《《电工电子技术》-任万强-电子教案 第2篇 第6章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《电工电子技术》-任万强-电子教案 第2篇 第6章（62页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、,第二篇 电子技术,第7章 交流放大电路,第9章 直流稳压电源,第8章 集成运算放大器,第6章 半导体器件基础,电子电子技术是19世纪末、20世纪初开始发展起来的新兴技术，是20世纪发展最迅速，应用最广泛的技术之一，成为近代科学技术发展的一个重要标志。进入21世纪，人们面临的是以微电子技术为基础的，以（半导体和集成电路为代表）电子计算机和因特网为标志的信息社会。高科技的广泛应用使社会生产力和经济获得了空前的发展。现代电子技术在国防、科学、工业、医学、通信（信息处理、传输和交流）及文化生活等各个领域中都发挥着巨大的作用。现在的世界，电子技术无处不在：收音机、彩电、音响、VCD、DVD、电子手表、
2、数码相机、微电脑、大规模生产的工业流水线、因特网、机器人、航天飞机、宇宙探测仪，可以说，人们现在生活在电子世界中，一天也离不开它。,第一代电子产品以电子管为核心。20世纪40年代末世界上诞生了第一只半导体三极管，它以小巧、轻便、省电、寿命长等特点，很快地被各国应用起来，在很大范围内取代了电子管；50年代末期，世界上出现了第一块集成电路，它把许多晶体管等电子元件集成在一块硅芯片上，使电子产品向更小型化发展。集成电路从小规模集成电路迅速发展到大规模集成电路和超大规模集成电路，从而使电子产品向着高效能低消耗、高精度、高稳定、智能化的方向发展。 电子技术基础篇包括半导体基础知识，共射放大电路、共集电极
3、放大电路、功率放大器、差分放大电路等基本放大电路、集成运放电路的线性和非线性应用、稳压电源、集成门电路、组合逻辑电路,时序逻辑电路、模/数和数/模转换器等。 在学习本课程时，应注意以下几方面的特点： （1）规律性。电子电路是由电子器件和电阻、电容等电路元件按照一定的规律组合而成的，各种复杂的电子电路也都是由若干种基本电子电路组合而成，因此学习时要求熟记一些基本电子电路的结构和特性，主要器件特性，并掌握它们的组合规律。 （2）非线性。由于电子线路具有非线性特性，所以必须采用非线性电路的分析方法来分析电子线路。常用的有图解分析法和等效电路模型分析法等。 （3）工程性。对于电子线路的分析与设计，采用
4、精确的分析计算难度较大，往往不必要。因为电子器件的特性和参数分散性较大，而电路元件的参数也,有一定的误差，因此工程上通常是先采用近似计算法对电路进行粗略的估算，然后通过实验调试来达到预定的设计要求。 （4）实践性。电子技术是一门实践性很强的课程，要多找机会做实验。这主要是因为影响电子电路工作的因素往往非常复杂，难以用简单的模型加以全面而精确的模拟。电子线路实验是学生的重要实践性环节，对于培养和提高独立工作、解决实际问题的能力起着十分重要的作用。通过实验的学习，不仅能使学生具有进行科学实验的动手能力，而且还能培养出一丝不苟、严谨求实的科学研究作风。,第6章 半导体器件基础,6.1 半导体基本知识
5、,6.2 半导体二极管,6.3 特殊二极管,6.4 半导体三极管,电子技术中最常用的半导体器件是用半导体材料制成的电子器件。常用的半导体器件有二极管、三极管、特殊晶体管等。学习中首先应掌握常用电子器件的基本知识，这是深入学习电子电路的基础。本章将学习半导体的基本知识和半导体二极管、三极管等器件的结构、工作原理、特性曲线、主要参数等，要求理解掌握，并学会合理地选用器件型号。,学习目的与要求,导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。自然界中不同的物质，由于其原子结构不同，因而导电能力也各不相同。根据导电能力的强弱，可以把物质分成导体、半导体和绝缘体。半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间，如硅
6、、锗、砷化镓以及金属氧化物和硫化物等都是半导体。,6.1.1 本征半导体,本征半导体是化学成分纯净、物理结构完整的半导体。半导体在物理结构上有多晶体和单晶体两种形态，制造半导体器件必须使用单晶体，即整个一块半导体材料是由一个晶体组成的。制造半导体器件的半导体材料纯度要求很高，要达到99.9999%以上。,1.结构特点,自然界的一切物质都是由原子组成的，而原子又是由一个带正电的原子核与若干个带负电的电子所组成的。电子分层围绕原子核作不停的旋转运动，其中内层的电子受原子核的吸引力较大,外层电子受原子核的吸引力较 小，外层电子的自由度较大，,因此外层的电子如果获得外来的能量，就容易挣脱原子核的束缚而
7、成为自由电子。我们把最外层的电子叫做价电子。在电子器件中，用得最多的半导体材料是硅和锗，它们的原子结构如图6.1所示。硅和锗都是四价元素，其原子最外层轨道上都具有4个价电子。,Si(硅原子),硅原子和锗原子的简化模型图,Ge(锗原子),图6.1 原子结构示意图,价电子的数目越接近8个，物质的化学结构也就越稳固。对于金属材料，其价电子一般较少，因此金属中的价电子很容易变成自由电子，所以金属是良导体；对于单质绝缘体，其价电子数一般多于4个，因此绝缘体中的价电子均被原子核牢牢地吸引着，很难形成自由电子，所以不能导电；对于半导体来说，原子的价电子数为4个，其原子的外层电子既不像金属那样容易挣脱出来，也
8、不像绝缘体那样被原子核紧紧束缚住，因此半导体的导电性能就比较特殊，具备可变性。 当硅或锗被制成单晶体时，其原子有序排列，每个原子最外层的4个价电子不仅受自身原子,核的束缚，而且还与周围相邻的4个原子发生联系。这时，每两个相邻原子之间都共用一对电子，使相邻两原子紧密地连在一起，形成共价键结构，如图6.2所示。,2半导体的导电机理,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。由于半导体原子外层的电子不像绝缘体那样被原子核紧紧地束缚着，因此就有少量的价电子在获得足够能量后，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，这种现象称为本征激发。在
9、本征半导体中，每激发出来一个自由电子，就必然在共价键上留下一空位，我们把该空位称为空穴，由于空穴失去电子，因而带正电。可见自由电子和空穴总是成对出现的，我们称之为电子-空穴对，如图6.3所示。,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。温度越高，所产生的电子空穴对也越多，半导体的导电能力也就越强。,在外电场的作用下，一方面自由电子产
10、生定向移动，形成电子电流；另一方面价电子也按一定方向依次填补空穴，即空穴流在键位上产生移动，形成空穴电流。 由于电子和空穴所带电荷的极性相反，它们的运动方向也是相反的，因此形成的电流方向是一致的，流过外电路的电流等于两者之和。 综上所述，在半导体中不仅有自由电子一种载流子，而且还有另一种载流子空穴。这是半导体导电的一个重要特性。在本征半导体内，自由电子和空穴总是成对出现的，任何时候本征半导体中的自由电子数和空穴数总是相等的。,本征半导体中虽然存在两种载流子，但因本征半导体内载流子的浓度很低，所以导电能力很差。在本征半导体中，人为有控制地掺入某种微量杂质，即可大大改变它的导电性能。掺入的杂质主要
11、是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。按照掺入杂质的不同，可获得N型和P型两种掺杂半导体。 1P型半导体,6.1.2 杂质半导体,在本征半导体（硅或锗的晶体）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穴位。,当相邻共价键上的电子受到热振动或在其他激发条件下获得能量时，就有可能填补这个穴位，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，如图6.4（a）所示。,图6.4 P型半导体的共价键结构,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
12、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，故称受主杂质。受主杂质都变成了负离子，它们被固定在晶格中不能移动，也不参与导电，如图6.4（b）所示。此外，在P型半导体中由于热运动还产生少量的电子空穴对。总之，在P型半导体中，不但有数量很多的空穴，而且还有少量的自由电子存在，空穴是多数载流子，电子是少数载流子。 2N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，如图6.5所示。
13、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。每个施主原子给出一个自由电子后都带上一个正电荷，因此杂质原子都变成正离子，它们被固定在晶格中不能移动，也不参与导电。 此外，在N型半导体中热运动也会产生少量的电子空穴对。总之，在N型半导体中，不但有数量很多的自由电子，而且也有少量的空穴存在，自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。 必须指出，虽然N型半导体中有大量带负电的自由电子，P型半导体中有大量带正电的空穴，但是由于带有相反极性电荷的杂质离子的平衡作
14、用，无论N型半导体还是P型半导体，对外表现都是电中性的。 3半导体的其他主要特性,半导体的导电能力虽然介于导体和绝缘体之间，但半导 体的应用却极其广泛，这是由半导体的独特性能决定的：,光敏性半导体受光照后，其导电能力大大增强；,热敏性受温度的影响，半导体导电能力变化很大；,掺杂性在半导体中掺入少量特殊杂质，其导电 能力极大地增强；,半导体材料的独特性能是由其内部的导电机理所决定的。,6.1.3 PN结及其特性,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
15、浓度差。浓度差将引起载流子的扩散运动，如图6.6（a）所示。,图6.6 PN结的形成,动画演示,空间电荷形成了一个由右侧指向左侧的内电场，如图6.6（b）所示。内电场的这种方向，将对载流子的运动带来两种影响：一是内电场阻碍两区多子的扩散运动；二是内电场在电场力的作用下使P区和N区的少子产生与扩散方向相反的漂移运动。 PN结形成的最初阶段，载流子的扩散运动占优势，随着空间电荷区的建立，内电场逐渐增强，载流子的漂移运动也在加强，最终漂移运动将与扩散运动达到动态平衡。,PN结上外加电压的方式通常称为偏置方式，如果在PN结上加正向电压（也称正向偏置），即P区接电源正极，N区接电源负极，这时电源产生的外
16、电场与PN结的内电场方向相反，内电场被削弱，使阻挡层变薄，多子的扩散运动大于漂移运动，形成较大的扩散电流，即正向电流。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。,2. PN结的单向导电性,如果给PN结加反向电压（也称反向偏置），即N区接电源正极，P区接电源负极，这时外电场与内电场方向一致，增强了内电场，使阻挡层变厚。 这就削弱了多子的扩散运动，增强了少子的漂移运动，从而形成微小的漂移电流，即反向电流。这时PN结呈现的电阻很高，处于反向截止状态。反向电流由少子漂移运动形成，少子的数量随温度升高而增多，所以温度对反向电流的影响很大。在一定温度下，反向电流不仅很小，而且基本上不随外加反向电压变化，故称其为反向饱和电流。 由此可见，PN结在正向电压作用下，电阻很小，PN结导通，电流可顺利流过；而在反向电压作用下，电阻很大，PN结截止，阻止电流通过。这种现象称作PN结的单向导电性。,学习与归纳,PN结的单向导电性,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
