第1章 11节 12节.docx

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