分立元件电路与集成电路小论文

分立元件电路与集成电路李亚妮工商管理1301201306010113一、分立元件电路1.1二极管1.1.1定义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，许多的使用是应用其整流的功能。而变容二极管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”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。1.1.2功能二极管具有阳极和阴极两个端子，电流只能往单一方向流动。也就是说，电流可以从阳极流向阴极，而不能从阴极流向阳极。对二极管所具备的这种单向特性的应用，通常称之为“整流”功能。在真空管内，借由电极之间加上的电压能够让热电子从阴极到达阳极，因而有整流的作用。将交流电转变为直流电，包括无线电接收器对无线电信号的调制，都是通过整流来完成的。因为其顺向流通反向阻断的特点，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关性，而是呈现出较为复杂的非线性电子特征——这是由特定类型的二极管技术决定的。一般来说，只有在正向达到阈值电压时，二极管才会开始工作（此状态被称为正向偏置）[5]。一个正向偏置的二极管两端的电压降变化只与电流有一点关系，并且是温度的函数。因此这一特性可用于温度传感器或参考电压。半导体二极管的非线性电流-电压特性，可以根据选择不同的半导体材料和掺杂不同的杂质从而形成杂质半导体来改变。特性改变后的二极管在使用上除了用做开关的方式之外，还有很多其他的功能，如：用来调节电压（齐纳二极管），限制高电压从而保护电路（雪崩二极管），无线电调谐（变容二极管），产生射频振荡（隧道二极管、耿氏二极管、IMPATT二极管）以及产生光（发光二极管）。半导体二极管中，有利用P型和N型两种半导体接合面的PN结效应，也有利用金属与半导体接合产生的肖特基效应达到整流作用的类型。若是PN结型的二极管，在P型侧就是阳极，N型侧则是阴极。半导体二极管的电流－电压特性曲线。电压在正的区域称为正向偏置。1.1.3特性①正向性外加正向电压时，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，特性电流迅速增长，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。②反向性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，小功率硅管的反向饱和电流在nA数量级，小功率锗管在μA数量级。温度升高时，半导体受热激发，少数载流子数目增加，反向饱和电流也随之增加。③击穿外加反向电压超过某一数值时，反向电流会突然增大，这种现象称为电击穿。引起电击穿的临界电压称为二极管反向击穿电压。电击穿时二极管失去单向导电性。如果二极管没有因电击穿而引起过热，则单向导电性不一定会被永久破坏，在撤除外加电压后，其性能仍可恢复，否则二极管就损坏了。因而使用时应避免二极管外加的反向电压过高。1.1.4历史20世纪初，由于无线电接收器探测器的需要，热离子二极管（真空管）和固态二极管（半导体二极管）大约在相同的时间分别研发。直到20世纪50年代之前，真空管二极管在收音机中都更为常用。这是因为早期的点接触式半导体二极管（猫须探测器）并不稳定，并且那时大多数的收音机放大器都是由真空管制成，二极管可以直接放入其中。而且那时真空管整流器和充气整流器处理一些高电压、高电流整流任务的能力更是远在半导体二极管（如硒整流器）之上。真空管的发现1873年，弗雷德里克·格思里（FrederickGuthrie）发现了热离子二极管的基本操作原理。他发现了当白热化的接地金属接近带正电的验电器时，验电器的电会被引走；然而带负电的验电器则不会发生类似情况。这表明了电流只能向一个方向流动。1880年2月13日，托马斯·爱迪生也发现了这一规律。当时，爱迪生正在研究为什么他的碳丝灯泡的灯丝几乎总是在正极端烧断。他有一个密封了金属板的特殊玻璃外壳灯泡。利用这个装置，他证实，发光的灯丝会有一种无形的电流穿过真空与金属板连接，但只有当板被连接到正电源时才会发生。爱迪生随即发明了一种电路，他的特殊灯泡有效地取代了直流电压表中的电阻。在1884年，爱迪生被授予了此项发明的专利。由于当时这种装置实际上并不能看出实用价值，这项专利更多地是为了防止别人声称最早发现了这一所谓“爱迪生效应”。20年后，约翰·弗莱明（爱迪生前雇员）发现了这一效应的实用价值，它可以用来制作精确检波器。1904年11月16日，第一个真正的热离子二极管——弗莱明管，由弗莱明在英国申请了专利。固态二极管1874年，德国物理学家卡尔·布劳恩发现了晶体的“单向传导”的能力，并在1899年将晶体整流器申请了专利。氧化亚铜和硒整流器则是在1930年代为了供电应用而发明的。印度人贾格迪什·钱德拉·博斯在1894年成为了第一个使用晶体检测无线电波的科学家。他也在厘米和毫米级别对微波进行了研究[10][11]。1903年，格林里夫·惠特勒·皮卡德（GreenleafWhittierPickard）发明了硅晶检波器，并在1906年11月20日注册了专利。也正是因为格林里夫，使得晶体检波器发展成了可实用于无线电报的装置。其他实验者尝试了多种其他物质，其中最广泛使用的是矿物方铅矿（硫化铅），因它价格便宜且容易获取。在这些早期的晶体收音机集的晶体检波器包括一个可调节导线的点接触设备（即所谓的“猫须”）。可以通过手动调节晶体表面上的导线，以获得最佳的信号。这个较为麻烦的设备在20世纪20年代由热离子二极管所取代。20世纪50年代，高纯度的半导体材料出现。因为新出现的锗二极管价格便宜，晶体收音机重新开始被大规模使用。贝尔实验室还开发了锗二极管微波接收器。20世纪40年代中后期，美国电话电报公司在美国四处新建的微波塔上开始应用这种微波接收器，主要用于传输电话和网络电视信号。不过贝尔实验室并未研发出效果令人满意的热离子二极管微波接收器。1.1.5分类（1）依照材料及发展年代分类：1．二极真空管2.锗二极管3.硒二极管4.硅二极管5.砷化镓二极管（2）依照应用及特性分类：1．PN结二极管（PNDiode）利用半导体中PN接合的整流性质，是最基本的半导体二极管。细节请参照PN结的条目。2．肖特基二极管利用金属和半导体二者的接合面的'肖特基效应'的整流作用。由于正向的切入电压较低，导通回复时间也短，适合用于高频率的整流。一般而言漏电流较多，突波耐受度较低。也有针对此缺点做改善的品种推出。3．稳压二极管（ReferenceDiode）（常用称法：齐纳二极管）被施加反方向电压的场合，超过特定电压时发生的反向击穿电压随反向电流变化很小，具有一定的电压稳定能力。利用此性质做成的元件被用于电压基准。借由掺杂物的种类、浓度，决定击穿电压（破坏电压）。其正向特性与一般的二极管相同。4.恒流二极管（或称定电流二极管，CRD、CurrentRegulativeDiode，ConstantCurrentDiode）被施加顺方向电压的场合，无论电压多少，可以得到一定的电流的元件。通常的电流容量在1~15mA的范围。虽然被称为二极管，但是构造、动作原理都与接合型电场效应晶体管相似。5．变容二极管施加反向电压的场合，二极管PN接合的耗尽层厚度会因电压不同而变化，产生静电容量（接合容量）的变化，可当作由电压控制的可变电容器使用。没有机械零件所以可靠度高，广泛应用于压控振荡器或可变电压滤波器，也是电视接收器和移动电话不可缺少的零件。6.发光二极管可以发光的二极管。由发光种类与特性又有红外线二极管、各种颜色的见光二极管、紫外线二极管等。7.激光二极管当LED产生的光是带宽极窄的同调光（CoherentLight）时，则称为激光二极管。8.光电二极管光线射入PN结，P区空穴、N区电子大量发生，产生电压（光电效应）。借由测量此电压或电流，可作为光感应器使用。有PN、PIN、肖特基、APD等类型。太阳电池也是利用此种效应。9.隧道二极管（TunnelDiode）、江崎二极管（EsakiDiode）、透纳二极管由日本人江崎玲于奈于1957年发明。是利用量子穿隧效应的作用，会出现在一定偏置范围内正向电压增加时流通的电流量反而减少的“负电阻”的现象。这是最能耐受核辐射的半导体二极管。10.PIN二极管（P-intrinsic-NDiode）PN之间一层高电阻的半导体层，使少数载流子的积蓄效果增加，逆回复时间也较长。利用正向偏置时高频率信号较容易通过的性质，用于天线的频带切换以及高频率开关。11.耿效应二极管应用于低功率微波振荡器。12.二极真空管13.气体放电管整流器针状电极和平板电极相向接近尖端放电。若把针状电极当做负极，比较低的电压就会开始放电。利用这样的性质来做当作整流器。14.点接触二极管用钨之类的金属针状电极与N型半导体的表面接触，此构造的特征是寄生电容非常小。采用于锗质二极管和耿效应二极管。矿石收音机中使用的矿石检波器也是一种点接触二极管。15.交流二极管（DIAC）、突波保护二极管、双向触发二极管当施加超过规定电压（BreakOver电压，VBO）的电压会开始导通使得端子之间的电压降低的双方向元件。用于电路的突波保护上。另，虽被称为二极管，实际的构造、动作原理都应归类为闸流管/可控硅整流器的复杂分类中。16.非线性电阻器若超过一定电压，电阻就会降低。是保护电路受到突波电压伤害的双向元件。通常由二氧化锌的烧结体颗粒制成，当作非线性电阻使用。虽然一般认为它的作用应是由内部众多金属氧化物颗粒间的肖特基接面二极管效应而产生，但对外并不呈现二极管的特性，因此平常并不列在二极管分类之中。1.2三极管1.2.1定义三极管，全称应为半导体三极管，也称双极型晶体管、晶体三极管，是一种电流控制电流的半导体器件。其作用是把微弱信号放大成幅度值较大的电信号，也用作无触点开关。晶体三极管，是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把整块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN两种。1.2.2历史1947年12月23日，美国新泽西州墨累山的贝尔实验室里，3位科学家——巴丁博士、布菜顿博士和肖克莱博士在紧张而又有条不紊地做着实验。他们在导体电路中正在进行用半导体晶体把声音信号放大的实验。3位科学家惊奇地发现，在他们发明的器件中通过的一部分微量电流，竟然可以控制另一部分流过的大得多的电流，因而产生了放大效应。这个器件，就是在科技史上具有划时代意义的成果——晶体管。因它是在圣诞节前夕发明的，而且对人们未来的生活发生如此巨大的影响，所以被称为“献给世界的圣诞节礼物”。另外这3位科学家因此共同荣获了1956年诺贝尔物理学奖。晶体管促进并带来了“固态革命”，进而推动了全球范围内的半导体电子工业。作为主要部件，它及时、普遍地首先在通讯工具方面得到应用，并产生了巨大的经济效益。由于晶体管彻底改变了电子线路的结构，集成电路以及大规模集成电路应运而生，这样制造像高速电子计算机之类的高精密装置就变成了现实。1.2.3分类a.按材质分:硅管、锗管贴片三极管b.按结构分:NPN、PNP。如图所示。c.按功能分:开关管、功率管、达林顿管、光敏管等.d.按功率分：小功率管、中功率管、大功率管e