第1章常用半导体元器件 半导体元器件是用半导体材料制成的电子元器件,随着电子技术的飞速 发展,各种新型半导体元器件层出不穷。半导体元器件是组成各种电子电路 的核心元件,学习电子技术必须首先了解半导体元器件的基本结构和工作原 理,掌握它们的特性和参数。本章从讨论半导体的导电特性和PN结的单向 导电性开始,分别介绍二极管、双极型晶体管、绝缘栅场效应晶体管和半导 体光电器件等常用的半导体元器件。 11半导体的导电特性 1.11导体、绝缘体和半导体 自然界的物质,按导电能力的强弱可分为导体、绝缘体和半导体三类 物质的导电能力可以用电导率σ或电阻率ρ来衡量,二者互为倒数。物质的 导电能力越强,其电导率越大,电阻率越小 导电能力很强的物质称为导体。金属一般都是导体,如银、铜、铝、铁 等。原因是其原子最外层的电子受原子核的束缚作用很小,可以自由移动, 成为自由电子。在外电场个用下,自由电子逆电场方向运动而形成电流。导 体的主要特征是电阻率p很小,一般在0.01~1g·mm2/m之间,例如铜的 电阻率为0.0175g·mm2/m。 绝缘体是导电能力极弱的物质。这种物质的核外电子被束缚得很紧,因 而不能自由移动。如橡胶、塑料、陶瓷、石英等都是绝缘体。绝缘体的电阻 率大于104g2.mm2/m。 半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。其电阻率在10~103 Ω·mm2/m之间。如硅、锗、硒、砷化镓等都属于半导体。例如,在27℃时 纯硅的电阻率为21×103g·mm2/m:纯锗的电阻率为47×103 gmm2/m。此外,半导体还具有不同于其他物质的一些特性: (1)热敏特性金属的电阻率随温度的变化很小,例如,温度每升高 ℃,铜的电阻率增加0.4%左右,即温度升高100℃,电阻率增加不到一半
第 1 章 常用半导体元器件 半导体元器件是用半导体材料制成的电子元器件，随着电子技术的飞速 发展，各种新型半导体元器件层出不穷。半导体元器件是组成各种电子电路 的核心元件，学习电子技术必须首先了解半导体元器件的基本结构和工作原 理，掌握它们的特性和参数。本章从讨论半导体的导电特性和 PN 结的单向 导电性开始，分别介绍二极管、双极型晶体管、绝缘栅场效应晶体管和半导 体光电器件等常用的半导体元器件。 1.1 半导体的导电特性 1.1.1 导体、绝缘体和半导体 自然界的物质，按导电能力的强弱可分为导体、绝缘体和半导体三类。 物质的导电能力可以用电导率σ或电阻率ρ来衡量，二者互为倒数。物质的 导电能力越强，其电导率越大，电阻率越小。 导电能力很强的物质称为导体。金属一般都是导体，如银、铜、铝、铁 等。原因是其原子最外层的电子受原子核的束缚作用很小，可以自由移动， 成为自由电子。在外电场个用下，自由电子逆电场方向运动而形成电流。导 体的主要特征是电阻率ρ很小，一般在 0.01～1 mm / m 2 W × 之间，例如铜的 电阻率为 0.0175 mm / m 2 W × 。 绝缘体是导电能力极弱的物质。这种物质的核外电子被束缚得很紧，因 而不能自由移动。如橡胶、塑料、陶瓷、石英等都是绝缘体。绝缘体的电阻 率大于 1014 mm / m 2 W × 。 半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。其电阻率在 10～1013 mm / m 2 W × 之间。如硅、锗、硒、砷化镓等都属于半导体。例如，在 27℃ 时， 纯硅的电阻率为 21 × 108 mm / m 2 W × ；纯锗的电阻率为 47× 108 mm / m 2 W × 。此外，半导体还具有不同于其他物质的一些特性： (1) 热敏特性 金属的电阻率随温度的变化很小，例如，温度每升高 1 ℃ ，铜的电阻率增加 0.4%左右，即温度升高 100℃ ，电阻率增加不到一半
电子技术 而半导体的导电能力对温度变化反应灵敏,电阻率随温度升高而显著降低 例如,纯锗在温度从20℃升高到30℃时,其电阻率就要降低一半左右。利 用这种特性可以制成各种半导体热敏元件,用来检测温度变化 (2)光敏特性金属的电阻率不受光照的影响,但半导体的导电能力对 光照敏感,光照可使半导体的电阻率显著减小。利用这种特性可以制成各种 光敏元件。 (3)掺杂特性金属中含有少量杂质时,电阻率没有显著变化。但若在 纯净的半导体中加入微量杂质,其电阻率会发生很大变化,导电能力可增加 几十万乃至几百万倍。例如在纯硅中掺入百分之一的硼后,硅的电阻率会从 21×10g·mm2/m降到4×103gmm2/m左右。利用这种特性可制成半 导体二极管,三极管,场效应晶体管及晶闸管等各种不同用途的半导体器件。 为什么半导体会有这些不同于其他物质的特点呢?这要从其原子结构去 分析。 1.1.2半导体的原子结构和共价键 在现代电子技术中,用得最多的半导体是锗和硅,它们的原子结构如图 1-1所示。锗和硅的最外层电子都是4个,因此都是四价元素。最外层电子受 原子核束缚力最小,称为价电子。物质的化学性质是由价电子数决定的,半 导体的导电性质也与价电子有关。 a)锗(Ge) b)硅(Si) c)简化模型 图1-1锗和硅的原子结构 根据原子之间排列形式的不同,可把物质分成晶体和非晶体两大类。所 谓晶体就是这些物质的原子是按一定的规则整齐地排列着,组成某种形式的 晶体点阵。现在所用的半导体材料都制成晶体。例如,将锗和硅材料提纯并 形成单晶体后,锗和硅原子就是按四角形系统组成晶体点阵,即每个原子处 于正四面体中心,而有四个其他原子位于四面体的顶点,如图1-2所示。由 于原子之间靠得很近,原来分属于每个离子的价电子就要受到相邻原子的影 响而使价电子为两个原子所共有,即形成了晶体中的共价键结构。图1-3是
电子技术 而半导体的导电能力对温度变化反应灵敏，电阻率随温度升高而显著降低。 例如，纯锗在温度从 20 ℃升高到 30℃ 时，其电阻率就要降低一半左右。利 用这种特性可以制成各种半导体热敏元件，用来检测温度变化。 (2) 光敏特性 金属的电阻率不受光照的影响，但半导体的导电能力对 光照敏感，光照可使半导体的电阻率显著减小。利用这种特性可以制成各种 光敏元件。 (3) 掺杂特性 金属中含有少量杂质时，电阻率没有显著变化。但若在 纯净的半导体中加入微量杂质，其电阻率会发生很大变化，导电能力可增加 几十万乃至几百万倍。例如在纯硅中掺入百分之一的硼后，硅的电阻率会从 21×108 mm / m 2 W × 降到 4×103 mm / m 2 W × 左右。利用这种特性可制成半 导体二极管，三极管，场效应晶体管及晶闸管等各种不同用途的半导体器件。 为什么半导体会有这些不同于其他物质的特点呢？这要从其原子结构去 分析。 1.1.2 半导体的原子结构和共价键 在现代电子技术中，用得最多的半导体是锗和硅，它们的原子结构如图 1-1 所示。锗和硅的最外层电子都是 4 个，因此都是四价元素。最外层电子受 原子核束缚力最小，称为价电子。物质的化学性质是由价电子数决定的，半 导体的导电性质也与价电子有关。 a) 锗（Ge） b) 硅（Si） c) 简化模型 图 1-1 锗和硅的原子结构 根据原子之间排列形式的不同，可把物质分成晶体和非晶体两大类。所 谓晶体就是这些物质的原子是按一定的规则整齐地排列着，组成某种形式的 晶体点阵。现在所用的半导体材料都制成晶体。例如，将锗和硅材料提纯并 形成单晶体后，锗和硅原子就是按四角形系统组成晶体点阵，即每个原子处 于正四面体中心，而有四个其他原子位于四面体的顶点，如图 1-2 所示。由 于原子之间靠得很近，原来分属于每个离子的价电子就要受到相邻原子的影 响而使价电子为两个原子所共有，即形成了晶体中的共价键结构。图 1-3 是 +32 +14 +4
第1章常用半导体元器件 硅晶体中共价键结构平面示意图。 硅原子 共价键 价电子 图 1-2晶体中原子的排列方式 图1-3硅晶体中的共价键结构平面示意图 1.1.3本征半导体的导电机理 本征半导体就是完全纯净的,具有完整晶体结构的半导体。它是相对 于杂质半导体而言的。例如,纯锗和纯硅 本征半导体共价健结构中的电子受到两个原子核的吸引力而被束缚 它们不象导体中的价电子那么自由,但也不像绝缘体中的电子被束缚得那么 紧。在室温下,由于热激发,会使一些价电子获得足够的能量而挣脱共价键 的束缚成为自由电子。这种现象叫做本征激发。当电子跑出其价键成为自由 电子后,共价键中就留下一个空位,这个空位称作空穴。在本征半导体中 自由电子和空穴总是成对出现的,有一个自由电子就有一个空穴,如图1-4 所示。挣脱共键价束缚的电子类似于导体中的自由电子,在电场的作用下将 逆电场方向运动形成电流。那么空穴是 否也能移动并参与导电呢?失去价电子 的原子成为带正电的正离子,因此可以 把空穴看成是带正电的粒子,它能够吸 自由 引邻近共健中的价电子来填补这个空 穴。这时失去了价电子的邻近共价键中 出现的空穴又可以吸引其邻近的价电子 来递补,从而又出现一个空穴。如此进 行下去,就相当于空穴在移动。空穴是 带正电的,价电子填充空穴的移动相当图14空穴和自由电子的形成 于带正电荷的粒子(空穴)的移动,也会 形成电流
第 1 章 常用半导体元器件 硅晶体中共价键结构平面示意图。 图 1-2 晶体中原子的排列方式 图 1-3 硅晶体中的共价键结构平面示意图 1.1.3 本征半导体的导电机理 本征半导体就是完全纯净的，具有完整晶体结构的半导体。它是相对 于杂质半导体而言的。例如，纯锗和纯硅。 本征半导体共价健结构中的电子受到两个原子核的吸引力而被束缚。 它们不象导体中的价电子那么自由，但也不像绝缘体中的电子被束缚得那么 紧。在室温下，由于热激发，会使一些价电子获得足够的能量而挣脱共价键 的束缚成为自由电子。这种现象叫做本征激发。当电子跑出其价键成为自由 电子后，共价键中就留下一个空位，这个空位称作空穴。在本征半导体中， 自由电子和空穴总是成对出现的，有一个自由电子就有一个空穴，如图 1-4 所示。挣脱共键价束缚的电子类似于导体中的自由电子，在电场的作用下将 逆电场方向运动形成电流。那么空穴是 否也能移动并参与导电呢？失去价电子 的原子成为带正电的正离子，因此可以 把空穴看成是带正电的粒子，它能够吸 引邻近共健中的价电子来填补这个空 穴。这时失去了价电子的邻近共价键中 出现的空穴又可以吸引其邻近的价电子 来递补，从而又出现一个空穴。如此进 行下去，就相当于空穴在移动。空穴是 带正电的，价电子填充空穴的移动相当 于带正电荷的粒子(空穴)的移动，也会 形成电流。 Si Si Si Si Si Si Si Si Si 硅原子 价电子 共价键 图 1-4 空穴和自由电子的形成 Si Si Si Si Si Si Si Si Si 空穴 自由 电子
电子技术 总之,在外加电场作用下,半导体中出现两部分电流:即自由电子作定 向移动而形成的电子电流和仍被原子核束缚的价电子递补空穴而形成的空穴 电流。因此,自由电子和空穴都称为载流子。两种载流子同时参与导电是半 导体导电方式的最大特点,也是半导体和金属在导电原理上的本质区别所在 自由电子会不会填补空穴呢?会的,自由电子填补空穴叫做复合。在 定的温度下,本征半导体中的电子空穴对的数目保持一定,也就是说,电子 和空穴对不断产生,同时又不断复合,处于一种动态平衡状态。温度愈高 载流子数目愈多,导电能力也愈强。所以,温度是影响半导体导电性能力的 一个很重要的外部因素。 1.1.4N型半导体和P型半导体 本征半导体虽有自由电子和空穴两种载流子,但由于数量极少,导电能 力很弱。如果在其中掺入微量的杂质(某种元素),就会使掺杂后的半导体(称 作杂质半导体)的导电能力显著增强。因所掺入的杂质不同,杂质半导体可分 为N型和P型两大类 (1)N型半导体若在四价的硅(或锗)晶体中掺入少量五价元素磷(P), 晶体点阵中磷原子就会占据某些硅原子原来的位置,如图1-5所示。磷原子 中的5个价电子只有4个能够和相邻的硅原子组成共价键结构,余下的一个 电子因不受共价键的束缚,容易挣脱磷原子核的吸引而成为自由电子。于是 自由电子数目大量增加,自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式,故 称其为电子型半导体或N型半导体。N型半导体中,由于自由电子数远大于 空穴数,因此自由电子是多数载流子(简称多子),空穴是少数载流子(简称少 子)。由于磷原子是施放电子的,故称磷为施主杂质。 (2)P型半导体若在硅(或锗)的晶体中掺入三价元素硼(B),由于硼 原子只有3个价电子,因而在组成共价键结构时,因缺少一个价电子而多出 个空穴,如图1-6所示。于是半导体中空穴数目大量增加,空穴导电成为 这种半导体的主要导电方式,故称它为空穴型半导体或P型半导体。由于硼 原子是接受电子的,故称为受主杂质。在P型半导体中,空穴为多子,自由 电子为少子
电子技术 总之，在外加电场作用下，半导体中出现两部分电流：即自由电子作定 向移动而形成的电子电流和仍被原子核束缚的价电子递补空穴而形成的空穴 电流。因此，自由电子和空穴都称为载流子。两种载流子同时参与导电是半 导体导电方式的最大特点，也是半导体和金属在导电原理上的本质区别所在。 自由电子会不会填补空穴呢？会的，自由电子填补空穴叫做复合。在一 定的温度下，本征半导体中的电子空穴对的数目保持一定，也就是说，电子 和空穴对不断产生，同时又不断复合，处于一种动态平衡状态。温度愈高， 载流子数目愈多，导电能力也愈强。所以，温度是影响半导体导电性能力的 一个很重要的外部因素。 1.1.4 N 型半导体和 P 型半导体 本征半导体虽有自由电子和空穴两种载流子，但由于数量极少，导电能 力很弱。如果在其中掺入微量的杂质(某种元素)，就会使掺杂后的半导体(称 作杂质半导体)的导电能力显著增强。因所掺入的杂质不同，杂质半导体可分 为 N 型和 P 型两大类。 （1）N 型半导体 若在四价的硅(或锗)晶体中掺入少量五价元素磷(P)， 晶体点阵中磷原子就会占据某些硅原子原来的位置，如图 1-5 所示。磷原子 中的 5 个价电子只有 4 个能够和相邻的硅原子组成共价键结构，余下的一个 电子因不受共价键的束缚，容易挣脱磷原子核的吸引而成为自由电子。于是 自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，故 称其为电子型半导体或 N 型半导体。N 型半导体中，由于自由电子数远大于 空穴数，因此自由电子是多数载流子(简称多子)，空穴是少数载流子(简称少 子)。由于磷原子是施放电子的，故称磷为施主杂质。 （2）P 型半导体 若在硅(或锗)的晶体中掺入三价元素硼（B），由于硼 原子只有 3 个价电子，因而在组成共价键结构时，因缺少一个价电子而多出 一个空穴，如图 1-6 所示。于是半导体中空穴数目大量增加，空穴导电成为 这种半导体的主要导电方式，故称它为空穴型半导体或 P 型半导体。由于硼 原子是接受电子的，故称为受主杂质。在 P 型半导体中，空穴为多子，自由 电子为少子
第1章常用半导体元器件 图1-5硅晶体中掺入磷元素 图1-6硅晶体中掺入硼元素 不论是N型半导体还是P型半导体,尽管都有一种载流子占多数,但是 整个晶体仍是电中性的 【练习与思考】 1.1电子导电和空穴导电有什么区别?空穴电流是不是由自由电子递补空 穴形成的? 1.1.2N型半导体中的自由电子多于空穴,P型半导体中的空穴多于自由电 子,是否N型半导体带负电,而P型半导体带正电 1.2PN结及其单向导电性 虽然P型和N型半导体的导电能力比本征半导体增强了许多,但并不能 直接用来制造半导体器件。通常采用一定的掺杂工艺,在一块晶片的两边掺 入不同的杂质,分别形成P型半导体和N型半导体,在它们的交界面处就会 形成PN结,它是构成各种半导体器件的基础。那么PN结是怎样形成的,有 何特性呢? 121PN结的形成 掺杂工艺完成后,一块半导体晶片中形成P型和N型的两个异型区。P 区内空穴很多而电子很少,N区内电子很多而空穴很少,多数载流子由于浓 度的差异而产生扩散运动。空穴要从浓度高的P区向N区扩散,并与N区的 电子复合;电子要从浓度高的N区向P区扩散,并与P区的空穴复合。扩散 使得P区和N区分别因失去空穴和电子而在交界面两侧留下带负电和正电的 离子,形成了一个空间电荷区,如图1-7所示。这个空间电荷区就是PN结
第 1 章 常用半导体元器件 图 1-5 硅晶体中掺入磷元素 图 1-6 硅晶体中掺入硼元素 不论是 N 型半导体还是 P 型半导体，尽管都有一种载流子占多数，但是 整个晶体仍是电中性的。 【练习与思考】 1.1.1 电子导电和空穴导电有什么区别？空穴电流是不是由自由电子递补空 穴形成的？ 1.1.2 N 型半导体中的自由电子多于空穴，P 型半导体中的空穴多于自由电 子，是否 N 型半导体带负电，而 P 型半导体带正电？ 1.2 PN 结及其单向导电性 虽然 P 型和 N 型半导体的导电能力比本征半导体增强了许多，但并不能 直接用来制造半导体器件。通常采用一定的掺杂工艺，在一块晶片的两边掺 入不同的杂质，分别形成 P 型半导体和 N 型半导体，在它们的交界面处就会 形成 PN 结，它是构成各种半导体器件的基础。那么 PN 结是怎样形成的，有 何特性呢? 1.2.1 PN 结的形成 掺杂工艺完成后，一块半导体晶片中形成 P 型和 N 型的两个异型区。P 区内空穴很多而电子很少，N 区内电子很多而空穴很少，多数载流子由于浓 度的差异而产生扩散运动。空穴要从浓度高的 P 区向 N 区扩散，并与 N 区的 电子复合；电子要从浓度高的 N 区向 P 区扩散，并与 P 区的空穴复合。扩散 使得 P 区和 N 区分别因失去空穴和电子而在交界面两侧留下带负电和正电的 离子，形成了一个空间电荷区，如图 1-7 所示。这个空间电荷区就是 PN 结。 Si Si Si P Si Si Si Si Si 自由 电子 施主 杂质 Si Si Si B Si Si Si Si Si 空穴 受主 杂质
电子技术 空间电荷区 jO⊕⊕⊕⊕ 电场方向 图1-7PN结的形成 空间电荷区的正负离子虽然带有电荷,但它们不能移动,因而不能参与 导电。在这个区域内,多数载流子已扩散到对方并被复合掉了,或者说消耗 尽了,所以空间电荷区也称为耗尽层,它的电阻率很高。 正负离子在空间电荷区形成一个电场,称为内电场。由于内电场的方向 与扩散运动的方向相反,即对多数载流子(P区的空穴和N区的自由电子)的 扩散起阻挡作用,所以空间电荷区又称为阻挡层。 虽然内电场阻碍多数载流子的扩散运动,但对少数载流子(P区的电子和 N区的空穴)越过空间电荷区进入对方区域起着推动作用。这种少数载流子在 电场作用下有规则的运动称为漂移运动。漂移运动使交界面两侧P区和N区 由于扩散运动而失去的空穴和电子得到一些补充,其作用与扩散运动相反 由此可见,PN结的形成过程中存在着两种运动:一种是多数载流子因浓 度差而产生的扩散运动,另一种是少数载流子在内电场作用下产生的漂移运 动。这两种运动相互制约,最终,从P区扩散到N区的空穴数与从N区漂移 到P区的空穴数相等,从N区扩散到P区的电子数与从P区漂移N区的电子 数相等,在一定条件下达到动态平衡,使PN结处于相对稳定状态 1.22PN结的单向导电性 FN结在没有外加电压时,其中的扩 散和漂移处于动态平衡,PN结内无电流通 过。那么在PN结两端加上外部电压后 情况会怎样? e由 (1)PN结外加正向电压将PN结 内电场 P区接电源正极,N区接电源负极,称为 外电场 PN结外加正向电压,又叫正向偏置,如图 1-8所示。PN结正向偏置时,外电场与内 电场方向相反,从而削弱了内电场,破坏 1-8PN结正向偏置
电子技术 图 1-7 PN 结的形成 空间电荷区的正负离子虽然带有电荷，但它们不能移动，因而不能参与 导电。在这个区域内，多数载流子已扩散到对方并被复合掉了，或者说消耗 尽了，所以空间电荷区也称为耗尽层，它的电阻率很高。 正负离子在空间电荷区形成一个电场，称为内电场。由于内电场的方向 与扩散运动的方向相反，即对多数载流子(P 区的空穴和 N 区的自由电子)的 扩散起阻挡作用，所以空间电荷区又称为阻挡层。 虽然内电场阻碍多数载流子的扩散运动，但对少数载流子(P 区的电子和 N 区的空穴)越过空间电荷区进入对方区域起着推动作用。这种少数载流子在 电场作用下有规则的运动称为漂移运动。漂移运动使交界面两侧 P 区和 N 区 由于扩散运动而失去的空穴和电子得到一些补充，其作用与扩散运动相反。 由此可见，PN 结的形成过程中存在着两种运动：一种是多数载流子因浓 度差而产生的扩散运动，另一种是少数载流子在内电场作用下产生的漂移运 动。这两种运动相互制约，最终，从 P 区扩散到 N 区的空穴数与从 N 区漂移 到 P 区的空穴数相等，从 N 区扩散到 P 区的电子数与从 P 区漂移 N 区的电子 数相等，在一定条件下达到动态平衡，使 PN 结处于相对稳定状态。 1.2.2 PN 结的单向导电性 PN 结在没有外加电压时，其中的扩 散和漂移处于动态平衡，PN 结内无电流通 过。那么在 PN 结两端加上外部电压后， 情况会怎样？ （1） PN 结外加正向电压 将 PN 结 P 区接电源正极，N 区接电源负极，称为 PN 结外加正向电压，又叫正向偏置，如图 1-8 所示。PN 结正向偏置时，外电场与内 电场方向相反，从而削弱了内电场，破坏 空间电荷区 内电场方向 P区 N区 变窄 内电场 外电场 P N E R F I 图 1-8 PN 结正向偏置
第1章常用半导体元器件 了PN结原有的动态平衡,使得空间电荷区的宽度减小,多数载流子的扩散 运动显著增强,形成较大的扩散电流,而少数载流子的漂移运动减弱。所以 在外加正向电压的PN结中,扩散电流占主导地位,N结呈现的电阻很低 在外电路中形成较大的流入P区的正向电流l (2)PN结加反向电压将PN结N区接电源正极,P区接电源负极, 称为PN结外加反向电压,又叫反向偏置,如图1-9所示。PN结反向偏置时 外电场与内电场方向相同,同样也破坏了PN结原有的动态平衡。外电场驱 使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走,使得空间电荷增加,空间电荷区 变宽,内电场增强,使多数载流子的扩散运动难以进行,扩散电流趋近于零 同时,内电场的增强也加强了少数载流子的漂移运动,但由于少数载流子数 量很少,因此反向电流取不大,PN结呈 加宽 现很高的反向电阻。又因为少数载流子是 由于价电子获得能量挣脱共价键的束缚 Oee BeeN 而产生的,环境温度愈高,少数载流子的 e⊕出 数量愈多。所以,温度对反向电流的影响 很大。由于一定温度下,少数载流子的数 外电场马一内电场 目是一定的,当电压超过某数值后,全部 少数载流子都参与导电,此时反向电流几 乎与外加电压的大小无关,故称为反向饱 图1-9PN结反向偏置 和电流。 总之,外加正向电压时,PN结电阻很低,正向电流很大,PN结处于导 通状态;外加反向电压时,结电阻很高,反向电流很小,PN结处于截止状 态。这就是PN结的单向导电性。 【练习与思考】 12.1为什么说扩散运动是多数载流子的运动,漂移运动是少数载流子的运 122空间电荷区既然是由带电的正、负离子形成的,为什么它的电阻率很
第 1 章 常用半导体元器件 了 PN 结原有的动态平衡，使得空间电荷区的宽度减小，多数载流子的扩散 运动显著增强，形成较大的扩散电流，而少数载流子的漂移运动减弱。所以 在外加正向电压的 PN 结中，扩散电流占主导地位，PN 结呈现的电阻很低， 在外电路中形成较大的流入 P 区的正向电流 IF。 （2）PN 结加反向电压 将 PN 结 N 区接电源正极，P 区接电源负极， 称为 PN 结外加反向电压，又叫反向偏置，如图 1-9 所示。PN 结反向偏置时， 外电场与内电场方向相同，同样也破坏了 PN 结原有的动态平衡。外电场驱 使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走，使得空间电荷增加，空间电荷区 变宽，内电场增强，使多数载流子的扩散运动难以进行，扩散电流趋近于零。 同时，内电场的增强也加强了少数载流子的漂移运动，但由于少数载流子数 量很少，因此反向电流 IR不大，PN 结呈 现很高的反向电阻。又因为少数载流子是 由于价电子获得能量挣脱共价键的束缚 而产生的，环境温度愈高，少数载流子的 数量愈多。所以，温度对反向电流的影响 很大。由于一定温度下，少数载流子的数 目是一定的，当电压超过某数值后，全部 少数载流子都参与导电，此时反向电流几 乎与外加电压的大小无关，故称为反向饱 和电流。 总之，外加正向电压时，PN 结电阻很低，正向电流很大,PN 结处于导 通状态；外加反向电压时，结电阻很高，反向电流很小，PN 结处于截止状 态。这就是 PN 结的单向导电性。 【练习与思考】 1.2.1 为什么说扩散运动是多数载流子的运动，漂移运动是少数载流子的运 动？ 1.2.2 空间电荷区既然是由带电的正、负离子形成的，为什么它的电阻率很 高？ 加宽 内电场 外电场 P N IR » 0 E R 图 1-9 PN 结反向偏置
电子技术 1.2半导体二极管 13.1二极管的基本结构 半导体二极管是由一个PN结加上电极引出线和外壳构成的,P区一侧 引出的电极称为阳极,N区一侧引出的电极称为阴极,电路符号如图1-10a 所示。半导体二极管有很多类型。按材料的不同,常用的二极管可分为硅管 和锗管两种;按PN结结构形式的不同,又可分为点接触型、面接触型和平 面型等。 (1)点接触型二极管结构如图1-10b所示,由三价金属铝的触丝与锗 结合构成PN结。其特点是PN结的结面积很小,因而结电容小,适用于高 频(可达几百兆赫兹)电路。但不能通过较大的电流,也不能承受高的反向 电压。主要用于高频检波和开关电路 (2)面接触型二极管结构如图1-10c所示,PN结是用扩散法或合金法 做成的。其特点是PN结的结面积大,能通过较大的电流(可达几千安培), 但结电容也大,适用于频率较低的整流电路 (3)平面型二极管结构如图1-10d所示。它是采用先进的集成电路制 造工艺制成的。其特点是结面积较大时,能通过较大的电流,适用于大功率 整流电路:结面积较小时,结电容较小,工作频率较高,适用于开关电路。 金属触丝、外壳N型锗片 阳极A 阴极K 阳极引线 阴极引线 VD PN结 a)电路符号 b)点接触型二极管 阳极引线 阳极引线 氧化硅 铝合金 PN结 保护层 金锑合金 N型硅 N型硅片 基底 阴极引线 阴极引线 c)面接触型二极管 d)平面型二极管 图1-10半导体二极管的电路符号及结构分类
电子技术 1.2 半导体二极管 1.3.1 二极管的基本结构 半导体二极管是由一个 PN 结加上电极引出线和外壳构成的，P 区一侧 引出的电极称为阳极，N 区一侧引出的电极称为阴极，电路符号如图 1-10a 所示。半导体二极管有很多类型。按材料的不同，常用的二极管可分为硅管 和锗管两种；按 PN 结结构形式的不同，又可分为点接触型、面接触型和平 面型等。 (1) 点接触型二极管 结构如图 1-10b 所示，由三价金属铝的触丝与锗 结合构成 PN 结。其特点是 PN 结的结面积很小，因而结电容小，适用于高 频（可达几百兆赫兹）电路。但不能通过较大的电流，也不能承受高的反向 电压。主要用于高频检波和开关电路。 (2) 面接触型二极管 结构如图 1-10c 所示，PN 结是用扩散法或合金法 做成的。其特点是 PN 结的结面积大，能通过较大的电流(可达几千安培)， 但结电容也大，适用于频率较低的整流电路。 (3) 平面型二极管 结构如图 1-10d 所示。它是采用先进的集成电路制 造工艺制成的。其特点是结面积较大时，能通过较大的电流，适用于大功率 整流电路；结面积较小时，结电容较小，工作频率较高，适用于开关电路。 a) 电路符号 b) 点接触型二极管 c) 面接触型二极管 d) 平面型二极管 图 1-10 半导体二极管的电路符号及结构分类 阳极引线 阴极引线 阳极A 阴极K 金属触丝 外壳 N型锗片 PN结 VD 阳极引线 阴极引线 二氧化硅 保护层 P区 N型硅片 阳极引线 阴极引线 铝合金 PN结 N型硅 金锑合金 基底
第1章常用半导体元器件 13.2二极管的伏安特性 描述电压与电流之间关系的特性称为伏安特性。二极管的伏安特性可用 伏安特性曲线和伏安特性方程两种形式来表示 1.二极管的伏安特性曲线 伏安特性曲线可以直观地反映出二极管的单向导电性。不同类型的二极 管,其参数不尽相同,但其伏安特性曲线的形状大致相同,如图1-11所示 由曲线形状可知,二极管是非线性元件,其伏安特性分为正向特性、反向特 性和反向击穿特性三部分 (1)正向特性当外加正向电 压较低时,由于外电场还不足以克服 in/mA锗管硅管 PN结内电场对多数载流子扩散运动 的阻力,因此,这时的正向电流近似 为零,呈现较大的电阻。这一段(OA 段)曲线称为二极管的死区,对应的 SAJA Wp/V 电压称为死区电压,其数值与材料及 环境温度有关,硅管的死区电压约为 0.5V,锗管约为0.2V C 当正向电压超过死区电压后, 内电场被大大削弱,二极管的电阻变 图1-11二极管的伏安特性曲线 得很小,正向电流迅速增加,这时的 二极管才真正导通。由于这段特性很陡,在正常工作范围内,正向电压变化 很小,硅二极管的正向导通压降约为060.7V,锗二极管约为0.2~0.3V,当 电流较小时取下限值,当电流较大时取上限值。 (2)反向特性当二极管上加反向电压时,少数载流子的漂移运动形 成很小的反向电流(OB段)。反向电流有两个特点:一是具有正温度特性 即随温度的升高而增大;二是在反向电压不超过某一范围时,反向电流的大 小基本恒定,故称为反向饱和电流。一般硅管的反向饱和电流比锗管小,前 者在几微安以下,而后者可达数百微安 (3)反向击穿特性当外加反向电压过高时(BC段),反向电流突然 增大,二极管失去单向导电性,这种现象叫作PN结的反向击穿电击穿)。 产生击穿时的反向电压称为反向击穿电压。发生击穿的原因是外加的电场过 强,强制性地把原子的外层价电子拉出来,使载流子数目急剧上升。而处于 强电场中的载流子又因获得强电场所供给的能量,而将其他价电子撞击出来, 如此形成连锁反应,反向电流愈来愈大,最后使得二极管反向击穿
第 1 章 常用半导体元器件 1.3.2 二极管的伏安特性 描述电压与电流之间关系的特性称为伏安特性。二极管的伏安特性可用 伏安特性曲线和伏安特性方程两种形式来表示。 1. 二极管的伏安特性曲线 伏安特性曲线可以直观地反映出二极管的单向导电性。不同类型的二极 管，其参数不尽相同，但其伏安特性曲线的形状大致相同，如图 1-11 所示。 由曲线形状可知，二极管是非线性元件，其伏安特性分为正向特性、反向特 性和反向击穿特性三部分。 （1）正向特性 当外加正向电 压较低时，由于外电场还不足以克服 PN 结内电场对多数载流子扩散运动 的阻力，因此，这时的正向电流近似 为零，呈现较大的电阻。这一段（ OA 段）曲线称为二极管的死区，对应的 电压称为死区电压，其数值与材料及 环境温度有关，硅管的死区电压约为 0.5V，锗管约为 0.2V。 当正向电压超过死区电压后， 内电场被大大削弱，二极管的电阻变 得很小，正向电流迅速增加，这时的 二极管才真正导通。由于这段特性很陡，在正常工作范围内，正向电压变化 很小，硅二极管的正向导通压降约为 0.6~0.7V，锗二极管约为 0.2~0.3V，当 电流较小时取下限值，当电流较大时取上限值。 （2）反向特性 当二极管上加反向电压时，少数载流子的漂移运动形 成很小的反向电流（OB 段）。反向电流有两个特点：一是具有正温度特性， 即随温度的升高而增大；二是在反向电压不超过某一范围时，反向电流的大 小基本恒定，故称为反向饱和电流。一般硅管的反向饱和电流比锗管小，前 者在几微安以下，而后者可达数百微安。 （3）反向击穿特性 当外加反向电压过高时（BC 段），反向电流突然 增大，二极管失去单向导电性，这种现象叫作 PN 结的反向击穿(电击穿)。 产生击穿时的反向电压称为反向击穿电压。发生击穿的原因是外加的电场过 强，强制性地把原子的外层价电子拉出来，使载流子数目急剧上升。而处于 强电场中的载流子又因获得强电场所供给的能量，而将其他价电子撞击出来， 如此形成连锁反应，反向电流愈来愈大，最后使得二极管反向击穿。 iD / mA uD / V 锗管 硅管 B B A A C C O 图 1-11 二极管的伏安特性曲线
电子技术 般来讲,二极管的电击穿是可以恢复的,只要外加电压减小即可恢复 常态。但普通二极管发生电击穿后,反向电流很大,且反向电压很高,因而 消耗在二极管PN结上的功率很大,致使PN结温度升高。而结温升高会使 反向电流继续增大,形成恶性循环,最终造成PN结因过热而烧毁(称作热击 穿)。二极管热击穿后便会失去单向导电性造成永久损坏 在正常工作范围内,当电源电压远 大于二极管正向导通压降时,实际工作 /mA↑ 中可将二极管近似看成理想二极管,其 伏安特性曲线如图1-12所示。二极管正 向导通时,忽略正向导通压降和电阻, 二极管相当于短路;二极管反向截止时 忽略反向饱和电流,反向电阻无穷大 二极管相当于开路。 2.二极管的伏安特性方程 二极管是一种非线性元件,其中的图1-12理想二极管的伏安特性 电流讠和两端的电压u间的函数关系 可近似用式(1-1)表示。 i=l5(e-1 (1-1) 式中,l为反向饱和电流;V为温度的电压当量,常温(7=300K)时,V 26mV;tb和Vr在式中采用同一单位 式(1-1)称作半导体二极管的伏安特性方程。当二极管外加正向电压,且 u>Vr时,式中的e作>>1,故1可略去,即正向电压与电流近似为指 数关系:当二极管外加反向电压时,如为负,若l>Vr,指数项接近于 零,故i≈l,即二极管的反向电流基本上与电压无关 13.3二极管的主要参数 二极管的参数简要标明了二极管的性能和使用条件,是正确选择和使用 二极管的依据。主要参数包括 (1)最大整流电流l最大整流电流又称额定正向平均电流,是指二极 管长时间使用时,允许流过的最大正向平均电流。它由PN结的面积和散热 条件决定,大功率二极管在使用时,应加装规定尺寸的散热片。当实际电流 超过该值时,二极管将因PN结过热而损坏 (2)最高反向工作电压Uk最高反向工作电压指保证二极管不被击穿所 允许施加的最高反向电压,一般规定为反向击穿电压的一半或三分之
电子技术 一般来讲，二极管的电击穿是可以恢复的，只要外加电压减小即可恢复 常态。但普通二极管发生电击穿后，反向电流很大，且反向电压很高，因而 消耗在二极管 PN 结上的功率很大，致使 PN 结温度升高。而结温升高会使 反向电流继续增大，形成恶性循环，最终造成 PN 结因过热而烧毁(称作热击 穿)。二极管热击穿后便会失去单向导电性造成永久损坏。 在正常工作范围内，当电源电压远 大于二极管正向导通压降时，实际工作 中可将二极管近似看成理想二极管，其 伏安特性曲线如图 1-12 所示。二极管正 向导通时，忽略正向导通压降和电阻， 二极管相当于短路；二极管反向截止时， 忽略反向饱和电流，反向电阻无穷大， 二极管相当于开路。 2. 二极管的伏安特性方程 二极管是一种非线性元件，其中的 电流 D i 和两端的电压 D u 间的函数关系 可近似用式（1-1）表示。 (e 1) D / T D = S - u V i I （1-1） 式中，IS为反向饱和电流； VT为温度的电压当量，常温（T =300K）时，VT =26mV；uD 和 VT在式中采用同一单位。 式(1-1)称作半导体二极管的伏安特性方程。当二极管外加正向电压，且 D VT u >> 时，式中的e 1 D / T >> u V ，故 1 可略去，即正向电压与电流近似为指 数关系；当二极管外加反向电压时，uD 为负，若 D VT u >> ，指数项接近于 零，故 D S i » I ，即二极管的反向电流基本上与电压无关。 1.3.3 二极管的主要参数 二极管的参数简要标明了二极管的性能和使用条件，是正确选择和使用 二极管的依据。主要参数包括： (1) 最大整流电流 IF 最大整流电流又称额定正向平均电流，是指二极 管长时间使用时，允许流过的最大正向平均电流。它由 PN 结的面积和散热 条件决定，大功率二极管在使用时，应加装规定尺寸的散热片。当实际电流 超过该值时，二极管将因 PN 结过热而损坏。 (2) 最高反向工作电压UR 最高反向工作电压指保证二极管不被击穿所 允许施加的最高反向电压，一般规定为反向击穿电压的一半或三分之二。 iD / mA uD /V O 图 1-12 理想二极管的伏安特性