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第6章 半导体器件基础6.1 半导体基本知识 6.2 半导体二极管 6.3 半导体三极管 6.4 场效应管 * 6.1.1 本征半导体 图6-1 硅和锗简化原子结构模型，它们都是四价元素，最外层轨道上都有四个阶电子。 图6-2 本征半导体晶体结构示意 图6-3 本征半导体中的自由电子和空穴 原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等， 人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。 在外电场的作用下,使空穴产生定向移动，形成空穴电流。 半导体中存在着两种载流子：带负电的自由电子和带正电的空穴 本征半导体自由电子数量很少，电阻率很大，因此导电能力差， 不能作半导体器件使用。 6.1.2 杂质半导体 N（Negative）型半导体: 在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成N（Negative）型 半导体，也称电子型半导体。在N型半导体中自由电子（结合后多一个电子）是 多数载流子 。它主要由杂质原子提供；另外，硅晶体由于热激发会产生少量的电子 空穴对，所以空穴是少数载流子。 五价杂质原子因失去一个电子而带单位正电荷而成为正离子，因此五价杂质 原子又称为施主杂质。 P（Positive）型半导体： 在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等则形成了P（Positive）型 半导体，也称为空穴型半导体（三电子与半导体结合留下一个空穴）。 空穴是其主要载流子，而电子是少数载流子。 由于3价杂质原子可接受自由电子形成空穴，故称为受主杂质。 6.1.3 PN结及其特性 在两种半导体（P- N）的结合面上会形成一个P- N 薄层，称为PN结 由于交界面两侧浓度相差使电子由N 区向P 区扩散；空穴由P区向N区扩散。 在P区和N区的交界处形成了方向由N区指向P区的内电场，在此电场的作用下， 载流子将作漂移运动，方向正好与扩散运动方向相反，阻止扩散运动 。 当达到平衡时，扩散运动作用与漂移运动作用相等，通过界面的载流子数为0， 即PN结的电流为0。此时在PN区交界处形成一个缺少载流子的高阻区，称为耗尽层。 PN结具有下列特性： （1）单向导电性 将电源正极接P区，负极接N区，称正向接法或正向偏置。与自建场方向 相反，削弱了内电场，使耗尽层变窄，这样扩散作用就会大于漂移作用 。 形成正向电流，其方向是由电源的正极通过P区、N区到电源负极。此时 PN结处于导通状态 。 反向电流很小，PN结处于截止状态 ，反向电阻值很大。 PN结外加正偏电压时，形成较大的正向电流，PN结呈现较小 的正向电阻；外加反偏电压时，反向电流很小，PN结呈现很大 的反向电阻，这就是PN结的单向导电特性。 （a） 外加正向电压 （b） 外加反向电压 （2）反向击穿性 （3）电容性 将电源正极接N区，负极接P区，称反向接法或反向偏置。 与自建场方向相同 ，增强了内电场，使耗尽层变宽，漂移作 用就会大于扩散作用 ，称为反向电流。 6.2.1 二极管的结构 二极管（PN结）一般分为点接触型、面接触型和平面型三类 6.2.2 二极管的特性 二极管的伏安特性可用 特性曲线表示，也可用方 程表示。 对不同频率的信号，PN呈现的阻抗特性也不同。 当外加正向电压不同时，PN结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同， 这就相当电容充放电过程，呈现电容效应。 阳极为P区，阴极为N区。 （a）硅二极管的伏安特性曲线 （b）锗二极管的伏安特性曲线 二极管的伏安特性 曲线可用下式表示 式中IS 为反向饱和电流，U 为二极管两端的电压降，UT =kT/q 称为温度的电压当量，k为玻耳兹曼常数，q 为电子电荷量，T 为热力学温度。 室温（相当T=300 K），则有UT=26 mV。 导通电压，或称门限电压、死区电压，硅管的Uon约为 0.6~0.8伏，锗管的Uon约为0.1~0.3伏。二极管加反向电压时， 反向电流数值很小 。 反向击穿有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式。 反向电压足够高时，耗尽层内电场很强，雪崩击穿。 图6-6 二极管的伏安特性曲线 电流过大时，PN结耗散功率超过允许值，导致PN结过热而烧坏 。 6.2.3 二极管的主要参数 （1）最大整流电流IDM （2）最大反向工作电压URM （3）最大反向电流IRM （4）最高工作频率fM 【例6.1】 【例6.2】 6.2.4 二极管的应用 1. 二极管的整流 【例6.3】 2. 限幅电路 【例6.4】 3