电工电子技术第六章

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第6章 常用半导体器件 章
6.1 半导体基础知识 6.2 半导体二极管 6.3 稳压二极管 6.4 晶体管
6.1 半导体基础知识
6.1.1 半导体的分类
在我们的自然界中，各种物质按导电能力划分为导体、 绝缘体、半导体。半导体 半导体指的是导电能力导体和绝缘体之 半导体 间的物质 半导体材料的最外层轨道上的电子是4个，根据其特性， 可以将半导体材料分成以下五类： 1.元素半导体 元素半导体大约有十几种，它们处于ⅢA－ⅦA族的金 属与非金属的交界处，例如Ge（锗），Si（硅），Se （硒），Te（碲）等。
2. 化合物半导体 （1）二元化合物半导体。 二元化合物半导体有五类： 第一类：ⅢA族和ⅤA族元素组成的化合物半导体，即 Al（铝），Ga（镓），In（铟），P（磷）， As（砷），Sb（锑）组成的化合物半导体， 例如AsP ，AlAs ，GaP等。
第二类：ⅡB族和ⅥA族元素组成的化合物半导体， 即Zn，Hg， Cd和S ，Se，Te组成的化合 物半导体，例如CdS，CdTe等。 第三类：ⅣA族元素之间组成的化合物半导体，例如SiC等。 第四类：ⅣA与ⅥA族元素之间组成的化合物半导 体，例如GeS，GeSe，SnTe等。 第五类：ⅤA和ⅥA族元素组成的化合物半导 体，例如AsSe3，AsSe3等。
（2）多元化合物半导体。 多元化合物半导体有三类： 第一类：ⅠB－ⅢA－(ⅥA)2组成的多元化合物半导体， 例如AgGeTe2等。 第二类：ⅠB－ⅤA—（ⅥA）组成的多元化合物半导体， 例如AgAsSe2等。 第三类：(ⅠB)2－ⅡB－ⅣA－(ⅥA)4组成的多元化合物 半导体，如Cu2CdSnTe4等。 。
3.固溶体半导体 固溶体半导体 固溶体是由二个或多个晶格结构类似的元素化合物互 溶而成。又有二元系和三元系之分，例如ⅣA－ⅣA组成的 Ge－Si固溶体，ⅤA－ⅤA组成的Bi－Sb固溶体，它们是二 Ge Si A A Bi Sb 元系。 由三种组元互溶的固溶体有：（ⅢA－ⅤA）－（ⅢA －ⅤA）组成的三元化合物固溶体， GaAs－GaP组成的镓 砷磷固溶体和（ⅡB－ⅥA）（ⅡB－ⅥA）组成的三元化合 物固溶体， HgTe－CdTe两个二元化合物组成的三元化合 物固溶体等。
4.非晶态半导体 非晶态半导体 原子排列短程有序、长程无序的半导体称为非晶态半 导体，主要有非晶Si、非晶Ge、非晶Te、非晶Se等元素 半导体及GeTe，As2Te3，Se2As3等非晶化合物半导体。 5.有机半导体 有机半导体 有机半导体分为有机分子晶体、有机分子络合物和 高分子聚合物，一般指具有半导体性质的碳－碳双键有 机化合物。
6.1.2 本征半导体和掺杂半导体
1.本

征半导体 纯净而且结构完整的半导体称为本征半导体 本征半导体，它未经人 本征半导体 为的改造，具有这种元素的本来特征。 在绝对零度时，半导体所有的价电子都被束缚在共价键中， 不能参与导电，此时半导体相当于绝缘体。当温度逐渐升高或 受光照时，由于半导体共价键重的价电子并不像绝缘体种束缚 得那样紧，价电子从外界获得一定的能量，少数价电子会挣脱 共价键的束缚，成为自由电子 自由电子，同时在原共价键处出现一个空 自由电子 位，这个空位称为空穴 空穴。显然，自由电子和空穴是成对出现的， 空穴 所以称它们为电子空穴对 电子空穴对。 电子空穴对
我们把在热或光的作用下，本征半导体中产生电子空穴对 的现象，成为本征激发 本征激发，又称为热激发。而本征半导体中有自 本征激发 由电子和空穴两种载流子，如图6-1所示。本征半导体在电场作 用下，电子和空穴两种载流子作定向运动，形成电流。
+4 +4 自 由 电 空 子 穴
+4 空穴
+4
图 6-1 本征激发
2.掺杂半导体 在本征半导体中，若掺入微量的五价或三价元素，会使其 导电性能发生显著变化。掺入的五价或三价元素称为杂质 杂质。掺 杂质 有杂质的半导体称为掺杂半导体 掺杂半导体或杂质半导体，按掺入杂质元 掺杂半导体 素不同，掺杂半导体可分为N 型半导体和P 型半导体两种。
（1）N 型半导体 。 在本征半导体中掺入微量的五价元素，例如磷、砷、锑等， 就形成N型半导体。掺入的五价元素后，半导体的晶体结构基 本不变，只是在个别的位置上，例如某个硅（或锗）原子被五 价原子取代，如图6-2（a）所示。因为五价原子有五个价电子， 它与相邻的四个原子构成完整的共价键后，还剩余一个价电子。 这个剩余的价电子在获得外界能量时，比其他共价键上的电子 更容易脱离原子核的束缚而成为自由电子。这就显著提高了其 导电的能力。
在本征半导体中掺入五价元素后，热激发照样进行。因此， 当达到平衡状态时，自由电子的浓度就远远大于空穴的浓度， 其导电能力主要由自由电子决定，故称为N型半导体。在N型半 导体中，自由电子占多数，称为多数载流子，简称多子；空穴 占少数，称为少数载流子，简称少子。
+4 +4 +4
+4 磷原子
+5
+4 自由电子
图6-2（a） N型半导体
（2）P型半导体。 在本征半导体中掺入微量的三价元素，如硼、铝、锢等， 就形成P型半导体。同理，掺入的三价元素后，半导体的晶体 结构基本不变，只是在个别的位置上，例如某个硅（或锗） 原子被三价原子取代，如图6－2（b）所示

。因为三价原子只 有三个价电子，它与相邻的四个原子只能构成三个完整的共 价键，还有一个共价键因缺少一个价电子而出现一个空位。 常温下，所有的价键电子都具有足够的能量来填补这个空位， 从而产生一个空穴，因而它在外界能量作用下更容易夺取相 邻原子的电子，这种半导体中就有大量的空穴。也显著提高 了其导电的能力。
在本征半导体中掺入三价元素后，热激发照样进行。因此， 当达到平衡状态时，的空穴浓度就远远大于自由电子的浓度， 其导电能力主要由空穴决定，故称为P型半导体。在P型半导体 中，空穴称为多数载流子，自由电子称为少数载流子。
+4 +4 +4
+4 硼原子
+3
+4 空穴
图6-2（b） P型半导体
6.1.3 PN结及其单向导电性 结及其单向导电性
1.PN结的形成 P型半导体或N型半导体的导电能力虽然大大增强，但 是并不能直接用来制造半导体器件。通常在一块完整的晶片 上，通过一定的掺杂工艺，一边形成P型半导体，另一边形 成N型半导体。则在两者的交界处，会形成一个特殊的区域， 称之为PN结。PN结是构成半导体器件的基本单元。 结
当P型半导体与N型半导体紧密地结合在一起时，由于在交 界面两侧，空穴与自由电子都存在着很大的浓度差。因此，两 者都必将产生扩散运动，P区的多子空穴向N区扩散，并且与N 区的自由电子复合；N区的多子自由电子向P区扩散，并且与P 区的空穴复合，如图6-3（a）所示。
图6-3（a）多子的扩散运动
图6-3（b） PN结示意图
这样在P区一侧就因失去空穴而留下不能移动的负离子，而 在N区一侧就因失去自由电子而留下不能移动的正离子，这些 离子被固定排列在晶格里，不能移动，所以它们并不参与导电， 这样，在交界面两侧就形成一个空间电荷区，并产生内建电场 或势垒电场，其方向是由N区指向P区，如图6-3（b）。内建电 场的产生阻碍了多子的扩散运动，而多子的扩散又逐渐增强内 建电场。所以多子的运动会逐步减弱，直至停止，使交界面形 成一个稳定的特殊的薄层，即PN结。
2.PN结的单向导电性 在PN结的两端外加电压，称为PN结偏置电压 结偏置电压。PN结的偏 结偏置电压 置方式不同，变现出的特性也就不同。 （1）PN结的正向偏置。 给PN结加正向偏置电压，即P区接电源正极，N区接电源 负极，此时称PN结为正向偏置，简称正偏，如图6-4（a）所示。 PN结正偏时，由于外加电源产生的外加电场方向与内建电场方 向相反，使内建电场的一部份被抵消，空间电荷区变窄，对多 子扩散的阻碍作用减弱。因此，PN结两边的多子，在浓度差的 作用下

作扩散运动，穿过空间电荷区形成正向电流IF，此时PN 结出与正向导通状态。
I
P区 外电场
N区
+
U
内电场 R
图6-4(a) PN结正向偏置
（2）PN结的反向偏置。 给PN结加反向偏置电压，即N区接电源正极，P区接电源 负极，此时称PN结为反向偏置，简称反偏，如图6-4（b）所示。 PN结反偏时，由于外加电源产生的外加电场方向与内建电场方 向相同，使内建电场被加强，空间电荷区变宽，对多子扩散的 阻碍作用增强，多子的扩散运动被阻止，不能参与导电。但在 增强的内建电场作用下，会推动PN结两边的少子做漂移运动穿 越空间电荷区，然后在外加电源的作用下流出外电路，形成反 向电流IS。由于少子浓度很低，所以由此形成的反向电流很小， 通常可以忽略不计。PN结的这种工作状态称为反向截止状态。
I
P区
N区
内电场 外电场 U
+
R
图6-4(b) PN结反向偏置
综上所述，PN结具有单向导电性，即加正向电压时导通， 加反向电压时截止。
6.2 半导体二极管
6.2.1 二极管的结构
在实际应用中，在形成PN结的P型半导体上和N型半导体 上，分别引出两根金属引线，并用外壳封装起来，就制成了一 个半导体二极管。由P区引出的线称为阳极 阳极（或正极），由N区 阳极 引出的线称为阴极 阴极（或负极），如图6-5（a）所示。二极管的 阴极 电路符号和文字符号如图6-5（b）所示。
外壳 （阳极） （阳极） （阴极）
P N D
（阴极）
+
-
+
-
阳极引线
阴极引线
图6-5（a）内部结构示意图
图6-3（a）电路符号和文字符号
按二极管的结构不同，分为点接触型二极管、面接触型二 极管和平面型二极管三类。 （1）点接触型二极管。结构如图6-6（a）所示，它的特 点是PN结的面积非常小，因此不能通过大电流；但高频性能好， PN 故适于高频和小功率工作，多用于小功率整流、高频检波和脉 冲电路。
（2）面接触型二极管。结构如图6-6（b）所示。它的主 要特点是PN结的结面积很大，可通过较大的电流；但工作频率 低，主要应用于整流。近期由于电子产品的微型化和轻量化， 片状的贴片元器件发展极为迅速，面接触型二极管为无引线或 短引线微型元器件，可直接安装于印刷电路板表面，在微型手 录放机、移动手录放机、移动通信设备、高频电子仪器设备、 微型计算机等领域得到广泛应用。
（3）平面型二极管。结构如图6-6（c）所示。它往往用于 集成电路制造工艺中，PN结面积可大可小，用于高频整流和开 关电路中。
（a）点接触型二极管
（b）面接触型

二极管
（c）平面型二极管
6.2.2 二极管的伏安特性
半导体二极管的核心是PN 结，它具有单向导电性。常用伏 安特性曲线来形象地描述二极管的单向导电性。所谓伏安特性， 是指二极管两端电压和流过二极管电流的关系。若以电压为横 坐标，电流为纵坐标，用作图法把电压、电流的对应值用平滑 的曲线连接起来，就形成二极管的伏安特性曲线，如图6-7所示。
图6-7 二极管的伏安特性
图6-7中，实线为硅管的伏安特性，虚线为锗管的伏安特 性。由图可知： （1）外加正向电压。 当外加正向电压很小时，由于外电场还不能克服内建电场对 扩散运动的阻碍作用，所以正向电流很小，几乎为0；外加正 向电压逐渐增加，当其超过一定数值后，电流增长很快，这个 一定数值的正向电压称为死区电压（或门槛电压）。其大小与 管子的材料及环境温度有关，一般硅管的死区电压约为0.5V， 锗管约为0.2V；当外加正向电压超过死区电压时，正向电流就 会急剧地增大，二极管呈现很小电阻而处于导通状态。这时硅 管的正向导通压降约为0.6～0.7 V，锗管约为0.2～0.3V。
（2）外加反向电压。 二极管上加反向电压时，由于少子的漂移运动形成很小的反 向电流。在开始很大范围内，二极管相当于非常大的电阻，反向 电流很小，且不随反向电压而变化。此时的电流称之为反向饱和 电流。 如果二极管反向电压继续增加到一定数值时，反向电流急剧 增大，二极管失去单向导电性，这种现象称为反向击穿 反向击穿。此时对 反向击穿 应的电压称为二极管的反向击穿电压。
由于二极管的核心是一个PN结，它的导电性能与温度有关， 温度升高时二极管正向特性曲线向左移，正向压降减小；反向 特性曲线向下移动，反向电流增大。同时，用不同材料和不同 工艺制造的二极管，它们的伏安特性虽然有差异，但伏安 特性曲线的形状却是相似的。
6.2.3 二极管的主要参数
二极管的特性除用伏安特性表示外，还可以用一些数据来说 明，这些数据就是二极管的参数 。在工程上必须根据二极管的参 数，合理地选择和使用管子，才能充分发挥每个二极管的作用。 （1）最大整流电流IFM。 最大整流电流是指二极管长期运行时允许通过的最大正向平 最大整流电流 均电流。使用时正向平均电流不能超过此值，否则会烧坏二极管。 （2）最大反向电压URM。 最大反向电压是指二极管正常工作时，保证二极管不被击穿 最大反向电压 而给出的最高反向工作电压，通常是反向击穿电压的一半左右。
（3）反向饱和电流IR。 反向饱和电流是指在规定的反向电压

和室温下，二极管未被 反向饱和电流 击穿时的反向电流，其值越小，说明管子的单向导电性能越好。 （4）最高工作频率?M 。 最高工作频率是指二极管正常工作时的上限频率值，它的大小 最高工作频率 与PN结自建电场的结电容有关，超过此值，二极管的单向导电性变 变差。
6.3 稳压二极管
6.3.1 稳压管的结构
稳压二极管是一种特殊的面接触型硅二极管，它能在电路中 能起稳定电压的作用，故称为稳压管。它的电路符号和文字符号 如图6-8（a）所示，常用的稳压管有2CW和2DW系列，其外形如 图6-8（b）所示。稳压管的最大特点在于它工作在反向击穿状态， 而又不致损坏。其原因是在制造工艺上采取了适当的措施，保证 了在一定的反向电流数值内，虽然管子工作在击穿状态，但 其PN结结温不会超过允许数值。
DZ
（阳极）
（阴极）
+
-
图 6-8 （a）稳压管的 电路符号和文字符号
图 6-8 （a） 2CW和2DW 系列外形
6.3.2 稳压管的伏安特性
稳压二极管的正向特性曲线与普通硅二极管相似，但是，它 的反向击穿特性较陡，反向击穿电压较低（普通面接触型二极管 为数百伏，一般稳压管为数伏至数十伏），容许通过的电流也比 较大。如图6-9所示 稳压管通常工作在反向击穿区，当反向击穿电流在较大范围 内变化时，其两端电压变化很小，因而具有稳定电压的作用。只 要反向电流不超过允许范围，稳压管就不会发生热击穿而损坏。 为此，在电路中，稳压管必须串联一个适当的限流电阻。
I/mA
UZ
O
UZ /V
IZ ? IZ ? UZ IZM
图 6-9 稳压管的伏安特性曲线
6.3.3 稳压管的主要参数
（1）稳定电压UZ。 稳定电压就是稳压二极管的反向击穿电压。它是 稳定电压就 稳压二极管正常工作时，所能提供的稳定电压。 （2）稳定电流IZ 。 稳定电流就是稳压二极管在反向击穿状态下的最 稳定电流 小电流。当工作电流小于此值时，稳压管会退出击穿 状态，失去稳压作用。
（3）最大稳定电流IZmax。 最大稳定电流就是稳压二极管所允许的最大击穿 最大稳定电流 电流。超过此值，管子会被烧毁。 （4）最大允许功耗PZM 。 最大允许功耗就是稳压二极管允许消耗的最大平 最大允许功耗 均功率。超过此值，管子会被烧毁。通常，厂商只给 出PZM和IZmax之一，另一个参数可由公式 PZM=UZ?IZmax求得。
6.4 晶体管
6.4.1 晶体管的基本结构 晶体管又称三极管，是电子器件中最重要的半导体器 件之一。最常见的晶体管的结构有平面型和合金型两类， 如图6-10所示，图中（a）为平面型（主要市硅管）， （b）为合金型（主要

是锗管）。
B
E
二氧化硅 保护膜
E
铟球 P
N型硅 型硅 P型硅 型硅 N型硅 型硅
N型锗 型锗
B
P 铟球
C
C
图 6-10 (a) 平面型
图 6-10 (b) 合金型
晶体管的核心部分是两个PN结。按照两个PN结的结 合方式，晶体管分为NPN型和PNP型。其机构示意图和电 路符号如图6-11所示。
发射结 e 集电结
c
e 发射结 集电结
T
c
N
发射区 基区
P
N
集电区 b
T
cb
P
发射区 基区
N
P
集电区 b
cb
e
e
图 6-11 (a) NPN型 晶体管及电路符号
图 6-11 (b) PNP型 晶体管及电路符号
晶体管的两个PN结分别叫做发射结和集电结。晶体 管有三个电极，分别为基极b，发射极e，集电极c；有三 个区域，分别是基区、发射区和集电区。基区和发射区之 间的PN结称为发射结 PN 发射结，基区和集电区之间的PN结称为集 PN 发射结 集 电结。发射区是重掺杂区，其多子浓度高于基区和集电区。 电结 基区掺杂浓度低而且很薄，集电区面积很大，它们各具特 点和功能，因此发射区和集电区不可调换使用。
6.4.2 晶体管的电流放大原理
一般来说，从传感器获得的模拟信号通常都很微弱，只有 经过放大后才能进一步处理，或者使之具有足够的能量来驱动 执行机构，完成特定的工作。放大电路的核心器件是晶体管。 要使三极管具有电流的放大作用，除了三极管的内因外， 还要有外部条件――三极管的发射极为正向偏置，集电结为反 向偏置是三极管具有电流放大作用的外部条件。 图6-12（a）为NPN管的偏置电路，UBB通过Rb给发射结 提供正向偏置电压（UB>UE），UCC通过Rc给集电结提供反 向偏置电压（UC>UB）。即UC>UB>UE ，实现了发射结的 正向偏置，集电结的反向偏置。
图6-12（b）为PNP管的偏置电路，和NPN管的偏置电路相 比，电源极性正好相反。同理，为保证三极管实现放大作用， 则必须满足UC0， UBC<0。 （2）截止区： IB ＝ 0的曲线以下的区域称为截止区。实 际上，对NPN硅管而言，当UBE＜0.5V时即已开始截止，但是 为了使三极管可靠截止，常使UBE≤0V，此时发射结和集电结 均处于反向偏置。
（3）饱和区：输出特性曲线的陡直部分是饱和区，此时IB 的变化对 IC的影响较小，放大区的特性不再适用于饱和区 。在 饱和区， UCE＜UBE，发射结和集电结均处于正向偏置。 在实际分析中，常把以上三种不同的工作区域又称工作状态， 即放大状态、饱和状态及截至状态。
6.4.4 晶体管的主要参数
三极管的参数是用来表征其性能和适用范围的，也是评 价三极管质量以及选择三极管

的依据。常用的主要参数有： 1.电流放大系数 三极管接成共射电路时，其电流放大系数用β表示。β的 表达式见公式6-1在选择三极管时，如果β值太小，则电 流放大能力差；若β值太大，则会使工作稳定性差。 三极管连接成共基极放大电路时，其电流放大系数用a 表 示，其表达式为
α =
I ?I
C B
（公式 6-2）
由于在三极管中iC＜iE，因此α是小于1 而近似于1 的数。 2.反向饱和电流ICBO ICBO是指发射极开路，集电结在反向电压作用下，形成的 反向饱和电流。因为该电流是由少子定向运动形成的，所以 它受温度变化的影响很大。常温下，小功率硅管的ICBO< lμA ， 锗管的ICBO在10μA 左右。ICBO的大小反映了三极管的热稳定性， ICBO 越小，说明其稳定性越好。因此，在温度 变化范围大的工作环境中，尽可能地选择硅管。
3.穿透电流I 3.穿透电流ICEO 穿透电流 ICEO是指基极开路，集电极一发射极间加上一定数值的反 偏电压时，流过集电极和发射极之间的电流。它与ICBO 的 关系为
ICEO = (1+ β)ICBO
ICEO也受温度影响很大，温度升高，ICBO增大，ICEO增大。 穿透电流ICEO的大小是衡量三极管质量的重要参数，硅管的 ICEO比锗管的小。
4.集电极最大允许电流ICM 当集电极电流太大时，三极管的电流放大系数β值下降。我 们把iC增大到使β值下降到正常值的2 / 3 时所对应的集电极电流， 称为集电极最大允许电流ICM。为了保证三极管的正常工作，在 实际使用中，流过集电极的电流iC 必须满足iC＜ICM。 5.集电极一发射极间的击穿电压队U（BR）CEO U（BR）CEO是指当基极开路时，集电极与发射极之间的反向击 穿电压。当温度上升时，击穿电压U（BR）CEO要下降，故在实际 使用中，必须满足UCE＜U（BR）CEO。
6.集电极最大耗散功率P 6.集电极最大耗散功率PCM 集电极最大耗散功率 集电极最大耗散功率是指三极管正常工作时最大允许消 耗的功率。三极管消耗的功率PCM=UCE?IC转化为热能损耗 于管内，并主要表现为温度升高。所以，当三极管消耗的功 率超过PCM值时，其发热量将使管子性能变差，甚至烧坏管 子。因此，在使用三极管时，PC必须小于PCM才能保证管子 正常工作。

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