1、2011年年 8月月电子爱好者必读基础教程学习电子技术理论知识最基本电子技术半导体原理介绍电子技术原理电子技术原理第第 1章章 半导体器件半导体器件学习要点学习要点了解半导体的特性和导电方式，理解了解半导体的特性和导电方式，理解 PN结的单向导电结的单向导电特性特性了解半导体二极管、三极管的结构了解半导体二极管、三极管的结构理解二极管的工作原理、伏安特性和主要参数理解二极管的工作原理、伏安特性和主要参数理解双极型三极管的放大作用、输入和输出特性曲线理解双极型三极管的放大作用、输入和输出特性曲线及主要参数及主要参数了解了解 MOS场效应管的伏安特性、主要参数及其与双极场效应管的伏安特性、主要参数
2、及其与双极型三极管的性能比较型三极管的性能比较1.1 PN结结1.2 半导体二极管半导体二极管1.3 特殊二极管特殊二极管1.4 双极型三极管双极型三极管1.5 场效应晶体管场效应晶体管 第第 1章章 半导体器件半导体器件1.1 PN结结半导体器件是用半导体材料制成的电子器件。常用的半导体器件有二极管、三极管、场效应晶体管等。半导体器件是构成各种电子电路最基本的元件。1.1.1 半导体的导电特征半导体半导体 ：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质，如硅 (Si)、 锗 (Ge)。 硅和锗是4价元素，原子的最外层轨道上有 4个价电子。室温下，由于热运动少数价电子挣脱共价键的束缚成为自由电子，同时在
3、共价键中留下一个空位这个空位称为 空穴空穴 。失去价电子的原子成为正离子，就好象空穴带正电荷一样。在电子技术中，将空穴看成带正电荷的载流子。每个原子周围有四个相邻的原子，原子之间通过 共价键共价键 紧密结合在一起。两个相邻原子共用一对电子。1 激发产生自由电子和空穴激发产生自由电子和空穴（与自由电子的运动不同）有了空穴，邻近共价键中的价电子很容易过来填补这个空穴，这样空穴便转移到邻近共价键中。新的空穴又会被邻近的价电子填补。带负电荷的价电子依次填补空穴的运动，从效果上看，相当于带正电荷的空穴作相反方向的运动。本征半导体中有两种载流子：带负电荷的自由电子和带正电荷的空穴热激发产生的自由电子和空穴
4、是成对出现的，电子和空穴又可能重新结合而成对消失，称为 复合复合 。在一定温度下自由电子和空穴维持一定的浓度。2 空穴的运动空穴的运动3.在纯净半导体中掺入某些微量杂质，其在纯净半导体中掺入某些微量杂质，其导电能力将大大增强导电能力将大大增强在纯净半导体硅或锗中掺入磷、砷等 5价元素，由于这类元素的原子最外层有 5个价电子，故在构成的共价键结构中，由于存在多余的价电子而产生大量自由电子，这种半导体主要靠自由电子导电，称为电子半导体或 N型半导体，其中自由电子为多数载流子，热激发形成的空穴为少数载流子。（ 1） N型半导体型半导体自由电子 多数载流子（简称多子）空 穴 少数载流子（简称少子）（
5、2） P型半导体型半导体在纯净半导体硅或锗中掺入硼、铝等 3价元素，由于这类元素的原子最外层只有 3个价电子，故在构成的共价键结构中，由于缺少价电子而形成大量空穴，这类掺杂后的半导体其导电作用主要靠空穴运动，称为空穴半导体或 P型半导体，其中空穴为多数载流子，热激发形成的自由电子是少数载流子。自由电子 多数载流子（简称多子）空 穴少数载流子（简称少子）无论是 P型半导体还是 N型半导体都是中性的，对外不显电性。掺入的杂质元素的浓度越高，多数载流子的数量越多。少数载流子是热激发而产生的，其数量的多少决定于温度。u半导体中载流子有扩散运动和漂移运动两种运动方式。载流子在电场作用下的定向运动称为 漂
6、移运动漂移运动 。在半导体中，如果载流子浓度分布不均匀，因为浓度差，载流子将会从浓度高的区域向浓度低的区域运动，这种运动称为 扩散运动扩散运动 。u将一块半导体的一侧掺杂成 P型半导体，另一侧掺杂成 N型半导体，在两种半导体的交界面处将形成一个特殊的薄层 PN结结 。1 PN结的形成结的形成1.1.2 PN结及其单向导电性多子扩散形成空间电荷区产生内电场 少子漂移促使促使阻止阻止扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的 PN结u 外加正向电压（也叫正向偏置）u 外加电场与内电场方向相反，内电场削弱，扩散运动大大超过漂移运动， N区电子不断扩散到 P区， P区空穴不断扩散到 N区，形成较大的正向电流
7、，这时称 PN结处于 导通导通 状态。2 PN结的单向导电性结的单向导电性u 外加反向电压（也叫反向偏置）u外加电场与内电场方向相同，增强了内电场，多子扩散难以进行，少子在电场作用下形成反向电流 ， 因为是少子漂移运动产生的，反向电流很小，这时称 PN结处于 截截止止 状态。一个 PN结加上相应的电极引线并用管壳封装起来，就构成了半导体二极管，简称二极管。半导体二极管按其结构不同可分为点接触型和面接触型两类。点接触型二极管 PN结面积很小，结电容很小，多用于高频检波及脉冲数字电路中的开关元件。面接触型二极管 PN结面积大，结电容也小，多用在低频整流电路中。1.2 半导体二极管半导体二极管1.2
8、.1 半导体二极管的结构（ 1）正向特性）正向特性外加正向电压较小时，外电场不足以克服内电场对多子扩散的阻力， PN结仍处于截止状态 。正向电压大于死区电压后，正向电流 随着正向电压增大迅速上升。通常死区电压硅管约为 0.5V， 锗管约为 0.2V。外加反向电压时， PN结处于截止状态，反向电流 很小。反向电压大于击穿电压时，反向电流急剧增加。（ 2）反向特性）反向特性1.2.2 半导体二极管的伏安特性（ 1）最大整流电流 IOM： 指管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。（ 2）反向击穿电压 UB： 指管子反向击穿时的电压值。（ 3）最大反向工作电压 UDRM： 二极管运行时允许承受的
9、最大反向电压（约为 UB 的一半）。（ 4）最大反向电流 IRM： 指管子未击穿时的反向电流，其值越小，则管子的单向导电性越好。（ 5）最高工作频率 fm： 主要取决于 PN结结电容的大小。理想二极管理想二极管 ：正向电阻为零，正向导通时为短路特性，正向压降忽略不计；反向电阻为无穷大，反向截止时为开路特性，反向漏电流忽略不计。1.2.3 半导体二极管的主要参数稳压管的主要参数：（ 1）稳定电压 UZ。 反向击穿后稳定工作的电压。（ 2）稳定电流 IZ。 工作电压等于稳定电压时的电流。（ 3）动态电阻 rZ。 稳定工作范围内，管子两端电压的变化量与相应电流的变化量之比。即： rZ=UZ/IZ（
10、4）额定功率 PZ和最大稳定电流 IZM。 额定功率 PZ是在稳压管允许结温下的最大功率损耗。最大稳定电流 IZM是指稳压管允许通过的最大电流。它们之间的关系是：PZ=UZIZM稳压管是一种用特殊工艺制造的半导体二极管，稳压管的稳定电压就是反向击穿电压。稳压管的稳压作用在于：电流增量很大，只引起很小的电压变化。1.3 特殊二极管特殊二极管1.3.1 稳压管1.3.2 发光二极管当发光二极管的 PN结加上正向电压时，电子与空穴复合过程以光的形式放出能量。不同材料制成的发光二极管会发出不同颜色的光。发光二极管具有亮度高、清晰度高、电压低（ 1.53V）、 反应快、体积小、可靠性高、寿命长等特点，是
11、一种很有用的半导体器件，常用于信号指示、数字和字符显示。1.3.3 光电二极管光电二极管的又称为光敏二极管，其工作原理恰好与发光二极管相反。当光线照射到光电二极管的 PN结时，能激发更多的电子，使之产生更多的电子空穴对，从而提高了少数载流子的浓度。在 PN结两端加反向电压时反向电流会增加，所产生反向电流的大小与光的照度成正比，所以光电二极管正常工作时所加的电压为反向电压。为使光线能照射到 PN结上，在光电二极管的管壳上设有一个小的通光窗口。1.4 双极型三极管双极型三极管1.4.1 三极管的结构及类型三极管的结构及类型半导体三极管是由两个背靠背的 PN结构成的。在工作过程中，两种载流子（电子和
12、空穴）都参与导电，故又称为 双极型晶体管双极型晶体管 ，简称晶体管或三极管。 两个 PN结，把半导体分成三个区域。这三个区域的排列，可以是 N-P-N， 也可以是 P-N-P。 因此，三极管有两种类型： NPN型型 和 PNP型型 。NPN型PNP型箭头方向表示发射结加正向电压时的电流方向1.4.2 电流分配和电流放大作用电流分配和电流放大作用（ 1）产生放大作用的条件内部： a） 发射区杂质浓度 基区 集电区b） 基区很薄外部：发射结正偏，集电结反偏（ 2）三极管内部载流子的传输过程a） 发射区向基区注入电子，形成发射极电流 iEb） 电子在基区中的扩散与复合，形成基极电流 iBc） 集电区
13、收集扩散过来的电子，形成集电极电流 iC（ 3）电流分配关系：iE = iC + iB 实验表明 IC比 IB大数十至数百倍，因而有。 IB虽然很小，但对 IC有控制作用， IC随 IB的改变而改变，即基极电流较小的变化可以引起集电极电流较大的变化，表明基极电流对集电极具有小量控制大量的作用，这就是三极管的电流放大作用。1.4.3 三极管的特性曲线三极管的特性曲线1 输入特性曲线 与二极管类似2 输出特性曲线（ 1）放大区：发射极正向偏置，集电结反向偏置（ 2）截止区：发射结反向偏置，集电结反向偏置 （ 3）饱和区：发射结正向偏置，集电结正向偏置此时 1.4.4 三极管的主要参数三极管的主要参
14、数1、电流放大系数 ： iC= iB2、极间反向电流 iCBO、 iCEO： iCEO=（ 1+ ） iCBO3、极限参数（ 1）集电极最大允许电流 ICM： 下降到额定值 的2/3时所允许的最大集电极电流。（ 2）反向击穿电压 U（ BR） CEO： 基极开路时，集电极、发射极间的最大允许电压。（ 3）集电极最大允许功耗 PCM 。 1.5 场效应晶体管场效应晶体管1.5.1 绝缘栅型场效应管的结构绝缘栅型场效应管的结构耗尽型耗尽型 ： UGS=0时漏、源极之间已经存在原始导电沟道。增强型增强型 ： UGS0才能在漏、源极之间形成导电沟道。无论是 N沟道 MOS管还是 P沟道 MOS管，都只
15、有一种载流子导电，均为单极型电压控制器件。MOS管的栅极电流几乎为零，输入电阻 RGS很高1、 N沟道耗尽型场效应管的特性曲线沟道耗尽型场效应管的特性曲线耗尽型场效应管存在原始导电沟道， UGS=0时漏、源极之间就可以导电。这时在外加电压 UDS作用下的漏极电流称为漏极饱和电流 IDSS。 UGS0时沟道内感应出的负电荷增多，沟道加宽，沟道电阻减小， ID增大。 UGS0时会产生垂直于衬底表面的电场。 P型衬底与绝缘层的界面将感应出负电荷层， UGS增加，负电荷数量增多，积累的负电荷足够多时，两个 N+区沟通，形成导电沟道，漏、源极之间有 ID出现。在一定的漏、源电压 UDS下，使管子由不导通
16、转为导通的临界栅、源电压称为开启电压 UGS(th)。 UGS UGS(th)时，随 UGS的增加 ID增大。2、 N沟道增强型场效应管的特性曲线沟道增强型场效应管的特性曲线按场效应管的工作情况可将漏极特性曲线分为两个区域。在虚线左边的区域内，漏、源电压 UDS相对较小，漏极电流 ID随 UDS的增加而增加，输出电阻 ro较小，且可以通过改变栅、源电压 UGS的大小来改变输出电阻 ro的阻值，这一区域称为可变电阻区。在虚线右边的区域内，当栅、源电压 UGS为常数时，漏极电流 ID几乎不随漏、源电压 UDS的变化而变化，特性曲线趋于与横轴平行，输出电阻 ro很大，在栅、源电压 UGS增大时，漏极电流 ID随 UGS线性增大，这一区域称为放大区。综上所述，场效应管的漏极电流 ID受栅、源电压 UGS的控制，即 ID随 UGS的变化而变化，所以场效应管是一种电压控制器件。场效应管栅、源电压 UGS对漏极 ID控制作用的大小用跨导 gm表示：
