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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)的导电能力很弱，但如果人为地掺入
2、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流子，空穴是少数载流子。半导
3、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71PN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结的单向导电性为基础的。半导体器件及其电路二、二极管
4、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极管的外形。VD半导体器件及其电路2类型二极管根据外
5、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GB249一74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ABCDN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
6、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
7、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。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
8、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）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
9、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
10、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
11、电极电流近似相等。即IEIC3三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
12、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
13、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
14、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05V08V，锗管在01V03V。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
15、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
16、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。另一方面给放大器提供能源，三极管的放大实质是
