第五章 半導(dǎo)體器件及應(yīng)用

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笫5章常用半導(dǎo)體器件及應(yīng)用

學(xué)習(xí)要求把握PN結(jié)形成原理及導(dǎo)電特性，熟悉二極管的外形、基本結(jié)構(gòu)及電路符號(hào)，理解二極管的工作原理，了解其特性曲線、工作時(shí)的安全參數(shù)，并且了解幾種常用二極管的特性；熟悉三極管的外形、基本結(jié)構(gòu)及電路符號(hào)，把握三極管的工作狀態(tài)及放大原理，學(xué)會(huì)分析三極管構(gòu)成的電路，了解三極管的分類及常用三極管的特性；熟悉晶閘管的外形、基本結(jié)構(gòu)及電路符號(hào)，了解晶閘管電路的工作原理；了解各種開關(guān)電路的工作過程；了解基本放大電路、射極輸出器、多級(jí)放大電路等常用放大電路構(gòu)成及工作原理；學(xué)會(huì)分析汽車典型開關(guān)電路的工作過程,理解半導(dǎo)體器件在電路中的重要作用。半導(dǎo)體由于它獨(dú)有的導(dǎo)電特性，可制作成不同的半導(dǎo)體器件，已被廣泛應(yīng)用在不同領(lǐng)域，如收音機(jī)、電視機(jī)、汽車、計(jì)算機(jī)等方面，目前，它已成為現(xiàn)代不可缺少的重要材料。本章將對(duì)半導(dǎo)體及各種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)理論知識(shí)做詳細(xì)介紹，通過對(duì)各種半導(dǎo)體器件的特征和工作原理的學(xué)習(xí)，分析由它們構(gòu)成的各種基本電路，從而了解各電路的基本作用和功能。

第一節(jié)半導(dǎo)體的基本知識(shí)

一、本征半導(dǎo)體及導(dǎo)電特性1.本征半導(dǎo)體

自然界的各種物質(zhì)就其導(dǎo)電性能來區(qū)分，可以分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體三大類。導(dǎo)體具有良好的導(dǎo)電特性，常溫下，其內(nèi)部存在著大量的自由電子，它們?cè)谕怆妶?chǎng)的作用下做定向運(yùn)動(dòng)形成較大的電流，如銅、鋁、銀等。

絕緣體幾乎不導(dǎo)電，在這類材料中，幾乎沒有自由電子，即使有外電場(chǎng)作用也不會(huì)形成電流，如橡膠、陶瓷、塑料等。

半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間。這種導(dǎo)電特性是由它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電機(jī)理決定的。常用的半導(dǎo)體材料是硅和鍺，都是四價(jià)元素。純凈的半導(dǎo)體具有晶體結(jié)構(gòu)，所以半導(dǎo)體也稱晶體。當(dāng)單晶硅和單晶鍺的結(jié)晶純度高于99.9999999999%（12個(gè)9）時(shí)，此

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時(shí)的半導(dǎo)體叫做本征半導(dǎo)體。

2.本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電原理

當(dāng)半導(dǎo)體中只有一種元素的時(shí)候，就會(huì)有價(jià)電子之間的軌道交疊，形成共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)，圖5-1是硅（Si）本征半導(dǎo)體共價(jià)鍵的結(jié)構(gòu)示意圖。在半導(dǎo)體共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)中，原子的最外層電子被束縛得很緊，所以在熱力學(xué)溫度是零時(shí)，本征半導(dǎo)體沒有導(dǎo)電能力。在獲得一定能量（如光照、升溫、電磁場(chǎng)激發(fā)等）之后，電子受到激發(fā)，即可擺脫原子核的束縛，成為自由電子，同時(shí)共價(jià)鍵中留下對(duì)應(yīng)的空位置，這個(gè)空位置稱為空穴。當(dāng)空穴出現(xiàn)時(shí)，相鄰原子的價(jià)電子比較簡(jiǎn)單離開它所在的共價(jià)鍵而填補(bǔ)到這個(gè)空穴中來，使該價(jià)電子原來所在共價(jià)鍵中出現(xiàn)一個(gè)新的空穴，這個(gè)新的空穴又可能被其它相鄰原子的價(jià)電子填補(bǔ)，再次出現(xiàn)新的空穴。價(jià)電子填補(bǔ)空穴的這種運(yùn)動(dòng)無論在形式上還是效果上都相當(dāng)于空穴在運(yùn)動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)方向與價(jià)電子運(yùn)動(dòng)方向相反。為了區(qū)別于自由電子的運(yùn)動(dòng)，把這種運(yùn)動(dòng)稱為空穴運(yùn)動(dòng)，并把空穴看成是一種帶正電荷的粒子。此時(shí)半導(dǎo)體中將出現(xiàn)兩種電流：一種是自由電子運(yùn)動(dòng)形成的電子電流，一種是仍被原子核束縛的價(jià)電子遞補(bǔ)空穴形成的空穴電流。也就是說，在半導(dǎo)體中存在自由電子和空穴兩種運(yùn)載電荷的粒子，我們稱其為載流子，如圖5-1所示。本征半導(dǎo)體中的自由電子和空穴總是成對(duì)出現(xiàn)的，同時(shí)又不斷復(fù)合，本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力就決定于載流子的數(shù)目和速度。

圖5-1硅（Si）本征半導(dǎo)體共價(jià)鍵的結(jié)構(gòu)示意圖

●電子○空穴

3.本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性

一般來說，本征半導(dǎo)體相鄰原子間存在穩(wěn)固的共價(jià)鍵，導(dǎo)電能力并不強(qiáng)。但在不同條件下的導(dǎo)電能力卻有很大區(qū)別。例如以下幾種狀況的導(dǎo)電特性。

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有些半導(dǎo)體在溫度升高的條件下，導(dǎo)電能力大大加強(qiáng)，也稱之為半導(dǎo)體材料的熱敏性。利用這種特性可制成熱敏電阻等敏感元件。

有些半導(dǎo)體在光照的條件下，導(dǎo)電能力大大加強(qiáng)，也稱之為半導(dǎo)體材料的光敏性。利用這種特性可制成光敏電阻、光電二極管、光電池等器件。

在本征半導(dǎo)體中摻入微量雜質(zhì)元素后，其導(dǎo)電能力就可增加幾十萬乃至幾百萬倍，利用這種特性可以制成雜質(zhì)半導(dǎo)體，由此制成了二極管、三極管等重要的半導(dǎo)體器件。

二、N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的形成

實(shí)際應(yīng)用中我們用的都是雜質(zhì)半導(dǎo)體，它分N型和P型兩種。

N型半導(dǎo)體：就是在本征半導(dǎo)體中摻入微量5價(jià)元素（如磷、砷、銻等）。這樣它的活性大大的得到提高，在室溫時(shí)，由于在構(gòu)成的共價(jià)鍵中存在多余的價(jià)電子，從而產(chǎn)生大量的自由電子，圖5-2所示為摻入5價(jià)的磷（P）元素構(gòu)成的N型半導(dǎo)體。因此，在N型半導(dǎo)體中多數(shù)載流子為電子，少數(shù)載流子為空穴。

P型半導(dǎo)體：就是在本征半導(dǎo)體中摻入微量3價(jià)元素（如硼、鎵、鋁、銦等）。由于在構(gòu)成的共價(jià)鍵中剩余出好多的空位置，從而產(chǎn)生大量的空穴，如圖5-2所示為摻入3價(jià)的

硼（B）元素構(gòu)成的N型半導(dǎo)體。因此，在P型半導(dǎo)體中多數(shù)載流子是空穴，少數(shù)載流子

是電子，與N型恰恰相反。

圖5-2N型半導(dǎo)體的分子結(jié)構(gòu)圖5-3P型半導(dǎo)體的分子結(jié)構(gòu)

其次節(jié)半導(dǎo)體二極管

一、PN結(jié)的形成及單向?qū)щ娞匦?.PN結(jié)的形成

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在同一塊半導(dǎo)體基片的兩邊分別形成N型和P型半導(dǎo)體，它們的交界區(qū)域會(huì)形成一個(gè)很薄的空間電荷區(qū)，稱為PN結(jié)。PN結(jié)的形成過程如圖5-4所示。

由圖5-4(a)可見，界面兩邊存在著載流子的濃度差，N區(qū)的多子（多數(shù)載流子）是電子，P區(qū)的多子是空穴，在它們的交界區(qū)域會(huì)發(fā)生擴(kuò)散的現(xiàn)象，N區(qū)的電子向P區(qū)移動(dòng)，P區(qū)的空穴向N區(qū)移動(dòng)，在中間的交界區(qū)復(fù)合而消失，使P區(qū)留下不能移動(dòng)的負(fù)電荷離子，N區(qū)留下不能移動(dòng)的正電荷離子。擴(kuò)散的結(jié)果使交界區(qū)域出現(xiàn)了空間電荷區(qū)，即形成了一個(gè)由N區(qū)指向P區(qū)的內(nèi)電場(chǎng)，如圖5-4(b)所示。內(nèi)電場(chǎng)的存在阻礙了擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，但卻使P區(qū)少子（電子）向N區(qū)漂移，N區(qū)的少子（空穴）向P區(qū)漂移。多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使空間電荷區(qū)加厚，而少子的漂移運(yùn)動(dòng)使空間電荷區(qū)變薄。當(dāng)擴(kuò)散與漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，便形成了一定厚度的空間電荷區(qū)，即為PN結(jié)。由于空間電荷區(qū)缺少能移動(dòng)的載流子，故又稱PN結(jié)為耗盡層或阻擋層，整體對(duì)外還是顯電中性。

圖5-4PN結(jié)的形成

(a)多子擴(kuò)散示意圖(b)擴(kuò)散結(jié)果出現(xiàn)的空間電荷區(qū)

2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

(1)PN結(jié)正向?qū)▽㈦娫吹恼龢O接PN結(jié)的P區(qū)，負(fù)極接PN結(jié)的N區(qū)(即正向連

接或正向偏置)，如圖5-5(a)所示。由于PN結(jié)為耗盡層高阻區(qū)，而P區(qū)與N區(qū)電阻很小，

因而外加電壓幾乎全部落在PN結(jié)上。由圖可見，外電場(chǎng)方向與內(nèi)電場(chǎng)方向相反，外電場(chǎng)將推動(dòng)P區(qū)多子(空穴)向右擴(kuò)散，與原空間電荷區(qū)的負(fù)離子中和，同時(shí)也推動(dòng)N區(qū)的多子

(電子)向左擴(kuò)散與原空間電荷區(qū)的正離子中和，使空間電荷區(qū)變薄，打破了原來的動(dòng)態(tài)平

衡。電源不斷地向P區(qū)補(bǔ)充正電荷，向N區(qū)補(bǔ)充負(fù)電荷，結(jié)果使電路中形成較大的正向電流，由P區(qū)流向N區(qū)。這時(shí)PN結(jié)對(duì)外浮現(xiàn)較小的阻值，處于正向?qū)顟B(tài)。

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(2)PN結(jié)反向截止將電源的正極接PN結(jié)的N區(qū)，負(fù)極接PN結(jié)的P區(qū)(即PN結(jié)反

向偏置)，如圖5-5(b)所示。外電場(chǎng)方向與內(nèi)電場(chǎng)方向一致，它將N區(qū)的少子(空穴)向左側(cè)

拉進(jìn)PN結(jié)，同時(shí)將P區(qū)的少子(電子)向右側(cè)拉進(jìn)PN結(jié)，使原空間電荷區(qū)電荷增多，PN結(jié)變寬，浮現(xiàn)大的阻值，且打破了原來的動(dòng)態(tài)平衡，使漂移運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)。由于漂移運(yùn)動(dòng)是少子運(yùn)動(dòng)，因而漂移電流很小。若忽略漂移電流，則可以認(rèn)為PN結(jié)截止。

圖5-5PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

(a)正向連接示意圖(b)反向連接示意圖

因此，當(dāng)PN結(jié)正向偏置時(shí)，正向電阻較小，正向電流很大，此時(shí)PN結(jié)導(dǎo)通；當(dāng)PN結(jié)反向偏置時(shí)，反向電阻值較大，反向電流很小，此時(shí)PN結(jié)截止。這就是PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴?/p>

二、二極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)

半導(dǎo)體二極管是由一個(gè)PN結(jié)、相應(yīng)的電極引線和管殼構(gòu)成的電子元件。P區(qū)的引出線稱為正極或陽極，N區(qū)的引出線稱為負(fù)極或陰極，如圖5-6所示。按所用材料分，有硅管、鍺管和砷化鎵管等；按其不同的結(jié)構(gòu)，可分為點(diǎn)接觸型二極管和面接觸型二極管。

點(diǎn)接觸型二極管的結(jié)構(gòu)如圖5-6(a)所示。它的特點(diǎn)是PN結(jié)的面積十分小，因此不能通過較大電流；