1、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
2、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。
3、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。
4、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Positiv
5、e )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
6、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。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-
7、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。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
8、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)1.2.1结及其单向导电性1、结中载流子的运动结的形成 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。 区:空穴为多数,区:自由电子为多数,故区的空穴和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
9、复合而消失。而交界处的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。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P2、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P
10、N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 Diode P61、二极管的结构 结、电极(管脚)、封装。阳极从区引出,阴极从区
11、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150MHZ1N4148 1N4001 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(结)正向偏置导通IF:正向电流2)二极管(结)反向偏置截止Is;反向饱和电流(受温度影响大)(2) 二极管
12、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,IF0。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
13、: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 P78(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
14、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Zener Diode)(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
15、)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M:指稳压管工作电压UZ与最大工作电流IZmax的乘积。Z= 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
16、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(Varactor diode)(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
17、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=3.7V3)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
18、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:UIHU1UIL-U2 当uiUs时,VD2导通,VD1截止uo=Uomin= UIL当uiUs时,VD1导通,
19、VD2截止uo=Uomax= UIH当U1uiU2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
20、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111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。模拟电子技术基础简明教程
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