江南app官网下载江南app官网下载江南app官网下载1、半导体器件,华天科技测试部 2010年,半导体的基础知识,物体根据导电能力的强弱可分为导体、半导体和绝缘体三大类。凡容易导电的物质（如金、银、铜、铝、铁等金属物质）称为导体；不容易导电的物质（如玻璃、橡胶、塑料、陶瓷等）称为绝缘体；导电能力介于导体和绝缘体之间的物质（如硅、锗、硒等）称为半导体。半导体之所以得到广泛的应用，是因为它具有热敏性、光敏性、掺杂性等特殊性能。,本征半导体是一种纯净的半导体晶体。常用的半导体材料是单晶硅（Si）和单晶锗（Ge）。半导体硅和锗都是4价元素，其原子结构如图:,半导体的原子结构示意图 （a）硅原子；（b）锗原子；（c）简化模型,单晶硅的共价键结构,本征半导体如果能从外界获得一定的能量（如光照、温升等），有些价电子就会挣脱共价键的束缚而成为自由电子，在共价键中留下一个空位，称为“空穴”。空穴的出现使相邻原子的价电子离开它所在的共价键来填补这个空穴，同时，这个共价键又产生了一个新的空穴。这个空穴也会被相邻的价电子填补而产生新的空穴，这种电子填补空穴的运动相当于带正电荷的空穴在运动，并把空穴看成一种带正电荷的载流子。空穴越多，半导体的载流子数目就越多，因此形

　　2、成的电流就越大。,在本征半导体中，空穴与电子是成对出现的，称为电子空穴对。其自由电子和空穴数目总是相等的。本征半导体在温度升高时产生电子空穴对的现象称为本征激发。温度越高，产生的电子空穴对数目就越多，这就是半导体的热敏性。 在半导体中存在着自由电子和空穴两种载流子，而导体中只有自由电子这一种载流子，这是半导体与导体的不同之处。,在本征半导体中掺入微量的杂质元素，就会使半导体的导电性能发生显著改变。根据掺入杂质元素的性质不同，杂质半导体可分为P型半导体和N型半导体两大类。,P型半导体,P型半导体是在本征半导体硅（或锗）中掺入微量的3价元素（如硼、铟等）而形成的。因杂质原子只有3个价电子，它与周围硅原子组成共价键时，缺少1个电子，因此在晶体中便产生一个空穴，当相邻共价键上的电子受热激发获得能量时，就有可能填补这个空穴，使硼原子成为不能移动的负离子，而原来硅原子的共价键因缺少了一个电子，便形成了空穴，使得整个半导体仍呈中性，如图下页所示。,P型半导体的共价键结构,在P型半导体中，原来的晶体仍会产生电子空穴对，由于杂质的掺入，使得空穴数目远大于自由电子数目，成为多数载流子(简称多子)，而自由电

　　3、子则为少数载流子(简称少子)。因而P型半导体以空穴导电为主。,N型半导体,N型半导体是在本征半导体硅中掺入微量的5价元素（如磷、砷、镓等）而形成的，杂质原子有5个价电子与周围硅原子结合成共价键时，多出1个价电子，这个多余的价电子易成为自由电子，如图所示。,N型半导体的共价键结构,综上所述，在掺入杂质后，载流子的数目都有相当程度的增加。因而对半导体掺杂是改变半导体导电性能的有效方法。,PN结,在同一块半导体基片的两边分别形成N型和P型半导体，它们的交界面附近会形成一个很薄的空间电荷区，称其为PN结。 PN结的形成过程如图所示。,（a）多子扩散示意图；（b）PN结的形成,PN结的单向导电性,PN结正向偏置导通 给PN结加上电压，使电压的正极接P区，负极接N区（即正向连接或正向偏置），如下图（a）所示。由于PN结是高阻区，而P区与N区电阻很小，因而外加电压几乎全部落在PN结上。由图可见，外电场将推动P区多子（空穴）向右扩散，与原空间电荷区的负离子中和，推动N区的多子（电子）向左扩散与原空间电荷区的正离子中和，使空间电荷区变薄，打破了原来的动态平衡。同时电源不断地向P区补充正电荷，向N区补充负

　　4、电荷，其结果使电路中形成较大的正向电流，由P区流向N区。这时PN结对外呈现较小的阻值，处于正向导通状态。,PN结的单向导电性 （a）正向连接; （b）反向连接,PN结反向偏置截止 将PN结按上图（b）所示方式连接（称PN结反向偏置）。由图可见，外电场方向与内电场方向一致，它将N区的多子（电子）从PN结附近拉走，将P区的多子（空穴）从PN结附近拉走，使PN结变厚，呈现出很大的阻值，且打破了原来的动态平衡，使漂移运动增强。由于漂移运动是少子运动，因而漂移电流很小；若忽略漂移电流，则可以认为PN结截止。 综上所述，PN结正向偏置时，正向电流很大；PN结反向偏置时，反向电流很小，这就是PN结的单向导电性。,半导体二极管,半导体二极管的结构 半导体二极管又称晶体二极管，简称二极管。二极管按其结构的不同可以分为点接触型和面接触型两类。 点接触型二极管的结构，如下图（a）所示。这类管子的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。,半导体二极管的结构及符号（a）点接触型结构;（b）面接触型结构;,半导体二极管的结

　　5、构及符号（c）集成电路中的平面型结构; （d）图形符号,半导体二极管的主要参数,1. 最大整流电流IF,2. 反向击穿电压UB,3. 反向饱和电流IS,单相半波整流电路,单相桥式整流电路组成,特殊二极管,1.稳压二极管,稳压管工作在反向击穿区，由于曲线很陡，反向电流在很大范围内变化时，端电压变化很小，因而具有稳压作用。图中的UB表示反向击穿电压，当电流的增量IZ很大时，只引起很小的电压变化UZ。只要反向电流不超过其最大稳定电流，就不会形成破坏性的热击穿。因此，在电路中应与稳压管串联一个具有适当阻值的限流电阻。,稳压管的伏安特性曲线、图形符号及稳压管电路（a）伏安特性曲线;（b）图形符号;（c）稳压管电路,2. 光电二极管,光电二极管的结构与普通二极管的结构基本相同，只是在它的结处，通过管壳上的一个玻璃窗口能接收外部的光照。光电二极管的结在反向偏置状态下运行，其反向电流随光照强度的增加而上升。下图（）是光电二极管的图形符号，图（）是它的等效电路，而图（）是它的特性曲线。光电二极管的主要特点是其反向电流与光照度成正比。,光电二极管 （）图形符号;（）等效电路;（）特性曲线、,发光二极管是一种能把电能转换成光能的特殊器件。这种二极管不仅具有普通二极管的正、反向特性，而且当给管子施加正向偏压时，管子还会发出可见光和不可见光（即电致发光）。目前应用的有红、黄、绿、蓝、紫等颜色的发光二极管。此外，还有变色发光二极管，即当通过二极管的电流改变时，发光颜色也随之改变。图下（a）所示为发光二极管的图形符号。,发光二极管常用来作为显示器件，除单个使用外，也常做成七段式或矩阵式器件。发光二极管的另一个重要的用途是将电信号变为光信号，通过光缆传输，然后再用光电二极管接收，再现电信号。图下（b）所示为发光二极管发射电路通过光缆驱动的光电二极管电路。在发射端，一个0V的脉冲信号通过500的电阻作用于发光二极管（LED），这个驱动电路可使LED产生一数字光信号，并作用于光缆。由LED发出的光约有20%耦合到光缆。在接收端，传送的光中，约有80%耦合到光电二极管，以致在接收电路的输出端复原为0V电压的脉冲信号。,发光二极管（a）图形符号; （b）光电传输系统,4. 变容二极管,二极管结电容的大小除了与本身的结构和工艺有关外，还与外加电压有关。结电容随反向电压的增加而减小，这种效应显

　　7、著的二极管称为变容二极管，其图形符号如图7.13（a）所示，图（b）是某种变容二极管的特性曲线。,变容二极管（a）图形符号;（b）结电容与电压的关系（纵坐标为对数刻度）,半导体三极管,半导体三极管根据其结构和工作原理的不同可以分为双极型和单极型半导体三极管。双极型半导体三极管（简称BJT），又称为双极型晶体三极管或三极管、晶体管等。之所以称为双极型管，是因为它由空穴和自由电子两种载流子参与导电。而单极型半导体三极管只有一种载流子导电。,半导体三极管的结构和类型,三极管的构成是在一块半导体上用掺入不同杂质的方法制成两个紧挨着的PN结，并引出三个电极，如下图所示。三极管有三个区：发射区发射载流子的区域；基区载流子传输的区域；集电区收集载流子的区域。各区引出的电极依次为发射极（极）、基极（极）和集电极（极）。发射区和基区在交界处形成发射结；基区和集电区在交界处形成集电结。根据半导体各区的类型不同，三极管可分为NPN型和PNP型两大类，如下图（a）、（b）所示。,三极管的组成与符号（a）NPN型; （b）PNP型,为使三极管具有电流放大作用，在制造过程中必须满足实现放大的内部结构条件，即： （

　　8、1）发射区掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度，以便于有足够的载流子供“发射”。 （2）基区很薄，掺杂浓度很低，以减少载流子在基区的复合机会，这是三极管具有放大作用的关键所在。 （3）集电区比发射区体积大且掺杂少，以利于收集载流子。 由此可见，三极管并非两个PN结的简单组合，不能用两个二极管来代替；在放大电路中也不可将发射极和集电极对调使用。,三极管的工作电压和基本连接方式,工作电压 三极管要实现放大作用必须满足的外部条件：发射结加正向电压，集电结加反向电压，即发射结正偏，集电结反偏。如下图所示，其中V为三极管，UCC为集电极电源电压，UBB为基极电源电压，两类管子外部电路所接电源极性正好相反，Rb为基极电阻，Rc为集电极电阻。若以发射极电压为参考电压，则三极管发射结正偏，集电结反偏这个外部条件也可用电压关系来表示：对于NPN型：UCUBUE；对于PNP型：UEUBUC。,三极管电源的接法 （a）NPN型; （b）PNP型,基本连接方式,三极管有三个电极，而在连成电路时必须由两个电极接输入回路，两个电极接输出回路，这样势必有一个电极作为输入和输出回路的公共端。根据公共端的不同，有三种基本连接方

　　9、式。 （1）共发射极接法（简称共射接法）。共射接法是以基极为输入端的一端，集电极为输出端的一端，发射极为公共端，如下图（a）所示。 （2）共基极接法（简称共基接法）。共基接法是以发射极为输入端的一端，集电极为输出端的一端，基极为公共端，如下图（b）所示。（3）共集电极接法（简称共集接法）。共集接法是以基极为输入端的一端，发射极为输出端的一端，集电极为公共端，如下图（c）所示。 图中“”表示公共端，又称接地端。无论采用哪种接法，都必须满足发射结正偏，集电结反偏。,三极管电路的三种组态（a）共发射极接法;（b）共基极接法（c）共集电极接法,三极管的主要参数,1）电流放大倍数2）极间反向电流3）极限参数（1）集电极最大允许电流ICM（2）集电极最大允许功率损耗PCM 。（3）反向击穿电压U(BR)CEO,U(BR)CBO,U(BR)EBO 。,场效应管,场效应管（简称FET）是利用输入电压产生的电场效应来控制输出电流的，所以又称之为电压控制型器件。它工作时只有一种载流子（多数载流子）参与导电，故也叫单极型半导体三极管。因它具有很高的输入电阻，能满足高内阻信号源对放大电路的要求，所以是较理想的前置输入级器件。它还具有热稳定性好、功耗低、噪声低、制造工艺简单、便于集成等优点，因而得到了广泛的应用。 根据结构不同，场效应管可以分为结型场效应管（JFET）和绝缘栅型场效应管（IGFET）或称MOS型场效应管两大类。根据场效应管制造工艺和材料的不同，又可分为N型沟道场效应管和P型沟道场效应管。,结型场效应管结构和符号,结型场效应管（JFET）结构示意图如图（a）所示。,

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