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1、主要内容主要内容1.1 半导体基础知识1.1.1 本征半导体所谓半导体，顾名思义，就是它的导电能力介乎导体和绝缘体之间。用得最多的半导体是锗和硅，都是四价元素。将锗或硅材料提纯后形成的完全纯净、具有晶体结构的半导体就是本征半导体。半导体的导电能力在不同条件下有很大差别。一般来说，本征半导体相邻原子间存在稳固的共价键，导电能力并不强。但有些半导体在温度增高、受光照等条件下，导电能力会大大增强，利用这种特性可制造热敏电阻、光敏电阻等器件。更重要的是，在本征半导体中掺入微量杂质后，其导电能力就可增加几十万乃至几百万倍，利用这种特性就可制造二极管、三极管等半导体器件。半导体的这种与导体和绝缘体截然不同
2、的导电特性是由它的内部结构和导电机理决定的。在半导体共价键结构中，价电子（原子的最外层电子）不像在绝缘体（8 价元素）中那样被束缚得很紧，在获得一定能量（温度增高、受光照等）后，即可摆脱原子核的束缚（电子受到激发），成为自由电子，同时共价键中留下的空位称为空穴。在外电场的作用下，半导体中将出现两部分电流：一是自由电子作定向运动形成的电子电流，一是仍被原子核束缚的价电子（不是自由电子）递补空穴形成的空穴电流。也就是说，在半导体中存在自由电子和空穴两种载流子，这是半导体和金属在导电机理上的本质区别。本征半导体中的自由电子和空穴总是成对出现，同时又不断复合，在一定温度下达到动态平衡，载流子便维持一定
3、数目。温度愈高，载流子数目愈多，导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能的影响很大。1.1.2 掺杂半导体相对而言，本征半导体中载流子数目极少，导电能力仍然很低。但如果在其中掺入微量的杂质，所形成的杂质半导体的导电性能将大大增强。由于掺入的杂质不同，杂质半导体可以分为 N 型和 P 型两大类。N 型半导体中掺入的杂质为磷或其他五价元素，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，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。P 型半导体中掺入的杂质为硼或其他三价元素，硼原子在取代原晶体结构中的原
4、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。应注意，不论是 N 型半导体还是 P 型半导体，虽然都有一种载流子占多数，但整个晶体仍然是不带电的。1.1.3 PN 结的形成P 型和 N 型半导体并不能直接用来制造半导体器件。通常是在 N 型（或 P 型）半导体的局部再掺入浓度较大的三价（或五价）杂质，使其变为 P 型（或 N 型）半导体，在 P 型和 N 型半导体的交界面就会形成 PN 结，而 PN 结就是构成各种半导体器件的基础。其中，图 a 所示的是一块晶片，两边分别形成 P 型和 N 型半导体。为便于理
5、解，图中 P 区仅画出空穴（多数载流子）和得到一个电子的三价杂质负离子，N 区仅画出自由电子（多数载流子）和失去一个电子的五价杂质正离子。根据扩散原理，空穴要从浓度高的 P 区向 N 区扩散，自由电子要从浓度高的 N 区向 P 区扩散，并在交界面发生复合(耗尽），形成载流子极少的正负空间电荷区（如图 b 所示），也就是 PN 结，又叫耗尽层。正负空间电荷在交界面两侧形成一个由 N 区指向 P 区的电场，称为内电场，它对多数载流子的扩散运动起阻挡作用，所以空间电荷区又称为阻挡层。同时，内电场对少数载流子（P 区的自由电子和 N 区的空穴）则可推动它们越过空间电荷区，这种少数载流子在内电场作用下有
6、规则的运动称为漂移运动。扩散和漂移是相互联系，又是相互矛盾的。在一定条件下（例如温度一定），多数载流子的扩散运动逐渐减弱，而少数载流子的漂移运动则逐渐增强，最后两者达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本上稳定下来，PN 结就处于相对稳定的状态。1.1.4 PN 结的单向导电性PN 结具有单向导电的特性，这也是由其构成的半导体器件的主要工作机理。如果在 PN 结上加正向电压，外电场与内电场的方向相反，扩散与漂移运动的平衡被破坏。外电场驱使 P 区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷，同时 N 区的自由电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷，于是空间电荷区变窄，内电场被削弱，多数载流子的扩散运动增
7、强，形成较大的扩散电流（由 P 区流向 N 区的正向电流）。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，即 PN 结处于导通状态。如果在 PN 结上加反向电压，外电场与内电场的方向一致，扩散与漂移运动的平衡同样被破坏。外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走，于是空间电荷区变宽，内电场增强，使多数载流子的扩散运动难于进行，同时加强了少数载流子的漂移运动，形成由 N 区流向 P 区的反向电流。由于少数载流子数量很少，因此反向电流不大，PN 结的反向电阻很高，即 PN 结处于截止状态。由以上分析可知，PN 结具有单向导电性，这是 PN 结构成半导体器件的基础。动画演示
8、1.2 二极管1.2.1 二极管的结构和分类将 PN 结加上相应的电极引线和管壳，就成为半导体二极管。P 区对应的称为阳极（或正极），N 区对应的称为阴极（或负极）。按结构分，二极管有点接触型和面接触型两类。图（a）所示为点接触型（一般为锗管），它的 PN 结结面积很小，因此不能通过较大电流，但其高频性能好，一般适用于高频和小功率的工作，也用作数字电路中的开关元件。图（b）所示为面接触型（一般为硅管），它的 PN 结结面积大，因此能通过较大电流，但其工作频率较低，一般用作整流元件。图 c、d 所示为二极管的内部结构和符号。1.2.2 二极管的伏安特性二极管既然是一个 PN 结，当然具有单向导电
9、性。图中 Uon 称为死区电压，通常硅管的死区电压约为 0.5V，锗管约为 0.1V。当外加正向电压低于死区电压时，外电场还不足以克服内电场对扩散运动的阻挡，正向电流几乎为零。当外加正向电压超过死区电压后，内电场被大大削弱，正向电流增长很快，二极管处于正向导通状态。导通时二极管的正向压降变化不大，硅管约为 0.60.8V，锗管约为 0.20.3V。温度上升，死区电压和正向压降均相应降低。图中 UBR称为反向击穿电压，当外加反向电压低于 UBR时，二极管处于反向截止区，反向电流几乎为零，但温度上升，反向电流会有增长。当外加反向电压超过 UBR后，反向电流突然增大，二极管失去单向导电性，这种现象称
10、为击穿。普通二极管被击穿后，由于反向电流很大，一般会造成“热击穿”，不能恢复原来性能，也就是失效了。二极管的应用范围很广，主要都是利用它的单向导电性，可用于整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中用作开关元件等。1.2.3 稳压二极管稳压二极管是一种特殊的面接触型二极管，其伏安特性和符号如图 1.2.4稳压管的伏安特性和等效电路所示。由图可见，其特性和普通二极管类似，但它的反向击穿是可逆的，不会发生“热击穿”，而且其反向击穿后的特性曲线比较陡直，即反向电压基本不随反向电流变化而变化，这就是稳压二极管的稳压特性。稳压二极管的主要参数为稳压值 UZ 和最大稳定电流 IZM，稳压值 UZ一般取反向
11、击穿电压。稳压二极管使用时一般需串联限流电阻，以确保工作电流不超过最大稳定电流 IZM 。在图 1.2.5 所示稳压管稳压电路中，R 为限流电阻，RL为负载电阻，只要输入反向电压在超过 Uz 的范围内变化，负载电压则一直稳定在 Uz。1.3.三极管1.3.1 三极管的结构和分类图 1.3.1 所示为三极管的几种常见外形，其共同特征就是具有三个电极，这就是“三极管”简称的来历。通俗来讲，三极管内部为由 P 型半导体和 N 型半导体组成的三层结构，根据分层次序分为NPN 型和 PNP 型两大类。参见图 1.3.2三极管的结构和符号图。其中，图 a、b 所示为NPN 型三极管的内部结构，图 c 为
12、NPN（一般为硅管）和 PNP （一般为锗管）三极管的符号。上述三层结构即为三极管的三个区, 中间比较薄的一层为基区，另外两层同为 N 型或 P 型，其中尺寸相对较小、多数载流子浓度相对较高的一层为发射区，另一层则为集电区。三极管的这种内部结构特点，是三极管能够起放大作用的内部条件。三个区各自引出三个电极，分别为基极（b） 、发射极（e）和集电极（c）。如图 b 所示，三层结构可以形成两个 PN 结，分别称为发射结和集电结。三极管符号中的箭头方向就是表示发射结的方向。三极管内部结构中有两个具有单向导电性的 PN 结，因此当然可以用作开关元件，但同时三极管还是一个放大元件，正是它的出现促使了电子
13、技术的飞跃发展。1.3.2 三极管的电流放大作用图 1.3.3 所示为验证三极管电流放大作用的实验电路，这种电路接法称为共射电路。其中，直流电压源 Vcc应大于 Vbb，从而使电路满足放大的外部条件：发射结正向偏置，集电极反向偏置。改变可调电阻 Rb，基极电流 IB，集电极电流 Ic 和发射极电流 IE都会发生变化，由测量结果可以得出以下结论：（1） IE IB IC ( 符合克希荷夫电流定理）（2） IC IB ? （ ?称为电流放大系数，可表征三极管的电流放大能力）（3） IC IB ?由上可见，三极管是一种具有电流放大作用的模拟器件。1.3.3 三极管的放大原理以下用 NPN 三极管为例
14、说明其内部载流子运动规律和电流放大原理，参见图 1.3.4三极管内部载流子运动与外部电流。1、发射区向基区扩散电子：由于发射结处于正向偏置，发射区的多数载流子（自由电子）不断扩散到基区，并不断从电源补充进电子，形成发射极电流 IE。2、电子在基区扩散和复合：由于基区很薄，其多数载流子（空穴）浓度很低，所以从发射极扩散过来的电子只有很少部分可以和基区空穴复合，形成比较小的基极电流 IB，而剩下的绝大部分电子都能扩散到集电结边缘。3、集电区收集从发射区扩散过来的电子：由于集电结反向偏置，可将从发射区扩散到基区并到达集电区边缘的电子拉入集电区，从而形成较大的集电极电流 IC。1.3.4 三极管的输入
15、输出特性三极管的输入特性是指当集-射极电压 UCE为常数时，基极电流 IB与基-射极电压 UBE之间的关系曲线。参见图 1.3.5三极管的输入特性曲线。对硅管而言，当 UCE超过 1V 时，集电结已经达到足够反偏，可以把从发射区扩散到基区的电子中的绝大部分拉入集电区。如果此时再增大 UCE ，只要 UBE保持不变（从发射区发射到基区的电子数就一定）， IB也就基本不变。就是说，当 UCE超过 1V 后的输入特性曲线基本上是重合的。由图可见，和二极管的伏安特性一样，三极管的输入特性也有一段死区，只有当 UBE大于死区电压时，三极管才会出现基极电流 IB。通常硅管的死区电压约为 0.5V，锗管约为
16、 0.1V。在正常工作情况下，NPN 型硅管的发射结电压 UBE为 0.60.7V，PNP 型锗管的发射结电压 UBE为-0.2 -0.3V。三极管的输出特性是指当基极电流 IB一定时，集电极电流 IC与集-射极电压 UCE之间的关系曲线。在不同的 IB下，可得出不同的曲线，所以三极管的输出特性是一组曲线。参见图1.3.6三极管的输出特性曲线。动画演示通常把输出特性曲线分为三个工作区：1、放大区：输出特性曲线的近于水平部分是放大区。在放大区, IC IB ?,由于在不同 IB下电流放大系数近似相等，所以放大区也称为线性区。三级管要工作在放大区，发射结必须处于正向偏置，集电结则应处于反向偏置，对硅管而言应使 UBE0，UBC0，或 UI40V，D2导通的条件是 80V - UI0，或UI80V 时，D1导通，D2截止，Uo=80V电路的电压传输特性如图(b)。例 3 又两个双极型三极管：A 管的 200，ICEO=200A；B 管的 50，ICEO=50A，其它参数相同，应选用哪一个？解：本题的目的是加深对
