第七章半导体

§7-1.半导体的导电特性半导体：导电能力介于导体和半导体之间的材料。常见的半导体材料有硅、锗、硒及许多金属的氧化物和硫化物等。半导体材料多以晶体的形式存在。半导体材料的特性：纯净半导体的导电能力很差；温度升高——导电能力增强；光照增强——导电能力增强；掺入少量杂质——导电能力增强。完全纯净、具有晶体结构的半导体一、本征半导体最常用的半导体为硅(Si)和锗(Ge)。它们的共同特征是四价元素，每个原子最外层电子数为4。++SiGe提纯的硅材料可形成单晶——单晶硅相邻原子由外层电子形成共价键共价键硅原子价电子受到激发，形成自由电子并留下空穴。半导体中的自由电子和空穴都能参与导电——半导体具有两种载流子。载流子的产生与复合：共价键价电子自由电子和空穴同时产生本征半导体中的自由电子和空穴总是成对出现，同时又不断进行复合。在一定温度下，载流子的产生与复合会达到动态平衡，即载流子浓度与温度有关。温度愈高，载流子数目就愈多，导电性能就愈好——温度对半导体器件的性能影响很大。半导体中的价电子还会受到光照而激发形成自由电子并留下空穴。光强愈大，光子就愈多，产生的载流子亦愈多，半导体导电能力增强。故半导体器件对光照很敏感。杂质原子对导电性能的影响将在下面介绍。二.

N型半导体和P型半导体1.本征半导体与掺杂半导体在常温下，本征半导体的两种载流子数量还是极少的，其导电能力相当低。如果在半导体晶体中掺入微量杂质元素，将得到掺杂半导体，而掺杂半导体的导电能力将大大提高。由于掺入杂质元素的不同，掺杂半导体可分为两大类——N型半导体和P型半导体。2.N型半导体当在硅或锗的晶体中掺入微量磷(或其它五价元素)时，磷原子与周围的四个硅原子形成共价键后，磷原子的外层电子数将是9，比稳定结构多一个价电子。P+SiSiSiSiSiSiSiPSiSiSiSi多余电子掺入磷杂质的硅半导体晶体中，自由电子的数目大量增加。自由电子是这种半导体的导电方式，称之为电子半导体或N型半导体。在N型半导体中电子是多数载流子、空穴是少数载流子。室温情况下，本征硅中n0=p0~1.51010/cm3，当磷掺杂量在10–6量级时，电子载流子数目将增加几十万倍。3.P型半导体当在硅或锗的晶体中掺入微量硼(或其它三价元素)时，硼原子与周围的四个硅原子形成共价键后，硼原子的外层电子数将是7，比稳定结构少一个价电子。B+SiSiSiSiSiSiSiBSiSiSiSi空穴掺硼半导体中，空穴的数目远大于自由电子的数目。空穴为多数载流子，自由电子是少数载流子，这种半导体称为空穴型半导体或P型半导体。一般情况下，掺杂半导体中多数载流子的数量可达到少数载流子的1010倍或更多，电子载流子数目将增加几十万倍。不论是N型半导体还是P型半导体，都只有一种多数载流子。然而整个半导体晶体仍是电中性的。§7-2.PN结不论是P型半导体还是N型半导体，都只能看做是一般的导电材料，不具有半导体器件的任何特点。半导体器件的核心是PN结，是采取一定的工艺措施在一块半导体晶片的两侧分别制成P型半导体和N型半导体，在两种半导体的交界面上形成PN结。各种各样的半导体器件都是以PN结为核心而制成的，正确认识PN结是了解和运用各种半导体器件的关键所在。一、PN结的形成PN空间电荷区P区N区多数载流子将扩散形成耗尽层；耗尽了载流子的交界处留下不可移动的离子形成空间电荷区；（内电场）一块晶片的两边分别为P型半导体和N型半导体。内电场阻碍了多子的继续扩散。空间电荷区P区N区载流子的运动有两种形式：扩散由于载流子浓度梯度引起的载流子从高浓度区向低浓度区的运动。漂移载流子受电场作用沿电场力方向的运动。耗尽层中载流子的扩散和漂移运动最后达到一种动态平衡，这样的耗尽层就是PN结。PN结内电场的方向由N区指向P区。二、PN结的单向导电性PN结未加电压时，载流子的扩散和漂移运动处于动态平衡，空间电荷区的宽度基本稳定。下面讨论加有外部电压时的PN结特性。1.

加正向电压将外电源的正端接P区、负端接N区。外电场与内电场方向相反，空间电荷区变窄。漂移运动变弱，扩散运动增强，多子形成正向电流。PN内电场方向外电场方向+I变窄2.

加反向电压将外电源的正端接N区、负端接P区。外电场与内电场方向相同，空间电荷区变宽。扩散运动变弱，漂移运动增强，参与漂移运动的载流子是少子，反向电流极小。PN内电场方向外电场方向+I~0变宽少子是由热激发产生的，即温度愈高少子的数量愈多，故温度对反向电流的影响很大。PN结具有单向导电性，即正向导通、反向截止。§7-3.半导体二极管将PN结加上电极引线及外壳，就构成了半导体二极管。PN结是二极管的核心，也是所有半导体器件的核心。一、二极管的结构和分类二极管的分类根据制造二极管的半导体材料分为硅、锗等；根据二极管的结构分为点接触、面接触等；根据二极管的工作频率分为低频、高频等；根据二极管的功能分为检波、整流、开关、变容、发光、光敏、触发及隧道二极管等；根据二极管的功率特性分为小功率、大功率二极管等；…………二、二极管的伏安特性既然二极管是由PN结构成的，它自然具有着单向导电性。某种硅二极管的电流~电压关系(伏安特性)可见图示：由电压零点分为正向区和反向区正向由死区电压分为死区和导通区；(Si~0.5VGe~0.2V)U(V)0.400.8-50-25I(mA)204060

(A)4020反向由击穿电压分为截止区和击穿区；三、二极管的主要参数二极管的特性不仅可用伏安曲线表示，也可用一些数据进行说明这些数据就是二极管的参数。二极管的主要参数有：1.最大整流电流IOM二极管长时间使用所允许通过的最大正向平均电流。2.反向工作峰值电压URWM

保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，为反向击穿电压的1/2至2/3。3.反向峰值电流IRM

二极管加反向峰值电压时的反向电流值。该值愈大说明二极管的性能愈差，硅管的此参数值为微安级以下。例如图由RC构成微分电路，当输入电压ui为矩形波时，试画出输出电压uo的波形。(设uc0=U0)CCRDRLuiuRuouitouRtouotoU§7-4.稳压管稳压管是一种特殊的面接触型二极管。它在电路中常用作稳定电压的作用，故称为稳压管。稳压管的图形符号：稳压管的伏安特性：U(V)0.400.8-8-4I(mA)204010-20-1030-12反向正向稳压管的伏安特性曲线与普通二极管类似，只是反向曲线更陡一些。U(V)0.400.8-8-4I(mA)204010-20-1030-12反向正向稳压管的使用：稳压管工作于反向击穿区，常见电路如下。UiRUoRL在电路中稳压管是反向联接的。当Ui大于稳压管的击穿电压时，稳压管被击穿，电流将增大，电阻R两端的电压增大，在一定的电流范围内稳压观两端的电压基本不变，输出电压Ui等于Uz。稳压管的主要参数：1、稳定电压Uz

指稳压管正常工作时的端电压。（其数值具有分散性）2、稳定电流IZ

正常工作的参考电流值。低于此值稳压效果差。在不超过额定功率的前提下，高于此值稳压效果好，即工作电流越大稳压效果越好。U(V)0I(mA)反向正向UZIZ3、动态电阻rZ

稳压管子端电压和通过其电流的变化量之比。稳压管的反向伏安特性曲线越陡，则动态电阻越小，稳压效果越好。U(V)0I(mA)反向正向UZIZIZmaxIZUZ4、最大允许耗散功耗PZM保证稳压管不发生热击穿的最大功率损耗。其值为稳定电压和允许的最大电流乘积5、电压温度系数U说明稳压值受温度影响的参数。如：稳压管2CW18的电压温度系数为0.095%/C

假如在20C时的稳压值为11V，当温度升高到50C时的稳压值将为特别说明：稳压管的电压温度系数有正负之别。因此选用6V左右的稳压管，具有较好的温度稳定性。§7-5.半导体三极管半导体三极管(晶体管)是最重要的一种半导体器件。广泛应用于各种电子电路中。一.基本结构晶体管最常见的结构有平面型和合金型两种。平面型都是硅管、合金型主要是锗管。它们都具有NPN或PNP的三层两结的结构，因而又有NPN和PNP两类晶体管。其三层分别称为发射区、基区和集电区，并引出发射极(E)、基极(B)和集电极(C)三个电极。三层之间的两个PN结分别称为发射结和集电结。本节介绍晶体管的结构、特性及参数的内容。N型硅P型N型二氧化硅保护膜CBEN型锗铟球铟球P型P型CEB平面型结构合金型结构NNP发射结集电结发射区集电区基区EBCNPP发射区集电区基区发射结集电结EBCBECBEC二.电流分配和放大原理NPN型和PNP型晶体管的工作原理相似，本章只讨论前者。如图，对NPN型晶体管加EB和EC两个电源，接成共发射极接法构成两个回路。通过实验及测量结果，得：(1).(2).

IC(或IE)比IB大得多，(如表中第三、四列数据)IB(mA)

00.020.040.060.080.10IC(mA)<0.0010.701.502.303.103.95IE(mA)<0.0010.721.542.363.184.05(4).要使晶体管起放大作用，发射结必须正向偏置、集电结必须反向偏置——具有放大作用的外部条件。这就是晶体管的电流放大作用，IB的微小变化可以引起IC的较大变化(第三列与第四列的电流增量比)。IB(mA)

00.020.040.060.080.10IC(mA)<0.0010.701.502.303.103.95IE(mA)<0.0010.721.542.363.184.05(3).当IB=0(基极开路)时，也很小(约为1微安以下)。1、发射区向基区扩散电子电流放大作用原理

——内部载流子运动规律发射结处于正向偏置，掺杂浓度较高的发射区向基区进行多子扩散。放大作用的内部条件：基区很薄且掺杂浓度很低。2、电子在基区的扩散和复合基区厚度很小，电子在基区继续向集电结扩散。（但有少部分与空穴复合而形成IBEIB）3、集电区收集扩散电子集电结为反向偏置使内电场增强，对从基区扩散进入集电结的电子具有加速作用而把电子收集到集电区，形成集电极电流(ICEIC)。由电流分配关系示意图可知发射区向基区注入的电子电流IE将分成两部分ICE和IBE，它们的比值为它表示晶体管的电流放大能力，称为电流放大系数。在晶体管中，不仅IC比IB大很多；当IB有微小变化时还会引起IC的较大变化。根据晶体管放大的外部条件，发射结必须正向偏置，集电结必须反向偏置。则对于NPN型晶体管且对于PNP型晶体管且三.特性曲线晶体管的特性曲线是表示一只晶体管各电极电压与电流之间关系的曲线。是应用晶体管和分析放大电路的重要依据。最常用的是共发射极接法的输入特性曲线和输出特性曲线，实验测绘是得到特性曲线的方法之一。特性曲线的测量电路见右图。AVmAVECRBIBUCEUBEICEB用晶体管特性图示仪也可直接测量及显示晶体管的各个特性曲线。1.输入特性曲线输入特性曲线当UCE为常数时的IB与UBE之间的关系曲线。(参见右图)00.4200.8406080UBE(V)IB(A)UCE1V3DG6的输入特性曲线对硅管来说，当UCE1V时，集电结已处于反向偏置，发射结正向偏置所形成电流的绝大部分将形成集电极电流，但IB与UBE的关系依然与PN结的正向类似。(当UCE更小，IB才会明显增加)硅管的死区电压为0.5V，锗管的死区电压不超过0.2V。放大状态时，硅NPN管UBE=0.6~0.7V；锗PNP管UBE=–0.2~–0.3V。2.输出特性曲线输出特性曲线是在IB为常数时，IC与UCE之间的关系曲线。在不同的IB下，可得到不同的曲线，即晶体管的输出特性曲线是一组曲线(见下图)。当IB一定时，UCE超过约1V以后就将形成IC，当UCE继续增加时，IC的增加将不再明显。这是晶体管的恒流特性。当IB增加时，相应的IC也增加，曲线上移，而且IC比IB增加得更明显。这是晶体管的电流放大作用。通常将晶体管的输出特性曲线分为三个工作区：(1)放大区特性曲线进于水平的区域。在放大区也称线性区。此时发射结正向偏置，集电结反向偏置。(2)截止区IB=0曲线以下的区域。IB=0时IC=ICEO。对于硅管当UBE<0.5V时即开始截止。为了可靠截止常使UBE0。即截止时两个PN结都反向偏置。

(3)饱和区当UCE<UBE时，集电结处于正向偏置，晶体管工作于饱和状态。在饱和区，IB的变化对IC影响较小，失去放大作用。即：饱和时，晶体管的发射结处于正偏、集电结也处于正偏。截止放大饱和发射结反偏正偏正偏集电结反偏反偏正偏各态偏置情况：四.主要参数晶体管的特性不仅可用特性曲线表示，还可用一些数据进行说明，即晶体管参数。它是设计电路和选用器件的依据。1.电流放大系数、当晶体管接成共发射极时，静态(直流)时的IC与IB的比值称为共发射极静态(直流)放大系数：当晶体管工作在动态时，电流增量ΔIC与ΔIB的比值称为动态(交流)放大系数：说明：1、静态电流放大系数和动态电流放大系数的意义不同，但大多数情况下近似相等，可以借用进行定量估算。2、晶体管的输出特性曲线