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1、模拟电子技术,第1章 半导体器件基础,1.1 半导体基础知识 1.2 半导体二极管 1.3 半 导 体 三 极 管 1.4 场 效 应 管,1.1 半导体基础知识,自然界中的物质，按其导电能力可分为三大类：导体、半导体和绝缘体。 半导体的特点： 热敏性 光敏性 掺杂性,1.1.1 本征半导体 完全纯净的、结构完整的半导体材料称为本征半导体。 1.本征半导体的原子结构及共价键 共价键内的两个电子由相邻的原子各用一个价电子组成，称为束缚电子。图1.1所示为硅和锗的原子结构和共价键结构。,图1.1 硅和锗的原子结构和共价键结构,2.本征激发和两种载流子 自由电子和空穴 温度越高，半导体材料中产生的自
2、由电子便越多。束缚电子脱离共价键成为自由电子后，在原来的位置留有一个空位，称此空位为空穴。 本征半导体中，自由电子和空穴成对出现，数目相同。图1.2所示为本征激发所产生的电子空穴对。,图1.2 本征激发产生电子空穴对,如图1.3所示，空穴（如图中位置1）出现以后，邻近的束缚电子（如图中位置2）可能获取足够的能量来填补这个空穴，而在这个束缚电子的位置又出现一个新的空位，另一个束缚电子（如图中位置3）又会填补这个新的空位，这样就形成束缚电子填补空穴的运动。为了区别自由电子的运动，称此束缚电子填补空穴的运动为空穴运动。,图1.3 束缚电子填补空穴的运动,3.结 论 （1）半导体中存在两种载流子，一种
3、是带负电的自由电子，另一种是带正电的空穴，它们都可以运载电荷形成电流。 （2）本征半导体中，自由电子和空穴相伴产生，数目相同。,（3）一定温度下，本征半导体中电子空穴对的产生与复合相对平衡，电子空穴对的数目相对稳定。 （4）温度升高，激发的电子空穴对数目增加，半导体的导电能力增强。 空穴的出现是半导体导电区别导体导电的一个主要特征。,1.1.2 杂质半导体 在本征半导体中加入微量杂质，可使其导电性能显著改变。根据掺入杂质的性质不同，杂质半导体分为两类：电子型（N型）半导体和空穴型（P型）半导体。,1. N型半导体 在硅（或锗）半导体晶体中，掺入微量的五价元素，如磷（P）、砷（As）等，则构成N
4、型半导体。,五价的元素具有五个价电子，它们进入由硅（或锗）组成的半导体晶体中，五价的原子取代四价的硅（或锗）原子，在与相邻的硅（或锗）原子组成共价键时，因为多一个价电子不受共价键的束缚，很容易成为自由电子，于是半导体中自由电子的数目大量增加。自由电子参与导电移动后，在原来的位置留下一个不能移动的正离子，半导体仍然呈现电中性，但与此同时没有相应的空穴产生，如图1.4所示。,图1.4 N型半导体的共价键结构,2.P型半导体 在硅（或锗）半导体晶体中，掺入微量的三价元素，如硼（B）、铟（In）等，则构成P型半导体。,三价的元素只有三个价电子，在与相邻的硅（或锗）原子组成共价键时，由于缺少一个价电子，
5、在晶体中便产生一个空位，邻近的束缚电子如果获取足够的能量，有可能填补这个空位，使原子成为一个不能移动的负离子，半导体仍然呈现电中性，但与此同时没有相应的自由电子产生，如图1.5所示。,图1.5 P型半导体共价键结构,P型半导体中，空穴为多数载流子（多子），自由电子为少数载流子（少子）。P型半导体主要靠空穴导电。,1.1.3 PN结及其单向导电性 1. PN结的形成 多数载流子因浓度上的差异而形成的运动称为扩散运动，如图1.6所示。,图1.6 P型和N型半导体交界处载流子的扩散,由于空穴和自由电子均是带电的粒子，所以扩散的结果使P区和N区原来的电中性被破坏，在交界面的两侧形成一个不能移动的带异性
6、电荷的离子层，称此离子层为空间电荷区，这就是所谓的PN结，如图1.7所示。在空间电荷区，多数载流子已经扩散到对方并复合掉了，或者说消耗尽了，因此又称空间电荷区为耗尽层。,图1.7 PN结的形成,空间电荷区出现后，因为正负电荷的作用，将产生一个从N区指向P区的内电场。内电场的方向，会对多数载流子的扩散运动起阻碍作用。同时，内电场则可推动少数载流子（P区的自由电子和N区的空穴）越过空间电荷区，进入对方。少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为漂移运动。漂移运动和扩散运动的方向相反。无外加电场时，通过PN结的扩散电流等于漂移电流，PN结中无电流流过，PN结的宽度保持一定而处于稳定状态。,2. PN结
7、的单向导电性 如果在PN结两端加上不同极性的电压，PN结会呈现出不同的导电性能。 （1）PN结外加正向电压 PN结P端接高电位，N端接低电位，称PN结外加正向电压，又称PN结正向偏置，简称为正偏，如图1.8所示。,图1.8 PN结外加正向电压,（2）PN结外加反向电压 PN结P端接低电位，N端接高电位，称PN结外加反向电压，又称PN结反向偏置，简称为反偏，如图1.9所示。,图1.9 PN结外加反向电压,PN结的单向导电性是指PN结外加正向电压时处于导通状态，外加反向电压时处于截止状态。,1.2 半导体二极管,1.2.1 二极管的结构及符号 半导体二极管同PN结一样具有单向导电性。二极管按半导体
8、材料的不同可以分为硅二极管、锗二极管和砷化镓二极管等。可分为点接触型、面接触型和平面型二极管三类，如图1.10所示。,图1.10 不同结构的各类二极管,图1.11所示为二极管的符号。由P端引出的电极是正极，由N端引出的电极是负极，箭头的方向表示正向电流的方向，VD是二极管的文字符号。,图1.11 二极管的符号,常见的二极管有金属、塑料和玻璃三种封装形式。按照应用的不同，二极管分为整流、检波、开关、稳压、发光、光电、快恢复和变容二极管等。根据使用的不同，二极管的外形各异，图1.12所示为几种常见的二极管外形。,图1.12 常见的二极管外形,1.2.2 二极管的伏安特性及主要参数 1.二极管的伏安
9、特性 二极管两端的电压U及其流过二极管的电流I之间的关系曲线，称为二极管的伏安特性。,（1）正向特性 二极管外加正向电压时，电流和电压的关系称为二极管的正向特性。如图1.13所示，当二极管所加正向电压比较小时（0UUth），二极管上流经的电流为0，管子仍截止，此区域称为死区，Uth称为死区电压（门坎电压）。硅二极管的死区电压约为0.5V，锗二极管的死区电压约为0.1V。,图1.13 二极管的伏安特性曲线,（2）反向特性 二极管外加反向电压时，电流和电压的关系称为二极管的反向特性。由图1.13可见，二极管外加反向电压时，反向电流很小（I-IS），而且在相当宽的反向电压范围内，反向电流几乎不变，因
10、此，称此电流值为二极管的反向饱和电流。,（3）反向击穿特性 从图1.13可见，当反向电压的值增大到UBR时，反向电压值稍有增大，反向电流会急剧增大，称此现象为反向击穿，UBR为反向击穿电压。利用二极管的反向击穿特性，可以做成稳压二极管，但一般的二极管不允许工作在反向击穿区。,2.二极管的温度特性 二极管是对温度非常敏感的器件。实验表明，随温度升高，二极管的正向压降会减小，正向伏安特性左移，即二极管的正向压降具有负的温度系数（约为-2mV/）；温度升高，反向饱和电流会增大，反向伏安特性下移，温度每升高10，反向电流大约增加一倍。图1.14所示为温度对二极管伏安特性的影响。,图1.14 温度对二极
11、管伏安特性的影响,3.二极管的主要参数 （1）最大整流电流IF 最大整流电流IF是指二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大正向电流的平均值。 （2）反向击穿电压UBR 反向击穿电压是指二极管击穿时的电压值。 （3）反向饱和电流IS 它是指管子没有击穿时的反向电流值。其值愈小，说明二极管的单向导电性愈好。,1.2.3 二极管的测试 1.二极管极性的判定 将红、黑表笔分别接二极管的两个电极，若测得的电阻值很小（几千欧以下），则黑表笔所接电极为二极管正极，红表笔所接电极为二极管的负极；若测得的阻值很大（几百千欧以上），则黑表笔所接电极为二极管负极，红表笔所接电极为二极管的正极，如图1.15所示。
12、,图1.15 二极管极性的测试,2.二极管好坏的判定 （1）若测得的反向电阻很大（几百千欧以上），正向电阻很小（几千欧以下），表明二极管性能良好。 （2）若测得的反向电阻和正向电阻都很小，表明二极管短路，已损坏。 （3）若测得的反向电阻和正向电阻都很大，表明二极管断路，已损坏。,1.2.4 二极管应用电路举例 普通二极管的应用范围很广，可用于开关、稳压、整流、限幅等电路。,1.2.5 特殊二极管 1.稳压二极管 稳压二极管又名齐纳二极管，简称稳压管，是一种用特殊工艺制作的面接触型硅半导体二极管，这种管子的杂质浓度比较大，容易发生击穿，其击穿时的电压基本上不随电流的变化而变化，从而达到稳压的目的
13、。稳压管工作于反向击穿区。,（1）稳压管的伏安特性和符号 图1.20所示为稳压管的伏安特性和符号。,图1.20 稳压二极管的伏安特性和符号,（2）稳压管的主要参数 稳定电压UZ。它是指当稳压管中的电流为规定值时，稳压管在电路中其两端产生的稳定电压值。, 稳定电流IZ。它是指稳压管工作在稳压状态时，稳压管中流过的电流，有最小稳定电流IZmin和最大稳定电流IZmax之分。 耗散功率PM。它是指稳压管正常工作时，管子上允许的最大耗散功率。,（3）应用稳压管应注意的问题 稳压管稳压时，一定要外加反向电压，保证管子工作在反向击穿区。当外加的反向电压值大于或等于UZ时，才能起到稳压作用；若外加的电压值小
14、于UZ，稳压二极管相当于普通的二极管使用。 在稳压管稳压电路中，一定要配合限流电阻的使用，保证稳压管中流过的电流在规定的范围之内。,2.发光二极管 发光二极管是一种光发射器件，英文缩写是LED。此类管子通常由镓（Ga）、砷（As）、磷（P）等元素的化合物制成，管子正向导通，当导通电流足够大时，能把电能直接转换为光能，发出光来。目前发光二极管的颜色有红、黄、橙、绿、白和蓝6种，所发光的颜色主要取决于制作管子的材料，例如用砷化镓发出红光，而用磷化镓则发出绿光。其中白色发光二极管是新型产品，主要应用在手机背光灯、液晶显示器背光灯、照明等领域。,发光二极管工作时导通电压比普通二极管大，其工作电压随材料
15、的不同而不同，一般为1.7V2.4V。普通绿、黄、红、橙色发光二极管工作电压约为2V；白色发光二极管的工作电压通常高于2.4V；蓝色发光二极管的工作电压一般高于3.3V。发光二极管的工作电流一般在2mA25mA的范围。,发光二极管应用非常广泛，常用作各种电子设备如仪器仪表、计算机、电视机等的电源指示灯和信号指示等，还可以做成七段数码显示器等。发光二极管的另一个重要用途是将电信号转为光信号。普通发光二极管的外形和符号如图1.23所示。,图1.23 发光二极管的外形和符号,3.光电二极管 光电二极管又称为光敏二极管，它是一种光接受器件，其PN结工作在反偏状态，可以将光能转换为电能，实现光电转换。
16、图1.24所示为光电二极管的基本电路和符号。,图1.24 光电二极管的基本电路和符号,4.变容二极管 图1.25所示为变容二极管的符号。此种管子是利用PN结的电容效应进行工作的，它工作在反向偏置状态，当外加的反偏电压变化时，其电容量也随着改变。,图1.25 变容二极管的符号,5.激光二极管 激光二极管是在发光二极管的PN结间安置一层具有光活性的半导体，构成一个光谐振腔。工作时接正向电压，可发射出激光。 激光二极管的应用非常广泛，在计算机的光盘驱动器，激光打印机中的打印头，激光唱机，激光影碟机中都有激光二极管。,1.3 半 导 体 三 极 管,1.3.1 三极管的结构及符号 半导体三极管又称晶体三极管（下称三极管），一般简称晶体管，或双极型晶体管。它是通过一定的制作工艺，将两个PN结结合在一起的器件，两个PN结相互作用，使三极管成为一个具有控制电流作用的半导体器件。三极管可以用来放大微弱的信号和作为无触点开关。,三极管从结构上来讲分为两类：NPN型三极管和PNP型三极管。图1.26所示为三极管的结构示意图和符号。,图1.26 三极管的结构示意图和符号
