模拟电子技术电子教案-第五章半导体器件

本课程的性质：模拟电子技术课程是电气、电子信息类及相关专业的一门重要的专业基础课。本课程的主要任务：使学生通过本大纲所规定的全部教学内容的学习，掌握电子线路的基本概念、基本原理和基本分析方法，达到具有初步分析、设计实际电子线路的能力，为后续课程的学习准备必要的知识，并为今后从事实际工作打下必要的基础。达到下列基本要求：1．了解常用电子器件（包括集成组件）的外特性及其应用；了解放大电路的主要技术指标。2．掌握基本放大电路的组成、分析方法和应用，会估算基本放大电路的静态工作点、放大倍数、输入电阻和输出电阻；掌握正弦波振荡器的组成及工作原理；掌握负反馈的基本组态及其对放大电路性能的影响；掌握集成运放组成的某些功能电路的电路组成、工作原理、性能和应用；掌握直流稳压电源的组成环节及各部分工作原理。3．熟练掌握基本放大电路的工作原理；熟练掌握反馈的判别；熟练掌握集成运放组成的电路的分析方法。4．熟悉常用电子仪器的使用方法，初步具有查阅电子元器件手册、正确使用元器件的能力、认识常见电子线路图的能力、测试常用电路功能及排除故障的能力。第五章半导体器件基础本章主要内容：本章主要介绍了半导体的特性，PN结的形成及其单向导电性，然后介绍了半导体二极管、三极管和场效应管的结构、工作原理、特性曲线及主要参数。本章是学习模拟电子技术的基础，本章重点：二极管的单向导通特性及伏安关系；三极管的电流放大关系。本章难点：PN结的形成；三极管的电流放大原理。讲课思路：什么是半导体？→为什么采用半导体材料制作电子器件？→PN结有何特性和作用？PN结电压与电流符合欧姆定律吗？→怎样获得三极管？它的工作方式和作用是怎样的？5.1半导体基础知识本节课重点在于学习本征半导体、杂质半导体、多子、少子等概念，了解PN结形成的基本原理5.1.1半导体半导体是指导电能力介于导体和绝缘体之间的一类物质，如硅、锗、砷化镓以及大多数的金属氧化物等，它们都具有半导体特性。半导体的导电能力在不同的条件下有很大的差别。如大多数半导体对温度反应敏感，当环境温度升高时，它的导电能力要增强许多，利用这种特性可做成热敏元件。有些半导体在受到光照时，它的导电能力变的很强，而在无光照时，又变得像绝缘体一样不导电，利用这种特性可做成光敏元件。半导体掺入杂质后其电阻率大大减小，可以做成可控的电子开关元件。1.本征半导体纯净半导体称为本征半导体。我们以硅和锗原子的简化原子模型来说明，二维晶格结构如图1.1所示。在温度为T=0K和没有外界激发时，每一个电子均被共价键所束缚。在室温条件下，部分价电子就会获得足够的能量而挣脱共价键的束缚，成为自由电子，这称为本征激发。自由电子是一种带负电的载流子，在外加电场的作用下可以移动。自由电子移动后在原来共价键中留下的空位称为空穴，此时可把空穴认为是一个带正电的粒子，空穴和相邻的价电子很容易复合，复合后在相邻价电子处形成空穴，这相当于空穴的移动。在空穴和自由电子不断地产生的同时，原有的空穴和自由电子也会不断地复合，形成一种平衡。所以半导体中导电物质就是自由电子和空穴。2.杂质半导体在本征半导体中掺入不同的杂质，就会使半导体的导电性能显著的增加，根据掺入杂质的不同，分为P型半导体和N型半导体。（1）P型半导体在硅（或锗）中掺入少量三价元素硼（或铟），形成P型半导体。因为硼原子有三个价电子，所以在和周围的四个硅原子构成共价键时，会留有一个空穴，这样空穴在P型半导体中的数目远大于自由电子的数目，故P型半导体的多数载流子（多子）是空穴，相应的少数载流子（少子）为自由电子。（2）N型半导体在硅（或锗）中掺入少量五价元素磷（或砷），形成N型半导体。因为磷原子有五个价电子，所以在和周围的四个硅原子在构成共价键时，会多出一个自由电子，这样自由电子在N型半导体中的数目远大于空穴的数目，故N型半导体的多数载流子（多子）是自由电子，相应的少数载流子（少子）为空穴。要注意的是，虽然两种杂质半导体的导电能力增加了，但整体而言仍是中性不带电的。5.1.2PN结1.PN结的形成（1）多子的扩散运动若P型半导体和N型半导体结合后，在它们的交界面两侧分别是空穴和自由电子的高浓度区，因此在交界面处空穴和自由电子会发生从高浓度区向低浓度区的扩散运动并发生复合，这样破坏了原来P区和N区的电中性，P区由于接受了从N区扩散过来的自由电子而成为负极性区，N区由于接受了从P区扩散过来了空穴而成为正极性区，这些带电离子形成了一个很薄的空间电荷区，产生了内电场。图5.2PN结形成(a)多子扩散运动（b）空间电荷区的形成（2）少子的漂移运动一方面，随着扩散运动的进行，空间电荷区加宽使得内电场增强；另一方面，内电场又将阻止多子的扩散运动，而使P区的少子电子向N区运动，N区的少子空穴向P区运动，这种在电场下少子的运动称为漂移运动。少子漂移运动的方向与多子扩散运动的方向相反，因而漂移运动的结果是使空间电荷区变窄，内电场减弱。当参与扩散运动的多子与参与漂移运动的少子数目相等时，达到了动态平衡。此时电荷区的宽度不再变化，PN结形成。此时若无外加电压或其他的激发因素作用时，流过PN结的电流为零。2、PN结的单向导电性（1）PN结的正向偏置图5.3PN正向偏置图5.4PN反向偏置如果在PN结两端加上正向电压，即P区接电源正极，N区接电源负极，称为PN结的正向偏置（正偏）。此时外加电场抵消了内电场的一部分作用，使得多子的扩散作用增强，形成较大的正向电流，PN结呈现低阻特性。(2)PN结的反向偏置如果在PN结两端加上反向电压，即P区接电源负极，N区接电源正极，称为PN结的反向偏置（反偏）。此时外加电场和内电场进一步增强了多子的扩散的难度，此时只有少子的漂移作用，形成很小的反向电流，PN结呈现高阻特性。正因为正向电流远大于反向电流，故我们说PN结具有单向导电性。5.2半导体二极管5.2.1二极管的结构和符号在PN结的两端引出两个电极并将其封装在金属或塑料管壳内，就构成了二极管（Diode）。二极管通常由管芯、管壳和电极三部分组成，管壳起保护管芯的作用。从P区引出的电极称为正极或阳极，从N区引出的称为负极或阴极。二极管根据其结构不同可以分为点接触型和面接触型两类。点接触型二极管是由一根很细的金属触丝（如三价元素铝）和一块半导体（如锗）的表面接触，然后在正方向通过很大的瞬时电流，使触丝和半导体牢固地熔接在一起，三价金属与锗结合构成PN结，并做出相应的电极引线，外加管壳密封而成，如图下图（a）所示。由于点接触型二极管金属丝很细，形成的PN结面积很小，所以极间电容很小，同时，也不能承受高的反向电压和大的电流。这种类型的管子适于做高频检波和脉冲数字电路里的开关元件，也可用来作小电流整流。如2AP1是点接触型锗二极管，最大整流电流为16mA，最高工作频率为150MHz。面接触型或称面结型二极管的结构如下图（b）所示。由于这种二极管的PN结面积大，可承受较大的电流，但极间电容也大。这类器件适用于整流，而不宜用于高频电路中。如2CPI为面积触型硅二极管，最大整流电流为400mA，最高工作频率只有3kHz。下图（c）是硅工艺平面型二极管的结构图，是集成电路中常见的一种形式。二极管的代表符号如图（d）所示。5.2.2二极管的伏安特性二极管的伏安特性是指二极管两端外加电压u和通过二极管的电流i之间的关系。二极管的伏安特性可分为正向特性、反向特性和反向击穿特性三种不同情况。正向特性二极管两端不加电压时，其电流为0，故特性曲线从坐标原点开始。当二极管处于正向偏置时，正向电流随外加电压的增加而上升，但是在正向电压较小的部分，电流近似为零，且增加缓慢，这是由于外加电压还不足以克服PN结内电场对多子运动的阻碍作用，这一段称为“死区”，该段特性如图1.4橙线部分所示。相应的电压称为死区电压。只有当外加的正向电压大于死区电压后，正向电流才随电压的增加而迅速增大，二极管进入完全导通状态，该段特性如图1.4蓝线部分所示。一般地，我们在工程估算时认为此时锗管的管压降约为0.1～0.3V，硅管的管压降约为0.6～0.8V。2.反向特性当二极管处于反向偏置时，二极管中的反向电流主要是由少子的漂移运动形成，因其不随反向电压的增加而变化，故称之为反向饱和电流。该段特性如图1.4黑线部分所示。3.反向击穿特性当反向电压继续增加到某一数值时，二极管中的反向电流会突然增大，我们称此时二极管发生了反向击穿，该段特性如图1.4红线部分所示。发生反向击穿时PN结有很大的反向电流，严重时将导致PN结损坏，所以普通二极管应该避免被击穿，但稳压二极管则必须要工作于击穿状态，因为在击穿区虽然电流变化较大而电压却能保持基本不变，正是利用这个特性，稳压管才能够起到稳压的作用。5.2.3特殊二极管（稳压二极管、发光二极管、光电二极管）（自学）5.2.4二极管的主要参数1.最大整流电流IF：是指二极管长期使用时允许通过的最大正向平均电流，电流过大会导致二极管烧坏。2.最高反向工作电压UR：因为二极管具有单向导通性，所以在工作时不可避免地要承受反向电压，这个指标是为防止二极管被反向击穿所规定的最大反向工作电压。3.反向电流IR：指二极管处于反向偏置但未被击穿时的电流大小。反向电流越小二极管的性能越好。4.最高工作频率fM：因为PN结存在电容效应，所以每个二极管都有一个最高工作频率。在高频电路中一定要注意选用最高工作频率高于实际工作频率的二极管。5.2.5半导体二极管的型号及选择1、型号国家标准对半导体器件型号的命名方法及符号规定举例如下：2AP9用数字代表同类型器件的不同型号.用字母代表器件的类型，P代表普通管.用字母代表器件的材料，A代表N型Ge.B代表P型Ge，C代表N型Si，D代表N型Si2代表二极管，3代表三极管.2、选择二极管的一般原则1）要求导通后正向压降小时选锗管；要求反向电流小时选硅管。2）要求工作电流大时选面接触型；要求工作频率高时选点接触型。3）要求反向击穿电压高时选硅管。4）要求温度特性好时选硅管。5.2.6二极管的测试与选用使用二极管时，通常万用表来判别其极性和质量的好坏。其原理主要是依据其单向导通特性，正向导通时呈现很小的电阻，反向截止时呈现出很大的电阻，因此可用万用表的欧姆档来鉴别。测量前将万用表调至R×100或R×10欧姆档，红、黑两个探笔各接二极管的一个极，得到一个电阻值，然后红、黑笔对调再测一次，得到另一个电阻值，若二者相差比较大，说明二极管的单向导通性较好，二极管基本正常，测量电阻较小的那一次黑笔所连接的应该是二极管的正极。若两次测量电阻值接近，说明二极管性能严重损坏；若两次测量电阻均很小，说明二极管可能短路损坏；若两次测量电阻均较大，说明二极管可能存在断路。5.3晶体三极管(BJT)晶体三极管也称半导体三极管、双极型晶体管，简称晶体管或三极管。它具有电流放大作用，是构成各种电子电路的基本元件。5.3.1三极管的结构和符号三极管内部由两个PN结组成。根据组成的不同，三极管有NPN和PNP两种类型，它们的结构示意图及电路符号如下图：图5.11三极管结构示意图及电路符号三极管的三个电极分别为基极B、发射极E和集电极C，分别对应三极管的三个区：基区、发射区、集电区。基区是低掺杂区，且厚度很薄，发射区是高掺杂区，杂质浓度比集电区要高，但集电区比发射区尺寸要大，虽然两者掺入的杂质相同，但两NPNPNP者不能互换。基区和发射区之间的PN结称为发射结，基区和集电区之间的PN结称为集电结。三极管的三个区有如下特点：(1)发射区的掺杂浓度远大于集电区的掺杂浓度；(2)基区很薄；(3)集电结面积大于发射结的面积。三极管按材料不同分为硅管和锗管。目前我国制造的硅管多为NPN型，锗管多为PNP型。5.3.2三极管的电流放大原理通过改变加在三极管三个极上的电压可以改变其两个PN结的偏置电压。从而使三极管有三种工作状态：(1)当发射结和集电结均反偏时，处于截止状态；(2)当发射结正偏、集电结反偏时，处于放大状态；(3)当发射结和集电结均正偏时，处于饱和状态。在发射结正偏、集电结反偏的条件下，三极管内部载