模拟电子技术教材一

1、第一章常用半导体器件学习目标了解半导体材料的基本物理特性及PN结原理；掌握晶体二极管、晶体三极管、场效应晶体管的构成及其工作特性；学会晶体二极管、晶体三极管的识别与检测方法。第一节半导体的基本知识一、半导体自然界中的物质按导电能力的大小分为导体、半导体、绝缘体。导电能力特别强的物质叫导体，例如银、铜、金、铝等金属；导电能力非常差，几乎不导电的物质叫绝缘体，例如胶木、云母、陶瓷等；而导电能力介于导体和绝缘体之间的物质叫半导体，常用的半导体材料有锗、硅、硒、砷化镓以及一些硫化物和氧化物。1半导体的特性半导体之所以得到广泛的应用，是由于它具有独特的导电性能（1）热敏特性：温度可明显地改变半导体的电导

2、率。利用这一特性，可制成自动控制中用的热敏元件，如热敏电阻等。但另一方面热敏特性使半导体的热稳定性下降，因此，在半导体构成的电路中常采用温度补偿及稳定参数等措施。（2）光敏特性：光照不仅可改变半导体的电导率，还可以产生电动势，利用这一特性，可制成光敏电阻，光电三极管等，光电池已在空间技术中得到广泛的应用，为人类利用太阳能提供了广阔的前景。杂敏特性：通过掺入杂质可明显地改变半导体的电导率。例如，室温30C时，在纯净硅中掺人亿分之一的硼，其电导率可增加几百倍，这是半导体最显著的特点。于是，人们用控制掺杂的方法，制造不同类型的半导体器件，如二极管、三极管、各种集成电路等。2本征半导体(1)本征半导体

3、的结构不含杂质的纯净半导体称为本征半导体，它的导电性能决定于原子结构和原子间的结合方式。以硅晶体为例，原子核最外层有四个价电子，每个价电子和相邻四个硅原子中的一个价电子结合，而使相邻的原子都有一对共有的价电子联系着，这种结合方式称为共价键结构，如图1-1所示。共价键结构使原子的最外层电子数填满8个，满足原子的稳定条件，价电子被束缚在原子周围，不能自由移动。(2)本征半导体中的两种载流子半导体中共价键的束缚力较弱，常因受热或光照等能量激发，使少量价电子获得足够大的能量，摆脱原子核束缚而成为自由电子，同时在共价键中就留下一个空位，称为空穴，这种现象称为本征激发。由于中性原子失去一个电子而带正电，因

4、此可以认为空穴是带正电的如图1-2所示空穴出现后，可能被邻近原子中的价电子所递补，而在邻近原子上出现一个新空穴，因此，价电子递补空穴的运动，相当于形成了空穴运动。自由电子带负电，空穴带正电，统称载流子。载流子在电场作用下产生的运动称为漂移运动，自由电子逆着电场方向运动而形成电子电流；空穴顺着电场方向运动而形成空穴电流，如图1-3所示这两个电流方向相同，所以通过半导体的电流是电子电流与空穴电流之和。在本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现的，称电子一空穴对。自由电子也可能在填补空穴时使电子空穴对消失，这个过程称为复合，载流子的产生和复合不断进行，在一定温度下达到相对平衡，而在半导体内保持一定数

5、目。在室温下，电子空穴对极少，载流子浓度很低，所以本征半导体的导电能力很差。但半导体受到比较强的光或热作用时，载流子数目显著增加，使得半导体的导电能力明显上升，因为锗比硅更容易受到温度影响，所以硅比锗的热稳定性好。3掺杂半导体本征半导体中载流子数目很少，不好控制且受温度影响大，所以用途有限。若在本征半导体中掺入微量有用杂质可以克服以上缺点。掺杂后的半导体称为掺杂半导体掺杂半导体分为N型和P型两种。M444-3111-4掺杂质石的半导擁已型半导体扫7讣匹型半导体*+4T*7H!+4T*tiR麵的电禎儿覺主的逋留下嚅诙的氏普可酱胡的空:：-烫主扶悻十干制正辭負主睡干的齡的电干:-HTi-tHij1

6、）N型半导体如果本征硅中掺人微量的五价元素（例如磷），则磷原子与邻近硅原子形成共价键时，还多余一个价电子，它很容易成为自由电子而使磷原子成为不能移动的正离子，如图1-4(a)所示.这种杂质半导体的自由电子数远大于空穴数，电子为多数载流子，简称多子，空穴为少数载流子，简称少子，它的导电以电子为主，故又称为电子型半导体，艮N型半导体。(2)P型半导体如果在本征硅中掺入微量的三价元素(例如硼)，则硼原子与邻近硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而形成空穴，如图l-4(b)所示。这种杂质半导体的空穴数远大于电子数，空穴为多数载流子，电子为少数载流子它的导电以空穴为主，故又称空穴型半导体。在掺杂半导体中，

7、虽然两种载流子的数目不等，但整个晶体仍呈电中性。二、PN结通过一定的掺杂工艺，把P型和N型半导体结合在一起时，则在交界面处会形成PN结。PN结是制造各种半导体器件的基础。PN结的形成由于P区内空穴浓度高，N区内自由电子浓度高，结果在两区交界面处，由于载流子浓度的差异，引起载流子的互相扩散，如图1-5(a)，其中P区的空穴向N区扩散，在交界面附近的P区留下负离子；N区的电子向P区扩散，在交界面附近的N区内留下正离子，于是交界面两侧就出现一个P区带负电，N区带正电的空间电荷区，如图1-5(b)所示。随着空间电荷区的形成，产生了内电场，其方向由N区指向P区，内电场阻挡多子扩散,却加强少子漂移，在内电

8、场作用下，P区的少子自由电子、N区的少子空穴将分别越过空间电荷区漂移到另一区去。PN结刚形成时，多子的扩散运动占优势。随着内电场的增强，少子的漂移运动也在加强，最终，当扩散运动与漂移运动达到平衡时，交界面处形成稳定的空间电荷区或阻挡层称为PN结。因为空间电荷区的载流子已经复合耗尽，只剩下不能移动的正、负离子，因此空间电荷又称为耗尽层。PN结的单向导电性PN结上不加电压时，载流子运动处于动态平衡，通过PN结的电流为零，实际工作中的PN结总是加有一定电压的。外加正向电压(PN结正向偏置)在图l-6(a)中，P区接电源正极，N区接电源负极，外加电场与PN结内电场相反，使空间电荷区变薄，于是多子的扩散

9、运动加强，形成较大的正向电流IF，PN结呈现较小的正向电阻，PN结处于正向导通状态，相当于开关闭合。外加反向电压(PN结反向偏置)在图1-6(b)中，P区接电源负极，N区接电源正极，外加电场与PN结内电场方向一致，空间电荷区变宽。使少子的漂移运动大于多子的扩散运动，由于常温下少子的浓度很低，所以PN结流过微小的以漂移电流为主的反向电流IR，PN结呈现很大的反向电阻，PN结处于反向截止状态，相当于开关断开。由此可见，PN结加正向电压导通，加反向电压截止，这种导电特性就称为PN结的单向导电性。半导体内的少数载流子主要由热运动产生的，其浓度随温度升高而增加，因此温度升高时，PN结的反向电流增加很快，

10、这是半导体器件温度稳定性较差的主要原因。P伸向團PN站的单向导电性+4：I+4；N（a）正向偏置d反向偏置汕电场力问反向电沆很-2J川3-正冋电浪CA.诸夾由第二节晶体二极管一、二极管的结构和分类1二极管的结构PN结加上引出线和管壳就构成了晶体二极管（简称二极管），其结构如图l-7（a）所示，由P型半导体引出的是正极（又称阳极），由N型半导体引出的是负极（又称阴极）。使用二极管时，要注意极性不能接错，为此，常常在管壳上标明色点，表示该端为正极，或标以二极管的符号，二极管的符号如图1-7（b）所示，其箭头表示正向导通电流的方向。2分类按二极管的结构不同，二极管可分点接触型和面接触型两种,点接触型

11、二极管的PN结面积和极间电容均很小，不能承受高的反向电压和大电流，因而适用于制做高频检波和脉冲数字电路里的开关元件，以及作为小电流的整流管。面接触型二极管或称面结型二极管的PN结面积大，可承受较大的电流，其极间电容大，因而适用于整流，而不宜用于高频电路中。酬般卿弓陸11-7.半导体二极管Cai二极管的结构外形閤（b）电路符号、二极管的伏安特性二极管的导电性能可用伏安特性曲线表示它是指通过二极管的电流与加于管子两端电压之间的关系，硅二极管和锗二极管的伏安特性曲线如图1-8所示它可用晶体管特性图示仪或实验测试出来，下面以硅二极管为例分述如下。1正向特性曲线从坐标原点开始，当外加正向电压很小时，外电

12、场不足以克服内电场的阻挡作用，多子扩散运动受阻，二极管呈高阻，正向电流几乎为零，对应于特性曲线OA段,这段区域通常称为死区.锗管的死区电压纶0.IV,硅管的死区电压约0.5V。当外加电压为正且超过死区电压后，对应于A点以后的曲线，内电场被大大削弱，二极管导通，电阻大大减小，正向电流随电压增高而迅速增大，在正常使用电流范围内，二极管两端电压几乎维持恒定。在室温下，小功率锗管约为0.2-0.3V,硅管约为0.6-0.8V。反向特性二极管外加反向电压时，内电场被加强，少子漂移运动形成了反问饱和电流Is,对应于特性曲线OC段。由于少子数量有限，反向饱和电流很小，而且与反向电压大小基本无关，在室温下，硅

13、管的反向饱和电流在1微安以下，而锗管的反向饱和电流约几一几十微安，反向饱和电流越大，二极管的反向特性越差，反向饱和电流会随温度升高而迅速增加。由正向特性和反向特性可知，二极管具有单向导电性，二极管的实质就是PN结。反向击穿特性当反向电压超过一定值后，反向电流突然急剧增大，对应于C点以后的曲线，二极管失去单向导电性，这种现象称为二极管的反向击穿.相应的电压称反向击穿电压，二极管击穿时，加在PN结上的电压，电流均很大.若没有限流措施，将会因电流过大，烧毁PN结，一般点接触型二极管的反向击穿电压为数十伏，面接触型的为数百伏，最高可达几千伏。温度对特性的影响由于二极管的核心是一个PN结，它的导电性能与

14、温度有关，温度升高时二极管正向特性曲线向左移动，正向压降减小；反向特性曲线向下移动，反向电流增大，如图1-9所示。三、二极管的主要参数为了正确选择和使用二极管，必须了解二极管的类型，用途和性能参数，供实际应用参考，二极管有以下主要参数。1.最大整流电流IFM二板管长期工作时，允许通过二极管的最大正向平均电流值，与环境温度和散热条件有关。实际应用时，通过二极管的正向平均电流不得超过此值，否则将使管子过热而损坏。2最高反向工作电压URM该电压是指允许加在二极管两端的反向电压的峰值，为安全起见，最高反向工作电压约为反向击穿电压的一半，使用时，加在二极管两端的反向电压峰值不能超过URM值。例如2AP1

15、最高反向工作电压规定为20V，而实际反向击穿电压可大于40V。反向饱和电流IR反向饱和电流IR是指二极管未被击穿时的反向电流。IR越小说明二极管的单向导电性能越好，它会随温度升高而急剧增大。最高工作频率fM最高工作频率fM是指保持二极管单向导通性能时，外加电压允许的最高频率。二极管工作频率与PN结的极间电容大小有关，容量越小，工作频率越高。二极管的参数很多，除上述参数外，还有结电容、正向压降等，实际应用时，可查阅半导体器件手册。四、选择二极管的原则首先要保证所选管子能安全，可靠地工作，也就是使用不超过它的极限值，并留有一定余地。此外，根据要求，选择经济、实用的管子。一般的原则是：要求反向电压高

16、、耐高温、反向电流小、正向电流大时，选硅管。要求死区电压小、正向电压小，工作频率高时，选锗管。例1.1有同型号二极管三只，测得数据如下表所示，试问哪个管子性能好?哪个管子性能差？二根貳、正向电茹C止向电压相国）反向电蹄C反向电压相同）反向击穿电压甲100mA平200v乙40ink150v丙SOmA80y解：甲管单向导电性能最好，因为它耐压高，反向电流小，正向电压相同情况下，正向电流大。五、特殊晶体管除了普通二极管，还有特殊用途的二极管，如稳压二极管、发光二极管、光电二极管和变容二极管等。1硅稳压二极管稳压管是一种用特殊工艺制造的面结合型硅半导体二极管，它与电阻配合具有稳定电压的特点稳压管的伏安

17、特性图1-10是稳压管的伏安特性曲线和电路符号，与普通二极管不同的是，稳压管正常工作在反向击穿状态.只要反向电流控制在一定范围内，PN结的功率损耗和结温不超过允许值,管子就不会烧坏.由图1-10(a)可见，在反向击穿区，当反向电流在一定范围内变化时，稳压管两端的反向电压基本不变。因此，利用这一特性，可在电路起稳压作用。稳压管的主要参数稳定电压Uz稳定电压是指稳压管中的电流为规定电流时稳压管两端的电压值，由于制造的分散性，即使同一型号的稳压管的稳定电压也略有不同，例2CW55,其稳定电压Uz在6.27.5之间，但对某一稳压管，其稳定电压是一确定值。稳定电流Iz稳定电流IZ是指稳压管工作至稳压状态

18、时流过的电流。当稳压管稳定电流小于最小稳定电流IZmax时，没有稳定作用;大于最大稳定电流IZmax时，管子因过流而损坏。3）最大耗散功率PZM稳压管额定功耗PZM是保证稳压管安全工作所允许的最大功耗。其数值为稳定电压Uz和允许的最大稳定电流Izmax的乘积。4）动态电阻rZ动态电阻rZ是指稳压管两端电压的变化量AUZ与对应电流变化量AIZ之比，rZ随工作电流不同而变化，电流越大，rZ越小，稳压性能也越好5）电压温度系数a当温度变化1C时稳压管的稳压值UZ的相对变化量。例如,2CW17的电压温度系数为9X10-4/C。稳压值低于4V的稳压管，电压温度系数为负（表现为齐纳击穿）；高于7V的稳压管

19、，系数为正（表现为雪崩击穿）；而在4V和7V之间的管子（呈现两种击穿），温度系数度很小。（3）稳压管的应用图1-11是稳压二极管用来构成的稳压电路，其中R为限流电阻，负载RL两端直流电压Uo=UZ1）当稳压电路的输入电压Ui保持不变，负载电阻RL增大时，输出电压UO将升高，稳压管两端的电压UZ上升，电流IZ将迅速增大，流过R的电流IR也增大，导致R上的压降UR上升，从而使输出电压UO下降。上述过程简单表述如下：RlTt5T-打fiTfUrTUoH如果负载RL减小，其工作过程与上述相反，输出电压UO仍保持基本不变。2）当负载电阻RL保持不变，电网电压下降导致UI下降时，输出电压UO也将随之下降,

20、但此时稳压管的电流IZ急剧减小，则在电阻R上的压降减小，以此来补偿UI的下降，使输出电压基本保持不变。上述过程简单表述如下：如果输入电压UI升高,R上压降增大，其工作过程与上述相反，输出电压U0仍保持基本不变。由以上分析可知，硅稳压管稳压原理是利用稳压管两端电压UZ的微小变化，引起电流IZ的较大的变化，通过电阻R起电压调整作用，保证输出电压基本恒定，从而达到稳压作用。在汽车的仪表电路和部分电子控制电路中，一些需要精确电压值的地方常利用稳压管来获取所需电压。如图1-12所示简化汽车仪表稳压电路中，利用稳压管可为汽车仪表提供稳定的工作电压。由图可见，稳压管与汽车仪表并联，当电源电压发生变化时，将引起不同大小的电流流过电阻和稳压管，从而改变降落在电阻上的电压，而稳压管始终维持其稳压值不变。2.发光二极管发光二极管（简称LED）与普通二极管一样，也是由PN结构成的，同样具有单向导电性，但在正向导通时能发光，所以它是一种把电能转换成光能的半导体器件。发光二极管常用砷化镓、磷化镓