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1、,第三章 半导体器件与基本的放大电路 3.1 半导体的基本知识 3.1.1 半导体的基本知识 1、半导体的概念 在日常生活中，我们经常看到或用到各种各样的物体，它们的性质是各不相同的。有些物体，如金、银、铜、铝、铁等，具有良好的导电性能，我们称它们为导体。相反，有些物体如玻璃、橡皮和塑料等不易导电，我们称它们为绝缘体(或非导体)。还有一些物体，如锗、硅、砷化镓及大多数的金属氧化物和金属硫化物，它们既不象导体那样容易导电，也不象绝缘体那样不易导电，而是介于导体和绝缘体之间，我们把它们叫做半导体。它们内部的原子都按照一定的规律排列着，绝大多数半导体都是晶体。因此，人们往往又把半导体材料称为晶体，这
2、也就是晶体管名称的由来(意思是用晶体材料做的管子)。,2、半导体的特性 1）热敏特性：半导体对温度很敏感。 导体、绝缘体的电阻率值随温度的影响而变化很小。但温度变化时，半导体的电阻率变化却很明显；例如纯锗，温度每升高10度，它的电阻率下降到原来的一倍左右。由于半导体的电阻对温度变化的反应灵敏，而且大都具有负的电阻温度系数，所以人们就把它制成了各种自动控制装置中常用的热敏电阻传感器，利用它们能迅速测量物体温度的变化。 2）光敏特性：半导体对光和其它射线都很敏感。也就是说，照射的光线强度不同，它的导电性能也会发生很大的变化。 例如一种硫化镉半导体材料，在没有光照射时，电阻高达几十兆欧； 若有光照射
3、时，电阻可降到几十千欧，两者相差上千倍。3）掺杂特性：半导体对杂质很敏感。所谓杂质，是在纯净的半导体中掺进微量的某种元素，这对其导电性能影响极大。 在金属或绝缘体中，如果杂质含量不超过千分之一，它的电阻率变化是微不足道的。但半导体中含有杂质时对它的影响却很大。以锗为例，只要含杂质一千万分之一，电阻率就下降到原来的十六分之一。,3、本征半导体 纯净的、具有一定晶体结构的半导体，称为本征半导体。当本征半导体的温度升高或受到光线照射时，其共价键中的价电子就从外界获得能量，就有少量的价电子挣脱原子核的束缚而成为自由电子，同时在原来共价键上留下了相同数量的空位，由于该空位失去电子，因而带正电，我们把此带
4、正电的空位称为空穴，所以本征半导体中电子和空穴总是成对地出现，它们的数目相等，称为电子一空穴对。这种现象称为本征激发。由于自由电子和空穴都可以参与导电形成电流，因此称它们为载流子。 在产生电子-空穴对的同时, 有的自由电子在杂乱的热运动中又会不断地与空穴相遇，重新结合，使电子-空穴对消失， 这称为复合。在一定温度下载流子的产生过程和复合过程是相对平衡的，载流子的浓度是一定的。在常温下，本征半导体受热激发所产生的自由电子和空穴数量很少，同时本征半导体的导电能力远小于导体的导电能力，导电能力很差。温度升高，激发速度首先增加，所产生的电子空穴对也增加，由于电子空穴的增加，因而复合的速度也增加，重新达
5、到平衡，但此时电子空穴浓度是增加的，半导体的导电能力也就增强。反之，导电能力也就减弱。,4、掺杂半导体 1） P型半导体：在本征半导体中掺入三价元素杂质，如硼、镓、铟等，因杂质原子的最外层只有3个价电子，它与周围硅（锗）原子组成共价键时， 缺少一个电子，于是在晶体中便产生一个空穴。当相邻共价键上的电子受到热振动或在其它激发条件下获得能量时，就有可能填补这个空穴，使硼原子成为不能移动的负离子，而原来硅原子的共价键则因缺少一个电子，形成空穴。 这样，掺入硼杂质的硅半导体中就具有数量相当的空穴，空穴浓度远大于电子浓度，这种半导体主要靠空穴导电，称为P型半导体。掺入的三价杂质原子，因在硅晶体中接受电子
6、，故称受主杂质。 2）N型半导体： 在本征半导体中掺入五价元素杂质，如磷、锑、砷等。 掺入的磷原子取代了某处硅原子的位置，它同相邻的4个硅原子组成共价键时，多出了一个电子，这个电子不受共价键的束缚，因此在常温下有足够的能量使它成为自由电子。这样，掺入杂质的硅半导体就具有相当数量的自由电子，且自由电子的浓度远大于空穴的浓度。显然，这种掺杂半导体主要靠电子导电， 称为N型半导体。由于掺入的五价杂质原子可提供自由电子，故称为施主杂质。,3.1.2 PN结及其特性 P型或N型半导体仅仅是导电能力增强了, 但还不具备半导体器件所要求的各种特性。如果通过一定的生产工艺把一块P型半导体和一块N型半导体结合在
7、一起，则它们的结合处就会形成PN结，利用PN结的特性就可以制作成各种半导体器件。 1、 PN结的形成 当P型半导体和N型半导体通过一定的工艺结合在一起时， 由于P型半导体的空穴浓度高，电子浓度低，而N型半导体的自由电子浓度高，空穴浓度低，所以交界面附近两侧的载流子形成了浓度差。浓度差将引起载流子的扩散运动，如图3. 1（a）所示。有一些电子要从N型区向P型区扩散，并与P型区的空穴复合； 也有一些空穴要从P型区向N型区扩散，并与N型区的电子复合。由于电子和空穴都是带电的，因此扩散的结果就使P型半导体和N型半导体原来保持的电中性被破坏。P型区这边失去空穴，留下了带负电的杂质离子；N型区那边失去电子
8、，留下了带正电的杂质离子。半导体中的离子虽然也带电，但由于物质结构的关系，它们不能任意移动，因此并不参与导电。这些不能移动的带电粒子集中在P型区和N型区交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，这就是PN结。,2、PN结的特性 如果在P型区接电源正极，N型区接电源负极，则称PN结上加正向电压（或正向偏置），如图3.2(a)所示，这时 PN结的正向电阻很低，处于正向导通状态。 正向导通时，外部电源不断向半导体供给电荷，使电流得以维持。 如果在N型区接电源正极而P型区接电源负极，则称PN结加反向电压（或反向偏置）, 如图 3.2(b)所示，这时PN结呈现的电阻很高，处于反向截止状态。在一定温度下，
9、反向电流不仅很小，而且基本上不随外加反向电压变化。 PN结还有一个十分重要的特性，即所谓反向击穿特性。当所加反向电压大到一定数值时，PN结电阻会突然变得很小，反向电流会骤然增大。这种现象叫PN结的反向击穿。开始击穿时的电压数值叫反向击穿电压。它直接限制了PN结用做整流和检波时的工作电压。 由上述介绍可知, 给PN结加正向电压时，电阻很小，能形成较大的电流，PN结导通；而给PN结在一定范围内加反向电压时，电阻很大，形成微小的电流，PN结截止。这就是PN结的单向导电性。半导体二极管就是根据这一原理制成的。,图3.2PN结的单向导电性,3.2 半导体二极管 几乎在所有的电气设备电路中，都要用到半导体
10、二极管，它在许多电路中起着重要的作用，它是诞生最早的半导体器件之一，其应用也非常广泛。 3.2.1 二极管的结构及分类： 1、二极管的结构 半导体二极管是由一个PN结加上引出线和管壳构成的。P型半导体一侧的引出线称为阳极或正极，N型半导体一侧的引出线称为阴极或负极。二极管的符号如图 3.3所示。,2、二极管的分类 按照所用的半导体材料，可分为锗二极管（Ge管）和硅二极管（Si管）。 根据其不同用途，可分为检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关二极管等。 按照管芯结构，又可分为点接触型二极管、面接触型二极管及平面型二极管。点接触型二极管，只允许通过较小的电流（不超过几十毫安），适用于高频小电流
11、电路，如收音机的检波等。面接触型二极管的“PN结”面积较大，允许通过较大的电流（几安到几十安），主要用于把交流电变换成直流电的“整流”电路中。平面型二极管是一种特制的硅二极管，它不仅能通过较大的电流，而且性能稳定可靠，多用于开关、脉冲及高频电路中。,3.2.2 二极管的外特性 二极管的外特性是指二极管的两端电压和电流关系的曲线，也称二极管的伏安特性。二极管最重要的特性就是单向导电性。在电路中，电流只能从二极管的正极流入，负极流出。下面通过简单的实验说明二极管的正向特性和反向特性。测量晶体二极管伏安特性的电路如图 3. 4 所示。改变RP的大小，可以测出不同电压值时所对应的二极管中的电流。把所得
12、的数据画在直角坐标系中，就得到二极管的伏安特性曲线， 如图 3.5 所示。,图3.4 二极管伏安特性测试电路图 3.5二极管的伏安特性,1、正向特性 二极管的正极接在高电位端，负极接在低电位端，这种连接方式下二极管的特性，称为正向特性。 1）起始段(OA)：当二极管为正向接法时，正向电压由0开始增大，由于外加电压较小，外电场还不足以克服PN结的内电场对载流子扩散运动的阻力，所以二极管呈现很大的正向电阻，正向电流很小，几乎等于0。当正向电压超过一定数值后，内电场大为削弱，电流迅速增长。这个一定数值的正向电压称为死区电压，其大小与管子的材料及环境温度有关。一般硅管的死区电压为0.5 V，锗管约为0
13、.2 V。 2）导通段(AB)：如图 3.5所示，在特性曲线B点以后，二极管在电路中相当于一个开关的导通状态。在正常使用条件下，二极管的正向电流在相当大的范围内变化，而二极管两端电压的变化却不大。小功率硅管的导通压降约为0.60.7V，锗管约为0.20.3V。,2、反向特性 二极管的正极接在低电位端，负极接在高电位端，这种连接方式下二极管的特性，称为反向特性。当二极管两端加反向电压时，反向电流很小，近乎于截止状态，且基本上不随外加电压而变化，如图3.5的OC段所示。 一般硅管的反向电流要比锗管小得多。 3、反向击穿特性 当反向电压增加到一定数值时（如图3.5所示），反向电压由C继续增大到D点时
14、，电流突然剧增，这种现象称为反向击穿。发生击穿所需的反向电压称为反向击穿电压。 一般二极管正常工作时，是不允许反向击穿的。而有一些特殊的二极管，如后面要学到的稳压管却常常工作在反向击穿状态。 温度对二极管的特性影响较大。当温度升高时，正反向电流都随着增大， 特别是反向电流急剧增大；而反向击穿电压则要下降，二极管的导通压降则要降低。 4、二极管的理想模型 理想二极管的电压电流特性是：在正向偏置时，其管压降为0V，而处于反向偏置时，认为它的电阻为无穷大，电流为零。,3.2.3 二极管的主要参数 用来表示二极管的性能好坏和适用范围的技术指标，称为二极管的参数，它是合理选用二极管的依据。不同类型的二极
15、管有不同的特性参数。对初学者而言，必须了解以下几个主要参数： 1、最大整流电流IFM IFM是指长期工作时，二极管允许通过的最大正向平均电流值。在选用二极管时，工作电流不能超过它的最大整流电流。因为电流通过管子时会使管芯发热，温度上升，温度超过容许限度（硅管为140C左右，锗管为90C左右）时，就会使管芯过热而损坏。所以，二极管使用中不要超过二极管额定正向工作电流值。例如，常用的IN40014007型锗二极管的额定正向工作电流为1A。 2、最高反向工作电压URM URM是指二极管工作时所能承受的反向电压峰值, 也就是通常所说的耐压值。为了防止二极管因反向击穿而损坏，通常标定的最高反向工作电压要
16、比反向击穿电压低一些。在选用二极管时，加在二极管两端的反向电压峰值不允许超过这一数值，以保证二极管能正常工作，不致于反向击穿而损坏。例如，IN4001二极管反向工作电压为50V，IN4007反向工作电压为1000V。,3、反向电流IR IR是指二极管未击穿时的反向电流值。此值越小，二极管的单向导电性越好。由于温度增加，反向电流会急剧增加， 所以在使用二极管时要注意温度的影响。例如2AP1型锗二极管，在25C时反向电流若为250uA，温度升高到35C，反向电流将上升到500uA，不仅失去了单方向导电特性，还会使管子过热而损坏。又如，2CP10型硅二极管，25C时反向电流仅为5uA，温度升高到75C时，反向电流也不过160uA。故硅二极管比锗二极管在高温下具有较好的稳定性。 4、最高工作频率fM 主要由PN结的结电容大小决定，超过此值，二极管的单向导电性将不能很好地体现。 由于制造工艺的限制，即使是同一型号的管子，参数的分散性也很大，手册上往往是给出参数的范围。,3.2.4 特殊二极管及其应用 二极管的类型较多，根
