注冊電氣工程師考試學(xué)習(xí)資料半導(dǎo)體基礎(chǔ)及二極管三極管

模擬電子技術(shù)第1章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)

考試大綱要求：

1半導(dǎo)體及二極管

1.1掌握二極管和穩(wěn)壓管特性、參數(shù)

1.2了解載流子，擴散，漂移；PN結(jié)的形成及單向?qū)щ娦?/p>

重點知識點：1.兩種半導(dǎo)體、載流子及其運動、PN結(jié)2.半導(dǎo)體二極管參數(shù)、單向?qū)щ娦?、伏安特?.穩(wěn)壓二極管及其應(yīng)用4.晶體三極管結(jié)構(gòu)、電流分配關(guān)系5.晶體管的三種工作狀態(tài)、輸入輸出特性1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識

自然界中的物質(zhì)，按其導(dǎo)電能力可分為三大類：導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體。半導(dǎo)體的特點：①熱敏性②光敏性③摻雜性1.1.1本征半導(dǎo)體完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體材料稱為本征半導(dǎo)體。1.本征半導(dǎo)體的原子結(jié)構(gòu)及共價鍵共價鍵內(nèi)的兩個電子由相鄰的原子各用一個價電子組成，稱為束縛電子。圖1.1所示為硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)和共價鍵結(jié)構(gòu)。圖1.1硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)和共價鍵結(jié)構(gòu)2.本征激發(fā)和兩種載流子——自由電子和空穴溫度越高，半導(dǎo)體材料中產(chǎn)生的自由電子便越多。束縛電子脫離共價鍵成為自由電子后，在原來的位置留有一個空位，稱此空位為空穴。本征半導(dǎo)體中，自由電子和空穴成對出現(xiàn)，數(shù)目相同。圖1.2所示為本征激發(fā)所產(chǎn)生的電子空穴對。

圖1.2本征激發(fā)產(chǎn)生電子空穴對

如圖1.3所示，空穴（如圖中位置1）出現(xiàn)以后，鄰近的束縛電子（如圖中位置2）可能獲取足夠的能量來填補這個空穴，而在這個束縛電子的位置又出現(xiàn)一個新的空位，另一個束縛電子（如圖中位置3）又會填補這個新的空位，這樣就形成束縛電子填補空穴的運動。為了區(qū)別自由電子的運動，稱此束縛電子填補空穴的運動為空穴運動。

圖1.3束縛電子填補空穴的運動3.結(jié)論（1）半導(dǎo)體中存在兩種載流子，一種是帶負電的自由電子，另一種是帶正電的空穴，它們都可以運載電荷形成電流。（2）本征半導(dǎo)體中，自由電子和空穴相伴產(chǎn)生，數(shù)目相同。

（3）一定溫度下，本征半導(dǎo)體中電子空穴對的產(chǎn)生與復(fù)合相對平衡，電子空穴對的數(shù)目相對穩(wěn)定。（4）溫度升高，激發(fā)的電子空穴對數(shù)目增加，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力增強?？昭ǖ某霈F(xiàn)是半導(dǎo)體導(dǎo)電區(qū)別導(dǎo)體導(dǎo)電的一個主要特征。1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中加入微量雜質(zhì)，可使其導(dǎo)電性能顯著改變。根據(jù)摻入雜質(zhì)的性質(zhì)不同，雜質(zhì)半導(dǎo)體分為兩類：電子型（N型）半導(dǎo)體和空穴型（P型）半導(dǎo)體。1.N型半導(dǎo)體在硅（或鍺）半導(dǎo)體晶體中，摻入微量的五價元素，如磷（P）、砷（As）等，則構(gòu)成N型半導(dǎo)體。

五價的元素具有五個價電子，它們進入由硅（或鍺）組成的半導(dǎo)體晶體中，五價的原子取代四價的硅（或鍺）原子，在與相鄰的硅（或鍺）原子組成共價鍵時，因為多一個價電子不受共價鍵的束縛，很容易成為自由電子，于是半導(dǎo)體中自由電子的數(shù)目大量增加。自由電子參與導(dǎo)電移動后，在原來的位置留下一個不能移動的正離子，半導(dǎo)體仍然呈現(xiàn)電中性，但與此同時沒有相應(yīng)的空穴產(chǎn)生，如圖1.4所示。圖1.4N型半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)2.P型半導(dǎo)體在硅（或鍺）半導(dǎo)體晶體中，摻入微量的三價元素，如硼（B）、銦（In）等，則構(gòu)成P型半導(dǎo)體。

三價的元素只有三個價電子，在與相鄰的硅（或鍺）原子組成共價鍵時，由于缺少一個價電子，在晶體中便產(chǎn)生一個空位，鄰近的束縛電子如果獲取足夠的能量，有可能填補這個空位，使原子成為一個不能移動的負離子，半導(dǎo)體仍然呈現(xiàn)電中性，但與此同時沒有相應(yīng)的自由電子產(chǎn)生，如圖1.5所示。圖1.5P型半導(dǎo)體共價鍵結(jié)構(gòu)P型半導(dǎo)體中，空穴為多數(shù)載流子（多子），自由電子為少數(shù)載流子（少子）。P型半導(dǎo)體主要靠空穴導(dǎo)電。1.1.3PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?.PN結(jié)的形成多數(shù)載流子因濃度上的差異而形成的運動稱為擴散運動，如圖1.6所示。圖1.6P型和N型半導(dǎo)體交界處載流子的擴散

由于空穴和自由電子均是帶電的粒子，所以擴散的結(jié)果使P區(qū)和N區(qū)原來的電中性被破壞，在交界面的兩側(cè)形成一個不能移動的帶異性電荷的離子層，稱此離子層為空間電荷區(qū)，這就是所謂的PN結(jié)，如圖1.7所示。在空間電荷區(qū)，多數(shù)載流子已經(jīng)擴散到對方并復(fù)合掉了，或者說消耗盡了，因此又稱空間電荷區(qū)為耗盡層。圖1.7PN結(jié)的形成

空間電荷區(qū)出現(xiàn)后，因為正負電荷的作用，將產(chǎn)生一個從N區(qū)指向P區(qū)的內(nèi)電場。內(nèi)電場的方向，會對多數(shù)載流子的擴散運動起阻礙作用。同時，內(nèi)電場則可推動少數(shù)載流子（P區(qū)的自由電子和N區(qū)的空穴）越過空間電荷區(qū)，進入對方。少數(shù)載流子在內(nèi)電場作用下有規(guī)則的運動稱為漂移運動。漂移運動和擴散運動的方向相反。無外加電場時，通過PN結(jié)的擴散電流等于漂移電流，PN結(jié)中無電流流過，PN結(jié)的寬度保持一定而處于穩(wěn)定狀態(tài)。2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦匀绻赑N結(jié)兩端加上不同極性的電壓，PN結(jié)會呈現(xiàn)出不同的導(dǎo)電性能。（1）PN結(jié)外加正向電壓

PN結(jié)P端接高電位，N端接低電位，稱PN結(jié)外加正向電壓，又稱PN結(jié)正向偏置，簡稱為正偏，如圖1.8所示。圖1.8PN結(jié)外加正向電壓（2）PN結(jié)外加反向電壓

PN結(jié)P端接低電位，N端接高電位，稱PN結(jié)外加反向電壓，又稱PN結(jié)反向偏置，簡稱為反偏，如圖1.9所示。圖1.9PN結(jié)外加反向電壓PN結(jié)的單向?qū)щ娦允侵窹N結(jié)外加正向電壓時處于導(dǎo)通狀態(tài)，外加反向電壓時處于截止?fàn)顟B(tài)。1.2半導(dǎo)體二極管1.2.1二極管的結(jié)構(gòu)及符號半導(dǎo)體二極管同PN結(jié)一樣具有單向?qū)щ娦?。二極管按半導(dǎo)體材料的不同可以分為硅二極管、鍺二極管和砷化鎵二極管等。可分為點接觸型、面接觸型和平面型二極管三類，如圖1.10所示。圖1.10不同結(jié)構(gòu)的各類二極管

圖1.11所示為二極管的符號。由P端引出的電極是正極，由N端引出的電極是負極，箭頭的方向表示正向電流的方向，VD是二極管的文字符號。

圖1.11二極管的符號

常見的二極管有金屬、塑料和玻璃三種封裝形式。按照應(yīng)用的不同，二極管分為整流、檢波、開關(guān)、穩(wěn)壓、發(fā)光、光電、快恢復(fù)和變?nèi)荻O管等。根據(jù)使用的不同，二極管的外形各異，圖1.12所示為幾種常見的二極管外形。圖1.12常見的二極管外形1.2.2二極管的伏安特性及主要參數(shù)1.二極管的伏安特性二極管兩端的電壓U及其流過二極管的電流I之間的關(guān)系曲線，稱為二極管的伏安特性。（1）正向特性二極管外加正向電壓時，電流和電壓的關(guān)系稱為二極管的正向特性。如圖1.13所示，當(dāng)二極管所加正向電壓比較小時（0<U<Uth），二極管上流經(jīng)的電流為0，管子仍截止，此區(qū)域稱為死區(qū)，Uth稱為死區(qū)電壓（門坎電壓）。硅二極管的死區(qū)電壓約為0.5V，鍺二極管的死區(qū)電壓約為0.1V。圖1.13二極管的伏安特性曲線（2）反向特性二極管外加反向電壓時，電流和電壓的關(guān)系稱為二極管的反向特性。由圖1.13可見，二極管外加反向電壓時，反向電流很小（I≈-IS），而且在相當(dāng)寬的反向電壓范圍內(nèi)，反向電流幾乎不變，因此，稱此電流值為二極管的反向飽和電流。（3）反向擊穿特性從圖1.13可見，當(dāng)反向電壓的值增大到UBR時，反向電壓值稍有增大，反向電流會急劇增大，稱此現(xiàn)象為反向擊穿，UBR為反向擊穿電壓。利用二極管的反向擊穿特性，可以做成穩(wěn)壓二極管，但一般的二極管不允許工作在反向擊穿區(qū)。2.二極管的溫度特性二極管是對溫度非常敏感的器件。實驗表明，隨溫度升高，二極管的正向壓降會減小，正向伏安特性左移，即二極管的正向壓降具有負的溫度系數(shù)（約為-2mV/℃）；溫度升高，反向飽和電流會增大，反向伏安特性下移，溫度每升高10℃，反向電流大約增加一倍。圖1.14所示為溫度對二極管伏安特性的影響。圖1.14溫度對二極管伏安特性的影響3.二極管的主要參數(shù)（1）最大整流電流IF

最大整流電流IF是指二極管長期連續(xù)工作時，允許通過二極管的最大正向電流的平均值。（2）反向擊穿電壓UBR

反向擊穿電壓是指二極管擊穿時的電壓值。（3）反向飽和電流IS

它是指管子沒有擊穿時的反向電流值。其值愈小，說明二極管的單向?qū)щ娦杂谩?.2.3二極管的測試1.二極管極性的判定將紅、黑表筆分別接二極管的兩個電極，若測得的電阻值很?。◣浊W以下），則黑表筆所接電極為二極管正極，紅表筆所接電極為二極管的負極；若測得的阻值很大（幾百千歐以上），則黑表筆所接電極為二極管負極，紅表筆所接電極為二極管的正極，如圖1.15所示。圖1.15二極管極性的測試2.二極管好壞的判定（1）若測得的反向電阻很大（幾百千歐以上），正向電阻很小（幾千歐以下），表明二極管性能良好。（2）若測得的反向電阻和正向電阻都很小，表明二極管短路，已損壞。（3）若測得的反向電阻和正向電阻都很大，表明二極管斷路，已損壞。1.2.4二極管應(yīng)用電路舉例普通二極管的應(yīng)用范圍很廣，可用于開關(guān)、穩(wěn)壓、整流、限幅等電路。1.2.5特殊二極管1.穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管又名齊納二極管，簡稱穩(wěn)壓管，是一種用特殊工藝制作的面接觸型硅半導(dǎo)體二極管，這種管子的雜質(zhì)濃度比較大，容易發(fā)生擊穿，其擊穿時的電壓基本上不隨電流的變化而變化，從而達到穩(wěn)壓的目的。穩(wěn)壓管工作于反向擊穿區(qū)。（1）穩(wěn)壓管的伏安特性和符號圖1.20所示為穩(wěn)壓管的伏安特性和符號。圖1.20穩(wěn)壓二極管的伏安特性和符號（2）穩(wěn)壓管的主要參數(shù)①穩(wěn)定電壓UZ。它是指當(dāng)穩(wěn)壓管中的電流為規(guī)定值時，穩(wěn)壓管在電路中其兩端產(chǎn)生的穩(wěn)定電壓值。②穩(wěn)定電流IZ。它是指穩(wěn)壓管工作在穩(wěn)壓狀態(tài)時，穩(wěn)壓管中流過的電流，有最小穩(wěn)定電流IZmin和最大穩(wěn)定電流IZmax之分。③耗散功率PM。它是指穩(wěn)壓管正常工作時，管子上允許的最大耗散功率。（3）應(yīng)用穩(wěn)壓管應(yīng)注意的問題①穩(wěn)壓管穩(wěn)壓時，一定要外加反向電壓，保證管子工作在反向擊穿區(qū)。當(dāng)外加的反向電壓值大于或等于UZ時，才能起到穩(wěn)壓作用；若外加的電壓值小于UZ，穩(wěn)壓二極管相當(dāng)于普通的二極管使用。②在穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路中，一定要配合限流電阻的使用，保證穩(wěn)壓管中流過的電流在規(guī)定的范圍之內(nèi)。2.發(fā)光二極管發(fā)光二極管是一種光發(fā)射器件，英文縮寫是LED。此類管子通常由鎵（Ga）、砷（As）、磷（P）等元素的化合物制成，管子正向?qū)?，?dāng)導(dǎo)通電流足夠大時，能把電能直接轉(zhuǎn)換為光能，發(fā)出光來。目前發(fā)光二極管的顏色有紅、黃、橙、綠、白和藍6種，所發(fā)光的顏色主要取決于制作管子的材料，例如用砷化鎵發(fā)出紅光，而用磷化鎵則發(fā)出綠光。其中白色發(fā)光二極管是新型產(chǎn)品，主要應(yīng)用在手機背光燈、液晶顯示器背光燈、照明等領(lǐng)域。

發(fā)光二極管工作時導(dǎo)通電壓比普通二極管大，其工作電壓隨材料的不同而不同，一般為1.7V～2.4V。普通綠、黃、紅、橙色發(fā)光二極管工作電壓約為2V；白色發(fā)光二極管的工作電壓通常高于2.4V；藍色發(fā)光二極管的工作電壓一般高于3.3V。發(fā)光二極管的工作電流一般在2mA～25mA的范圍。

發(fā)光二極管應(yīng)用非常廣泛，常用作各種電子設(shè)備如儀器儀表、計算機、電視機等的電源指示燈和信號指示等，還可以做成七段數(shù)碼顯示器等。發(fā)光二極管的另一個重要用途是將電信號轉(zhuǎn)為光信號。普通發(fā)光二極管的外形和符號如圖1.23所示。圖1.23發(fā)光二極管的外形和符號3.光電二極管光電二極管又稱為光敏二極管，它是一種光接受器件，其PN結(jié)工作在反偏狀態(tài)，可以將光能轉(zhuǎn)換為電能，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。圖1.24所示為光電二極管的基本電路和符號。圖1.24光電二極管的基本電路和符號4.變?nèi)荻O管圖1.25所示為變?nèi)荻O管的符號。此種管子是利用PN結(jié)的電容效應(yīng)進行工作的，它工作在反向偏置狀態(tài)，當(dāng)外加的反偏電壓變化時，其電容量也隨著改變。圖1.25變?nèi)荻O管的符號5.激光二極管激光二極管是在發(fā)光二極管的PN結(jié)間安置一層具有光活性的半導(dǎo)體，構(gòu)成一個光諧振腔。工作時接正向電壓，可發(fā)射出激光。激光二極管的應(yīng)用非常廣泛，在計算機的光盤驅(qū)動器，激光打印機中的打印頭，激光唱機，激光影碟機中都有激光二極管。1.3半導(dǎo)體三極管1.3.1三極管的結(jié)構(gòu)及符號半導(dǎo)體三極管又稱晶體三極管（下稱三極管），一般簡稱晶體管，或雙極型晶體管。它是通過一定的制作工藝，將兩個PN結(jié)結(jié)合在一起的器件，兩個PN結(jié)相互作用，使三極管成為一個具有控制電流作用的半導(dǎo)體器件。三極管可以用來放大微弱的信號和作為無觸點開關(guān)。

三極管從結(jié)構(gòu)上來講分為兩類：NPN型三極管和PNP型三極管。圖1.26所示為三極管的結(jié)構(gòu)示意圖和符號。圖1.26三極管的結(jié)構(gòu)示意圖和符號

符號中發(fā)射極上的箭頭方向，表示發(fā)射結(jié)正偏時電流的流向。三極管制作時，通常它們的基區(qū)做得很薄（幾微米到幾十微米），且摻雜濃度低；發(fā)射區(qū)的雜質(zhì)濃度則比較高；集電區(qū)的面積則比發(fā)射區(qū)做得大，這是三極管實現(xiàn)電流放大的內(nèi)部條件。BECNNP基極發(fā)射極集電極基區(qū)：較薄，摻雜濃度低集電結(jié)：面積較大發(fā)射區(qū)：摻雜濃度較高BECNNP基極發(fā)射極集電極發(fā)射結(jié)集電結(jié)

三極管可以是由半導(dǎo)體硅材料制成，稱為硅三極管；也可以由鍺材料制成，稱為鍺三極管。三極管從應(yīng)用的角度講，種類很多。根據(jù)工作頻率分為高頻管、低頻管和開關(guān)管；根據(jù)工作功率分為大功率管、中功率管和小功率管。常見的三極管外形如圖1.27所示。圖1.27常見的三極管外形1.3.2三極管的電流分配原則及放大作用要實現(xiàn)三極管的電流放大作用，首先要給三極管各電極加上正確的電壓。三極管實現(xiàn)放大的外部條件是：其發(fā)射結(jié)必須加正向電壓（正偏），而集電結(jié)必須加反向電壓（反偏）。1.實驗結(jié)論為了了解三極管的電流分配原則及其放大原理，首先做一個實驗，實驗電路如圖1.28所示。在電路中，要給三極管的發(fā)射結(jié)加正向電壓，集電結(jié)加反向電壓，保證三極管能起到放大作用。改變可變電阻Rb的值，則基極電流IB、集電極電流IC和發(fā)射極電流IE都發(fā)生變化，電流的方向如圖中所示。

圖1.28三極管電流放大的實驗電路

由實驗及測量結(jié)果可以得出以下結(jié)論。（1）實驗數(shù)據(jù)中的每一列數(shù)據(jù)均滿足關(guān)系：IE=IC+IB；此結(jié)果符合基爾霍夫電流定律。（2）每一列數(shù)據(jù)都有IC>>IB，而且有IC與IB的比值近似相等，大約等于50。（3）對表1.4中任兩列數(shù)據(jù)求IC和IB變化量的比值，結(jié)果仍然近似相等，約等于50。（4）從表1.4中可知，當(dāng)IB=0（基極開路）時，集電極電流的值很小，稱此電流為三極管的穿透電流ICEO。穿透電流ICEO越小越好。2.三極管實現(xiàn)電流分配的原理上述實驗結(jié)論可以用載流子在三極管內(nèi)部的運動規(guī)律來解釋。圖1.29為三極管內(nèi)部載流子的傳輸與電流分配示意圖。圖1.29三極管內(nèi)部載流子的傳輸與電流分配示意圖

（1）發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射自由電子，形成發(fā)射極電流IE。（2）自由電子在基區(qū)與空穴復(fù)合，形成基極電流IB。（3）集電區(qū)收集從發(fā)射區(qū)擴散過來的自由電子，形成集電極電流IC。3.結(jié)論（1）要使三極管具有放大作用，發(fā)射結(jié)必須正向偏置，而集電結(jié)必須反向偏置。（2）一般有β>>1；通常認為β≈β。（3）三極管的電流分配及放大關(guān)系式為：

IE=IC+IB

IC=βIB

1.3.3三極管的特性曲線及主要參數(shù)1.三極管的特性曲線三極管的特性曲線是指三極管的各電極電壓與電流之間的關(guān)系曲線，它反映出三極管的特性。它可以用專用的圖示儀進行顯示，也可通過實驗測量得到。以NPN型硅三極管為例，其常用的特性曲線有以下兩種。（1）輸入特性曲線它是指一定集電極和發(fā)射極電壓UCE下，三極管的基極電流IB與發(fā)射結(jié)電壓UBE之間的關(guān)系曲線。實驗測得三極管的輸入特性曲線如圖1.30所示。

圖1.30三極管的輸入特性曲線（2）輸出特性曲線它是指一定基極電流IB下，三極管的集電極電流IC與集電結(jié)電壓UCE之間的關(guān)系曲線。實驗測得三極管的輸出特性曲線如圖1.31所示。圖1.31三極管的輸出特性曲線

一般把三極管的輸出特性分為3個工作區(qū)域，下面分別介紹。①截止區(qū)三極管工作在截止?fàn)顟B(tài)時，具有以下幾個特點：（a）發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均反向偏置；（b）若不計穿透電流ICEO，有IB、IC近似為0；（c）三極管的集電極和發(fā)射極之間電阻很大，三極管相當(dāng)于一個開關(guān)斷開。②放大區(qū)圖1.31中，輸出特性曲線近似平坦的區(qū)域稱為放大區(qū)。三極管工作在放大狀態(tài)時，具有以下特點：（a）三極管的發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置；（b）基極電流IB微小的變化會引起集電極電流IC較大的變化，有電流關(guān)系式：IC=βIB；

（c）對NPN型的三極管，有電位關(guān)系：UC>UB>UE；（d）對NPN型硅三極管，有發(fā)射結(jié)電壓UBE≈0.7V；對NPN型鍺三極管，有UBE≈0.2V。③飽和區(qū)三極管工作在飽和狀態(tài)時具有如下特點：（a）三極管的發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均正向偏置；（b）三極管的電流放大能力下降，通常有IC<βIB；

（c）UCE的值很小，稱此時的電壓UCE為三極管的飽和壓降，用UCES表示。一般硅三極管的UCES約為0.3V，鍺三極管的UCES約為0.1V；（d）三極管的集電極和發(fā)射極近似短接，三極管類似于一個開關(guān)導(dǎo)通。三極管作為開關(guān)使用時，通常工作在截止和飽和導(dǎo)通狀態(tài)；作為放大元件使用時，一般要工作在放大狀態(tài)。2.三極管的主要參數(shù)三極管的參數(shù)有很多，如電流放大系數(shù)、反向電流、耗散功率、集電極最大電流、最大反向電壓等，這些參數(shù)可以通過查半導(dǎo)體手冊來得到。三極管的參數(shù)是正確選定三極管的重要依據(jù)，下面介紹三極管的幾個主要參數(shù)。（1）共發(fā)射極電流放大系數(shù)β和β

它是指從基極輸入信號，從集電極輸出信號，此種接法（共發(fā)射極）下的電流放大系數(shù)。（2）極間反向電流①集電極基極間的