电工电子技术常用半导体器件

电工电子技术2第7章常用半导体器件1本征半导体、杂质半导体、PN结。2二极管、三极管。3场效应晶体管。知识点：要求掌握：1半导体的基础知识。2PN结单向导电特性。3二极管的伏安特性4稳压二极管的稳压原理。5三极管的输入和输出特性曲线。了解：1发光二极管的发光原理。2场效应晶体管的结构和工作原理。3半导体器件是组成电子电路的核心部件，它们的基本结构、工作原理、特性及参数是学习电子技术和分析电子电路的基础。本章首先介绍常用纯净半导体和杂质半导体的导电性及由两种杂质半导体构成PN结的导电性。然后从结构、工作原理和伏安特性等方面，介绍二极管、三极管、场效应晶体管等常用器件。第7章常用半导体器件47.1半导体的基础知识铜、银、铝等金属材料是很容易导电的，称为导体；陶瓷、塑料、橡胶、玻璃等材料却不容易导电，称为绝缘体。导体的导电性能良好，电阻率很低，在10-8～10-6Ω·m之间。例如，铜的电阻率为1.57×10-8Ω·m。绝缘体的导电能力很差，电阻率很高，在108～1016Ω·m之间。例如，橡胶的电阻率为1016Ω·m。自然界除了导体和绝缘体外，还存在一类物质，它的导电特性介于导体和绝缘体之间，它既不像导体那样容易导电，也不像绝缘体那样很难导电，这类物质称为半导体。半导体的电阻率介于导体和绝缘体之间，比较典型的数值为10-5～107Ω·m。例如，纯锗在室温时电阻率为0.47Ω·m。半导体之所以引起人们的注意，得到广泛的应用，其主要原因不是由于电阻率在数值上与导体和绝缘体有差别，而在于它的电阻率在受热、光照、掺杂等作用下将出现很大变化。主要表现在以下3个方面：7.1.1本征半导体5（1）热敏性半导体对温度的反应很灵敏，其电阻率随着温度的上升而明显下降，例如，半导体材料纯锗，当温度从20℃上升到32℃时，它的电阻率将减小一半左右。利用这种特性很容易制成热敏电阻或其他的温度敏感的传感器。（2）光敏性半导体对光的反应也很灵敏，其电阻率因光照的不同而改变，光照愈强，电阻率愈低，例如，硫化镉薄膜电阻，无光照时电阻为几十兆欧姆，当光照射后电阻只有几十千欧姆。利用这一性质，可以做成各种光敏元器件，如光敏电阻、光敏二极管等。（3）掺杂性半导体的电阻率受杂质影响很大，这一点与导体及绝缘体截然不同。在纯净的半导体中即使掺入极微量的杂质，也能使其电阻率大大降低。例如，在纯硅中加入百万分之一的硼，它的电阻率就从约2×103Ω·m降到4×10-3Ω·m左右。不仅如此，选择不同类型的杂质，还可改变半导体的导电类型。人们利用了半导体的这一特点，通过各种工艺手段，控制半导体中的杂质的数量和性质，从而制成了各种不同性能的半导体器件。7.1半导体的基础知识6一个硅原子由带正电的原子核和围绕它的14个带负电的电子组成，这些电子按一定规律分布在3层电子轨道上，如图7.1(a)所示；图7.1(b)为锗原子结构。硅和锗原子都是4价元素，其最外层轨道上的4个电子受原子核束缚力较小，叫做价电子，原子结构简化如图7.2所示。7.1半导体的基础知识图7.1硅和锗的原子结构图7.2原子结构简化图77.1半导体的基础知识在硅单晶体中掺入微量5价元素，如磷（或砷、锑）等，磷原子的最外层电子轨道上有5价电子，其中4个和周围的硅原子构成共价键，还有一个电子多余，如图7.4(a)所示。这个多余的电子受原子核的束缚很微弱，在室温下，容易受热激发获得能量摆脱磷原子核对它的束缚而成为自由电子。而每个磷原子都能提供一个自由电子，磷原子失去一个电子，本身便成为一个带正电离子。它固定在晶格中，不能移动，共价键中的电子也不可能来填补它，所以没有空穴产生。而半导体中的自由电子的数量远远多于空穴的数量，这种半导体称为电子型半导体或N型半导体。在N型半导体中，电子是传递电流的主要带电粒子，被称为多数载流子；空穴被称为少数载流子。7.1.2杂质半导体1.N型半导体本征半导体的导电能力很差，实际的用处不大。但是如果在本征半导体中有选择地掺入微量的某种杂质元素，情况就不同了。杂质可以改变半导体中载流子的浓度，从而达到人为控制半导体电阻率的目的。杂质半导体分为N型半导体和P型半导体。87.1半导体的基础知识图7.4硅单晶体掺杂示意图97.1半导体的基础知识在硅单晶体中掺入微量3价元素，如硼元素（或铝、铟）等，如图7.4(b)所示。由于硼的价电子只有3个，当它和周围的硅原子形成共价键时，缺少一个电子，形成不稳定的结构，硼原子很容易从邻近的共价键中夺取一个电子，形成一个带负电的离子。而在失去电子的共价键中形成一个空穴。在这种半导体中，空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。这种半导体称为空穴型半导体或P型半导体。在P型半导体中，空穴是传递电流的主要带电粒子，被称为多数载流子；电子被称为少数载流子。需要指出的是，N型和P型半导体都属于电中性，对外不显电性。这是由于单晶半导体和掺入的杂质都是电中性的，而且掺入的过程中既不丧失电荷也不从外界获取电荷，只是由于杂质原子的价电子数目比晶体原子的价电子数目多一个或少一个，而使半导体中出现了可以运动的电子或空穴，并没有破坏整个半导体内正负电荷的平衡状态。2.P型半导体107.1半导体的基础知识现在结合图7.5来说明PN结的形成。在一块本征半导体的晶片上掺入不同的杂质形成不同类型的杂质半导体，在P型半导体中有多数的空穴和少数的电子，而N型半导体中有多数的自由电子和少数的空穴。7.1.3PN结的形成及特性1.PN结的形成如上所述，在纯净的半导体材料中经过掺入三价硼元素或五价磷元素可以形成两种不同类型的杂质半导体。当掺入3价硼元素时，形成以空穴为多数载流子的P型半导体；掺入5价磷元素时，形成以电子为多数载流子的N型半导体。如果在一块本征半导体的晶片上掺入不同的杂质，使一边成为P型半导体，另一边成为N型半导体，则在两种不同类型的半导体的交界面处就会形成一个特殊的导电薄层，称为PN结。117.1半导体的基础知识图7.5硅单晶体掺杂示意图127.1半导体的基础知识在了解了PN结的内部载流子运动规律后，就不难解释PN结在外部电源作用下所反映出来的重要特性，即单向导电特性。（1）PN结外加正向电压图7.6(a)所示，给PN结加上正向电压（也叫正向偏置），即外电源正极接PN结P区，负极接PN结N区。2.PN结的导电特性图7.6PN结单向导电137.1半导体的基础知识（2）PN结外加反向电压如果给PN结外加一个反向电压，也叫做反向偏置，即外电源正极接N区，负极接P区，如图7.6(b)所示。这时，外电场EF与内电场Ei的方向一致，加强了空间电荷区的电场强度。PN结的厚度比平衡时加宽，使多数载流子的扩散运动更难进行。PN结加反向电压使空间电荷区的电场加强，更加有利于少数载流子的漂移运动。P区的少数载流子——电子在电场作用下漂移到达N区，同样，N区的少数载流子——空穴向P区漂移，形成漂移电流为IR。由于少数载流子的浓度很小，即使它们全部漂移，其总漂移电流还是很小的，所以外加反向电压时，PN结的反向电阻很大，故称PN结反向截止。（3）PN结的击穿特性当反向电压达到一定数值时，由于外电场过强，会使反向电流急剧增加，称为电击穿。此时对应的反向电压值称为击穿电压，发生击穿后，只要反向电压略有增加，就会使反向电流急剧增大。147.2半导体二极管7.2.1半导体二极管的结构半导体二极管实际上是由一个PN结加上电极引线与外壳制成的，在PN结的P区和N区分别用引线引出，P区的引线称为阳极（或正极），N区的引线称为阴极（或负极），将PN结用外壳封装起来，便构成了晶体二极管，其结构和图形符号如图7.7所示。二极管文字符号用字母VD表示，图形符号中箭头所指的方向是正向导通的方向。根据PN结接触面的大小不同，二极管有点接触型和面接触型两种类型。点接触型二极管的特点是PN结面积小，极间电容也小，不能承受较高的反向电压和较大的正向电流，适用于高频、小电流的情况下。面接触型二极管使用合金或扩散工艺制成PN结，外加引线和管壳密封而成。它的特点是PN结面积大，可以承受比较大的电流，但是极间电容也大。适用于低频条件下，如整流电路等。157.2半导体二极管图7.7二极管的结构和符号167.2半导体二极管7.2.2半导体二极管的伏安特性利用如图7.8所示的二极管两端的电压和流过二极管的电流的测试电路，可以测试出半导体二极管的电压与电流的关系，绘制成曲线如图7.9所示。该特性曲线叫做二极管的伏安特性曲线。图7.8二极管伏安特性曲线测试电路177.2半导体二极管图7.9二极管的伏安特性曲线18当二极管的正极加高电位、负极加低电位时，称为二极管正向偏置，此时二极管就产生正向电流，但当正向电压较小时，外电场不足以克服结内电场对载流子扩散运动造成的阻力，这时正向电流很小，二极管呈现较大的电阻，通常称这个区域为死区。1.正向偏置时的特性7.2半导体二极管当外加电压使二极管的正极电位小于负极电位时，称为二极管反向偏置。从图7.9第4象限可以看到，特性曲线分为两部分。第1部分：锗管的反向漏电流有一定的数值，其大小与管子的具体型号以及温度高低有关，图中所测到的漏电流约为－1.0μA。第2部分：当反向电压高于一定数值时，特性曲线几乎直线下降，这就是说当电压超过一定的数值时，二极管的反向电流将会急剧增大，这种情况称为“击穿”。2.反向偏置时的特性197.2半导体二极管7.2.3半导体二极管的主要参数二极管的特性除用伏安特性曲线表示外，还可以用一些数据来说明，这些数据就是二极管的参数，它反映了二极管性能的质量指标，工程上必须根据二极管的参数，合理地选择和使用管子，才能充分发挥每个管子的作用。最大整流电流是指二极管长期工作在不损坏的条件下，允许通过的最大正向平均电流。它同PN结的面积和所用材料及散热条件有关。一般PN结的面积越大，最大整流电流就越大。IOM的数值可以从半导体器件手册中查到，一般点接触型二极管的IOM的数值在几十毫安以下；而面接触型二极管的IOM的数值可达数百安培以上。二极管在工作时，工作电流应小于IOM，否则二极管发热甚至烧坏。1.最大整流电流IOM207.2半导体二极管最高反向电压是确保二极管不被反向击穿的最高反向工作电压，当加在二极管的反向电压增至某一数值时，反向电流剧增，出现击穿现象。最高反向工作电压（峰值）通常是击穿电压的1/2或2/3。一般点接触型二极管的最高反向电压数值在10V以下，而面接触型二极管最高反向电压数值可达数百伏。2.最高反向电压URM最大反向电流是指给二极管加最高反向工作电压时的最大反向电流值。最大反向电流越小，说明单向导电性能越好，如果二极管的实际反向电流超过IRM过多，就可能引起二极管的损坏。3.最大反向电流IRM217.2半导体二极管7.2.4常用的几种特殊二极管除普通二极管外，还有一些特殊二极管。下面介绍一下常用的稳压管、发光二极管。（1）稳压二极管的伏安特性普通的二极管在工作时所承受的反向电压应该小于二极管的反向击穿电压。但是稳压二极管工作于反向击穿区，在一定的反向工作电流范围内稳压二极管不会损坏。稳压二极管使用特殊工艺制造的面接触型二极管，从外观上看与普通二极管没有什么区别，稳压二极管的符号和伏安特性曲线，如图7.10所示。1.稳压二极管227.2半导体二极管图7.10稳压二极管符号和伏安特性曲线237.2半导体二极管（2）稳压二极管的主要参数1）稳压电压UZ。UZ是稳压二极管反向击穿后的稳定工作电压值，如稳压二极管2CW1的稳定电压是7～8.5V。由于制造工艺不易控制，同一型号的稳压二极管，稳定电压值也会有一定范围的差异。但对每一只管子来说，对应于一定的工作电流却有一个确定的稳定电压值。2）稳定电流IZ。IZ是工作电压等于稳定电压时的工作电流，是稳压二极管工作时的电流值。如上图7.11中A、B间是IZ正常的工作范围ΔIZ，ΔIZ不大，稳压作用有限。应用时不要超过最大耗散功率，IZ偏大，稳定性可以高一些，但功率消耗也大一些。3）最大耗散功率PM。PM定义为管子不致产生热击穿的最大功率损耗，即PM=UZ·IZM。根据P