《常用半导体元件》-第1章

1.1半导体基础知识1.1.1本征半导体不含杂质且具有完整品体结构的半导体称为本征半导体。最常用的本征半导体是锗和硅品体，它们都是四价元素，在其原子结构模型的最外层轨道上各有四个价电子。在单品结构中，由于原子排列的有序性，价电子为相邻的原子所共有，形成了如图1-1所示的共价键结构，图中的+4表示四价元素原子核和内层电子所具有的净电荷。本征半导体在温度T=0K(热力学温度)目没有其他外部能量作用时，其共价键中的价电子被束缚得很紧，不能成为自由电子，这时的半导体不导电，在导电性能上相当于绝缘体。但是，当半导体的温度升高或给半导体施加能量(如光照)时，就会使共价键中的某些价电子获得足够的能量而挣脱共价键的束缚，成为自由电子，同时在共价键中留下一个空位，这个现象称为本征激发，如图1-2所示，自由电子是本征半导体中可以参与导电的一种带电粒子，叫做载流子。下一页返回1.1半导体基础知识价电子脱离共价键成为自由电子后，在原来的位子上就会形成一个空位，称为空穴。在本征半导体中，自由电子和空穴是成对出现的。原子失去价电子后带正电，可等效看成带正电的空穴。空穴很容易吸引邻近共价键中的价电子来填补这个空穴，因而使这个邻近的原子也因失去价电子而产生新的空穴。这个空穴又会被其他价电子填补，又产生一个新的空穴，如此下去，就好像是带正电的空穴在移动一样。实际上空穴是没有移动的，移动的只是价电子。于是空穴可以被看作是带正电的载流子。自由电了和空穴在运动中相遇时会重新结合而成对消失，这种现象称为复合。温度一定时自由电子和空穴的产生与复合将达到动态平衡，这时自由电子和空穴的浓度一定。上一页返回下一页1.1半导体基础知识1.1.2P型半导体和N型半导体在四价的硅(或锗)中掺入少量的硼(或钵等其他二价元素)，则在品体某些位置上的硅原子将被硼取代，而硼原子只能提供二个价电子，它与相邻的四个硅原子构成共价键时，必有一个共价键因缺少一个电子而出现空穴，室温下这个空穴极容易被邻近共价键中的价电子所填补，使硼离子成为负离子，称为空间电荷，如图1-3所示。掺入二价元素将使半导体中的空穴数量大为增加。这种以空穴导电为主的半导体，称为P型半导体，其中空穴为多数载流子，自由电子为少数载流子。下一页返回上一页1.1半导体基础知识在四价的硅(或锗)品体中掺入少量的磷(或其他五价元素)，则磷原了将取代某些位置上的四价硅原子。磷原子与周围的硅原子形成共价键时余出一个价电子，这个多余的价电子在室温下就能挣脱原子核的束缚成为自由电子，磷原子则因失去了一个电子变成了正离子(空间电荷)如图1-4所示。磷杂质的含量虽然很低，但由此而产生的自由电子数量却比本征半导体激发所产生的电子一空穴对数量大得多。这种以自由电子为卞的杂质半导体就称为N型半导体，其中的自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子。说明：不论是P型半导体还是N型半导体均呈电中性。上一页下一页返回1.1半导体基础知识1.1.3PN结及特性1.PN结的形成单一的P型或N型半导体，还不能直接制成半导体器件。只有将这两种类型的半导体以某种方式结合在一起，才能制成各种具有不同特性的半导体器件。利用掺杂工艺，使一块本征半导体的一边形成P型半导体，另一边形成N型半导体。在P型和N型的交界处，由于载流了浓度的差别，N区的自由电了必然会向P区扩散，而P区的空穴要向N区扩散OP区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离了(空间电荷)，N区一侧因失去自由电了而留下不能移动的正离了(空间电荷)。于是在P区和N区的交界面上产生一个空间电荷区，形成一个电场，称为内电场。电场的方向是由正电荷指向负电荷，即由N区指向P区，如图1-5所示。上一页返回下一页1.1半导体基础知识2.PN结的单向导电性在PN结的两端外加电压，称为结PN结的偏置电压。(1)PN结正向偏置给PN结加正向偏置电压，即P区接电位高端、N区接电位低端，此时称PN结为正向偏置(简称正偏)，如图1-6所示。PN结正偏时，外电场与PN结产生的内电场方向相反，削弱了内电场，使PN结变薄，有利于两区多数载流子向对方扩散，形成正向电流，此时PN处于正向导通状态。(2)PN结反向偏置给PN结加以反向偏置电压，即N区接电位高端，P区接电位低端，此时PN结反向偏置(简称反偏)，如图1-7所示。返回上一页1.2半导体二极管1.2.1二极管的结构1.结构和符号半导体一极管的主要构成部分就是一个PN结。在一个PN结两端接上相应的电极引线，外面用金属(或玻璃、塑料)管壳封装起来，就构成了一个半导体一极管。由P区引出来的电极为正极(或阳极)，由N区引出来的电极为负极(或阴极)。半导体一极管的结构和符号如图1-8所示。下一页返回1.2半导体二极管2.类型(1)按材料分，有硅二极管、锗一极管和砷化钵二极管等。(2)按结构分，根据PN结面积大小，有点接触型和面接触型二极管。(3)按用途分，有整流、稳压、开关、发光、光电和变容等二极管。(4)按功率分，有大功率、中功率和小功率等二极管。(5)按封装形式分，有塑封和金属封等二极管。常用的半导体二极管的外形如图1-9所示。上一页下一页返回1.2半导体二极管1.2.2二极管的伏安特性二极管的伏安特性就是加在二极管两端的电压与流过二极管的电流之间的关系。一般以电压为横坐标，电流为纵坐标。用作图法把电压、电流的对应值用平滑的曲线连接起来，就正间电流构成了二极管的伏安特性曲线。图1-10所示为通过实验测出的硅二极管和锗二极管的伏安特性曲线(实线为硅二极管的伏安特性，虚线为锗二极管的伏安特性)。1.正向特性图1-10所示曲线①部分为正向特性。在二极管两端加正向电压较低时，由于外电场较弱，还不足以克服PN结内电场对多数载流了扩散运动的阻力，所以正向电流很小，几乎为零。此时二极管呈现出很大的电阻。上一页下一页返回1.2半导体二极管2.反向特性图1-10所示曲线②部分为反向特性。二极管两端加上反向电压时，由于少数载流子漂移而形成的反向电流很小，且在一定的电压范围内基本上不随反向电压而变化，处于饱和状态，所以这一段电流称为反向饱和电流IR。硅管的反向饱和电流约在1μA至几十微安，锗管的反向饱和电流可达几百微安，如图1-10的OC(OC’)段所示。3.反向击穿特性如图1-10中曲线③部分所示，当反向电压增加到一定数值时，反向电流急剧增大，这种现象称为一极管的反向击穿。此时对应的反向击穿电压用UBR表示。上一页下一页返回1.2半导体二极管1.2.3二极管的主要参数1.最大工作电流最大工作电流指二极管长期工作允许通过的最大正向平均电流。使用时应注意正向平均电流不能超过此值，否则会烧坏二极管。2.最大反向工作电压UBM。最大反向工作电压指允许施加在二极管两端的最大反向电压，通常规定为击穿电压的一半。上一页下一页返回1.2半导体二极管3.反向饱和电流IR。反向饱和电流指正极管在规定的反向电压和室温下所测得的反向电流值。其值越小，说明管子的单向导电性能越好。4.最高工作频率最高工作频率指保证二极管正常工作时的上限频率。它的大小与PN结的结电容有关，超过此值，二极管的单向导电性变差。上一页返回1.3特殊二极管1.3.1稳压二极管稳压二极管是一种特殊的面接触型半导体硅一极管，其符号和伏安特性曲线如图1-11所示。稳压二极管的伏安特性与普通二极管的伏安特性相似，所不同的是稳压二极管的反向特性曲线比较陡。稳压二极管工作在反向击穿区，从反向特性曲线上可以看出，当反向电压小于其击穿电压时，反向电流很小。当反向电压增加到击穿电压时，反向电流急剧增大，稳压二极管反向击穿。此后电流虽然在很大范围内变化，但稳压二极管两端的电压变化很小。利用这一特性，稳压二极管在电路中能起稳压作用。下一页返回1.3特殊二极管稳压二极管的主要参数有：1.稳定电压UZ稳定电压UZ就是稳压一极管的反向击穿电压，也就是稳压一极管在正常的反向击穿工作状态下管了两端的电压。由于工艺方面和其他原因，即使同一型号的稳压二极管，其实际稳定电压值并不完全相同，而具有一定的分散性。所以在乎册中给出的是某一型号管了的稳定电压范围。使用时要进行测试，按需要挑选。2.稳定电流IZ和最大稳定电流IZmax。稳定电流IZ是指工作电压等于稳定电压时的反向电流，最大稳定电流IZmax是指稳压一极管允许通过的最大反向电流。使用稳压二极管时，要限制其工作电流不能超过IZmax，否则可能使稳压二极管发生热击穿而损坏。上一页下一页返回1.3特殊二极管3.动态电阻rz动态电阻是稳压二极管在正常工作区(反向击穿区)工作时稳压一极管两端电压的变化量与相应的电流变化量之比，即4.最大耗散功率PZM它是稳压一极管工作时所允许的最大耗散功率。它等于最大稳定电流和相应稳定电压的乘积，即5.电压温度系数它是说明稳压一极管的稳定电压受温度变化影响的参数。当环境温度变化1℃时稳定电压变化的白分比称为电压温度系数，即上一页下一页返回1.3特殊二极管1.3.2发光二极管与光电二极管1.发光二极管发光一极管简称LED，是一种通以正向电流后会发光的二极管，它用某些自由电了和空穴复合时就会产生光辐射的半导体制成，采用不同材料，可发出红、橙、黄、绿、蓝色光，其电路符号如图1-12所示。2.光电二极管光电一极管的结构与普通二极管类似，使用时光电二极管PN结工作在反向偏置状态。在光的照射下，反向电流随光照强度的增加而上升，(此时的反向电流叫光电流)，所以光电二极管是一个将光信号转换为电信号的半导体器件，其电路符号如图1-13所示。上一页返回1.4

半导体三极管1.4.1晶体三极管的基本结构二极管的种类有很多，外形也不尽相同，但它们的基本结构却相同，都是通过一定的工艺在一块半导体基片上制成两个PN结，再引出二个电极，然后用管壳封装而成。按半导体的组合方式不同，其可分为PNP型和NPN型。图1-14所小为儿种常见三极管的外形。无论是NPN型管还是PNP型管，它们内部都含有二个区：发射区、基区和集电区。从二个区各引出一个金属电极，分别称为发射极(E)、基极(B)和集电极(C)；在发射区与基区之间形成的PN结称为发射结，集电区与基区之间形成的PN结称为集电结。二极管的结构与电路符号如图1-15所示。下一页返回1.4

半导体三极管1.4.2晶体三极管的工作原理三极管有两个按一定关系配置的PN结。由于两个PN结之间的互相影响，使三极管表现出和单个PN结不同的特性。三极管最主要的特性是具有电流放大作用。下面以NPN型二极管为例来分析。1.电流放大作用的条件三极管的电流放大作用，首先取决于其内部结构特点，即发射区掺杂浓度高、集电结面积大，这样的结构有利于载流子的发射和接收。而基区薄且掺杂浓度低，以保证来自发射区的载流子顺利地流向集电区。其次要有合适的偏置。三极管的发射结类似于二极管，应正向偏置，使发射结导通，以控制发射区载流子的发射。而集电结则应反向偏置，以使集电极具有吸收由发射区注入到基区的载流子的能力，从而形成集电极电流。上一页返回下一页1.4

半导体三极管2.电流的分配和放大作用图1-16所示为NPN型三极管电流测试电路。该电路包括基-射回路(又称输入回路)和集-射回路(又称输出回路)两部分，发射极为两回路的公共端，因此称为共射电路。共射电路中，UBB为发射结正偏电源；UCC为集电结反偏电源(UCC>UBB)；RP为电位器。调节RP可以改变基极电流IB、集电极电流IC和发射极电流IE的大小。测量结果列于表1-1中。下一页返回上一页1.4

半导体三极管1.4.3晶体三极管的特性曲线三极管的输入特性曲线如图1-17所示，该曲线是指当集电极与发射极之间电压一定时，输入回路中的基极电流与基-射电压之间的关系曲线。用函数式可表示为

（1.1）当UCE=0时，从输入端看进去，相当于两个PN结并联，都为正向偏置，此时的特性曲线相当于一极管的伏安特性曲线。当UCE>1时，集电结为反向偏置，由图可以看出此时的特性曲线比UCE=0时的曲线稍向右移。上一页下一页返回1.4

半导体三极管2.输出特性曲线三极管的输出特性曲线如图1-18所示，该曲线是指当IB为常数时，输出回路中IC的与UCE之间的关系曲线，用函数式可表示为（1.2）根据三极管工作状态不同，输出特性曲线通常可以分为三个工作区域：放大区、饱和区、截止区。上一页下一页返回1.4

半导体三极管1.4.4晶体三极管的主要参数三极管的特性除用特性曲线表小外，还可用一些数据来说明，这些数据就是三极管的参数。三极管的参数是用来表小管子性能的优劣和适用范围。下面介绍一些主要参数。1.电流放大系数电流放大系数是表小三极管放大能力的重要参数。二极管在接成共发射极放大电路时，根据工作状态不同，有直流电流放大系数和交流电流放大系数。共发射极直流电流放大系数为（1.3）上一页返回下一页1.4

半导体三极管它表示在无输入信号的情况下三极管处于直流工作状态(静态)电流放大能力的参数。共发射极交流电流放大系数为（1.4）它反映的是当二极管工作在有信号输入情况下，处于交流工作状态(动态)时，基极电流的变化引起集电极电流的变化。表示三极管交流工作状态的电流放大能力。2.反向饱和电流ICBOICBO是指发射极开路，集电结在反向电压作用下，形成的反向饱和电流。它受温度变化的影响很大，常温下，小功率硅管的ICBO<1uA，锗管约为儿微安到几十微安。ICBO的大小反映了三极管的热稳定性，ICBO越小，说明其稳定性越好。返回上一页1.5

半导体使用基础知识1.5.1二极管的检测与应用1.半导体器件型号命名方法(1)半导体器件的型号组成半导体器件的型号由五个部分组成。第一部分：用阿拉伯数字表示器件的电极数目。第一部分：用汉语拼音字母表示器件的材料和极性。第二部分：用汉语拼音字母表示器件的类型。第四部分：用阿拉伯数字表示序号。第五部分：用汉语拼音字母表示规格号。(2)型号组成部分的符号及其意义见附录一。下一页返回1.5

半导体使用基础知识2.二极管选用知识一般可根据设备及电路的要求，查阅半导体器件乎册，选用参数满足要求的二极管，有挑选过程中应尽量选用经济、通用、市场上容易买到的器件。具体选用普通二极管时应注意以下几个方面：①所选用的二极管在使用时不能超过它的极限参数，特别要注意不能超过最大整流电流和最高反向工作电压，一定要保留适当的余量。②尽量选用反向电流和正向压降小的管子。③二极管的型号应根据使用场合不同来确定。若用于整流电路，就选用整流二极管；若用于高频检波电路，应选用点接触型锗管；若用于高速开关电路，则应选用开关二极管等。上一页下一页返回1.5

半导体使用基础知识3.二极管的识别与检测晶体二极管可以用万用表进行引脚识别和检测。(1)判别引脚万用表置于“RX1k”挡，调零后用表笔分别正接、反接于二极管的两个引脚。如果测得电阻值较小，则为二极管的正向电阻。这时与黑表笔(即表内电池正极)相连接的是二极管的正极(阳极)，与红表笔(即表内电池负极)相连接的是二极管的负极(阴极)，如图1-19(a)所示。如果测得电阻值较大，则为二极管的反向电阻。这时与黑表笔相连接的是二极管的负极，与红表笔相连接的是正极管的正极，如图1-19(b)所示。上一页下一页返回1.5

半导体使用基础知识(2)检测品体二极管正常的品体二极管，其正反向阻值应该相差很大，且反向电阻的阻值应接近无穷大。如果某二极管的正反向电阻阻值都接近无穷大，说明一极管内部断路损坏；如果正反向阻值均为零，说明内部被击穿短路；如果正反向阻值相差不大，说明二极管质量太差，也不宜使用。(3)区分硅管与锗管由于硅管和锗管的正向管压不同，因此可以用测量二极管正向电阻来区分。如果正向电阻小于1，则为锗管，如图1-20(a)所示。如果正向电阻为1-5，则为硅管，如图1-20(b)所示。上一页下一页返回1.5

半导体使用基础知识1.5.2三极管的测试与应用1.三极管外形及参数国产三极管的命名方法见1.5.1小节。分立器件中双极型三极管比场效应管应用广泛，三极管的封装有金属和塑料封装等，常见三极管封装外形及管脚排列如图1-21所示。2.三极管的检测方法(1)基极判别将万用表置于RX1挡，用两表笔去搭接二极管的任意两管脚，如果阻值很大(几百千欧以上)，将表笔对调再测一次，如果阻值仍很大，则剩下的那只管脚必是基极。返回下一页上一页1.5

半导体使用基础知识(2)类型判别三极管基极确定后，可用万用表黑表笔(即表内电池正极)接基极，红表笔(即表内电池负极)去接另外两管脚引线中的任意一个，如果测得的电阻值很大(几百千欧以上)，则该管是PNP型；如果测得的电阻值较小(几百千欧以下)，则该管是NPN型。硅管、锗管的判别方法和二极管的判别相似，即硅管PN结正向电阻约为几千欧，锗管约为几百欧。下一页返回上一页1.5

半导体使用基础知识(3)集电极判别测NPN型三极管的集电极时，先在除基极以外的两个电极中任设一个为集电极，并将万用表的黑表笔搭接在假设的集电极上，红表笔搭接在假设的发射极上，用一大电阻R(几千欧以上)接基极和假设的集电极(即图1-22中的开关闭合)，如果万用表指针有较大的偏转，则以上假设正确；如果万用表指针偏转很小，则假设不正确。为准确起见，一般将基极以外的两个电极先后假设为集电极，进行两次测量，万用表偏转角较大的那次测量，与黑表笔相连的是三极管的集电极。上一页返回1.6

场效应管简介场效应管按其结构不同，常见的有两种类型：结型场效应管(JFET)和绝缘栅型场效应管(MOSFET)。其中绝缘栅场效应管由于在制作上比较简单、占用芯片面积小、器件特性便于控制以及成品率高、成本低、功耗小等优点，因此广泛应用于集成电路中，特别是大规模和超大规模集成电路中得到广泛的应用。1.6.1绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管(MOSFET)是由金属、氧化物、半导体组成的，所以又叫金属氧化物半导体场效应管，简称MOS管。按其导电沟道分为N沟道和P沟道，即NMOS管和PMOS管，而每一种MOS管又分为增强型和耗尽型两类。下面以NMOS管为例说明其结构和工作原理。返回下一页1.6

场效应管简介1.增强型绝缘栅型场效应管(1)结构及符号图1-23(a)为N沟道增强型绝缘栅场效应管的结构图。它是在一块掺杂浓度低的P型硅半导体衬底上，用扩散的方法形成两个高掺杂浓度的N型区，并用金属导线引出两个电极作为场效应管的漏极和源极；在P型衬底表面上有一层很薄的绝缘层(Si02)，覆盖一层金属薄层引出一个电极作为场效应管的栅极。由于栅极与源极和漏极之间都是绝缘的，所以称之为绝缘栅型。增强型绝缘场效应管的电路符号如图1-23(b)，(c)所示。(2)工作原理如图1-24、图1-25所示。上一页下一页返回

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场效应管简介(3)特性曲线①N沟道增强型绝缘栅场效应管的转移特性曲线如图1-26所示。在uGSuGS（th）时，漏极电流iD与uGS的关系可用下式表示：

（1.7）其中ID0是uGS=2uGS（th）时的iD值。②N沟道增强型绝缘栅场效应管的输出特性曲线如图1-27所示。由图可见，特性曲线有4个工作区：可变电阻区、恒流区、击穿区和截止区。其含义与结型场效应管输出特性曲线相应区域含义相同。上一页下一页返回

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场效应管简介2.耗尽型绝缘栅型场效应管(1)结构及符号图1-28是N型沟道耗尽型绝缘栅场效应管的结构示意图。其结构与增强型场效应管的结构相似，不同的是这种管子在制造时，就在一氧化硅绝缘层中掺入了大量的正离子。由丁正离子的作用，即使uGS=0时也会在漏、源极之间形成导电通道，此时只要在漏、源极之间加上正向电压uDS，就会产生漏极电流iD。通常将uGS=0时的漏极电流iD称为饱和漏极电流，用IDSS表示。上一页下一页返回1.6

场效应管简介(2)工作原理及特性曲线当栅、源之间加反偏电压uGS时，沟道中感应的负电荷减少，从而使iD减小，反偏电压uGS增大，沟道中感应的负电荷会进一步减小。当反偏电压增大到某一值时，沟道被夹断，使iD=0，此时的uGS称为夹断电压，用uGS

(off)表示。N沟道耗尽型场效应管的特性曲线如图1-29所示。这种管了的uc、不论是正是负或是零都可以控制iD，这使它的使用具有较大的灵活性。在时，iD与uGS的关系可用下式表示：（1.8）上一页下一页返回1.6

场效应管简介6.2场效应管的主要参数和使用注意事项1.主要参数(1)夹断电压uGS(off)或开启电压uGS(th)当漏源电压uDS为固定值时，使耗尽型管了的漏极电流iD等于零(或按规定等于一个微小电流)时，所需的栅源电压即为夹断电压uGS(off)。表1-2列出了场效应管和品体二极管的比较。2.检测及使用注意事项(1)检测由于绝缘栅型(MOS)场效应管输入阻抗很高，不宜用万用表测量，必须用测试仪测量，而目测试仪必须良好接地，测试结束后应先短接各电极，以防外来感应电热将栅极击穿。上一页下一页返回1.6

场效应管简介①管脚的判别。先确定栅极，将万用表置于Rx1k或Rx100挡，用黑表笔接假设的栅极，再用红表笔分别接另外两脚。若测得的阻值小，黑、红表笔对调后阻值很大，则假设的栅极正确，并可知这个管子为N沟道场效应管，反之为P沟道场效应管。对于结型场效应管，由于漏、源极是对称的，可以匀_换，因此剩余的两个管脚中任何一只都可以作为源极或漏极。②质量判定。把万用表置于Rx1k或Rx100档，红、黑两表笔分别交替接源极和漏极，阻值均小。随后将黑表笔接栅极，红表笔接源极和漏极，对N沟道管，阻值应很小；对P沟道阻值应很大。再将红、黑表笔对调，测得的数值相反，这样的管子基本上是好的。否则要么击穿、要么短路。上一页下一页返回1.6

场效应管简介(2)注意事项①为了安全使用场效应管，在线路的设计中不能超过管子的耗散功率，最大漏源电压、最大栅源电压和最大漏极电流等参数的极限值。②各类型场效应管在使用时，都要严格按要求的偏置接入电路中，要遵守场效应管偏置的极性。如结型场效应管栅源漏之间是P