工学第1章常用半导体器件.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2019/10/26,第 1 章,#,2024/12/30 周一,第 1 章,1,第,1,章常用半导体器件,1.1,半导体基本知识,2024/12/30 周一,第 1 章,2,本章讨论的问题,为什么采用半导体材料制作电子器件,?,空穴是一种栽流子吗,?,空穴导电时电子运动吗,?,什么是,N,型半导体,?,什么是,P,型半导体,?,当两种半导体制作在一起时会产生什么现象,?,PN,结上所加电压与电流符合欧姆定律吗,?,它为什么具有单向导电性,?,在,PN,结上加反向电压时果真没有电流吗,?,2024/12/30 周一,第 1 章,3,本章讨论的问题,晶体管是通过什么方式控制集电极电流的,?,场效应管通过什么方式控制漏极电流的,?,为什么它们都可以用于放大,?,为什么半导体器件的参数会受温度的影响,?,2024/12/30 周一,第 1 章,4,引言,半导体器件是现代电子技术的重要组成部分，由于它具有体积小、重量轻、使用寿命长、输入功率小和功率转换效率高等优点而得到广泛的应用。,2024/12/30 周一,第 1 章,5,集成电路特别是大规模和超大规模集成电路不断更新换代，致使电子设备在微型化、可靠性和电子系统设计的灵活性等方面有了重大的进步，因而电子技术成为当代高新技术的龙头。,2024/12/30 周一,第 1 章,6,本章首先简要地介绍半导体的基本知识，接着讨论半导体器件的核心环节,PN,结，并重点地讨论半导体二极管的物理结构、工作原理、特性曲线和主要参数以及二极管基本电路及其分析方法与应用；在此基础上，对齐纳二极管、变容二极管和光电子器件的特性与应用也给予了简要的介绍。,2024/12/30 周一,第 1 章,7,半导体三极管,(,BJT,),的结构、工作原理、特性曲线和主要参数。,场效应管,(,FET,),的结构、工作原理、特性曲线和主要参数。,单结晶体管和晶闸管的结构、工作原理、特性曲线和主要参数。,集成电路中的元件,2024/12/30 周一,第 1 章,8,1.1.1,本证半导体,一、半导体：,导电性能介于导体,(,电阻率,10,8,m),之间的物质，称为半导体。,1.1,半导体基础知识,2024/12/30 周一,第 1 章,9,1.,元素半导体：硅,(Si),，锗,(Ge),等。,2.,化合物半导体：砷化镓,(GaAs),3.,其它：硼,(B),磷,(P),铟,(In),和锑,(Sb),等。,目前最常用的半导体材料是：硅和锗,2024/12/30 周一,第 1 章,10,二、本征半导体,硅,(,原子序数是,14),和锗,(,原子序数是,32),是最常用的半导体材料，它们都是四价元素，其最外层原子轨道上具有四个价电子，可用其简化模型来描述,(,如图所示,),。,1.,半导体的共价键结构,2024/12/30 周一,第 1 章,11,硅和锗的原子结构简化模型,等 效,离子核,价电子,2024/12/30 周一,第 1 章,12,原子呈电中性。其二维晶格结构图。如,(P,10,),图,1.1.1,所示。,2024/12/30 周一,第 1 章,13,共价键,结构,正离子核,2024/12/30 周一,第 1 章,14,2.,本征半导体、空穴及其导电作用,(1),本征半导体,本征半导体是指一种非常纯净的、结构完整的半导体晶体。,纯净的半导体其导电性是很差的。,本征半导体的导电性能受外界条件,(,温度、掺杂等,),的影响，会发生很大的变化。,2024/12/30 周一,第 1 章,15,(,2),本征激发,在室温下，某些价电子会从外界获得足够的随机热振动能量而挣脱共价键的束缚，成为自由电子,(,如,P,10,图,1.1.2,所示,),，这种现象称为,本征激发,。,转,17,2024/12/30 周一,第 1 章,16,2024/12/30 周一,第 1 章,17,受热激发产生的,自 由 电 子,自由电子移走后而留下的,空穴,2024/12/30 周一,第 1 章,18,(3),空穴电子对,当束缚电子挣脱共价键的束缚成为自由电子之后，就在原来的地方留下了一个空位，这个空位叫做,空穴,，这个空穴和自由电子是同时产生的，称之为,“,空穴电子对,”,。电子带负电，空穴带正电，二者带电量大小相等,(,q,=1.60210,-19,C,),。,2024/12/30 周一,第 1 章,19,(4),空穴与自由电子的导电机理,自由电子导电：在电场作用下的定向运动。,空穴导电：电子的接力运动。如图所示。,2024/12/30 周一,第 1 章,20,空 穴 的 运 动,2024/12/30 周一,第 1 章,21,1.1.2,杂质半导体,杂质半导体：在本征半导体中掺入微量杂质而获得的半导体，称为杂质半导体。根据掺入杂质的不同可分为空穴,(,P,),型半导体和电子,(,N,),型半导体。,2024/12/30 周一,第 1 章,22,一,、,N,型半导体,在本征半导体硅,(,或锗,),中掺入少量的五价元素,(,如磷、砷或锑,),而获得的杂质半导体，称为电子型半导体，简称为,N,型半导体。如,P,4,图,1.1.3,所示。,2024/12/30 周一,第 1 章,23,施主原子提供的多余的,电子,施主,正离子,2024/12/30 周一,第 1 章,24,其中，每一个五价元素提供一个自由电子，当丢失一个电子后及带正电，成为不能移动的正离子，电子带负电，半导体此时仍呈电中性。,由于五价元素在半导体晶体中能提供电子，故称之为,施主杂质,。,2024/12/30 周一,第 1 章,25,N,型半导体,中自由电子数目远远大于空穴数目，所以，,自由电子,称为,多子,，空穴称为少子。,2024/12/30 周一,第 1 章,26,二、,P,型半导体,在本征半导体硅,(,或锗,),中掺入少量的三价元素,(,如硼或铟,),而获得的杂质半导体，称为空穴型半导体，简称为,P,型半导体。如,P,4,图,1.1.4,所示。,2024/12/30 周一,第 1 章,27,受主原子,邻近的,电子落入受主的空穴,留下不能移动的,空穴,受主杂质获得一个电子而形成一个,负离子,2024/12/30 周一,第 1 章,28,其中，每一个三价元素提供一个空穴，当它从外界获得一个电子后及带负电，成为不能移动的负离子，而丢失电子的半导体元素带正电，半导体此时仍呈电中性。,由于三价元素在半导体晶体中能接收电子，故称之为,受主杂质,。,2024/12/30 周一,第 1 章,29,P,型半导体中,空穴数目远远大于自由电子数目，所以，,空穴,称为,多数载流子,，简称,多子,；,自由电子,称为少数载流子，简称,少子,。,2024/12/30 周一,第 1 章,30,1.1.3,PN,结,(PNJ),一、,PN,结的形成,如果在一块本征半导体的两边，掺入不同的杂质，使一边成为,P,型半导体，另一边成为,N,型半导体，则在两种不同类型半导体的交接面处就会形成一个特殊的电荷区，这个电荷区称之为,PN,结,(,PNJ,),。,PNJ,是构成半导体器件的基础。,2024/12/30 周一,第 1 章,31,(1),多子的扩散,(,观看课件,),由于,P,、,N,两区多数载流子的浓度不同而向对方区域,扩散,，且很快被对方区域的多子复合而消失，其结果，在交界面两侧出现了不能移动的带电离子组成的区域,-,空间电荷区,(,如,P,5,图,1.1.5,所示,),，空间电荷区又称为,耗尽层,(,无载流子区,),。,2024/12/30 周一,第 1 章,32,2024/12/30 周一,第 1 章,33,空间电荷区,2024/12/30 周一,第 1 章,34,(2),少子的漂移运动,由于空间电荷区的形成，在交界面附近形成了一个,内建电场,，其方向为,“,N P,”,，内建电场的出现将阻止多子的扩散，所以空间电荷区又称为,阻挡层,。,由于内建电场,的出现，少子将在内建电场的作用下发生漂移运动。,转,36,2024/12/30 周一,第 1 章,35,空间电荷区,0,内建电场,2024/12/30 周一,第 1 章,36,多子的扩散与少子的漂移运动是一对矛盾,。,(3).,动态平衡,扩散运动与漂移运动不断的进行着，当二者运动强度相等时，,PNJ,便达到了,动态平衡,。,2024/12/30 周一,第 1 章,37,2.,PNJ,的单向导电性,(1).,PNJ,正偏导通,如,P,14,图,1.1.6,所示，当,P,区接正电位，,N,区接负电位时，称,PNJ,正向偏置，简称为,正偏,。,2024/12/30 周一,第 1 章,38,I,0,内建电场,外加电场,R,2024/12/30 周一,第 1 章,39,PNJ,正偏,时，在,PNJ,内部将产生一个与,方向相反的外加电场,，,使,PNJ,变窄,。,当,时，将有正向电流,I,出现，且,I,随外加电压的升高而增大。,即：,PNJ,正偏时导电,。,2024/12/30 周一,第 1 章,40,(2),PNJ,反偏截止,如,P,15,图,1.1.7,所示，当,P,区接负电位，,N,区接正电位时，称,PNJ,反向偏置，简称为,反偏,。,此时外加电场,与内建电场,方向相同，二者的共同作用使漂移运动,扩散运动，,PNJ,变得更宽,。,转,42,2024/12/30 周一,第 1 章,41,I,R,(,I,s,),0,内建电场,外加电场,R,2024/12/30 周一,第 1 章,42,通过,PNJ,的电流为,I,R,，,I,R,主要是少子的漂移电流，由于少子的数目很少，所以很小。在一定范围内，,I,R,不遂外加电压的变化而变化，此时，,I,R,就是反向饱和电流，用,I,S,表示。,由于,I,S,很小，可以忽略，可以认为：,PNJ,反偏时截止,。,2024/12/30 周一,第 1 章,43,当温度升高时，本征激发增强，,I,S,增加。,I,S,是造成电路噪声的主要原因之一，必须加以克服,(,补偿法,),。,2024/12/30 周一,第 1 章,44,三、,PNJ,的电流方程,表达式,以硅材料为例，当在硅材料,PNJ,两端施加正、反电压时，,PNJ,的伏安特性如,P,11,图,1.1.10,所示。,理论分析，其特性表达式为：,(,1.1.3,),转,46,2024/12/30 周一,第 1 章,45,图,1.1.10 PNJ,的伏安特性,反向饱和电流,U,(BR),u,/V,i,/mA,反向击穿电压,I,D,=,I,2024/12/30 周一,第 1 章,46,式中，,i,为通过,PNJ,的电流，,u,为,PNJ,两端所加的外加电压，,U,T,为温度的电压当量，,U,T,kT,q,，当,T,300K,时，,U,T,0.026V,26mV,。,(,k,=1.3810,23,J/K,、,T,=300K,、,q,=1.910,19,C,),。,2024/12/30 周一,第 1 章,47,四、,PNJ,的伏安特性,1,、,PNJ,正偏时，,u,为正值，当,u,比,U,T,大几倍时，式中的 远大于,1,，式中的,1,可以忽略。这样，,PNJ,的正向电流,i,与正向电压,u,成指数关系。,2024/12/30 周一,第 1 章,48,2,、,PNJ,反偏时，,u,为负值，若 比,U,T,大几倍时，指数项趋近于零，即式中的,1,远大于 ，可以忽略。这样，,PNJ,的反向电流,i,I,S,，且不随反向电压的大小而变动。,2024/12/30 周一,第 1 章,49,3.,PNJ,的击穿,当加到,PNJ,两端的反向电压增大到一定值时，反向电流剧增的现象，称为,PNJ,的反向击穿,(,如,P,11,图,1.1.10,所示,),。,2024/12/30 周一,第 1 章,50,此时的反向电压称为反向击穿电压，用,U,(BR),表示。,图,1.1.10 PNJ,的击穿,i,/mA,u,/V,U,(BR),反向击穿电压,2024/12/30 周一,第 1 章,51,(1),雪崩击穿,过程：当加到,PNJ,两端的反向电压较高时，,J,内的反向电场很强，使漂移电子获得的运动能量很大，这些电子与,J,内的原子发生碰撞，使,J,内原子电离，产生新的,“,空穴,-,电子对,”,，,2024/12/30 周一,第 1 章,52,而这些新的“空穴,-,电子对”又被电场加速，又发生碰撞,-,电离,从而产生连锁反应，载流子数目剧增，,I,R,剧增，,PNJ,击穿,(,如,图所示,),。,雪崩击穿的机理：,碰撞电离,转,54,2024/12/30 周一,第 1 章,53,2024/12/30 周一,第 1 章,54,(2),齐纳击穿,发生在掺杂浓度很高的,PNJ,内。,特点：反向电压较小,(5V,以下,),。,2024/12/30 周一,第 1 章,55,过程：由于,PNJ,很窄，较小的反向电压在,J,内可产生很强的反向电场，此电场可把,J,内原子的价电子从共价键中,“,强行拉出来,”,，使原子电离，产生大量的载流子,(,少子,),，这些载流子在反压的作用下，形成很大的反向电流，,PNJ,击穿。,2024/12/30 周一,第 1 章,56,齐纳击穿机理：场致电离,雪崩击穿电压：,8,1000V;,齐纳击穿电压：,5V,以下；,两种击穿同时出现：,5,8V,。,2024/12/30 周一,第 1 章,57,(3).,热击穿,当,PNJ,发生击穿时，由于反向电流很大，使,J,温升高，进一步使击穿加快，当,J,温高到超过它的耗散功率时，,PNJ,出现,热击穿,，,PNJ,烧毁。,(1),、,(2),两种击穿,(,电击穿,),当外加电压撤除后，,PNJ,可以恢复；第,(3),种击穿发生后，将损坏,PNJ,。,2024/12/30 周一,第 1 章,58,1.2,半导体二极管,1.2.1,半导体二极管的结构,半导体二极管按结构的不同可分为,点接触型,和,面接触型。,2024/12/30 周一,第 1 章,59,1.,点接触型二极管,如,P,13,图,1.2.2(a),所示。,型锗片,金属触丝,阳极引线,阴极引线,外 壳,2024/12/30 周一,第 1 章,60,点接触型二极管,PNJ,面积很小，极间电容小承受反压小，功耗电流小。常用于高频检波、脉冲数字电路中开关元件、小电流整流。,例如：,2AP1,：最大整流电流为,16mA,，最高工作频率为,150MHz,。,2024/12/30 周一,第 1 章,61,2.,平面二极管,如,P,18,图,1.2.2(b),所示。,P,J,型硅,阳极引线,铝合金小球,金锑合金,底 座,阴极引线,2024/12/30 周一,第 1 章,62,面结型二极管,PNJ,面积大，极间电容大，功耗电流大。常用于低频整流。,例如：,2CP1,：最大整流电流为,400mA,，最高工作频率为,3kHz,。,图,1.2.2(c),为平面二极管结构图,图,1.2.2(c,),为集成电路中的平面二极管结构图。,转,61,2024/12/30 周一,第 1 章,63,2024/12/30 周一,第 1 章,64,3.,二极管电路符号,如图,1.2.2(d),所示。,阳极,a,阴极,k,阳极,a,阴极,k,2024/12/30 周一,第 1 章,65,1.2.2,二极管的伏安特性,1.,正向特性,如图,1.2.3,所示的端段。,门坎电压,U,on,(,V,th,)(,又称为死区电压,),，硅管：,0.5,V,；锗管：,0.1,V,.,正常,工作电压,：硅管：,0.7V,(0.6,0.8,左右,),；锗管：,0.2V,(,或,0.1,0.3,左右,),。,转,66,2024/12/30 周一,第 1 章,66,门,坎,电压,工作,电压,2024/12/30 周一,第 1 章,67,2.,反向特性,如,P,19,图,1.2.3,所示的,端段。,由图可知，二极管只有一个很小的反向饱和电流,I,S,。,转,69,2024/12/30 周一,第 1 章,68,I,S,2024/12/30 周一,第 1 章,69,3.,反向击穿特性,如图,1.2.3,所示的,端段。,此时，二极管两端的反向电压基本不变，但反向电流剧增，且很小的一个电压变化，就会引起很大的电流变化。原因同于,PNJ,击穿。,转,71,2024/12/30 周一,第 1 章,70,I,R,2024/12/30 周一,第 1 章,71,1.2.3,二极管的参数,1.,最大整流电流,I,F,是指管子长期工作时允许通过的最大正向平均电流。,例如：,2AP1,的,I,F,16mA,2024/12/30 周一,第 1 章,72,2.,反向击穿电压,U,BR,是指管子反向击穿时的电压值。手册中给出的最高反向工作电压,(,U,R,),约为反向击穿电压的一半，以确保管子安全工作。,例如：,2AP1,最高反向工作电压规定为,20V,而反向反向击穿电压实际上大于,40V,。,2024/12/30 周一,第 1 章,73,3.,反向电流,I,R,是指管子未击穿时的反向电流，其值越小，管子的单向导电性越好。,温度的增加会使反向电流剧增，使用二极管时要注意温度的影响。,2024/12/30 周一,第 1 章,74,4.,极间电容,(1).,势垒电容,C,B,PNJ,的势垒电容是用来描述势垒区的空间电荷随外加电压变化而产生的电容效应的。,外加反向电压升高时，相当于电容,“,充电,”,(,空间电荷区变宽,)(,如图,(a,),所示,),；当外加电压降低时，相当于电容,“,放电,”,(,空间电荷区变窄,)(,如图,(b),所示,),。,转,76,2024/12/30 周一,第 1 章,75,2024/12/30 周一,第 1 章,76,当外加电压频率越高时，势垒电容的作用越明显。且外加反向电压时，,C,B,的作用较明显。,(2),扩散电容,C,D,C,D,反映了在外加电压作用下，载流子在扩散过程中的积累效应。主要表现在,PNJ,正偏时的电容效应。,2024/12/30 周一,第 1 章,77,5.,二极管的其它参数,参阅,P,596,附录,6.,半导体器件的命名方法,附：半导体器件型号命名方法,(,根据国家标准,GB24974,),1,半导体器件的型号由,五个部分,组成,2,型号组成部分的符号及其,意义,转,80,2024/12/30 周一,第 1 章,78,2024/12/30 周一,第 1 章,79,2024/12/30 周一,第 1 章,80,1.2.4,二极管的等效电路,一、,二极管正向,伏安,特性的建模,1.,理想模型,如图,P,21,1.2.4,(a),所示,2024/12/30 周一,第 1 章,81,(a),所示，为理想二极管的,V,I,特性,(,黑线表示实际特性，紫线表示理想模型,),；,(b),为其电路符号。由,(a),可见，二极管正偏时，管压,降为,0,反偏,时，其电阻,为，电流,为零。,2024/12/30 周一,第 1 章,82,2.,恒压降模型,如图,P,21,1.2.4(b),所示，为恒压降二极管模型的,V,I,特性,(,黑线表示实际特性，紫线表示理想模型,),；,(b),为其电路符号。,2024/12/30 周一,第 1 章,83,由,(b),可见，二极管正偏时，管压降认为是恒定的，且不随电流而改变，典型值为,0.7,V,(,当,i,D,1mA,时才是正确的,),。反偏时，其电阻为，电流为零。,2024/12/30 周一,第 1 章,84,3.,折线模型,如,P,21,1.2.4(c),所示。这种模型更接近实际特性，在此认为，管压降是随着通过二极管的电流而增加的。其中,U,on,为门坎电压,(,硅管为,0.5V,，锗管为,0.1V,),，,r,D,为一等效电阻。,U,on,2024/12/30 周一,第 1 章,85,二、二极管等效模型,1,、微变等效模型,(,小信号模型,),如,P,22,图,1.2.7,所示，,I,D,2024/12/30 周一,第 1 章,86,在静态工作点附近，可把二极管看成为一条直线，该直线斜率的倒数就是所求的小信号模型的微变电阻,r,d,，参考图,1.2.7(a),，,可求得,r,d,为：,r,d,=,u,D,/,i,D,I,D,2024/12/30 周一,第 1 章,87,r,d,还可以通过二极管伏安特性表达式求得,:,对上式求,i,D,对,u,的微分可得微变电导,2024/12/30 周一,第 1 章,88,由此可得,例如，当,Q,点上的,I,D,2mA,时,r,d,26mV,2mA,13,。,(1.2.1),2024/12/30 周一,第 1 章,89,(2),PNJ,的高频等效电路,如图所示。,r,表示结电阻，,C,表示结电容。,PNJ,的高频等效电路,2024/12/30 周一,第 1 章,90,1.2.5,稳压二极管,1.,伏安特性：稳压二极管又称齐纳二极管，是一种特殊工艺制造的面接型半导体二,极管,其伏,安特性和,电路符号,如,P,24,图,1.,2.10,所示。,2024/12/30 周一,第 1 章,91,稳压二极管是利用二极管反向击穿时反向电压基本不变的特性制造成得一种特殊二极管。,2.,几种常见的稳压二极管及参数,如下,表,所示。,2024/12/30 周一,第 1 章,92,几种典型的稳压管的主要参数,2024/12/30 周一,第 1 章,93,3.,并联型稳压电路,如图,P,25,1.2.11,所示。图中,R,为限流电阻，,D,Z,为稳压二极管，,R,L,为负载电阻。其稳压原理如下：,2024/12/30 周一,第 1 章,94,上过程中，应注意,U,O,U,I,U,R,。,由于某种原因：,R,L,(,或,I,O,),I,R,U,O,I,Z,I,R,U,O,2024/12/30 周一,第 1 章,95,例,:,一稳压电路如,图,所示，其中的直流输入电压,V,I,，系由汽车上铅酸电池供电，电压在,12,13.6V,之间波动。负载,R,L,为一移动式,9V,半导体收音机，当它的音量最大时，需供给的功率为,0.5W,。,2024/12/30 周一,第 1 章,96,稳压管的主要参数为：稳定电压,U,Z,9V,，稳定电流的范围为,I,Z,5mA,至,I,ZM,56mA,，耗散功率为,1W,。限流电阻,R,的值为,51,。试分析此稳压电路能否正常工作。,转,98,2024/12/30 周一,第 1 章,97,例 题 图,V,I,2024/12/30 周一,第 1 章,98,解：,(1),负载所消耗的功率,P,L,U,L,I,L,(2),检验稳压管的耗散功率,当空载,(,I,L,0),时，稳压管的最大耗散功率为：,此功率未超过稳压管的额定耗散功率值。,2024/12/30 周一,第 1 章,99,(3),检验限流电阻,R,的功率定额当,V,I,V,IM,且为满负载的情况下，,R,上所消耗的功率为：,为安全和可靠起见，限流电阻,R,以选用,51,、,1W,的电阻为宜。,2024/12/30 周一,第 1 章,100,1.2.6,其它类型的二极管,1.,变容二极管,前面已讨论，二极管结电容的大小除了与本身结构和工艺有关外，还与外加电压有关。结电容随反向电压的增加而减小，这种效应显著的二极管称为变容二极管。图,2.5.4a,为它的代表符号，图,b,是某种变容二极管的特性曲线。,2024/12/30 周一,第 1 章,101,2024/12/30 周一,第 1 章,102,不同型号的管子，其电容最大值可能是,5,300pF,。最大电容与最小电容之比约为,51,。变容二极管在高频技术中应用较多。,2024/12/30 周一,第 1 章,103,2.,光电子器件,虽然模拟和数字电子技术中，广泛地应用半导体二极管和三极管电路来作信号处理，但是当前一种新的趋势是，在信号传输和存储等环节中，可有效地应用光信号。例如在电话、计算机网络，声像演唱机用的,CD,或,VCD,，计算机光盘,CD-ROM,，甚至于在船舶和飞机的导航装置中均采用现代化的光电子系统。,2024/12/30 周一,第 1 章,104,光电子系统的突出优点是，抗干扰能力较强，可大量地传送信息，而且传输损耗小，工作可靠。它的主要缺点在于，光路比较复杂，光信号的操作与调制需要精心地设计。,光信号和电信号的接口需要一些特殊的光电子器件，下面分别予以介绍。,2024/12/30 周一,第 1 章,105,(1),光电二极管,P,26,光电二极管的结构与,PN,结二极管类似，但在它的,PN,结处，通过管壳上的一个玻璃窗口能接收外部的光照。这种器件的,PN,结在反向偏置状态下运行，,它的反向电流随光照强度的增,加而上升。图,1.2.13(b),是光电,二极管的代表符号，图,(a),是,它的外形图。,2024/12/30 周一,第 1 章,106,图,1.,2.14,则是它的伏安特性曲线。,2024/12/30 周一,第 1 章,107,其主要特点是，它的反向电流与照度成正比，灵敏度的典型值为,0.1,A,lx,(,勒克司,),数量级。,光电二极管可用来作为光的测量，是将光信号转换为电信号的常用器件。简称为光电器件,2024/12/30 周一,第 1 章,108,(,2),发光二极管,P,20,图,1.2.12,是,发光二极管的外形和代表符号。发光二极管通常用元素周期表中,、,V,族元素的化合物，如砷化镓、磷化镓等所制成的。,2024/12/30 周一,第 1 章,109,当这种管子通以电流时将发出光来，这是由于电子与空穴直接复合而放出能量的结果。光谱谱范围是比较窄的，其波长由所使用的基本材料而定。,2024/12/30 周一,第 1 章,110,几种常见发光材料的主要参数如下,表,所示。发光二极管常用来作为显示器件，除单个使用外，也常作成七段式或矩阵式器件，工作电流一般为几个毫安至十几毫安之间。,转,112,2024/12/30 周一,第 1 章,111,*cd,（坎德拉）发光强度的单位,发光二极管的主要特性,2024/12/30 周一,第 1 章,112,发光二极管的另一种重要用途是将电信号变为光信号，通过光缆传输，然后再用光电二极管接收，再现电信号。,下图,表示一发光二极管发射电路通过光缆驱动一光电二极管电路。在发射端，一个,0,5,V,的脉冲信号通过,500,的电阻作用于发光二极管,(,LED,),，这个驱动电路可使,LED,产生一数字光信号，并作用于光缆。,转,114,2024/12/30 周一,第 1 章,113,2024/12/30 周一,第 1 章,114,由,LED,发出的光约有,20,耦合到光缆。在接收端传送的光中，约有,80,耦合到光电二极管，以致在接收电路的输出端复原为,0,5V,电平的数字信号。,2024/12/30 周一,第 1 章,115,(,3),激光二极管,光电二极管通常用于接收由光缆传来的光信号，此时光缆用作光传输线它是由玻璃或塑料制成的。若传输的光限于单色的相干性的波长，则光缆更有效地用来传输。,2024/12/30 周一,第 1 章,116,相干性的光是一种电磁幅射，其中所有的光子具有相同的频率且同相位。相干的单色光信号可以用激光二极管来产生。如图,2.5.8,a,所示。,激光二极管的物理结构是在发光二极管的结间安置一层具有光活性的半导体，其端面经过抛光后具有部分反射功能，因而形成一光谐振腔,。,转,118,2024/12/30 周一,第 1 章,117,2024/12/30 周一,第 1 章,118,在正向偏置的情况下，,LED,结发射出光来并与光谐振腔相互作用，从而进一步激励从结上发射出单波长的光，这种光的物理性质与材料有关。,半导体激光二极管的工作原理，理论上与气体激光器相同。但气体激光器所发射的是可见光，而激光二极管发射的则主要是红外线。,2024/12/30 周一,第 1 章,119,这与所用的半导体材料,(,如砷化镓等,),的物理性质有关，,图,2.5.8b,是激光二极管的代表符号。激光二极管在小功率光电设备中得到广泛的应用，如计算机上的光盘驱动器，激光打印机中的打印头等。,转,164,2024/12/30 周一,第 1 章,120,