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半导体器件是组成各种电子电路 包括模拟电路和数字电路 分立元件电路和集成电路的基础 本章讨论半导体的特性 PN结的单向导电性 二极管 三极管 场效应管的结构 工作原理 特性曲线和主要参数 第1章 半导体器件 物质可分为 导体 10 4 cm如 铜 银 铝绝缘体 109 cm如 橡胶 塑料半导体其导电能力介于上面两者之间 一般为四价元素的物质 即原子最外层的轨道上均有四个价电子 所以称它们为4价元素 半导体有 元素半导体 硅 Si 锗 Ge 等 化合物半导体 砷化镓 GaAs 等 第一节 半导体的特性 原子结构的简化模型 图1 1 1硅或锗的简化原子结构模型 本征半导体通常把非常纯净的 几乎不含杂质的且结构完整的半导体晶体称为本征半导体 在T 0K 相当于 273oC 时半导体不导电 如同绝缘体一样 如温度升高 如在室温条件下 将有少数价电子获得足够的能量 以克服共价键的束缚而成为自由电子 其载流子的数量很少 自由电子的数量 导电能力很弱 1 1 1本征半导体 束缚电子本征激发空穴 电子对两种载流子 电子与空穴载流子产生与复合动态平衡载流子浓度与T有关 图1 1 3本征激发现象 在本征半导体中掺入少量的杂质 就会使半导体的导电性能发生显著的改变 根据掺入杂质的化合价的不同 杂质半导体分为 N型半导体和P型半导体两大类 一 N型半导体 在4价硅或锗的晶体中掺入少量的5价杂质元素 如磷 锑 砷等 1 1 2杂质半导体 施主杂质 多数载流子 多子 少数载流子 少子 电子型半导体 a b 图1 1 4N型半导体 a 结构示意图 b 离子和载流子 不计本征激发 受主杂质 多子 少子 空穴型半导体 a b 图1 1 5P型半导体 a 结构示意图 b 离子和载流子 不计本征激发 二 P型半导体 在4价硅或锗的晶体中掺入少量的3价杂质元素 如硼 锡 铟等 N半导体 P半导体电中性半导体的特性 1 热敏性2 掺杂性3 光敏性 1 2 1PN结及其单向导电性单纯的P型或N型半导体 仅仅是导电能力增强了 因此它还不是电子线路中所需要的半导体器件 若在一块本征半导体上 两边掺入不同的杂质 使一边成为P型半导体 另一边成为N型半导体 则在两种半导体的交界面附近形成一层很薄的特殊导电层 PN结 PN结是构成各种半导体器件的基础 第二节 半导体二极管 1 PN结的形成扩散运动 空间电荷区 耗尽层 漂移运动 动态平衡 内建电位差 势垒区或阻挡层 a b 图1 2 1PN结的形成 a 载流子的扩散运动 b 平衡状态下的PN结 2 PN结的单向导电性原理偏置 正向偏置 正偏 反向偏置 反偏 正向导通 反向截止 a b 图1 2 2外加电压时的PN结 a 正偏 b 反偏 PN结正偏时产生较大的正向电流PN结处于导通状态 PN结反偏时产生较小的反向电流 PN结处于截止状态 故PN结具有单向导电性 1 2 2半导体二极管及其基本特性 a b 图1 2 3二极管的结构和符号 a 结构示意图 b 符号 一 二极管的结构与符号 图1 2 4二极管的伏安特性曲线 二 二极管 PN结 伏安特性1 正向特性 死区 导通电压或开启电压 室温下 硅管的Uon 0 5V 锗管的Uon 0 1V 管压降 硅管UD 0 6 0 8V 锗管UD 0 1 0 3V 2 反向击穿特性反向特性 反向饱和电流 反向击穿电压 电击穿 雪崩击穿 齐纳击穿 热击穿需要特别指出的是 普通二极管的反向击穿电压较高 一般在几十伏到几百伏以上 高反压管可达几千伏 普通二极管在实际应用中不允许工作在反向击穿区 二极管的伏安特性方程 可近似用PN结的伏安特性方程来表示 理论研究表明 PN结两端电压U与流过PN结的电流I之间的关系为 1 2 1 Isat 反向饱和电流UT kT q 温度电压当量 其中k为玻耳兹曼常数 T为绝对温度 q为电子电量 在室温 27 或300K 时UT 26mV 三 二极管的主要参数1 最大整流电流IF 指二极管长期工作时 允许通过管子的最大正向平均电流 2 最高反向工作电压UR 3 反向电流IR 指在室温下 在二极管两端加上规定的反向电压时 流过管子的反向电流 IR愈小单向导电性愈好 IR与温度有关 少子运动 4 最高工作频率 fM值主要决定于PN结结电容的大小 结电容愈大 则fM愈低 四 稳压二极管利用二极管的反向击穿特性 可将二极管做成一种特殊二极管 稳压二极管 稳压二极管简称稳压管稳压二极管的电路符号如图1 2 5所示稳压二极管参数 稳定电压 稳定电流 动态电阻 额定功耗 稳定电压的温度系数 五 二极管的分类及其选择1 二极管的分类按材料的可分为锗管和硅管 按功能可分为开关管 整流管 稳压管 变容管 发光管和光电 敏 管等 普通二极管 特殊二极管 按工作电流可分为小电流管和大电流管 按耐压高低可分为低压管和高压管 按工作频率高低可分为低频管和高频管等 2 二极管的选择 1 要求导通电压低时选锗管 要求反向电流小时选硅管 要求击穿电压高时选硅管 要求工作频率高时选点接触型高频管 要求工作环境温度高时选硅管 2 在修理电子设备时 如果发现二极管损坏 则用同型号的管子来替换 如果找不到同型号的管子则可改用其他型号二极管来代替 替代管子的极限参数IF UR和fM应不低于原管 且替代管子的材料类型 硅管或锗管 一般应和原管相同 1 电容效应二极管除了单向导电性外 还具有电容效应 PN结电容效应 即当其两端电压变化时 其存储的电荷也发生变化 因此就出现充 放电现象 按产生的原因不同分为势垒电容和扩散电容两种 1 势垒电容Cb 2 扩散电容Cd结电容Cj为两者之和 即Cj Cb Cd正偏时 Cb Cd Cj主要由势垒电容决定 1 2 3二极管的电容效应 2 变容二极管利用二极管的电容效应 可将二极管做成一种特殊二极管 变容二极管 其电路符号如图1 2 9所示 主要用作可变电容 受电压控制 必须工作在反偏状态 常用于高频电路中的电调谐电路 图1 2 6变容二极管的电路符号 1 光敏特性与光敏二极管半导体具有光敏特性 光照越强 受激产生的电子 空穴对的数量越多 普通二极管的外壳都是不透光的利用二极管的光敏特性 可制成一种特殊二极管 光敏二极管 光敏二极管又称光电二极管 属于光电子器件 为了便于接受光照 光电二极管的管壳上有一个玻璃窗口 让光线透过窗口照射到PN结的光敏区 光电二极管的符号如图1 2 7 a 所示 1 2 4二极管的光电效应 a b 图1 2 7光电二极管的符号与光电特性的测量电路 a 符号 b 光电特性的测量电路 2 发光二极管发光二极管的符号与基本应用电路如图1 2 8所示 显然 发光二极管应工作在正偏状态 且当正向电流达到一定值时才能发出光 a b 图1 2 8光电二极管的符号与发光特性的测量电路 a 符号 b 发光特性的测量电路 1 2 5二极管的温度特性半导体还具有热敏特性 温度每升高1 正向压降减小2 2 5mV 温度每升高10 反向电流约增大一倍 二极管的反向特性受温度的影响较大温度对二极管的影响是不可避免的 因为温度总是存在于器件中存在且经常变化的 它有空穴和电子两种载流子参与导电 故称双极型 分为硅管和锗管 大 中 小功率管 高频管和低频管 半导体三极管 简称三极管 就是一种能将直流能量转化为交流能量的器件 这样的器件也称为有源器件 第三节 晶体三极管 半导体三极管又称为双极型三极管 BipolarJunctionTransistor BJT 晶体三极管 简称三极管 是最为常用的一种半导体器件 它是通过一定的工艺 将两个PN结结合在一起的器件 由于PN结之间的相互影响 使三极管表现出不同于二极管单个PN结的特性而具有电流放大作用 从而使PN结的应用发生了质的飞跃 本节将围绕三极管为什么具有电流放大作用这个核心问题 讨论三极管的结构 内部载流子的运动过程以及它的各极电流分配关系 1 3 1三极管的结构与符号 实物演示 各类三极管及其外形三极管按结构可分为NPN和PNP两类 三极管的结构 硅平面型 锗合金型 三个区 基区 发射区 集电区三个极 基极 发射极 集电极三个结 发射结 集电结 1 3 2三极管放大原理1 三极管的偏置放大电路中的三极管都需要提供直流电源 并得到一个合适的偏置 由于三极管有两个PN结 所以偏置的方式有四种 发射结正偏 集电极反偏 发射极反偏 集电结正偏 二结均正偏 二结均反偏 放大电路中的三极管的偏置应为发射结正偏 集电结反偏 NPN型三极管 UC UB UE PNP型三极管 UC UB UE 图1 3 5NPN三极管内部载流子的运动 2 三极管的电流分配关系 半导体三极管内有两种载流子参于导电 故称为双极型三极管 BJT 由节点电流定律 有IE ICN IBN 1 3 1a IB IBN ICBO 1 3 1b IC ICN ICBO 1 3 1c 由上述三式可得IE IB IC 1 3 2 定义 1 3 3a 称为共基极直流电流放大系数 其值一般在0 95至0 995之间 定义 1 3 3b 称为共发射极直流电流放大系数 其值一般在几十至几百之间 由于ICBO一般很小 若忽略ICBO 则有IB IBN 13 4a IC ICN 1 3 4b IE ICN IBN IB IC 1 3 4c 1 3 5a 1 3 5b 因此 1 3 6 1 3 7 且有 1 3 8a 1 3 8b 若考虑ICBO 则由式 1 3 1 1 3 2 和 1 3 3 得 1 3 9 上式第二项用ICEO表示 即于是通常称ICEO为穿透电流 或集电极 发射极间反向饱和电流 管子各极的电流及方向如图2 1 7所示 PNP型管的各极电流方向与NPN型管相反 但电流分配关系完全相同 三极管三个电极的电流中 IB最小 IE最大 IC IE 即IE IC IB a b 图1 3 7三极管各极的电流及方向 a NPN型 b PNP型 1 3 3三极管的共射特性曲线 采用共射接法的三极管的特性曲线称为共射特性曲线 三极管有三个电极 而且还有放大作用 所以它的特性曲线要比二极管复杂的多 常用的是输入特性曲线和输出特性曲线 图1 3 8测量三极管共射特性曲线的电路 输入特性曲线反映了三极管输入端的电流iB和电压uBE关系 输出特性曲线则反映了三极管输出端的电流iC和电压uCE的关系 1 共射输入特性曲线三极管的共射输入特性曲线表示当管子的输出电压uCE为常数时 输入电流iB与输入电压uBE之间的关系曲线 即 在一般情况下 当uCE较大 大于1V 时 三极管工作在正常放大状态 则uCE对iB的影响很小 因此 为使问题简单化 将只考虑保证uCE始终大于1V 但并不固定uCE为某一数值 其误差很小 图1 3 9为某硅NPN管的共射输入特性曲线 1 uCE 0V时 相当于c e极短路 这时三极管可以看为两个二极管的正向并联 因此uCE 0V的输入特性与二极管的正向特性相似 但更陡一些 2 随着uCE的增大 曲线逐渐右移 这是因为随着uCE的增大 基区调宽效应使电子在基区与空穴的复合减少 在相同的uBE下iB减小 曲线右移 3 uCE 1V以后各条输入特性曲线密集在一起 几乎重合 由于在实际使用时 uCE一般总是大于1V的 因此通常只画出有用的uCE 1V的那条输入特性曲线 4 一般硅管的 UBE 0 7V 锗管的 UBE 0 2V 5 输入特性是非线性的 总之 三极管的输入特性曲线与二极管的正向特性相似 因为b e极间是正向偏置的PN结 2 共射输出特性曲线共射组态时 三极管的输出电流iC不但取决于输出电压uCE 而且与输入电流iB有关 三极管的共射输出特性曲线表示当管子的输入电流iB为某一常数时 输出电流iC与输出电压uCE之间的关系曲线 即 图1 3 10为某硅NPN三极管的共射输出特性曲线 1 曲线起始部分较陡 且不同iB曲线的上升部分几乎重合 这表明uCE很小时 uCE略有增大 iC就很快增加 但iC几乎不受iB的影响 2 当uCE较大 如大于1V 后 曲线比较平坦 但略有上翘 3 输出特性是非线性的 由共射输出特性曲线 可以把三极管的工作状态分为三个区域 截止区 放大区 饱和区 1 截止区通常把iB 0 此时iC iE ICEO 的输出特性曲线以下的区域称为截止区 截止区的特点是各极电流均很小 接近或等于零 此时发射结和集电结均反偏 三极管失去放大作用且呈高阻状态 e b c极之间近似看作开路 2 放大区放大区指iB 0和uCE uBE的区域 粗略看来就是图2 5 4中曲线的平坦部分 在放大区 发射结正偏 集电结反偏 此时由于iC iB 则iC随时iB而变化 即iC受控于iB 受控特性 同时iC与uCE基本无关 即iC对uCE而言可近似看成恒流 恒流特性 由于 iC iB 所以三极管有电流放大的作用 曲线间的间隔大小反映出 的大小 即管子的电流放大能力 三极管只有工作在放大区才有放大作用 由于iC受控于iB 所以三极管是一种电流控制型器件 3 饱和区饱和区指uCE uBE的区域 大致是图2 5 4中曲线靠近纵轴的区域 在饱和区 发射结和集电结均正偏 三极管也失去放大作用 iC iB不再成立 这时 iC随uCE而变化 却几乎不受iB控制 即 当uCE一定时 即使iB增加 iC却几乎不变 这就是饱和现象 由于