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1、第二部分电子技术基础第1章半导体器件1.1 半导体及PN结1.1.1 半导体的分类及特点通常根据物体的导电特性将其分为三类：导体是指导导电性能很好的物体，其电阻率1010cm的物体；所谓半导体，就是它的导电能力介于导体与绝缘体之间，如硅、锗就是人们最熟悉的半导体材料，纯硅的电阻率=2.14105cm，硒和许多金属氧化物、硫化物都是半导体。半导体材料之所以应用广泛，是因为它的导电能力在不同的条件下会有很大的差别，一般说来，半导体材料有三个特点：（1）大部分半导体的导电能力随温度升高而增强；有些半导体对温度的反应特别灵敏，通常采用这种半导体做成热敏元件。（2）半导体的导电能力随光照强度的变化而变化
2、；有些半导体当光照强度变化时变化很大。例如硫化镉薄膜，当无光照时，它的电阻达到几十兆欧姆，是绝缘体；而受到光照时，电阴却只有几十千欧姆。利用半导体的这种特性，我们又可以做成各种光敏元件。（3）如果在纯净的半导体中掺入微量的其它元素（通常称作掺杂），半导本的导电能力会随着掺杂浓度的变化而发生显著变化。例如在纯硅中掺入百万分之一的磷以后，其电阻率从2.14105cm变化到0.2cm。各种不同用途的基本半导体器件（如二极管三极管、场效应管）就是利用半导体的这个特性制成的。1.1.2 本征半导体和杂质导体根据半导体的掺杂情况，半导体材料又可以分为三类：1、本征半导体本征半导体是指完全纯净的具有晶体结构
3、（即原子排列按一定规律排得非常整齐）的半导体。比较典型的半导体材料有硅和堵，它们都是四价元素，即每个原子的外层有四个价电子，其原子结构如2.1.1所示，则相邻的两个原子的一对最外层电子成为共用电子，这样的组合称为共价键结构。在常温下，由于分子的热运动，有少量的电子挣脱原子核的束缚成为自由电子，同时在原来的位置上留下了一个空穴。所以在本征半导体中，自由电子和空穴的数目增加。在外电场的作用下，自由电子会作定向运动，空穴也会作定向运动。因为在外电场的作用下，有空穴的原子可以吸引相邻原子中的价电子来填补这个空穴，就像教室里第一排座位空着时，为了听课方便，第二排的同学向前移动，第三排的同学移到第二排。依
4、次类推，虽然空座位实际不会移动，但看起来似乎是空位在移动一样。同时存在着自由电子导电和空穴导电，这就是半导体导电方式的最大特点，也是半导体和金属在导电原理上的本质差别。自由电子和空穴都被称为载流子。2、杂质半导体本征半导体的导电能力很低，通常采用掺入微量杂质（通常是三价或五价的元素）的方法提高其导电能力。根据掺入的杂质不同，杂质半导体有两大类：电子型（N型）半导体和空穴型（P型）半导体。N型半导体是指在本征半导体中掺入五价元素（如磷、砷、锑）等，由于这类元素的最外层电子数目有五个，由原子结构理论知，它们以四个电子与周围相邻的四个硅原子形成一个稳定的共价键结构，多余的第五个电子很容易挣脱原子核的
5、束缚而成为自由电子，即掺入五价元素后，与本征半导体相比，自由电子数目大大增加，形成多数载流子。由于自由电子增多，增加了自由电子填补空穴的机会，使空穴数目反而减少，故空穴被称为少数载流子。如每立方厘米纯净硅（本征半导体）中大约有51022个硅原子，在室温下，约有自由电子、空穴1.51010个，掺入百万分之一的磷后，自由电子数目增加了几十万倍，而空穴减少到每立方厘米2.3105个以下。在外电场的作用下，自由电子导电占主导地位，故称为电子型半导体。P型半导体是指在本征半导体中掺入三价元素（如硼、铝、铟）等，由于这类元素的最外层电子数目有三个，由原子结构理论知，需要以四个电子与周围相邻的四个硅原子形成
6、一个稳定的共价键结构，因而留下了一个空穴增多，增加了自由电子填补空穴的机会，使自由电子的数目反而减少，故在P型半导体中自由电子被称为少数载流子。在外电场的作用下，空穴导电占主导地位，故称为空穴型半导体。1.1.3 PN结1. PN结的形成图2.1.2为用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上形成P型半导体和N型半导体，在两种半导体的交界面附近，由于N区中的电子浓度远大于P区中电子浓度，因此电子将从N区向P区扩散。同样，P区的空穴也将向N区扩散，其结果是在交界面附近的P区和N区的电中性被破坏，在交界面两侧分别形成正、负离子，这些不能移动的正、负离子在交界面附近形成一个很薄的空间电荷区，这就是PN结。
7、在此区域内正负电荷形成的电场，称为内电，其方方向由N区指向P区。这个内电场对电子从N区向P区扩散和P区的空穴向N区扩散起阻挡作用，所以空间电荷区又称阻挡层。随着扩散的进行，PN结逐渐变宽，内电场也逐渐增强，从而阻止了扩散，达到动态平衡。在一定的条件下（例如温度一定），空间电荷区的宽度相对稳定，PN结也就处于相对稳定的状态。这时，形成这僮电荷区的正负离子虽然带电，但是它们不能移动，不参与导电，而在这区域内，载流子极少，所以空间电荷区又称耗尽区，PN结中是没有电流的。2、PN结的单向导电性在PN结两端加上不同极性的外加电压时，PN结呈现不同的导电性。如果将PN结的P区接在电源的正极上，N区接在电源
8、的负极上，称为给PN结加上正向电压（或称正向偏置），见图2.1.3（a）。此时外电场的方向与内电场的方向相反，削弱了内电场，使空间电荷区变窄，有利于多数载流子的扩散运动。在外电场的作用下，多数载流子就能越过空间电荷区形成正向电流。电流的方向是从电源的正极出发，经过PN结返回到电源的负极。因为PN结的正向电流是由多数载流子形成的，比较大，PN结呈现出较小的正向电阴（由欧姆定律，电阻为加在元件两端的电压与流过其中的电流之比，）故称PN结正向导通。如果将PN结的N区接在电源的正极上，P区接在电源的负极上，称为给PN结加上反向电压（或称反向偏置）见图2.1.3（b）。此时外电场的方向与内电场的方向一致
9、，加强了内电场，使空间电荷区变宽。在外电场的作用下，只有少数载流子才能越过空间电荷区形成反向电流。因为PN结的反向电流是由少数载流子形成的，而少数载流子的数目有限，所以反向电流非常小，为微安数量级。PN结对外呈现出极高的反向电阻，称为PN结反向截止。结论：PN结具有单向导电性。1.2半导体二极管1.2.1 二极管的基本结构半导体二极管，实际上是由一个PN结加上电极引线与外壳制成的。由P区引出的电极称为阳极或正极，由N区引出的电极称为阴极或负极。符号如图2.1.4所示。根据PN结接触面的大小，二极管可分为点接触型与面接触型。点接触到二极管（一般是锗管）的特点是PN结的结面积小不能通过大电流但其结
10、电容也小，常用于高频检波和脉冲数字电路里的开关元件，也可用来作小电流整流。使用时要注意，它不能承受较高的反向电压和大电流。面接触型二极管（硅管较多）的PN结面积大，可以通过的正向电流比点接触型的二极管大得多，常用作整流管，但其结电容也大，只适用低频电路中工作。1.2.2 二极管的伏安特性二极管实质上就是一个PN结，当在其两端分别加上正反向电压，并逐点测量流过其中的电流，就可以描绘出反映二极管两端电压和流过其中的电流之间关系的伏安特性曲线。图2.1.5给出了较为典型的硅管的伏安特性典线。读图时要注意图中正反向电压、电流的单位是不同的。由图2.1.5可见，对某一给定的二极管，当外加的正向电压低于一
11、定值时，由于外电场还不能克服PN结内电场对多数载流子作扩散运动的阻力，故正向电流很小，几乎为零。而当正向电压超过此定值时，正向电流增长很快，这个正向电压的定值通常被称为死区电压，其大小与材料及环境温度有关。一般来说，硅管的死区电压约为0.5V，锗管的死区电压约为0.2V。当二极管正向电压超过死区电压后，正向电流变化很大，而电压的变化极小，硅管约为0.60.7V，锗管约为0.20.3V。为了讨论计算的方便，通常认为二极管正向导通后电压固定的在某个值，这个值被称为导通电压，以后我们在计算时，统一取硅管的导通电压为0.6V，锗管的导通电压为0.2V。当外加电压为负时（即加的是反向电压），由图2.1.
12、5中可见，反向电流很小，而且在一定范围内，反向电流基本上恒定，与反向电压的高低无关，故称为反向饱和电流。当外加反向电压过高超过某一值时，反向电流将突然增大，二极管失去了单向导电性，这种现象称为反向击穿，此时的反向电压称为反向击穿电压。一般的二极管反向击穿后将因反向电流过大而损坏。有时为了讨论方便，在一定条件下，可以把二极管的伏安特性理想化，即认为二极管的死区电压和导通电压都等于零，反向电流也等于零。这样的二极管称为理想二极管。1.2.3 主要参数二极管的特性除用伏安特性曲线表示外，还可用它的参数说明，二极管的主要参数有：1、最大整流电流IFM 最大整流电流是指二极管长时间使用时，允许流过的最大
13、正向平均电流。使用时通过二极管的平均电流要小于这个电流，否则，电流过在，将因PN结地热而烧坏二极管。点接触型二极管的最大整流电流在几十个毫安以下，而专门为整流电流在几十个毫安以下，而专门为整流电路设计的整流二极管的最大整流电流可达几个安培。2、最高反向工作电压URM为确保二极管安全使用所允许施加的最大反向电压，一般给出的最高反向工作电压为击穿电压的一半或三分之二。如2CP10硅二极管的最高反向工作电压为25V，而反向击穿电压约为50V。点接触型二极管的最高反向工作电压一般是数十伏，面接触型二极管的最高反向工作电压可达数百伏。3、反向饱和电流IR当二极管加最高反向工作电压时的反向电流，此值越小，
14、则二极管的单向导电性就越好。1.2.4 二极管电路应用举例二极管的应用范围很广，主要是利用它的单向导电性。例1.2.1 如图2.1.6所示电路中，已知电路中的二极管为硅管，电源电压及电阴值如图所示，问二极管D是滞能导通，Uab为多少？流过电阻的电流各为多少？ 解 分析时，可以先假设二极管不导通，来判断加在二极管两端的正向电压是否大于导通电压，若大于导通电压，则二极导通，二极管两端电压等于导通电压；否则二极管截止，这时电路中无电流（反向饱和电流略去不计）。图（a）中，假设二极管不导通后，以b点为参考点（即令Vb=0），则二极管的正极电位为12V，负极电位为6V，所以二极管的正向电压为12（6）=
15、 6V0.6V所以二极管载止，Uab=6V，流过电阻的电流为零。图(b)中，假设二极管不导通后，以b点为参考点（即令Vb=0），则二极管的正极电位为6V，负极电位为12V，所以二极管的正向电压为6（12）= 6V0.6V所以二极管导通，导通电压为0.6V，Uab=12+0.6=11.4V，流过电阻的电流负号表示电流方向从b流向a。例1.2.2 如图2.1.7所示，已知E=5V，输入信号为正弦波ui=10sinV，二极管的正向导通电压为0.6V，画出输出电压信号的波形图。解 分析，这个电路实际上仍为分析二极管的导通与否，因为二极管的负极接在电源E的正极，所以当信号电压的幅值小于E+0.6V（导通电压）时，二极管是截止的，此时，二极管中无电流通过，则输出的开路电压始终等于输入电压。当信号电压的幅值大于E+0.6V（导通电压）时，二极管是导通的，此时输出电压就等于E+0.6V=5.6V所以输出电压信号的波形图如图2.1.8所示，其中虚线为输入电压波形。 例1.2.3 在图2.1.9所示电路中，已知输入端A的电位VA=+3.6V，输入端B的电位VB=+0.3V，电阻R=10k，电源E= 9V，二极管的导通电压为0.2V，求输出端F的电位和流过R的电流I。解 分析先假设两个二极管均不导通，则由于DA两端的正向电压为3.6 （
