11半导体基础知识

1、1.1半导体基础知识半导体的特性自然界的各种物质，根据其导屯能力的差别，可以分为导体、绝缘体和半导体 三大类。下一页半导体的特性硅原子的序数是14、原子核外有14个电子，最外层有4个电子，称为价电 子，带4个单位负电荷。通常把原子核和内层电子看作一个整体，称为惯性核。 惯性核带冇4个单位正电荷，最外层冇 4个价电子带冇4个单位负电荷，因此， 整个原了为电中性。下一页1. 1.2本征半导体在本征半导体的晶体结构中，每一个原子与相邻的四个原子结合。每一个原子的价电子与另一个原了的一个价电了组成一个电了对。这对价电了是每两个相邻原了共有的，它们把相邻原子结合在一起，构成所谓共价键的结构。一般來说，共

2、价键小的价电子不完全像绝缘体屮价电子所受束缚那样强，如果能从外界获得一定的能量（如光照、升温、电磁场激发等），一些价电子就可能挣脱共价键的束缚而成为口由电子，这种物理现彖称作为本征激发，价电子受激发挣脱原子核的束缚成为口由电了的同时，在共价键中便留下了一个空位了，称“空穴”。如图所示。当空穴出现时，相邻原子的价电子比较容易离开它所在的共价键而填补到这个空穴屮来，使该价电子原来所在共价键中出现一个新的空穴，这个空穴又可能被相邻原子的价电子填补，再出现新的空穴。价电子填补空穴的这种运动无论在形式上还是效呆上都相当于带正电荷的空穴在运动，n运动方向与价电子运动方向相反。为了区別于口由电子的运动，把这

3、种运动称为空穴运动，并把空穴看成是一种带正电荷的载流了。在木征半导体内部自由电子与空穴总是成对出现的，因此将它们称作为电子-空穴对。当H由电子在运动过程中遇到空穴时可能会填充进去从而恢复一个共价键，与此同时消失一个“电子-空穴”对，这一相反过程称为复合。相对平在一定温度条件F,产生的“电子空穴对”和复合的“电子空穴对”数量相等时，形成衡，这种相对平衡属于动态平衡 , 达到动态平衡吋 , “电子 -空穴对”维持一定的数 冃。 可见，在半导体中存在着自由电了和空穴两种载流了，而金属导体中只冇自由电了一种 载流 子，这是半导体与导体导电方式的不同之处。当温度升高时，本征激发产牛的“电子一空穴”对数目

4、增多。因此，半导体载流子浓度受温度影响比较人。下一页1. 1. 3 杂质半导体1、 N 型半导体磷原子最外层有 5 个价电子，它与周围的 4 个硅原子组成 4 对共价键，还多余 1 个价电子 , 它 只受磷原子对它微弱的束缚，因此它很容易挣脱束缚而成为自山电子，磷原子失去一个电 子而成为 不能移动的正离子。磷原子由于可以释放 1 个电子而被称为施主原子，又称丿施主杂 质。在木征半导体中，每掺入 1 个磷原子就可产生 1 个白由电子，而木征激发产生的空穴的数目不变。这样，在掺入磷的半导体中， H 由电子的数目就远远超过了空穴数目，成为多数载 流子（简称 多子），空穴则为少数载流子（简称少子）。显

5、然，参与导电的主要是电子，故 这种半导体称为电 子半导体，也称为 N 型半导体。N 型半导体特点：掺杂：五价元素H 由电子一多数载流子，主要由掺杂质产牛空穴一少数载流子，由本征激发产生下一页2、 P 型半导体硼原子的 3 个价电子分别与其邻近的 3 个硅原子中的 3 个价电子组成完整的共价键，而 与其相 邻的另 1 个硅原子的共价键中则缺少 1 个电子，出现了 1 个空穴。这个空穴被附近硅 原了中的价电 了來填充后，使 3 价的硼原了获得了 1 个电了而变成负离了。同时，邻近共价 键上出现 1 个空穴。 由于硼原子起着接受电子的作用，故称为受主原子，又称受主杂质。P型半导休在本征半导体屮每掺入

6、 1 个硼原子就可以提供 1 个空穴，当掺入一定数量的硼原子时 , 就可以 使半导体中空穴的数目远大于木征激发产生的电子的数目，成为多数载流子，而电子 则成为少数载 流子。显然，参与导电的主要是空穴，故这种半导体称为空穴型半导体，简称P型半导体特点:掺杂：三价元素空穴一多数载流子，主要由杂质原子提供 自由电子一少数载流子，由本征激发产生下一页1. 2 PN 结PN结是构成各种半导体器件的核心。许多半导体器件都是用不同数量的PN结构成的， 所以PN 结的理论是半导体器件的棊础。下一页1.2.1 PN 结的形成由于 P 区的多数载流了是空穴，少数载流了是电了； N 区多数载流了是电了，少数载流 子

7、是 空穴，这就在交界面两侧明显地存在着两种载流子的浓度羌。因此，N 区的电子必然越 过界而向 P区扩散，并与 P 区界面附近的空穴复合而消失，在 N 区的一侧留下了一层不能移 动的正离子；同 样， P 区的空穴也越过界而向 N 区扩散，与 N 区界而附近的电子复合而消失 , 在 P 区的一侧，帘下 一层不能移动的负离子。扩散的结果，使交界面两侧出现了由不能移动的带电离了组成的空间电荷区，因而形成了一个rflN区指向P区的电场，称为内电场。随着 扩散的进行，空间电荷区加宽，内 电场增强，由于内电场的作用是阻碍多子扩散，促使少子 漂移，所以，当扩散运动与漂移运动达到 动态平衡时，将形成稳定的空 I

8、'可电荷区，称为 PN结。由于空间电荷区内缺少载流子，所以又称 PN 结为耗尽层或高阻区。1. 2. 2 PN 结的单向导电性PN 结在未外加电压时，扩散运动与漂移运动处于动态平衡，通过 PN 结的电流为零。在 PN 结两端外加不同极性的电压吋，就打破了原来的动态平衡，而呈现出单向导电的特性。下一页一、PN结外加正向电压（正向偏置）当 P 区接电源正极、 N 区接电源负极时，称 PN 结外加正向电压（或称正向偏置），如 图所示。山于 PN 结是髙阻区，而 I 呕和 N 区的电阻很小，所以正向电压儿乎全部加在 PN 结两端。在PN结上产生一个外电场，其方向与内电场相反，在它的推动下，N区

9、的电子耍向P区扩散，并 与原來空间电荷区的正离子中和，使空间电荷区变窄。同样，P区的空穴也要向N区扩散，并 与原来空间电荷区的负离子中和，使空间电荷区变窄。结果使内电场减弱，破坏了PN结原有 的动态平衡。于是扩散运动超过了漂移运动，扩散乂继续进行。与此同时，电源不断向P区 补充正电荷，向N区补充负电荷，结果在电路中形成了较大的正向电流/f。Ifij随着正向电压的增大而增大。下一页二、PN结外加反向电压（反向偏宜）当P区接电源负极、N区接电源正极吋，称 PN结外加反向电压（或称反向偏置），如图所示。反向电压产生的外加电场的方向与内电场的方向相同，使PN结内电场加强，它把 P区的 多子（空穴）和N

10、区的多子（白由电子）从 PN结附近拉走，使PN结进一步加宽，PN结的电阻 增 大，打破了 PN结原來的平衡，在电场作用下漂移运动人于扩散运动。这时通过PN结的电流，主要是少子形成的漂移电流，称为反向电流厶。由于在常温下，少数载流子的数量不多，故反向电流很小，而且当外加电压在一定范围内变化时，它几乎不随外加电压的变化而变化，因此反向电流又称为反向饱和电流。当反向电流口 J以忽略时，就町认为 PN结处于截止状态。由于本征激发随温度的升高而加剧，导致电子 -空穴对增多，因而反向电流将随温度的升高而成倍增长。下一页1.2. 4 PN结的电容效应PN结两端的电压变化时，PN结内的电荷有变化，说明 P*结

11、具有电容效应。PN结的电容效应表现为两种：势金电容和扩散电容。势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成。PN结的偏置电压改变时，空间电荷区的宽度随Z变化，电荷量也随Z变化，类似于电容的充放电，PN结的这种电容效应用势垒电容等效。扩散电容是由多子扩散后，在 PN结的另一侧面积累而形成的。当 PN结加正向电压时，N区 的电子扩散到P区，同时P区的空穴也向N区扩散，多子的扩散运动，使 PN结两侧的 电荷积聚起 来。若PN结正向电压加大，则多子的扩散运动加强，积累的电荷增加；若 PN结止向电压减小，则 多子的扩散运动减弱，积累的电荷也将减少，这种电容效应用扩散电容来等效。PN结小结综上所述，PN结正偏时，

12、正向电流较大，相当于 PN结导通；反偏吋，反向电流很小，相当于PN结截止。这就是PN结的单向导电性。PN结电流力与电压厶的关系可写成Is反向饱和电流一温度的电压当量， 常温H?=26mV关系特性如图所示。1. 3半导体二极管1. 3. 1基本结构及分类半导体二极管也称晶体二极管，它是在PN结上加接触电极、引线和管壳封装而成的。按其结构不同，通常有点接触型、面接触型和平面型三类。按使用的半导体材料分：硅二极管和错二极管；按用途分：普通二极管、整流二极管、检波二极管、稳压二极管、开关二极管、变容二极管、光电二极管等。1. 3. 2二极管的特性主要特性：单向导电性，通常用伏安特性表示。伏安特性：是指

13、流过二极管的电流/与加于二极管两端的电压 UZ间的关系曲线。如图所示%1.正向特性（少0）l.o Wh1=死区，二极管截止。（4死区电压（门限电压）硅管：Uh=0.5VW: Uh=o.iv正向电流随正向电压儿乎线性增长，二极管导通。正向电流随正向电压线性增长时所对应的正向电压，称为二极管的正向导通电压，用邛来表示。硅管：s=( 0.6? 0.8)V,般取 0.7VO错管：Uf= ( 0.1 ? 0.3) V,般取 0.2V。二反向特性(U<0)反向电压较小时，/=/s=0,二极管反向截止。人一反向饱和电流反向电压达到UBR时，反向电流剧增，二极管被反向击穿。UBR反向击穿电压UBR视不同

14、二极管而定，普通二极管一？般在几十伏以上，且硅管较铭管为高。%1.二极管的温度特性二极管是温度敏感器件，温度的变化对其伏女特性的影响主要表现为：随着温度的升高，其止向特性曲线左移，即正向压降减小；反向特性曲线下移，即反向电流增大，如图所 一般在室温附近，温度每升高1 °C,其正向压降减小2? 2. 5mV ；温度每升高10°C，反向电流 人约增人1倍左 右。综上所述，二极管的伏安特性具有以下特点：1. 二极管具有单向导电性；2. 二极管的伏安特性具有非线性；3. 二极管的伏安特性与温度冇关。1. 3. 3主要参数1. 最大整流电流二极管长期使用时，允许流过二极悖的最大正向平

15、均电流。2. 最人反向T作电压Ur二极管允许的最人工作电压。当反向电压超过此值时，二极管可能被击穿。为了留有余地，通常収击穿电压的一半作为 UR。3. 反.向电流/R指二极管未击穿时的反向电流。此值越小，管了的单向导电性越好。由于反向电流是由少数载流子形成的，所以，/R受温度的影响很大。4. 最高工作频率/m最屈工作频率加的值主要取决于 1公结结电容的人小，结电容越人，二极管允许的最髙工作频率越低。二极管的参数是正确使用二极管的依据，i般半导体器件手册中都给出不同型号管子的参数。在使用时，丿应特别注意不要超过最人整流电流和最高反向工作电压1. 3. 4二极管的应用在电子技术中，二极管电路得到广

16、泛应用，如整流电路、限幅电路、低电压稳压电路和 路等。整流电路将在后面章节介绍，这里介绍其他几种应用电路。二极管是一种非线性器件，需应用线性化模型分析法对其应用电路进行分析。一 ？限幅电路 当输入信号在一定范围内变化时，输出跟随输入变化；当输入信号超出该范围时，输出保持一定值不变。限幅电路可川于波形变换、输入信号幅度的选择、极性的选择和波形整形 %1.开关电路 用以接通或断开电路 开关电路可用于数字电路中，进行逻辑运算1. 3. 5特殊二极管一、稳压管稳压管是一种用特殊工艺制造的而接触型硅半导休二极管1. 符号和伏安特性稳压管反向击穿后，电流在较大范围内变化时，电压棊本不变，据此町进行稳压2.

17、 稳压管稳压电路使用稳压管时，应注意以下儿个问题:（1）稳压管正常工作是在反向击穿状态；（2）稳压管应与负载并联；（3）应限制流过稳压管的电流，使其不超过规定值，以免因过热烧坏管子，为此，应一个限流电阻，如图屮电阻 R。同时，R的选择也不能使流过稳压管的电流太小，否则开关电串联稳压性能会3. 稳压管的主要参数（1）稳定电压t/z是指稳压管工作在反向击穿区时的稳定电压（2）稳定电流稳压管正常工作时的最小电流。工作时 7乙-否则稳压效果会变差(3)电压温度系数(X (%/°C) a是指稳压管温度每变化1 C时，稳定电压变化的百分比 (4)动态电阻Rr7=AU/八I 7,y越小，稳压性能越

18、好。(5)额定功耗几Pz=Uz， zm，厶巾一稳压管最大工作电流E取决于PN结的而积和散热等条件。%1.发光二极管发光二极管简称 LED，是一种直接将电能转变为光能的半导体器件。当这种管子通以电流时将发出光來。发光二极管以其体积小、功耗低、色彩艳丽、发光均匀、稳定、响应速度快、寿命长和可靠性高等优点，被广泛应用于各种电子仪器、音响设备、计算机等作电流指示、音频指示和信息状态显示等。%1.光电二极管光电二极管乂称光敏二极管，是一种光电转换器件，具基本原理是光照射到PN结上时，吸收光能转变为电能。它有两种工作状态：(1) 加反向电压时，反向电流随光照强度的改变而改变，光照强度越人，反向电流越大，大

19、多数情况都工作在这种状态；(2) 不加电压时，利用PN结在受光照射时产生正向电压的原理，把它作微型光电池。这种工作状态一般作光电检测器。%1.光电耦合器光电耦合器的符号如图所示。光电耦合器是以光为媒介、用來传输电信号的器件。通常是把发光器与受光器(光电半导体管)封装在同一管壳内。当输入端加信号时发光器发出光线，受光器接受光照Z后就产生光电流。由输出端引出，从而实现"电一光一电"的转换。它常用于信号的单方向传输，但需要电路间电隔离的场合，如计算机控制系统的接口电路中。%1.变容二极管利用PN结的势垒电容随外加反向电压的变化特性可制成变容二极管，其符号如图所示。变容二极管主要用

20、于高频电子线路，如电子调谐、频率调制等1.4半导体三极管半导体三极管乂称晶休三极管，简称晶体管或三极管。在三极管内，有两种载流子：电子与空穴，它们同时参与导电，故晶体三极管乂称为双极型三极管，简记为BJT （英文Bipolar JunctionTran sistor的缩写）。它的基本功能是具有电流放大作用，它是组成各种电子电路的核心器件。三极管的结构及类型三极管的结构及类型如图所示。内部：三个区、两个PN结外部：三个电极。组成形式有NPN和PNP两种类型。常用的半导体材料有硅和错，因此共有四种类型，它们对应的型号分别为：3A （储PNP）、3B （错NPN）、3C （硅PNP） 3D （硅PN

21、P）四种系列。以硅 NPN三极管应用最广，以下均 以硅为例。1.4. 2三极管三种连接方式双极型三极管有三个电极，其中两个可以作为输入，两个可以作为输出，这样必然有一个电极是公共电极。因此，双极型三极管冇三种连接方式也称三种组态，如图所示共基极接法：b-公共端，e输入端，c输出端，用CB表示。共发射极接法：e 公共端，b 输入端，c 输出端，用CE表示；共集电极接法：c 公共端，b 输入端，o输出端，用CC表示；1.4. 3三极管的放大作用三极管作为放人元件，必须具备内部和外部条件。内部条件：（1）发射区掺杂浓度基区掺朵浓度；（2）基区很薄。外部条件：（1）发射结正向偏置；（2）集电结反向偏置

22、。满足外部条件的实际电路三极管内部载流了的传输过程1?发射区向基区注入电子发射结正偏（冇利于多了扩散运动）一发射区的多了（电了）向基区扩散（浓度大），基区 的空穴 向发射区扩散（浓度小，可忽略） f 形成发射极电流 /E。2. 电子在基区的扩散与复合电子到达基区后，由于靠近发射结处电子很多，靠近集电结处电子很少，形成浓度差 , 所以电 了继续向集电结处扩散。电了扩散的同时，在棊区将与空穴复合，复合掉的空穴将由 电源不断的予 以补充，形成基极电流厶卫由于基区很薄，因此，被复合掉的电子很少，绝大多数电子均能扩散到集电结处。3. 集电区收集扩散过来的电子集电结反偏（有利于少子漂移运动）一基区电子向集

23、电区漂移（集电区收集电子）一集 电区空 穴向棊区漂移一形成集电极电流。%1. 三极管的电流分配关系/En 发射区向基区注入电子形成的电流/Bn 注入基区的电子与空穴复合形成的电流集电区收集电子形成的电流/CBO 集电区空穴向基区漂移形成的电流电流分配关系：/E=/En=/Bn+/cn? ABrPB+ACBO /B=/BnCB （）/Tcn+ZcBO一般希望发射区注入棊区的电了绝大多数能够到达集电区，即要求/Cn?/Bno定义： a = A 共基极直流电流放大系数般三极管的 Q 值为 0. 97? 0. 99o1.4.4 三极管的特性曲线三极管的特性曲线是用來描述三极管电极电流与电压之间关系的，

24、它包括输入特性和输出特性。测试特性曲线的电路%1. 输入特性1. t/CE=O三极管的输入特性应为两个二极管并联麻的正向伏安特性。2. 址 >0电压&E将有利于将发射区扩散到基区的电子收集到集电极。如果UCE>UBE ,则三极管 发射结止向偏置，集电结反向偏置，三极管处于放大状态。此时，发射区发射的电子只有一小部分在皋区与空穴复合，成为6大部分将被集电极收集，成为/c,所以，与&E=0相比，在同样的下，基极电流 /B 将人人减小，结果输入特性 1111 线右移。电压&E>1V后，集电结反向电压足以将注入到基区的电子收集到集电极。即使 &E再增

25、大， /B 也不会减小很多。因此大于某一数值后，输入特性儿乎重亞在一起，常常用一条输入特性来表示部分（UCE=2V）0%1. 输出特性分为三个区域：1. 截止区厶 W0 的区域特点：伯=0, /c=0，三极管处于截止状态。实际上，此时ZC-/CEOO但通常/CEO很小，无法在特性曲线上表示出来。当发射结反向偏置时，发射区不再向基区注入电了，则三极管处于截止状态，所以，在截止区，发射结和集电结均处于反向偏置。2. 放人区一输出特性平坦的区域特点：A/c=/?A/b,三极管处于放大状态。在放大区，发射结正向偏置、集电结反向偏置。3. 饱和区一靠近纵轴附近的区域特点：对不同 /B 值的输出特性曲线几乎重合， /c 不受人控制，只随 UCE 的增人而增加。三 极 管处于饱和状态。一般认为 &E=UBE 吋，三极管达到临界饱和，当UCE<UBE 时称为过饱和 , 饱和时 UCE=UCES 很小，称为饱和压降，一般aCES<0.7V O在