第2章 神秘的半导体

大自然的鬼斧神工还创造了另外一种材料，它的导电特性介于导体和绝缘体之间，在一定的条件下它是导体，而在另一种条件下它又会变成绝缘体，因此称其为半导体。构成半导体最重要的两种元素是硅和锗。我们常听说的美国硅谷，就是因为那里有好多家半导体厂商而得名。使用半导体能制造出功能复杂的元器件和集成电路，以下我们要重点介绍使用半导体制造出来的革命性的元器件。

2.1 二极管

二极管应该算是半导体器件家族中的“元老”了。在20世纪六七十年代，人们热衷于装配一种矿石收音机来收听无线电广播，这种矿石收音机里的主要部件就是一个二极管。将一个小的方铅矿晶体放入一个大小合适的铅盒里，将引线分别从铅盒和方铅矿晶体的某一灵敏点引出，就构成了一个具有单向导电性的器件，其功能等效于一个检波二极管，矿石收音机也因此得名。二极管最明显的特性就是它的单向导电特性，它是一种只往一个方向传送电流的电子器件。按照制造材料的不同，二极管可分为硅二极管和锗二极管两种。

2.1.1 二极管的原理

二极管内部由一块P型半导体和一块N型半导体紧密地结合在一起而构成，在P型半导体和N型半导体的交界面上形成一个特殊的分界面，这个分界面被称为PN结。PN结具有单向导电性，电流只能从P型半导体一端流向N型半导体一端，PN结的结构如图2-1所示。

在图2-1所示的结构上，将P型和N型半导体上各加上一根引线引出并封装起来，就构成一个二极管。与P型半导体连接的引线为正极，与N型半导体连接的引线为负极。二极管的实物如图2-2所示，每个二极管上有标注的一端为负极，在电路图中二极管的表示符号如图2-3所示。

2.1.2 二极管的功能

二极管具有单向导电性，主要用作整流（交流电变直流电）。二极管在电路中的整流作用原理如图2-4所示。我们已经知道，交流电电压的大小和方向是周期性变化的，图2-4中变压器的二次侧与二极管和电阻器相连接，当变压器的二次侧产生交流电压时，如果电压相对于二极管是正向电压，二极管导通，电路中有电流流过；当电压为负向时，二极管截止，电路中没有电流流过，即将电路中的电流方向变成了单向流动，交流电变成了脉动直流电。

另外，二极管在正向导通时，它的PN结间会有一个电压降，这个正向压降是稳定的，只与二极管的制造材料有关，通常硅二极管的正向压降为0.7V，锗二极管为0.3V，利用这一特性，可以将二极管作稳压或钳位使用。

2.1.3 发光二极管

发光二极管简称“LED”，它是半导体二极管的一种，是可以将电能转化成光能的二极管。从1960年人们发明了第一个发光二极管至今，二极管已经成为目前最重要的光源。从机场码头的电子屏幕，到宝马、奥迪汽车的日间行车灯，发光二极管以各种姿态和颜色出现在日常生活中，大有取代传统光源的趋势。

与普通二极管一样，发光二极管也是由一个PN结构成的，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，会发射出可见光，不同的半导体材料制成的发光二极管会发出不同颜色的光，根据这一特性，可以将其用在电子设备中作为指示灯或显示用。发光二极管的实物如图2-5所示，在电路中的表示符号如图2-6所示。

2.1.4 稳压二极管

稳压二极管的原理与我们前面介绍的两类二极管有所不同，它是利用二极管的反向特性制成的。二极管的基本特性是单向导通，当对其施加正向电压时，二极管会导通，施加反向电压时则截止，但这里有一个前提，就是反向电压不能超过二极管PN结的反向耐压值。当电压超过二极管的反向耐压值后，二极管就会呈现出一种被击穿的状态，这时只要限制反向电流的大小，二极管虽然被击穿但不会被烧毁。二极管反向击穿后，在一定的击穿电流值范围内，其两端的电压值是恒定的。稳压二极管就是利用二极管的这一特性制成的，它在电路中的表示符号如图2-7所示。

图2-8所示的电路可以说明稳压二极管的原理。12V的供电电压由电压源V1提供，经R1限流后，施加到稳压二极管D1的两端，由于稳压二极管D1的反向耐压只有6.3V，所以D1击穿，击穿后电流趋于无限大，但由于限流电阻R1的限流作用，流过D1的电流会保持在一个固定的值，使D1不会过流而烧毁，这时D1会保持在这种反向击穿的状态，即使12V供电电压有上下波动，电路中A点的电压值也会始终保持在6.3V，这就是稳压二极管的稳压作用原理。

2.2 晶体管

1947年，三位物理学家在美国贝尔实验室发现了举世闻名的晶体管效应，从而使晶体管得以问世，这也是人类电学史上又一伟大的发现。晶体管又称为“双极型晶体管”，是电子电路中极其重要的半导体器件，它主要具有电流放大和开关的作用。

2.2.1 晶体管的原理

晶体管具有三个电极，本书前面介绍的二极管由一个PN结构成，而晶体管则是由两个PN结背对背地连接在一起构成类似于三明治的结构，如图2-9所示。图中两个PN结共用的一个电极是晶体管的基极，用字母“b”表示，其余的两个电极一个为集电极，用字母“c”表示，另一个为发射极，用字母“e”表示。PN结的不同排列组合方式构成了两种不同类型的晶体管，即NPN型和PNP型晶体管。由于制造晶体管所用半导体材料不同，晶体管有硅管和锗管的区别，但目前大多数晶体管都是用硅材料制成的。

晶体管在电路中的表示符号如图2-10所示，其中标有箭头的电极是发射极，箭头朝向晶体管外部的是NPN型晶体管，箭头朝向晶体管内部的是PNP型晶体管，箭头所指的方向也代表着电流的方向。

晶体管的型号众多，常用的晶体管有9013（NPN）、9014（NPN）、1815（NPN）、1015（PNP）、8050（NPN）、8550（PNP）等。不同的晶体管有着不同的封装形式，小功率直插式晶体管大多采用TO-92封装，贴片式晶体管大多采用SOT-23封装，其型号或代号一般都直接标注在外壳上，TO-92封装和SOT-23封装的晶体管如图2-11所示。

2.2.2 晶体管的功能

晶体管是一种用电流控制电流的半导体器件，最基本的作用是放大，它可以将微弱的电信号变成一定强度的信号。晶体管有一个重要的参数，即电流放大系数“β”。当在晶体管的基极上施加一个微小的电流时，在集电极上可以得到一个比基极电流大β倍的电流，这个电流称为集电极电流。集电极电流随着基极电流的变化而变化，基极电流微小的变化都可以引起集电极电流很大的变化，这就是晶体管放大作用的原理。

我们结合图2-12所示的电路来说明晶体管的放大作用。图中当A点为低电平时，没有电流流经电阻R1和晶体管的e、b引脚，这时晶体管处于截止状态，c引脚和e引脚之间电阻为无穷大，小灯DS1不会亮起；当在A点施加一个高电平时，电流从A点经电阻R1流经晶体管的b、c引脚，晶体管b-e结因为施加了正向电压而导通，一个较小的电流会从b引脚流向e引脚，这时一个比基极电流大β倍的集电极电流会从VCC端流过灯泡，再经晶体管的c引脚，最终从e引脚流出至地，这时小灯DS1亮起，晶体管e、c引脚之间呈导通状态。

当A点的电压变化时，晶体管e、b间的电流（基极电流）也会相应变化，从而导致一个更大的电流（集电极电流）在e、c引脚间变化，这个电流的变化会让小灯DS1闪烁。以上，仅就晶体管的电流放大作用做了简单的介绍。别小看了这样一个只有三个引脚的器件，要弄清它的全部功能，恐怕用一本书的篇幅也是不够的，在此只能是抛砖引玉罢了。

2.3 场效应晶体管

晶体管是依靠输入电流变化来控制输出电流的器件，但理想的放大器是不应该损耗信号源的输出电流的，所以在一个由晶体管构成的放大电路中，因为有基极电流的存在，不可避免地会对输入信号带来损耗。与晶体管不同的是，场效应晶体管（FET）是一种用电压来控制电流的器件，具有很高的输入阻抗，且温度稳定性好、噪声低。按照结构的不同，场效应晶体管可以分为以下两类：

1．结型场效应晶体管（JFET）

N型沟道结型场效应晶体管

P型沟道结型场效应晶体管

2．绝缘栅型场效应晶体管（MOSFET）

增强型MOS场效应晶体管（N沟道、P沟道）

耗尽型MOS场效应晶体管（N沟道、P沟道）

绝缘栅型场效应晶体管在实际应用中多见增强型MOS管，N型沟道的简称为“NMOS”, P型沟道的简称为“PMOS”，绝缘栅型场效应晶体管的外观如图2-13所示。

2.3.1 结型场效应晶体管

结型场效应晶体管（JFET）按照制作的工艺不同可分为N型沟道和P型沟道两种，在电路图中的表示符号如图2-14所示。

结型场效应晶体管的内部结构如图2-15所示。我们先以N型沟道结型场效应晶体管为例，在N型硅棒两端引出漏极D和源极S两个电极，又在硅棒的两侧各做一个P区，形成两个PN结。在P区分别引出电极并将其连接起来，成为栅极G，这样就构成了N型沟道的结型场效应晶体管。同样，P型沟道场效应晶体管则是在P型硅棒两侧各做一个N区，就制成了P型沟道结型场效应晶体管。

无论是N型沟道还是P型沟道场效应晶体管，从漏极至源极的电流均受加在栅极和源极PN结上的反向电压的控制，反向电压越高，两个栅极边上的耗尽层就越厚，沟道的面积就越小，流过漏极和源极之间的电流就越小。通过改变栅极和源极之间的电压，就能控制漏极和源极之间的电流。结型场效应晶体管和晶体管相比有输入阻抗高等优点，但也有不足之处，主要表现在以下几个方面：

1）栅源极间的电阻虽然可达10MΩ以上，但在某些场合仍嫌不够高。

2）在高温下，PN结的反向电流增大，栅源极间的电阻会显著下降。

3）栅源极间的PN结加正向电压时，将出现较大的栅极电流。

2.3.2 绝缘栅型场效应晶体管（MOS管）

正因为结型场效应晶体管有上述缺点，使用绝缘栅型场效应晶体管就可以很好地解决这些问题。绝缘栅型场效应晶体管是由金属、氧化物和半导体组成的，所以又称为“金属-氧化物-半导体”场效应晶体管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，简称MOSFET或MOS管）。绝缘栅型场效应晶体管分为增强型和耗尽型两种。在栅极和源极之间不加电压的情况下，漏极和源极之间断开的称为增强型场效应晶体管，导通的称为耗尽型场效应晶体管。无论增强型还是耗尽型，都分为N型沟道和P型沟道两种。

1．增强型MOS管

增强型MOS管在电路中的表示符号如图2-16所示，其内部结构如图2-17所示。

N沟道增强型MOS管是用一块P型硅片作为衬底，在它上面做两个相隔的N型区，作为源极S和漏极D，另外在硅片表面覆盖一层二氧化硅绝缘层，在绝缘层上覆盖金属铝并引出电极作为栅极G。同理，P沟道增强型MOS管是在N型硅上做两个P型区而成。由于增强型MOS管的栅极与其他电极绝缘，所以称为绝缘栅MOS管。也正是由于这个原因，使这种MOS管的输入阻抗非常高。

接下来我们需要分析一下增强型MOS管的原理。当栅极上无电压时，在源极与漏极之间总存在一个反向的PN结，所以不会有电流流过，此时MOS管处于截止状态；当有一个电压施加在MOS管栅极上时，由于电场的作用，此时在半导体中会出现一个导电沟道，使源极和漏极导通，改变栅极电压，就可以控制源极和漏极之间的电流。

2．耗尽型MOS管

耗尽型MOS管在电路中的表示符号如图2-18所示，其内部结构如图2-19所示。

耗尽型MOS管的内部结构和增强型MOS管基本相同，所不同的是在制造管子时在源极和漏极之间预先埋设了导电沟道，所以在无栅极电压的情况下，管子的源极和漏极之间是导通的。当在栅极上施加反向电压时，产生的耗尽层会夹断导电沟道，从而控制源极与漏极之间的电流。

2.4 集成电路

集成电路（Integrated Circuit, IC）是采用特定的工艺，将一个电路中所需的晶体管、二极管、电阻、电容和电感等元器件以及布线相互预先连接在一起，制作在一小块半导体晶片上，然后封装在一个管壳内，成为一种具有特定电路功能的电子元器件。

2.4.1 集成电路的特点

集成电路的实物如图2-20所示。在集成电路中，所有元器件在结构上已经组成一个整体，因此具有体积小、质量轻、可靠性高等优点，便于大规模生产。用集成电路来装配电子设备，其装配密度相比晶体管可提高几十倍甚至几千倍，而且设备的稳定工作时间也大幅提高。

集成电路常用字母“IC”或“U”来表示，在电路中的符号大多表示为有多个引脚的长方形结构，具体如图2-21所示。

2.4.2 集成电路的分类

集成电路由于使用功能和结构的不同，可以将其分为模拟集成电路、数字集成电路和数模混合集成电路三大类。在数字集成电路中，由于制造工艺的不同，又可以将数字集成电路细分为两类。一类是基于传统晶体管构成的集成电路（Transistor-Transistor Logic, TTL），该类数字集成电路由于诞生时间早，所以技术较为成熟，其特点是工作速度快，但功耗较大，近年来正逐渐被CMOS集成电路所取代。TTL数字集成电路的代表型号是早期的74系列门电路，后来又出现了74H、74L、74LS、74AS和74ALS等系列。

另一种数字集成电路是基于新型场效应晶体管构成的集成电路，即互补金属氧化物半导体数字（Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS）集成电路，其内部是由PMOS管和NMOS管构成的。由于MOS管工作在开关状态，比晶体管效率要高得多，因此该类型集成电路的功耗很低，易于制成大规模集成电路，因而得到了较好的发展。CMOS数字集成电路常用的型号有4000系列以及74HC系列等。

2.5 模拟与数字

世界是物质的，来自物质世界的量大多具有模拟性的特点，比如物体的温度、音量的大小、大气的压力以及光照的强度等。我们要对外部世界的模拟量进行感知和处理，就需要对其进行量化，将模拟量转化为数字量，以下重点讨论的是模拟与数字信号的不同特点。

2.5.1 模拟信号

模拟信号是一种连续可变的信号，它不仅在时间上连续，而且在数值上也是连续的。模拟信号具有无穷多的瞬时值，其数学表达式也比较复杂，比如正弦函数、指数函数等，常见模拟信号的波形如图2-22所示。

在电子技术中，通常采用传感器将模拟信号转换为电流、电压或电阻等电学量，这些量同样称为模拟量。通常，我们会将表示模拟量的信号称为模拟信号，将工作在模拟信号下的电子电路称为模拟电路。例如，使用热敏电阻进行温度测量时，热敏电阻输出的电压信号就是模拟信号，所测得的电压信号无论在时间上还是在数量上都是连续变化的，而且这个电压信号在连续变化过程中的任何一个取值都具有相应的物理意义。

2.5.2 数字信号

与模拟信号不同，数字信号的幅度取值是不连续的，幅值被限定在有限的个数之内。在数字信号中，只有表示1的高电平和表示0的低电平两种。例如，在一个电路中，用+5V的高电平表示1，用0V的低电平表示0，那么除此之外的其他电压值都是不存在或不允许有的。数字信号的波形如图2-23所示。

通常，我们将在时间上和数量上都是离散的物理量称为数字量，将表示数字量的信号叫数字信号，将工作在数字信号状态下的电子电路称为数字电路。例如，用光收发器记录从自动生产线上输出的产品数量时，每送出一件产品都会给电子电路一个信号，使其加1，而没有产品输出时电子电路产生的信号是0，产品数量这个信号无论在时间上还是在数量上都是不连续的，而且它的最小数量单位为1。

2.5.3 模拟电子电路

模拟电子电路也被称为线性电路，电路中一般具有输入和输出端，当输入信号的强度变大时，输出信号的强度也会随之变大，这就形成了所谓的线性放大过程。生活中典型的线性电路有很多，例如，我们演出时用的话筒，当我们高声歌唱时，音箱输出的声音也会变得很大，这说明输出信号的幅度与输入信号是成正比关系的，一个典型的线性放大器如图2-24所示。

假定从线性放大器的输入端输入的信号幅度为1，而放大器输出的信号幅度为5，即输出信号的幅度是输入信号的5倍，也就是说这个线性放大器的增益是5。在实际应用中，放大器的增益往往被做得很高，比如常用的运算放大器就具有很高的增益。

2.5.4 运算放大器

运算放大器（简称运放）是一种典型的模拟电路，由于早期应用于模拟计算机中，用以对信号进行加法、减法、积分、微分等数学运算，故得名“运算放大器”。但是运算放大器的用途并不限于此，由于它本身是一种高性能的直接耦合放大器，所以在自动控制、测量技术、音视频处理等领域中均有十分广泛的用途。

运算放大器在电路中的表示符号如图2-25所示。运算放大器具有两个输入端和一个输出端，其中标有“+”号的输入端称为同相输入端，另一个标有“-”号的输入端称为反相输入端。如果分别从这两个输入端输入同样的信号，在输出端会得到电压幅度相同但极性相反的输出信号。也就是说，输出端输出的信号与同相输入端的信号同相，与反相输入端的信号反相。

运算放大器是一个非常有趣的器件，它有着自己的特性，灵活应用这些特性可以获得很多有价值的应用。简单地说，运算放大器的特性可以归纳为两个方面：

1）运算放大器的放大倍数为无穷大。

2）运算放大器的输入电阻为无穷大，输出电阻为零。

我们来具体分析一下运算放大器的工作过程，因为运算放大器的放大倍数为无穷大，所以只要它的输入端的输入电压不为零，输出端就会有一个无穷高的输出电压，但受到电源电压的限制，输出电压不会超过电源电压。换个角度说，如果运算放大器的同相输入端输入的电压比反相输入端输入的电压高，哪怕只高极小的一点，运算放大器的输出端就会输出一个与正电源电压接近的电压。因此不能将运算放大器直接用作放大使用，必须将输出信号的一部分反馈到反相输入端，构成负反馈电路来降低它的放大倍数，这时运算放大器的放大作用才具有实际意义。典型的运算放大器的放大电路如图2-26所示。图中电阻Rf是负反馈电阻，用于将输出信号的一部分返回到运算放大器的反相输入端，由于反相输入端与输出的电压是相反的，所以运算放大器的放大倍数会减小。

2.5.5 数字电子电路

当前，数字化的趋势已经不可避免，而且几乎覆盖了所有领域，数字电路作为数字化的基础，更是得到了空前的发展。简单地说，数字电路就是用数字信号完成对数字量的算术运算和逻辑运算的电路，其构成的基本单元是逻辑门。数字电路以二值数字逻辑为基础，其工作信号是离散的数字信号。数字电路具有以下特点：

1）数字电路中使用二进制的数字信号，可以进行算术运算（加、减、乘、除等），又能进行逻辑运算（与、或、非、判断、比较、处理等），因此非常适用于运算、控制和决策等应用。

2）与模拟电路相比，数字电路主要是进行数字信号的处理，因此抗干扰能力较强，受电源电压波动的影响小，温度和工艺偏差对其工作的可靠性影响也比模拟电路小得多，因此数字化的系统往往具有更高的可靠性。

3）随着超大规模集成电路（VLSI）的发展，可以方便地设计制造出具有处理复杂逻辑功能或可编程的数字电路，集成度高、体积小、功耗低，且电路的设计、维修、维护方便，使产品更小巧，更富有科技感。

2.5.6 逻辑状态0和1

在数字电路中，使用不同的电平状态来表示数字0或1，低电平表示0，高电平表示1。在一个+5V供电的环境里，我们理想的低电平状态0应该对应的是零电压，理想的高电平状态1对应的应是+5V的电压。但是由于制造工艺的原因，不可能制造出这样理想的器件，所以数字电路对电平高低的判断是有一个取值范围的。在TTL数字电路中，当电压为2.0V以上时，表示数字1，电压在0.8V以下时表示数字0。在0.8～2.0V之间被认为是不允许出现的电压范围。TTL数字电路中对高低电平的判定如图2-27所示。

2.5.7 逻辑门

我们可以使用开关和继电器来实现特定的数学逻辑。例如，在图2-28所示的电路中，开关S1和S2构成了或逻辑运算电路。当开关S1和S2中至少有一个闭合时，发光二极管D1会亮起；当S1和S2全部断开时，发光二极管D1才会熄灭。因此开关S1和S2构成了一个“只要其中之一有，就有”的或运算逻辑。

与使用开关来实现逻辑运算的原理相同，在数字电路中，完成数字或逻辑运算的方法是使用不同种类的逻辑门或微处理器。逻辑门（Logic Gates，又称为“数字逻辑电路基本单元”）通常是拥有一个或多个输入端及一个输出端的单元数字模块。当代表两种信号的高低电平在通过逻辑门后，可以产生高电平或者低电平的信号。高、低电平分别代表逻辑上的“真”与“假”或二进制当中的“1”和“ 0”，从而实现逻辑运算。按照实现逻辑功能的不同，逻辑门可以分成与门、或门、非门、异或门等，任何复杂的逻辑电路都可以由若干个逻辑门组成。逻辑门及其表示符号详见表2-1。

1．或门

或门又称“或电路”，是执行“或”运算的基本逻辑门电路。“或”运算的逻辑关系是：如果几个条件中有一个条件得到满足，某事件就会发生。或门通常有多个输入端和一个输出端。只要输入端中有一个为高电平（逻辑1），输出就为高电平（逻辑1）；只有当所有的输入全为低电平时，输出才为低电平。

2．与门

与门又称“与电路”，是执行“与”运算的基本逻辑门电路。与门通常有多个输入端和一个输出端。“与”运算的逻辑关系是：当所有的输入同时为高电平（逻辑1）时，输出才为高电平（逻辑1），否则输出为低电平（逻辑0）。

3．非门

非门又称“反相器”，只有一个输入端和一个输出端。非门逻辑符号中输出端的圆圈代表反相的意思。当非门的输入端为高电平（逻辑1）时，输出端为低电平（逻辑0）；当其输入端为低电平（逻辑0）时，输出端为高电平（逻辑1）。也就是说，非门的输入端和输出端的电平状态总是反相的。

4．与非门

与非门是与门和非门的结合，先进行与运算，再进行非运算。与非门有两个输入端和一个输出端。当输入端中有1个或1个以上是低电平（逻辑0）时，输出为高电平（逻辑1）；只有当所有输入是高电平时，输出才是低电平。

5．或非门

或非门是实现逻辑或非运算功能的门电路，有多个输入端和一个输出端。其运算逻辑是：只有当所有输入端为低电平（逻辑0）时，输出端为高电平（逻辑1）。也可以理解为任意输入端为高电平（逻辑1）时，输出端为低电平（逻辑0）。

6．异或门

异或门是数字逻辑中实现逻辑“异或”的逻辑门，有多个输入端和一个输出端。异或门的作用是将两路信号进行比较，判断是否相同。当两路输入信号不同，即一个为高电平（逻辑1）、一个为低电平（逻辑0）时，异或门的输出端为高电平（逻辑1）。反之，当两个输入端信号相同时，即同时为高电平或者低电平时，异或门的输出端为低电平。

7．同或门

同或门也称为“异或非门”，有2个输入端和1个输出端。当2个输入端中有且只有一个是低电平（逻辑0）时，输出为低电平（逻辑0）。当输入电平相同时，输出为高电平（逻辑1）。

本章回顾

本章主要介绍的二极管、晶体管、场效应晶体管和集成电路等电子元器件都是基于半导体材料制成的，重点是掌握好各种元器件的功能、表示符号及使用方法。以单片机为核心构成的嵌入式产品，其电路大多是模拟与数字电路的混合体，因此学习本章内容也是在为设计单片机的接口电路做准备。