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1、课 目：半导体基础知识及半导体器件教学目的：通过本课的学习，主要使们对半导体基础知识及半导体器件有一个基本的认识，为以后电子技术的学习打下良好的基础。教学内容：1、半导体基本知识 2、PN结 3、晶体二极管教学重点：PN结、晶体二极管教学难点：PN结教学方法：启发诱导，循序渐进教学手段：多媒体课件教学内容： 半导体器件的出现是电子技术发展过程中的一个重要的里程碑。在我们如今的生活中，半导体处处存在，在电子产品（如电脑、电视等）中广泛应用。半导体的特点：体积小、重量轻、使用寿命长、输入功率小、功率转换效率高。为了更好的认识我们所使用的仪器设备，了解其工作原理，熟悉其电子线路，就必须对半导体器
2、件的工作原理和特性等方面的基础知识有一个充分的认识。本节课我们就是要对晶体二极管、晶体三极管及场效应管的内部机理作简要介绍，重点讨论各器件的外部特性，为以后的电子技术学习打下基础。一、半导体基本知识在自然界中，存在着很多不同的物质，用其导电能力来衡量，可以分为三大类：导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。在这里，我有这样一个问题想问大家：为什么物质的导电性会有差异？这是由于物质内部的结构不同所造成的。物质是
3、由原子组成的，原子又是由带正电的原子核和带负电的电子组成的。原子核外面电子的分布类似太阳和行星的模型，电子是分层围绕原子核运动的，越靠里层的电子受原子核的束缚越强，最外层的电子受原子核的束缚最弱。对导体来讲，原子核对最外层的电子束缚很弱，有大量的外层电子可以挣脱原子核的束缚成为自由电子，这些自由电子在外电场力的作用下定向运动形成电流，所以表现出良好的导电性。对于绝缘体来说，原子核对最外层的电子束缚很强，因此只有极少的最外层电子能挣脱原子核的束缚而成为自由电子，所以表现为绝缘性。一、半导体的结构特点在半导体中，原子的结构比较特殊，以常用的半导体材料锗和硅来说，他们的原子核最外层都有4个电子，其结
4、构如图所示，这样的分布状态使外层电子既不想导体那样容易挣脱原子核的束缚而成为自由电子，又不像绝缘体那样受到原子核的紧紧束缚，这就决定它的导电能力介于导体和绝缘体之间，因此，半导体既不能用作导体，也不能用作绝缘体。完全纯净的、结构完整的半导体晶体叫本征半导体。在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离
5、共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。二、半导体的导电性1.载流子、自由电子和空穴在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为 0，相当于绝缘体。在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。这种现象叫做本征激发。由于含空穴的原子失去了带负电的电子，因而带正电，它将吸引相邻原子中的价电子，并使它挣脱原来共价键的束缚去填补前面的空穴，从而又出现了新的空穴。这样当电子按某一方向连续填补空穴时，其效果完
6、全等同于带正电的空穴向相反方向移动。本征半导体中电流由两部分组成：1. 自由电子移动产生的电流。2. 空穴移动产生的电流。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。注意：空穴实质上是不移动的，当电子按某一方向连续填补空穴时，相对于电子而言，空穴是按相反的方向移动，为了分析方便，我们认为空穴时可以移动的。三、杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，
7、也称为（电子半导体）。P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。（一）N 型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。N 型半导体中的载流子是：1.由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。由于掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数
8、载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。（二）P 型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。第二节 PN结前面我们讲到讲纯净的半导体掺入微量元素得到了P型和N型半导体，这并非最后的目的。对于制造半导体器件来说，最重要的是PN结。通过特殊工艺，在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导体和N 型半导体，在它们的交界面形成一个具
9、有特殊性质的薄层，称之PN 结。一、PN结的形成扩散运动：当P 型半导体和N 型半导体“结合”在一起时，由于在两侧的空穴和电子存在浓度差，因而N区的多数载流子电子向P区运动，同时P区内的多数载流子空穴向N区运动，此运动称为扩散运动。漂移运动：内电场将阻止多子的扩散运动，而将N区的少子空穴向P区运动，同时将P区内的少子电子向N区运动，此运动称为漂移运动。扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。而内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。就形成了PN结。注意：动态平衡后，PN结
10、中的载流子依然在运动，只是进入对方的同种载流子数目相等而已。二、PN结的特性（一）PN结的单向导电性1、正向偏置PN结导通PN 结加上正向电压、正向偏置的意思都是： P 区加正、N 区加负电压。PN结正偏时外电场的方向和内电场的方向相反，因而削弱了内电场，使阻挡层变薄，多子的扩散加强，形成了较大的扩散电流，且随正向电压的增大而增大。所以PN结正向导通时，意味着PN结的电阻很小。2、反向偏置PN结截止PN 结加上反向电压、反向偏置的意思都是： P区加负、N 区加正电压。PN结反偏时外电场的方向和内电场的方向相同，因而加强了内电场，使阻挡层变厚，多子的扩散受抑制，少子漂移加强，但少子数量有限，只能
11、形成较小的反向电流，并且不随反向电压的增大而增大，也称之为反向饱和电流。综上所述，当PN结正偏时，形成较大电流，PN结处于正向导通状态；当PN结反偏时，只有非常小的反向饱和电流，PN结处于反向截止状态。这就是PN结的单向导电性。PN结是二极管、三极管、场效应管的核心结构，这些器件的工作情况正是主要由PN结的单向导电性决定的。（二）PN结的击穿特性加大PN结的反向电压到某一数值时，反向电流会突然剧增，这种现象叫做PN结击穿。击穿之后，PN结两端的反向电压稍有变化，反向电流变化就很大，也就是说，此时PN结具有稳压的特性。利用这一特性，可以制成稳压二极管。稳压二极管工作于反向击穿区，因此，电路中，稳
12、压二极管正极必须接电源负极，负极接电源正极。（三）PN结的电容特性PN结 形成以后，N区显露出正离子薄层，P区显露出负离子薄层，相当于电容器的两个极板。因此，PN结具有电容特性，存在结电容。当PN结上电压变化时，结电容变化，结中存储的电荷量也跟着变化，并伴随有充放电电流。由于结电容的存在，当频率较高时，即使PN结反向偏置，也有一定的电流通过，这就失去了PN结的单向导电性。因此，在检波、混频等电路中，结电容是有害的。然而，结电容也有可利用的一面，在压控振荡器、调频电路中广泛应用的变容二极管，就是利用这一特性制成的。（四）PN结的温度特性我们知道，PN结的反向电流很小，且在未击穿时，基本不随反向电
13、压增大而增大，但是反向电流随温度的变化却很剧烈。这是因为温度变化时，由本征激发产生的少子数量产生明显变化。天行体育下载所以，反向电流受温度变化影响很大。一般认为，温度每增大10，反向电流增大一倍。PN结的正向特性受温度影响也很大。一般认为，温度每升高1，结电压大约减少2Mv。当温度升高到某一程度时，由本征激发产生的少子浓度有可能超过掺杂浓度，此时，PN结就不存在了。因此，为了保证二极管正常工作，对它的最高工作温度有一个限制，硅PN结约为150-200，锗PN结约为75-100。第三节 晶体二极管一、二极管的结构、符号和类型一个PN结,引出两个电极，加上外壳封装,就构成一个二极管。P区的引出线、的引出线称为阴极，其文字符号为D。箭头指向为PN结正向电流的方向。几种常见外形如下图所示：PN按二极管制造工艺的不同，二极管可分为点接触型、面接触型和平面型三种，如下图所示。点接触型二极管的特点是：PN结面积小，因而结电容小，通过的电流小，常用于高频电路、检波电路等。面接触型二极管的特点是：PN结面积大，结电容较大，只能在低频下工作，允许通过的电流较大，常用于整流电路等。平面型二极管的特点是：PN结面积较小时，结电容小，可用于脉冲数字电路中；PN结面积较大时，通过电流较大，可用于大功率整流。二、二极管的伏安特性伏安特性是指二极管流过的电流与二极管两端电压之间的关系曲线。如图所示。当二极管承受正
15、偏电压而外加电压还不足以克服内电场作用时，二极管不能导通，几乎没有电流，如图中的OA段。如正偏电压继续增大达到某一数值，PN结内电场被抵消，正向电流急剧增大，二极管导通，一般硅管导通压降约为0.7伏,锗管导通压降约为0.3伏。二极管外加正向电压所得到的电压电流关系曲线称为正向特性。三、二极管的主要参数1.最大整流电流IF二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。2.最高反向工作电压UR二极管在使用时所允许外加的最大反向电压。手册上给出的最高反向工作电压UWRM一般是UBR的一半。3.最大反向电流Irm最大反向电流是最大反向工作电压下的反向电流，此值越小，二极管的单向导电性越好。4.最
16、高工作频率fM不破坏二极管单向导电性的前提下的外加信号的最高工作频率。其取决于PN结电容。四、二极管的简易检测方法在生产实践中，常用万用表的电阻档来测量二极管的电阻以判别它的极性及其质量好坏。万用表的红笔（正端）接表内电池的负极，黑笔（负端）接表内电池的正极。测量方法是：选好倍率档，一般可选择R100或R1k档。将两表笔短接调零。用两表笔测量二极管的电阻值，记录读数。交换表笔，再测一次电阻值，记录读数。阻值较小的一次，黑表笔所接是二极管正极，红表笔所接是二极管负极。如果测得正反向电阻差不多，则表明此二极管单向导电性不好或完全损坏。如果测得正反向电阻都无穷大，则表明此二极管管内断路。五、介绍几种特殊的二极管1、变容二极管二极管的结电容Cj不为常数而与外加的电压有关。在加反向电压下，其容值随电压值的增大而减小，这种效应显著的二极管就称为变容二极管。2、光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。3、发光二极管在外加正向电压时，电子与空穴直接复合释放能量，从而发光。其光谱较窄，由半导体材料决定，用由砷化稼及磷化稼等化合物制成。4、稳压二极管利用PN结的击穿特性，击穿之后，PN结两端的反向电压稍有变化，反向电流变化就很大，也就是说，此时PN结具有稳压的特性。利用这一特性，可以制成稳压二极管。稳压二极管工作于反向击穿区，因此，电路中，稳压二极管正极必须接电源负极，负极接电源正极。
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