电子技术

第1章 半导体器件 半导体器件是构成各种电子电路的核心元件，它由半导体材料制成。PN结是构成各种半导体器件的基础单元。本章将首先简要介绍半导体的基本知识及PN结的单向导电特性，然后重点介绍常用的半导体分立器件——二极管、稳压管和晶体管，为学习后续各种电子电路打下良好的基础。 1.1 半导体的基本知识及PN结的单向导电性 1.1.1 半导体的基本知识 半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间，常用的半导体材料有硅（Si）、锗（Ge）、砷化镓、一些硫化物或金属氧化物等。*常用的半导体是硅和锗，它们都是四价元素，原子*外层有四个电子，称为价电子。半导体器件所用的半导体要将硅和锗提纯成单晶体结构，因此，半导体有时也叫晶体。晶体的原子排列很整齐，每个原子与周围相邻的四个原子组成共价键结构，如图1.1所示。共价键结构中的电子受到两个原子核的吸引而被束缚。当受到外界热激发（如光照或受热）时，会使少量价电子获得足够能量而挣脱共价键的束缚成为自由电子，同时在原来的位置上留下一个空位，称为空穴，如图1.2所示。每有一个价电子变为自由电子，必然同时出现一个空穴，即自由电子和空穴总是成对出现的，称电子-空穴对。由于空穴是共价键失去电子后出现的，因此，空穴带正电。共价键中出现空穴后，可以吸引附近的价电子过来填补这个空穴。这时失去了价电子的邻近共价键中又出现空穴，它也可以再由其相邻价电子过来填充。如此不断递补空穴，就相当于空穴在移动，即正电荷在移动。因此，在外电场作用下，半导体中的电流是自由电子和空穴两种载流子定向移动形成的，即电子与空穴同时参与导电，这就是半导体与金属导体在导电机理上的本质区别。 图1.1 单晶硅的原子结构示意图 图1.2 热激发产生的电子-空穴对 半导体的导电能力在不同的条件下有很大的差别。温度对半导体的导电性能影响很大。在常温下载流子数量很少，所以导电能力很微弱。当受到光照或外部加热使其温度升高时，电子-空穴对数量增多，半导体的导电能力会增强，利用这种光敏特性或热敏特性可以做成各种光敏元件或热敏元件。而在纯净半导体中掺入少量的某种杂质后，称为杂质半导体，它的导电能力将大大增强。 如果在硅（或锗）晶体内掺入少量五价元素磷，磷有五个价电子，与相邻硅原子组成共价键后，会多余一个电子，该电子很容易挣脱磷原子核的束缚而成为自由电子，如图1.3所示。于是自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，因此称为电子型半导体或N型半导体。在N型半导体中，由于自由电子数量远大于空穴数量，因此，自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。在N型半导体中，由于磷原子是施放电子的，故称磷为施主原子，其结构如图1.4所示。 图1.3 N型半导体的晶体结构 图1.4 N型半导体中的施主原子 如果硅（或锗）晶体内掺入少量三价元素硼，硼有三个价电子，与相邻硅原子组成共价键结构时，因缺少一个价电子而出现空穴，如图1.5所示。于是空穴数量大大增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，因此称为空穴型半导体或P型半导体。在P型半导体中，空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。在P型半导体中，由于硼原子是接受电子的，故称硼为受主原子，其结构如图1.6所示。 图1.5 P型半导体的晶体结构 图1.6 P型半导体中的受主原子 应当指出，无论是N型半导体还是P型半导体，虽然它们都有一种载流子占多数，但整个晶体仍然是电中性的。 1.1.2 PN结及其单向导电性 通过采用一定的掺杂工艺，在一块半导体基片两边分别制成P型半导体和N型半导体。N型半导体多数载流子为自由电子，少数载流子为空穴，而P型半导体多数载流子为空穴，少数载流子为自由电子。由于多数载流子浓度的差异会产生扩散运动。空穴要从浓度高的P区向N区扩散，而电子从浓度高的N区向P区扩散，如图1.7（a）所示。扩散的结果使P区和N区的交界面分别留下了不能移动的受主负离子和施主正离子，如图1.7（b）所示。所以在交界面的两侧形成了一个很薄的空间电荷区，这个空间电荷区就是PN结。正、负离子在空间电荷区形成一个内电场，其方向是从带正电的N区指向带负电的P区。内电场会阻碍多数载流子的进一步扩散，但对少数载流子越过空间电荷区进入对方区域起着推动作用。这种少数载流子的运动称为漂移，漂移运动与扩散运动相反。在一定条件下，扩散和漂移达到动态平衡，便形成稳定的PN结。 图1.7 PN结的形成 PN结两边带有正、负电荷，这与极板带电时的电容器类似，称为PN结的结电容。结电容数值较小，只有几个皮法，工作频率不高时，容抗很大，可视为开路。 当PN结加正向电压（称正向偏置）时，即P区接高电位、N区接低电位，如图1.8（a）所示。外电场与内电场方向相反，从而削弱了内电场，于是空间电荷区变薄，多数载流子的扩散加强，形成较大的正向扩散电流IF。此时的电阻称为正向电阻，它的数值比较小，PN结处于导通状态。 当PN结加反向电压（称反向偏置）时，即N区接高电位、P区接低电位，如图1.8（b）所示。外电场与内电场方向相同，从而增强了内电场，于是空间电荷区变厚，少数载流子的漂移运动加强，形成反向漂移电流。由于少数载流子数量很少，所以反向电流IR很小，PN结呈现很高的反向电阻，PN结处于截止状态。温度一定时，少数载流子数量基本不变，因而在一定的反向电压范围内，反向电流基本不变，又称为反向饱和电流。 综上所述，当PN结外加正向电压时，正向电流较大，PN结导通，呈现低电阻；当PN结外加反向电压时，反向电流很小，PN结截止，呈现高电阻。因此，PN结具有单方向导电特性，简称单向导电性。PN结是构成二极管、稳压管、晶体管等各种半导体器件的基础单元。 图1.8 PN结外加电压时的导电情况 1.2 半导体二极管 1.2.1 二极管的符号和种类 在PN结两侧加上电极引线并用管壳封装，就构成了半导体二极管。由P区一侧引出的电极称为阳极（正极），由N区一侧引出的电极称为阴极（负极），有两个电极，所以简称二极管（diode）。二极管的图形符号如图1.9所示，符号中的三角箭头可理解为二极管导通时正向电流的流向，即由阳极指向阴极。 二极管种类有很多。按所用半导体的材料分类，二极管主要有硅管和锗管。按内部结构不同，二极管分为点接触型、面接触型和平面型三种，它们的结构示意图如图1.10（a）、图1.10（b）、图1.10（c）所示。点接触型二极管的特点是PN结的结面积小，因而结电容小，适于高频工作（可达几百兆赫），但只允许通过较小的正向电流（几十毫安以下），也不能承受较高的反向电压，主要用于高频检波、数字电路或小功率整流电路。面接触型二极管的特点是PN结的结面积大，因而结电容大，适于低频工作，可通过较大的正向电流（几安、几十安甚至几百安），主要用于低频整流电路。平面型二极管的特点是结面积较大时，能通过较大的电流，适用于大功率整流电路；结面积较小时，结电容较小，工作频率较高，适用于开关电路。 按封装材质分类，二极管可分为塑料封装、金属封装和玻璃封装等，大功率二极管多采用金属封装。二极管有直插式和贴片式两种封装形式。按照用途的不同，二极管又分为整流管、稳压管、发光管、检波管、光电管、开关管等。图1.11是几种常见的二极管实物图。 图1.10 几种常见结构的二极管 图1.11 常见二极管的实物图 1.2.2 二极管的伏安特性 二极管两端所加电压与流过二极管电流之间的关系称为二极管的伏安特性，二极管的核心就是一个PN结，所以二极管也具有单向导电特性。图1.12给出了2CP33B型硅二极管的伏安特性曲线，分为正向特性和反向特性两部分。 图1.1 22CP33B型硅二极管伏安特性曲线 1.正向特性（阳极接高电位+、阴极接低电位-） 当外加正向电压低于某一电压值时，二极管正向电流几乎为零，呈现较大的电阻。这是由于所加外电场还不足以克服PN结内电场对多数载流子扩散所造成的阻力，这个区域称为死区，相应的电压值称为死区电压，其大小和二极管的材料及环境温度有关。通常，硅管的死区电压约为0.5V，锗管约为0.1V。当温度升高时，二极管的死区电压将减小。 当外加正向电压大于死区电压时，内电场被大大削弱，正向电流迅速增加，二极管处于正向导通状态。导通时二极管正向压降：硅管为0.6～0.7V，锗管为0.2～0.3V。 2.反向特性（阳极接低电位-、阴极接高电位+） 当二极管外加反向电压低于某一电压值UB时，少数载流子的漂移运动形成很小的反向饱和电流，其值近似为零。当所加反向电压增大到电压值UB时，反向电流突然急剧增大，这种现象称为反向击穿。此时对应的电压值UB称为反向击穿电压。普通二极管被击穿后，一般不能恢复原有性能，将失去单向导电性，造成永久性损坏。 在实际应用中，如果二极管的正向压降忽略不计，则称之为理想二极管。当外加正向电压时，二极管导通，正向电阻为零，二极管相当于短路；当外加反向电压时，二极管截止，反向电阻为无穷大，二极管相当于开路。因此，理想二极管具有开关特性。 1.2.3 二极管的主要参数 二极管的参数反映二极管的工作性能，是设计电路时正确选择和合理使用二极管的依据，其主要参数如下。 1.*大整流电流 是指二极管在长期使用时，允许流过二极管的*大正向平均电流。当电流超过该值时，会导致PN结过热而使二极管损坏。 2.*大反向工作电压 是保证二极管不被击穿所允许施加的*大反向电压，一般规定为反向击穿电压UB的一半或三分之二。 3.*大反向电流 是指二极管加上*大反向工作电压时对应的反向电流。管子的反向电流越小，说明其单向导电性越好。小功率硅管的反向电流较小，一般在1微安到几十微安。锗管的反向电流可达数百微安。对温度比较敏感，温度升高会使反向电流显著增加，使用时应该注意。 二极管是电子电路中*常用的半导体器件，应用很广泛，主要利用其单向导电特性，