电工电子技术 作者 王国伟 第7章.pptVIP

第7章 常用半导体器件 学 习 要 求 1．了解半导体的分类及其导电特性，了解PN结的形成过程及PN结的单向导电特性； 2．理解二极管的伏安特性曲线及各段的含义，了解二极管的主要参数，掌握二极管的应用，了解几种特殊二极管； 3．了解双极型晶体管的电流放大原理，掌握双极型晶体管的伏安特性曲线，掌握其工作于不同区域时的外部特征和外部偏置条件，了解晶体管的主要参数； 4．了解场效应晶体管的基本工作原理及场效应晶体管与普通晶体管的主要区别，理解场效应晶体管特性曲线的意义； 5．了解晶闸管的基本结构、工作原理及特性曲线；了解单结晶体管的结构及特性。 7.1 PN结和半导体二极管 在学习电子技术内容之前，我们先了解一些半导体的基础知识。根据物体导电能力（电阻率）的不同，将物质划分为导体、绝缘体和半导体。导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体。常见的半导体材料有硅（Si）和锗（Ge）以及砷化镓（GaAs）等。纯净的、具有完整晶体结构的半导体称为本征半导体。 本征半导体中共价键具有很强的结合力，在常温下由于热运动，仅有极少数价电子摆脱共价键的束缚变成自由电子。与此同时，在共价键中留下一个空位，成为空穴。原子因失掉一个价电子而带正电，或者说空穴带正电。在本征半导体中，自由电子和空穴成对出现，即数目相同。在外加电场时，自由电子和空穴都定向移动，形成电流。我们把能够参与导电的粒子称为载流子。本征半导体中有两种载流子，即自由电子和空穴，其载流子浓度与温度和材料有关。在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化，掺入的杂质主要是三价或五价元素。我们把掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。在本征半导体中掺入微量五价杂质元素，例如磷、砷、锑等，可形成N型半导体。由于这些杂质原子最外层有5个价电子，在于周围硅原子形成共价键时，多出一个价电子不受共价键的束缚，成为自由电子。 其浓度远大于热激发产生的空穴浓度，故称之为多数载流子，简称为多子。空穴成为少数载流子，简称为少子。在本征半导体中掺入微量三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成P型半导体，其中空穴为多子，自由电子为少子。掺入杂质的多少对本征半导体的导电性有很大的影响，例如在纯硅中掺入百万分之一的硼后，其导电能力增加近百万倍。利用这种特性，我们可以制成各种不同用途的半导体器件，如二极管、晶体管、场效应晶体管、晶闸管、集成电路等。 2．PN结的单向导电性 PN结具有单向导电性，若外加电压使电流从P区流到N区，PN结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。 外加电压使PN结P区的电位高于N区的电位称为加正向电压，简称正偏；外加电压使PN结P区的电位低于N区的电位称为加反向电压，简称反偏。在一定的温度条件下，PN结反偏时形成的电流基本上是恒定的，与反向电压的大小无关，这个电流称为反向饱和电流(Is)。 PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向电流。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。 3．PN结的电容效应 PN结具有一定的电容效应，它由两方面的因素：一是势垒电容CB ，二是扩散电容CD 。 (1) 势垒电容CB 势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压使PN结上压降发生变化时，空间电荷区的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。 (2) 扩散电容CD 扩散电容是由多数载流子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。因PN结正偏时，当外加正向电压不同时，外电路电流的大小也就不同。所以PN结两侧堆积的多数载流子的浓度分布也不同，这就相当电容的充放电过程。PN结的结电容Cj是CB与CD之和，即 Cj=CB+CD (7-1) Cj很小(1pF～几百pF)，常忽略不计，只有在高频时才考虑。 7.1.2 半导体二极管 1．半导体二极管的结构类型 在PN结上加上引线和封装，就成为一个半导体二极管，简称二极管。它们常见的结构示意图如图7-2a～c所示，其符号见图d。 图a所示的是点接触型二极管，其PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路和小功率整流。图b所示的是面接触型二极管，其PN结面积大，用于低频大电流整流电路。图c所示的是平面型二极管，往往用于集成电路制造工艺中，PN结面积可大可小，可用于大功率整流和开关电路中。 2．二极管的伏安特性曲线 二极管的伏安特性曲线就是二极管两端的电压与电流关系曲线，如图7-3所示。用式（7-2）表示 (1) 正向特性 当u＞0，即处于正向特性区域。当0＜u＜Uth时，正向电流为零，Uth称为死区电压或开启电压。当u＞Uth时，开