半导体导电特性分解Word下载.docx
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四、课程安排：
1、时间：
每周一课时，共9课时
2、对象：
全校各年级
五、课程内容：
本征半导体的导电特性
常用的半导体材料是单晶硅（Si）和单晶锗（Ge）。
所谓单晶，是指整块晶体中的原子按一定规则整齐地排列着的晶体。
非常纯净的单晶半导体称为本征半导体。
一、本征半导体的原子结构
半导体锗和硅都是四价元素，其原子结构示意图如图Z0102所示。
它们的最外层都有4个电子，带4个单位负电荷。
通常把原子核和内层电子看作一个整体，称为惯性核，如图Z0101所示。
惯性核带有4个单位正电荷，最外层有4个价电子带有4个单位负电荷，因此，整个原子为电中性。
二、本征激发
一般来说，共价键中的价电子不完全象绝缘体中价电子所受束缚那样强，如果能从外界获得一定的能量（如光照、升温、电磁场激发等），一些价电子就可能挣脱共价键的束缚而成为自由电子。
理论和实验表明：
在常温（T＝300K）下，硅共价键中的价电子只要获得大于电离能EG（=1.1eV）的能量便可激发成为自由电子。
本征锗的电离能更小，只有0.72eV。
当共价键中的一个价电子受激发挣脱原子核的束缚成为自由电子的同时，在共价键中便留下了一个空位子，称为"
空穴"
。
当空穴出现时，相邻原子的价电子比较容易离开它所在的共价键而填补到这个空穴中来使该价电子原来所在共价键中出现一个新的空穴，这个空穴又可能被相邻原子的价电子填补，再出现新的空穴。
价电子填补空穴的这种运动无
论在形式上还是效果上都相当于带正电荷的空穴在运动，且运动方向与价电子运动方向相反。
为了区别于自由电子的运动，把这种运动称为空穴运动，并把空穴看成是一种带正点荷的载流子。
电子一空穴对
本征激发
复合：
当自由电子在运动过程中遇到空穴时可能会填充进去从而恢复
一个共价键，与此同时消失一个"
电子一空穴"
对，这一相反过程称为复合。
动态平衡：
在一定温度条件下，产生的"
电子一空穴对"
和复合的"
数量相等时，形成相对平衡，这种相对平衡属于动态平衡，达到动态平衡时"
维持一定的数目。
可见，在半导体中存在着自由电子和空穴两种载流子，而金属导体中只有自由电子一种载流子，这也是半导体与导体导电方式的不同之处。
杂质半导体的导电特性
本征半导体的导电能力很弱，热稳定性也很差，因此，不宜直接用它制造半导体器件。
半导体器件多数是用含有一定数量的某种杂质的半导体制成。
根据掺入杂质性质的不同，杂质半导体分为N型半导体和P型半导体两种。
一、N型半导体
在本征半导体硅（或锗）中掺入微量的5价元素，例如磷，则磷原子就取代了硅晶体中少量的硅原子，占据晶格
上的某些位置。
如图Z0103所示。
由图可见，磷原子最外层有5个价电子，其中4个价电子分别与邻近4个硅原子形成共价键结构，多余的1个价电子在共价键之外，只受到磷原子对它微弱的束缚，因此在室温下，即可获得挣脱束缚所需要的能量而成为自由电子，游离于晶格之间。
失去电子的磷原子则成为不能移动的正离子。
磷原子由于可以释放1个电子而被称为施主原子，又称施主杂质。
在本征半导体中每掺入1个磷原子就可产生1个自由电子，而本
征激发产生的空穴的数目不变。
这样，在掺入磷的半导体中，自由电子的数目就远远超过了空穴数目，成为多数载流子（简称多子），空穴则为少数载流子（简称少子）。
显然，参与导电的主要是电子，故这种半导体称为电子型半导体，简称N型半导体。
二、P型半导体
在本征半导体硅（或锗）中，若掺入微量的3价元素，如硼，这时硼原子就取代了晶体中的少量硅原子，占据晶格上的某些位置，如图Z0104所示。
由图可知，硼原子的3个价电子分别与其邻近的3个硅原子中的3个价电子组成完整的共价键，而与其相邻的另1个硅原子的共价键中则缺少1个电子，出现了1个空穴。
这个空穴被附近硅原子中的价电子来填充后，使3价的硼原子获得了1个电子而变成负离子。
同时，邻近共价键上出现1个空穴。
由于硼原子起着接受电子的作用，故称为受主原子，又称受主杂质。
在本征半导体中每掺入1个硼原子就可以提供1个空穴，当掺入一定数量的硼原子时，就可以使半导体中空穴的数目远大于本征激发电子的数目，成为多数载流于，而电子则成为少数载流子。
显然，参与导电的主要是空穴，故这种半导体称为空穴型半导体，简称P型半导体。
PN结
一、PN结的形成
在一块完整的硅片上，用不同的掺杂工艺使其一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体，那么在两种半导体交界面附近就形成了PN结，如图Z0105所示。
由于P区的多数载流子是空穴，少数载流子是电子；
N区多数载流于是电子，少数载流子是空穴，这就使交界
面两侧明显地存在着两种载流子的浓度差。
因此，N区的电子必然越过界面向P区扩散，并与P区界面附近的空穴复合而消失，在N区的一侧留下了一层不能移动的施主正离子；
同样，P区的空穴也越过界面向N区扩散，与N区界面附近的电子复合而消失，在P区的一侧，留下一层不能移动的受主负离子。
扩散的结果，使交界面两侧出现了由不能移动的带电离子组成的空间电荷区，因而形成了一个由N区指向P区的电场，称为内电场。
随着扩散的进行，空间电荷区加宽，内电场增强，由于内电场的作用是阻碍多子扩散，促使少子漂移，所以，当扩散运动与漂移运动达到动态平衡时，将形成稳定的空间电荷区，称为PN结。
由于空间电荷区内缺少载流子，所以又称PN结为耗尽层或高阻区。
二、PN结的单向导电性
PN结在未加外加电压时，扩散运动与漂移运动处于动态平衡，通过PN结的电流为零。
当电源正极接P区，负极接N区时，称为给pN结加正向电压或正向偏置，如图Z0106所示。
由于PN结是高阻区，而P区和N区的电阻很小，所以正向电压几乎全部加在PN结两端。
在PN结上产生一个外电场，其方向与内电场相反，
在它的推动下，N区的电子要向左边扩散，并与原来空间电荷区的正离子中和，使空间电荷区变窄。
同样，P区的空穴也要向右边扩散，并与原来空间电荷区的负离子中和，使空间电荷区变窄。
结果使内电场减弱，破坏了PN结原有的动态平衡。
于是扩散运动超过了漂移运动，扩散又继续进行。
与此同时，电源不断向P区补充正电荷，向N区补充负电荷，结果在电路中形成了较大的正向电流IF。
而且IF随着正向电压的增大而增大。
当电源正极接N区、负极接P区时，称为给PN结加反向电压或反向偏置。
反向电压产生的外加电场的方向与内电场的方向相同，使PN结内电场加强，它把P区的多子（空穴）和N区的多子（自由电子）从PN结附近拉走，使PN结进一步加宽，PN结的电阻增大，打破了PN结原来的平衡，在电场作用下的漂移运动大于扩散运动。
这时通过PN结的电流，主要是少子形成的漂移电流，称为反向电流IR。
由于在常温下，少数载流子的数量不多，故反向电流很小，而且当外加电压在一定范围内变化时，它几乎不随外加电压的变化而变化，因此反向电流又称为反向饱和电流。
当反向电流可以忽略时，就可认为PN结处于截止状态。
值得注意的是，由于本征激发随温度的升高而加剧，导致电子一空穴对增多，因而反向电流将随温度的升高而成倍增长。
反向电流是造成电路噪声的主，要原因之一，因此，在设计电路时，必须考虑温度补偿问题。
综上所述，PN结正偏时，正向电流较大，相当于PN结导通，反偏时，反向电流很小，相当于PN结截止。
这就是PN结的单向导电性。
晶体二极管
二极管的结构与伏安特性
晶体二极管也称半导体二极管，它是在PN结上加接触电极、引线和管壳封装而成的。
按其结构，通常有点接触型和面结型两类。
常用符号如图Z0107中V、VD（本资料用D）来表示。
点接触型适用于工作电流小、工作频率高的场合；
（如图Z0108）
面结合型适用于工作电流较大、工作频率较低的场合；
（如图Z0109）
平面型适用于工作电流大、功率大、工作频率低的场合。
（如图Z0110）
按使用的半导体材料分，有硅二极管和锗二极管；
按用途分，有普通二极管、整流二极管、检波二极管、混频二极管、稳压二极管、开关二极管、光敏二极管、变容二极管、光电二极管等。
二极管是由一个PN结构成的，它的主要特性就是单向导电性，通常主要用它的伏安特性来表示。
二极管的伏安特性是指流过二极管的电流iD与加于二极管两端的电压uD之间的关系或曲线。
用逐点测量的方法
测绘出来或用晶体管图示仪显示出来的U～I曲线，称二极管的伏安特性曲线。
图Z0111是二极管的伏安特性曲线示意图，依此为例说明其特性。
一、正向特性
由图可以看出，当所加的正向电压为零时，电流为零；
当正向电压较小时，由于外电场远不足以克服PN结内电场对多数载流子扩散运动所造成的阻力，故正向电流很小（几乎为零），二极管呈现出较大的电阻。
这段曲线称为死区。
当正向电压升高到一定值Uγ（Uth）以后内电场被显著减弱，正向电流才有明显增加。
Uγ被称为门限电压或阀电压。
Uγ视二极管材料和温度的不同而不同，常温下，硅管一般为0.5V左右，锗管为0.1V左右。
在实际应用中，常把正向特性较直部分延长交于横轴的一点，定为门限电压Uγ的值，如图中虚线与U轴的交点。
当正向电压大于Uγ以后，正向电流随正向电压几乎线性增长。
把正向电流随正向电压线性增长时所对应的正向电压，称为二极管的导通电压，用UF来表示。
通常，硅管的导通电压约为0.6～0.8V（一般取为0.7V），锗管的导通电压约为0.1～0.3V（一般取为0.2V）。
二、反向特性
当二极管两端外加反向电压时，PN结内电场进一步增强，使扩散更难进行。
这时只有少数载流子在反向电压作用下的漂移运动形成微弱的反向电流IR。
反向电流很小，且几乎不随反向电压的增大而增大（在一定的范围内），如图Z0111中所示。
但反向电流是温度的函数，将随温度的变化而变化。
常温下，小功率硅管的反向电流在nA数量级，锗管的反向电流在μA数量级。
三、反向击穿特性
当反向电压增大到一定数值UBR时，反向电流剧增，这种现象称为二极管的击穿，UBR（或用VB表示）称为击穿电压，UBR视不同二极管而定，普通二极管一般在几十伏以上且硅管较锗管为高。
击穿特性的特点是，虽然反向电流剧增，但二极管的端电压却变化很小，这一特点成为制作稳压二极管的依据。
四、二极管伏安特性的数学表达式
由理论分析可知，二极管的伏安特性可近似用下面的数学表达式来表示：
式中，iD为流过二极管的电流，uD。
为加在二极管两端的电压，VT称为温度的电压当量，与热力学温度成正比，表示为
VT=kT／q其中T为热力学温度，单位是K；
q是电子的电荷量，
；
k为玻耳兹曼常数，
室温下，可求得VT=26mV。
IR（sat）是二极管的反向饱和电流。
五、温度对二极管伏安特性的影响
二极管是温度的敏感器件，温度的变化对其伏安特性的影响主要表现为：
随着温度的升高，其正向特性曲线左移，即正向压降减小；
反向特性曲线下移，即反向电流增大。
一般在室温附近，温度每升高1°
C，其正向压降减小2～2.5mV；
温度每升高10°
C：
，反向电流大约增大1倍左右。
综上所述，二极管的伏安特性具有以下特点：
①二极管具有单向导电性；
②二极管的伏安特性具有非线性；
③二极管的伏安特性与温度有关。
三极管的结构与分类
晶体三极管
晶体三极管又称半导体三极管，简称晶体管或三极管。
在三极管内，有两种载流子：
电子与空穴，它们同时参与导电，故晶体三极管又称为双极型晶体三极管，简记为BJT（英文Bipo1arJunctionTransistor的缩写）。
它的基本功能是具有电流放大作用。
一、结构
图Z0113和图Z0114给出了NPN和PNP型两类三极管的结构示意图和表示符号。
它有两个PN结（分别称为发射结和集电结），三个区（分别称为发射区、基区和集电区），从三个区域引出三个电极（分别称为发射极e、基极b和集电极c）。
发射极的箭头方向代表发射结正向导通时的电流的实际流向。
为了保证三极管具有良好的电流放大作用，在制造三极管的工艺过程中，必须作到：
①使发射区的掺杂浓度最高，以有效地发射载流子；
②使基区掺杂浓度最小，且区最薄，以有效地传输载流子；
③使集电区面积最大，且掺杂浓度小于发射区，以有效地收集载流子。
二、分类
在实际应用中，从不同的角度对三极管可有不同的分类方法。
按材料分，有硅管和锗管；
按结构分，有NPN型管和PNP型管；
按工作频率分，有高频管和低频管；
按制造工艺分，有合金管和平面管；
按功率分，有中、小功率管和大功率管等等。
发光二极管
发光二极管是一种直接能把电能转变为光能的半导体器件。
与其它发光器件相比，具有体积小、功耗低、发光均匀、稳定、响应速度快、寿命长和可靠性高等优点，被广泛应用于各种电子仪器、音响设备、计算机等作电流指示、音频指示和信息状态显示等。
一、发光原理
发光二极管的管芯结构与普通二极管相似，由一个PN结构成。
当在发光二极管PN结上加正向电压时，
空间电荷层变窄，载流子扩散运动大于漂移运动，致使P区的空穴注入N区，N区的电子注入P区。
当电子和空穴复合时会释放出能量并以发光的形式表现出来。
二、种类和符号
发光二极管的种类很多，按发光材料来区分有磷化镓（GaP）发光二极管、磷砷化镓（GaAsP）发光二极管、砷铝镓（GaAIAs）发光二极管等；
按发光颜色来分有发红光、黄光、绿光以及眼睛看不见的红外发光二极管等；
若按功率来区别可分为小功率（HG400系列）、中功率（HG50系列）和大功率（HG52系列）发光二极管：
另外还有多色、变色发光二极管等等。
发光二极管及在电路中的符号，如图Z0128所示。
小功率的发光二极管正常工作电流在10～30mA范围内。
通常正向压降值在1.5～3V范围内。
发光二极管的反向耐压一般在6V左右。
发光二极管的伏安特性与整流二极管相似。
为了避免由于电源波动引起正向电流值超过最大允许工作电流而导致管子烧坏，通常应串联一个限流电阻来限制流过二极管的电流。
由于发光二极管最大允许工作电流随环境温度的升高而降低，因此，发光二极管不宜在高温环境中使用。
发光二极管的反向耐压（即反向击穿电压）值比普通二极管的小，所以使用时，为了防止击穿造成发光二极管不发光，在电路中要加接二极管来保护。
集成电路的特点
集成电路一般是在一块厚0.2～0.5mm、面积约为0.5mm的P型硅片上通过平面工艺制做成的。
这种硅片（称为集成电路的基片）上可以做出包含为十个（或更多）二极管、电阻、电容和连接导线的电路。
一、集成电路中元器件的特点
与分立元器件相比，集成电路元器件有以下特点：
1.单个元器件的精度不高，受温度影响也较大，但在同一硅片上用相同工艺制造出来的元器件性能比较一致，对称性好，相邻元器件的温度差别小，因而同一类元器件温度特性也基本一致；
2.集成电阻及电容的数值范围窄，数值较大的电阻、电容占用硅片面积大。
集成电阻一般在几十Ω～几十kΩ范围内，电容一般为几十pF。
电感目前不能集成；
3.元器件性能参数的绝对误差比较大，而同类元器件性能参数之比值比较精确；
4.纵向NPN管β值较大，占用硅片面积小，容易制造。
而横向PNP管的β值很小，但其PN结的耐压高。
二、集成电路的设计特点
由于制造工艺及元器件的特点，模拟集成电路在电路设计思想上与分立元器件电路相比有很大的不同。
1.在所用元器件方面，尽可能地多用晶体管，少用电阻、电容；
2.在电路形式上大量选用差动放大电路与各种恒流源电路，级间耦合采用直接耦合方式；
3.尽可能地利用参数补偿原理把对单个元器件的高精度要求转化为对两个器件有相同参数误差的要求；
尽量选择特性只受电阻或其它参数比值影响的电路
半波整流电路
一、半波整流电路
半波整流电路如图Z0702所示。
它由电源变压器Tr整流二极管D和负载电阻RL组成，变压器的初级接交流电源，
次级所感应的交流电压为
其中U2m为次级电压的峰值，U2为有效值。
电路的工作过程是：
在u2的正半周（ωt=0~π），二极管因加正向偏压而导通，有电流iL流过负载电阻RL。
由于将二极管看作理想器件，故RL上的电压uL与u2的正半周电压基本相同。
在u2的负半周（ωt=π~2π），二极管D因加反向电压而截止，RL上无电流流过，RL上的电压uL=0。
可画出整流波形如图I0702所示。
可见，由于二极管的单向导电作用，使流过负载电阻的电流为脉动电流，电压也为一单向脉动电压，
其电压的平均值（输出直流分量）为
GS0701
流过负载的平均电流为
GS0702
流过二极管D的平均电流（即正向电流）为
GS0703
加在二极管两端的最高反向电压为
GS0704。
选择整流二极管时，应以这两个参数为极限参数。
半波整流电路简单，元件少，但输出电压直流成分小（只有半个波），脉动程度大，整流效率低，仅适用于输出电流小、允许脉动程度大、要求较低的场合。
桥式整流电路
桥式整流电路如图Z0705所示，其中图（a）、（b）、（c）是它的三种不同画法。
它是由电源变压器、四只整流二极管D1~4和负载电阻RL组成。
四只整流二极管接成电桥形式，故称桥式整流。
桥式整流电路的工作原理如图Z0706所示。
在u2的正半周，D1、D3导通，D2、D4截止，电流由TR次级上端经D1→RL→D3回到TR次级下端，在负载RL上得到一半波整流电压。
在u2的负半周，D1、D3截止，D2、D4导通，电流由Tr次级的下端经D2→RL→D4回到Tr次级上端，在负载RL上得到另一半波整流电压。
这样就在负载RL上得到一个与全波整流相同的电压波形，其电流的计算与全波整流相同，即
UL=0.9U2
GS0709
IL=0.9U2／RL
GS0710
流过每个二极管的平均电流为
ID=IL／2=0.45U2／RL
每个二极管所承受的最高反向电压为
目前，小功率桥式整流电路的四只整流二极管，被接成桥路后封装成一个整流器件，称"
硅桥"
或"
桥堆"
，使用方便，整流电路也常简化为图Z0705（c）的形式。
桥式整流电路克服了全波整流电路要求变压器次级有中心抽头和二极管承受反压大的缺点，但多用了两只二极管。
在半导体器件发展快，成本较低的今天，此缺点并不突出，因而桥式整流电路在实际中应用较为广泛。
电感三点式振荡电路
图Z0805是电感三点式振荡电路，又称哈特莱振荡电路。
图中L1、L2、C组成谐振回路，L2兼作反馈网络，
通过耦合电容Cb将L2上反馈电压送到三极管的基极。
由图Z0806交流通路看出，谐振回路有三个端点与三极管的三个电极相连，而且与发射极相接的是L1、L2，与基极相接的是L2、C即满足"
射同基反"
的原则。
因此电路必然满足相位平衡条件。
当回路的Q值较高时，该电路的振荡频率基本上等于LC回路的谐振频率，即
式中L=L1＋L2＋2M为回路总电感。
该电路的特点与变压器反馈式振荡电路极为相似。
须指出：
它的输出波形较差，这是由于反馈电压取自电感的两端，而电感对高次谐波的阻抗较大，不能将它短路，从而使Uf中含有较多的谐波分量，因此，输出波形中也就含有较多的高次谐波。
用集成运放构成的电感三点式振荡电路如图Z0807所示，不难证明其振荡频率为：
电容三点式振荡电路
电容三点式振荡电路又称考毕兹振荡电路，如图Z0808所示，其结构与电感三点式振荡电路相似，只是将电感、电容互换了位置。
为了形成集电极回路的直流通路，增设了电阻RC。
该电路的交流通路如图Z0809所示。
可以看出，它符合三点式振荡电路"
的构成原则，满足自激振荡的相位平衡条件。
在LC谐振回路Q值足够高的条件下，电路的振荡频率为
其中
这种振荡电路的特点是振荡频率可做得较高，一般可达到100MHz以
上，由于C2对高次谐波阻抗小，使反馈电压中的高次谐波成分较小，因而振荡波形较好。
电路的缺点是频率调节不便，这是因为调节电容来改变频率时，（既使C1、C2采用双连可变电容）C1与C2也难于按比例变化，从而引起电路工作性能的不稳定。
因此，该电路只适宜产生固定频率的振荡。
用集成运放构成的电容三点式振荡电路，如Z0810所示。
可以证明，其振荡频率为：
调制、解调和变频－调制方式
在无线电通讯和广播中，需要传送由语言、音乐、文字、图象等转换成的电信号。
由于这些信号频率比较低，根据电磁理论，低频信号不能直接以电磁波的形式有效地从天线上发射出去。
因此，在发送端须采用调制的方式，将低频信号加到高频信号之上，然后将这种带有低频信号的高频信号发射出去，在接收端则把带有这种低频信号的高频信号接收下来，经过频率变换和相应的解调方式"
检出"
原来的低频信号，从而达到通讯和广播的目的。
要把低频信号"
加到"
高频振荡上去，可由低频信号去控制高频等幅振
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