第二章、半导体器件简介

2.1、半导体二极管（CrystalDiode）2.1.1、本征半导体与杂质半导体本征半导体的共价键结构：在电子器件中，用得最多的半导体材料是硅和锗，它们的简化原子模型如下图a所示。硅和锗都是四价元素，在其最外层原子轨道上具有四个价电子。半导体具有晶体结构，它的原子有序排列，邻近原子之间由共价键联结，其晶体结构示意图如图b所示。图b中表示的是晶体的二维结构，实际上半导体晶体结构是三维的。本征半导体是一种完全纯净、结构完整的半导体晶体。本征激发：在室温下，本征半导体共价键中的价电子获得足够的能量，挣脱共价键的束缚进入导带，成为自由电子，在晶体中产生电子-空穴对的现象称为本征激发。空穴：在本征激发中，价电子成为自由电子后共价键上留下空位，这个空位称为空穴。空穴是一个带正电的粒子其电量与电子相等，符号相反，在外加电场作用下，可以自由地在晶体中运动，它和自由电子一样可以参加导电。空穴、电子导电机理：由于共价键出现了空穴，在外加电场或其他的作用下，邻近价电子就可填补到这个空位上，而在这个电子原来的位置上又留下新的空位，以后其他电子可转移到这个新的空位。这样就使共价键中出现一定的电荷迁移。空穴的移动方向和电子移动的方向是相反的。P型杂质半导体中的载流子：在硅（或锗）的晶体内掺入少量三价元素杂质，如硼（或锢）等，因硼原子只有三个价电子，它与周围硅原子组成共价键时，因缺少一个电子，在晶体中便产生一个空位，当相邻共价键上的电子受到热振动或在其他激发条件下获得能量时，就有可能填补这个空位，使硼原子成为不能移动的负离子，而原来硅原子的共价键则因缺少一个电子，形成了空穴，硼原子能接受电子，称硼为受主，半导体呈中性，如图所示。P型半导体中多数载流子是空穴，少数载流子是电子（本征激发产生）。N型杂质半导体中的载流子：在硅或锗的晶体中掺入五价元素，它的五个价电子中有四个与周围的硅原子结成共价键后，多余的一个价电子。在室温下，原子对于这个多余的价电子束缚力较弱，它很容易被激发而成为自由电子。这样，杂质原子就变成带正电荷的离子。由于杂质原子可以提供电子，故称为施主原子。这种杂质半导体中自由电子的浓度比同一温度下本征半导体中自由电子的浓度大好多倍，这就大大加强了半导体的导电能力。它就可以成为自由电子。在N型半导体中多数载流子是电子，空穴为少数载流子。2.1.2、PN结及其单向导电性PN结：在一块完整的硅片上，用不同的掺杂工艺使其一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体，那么在两种半导体的交界面附近就形成了PN结。PN结是构成各种半导体器件的基础。在P型半导体和N型半导体结合后，由于N型区内电子很多而空穴很少，而P型区内空穴很多电子很少，在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差别。这样，电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。于是，有一些电子要从N型区向P型区扩散，也有一些空穴要从P型区向N型区扩散。它们扩散的结果就使P区一边失去空穴，留下了带负电的杂质离子,N区一边失去电子，留下了带正电的杂质离子。半导体中的离子不能任意移动，因此不参与导电。这些不能移动的带电粒子在P和N区交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，就是所谓的PN结。空间电荷区有时又称为耗尽区。扩散越强，空间电荷区越宽。在出现了空间电荷区以后，由于正负电荷之间的相互作用，在空间电荷区就形成了一个内电场，其方向是从带正电的N区指向带负电的P区。显然，这个电场的方向与载流子扩散运动的方向相反它是阻止扩散的。另一方面，这个电场将使N区的少数载流子空穴向P区漂移，使P区的少数载流子电子向N区漂移，漂移运动的方向正好与扩散运动的方向相反。从N区漂移到P区的空穴补充了原来交界面上P区所失去的空穴，从P区漂移到N区的电子补充了原来交界面上N区所失去的电子，这就使空间电荷减少，因此，漂移运动的结果是使空间电荷区变窄。当漂移运动达到和扩散运动相等时，PN结处于动态平衡状态。PN结的正向导电性：当PN结加上外加电压VF,其正端接P区，负端接N区时，外加电场与PN结内电场方向相反。在这个外加电场作用下，PN结的平衡状态被打破，P区中的多数载流子空穴和N区中的多数载流子电子都要向PN结移动，当P区空穴进入PN结后，就要和原来的一部分负离子中和，使P区的空间电荷量减少。同样，当N区电子进入PN结时，中和了部分正离子，使N区的空间电荷量减少，结果使PN结变窄，即耗尽区厚变薄，由于这时耗尽区中载流子增加，因而电阻减小。势垒降低使P区和N区中能越过这个势垒的多数载流子大大增加，形成扩散电流。在这种情况下，由少数载流了形成的漂移电流，其方向与扩散电流相反，和正向电流比较，其数值很小，可忽略不计。这时PN结内的电流由起支配地位的扩散电流所决定。在外电路上形成一个流入P区的电流，称为正向电流FI。当外加电压稍有变化（如O.1V），便能引起电流的显FVFI著变化，因此电流是随外加电压急速上升的。这时，正向的PN结表现为一个很小的电阻。PN结的反向导电性：外加电压VR的正端接N区，负端接P区，外加电场方向与PN结内电场方向相同，PN结处于反向偏置。在反向电压的作用下，P区中的空穴和N区中的电子都将进一步离开PN结，使耗尽区厚度加宽，PN结的内电场加强。这一结果，一方面使P区和N区中的多数载流子就很难越过势垒，扩散电流趋近于零。另一方面，由于内电场的加强，使得N区和P区中的少数载流子更容易产生漂移运动。这样，此时流过PN结的电流由起支配地位的漂移电流所决定。漂移电流表现在外电路上有一个流入N区的反向电流RI。由于少数载流子是由本征激发产生的其浓度很小，所以RIRI是很微弱的，一般为微安数量级。当管子制成后，数值决定于温度，而几乎与外加电压无关。RVRI受温度的影响较大，在某些实际应用中，还必须予以考虑。PN结在反向偏置时，RI很小，PN结呈现一个很大的电阻，可认为它基本是不导电的。PN结的反向击穿现象：DuDSII≈−SI当PN结外加反相电压小于击穿电压（VBR）时，，BRV很小且随温度变化很大。当反向电压的绝对值达到后，反向电流会突然增大，此时二极管处于“反向击穿”状态。发生反向击穿时，在反向电流很大的变化范围内，二极管两端电压几乎不变。反向击穿分为电击穿和热击穿，电击穿包括雪崩击穿和齐纳击。PN结热击穿后电流很大，电压又很高，消耗在结上的功率很大，容易使PN结发热,把PN结烧毁。热击穿是不可逆的。2.1.3、半导体二极管的结构半导体二极管按其结构的不同可分为点接触型和面接触型两类。点接触型二极管是将一根很细的金属触丝（如三价元素铝）和一块半导体（如锗）熔接后做出相应的电极引线，再外加管壳密封而成。其结构图如图（a）所示。点接触型二极管的极间电容很小，不能承受高的反向电压和大的电流，往往用来做小电流整流、高频检波及开关管。面接触型二极管的结构如图（b）所示。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。图（c）为集成电路中的平面型二极管的结构图，图(d)为二极管的代表符号。2.1.4、半导体二极管的特性伏安特性：半导体的V–I特性如下图所示。其伏安特性分三部分加以说明。1．正向特性正向特性表现为图中的①段。当正向电压较小，正向电流几乎为零。此工作区域称为死区。称为门坎thV电压或死区电压（该电压硅管约为0.5V，锗管为0.2V)。当正向电压大于时，内电场削弱，电流因而迅速增长，呈现的很小正向电阻。thV2．反向特性反向特性表现为如图中的②段。由于是少数载流形成反向饱和电流，所以其数值很小，当温度升高时，反向电流将随之急剧增加。3．反向击穿特性反向击穿特性对应于图中③段，当反向电压增加到一定大小时，反向电流剧增，二极管的反向击穿。其原因和PN击穿相同。频率特性：由于结电容的存在，当频率高到某一程度时，容抗小到使PN结短路。导致二极管失去单向导电性，不能工作，PN结面积越大，结电容也越大，越不能在高频情况下工作。2.1.5、二极管的主要参数：FI正向电流在额定功率下，允许通过二极管的电流值。正向电压降：FV二极管通过额定正向电流时，在两极间所产生的电压降。：OMI最大整流电流（平均值）在半波整流连续工作的情况下，允许的最大半波电流的平均值。反向击穿电压：BV二极管反向电流急剧增大到出现击穿现象时的反向电压值。正向反向峰值电压：RMV二极管正常工作时所允许的反向电压峰值，通常为RMVPV的三分之二或略小。：RI反向电流在规定的反向电压条件下流过二极管的反向电流值。结电容C：电容包括电容和扩散电容，在高频场合下使用时，要求结电容小于某一规定数值。：MF最高工作频率二极管具有单向导电性的最高交流信号的频率。2.1.6、二极管的分类介绍（1）整流二极管将交流电源整流成为直流电流的二极管叫做整流二极管，它是面结合型的功率器件，因结电容大，所以工作频率低。FIFI在1A以上的二极管采用金属壳封装，以利于散热；通常，在1A以下的采用全塑料封装由于近代工艺技术不断提高，国外出现了不少较大功率的管子，也采用塑封形式。（a)全密封金属结构（b）塑料封装（2）检波二极管检波二极管是用于把迭加在高频载波上的低频信号检出来的器件,它具有较高的检波效率和良好的频率特性。（3）开关二极管在脉冲数字电路中，用于接通和关断电路的二极管叫开关二极管，它的特点是反向恢复时间短，能满足高频和超高频应用的需要。开关二极管有接触型，平面型和扩散台面型几种，一般IF＜500毫安的硅开关二极管，多采用全密封环氧树脂，陶瓷片状封装，如图三所示，引脚较长的一端为正极。硅开关二极管全密封环环氧树脂陶瓷片状封装（4）稳压二极管稳压二极管是由硅材料制成的面结合型晶体二极管，它是利用PN结反向击穿时的电压基本上不随电流的变化而变化的特点，来达到稳压的目的，因为它能在电路中起稳压作用，故称为、稳压二极管（简称稳压管）。稳压二极管的原理图符号：稳压管的伏安特性曲线如图所示，当反向电压达到Vz时，即使电压有一微小的增加，反向电流亦会猛增（反向击穿曲线很徒直）这时，二极管处于击穿状态，如果把击穿电流限制在一定的范围内，管子就可以长时间在反向击穿状态下稳定工作。（5）变容二极管变容二极管是利用PN结的电容随外加偏压而变化这一特性制成的非线性电容元件，被广泛地用于参量放大器，电子调谐及倍频器等微波电路中，变容二极管主要是通过结构设计及工艺等一系列途径来突出电容与电压的非线性关系，并提高Q值以适合应用。变容二极管的原理图符号：（6）发光二极管发光二极管（LED）是用半导体材料制作的正向偏置的PN结二极管。其发光机理是当在PN结两端注入正向电流时，注入的非平衡载流子（电子－空穴对）在扩散过程中复合发光，这种发射过程主要对应光的自发发射过程。按光输出的位置不同，发光二极管可分为面发射型和边发射型。我们最常用的LED是InGaAsP/InP双异质结边发光二极管。发光二极管具有可靠性较高，室温下连续工作时间长、光功率－电流线性度好等显著优点，然而LED的发光机理决定了它存在着很多的不足，如输出功率小、发射角大、谱线宽、响应速度低等。由于不同材料的禁带宽度不同，所以由不同材料制成的发光二极管可发出不同波长的光（常用的材料有氧化镓等）。另外，有些材料由于组分和掺杂不同，因此有各种各样的发光二极管。发光二极管的原理图符号：发光二极管的构造：发光二极管的种类：根据各种需要，不仅诞生了发出各种色彩光的发光二极管，还设计出了双色、三色、多色发光二极管。双色发光二极管也有两条引脚，但内部有两个发光芯片，一个正接，一个反接。当电压为正时发一种颜色的光，电压为负时发另一种颜色的光。三色发光二极管的结构就是直接将两种颜色的发光管集成在一起，共用一个发射碗和一个负极引脚。当两个发光芯片同时发光时，就会掺杂出第三种色彩。这些特种发光管在各类电器产品的指示面板中经常可以见到。2.2、半导体三极管（BipolarJunctionTransistor）2.2.1、半导体三极管的结构双极结型三极管，简称为晶体管或三极管，英文缩写为BJT。它有三个电极，常见的三极管封装如下图所