半导体基础与常用器件

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1、电子技术基础电子技术基础半导体基础与常用器件半导体基础与常用器件第第1 1章章 半导体及基本器件半导体及基本器件 第第2 2章章 基本放大电路基本放大电路第第3 3章章 集集成运算放大器成运算放大器第第7 7章章 数字逻辑基础数字逻辑基础第第5 5章章 直流稳压电路直流稳压电路第第8 8章章 组合逻辑电路组合逻辑电路第第4 4章章 波形的产生与变换波形的产生与变换第第9 9章章 时序逻辑电路时序逻辑电路电子技术基础电子技术基础半导体基础与常用器件半导体基础与常用器件1.1 半导体的基本知识1.2 半导体二极管1.3 特殊二极管1.4 半导体三极管电子技术基础电子技术基础半导体基础与常用器件半导

2、体基础与常用器件学习目的与要求学习目的与要求1、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；2、熟悉二极管的伏安特性及其分类、用途；3、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；电子技术基础电子技术基础半导体基础与常用器件半导体基础与常用器件1.1 半导体的基本知识绕原子核高速旋转的核外 电子带负电带负电。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。正电荷正电荷负电荷负电荷= =原子结构中：原子核原子核中有质子和中子， 其中质子带正电带正电，中子不带 电。1. 导体、半导体和绝缘体电子技术基础电子

3、技术基础半导体基础与常用器件半导体基础与常用器件（1） 导体导体的最外层电子数通常是13个，且距原子核较远， 因此受原子核的束缚较小。由于温度升高、振动等外界的 影响，导体的最外层电子会获得一定能量，挣脱原子核的 束缚而游离到空间成为自由电子。因此，导体在常温下存 在大量的自由电子，具有良好的导电能力。常用的导电材 料有银、铜、铝、金等。 原子核导体的特点：导体的特点：内部含有大量的自由电子电子技术基础电子技术基础半导体基础与常用器件半导体基础与常用器件（2） 半导体半导体的最外层电子数一般为4个，在常温下存在的自 由电子数介于导体和绝缘体之间，因而在常温下半导体的 导电能力也是介于导体和绝缘

4、体之间。常用的半导体材料有硅、锗、硒等。 原子核半导体的特点：半导体的特点：虽然导电性能介于导体 和绝缘体之间，但是具有 其独特的性能。电子技术基础电子技术基础半导体基础与常用器件半导体基础与常用器件（3） 绝缘体绝缘体的最外层电子数一般为68个，且距原子核较 近，因此受原子核的束缚力较强而不易挣脱其束缚。常温下绝缘体内部几乎不存在自由电子，因此导电能 力极差或不导电。常用的绝缘体材料有橡胶、云母、陶瓷等。原子核绝缘体的特点：绝缘体的特点：内部几乎没有自由电子， 因此不导电。电子技术基础电子技术基础半导体基础与常用器件半导体基础与常用器件2. 本征半导体最常用的半导体为硅(Si)和锗(Ge)。

5、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SiSi+4+4GeGe+4+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。电子技术基础电子技术基础半导体基础与常用器件半导体基础与常用器件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的四个原子结合，即与相邻四 个原子的价电子两两组成电子对，构成共价键结构共价键结构。

6、444444444实际上半导体的 晶格结构是三维 的。晶格结构共价键结构电子技术基础电子技术基础半导体基础与常用器件半导体基础与常用器件444444444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。由于热激发而在晶体中出现电子空穴对的现象称为本征激发本征激发。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

7、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，这些带正电的离子不会移动，即不能参 与导电，成为晶体中固定不动的带正电离子。 电子技术基础电子技术基础半导体基础与常用器件半导体基础与常用器件444444444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复合。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称为空穴载流子运动。此时整个晶 体带电吗？ 为什么？电子技术基础电子技术基础半导体基础与常用器件半导体基础与常用器件半导体的

8、导电机理与金属导体导电机理有本质上的区别： 金属导体中只有自由电子一种载流子参与导电；而半导体中 则是本征激发下的自由电子和复合运动形成的空穴两种载流 子同时参与导电。两种载流子电量相等、符号相反，即自由 电子载流子和空穴载流子的运动方向相反。444444444自由电子载流子运动可以形 容为没有座位人的移动；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。 半导体的导电机理电子技术基础电子技术基础半导体基础与常用器件半导体基础与常用器件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。

9、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)444444444P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。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。3. 杂质半导体电子技术基础电子技术基础半导体基础与常用器件半导体基础与常用器件444444444三价元素硼(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。因此空穴是 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

10、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，不能移动的离子带负电。电子技术基础电子技术基础半导体基础与常用器件半导体基础与常用器件不论是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：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 意味着带正电？自由

11、电子导电和空 穴导电的区别在哪 里？空穴载流子的 形成是否由自由电 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？电子技术基础电子技术基础半导体基础与常用器件半导体基础与常用器件4. PN结及其形成过程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 P区区N N区区空间电荷区内电场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

12、一点和 电容比较相似，所以说PN结具有电容效应。电子技术基础电子技术基础半导体基础与常用器件半导体基础与常用器件动画演示电子技术基础电子技术基础半导体基础与常用器件半导体基础与常用器件PN结的单向导电性电子技术基础电子技术基础半导体基础与常用器件半导体基础与常用器件PN结反向偏置时的情况电子技术基础电子技术基础半导体基础与常用器件半导体基础与常用器件PN结的单向导电性PN结的上述“正向导通，反向阻断”作用，说明它具有单向单向 导电性导电性，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

13、变化而变化，因此反向电流又称为反向饱和电流。反 向饱和电流由于很小一般可以忽略，PN结对反向电流呈高阻 状态，也就是所谓的反向阻断反向阻断作用。PN结中反向电流的讨论PN结的反向击穿问题PN结反向偏置时，在一定的电压范围内，流过PN结的电 流很小，基本上可视为零值。但当电压超过某一数值时，反 向电流会急剧增加，这种现象称为PN结反向击穿反向击穿。电子技术基础电子技术基础半导体基础与常用器件半导体基础与常用器件能否说出PN结有何 特性？半导体的导 电机理与金属导体 有何不同？什么是本征激发？ 什么是复合？少数 载流子和多数载流 子是如何产生的 ？空间电荷区的 电阻率为什么很 高？电子技术基础电子

14、技术基础半导体基础与常用器件半导体基础与常用器件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。二极管是电子技术中最基 本的半导体器件之一。根据其用途分有检波管、开关管、 稳压管和整流管等。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，上图所示即 为各类二极管的部分产品实物图。电子技术基础电子技术基础半导体基础与常用器件半导体基础与常用器件1. 二极管的基本结构和类型点接触型点接触型：结面积小，适用于 高频检波、脉冲电路及计算机 中的开关元件。外壳触丝N型锗片 正极引线负极引线N型锗面接触型：面接触型：结面积大

15、，适用于低频整流器件。负极引线底座金锑合金PN结铝合金小球正极引线普通二极管 图符号稳压二极管 图符号发光二极管 图符号DDZD使用二极管时，必须 注意极性不能接反，否 则电路非但不能正常工 作，还有毁坏管子和其 他元件的可能。电子技术基础电子技术基础半导体基础与常用器件半导体基础与常用器件2. 二极管的伏安特性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

16、.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。电子技术基础电子技术基础半导体基础与常用器件半导体基础与常用器件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