电工电子技术_常用半导体器件汇总

7.1
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半导体的基础知识
7.1.1
本征半导体
铜、银、铝等金属材料是很容易导电的，称为导体；陶瓷、塑料、橡胶、玻 璃等材料却不容易导电，称为绝缘体。导体的导电性能良好，电阻率很低，在 10-8～10-6Ω· m之间。例如，铜的电阻率为1.57×10-8Ω· m。绝缘体的导电能力很 差，电阻率很高，在108～ 1016Ω· m之间。例如，橡胶的电阻率为1016Ω· m。 自然界除了导体和绝缘体外，还存在一类物质，它的导电特性介于导体和绝 缘体之间，它既不像导体那样容易导电，也不像绝缘体那样很难导电，这类物质 称为半导体。半导体的电阻率介于导体和绝缘体之间，比较典型的数值为 10-5～ 107Ω· m。例如，纯锗在室温时电阻率为0.47Ω· m。 半导体之所以引起人们的注意，得到广泛的应用，其主要原因不是由于电阻 率在数值上与导体和绝缘体有差别，而在于它的电阻率在受热、光照、掺杂等作 用下将出现很大变化。主要表现在以下3个方面：
图7.2
原子结构简化图
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半导体的基础知识
7.1.2
杂质半导体
本征半导体的导电能力很差，实际的用处不大。但是如果在本征半导体中有 选择地掺入微量的某种杂质元素，情况就不同了。杂质可以改变半导体中载流子 的浓度，从而达到人为控制半导体电阻率的目的。杂质半导体分为 N型半导体和P 型半导体。 1. N型半导体 在硅单晶体中掺入微量5价元素，如磷（或砷、锑）等，磷原子的最外层电 子轨道上有5价电子，其中4个和周围的硅原子构成共价键，还有一个电子多余， 如图7.4(a)所示。这个多余的电子受原子核的束缚很微弱，在室温下，容易受热 激发获得能量摆脱磷原子核对它的束缚而成为自由电子。而每个磷原子都能提供 一个自由电子，磷原子失去一个电子，本身便成为一个带正电离子。它固定在晶 格中，不能移动，共价键中的电子也不可能来填补它，所以没有空穴产生。而半 导体中的自由电子的数量远远多于空穴的数量，这种半导体称为电子型半导体或 N型半导体。在N型半导体中，电子是传递电流的主要带电粒子，被称为多数载流 子；空穴被称为少数载流子。
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半导体的基础知识
7.1.3
PN结的形成及特性
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
如上所述，在纯净的半导体材料中经过掺入三价硼元素或五价磷元素可以形 成两种不同类型的杂质半导体。当掺入3价硼元素时，形成以空穴为多数载流子 的P型半导体；掺入5价磷元素时，形成以电子为多数载流子的N型半导体。如果 在一块本征半导体的晶片上掺入不同的杂质，使一边成为P型半导体，另一边成 为N型半导体，则在两种不同类型的半导体的交界面处就会形成一个特殊的导电 薄层，称为PN结。 1. PN结的形成 现在结合图7.5来说明PN结的形成。在一块本征半导体的晶片上掺入不同的 杂质形成不同类型的杂质半导体，在P型半导体中有多数的空穴和少数的电子， 而N型半导体中有多数的自由电子和少数的空穴。
要求掌握：
了解：
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第7章
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常用半导体器件
半导体器件是组成电子电路的核心部件，它们的基本结构、工作原理、特性及参 数是学习电子技术和分析电子电路的基础。本章首先介绍常用纯净半导体和杂质半导 体的导电性及由两种杂质半导体构成PN结的导电性。然后从结构、工作原理和伏安特 性等方面，介绍二极管、三极管、场效应晶体管等常用器件。
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半导体的基础知识
图7.4
硅单晶体掺杂示意图
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半导体的基础知识
2. P型半导体 在硅单晶体中掺入微量3价元素，如硼元素（或铝、铟）等，如图7.4(b)所 示。由于硼的价电子只有3个，当它和周围的硅原子形成共价键时，缺少一个电 子，形成不稳定的结构，硼原子很容易从邻近的共价键中夺取一个电子，形成一 个带负电的离子。而在失去电子的共价键中形成一个空穴。在这种半导体中，空 穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。这种半导体称为空穴型半导体或 P型 半导体。在P型半导体中，空穴是传递电流的主要带电粒子，被称为多数载流子 ；电子被称为少数载流子。 需要指出的是，N型和P型半导体都属于电中性，对外不显电性。这是由于单 晶半导体和掺入的杂质都是电中性的，而且掺入的过程中既不丧失电荷也不从外 界获取电荷，只是由于杂质原子的价电子数目比晶体原子的价电子数目多一个或 少一个，而使半导体中出现了可以运动的电子或空穴，并没有破坏整个半导体内 正负电荷的平衡状态。
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半导体的基础知识
（1）热敏性 半导体对温度的反应很灵敏，其电阻率随着温度的上升而明显下降，例如， 半导体材料纯锗，当温度从20℃上升到32℃时，它的电阻率将减小一半左右。利 用这种特性很容易制成热敏电阻或其他的温度敏感的传感器。 （2）光敏性 半导体对光的反应也很灵敏，其电阻率因光照的不同而改变，光照愈强，电 阻率愈低，例如，硫化镉薄膜电阻，无光照时电阻为几十兆欧姆，当光照射后电 阻只有几十千欧姆。利用这一性质，可以做成各种光敏元器件，如光敏电阻、光 敏二极管等。 （3）掺杂性 半导体的电阻率受杂质影响很大，这一点与导体及绝缘体截然不同。在纯净 的半导体中即使掺入极微量的杂质，也能使其电阻率大大降低。例如，在纯硅中 加入百万分之一的硼，它的电阻率就从约2×103Ω· m降到4×10-3Ω· m左右。不仅 如此，选择不同类型的杂质，还可改变半导体的导电类型。人们利用了半导体的 这一特点，通过各种工艺手段，控制半导体中的杂质的数量和性质，从而制成了 各种不同性能的半导体器件。
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半导体的基础知识
一个硅原子由带正电的原子核和围绕它的14个带负电的电子组成，这些电子 按一定规律分布在3层电子轨道上，如图7.1(a)所示；图7.1(b)为锗原子结构。硅 和锗原子都是4价元素，其最外层轨道上的4个电子受原子核束缚力较小，叫做价 电子，原子结构简化如图7.2所示。
图7.1
硅和锗的原子结构
电工电子技术
第7章
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常用半导体器件
知识点：
1 2 3 1 2 3 4 5 本征半导体、杂质半导体、PN结。 二极管、三极管。 场效应晶体管。 半导体的基础知识。 PN结单向导电特性。 二极管的伏安特性 稳压二极管的稳压原理。 三极管的输入和输出特性曲线。 发光二极管的发光原理。 场效应晶体管的结构和工作原理。