半导体及基本器件

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1、第1章 半导体及基本器件,1.1 半导体二极管的识别、检测与选用,1.2 半导体三极管的识别、检测与选用,1.3 场效应管,第1章 半导体及基本器件,1.1半导体二极管的识别、检测与选用1.1.1 半导体基本知识1本征半导体纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。用得最多的半导体材料是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是4个。在绝对温度（0K）时，所有价电子都被共价键束缚，没有自由运动的带电粒子，故不能导电，这时的半导体相当于绝缘体。其共价键结构的立体和平面示意图如图1-1-1所示。,图1-1-1 硅原子空间排列及共价键结构平面示意图,第1章 半导体及基本器件,当温度升高或受光照射时，

2、少数共价键中的价电子吸取一定的能量后，挣脱共价键的束缚，离开原子成为自由电子，而原来共价键上留下一个缺少电子的空位，叫做空穴。这一现象称为本征激发（也称热激发）。可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。部分的自由电子也可能回到空穴中去，称为复合，如图1-1-2所示。本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。 由此可见，本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。自由电子的定向运动可形成电子电流，空穴的定向运动也可形成空穴电流，它们的方向相反。,图1-1-2 本征激发和复合,第1章 半导体及基本器件,2杂质半导体 在本征半导体中，掺入微量的杂质元素，能使半

3、导体的导电能力大大增强。根据掺入杂质的化合价的不同，杂质半导体分为N型和P型两大类。（1）N型半导体。 把自由电子浓度大大增加的杂质半导体，称为N型半导体（也称电子半导体）。 在纯净的半导体硅或锗内掺入微量的五价元素如磷（P）后，磷原子在取代原晶体结构中的原子并构成共价键时，多余的第五个价电子很容易摆脱磷原子核的束缚而成为自由电子，如图1-1-3所示。于是半导体中的自由电子数目大量增加，自由电子成为多数载流子，空穴则成为少数载流子。,图1-1-3 N型半导体的结构示意图,第1章 半导体及基本器件,图1-1-4 P型半导体的结构示意图,（2）P型半导体。 把空穴浓度大大增加的杂质半导体，称为P

4、型半导体（也称空穴半导体）。 在纯净的半导体硅或锗内掺入微量三价元素如硼（B）后，硼原子在取代原晶体结构中的原子并构成共价键时，将因缺少一个价电子而形成一个空穴，于是半导体中的空穴数目大量增加，空穴成为多数载流子，而自由电子则成为少数载流子，如图1-1-4所示。,第1章 半导体及基本器件,1.1.2 PN结及其单向导电性 若将P型半导体和N型半导体结合在一起，由于交界面两侧载流子的浓度差别，N区的电子往P区扩散，P区空穴往N区扩散，扩散结果是：在N区和P区的交界处两侧分别产生正负离子，形成空间电荷区，即PN结，又称为耗尽层和阻挡层，如图1-1-5所示,图1-1-5 PN结形成,第1章 半导体及

5、基本器件,若在PN结两端接上外加正向偏压（P区接电源正极，N区接电源负极），则在正向偏压作用下，多子（P区的空穴，N区的电子）流向交界处分别中和了空间电荷区中一部分负、正离子，使空间电荷区变窄，PN结电阻变小，从而形成较大的正向电流IF，正向电流随正向偏压的增大而变大，如图1-1-6所示。,图1-1-6 PN结加正向偏压,第1章 半导体及基本器件,当PN结加反向偏压时（正极接N区，负极接P区），将使多子（P区的空穴，N区的电子）远离交界处，使空间电荷增多，空间电荷区变宽，阻止了多数载流子的扩散，只有少数载流子的运动，把反偏时流过PN结的电流称为反向饱和电流，以IR表示，如图1-1-7所示。随着

6、反向电压的升高，反向电流几乎不变。（注：若将反向电压继续增加到PN结击穿电压时，就会产生大量的少数载流子，可使得PN结烧坏）。,图1-1-7 PN结反向偏压,第1章 半导体及基本器件,1.1.3 半导体二极管的分类、检测与选用 二极管是由一个PN结构成的半导体器件，即将一个PN结加两根电极引线做成管芯，并用管壳封装而成。P型区的引出线称为正极或阳极，N型区的引出线称为负极或阴极，如图1-1-8所示。,图1-1-8 二极管的结构及符号,第1章 半导体及基本器件,1二极管的分类（1）根据构造分类。 半导体二极管主要是依靠PN结的单向导电性（参阅附加阅读材料）而工作的。根据PN结构造面的特点，把晶体

7、二极管分类如下。 点接触型二极管。点接触型二极管是在锗或硅材料的单晶片上压触一根金属针形成，适用于高频电路。 面接触型二极管。面接触型二极管包括合金型二极管、扩散型二极管、平面外延型二极管等。 肖特基二极管。在金属和半导体的接触面上，用已形成的肖特基来阻挡反向电压，肖特基与PN结的整流作用原理有根本性的差异。,图1-1-9 二极管的结构示意图,第1章 半导体及基本器件,图1-1-10 肖特基二极管的结构与封装（单管与双管封装）,第1章 半导体及基本器件,（2）根据用途分类。 检波用二极管。检波即从输入信号中取出被调制信号，通常输出电流小于100mA。 整流用二极管。整流即把输入交流电变成输出直

8、流电，通常电流在几十毫安以上。,图1-1-12 几种普通整流二极管外形,图1-1-11 1N60P点接触型锗二极管,第1章 半导体及基本器件, 开关二极管。小电流的开关二极管通常为点接触型二极管，也有可在高温下工作的硅扩散型、平面型二极管。 变容二极管。用于自动频率控制（AFC）和调谐用的小功率二极管称变容二极管。,图1-1-13 1SS110、1SS265型开关二极管,图1-1-14 常见变容二极管及其结构,第1章 半导体及基本器件, 稳压二极管。利用二极管的反向击穿特性制成的产品。 发光二极管（LED）。是一种光发射器件（如图1-1-16所示），能把电能直接转化成光能。,图1-1-15 常

9、用0.5W，1W稳压管,图1-1-16 常见发光二极管,第1章 半导体及基本器件,2二极管的特性二极管最主要的特性是单向导电性，其伏安特性曲线如图1-1-17所示。（1）正向特性。 （2）反向特性。 （3）击穿特性。 （4）频率特性。,图1-1-17 二极管的伏安特性曲线,第1章 半导体及基本器件,3二极管的主要参数（1）正向电流IF。在额定功率下，允许通过二极管的电流值。（2）正向电压降UF。二极管通过额定正向电流时，在两极间所产生的电压降。（3）最大整流电流（平均值）IOM。在半波整流连续工作的情况下，允许的最大半波电流的平均值。（4）反向击穿电压UB。二极管反向电流急剧增大到出现击穿现象

10、时的反向电压值。（5）反向峰值电压URM。二极管正常工作时所允许的反向电压峰值。（6）反向电流IR。在规定的反向电压条件下流过二极管的反向电流值。（7）最高工作频率fm。二极管具有单向导电性的最高交流信号的频率。,第1章 半导体及基本器件,4二极管的简易测试方法 二极管的极性通常在管壳上注有标记，如无标记，可用万用表电阻挡测量其正反向电阻来判断：用万用表R*100或R*1k挡，任意测量二极管的两根引线，如果量出的电阻只有几百欧姆（正向电阻），则黑表笔（既万用表内电池正极）所接引线为正极，红表笔（既万用表内电源负极）所接引线为负极，如图1-1-18所示。,图1-1-18 用万用表电阻挡测量二极管

11、,第1章 半导体及基本器件,5二极管的选用 二极管可用于检波、整流、稳压、保护、调谐、调制、开关、箝位、测温等多种场合，可根据不同的要求选用。（1）选用检波二极管主要考虑工作频率高，反向电流小（极表明检波效率高）。（2）对小功率普通整流电路，主要考虑最大整流电流与最高工作电压应符合电路要求，一般采用面接触型 。（3）稳压二极管一般用于基准电压产生、过压保护等，选用时，除稳压值要满足要求外，还要考虑最小稳定电流、最大耗散功率等因素。 （4）开关二极管一般用于开关电路、检波电路、高频脉冲整流等场合，中速开关电路可选用2AK系列等。（5）变容二极管的选用主要考虑工作频率、最高反向工作电压、零偏压电容

12、等参数，应选用容量变化大、Q值高、反向漏电小的变容二极管。（6）电路设计时二极管选用还要考虑体积大小、封装形式、性价比等因素。,第1章 半导体及基本器件,1.2 半导体三极管的识别、检测与选用,1.2.1 半导体三极管的结构、符号及类型1三极管的结构、符号及类型 三极管是通过一定的工艺，将两个PN结结合在一起的器件，它是电子电路中的核心器件。三极管有NPN和PNP两种类型， 无论是NPN型还是PNP型三极管，它们内部都含有三个区，分别称为发射区、基区和集电区，三个区引出的电极分别是发射极e、基极b和集电极c，发射区和基区之间的PN结称为发射结，基区和集区之间的PN结称为集电结。,图1-2-1

13、三极管的外形、内部结构示意图及符号,第1章 半导体及基本器件,2半导体三极管的分类 半导体三极管亦称双极型晶体管，其种类非常多。按照结构工艺分类，有PNP和NPN型；按照制造材料分类，有锗管和硅管；按照工作频率分类，有低频管和高频管；一般低频管的工作频率在3MHz以下的电路中，高频管的工作频率可以达到几百兆赫以上。按照允许耗散的功率大小分类，有小功率管和大功率管；一般小功率管的额定功耗在1W以下，而大功率管的额定功耗可达几十瓦以上，常见的半导体三极管外型见图1-2-2所示。,图1-2-2 各种晶体管的外形,第1章 半导体及基本器件,1.2.2 半导体三极管放大原理 半导体三极管的主要功能是放大

14、电信号，为了实现对微小信号的放大作用，必须满足发射结正偏，集电结反偏。下面以NPN管为例来说明晶体管放大原理。1半导体三极管的电流分配关系 发射极电流恒等于基极电流和集电极电流之和。即 IE =IB+IC（1-1） 事实上，如果将半导体三极管看成一个节点，应用基尔霍夫定律即可得到式1-1，图1-2-4为半导体三极管电流分配示意图,图1-2-3 晶体管电流分配实验电路 图1-2-4 晶体管电流分配,第1章 半导体及基本器件,2半导体三极管的电流放大作用,第1章 半导体及基本器件,1.2.3 半导体三极管特性曲线 半导体三极管各电极电压和电流之间的关系曲线称为晶体管伏安特性曲线。下面以NPN型管为

15、例，采用图1-2-5所示测量电路进行测试（也可用晶体管特性图示仪直接在仪器显示屏上显示）。,图1-2-5 共射极电路输入、输出特性测量电路,第1章 半导体及基本器件,1输入特性曲线 输入特性是指UCE为某一定值时，输入电流IB与输入电压UBE的关系曲线。 在输入回路中，发射结是一正向偏置的PN结，因此输入特性与二极管正向伏安特性相似，当输出电压UCE变化时，不会引起特性曲线太大的漂移，半导体三极管输入特性曲线如图1-2-6所示。,图1-2-6 输入特性曲线,第1章 半导体及基本器件,2输出特性 输出特性是指IB一定时，输出电流IC与输出电压UCE的关系曲线，如图1-2-7所示。 图1-2-7所示的输出特性曲线，可以划分为三个区域。（1）截止区。（2）放大区。（3）饱和区。,图1-2-7 输出特性曲线,第1章 半导体及基本器件,1.2.4 半导体三极管的主要参数 1电流放大系数 电流放大系数的概念前已阐述。工程实际使用中，要注意由于三极管制造工艺的限制，半导体器件有较大的分散性，同一种型号三极管的电流放大系数也有很大的差别。2极间反向饱和电流ICBO和穿透电流ICEO3极限参数（1）集电极最大允许电流ICM。（2）集电极最大耗散功率PCM。（3）反向击穿电压U(BR)CEO。（4）频率参数。,