半导体器件及其电路课件

半導體器件及其電路

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第一節

半導體二極體、三極管1．半導體的基本知識

半導體是導電能力介於導體與絕緣體之間的物質。常用的半導體材料有矽和鍺等,它們都是四價元素。半導體中的載流子有兩種：一種是帶負電荷的自由電子，另一種是帶正電荷的空穴。半導體中自由電子和空穴的數目相等，但總數不多，遠遠低於金屬導體中載流子的數量，因此，半導體的導電性能比導體差而比絕緣體強。半導體器件及其電路

純淨的半導體(又稱為本征半導體)的導電能力很弱，但如果人為地摻入某種微量元素，其導電能力會明顯增強，這就是半導體的摻雜特性。大多數半導體都是利用這一特性製成的。

當環境溫度升高或光照增強時，半導體的導電能力也將隨之增強。某些半導體還分別對氣體、磁及機械力等十分敏感，利用這些特性可以製成各種特殊用途的半導體器件。

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2．P型半導體和N型半導體

在純淨半導體中摻入微量三價元素硼或銦等，可得到P型半導體，又稱空穴型半導體。其內部空穴的數目多於自由電子的數目，即空穴是多數載流子，自由電子是少數載流子。

在純淨半導體中摻入微量五價元素磷或銻等，可得到N型半導體，又稱電子型半導體。其內部自由電子的數目多於空穴的數目，即自由電子是多數載流子，空穴是少數載流子。半導體器件及其電路

3．PN結及其單向導電性在矽或鍺單晶基片上，分別加工出P型區和N型區，在它們交界面上會形成一個特殊薄層，稱為PN結，如圖7．1所示。

圖7．1PN結示意圖半導體器件及其電路

在PN結上加正向電壓時，即PN結的P區接電源正極，N區接電源負極，PN結中有較大電流通過，正向電阻很小，PN結處於導通狀態；在PN結上加反向電壓時，即PN結的N區接電源正極，P區接電源負極，PN結中只有很小的電流通過，或者可以認為沒有電流通過，反向電阻很大，PN結處於截止狀態。這就是PN結的重要特性即單向導電性。

二極體、三體管及其它各種半導體器件的工作特性，都是以PN結的單向導電性為基礎的。半導體器件及其電路

二、二極體的結構、符號和類型1．結構和符號半導體二極體(簡稱二極體)就是由一個PN結構成的最簡單的半導體器件。在一個PN結的P型區和N型區各引出一條線，然後再封裝在管殼內，就製成一只二極體。P型區引出端叫正極(陽極)，N型區引出端叫負極(陰極)。如圖7．2a所示。二極體的文字符號為“VD”，圖形符號如圖7．2b所示，圖形符號中箭頭表示PN結正向電流的方向。

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圖7．2二極體的結構與符號

圖7．3幾種常見二極體的外形由於在實際應用中要用到二極體不同的功能和用途，所以二極體不僅大小不同，而且外形和封裝各異。圖7．3中，從左到右是由小功率到大功率的幾種常見二極體的外形。VD半導體器件及其電路

2．類型二極體根據外形、結構、材料、功率和用途可分成各種類型。（1）二極體按材料分類：矽二極體和鍺二極體（2）二極體按製造工藝分類：點接觸型和麵接觸型。（3）二極體按用途分類：普通二極體、整流二極體、穩壓二極體、光敏二極體、熱敏二極體、發光二極體等。

按國標GB249一74的規定，國產二極體的型號命名方法見表7．1。半導體器件及其電路

表7．1二

極

管

的

型

號第一部分第二部分第三部分第四部分第五部分用數字表器件電極數目用拼音字母表示器件材料和極性用中文拼音表示器件的類型用數字表示器件的序號用中文拼音字母表示規格號符號意義符號意義符號意義2二極管ABCDN型鍺材料P型鍺材料N型矽材料P型矽材料PZWK普通管整流管穩壓管開關管半導體器件及其電路

三、二極體的伏安特性曲線二極體的伏安特性是指加在二極體兩端的電壓和流過二極體的電流之間的關係。如圖7．6所示，改變二極體正向電壓和反向電壓，把測得的電壓和電流之間的對應數據繪製在以電壓為橫坐標、電流為縱坐標的直角坐標系中，就得到二極體的伏安特性曲線。可以看出，二極體的伏安特性曲線有下列特點：

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1．正嚮導通特性當正向電壓超過一定數值後(矽管為0．5V，鍺管為0．2V，稱為死區電壓)，流過二極體的電流隨電壓的升高而明顯增加，二極體的電阻變得很小，進入導通狀態。由圖7．6可見，導通後二極體兩端的正向壓降幾乎不隨流過電流的大小而變化，矽管的正向壓降約為0．7V，鍺管約為0．3V。

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圖7．6二極體的伏安特性曲線

反向擊穿電壓半導體器件及其電路

2．反向截止特性

由圖7．6可見，當二極體處於反偏截止時，在一定的範圍內，反向電流很小，並且幾乎不隨反向電壓而變化，此時的電流稱為反向飽和電流。通常情況下矽管的反向電流是幾微安到幾十微安,鍺管的反向電流則可達到幾百微安。這個電流是衡量二極體品質優劣的重要參數。3．反向擊穿特性當反向電壓增大到某一數值時，反向電流急劇增大，這種現象稱為反向擊穿，這時的電壓稱為反向擊穿電壓。反向擊穿破壞了二極體的單向導電性，如果沒有限流措施，二極體可能損壞。半導體器件及其電路

四、三極管的結構、符號和型號1．結構和符號在一塊極薄的矽或鍺基片上通過一定的工藝製作出兩個PN結就構成了三層半導體，從三層半導體上各引出一根引線就是三極管的三個電極，再封裝在管殼裏就製成了三極管。三個電極分別叫做發射極E、基極B、集電極C，對應的每層半導體分別稱為發射區、基區和集電區。發射區和基區交界的

PN結稱為發射結，集電區和基區交界的PN結稱為集電結。它們的基本結構如圖7．7所示。

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7．7三極管的結構

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三極管的文字符號為VT，按基片是N型半導體還是P型半導體劃分，三極管有NPN型和PNP型兩種組合形式，圖形符號如圖7．8中（a）和（b）所示。兩種符號的區別在於發射極箭頭的方向不同，箭頭的方向就是發射結正向電壓時電流的方向。

功率大小不同的三極管有著不同的體積和封裝形式。圖7．９是常見的幾種國產三極管的封裝和外形。半導體器件及其電路

（a）NPN型

（b）PNP型

圖7．8三極管的符號

圖7．９三極管的外形半導體器件及其電路

2．型號按國家標準GB249—74的規定，國產三極管的型號由五部分組成，每部分的意義見表7．2。

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表7．2三

極

管

的

型

號第一部分第二部分第三部分第四部分第五部分用數字表器件電極數目用拼音字母表示器件材料和極性用中文拼音表示器件的類型用數字表示器件的序號用中文拼音字母表示規格號符號意義符號意義符號意義3三極管ABCDPNP型鍺材料NPN型鍺材料PNP型矽材料NPN型矽材料XGDA低頻小功率高頻小功率低頻大功率高頻大功率半導體器件及其電路

五、三極管的電流放大作用1．三極管電流放大的條件要使三極管實現電流放大，必須滿足兩個條件：第一，發射結要加正向電壓；第二，集電結要加反向電壓。圖7．10所示兩種結構的三極管工作在放大狀態時採用雙電源的接線圖。2．三極管電流分配關係在圖7．11所示的實驗電路中，調節電位器RP可改變基極電流IB的大小，可相應地測得一組集電極電流IC和發射極電流IE。半導體器件及其電路

(a)NPN型(b)PNP型圖7．10三極管電源的接法

圖7．11三極管電流放大實驗電路半導體器件及其電路

通過分析，可得出：

IE=IB+IC

即發射極電流等於基極電流與集電極電流之和。而且基極電流IB比集電極電流IC小得多，可認為發射極電流和集電極電流近似相等。即

IE≈IC

3．三極管的電流放大作用實驗證明：當基極電流IB有一微小變化時，就能夠引起集電極電流IC的較大變化，這就是三極管的電流放大作用。半導體器件及其電路

通常把集電極電流的變化量與基極電流的變化量的比值，稱為三極管的共發射極交流電流放大係數，用β表示

β=△IC/△IB

三極管放大的實質是以小電流控制大電流，放大後信號的能量是電源提供的，而不是憑空增加的。六、三極管的輸入、輸出特性曲線三極管的特性曲線是指三極管各極上電壓和電流之間的關係曲線。它有輸入特性和輸出特性兩種。半導體器件及其電路

1．輸入特性曲線

輸入特性曲線是指當三極管的集電極與發射極間的電壓UCE為定值時，基極電流IB和發射結偏壓UBE之間的曲線，如圖7．12所示。

由圖可看出，當UBE很小時，IB=0，三極管截止，只有當UBE大於死區電壓後，三極管才開始導通。導通後，IB在很大範圍內變化時，UBE幾乎不變，此時的UBE稱發射結的正向壓降，矽管的UBE約為0．7V，鍺管的UBE約為0．3V。

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7．12三極管輸入特性曲線半導體器件及其電路

2．輸出特性曲線

輸出特性曲線是指當三極管的基極電流IB為一定值時，集電極電流IC與集電極與發射極間的電壓UCE之間的關係曲線，如圖7．13所示。

對應不同的基極電IB可得出不同的曲線，

從而形成一個曲線族。通常把輸出特性曲線族劃分成三個區域來討論三極管的工作特性。

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圖7．13三極管輸出特性曲線半導體器件及其電路

（1）截止區

即IB=0這條曲線以下的區域。三極管處於截止狀態，無放大作用。三極管處於截止狀態的條件是：發射結、集電結反偏。

（2）飽和區

即輸出特性曲線起始部分左邊的區域。在飽和區內，IC隨UCE的增加而迅速增加，不再受IB的控制，失去放大作用。三極管處於飽和狀態的條件是：發射結正偏，集電結正偏。（3）放大區

即輸出特性曲線中間的平坦區域。在放大區內，IC幾乎不受UCE的影響，只受IB的控制，即滿足三極管的電流放大關係。三極管處於放大狀態的條件是：發射結正偏，集電結反偏。

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第二節

單級基本放大電路一、三極管的工作電壓三極管處在放大狀態時，應在它的發射結加正向電壓，集電結加反向電壓。因此，NPN型管的發射極電位低於基極電位；PNP型管則相反，如圖7．10所示。可以看出兩類管子的外部電路所接電源極性正好相反。加在發射極和基極之間的電壓叫偏置電壓，一般矽管在0．5V~0．8V，鍺管在0．1V~0．3V。加在集電極和基極之間電壓一般是幾伏到幾十伏。

圖7．10中，GC為集電極電源，GB為基極電源又稱偏置電源，Rb為基極電阻又稱偏置電阻，Rc為集電極電阻。半導體器件及其電路

二、三極管在電路中的基本聯接方式電路中的三極管，其輸入端應有兩個外接端點與管外電路相連，組成輸入回路向管子輸入電流；其輸出端也應有兩個外接端與管外電路相連，組成輸出回路向管外輸出電流。可是，三極管只有三個電極，所以必須有一個電極作為輸入回路和輸出回路的共用端點，稱為“公共端”。如圖7．14所示，顯然有三種基本聯接方式，即

：

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1．共發射極接法

以基極為輸入端，集電極為輸出端,發射極為輸入、輸出兩回路的公共端,如圖7．14(a)所示。2．共基極接法以發射極為輸入端,集電極為輸出端，基極為輸入、輸出兩回路的公共端，如圖7．14(b)所示。3．共集電極接法

以基極為輸入端，發射極為輸出端，集電極為輸入、輸出兩回路的公共端，如圖7．14(c)所示。半導體器件及其電路

圖7．14三極管在電路中的三種基本聯接方式

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三、單級基本放大電路由於共發射極放大電路最為常見,本節介紹共發射極單級基本放大電路。

由單個三極管組成的放大電路稱為單級放大電路,圖7．15是NPN型三極管組成的最基本的放大電路。整個電路分為輸入回路和輸出回路兩部分：ui端為放大器的輸入端，用來接收信號；uo端為放大器的輸出端，用來輸出放大器的信號。圖中“⊥”表示公共端，用來作為電位的參考點，電路中其他各點電位均是相對“⊥”而言。圖中發射極是輸入和輸出回路的公共端，故稱此電路為共發射極放大電路。半導體器件及其電路

下麵以圖7．15為例來說明放大電路中各元器件的作用。

1．三極管VT具有電流放大作用，它使集電極電流隨基極電流作相應的變化，是放大電路中的核心器件。2．基極偏置電阻RB的作用是為三極管的基極提供合適的偏置電流，並向發射結提供必需的正向偏置電壓。選擇合適的RB就可以使三極管有合適的靜態工作點。所謂靜態就是當放大電路的輸入信號ui=0時的狀態。RB一般取幾十千歐到幾百千歐之間。半導體器件及其電路

圖7．15共發射極放大電路半導體器件及其電路

3．集電極電源UCC通過集電極負載電阻Rc給三極管的集電結加反向偏壓，同時又通過基極偏置電阻RB給三極管的發射結加正向偏壓，使三極管處於放大狀態。另一方面給放大器提供能源，三極管的放大實質是用輸入端能量較小的信號去控制輸出端能量較大的信號，三極管本身不能創造出新的能量，輸出信號的能量來源於集電極電源UCC。因此它是整個放大器能源的提供者。

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4．集電極負載電阻Rc的作用是把三極管的電流放大作用以電壓放大的形式表現出來，從而輸出一個比輸入電壓大得多的電壓。Rc一般在幾千歐到幾十千歐之間。5．耦合電容C1和C2分別接在放大器的輸入端和輸出端。利用電容器“隔直通交”的特點，一方面可避免放大器的輸入端與信號源之間、輸出端與負載之間直流電的互相影響，使三極管的靜態工作不致因接入信號源和負載而發生影響；另一方面又要保證輸入和輸出信號暢通地進行傳輸。通常C1和C2選用電解電容器，取值為幾微法到幾十微法。

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第三節

單相整流電路一、單相半波整流電路圖7．16(a)是單相半波整流電路圖，電路由電源變壓器T、整流二極體VD和負載電阻RL組成。整流變壓器將電壓u1變為整流電路所需的電壓。

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圖7．16單相半波整流電路VD(a)(b)(c)(d)半導體器件及其電路

1．工作原理

設在交流電壓正半周(0—t1)，A端電位比B端電位高，二極體VD因加正向電壓而導通，電流IL的通路是A→VD→RL→B→A。RL上電流方向與電壓極性如圖7．16（a）所示。在交流電壓負半周(t1—t2)，A端電位比B端電位低,二極體VD反向電壓而截止，負載RL上的電壓為零。

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由此可見，在交流電一個週期內，二極體半個週期導通半個週期截止，以後週期性地重複上述過程，負載RL上電壓和電流波形如圖7．16（b）、（c）、（d）所示。在交流電工作的全週期內，RL上只有自上而下的單方向電流，實現了整流。由圖可以看出電流的大小是波動的，但方向不變。這種大小波動、方向不變的電壓和電流，稱為脈動直流電。由波形可見，這種電路僅利用了電源電壓的半個波，故稱為半波整流電路，它輸出的是半波脈動直流電。顯然，它的缺點是電源利用率低且輸出電壓脈動大。所以半波整流僅用於功率較小的電路中。半導體器件及其電路

2．負載RL上的直流電壓和電流實驗證明，負載RL兩端電壓與變壓器次級電壓有效值的關係是UL≈0．45U2

負載RL上的直流電流IL可根據歐姆定律求出IL

≈UL/RL

≈0．45×U2/RL

選用半波整流二極體時應滿足下列兩個條件：（1）二極體額定電壓應大於承受的反向峰值電壓；（2）二極體額定整流電流應大於流過二極體的實際工作電流。

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二、單相橋式全波整流電路單相橋式整流電路如圖7．17（a）所示。電路中四只二極體接成電橋形式，所以稱為橋式整流電路，這種電路有時被畫成圖7．17（b）或圖7．17（c）的形式。半導體器件及其電路

(a)(b)(c)圖7．17單相橋式整流電路半導體器件及其電路

1．工作原理

二次電壓u2波形如圖7．18(a)所示。設在交流電壓正半周(0—t1)，A點電位高於B點電位。二極體VD1、VD3正偏導通，VD2、VD4反偏截止，電流IL1通路是A→VD1→RL→VD3→B→A,如圖7．19(a）所示。這時負載RL上得到一個半波電壓，如圖7．18(b）中(0一t1)段。在交流電壓負半周(t1—t2)，B點電位高於A點電位，二極體VD4、VD2正偏導通，二極體VD1、VD3反偏截止，電流IL2通路是B→VD4→RL→VD2→A→B，如圖7．19(b）所示。

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圖7．18單相橋式整流波形圖(a)(b)(c)半導體器件及其電路

同樣，在負載RL上得到一個半波電壓，如圖7．18(b)中(t1—t2)段。由此可見，在交流輸入電壓的正負半周，都有同一方向的電流流過RL，四只二極體中，兩只兩只輪流導通，在負載上得到全波脈動的直流電壓和電流，如圖7．18(b)、(c)所示。所以這種整流電路屬於全波整流類型，也稱為單相橋式全波整流電路。半導體器件及其電路

(a)(b)圖7．19單相橋式整流電路的電流通路半導體器件及其電路

2．負載RL上的直流電壓和電流

在單相橋式整流電路中，交流電在一個週期內的兩個半波都有同方向的電流流過負載,因此在同樣的U2時，該電路輸出的電流和電壓均比半波整流大一倍。輸出電壓為UL

≈0．9U2

輸出電流為IL

≈UL/RL

≈0．9×U2/RL半導體器件及其電路

三、濾波電路前面討論的幾種整流電路，雖然都可以把交流電轉換為直流電，但是所輸出的都是脈動的流電壓,要把脈動的直流電變為平滑的直流電。保留脈動電壓的直流成分，盡可能濾除它的交流成分，這就是濾波。這樣的電路叫做濾波電路。濾波電路直接接在整流電路後面，它通常由電容器、電感器和電阻器按照一定的方式組合而成。

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1．電容濾波電路圖7．20所示是單相橋式整流電容濾波電路圖。圖中電容器C並聯在負載兩端。電容器在電路中有儲存和釋放能量的作用，電源供給的電壓升高時，它把部分能量儲存起來，而當電源電壓降低時，就把能量釋放出來，從而減少脈動成分，使負載電壓比較平滑，即電容器具有濾波作用。濾波時電容器應並聯接在電路中。濾波電容器的容量大一些,濾波效果好,濾波時電容器容量應選用200微法以上較為合理。半導體器件及其電路

2．電感濾波電路

當一些電氣設備需要脈動小、輸出電流大的直流電時，往往採用電感濾波電路，即在整流輸出電路中串聯帶鐵心的大電感線圈。圖7．21所示是電感濾波電路圖。由於電感線圈的直流電阻很小，脈動電壓中直流分量很容易通過電感線圈，幾乎全部加到負載上；而電感線圈對交流的阻抗很大，根據電磁感應原理，線圈通過變化的電流時，它的兩端要產生自感電動勢來阻礙電流變化，當整流輸出電流增大時，它的抑制作用使電流只能緩慢上升；而整流輸出電流減小時，它又使電流只能緩慢下降，這樣就使得整流輸出電流變化平緩，其輸出電壓的平滑性比電容濾波好。

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圖7．20單相橋式整流電容濾波電路圖7．21單相橋式整流電感濾波電路

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3．複式濾波電路

複式濾波電路是用電容器、電感器和電阻器組成的濾波器；通常有LC型、LCπ型幾種。它的濾波效果比單一使用電容或電感濾波要好得多，其應用較為廣泛。

圖7．22所示是LC型濾波電路，它由電感濾波和電容濾波組成。脈動電壓經過雙重濾波，交流成分大部分被電感器阻止，即使有小部分通過電感器，再經過電容濾波，這樣負載上的交流成分也很小，便可達到濾除交流成分的目的。

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圖7．23所示是LCπ型濾波電路，可看成是電容濾波和LC型濾波電路的組合，因此濾波效果更好，在負載上的電壓更平滑。由於LCπ型濾波電路輸入端接有電容，在通電瞬間因電容器充電會產生較大的充電電流，所以一般取C1<C2，以減小浪湧電流。當使用一級複式濾波達不到對輸出電壓的平滑性要求時，可以增添級數,以達到更好的濾波效果。

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圖7．22LC型濾波電路

圖7．23LCπ型濾波電路半導體器件及其電路

4．簡單的穩壓電路

圖7．24是利用矽穩壓管組成的簡單穩壓電路。電阻R是用來限制電流，使穩壓管電流Iz不超過允許值，另一方面還利用它兩端電壓升降使輸出電壓UL趨於穩定。穩壓管VD反並在直流電源兩端，使它工作在反向擊穿區。經電容濾波後的直流電壓通過電阻器R和穩壓管VD組成的穩壓電路接到負載上。這樣，負載上得到的就是一個比較穩定的電壓。半導體器件及其電路

圖7．24簡單的穩壓電路半導體器件及其電路

輸入電壓Ui經電阻R加到穩壓管和負載RL上，設負載電阻RL不變，當電網電壓ul波動升高，使穩壓電路的輸入電壓Ui上升，引起穩壓管VD兩端電壓增加，輸出電壓UL也增加，根據穩壓管反向擊穿特性，只要UL有少許增大，就使IZ顯著增加，使流過R的電流I增大，電阻R上壓降增大(U=IR)，使輸出電壓UL保持近似穩定。其工作過程可描述為：

ul↑→Ui↑→UL↑→IZ↑→IR↑→UL↓

反之，如果電源電壓ul下降，其工作過程與上述相反，UL仍近似穩定。

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第四節

積體電路簡介一、積體電路的工藝特點1．積體電路中元器件的特點和外形

（1）積體電路中的元器件是用相同的工藝在同一塊矽片上大批製造的，因此