1、计算机电路基础(第二版),何超 主 编 中国水利水电出版社,第3章,半导体器件基本知识,3.1 半导体的导电特性,3.1.1 本征半导体与本征激发 半导体的主要导电形式 电子导电 空穴导电 (空穴:共价键的位置上少了一个束缚电子) 半导体的材料:硅（Si）和锗（Ge） 本征半导体:完全纯净的半导体。 空穴导电:空穴向相反的方向运动. 电子和空穴统称为载流子，电子带负电荷，空穴呈现为正电荷。,图3-1 电子、空穴对的产生,由于热激发而产生的自由电子,自由电子移走后而留下的空穴,3.1.2 P型半导体和型半导体,根据掺入杂质元素的不同，杂质半导体又可分为P型（也叫“空穴型”）半导体和型（也叫“电子
2、型”）半导体两大类。P型半导体 :在硅（或锗）晶体内掺入少量的三价元素杂质，如硼（或铟） 说明：在P型半导体中，杂质原子的三个价电子与周围的四个硅原子形成共 价键时，未能饱和，留有一个空位，形成空穴。请注意，这个空穴是掺杂产生的。 型半导体：在硅（或锗）晶体内掺入少量的五价元素杂质，如磷（或锑） 型半导体的共价键结构和图-型半导体的共价键结构如下：,图3-2 P型半导体的共价键结构和图-型半导体的共价键结构,邻近电子落入空位 留下可移动空穴,可移动的空穴,杂质原子接受一个电子成为负离子,图3-2,杂质原子提供的多余电子,杂质原子失去一个电子成为正离子,图3-3,3.2.1 PN结及其单向导电性
3、,“PN结”：不能移动的带正电或负电的离子通常称为“空间电荷”，它们集中在P区 和区交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区,P型区,空间,电荷区,N型区,内电场,图3-4 PN结的形成,PN结具有单向导电性,PN结具有单向导电性：加正向电压时，其电阻很小，电流几乎可以畅通无阻；而加反向电压时，其电阻很大，电流就很难通过。,图3-5 PN结加正向电压,N,P,2 1 1 2,21 12,P,N,外电场,内电场,图3-6 PN结加反向电压,3.2.2 半导体二极管,1二极管的类型和结构: 半导体二极管按所用材料不同分,锗二极管,硅二极管,按其内部结构的不同分,点接触型,面接触型,点接触型二极管的结
4、构,点接触型二极管的结构：如图3-7（a）所示是由一根很细的金属丝（如三价元素铝）与一块型锗晶片的表面相接触，然后从正方向施加很大的瞬时电流，使触丝与锗晶片牢固地熔接在一起而构成PN结，接出相应的电极引线，并以外壳封装而成。与金属丝接在一起的引出线为二极管的阳极，从晶片支架引出的线为阴极。,阳极引线,阴极引线,N型锗片,触丝,外壳,（a）,面接触型二极管的结构如图3-7（b）所示,阳极引线,阴极引线,铝合金 小球,PN结,金锑合金,N型硅,底座,（b）,图3-7（c）所示是硅工艺平面型二极管的结构图,阳极引线,阴极引线,P,N,P型支持衬底,（c）,二极管的符号如图3-7（d）所示,P区一侧为
5、阳极a，区一侧为阴极k,阳极a,k阴极,（d）符号图,2二极管的特性,二极管的特性:主要用伏安特性曲线表示。它反映了通过二极管的电流随外加电压变化的规律 曲线形状如图3-8所示,0.4,图3-8 锗二极管2AP15的伏安特性,3二极管的主要参数及选用方法,（1）最大整流电流:这是指二极管在长期运行时所允许通过的最大正向平均电流 （2）最高反向工作电压U:这是指二极管在工作时允许承受的最高反向电压，为确保二极管长期运行的安全，通常取值为反向击穿电压的一半 （3）最大反向电流R:这是指在一定环境温度条件下，让二极管承受反向工作电压、尚未反向击穿时的反向电流值。 （4）最高工作频率fM:加到二极管上
6、的信号源或电压源一般都是交流电,3.2.3 稳压二极管,稳压二极管:是一种工作在反向击穿区、并且当反向电压撤除后其性能仍恢复正常的特殊二极管。电气符号和典型的伏安特性如图3-10所示,A,K,A,C,O,( a ) 符号,（b）伏安特性,稳压管的参数主要有：,（1）稳定电压UZ指稳压管在正常工作时管子的端电压。低的为3V，高的可达300V，一般在325V。 （2）稳定电流IZ指稳压管正常工作时（即保持稳定电压UZ时）时的参考电流。 （3）最大耗散功率PZM最大耗散功率也叫“额定功耗”，是指稳压管不至于产生过热损坏时的最大功率损耗值。 （4）动态电阻rZ稳压管端电压的变化量uZ与对应电流变化量i
7、Z之比叫稳压管的动态电阻 （5）稳定电压的温度系数指稳压管的稳定电压UZ随工作温度变化影响的系数,图3-11所示是压电路稳压管组成的稳,+,ui,-,R,iR,iZ,VDZ,iO(iL),+,-,uo,RL,R是限流电阻,RL为负载,VDZ是稳压管,iRiZiL。,3.3 半导体三极管（晶体管或BJT）,3.3.1 半导体三极管的结构与符号 半导体三极管简称“三极管”，通常又称为“晶体管”或“BJT” 按基片材料的不同分按工作频率分按额定功率分,锗三极管,硅三极管,低频,高频,超高频,小功率,中功率,大功率,图3-12是NPN型管和PNP型管的结构,按结构分,PNP型三极管,NPN型三极管,（
8、a）NPN型BJT结构示意图及电路符号,（b）PNP型BJT结构示意图及电路符号,3.3.2 半导体三极管的连接方法,半导体三极管的三种连接方式（共基极、共发射极和共集电极 ）图3-14所示的共发射极电路,e,c,V,b,（a）共基极组态,b,V,c,e,（b）共发射极组态,b,e,V,c,（c）共集电极组态,UBE,IE,UCE,IB,IB,b,c,N,P,N,图314 NPN管共射电路接法,3.3.3 半导体三极管的电流分配与放大用,（1）三极管之所以能放大输入信号，其外部条件是发射结正偏，集电结反偏 （2）放大作用的实质是用一个微小的电流变化IB去控制较大的电流变化IC。 （3）PNP管
9、与NPN管的工作原理相同，只是在电路连接时，要注意其电压极性和电流流向的不同，如图3-15所示,UBE,IB,c,b,V,IE,UCE,IC,e,UBE,IB,b,e,c,V,IC,IE,UCE,3.3.4 半导体三极管的特性曲线,如图3-16 NPN管的共射极特性曲线所示,iB /A,uBE/V,20,40,60,80,0,0.2,0.4,0.6,0.8,25,uCE=0V,uCE1V,iC,iC/mA,饱和区,25,放大区,Q,80,100,60,40,iB=20 A,截止区,uCE/V,iB,0,2,4,6,8,（a）电路图,（b）输入特性曲线,（c）输出特性曲线,三极管的工作范围可分三
10、个区域,（1）截止区 （2）饱和区 （3）放大区 3.3.5 半导体三极管的主要参数 1电流放大系数 2反向饱和电流ICBO 3穿透电流ICEO ICEO（1）ICBO 4极限参数,3.4 场效应管（FET）,3.4.1 结型场效应管的结构、符号与工作原理 1结构 结型场效应管的结构如图3-17（a）所示,P,P,耗尽层,N型沟道,d（漏极）,g（栅极）,s（源极）,g,d,s,（b）N型的符号,g,d,S,（c）P型的符号,2基本工作原理,g,P,N,P,d,s,iD较大,Rd,UDD,（a）uGS0时,UGG,g,S,P,P,P,P,N,d,Rd,iD减小,UDD,（b）uGS0时,g,U
11、GG,S,d,iD0,Rd,UDD,（c）uGS为某一负值时， 导电沟道被“夹断”,3.4.2 结型场效应管的特性曲线,1输出特性曲线,可变 电阻区,0,预夹断轨迹,恒流区,UGS=0V,-1V,-2V,-3V,-4V,-5V,UDS/V,夹断区,UGS (off),UDS=常数,-4,-2,0,UGS/V,IDSS,iD/mA,（a）输出特性曲线,（b）转移特性曲线,2转移特性曲线,3.4.3 结型场效应管的主要参数,1直流参数 2极限参数 3交流参数3.4.4 绝缘栅场效应管 “绝缘栅场效应管” : 绝缘栅场效应管也有三个电极（栅极、源极和漏极），但它的栅极与源极和漏极之间均无电接触 1增
12、强型绝缘栅场效应管 (1)图3-21（a）所示是N沟导增强型绝缘栅场效应管的结构示意图 (2)代表符号如图3-21（b）所示，符号中的箭头方向表示由P（衬底）指 向N（沟道）,（a）结构示意图,（b）符号,UDS,UDS,UDS,UDS,UGS,UGS,UGS,N+,N+,N+,N+,N+,N+,N+,N+,S,S,S,g,g,g,g,d,d,d,d,耗尽层,耗尽层,二氧化硅,铝,衬底引线,衬底引线,衬底引线,衬底引线,P,P,N型（感生）沟道,N型（感生）沟道,迅速增大,id,id,饱和,夹断区,（a）uGS0时，没有导电沟道；,（b）uGSVT时，出现N型沟道；,（c）uDS较小时，iD迅
13、速增大；,d）uDS较大出现夹断时，iD趋于饱和,（a）,（b）,（c）,d）,2耗尽型绝缘栅场效应管,S,g,d,掺杂后具有正,离子的绝缘层,二氧化硅,N+,N+,耗尽层,N型沟道,P,衬底引线,图3-24 N沟道耗尽型绝缘栅场效应管结构示意图,第4章 基本放大电路,4.1 放大电路的主要性能指标 1增益 （1）电压增益AuU0UI。 （2）电流增益AiI0II。 （3）功率增益ApP0PiAu:AI 2输入电阻Ri,RS,+,-,us,+,+,+,-,-,-,ii,i0,Ui,Ri,Ri,Uo,R0,R0,u0,RL,图41 放大器的输入电阻和输出电阻,3输出电阻R0,4通频带5非线性失真
14、,图42 放大电路的幅频特性,4.2 晶体管共射极放大电路,4.2.1 放大电路的组成及各元件的作用晶体管放大电路利用三极管的电流放大作用，可将一个微弱的、一般为毫伏级的信号不失真地放大 。,A,B,O,+,+,+,+,+,-,-,-,-,Cb1,Rb,300k,UBB,12V,iB,b,UBE,c,V,e,UCE,Re,4k,UCC,12V,Cb2,uo,图43 共射极基本放大电路,4.2.2 静态与动态工作情况,1静态工作情况2动态工作情况如下图4-5所示：,Rb,UBB,IB,b,e,V,c,Ic,IK,Rc,UCE,图44 图4-3的直流通路,图45 共射放大电路的动态工作状态,ui,
15、t,iB,iB,IB,t,t,t,t,t,O,O,O,O,+,+,-,-,Cb1,ui,ui,uBE,UBE,Rc,Rb,V,i,iC,IC,UCC,uCE,uCE,UCE,uo,uo,图45 共射放大电路的动态工作状态,4.3 共射极放大电路的分析方法,4.3.1 放大电路的图解分析法 1用图解法确定静态工作点 （1）把放大电路分成非线性和线性两部分 （2）作出电路非线性部分的伏安特性三极管输出特性，通常可查三极管手册得到 （3）作出线性部分的伏安特性直流负载线 （4）由电路的线性与非线性两部分伏安特性的交点确定静态工作点Q,（a）直流通路,（b）图解分析,图47 静态工作点的图解,2用图解
16、法分析动态工作情况,（1）根据ui的波形在三极管输入特性上求iB和ib。设输入信号uiUimsint，则有uBEUBEui，并引起基极电流作相应变化，即iBIBib。根据已知IB在输入特性上找到Q点，并对应画出uBE和iB的波形。如图4-8（a）所示,iB,O,O,O,ib,IB,Ibm,t,iB,Q,Q,Q,uBE,uBE,t,UBE,ui,（a）输入回路的波形,2用图解法分析动态工作情况,（2）画出电路的交流通路 （3）画出交流负载线 （4）由输出特性曲线和交流负载线求iC和uCE 。如图-（b）所示： （5）求电压增益 3静态工作点对波形失真的影响,iC,iC,IC,O,O,O,t,t,
17、iC,斜率-1/RL,Q,iB=IB+Ibm,Q,iB=IB,Q,iB=IB-Ibm,uCE,uCE,UCE,uce,（b）输出回路的波形,4.3.2 放大电路的微变等效电路分析法,1晶体管的微变等效电路 2共射放大电路的微变等效电路分析,三极管输入回路,(b) 等效后的输入回路,(c) 三极管的输入特性曲线,2共射放大电路的微变等效电路分析,2共射放大电路的微变等效电路分析建立了晶体管的微变等效电路模型后，就可以方便地得到放大电路的等效电路，从而利用求解线性电路的方法来分析放大电路的输出电压、电压增益等指标 。 4.4 共射极放大电路静态工作点的稳定 4.4.1 温度对静态工作点的影响,iC
18、/mA,1,2,3,4,0,2.5,5,Q2,Q1,12,uCE/V,IB=60A,40,20,0,4.4.2 分压式偏置电路,IR1,Rb1,C1,+,+,+,+,Rb2,IR2,IC,c,RC,IB,b,e,Re,IE,Ce,C2,RL,UCC,图414 分压式偏置电路,4.5 场效应管放大电路,4.5.1 自偏压电路与晶体管的共射放大电路相似，在源极接入源极电阻Rs，就可组成如图4-17（a）所示的自偏压电路 电路必须满足下列条件： 预先给栅极一个负偏压（对于N沟道JFET，始终要保持uGS0） 漏源电压uDS必须为正,C1,C1,+,+,+,+,+,+,-,-,-,-,ui,Cs,Rg
19、,T,Rg,T,Rs,C2,C2,Cs,uo,uo,UDD,R1,Rd,Rd,R2,Rs,（a）自偏压电路,（b）分压式自偏压电路,图4-17,4.5.1 自偏压电路,1偏压的获得 2静态工作点Q的确定4.5.2 分压式自偏压电路 (1) 自偏压电路比较简单，本身也有一定的稳定工作点的作用，但Rs的选择范围很小 (2) 随着Rs的增大，UGS将愈来愈负，其结果会使净输入信号减小，增益下降。为了解决这个矛盾，可采用图4-17（b）所示的分压式自偏压电路 4.6 多级放大电路 4.6.1 多级放大电路的级间耦合方式,4.6.1 多级放大电路的级间耦合方式,(1) 为了保证每级放大电路均能正常工作，使信号不失真地逐级放大和传送，级与级之间要采用合适的连接方式，也称为耦合方式 (2)常见的交流放大器有阻容耦合、变压器耦合和直接耦合三种级间耦合方式。,图418 阻容耦合方式,图419 变压器耦合方式,图420 几种直接耦合方式,4.6.2 多级放大电路的性能分析,图4-21是一个两级阻容耦合放大电路,图4-22 图4-21所示电路的微变等效电路,4.6.2 多级放大电路的性能分析,电压增益 图4-21的微变等效电路如图4-22所示 2输入电阻 多级放大电路的输入电阻Ri就是第一级放大电路的输入电阻 3输出电阻 多级放大电路的输出电阻R0就是末级放大电路的输出电阻,
