电子技术基础

【知识点】本征半导体、掺杂半导体的导电特性；PN结及其特性；二极管的结构、伏安特性及主要参数；特殊二极管的用途；单相桥式整流电路、滤波电路及稳压电路的组成、工作原理、分析计算方法、元件的选用；集成稳压器的使用。电子技术基础2.1半导体二极管在自然界中，存在着许多不同的物质，有的物质很容易传导电流，称为导体。有的物质几乎不传导电流，称为绝缘体。此外还有一类物质，它的导电能力介于导体与绝缘体之间，称它为半导体。常见的半导体如锗、硅、硒化镓、一些硫化物和氧化物等。半导体除了在导电能力方面与导体和绝缘体不同外，还具有不同于其他物质的特点，例如，半导体受到外界光和热的刺激时或者在纯净的半导体中加入微量的杂质，其导电性能会发生显著变化。其中半导体的电阻率随温度的上升而明显下降，呈负温度系数的特性；半导体的导电能力随温度上升而明显增加；半导体的电阻率随光照的不同而变化；在纯净的半导体掺入少量的杂质，它的导电能力会得到显著的提高。这就是半导体的特点。一、半导体的基本知识2.1半导体二极管半导体的导电特性：(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显改变(可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化(可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等)。热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强在T=0和没有外界激发时，没有可以自由运动的带电粒子——载流子，这时它相当于绝缘体。例如高纯度半导体材料硅、锗都是单晶体结构。如图所示分别为锗和硅的原子结构示意图。2.1.1本征半导体完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。在硅、锗制成单晶体后，最外层的4个价电子不仅受自身原子核的束缚，还与其相邻的4个原子核相互吸引，2个相邻原子之间有1对价电子，称为共价键结构。半导体共价键中的价电子并不像绝缘体中的电子被束缚得那么紧，在室温300K时，由于热激发，就会使一些价电子获得足够的能量挣脱共价键的束缚，成为自由电子。这种现象称为本征激发。在电子挣脱共价键的束缚成为自由电子后，共价键就留下1个空位，这个空位叫做空穴。显然，空穴带有正电荷。当温度越高时，电子空穴就越多；电子空穴的热运动是杂乱无章的，对外不显电性。2.1.1本征半导体晶体中原子的排列方式硅单晶中的共价健结构共价健共价键中的两个电子，称为价电子。SiSiSiSi价电子SiSiSiSi价电子价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。本征半导体的导电机理这一现象称为本征激发。空穴温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。自由电子在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。本征半导体的导电机理当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流(1)自由电子作定向运动电子电流(2)价电子递补空穴空穴电流注意：(1)本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差；(2)温度愈高，载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。自由电子和空穴都称为载流子。自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。2.1.2杂质半导体掺杂后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，称为电子半导体或N型半导体。掺入五价元素SiSiSiSip+多余电子磷原子在常温下即可变为自由电子失去一个电子变为正离子在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成杂质半导体。在N型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或P型半导体。掺入三价元素SiSiSiSi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。B–硼原子接受一个电子变为负离子空穴无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。（1）N型半导体在本征半导体中（如硅、锗中）掺入少量的5价元素杂质，如磷、锑、砷等，磷原子有5个价电子，它的4个价电子与相邻的硅组成共价键后，还多余1个价电子，多余的价电子很容易受激发成为自由电子。掺入的磷元素越多，则自由电子就越多。由于磷原子在硅晶体中给出了1个多余的电子，称磷为施主杂质，或N型杂质。但在产生自由电子的同时并不产生新的空穴，因此在N型半导体中，自由电子数远大于空穴数。这样的一种半导体将以自由电子导电为主，所以自由电子称为多数载流子，而空穴称为少数载流子。在本征半导体中（如硅、锗中）掺入少量的3价元素杂质，如硼、铟等，硼原子最外层只有3个价电子，它与周围硅原子组成共价键时，因缺少1个价电子，在晶体中就留有1个空穴，空穴数量增多，自由电子则相对很少。如图所示。由于硼原子在硅晶体中能接受电子，故称硼为受主杂质，或P型杂质。在产生空穴的同时并不产生新的自由电子，因此在P型半导体中，空穴数远大于自由电子数。在这种半导体中以空穴导电为主，故空穴为多数载流子，而自由电子为少数载流子。注意不论是N型半导体还是P型半导体都是电中性，对外不显电性。（2）P型半导体P型半导体PN结的形成PN结的形成当P型半导体和N型半导体接触后，在交界面处由于载流子的扩散运动，P区的空穴向N区扩散，N区的电子向P区扩散。在P区和N区的接触面上就产生了正、负离子层。N区一侧失去自由电子剩下正离子，P区一侧失去空穴剩下负离子，这个区域称为空间电荷区，即PN结。同时形成一个由N区指向P区的内电场，内电场对扩散运动起阻碍作用，电子和空穴的扩散运动随着内电场的增强而逐渐减弱，最后达到动态的平衡。PN结及其单向导电性2.1半导体二极管2.1.3PN结1.PN结的形成多子的扩散运动内电场少子的漂移运动浓度差P型半导体N型半导体内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。扩散的结果使空间电荷区变宽。扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－动画形成空间电荷区PN结单向导电性PN结在使用时总是加一定的电压,若PN结外加正向电压(P区的电位高于N区的电位),称为正向偏置,简称正偏。这时PN结外电场与内电场方向相反，PN结变窄，则P区的多数载流子空穴和N区的多数载流子自由电子在回路中形成较大的正向电流IF，使PN结正向导通。这时PN结呈低电阻状态。若PN结外加反向电压（P区的电位低于N区的电位），称为反向偏置，简称反偏。这时外加电场与内电场方向相同，使内电场增强，PN结变厚，多数载流子运动难以进行，而P区的少数载流子自由电子和N区的少数载流子空穴在回路中形成极小的反向电流IR，称PN结反向截止。这时PN结呈高阻状态。2.1半导体二极管由此可知，PN结正向偏置时，呈导通状态；反向偏置时，呈截止状态。这就是PN结的单向导电性。另外在室温下，少数载流子形成的反向电流虽然很小，但它随温度的上升而明显增加，使用时要特别注意。图PN结的单向导电性（a）加正向电压时导通；（b）加反向电压时截止2.1半导体二极管2PN结的单向导电性(1)PN结加正向电压（正向偏置）PN结变窄P接正、N接负外电场IF内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。PN结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。内电场PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–PN结变宽(2)PN结加反向电压（反向偏置）外电场内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。IRP接负、N接正温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。–+PN结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－半导体二极管由一个PN结加上相应的引出端和管壳构成。它有两个电极，P区引出线称二极管的正极（又称阳极），N区引出线称二极管的负极（又称阴极）。常见二极管的外形和符号如图所示。二极管的结构二极管的内部结构示意图和符号2.1半导体二极管二极管的种类很多，按结构分，常见的有点接触型和面接触型。点接触型二极管的PN结是用一根含杂质元素的金属丝压在半导体晶片上，经特殊工艺、方法处理而成，如图所示。因其结面积小，允许通过的电流小，但结电容小，工作频率高，主要用在高频检波和开关电路。面接触型二极管的PN结是用合金或扩散法做成的，其结构如图所示。由于面接触型二极管的PN结结面积大，PN结电容较大，一般适于较低的频率下工作，允许通过较大电流和具有较大功率容量，主要用于整流电路。按制造材料分，常用的有硅二极管和锗二极管，其中硅二极管的热稳定性比锗二极管好得多。按用途分，常用的有普通二极管、整流二极管、检波二极管、稳压二极管、光电二极管、开关二极管等等。2.1半导体二极管常见二极管的结构和符号（a）点接触型；（b）面接触型；（c）符号2.1半导体二极管1、基本结构(a)点接触型(b)面接触型结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路。结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。(c)平面型用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。2.1.4半导体二极管阴极引线阳极引线二氧化硅保护层P型硅N型硅(c)平面型金属触丝阳极引线N型锗片阴极引线外壳(a)点接触型铝合金小球N型硅阳极引线PN结金锑合金底座阴极引线(b)面接触型二极管的结构和符号示意图阴极阳极(d)符号D2.伏安特性硅管0.5V,锗管0.1V。反向击穿电压U(BR)导通压降外加电压大于死区电压二极管才能导通。外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。正向特性反向特性特点：非线性硅0.6~0.8V锗0.2~0.3VUI死区电压PN+–PN–+反向电流在一定电压范围内保持常数。当二极管两端加正向电压时，便有正向电流通过。但当二极管承受电压很低时，还不足以克服PN结内电场对多数载流子运动的阻挡作用，因此，这时正向电流IF仍然很小，二极管呈现的电阻较大，称为死区。通常，硅材料二极管的死区电压约为0.5V，锗材料二极管的死区电压为0.2V。当外加电压超过一定电压数值UT时，外电场大大抵消了内电场，二极管的电阻变得很小，正向电流IF随外加电压的增加而显著增大。如图所示。当二极管完全导通后，正向压降基本维持不变，称为二极管的正向导通电压或门槛电压，一般硅管为0.7V,锗管为0.3V。2.1半导体二极管1、正向特性二极管加反向电压，此时外电场与内电场方向一致，只有少数载流子的漂移运动，形成反向电流IR。如图所示。反向电流IR极小，一般硅管为几微安以下，锗管较大，为几十到几百微安。这种特性称为反向截止特性。2.1半导体二极管2、反向特性当外加反向电压增大到一定数值时，外加电场过强，可能破坏共价键而把价电子拉出，使少数载流子的数目剧增；强电场也可能引起电子与原子碰撞，产生新的电子空穴对，而引起载流子的数目急剧上升。这都将使反向电流突然剧增，这种现象称二极管反向击穿，击穿时对应的电压称为反向击穿电压UBR。如图所示。普通二极管发生反向击穿后，将会因电流过大使管子过热而造成永久性损坏，这种现象叫做热击穿。2.1半导体二极管3、反向击穿特性3、主要参数（1）最大整流电流IOM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。（2）反向工作峰值电压URWM是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压UBR的一半或三分之二。二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。（3）反向峰值电流IRM指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，IRM受温度的影响，温度越高反向电