模擬電子技術(shù)教材一

1、第一章常用半導(dǎo)體器件學(xué)習(xí)目標(biāo)了解半導(dǎo)體材料的基本物理特性及PN結(jié)原理；掌握晶體二極管、晶體三極管、場效應(yīng)晶體管的構(gòu)成及其工作特性；學(xué)會晶體二極管、晶體三極管的識別與檢測方法。第一節(jié)半導(dǎo)體的基本知識一、半導(dǎo)體自然界中的物質(zhì)按導(dǎo)電能力的大小分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體。導(dǎo)電能力特別強(qiáng)的物質(zhì)叫導(dǎo)體，例如銀、銅、金、鋁等金屬；導(dǎo)電能力非常差，幾乎不導(dǎo)電的物質(zhì)叫絕緣體，例如膠木、云母、陶瓷等；而導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)叫半導(dǎo)體，常用的半導(dǎo)體材料有鍺、硅、硒、砷化鎵以及一些硫化物和氧化物。1半導(dǎo)體的特性半導(dǎo)體之所以得到廣泛的應(yīng)用，是由于它具有獨(dú)特的導(dǎo)電性能（1）熱敏特性：溫度可明顯地改變半導(dǎo)體的電導(dǎo)

2、率。利用這一特性，可制成自動控制中用的熱敏元件，如熱敏電阻等。但另一方面熱敏特性使半導(dǎo)體的熱穩(wěn)定性下降，因此，在半導(dǎo)體構(gòu)成的電路中常采用溫度補(bǔ)償及穩(wěn)定參數(shù)等措施。（2）光敏特性：光照不僅可改變半導(dǎo)體的電導(dǎo)率，還可以產(chǎn)生電動勢，利用這一特性，可制成光敏電阻，光電三極管等，光電池已在空間技術(shù)中得到廣泛的應(yīng)用，為人類利用太陽能提供了廣闊的前景。雜敏特性：通過摻入雜質(zhì)可明顯地改變半導(dǎo)體的電導(dǎo)率。例如，室溫30C時，在純凈硅中摻人億分之一的硼，其電導(dǎo)率可增加幾百倍，這是半導(dǎo)體最顯著的特點(diǎn)。于是，人們用控制摻雜的方法，制造不同類型的半導(dǎo)體器件，如二極管、三極管、各種集成電路等。2本征半導(dǎo)體(1)本征半導(dǎo)體

3、的結(jié)構(gòu)不含雜質(zhì)的純凈半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體，它的導(dǎo)電性能決定于原子結(jié)構(gòu)和原子間的結(jié)合方式。以硅晶體為例，原子核最外層有四個價電子，每個價電子和相鄰四個硅原子中的一個價電子結(jié)合，而使相鄰的原子都有一對共有的價電子聯(lián)系著，這種結(jié)合方式稱為共價鍵結(jié)構(gòu)，如圖1-1所示。共價鍵結(jié)構(gòu)使原子的最外層電子數(shù)填滿8個，滿足原子的穩(wěn)定條件，價電子被束縛在原子周圍，不能自由移動。(2)本征半導(dǎo)體中的兩種載流子半導(dǎo)體中共價鍵的束縛力較弱，常因受熱或光照等能量激發(fā)，使少量價電子獲得足夠大的能量，擺脫原子核束縛而成為自由電子，同時在共價鍵中就留下一個空位，稱為空穴，這種現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。由于中性原子失去一個電子而帶正電，因

4、此可以認(rèn)為空穴是帶正電的如圖1-2所示空穴出現(xiàn)后，可能被鄰近原子中的價電子所遞補(bǔ)，而在鄰近原子上出現(xiàn)一個新空穴，因此，價電子遞補(bǔ)空穴的運(yùn)動，相當(dāng)于形成了空穴運(yùn)動。自由電子帶負(fù)電，空穴帶正電，統(tǒng)稱載流子。載流子在電場作用下產(chǎn)生的運(yùn)動稱為漂移運(yùn)動，自由電子逆著電場方向運(yùn)動而形成電子電流；空穴順著電場方向運(yùn)動而形成空穴電流，如圖1-3所示這兩個電流方向相同，所以通過半導(dǎo)體的電流是電子電流與空穴電流之和。在本征半導(dǎo)體中，自由電子和空穴總是成對出現(xiàn)的，稱電子一空穴對。自由電子也可能在填補(bǔ)空穴時使電子空穴對消失，這個過程稱為復(fù)合，載流子的產(chǎn)生和復(fù)合不斷進(jìn)行，在一定溫度下達(dá)到相對平衡，而在半導(dǎo)體內(nèi)保持一定數(shù)

5、目。在室溫下，電子空穴對極少，載流子濃度很低，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很差。但半導(dǎo)體受到比較強(qiáng)的光或熱作用時，載流子數(shù)目顯著增加，使得半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力明顯上升，因?yàn)殒N比硅更容易受到溫度影響，所以硅比鍺的熱穩(wěn)定性好。3摻雜半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體中載流子數(shù)目很少，不好控制且受溫度影響大，所以用途有限。若在本征半導(dǎo)體中摻入微量有用雜質(zhì)可以克服以上缺點(diǎn)。摻雜后的半導(dǎo)體稱為摻雜半導(dǎo)體摻雜半導(dǎo)體分為N型和P型兩種。M444-3111-4摻雜質(zhì)石的半導(dǎo)擁已型半導(dǎo)體掃7訃匹型半導(dǎo)體*+4T*7H!+4T*tiR麵的電禎兒覺主的逋留下嚅詼的氏普可醬胡的空:：-燙主扶悻十干制正辭負(fù)主睡干的齡的電干:-HTi-tHij1

6、）N型半導(dǎo)體如果本征硅中摻人微量的五價元素（例如磷），則磷原子與鄰近硅原子形成共價鍵時，還多余一個價電子，它很容易成為自由電子而使磷原子成為不能移動的正離子，如圖1-4(a)所示.這種雜質(zhì)半導(dǎo)體的自由電子數(shù)遠(yuǎn)大于空穴數(shù)，電子為多數(shù)載流子，簡稱多子，空穴為少數(shù)載流子，簡稱少子，它的導(dǎo)電以電子為主，故又稱為電子型半導(dǎo)體，艮N型半導(dǎo)體。(2)P型半導(dǎo)體如果在本征硅中摻入微量的三價元素(例如硼)，則硼原子與鄰近硅原子形成共價鍵時，缺少一個價電子而形成空穴，如圖l-4(b)所示。這種雜質(zhì)半導(dǎo)體的空穴數(shù)遠(yuǎn)大于電子數(shù)，空穴為多數(shù)載流子，電子為少數(shù)載流子它的導(dǎo)電以空穴為主，故又稱空穴型半導(dǎo)體。在摻雜半導(dǎo)體中，

7、雖然兩種載流子的數(shù)目不等，但整個晶體仍呈電中性。二、PN結(jié)通過一定的摻雜工藝，把P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時，則在交界面處會形成PN結(jié)。PN結(jié)是制造各種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。PN結(jié)的形成由于P區(qū)內(nèi)空穴濃度高，N區(qū)內(nèi)自由電子濃度高，結(jié)果在兩區(qū)交界面處，由于載流子濃度的差異，引起載流子的互相擴(kuò)散，如圖1-5(a)，其中P區(qū)的空穴向N區(qū)擴(kuò)散，在交界面附近的P區(qū)留下負(fù)離子；N區(qū)的電子向P區(qū)擴(kuò)散，在交界面附近的N區(qū)內(nèi)留下正離子，于是交界面兩側(cè)就出現(xiàn)一個P區(qū)帶負(fù)電，N區(qū)帶正電的空間電荷區(qū)，如圖1-5(b)所示。隨著空間電荷區(qū)的形成，產(chǎn)生了內(nèi)電場，其方向由N區(qū)指向P區(qū)，內(nèi)電場阻擋多子擴(kuò)散,卻加強(qiáng)少子漂移，在內(nèi)電

8、場作用下，P區(qū)的少子自由電子、N區(qū)的少子空穴將分別越過空間電荷區(qū)漂移到另一區(qū)去。PN結(jié)剛形成時，多子的擴(kuò)散運(yùn)動占優(yōu)勢。隨著內(nèi)電場的增強(qiáng)，少子的漂移運(yùn)動也在加強(qiáng)，最終，當(dāng)擴(kuò)散運(yùn)動與漂移運(yùn)動達(dá)到平衡時，交界面處形成穩(wěn)定的空間電荷區(qū)或阻擋層稱為PN結(jié)。因?yàn)榭臻g電荷區(qū)的載流子已經(jīng)復(fù)合耗盡，只剩下不能移動的正、負(fù)離子，因此空間電荷又稱為耗盡層。PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)上不加電壓時，載流子運(yùn)動處于動態(tài)平衡，通過PN結(jié)的電流為零，實(shí)際工作中的PN結(jié)總是加有一定電壓的。外加正向電壓(PN結(jié)正向偏置)在圖l-6(a)中，P區(qū)接電源正極，N區(qū)接電源負(fù)極，外加電場與PN結(jié)內(nèi)電場相反，使空間電荷區(qū)變薄，于是多子的擴(kuò)散

9、運(yùn)動加強(qiáng)，形成較大的正向電流IF，PN結(jié)呈現(xiàn)較小的正向電阻，PN結(jié)處于正向?qū)顟B(tài)，相當(dāng)于開關(guān)閉合。外加反向電壓(PN結(jié)反向偏置)在圖1-6(b)中，P區(qū)接電源負(fù)極，N區(qū)接電源正極，外加電場與PN結(jié)內(nèi)電場方向一致，空間電荷區(qū)變寬。使少子的漂移運(yùn)動大于多子的擴(kuò)散運(yùn)動，由于常溫下少子的濃度很低，所以PN結(jié)流過微小的以漂移電流為主的反向電流IR，PN結(jié)呈現(xiàn)很大的反向電阻，PN結(jié)處于反向截止?fàn)顟B(tài)，相當(dāng)于開關(guān)斷開。由此可見，PN結(jié)加正向電壓導(dǎo)通，加反向電壓截止，這種導(dǎo)電特性就稱為PN結(jié)的單向?qū)щ娦?。半?dǎo)體內(nèi)的少數(shù)載流子主要由熱運(yùn)動產(chǎn)生的，其濃度隨溫度升高而增加，因此溫度升高時，PN結(jié)的反向電流增加很快，

10、這是半導(dǎo)體器件溫度穩(wěn)定性較差的主要原因。P伸向團(tuán)PN站的單向?qū)щ娦?4：I+4；N（a）正向偏置d反向偏置汕電場力問反向電沆很-2J川3-正冋電浪CA.諸夾由第二節(jié)晶體二極管一、二極管的結(jié)構(gòu)和分類1二極管的結(jié)構(gòu)PN結(jié)加上引出線和管殼就構(gòu)成了晶體二極管（簡稱二極管），其結(jié)構(gòu)如圖l-7（a）所示，由P型半導(dǎo)體引出的是正極（又稱陽極），由N型半導(dǎo)體引出的是負(fù)極（又稱陰極）。使用二極管時，要注意極性不能接錯，為此，常常在管殼上標(biāo)明色點(diǎn)，表示該端為正極，或標(biāo)以二極管的符號，二極管的符號如圖1-7（b）所示，其箭頭表示正向?qū)娏鞯姆较颉?分類按二極管的結(jié)構(gòu)不同，二極管可分點(diǎn)接觸型和面接觸型兩種,點(diǎn)接觸型

11、二極管的PN結(jié)面積和極間電容均很小，不能承受高的反向電壓和大電流，因而適用于制做高頻檢波和脈沖數(shù)字電路里的開關(guān)元件，以及作為小電流的整流管。面接觸型二極管或稱面結(jié)型二極管的PN結(jié)面積大，可承受較大的電流，其極間電容大，因而適用于整流，而不宜用于高頻電路中。酬般卿弓陸11-7.半導(dǎo)體二極管Cai二極管的結(jié)構(gòu)外形閤（b）電路符號、二極管的伏安特性二極管的導(dǎo)電性能可用伏安特性曲線表示它是指通過二極管的電流與加于管子兩端電壓之間的關(guān)系，硅二極管和鍺二極管的伏安特性曲線如圖1-8所示它可用晶體管特性圖示儀或?qū)嶒?yàn)測試出來，下面以硅二極管為例分述如下。1正向特性曲線從坐標(biāo)原點(diǎn)開始，當(dāng)外加正向電壓很小時，外電

12、場不足以克服內(nèi)電場的阻擋作用，多子擴(kuò)散運(yùn)動受阻，二極管呈高阻，正向電流幾乎為零，對應(yīng)于特性曲線OA段,這段區(qū)域通常稱為死區(qū).鍺管的死區(qū)電壓綸0.IV,硅管的死區(qū)電壓約0.5V。當(dāng)外加電壓為正且超過死區(qū)電壓后，對應(yīng)于A點(diǎn)以后的曲線，內(nèi)電場被大大削弱，二極管導(dǎo)通，電阻大大減小，正向電流隨電壓增高而迅速增大，在正常使用電流范圍內(nèi)，二極管兩端電壓幾乎維持恒定。在室溫下，小功率鍺管約為0.2-0.3V,硅管約為0.6-0.8V。反向特性二極管外加反向電壓時，內(nèi)電場被加強(qiáng)，少子漂移運(yùn)動形成了反問飽和電流Is,對應(yīng)于特性曲線OC段。由于少子數(shù)量有限，反向飽和電流很小，而且與反向電壓大小基本無關(guān)，在室溫下，硅

13、管的反向飽和電流在1微安以下，而鍺管的反向飽和電流約幾一幾十微安，反向飽和電流越大，二極管的反向特性越差，反向飽和電流會隨溫度升高而迅速增加。由正向特性和反向特性可知，二極管具有單向?qū)щ娦?，二極管的實(shí)質(zhì)就是PN結(jié)。反向擊穿特性當(dāng)反向電壓超過一定值后，反向電流突然急劇增大，對應(yīng)于C點(diǎn)以后的曲線，二極管失去單向?qū)щ娦?，這種現(xiàn)象稱為二極管的反向擊穿.相應(yīng)的電壓稱反向擊穿電壓，二極管擊穿時，加在PN結(jié)上的電壓，電流均很大.若沒有限流措施，將會因電流過大，燒毀PN結(jié)，一般點(diǎn)接觸型二極管的反向擊穿電壓為數(shù)十伏，面接觸型的為數(shù)百伏，最高可達(dá)幾千伏。溫度對特性的影響由于二極管的核心是一個PN結(jié)，它的導(dǎo)電性能與

14、溫度有關(guān)，溫度升高時二極管正向特性曲線向左移動，正向壓降減??；反向特性曲線向下移動，反向電流增大，如圖1-9所示。三、二極管的主要參數(shù)為了正確選擇和使用二極管，必須了解二極管的類型，用途和性能參數(shù)，供實(shí)際應(yīng)用參考，二極管有以下主要參數(shù)。1.最大整流電流IFM二板管長期工作時，允許通過二極管的最大正向平均電流值，與環(huán)境溫度和散熱條件有關(guān)。實(shí)際應(yīng)用時，通過二極管的正向平均電流不得超過此值，否則將使管子過熱而損壞。2最高反向工作電壓URM該電壓是指允許加在二極管兩端的反向電壓的峰值，為安全起見，最高反向工作電壓約為反向擊穿電壓的一半，使用時，加在二極管兩端的反向電壓峰值不能超過URM值。例如2AP1

15、最高反向工作電壓規(guī)定為20V，而實(shí)際反向擊穿電壓可大于40V。反向飽和電流IR反向飽和電流IR是指二極管未被擊穿時的反向電流。IR越小說明二極管的單向?qū)щ娦阅茉胶?，它會隨溫度升高而急劇增大。最高工作頻率fM最高工作頻率fM是指保持二極管單向?qū)ㄐ阅軙r，外加電壓允許的最高頻率。二極管工作頻率與PN結(jié)的極間電容大小有關(guān)，容量越小，工作頻率越高。二極管的參數(shù)很多，除上述參數(shù)外，還有結(jié)電容、正向壓降等，實(shí)際應(yīng)用時，可查閱半導(dǎo)體器件手冊。四、選擇二極管的原則首先要保證所選管子能安全，可靠地工作，也就是使用不超過它的極限值，并留有一定余地。此外，根據(jù)要求，選擇經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的管子。一般的原則是：要求反向電壓高

16、、耐高溫、反向電流小、正向電流大時，選硅管。要求死區(qū)電壓小、正向電壓小，工作頻率高時，選鍺管。例1.1有同型號二極管三只，測得數(shù)據(jù)如下表所示，試問哪個管子性能好?哪個管子性能差？二根貳、正向電茹C止向電壓相國）反向電蹄C反向電壓相同）反向擊穿電壓甲100mA平200v乙40ink150v丙SOmA80y解：甲管單向?qū)щ娦阅茏詈茫驗(yàn)樗蛪焊?，反向電流小，正向電壓相同情況下，正向電流大。五、特殊晶體管除了普通二極管，還有特殊用途的二極管，如穩(wěn)壓二極管、發(fā)光二極管、光電二極管和變?nèi)荻O管等。1硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓管是一種用特殊工藝制造的面結(jié)合型硅半導(dǎo)體二極管，它與電阻配合具有穩(wěn)定電壓的特點(diǎn)穩(wěn)壓管的伏安

17、特性圖1-10是穩(wěn)壓管的伏安特性曲線和電路符號，與普通二極管不同的是，穩(wěn)壓管正常工作在反向擊穿狀態(tài).只要反向電流控制在一定范圍內(nèi)，PN結(jié)的功率損耗和結(jié)溫不超過允許值,管子就不會燒壞.由圖1-10(a)可見，在反向擊穿區(qū)，當(dāng)反向電流在一定范圍內(nèi)變化時，穩(wěn)壓管兩端的反向電壓基本不變。因此，利用這一特性，可在電路起穩(wěn)壓作用。穩(wěn)壓管的主要參數(shù)穩(wěn)定電壓Uz穩(wěn)定電壓是指穩(wěn)壓管中的電流為規(guī)定電流時穩(wěn)壓管兩端的電壓值，由于制造的分散性，即使同一型號的穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓也略有不同，例2CW55,其穩(wěn)定電壓Uz在6.27.5之間，但對某一穩(wěn)壓管，其穩(wěn)定電壓是一確定值。穩(wěn)定電流Iz穩(wěn)定電流IZ是指穩(wěn)壓管工作至穩(wěn)壓狀態(tài)

18、時流過的電流。當(dāng)穩(wěn)壓管穩(wěn)定電流小于最小穩(wěn)定電流IZmax時，沒有穩(wěn)定作用;大于最大穩(wěn)定電流IZmax時，管子因過流而損壞。3）最大耗散功率PZM穩(wěn)壓管額定功耗PZM是保證穩(wěn)壓管安全工作所允許的最大功耗。其數(shù)值為穩(wěn)定電壓Uz和允許的最大穩(wěn)定電流Izmax的乘積。4）動態(tài)電阻rZ動態(tài)電阻rZ是指穩(wěn)壓管兩端電壓的變化量AUZ與對應(yīng)電流變化量AIZ之比，rZ隨工作電流不同而變化，電流越大，rZ越小，穩(wěn)壓性能也越好5）電壓溫度系數(shù)a當(dāng)溫度變化1C時穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值UZ的相對變化量。例如,2CW17的電壓溫度系數(shù)為9X10-4/C。穩(wěn)壓值低于4V的穩(wěn)壓管，電壓溫度系數(shù)為負(fù)（表現(xiàn)為齊納擊穿）；高于7V的穩(wěn)壓管

19、，系數(shù)為正（表現(xiàn)為雪崩擊穿）；而在4V和7V之間的管子（呈現(xiàn)兩種擊穿），溫度系數(shù)度很小。（3）穩(wěn)壓管的應(yīng)用圖1-11是穩(wěn)壓二極管用來構(gòu)成的穩(wěn)壓電路，其中R為限流電阻，負(fù)載RL兩端直流電壓Uo=UZ1）當(dāng)穩(wěn)壓電路的輸入電壓Ui保持不變，負(fù)載電阻RL增大時，輸出電壓UO將升高，穩(wěn)壓管兩端的電壓UZ上升，電流IZ將迅速增大，流過R的電流IR也增大，導(dǎo)致R上的壓降UR上升，從而使輸出電壓UO下降。上述過程簡單表述如下：RlTt5T-打fiTfUrTUoH如果負(fù)載RL減小，其工作過程與上述相反，輸出電壓UO仍保持基本不變。2）當(dāng)負(fù)載電阻RL保持不變，電網(wǎng)電壓下降導(dǎo)致UI下降時，輸出電壓UO也將隨之下降,

20、但此時穩(wěn)壓管的電流IZ急劇減小，則在電阻R上的壓降減小，以此來補(bǔ)償U(kuò)I的下降，使輸出電壓基本保持不變。上述過程簡單表述如下：如果輸入電壓UI升高,R上壓降增大，其工作過程與上述相反，輸出電壓U0仍保持基本不變。由以上分析可知，硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓原理是利用穩(wěn)壓管兩端電壓UZ的微小變化，引起電流IZ的較大的變化，通過電阻R起電壓調(diào)整作用，保證輸出電壓基本恒定，從而達(dá)到穩(wěn)壓作用。在汽車的儀表電路和部分電子控制電路中，一些需要精確電壓值的地方常利用穩(wěn)壓管來獲取所需電壓。如圖1-12所示簡化汽車儀表穩(wěn)壓電路中，利用穩(wěn)壓管可為汽車儀表提供穩(wěn)定的工作電壓。由圖可見，穩(wěn)壓管與汽車儀表并聯(lián)，當(dāng)電源電壓發(fā)生變化時，將引起不同大小的電流流過電阻和穩(wěn)壓管，從而改變降落在電阻上的電壓，而穩(wěn)壓管始終維持其穩(wěn)壓值不變。2.發(fā)光二極管發(fā)光二極管（簡稱LED）與普通二極管一樣，也是由PN結(jié)構(gòu)成的，同樣具有單向?qū)щ娦?，但在正向?qū)〞r能發(fā)光，所以它是一種把電能轉(zhuǎn)換成光能的半導(dǎo)體器件。發(fā)光二極管常用砷化鎵、磷化鎵