项目1常用半导体器件 & PN结和半导体二极管的特性 U PN @ PN NMOS管转移特性 PNP沟道场效应管的工作原理 Si）和锗（Ge）。下面简单介绍这两种本征半导体。 本征半导体的晶体结构 硅和锗的单个原子结构如图1-1（a）、（b）所示，其共同特点是：最外层电子都是4个，它们受原子核的束缚力较弱。为简化起见，把内层电子和原子核看作一个“整体”，得到如图1-1（c）所示的硅原子、锗原子的结构简化图。制造半导体器件的本征硅和锗，是由许多硅原子和锗原子密集组成的，不但非常纯净，而且整个材料内部原子排列非常有规则。图1-2是硅晶体的平面结构示意图。硅的原子之间依靠共价键结合起来。每个共价键中的电子属于两个原子所共有，它们被束缚在这两个原子附近，不加额外能量不能脱离原子核的束缚。因此，共价键中的电子不能自由运动。 图1-1 硅和锗的原子结构示意图 1-2 硅晶体的平面结构示意图 图1-3 本征激发产生自由电子和空穴 N型半导体和P型半导体。N型半导体 如果在本征硅或本征锗中掺入少量的磷（P）或锑（Sb）等五价元素，就得到N型半导体。下面以本征硅中掺入磷为例说明。 图1-4（a）是硅晶体中掺入少量磷的共价键结构示意图。因磷是五价元素，若掺入一个磷原子，形成共价键之后，多了一个电子，它受磷原子核的吸引力很弱。因此，只需小的激发能量便可挣脱原子核的束缚成为自由电子。在室温下，晶体中几乎所有的磷原子多出的这个电子都能成为自由电子。磷原子失去一个电子后，成为一个带正电的离子。正离子与空穴不同，不能自由运动，不能参与导电，不是载流子。 掺入五价元素磷打破了本征半导体中两种载流子浓度相等的局面，使得N型半导体中自由电子浓度大大超过空穴浓度。这是因为在N型半导体中，空穴是本征激发产生的，而自由电子有本征激发产生的，还有掺杂提供的，而且掺杂产生的自由电子是主要的。在N型半导体中，自由电子占多数，故称其为“多数载流子”，简称“多子”，空穴占少数，称为“少数载流子”，简称“少子”。 图1-4（b）是N型半导体的简化结构示意图。表示正离子。 图1-4 N型半导体（硅中掺磷）的共价键结构图及简化结构图 PB）或铟（In）等三价元素，就得到P型半导体。下面以硅中掺入硼为例来说明。 在四价元素硅中，掺入三价元素硼，其晶体排列如图1-5（a）所示。因为硼原子只有三个价电子与相邻的三个硅原子组成三个完整的共价键，还有一个共价键中留下一个空位。在常温下，这个空位容易被邻近原子中的价电子所填充。例如，在图1-5（a）中a处的价电子脱离它原来的共价键，去填补b处的空位，这样在a处就产生了一个空穴。硼原子因为得到一个电子而变成带负电荷的离子，负离子也不是载流子。掺入硼原子后，在室温下，每个硼原子能产生一个空穴，因此空穴浓度远大于自由电子浓度。显然，掺入的硼原子越多，产生的空穴就越多。在P型半导体中，也有少量由本征激发产生的自由电子空穴对。显然，掺入硼、铟等三价杂质元素后，空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。图1-5（b）是P型半导体的简化结构示意图。表示负离子。 1-5 P型半导体（硅中掺硼）的共价键结构图及简化结构图 P型半导体，另一边形成N型半导体，在这两种半导体的交界处，就形成具有特殊电性能的过渡层，这一过渡层称为PN结。N型区中自由电子浓度高，空穴浓度低；P型区中自由电子浓度低，而空穴浓度高。自由电子和空穴都要从浓度高处向浓度低处扩散，于是N区一边的自由电子要扩散到P区去，P区中的空穴要扩散到N区去，如图1-6（a）所示。如果没有电场对载流子的作用，扩散将一直进行到浓度差消失为止。但N区的一个自由电子扩散到P区后，N区一侧显露出一个正离子，这个自由电子扩散到P区后与空穴复合，在P区一侧显露出一个负离子；同理P区的一个空穴扩散到N区后，与N区的自由电子复合，在P区一侧显露出一个负离子，在N区一侧显露出一个正离子。于是，在交界面N区一侧由正离子形成正的空间电荷区，P区一侧由负离子形成负的空间电荷区。空间电荷区形成之后，在空间电荷区中产生了电场，这个电场称为内建电场，其方向是由N区指向P区，如图1-6（b）所示。 图1-6 PN结的形成 P区的少子自由电子进入空间电荷区向N区漂移，N区的少子空穴进入空间电荷区向P区漂移。开始，内建电场较弱，载流子的扩散占优势。随着扩散的进行，空间电荷区变宽，内建电场增强，从而使载流子的漂移运动加强。当载流子的漂移运动增强到与扩散运动相当时，交界面处的正负离子数不再增加，空间电荷区宽度不再变化，达到动态平衡状态，形成PN结。 因PN结内载流子缺少，所以其电阻率高，是高阻区；又因PN结内载流子被“耗尽”，因此，PN结又称为耗尽层；结内电场的存在，阻碍载流子的扩散，所以又称为阻挡层。 PN结的特性 1 PN结的单向导电性 ① PN结加正向电压 当PN结未加电压时，PN结处于平衡状态，阻挡层内的电场力等于扩散力，通过PN结的多子扩散电流与少子漂移电流相等。宏观上看，两者相互抵消，通过PN结的电流等于零。 当P区接高电位、N区接低电位时称PN结正向运用，又叫加正向电压。由于PN是高阻区，所以，外加电压大部分都降落在阻挡层上。由图1-7可以看出，外加电场的方向和内建电场的方向相反，起了抵消部分内建电场的作用，使空间电荷区变窄，内建电场减弱。内建电场的减弱对载流子的运动有什么影响呢？当外加正向电压时，内建电场减弱，破坏了漂移作用和扩散作用的平衡，使扩散作用占优势。于是，P区的空穴连续不断地向N区扩散，而N区的自由电子向P区扩散，但它们构成的电流是同方向的，所以流过PN结的正向电流方向如图1-7所示。 P区扩散到N区的空穴就愈多，N区扩散到P区的自由电子也愈多，因此正向电流随着正向电压的增加而迅速增加。 PN结加反向电压 图1-8 PN结外加反向电压 PN结加反向电压的情况如图1-8所示。和前述情况相同，外加电压也几乎全部降落在阻挡层上。这时外加电压所形成的外电场与内建电场方向一致，使PN结变宽、内电场增强。结内电场的增强，破坏了PN结未加电压时漂移力与扩散力的平衡状态，使漂移力 大于扩散力。多数载流子的扩散很难进行。结内电场的增强有利于少子的漂移运动。P区的少子自由电子一旦进入PN结内，立即被电场漂移到N区；同样，N区的少子空穴进入PN结内被漂移到P区，这样就形成了反向电流。但是P区的自由电子和N区的空穴都是少子，所以形成的反向电流是很微小的。PN结内的少子数基本上是不随反向电压的变化而变化。因此常常把流过PN结的反向电流称为“反向饱和电流”，用Is表示。 总之，当PN结加正向电压时，PN结处于导通状态，正向电流大；当PN结加反向电压时，PN结的反向电流非常小，PN结近乎截止，这就是PN结的单向导电性。 （2）PN结的击穿特性PN结的反向电压到某一值时，反向电流突然剧增，这种现象称为PN结击穿，发生击穿所需的电压称为击穿电压，用U BR 表示。发生击穿时，PN结的单向导电作用被破坏。如果不加限流电阻，由于电流太大使PN结因温度过高而烧坏。PN结的电容特性 PN结反向偏置，也有一定的电流流过，并且频率越高，反向电流越大，也会破坏PN结的单向导电性。因此，在某些电路中结电容是有害的。然而，结电容也有有利的一面，在压控振荡器、调频电路及自动调谐电路中广泛应用的变容二极管，就利用了PN结的电容特性。PN结的温度特性PN结的反向电流Is很小，且在未击穿时基本上不随反向电压增加而增加，但Is随温度的变化却很剧烈。一般认为温度每增大10℃，反向电流增大一倍。 PN结的正向特性对温度变化也很敏感。当保持正向电流不变时，正向结电压随温度升高而减小。一般认为，温度每升高1℃，结电压大约减少。 2.2 半导体二极管 b a）为2AP22锗二极管， b 为2CP10～20硅二极管。二极管的伏安特性有如下特点： （a） b 1-10 半导体二极管的伏安特性 Uon表示。室温下，硅管的Uon0.5V，锗管的Uon0.1V。正向导通且电流不很大时，硅管的压降约为0.6～0.8V，锗管的压降约为0.1～0.3V。，而锗管通常为几十微安。IF。最大整流电流IF是管子长期运行时允许通过的最大正向电流平均值，是为保证二极管的温升不超过允许值而规定的参数。例如：2AP1的最大整流电流为，2CP10为，2CZ11为。 2 最大反向工作电压URM。二极管反向电压过高时要引起反向击穿，因此要限制反向工作的电压。一般规定最大反向工作电压为反向击穿电压值的一半，例如：2AP1最大反向工作电压为，而反向击穿电压实际上大于。IR。反向电流IR是指管子未击穿时的反向电流值。IR小，说明管子单向导电性能好。通常半导体器件手册上给出的IR是最大反向工作电压下的反向电流值。反向电流大小受温度的影响很大，使用时应注意温度的影响。 4 最高工作频率fM。fM的值主要取决于PN结结电容的大小，结电容越大，则fM越低。 5 直流电阻RD和交流电阻rd。在二极管两端加上一定的直流电压U，就有一定的直流电流I，如图1-11（a）所示。二极管上直流电压与直流电流的比值，就是二极管的直流电阻，即 。 图1-11 二极管的直流电阻 b）中， 就代表二极管在A点所呈现的直流电阻。显然，二极管的工作点不同，它的直流电阻是不同的。 在二极管两端已有一定直流电压值U的基础上，再加上一个增量电压，则流过二极管的电流也会有一相应的增量，如图1-12所示。这个增量电压与增量电流的比值，就是二极管的交流电阻，又称动态电阻，定义。 图1-12 二极管的交流电阻 （1-1） 其中，ID为二极管的直流电流值，单位用mA表示。RD来判断的。加正向电压时，RD为几十欧至几百欧；加反向电压时，RD为几百千欧至几兆欧。一般正、反向电阻值相差越大，二极管的单向导电性能越好。 2.3 二极管的应用是限流电阻，起保护二极管的作用。设输入电压ui为正弦信号ui 5Sinωt（V）。 1-13 并联二极管上限幅电路 时，波形见图1-14（a）。ui的正半周，二极管正向偏置导通。因二极管导通时两端电压只有零点几伏，若忽略此电压，则输出电压u0 0V。在ui负半周时，二极管截止，输出电压u0 ui。 当为正值，如时，波形见图1-14（b）。ui的正半周内，我们分三段来看：0~ωt1内，ui 2.5V，二极管反向偏置，两端无压降，u0 ui ；ωt1~ωt2内，ui 2.5V，二极管导通，忽略二极管正向导通压降，u0 2.5V；ωt2~ωt3内，情况同0~ωt1内，u0 ui。ωt3~ωt4内，ui 0二极管的正极电位总是低于负极电位，二极管处于截止状态，u0 ui，波形如图1-14（b）所示。E –2.5V，波形如图1-14（c）所示。 综上所述，该电路削去了ui E的部分，故称为并联上限幅电路，为限幅电平。若该二极管反接，则组成并联下限幅电路。 1-14 二极管并联上限幅波形关系 PN结反向特性知道，当反向电压大到一定程度时，反向电流突然增大，这种现象称为击穿。如果能限制击穿电流不超过一定数值，PN结就不会损坏。具有反向击穿电流在较大范围内变化时，PN结两端电压变化很小的二极管为稳压二极管。稳压二极管的正向特性与普通二极管差不多，但反向击穿特性比普通二极管要陡，即微小电压变化会引起较大电流变化，如图1-15所示。 稳压管的主要参数有： ⑴ 稳定电压Uz。稳定电压就是稳压管在正常工作时管子两端的电压，用Uz表示。要注意的是，即使同型号的稳压管，其稳定电压也有差异。例如2CW15的Uz为，使用时应注意挑选。IZMIN和最大稳定电流IZM。IZMIN是稳压管正常工作时的最小稳定 电流；稳压管使用时不得超过的电流称为最大稳定电流，用IZM表示。 1-15 稳压二极管电路符号和特性曲线 。电压温度系数是说明稳压值受温度变化影响的参数，用表示。实测表明，稳压值高于的具有正温度系数，即温度升高稳压值略有上升；稳压值低于的具有负温度系数，即温度升高时稳压值略有下降。稳压值在之间的温度系数很小。 IRED）发出的光波是不可见的，其波长与半导体硅光敏器件的工作波长接近，所以选用红外发光管来触发硅光敏器件最理想。 发光二极管（LED）通常指可见光发光管，有单色、双色、变色等几种，如图1-16所示。当其PN结上通过合适的正向电流时，便以光的形式释放能量，发光颜色与管芯的材料有关。单色发光二极管只有一个PN结，常见的发光颜色有红、绿，如图（a）所示。双色发光二极管实际上是两只LED反极性并联后封装在一起，一只发红色，一只发绿色，如图（b）所示，常用的有2EF303、2EF313等。图（c）为三变色发光二极管，C为公共电极，R是发红光管的正极，G是发绿光管的正极。单独驱动每只管子发红光（或绿光），同时驱动发出复色光——橙光。发光二极管的正向电压约为，典型工作电流为，最大工作电流为。因此，在使用时必须加限流电阻。发光二极管常用作显示器件，如指示灯、数码管、矩阵显示器等。 图1-16 发光二极管 3．光电二极管 图1-17 光电二极管 图1-18 变容二极管 。 在高频技术中，变容二极管应用较多。如彩电的遥控选台，就是因为彩电的调谐电路中有变容二极管。 PN结。与二极管不同，三极管具有电流放大作用。因此，三极管成为电子线路中的重要器件。本节将介绍三极管的结构、三极管的电流放大作用、各极电流关系及三极管的特性曲线 半导体三极管的原理结构 三极管的实际结构与制造工艺有关，其核心部分都是在一块半导体上制造出两个背对背的PN结，按其结构分，有两种不同类型的三极管，即NPN型和PNP型。无论是NPN型还是PNP型，其结构都有两个PN结：发射结（e结）和集电结（c结）；三个区：发射区（e区）、集电区（c区）和基区（b区）；三个电极：发射极（e极）、集电极（c极）、基极（b极）；原理结构如图1-19（a ）（NPN型）和（b）（PNP 型）所示。图1-19（c）和（d）是它们的电路符号，图中发射极的箭头方向表示发射结加正向电压时的实际电流方向。常见三极管的外型及各电极的位置如图1-20所示。 1-19 半导体三极管的结构示意图和电路符号 a b 1-21 共发射极放大电路 a）中，管子为NPN型，VBB通过RB给发射结加一正向电压，UBE 0。Vcc通过Rc接集电极，加在集电结上的电压为UCB UCE–UBE，只要合理选择电路参数，可使UCE UBE，保证集电结加反向电压。对于PNP管，外加直流电压的原则是一样的，但电源极性与NPN管恰好相反，见图1-21（b）。 电流分配与放大 按图1-21（a）连成实验电路并接入电流表，如图1-22所示。VBB、RB和基极b、发射极e组成基极—发射极回路，称作输入回路；Vcc、Rc和集电极c、发射 图1-22 共发射极放大实验电路Rb是保护电阻。 实验中，改变RW的大小，基极电流随之改变。然后测量IB、IC和IE的数值，将实验结果列于表1-1。 表1-1 三极管电流测试数据 ） ） ） （1-2） 此关系表明晶体三极管的电流分配规律符合基尔霍夫节点电流定律。 ⑵ IB微小变化会引起IC较大的变化。我们用交流电流放大系数β表示管子的电流放大作用，定义： （1-3） 由第四列和第三列实验数据可得： 由第六列和第五列实验数据可得： 实验结果表明：微小基极电流的变化，可以控制比其大数十乃至数百倍的集电极电流的变化，这就是晶体三极管的电流放大作用。β值一般在之间。手册中给出的晶体三极管的β值是在一定测试条件下的数据。表示，即 （1-4） 和交流电流放大系数相差不大。严格地讲，与是不同的，因数值差别不大，以后说到三极管的电流放大系数都用表示。 1.3 半导体三极管的特性曲线 三极管的特性曲线是反映三极管各电极电流与电压间的关系曲线。特性曲线可由实验测得，也可由晶体管图示仪直观的显示出来。手册上给出的是同型号的典型曲线。 三极管的特性曲线有共发射极特性曲线和共基极特性曲线，在此，我们只讨论共发射极特性曲线。因三极管有三个电极，使特性曲线比二极管的伏安特性要复杂些，有输入特性曲线和输出特性曲线之分。仍以NPN型管共发射极接法为例讨论。 1．输入特性曲线 共发射极输入特性曲线 uCE固定于某一值时基极电流iB与基极和发射极间的电压uBE之间的关系曲线为某种硅三极管的输入特性曲线V时，三极管已工作在放大状态，所以，通常都用这条输入特性曲线分析三极管放大电路。 输出特性曲线 输出特性曲线是管子基极电流iB固定于某一值时，管压降uCE与集电极电流iC的关系曲线 共发射极输出特性曲线uCE很小时，iC随uCE增大而迅速增大的区域，称为三极管的饱和区，参见图1-24。在饱和区，不同的iB所对应的输出特性曲线几乎重合。也就是说，对于同一uCE值，基极电流iB变化时，集电极电流iC变化不大,说明三极管的电流放大能力差，即值很小。三极管组成放大电路时，管子是不能工作在饱和区的。 三极管工作在饱和区的条件是：发射结正偏，集电结亦正偏。工作在饱和区的特点是管压降uCE很小，小功率硅管约为，锗管约为。 （2）截止区。三极管工作在截止区的条件是：发射结反偏，集电结也反偏。三极管截止时的特点是：各极电流基本为零，管子的压降uCE最大。iC与iB的关系是：iC βiB。工作在放大区的特点：一是iC的大小受iB的控制，且iC iB，即电流放大系数β大；二是iC随uCE的变化很小，表现出恒流特性。工作在放大区管压降比饱和时大得多，比截止时小。 图1-25 UE 2.3V，UB 3V，UC 4V，如图1-25（b）。因UBE 3–2.3 0.7V，所以是硅管。 【例1-2】检修某收音机时，发现其中一个三极管管压降为，其电路如图1-26所示。试说明该管工作在什么状态，并分析其原因。UCE 3V，说明电阻Rc上 无压降。因此，三极管的集电极电流IC 0mA。 所以，管子处于截止状态。原因可能是管子 的基极虚焊，或电阻RB未焊接好，也可能 三极管损坏了。故障现象相同，原因可能 很多，如何正确判断，首先应了解管子工作 在各个区的特点，另外，要凭自己的经验。 图1-26 a） b 和 两者含义不同，但数值差异极小。 2．极间反向电流 集电极——基极反向饱和 电流ICBO。它表示E极开路时，集1-28 三极管极间反向电流的测量 ICEO。它表示B极开路时，C-E之间的电流，测量电路如图1-28（b）。深入分析知，ICEO 1+β ICBO。 3．极限参数 （1）击穿电压U BR CEO。该击穿电压为基极开路时集电极和发射极间的反向击穿电压。使用中如果管子两端电压UCE超过U BR CEO，集电极电流IC将急剧增大，这种现象称为击穿。管子击穿后易造成永久性损坏。ICM。由于β的大小与IC有关，IC较大时，β值会减小。当IC ICM时，虽然管子不至于损坏，但β值已明显减小。因此，三极管在放大电路中应用时，IC不要超过ICM。 （3） 集电极最大允许耗散功率PCM。三极管工作在放大状态时，集电结承受较高的电压，又要流过较大的电流，因此，在集电结上要消耗一定功率，导致集电结发热，结温升高。结温过高，管子性能变差，甚至烧坏管子，因此，需对集电结耗散功率规定一个限额。PCM是集电结受热而引起管子参数变化不超过规定值时，集电结耗散的最大功率。PCM与管芯材料、大小、散热条件及环境温度等因素有关。为了散热好，大功率管的集电极往往直接与管壳相连，使用还要再加上散热片。在输出特性曲线上画出iC uCE PCM的

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