第1章 11节 12节.docx

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第1章11节12节

第一章半导体器件P1

器件定义：

指在工厂生产加工时改变了分子结构的成品。

例如晶体管、电子管、集成电路。

因为它本身能产生电子，对电压、电流有控制、变换作用（放大、开关、整流、检波、振荡和调制等），所以又称有源器件。

1.1半导体的特性

一、基础知识

1、半导体Semiconductor

根据物体导电能力（电阻率）的不同，物质可分为导体、绝缘体和半导体三大类。

半导体：

导电能力介于导体与绝缘体之间。

如硅（Si）锗（Ge）及砷化镓（GaAs）等。

2、分子：

分子是保持物质化学性质的最小粒子。

分子由原子构成。

3、原子：

原子是化学变化中的最小粒子。

原子的的构成：

由核外带负电的电子和带正电的原子核构成（原子核由带正电的质子和不带电的中子构成）。

在不显电性的粒子里：

 核电荷数＝质子数＝核外电子数

原子核带正电，核外电子带负电。

原子核正电荷与核外电子负电荷平衡。

4、原子序数：

元素在周期表中的序号。

数值上等于原子核的核电荷数（即质子数）或

中性原子的核外电子数，例如碳的原子序数是6，它的核电荷数（质子数）或核外电子数也是6。

原子序数是一个原子核内质子的数量。

5、核外电子分层分布。

原子最外层的电子数8个最稳定。

最外层电子数＜4则易失去电子；

最外层电子数＞4则易获得电子。

6、价电子：

原子最外层轨道上的电子称为价电子。

元素有几个价电子就叫做几价元素。

7、共价键：

相邻原子共有价电子形成的束缚。

8、载流子：

可以运载电荷的粒子。

9、多子：

两种载流子当中，数量较多的载流子。

10、少子：

两种载流子当中，数量较少的载流子。

二、半导体的特点：

1）导电能力不同于导体、绝缘体

2）光敏特性：

光照后，导电性能会改变（光敏元件）

3）热敏特性：

受热后，导电性能会变强（热敏元件）

4）掺杂特性。

掺入微量的杂质后，导电性能及导电类型会改变

1.1.1本征半导体

本征半导体：

完全纯净、具有晶体结构的半导体。

1、本征半导体的共价键：

硅（Si）和锗（Ge）是四价元素，在原子最外层轨道上有四个价电子。

原子按一定规律整齐排列，形成晶体点阵后，每个原子最外层的价电子，不仅受到自身原子核的束缚，同时还受到相邻原子核的吸引。

因此，价电子不仅围绕自身的原子核运动，同时也出现在围绕相邻原子核的轨道上。

于是，两个相邻的原子共有一对价电子，这一对价电子组成共价键。

硅、（锗）原子的共价键结构如图所示。

2、本征激发：

本征半导体共价键中的价电子因热或光照获得足够的能量，挣脱共价键的束缚成为自由电子，在原位留下一个空穴，空穴因为失去电子而显正电性。

一个自由电子对应一个空穴。

这种产生电子-空穴对的现象称为本征激发。

3、复合:

自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴，使两者同时消失，这种现象称为复合。

在一定温度下，本征半导体中载流子的浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。

用p和n分别表示空穴（空穴带正电Positive）和自由电子（电子带负电Negative）的浓度，有p=n（一个萝卜一个坑）。

4、电子、空穴的导电机理

A、自由电子的定向移动形成电流（电流的方向与自由电子的移动方向相反）。

B、共价键出现了空穴，在外加电场或其它的作用下，邻近的价电子就可填补到这个空位上，而在这个电子原来的位置上又留下新的空位，以后其他电子又可转移到这个新的空位，电子的移动可以看成是空穴的反向移动。

这样就使共价键中出现一定的电荷迁移。

C、载流子的定向移动形成电流。

本征激发产生的载流子（自由电子、空穴）浓度很低，故本征半导体导电能力很差。

其浓度除与材料有关外，还与温度有密切关系，随温度升高，按指数规律增加。

1.1.2杂质半导体

本征半导体中掺入微量的杂质后，导电性能会显著提高。

因掺杂的元素不同,可形成N型半导体和P型半导体

1）N型半导体---本征半导体中掺入微量的五价元素,如磷。

因磷最外层有5个价电子,而组成共价键时需4个价电子,故会余下一个电子,此电子很容易挣脱原子核的束缚而成为自由电子（使磷原子因少了一个价电子而成+1价）。

每掺入一个磷原子就可提供一个自由电子。

本征半导体掺入五价元素后,自由电子的数量大增。

Ｎ型半导体中多子是自由电子，主要由杂质原子提供；少子是空穴,由热激发形成。

此时自由电子导电成为该杂质半导体导电的方式.这种杂质半导体称为N（Negative负的、电子带负电）型半导体。

2）P型半导体---本征半导体中掺入微量的三价元素,如硼。

因硼最外层有3个价电子,而组成共价键时需4个价电子,故会因缺少一个电子而出现一个空位,别处的价电子很容易来填补这个空位（使硼原子因多了一个电子成为-1价的离子）,而别处的硅原子少了一个价电子而出现一个空穴。

每掺入一个硼原子就可在别处提供一个空穴。

本征半导体掺入三价元素后,空穴的数量大增。

Ｐ型半导体中多子是空穴，少子是电子（由热激发形成）。

此时空穴导电成为该杂质半导体导电的方式.这种杂质半导体称为P型半导体。

（Positive正的、空穴带正电）

本征半导体：

自由电子=空穴人数=座位数

N型半导体：

多数载流子是自由电子,少数载流子是空穴人数﹥座位数

P型半导体：

多数载流子是空穴,少数载流子是自由电子人数﹤座位数

3）本征半导体以及P、N型半导体，其本身正负电荷是平衡的。

1.2半导体二极管（Diode）

1.2.1ＰＮ结及其单向导电性

1、ＰＮ结中载流子的运动

ＰＮ结的形成

在一块纯净的半导体晶体上，采用特殊掺杂工艺，在两侧分别掺入三价元素和五价元素。

一侧形成P型半导体，另一侧形成N型半导体如图（P、N型半导体本身正负电荷是平衡的）。

扩散:

物质总是从浓度高的地方向浓度底的地方运动，这种由于浓度差而产生的运动称为扩散。

漂移：

载流子在电场作用下的定向运动称为漂移。

Ｐ区：

空穴为多数,

Ｎ区：

自由电子为多数,

故Ｐ区的空穴和Ｎ区的自由电子都向对方区域扩散。

扩散到对方区域后会因为复合而消失。

而交界处的Ｐ区因为失去了带正电的空穴而出现负离子,N区因为失去了带负电的电子出现正离子。

负离子、正离子是不能移动的，此电荷区形成一个内电场,方向由N指向P,阻碍了扩散的进一步进行。

Ｐ区的少数载流子自由电子和N区的少数载流子空穴会向对方区域漂移。

最终扩散和漂移达到动态平衡,PN结的宽度保持一定。

记住：

内电场方向由N指向P

2、ＰＮ结的单向导电性

偏置电压：

外加的静态工作电压。

1、正偏：

PN结P区接电源正极，N区接电源负极，称为PN结正偏，

即P区电位高于N区电位，如图所示。

2、反偏：

PN结P区接电源负极，N区接电源正极，称为PN结反偏，

即P区电位低于N区电位，如图所示。

正偏时：

外电场与PN结内电场的方向相反，削弱了内电场的作用，使PN结变窄，加强了多数载流子的漂移运动，形成较大的正向电流。

这时称PN结为正向导通状态。

反偏时：

外电场与PN结内电场的方向相同，增强了内电场的作用，使PN结变厚，阻碍了多数载流子的漂移运动，加强了少数载流子的漂移运动，由于少数载流子的数量很少，所以只有很小的反向电流（一定温度下，外加反向电压超过约零点几伏之后，反向电流不再随着反向电压而增大，故称为反向饱和电流），这时称PN结为反向截止状态。

结论:

正偏时PN结导通，反偏时PN结截止。

1.2.2二极管的伏安特性DiodeP6

1、二极管的结构

ＰＮ结、电极（管脚）、封装。

阳极从Ｐ区引出，阴极从Ｎ区引出。

2、符号

3、类型

按材料分：

硅管（热稳定性好）

锗管（损耗小）

按结构分：

接触型：

PN结面积小，结电容小，用于检波、变频、和数字电路。

面接触：

PN结面积大，结电容大，用于低频大电流整流电路。

按用途分：

普通、整流、开关、稳压、变容、发光、光电等等

半导体器件型号命名方法

2AP1:

N型、锗材料、普通管点接触最大整流电流16mA最高工作频率150MHZ

1N41481N4001

4、二极管（PN结）的伏安特性

伏安特性：

流过器件的电流与电压的关系。

（1）二极管的单向导电性

1）二极管（ＰＮ结）正向偏置——导通　IF：

正向电流

2）二极管（ＰＮ结）反向偏置——截止　Is；反向饱和电流（受温度影响大）

（2）二极管的伏安特性：

伏安特性曲线如图。

1）正向特性（U大于0的部分）

二极管阳极接高电位，阴极接低电位，这种连接称为二极管的正向偏置（正偏）。

正向电压大于一定值后，正向电流IF随正向电压u按指数规律变化。

a）死区：

对某一给定的二极管，当外加的正向电压低于一定值时，其正向电流很小，IF≈0。

而当正向电压超过此值时，正向电流增长很快，该正向电压的定值称为死区电压Uth，其大小与材料及环境温度有关。

死区电压：

硅管≈0.5V，

锗管≈0.1V。

b）正向导通区和导通电压：

二极管正向电压超过死区电压后的工作区域称为正向工作区。

此时正向电流变化很大，而二极管两端电压的变化极小，该电压值称为导通电压。

管压降：

硅管约：

0.7V，

锗管约：

0.2V。

2）反向特性（U小于0的部分）

二极管阳极接低电位，阴极接高电位，这种连接称为二极管的反向偏置（反偏）。

（1）反向截止区（OD段）：

反向电流很小，且在某一范围内基本保持不变，称为反向饱和电流（越小越好）。

由于半导体的热敏特性，反向饱和电流将随温度的升高而增大。

（2）反向击穿区：

当外加电压过高而超过某一值时，则反向电流突然增大，二极管失去了单向导电性，这种现象称为反向击穿，此时的反向电压称为反向击穿电压UBR。

若反向击穿电流过大,二极管即损坏。

1.2.3二极管主要参数P7～8

（参数：

描述特征的数据。

注意参数的前提：

如温度、散热条件等）

注意留余量

温度对二级管特性的影响

1．温度升高1℃，硅和锗二极管导通时的正向压降UF将减小2.5mv左右。

2．温度每升高10℃，反向电流增加约一倍。

3．温度升高反向击穿电压下降。

1.2.4特殊二极管

1、稳压管（齐纳二极管ZenerDiode）（电击穿：

可逆、热击穿：

不可逆）

（1）符号

（2）原理：

二极管反向击穿时流过它的电流在很大范围

内变化，而管子两端电压几乎不变。

（3）特点：

反向击穿时，管子两端电压为其稳压值。

反偏使用。

（一般不并联使用）。

正偏使用时同普通二极管。

管子两端电压为二极管

的正向导通电压：

硅管约：

0.7V，锗管约：

0.2V。

（4）主要参数：

1）稳定电压UZ：

指稳压管工作在反向击穿区时的稳定工作电压。

2）稳定电流IZ（IZmin～IZmax）：

稳压管正常工作时的参考电流。

若工作电流小于IZmin，则不能稳压。

若工作电流大于IZmax，则可能会烧坏。

一般来说，工作电流大一些稳压性能较好。

3）额定功率ＰM：

指稳压管工作电压UZ与最大工作电流IZmax的乘积。

ＰZ=UZ×IZM额定功率决定于稳压管允许的温升

（5）一般反偏使用

2、发光二极管（LED）

（1）符号

（2）正偏使用

（3）限流使用

（4）正向压降因材料不同（发光颜色不同）而不相等

（5）常见白、红、黄、绿、橙、兰、红外

3光电二极管

光电二极管又称光敏二极管，是一种将光信号转换为电信号的特殊二极管（受光器件）。

（1）符号

（2）反偏使用:

无光照时，流过光电二极管的电流（称暗电流）很小；受光照时，产生电子—空穴对（称光生载流子），在反向电压作用下，流过光电二极管的电流（称光电流）明显增强。

利用光电二极管可以制成光电传感器，把光信号转变为电信号，从而实现控制或测量等。

（3）光电耦合器：

把发光二极管和光电二极管组合并封装在一起，则构成二极管型光电耦合器件，光耦可实现输入和输出电路的电气隔离和实现信号的单方向传递。

常用在数/模电路或微机控制系统中做接口电路。

（三）变容二极管（Varactordiode）

（1）符号

利用PN结反偏时结电容大小随外加电压而变化的特性制成。

反偏电压增大时电容减小，反之电容增大。

变容二极管的电容量一般较小，其最大值为几十到几百皮法，最大电容与最小电容之比约为5：

1。

它主要在高频电路中用作自动调谐、调频、调相等，例如在电视接收机的调谐回路中作可变电容等。

（2）反偏使用。

1.2.5应用

1、稳压二极管稳压电路P9

（1）稳压二极管与负载并联（并联型稳压电路）。

（2）稳压二极管反偏

（3）电阻R的作用：

限制流过稳压管的电流，使其不≤IZmax

（4）UI＞Uo

（5）稳压二极管一般不并联使用

2、二极管限幅

限幅：

又称为削波，即限制输出信号幅度。

（1）单向限幅：

1）因为1N4148是硅管，且正偏，故Uo=0.7V

2）Uo=0.7V+3V=3.7V

3）输入为交流时（设VD为理想二极管，即忽略其正向压降和反向电流）：

当

>Us时，二极管导通，理想二极管导通时正向压降为零，输人电压正半周超出的部分降在电阻R上，uo=Us；

当

＜Us时，二极管截止，Us所在支路断开，电路中电流为零，

，

。

输人信号上半周电压幅度被限制在Us值，称为上限幅电路。

Us为上门限电压，用

表示，即

。

若将图中Us、VD极性均反向连接，可组成下限幅电路，相应有一下门限电压

.

（2）双向限幅（设VD为理想二极管）：

具有上、下门限的限幅电路称为双向限幅电路。

图中U1、U2控制上、下门限。

不考虑二极管的通时压降UF，则上、下门限分别是：

UIH＝U1

UIL＝-U2

当ui＜Us时，VD2导通，VD1截止uo=Uomin=UIL

当ui＞Us时，VD1导通，VD2截止uo=Uomax=UIH

当U1＜ui＞U2时，VD1、VD2均截止uo=ui

（实例:

IC输入端保护）

2、低电压稳压电路

利用二极管正向压降不变的特点，可构成低电压稳压电路。

例：

图所示的二极管VD1、VD2为硅管，诺UI=6V，则Uo=1.4V

（R的作用是限流、降压）

例：

图所示的二极管电路，设VD1、VD2都是理想二极管，求UAO和流过电阻R的电流大小和方向。

.

思路：

A、VD1、2阳极等电位

B、VD1阴极0V、VD2阴极-6V，VD2正偏电压大，导通。

因VD2是理想二极管，短接（如图b）

C、可见VD1反偏、截止。

可去掉VD1（如图c）

解：

由以上分析，得UAO=-6V

电流方向自下而上图c图b

3、钳位电路

钳位电路是使输出电位钳制在某一数值上保持不变的电路。

钳位电路电子技术中应用广泛。

如图是数字电路中最基本的与门电路，也是钳位电路的一种形式。

设二极管为理想二极管，

当输入UA=UB=3V时，VD1、VD2正偏导通，输出电位被钳制在

UA和UB上，即UF=3V；

当UA=0V，UB=3V时，VD1导通，输出被钳制在UF=UA=0V，

VD2（左3V右0V）反偏截止。

当UA=3V，UB=0V时，VD2导通，输出被钳制在UF=UA=0V，

VD1（左3V右0V）反偏截止。

（与门：

F=AB）

4、检波电路

检波电路是把信号从已调波中检出来的电路。

检波电路在调幅收音机及电视机中都有应用，电路如P9图1－11所示。

电工：

强电---人身安全

电子：

弱电---器件安全（电力电子除外）

电子：

模拟电子：

处理模拟信号----在时间和幅度是上都是连续变

化的，在一定动态范围内可取

任意值。

数字电子：

处理数字信号---.在时间或幅度上是离散，不连续。

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