二极管综合实验仪 1个 2、光通路组件 1套 3、光照度计 1个 4、电源线 1根 5、2#迭插头对（红色，50cm） 10根 6、2#迭插头对（黑色，50cm） 10根 7、三相电源线 1根 8、实验指导书 1本 四、实验原理 1、概述 随着光电子技术的发发展,光电检测在灵敏度、光谱响应范围及频率我等技术方面要求越来越高，为此，近年来出现了许多性能优良的光伏检测器，如硅锗光电二极管、PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD）等。光敏晶体管通常指光电二极管和光电三极管，通常又称光敏二极管和三敏三极管。 光敏二极管的种类很多，就材料来分，有锗、硅制作的光敏二极管，也有III－V族化合物及其他化合物制作的二极管。从结构我来分，有PN结、PIN结、异质结、肖特基势垒及点接触型等。从对光的响应来分，有用于紫外光、红外光等种类。不同种类的光敏二极管，具胡不同的光电特性和检测性能。例如，锗光敏二极管与硅光敏二极管相比，它在红外光区域有很大的灵敏度，如图所示。这是由于锗材料的禁带宽度较硅小，它的本征吸收限处于红外区域，因此在近红外光区域应用；再一方面，锗光敏二极管有较大的电流输出，但它比硅光敏二极管有较大的反向暗电流，因此，它的噪声较大。又如，PIN型或雪崩型光敏二极管与扩散型PN结光敏二极管相比具有很短的时间响应。因此，在使用光敏二极管进要了解其类型及性能是非常重要的。 光敏二极管和光电池一样，其基本结构也是一个PN结。与光电池相比，它的突出特点是结面积小，因此它的频率特性非常好。光生电动势与光电池相同，
二极管的特性与应用 几乎在所有的电子电路中，都要用到半导体二极管，它在许多的电路中起着重要的作用，它是诞生最早的半导体器件之一，其应用也非常广泛。 二极管的工作原理 晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于p-n 结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。 当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。 当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流I0。 当外加的反向电压高到一定程度时，p-n结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。 二极管的类型 二极管种类有很多，按照所用的半导体材料，可分为锗二极管（Ge管）和硅二极管（Si 管）。根据其不同用途，可分为检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关二极管等。按照管芯结构，又可分为点接触型二极管、面接触型二极管及平面型二极管。点接触型二极管是用一根很细的金属丝压在光洁的半导体晶片表面，通以脉冲电流，使触丝一端与晶片牢固地烧结在一起，形成一个“PN结”。由于是点接触，只允许通过较小的电流（不超过几十毫安），适用于高频小电流电路，如收音机的检波等。 面接触型二极管的“PN结”面积较大，允许通过较大的电流（几安到几十安），主要用于把交流电变换成直流电的“整流”电路中。 平面型二极管是一种特制的硅二极管，它不仅能通过较大的电流，而且性能稳定可靠，多用于开关、脉冲及高频电路中。 二极管的导电特性 二极管最重要的特性就是单方向导电性。在电路中，电流只能从二极管的正极流入，负极流出。下面通过简单的实验说明二极管的正向特性和反向特性。 正向特性 在电子电路中，将二极管的正极接在高电位端，负极接在低电位端，二极管就会导通，这种连接方式，称为正向偏置。必须说明，当加在二极管两端的正向电压很小时，二极管仍然不能导通，流过二极管的正向电流十分微弱。只有当正向电压达到某一数值（这一数值称
常见大中功率管三极管参数 晶体管型号反压Vbe0 电流Icm 功率Pcm 放大系数特征频率管子类型2SD1402 1500V 5A 120W * * NPN 2SD1399 1500V 6A 60W * * NPN 2SD1344 1500V 6A 50W * * NPN 2SD1343 1500V 6A 50W * * NPN 2SD1342 1500V 5A 50W * * NPN 2SD1941 1500V 6A 50W * * NPN 2SD1911 1500V 5A 50W * * NPN 2SD1341 1500V 5A 50W * * NPN 2SD1219 1500V 3A 65W * * NPN 2SD1290 1500V 3A 50W * * NPN 2SD1175 1500V 5A 100W * * NPN 2SD1174 1500V 5A 85W * * NPN 2SD1173 1500V 5A 70W * * NPN 2SD1172 1500V 5A 65W * * NPN 2SD1143 1500V 5A 65W * * NPN 晶体管型号反压Vbe0 电流Icm 功率Pcm 放大系数特征频率管子类型2SD1142 1500V 3.5A 50W * * NPN 2SD1016 1500V 7A 50W * * NPN 2SD995 2500V 3A 50W * * NPN 2SD994 1500V 8A 50W * * NPN 2SD957A 1500V 6A 50W * * NPN 2SD954 1500V 5A 95W * * NPN 2SD952 1500V 3A 70W * * NPN 2SD904 1500V 7A 60W * * NPN 2SD903 1500V 7A 50W * * NPN 2SD871 1500V 6A 50W * * NPN 2SD870 1500V 5A 50W * * NPN 2SD869 1500V 3.5A 50W * * NPN 2SD838 2500V 3A 50W * * NPN 2SD822 1500V 7A 50W * * NPN 2SD821 1500V 6A 50W * * NPN 晶体管型号反压Vbe0 电流Icm 功率Pcm 放大系数特征频率管子类型2SD348 1500V 7A 50W * * NPN 2SC4303A 1500V 6A 80W * * NPN 2SC4292 1500V 6A 100W * * NPN 2SC4291 1500V 5A 100W * * NPN 2SC4199A 1500V 10A 100W * * NPN 2SC3883 1500V 5A 50W * * NPN 2SC3729 1500V 5A 50W * * NPN 2SC3688 1500V 10A 150W * * NPN
APD光电二极管特性测试实验 一、实验目的 1、学习掌握APD光电二极管的工作原理 2、学习掌握APD光电二极管的基本特性 3、掌握APD光电二极管特性测试方法 4、了解APD光电二极管的基本应用 二、实验内容 1、APD光电二极管暗电流测试实验 2、APD光电二极管光电流测试实验 3、APD光电二极管伏安特性测试实验 4、APD光电二极管雪崩电压测试实验 5、APD光电二极管光电特性测试实验 6、APD光电二极管时间响应特性测试实验 7、APD光电二极管光谱特性测试实验 三、实验仪器 1、光电探测综合实验仪 1个 2、光通路组件 1套 3、光照度计 1台 4、光敏电阻及封装组件 1套 5、2#迭插头对（红色，50cm） 10根 6、2#迭插头对（黑色，50cm） 10根 7、三相电源线 1根 8、实验指导书 1本 9、示波器 1台 四、实验原理 雪崩光电二极管APD—Avalanche Photodiode是具有内部增益的光检测器，它可以用来检测微弱光信号并获得较大的输出光电流。 雪崩光电二极管能够获得内部增益是基于碰撞电离效应。当PN结上加高的反偏压时，耗尽层的电场很强，光生载流子经过时就会被电场加速，当电场强度足够高(约3x105V／cm)时，光生载流子获得很大的动能，它们在高速运动中与半导体晶格碰撞，使晶体中的原子电离，从而激发出新的电子一空穴对，这种现象称为碰撞电离。碰撞电离产生的电子一空穴对在强电场作用下同样又被加速，重复前一过程，这样多次碰撞电离的结果使载流子迅速增加，电流也迅速增大，这个物理过程称为雪崩倍增效应。 图6-1为APD的一种结构。外侧与电极接触的P区和N区都进行了重掺杂，分别以P+和N+表示；在I区和N+区中间是宽度较窄的另一层P区。APD工作在大的反偏压下，当反偏压加大到某一值后，耗尽层从N+-P结区一直扩展(或称拉通)到P+区，包括了中间的P层区和I区。图4的结构为拉通型APD的结构。从图中可以看到，电场在I区分布较弱，而在N+-P区分布较强，碰撞电离区即雪崩区就在N+-P区。尽管I区的电场比N+-P区低得多，但也足够高(可达2x104V／cm)，可以保证载流子达到饱和漂移速度。当入射光照射时，由于雪
二极管的工作原理 晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于p-n 结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流I0。当外加的反向电压高到一定程度时，p-n结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。 二极管的类型 二极管种类有很多，按照所用的半导体材料，可分为锗二极管（Ge管）和硅二极管（Si管）。根据其不同用途，可分为检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关二极管、隔离二极管、肖特基二极管、发光二极管等。按照管芯结构，又可分为点接触型二极管、面接触型二极管及平面型二极管。点接触型二极管是用一根很细的金属丝压在光洁的半导体晶片表面，通以脉冲电流，使触丝一端与晶片牢固地烧结在一起，形成一个“PN结”。由于是点接触，只允许通过较小的电流（不超过几十毫安），适用于高频小电流电路，如收音机的检波等。面接触型二极管的“PN结”面积较大，允许通过较大的电流（几安到几十安），主要用于把交流电变换成直流电的“整流”电路中。平面型二极管是一种特制的硅二极管，它不仅能通过较大的电流，而且性能稳定可靠，多用于开关、脉冲及高频电路中。 二极管的导电特性 二极管最重要的特性就是单方向导电性。在电路中，电流只能从二极管的正极流入，负极流出。下面通过简单的实验说明二极管的正向特性和反向特性。 1. 正向特性。 在电子电路中，将二极管的正极接在高电位端，负极接在低电位端，二极管就会导通，这种连接方式，称为正向偏置。必须说明，当加在二极管两端的正向电压很小时，二极管仍然不能导通，流过二极管的正向电流十分微弱。只有当正向电压达到某一数值（这一数值称为“门槛电压”，锗管约为0.2V，硅管约为0.6V）以后，二极管才能直正导通。导通后二极管两端的电压基本上保持不变（锗管约为0.3V，硅管约为0.7V），称为二极管的“正向压降”。 2. 反向特性。
半导体管特性图示仪的使用和晶体管参数测量 一、实验目的 1、了解半导体特性图示仪的基本原理 2、学习使用半导体特性图示仪测量晶体管的特性曲线和参数。 二、预习要求 1、阅读本实验的实验原理，了解半导体图示仪的工作原理以及XJ4810 型半导体管图示仪的各旋钮作用。 2、复习晶体二极管、三极管主要参数的定义。 三、实验原理 （一）半导体特性图示仪的基本工作原理 任何一个半导体器件，使用前均应了解其性能，对于晶体三极管，只要知道其输入、输出特性曲线，就不难由曲线求出它的一系列参数，如输入、输出电阻、电流放大倍、漏电流、饱和电压、反向击穿电压等。但如何得到这两组曲线呢？最早是利用图4-1 的伏安法对晶体管进行逐点测试，而后描出曲线，逐点测试法不仅既费时又费力，而而且所得数据不能全面反映被测管的特性，在实际中，广泛采用半导体特性图示仪测量的晶体管输入、输出特性曲线。 图4-1 逐点法测试共射特性曲线的原理线路用半导体特性图示仪测量晶体管的特性曲线和各种直流参量的基本原理是用图4-2（a）中幅度随时间周期性连续变化的扫描电压UCS代替逐点法中的可调电压EC，用图4-2（b）所示的和扫描电压UCS的周期想对应的阶梯电流iB来代替逐点法中可以逐点改变基极电流的可变电压EB，将晶体管的特性曲线直接显示在示波管的荧光屏上，这样一来，荧光屏上光点位置的坐标便代替了逐点法中电压表和电流表的读数。
1、共射输出特性曲线的显示原理 当显示如图4-3 所示的NPN 型晶体管共发射极输出特性曲线时，图示仪内部和被测晶体管之间的连接方式如图4-4 所示. T是被测晶体管,基极接的是阶梯波信号源,由它产生基极阶梯电流ib 集电极扫描电压UCS直接加到示波器(图示仪中相当于示波器的部分,以下同)的X轴输入端,,经X轴放大器放大到示波管水平偏转板上集电极电流ic经取样电阻R得到与ic成正比的电压,UR=ic,R加到示波器的Y轴输入端,经Y轴放大器放大加到垂直偏转板上.子束的偏转角与偏转板上所加电压的大小成正比,所以荧光屏光点水平方向移动距离代表ic的大小,也就是说,荧光屏平面被模拟成了uce-ic 平面. 图4-4 输出特性曲线显示电路输出特性曲线的显示过程如图4-5 所示 当t=0 时, iB =0 ic=0 UCE =0 两对偏转板上的电压均为零,设此时荧光屏上光点的位置为坐标原点。在0-t1,这段时间内,集电极扫描电压UCS 处于第一个正弦半波周期。
第四章晶体二极管与晶体三极管 本章概述：晶体管是采用半导体晶体材料（如硅、锗、砷化镓等）制成的，在 电子产品中应用十分广泛。本章从二、三极管的型号、分类、外形识别及检测等多个方面，对常用二、三极管进行了较为详细和系统的讲解。 第一节晶体二极管和晶体三极管的型号命名方法 一、中华人民共和国国家标准（GB249-74） 国标（GB249-74）半导体器件型号命名由五部分组成，见表4-1。 表4-1 国标半导体器件型号命名方法
例如：锗PNP高频小功率管为3AG11C，即 ３（三极管）Ａ（PNP型锗材料）Ｇ（高频小功率管）１１（序号）Ｃ（规格号）二、美国电子半导体协会半导体器件型号命名法 表4-2 美国电子半导体协会半导体器件型号命名法 三、日本半导体器件型号命名方法 表4-3 日本半导体器件型号命名方法 第二节半导体器件的外形识别
一、晶体二极管的外形识别 1.晶体二极管的结构与特性 定义：晶体二极管由一个PN结加上引出线和管壳构成。所以，二极管实际就是一个PN结。电路图中文字表示符号为用V表示。 基本结构：PN结加上管壳和引线，就成为了半导体二极管。 图4-1 二极管的结构和电路符号 二极管最主要的特性是单向导电性，其伏安特性曲线如图4-2所示。 1）正向特性 当加在二极管两端的正向电压（P为正、N为负）很小时（锗管小于0.1伏，硅管小于0.5伏），管子不导通，处于“截止”状态，当正向电压超过一定数值后，管子才导通，电压再稍微增大，电流急剧暗加（见曲线I段）。不同材料的二极管，起始电压不同，硅管为0.5-0.7伏左右，锗管为0.1-0.3左右。
几乎在所有的电子电路中，都要用到半导体二极管，它在许多的电路中起着重要的作用，它是诞生最早的半导体器件之一，其应用也非常广泛。 二极管的工作原理 晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于p-n结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。 当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。 当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流I0。 当外加的反向电压高到一定程度时，p-n结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。 二极管的类型 二极管种类有很多，按照所用的半导体材料，可分为锗二极管（Ge管）和硅二极管（Si管）。根据其不同用途，可分为检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关二极管等。按照管芯结构，又可分为点接触型二极管、面接触型二极管及平 面型二极管。点接触型二极管是用一根很细的金属丝压在光洁的半导体晶片表面，通以脉冲电流，使触丝一端与晶片牢固 地烧结在一起，形成一个“PN结”。由于是点接触，只允许通过较小的电流（不超过几十毫安），适用于高频小电流电路，如收音机的检波等。 面接触型二极管的“PN结”面积较大，允许通过较大的电流（几安到几十安），主要用于把交流电变换成直流电的“整流” 电路中。 平面型二极管是一种特制的硅二极管，它不仅能通过较大的电流，而且性能稳定可靠，多用于开关、脉冲及高频电路中。 二极管的导电特性 二极管最重要的特性就是单方向导电性。在电路中，电流只能从二极管的正极流入，负极流出。下面通过简单的实验说明二极管的正向特性和反向特性。 1、正向特性 在电子电路中，将二极管的正极接在高电位端，负极接在低电位端，二极管就会导通，这种连接方式，称为正向偏置。必须说明，当加在二极管两端的正向电压很小时，二极管仍然不能导通，流过二极管的正向电流十分微弱。只有当正向电 压达到某一数值（这一数值称为“门槛电压”，锗管约为0.2V，硅管约为0.6V）以后，二极管才能直正导通。导通后二极管两端的电压基本上保持不变（锗管约为0.3V，硅管约为0.7V），称为二极管的“正向压降”。 2、反向特性 在电子电路中，二极管的正极接在低电位端，负极接在高电位端，此时二极管中几乎没有电流流过，此时二极管处于截止状态，这种连接方式，称为反向偏置。二极管处于反向偏置时，仍然会有微弱的反向电流流过二极管，称为漏电流。当 二极管两端的反向电压增大到某一数值，反向电流会急剧增大，二极管将失去单方向导电特性，这种状态称为二极管的击穿。 二极管的主要参数 用来表示二极管的性能好坏和适用范围的技术指标，称为二极管的参数。不同类型的二极管有不同的特性参数。对初学者而言，必须了解以下几个主要参数： 1、额定正向工作电流 是指二极管长期连续工作时允许通过的最大正向电流值。因为电流通过管子时会使管芯发热，温度上升，温度超过容许限度（硅管为140左右，锗管为90左右）时，就会使管芯过热而损坏。所以，二极管使用中不要超过二极管额定正向工作电流值。例如，常用的IN4001－4007型锗二极管的额定正向工作电流为1A。 2、最高反向工作电压 加在二极管两端的反向电压高到一定值时，会将管子击穿，失去单向导电能力。为了保证使用安全，规定了最高反向工
常用晶体管参数表 索引晶体管型号反压Vbeo 电流Icm 功率Pcm 放大系数特征频率管子类型9011 50V 0.03A 0.4W * 150MHZ NPN 9012 50V 0.5A 0.6W * * PNP 9013 50V 0.5A 0.6W * * NPN 9014 50V 0.1A 0.4W * 150MHZ NPN 9015 50V 0.1A 0.4W * 150MHZ PNP 9018 30V 0.05A 0.4W * 1GHZ NPN 2N2222 60V 0.8A 0.5W 45 * NPN 2N2369 40V 0.5A 0.3W * 800MHZ NPN 2N2907 60V 0.6A 0.4W 200 * NPN 2N3055 100V 15A 115W * * NPN2N 2N3440 450V 1A 1W * * NPN 2N3773 160V 16A 150W * * NPN 2N5401 160V 0.6A 0.6W * 100MHZ PNP 2N5551 160V 0.6A 0.6W * 100MHZ NPN 2N5685 60V 50A 300W * * NPN 2N6277 180V 50A 300W * * NPN 2N6678 650V 15A 175W * * NPN 2SA 2SA1009 350V 2A 15W ** PNP 2SA1012Y 60V 5A 25W ** PNP 2SA1013R 160V 1A 0.9W * * PNP 2SA1015R 50V 0.15A 0.4W * * PNP 2SA1018 150V 0.07A 0.75W * * PNP 2SA1020 50V 2A 0.9W * * PNP 2SA1123 150V 0.05A 0.75W * * PNP 2SA1162 50V 0.15A 0.15W * * PNP 2SA1175H 50V 0.1A 0.3W * * PNP 2SA1216 180V 17A 200W * * PNP 2SA1265 140V 10A 30W ** PNP 2SA1266Y 50V 0.15A 0.4W * * PNP 2SA1295 230V 17A 200W * * PNP 2SA1299 50V 0.5A 0.3W * * PNP 2SA1300 20V 2A 0.7W * * PNP 2SA1301 200V 10A 100W * * PNP 2SA1302 200V 15A 150W * * PNP 2SA1304 150V 1.5A 25W ** PNP 2SA1309A 25V 0.1A 0.3W * * PNP 2SA1358 120V 1A 10W *120MHZ PNP 2SA1390 35V 0.5A 0.3W * * PNP 2SA1444 100V 1.5A 2W * 80MHZ PNP 2SA1494 200V 17A 200W * 20MHZ PNP 2SA1516 180V 12A 130W * 25MHZ PNP
实验四PIN光电二极管特性测试 一、实验目的 1、学习掌握PIN光电二极管的工作原理 2、学习掌握PIN光电二极管的基本特性 3、掌握PIN光电二极管特性测试的方法 4、了解PIN光电二极管的基本应用 二、实验内容 1、PIN光电二极管暗电流测试实验 2、PIN光电二极管光电流测试实验 3、PIN光电二极管伏安特性测试实验 4、PIN光电二极管光电特性测试实验 5、PIN光电二极管时间响应特性测试实验 6、PIN光电二极管光谱特性测试实验 三、实验器材 1、光电探测综合实验仪1个 2、光通路组件1套 3、光照度计1台 4、PIN 光电二极管及封装组件1套 5、2#迭插头对（红色，50cm）10根 6、2#迭插头对（黑色，50cm）10根 7、三相电源线1根 8、实验指导书1本 9、示波器1台 四、实验原理 光电探测器PIN管的静态特性测量是指PIN光电二极管在无光照时的P-N结正负极、击穿电压、暗电流Id以及在有光照的情况下的输入光功率和输出电流的关系（或者响应度），光谱响应特性的测量。 图5-1 PIN光电二极管的结构和它在反向偏压下的电场分布 图5-1是PIN光电二极管的结构和它在反向偏压下的电场分布。在高掺杂P型和N型半导体之间生长一层本征半导体材料或低掺杂半导体材料，称为I层。在半导体PN结中，掺杂浓度和耗尽层宽度有如下关系： LP/LN=DN/DP
其中：DP和DN 分别为P区和N区的掺杂浓度；LP和LN分别为P区和N区的耗尽层的宽度。在PIN中，如对于P层和I层(低掺杂N型半导体)形成的PN结，由于I层近于本征半导体，有 DN<
光电二极管及其相关的前置放大器是基本物理量和电子量之间的桥梁。许多精密应用领域需要检测光亮度并将之转换为有用的数字信号。光检测电路可用于CT扫描仪、血液分析仪、烟雾检测器、位置传感器、红外高温计和色谱分析仪等系统中。在这些电路中,光电二极管产生一个与照明度成比例的微弱电流。而前置放大器将光电二极管传感器的电流输出信号转换为一个可用的电压信号。看起来好象用一个光电二极管、一个放大器和一个电阻便能轻易地实现简单的电流至电压的转换,但这种应用电路却提出了一个问题的多个侧面。为了进一步扩展应用前景,单电源电路还在电路的运行、稳定性及噪声处理方面显示出新的限制。 本文将分析并通过模拟验证这种典型应用电路的稳定性及噪声性能。首先探讨电路工作原理,然后如果读者有机会的话,可以运行一个SPICE模拟程序,它会很形象地说明电路原理。以上两步是完成设计过程的开始。第三步也是最重要的一步（本文未作讨论）是制作实验模拟板。 1 光检测电路的基本组成和工作原理 设计一个精密的光检测电路最常用的方法 是将一个光电二极管跨接在一个CMOS输入 放大器的输入端和反馈环路的电阻之间。这种 方式的单电源电路示于图1中。 在该电路中,光电二极管工作于光致电压 （零偏置）方式。光电二极管上的入射光使之 产生的电流I SC从负极流至正极,如图中所示。由于CMOS放大器反相输入端的输入阻抗非常高,二极管产生的电流将流过反馈电阻R F。输出电压会随着电阻R F两端的压降而变化。 图中的放大系统将电流转换为电压,即 V OUT = I SC×R F（1） 图1 单电源光电二极管检测电路 式（1）中,V OUT是运算放大器输出端的电压,单位为V;I SC是光电二极管产生的电流,单位为A;R F是放大器电路中的反馈电阻,单位为W 。图1中的C RF是电阻R F的寄生电容和电路板的分布电容,且具有一个单极点为1/（2p R F C RF）。 用SPICE可在一定频率范围内模拟从光到电压的转换关系。模拟中可选的变量是放大器的反馈元件R F。用这个模拟程序,激励信号源为I SC,输出端电压为V OUT。 此例中,R F的缺省值为1MW ,C RF为0.5pF。理想的光电二极管模型包括一个二极管和理想的电流源。给出这些值后,传输函数中的极点等于1/（2p R F C RF）,即318.3kHz。改变R F 可在信号频响范围内改变极点。
实验四二极管特性曲线及应用 一、实验目的 1. 了解二极管的单向导电特性。 2. 学习二极管极性及性能是否良好的判断方法。 3. 用仿真软件仿真测试和二极管的伏安特性曲线。 二、实验原理 二极管，是电子元件当中一种具有两个电极的装置，只允许电流由单一方向流过。许多二极管的使用是应用其整流的功能。而变容二极管（Varicap Diode ）则用来当作电子式的可调电容器。 大部分二极管所具备的电流方向性我们通常称之为“整流（Rectifying ）”功能。二极管最普遍的功能就是只允许电流由单一方向通过（称为顺向偏压），反向时阻断（称为逆向偏压）。因此，二极管可以想成电子版的逆止阀。然而实际上二极管并不会表现出如此完美的开与关的方向性，而是较为复杂的非线性电子特征。 晶体二极管为一个由p 型半导体和n 型半导体形成的pn 结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于pn 结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。 外加正向电压时，在正向特性的起始部分，正向电压很小，不足以克服PN 结内电场的阻挡作用，正向电流几乎为零，这一段称为死区。这个不能使二极管导通的正向电压称为死区电压。当正向电压大于死区电压以后，PN 结内电场被克服，二极管正向导通，电流随电压增大而迅速上升。在正常使用的电流范围内，导通时二极管的端电压几乎维持不变，这个电压称为二极管的正向电压。当二极管两端的正向电压超过一定数值，内电场很快被削弱，电流迅速增长，二极管正向导通。叫做门坎电压或阈值电压，硅管约为0.5V ，锗管约为0.1V 。硅二极管的正向导通压降约为0.6~0.8V ，锗二极管的正向导通压降约为0.2~0.3V 。 外加反向电压不超过一定范围时，通过二极管的电流是少数载流子漂移运动所形成反向电流。由于反向电流很小，二极管处于截止状态。这个反向电流又称为反向饱和电流或漏电流，二极管的反向饱和电流受温度影响很大。一般硅管的反向电流比锗管小得多， 小功率硅 （a ）（b ）（c ）（d ） 图3.1 常见二极管的符号
常用场效应管和晶体管参数大全 常用场效应管和晶体管参数大全 IRFU020 50V 15A 42W * * NMOS场效应IRFPG42 1000V 4A 150W * * NMOS场效应IRFPF40 900V 4.7A 150W * * NMOS场效应IRFP9240 200V 12A 150W * * PMOS场效应IRFP9140 100V 19A 150W * * PMOS场效应IRFP460 500V 20A 250W * * NMOS场效应IRFP450 500V 14A 180W * * NMOS场效应IRFP440 500V 8A 150W * * NMOS场效应IRFP353 350V 14A 180W * * NMOS场效应IRFP350 400V 16A 180W * * NMOS场效应IRFP340 400V 10A 150W * * NMOS场效应IRFP250 200V 33A 180W * * NMOS场效应IRFP240 200V 19A 150W * * NMOS场效应IRFP150 100V 40A 180W * * NMOS场效应IRFP140 100V 30A 150W * * NMOS场效应IRFP054 60V 65A 180W * * NMOS场效应IRFI744 400V 4A 32W * * NMOS场效应IRFI730 400V 4A 32W * * NMOS场效应IRFD9120 100V 1A 1W * * NMOS场效应IRFD123 80V 1.1A 1W * * NMOS场效应IRFD120 100V 1.3A 1W * * NMOS场效应IRFD113 60V 0.8A 1W * * NMOS场效应IRFBE30 800V 2.8A 75W * * NMOS场效应IRFBC40 600V 6.2A 125W * * NMOS场效应IRFBC30 600V 3.6A 74W * * NMOS场效应IRFBC20 600V 2.5A 50W * * NMOS场效应IRFS9630 200V 6.5A 75W * * PMOS场效应IRF9630 200V 6.5A 75W * * PMOS场效应IRF9610 200V 1A 20W * * PMOS场效应IRF9541 60V 19A 125W * * PMOS场效应IRF9531 60V 12A 75W * * PMOS场效应IRF9530 100V 12A 75W * * PMOS场效应IRF840 500V 8A 125W * * NMOS场效应IRF830 500V 4.5A 75W * * NMOS场效应IRF740 400V 10A 125W * * NMOS场效应IRF730 400V 5.5A 75W * * NMOS场效应IRF720 400V 3.3A 50W * * NMOS场效应IRF640 200V 18A 125W * * NMOS场效应IRF630 200V 9A 75W * * NMOS场效应IRF610 200V 3.3A 43W * * NMOS场效应IRF541 80V 28A 150W * * NMOS场效应
?光电二极管及其相关的前置放大器是基本物理量和电子量之间的桥梁。许多精密应用领域需要检测光亮度并将之转换为有用的数字信号。光检测电路可用于CT扫描仪、血液分析仪、烟雾检测器、位置传感器、红外高温计和色谱分析仪等系统中。在这些电路中，光电二极管产生一个与照明度成比例的微弱电流。而前置放大器将光电二极管传感器的电流输出信号转换为一个可用的电压信号。看起来好象用一个光电二极管、一个放大器和一个电阻便能轻易地实现简单的电流至电压的转换，但这种应用电路却提出了一个问题的多个侧面。为了进一步扩展应用前景，单电源电路还在电路的运行、稳定性及噪声处理方面显示出新的限制。 本文将分析并通过模拟验证这种典型应用电路的稳定性及噪声性能。首先探讨电路工作原理，然后如果读者有机会的话，可以运行一个SP IC E模拟程序，它会很形象地说明电路原理。以上两步是完成设计过程的开始。第三步也是最重要的一步（本文未作讨论）是制作实验模拟板。 1 光检测电路的基本组成和工作原理 设计一个精密的光检测电路最常用的方法是将一个光电二极管跨接在一个CMOS 输入放大器的输入端和反馈环路的电阻之间。这种方式的单电源电路示于图1中。 在该电路中，光电二极管工作于光致电压（零偏置）方式。光电二极管上的入射光使之产生的电流ISC从负极流至正极，如图中所示。由于CMOS放大器反相输入端的输入阻抗非常高，二极管产生的电流将流过反馈电阻RF。输出电压会随着电阻RF两端的压降而变化。 图中的放大系统将电流转换为电压，即 VOUT = ISC ×RF （1）
图1 单电源光电二极管检测电路 式（1）中，VOUT是运算放大器输出端的电压，单位为V;ISC是光电二极管产生的电流，单位为A;RF是放大器电路中的反馈电阻，单位为W 。图1中的CRF是电阻RF的寄生电容和电路板的分布电容，且具有一个单极点为1/（2p RF CRF）。 用SPICE可在一定频率范围内模拟从光到电压的转换关系。模拟中可选的变量是放大器的反馈元件RF。用这个模拟程序，激励信号源为ISC，输出端电压为VOUT。 此例中，RF的缺省值为1MW ，CRF为0.5pF。理想的光电二极管模型包括一个二极管和理想的电流源。给出这些值后，传输函数中的极点等于1/（2p RFCRF），即318.3kHz。改变RF可在信号频响范围内改变极点。 遗憾的是，如果不考虑稳定性和噪声等问题，这种简单的方案通常是注定要失败的。例如，系统的阶跃响应会产生一个其数量难以接受的振铃输出，更坏的情况是电路可能会产生振荡。如果解决了系统不稳定的问题，输出响应可能仍然会有足够大的“噪声”而得不到可靠的结果。 实现一个稳定的光检测电路从理解电路的变量、分析整个传输函数和设计一个可靠的电路方案开始。设计时首先考虑的是为光电二极管响应选择合适的电阻。第二是分析稳定性。然后应评估系统的稳定性并分析输出噪声，根据每种应用的要求将之调节到适当的水平。 这种电路中有三个设计变量需要考虑分析，它们是：光电二极管、放大器和R//C反馈网络。首先选择光电二极管，虽然它具有良好的光响应特性，但二极管的寄生电容将对电路的噪声增益和稳定性有极大的影响。另外，光电二极管的并联寄生电阻在很宽的温度范围内变化，会在温度极限时导致不稳定和噪声问题。为了保持良好的线性性能及较低的失调误差，运放应该具有一个较小的输入偏置电流（例如CMOS工艺）。此外，输入噪声电压、输入共模电容和差分电容也对系统的稳定性和整体精度产生不利的影响。最后，R//C反馈网络用于建立电路的增益。该网络也会对电路的稳定性和噪声性能产生影响。 2 光检测电路的SPICE模型
姓名班级________学号____ 实验日期__节次教师签字成绩 二极管的特性研究及其应用一．实验目的 1.通过二极管的伏安特性的绘制，加强对二极管单向导通特性的理解； 2.了解二极管在电路中的一些应用； 3，学习自主设计并分析实验 二．实验内容： 1.二极管伏安特性曲线绘制； 2.交流条件下二极管电压波形仿真； 3.二极管应用电路 三．实验仪器 稳压电源RIGOL DS5102CA FLUKE190型测试仪；1N4001二极管若干； 函数信号发生器 TFG2020G ；电阻若干； 四．实验步骤 1.二极管伏安特性曲线绘制； 二极管测试电路
（1）创建电路二极管测试电路； （2）调整V1电源的电压值，记录二极管的电流与电压并填入表1； （3）调整V2电源的电压值，记录二极管的电流与电压并填入表2； （4）根据实验结果，绘制二极管的伏安特性。 表一 V1 200mv 300mv 400mv 500mv 600mv 700mv 800mv 1v 2v 3v ID VD 表二 V1 I D V D 绘制U—I图: 2．交流条件下二极管电压波形仿真；
D1 1N4001GP R1 100Ω V16 Vpk 100 Hz 0° XSC1 A B C D G T 2 1 仿真电路图 仿真结果
3.二极管应用电路 （1）桥式整流电路 D1 1N4001 D2 1N4001 D3 1N4001 D4 1N4001 V115 Vpk 60 Hz 0° R1100Ω 1 3 45 用示波器测量R1两端波形，并记录
桥式整流电路仿真 D1 1N4001 D21N4001 D3 1N4001 D41N4001 V115 Vpk 60 Hz 0° R12kΩ 4 XSC1 A B Ext Trig + + _ _ + _ 3 2 仿真结果
实验一实验报告 实验名称：晶体二极管特性分析 实验目的： 1.熟悉仿真软件MULTISIM的使用，掌控基于软件的电路设计和仿真分析方法； 2.熟悉PocketLab硬件实验平台，掌握基本功能的使用方法； 3.通过软件仿真和硬件实验验证，掌握基本二极管的基本特性。 实验内容： 一．仿真实验 1.根据如图所示电路，在Multisim中进行仿真分析，得到二极管的伏安特性。 仿真任务：二极管选取型号 1N3064，对直流电压源V1进行DC扫描，扫描范围0~1V，步长0.01V，测量二极管中的电流，得到二极管的伏安特性曲线。 仿真设置：Simulate->Analyses->DC Sweep，设置电压扫描范围和输出变量。 实验结果： 在软件中绘得电路图如下：
对直流电压源V1进行DC扫描，得到二极管的伏安特性曲线如下： 实验结论： 1)在V1电压很小的情况下，二极管不导通。 2)该二极管的导通电压大约为0.7V. 3)导通后二极管呈现低阻性，截止时为高阻性。 2.根据如图所示的半波整流电路，在Multisim 中进行仿真分析，得到输出电压随不 同参数的变化情况。 仿真任务及分析方法： a.固定输入信号频率50HZ,振幅5V，直流电压0V,负载电容C1=10uf,改变负载电阻， 采用Agilent 示波器观察输入输出波形，测量输出电压的平均值和纹波电压，完成表1-1。 b.固定输入信号频率50HZ,振幅5V，直流电压0V,负载电阻R1=10K欧,改变负载电阻， 采用Agilent 示波器观察输入输出波形，测量输出电压的平均值和纹波电压，完成表1-2。 c.根据仿真实验数据，给出输出电压的平均值和纹波电压与负载电阻和负载电容的相 互关系。 仿真设置方法： 1）双击信号源设置输入信号，双击示波器观测波形。 2）Simulate->run 3）Simulate->Analyses->Transient Analysis 实验结果：
肖特基二极管特性详解 我们所熟知的二极管被广泛应用于各种电路中，但我们真正了解二极管的某些特性关系吗?如二极管导通电压和反向漏电流与导通电流、环境温度存在什么样的关系等，让我们来扒扒很多数据手册中很少提起的特性关系和正确合理的选型。下面就随半导体设计制造小编一起来了解一下相关内容吧。 我们都知道在选择二极管时，主要看它的正向导通压降、反向耐压、反向漏电流等。但我们却很少知道其在不同电流、不同反向电压、不同环境温度下的关系是怎样的，在电路设计中知道这些关系对选择合适的二极管显得极为重要，尤其是在功率电路中。接下来我将通过型号为SM360A(肖特基管)的实测数据来与大家分享二极管鲜为人知的特性关系。 1、正向导通压降与导通电流的关系 在二极管两端加正向偏置电压时，其内部电场区域变窄，可以有较大的正向扩散电流通过PN结。只有当正向电压达到某一数值(这一数值称为“门槛电压”，锗管约为0.2V，硅管约为0.6V)以后，二极管才能真正导通。但二极管的导通压降是恒定不变的吗?它与正向扩散电流又存在什么样的关系?通过下图1的测试电路在常温下对型号为SM360A的二极管进行导通电流与导通压降的关系测试，可得到如图2所示的曲线关系：正向导通压降与导通电流成正比，其浮动压差为0.2V。从轻载导通电流到额定导通电流的压差虽仅为0.2V，但对于功率二极管来说它不仅影响效率也影响二极管的温升，所以在价格条件允许下，尽量选择导通压降小、额定工作电流较实际电流高一倍的二极管。 图1 二极管导通压降测试电路 图2 导通压降与导通电流关系 2、正向导通压降与环境的温度的关系 在我们开发产品的过程中，高低温环境对电子元器件的影响才是产品稳定工作的最大障碍。环境温度对绝大部分电子元器件的影响无疑是巨大的，二极管当然也不例外，在高低温环境下通过对SM360A的实测数据表1与图3的关系曲线可知道：二极管的导通压降与环境温度成反比。在环境温度为-45℃时虽导通压降最大，却不影响二极管的稳定性，但在环境温度为75℃时，外壳温度却已超过了数据手册给出的125℃，则该二极管在75℃时就必须降额使用。这也是为什么开关电源在某一个高温点需要降额使用的因素之一。 表1 导通压降与导通电流测试数据 图3 导通压降与环境温度关系曲线 3、二极管漏电流与反向电压的关系 在二极管两端加反向电压时，其内部电场区域变宽，有较少的漂移电流通过PN结，形成我们所说的漏电流。漏电流也是评估二极管性能的重要参数，二极管漏电流过大不仅使其自身温升高，对于功率电路来说也会影响其效率，不同反向电压下的漏电流是不同的，关系如图4所示：反向电压愈大，漏电流越大，在常温下肖特基管的漏电流可忽略。 图4 反向电压与漏电流关系曲线 4、二极管漏电流与环境温度的关系 其实对二极管漏电流影响最大的还是环境温度，下图5是在额定反压下测试的关系曲线，从中可以看出：温度越高，漏电流越大。在75℃后成直线上升，该点的漏电流是导致二极管外壳在额定电流下达到125℃的两大因素之一，只有通过降额反向电压和正向导通电流才能降低二极管的工作温度。 图5 漏电流与环境温度关系曲线 5、二极管反向恢复时间 如图6所示，二极管的反向恢复时间为电流通过零点由正向转换成反向，再由反向转换