半导体导电特性解读.docx

1、半导体导电特性解读简单的电子技术基础刘海军 摘编一、课程背景： 电子技术的发展十分迅速，应用非常广泛，现代一切新的科学技术无 不与电有着密切的关系。因此，电子技术是一门重要课程。为他们将来涉 及到电的知识打基础；也为他们自学、深造、拓宽和创新打下基础。二、课程目标：1、了解模拟电路构成的最基本元件，特性及工作原理。2、了解集成电路的特点和两种整流电路。3、了解两种振荡电路及调制方式。4、了解无线电广播与接收的简单知识。5、培养学生学习物理的兴趣，用物理知识解决实际问题的能力，热爱 生活的情操。三、教学方式： 讲座、讨论、探究（观看教学片、维修店调查、信息采集整理等）四、课程安排：1、时间：每周

2、一课时，共 9 课时2、对象：全校各年级五、课程内容：半导体导电特性导体、绝缘体和半导体自然界的各种物质就其导电性能来说、可以分为导体、绝缘体和半导体三大类。导体 具有良好的导电特性，常温下，其内部存在着大量的自由电子，它们在外电场的作用下做定 向运动形成较大的电流。因而导体的电阻率很小，只有 金属一般为导体，如铜、 铝、银等。绝缘体 几乎不导电，如橡胶、陶瓷、塑料等。在这类材料中，几乎没有自由电子，即使受外电场 作用也不会形成电流，所以，绝缘体的电阻率很大，在 以上。半导体 的导电能力介于导体和绝缘体之间， 如硅、锗、硒等，它们的电阻率通常在 之间。半导体之所以得到广泛应用，是因为它的导电能

3、力受掺杂、温度和光照的影响十分显著。如 纯净的半导体单晶硅在室温下电阻率约为 ，若按百万分之一的比例掺入少量杂质（如磷）后，其电阻率急剧下降为 ，几乎降低了一百万倍。半导体具有这种性能的根本原因在于半导体原子结构的特殊性。本征半导体的导电特性常用的半导体材料是单晶硅 （ Si）和单晶锗 （Ge）。所谓单晶，是指整块晶体中的原子 按一定规则整齐地排列着的晶体。非常纯净 的单晶半导体称为 本征半导体 。一、 本征半导体的原子结构 半导体锗和硅都是四价元素，其原子结构示 意图如图 Z0102 所示。它们的最外层都有 4 个电子，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

4、 ，如最外层有 4 个价电子带有 4 个单位负图 Z0101 所示。惯性核带有 4 个单位正电荷，电荷，因此，整个原子为电中性。本征激发一般来说， 共价键中的价电子不完全象绝缘体中价电子所受束缚那样强， 如果能从外界获得 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自由电 子。理论和实验表明： 在常温（T300K ）下，硅共价键中的价电子只要获得大于电离能 EG（= 1.1eV ）的能量便可激发成为自由电子。本征锗的电离能更小，只有 0.72 eV 。当共价键中的一个价电子受激发挣脱原子核的束缚成为自由电子的同时， 在共价键中便留下了 一个空位子，称为 空穴

5、。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 填补到这个空穴中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果上都相当 于带 正电荷的空穴在运动 ，且运动方向与价电子运动方向相反。为了区别于自由电子的运动， 把这种运动称为空穴运动，并把空穴看成是一种带正点荷的载流子。电子一空穴对本征激发复合 ：当自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 电子一空穴 对，这一相反过程称为复合。动态平衡 ：在一定温度条件下，产生的 电子一空穴对 和复合的

6、 电子一空穴对 数量相等时， 形成相对平衡，这种相对平衡属于动态平衡，达到动态平衡时 电子一空穴对 维持一定的数目。可见，在半导体中存在着 自由电子和空穴两种载流子 ，而金属导体中只有自由电子一种载流 子，这也是半导体与导体导电方式的不同之处。杂质半导体的导电特性本征半导体的导电能力很弱，热稳定性也很差，因此，不宜直接 用它制造半导体器件。半导体器件多数是用含有一定数量的某种杂 质的半导体制成。 根据掺入杂质性质的不同， 杂质半导体分为 N 型 半导体和 P 型半导体两种。一、 N 型半导体 在本征半导体硅（或锗）中掺入微量的 5 价元素，例如磷，则磷 原子就取代了硅晶体中少量的硅原子，占据晶

7、格上的某些位置。如 图 Z0103 所示。由图可见，磷原子最外层有 5个价电子，其中 4 个价电子分别与 邻近 4个硅原子形成共价键结构， 多余的 1 个价电子在共价键之外， 只受到磷原子对它微弱的束缚，因此在室温下，即可获得挣脱束缚 所需要的能量而成为自由电子，游离于晶格之间。失去电子的磷原 子则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 施主杂质 。在本征半导体中每掺入 1 个磷原子就可产生 1 个自由电子， 而本征 激发产生的空穴的数目不变。这样，在掺入磷的半导体中，自由电子 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

8、数载流子 （简称 少子 ）。显然，参与导电的主要是电子，故这 种半导体称为电子型半导体，简称 N 型半导体。二、 P型半导体 在本征半导体硅（或锗）中，若掺入微量的 3 价元素，如硼，这时 硼原子就取代了晶体中的少量硅原子， 占据晶格上的某些位置， 如图 Z0104 所示。由图可知，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 子中的价电子来填充后， 使 3 价的硼原子获得了 1 个电子而变成负离 子。同时，邻近共价键上出现 1 个空穴。由于硼原子起

9、着接受电子的 作用，故称为 受主原子 ，又称 受主杂质 。在本征半导体中每掺入 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本征激发电子的数目，成为多数载流于，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。PN 结面两侧明显地存在着两种载流子的浓度 越过界面向 P区扩散，并与 P区界面附 区的一侧留下了一层不能移动的施主正 越过界面向 N 区扩散，与 N 区界面附近 的一侧，留下一层不能移动的受主负离一、 PN 结的 形 成在一块完整的硅片上，用 不同的掺杂工艺使其一边形 成 N 型半导

10、体 ，另一边形成 P型半导体，那么在两种半 导体交界面附近就形成了 PN 结 ，如 图 Z0105 所 示 。由 于 P 区的多数载 流子是空 穴，少数载流子是电子；N 区多数载流于是电子，少数 载流子是空穴，这就使交界 差。因此，N 区 的电子必然 近的空穴复合而 消失，在 N 离子；同样，P区的空穴也 的电子复合而消失，在 P 区 子。扩散的结果，使交界面 两侧出现了由不能移动的带电离子组成的空间电荷区，因而形成了一个由 N 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

11、，将形成稳定的 空间电荷区，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二、PN 结的单向导电 性PN 结 在 未 加 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 。 当 电源正极接 P区，负极接 N 区时，称为给 pN 结加正向电压或正向偏置，如图 Z0106 所示。 由 于 PN 结 是 高 阻 区 ，而 P 区 和 N 区 的 电 阻 很 小 ，所 以 正 向 电 压 几 乎 全 部 加 在 PN 结 两 端 。在 PN 结 上 产 生 一 个 外 电 场 ， 其 方 向

12、与 内 电 场 相 反 ， 在 它 的 推 动 下 ， N 区 的 电 子 要 向 左 边 扩 散 ， 并与原来空间电荷区的正离子中和，使空间电荷区变窄。同样，P区的空穴也要向右边扩散， 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 散又继续进行。 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 IF。而且 IF 随着 正向 电压的增大而增 大。当电源正极接 N 区、负极接 P 区时，称为给 PN 结加反向电压或反向偏置。反向电压产生 的外加电场的方向与

13、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 区的多子（ 自由电子）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 结原来的平衡，在电场作用下的漂移运动大于扩散运动。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 IR。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。当反向电流可以忽略时，就可认为 PN 结处于截止状态。值得注 意的是，由于本征激发随温度的升高而加剧，导致电子一空穴对增多，因而反向

14、电流将随温 度的升高而成倍增长。反向电流是造成电路噪声的主，要原因之一，因此，在设计电路时， 必须考虑温度补偿问题。综上所述，PN 结正偏时，正向电流较大，相当于 PN 结导通，反偏时，反向电流很小，相 当 于 PN 结 截 止 。 这 就 是 PN 结 的 单 向 导 电 性 。来整变0.1这。通V、 VD（本资料用 D）Z0108 )晶体二极管二极管的结构与伏安特性晶体二极管也称半导体二极管，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，通常有点接触型和面结型两类。常用 符号如图 Z0107 中 表示。二极管的伏安特性是指流过二极管的电流 iD与加于二极管两端的电压 uD

15、之间的 关系或曲线。用逐点测量的方法测绘出来或用晶体管图示仪显示出来的 UI曲线， 称二极管的伏安特性曲线。图 Z0111 是二极管的伏安特性曲线示意图，依此为例说 明其特性。点接触型适用于工作电流小、工作频率高的场合；（如图面结合型适用于工作电流较大、工作频率较低的场合；（如图 Z0109 ） 平面型适用于工作电流大、功率大、工作频率低的场合。（如图 Z0110 ） 按使用的半导体材料分，有硅二极管和锗二极管；按用途分，有普通二极管、 流二极管、检波二极管、混频二极管、稳压二极管、开关二极管、光敏二极管、 容二极管、光电二极管等。二极管是由一个 PN 结构成的，它的主要特性就是单向导电性，通

16、常主要用它的 伏安特性来表示。一、正向特性 由图可以看出，当所加的正向电压为零时，电流为零；当正向电压较小时，由于外 电场远不足以克服 PN 结内电场对多数载流子扩散运动所造成的阻力，故正向电流 很小（几乎为零），二极管呈现出较大的电阻。这段曲线称为死区。当正向电压升高到一定值 U（Uth ）以后内电场被显著减弱，正向电流才有明显 增加。 U 被称为门限电压或阀电压。 U视二极管材料和温度的不同而不同，常温 下，硅管一般为0.5V 左右，锗管为0.1V 左右。在实际应用中，常把正向特性较直 部分延长交于横轴的一点，定为门限电压U的值，如图中虚线与 U轴的交点。当正向电压大于 U以后，正向电流随

17、正向电压几乎线性增长。把正向电流随正 向电压线性增长时所对应的正向电压，称为二极管的导通电压，用 UF 来表示 常，硅管的导通电压约为 0.6 0.8V （一般取为 0.7V ），锗管的导通电压约为 0.3V （一般取为 0.2V ）。二、反向特性 当二极管两端外加反向电压时，PN 结内电场进一步增强，使扩散更难进行 时只有少数载流子在反向电压作用下的漂移运动形成微弱的反向电流 IR。反向电流 很小，且几乎不随反向电压的增大而增大（在一定的范围内），如图 Z0111 中所示。但反向电流是温度的函数，将随温度的变化而变化。常温下，小功率硅管的反向电 流 在 nA 数 量 级 ， 锗 管 的 反

18、向 电 流 在 A数 量 级 。三、反向击穿特性当反 向电 压增大 到一定数 值 UBR 时 ，反向电 流 剧增，这种现 象 称为二 极管的击 穿 ， UBR（ 或用 VB 表示 ）称为击 穿 电压， UBR 视不 同二极管 而 定，普 通 二极管 一 般在几 十伏以上且硅管较锗管为高。击穿特性的特点是，虽然反向电流剧增，但二极管的端电压却变化很小，这一特 点成为制作稳压二极管的依据。四、二极管伏安特性的数学表达式由理论分析可知，二极管的伏安特性可近似用下面的数学表达式来表示：式 中，iD 为 流过 二极管 的 电流， uD。 为加 在二极 管 两端的 电 压，VT 称为 温度 的电 压当量，

19、与热力学温度成正比，表示为VT = kT q 其中 T 为 热力学 温 度，单 位 是 K；q 是电 子的 电 荷量 ， ；k为 玻耳兹曼 常数， 室温 下，可 求 得 VT = 26mV 。IR（sat）是二极管的反向饱和电流。五、温度对二极管伏安特性的影响二极管是温度的敏感器件，温度的变化对其伏安特性的影响主要表现为：随着温 度的升高，其正向特性曲线左移，即正向压降减小；反向特性曲线下移，即反向电 流 增大。一 般在 室 温 附 近 ，温 度 每 升 高 1C，其 正 向 压 降 减 小 2 2.5mV ；温 度每升 高 10C： ，反向电 流大约 增大 1 倍 左右。综上所述，二极管的伏

20、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 有关。三极管的结构与分类晶体三极管 晶体三极管又称半导体三极管，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，故晶体三极管又称为双极型晶体三极管，简记为 BJT （英文 Bipo1ar Junction Transistor 的缩写）。它的基本功能是具有电流放大作用。一、结构图 Z0113 和图 Z0114 给出了 NPN 和 PNP 型两类三极管的结构示意图和表示符号。它有两个 PN 结（分别称为发射结和集电结），三个区（分别称为发射区

21、、基区和集电区），从三个区域 引出三个电极（分别称为发射极 e、基极 b 和集电极 c）。发射极的箭头方向代表发射结正向导通时的电流的实际流向。为了保证三极管具有良好的电流放大作用，在制造三极管的工艺过程中，必须作到：1使发射区的掺杂浓度最高，以有效地发射载流子；2使基区掺杂浓度最小，且区最薄，以有效地传输载流子；3使集电区面积最大，且掺杂浓度小于发射区，以有效地收集载流子。、发光原理二、分类 在实际应用中，从不同的角度对三极管可有不同的分类方法。 按材料分，有硅管和锗管； 按结构分，有 NPN 型管和 PNP 型管； 按工作频率分，有高频管和低频管； 按制造工艺分，有合金管和平面管； 按功率

22、分，有中、小功率管和大功率管等等。发光二极管发光二极管是一种直接能把电能转变为光能的半导体器件。与 其它发光器件相比，具有体积小、功耗低、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发光二极管的管芯结构与普通二极管相似， 由一个 PN 结构成当在发光二极管 PN 结上加正向电压时，空间电荷层变窄，载流子扩散运动大于漂移运动，致使 P区的空穴注入 N 区，N 区的电 子注入 P 区。当电子和空穴复合时会释放出能量并以发光的形式表现出来。二、种类和符号发光二极管的种类很多，按发光材料来区分有磷化镓（ GaP）发光

23、二极管、磷砷化镓（ GaAsP ）发光二极管、砷铝镓（ GaAIAs ）发光二极管等；按发光颜色来分有发红光、黄光、绿光以及眼 睛看不见的红外发光二极管等；若按功率来区别可分为小功率（ HG 400 系列）、中功率（ HG50 系列）和大功率（ HG52 系列）发光二极管：另外还有多色、变色发光二极管等等。发光二极管及在电路中的符号，如图 Z0128 所示。小功率的发光二极管正常工作电流在 10 30mA 范围内。 通常正向压降值在 1.5 3V 范围 内。发光二极管的反向耐压一般在 6V 左右。发光二极管的伏安特性与整流二极管相似。 为了避免由于电源波动引起正向电流值超过最大允 许工作电流而

24、导致管子烧坏， 通常应串联一个限流电阻来限制流过二极管的电流。 由于发光二极 管最大允许工作电流随环境温度的升高而降低，因此，发光二极管不宜在高温环境中使用。发光二极管的反向耐压（即反向击穿电压）值比普通二极管的小，所以使用时，为了防止击穿 造成发光二极管不发光，在电路中要加接二极管来保护。集成电路的特点集成电路一般是在一块厚 0.20.5mm、面积约为 0.5mm 的 P 型硅片上通过平面工艺制做成的。 这种硅片（称为集成电路的基片）上可以做出包含为十个（或更多）二极管、电阻、电容和连接 导线的电路。一、集成电路中元器件的特点 与分立元器件相比，集成电路元器件有以下特点：1.单个元器件的精度

25、不高，受温度影响也较大，但在同一硅片上用相同工艺制造出来的元器 件性能比较一致， 对称性好， 相邻元器件的温度差别小， 因而同一类元器件温度特性也基本一致；2.集成电阻及电容的数值范围窄，数值较大的电阻、电容占用硅片面积大。集成电阻一般在 几十 几十 k 范围内，电容一般为几十 pF。电感目前不能集成；3.元器件性能参数的绝对误差比较大，而同类元器件性能参数之比值比较精确；4.纵向 NPN 管 值较大， 占用硅片面积小， 容易制造。 而横向 PNP 管的 值很小， 但其 PN 结的耐压高。二、集成电路的设计特点由于制造工艺及元器件的特点， 模拟集成电路在电路设计思想上与分立元器件电路相比有很大

26、 的不同。1.在所用元器件方面，尽可能地多用晶体管，少用电阻、电容；2.在电路形式上大量选用差动放大电路与各种恒流源电路，级间耦合采用直接耦合方式；3.尽可能地利用参数补偿原理把对单个元器件的高精度要求转化为对两个器件有相同参数误 差的要求；尽量选择特性只受电阻或其它参数比值影响的电路半波整流电路、半波整流电路半波整流电路如图 Z0702 所示。它由电源变压器 Tr 整流 二极管 D 和负载电阻 RL 组成，变压器的初级接交流电 源，次级所感应的交流电压为电压的峰值， U2 为有效值。是：在 u2 的正半周（ t = 0 ），二极 而导通，有电流 iL 流过负载电阻 RL。 作理想器件，故 R

27、L 上的电压 uL 与 u2 本相同。（t = 2），二极管 D 因加反向电压 电流流过， RL 上的电压 uL = 0。可画出 I0702 所示。的单向导电作用，使流过负载电阻的电其中 U2m 为次级 电路的工作过程 管因加正向偏压 由于将二极管看 的正半周电压基 在 u2 的负半周 而截止， RL 上无 整流波形如图 可见，由于二极管 流为脉动电流， 电压也为一单向脉动电压，其电压的平均值（输出直流分GS0701流过负载的平均电流为GS0702流过二极管 D 的平均电流（即正向电流）为GS0703加在二极管两端的最高反向电压为GS0704选择整流二极管时，应以这两个参数为极限参数。半波整流

28、电路简单， 元件少， 但输出电压直流成分小 （只有半个波） ，脉动程度大， 整流效率低， 仅适用于输出电流小、允许脉动程度大、要求较低的场合。桥式整流电路桥式整流电路如图 Z0705 所示，其中图（ a）、（ b）、（ c）是它的三种不同画法。它是由电源变压器、四只整流二极管D14 和负载电阻 RL 组成。四只整流二极管接成电桥形式，故称桥式整流。桥式整流电路的工作原理如图 Z0706 所示。在 u2 的正半周，D1、D3 导通， D2、D4 截止，电流由 TR 次级 上端经 D1 RL D3 回到 TR 次级下端，在负载 RL 上得到一半波整流电压。端经 D2 RL D4D3截止，D2、D4

29、 导通， 电流由 Tr 次级的下在 u2 的负半周，D1、回到 Tr 次级上端， 在负载 RL 上得到另一半波整流电压。这样就在负载 RL 上得到一个与全波整流相同的电压波形，其电流的计算与全波整流相同，即GS0709UL = 0.9U2IL = 0.9U2 RLGS0710流过每个二极管的平均电流为ID = IL2 = 0.45 U2RL 每个二极管所承受的最高反向电压为目前，小功率桥式整流电路的四只整流二极管，被接成桥路后封装成一个整流器件，称 硅桥 或桥堆 ，使用方便，整流电路也常简化为图 Z0705 （ c）的形式。桥式整流电路克服了全波整流电路要求变压器次级有中心抽头和二极管承受反压

30、大的缺点， 但多 用了两只二极管。在半导体器件发展快，成本较低的今天， 此缺点并不突出， 因而桥式整流电路 在实际中应用较为广泛。电感三点式振荡电路图 Z0805 是电感三点式振荡电路，又称哈特莱振荡电路。 图中 L1、L2、C 组成谐振回路， L2 兼作反馈网络，通过 耦合电容 Cb将 L2上反馈电压送到三极管的基极。由图 Z0806 交流通路看出， 谐振回路有三个端点与三极管 的三个电极相连，而且与发射极相接的是 L1、L2，与基极相接的是 L2、C 即满足 射同基反 的原则。因此电路必然 满足相位平衡条件。当回路的 Q 值较高时，该电路的振荡频率基本上等于 LC 回路的谐振频率，即式中

31、L = L1 L2 2M 为回路总电感。该电路的特点与变压器反馈式振荡电路极为相似。 须指出： 它的输出波形较差， 这是由于反馈 电压取自电感的两端，而电感对高次谐波的阻抗较大，不能将它短路，从而使 Uf 中含有较多的谐波分量，因此，输出波形中也就含有较多的高次谐波。用集成运放构成的电感三点式振荡电路如图 Z0807 所示，不难证明其振荡频率为：电容三点式振荡电路电容三点式振荡电路又称 考毕兹振荡电路，如图 Z0808 所示， 其结构与电感三点式振 荡电路相似，只是将电感、电 容互换了位置。 为了形成集电极回路的直流通路， 增设了电阻 RC 。该电路的交流通路如图 Z0809 所示。可以看出，它符合 三点式振荡电路 射同基反 的构成原则，满足自激振荡的相位平 衡条件。在 LC谐振回路 Q 值足够高的条件下，电路的振荡频率为其中这种振荡电路的特点是振荡频率可做得较高， 一般可达到 100MHz 以上，由于 C2 对高次谐波 阻抗小，使反馈电压中的高次谐波成分较小，因而振荡波形较好。电路的缺点是频率调节不便， 这是因为调节电容