大功率速调管的原理及应用
发表时间：2018-07-30T09:49:19.770Z 来源：《电力设备》2018年第10期作者：刘赟吴坚马源[导读] 摘要：大功率速调管由于其功率潜力无论是平均功率还是峰值功率，在微波电子管中占有极其重要的地位。
（陕西黄河集团有限公司陕西西安 710043）摘要：大功率速调管由于其功率潜力无论是平均功率还是峰值功率，在微波电子管中占有极其重要的地位。作为高功率、高增益及高效率微波放大器件，在雷达系统、加速器、广播电视及通信、国防和军事等方面获得了广泛应用。
关键词：微波；高功率；高增益在速调管中，输入腔隙缝的信号电场对电子进行速度调制，经过漂移后在电子注内形成密度调制;密度调制的电子注与输出腔隙缝的微波场进行能量变换，电子把动能交给微波场，完成放大或振荡的功能。1937年，美国物理学家瓦里安，R.H.和S.F.瓦里安制出双腔速调管振荡器。反射速调管则是1940年由苏联工程师捷瓦科、丹尼尔捷维、布斯库诺维和柯瓦连科分别研制成功的。按照电子行进的轨迹，速调管
分为直射速调管和反射速调管两类，通常将直射速调管简称为速调管。（1）直射速调管：在结构上包括以下几部分:电子枪、谐振腔、调揩系统、各腔之间的漂移管、能量耦合器、收集极和聚焦系统。具有两个谐振腔的速调管称为双腔速调管;具有两个以上谐振腔者称为多腔速调管。双腔速调管：双腔速调管仅有两个谐振腔，即输入腔和输出腔。由电子枪产生的电子注首先到达输入腔隙缝。输入的微波信号经能量耦合器送进输入腔，在谐振腔隙缝外形成微波信号电压。在这里，电子注受到微波场的速度调制，然后进入无场漂移管。在漂移过程中电子发生群聚，在电子注内形成密度调制。密度调制的电子注与输出腔隙缝的微波场进行能量交换，电子把能量交给微波场，完成放大或振荡的功能。双腔速调管增益仅为10分贝左右。为了提高增益，可以在输入腔与输出腔之间设置一个或多个中间腔，构成级联放大器。这种速调管称为多腔速调管)。引入中间腔还可以提高效率;若使各腔频率略有差异，还可展宽频带。多腔速调管的特点是增益高、效率高、稳定性好、输出功率大，缺点是频带窄。多腔速调管的稳定增益可达80分贝，效率最高可达75%，脉冲功率可达60兆瓦，连续波功率可达1兆瓦。频带一般仅有1%~2%，个别大功率脉冲速调管可10%~12%。（2）反射速调管：用来产生微波振荡的单腔速调管。它的特点是结构简单，工作可靠，体积小，重量轻，电压低，可机械调谐和电子调谐，参数随环境温度变化小，抗辐射能力强。反射速调管输出功率为10毫瓦至2.5瓦，工作频率在800兆赫至220吉赫之间，机械调谐范围为1%~15%(毫米波管达40%)，电子调谐范围为0.1%~1.0%。效率为20%~30%。反射速调管在结构上包括阴极、谐振腔、反射极速调管和能量耦合器等部分。
电子从阴极发射出来，受到加速后穿过谐振腔隙缝。在隙缝外受到微波电场的速度调制，然后进入谐振腔与反射极之间的减速场(反射极电位负於阴极)。在减速场作用下，所有电子都将被反射回来。受到速度调制的电子注，在减速场内返转运动过程中形成密度调制。当电子注再次穿过隙缝时，群聚的电子把能量交给腔体微波场以维持振荡。振荡功率经能量耦合器送至负载。电子被腔壁或其他金属零件收集。反射速调管广泛用於小功率信号源、振荡器和各种微波设备，但因半导体器件的竞争，产量有降低的趋势。尽管如此，在80年代初它仍是微波电子管中生产数量最大的一种管型。针对速调管在工作当中的故障以及保养做出分析：（1）离子泵电流过大：发射机在开机后，未上高压前，观看离子泵电流表的数值。因为这时只有离子泵电压和灯丝电压，可排除其它因素造成读数不准。如果离子泵电流指示大而且不回落，此时管子应该更换。但有的上机新管子离子泵电流大于20uA的，这时阴极处有磁铁，将磁铁去掉。如果继续增长(约10gA左右)，可判断管子坏了。管子由于老化漏气，造成管内充满气体，破坏了管子正常工作的条件。高压线很脏也会使离子泵电流表头大于10g^。如果擦干净后还是很大，也说明管子漏气了。
（2）体电流过大：一般速调管的体电流小于50mA，当管子漏气或散焦，体电流到100mA左右，正常情况下保护电路会动作。造成体电流过大，大致有以下几种原因:(a)聚焦电流故障，造成电子束散焦;(b)激励过大，使速调管工作在饱和状态;(c)电流过大电子束变粗;(d)运输不当或安装位置不处于水平，速调管有些变形或不直;(e)励磁线圈不同心;(f)收集极或与其相连的器件触地，也会造成体电流过大。从上可看出，体电流过大不一定是管子坏了，应首先检查励磁电源、聚焦等外围电路，减小激励。收集极对地电阻应为5Q-7Q，零或太大都不合适，有时只要换上合适的电阻，故障即可排除，用不着换管子。体电流大于100mA，管子的增益很低。如果保护电路有故障而失去保护作用，散焦的电子轰击管壁某处，使之温度升高，管子有灼烧的痕迹。
（3）注电流小：在正常的控制电压下注电流相对较小。刚开机时还大一些，随后越来越小。分析有两种情况:(1)灯丝电压过低，注电流就小。因电子被强行从阴极拉出，很容易将阴极拉坏，管子的注电流就下降;(2)管子使用寿命已超过厂家的标称值(使用维护得当，寿命可达几万小时)，阴极发射能力下降，增益低不能满足播出要求。
（4）一腔增益低：影机频响曲线中间凹陷，怎么也调整不好，增益降低。图像轮廓模糊，色彩不鲜。声机情况类似，也调不出理想频响曲线。在管子使用寿命到期后，性能会正常衰退，有时表现为一腔增益下降。但灯丝电压长期过高，阴极材料蒸发过猛，会使一腔陶瓷的绝缘层变成导电氧化物，污染了陶瓷壁，导致一腔Q值下降。后一种情况是可以避免的。刚使用的速调管灯丝电压为5V，工作600小时后，降低到4。盯再长期使用。因为海绵阴极钡激活以后，可以给出较高的放射能力。这时虽然灯丝电压降低了，但放射电流并不降低，还可以延长速调管的使用寿命。
场效应管工作原理（1） 场效应晶体管（Field Effect Transistor缩写(FET)）简称场效应管。一般的晶体管是由两种极性的载流子,即多数载流子和反极性的少数载流子参与导电,因此称为双极型晶体管,而FET仅是由多数载流子参与导电,它与双极型相反,也称为单极型晶体管。它属于电压控制型半导体器件，具有输入电阻高（108～109?）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点，现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。 一、场效应管的分类 场效应管分结型、绝缘栅型两大类。结型场效应管（JFET）因有两个PN结而得名，绝缘栅型场效应管（JGFET）则因栅极与其它电极完全绝缘而得名。目前在绝缘栅型场效应管中，应用最为广泛的是MOS场效应管，简称MOS管（即金属-氧化物-半导体场效应管MOSFET）；此外还有PMOS、NMOS和VMOS 功率场效应管，以及最近刚问世的πMOS场效应管、VMOS功率模块等。 按沟道半导体材料的不同，结型和绝缘栅型各分沟道和P沟道两种。若按导电方式来划分，场效应管又可分成耗尽型与增强型。结型场效应管均为耗尽型，绝缘栅型场效应管既有耗尽型的，也有增强型的。 场效应晶体管可分为结场效应晶体管和MOS场效应晶体管。而MOS场效应晶体管又分为N沟耗尽型和增强型；P沟耗尽型和增强型四大类。见下图。 二、场效应三极管的型号命名方法 现行有两种命名方法。第一种命名方法与双极型三极管相同，第三位字母J代表结型场效应管，O代表绝缘栅场效应管。第二位字母代表材料，D是P型硅，反型层是N沟道；C是N型硅P沟道。例如,3DJ6D是结型N沟道场
肖特二极管的工作原理是什么 SBD是肖特基势垒二极管（Schottky Barrier Diode,缩写成SBD）的简称。SBD不是利用P型半导体与N型半导体接触形成PN结原理制作的，而是利用金属与半导体接触形成的金属－半导体结原理制作的。因此，SBD也称为金属－半导体（接触）二极管或表面势垒二极管，它是一种热载流子二极管。 肖特基二极管是近年来问世的低功耗、大电流、超高速半导体器件。其反向恢复时间极短（可以小到几纳秒），正向导通压降仅0.4V左右，而整流电流却可达到几千毫安。这些优良特性是快恢复二极管所无法比拟的。中、小功率肖特基整流二极管大多采用封装形式。 肖特基二极管是贵金属（金、银、铝、铂等）A为正极，以N型半导体B为负极，利用二者接触面上形成的势垒具有整流特性而制成的金属-半导体器件。因为N型半导体中存在着大量的电子，贵金属中仅有极少量的自由电子，所以电子便从浓度高的B中向浓度低的A中扩散。显然，金属A中没有空穴，也就不存在空穴自A向B的扩散运动。随着电子不断从B扩散到A，B表面电子浓度逐渐降低，表面电中性被破坏，于是就形成势垒，其电场方向为B→A。但在该电场作用之下，A中的电子也会产生从A→B的漂移运动，从而消弱了由于扩散运动而形成的电场。当建立起一定宽度的空间电荷区后，电场引起的电子漂移运动和浓度不同引起的电子扩散运动达到相对的平衡，便形成了肖特基势垒。 典型的肖特基二极管基整流管的内部电路结构是以N型半导体为基片，在上面形成用砷作掺杂剂的N-外延层。阳极使用钼或铝等材料制成阻档层。用二氧化硅（SiO2）来消除边缘区域的电场，提高管子的耐压值。N型基片具有很小的通态电阻，其掺杂浓度较H-层要高100%倍。在基片下边形成N+阴极层，其作用是减小阴极的接触电阻。通过调整结构参数，N型基片和阳极金属之间便形成肖特基势垒，当在肖特基势垒两端加上正向偏压（阳极金属接电源正极，N型基片接电源负极）时，肖特基势垒层变窄，其内阻变小；反之，若在肖特基势垒两端加上反向偏压时，肖特基势垒层则变宽，其内阻变大。 综上所述，肖特基整流管的结构原理与PN结整流管有很大的区别通常将PN结整流管称作结整流管，而把金属-半导管整流管叫作肖特基整流管，近年来，采用硅平面工艺制造的铝硅肖特基二极管也已问世，这不仅可节省贵金属，大幅度降低成本，还改善了参数的一致性。 肖特基二极管是贵金属（金、银、铝、铂等）A为正极，以N型半导体B为负极，利用二者接触面上形成的势垒具有整流特性而制成的金属-半导体器件。因为N型半导体中存在着大量的电子，贵金属中仅有极少量的自由电子，
如何理解场效应管的原理，大多数书籍和文章都讲的晦涩难懂，给初学的人学习造成很大的难度，要深入学习就越感到困难，本人以自己的理解加以解释，希望对初学的人有帮助，即使认识可能不是很正确，但对学习肯定有很大的帮助。 场效应管的结构 场效应管是电压控制器件，功耗比较低。而三极管是电流控制器件，功耗比较高。但场效应管制作工艺比三极管复杂，不过可以做得很小，到纳米级大小。所以在大规模集成电路小信号处理方面得到广泛的应用。对大电流功率器件处理比较困难，不过目前已经有双场效应管结构增加电流负载能力，也有大功率场管出现，大有取代三极管的趋势。场效应管具有很多比三极管优越的性能。 结型场效应管的结构 结型场效应管又叫JFET，只有耗尽型。 这里以N沟道结型场效应管为例，说明结型场效应管的结构及基本工作原理。图为N沟道结型场效应管的结构示意图。在一块N型硅，材料(沟道)上引出两个电极，分别为源极(S)和漏极(D)。在它的两边各附一小片P型材料并引出一个电极，称为栅极(G)。这样在沟道和栅极间便形成了两个PN结。当栅极开路时，沟道相当于一个电阻，其阻值随型号而不同，一般为数百欧至数千欧。如果在漏极及源极之间加上电压U Ds，就有电流流过，I D将随U DS的增大而增大。如果给管子加上负偏差U GS时，PN结形成空间电荷区，其载流子很少，因而也叫耗尽区(如图a中阴影区所示)。其性能类似于绝缘体，反向偏压越大，耗尽区越宽，沟道电阻就越大，电流减小，甚至完全截止。这样就达到了利用反向偏压所产生的电场来控制N型硅片(沟道)中的电流大小的目的。 注：实际上沟道的掺杂浓度非常小，导电能力比较低，所以有几百到几千欧导通电阻。而且是PN结工作在反向偏置的状态。刚开机时，如果负偏置没有加上，此时I D是最大的。 特点：1，GS和GD有二极管特性，正向导通，反向电阻很大 2：DS也是导通特性，阻抗比较大 3：GS工作在反向偏置的状态。 4：DS极完全对称，可以反用，即D当做S，S当做D。 从以上介绍的情况看，可以把场效应管与一般半导体三极管加以对比，即栅极相当于基极，源极相当于发射极，漏极相当于集电极。如果把硅片做成P型，而栅极做成N型，则成为P沟道结型场效应管。结型场效应管的符号如图b所示。
场效应管的选型及应用概览 场效应管广泛使用在模拟电路与数字电路中，和我们的生活密不可分。场效应管的优势在于：首先驱动电路比较简单。场效应管需要的驱动电流比BJT则小得多，而且通常可以直接由CMOS或者集电极开路TTL驱动电路驱动；其次场效应管的开关速度比较迅速，能够以较高的速度工作，因为没有电荷存储效应；另外场效应管没有二次击穿失效机理，它在温度越高时往往耐力越强，而且发生热击穿的可能性越低，还可以在较宽的温度范围内提供较好的性能。场效应管已经得到了大量应用，在消费电子、工业产品、机电设备、智能手机以及其他便携式数码电子产品中随处可见。 近年来，随着汽车、通信、能源、消费、绿色工业等大量应用场效应管产品的行业在近几年来得到了快速的发展，功率场效应管更是备受关注。据预测，2010-2015年中国功率MOSFET市场的总体复合年度增长率将达到13.7%。虽然市场研究公司 iSuppli 表示由于宏观的投资和经济政策和日本地震带来的晶圆与原材料供应问题，今年的功率场效应管市场会放缓，但消费电子和数据处理的需求依然旺盛，因此长期来看，功率场效应管的增长还是会持续一段相当长的时间。 技术一直在进步，功率场效应管市场逐渐受到了新技术的挑战。例如，业内有不少公司已经开始研发GaN功率器件，并且断言硅功率场效应管的性能可提升的空间已经非常有限。不过，GaN 对功率场效应管市场的挑战还处于非常初期的阶段，场效应管在技术成熟度、供应量等方面仍然占据明显的优势，经过三十多年的发展，场效应管市场也不会轻易被新技术迅速替代。 五年甚至更长的时间内，场效应管仍会占据主导的位置。场效应管也仍将是众多刚入行的工程师都会接触到的器件，本期内容将会从基础开始，探讨场效应管的一些基础知识，包括选型、关键参数的介绍、系统和散热的考虑等为大家做一些介绍。 一.场效应管的基础选型 场效应管有两大类型：N沟道和P沟道。在功率系统中，场效应管可被看成电气开关。当在N沟道场效应管的栅极和源极间加上正电压时，其开关导通。导通时，电流可经开关从漏极流向源极。漏极和源极之间存在一个内阻，称为导通电阻RDS(ON)。必须清楚场效应管的栅极是个高阻抗端，因此，总是要在栅极加上一个电压。如果栅极为悬空，器件将不能按设计意图工作，并可能在不恰当的时刻导通或关闭，导致系统产生潜在的功率损耗。当源极和栅极间的电压为零时，开关关闭，而电流停止通过器件。虽然这时器件已经关闭，但仍然有微小电流存在，这称之为漏电流，即IDSS。 作为电气系统中的基本部件，工程师如何根据参数做出正确选择呢？本文将讨论如何通过四步来选择正确的场效应管。 1）沟道的选择。为设计选择正确器件的第一步是决定采用N沟道还是P沟道场效应管。在典型的功率应用中，当一个场效应管接地，而负载连接到干线电压上时，该场效应管就构成了低压侧开关。在低压侧开关中，应采用N沟道场效应管，这是出于对关闭或导通器件所需电压的考虑。当场效应管连接到总线及负载接地时，就要用高压侧开关。通常会在这个拓扑中采用P沟道场效应管，这也是出于对电压驱动的考虑。
PIN光电二极管 1. 工作原理 在上述的光电二极管的PN结中间掺入一层浓度很低的N型半导体，就可以增大耗尽区的宽度，达到减小扩散运动的影响，提高响应速度的目的。由于这一掺入层的掺杂浓度低，近乎本征（Intrinsic）半导体，故称I层，因此这种结构成为PIN光电二极管。I层较厚，几乎占据了整个耗尽区。绝大部分的入射光在I层内被吸收并产生大量的电子-空穴对。在I层两侧是掺杂浓度很高的P型和N型半导体，P层和N层很薄，吸收入射光的比例很小。因而光产生电流中漂移分量占了主导地位，这就大大加快了响应速度。 通过插入I层，增大耗尽区宽度达到了减小扩散分量的目的，但是过大的耗尽区宽度将延长光生载流子在耗尽区内的漂移时间，反而导致响应变慢，因此耗尽区宽度要合理选择。通过控制耗尽区的宽度可以改变PIN观点二极管的响应速度。 2. PIN光电二极管的主要特性 (1) 截止波长和吸收系数 只有入射光子的能量 PIN型光电二极管 也称PIN结二极管、PIN二极管，在两种半导体之间的PN结，或者半导体与金属之间的结的邻近区域，在P区与N区之间生成I型层，吸收光辐射而产生光电流的一种光检测器。具有结电容小、渡越时间短、灵敏度高等优点。 目录 PIN型光电二极管的结构 PIN结的导电特性 PIN型光电二极管的主要参数 PIN型光电二极管的典型应用
PIN型光电二极管的结构 pin结二极管的基本结构有两种，即平面的结构和台面的结 构，如图1所示。对于Si-pin133结二极管，其中i型层的载流子浓度很低（约为10cm数量级）电阻 率很高、（约为k-cm数量级），厚度W一般较厚（在10～200m 之间）；i型层两边的p型和n型半导体的掺杂浓度通常很高（即为重掺杂）。 平面结构和台面结构的i型层都可以采用外延技术来制作，高掺杂的p+层可以采用热扩散或者离子注入技术来获得。平面结构二极管可以方便地采用常规的平面工艺来制作。而台面结构二极管还需要进行台面制作（通过腐蚀或者挖槽来实现）。台面结构的优点是：①去掉了平面结的弯曲部分，改善了表面击穿电压；②减小了边缘电容和电感，有利于提高工作频率。 PIN结的导电特性 pin 结就是在 pin 结的空间电荷区分别在 i 型层两边的界面处，而整个的 i 型层中没有空间电荷，但是存在由两边的空间电荷所产生出来的电场——内建电场，所以 pin 结的势垒区就是整个的 i 型层。 ①基本概念： 众所周知，一般 p-n 结的导电（较大的正向电流以及很小的反向电流）主要是由于少数载流子在势垒区以外的两边扩散区中进行扩散所造成的；扩散区是不存在电场的电中性区。在此实际上也就暗示着载流子渡越势垒区的速度很快，即忽略了存在强电场的势垒区的阻挡作用；当然，这种处理也只有在势垒区较薄（小于载流子的平均自由程）时才是允许的。而对于势垒区厚度较大（≈载流子平均自由程）的p-n 结，则就需要考虑载流子在渡越势垒区的过程中所造成的影响，这种影响主要就是将增加一定的产生-复合电流。
场效应管工作原理 MOS场效应管电源开关电路。 这是该装置的核心，在介绍该部分工作原理之前，先简单解释一下MOS 场效应管的工作原理。 MOS 场效应管也被称为MOS FET，既Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor（金属氧化物半导体场效应管）的缩写。它一般有耗尽型和增强型两种。本文使用的为增强型MOS场效应管，其内部结构见图5。它可分为NPN型PNP 型。NPN型通常称为N沟道型，PNP型也叫P沟道型。由图可看出，对于N沟道的场效应管其源极和漏极接在N型半导体上，同样对于P沟道的场效应管其源极和漏极则接在P型半导体上。我们知道一般三极管是由输入的电流控制输出的电流。但对于场效应管，其输出电流是由输入的电压（或称电场）控制，可以认为输入电流极小或没有输入电流，这使得该器件有很高的输入阻抗，同时这也是我们称之为场效应管的原因。
为解释MOS场效应管的工作原理，我们先了解一下仅含有一个P—N结的二极管的工作过程。如图6所示，我们知道在二极管加上正向电压（P端接正极，N端接负极）时，二极管导通，其PN结有电流通过。这是因为在P型半导体端为正电压时，N型半导体内的负电子被吸引而涌向加有正电压的P型半导体端，而P 型半导体端内的正电子则朝N型半导体端运动，从而形成导通电流。同理，当二极管加上反向电压（P端接负极，N端接正极）时，这时在P型半导体端为负电压，正电子被聚集在P型半导体端，负电子则聚集在N型半导体端，电子不移动，其PN结没有电流通过，二极管截止。 对于场效应管（见图7），在栅极没有电压时，由前面分析可知，在源极与漏极之间不会有电流流过，此时场效应管处与截止状态（图7a）。当有一个正电压加在N沟道的MOS场效应管栅极上时，由于电场的作用，此时N型半导体的源极和漏极的负电子被吸引出来而涌向栅极，但由于氧化膜的阻挡，使得电子聚集在
功率二极管结构和工作原理 在本征半导体中掺入P型和N型杂质，其交界处就形成了PN结，在PN结的两端引出两个电极，并在外面装上管壳，就成为半导体二极管。如果一杂质半导体和金属形成整流接触，并在两端引出两个电极，则成为肖特基二极管。 二极管的结构和工作原理： PN结的形成及二极管的单向导电性描述如下： 如下图1所示，对于一块纯净的半导体，如果它的一侧是P区，另一侧为N区，则在P区和N区之间形成一交界面。N区的多子（电子）向P区运动，P区的多子（空穴）向N区运动，这种由于浓度差异而引起的运动称为“扩散运动”。扩散到P区的电子不断地与空穴复合，同时P区的空穴向N区扩散，并与N区中的电子复合。交界面两侧多子复合的结果就出现了由不能移动的带电离子组成的“空间电荷区”。N区一侧出现正离子区，P区一侧出现负离子区，正负离子在交界面两侧形成一个内电场。这个内电场对多子的扩散运动起阻碍作用的同时，又有利于N区的少子（空穴）进入P区，P区的少子（电子）进入N区，这种在内电场作用下少子的运动称为“漂移运动”。扩散运动有助于内电场的加强，内电场的加强将阻碍多子的扩散，而有助于少子的漂移，少子漂移运动的加强又将削弱内电场，又有助于多子的扩散，最终扩散运动和漂移运动必在一定温度下达到动态平衡。即在单位时间内P区扩散到N区的空穴数量等于由P区漂移到N区的自由电子数量，形成彼此大小相等，方向相反的漂移电流和扩散电流，交界面的总电流为零。在动态平衡时，交界面两侧缺少载流子的区域称为“耗尽层“，这就形成了PN结。
如图2所示，当PN结处于正偏，即P区接电源正端，N区接电源负端时，外加电场与PN 结内电场方向相反，内电场被削弱，耗尽层变宽，打破了PN结的平衡状态，使扩散占优势。多子形成的扩散电流通过回路形成很大的正向电流，此时PN结呈现的正向电阻很小，称为“正向导逋”。当PN结上流过的正向电流较小时，二极管的电阻主要是作为基片的低掺杂N区的欧姆电阻，其阻值较高且为常量，因而管压降随正向电流的上升而增加；当PN结上流过的正向电流较大时，注入并积累在低掺杂N区的少子空穴浓度将很大，为了维持半导体电中性条件，其多子浓度也相应大幅度增加，使得其电阻率明显下降，也就是电导率大大增加，这就是电导调制效应。电导调制效应使得PN结在正向电流较大时压降仍然很低，维持在1V左右，所以正向偏置的PN结表现为低阻态，为保护PN结，通常要在回路中串联一个限流电阻。
场效应管的分类和作用分别是什么? 根据三极管的原理开发出的新一代放大元件，有3个极性，栅极，漏极，源极，它的特点是栅极的内阻极高，采用二氧化硅材料的可以达到几百兆欧，属于电压控制型器件 概念: 场效应晶体管（Field Effect Transistor缩写(FET)）简称场效应管.由多数载流子参与导电,也称为单极型晶体管.它属于电压控制型半导体器件. 特点: 具有输入电阻高（108～109Ω）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点,现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者. 场效应管的作用 1、场效应管可应用于放大。由于场效应管放大器的输入阻抗很高，因此耦合电容可以容量较小，不必使用电解电容器。 2、场效应管很高的输入阻抗非常适合作阻抗变换。常用于多级放大器的输入级作阻抗变换。 3、场效应管可以用作可变电阻。 4、场效应管可以方便地用作恒流源。 5、场效应管可以用作电子开关。 场效应管的测试 1、结型场效应管的管脚识别： 场效应管的栅极相当于晶体管的基极，源极和漏极分别对应于晶体管的发射极和集电极。将万用表置于R×1k档，用两表笔分别测量每两个管脚间的正、反向电阻。当某两个管脚间的正、反向电阻相等，均为数KΩ时，则这两个管脚为漏极D和源极S（可互换），余下的一个管脚即为栅极G。对于有4个管脚的结型场效应管，另外一极是屏蔽极（使用中接地）。 2、判定栅极
用万用表黑表笔碰触管子的一个电极，红表笔分别碰触另外两个电极。若两次测出的阻值都很小，说明均是正向电阻，该管属于N沟道场效应管，黑表笔接的也是栅极。 制造工艺决定了场效应管的源极和漏极是对称的，可以互换使用，并不影响电路的正常工作，所以不必加以区分。源极与漏极间的电阻约为几千欧。 注意不能用此法判定绝缘栅型场效应管的栅极。因为这种管子的输入电阻极高，栅源间的极间电容又很小，测量时只要有少量的电荷，就可在极间电容上形成很高的电压，容易将管子损坏。 3、估测场效应管的放大能力将万用表拨到R×100档，红表笔接源极S，黑表笔接漏极D，相当于给场效应管加上1.5V的电源电压。这时表针指示出的是D-S极间电阻值。然后用手指捏栅极G，将人体的感应电压作为输入信号加到栅极上。由于管子的放大作用，UDS和ID都将发生变化，也相当于D-S极间电阻发生变化，可观察到表针有较大幅度的摆动。如果手捏栅极时表针摆动很小，说明管子的放大能力较弱；若表针不动，说明管子已经损坏。 由于人体感应的50Hz交流电压较高，而不同的场效应管用电阻档测量时的工作点可能不同，因此用手捏栅极时表针可能向右摆动，也可能向左摆动。少数的管子RDS减小，使表针向右摆动，多数管子的RDS增大，表针向左摆动。无论表针的摆动方向如何，只要能有明显地摆动，就说明管子具有放大能力。本方法也适用于测MOS管。为了保护MOS 场效应管，必须用手握住螺钉旋具绝缘柄，用金属杆去碰栅极，以防止人体感应电荷直接加到栅极上，将管子损坏。 MOS管每次测量完毕，G-S结电容上会充有少量电荷，建立起电压UGS，再接着测时表针可能不动，此时将G-S极间短路一下即可。 2.场效应管的分类: 场效应管分结型、绝缘栅型(MOS)两大类 按沟道材料:结型和绝缘栅型各分N沟道和P沟道两种. 按导电方式:耗尽型与增强型,结型场效应管均为耗尽型,绝缘栅型场效应管既有耗尽型的,也有增强型的。 场效应晶体管可分为结场效应晶体管和MOS场效应晶体管,而MOS场效应晶体管又分为N沟耗尽型和增强型;P沟耗尽型和增强型四大类. 3.场效应管的主要参数:
MOS 场效应管的工作原理及特点 场效应管是只有一种载流子参与导电，用输入电压控制输出电流的半导体器件。有N沟道器件和P 沟道器件。有结型场效应三极管JFET(Junction Field Effect Transister)和绝缘栅型场效应三极管IGFET( Insulated Gate Field Effect Transister) 之分。IGFET也称金属-氧化物-半导体三极管MOSFET （Metal Oxide SemIConductor FET）。 MOS场效应管 有增强型（Enhancement MOS 或EMOS）和耗尽型(Depletion)MOS或DMOS）两大类，每一类有N沟 道和P沟道两种导电类型。场效应管有三个电极： D(Drain) 称为漏极，相当双极型三极管的集电极； G(Gate) 称为栅极，相当于双极型三极管的基极； S(Source) 称为源极，相当于双极型三极管的发射极。 增强型MOS(EMOS)场效应管 道增强型MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在P型半导体上生成一层SiO2 薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从N型区引出电极，一个是漏极D，一个是源极S。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。P型半导体称为衬底(substrat)，用符号B表示。 一、工作原理 1．沟道形成原理
当Vgs=0 V时，漏源之间相当两个背靠背的二极管，在D、S之间加上电压，不会在D、S间形成电流。当栅极加有电压时，若0＜Vgs＜Vgs(th)时（VGS(th) 称为开启电压），通过栅极和衬底间的电容作用，将靠近栅极下方的P型半导体中的空穴向下方排斥，出现了一薄层负离子的耗尽层。耗尽层中的少子将向表层运动，但数量有限，不足以形成沟道，所以仍然不足以形成漏极电流ID。 进一步增加Vgs，当Vgs＞Vgs(th)时，由于此时的栅极电压已经比较强，在靠近栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子，可以形成沟道，将漏极和源极沟通。如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流ID。在栅极下方形成的导电沟道中的电子，因与P型半导体的载流子空穴极性相反，故称为反型层（inversion layer）。随着Vgs的继续增加，ID将不断增加。 在Vgs=0V时ID=0，只有当Vgs＞Vgs(th)后才会出现漏极电流，这种MOS管称为增强型MOS管。 VGS对漏极电流的控制关系可用iD=f(vGS)|VDS=const这一曲线描述，称为转移特性曲线，见图。 转移特性曲线斜率gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。gm 的量纲为mA/V，所以gm也 称为跨导。 跨导的定义式如下： gm=△ID/△VGS| (单位mS) 2．Vds对沟道导电能力的控制 当Vgs＞Vgs(th)，且固定为某一值时，来分析漏源电压Vds对漏极电流ID的影响。Vds的不同变化对沟 道的影响如图所示。 根据此图可以有如下关系 VDS=VDG＋VGS= —VGD＋VGS VGD=VGS—VDS 当VDS为0或较小时，相当VGD＞VGS(th)，沟道呈斜线分布。在紧靠漏极处，沟道达到开启的程度以上，
光电二极管教程 工作原理 结光电二极管是一种基本器件，其功能类似于一个普通的信号二极管，但在结半导体的耗尽区吸收光时，它会产生光电流。光电二极管是一种快速，高线性度的器件，在应用中具有高量子效率，可应用于各种不同的场合。 根据入射光确定期望的输出电流水平和响应度是有必要的。图1描绘了一个结光电二极管模型，它由基本的独立元件组成，这样便于直观了解光电二极管的主要性质，更好地了解Thorlabs光电二极管工作过程。 图1: 光电二极管模型 光电二极管术 响应度 光电二极管的响应度可以定义为给定波长下，产生的光电流(I PD)和入射光功率(P)之比： 工作模式(光导模式和光伏模式) 光电二极管可以工作在这两个模式中的一个: 光导模式(反向偏置)或光伏模式(零偏置)。工作模式的选择根据应用中速度和可接受暗电流大小(漏电流)而定。 光导模式
处于光导模式时，有一个外加的偏压，这是我们DET系列探测器的基础。电路中测得的电流代表器件接受到的 光照; 测量的输出电流与输入光功率成正比。外加偏压使得耗尽区的宽度增大，响应度增大，结电容变小，响应 度趋向直线。工作在这些条件下容易产生很大的暗电流，但可以选择光电二极管的材料以限制其大小。(注: 我 们的DET器件都是反向偏置的，不能工作在正向偏压下。) 光伏模式 光伏模式下，光电二极管是零偏置的。器件的电流流动被限制，形成一个电压。这种工作模式利用了光伏效应， 它是太阳能电池的基础。当工作在光伏模式时，暗电流最小。 暗电流 暗电流是光电二极管有偏压时的漏电流. 工作在光导模式时, 容易出现更高的暗电流, 并与温度直接相关. 温度 每增加 10 °C, 暗电流几乎增加一倍, 温度每增加 6 °C, 分流电阻增大一倍. 显然, 应用更大的偏压会降低结电 容, 但也会增加当前暗电流的大小. 当前的暗电流也受光电二极管材料和有源区尺寸的影响. 锗器件暗电流很大, 硅器件通常比锗器件暗电流小.下 表给出了几种光电二极管材料及它们相关的暗电流, 速度, 响应波段和价格。 Material Dark Current Speed Spectral Range Cost Silicon (Si) Low High Speed Visible to NIR Low Germanium (Ge) High Low Speed NIR Low Gallium Phosphide (GaP) Low High Speed UV to Visible Moderate Indium Gallium Arsenide (InGaAs) Low High Speed NIR Moderate Indium Arsenide Antimonide (InAsSb) High Low Speed NIR to MIR High High High Speed NIR High Extended Range Indium Gallium Arsenide (InGaAs) High Low Speed NIR to MIR High Mercury Cadmium Telluride (MCT, HgCdTe) 结电容 结电容（C j）是光电二极管的一个重要性质，对光电二极管的带宽和响应有很大影响。需要注意的是，结区面积 大的二极管结体积也越大，也拥有较大的充电电容。在反向偏压应用中，结的耗尽区宽度增加，会有效地减小结 电容，增大响应速度。 带宽和响应 负载电阻和光电二极管的电容共同限制带宽。要得到最佳的频率响应，一个50欧姆的终端需要使用一条50欧姆 的同轴电缆。带宽（f BW）和上升时间响应（t r）可以近似用结电容（C j）和负载电阻（R load）表示：
场效应管工作原理（1） 场效应晶体管（Field Effect Transistor缩写(FET)）简称场效应管。一般的晶体管是由两种极性的载流子,即多数载流子和反极性的少数载流子参与导电,因此称为双极型晶体管,而FET仅是由多数载流子参与导电,它与双极型相反,也称为单极型晶体管。它属于电压控制型半导体器件，具有输入电阻高（108～109?）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点，现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。 一、场效应管的分类 场效应管分结型、绝缘栅型两大类。结型场效应管（JFET）因有两个PN结而得名，绝缘栅型场效应管（JGFET）则因栅极与其它电极完全绝缘而得名。目前在绝缘栅型场效应管中，应用最为广泛的是MOS场效应管，简称MOS管（即金属-氧化物-半导体场效应管MOSFET）；此外还有PMOS、NMOS和VMOS功率场效应管，以及最近刚问世的πMOS场效应管、VMOS功率模块等。 按沟道半导体材料的不同，结型和绝缘栅型各分沟道和P沟道两种。若按导电方式来划分，场效应管又可分成耗尽型与增强型。结型场效应管均为耗尽型，绝缘栅型场效应管既有耗尽型的，也有增强型的。 场效应晶体管可分为结场效应晶体管和MOS场效应晶体管。而MOS场效应晶体管又分为N沟耗尽型和增强型；P沟耗尽型和增强型四大类。见下图。 二、场效应三极管的型号命名方法 现行有两种命名方法。第一种命名方法与双极型三极管相同，第三位字母J代表结型场效应管，O代表绝缘栅场效应管。第二位字母代表 材料，D是P型硅，反型层是N沟道；C是N型硅P沟道。例如,3DJ6D是结型N沟道场效应三极管，3DO6C 是绝缘栅型N沟道场效应三极管。 第二种命名方法是CS××#，CS代表场效应管，××以数字代表型号的序号，#用字母代表同一型号中的不同规格。例如CS14A、CS45G等。 三、场效应管的参数 场效应管的参数很多，包括直流参数、交流参数和极限参数，但一般使用时关注以下主要参数： 1、I DSS — 饱和漏源电流。是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中，栅极电压U GS =0时的漏源电流。 2、U P — 夹断电压。是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中，使漏源间刚截止时的栅极电压。 3、U T — 开启电压。是指增强型绝缘栅场效管中，使漏源间刚导通时的栅极电压。 4、g M — 跨导。是表示栅源电压U GS — 对漏极电流I D 的控制能力，即漏极电流I D 变化量与栅源电压U GS 变化量的比值。g M 是衡量场效应管放大能力的重要参数。 5、BU DS — 漏源击穿电压。是指栅源电压U GS 一定时，场效应管正常工作所能承受的最大漏源电压。这是一 项极限参数，加在场效应管上的工作电压必须小于BU DS。
稳压二极管工作原理 一、稳压二极管原理及特性 一般三极管都是正向导通，反向截止；加在二极管上的反向电压如果超过二极管的承受能力，二极管就要击穿损毁。但是有一种二极管，它的正向特性与普通二极管相同，而反向特性却比较特殊：当反向电压加到一定程度时，虽然管子呈现击穿状态，通过较大电流，却不损毁，并且这种现象的重复性很好；只要管子处在击穿状态，尽管流过管子的电在变化很大，而管子两端的电压却变化极小起到稳压作用。这种特殊的二极管叫稳压管。 稳压管的型号有2CW、2DW 等系列，它的电路符号如图5－17所示。 稳压管的稳压特性，可用图5一18所示伏安特性曲线很清楚地表示出来。 稳压管是利用反向击多区的稳压特性进行工作的，因此，稳压管在电路中要反向连接。稳压管的反向击穿电压称为稳定电压，不同类型稳压管的稳定电压也不一
样，某一型号的稳压管的稳压值固定在口定范围。例如：2CW11的稳压值是3.2伏到4．5伏，其中某一只管子的稳压值可能是3．5伏，另一只管子则可能是4，2伏。 在实际应用中，如果选择不到稳压值符合需要的稳压管，可以选用稳压值较低的稳压管，然后串联几只硅二极管“枕垫”，把稳定电压提高到所需数值。这是利用硅二极管的正向压降为0．6～0．7伏的特点来进行稳压的。因此，二极管在电路中必须正向连接，这是与稳压管不同的。 稳压管稳压性能的好坏，可以用它的动态电阻r来表示： 显然，对于同样的电流变化量ΔI，稳压管两端的电压变化量ΔU越小，动态电阻越小，稳压管性能就越好。 稳压管的动态电阻是随工作电流变化的，工作电流越大，动态电阻越小。因此，为使稳压效果好，工作电流要选得合适。工作电流选得大些，可以减小动态电阻，但不能超过管子的最大允许电流（或最大耗散功率）。各种型号管子的工作电流和最大允许电流，可以从手册中查到。 稳压管的稳定性能受温度影响，当温度变化时，它的稳定电压也要发生变化，常用稳定电压的温度系数来表示，这种性能例如2CW19型稳压管的稳定电压Uw= 12伏，温度系数为0.095%℃，说明温度每升高1℃，其稳定电压升高11.4毫伏。为提高电路的稳定性能，往往采用适当的温度补偿措施。在稳定性能要求很高时，需使用具有温度补偿的稳压，如2DW7A、2DW7W、2DW7C 等。 二、稳压二极管稳压电路图 由硅稳压管组成的简单稳压电路如图5- l9（a）所示。硅稳压管DW与负载Rfz，并联，R1为限流电阻。
场效应管在开关电路中的应用 场效应管在mpn中，它的长相和我们前面讲的三极管极像，所以有不少修mpn的朋友好长时间还分不清楚，统一的把这些长相相同的三极管、场效应管、双二极管、还有各种稳压IC统统称作“三个脚的管管”，呵呵，如果这样麻木不分的话，你的维修技术恐怕很难快速提高的哦！ 好了，说到这里场效应管的长相恐怕我就不用贴图了，在电路图中它常用 表示，关于它的构造原理由于比较抽象，我们是通俗化讲它的使用，所以不去多讲，由于根据使用的场合要求不同做出来的种类繁多，特性也都不尽相同；我们在mpn 中常用的一般是作为电源供电的电控之开关使用，所以需要通过电流比较大，所以是使用的比较特殊的一种制造方法做出来了增强型的场效应管（MOS型），它的电路图符号： 仔细看看你会发现，这两个图似乎有差别，对了，这实际上是两种不同的增强型场效应管，第一个那个叫N沟道增强型场效应管，第二个那个叫P沟道增强型场效应管，它们的的作用是刚好相反的。前面说过，场效应管是用电控制的开关，那么我们就先讲一下怎么使用它来当开关的，从图中我们可以看到它也像三极管一样有三个脚，这三个脚分别叫做栅极（G）、源极（S）和漏极（D），mpn中的贴片元件示意图是这
个样子： 1脚就是栅极，这个栅极就是控制极，在栅极加上电压和不加上电压来控制2脚和3脚的相通与不相通，N沟道的，在栅极加上电压2脚和3脚就通电了，去掉电压就关断了，而P沟道的刚好相反，在栅极加上电压就关断（高电位），去掉电压（低电位）就相通了！ 我们常见的2606主控电路图中的电源开机电路中经常遇到的就是P沟道MOS管： 这个图中的SI2305就是P沟道MOS管，由于有很多朋友对于检查这一部分的故障很茫然，所以在这里很有必要讲一下它的工作原理，来加深一下你的印象！ 图中电池的正电通过开关S1接到场效应管Q1的2脚源极，由于Q1是一个P沟道管，它的1脚栅极通过R20电阻提供一个正电位电压，所以不能通电，电压不能继续通过，3v稳压IC输入脚得不到电压所以就不能工作不开机！这时，如果我们按下SW1开机按键时，正电通过按键、R11、R23、D4加到三极管Q2的基极，三极管Q2的基极得到一个正电位，三极管导通（前面讲到三极管的时候已经讲过），由于三极管的发射极直接接地，三极管Q2导通就相当于Q1的栅极直接接地，加在它上面的通过R20电阻的
光电二极管的工作原理与应用 学生：李阳洋王煦何雪瑞黄艺格指导老师：陈永强 摘要：光电二极管是结型器件。当光照射在P-N结时,光子被吸收,产生电子-空穴对,电子和空穴在结区被结电场所收集,在外电路形成光电流。为了保证绝大部分响应波长的入射光能在结区吸收,这就要求空间电荷区有足够宽度,所以外电路加有足够的反偏电压。 关键词：光电二极管;光电流;暗电流;反偏电压;光功率 1、引言 随着科学技术的发展，在信号传输和存储等环节中，越来越多地应用光信号。采用光电子系统的突出优点是，抗干扰能力较强、传送信息量大、传输耗损小且工作可靠。光电二极管是光电子系统的电子器件。光电二极管（photodiode）是一种能够将光根据使用方式转换成电流或者电压信号的光探测器。常见的传统太阳能电池就是通过大面积的光电二极管来产生电能。 2、工作原理 光电二极管是将光信号转换成电流或电压信号的特殊二极管，它与常规二极管结构上基本相似，都具有一个PN结，但光电二极管在设计和制作时尽量使PN结的面积相对较大，以便接收入射光。其基本原理是当光照在二极管上时，被吸收的光能转换成电能。光电二极管工作在反向电压作用下，只通过微弱的电流（一般小于0.1微安），称为暗电流，有光照时，携带能量的光子进入PN结后，把能量传给共价键上的电子，使有些电子挣脱共价键，而产生电子-空穴对，称为光生载流子，因为光生载流子的数目是有限的，而光照前多子的数目远大于光生载流子的数目，所以光生载流子对多子的影响是很小的，但少子的数目少有比较大的影响，这就是为什么光电二极管是工作在反向电压下而不是正向电压下，于是在反向电压作用下被光生载流子影响而增加的少子参加漂流运动，在P区，光生电子扩散到PN结，如果P区厚度小于电子扩散长度，那么大部分光生电子将能穿过P区到达PN结，在N区也是相同的道理，也因此光电二极管在制作时，PN结的结深很浅，以促使少子的漂移。综上若光的强度越大，反向电流也就越大，这种特性称为光导电，而这种现象引起的电流称为光电流。总的来说光电二极管的工作是一个吸收的过程，它将光的变化转换成反向电流的变化，光照产生电流和暗电流的综合就是光电流，因此光电二极管的暗电流因尽量最小化来提器件对光的灵敏度，光的强度与光电流成正比，因而就可以把光信号转换成电信号。 图1基本工作原理
二极管入门知识二极管结 构和工作原理 This model paper was revised by the Standardization Office on December 10, 2020
在自然界中，根据材料的导电能力，我们可以将他们划分导体、绝缘体和半导体。常见的导体如铜 和铝、常见的绝缘体如橡胶、塑料等。什么是半导体呢半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间，常见的半导体材料有硅（Si）和锗（Ge）。到此，请记住两种半导体材料：硅、锗。因为以后你会 听说硅管、锗管。意思很明显，说明这种二极管或三极管是用硅或锗作为基材的。 半导体硅原子结构图 半导体有几个特性有必要了解一下：热敏性、光敏性和掺杂性； 半导体的热敏性：半导体的导电能力受温度影响较大，当温度升高时，半导体的导电能力大大增强，被称为半导体的热敏性。利用半导体的热敏性可制成热敏元件，在汽车上应用的热敏元件有温度传感器，如水温传感器、进气温度传感器等。 半导体硅的空穴和自由电子示意图 半导体的光敏性：半导体的导体的导电能力随光照的不同而不同。当光照增强时，导电能力增强，称为半导体光敏性。利用光敏性可制成光敏元件。在汽车上应用的光敏元件有汽车自动空调上应用的光照传感器。 半导体的掺杂性：当在导体中掺入少量杂质，半导体的导电性能增加。 什么是本征半导体、P型半导体和N型半导体，有哪些区别 本征半导体：纯净的半导体称为本征半导体。 P型半导体：在本征半导体硅或锗中掺入微量的三价元素硼（B）或镓，就形成P型半导体。 P型半导体示意图－空穴是多数载流子 N型半导体：在本征半导体硅或锗中掺入微量的五价元素磷（P）就形成N型半导体。 N型半导体中自由电子是多数载流子 PN结和二极管 在半导体硅或锗中一部分区域掺入微量的三价元素硼使之成为P型，另一部分区域掺入微量的五价元素磷使之成为N型半导体。在P型和N型半导体的交界处就形成一个PN结。一个PN结就是一个二极管，P区的引线称为阳极，N区的引线称为阴极。 二极管结构图：P区引线成为阳极、N区引线成为阴极 二极管的单向导电性能 二极管具前单向导电性能， （1）正向导通：当PN结加上正向电压，即P区接蓄电池正级，N区接蓄电池负极时，PN结处于导通状态，如图所示，试灯有电流通过，点亮。 二极管正向导通示意图 注意二极管正向导通时存在着电压降，什么意思呢如果蓄电池电压是12V，则试灯上的电压一定小于12V，大约是吧，哪在那里呢在二极管上，这就是二极管的电压降。二极管的电压降取决于二极管采用的是锗管还是硅管：锗管的电压降是左右；而硅管的电压降是左右。如果蓄电池电压低
二级管工作原理（PN结原理）学习 0、小叙闲言 并没有进一步研究一下，今天写下这篇文章，主要是介绍二极管的工作原理，为后面的三极管和MOSFET工作原理的理解打下基础，然后，应该能理解放大器的工作原理，最后也就也能解决上两篇文章提出的问题了。 1、PN结形成 P（Positive）型和N（Negative）型可根据它们的载流子（载流子说得比较学术，其实就是导体里面能流动的带电粒子，为电子或者是空穴，空穴可以看作是带正电的电子）来区分。对半导体材料（一般应该是硅Si）参入不同的杂质，就可以形成P型半导体和N型半导体。P型半导体里面能够流动的粒子是空穴，N型半导体里面能够流动的粒子是电子。它们的结构如下图1所示，对于它们俩如何参杂以形成不同的半导体，我们可没必要再研究下去，
除非你是专门搞半导体材料的。P型半导体中的大红圆是负离子，由于材料的性质，它是不可移动的，而其中的小绿圆（空穴），是可移动的，这一点很重要，请务必记住；同理N型半导体，它里面的大绿圆（正离子）不可自由移动，而小红圆（电子）可自由移动。 图1 P型和N型半导体结构
简单了解了P型半导体和N型半导体之后，我们常说的PN结是如何形成的呢，且看下方图2动图。当P型半导体和N型半导体接合在一起的时候，由于P型半导体中空穴浓度高，而N型半导体中电子浓度高，因此会形成一个扩散运动，P型半导体中空穴会向它浓度低的地方扩散，从而扩散到N型区，N型半导体的电子也会向它浓度低的地方扩散，从而扩散到P型区。这样一来，P型区剩下不能自由移动的负离子，而N型区剩下不能自由移动的正离子，一正一负，在PN结内部形成了一个从左往右的内电场，基本上这个内电场就体现PN结的工作特性。另外有一点要说明的是，PN结只是局部带电，即P型区呈负电，而N型区呈负电，但是它们俩一中和，整体上是呈中性的。
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。