課題六 半導(dǎo)體基本知識

課題六半導(dǎo)體基本知識學習情境1

了解半導(dǎo)體及PN結(jié)的

基本知識

一、半導(dǎo)體的基本特性

在自然界中存在著許多不同的物質(zhì)，根據(jù)其導(dǎo)電性能的不同大體可分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體三大類。

通常將很容易導(dǎo)電、電阻率小于10-4Ω·cm的物質(zhì)稱為導(dǎo)體，如銅、鋁、銀等金屬材料；

將很難導(dǎo)電、電阻率大于1010Ω·cm的物質(zhì)稱為絕緣體，如塑料、橡膠、陶瓷等材料；

將導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間、電阻率在10-4～1010Ω·cm范圍內(nèi)的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體。

常用的半導(dǎo)體材料是硅(Si)和鍺(Ge)。

用半導(dǎo)體材料制作電子元器件，不是因為它的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，而是由于其導(dǎo)電能力會隨著溫度的變化、光照或摻入雜質(zhì)的多少發(fā)生顯著的變化，這就是半導(dǎo)體不同于導(dǎo)體的特殊性質(zhì)。

（一）熱敏性

（二）光敏性

（三）雜敏性二、本征半導(dǎo)體

原子由原子核和電子構(gòu)成，原子核由帶正電的質(zhì)子和不帶電的中子構(gòu)成，電子帶負電并圍繞原子核旋轉(zhuǎn)。電子以不同的距離在核外分層排布，距核越遠，電子的能量越高，最外層的電子被稱為價電子，物質(zhì)的化學性質(zhì)就是由價電子的數(shù)目決定的。

由于現(xiàn)在所用的半導(dǎo)體材料仍然主要是硅和鍺，因此在這里只討論硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)，圖6-1所示是硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)簡化模型。硅和鍺的外層電子都是4個，它們是四價元素。

隨著原子間的相互靠近，價電子相互作用并形成晶體。晶體的最終結(jié)構(gòu)是四面體，每個原子(硅或鍺)周圍都有4個臨近的(硅或鍺)原子，分布在兩個原子間的價電子構(gòu)成共價鍵，如圖6-2所示的硅和鍺四面體結(jié)構(gòu)。圖6-1

硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)簡化模型

圖6-2

硅和鍺四面體結(jié)構(gòu)

硅和鍺四面體結(jié)構(gòu)一般用二維平面圖來表示，如圖6-3所示的硅和鍺晶體結(jié)構(gòu)平面。

在晶體結(jié)構(gòu)中，通過電子運動，每一半導(dǎo)體原子最外層的4個價電子與相鄰的4個半導(dǎo)體原子的各一個價電子組成4對共價鍵，并按規(guī)律排列，圖中的原子間每條線代表一個價電子。

本征半導(dǎo)體就是以上所說的一種純凈的半導(dǎo)體晶體。在熱力學溫度T=0K(-273℃)無外部激發(fā)能量時，每個價電子都處于最低能態(tài)，價電子沒有能力脫離共價鍵的束縛，沒有能夠自由移動的帶電粒子，這時的本征半導(dǎo)體被認為是絕緣體。

當價電子在外部能量(如溫度升高、光照)作用下，一部分價電子脫離共價鍵的束縛成為自由電子，這一過程叫本征激發(fā)。

在外部能量的作用下，填補空穴的價電子做定向移動也形成漂移電流。但這種價電子的填補運動是由于空穴的產(chǎn)生引起的，而且始終是在原子的共價鍵之間進行的，它不同于自由電子在晶體中的自由運動。

同時，價電子填補空穴的運動無論在形式上還是在效果上都相當于空穴在與價電子運動相反的方向上運動。為了區(qū)分電子的這兩種不同的運動，把后一種運動叫做空穴運動，空穴被看做帶正電荷的帶電粒子，稱它為空穴載流子，如圖6-4所示半導(dǎo)體中的兩種載流子。

綜上所述，本征半導(dǎo)體中存在兩種載流子：帶負電荷的自由電子和帶正電荷的空穴。它們是成對出現(xiàn)的，也叫電子空穴對。由于兩者電荷量相等，極性相反，因此本征半導(dǎo)體是電中性的。

本征半導(dǎo)體在外界的作用下，電子形成電子電流，空穴形成空穴電流，雖然兩種載流子的運動方向相反，但因為它們所帶的電荷極性也相反，所以，兩種電流的實際方向是相同的，它們的和就是半導(dǎo)體中的電流。圖6-3

硅和鍺晶體結(jié)構(gòu)平面

圖6-4

半導(dǎo)體中的兩種載流子三、雜質(zhì)半導(dǎo)體

本征半導(dǎo)體的電阻率比較大，載流子濃度又小，且對溫度變化敏感，因此它的用途很有限。在本征半導(dǎo)體中，人為地摻入少量其他元素（稱雜質(zhì)），可以使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著的變化。利用這一特性，可以制成各種性能不同的半導(dǎo)體器件，這樣使得它的用途大大增加。

摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體叫雜質(zhì)半導(dǎo)體。根據(jù)摻入雜質(zhì)性質(zhì)的不同，可分為兩種：電子型半導(dǎo)體和空穴型半導(dǎo)體。

載流子以電子為主的半導(dǎo)體叫電子型半導(dǎo)體，因為電子帶負電，取英文單詞“負”（Negative）的第一個字母“N”，所以電子型半導(dǎo)體又稱為“N型半導(dǎo)體”。

載流子以空穴為主的半導(dǎo)體叫空穴型半導(dǎo)體，取英文單詞“正”（Positive）的第一個字母“P”，故空穴型半導(dǎo)體又稱為“P型半導(dǎo)體”。下面以硅材料為例進行討論。

（一）N型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入正五價元素（如磷、砷）使每一個五價元素取代一個四價元素在晶體中的位置，可以形成N型半導(dǎo)體。摻入的元素原子有5個價電子，其中4個與硅原子結(jié)合成共價鍵，余下的一個不在共價鍵之內(nèi)，摻入的五價元素原子對它的束縛力很小。因此只需較小的能量便可激發(fā)而成為自由電子。

由于摻入的五價元素原子很容易貢獻出一個自由電子，因此稱為“施主雜質(zhì)”。摻入的五價元素原子提供一個電子（成為自由電子）后，它本身因失去電子而成為正離子。

在上述情況下，半導(dǎo)體中除了大量的由摻入的五價元素原子提供的自由電子外，還存在由本征激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對，它們是少數(shù)載流子。

這種雜質(zhì)半導(dǎo)體以自由電子導(dǎo)電為主，因而稱為電子型半導(dǎo)體，或N型半導(dǎo)體。

在N型半導(dǎo)體中，由于自由電子是多數(shù)，因此N型半導(dǎo)體中的自由電子稱為多數(shù)載流子（簡稱“多子”），而空穴稱為少數(shù)載流子（簡稱“少子”）。

（二）P型半導(dǎo)體

當本征半導(dǎo)體中摻入正三價雜質(zhì)元素（如硼、鎵）時，三價元素原子為形成四對共價鍵使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，常吸引附近半導(dǎo)體原子的價電子，從而產(chǎn)生一個空穴和一個負離子，故這種雜質(zhì)半導(dǎo)體的多數(shù)載流子是空穴，因為空穴帶正電，所以稱為P型半導(dǎo)體，也稱為“空穴型半導(dǎo)體”。

除了多數(shù)載流子空穴外，還存在由本征激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對，可形成少數(shù)載流子自由電子。由于所摻入的雜質(zhì)元素原子易于接受相鄰的半導(dǎo)體原子的價電子成為負離子，故稱為“受主雜質(zhì)”。

在P型半導(dǎo)體中，由于空穴是多數(shù)，故P型半導(dǎo)體中的空穴稱為多數(shù)載流子（簡稱“多子”）而自由電子稱為少數(shù)載流子（簡稱“少子”）。四、PN結(jié)

如果將一塊半導(dǎo)體的一側(cè)摻雜成為P型半導(dǎo)體，而另一側(cè)摻雜成為N型半導(dǎo)體，則在二者的交界處將形成一個PN結(jié)。

（一）PN結(jié)的形成

在P型和N型半導(dǎo)體的交界面兩側(cè)，由于自由電子和空穴的濃度相差懸殊，因此N區(qū)中的多數(shù)載流子自由電子要向P區(qū)擴散，同時P區(qū)中的多數(shù)載流子空穴也要向N區(qū)擴散，并且當電子和空穴相遇時，將發(fā)生復(fù)合而消失，如圖6-5所示。圖6-5

PN結(jié)的形成

于是，在交界面兩側(cè)將分別形成不能移動的正、負離子區(qū)，正、負離子處于晶格位置而不能移動，所以稱為空間電荷區(qū)（也稱為內(nèi)電場）。由于空間電荷區(qū)內(nèi)的載流子數(shù)量極少，近似分析時可忽略不計，因此也稱其為耗盡層。

空間電荷區(qū)一側(cè)帶正電，另一側(cè)帶負電，所以形成了內(nèi)電場Ein，其方向由N區(qū)指向P區(qū)。在內(nèi)電場Ein的作用下，P區(qū)和N區(qū)中的少子會向?qū)Ψ狡?，同時內(nèi)電場將阻止多子向?qū)Ψ綌U散，當擴散運動的多子數(shù)量與漂移運動的少子數(shù)量相等，兩種運動達到動態(tài)平衡的時候，空間電荷區(qū)的寬度一定，PN結(jié)就形成了。

一般來說，空間電荷區(qū)的寬度很薄，約為幾微米至幾十微米；由于空間電荷區(qū)內(nèi)幾乎沒有載流子，其電阻率很高。

（二）PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

在PN結(jié)的兩端引出電極，P區(qū)的一端稱為陽極，N區(qū)的一端稱為陰極。在PN結(jié)的兩端外加不同極性的電壓時，PN結(jié)表現(xiàn)出截然不同的導(dǎo)電性能，稱為PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴?/p>

1.在外加正向電壓時PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)

當外加電壓使PN結(jié)的陽極電位高于陰極時，稱PN結(jié)外加正向電壓或PN結(jié)正向偏置（簡稱“正偏”），如圖6-6所示。

圖中實心點代表電子，空心圈代表空穴。此時，外加電場Eout與內(nèi)電場Ein的方向相反，其作用是增強擴散運動而削弱漂移運動。

所以，外電場驅(qū)使P區(qū)的多子進入空間電荷區(qū)抵消一部分負空間電荷，也使N區(qū)的多子電子進入空間電荷區(qū)抵消一部分正空間電荷，其結(jié)果是使空間電荷區(qū)變窄，PN結(jié)呈現(xiàn)低電阻（一般為幾百歐姆）；同時由于擴散運動占主導(dǎo)，形成較大的正向電流（mA級），此時PN結(jié)導(dǎo)通，相當于開關(guān)的閉合狀態(tài)。

由于PN結(jié)導(dǎo)通時，其電位差只有零點幾伏，且呈現(xiàn)低電阻，因此應(yīng)該在其所在回路中串聯(lián)一個限流電阻，以防止PN結(jié)因過流而損壞。圖6-6

PN結(jié)加正向偏置導(dǎo)通時的情況

2.在外加反向電壓時PN結(jié)處于截止狀態(tài)

當外加電壓使PN結(jié)的陽極電位低于陰極時，稱PN結(jié)外加反向電壓或PN結(jié)反向偏置（簡稱“反偏”），如圖6-7所示。

此時，外加電場Eout與內(nèi)電場Ein的方向一致，并與內(nèi)電場一起阻止擴散運動而促進漂移運動。其結(jié)果是使空間電荷區(qū)變寬。PN結(jié)呈現(xiàn)高電阻（一般為幾千歐姆至幾百千歐姆）。

同時由于漂移運動占主導(dǎo)，而少子由本征激發(fā)產(chǎn)生，數(shù)量極少，因此由少子形成的反向電流很?。é藺級），近似分析時可忽略不計。

此時PN結(jié)截止，相當于開關(guān)的斷開狀態(tài)。

在一定溫度下，當外加反向電壓超過某個值（大約零點幾伏）后，反向電流將不再隨外加反向電壓的增加而增大，所以又稱其為反向飽和電流Is。

由上可知，PN結(jié)正偏時，正向電阻很小，正向電流較大，呈導(dǎo)通狀態(tài)；PN結(jié)反偏時，反向電阻很大，反向電流非常小，呈截止狀態(tài)。這就是PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕且恍┒O管應(yīng)用電路的基礎(chǔ)。

需要指出的是，當反向電壓超過一定數(shù)值后，反向電流將急劇增加，這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿，此時PN結(jié)的單向?qū)щ娦员黄茐摹D6-7

PN結(jié)加反向偏置截止時的情況學習情境2

了解半導(dǎo)體二極管的基本知識

在一個PN結(jié)的兩端加上電極引線并用外殼封裝起來，就構(gòu)成了半導(dǎo)體二極管。由P型半導(dǎo)體引出的電極，叫做正極(或陽極)，由N型半導(dǎo)體引出的電極，叫做負極(或陰極)。通常用如圖6-8（c）所示的符號表示。

按照結(jié)構(gòu)工藝的不同，二極管有點接觸型和面接觸型兩類。它們的管芯結(jié)構(gòu)和符號如圖6-8所示。

圖6-8

二極管的結(jié)構(gòu)和符號(a)點接觸型；(b)面接觸型；(c)符號

點接觸型二極管(一般為鍺管)的PN結(jié)結(jié)面積很小(結(jié)電容小)，工作頻率高，適用于高頻電路和開關(guān)電路；面接觸型二極管(一般為硅管)的PN結(jié)結(jié)面積大(結(jié)電容大)，工作頻率較低，適用于大功率整流等低頻電路中。

半導(dǎo)體二極管的種類和型號很多，可以用不同的符號來代表它們，如2AP9，其中“2”表示二極管，“A”表示采用N型鍺材料為基片，“P”表示普通用途管(P為漢語拼音字頭)，“9”為產(chǎn)品性能序號；又如2CZ8，其中“C”表示由N型硅材料作為基片，“Z”表示整流管。一、二極管的伏安特性

二極管既然是一個PN結(jié)，它必然具有單向?qū)щ娦?。其伏安特性曲線如圖6-9所示。所謂伏安特性，就是指加到二極管兩端的電壓與流過二極管的電流的關(guān)系曲線。二極管的伏安特性曲線可分為正向特性和反向特性兩部分。

（一）正向特性

當二極管加上很低的正向電壓時，外電場還不能克服PN結(jié)內(nèi)電場對多數(shù)載流子擴散運動所形成的阻力，故正向電流很小，二極管呈現(xiàn)很大的電阻。當正向電壓超過一定數(shù)值即死區(qū)電壓后，內(nèi)電場被大大削弱，電流增長很快，二極管電阻變得很小。

死區(qū)電壓又稱“閾值電壓”，硅管約為0.6～0.7V，鍺管約為0.2～0.3V。二極管正向?qū)〞r，硅管的壓降一般為0.6～0.7V，鍺管則為0.2～0.3V。圖6-9

二極管的伏安特性曲線(a)2CP10硅二極管；(b)2AP鍺二極管

（二）反向特性

二極管加上反向電壓時，由于少數(shù)載流子的漂移運動，因此形成很小的反向電流。反向電流有兩個特性，一是它隨溫度的上升增長很快；二是在反向電壓不超過某一數(shù)值時，反向電流不隨反向電壓改變而改變，故這個電流稱為反向飽和電流。

當外加反向電壓過高時，反向電流將突然增大，二極管失去單向?qū)щ娦裕@種現(xiàn)象稱為電擊穿。二極管被擊穿后，一般不能恢復(fù)原來的性能。產(chǎn)生擊穿時加在二極管上的反向電壓稱為反向擊穿電壓U（BR）。二、二極管的主要參數(shù)

二極管的特性除用伏安特性曲線表示外，還可用一些數(shù)據(jù)來說明，這些數(shù)據(jù)就是二極管的參數(shù)。各種參數(shù)都可從半導(dǎo)體器件手冊中查出，下面只介紹幾個常用的主要參數(shù)。

（一）最大整流電流IF

最大整流電流是指二極管長時間使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。當電流超過這個允許值時，二極管會因過熱而燒壞，使用時務(wù)必注意。

（二）反向峰值電壓URM

保證二極管不被擊穿而得出的反向峰值電壓，一般是反向擊穿電壓的一半或三分

之二。

（三）反向峰值電流IRM

反向峰值電流是指在二極管上加反向峰值電壓時的反向電流值。反向電流大，說明單向?qū)щ娦阅懿睿⑶沂軠囟鹊挠绊懘?。學習情境3

掌握二極管基本電路及其應(yīng)用

在進行電路分析時，一般可將二極管視為理想元件，即認為其正向電阻為零，正向?qū)〞r為短路特性，正向壓降忽略不計；反向電阻為無窮大，反向截止時為開路特性，反向漏電流忽略不計。

二極管的應(yīng)用范圍很廣，主要都是利用它的單向?qū)щ娦?。它可用于鉗位、限幅、整流、開關(guān)、穩(wěn)壓、元件保護等，也可在脈沖與數(shù)字電路中作為開關(guān)元件等。一、整流應(yīng)用

利用二極管的單向?qū)щ娦钥梢园汛笮『头较蚨甲兓恼医涣麟娮優(yōu)閱蜗蛎}動的直流電，如圖6-10所示。這種方法簡單、經(jīng)濟，在日常生活及電子電路中經(jīng)常采用。根據(jù)這個原理，還可以構(gòu)成整流效果更好的單相全波、單相橋式等整流電路。圖6-10

二極管的整流應(yīng)用(a)二極管整流電路；(b)輸入與輸出波形二、鉗位應(yīng)用

利用二極管的單向?qū)щ娦栽陔娐分锌梢云鸬姐Q位的作用。

例6-1

在如圖6-11所示的電路中，已知輸入端A的電位UA=3V，B的電位UB=0V，電阻R接-12V電源，求輸出端F的電位UF。圖6-11

例6-1圖

解：因為UA>UB，所以二極管D1優(yōu)先導(dǎo)通，設(shè)二極管為理想元件，則輸出端F的電位為UF=UA=3V。當D1導(dǎo)通后，D2上加的是反向電壓，D2因而截止。在這里，二極管D1起鉗位作用，把F端的電位鉗位在3V；D2起隔離作用，把輸入端B和輸出端F隔離開來。三、限幅應(yīng)用

利用二極管的單向?qū)щ娦?，將輸入電壓限定在要求的范圍之?nèi)，叫做限幅。

例6-2

在如圖6-12（a）所示的電路中，已知輸入電壓ui=10sinωtV，電源電動勢E=5V，二極管為理想元件，試畫出輸出電壓Uo的波形。

解：根據(jù)二極管的單向?qū)щ娞匦钥芍攗i≤5V時，二極管D截止，相當于開路，因電阻R中無電流流過，故輸出電壓與輸入電壓相等，即ui=uo；當ui>5V時，二極管D導(dǎo)通，相當于短路，故輸出電壓等于電源電動勢，即uo=E=5V。

所以，在輸出電壓Uo的波形中，5V以上的波形均被削去，輸出電壓被限制在5V以內(nèi)，波形如圖6-12（b）所示。在這里，二極管起限幅作用。圖6-12

例6-2圖(a)電路；(b)輸入與輸出電壓波形四、穩(wěn)壓應(yīng)用和開關(guān)應(yīng)用

（一）穩(wěn)壓應(yīng)用

在需要不高的穩(wěn)定電壓輸出時，可以利用幾個二極管的正向壓降串聯(lián)來實現(xiàn)。還有一種穩(wěn)壓二極管，可以專門用來實現(xiàn)穩(wěn)定電壓輸出。穩(wěn)壓二極管不同的系列用以實現(xiàn)不同的穩(wěn)定電壓輸出。

（二）開關(guān)應(yīng)用

在數(shù)字電路中經(jīng)常將半導(dǎo)體二極管作為開關(guān)元件來使用，因為二極管只有單向?qū)щ娦?，可以相當于一個受外加偏置電壓控制的無觸點開關(guān)。

如圖6-13所示，為監(jiān)測發(fā)電機組工作的某種儀表的部分電路。其中us是需要定期通過二極管D加入記憶電路的信號，ui為控制信號。

當控制信號ui=10V時，D的負極電位被抬高，二極管截止，相當于“開關(guān)斷開”，us不能通過D。

當ui=0V時，D正偏導(dǎo)通，us可以通過D加入記憶電路。

此時二極管相當于“開關(guān)閉合”情況。這樣，二極管D就在信號ui的控制下，實現(xiàn)了接通或關(guān)斷us信號的作用。圖6-13

二極管的開關(guān)應(yīng)用

五、二極管的極性判別與性能測試

（一）二極管的極性判別

有的二極管從外殼的形狀上可以區(qū)分電極；有的二極管的極性用二極管符號印在外殼上，箭頭指向的一端為負極；還有的二極管用色環(huán)或色點來標志(靠近色環(huán)的一端是負極，有色點的一端是正極)。若標志脫落，可用萬用表測其正反向電阻值來確定二極管的電極。

測量時把萬用表置于R×100檔或R×1k檔，不可用R×1檔或R×10k檔，前者電流太大，后者電壓太高，有可能對二極管造成不利的影響。用萬用表的黑表筆和紅表筆分別與二極管兩極相連。對于指針式萬用表，當測得電阻較小時，與黑表筆相接的極為二極管正極；測得電阻很大時，與紅表筆相接的極為二極管正極。

對于數(shù)字萬用表，由于表內(nèi)電池極性相反，數(shù)字表的紅表筆為表內(nèi)電池正極，實際測量中必須要注意。對于數(shù)字萬用表，還可以用專門的二極管檔來測量，當二極管被正向偏置時，顯示屏上將顯示二極管的正向?qū)▔航担瑔挝皇呛练?/p>

（二）性能測試

二極管正、反向電阻的測量值相差越大越好，一般二極管的正向電阻測量值為幾百歐姆，反向電阻為幾十千歐姆到幾百千歐姆。如果測得正、反向電阻均為無窮大，說明內(nèi)部斷路；若測量值均為零，則說明內(nèi)部短路；如測得正、反向電阻幾乎一樣大，這樣的二極管已經(jīng)失去單向?qū)щ娦?，沒有使用價值了。

一般來說，硅二極管的正向電阻在幾百到幾千歐姆，鍺管小于1kΩ，因此，如果正向電阻較小，基本上可以認為是鍺管。

若要更準確地知道二極管的材料，可將管子接入正偏電路中測其導(dǎo)通壓降：若壓降在0.6～0.7V左右，則是硅管；若壓降在0.2～0.3V左右，則是鍺管。利用數(shù)字萬用表的二極管檔，也可以很方便地知道二極管的材料。學習情境4

了解特殊二極管的基本知識

除了上述普通二極管外，還有一些特殊二極管，如穩(wěn)壓二極管、發(fā)光二極管和光電二極管等，對它們僅做簡單的介紹。一、穩(wěn)壓二極管

（一）穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓作用

穩(wěn)壓二極管是一種特殊的硅二極管，由于它在電路中與適當數(shù)值的電阻配合后能起穩(wěn)定電壓的作用，因此稱為穩(wěn)壓二級管。穩(wěn)壓二級管的伏安特性曲線與普通二極管的類似，如圖6-14（a）所示，其差異是穩(wěn)壓二級管的反向