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1、电工与电子技术 第十章 半导体及基本器件,沈阳大学 信息工程学院 电子信息工程系,科学技术的进步促进了电子技术的快速发展。电子技术又称弱电技术，同样要讨论电路的组成原则、结构特点、分析方法及对应的结论。 与电工技术不同的是组成电路的元件是由半导体器件组成，通常称电子元件。根据电子元件的工作状态不同，电子技术又分模拟电子技术和数字电子技术。,本章主要介绍半导体及半导体的基本器件。包括半导体及其导电机理，半导体的类型，多数载流子、少数载流子的概念，组成半导体器件的核心结的形成及导电特点。 同时详细介绍半导体二极管、稳压管、发光二极管，以及半导体三极管的结构特点、图示符号、工作原理、特性曲线等有关内
2、容。,10.1 半导体及导电特性,导体之所以导电，是因为导体材料具有导电的内在条件，即导体材料通常为金属材料，金属材料又为晶体结构；组成晶体结构的结合力为金属键，金属键由平衡位置上振动的原子核及核外大量旋转的自由电子所组成。 由于电子带有负电，在电场力的作用下形成规则运动，这就是导体的导电机理。 而绝缘体通常为非金属、非晶体结构的材料，其材料中通常不具有可供导电的带电粒子，常态下绝缘体是不导电的。,那么什么是半导体呢？半导体是由元素周期表中的四价元素组成，常用的半导体材料有硅、锗、硒等，它们的微观结构为晶体结构，结合力为共价键。 共价键即核外电子为相邻元子核所共有，基于这一特点，原子核对核外电
3、子的束缚力相对较弱，使电子脱离原子核束缚变成自由电子成为可能。,同时，半导体晶体结构的缺陷也可提供一定量的带电粒子。由此可见：由于半导体中含有可供导电的带电粒子，所以半导体具有一定的导电能力，其导电能力的大小取决于半导体材料中带电粒子的多少。如图10-1-1所示为单晶硅微观结构的示意图。,图10-1-1 单晶硅的共价键结构示意图,通常，可认为半导体具有一定的导电能力。 形式上半导体导电能力介乎于导体和绝缘体之间，其实也可把半导体的导电能力提高到导体的水平，那就是通过提高半导体中带电粒子的数量来增加其导电能力。 当然，增加半导体中带电粒子的数量并不是要用半导体材料制作导体，而是为制作半导体器件提
4、供了基础材料。,10.1.1 本征半导体 本征半导体又称纯净半导体。 不论是硅还是锗，这类半导体是不含任何杂质的半导体，是具有共价键结构的纯净的半导体。,由图10-1-1可知，其原子核外层有4个电子，这样，形成稳定层结构就必须与相邻原子核组成共用电子对，即共价键结构。,在共价键结构中，我们把脱离原子核束缚的电子称自由电子；而电子留下的位子称空穴，如图10-1-2所示。,图10-1-2 自由电子与空穴的形成示意图,由于自由电子带负电，则空穴显正电性。半导体与导体的区别是，半导体中的可供导电的粒子既有带负电的自由电子，又有带正电的空穴，我们把带电粒子称半导体中的载流子。 在本征半导体中，两类载流子
5、在数量上是相等的。 通常情况下，由于数量偏低，所以本征半导体具有一定的导电能力。,通过以上分析我们知道：材料能否导电，取决于材料中是否具有可供导电的带电粒子，其导电能力取决于材料中带电粒子的多少。 半导体中带电粒子的生成过程与导体是不相同的。半导体具有环境和温度的敏感性。 温度的升高，会使半导体中的价电子获得能量，达到其溢出功率就会成为自由电子，同时留下同等数量的空穴。,10.1.2 掺杂半导体 人为地控制半导体中带电粒子的数量，就会有效地改变半导体导电能力的大小。 就会明显地改变半导体内部带电粒子的数量和结构，这种半导体成为掺杂半导体。 掺入杂质的不同，带电粒子的结构也不同，半导体又分N型和
6、P型两种类型。,1N型半导体 在四价元素的半导体中掺入五价元素，如在硅晶体材料中掺入一定量的磷，如图10-1-3所示。,图10-1-3 硅晶体中掺入磷后出现的自由电子,由于磷是五价元素，在形成共价键时每遇到一个磷元素就多余一个自由电子。,由此可见，掺入杂质后的半导体，其带电粒子数量和结构将出现明显的变化，除原来半导体中等量的电子和空穴外，还有五价元素磷所提供的自由电子。 因此两类元素带电粒子由本征半导体的相等变成了不等，这种掺杂半导体中自由电子的数量将超过空穴的数量。 我们把该半导体中的自由电子称多数载流子；其中的空穴称少数载流子。 具备以上特点的半导体称型半导体。,2型半导体 在四价元素的半
7、导体中掺入三价元素，如在硅晶体材料中掺入一定量的硼，如图10-1-4所示。,三价元素的掺入，形成共价键时每遇到一个硼元素就多余一个空穴。,图10-1-4 硅晶体中掺入硼后出现的空穴,与型半导体相同的是：带电粒子的数量有了明显的变化，导电能力增加；不同的是：带电粒子的结构是不一样的，即该半导体中的空穴成为了多数载流子，而电子则为这种半导体中的少数载流子。 综上所述：半导体是一种有别于导体和绝缘体的特殊材料。,半导体能导电，但其导电能力是可以人为控制的。 正是因为这种特性，才使半导体成为了制作电子器件的基础材料。 同时也必须说明：半导体中虽有可供导电的带电粒子，且其数量和结构可以人为控制，但常态下
8、半导体是不带电的，这一点与导体在常态下不带电是相同的。,提高或改善半导体的导电能力并不是要把半导体变成导体，而是为电子元件的制作提供了基础材料。把型和型半导体结合在一起，就会在结合部位生成一种特殊的界面层，该界面层称结。,10.2 结及导电特点,10.2.1 结的形成 如图10-2-1所示。,图10-2-1 结的形成,将两类不同性质的半导体结合起来，由于两种半导体中带电粒子的结构不同，即型半导体中的多数载流子是带正电的空穴（粒子）；而型半导体中的多数载流子是带负电的自由电子。 从而导致接触界面发生物理变化，由于带电粒子的浓度梯度出现了带电粒子的扩散现象，型半导体中带正电的粒子有着向区移动的动力
9、；型半导体中带负电的粒子也有向区扩散的动力。,由于扩散发生在固体材料之中，其扩散的速度和深度将十分有限。由扩散形成的界面称结。由于带电粒子的扩散，在界面上形成了内部电场，使得结具有了电场的基本特点。 这一作用力将阻止扩散继续进行，也就是说结的厚度取决于驱动扩散的浓度梯度和阻碍扩散的内部电场作用的综合结果。 需要说明的是：扩散是指多数载流子的运动；而少数载流子的运动称漂移。,10.2.2 结的导电特性 结是半导体器件的核心，分析和讨论其导电特点就显得十分必要。可通过如下试验电路的分析，得出相应结论。电路如图10-2-2所示。,图10-2-2 结正向电压作用,由于外加电压对带电粒子的作用方向与已经
10、形成的内电场的作用方向相反，对扩散起到了助推的作用，其力度小于内电场的作用力，扩散不能继续；可以看到电流表的指针几乎不动；若其作用的力度大于内电场的作用力，则扩散可以继续进行，可以看到电流表的指针已经偏转，说明电路中有一定规模的电流存在。,图10-2-3所示的是另一种情况,图10-2-3 结反向电压作用,由于外加电压对带电粒子的作用方向与已经形成的内电场的作用方向相同，对扩散起到了阻碍作用，由于内外电场的作用力一致，扩散现象将停止。仔细观察，电流表的指针微微偏转，且方向相反。 这种现象说明；多数载流子的运动停止了，但少数载流子的运动在电场力的作用下开始运动。由于少数载流子的性质与多数载流子相反
11、，且数量很少，电流表指针说明了这一点。理想情况下，可将反向电流视为零。,通过以上实验得出如下结论。 （1）结加正向电压（区加正，区加负），且当外加电压的作用力大于内电场的作用力，扩散继续进行，电路中形成电流，即结处于导通状态。 （2）结加反向电压（区加负，区加正），由于内外电场的作用方向相同，扩散不能进行，尽管有少数载流子的漂移，由于数量很少，电流很小，可将结视为截止状态。 （3）结论：结具有单向导电的特点。,半导体二极管又称晶体二极管，半导体二极管实际上就是一个结。利用结单向导电的特点，可在整流、检波及数字电路中起开关作用。根据二极管所起的作用不同，二极管的结构也不同。,10.3 半导体二极
12、管,10.3.1 二极管的结构 在结两端分别加上两个电极、引线及管壳，就形成了不同类型的二极管。如图10-3-1所示。,图10-3-1 半导体二极管的结构,1点接触型二极管 点接触型二极管的结构如图10-3-1（a）所示，它是用一根很细的金属丝与半导体的结相连，并且引出两个电极。 由于点接触型二极管接触面积小，不可能流过较大的电流，其结的结电容小，该型二极管适合于电子线路中高频状态下或在检波电路中使用。,2面接触型二极管 面接触型二极管的结构如图10-3-1（b）所示，它是用专业的方法制成接触面积较大的结，这种结构可流过较大的电流，适合在低频大功率整流电路中使用。,3平面型二极管 平面型二极管
13、的结构如图10-3-1（c）所示，它的特点是，用二氧化硅作保护层，使结不受污染。 所以，平面型二极管的质量和性能较好，批量生产使产品具有较好的一致性。平面型二极管接触面积大的可用来做大功率的整流二极管；而接触面积小的可用来做高频或高速开关二极管。,10.3.2 二极管的伏安特性,半导体二极管的图示符号如图10-3-2所示，此符号具有鲜明的特性特征，体现了二极管的单向导电的特点。图10-3-3所示为二极管的伏安特性，图中表示了二极管的正向特性及二极管的反向特性。,图10-3-2 二极管的图示符号,图10-3-3 二极管的伏安特性,二极管伏安特性是二极管电特性的真实写照，包括正向电压和反向电压作用
14、下二极管的电压与电流关系。 1正向伏安关系 在正向电压作用下，电流总体上呈上升趋势，但在开始阶段电流却表现出滞后性，这一点可用内电场阻碍扩散来解释。一旦外加电压的作用力超过内电场的作用力则电流迅速增加。内电场阻碍扩散的作用力通常理解为二极管的死区电压，锗管一般在0.3左右，硅管为0.7左右。,2反向伏安关系 在反向电压作用下，由于外加电压与内电场作用力一致，扩散不能进行，由于少数载流子的存在，形成了反向的飘移电流，如图10-3-3反向特性曲线所示。随反向电压的增加反向电流并不增加，因为少数载流子的数量有限。但反向电压超过某一数值，电流将迅速增加，这种现象称结的击穿。普通二极管一旦击穿，将是永久
15、性的损坏。,10.3.3 二极管的主要参数 伏安特性形象地描述了二极管正反两个方向的电特性，二极管的主要参数则具体告诉我们使用二极管时应注意的问题。,1最大整流电流 最大整流电流 指二极管长时间工作而不损坏，允许流过的最大整流电流。 因为，二极管整流状态下流过的电流远大于其他工作形式时流过的电流，所以，这一值也被视为二极管工作电流的极限参数。使用时，可根据需要选择不同类型、不同型号的二极管。,2最大反向工作峰值电压 最大反向工作峰值电压 也是二极管的极限参数，是指二极管反向截止状态下，二极管的安全电压的极限值。 正常工作时，所选择的二极管的反向工作峰值电压 一定要大于二极管的工作电压。,3反向峰值电流 反向峰值电流 是二极管性能方面的一个参数，因为二极管具有单相导电的特点，也正是这一点二极管才有使用意义。反向电流为零是理想二极管，反向峰值电流 是人们容忍反向电流的最大值。 上面介绍的是二极管的主要参数，实际使用时，选择二极管还要查有关的资料和手册，选择合适的二极管。,【例10-1】 电路如图10-3-4所示。设二极管 1 、 2 均为理想元件， 1 = sin ，且 ，画出 0 的波形图。,图10-3-4 例10-1图,【解法】 二极管具有
