半导体器件

第1章半导体器件第2章常用放大电路第3章集成运算放大器第4章直流稳压电源第6章调制与解调第5章正弦波振动器第7章自动控制电路1.1半导体基础知识1.2半导体二极管1.3半导体三极管1.4场效应管1.5其他半导体器件学习目的与要求了解本征半导体、P型和N型半导体的特征及PN结的形成过程；熟悉二极管的伏安特性及其分类、用途；理解三极管的电流放大原理，掌握其输入和输出特性的分析方法；理解双极型和单极型三极管在控制原理上的区别；初步掌握工程技术人员必需具备的分析电子电路的基本理论、基本知识和基本技能。按其导电能力分：1、导电能力强的物质，称为导体（金属、电解液）2、在一般情况下不能导电的物质，称为绝缘体（玻璃、陶瓷、塑料）3、导电能力介于导体和绝缘体之间的称为半导体（硅、锗、砷化镓、硫化镉）一.半导体材料及分类1—1半导体基础知识绕原子核高速旋转的核外电子带负电。自然界的一切物质都是由分子、原子组成的。原子又由一个带正电的原子核和在它周围高速旋转着的带有负电的电子组成。正电荷负电荷=原子结构中：原子核＋原子核中有质子和中子，其中质子带正电，中子不带电。1.本征半导体最常用的半导体为硅(Si)和锗(Ge)。它们的共同特征是四价元素，即每个原子最外层电子数为4个。++Si(硅原子)Ge(锗原子)硅原子和锗原子的简化模型图Si+4Ge+4因为原子呈电中性，所以简化模型图中的原子核只用带圈的+4符号表示即可。天然的硅和锗是不能制作成半导体器件的。它们必须先经过高度提纯，形成晶格结构完全对称的本征半导体。本征半导体原子核最外层的价电子都是4个，称为四价元素，它们排列成非常整齐的晶格结构。在本征半导体的晶格结构中，每一个原子均与相邻四个原子的价电子两两组成电子对，构成共价键结构。＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4实际上半导体的晶格结构是三维的。晶格结构共价键结构＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4从共价键晶格结构来看，每个原子外层都具有8个价电子。但价电子是相邻原子共用，所以稳定性并不能象绝缘体那样好。在游离走的价电子原位上留下一个不能移动的空位，叫空穴。受光照或温度上升影响，共价键中价电子的热运动加剧，一些价电子会挣脱原子核的束缚游离到空间成为自由电子。热运动造成晶体中出现电子空穴对的现象称为本征激发。本征激发的结果，造成了半导体内部自由电子载流子运动的产生，由此本征半导体的电中性被破坏，使失掉电子的原子变成带正电荷的离子。由于共价键是定域的，使得这些带正电离子不能移动，成为晶体中固定不动的部分，即它们不能参与导电。＋＋＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4受光照或温度上升影响，共价键中其它一些价电子直接跳进空穴，使失电子的原子重新恢复电中性。价电子填补空穴的现象称为复合。此时整个晶体带电吗？为什么？参与复合的价电子又会留下一个新的空位，而这个新的空穴仍会被邻近共价键中跳出来的价电子填补上，这种价电子填补空穴的复合运动使本征半导体中又形成一种不同于本征激发下的电荷迁移，为区别于本征激发下自由电子载流子的运动，我们把价电子填补空穴的复合运动称为空穴载流子运动。本征激发和复合的动画演示＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4半导体中这两种载流子，其中自由电子载流子运动可以形容为没有座位的人依次定向移动；空穴载流子运动则可形容为有座位的人依次向前挪动座位的运动。半导体内部的这两种运动总是共存的，且在一定温度下达到动态平衡。半导体的导电机理在金属导体中存在大量的自由电子，这些自由电子是一种带电的微粒子，在外电场作用下定向移动形成电流。即金属导体内部只有自由电子一种载流子参与导电。半导体由于本征激发而产生自由电子载流子，由复合运动产生空穴载流子，因此，半导体中同时参与导电的通常有两种载流子，且两种载流子总是电量相等、符号相反，电流的方向规定为空穴载流的方向即自由电子的反方向。半导体中同时有两种载流子参与导电，是它与金属导体在导电机理上的本质区别，同时也是半导体导电方式的独特之处。本征半导体虽然有自由电子和空穴两种载流子，但由于数量极少导电能力仍然很低。如果在其中掺入某种元素的微量杂质，将使掺杂后的杂质半导体的导电性能大大增强。+五价元素磷(P)＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4P掺入磷杂质的硅半导体晶格中，自由电子的数量大大增加。因此自由电子是这种半导体的导电主流。在室温情况下，本征硅中的磷杂质等于10-6数量级时，电子载流子的数目将增加几十万倍。掺入五价元素的杂质半导体由于自由电子多而称为电子型半导体，也叫做N型半导体。2.杂质半导体＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4三价元素硼(B)B+掺入硼杂质的硅半导体晶格中，空穴载流子的数量大大增加。因此空穴成为这种半导体的导电主流。一般情况下，杂质半导体中的多数载流子的数量可达到少数载流子数量的1010倍或更多，因此，杂质半导体比本征半导体的导电能力可增强几十万倍。掺入三价元素的杂质半导体，由于空穴载流子的数量大大于自由电子载流子的数量而称为空穴型半导体，也叫做P型半导体。在P型半导体中，多数载流子是空穴，少数载流子是自由电子，而不能移动的离子带负电。－不论是N型半导体还是P型半导体，其中的多子和少子的移动都能形成电流。但是，由于多子的数量远大于少子的数量，因此起主要导电作用的是多数载流子。注意：掺入杂质后虽然形成了N型或P型半导体，但整个半导体晶体仍然呈电中性。一般可近似认为多数载流子的数量与杂质的浓度相等。P型半导体中的空穴多于自由电子，是否意味着它带正电？自由电子导电和空穴导电的区别在哪里？空穴载流子的形成是否是自由电子填补空穴的运动形成的？何谓杂质半导体中的多子和少子？N型半导体中的多子是什么？少子是什么？二.PN结及其导电性（1）PN结的形成杂质半导体的导电能力虽然比本征半导体极大增强，但它们并不能称为半导体器件。在电子技术中，PN结是一切半导体器件的“元概念”和技术起始点。在一块晶片的两端分别注入三价元素硼和五价元素磷++++++++++++++++－－－－－－－－－－－－－－－－P区N区空间电荷区内电场1.PN结的形成PN结形成动画演示说明PN结形成的过程中，多数载流子的扩散和少数载流子的漂移共存。开始时多子的扩散运动占优势，扩散运动的结果使PN结加宽，内电场增强；另一方面，内电场又促使了少子的漂移运动：P区的少子电子向N区漂移，补充了交界面上N区失去的电子，同时，N区的少子空穴向P区漂移，补充了原交界面上P区失去的空穴，显然漂移运动减少了空间电荷区带电离子的数量，削弱了内电场，使PN结变窄。最后，扩散运动和漂移运动达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本稳定，即PN结形成。PN结内部载流子基本为零，因此导电率很低，相当于介质。但PN结两侧的P区和N区导电率很高，相当于导体，这一点和电容比较相似，所以说PN结具有电容效应。PN结正向偏置时的情况（2）PN结的单向导电性PN结反向偏置的情况PN结的上述“正向导通，反向阻断”作用，说明它具有单向导电性，PN结的单向导电性是它构成半导体器件的基础。由于常温下少数载流子的数量不多，故反向电流很小，而且当外加电压在一定范围内变化时，反向电流几乎不随外加电压的变化而变化，因此反向电流又称为反向饱和电流。PN结中反向电流的讨论反向饱和电流由于很小一般可以忽略，从这一点来看，PN结对反向电流呈高阻状态，也就是所谓的反向阻断作用。值得注意的是，由于本征激发随温度的升高而加剧，导致电子—空穴对增多，因而反向电流将随温度的升高而成倍增长。反向电流是造成电路噪声的主要原因之一，因此，在设计电路时，必须考虑温度补偿问题。电子技术基础（第2版）第1章半导体基础与常用器件2.受温度和光照影响，半导体的本征激发产生电子、空穴对；同时，复合运动又使得其它价电子不断地“转移跳进”空穴中。一定温度下，电子、空穴对的激发和复合最终达到动态平衡。平衡状态下，半导体中的载流子浓度一定，即反向饱和电流的数值基本不发生变化。1.半导体中少子的浓度虽然很低，但少子对温度非常敏感，因此温度对半导体器件的性能影响很大。而多子因浓度基本上等于杂质原子的掺杂浓度，所以说多子的数量基本上不受温度的影响。4.PN结的单向导电性是指：PN结正向偏置时，呈现的电阻很小几乎为零，因此多子构成的扩散电流极易通过PN结；PN结反向偏置时，呈现的电阻趋近于无穷大，因此电流无法通过被阻断。3.空间电荷区的电阻率很高，是指其内电场阻碍多数载流子扩散运动的作用，由于这种阻碍作用，使得扩散电流难以通过空间电荷区，即空间电荷区对扩散电流呈现高阻作用。学习与归纳1—2半导体二极管把PN结用管壳封装，然后在P区和N区分别向外引出一个电极，即可构成一个二极管。P区引出的电极称正极（A），N区引出的电极称负极（K）。硅高频检波管开关管稳压管整流管发光二极管电子工程实际中，二极管应用得非常广泛，上图所示为二极管的部分产品实物图。一.半导体二极管的结构和分类外壳触丝N型锗片正极引线负极引线N型锗负极引线底座金锑合金PN结铝合金小球正极引线1、按半导体材料分：硅二极管、锗二极管、砷化镓二极管2、按PN结结构分：点接触型、面接触型、平面型3、按用途分：普通二极管、整流二极管、检波二极管、开关二极管、稳压二极管、变容二极管、发光二极管、光敏二极管二.二极管的特性及应用举例U(V)0.500.8-50-25I(mA)204060(A)4020二极管的伏安特性是指流过二极管的电流与两端所加电压的函数关系。二极管既然是一个PN结，其伏安特性当然具有“单向导电性”。二极管的伏安特性呈非线性，特性曲线上大致可分为四个区：外加正向电压超过死区电压(硅管0.5V，锗管0.1V)时，内电场大大削弱，正向电流迅速增长，二极管进入正向导通区。死区正向导通区反向截止区当外加正向电压很低时，由于外电场还不能克服PN结内电场对多数载流子扩散运动的阻力，故正向电流很小，几乎为零。这一区域称之为死区。外加反向电压超过反向击穿电压UBR时，反向电流突然增大，二极管失去单向导电性，进入反向击穿区。反向击穿区反向截止区内反向饱和电流很小，可近似视为零值。1、二极管的伏安特性正向导通区和反向截止区的讨论U(V)0.500.8-50-25I(mA)204060(A)4020死区正向导通区反向截止区反向击穿区当外加正向电压大于死区电压时，二极管由不导通变为导通，电压再继续增加时，电流迅速增大，而二极管端电压却几乎不变，此时二极管端电压称为正向导通电压。硅二极管的正向导通电压约为0.7V，锗二极管的正向导通电压约为0.3V。在二极管两端加反向电压时，将有很小的、由少子漂移运动形成的反向饱和电流通过二极管。反向电流有两个特点：一是它随温度的上升增长很快，二是在反向电压不超过某一范围时，反向电流的大小基本恒定，而与反向电压的高低无关(与少子的数量有限)。所以通常称它为反向饱和电流。2.二极管的主要参数（2）最大整流电流IDM：指二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流，由PN结的结面积和外界散热条件决定。（3）最高反向工作电压URM：指二极管长期安全运行时所能承受的最大反向电压值。手册上一般取击穿电压的一半作为最高反向工作电压值。（4）反向电流IR：指二极管未击穿时的反向电流。IR值越小，二极管的单向导电性越好。反向电流随温度的变化而变化较大，这一点要特别加以注意。（5）最大工作频率fM：此值由PN结的结电容大小决定。若二极管的工作频率超过该值，则二极管的单向导电性能将变得较差。（1）最大耗散功率Pmax：数值上等于通过管子的电流与加在管子两端电压的乘积。最大耗散功率反映了二极管的耐热。例1-1二极管钳位电路利用二极管正向导通时压降很小的特性。限流电阻R的一端与直流电源U(+)相连，另一端与二极管阳极相连，二极管阴极连接端子为电路输入端A，阳极向外引出的F点为电路输出端。当图中A点电位为零时，则（理想二极管）VD正向导通，此时二极管管压降可视为零值，输出点F的电位就等于A点电位0伏，称作输出F被钳制在零电位；若A点电位较高，造成二极管反偏而不能导通时，电阻R上就会无电流通过，