新澳门新葡萄娱乐电子电路]常用半导体器件

　　新澳门新葡萄娱乐电子电路]常用半导体器件[电子电路]常用半导体器件brbr第1章brbr常用半导体器件brbr半导体器件是组成各种电子电路的基础， 半导体器件包括二极管、三极管、场效应管、 集成电路等，是电子线路的核心器件。本章在 简单介绍了半导体的基本知识后，重点讨论了 半导体二极管、三极管、场效应管的结构、特 性和主要参数。brbr第1章 常用半导体器件br11 半导体基本知识 12 半导体二极管 13

　　半导体器件是组成各种电子电路的基础，半导体器件包括二极管、三极管、场效应管、集成电路等，是电子线路的核心器件。本章在简单介绍了半导体的基本知识后，重点讨论了半导体二极管、三极管、场效应管的结构、特性和主要参数。1.1.1半导体的特点1.1.2PN结1.1.1半导体的特点根据物体导电能力(电阻率)的不同，自然界的物质可划分为导体、绝缘体和半导体。导体是容易导电的物体，如铁、铜等。绝缘体是几乎不导电的物体，如橡胶等。半导体是导电性能介于导体和半导体之间的物体，在一定条件下可导电，半导体的电阻率为10-3～10Ωcm。典型的半导体有硅和锗以及砷化镓等。半导体具有如下特点。在外界能源的作用下，导电性能显著变化。半导体的电阻率随温度的上升而明显下降，呈负温度系数的作用。半导体的电阻率也随光照的不同而改变。光敏元件、热敏元件属于此类。在纯净半导体内掺入杂质新澳门新葡萄娱乐，导电性能显著增加。半导体的电阻率与所含微量杂质的浓度呈正比例关系。二极管、三极管属于此类。1.1半导体基本知识1.1.1.1本征半导体纯净晶体结构的半导体称之为本征半导体。常用的半导体材料有硅和锗。它们都是四价元素，原子结构的最外层轨道上有4个价电子，本征晶体中各原子之间靠得很近，使原分属于各原子的4个价电子同时受到相邻原子的吸引，分别与周围的4个原子的价电子形成共价键，如图1-1所示。1.1半导体基本知识图1-1晶体中的共价键结构1.1半导体基本知识当把硅或锗制成晶体时，它们是靠共价键的作用而紧密联系在一起的。共价键中的一些价电子由于热运动获得一些能量，从而摆脱共价键的约束成为自由电子，同时在共价键上留下空位，我们称这些空位为空穴，它带正电。在外电场作用下，自由电子产生定向移动，形成电子电流；同时价电子也按一定的方向一次填补空穴，从而使空穴产生定向移动，形成空穴电流。因此，在晶体中存在两种载流子，即带负电自由电子和带正电空穴，它们是成对出现的，如图1-2所示。1.1半导体基本知识图1-2本征半导体中的自由电子和空穴1.1半导体基本知识1.1.1.2杂质半导体在本征半导体中两种载流子的浓度很低，因此导电性很差。可以向晶体中有控制地掺入特定的杂质来改变它的导电性，掺入的杂质主要是三价或五价元素。这种掺入杂质的半导体被称为杂质半导体。杂质半导体主要包括N型半导体和P型半导体。任何半导体都是电中性，对外部不显电性。1.1半导体基本知识N型半导体。在本征半导体中掺入五价杂质元素，如磷等元素，可形成N型半导体，也称电子型半导体。在本征半导体中掺入5价元素，使晶体中某些原子被杂质原子代替，因为杂质原子最外层有5个价电子，它与周围原子形成4个共价键后，还多余一个自由电子，因此，其中空穴的浓度远小于自由电子的浓度。但是，电子的浓度与空穴的浓度的乘积是一个常数，与掺杂浓度无关。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。1.1半导体基本知识P型半导体。在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等元素，形成了P型半导体，也称为空穴型半导体。在本征半导体中，掺入三价元素，晶体中的某些原子被杂质原子代替，但是杂质原子的最外层只有3个价电子，它与周围的原子形成共价键后，还多余一个空穴，因此，其中空穴的浓度远大于自由电子的浓度。在P型半导体中，自由电子是少数载流子，空穴是多数载流子。1.1半导体基本知识1.1.2PN结通过现代工艺，把一块本征半导体的一边形成P型半导体，另一边形成N型半导体，于是这两种半导体的交界处就形成了一个PN结，它是构成其他半导体的基础。1.1半导体基本知识1.1.2.1PN结的形成当P型半导体和N型半导体接触后，由于两侧的半导体的类型不同，电子和空穴的浓度相差很大，因此它们会产生扩散运动：电子从N区向P区扩散；空穴从P区向N区扩散。因为它们都是带电粒子，它们向另一侧扩散的同时在N区留下了带正电的空穴，在P区留下了带负电的杂质离子，这样就形成了空间电荷区，也就是形成了电场。通常这个空间电荷区称为PN结。它们的形成过程如图1-3所示。1.1半导体基本知识图1-3多数载流子的扩散运动1.1半导体基本知识在电场的作用下，载流子将作漂移运动，它的运动方向与扩散运动的方向相反，阻止扩散运动。电场的强弱与扩散的程度有关，扩散的越多，电场越强，同时对扩散运动的阻力也越大，当扩散运动与漂移运动相等时，通过界面的载流子为零。此时，PN结的交界区就形成一个缺少载流子的高阻区，又把它称为阻挡层或耗尽层。1.1半导体基本知识1.1.2.2PN结的单向导电性PN结具有单向导电性，这是半导体二极管的一个重要特性，但其只有在外加电压时才显示出来。在PN结两端施加不同方向的电压，可以破坏它原来的平衡，从而使它呈现出单向导电性。PN结外加正向电压PN结外加正向电压的接法是P区接电源的正极，N区接电源的负极。这时外加电压形成电场的方向与自建场的方向相反，从而使阻挡层变窄，扩散作用大于漂移作用，多数载流子向对方区域扩散形成正向电流，方向是从P区指向N区，如图1-4所示。1.1半导体基本知识图1-4PN结正向导通电路图1.1半导体基本知识这时的PN结处于导通状态，它所呈现的电阻为正向电阻，正向电压越大，电流也越大。它们的关系是指数关系——流过PN结的电流；U——PN结两端的电压；=26mV；q——电子电量。-1)1.1半导体基本知识(1-1)PN结外加反向电压它的接法与正向相反，即P区接电源的负极，N区接电源的正极。此时的外加电压形成电场的方向与自建场的方向相同，从而使阻挡层变宽，漂移作用大于扩散作用，少数载流子在电场的作用下，形成漂移电流，它的方向与正向电压的方向相反，所以又称为反向电流。因反向电流是少数载流子形成，故反向电流很小，即使反向电压再增加，少数载流子也不会增加，反向电流也不会增加，因此它又被称为反向饱和电流，即I。此时，PN结处于截止状态，呈现的电阻为反向电阻，而且阻值很高。1.1半导体基本知识以上可以看出：PN结在正向电压作用下，处于导通状态；在反向电压的作用下，处于截止状态。因此，PN结具有单向导电性。它的电流和电压的关系通式为它被称为PN结的伏安特性方程，如图1-5所示为PN结的伏安特性曲线PN结的伏安特性曲线PN结的击穿PN结处于反向偏置时，在一定的电压范围内，流过PN结的电流很小，但电压超过某一数值时，反向电流急剧增加，这种现象就称为反向击穿。击穿形式分为雪崩击穿和齐纳击穿两种。对于硅材料的PN结来说，击穿电压大于7V时为雪崩击穿，击穿电压小于4V时为齐纳击穿新澳门新葡萄娱乐。在4～7V之间，两种击穿都有。这种现象破坏了PN结的单向导电性，在使用时要避免。击穿并不意味着PN结烧坏，特别是齐纳击穿现象。1.1半导体基本知识1.1.2.4PN结的电容效应 由于电压的变化将引起电荷的变化，从而出 现电容效应，PN结内部有电荷的变化，因此它具有 电容效应。它的电容效应有势垒电容和扩散电容两 种。势垒电容是由阻挡层内的空间电荷引起的；扩 散电容是PN结在正向电压的作用下，多数载流子在 扩散过程中引起电荷的积累而产生的。PN结正偏时， 扩散电容起主要作用；PN结反偏时，势垒电容起主 要作用。 1.1 半导体基本知识 1.2.1 半导体二极管的结构类型 1.2.2 半导体二极管的特性及参数 1.2.3 普通二极管的应用 1.2.1 半导体二极管的结构类型 半导体二极管又称晶体二极管，简称二极管。 半导体二极管是由PN结加上引线和管壳构成的。它 的类型很多，按制造材料分为硅二极管和锗二极管； 按管子的结构来分为点接触型、面接触型和平面型 三大类。常用二极管的逻辑符号和外形结构如图1-6 所示，其具体结构如下。 图1-6 半导体二极管图形符号及外形 1.2 半导体二极管 点接触型二极管的PN结面积小，结电容小， 用于检波和变频等高频电路。面接触型二极管的PN 结面积大，用于工频大电流整流电路。平面型二极 管往往用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可 小，用于高频整流和开关电路中。 1.2 半导体二极管 1.2.2 半导体二极管的特性及参数 1.2.2.1 二极管的特性 半导体二极管的伏安特性曲线所示。 处于第一象限的是正向伏安特性曲线，处于第三象 限的是反向伏安特性曲线。根据理论推导，二极管 的伏安特性可从如下几个方面分析。 1.2 半导体二极管 图1-7 二极管的伏安特性曲线 半导体二极管 从二极管的伏安特性曲线可知，当二极管两端加较小的正向电压时，二极管还不能导通，这一段称为死 区电压(硅管死区电压小于0.5V，锗管死区电压小于0.1V)。 超过死区电压后，二极管中电流开始增大，这时只要电压 略有增加，电流便急剧增大，这时二极管称为导通。这个 电压被称为导通电压，也可称它为门限电压或死区电压， 一般用U 约为0.1～0.3V，一般硅管的导通电压取0.7V新澳门新葡萄娱乐，锗管取0.3V。一般认为，当正向电压大于U 时，二极管才导通，否则截止。导通时，二极管在电路中相当于一个开关 的接通状态。以上为二极管伏安特性曲线半导体二极管 当二极管两端加反向电压(小于某一数值)时，二极管并不是理想的截止状态，它会有很小的反向电流，而且 反向电流在一定范围内基本不随反向电压变化而变化，称为 反向饱和电流。一般硅管约为几到几十微安，锗管约为几十 到几百微安，此时二极管在电路中相当于一个开关的断开状 态。由于半导体具有热敏特性，因此反向饱和电流将随温度 升高而增大。通常温度每升高10，其反向饱和电流约增大 一倍。当反向电压增大至某一数值后，反向电流开始急剧增 大，二极管将被击穿，有可能把二极管烧坏。以上为二极管 伏安特性曲线中的反向特性的特点。 二极管对温度很敏感，在室温附近，温度每升高1， 正向电压将减小2~2.5mV；温度每升高10，反向电流约增 加一倍。 1.2 半导体二极管 1.2.2.2 二极管的主要参数 。它是指二极管长期运行时，允许通过管子的最大正向平均电流，由二极管 允许的温升所限定。使用时，管子的平均电流不得 超过此值。否则，使二极管过热而损坏。工作电流 较大的大功率管必须按规定安装散热装置。 。它是二极管允许的最大反向工作电压，工作时加在二极管两端的反向 电压不得超过此值，否则二极管可能被击穿。为了 留有余地，一般取击穿电压的1/2~1/3作为U 1.2半导体二极管 。加在管子两端的直流电压与直流电流之比，就称为直流电阻，可表示 。它是非线性的，正反向阻值相差越大，二极管的性能越好。 。这是指在二极管工作点附近电压的微变化与相应的电流微变化值之比， 就称为该点的交流电阻。 1.2 半导体二极管 。最大反向电流是指在室温条件下，在二极管两端加上规定的最大反向电压 时，流过管子的反向电流。通常，值愈小愈好。反

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