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1、项目 6 制作电源指示灯电路,6.1 半导体的基础知识 6.2 半导体二极管 6.3 半导体三极管 6.4 场效应管,返回,6.1 半导体的基础知识,6.1.1 本征半导体 本征半导体是一种纯净的半导体晶体。常用的半导体材料有硅和锗。它们都是 4 价元素，其原子结构的最外层轨道上有 4 个价电子，当把硅或锗制成晶体时，它们是靠共价键的作用而紧密联系在一起，如图 6-1 所示。硅、锗等具有与金刚石相同的结构。这种结构的一个重要特点是 每个原子有4个最邻近原子，它们正好是一个正四面体的顶角位置。半导体一般都具有这种晶体结构，所以半导体也称为晶体，这就是晶体管名称的由来。 硅的原子序数为 14，有
2、14 个电子绕核旋转；锗的原子序数为 32，有 32 个电子绕核旋转；二者最外层轨道上均有 4 个电子。外层电子离原子核最远，受到的束缚最弱，称为价电子。每一个原子的一个价电子与另一原子的一个价电子组成一个电子对。这对价电子是每两个相邻原子共有的。,下一页,返回,6.1 半导体的基础知识,这一对共价电子与两个原子核都有吸引作用，称为共价键。在绝对零度下，这种共价键结构非常稳定，电子被牢牢束缚住。但在室温和光照下，价电子受到热激发和光照射就可获得足够的能量，摆脱共价键的束缚，成为自由电子，这时共价键上留下一个缺位，邻近的价电子随时可跳过来填补缺位，从而使缺位转移到邻键上去。所以，缺位也是可以移动
3、的。这种可以自由移动的缺位被称为空穴，它带正电。同时价电子也按一定的方向依次填补空穴，从而使空穴产生定向移动，形成空穴电流。因此，在半导体晶体中存在两种载流子，即带负电的自由电子和带正电的空穴，它们是成对出现的。因此，半导体是靠电子和空穴的移动来导电的。自由电子和空穴统称为载流子。,上一页,下一页,返回,6.1 半导体的基础知识,6.1.2 杂质半导体 在本征半导体中，两种载流子的浓度很低，因此导电性很差。若向晶体中适量地掺入特定的杂质来改变它的导电性，这种半导体被称为杂质半导体。掺杂后的半导体（杂质半导体）的导电性能将大大增强。根据掺入杂质元素的性质不同，杂质半导体可分为 N 型半导体（电子
4、为多数载流子）和 P 型半导体（空穴为多数载流子）。掺杂产生的载流子浓度基本不受温度的影响。,上一页,下一页,返回,6.1 半导体的基础知识,1N 型半导体 在本征半导体硅或锗中，掺入微量的 5 价元素如磷，由于掺入的数量极少，所以本征半导体的晶体结构不会改变，只是晶体结构中某些位置上的硅（锗）原子被磷原子所代替，当这些磷原子与相邻的 4个硅原子组成共价键时，磷原子最外层有 5 个价电子，还多余一个自由电子。多余的电子在获得外界能量时，比其他价键上的电子更容易脱离原子核的束缚而成为自由电子。因此在这种半导体中有更多的自由电子，这就显著地提高了其导电能力。这种半导体以自由电子导电为主要导电方式，
5、故称它为电子半导体或 N 型半导体。N 型半导体中自由电子是多数载流子（简称多子），空穴是少数载流子（简称少子），如图 6-2 所示。,上一页,下一页,返回,6.1 半导体的基础知识,2P 型半导体 在本征半导体硅或锗中，掺入微量的 3 价元素如硼，半导体中的某些原子被杂质原子所代替，但是杂质原子的最外层只有 3 个价电子，它与周围的原子形成共价键后，还多余一个空穴，因此使其中的空穴浓度远大于自由电子的浓度。这种半导体以空穴导电为主要导电方式，故称它为空穴型半导体或 P 型半导体。P 型半导体中，自由电子是少数载流子，空穴是多数载流子，如图 6-3 所示。,上一页,下一页,返回,6.1 半导体
6、的基础知识,6.1.3 PN 结 1PN 结的形成 通过现代工艺，在 N 型（P 型）半导体的基片上，采用扩散工艺制造一个 P 型（N 型）区，则在 P 区和 N 区之间的交界面附近，将形成一个很薄的空间电荷区，称之为 PN 结对称的 PN 结如图 6-4 所示。 在形成的 PN 结中，由于两侧的电子和空穴的浓度相差很大，因此它们会产生扩散运动：电子从 N 区向 P 区扩散；空穴从 P 区向 N 区扩散。因为它们都是带电粒子，它们向另一侧扩散的同时在 N 区留下了带正电的空穴，在 P 区留下了带负电的杂质离子，这样就形成了空间电荷区，也就是形成了电场（内电场）。它们的形成过程如图 6-5 所示
7、。,上一页,下一页,返回,6.1 半导体的基础知识,2PN 结的单向导电性 在 PN 结两端加不同方向的电压，可以破坏它原来的平衡，从而使它呈现出单向导电性。 （1）PN 结外加正向电压。 PN 结外加正向电压的接法是 P 区接电源的正极，N 区接电源的负极。这时外加电压形成电场的方向与自建场的方向相反，从而使阻挡层变窄，扩散作用大于漂移作用，多数载流子向对方区域扩散形成正向电流（方向是从 P 区指向 N 区）。在一定范围内，外电场愈强，正向电流愈大，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，但由于它们的运动方向相反，所以电流方向一致
8、。外电源不断地向半导体提供电荷，使电流得以维持，如图 6-6（a）所示。,上一页,下一页,返回,6.1 半导体的基础知识,（2）PN 结外加反向电压。 它的接法与正向相反，如图 6-6（b）所示。即 P 区接电源的负极，N 区接电源的正极。此时的外加电压形成电场的方向与自建场的方向相同，从而使阻挡层变宽，漂移作用大于扩散作用，少数载流子在电场的作用下，形成漂移电流，它的方向与正向电压的方向相反，所以又称为反向电流。因反向电流是少数载流子形成，故反向电流很小，即使反向电压再增加，少数载流子也不会增加，此时，PN 结处于截止状态，呈现的电阻为反向电阻，而且阻值很高。 由以上可以看出：PN 结在正向
9、电压作用下，电阻很低，正向电流较大（处于导通状态）；在反向电压的作用下，电阻很高，反向电流很小（处于截止状态），因此 PN 结具有单向导电性。,上一页,返回,6.2 半导体二极管,6.2.1 二极管的类型和结构 在 PN 结的外面装上管壳，再引出两个电极，就做成了一个半导体二极管（简称二极管）。二极管的类型很多，从制造材料上分，有硅二极管和锗二极管；按管子的结构来分，有点接触型二极管和面接触型二极管。点接触型二极管（一般为锗管）如图 6-7（a）所示，它的特点是 PN 结的面积非常小，因此不能承受较大反向电压和大的电流，但是高频性能好，故适用于高频和小功率的场合，也用作数字电路中的开关元件。面
10、接触型二极管（一般为硅管）如图 6-7（b）所示。它的 PN 结的面积大，故可通过较大的电流，但工作频率较低，一般用作整流，而不宜用于高频电路中。 图 6-7（c）所示是硅工艺平面型二极管的结构图，是集成电路中常见的一种形式。二极管的表示符号如图 6-7（d）所示。,下一页,返回,6.2 半导体二极管,6.2.2 二极管的伏安特性 二极管本质上就是一个 PN 结，因此，它在正向偏置下容易导电（导通状态），在反向偏置时基本上不导电（截止状态），这一单向导电性可用伏安特性表示，如图 6-8 所示。所以伏安特性就是管子两电极间所加的电压与流过它的电流之间的关系曲线。电压的单位为 V，电流的单位为 A
11、（或 mA、A 等）。 1正向特性 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（少量能量较大者除外）扩散运动的阻力，故正向电压低于某一数值时，正向电流很小，几乎为零。,上一页,下一页,返回,6.2 半导体二极管,只有当正向电压高于某一值时，内电场被大大削弱，二极管才有明显的正向电流，这个电压被称为导通电压，又称它为门限电压或死区电压，其大小与材料及环境温度有关。通常，硅管的死区电压约为 0.5V，锗管约为 0.1V。在室温下，导通时的正向压降，硅管的为 0.60.8V，锗管的为 0.10.3V。 2反向特性 在二极管上加反向电压一定时，由于少数载流子的漂移运动，形成
12、的反向电流很小，而且变化不大。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。而当外加反向电压大于某一数值时，反向电流急剧变大，二极管失去单向导电性而产生击穿。二极管被击穿后，一般不能恢复原来的性能，便失效了。,上一页,下一页,返回,6.2 半导体二极管,6.2.3 二极管的主要参数 二极管的特性除用伏安特性曲线表示外，还可以用一些数据来说明，这些数据就是二极管的参数。在工程上必须根据二极管的参数合理地使用和选择二极管，只有这样才能充分发挥每个二极管的作用。 1最大整流电流 I OM 它是指二极管长时间使用时，允许
13、通过二极管的最大正向平均电流。点接触型二极管的最大整流电流在几十毫安以下。面接触型二极管的最大整流电流较大，如 2CP10 型硅二极管的最大整流电流为 100mA。当电流超过允许值时，将由于 PN 结过热而使管子损坏。,上一页,下一页,返回,6.2 半导体二极管,2最大反向工作电压 U RM 它是指二极管在工作中能承受的最大反向电压，它也是使二极管不致反向击穿的电压极限值。在一般情况下，最大反向工作电压应小于反向击穿电压，是反向击穿电压的 1/2 或 2/3。选用二极管时，还要以最大反向工作电压为准，并留有适当余地，以保证二极管不致损坏。例如，2AP21 型二极管的反向击穿电压为 15V，最大
14、反向工作电压小于 10V；2AP26 的反向击穿电压为 150V，最大反向工作电压小于 100V。 3最大反向电流 I RM 它是指二极管上加工作峰值电压时的反向电流值。I RM 越小，二极管的单向导电性越好。硅管的反向电流较小，在几微安以下。锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。,上一页,下一页,返回,6.2 半导体二极管,6.2.4 特殊二极管 1稳压二极管 稳压二极管是一种特殊的面接触型硅晶体二极管。由于它有稳定电压的作用，故称为稳压管。经常应用在稳压设备和一些电子线路中。稳压二极管也称为齐纳二极管。图 6-10 所示为稳压二极管的伏安特性曲线和图形符号及稳压电路。稳压二极管的特性曲
15、线与普通二极管基本相似，只是稳压二极管的反向特性曲线比较陡。稳压二极管是利用二极管的击穿特性：因为二极管工作在反向击穿区，反向电流变化很大的情况下，反向电压变化则很小，从而表现出很好的稳压特性。,上一页,下一页,返回,6.2 半导体二极管,2半导体发光二极管 半导体发光二极管（LED）由砷化镓、磷化镓等化合物所制成。这种二极管通以电流时将发出光来。有红、绿、黄、橙色的发光二极管。适用于各种电子仪器、仪表、家用电器做显示电源、状态指示、计算机电路监控、状态信息显示以及小电流稳压等。其图形符号和光电传输系统如图 6-11 所示。,上一页,返回,6.3 半导体三极管,半导体三极管（简称三极管，又称晶
16、体管）是最重要的一种半导体器件。它的放大作用和开关作用促使了电子技术的飞跃发展。三极管的特性是通过特性曲线和工作参数来分析研究的。 6.3.1 三极管的结构及类型 三极管的构成是在一块半导体上用掺入不同杂质的方法制成两个紧挨着的 PN 结，并引出三个电极。三极管有三个区：发射区 发射载流子的区域；基区 载流子传输的区域；集电区 收集载流子的区域。各区引出的电极依次为发射极（e）、基极（b）和集电极（c）。发射区和基区在交界区形成发射结；基区和集电区在交界处形成集电结。根据半导体各区的类型不同，三极管可分为 NPN 型和 PNP 型，它们的结构示意图和电路符号分别如图 6-12 （a）、（b）所示。,下一页,返回,6.3 半导体三极管,目前 NPN 型管多数为硅管，PNP 型多数为锗管。因 NPN 型三极管应用最为广泛，故本书以 NPN 型三极管为例来分析三极管及其放大电路的工作原理。 为使三极管具有电流放大作用，在制造过程中必须满足实现放大的内部结构条件，即： （1）发射区掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度，以便于有足够的载流子供“发射”。 （2）
