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第1章 半导体器件教学提示：二极管和三极管是最常用的半导体器件，本章主要学习半导体二极管、双极型三极管和场效应三极管的基本结构、特性及应用，它们是构成各种电子线路的基本元件。
教学要求：理解PN结的单向导电性，半导体三极管和场效应三极管的放大原理及主要参数；重点掌握二极管的伏安特性及应用，三极管的输入、输出特性及微变等效电路。
1.1 半导体的基本知识自然界中的各种物质，按导电能力的大小可以分为导体、半导体和绝缘体三类。
铜、−Ω⋅以下，它们属于导体，具有较好的导电性能。
橡胶、塑铝等金属物质的电阻率在410cm料等物质的电阻率在10Ω⋅以上，它们属于绝缘体，导电性能较差。
半导体的电阻率在10cm−Ω⋅Ω⋅的范围内。
尽管半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间，但是因为41010cm~10cm它具有热敏性、光敏性和掺杂性，由半导体制成的各种电子器件得到了非常广泛的应用。
(1) 热敏性：半导体的导电性能随着温度发生明显的改变。
利用热敏性可制作成各种热敏电阻，用于控制系统和温度测量等。
(2) 光敏性：半导体的导电性能对光照比较敏感。
利用光敏性可制作成光电二极管、光电三极管及光敏电阻等多种类型的光电器件，广泛地应用于自动控制和电子设备中。
(3) 掺杂性在纯净的半导体中掺入极少量的杂质元素，将会极大地改变半导体的导电性能。
例如，在纯净的半导体中掺入百万分之一的杂质，其导电能力将提高100万倍。
利用掺杂性可制作成各种不同用途的半导体器件，如二极管、三极管和场效应管等。
在电子器件中用得最多的半导体材料是硅和锗，硅和锗都是四价元素，最外层原子轨道上具有4个价电子。
由于相邻原子的距离很近，这四个价电子不仅受到自身原子核的束缚，而且受到相邻原子核的吸引，形成图1.1所示的共价键结构。
图1.1 硅和锗的共价键结构电工与电子技术(下册)·2· ·2·1.1.1 本征半导体本征半导体指的是完全纯净，结构完整的半导体晶体。
在绝对温度T =0K(开[尔文])和没有外界激发的前提下，本征半导体内的价电子全部被束缚在共价键中，不能自由运动，被称为束缚电子，不能参与导电。
因此，本征半导体中虽然有大量的价电子，但它们都不能自由移动，此时的本征半导体不能导电。
当半导体的温度升高或者受到光线照射等外界因素的影响时，共价键中的某些价电子获得能量，挣脱共价键的束缚成为自由电子；与此同时，原共价键中的相应位置留下空位，称作“空穴”，如图 1.2 所示。
显然，电子和空穴总是成对出现的，换句话说，本征半导体中的电子和空穴的数目总是相等的，对外呈电中性。
这种在热或光的作用下，本征半导体中产生电子空穴对的现象称为本征激发。
当共价键中出现空位时，邻近共价键中的价电子可以跳过去填补这个空位，而原来价电子的位置又出现新的空位，这个过程持续下去，即发生空位的迁移，如图1.3 所示。
如果把空穴看成带正电的载流子，那么空穴的移动与带负电的价电子反方向移动的效果是一样的。
由此可见，本征半导体中存在电子和空穴两种可以导电的载流子，电子带负电，空穴带正电，本征半导体正是依靠电子和空穴这两种载流子的移动进行导电。
图1.2 本征激发产生电子空穴对示意图 图1.3 电子和空穴的移动形成电流 1.1.2 杂质半导体实际应用中，在纯净的半导体材料中掺入少量的杂质形成杂质半导体，可以显著改变半导体的导电性能。
根据掺入的杂质不同，杂质半导体又可以分为N 型半导体和P 型半导体。
1. N 型半导体在纯净半导体中掺入微量的五价元素(如磷)后，就可形成N 型半导体，如图1.4所示。
由于五价元素最外层有五个价电子，那么与四价元素形成共价键时，就有一个价电子不能形成共价键而变成自由电子。
同时考虑到常温下由于本征激发产生的少量的电子空穴对，那么在N 型半导体中存在两种导电的载流子：自由电子和空穴。
其中自由电子的密度远大于空穴密度，被称为多数载流子，简称为多子；空穴浓度较低被称为少数载流子，简称为少子。
N 型半导体主要依靠电子导电，因此也被成为电子型半导体。
第1章 半导体器件 ·3··3·应当注意的是，释放了一个价电子的杂质正离子被束缚在晶格中，并不能像本征激发中的空穴一样参于导电。
同时，晶体中正负电荷数目相等，N 型半导体整体呈电中性。
图1.4 N 型半导体结构(a) N 型半导体共价键结构；(b) N 型半导体结构简图2. P 型半导体在纯净半导体中掺入微量的三价元素(如硼)后，就可形成P 型半导体。
由于三价元素最外层只有三个价电子，那么与四价元素形成共价键时，将会存在一个多余的空穴，如图1.5所示。
考虑本征激发产生的少量电子空穴对，P 型半导体中空穴的密度远大于自由电子的密度成为多子，自由电子浓度较低成为少子。
N 型半导体主要依靠空穴导电，因此也被称为空穴型半导体。
图1.5 P 型半导体的结构(a) P 型半导体共价键结构；(b) P 型半导体结构简图1.2 PN 结与二极管在一块本征半导体上，通过一定的掺杂工艺，一边形成P 型半导体，一边形成N 型半导体，那么在交界面处将形成一个具有特殊功能的薄层，称为PN 结。
PN 结的形成参见 图1.6。
在P 型半导体和N 型半导体的两侧，由于载流子浓度的差别形成多子的扩散运动，P 区的空穴向N 区扩散，N 区的电子向P 区扩散。
P 区一侧失去空穴留下不能移动的负离电工与电子技术(下册)·4· ·4·子，N 区一侧则失去电子留下不能移动的正离子，这些离子不能参与导电，在P 区和N 区交界面处形成正、负离子的薄层，称为空间电荷区，并产生内电场，方向由N 区指向P 区，该电场的逐渐建立将阻碍多子扩散运动的进行。
另一方面，在P 型和N 型半导体的内部还存在少子，空间电荷区的内电场有利于少子形成漂移运动。
随着内电场的逐渐建立，多子的扩散运动逐渐减弱，少子的漂移运动随之增强，最终到达动态平衡，此时空间电荷区的宽度基本保持不变。
图1.6 PN 结的形成(a) 多子扩散；(b) PN 结的形成1.2.1 PN 结的单向导电性PN 结最基本的特性就是其单向导电性，即外加正向电压，PN 结导通；外加反向电压，PN 结截止。
1. 外加正向电压当PN 结加上正向电压，即P 区一侧接直流电源正极，N 区一侧接直流电源负极，称PN 结正向偏置。
由于外加电压产生的外电场和PN 结的内电场方向相反，如图1.7所示，外电场的存在将削弱内电场的作用，使PN 结的空间电荷区变窄，有利于两区的多数载流子向对方扩散，形成正向电流F I ，此时PN 结处于正向导通状态。
在正常的工作范围内，正向电压稍有变化，流过PN 结的电流就会发生显著变化。
PN 结的正向电阻很小，为了防止PN 结因电流过大而损坏，必须在回路中串接限流电阻R 。
图1.7 PN 结外加正向电压2. 外加反向电压当PN 结加上反向电压，即P 区一侧接直流电源负极，N 区一侧接直流电源正极，称第1章 半导体器件 ·5··5·PN 结反向偏置。
由于外加电压产生的外电场和PN 结的内电场方向相同，如图1.8所示。
外电场的存在将加强内电场的作用，使PN 结的空间电荷区变宽，阻碍了多数载流子的扩散运动。
在外电场的作用下，只有两区的少数载流子形成微弱的反向电流R I ，此时PN 结处于反向截止状态。
图1.8 PN 结外加反向电压应该注意的是，少数载流子是由于本征激发产生的，因此反向电流R I 受温度影响比较大。
综上所述，PN 结具有单向导电性：正向偏置时导通，正向电阻很小；反向偏置时截止，反向电阻很大。
1.2.2 晶体二极管1. 二极管的结构与类型在PN 结的P 型和N 型半导体上，分别引出两根金属引线，并用管壳封装，就形成了二极管。
其中P 区的引线对应正极，N 区引线对应负极。
二极管按结构、材料、功率大小和用途等，可以进行不同的分类。
按所用半导体的材料，二极管可以分为锗二极管、硅二极管和砷化镓二极管等。
按管子的用途，二极管可以分为整流二极管、检波二极管、稳压二极管、开关二极管和光电二极管等。
按管子的制作工艺，二极管可以分为点接触型二极管、面接触型二极管和平面型二极管，分别如图1.9(a)、(b)和(c)所示。
二极管可以用图1.9(d)的符号表示。
点接触型二极管的特点是结面积小，因而结电容小，但允许的工作电流较小。
常用于高频检波电路和混频电路中。
面接触型二极管的特点是结面积较大，因而允许通过较大电流，但由于结电容大，只能在较低频率下工作。
平面型二极管中结面积较大的，可通过较大电流，适用于大功率整流；结面积较小的，适用于脉冲与数字电路中作为开关管。
二极管的种类和型号很多，国内外都采用各自规定的命名方法加以区分。
我国国产半导体的命名方法采用国家标准GB249-74，参考附录1。
半导体器件的型号由五个部分组成，每个部分的含义见附录一。
例如2AP5，其中“2”电工与电子技术(下册)·6· ·6·表示二极管，“A ”表示该管子由N 型锗材料构成，“P ”表示普通管，“5”表为序号。
又如2CZ11，代表N 型硅材料组成的整流管。
图1.9 半导体二极管的结构和图形符号(a) 点接触型；(b) 面接触型；(c) 平面型；(d) 图形符号2. 二极管的伏安特性曲线二极管的性能可以通过它的伏安特性曲线加以描述。
伏安特性是指流过二极管的电流和外加电压的关系。
若以外加电压作为横坐标，流过二极管的电流作为纵坐标，用作图法将相应的工作点连成平滑的曲线，即形成二极管的伏安特性曲线。
不同的管子具有不同的伏安特性曲线，它是选择和使用二极管的重要依据。
图1.10给出了某二极管的伏安特性曲线。
图1.10 二极管伏安特性曲线第1章 半导体器件 ·7··7·1) 正向特性外加正向电压可以使PN 结的空间电荷区变薄，有利于多子的扩散运动。
但当外加正向电压较小时，外电场产生的作用力还不足以克服内场对多子扩散运动所形成的阻力，因此正向电流非常微弱。
当正向电压超过某个数值(图中的th U )以后，正向电流明显增大，二极管处于导通状态，呈现很小的正向导通电阻。
这一电压称为导通电压或者门坎电压。
通常硅管的导通电压约为0.6V ～0.7V ，锗管的导通电压约为0.2V ～0.3V 。
使用二极管正向工作时，应注意它的正向导通电流不能超过最大值，否则将烧坏PN 结。
2) 反向特性二极管外加反向电压时，在开始很大的范围内，反向电流很小且基本不随反向电压变化，二极管呈现很大的电阻，电路相当于断开状态。
此时的电流称为反向饱和电流S I 。
