1、半导体器件及其电路 第三篇 电子技术基础第七章第七章 半导体器件及其电路半导体器件及其电路第一节 半导体二极管、三极管第二节 单级基本放大电路第三节 单相整流电路第四节 集成电路简介 半导体器件及其电路 第一节 半导体二极管、三极管 1半导体的基本知识 半导体是导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。常用的半导体材料有硅和锗等,它们都是四价元素。半导体中的载流子有两种：一种是带负电荷的自由电子，另一种是带正电荷的空穴。半导体中自由电子和空穴的数目相等，但总数不多，远远低于金属导体中载流子的数量，因此，半导体的导电性能比导体差而比绝缘体强。半导体器件及其电路 纯净的半导体(又称为本征半导体)的导电能
2、力很弱，但如果人为地掺入某种微量元素，其导电能力会明显增强，这就是半导体的掺杂特性。大多数半导体都是利用这一特性制成的。当环境温度升高或光照增强时，半导体的导电能力也将随之增强。某些半导体还分别对气体、磁及机械力等十分敏感，利用这些特性可以制成各种特殊用途的半导体器件。半导体器件及其电路 2P型半导体和N型半导体 在纯净半导体中掺入微量三价元素硼或铟等，可得到P型半导体，又称空穴型半导体。其内部空穴的数目多于自由电子的数目，即空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。在纯净半导体中掺入微量五价元素磷或锑等，可得到N型半导体，又称电子型半导体。其内部自由电子的数目多于空穴的数目，即自由电子是多数载
3、流子，空穴是少数载流子。半导体器件及其电路 3PN结及其单向导电性 在硅或锗单晶基片上，分别加工出P型区和N型区，在它们交界面上会形成一个特殊薄层，称为PN结，如图71所示。图71 PN结示意图半导体器件及其电路 在PN结上加正向电压时，即PN结的P区接电源正极，N区接电源负极，PN结中有较大电流通过，正向电阻很小，PN结处于导通状态；在PN结上加反向电压时，即PN结的N区接电源正极，P区接电源负极，PN结中只有很小的电流通过，或者可以认为没有电流通过，反向电阻很大，PN结处于截止状态。这就是PN结的重要特性即单向导电性。二极管、三体管及其它各种半导体器件的工作特性，都是以PN结的单向导电性为
4、基础的。半导体器件及其电路 二、二极管的结构、符号和类型 1结构和符号 半导体二极管(简称二极管)就是由一个PN结构成的最简单的半导体器件。在一个PN结的P型区和N型区各引出一条线，然后再封装在管壳内，就制成一只二极管。P型区引出端叫正极(阳极)，N型区引出端叫负极(阴极)。如图72a所示。二极管的文字符号为“VD”，图形符号如图72b所示，图形符号中箭头表示PN结正向电流的方向。半导体器件及其电路 图72 二极管的结构与符号 图73 几种常见二极管的外形 由于在实际应用中要用到二极管不同的功能和用途，所以二极管不仅大小不同，而且外形和封装各异。图73中，从左到右是由小功率到大功率的几种常见二
5、极管的外形。VD半导体器件及其电路 2类型 二极管根据外形、结构、材料、功率和用途可分成各种类型。（1）二极管按材料分类：硅二极管和锗二极管 （2）二极管按制造工艺分类：点接触型和面接触型。（3）二极管按用途分类：普通二极管、整流二极管、稳压二极管、光敏二极管、热敏二极管、发光二极管等。按国标GB 249一74的规定，国产二极管的型号命名方法见表71。半导体器件及其电路 表71 二 极 管 的 型 号第一部分第二部分第三部分第四部分第五部分用数字表器件电极数目用拼音字母表示器件材料和极性用汉语拼音表示器件的类型用数字表示器件的序号用汉语拼音字母表示规格号符号意义符号意义符号意义2二极管ABCD
6、N型锗材料P型锗材料N型硅材料P型硅材料PZWK普通管整流管稳压管开关管半导体器件及其电路 三、二极管的伏安特性曲线 二极管的伏安特性是指加在二极管两端的电压和流过二极管的电流之间的关系。如图76所示，改变二极管正向电压和反向电压，把测得的电压和电流之间的对应数据绘制在以电压为横坐标、电流为纵坐标的直角坐标系中，就得到二极管的伏安特性曲线。可以看出，二极管的伏安特性曲线有下列特点：半导体器件及其电路 1正向导通特性 当正向电压超过一定数值后(硅管为05V，锗管为02V，称为死区电压)，流过二极管的电流随电压的升高而明显增加，二极管的电阻变得很小，进入导通状态。由图76 可见，导通后二极管两端的
7、正向压降几乎不随流过电流的大小而变化，硅管的正向压降约为07V，锗管约为03V。半导体器件及其电路 图76 二极管的伏安特性曲线 反向击穿电压半导体器件及其电路 2反向截止特性 由图76 可见，当二极管处于反偏截止时，在一定的范围内，反向电流很小，并且几乎不随反向电压而变化，此时的电流称为反向饱和电流。通常情况下硅管的反向电流是几微安到几十微安,锗管的反向电流则可达到几百微安。这个电流是衡量二极管质量优劣的重要参数。3反向击穿特性 当反向电压增大到某一数值时，反向电流急剧增大，这种现象称为反向击穿，这时的电压称为反向击穿电压。反向击穿破坏了二极管的单向导电性，如果没有限流措施，二极管可能损坏。
8、半导体器件及其电路 四、三极管的结构、符号和型号 1结构和符号 在一块极薄的硅或锗基片上通过一定的工艺制作出两个PN结就构成了三层半导体，从三层半导体上各引出一根引线就是三极管的三个电极，再封装在管壳里就制成了三极管。三个电极分别叫做发射极E、基极B、集电极C，对应的每层半导体分别称为发射区、基区和集电区。发射区和基区交界的 PN结称为发射结，集电区和基区交界的PN结称为集电结。它们的基本结构如图77所示。半导体器件及其电路 77三极管的结构 半导体器件及其电路 三极管的文字符号为VT，按基片是N型半导体还是P型半导体划分，三极管有NPN型和PNP型两种组合形式，图形符号如图78中（a）和（b
9、）所示。两种符号的区别在于发射极箭头的方向不同，箭头的方向就是发射结正向电压时电流的方向。功率大小不同的三极管有着不同的体积和封装形式。图7是常见的几种国产三极管的封装和外形。半导体器件及其电路 （a）NPN型 （b）PNP型 图78三极管的符号 图7三极管的外形 半导体器件及其电路 2型号 按国家标准GB24974的规定，国产三极管的型号由五部分组成，每部分的意义见表72。半导体器件及其电路 表72 三 极 管 的 型 号第一部分第二部分第三部分第四部分第五部分用数字表器件电极数目用拼音字母表示器件材料和极性用汉语拼音表示器件的类型用数字表示器件的序号用汉语拼音字母表示规格号符号意义符号意义
10、符号意义3三极管ABCDPNP型锗材料NPN型锗材料PNP型硅材料NPN型硅材料XGDA低频小功率高频小功率低频大功率高频大功率半导体器件及其电路 五、三极管的电流放大作用 1三极管电流放大的条件 要使三极管实现电流放大，必须满足两个条件：第一，发射结要加正向电压；第二，集电结要加反向电压。图710所示两种结构的三极管工作在放大状态时采用双电源的接线图。2三极管电流分配关系 在图711所示的实验电路中，调节电位器RP可改变基极电流IB的大小，可相应地测得一组集电极电流IC和发射极电流IE。半导体器件及其电路 (a)NPN型 (b)PNP型图710三极管电源的接法 图711三极管电流放大实验电路
11、半导体器件及其电路 通过分析，可得出：IE=IB+IC 即发射极电流等于基极电流与集电极电流之和。而且基极电流IB比集电极电流IC小得多，可认为发射极电流和集电极电流近似相等。即 IE IC 3三极管的电流放大作用 实验证明：当基极电流IB有一微小变化时，就能够引起集电极电流IC的较大变化，这就是三极管的电流放大作用。半导体器件及其电路 通常把集电极电流的变化量与基极电流的变化量的比值，称为三极管的共发射极交流电流放大系数，用 表示 =IC/IB 三极管放大的实质是以小电流控制大电流，放大后信号的能量是电源提供的，而不是凭空增加的。六、三极管的输入、输出特性曲线 三极管的特性曲线是指三极管各极
12、上电压和电流之间的关系曲线。它有输入特性和输出特性两种。半导体器件及其电路 1输入特性曲线 输入特性曲线是指当三极管的集电极与发射极间的电压UCE为定值时，基极电流IB和发射结偏压UBE之间的曲线，如图712所示。由图可看出，当UBE很小时，IB=0，三极管截止，只有当UBE大于死区电压后，三极管才开始导通。导通后，IB在很大范围内变化时，UBE几乎不变，此时的UBE称发射结的正向压降，硅管的UBE约为07V，锗管的UBE约为03V。半导体器件及其电路 712 三极管输入特性曲线半导体器件及其电路 2输出特性曲线 输出特性曲线是指当三极管的基极电流IB为一定值时，集电极电流IC与集电极与发射极
13、间的电压UCE之间的关系曲线，如图713所示。对应不同的基极电IB可得出不同的曲线，从而形成一个曲线族。通常把输出特性曲线族划分成三个区域来讨论三极管的工作特性。半导体器件及其电路 图713三极管输出特性曲线半导体器件及其电路 （1）截止区 即IB=0这条曲线以下的区域。三极管处于截止状态，无放大作用。三极管处于截止状态的条件是：发射结、集电结反偏。（2）饱和区 即输出特性曲线起始部分左边的区域。在饱和区内，IC随UCE的增加而迅速增加，不再受IB的控制，失去放大作用。三极管处于饱和状态的条件是：发射结正偏，集电结正偏。（3）放大区 即输出特性曲线中间的平坦区域。在放大区内，IC几乎不受UCE
14、的影响，只受IB的控制，即满足三极管的电流放大关系。三极管处于放大状态的条件是：发射结正偏，集电结反偏。半导体器件及其电路 第二节 单级基本放大电路 一、三极管的工作电压 三极管处在放大状态时，应在它的发射结加正向电压，集电结加反向电压。因此，NPN型管的发射极电位低于基极电位；PNP型管则相反，如图710所示。可以看出两类管子的外部电路所接电源极性正好相反。加在发射极和基极之间的电压叫偏置电压，一般硅管在 05 V 08V，锗管在 01 V 03V。加在集电极和基极之间电压一般是几伏到几十伏。图710中，GC为集电极电源，GB为基极电源又称偏置电源，Rb为基极电阻又称偏置电阻，Rc为集电极电
15、阻。半导体器件及其电路 二、三极管在电路中的基本联接方式 电路中的三极管，其输入端应有两个外接端点与管外电路相连，组成输入回路向管子输入电流；其输出端也应有两个外接端与管外电路相连，组成输出回路向管外输出电流。可是，三极管只有三个电极，所以必须有一个电极作为输入回路和输出回路的共用端点，称为“公共端”。如图714所示，显然有三种基本联接方式，即：半导体器件及其电路 1共发射极接法 以基极为输入端，集电极为输出端,发射极为输入、输出两回路的公共端,如图714(a)所示。2共基极接法 以发射极为输入端,集电极为输出端，基极为输入、输出两回路的公共端，如图714(b)所示。3共集电极接法 以基极为输
16、入端，发射极为输出端，集电极为输入、输出两回路的公共端，如图714(c)所示。半导体器件及其电路 图714 三极管在电路中的三种基本联接方式 半导体器件及其电路 三、单级基本放大电路 由于共发射极放大电路最为常见,本节介绍共发射极单级基本放大电路。由单个三极管组成的放大电路称为单级放大电路,图715是NPN型三极管组成的最基本的放大电路。整个电路分为输入回路和输出回路两部分：ui端为放大器的输入端，用来接收信号；uo端为放大器的输出端，用来输出放大器的信号。图中“”表示公共端，用来作为电位的参考点，电路中其它各点电位均是相对“”而言。图中发射极是输入和输出回路的公共端，故称此电路为共发射极放大
17、电路。半导体器件及其电路 下面以图715为例来说明放大电路中各元器件的作用。1三极管VT具有电流放大作用，它使集电极电流随基极电流作相应的变化，是放大电路中的核心器件。2基极偏置电阻RB的作用是为三极管的基极提供合适的偏置电流，并向发射结提供必需的正向偏置电压。选择合适的RB就可以使三极管有合适的静态工作点。所谓静态就是当放大电路的输入信号ui=0时的状态。RB一般取几十千欧到几百千欧之间。半导体器件及其电路 图715共发射极放大电路半导体器件及其电路 3集电极电源UCC通过集电极负载电阻Rc给三极管的集电结加反向偏压，同时又通过基极偏置电阻RB给三极管的发射结加正向偏压，使三极管处于放大状态
18、。另一方面给放大器提供能源，三极管的放大实质是用输入端能量较小的信号去控制输出端能量较大的信号，三极管本身不能创造出新的能量，输出信号的能量来源于集电极电源UCC。因此它是整个放大器能源的提供者。半导体器件及其电路 4集电极负载电阻Rc的作用是把三极管的电流放大作用以电压放大的形式表现出来，从而输出一个比输入电压大得多的电压。Rc一般在几千欧到几十千欧之间。5耦合电容C1和C2分别接在放大器的输入端和输出端。利用电容器“隔直通交”的特点，一方面可避免放大器的输入端与信号源之间、输出端与负载之间直流电的互相影响，使三极管的静态工作不致因接入信号源和负载而发生影响；另一方面又要保证输入和输出信号畅
19、通地进行传输。通常C1和C2选用电解电容器，取值为几微法到几十微法。半导体器件及其电路 第三节 单相整流电路 一、单相半波整流电路 图716(a)是单相半波整流电路图，电路由电源变压器T、整流二极管VD和负载电阻RL组成。整流变压器将电压u1变为整流电路所需的电压。半导体器件及其电路 图716 单相半波整流电路VD(a)(b)(c)(d)半导体器件及其电路 1工作原理 设在交流电压正半周(0t1)，A端电位比B端电位高，二极管VD因加正向电压而导通，电流IL的通路是AVDRLBA。RL上电流方向与电压极性如图716（a）所示。在交流电压负半周(t1t2)，A端电位比B端电位低,二极管VD反向电
20、压而截止，负载RL上的电压为零。半导体器件及其电路 由此可见，在交流电一个周期内，二极管半个周期导通半个周期截止，以后周期性地重复上述过程，负载RL上电压和电流波形如图716（b）、（c）、（d）所示。在交流电工作的全周期内，RL上只有自上而下的单方向电流，实现了整流。由图可以看出电流的大小是波动的，但方向不变。这种大小波动、方向不变的电压和电流，称为脉动直流电。由波形可见，这种电路仅利用了电源电压的半个波，故称为半波整流电路，它输出的是半波脉动直流电。显然，它的缺点是电源利用率低且输出电压脉动大。所以半波整流仅用于功率较小的电路中。半导体器件及其电路 2负载RL上的直流电压和电流 实验证明，
21、负载RL两端电压与变压器次级电压有效值的关系是U L 045U2 负载RL上的直流电流I L可根据欧姆定律求出I L UL/RL 045U2/RL 选用半波整流二极管时应满足下列两个条件：（1）二极管额定电压应大于承受的反向峰值电压；（2）二极管额定整流电流应大于流过二极管的实际工作电流。半导体器件及其电路 二、单相桥式全波整流电路 单相桥式整流电路如图717（a）所示。电路中四只二极管接成电桥形式，所以称为桥式整流电路，这种电路有时被画成图717（b）或图717（c）的形式。半导体器件及其电路 (a)(b)(c)图717 单相桥式整流电路半导体器件及其电路 1工作原理 二次电压u2波形如图7
22、18(a)所示。设在交流电压正半周(0t1)，A点电位高于B点电位。二极管VD1、VD3正偏导通，VD2、VD4反偏截止，电流IL1通路是AVD1RLVD3BA,如图719(a）所示。这时负载RL上得到一个半波电压，如图718(b）中(0一t1)段。在交流电压负半周(t1t2)，B点电位高于A点电位，二极管VD4、VD2正偏导通，二极管VD1、VD3反偏截 止，电流IL2通路是BVD4RLVD2A B，如图719(b）所示。半导体器件及其电路 图718 单相桥式整流波形图(a)(b)(c)半导体器件及其电路 同样，在负载RL上得到一个半波电压，如图718(b)中(t1t2)段。由此可见，在交流
23、输入电压的正负半周，都有同一方向的电流流过RL，四只二极管中，两只两只轮流导通，在负载上得到全波脉动的直流电压和电流，如图718(b)、(c)所示。所以这种整流电路属于全波整流类型，也称为单相桥式全波整流电路。半导体器件及其电路 (a)(b)图719 单相桥式整流电路的电流通路半导体器件及其电路 2负载RL上的直流电压和电流 在单相桥式整流电路中，交流电在一个周期内的两个半波都有同方向的电流流过负载,因此在同样的U2时，该电路输出的电流和电压均比半波整流大一倍。输出电压为U L 09U2 输出电流为I L UL/RL 09U2/RL半导体器件及其电路 三、滤波电路 前面讨论的几种整流电路，虽然
24、都可以把交流电转换为直流电，但是所输出的都是脉动的流电压,要把脉动的直流电变为平滑的直流电。保留脉动电压的直流成分，尽可能滤除它的交流成分，这就是滤波。这样的电路叫做滤波电路。滤波电路直接接在整流电路后面，它通常由电容器、电感器和电阻器按照一定的方式组合而成。半导体器件及其电路 1电容滤波电路 图720所示是单相桥式整流电容滤波电路图。图中电容器C并联在负载两端。电容器在电路中有储存和释放能量的作用，电源供给的电压升高时，它把部分能量储存起来，而当电源电压降低时，就把能量释放出来，从而减少脉动成分，使负载电压比较平滑，即电容器具有滤波作用。滤波时电容器应并联接在电路中。滤波电容器的容量大一些,
25、滤波效果好,滤波时电容器容量应选用200微法以上较为合理。半导体器件及其电路 2电感滤波电路 当一些电气设备需要脉动小、输出电流大的直流电时，往往采用电感滤波电路，即在整流输出电路中串联带铁心的大电感线圈。图721所示是电感滤波电路图。由于电感线圈的直流电阻很小，脉动电压中直流分量很容易通过电感线圈，几乎全部加到负载上；而电感线圈对交流的阻抗很大，根据电磁感应原理，线圈通过变化的电流时，它的两端要产生自感电动势来阻碍电流变化，当整流输出电流增大时，它的抑制作用使电流只能缓慢上升；而整流输出电流减小时，它又使电流只能缓慢下降，这样就使得整流输出电流变化平缓，其输出电压的平滑性比电容滤波好。半导体
26、器件及其电路 图720 单相桥式整流电容滤波电路 图721 单相桥式整流电感滤波电路 半导体器件及其电路 3复式滤波电路 复式滤波电路是用电容器、电感器和电阻器组成的滤波器；通常有LC型、LC型几种。它的滤波效果比单一使用电容或电感滤波要好得多，其应用较为广泛。图722所示是LC型滤波电路，它由电感滤波和电容滤波组成。脉动电压经过双重滤波，交流成分大部分被电感器阻止，即使有小部分通过电感器，再经过电容滤波，这样负载上的交流成分也很小，便可达到滤除交流成分的目的。半导体器件及其电路 图723所示是LC型滤波电路，可看成是电容滤波和LC型滤波电路的组合，因此滤波效果更好，在负载上的电压更平滑。由于
27、LC型滤波电路输入端接有电容，在通电瞬间因电容器充电会产生较大的充电电流，所以一般取C1C2，以减小浪涌电流。当使用一级复式滤波达不到对输出电压的平滑性要求时，可以增添级数,以达到更好的滤波效果。半导体器件及其电路 图722 LC型滤波电路 图723 LC型滤波电路半导体器件及其电路 4简单的稳压电路 图724是利用硅稳压管组成的简单稳压电路。电阻R是用来限制电流，使稳压管电流Iz不超过允许值，另一方面还利用它两端电压升降使输出电压UL趋于稳定。稳压管VD反并在直流电源两端，使它工作在反向击穿区。经电容滤波后的直流电压通过电阻器R和稳压管VD组成的稳压电路接到负载上。这样，负载上得到的就是一个
28、比较稳定的电压。半导体器件及其电路 图724简单的稳压电路半导体器件及其电路 输入电压Ui经电阻R加到稳压管和负载RL上，设负载电阻RL不变，当电网电压ul波动升高，使稳压电路的输入电压Ui上升，引起稳压管VD两端电压增加，输出电压UL也增加，根据稳压管反向击穿特性，只要UL有少许增大，就使IZ显著增加，使流过R的电流I增大，电阻R上压降增大(U=IR)，使输出电压UL保持近似稳定。其工作过程可描述为：ul U iULIZIRUL 反之，如果电源电压ul下降，其工作过程与上述相反，UL仍近似稳定。半导体器件及其电路 第四节 集成电路简介 一、集成电路的工艺特点 1集成电路中元器件的特点和外形
29、（1）集成电路中的元器件是用相同的工艺在同一块硅片上大批制造的，因此元器件的性能比较一致，对称性好。（2）集成电路中的电阻器用P型区(相当于NPN型三极管的基区)的电阻构成，阻值范围一般在几十欧几十千欧之间，阻值太高和太低的电阻均不易制造，大电阻多采用外接方式。由于制造三极管比制造电阻器节省硅片，且工艺简单，故集成电路中三极管用得多，电阻用得少。半导体器件及其电路 （3）集成电路中的电容是用PN结的结电容，一般小于100pF，如必须用大电容时可以外接。利用集成电路工艺目前还不能制造电感器。集成电路的封装有陶瓷双列直插、塑料双列直插、陶瓷扁平、塑料扁平、金属圆形等多种，有的还带有散热器。部分集成
30、电路的外形如图725所示。半导体器件及其电路 图725 部分集成电路的外形半导体器件及其电路 2集成电路的分类 (1)按功能分类 有模拟集成电路和数字集成电路。模拟电路的信号是连续的,而数字信号是断续的、离散的信号。常用的模拟集成电路有集成运算放大器、集成功率放大器、集成稳压器、集成数模和模数转换器等。数字集成电路主要用于处理断续的、离散的信号，常用的有各种集成门电路、触发器，各种集成计数器、寄存器、译码器，各种数码存诸器等。半导体器件及其电路 (2)按导电类型分类 可分单极型(MOS场效应管)、双极型(PNP型或NPN型)和二者兼容型三种。(3)按制造工艺分类 可分为半导体集成电路、薄膜集成
31、电路和厚膜集成电路等。(4)按集成度分类 在一块芯片上有包含一百个以下元器件的小规模集成电路；有包含一百到一千个之间的中规模集成电路；有包含一千到十万个之间的大规模集成电路；以及包含十万个以上的超大规模集成电路等几种。半导体器件及其电路 3集成电路的型号命名 我国国家标准GB343082规定，半导体集成电路的型号由5部分组成，见表73。半导体器件及其电路 第零部分第一部分第二部分第三部分第四部分用字母表示器件用字母表示器件的类型用数字表示器件系列和品种代号用字母表示器件工作温度范围用字母表示器件封装符号意义符号意义 符号意义符号意义C中国制造THECFBDWJMTTLHTLECLCMOS线性放大器非线性电路音响电视电路稳压器接口电路存储器 CERM070-4085-5585-55125WBFDPJKT 陶瓷扁平塑料扁平全封闭扁平陶瓷直插塑料直插黑陶瓷直插金属菱型金属圆型表73 半导体集成电路型号命名方法
