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《半导体理论》

第四章半导体理论

随着船Ml电气化、自动化程度的不断提高，半导体电子设备大量地应用于船舶电气控制系统，船舶高级机电管理入员掌握和熟悉半导体电路的基本知识显得越来越重要。

本章主要介绍一些常规的半导体元器件、基本电路的工作原理和集成电路的知识与应用。

第一节半导体的导电特性

自然界的物质按照导电性能，可以分为导体、绝缘体和半导体三类。

所谓的半导体，就是它的导电能力介于导体和绝缘体之音质材料，例如硅、错、硒及许多金属氧化物和硫化物等。

半导体的导电能力随着外界条件（温度变化、光照）的不同而有很朋的差别。

如果在纯净的半导体中掺入微量的杂质后，它的导电能力就可儿十万其至儿口万地增加正是曲于这些独特的性质，使半导体得到了广泛的应用。

如果在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素），就成为杂质半导体。

杂质半导体的导电能力大增强。

根据掺杂元素的不同，杂质半导体分为两大类：

1.N型半导体

在硅或错的单晶体中掺入磷（或其他五价元素），可使自山电子的数LI大量增加。

这种半导体主要靠电子导电，或者说它的多数载流子是电子，少数载流子是空穴，故称为电子型半导体或'型半导体。

2.P型半导体

如果在硅或错的单晶体中掺入硼（或其他三价元素），半导体中就会形成大量的空穴。

这种以空穴导电作为放要导电方式的半导体称为空穴半导体或P型半导体。

其中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。

应当指出，不论是N型号半导体还是P型半导体，虽然掺杂造成了半导体中的多数载流子，但并不使半导体带电，即整个晶体对外仍呈电中性。

第二节PN结的单向导电性

在一块晶片上，采取特定的掺杂工艺方法，在两边分别形成P型半导体和N型半导体，它们的交界面就形成PN结。

P\结是构成各种半导体器件的基础。

下面讨论在陀结上加上不同极性的外部电压以后的工作情况。

1PN结加正向电压

如图4一1（a）所示，在PN结上加上正向电压，即P区接外电源正端，N区接负端。

此时外加电场与内电场方向相反，使空间电荷区变窄，多数载流子的扩散运动增强，形成较大的扩散电流（正向电流）。

在一定范圉内，外电场越强，P区流向N区的正向电流越大，这时PN结呈现的电阻很低。

正向电流包括空穴电流和电子电流两部分。

空穴和电子虽然带有不同极性的电荷，但因为它们的运动方向相反，所以电流方向一致。

外加电源不断地向半导体提供电荷，使电流得以维持。

2PN结上加反向电压

如图4.1（b）所示，若给PN结加反向电压，即'区接外电源正端，P区接负端，则外电场与内电场方向一致。

它使阻挡层的电场强度增强，也加强了少数载流子的漂移运动，在电路中形成了反向电流。

山于少数载流子数量很少，因此反向电流不大，PN结呈现的反向电阻就很高。

少数载流于是价电子获得热能挣脱共价键的束缚而产生的，它的数量与环境温度有关，因而温度对反向电流的影响很大。

■4-1PVMUBM

d.N*■竄比QIEdU用蚁負S

综上所述，PN结具有单向导电性，即PN结加正向电压时，处于导通状态；PN结加反向电压时，处于截止状态。

第三节半导体二极管和稳压管

一、二极管的基本结构

将陀结加上相应的电极引线并进行封装，就成为半导体二极管。

二级管有点接触型和面接触型两类。

点接触型二极管（一般为错管），如图4-2（a）它的PN结的结面积很小，结电容也小，不能通较大电流，但高频性能好，一般适用于高频和小功率电路。

面接触型二极管（一般为硅管），如图4-2（b）所示。

它的PN结的结面积大，结电容也大，可通过较大电流可达上千安培），因其工作频率较低,一般用于整流电路。

二极管的表示符号如图4-2（c）所示。

II

■2WMIzeff

二、二极管的伏安特性

二极管是一个PN结，具有单向导电特性。

它的外部特性用管子的端电压和管子中电流的对应关系曲线来表示，这就是二极管的伏安特性，如图4-3所示。

当外加电压很低时，外加电压不足以克服P\结内电场对多数载流子扩散运动的阻力，故正向电流很小，儿乎为零。

当正向电压超过一定数值时，内电场被大大削弱，电流增长很快。

这个一定数值的正向电压称为“死区电压”，其大小与材料与环境温度有关，温度升高，死区电压减小。

通常，硅管的死区电压约为05V,错管约为01V。

在二极管上加反向电压时，山于少数载流子的漂移运动，形成很小的反向电流。

它有两个特点：

一是随温度的上升增长很快；二是在一定范围内，反向电流基本恒定，与反向电压高低无关，故称为反向饱和电流。

但当外加反向电压超过一定数值时，反向电流将突然增大，PN结被反向击穿，这种击穿称为电击穿。

这时PN结将产生大量的热而导致热击穿，电击穿是可逆的，而热击穿是不可逆的。

产生击穿时加在二极管上的反向电压为反向击穿电压。

三、二极管的主要参数

1.最大整流电流Icm

Icm是指二极管长时间使用时，允许渡过的正向平均电流。

当电流超过允许值时，将山于PN结过热而使管子损坏。

额定电流大的管子工作时通常加装散热片或采用其他冷却措施。

2.反向工作峰值电压U机

它是保证二极管不被击穿的反向最大电压，一般是反向击穿电压的一半或2/3。

3.反向峰值电流1减。

这是指二极管加上反向峰值电压时的反向电流值。

反向电流大，说明二极管的单向导电性能差，并且受温度的影响大。

硅管的反向电流一般在儿个微安以下,而错管的反向电流约为硅管的儿十到儿口倍。

二极管的应用范围很广，主要都是利用它的单向导电性。

它可广泛用于整流、检波、元件保护和脉冲数字电路中。

四稳压管

稳压管一种特殊的面接触型二极管。

其外形和内部结构与整流用二极管相似,二者的伏安特性也类似，只是稳压管的反向特性曲线比较陡。

稳压管的符号和特性曲线如图4-4所示。

■44

对于普通二极管，反向击穿是不允许的，而对于稳压管，则正是利用它反向击穿情况下管子电流变化很大而电压基本不变这一特性。

换句话说。

稳压管就’r作在它的反向击穿区.从反向特性曲线可以看到，反向电压在一定范围内变化时,反向电流很小。

当反向电压增大到击穿电压时，反向电流突然剧增，稳压管反向击穿。

此后，电流虽然在很大范圉内变化，但稳压管两端的电压变化很小。

稳压管在电路中能起稳压作用，实际使用时，必须串联适当的限流电阻，确定电流在它的允许范围内。

稳压管的主要参数有：

1稳定电压U：

稳定电压是稳压管存反向击穿状态下管子两端的稳定工作电压。

温度一定时，稳压管的稳定电压值一定。

2.稳定电流匚

稳压管在压范围内工作性能较好的工作电流值。

但对每一种型号的稳压管，都规定有一个最大稳定电流I如:

.

3最大允许耗散功率比

最大允许耗散功率指稳压管不致发生热击穿的最大功率损耗Pzx二Uzl如

第四节单相整流电路

在船船自动化装辕常需要用电压非常稳定的直流电源，为了得到直流电，除了用直流发电机、蓄电池外，□前广泛采用半导体直流电源。

整流电路是半导体直流电源的重要组成部分。

一、单相半波整流电路

图4-5所示是单相半波整流电路。

它是最简单的整流电路，山整流变压器Tr,整流元件二极管D及负载组成。

设整流变压器的副边电压为

a®例加non

其波形如图4-6（a）所示。

山于二锻管的单向导电性.在变压器副边电压u的正半周时，其极性为上正下负，即。

点电位高于b点（如图4.5所示）。

二极管因承受正向电压而导通，这时负载电阻R-上的电压为通过的电流为i。

，如图4-5（b）所示。

在电压的负半周时，d点电位低于b点，二极管反向截止.负载电阻上没有电压。

因此，负载电阻&上得到的是半波整流电压“扣二极管导通时的正向压降很小，可忽略不计。

因此，可以认为t“的这半个波和电源电压u的正半渡是相同的。

负载上得到的整流电压虽是单方向的，但其大小是变化的。

这种所谓的单向脉动电压.常用一个周期的平均值来说明它的大小。

可以证明，单相半波整流电压的平均值为

U0二0.45U

负载的平均电流I。

与流过二极管的L

二极管的最高反向电压就是变圧器副边交流电圧u的最大值，即

J叫•乐（Z）

二、单相桥式整流电路

单相半波整流电酶虽然简单.但它想剩厨彳电源的半个周期，且整流电压的脉动较大。

为了克服上述缺点.颔萄磷蓬套豫整流电路，要診雌用最多的是单相援式整流电路。

它山4个二极管接成电桥的形式构成。

图4-7所示是单相桥式整流电路的儿种画法。

我们按照图4.7中第一种连接形式来分析它的工作原理。

在变压器副边电压u的正半周时，极性上正下负，即n点的电位高于6点，二极管D、Ds导通，D：

和D截止，电流i’的通路是a-Dx-R-Ds-bo负载RL上得到一个半波电压，如图4-8（b）中的0〜段所示。

在电压“的负半周。

变压器副边极性为上负下正，即b点电位高于0点，此时，口、Ds截止，D,和几导通，电流直的通路是b-D=-R-D-ao同样.在负载电阻Rl上得到另一个半波电压.如图4-8（b）中段所示。

显然，全波整流电路的整流电压的平均值U。

比半波整流时增加了1倍，即

U0=0.9U

负载电阻中通过的直流电流也增加了1倍，即

因两组二极管轮流导通•故流过每个二极管中的平均电流只有负载电流的一半，即

二极管截止时承受的最高反向电压与半波整流电路相同，也是电源电压

的最大值，即

・u.■a

1

\r\r

9RW

第五节滤波与稳压电路

前面分析的整流电路虽然能把交流电电为直流电，但得到的输出电压是单向脉动电。

这各脉动电压压只能用于电镀、蓄电池充电等设备中，大多数电子设备都要求脉动程度小或恒定的直流电源，因此在整流电路后必须增加滤波或稳圧电路。

—、电容滤波器

图4-9中与负载并联的电容器就是一个最简单的滤波器。

它是根据电容器两端电压不能突变的原理制成的。

单相半波整流电路中，如不接电容滤波器，它的输出电压波形如图4-10（a）所示，接上电容滤波器后，输出电压的波形就变成图4-10（b）所示的形状。

从其波形看，输出电压平均值明显增大，输出电压脉动程度也小多了。

从图4-9可以看到，二极管导通时，一方面供电给负载，同时对电容器C充电。

在忽略二极管正向压降的情况下，充电电压uc与上升的正弦电压u—致，如图4-10（b）中om'段波形所示。

电源电压u在nf点达到最大值，uc也达到最大值，而后u和uc都开始下降，u接正弦规律下降，当u小于uc时，二极管承受整流电路反向电压而截止，电容器对负载电阻RL放电.负载中仍有电流，而UC按放电曲线mn下降。

在u的下一个正半周内，当u大于UC时，二极管乂导通，电容器再被充电，重复上述过程。

带电容滤渡器的输出电压电压脉动程度减小，输出平均电压增高。

在忽略二极管正向压降的情况下，空载输出电压可达电源电压幅值，即U。

二J2u二1。

4uo这种电容滤波电路不足之处是带负载能力较差，只适用于负载电流较小且电流变化不大的场合。

一般情况下，我们取

Uo=U（半渡整流电容滤波）1（4-8）

Uo二1.2U（全波整流电容滤渡）J

电容滤波电路输出电压的脉动程度与电容器的放电时间常数R.C有关。

为了获得以上输出整流电压的平均值，一般要求

KC»（3（3）

式中T是交流电源的周期。

通常滤波电容在儿十微法到儿千微法，其耐压应大于输入电压的最大值。

二、电感电容滤波器

为了减小输出电压的脉动程度.在滤波电容前串接一个铁芯电感线圈L,就组成了电感电容滤波器，如图4-11所示。

Ill于通过电感线圈的电流发生变化时，线圈中要产生自感电动势阻碍电流的变化，因而使负载电流和负载电压的脉动大为减小。

频率越高。

电感越大，滤波的效果也越好。

具有LC滤波器的整流电路适用于电流较大、要求输出电圧脉动很小的场合，更适合于高频电路。

在电流较大、负载变动较太，并对输出电压的脉动程度要求不太高的场合（例如可控硅电源），可将电容器去掉，而采用电感滤波器

三、I【型滤波器

如果要求输出电压的脉动更小，可以在LC滤波器的前面再并联一个滤波电容C（图4-12）,就构成了[I型LC滤波器。

它的滤波效果比滤波器更好，但整流二极管的冲击电流较大。

因为电感线圈的体积大而笨重，成本乂高，所以有时用电阻替代电感线圈，构成1【型RC滤波器。

四、稳压管稳压电路

整流滤波后的电压虽然交流分量已很小，但在负载变动和电源电压波动时,输岀电压仍有变化。

一些精密测量仪器、自动控制装置等都要求有稳定的直流电源供电，图4.13就是一种最简单的稳压管稳压电路。

经过桥式整流电路整流和电容滤波器滤波得到直流电压U.,再经限流电阻及和稳压管眈组成的稳压电路接到负载电阻及L上。

输出电压巩的值取决于稳压管的稳定电压，注意：

稳压管在电路中正常t作时大多是反向连接的，若正向连接,稳压值很低，只有零点儿伏。

引起电压不稳定的原因是交流电源电压的波动和负载电流的变化。

下面分析在这两种情况下稳压电路的作用。

（1）当电源电压增加而使整流输出电压u,随着增加时，负载电压仇也要增加，稳压管电流屯随，c增大，因此电阻R上的圧降增加，以抵偿U,的增加,从而使负载电压U。

近似不变。

当电源电压降低时，电阻R上的压降也减小，仍然保持负载电压基本不变。

（2）当电源电压不变而负载电流变化引起负载电压改变时，上述稳压电路仍能起到稳压作用。

例如，负载电流增大时，电阻R上的压降增大，负载电压矿,因而下降。

只要址下降一点，稳压管电流就最著减小，通过电阻

R的电流和电阻上的压降保持近似不变，因此负载电压u.也就近似稳定不变。

当负载电流减小时，稳压过程相反。

这种稳压管稳压电路的稳压效果不够理想，只能用于负载电流较小的场台。

要想得到理想的稳压效果，必须釆用申联型晶体管稳压电路或集成稳压电源。

第六节晶体管

晶体管（半导体三极管）是最重要的每种半导体器件。

它的放大作用和开关作用促使电子技术E跃发展。

晶体管的特性是通过特性曲线和工作参数来分析研究的。

我们先从晶体管的内部结构谈起。

一、晶体管的基本结构

晶体管LI前最常见的结构有平面型和合金型两类。

硅管主要是平面型，错管都是合金型。

不论是平面型还是合金型，晶体管都分为NPN型或PNP型，它们的结构示

意图和表示符号如图4-14所示。

各种晶体管都分成基区、发射区和集电区，分别引出基极B、发射板E和集电极c。

每一类都有两个PN结。

基区和发射区之间的结称为发射结，基区和集电区之间的结称为集电结。

国内生产的硅管多为型，错管多为PNP型。

它们在符号上的差别只在发射极箭头的方向上，它代表发射结在正向接法下的电流方向。

型和P\P型晶体管的工作原理类似，仅在使用时电源极性连接不同。

下面以NPN型晶体管为例来分析讨论其工作原理。

二、晶体管的电流放大作用

晶体管的发射区掺杂浓度大，基区很薄，集电结面积较大，这是晶体管具有电流放大作用的内部条件。

但耍实现放大还需一定的外部条件，这就是发射结必须加正向电压（正向偏置）和集电结加反向电压（反向偏置）.接成如图4-15所示的电路。

图4-15中有两个回路：

基极电源E。

、基极电阻弘。

和晶体管发射结构成的回路为输入回路；山集电极电源氏集电极电阻Rc和晶体管集电结构成的回路为输出回路。

其中发射极作为两回路的公共点，该接法称为晶体管的共发射极接法。

式中：

口表征晶体管的电流放大能力，称为静态电流（直流）放大系数。

三、特性曲线

晶体管特性曲线反映的是晶体管各极电压和电流之间的相互关系，最常用的是共发射极接法时的输入特性曲线和输出特性曲线。

这些特性曲线可用晶体管特性图示仪直接测试，也可用实验线路测绘。

1.输入特性曲线

输入特性曲线器是指一射极电压G为常数时，输入回路中基极电流IB与基一射极电压u。

之间的关系曲线I3=f（UK）

由图4.16可看出晶体管的输入特性曲线与二极管的伏安特性相似，也有一段死区。

只有当发射结外加电压大于死区电压时。

晶体管才会出现L硅管的死区电压约为0。

5V,错管的死区电压约0。

IV

正常工作情况下，NPN型硅管的发射结电压说为0o6-0.7V,PNP型错管的％为一0。

2〜0。

3Vo

因为Ucz>1V后的输入特性曲线基本上是重合的，所以通常只需，画出一条Uce$1V的输入特性曲线。

2输出特性曲线

输岀特性曲线是指当基极电流Ib为常数时，输出电路中集电极电流Ic与集一射极电压％之间的关系曲线Ic=f（UCE）o在不同的Ib下，可得到不同的曲线，所以晶体管的输出特性曲线是一组曲线，如图4—17所示。

■4-ir

当【3—定时，从发射区扩散到基区的电子数大致是一定的。

当巩S超过一定数值（约1V）以后.这些电子的绝大部分被拉入集电区而形成IC,所以当UcE继续升高时Ic也不再有明显的增加，具有恒流特性。

当Ib增大时.相应的1C也增大，曲线上移，而且，。

比【3增加多得多，这就是晶体管的电流放大作用。

通常，晶体管的输出特性曲线分为三个工作区。

（1）截止区

L二0的曲线以下的区域称为截止区。

Ib二0时1C二G（对于硅管，为微安级）。

对NPN型硅管而言。

当U3E<0o5V时，即已开始截止。

但为截止可靠，常使UK<0o截止时集电结也处于反向偏置。

（2）放大区

输出特性曲线的近于水平部分是放大区.因为lc和Ib成正比关系，，。

二彤。

，所以放大区也称为线性区。

晶体管工作在放大状态时，发射结处于正向偏置，集电结处于反向偏置。

对型管而言，即应使UQO,UK<0o

⑶饱和区

当％〈％时，集电结处于正向偏置，晶体管工作于饱和状态。

在饱和区,L的变化对lc的影响较小，两者不成正比，放大区的庄不能适用于饱和区。

饱和时，发射结也处于正向偏置。

从晶体管的三个工作区域可以看到，晶体管不仅有电流放大作用而且具有开关作用。

当晶体管交替地工作在截止和饱和导通状态时，其集一射极间电路就相当于受基极电流4控制的开关，如同受线圈电流控制的继电器触点一样。

晶体管截止时，相当于开关断开；晶体管饱和时，相当于开关接通。

晶体管的开关作用广泛应用于脉冲数字电路，也应用于控制系统作电子开关。

它是一种无触点开关，工作频率高，速度快，寿命长。

四、主要参数

1.电流放大系数

当晶体管接成共发射极电路时，在无输入信号时集电极电流lc基极电流h比值称为共发射静态电流（直流）放大系数。

（4-H）

当晶体管工作在动态（有输入信号）时，基极电流的变化量为厶人，它引起集电极电流的变化量为Alco与Ab。

的比值称为动态电流（交流）放大系数

2.集一基极反向截止电流△lcBO

是指发射极开路，集电结加反向电压时，集电区和基区中的步数载流子的漂移运动所形成的电流。

常温下1CBO很小，小功率硅管的1呃在1以下，错管为儿微安到儿十微安。

但它受温度影响较大，温度每升高10C°,1CBO儿乎要增大1倍。

3集一射极反向截止电流Ro

Ice。

是基极开路、C-E极间的反向漏电流，因为它好像是从集电极直接穿透晶体管而达到发射极的，所以也称穿透电流G与有如下的关系而集电极电流」，则为

（4-U）

而集电极电流lc则为

h■趴s"rm

Ice。

与lcsoOO是半导体电路的不稳定因素，其值越小越好。

4集电极最大允许电流Icm

晶体管的集电极电流，。

超过一定值卢时一定值要下降，当口值下降到原来的2/3的集电极电流定为Icxo

0集一射极反向击穿电压U,3R,CM

是基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压，超过该值，晶体管会击穿损坏。

6集电极最大允许耗散功率Pc

晶体管集电结上允许损耗功率的最大值。

由PoFlcUcx，可在晶体管的输

岀特性曲线上作岀Pcx曲线，它是一条双曲线。

1cm.U（3R.CM.PcM三个参数共同确定晶体管的安全工作区，如图4-18所示。

第七节基本放大电路

晶体管的主要用途之一是利用其放大作用组成放大电路。

放大电路的功能是利用三极管的电流控制作用，把微弱的电信号不失真地放大到所需要的数值，实现将直流电源的能量部分地转化为按输入信号规律变化的且具有较大能量的输出信号。

因此放大电路的实质，是一种用较小能量去控制较大能量的能量控制装置。

一、放大电路的组成原则

1必须有直流电源，应使三极管的发射结正向偏、集电结反向偏置，保证三极管工作在放大状态。

2.元件的安排要保证信号的传输，即信号能够从放大电路的输入端加到三极管上（有信号输入回路），经过放大镜后乂能从输出端输出（有信号输出回路）。

3.元件参数的选择要保证信号能不失真地放大，并满足放大电路的性能指标要求。

二、放大电路中各元件的作用

图4—19是一种共发射极接法的基本交流放大电路。

输入端接交流信号源，输入电压为".，输出端为负载电阻Rl,输出电压为u。

。

电路中各元件的作用如下：

1.晶体管T

是电路中的放大元件。

利用它对电流的放大作用，可在集电极获得一个受输入信号控制的放大了的输出信号。

晶体管也可以说是一个控制元件。

2集电极电源艮

一方面为放大电路提供能源，另一方面保证集电结处反向偏置，使晶体

管起到放大作用。

&一般为儿伏到儿十伏。

3.集电极负载电阻&

主要作用是将电流的变化变换为电压的变化，以实现电压放大。

Rc的阻值一般为儿千欧到儿十千欧。

4.基极电源Eb和基极电阻心

它们的作用是使发射结处于正向偏置，提供大小适当的基极电流Ib,使放大电路获得合适的工作点。

Rs的阻值一般为儿十千欧到儿百千欧。

5.耦合电容G和C：

它们一方面起隔直作用隔断放大电路与信号源和负载之间的直流通路，另一方面乂起到交流耦合作用，保证交流信号畅通无阻地经过放大电路。

C：

和C,电容值般为儿微法到儿十微法，是电解电容器，连接时要注意正负极性。

图4-19（a）的电路中用了两个直流电源&和Eb.实际应用时可把D省去，只需把&改接，由氏供电即可，如图4-19（b）所示。

这样，发射结仍是正向偏置，仍可产生合适的基极电流RRb调定后，L也随之固定，所以这种电路也称为固定偏置放大电路。

三、放大电路的基本工作原理

1.放大电路的静态分析

静态是放大电路没有输入信号时的工作状态，此时电路的电流和电压都是直流，其值称为静态值。

放大器的工作状态跟静态值的关系很大。

直流工作状态通常用基极电流*集电极电流Ic和集一射极电压Uczo等直流量来描述。

它们的讣算可借助交流放大电路的直流通路来分析。

在图4-20所示的直流通路中，电容G和C,：

起隔直作用，可视作开路。

从直流通路中可看出：

基极电流Ib。

静态工作点也可用图解法确定。

因U^Urc-IcRc是一直线方程，其斜率与集电极负载电阻Rc有关，故称作直流负载线。

在晶体管输出特性曲线上作一直线：

其横轴截距是纵轴截距是I；*/&该直线与山Ib确定的晶体管特性曲线的交点Q,称为放大电路的静态工作点,III它确定％和Ic两个静态值。

由图4-21可见，基极电流R的大小不同，Q点在负载线上的位置也不同。

Q点对应的电流、电压值也因此变化。

为适应晶体管不同工作状态的要求・只要改

L的大小即可实现。

因此L很重要，它确定晶体管的工作状态，通常称它为偏置电流，简称偏流。

一般用改变心的值来调整L的大小，心称为偏置电阻。

产生偏流的电路，称为偏置电路。

2放大电路的动态分析

放大器在有交流信号输入时，电路就处于动态工作状态，晶体管的各个电流和电压都在直流分量的基础上叠加了一个交流分量。

动态分析是指在静态值确定之后对交流信号传输情况的分