半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)知識(shí)

醫(yī)學(xué)電子儀器原理與技術(shù)生物醫(yī)學(xué)工程研究所本課程內(nèi)容醫(yī)學(xué)電子儀器與基礎(chǔ)電路生理參數(shù)測(cè)量?jī)x器醫(yī)學(xué)超聲儀器臨床檢測(cè)分析儀器生理功能輔助儀器醫(yī)用光學(xué)技術(shù)與儀器治療用電子儀器放射治療腫瘤裝置醫(yī)用儀器干擾的抑制和安全用電第一章醫(yī)學(xué)電子儀器與基礎(chǔ)電子電路醫(yī)學(xué)電子儀器的特點(diǎn)醫(yī)學(xué)電子儀器的分類半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)知識(shí)生物醫(yī)學(xué)放大電路電子振蕩電路直流穩(wěn)壓電路數(shù)字邏輯電路1.1醫(yī)學(xué)電子儀器的特點(diǎn)高精度、高標(biāo)準(zhǔn)、高質(zhì)量

多門類、多品種、多規(guī)格

新技術(shù)、新材料、新原理應(yīng)用迅速1.2醫(yī)學(xué)電子儀器的分類生物電檢測(cè)儀器及非電生理參數(shù)檢測(cè)儀器生物電檢測(cè)儀器（心電、肌電等）非電生理參數(shù)檢測(cè)儀器（體溫、血壓等）監(jiān)護(hù)儀器（床旁、中心監(jiān)護(hù)、手術(shù)監(jiān)護(hù)）

臨床檢驗(yàn)分析儀器（血?dú)狻⑸治鰞x）生理功能輔助儀器（呼吸機(jī)、麻醉機(jī)）醫(yī)用超聲儀器

醫(yī)學(xué)電子儀器的分類醫(yī)用X線診斷裝置X線計(jì)算機(jī)斷層成像系統(tǒng)(XCT)磁共振成像系統(tǒng)(MRI)核醫(yī)學(xué)診斷儀器及設(shè)備（ECT、PET）放射治療裝置（鈷60、X-刀、γ-刀）醫(yī)用光學(xué)儀器（醫(yī)用內(nèi)窺鏡等）治療與康復(fù)儀器1.3半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)知識(shí)常溫下的自然界中的物質(zhì)按其導(dǎo)電性能可分為以下三類。導(dǎo)體：導(dǎo)電性能良好，如銅、銀、鋁等金屬材料。絕緣體：幾乎不導(dǎo)電，如玻璃、橡膠、陶瓷等材料。半導(dǎo)體：其導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間，如硅、鍺、砷化物和硫化物等材料。半導(dǎo)體導(dǎo)電能力在不同條件下差異很大。1.熱敏性環(huán)境溫度對(duì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力影響很大。對(duì)純凈半導(dǎo)體來說，溫度越高，導(dǎo)電能力就越強(qiáng)。基于這種特性，可制成各種溫度敏感元件，如熱敏電阻等。

2.光敏性一些半導(dǎo)體材料受到光照時(shí)，導(dǎo)電能力隨之增強(qiáng)。利用這種特性可以制成各種光敏器件，如光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光控晶閘管和光電池等。3.摻入微量雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的影響如果在純凈半導(dǎo)體中摻入某些微量雜質(zhì)，其導(dǎo)電能力將大大增強(qiáng)。而且摻入的雜質(zhì)元素不同、濃度不同，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能可以人為地控制。摻入雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。根據(jù)摻入雜質(zhì)的不同，雜質(zhì)半導(dǎo)體可分為N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體兩種。N型、P型半導(dǎo)體及PN結(jié)

在半導(dǎo)體中摻入少量5價(jià)元素磷（或砷、銻），可使半導(dǎo)體內(nèi)的自由電子數(shù)量劇增。在這種半導(dǎo)體中自由電子占絕大多數(shù)，故稱為多數(shù)載流子（多子），而空穴則為少數(shù)載流子（少子）。它主要依靠帶負(fù)電的電子導(dǎo)電，所以叫電子型半導(dǎo)體，或N（Negative）型半導(dǎo)體。

在本征半導(dǎo)體中摻入少量3價(jià)元素硼（或鋁、鎵、銦），可使空穴的數(shù)量劇增。在這種半導(dǎo)體中，空穴是多數(shù)載流子，自由電子為少數(shù)載流子，它主要依靠帶正電的空穴導(dǎo)電，所以叫空穴型半導(dǎo)體，或P（Positive）型半導(dǎo)體。

單一的N型或P型半導(dǎo)體只能起電阻作用。但若將這兩種半導(dǎo)體以某種方式結(jié)合在一起，構(gòu)成PN結(jié)，就可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能受到控制，這樣才能制成各種具有不同特性的半導(dǎo)體器件。利用特殊的摻雜工藝，可使一塊半導(dǎo)體的一部分成為P型半導(dǎo)體（P區(qū)），而另一部分成為N型半導(dǎo)體（N區(qū)），則在兩者交界處形成一個(gè)具有特殊性質(zhì)的區(qū)域，稱之為PN結(jié)。

PN結(jié)的形成過程中同時(shí)存在著多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和少子的漂移運(yùn)動(dòng)。當(dāng)PN結(jié)處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)時(shí)，多子的擴(kuò)散電流與少子的漂移電流大小相等且方向相反，通過PN結(jié)的電流為零，即PN結(jié)處于不導(dǎo)電狀態(tài)。但如果在PN結(jié)兩端加上電壓，就會(huì)打破原來擴(kuò)散和漂移的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，使PN結(jié)呈現(xiàn)單向?qū)щ姷男阅?。單向?qū)щ娦允荘N結(jié)的基本特性。

（a）加正向電壓（b）加反向電壓圖1.1PN結(jié)外加電壓

當(dāng)PN結(jié)外加正向電壓時(shí)，PN結(jié)處于低電阻的導(dǎo)通狀態(tài)，正向電流較大；當(dāng)PN結(jié)外加反向電壓時(shí)，PN結(jié)處于高電阻的截止?fàn)顟B(tài)，反向電流很小。這就是PN結(jié)的單向?qū)щ娦?。但?dāng)加于PN結(jié)的反向電壓增大到一定數(shù)值時(shí)，反向電流可突然急劇增大，這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。對(duì)應(yīng)于電流開始劇增時(shí)的電壓稱為反向擊穿電壓。發(fā)生反向擊穿時(shí)，只要反向電流的熱效應(yīng)不破壞PN結(jié)，當(dāng)反向電壓下降到擊穿電壓以下時(shí)，PN結(jié)的性能仍可恢復(fù)。半導(dǎo)體二極管

半導(dǎo)體二極管實(shí)際上就是一個(gè)PN結(jié)，由一個(gè)PN結(jié)加上接觸電極、引線和管殼構(gòu)成的。它的用途很廣，如用作整流、高頻檢波和數(shù)字電路中的開關(guān)元件等。為適用于各種不同的用途，制成了各種類型的半導(dǎo)體二極管。但其工作原理都是基于PN結(jié)的單向?qū)щ娦?。二極管的電路符號(hào)為；1.二極管的伏安特性

(1)正向特性

死區(qū)電壓正向?qū)▔航礥F

正向?qū)▍^(qū)(2)反向特性

反向截止區(qū)反向擊穿反向擊穿電壓圖1.2二極管伏安特性曲線2.二極管的應(yīng)用

二極管的應(yīng)用范圍很廣，利用其單向?qū)щ娦?，可組成整流、檢波、限幅、鉗位等電路。還可用它構(gòu)成其他元件或電路的保護(hù)電路，以及在脈沖與數(shù)字電路中作為開關(guān)元件等。在作電路分析時(shí)，一般可將二極管視為理想元件，即認(rèn)為其正向電阻為零，正向?qū)〞r(shí)為短路特性，正向壓降忽略不計(jì)。反向電阻為無窮大，反向截止時(shí)為開路特性，反向漏電流忽略不計(jì)。二極管導(dǎo)通與截止的判斷

要判斷二極管導(dǎo)通與截止，主要看二極管是處于正向偏置，還是反向偏置?？上葘⒍O管除去，分別計(jì)算管子兩極A點(diǎn)與B點(diǎn)電位，計(jì)算結(jié)果如是VA>VB，則二極管導(dǎo)通；如果VA<VB，則二極管截止。圖中二極管2AP1截止。3.特殊二極管

(1)穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓管的伏安特性和普通二極管的伏安特性基本相似。只是穩(wěn)壓管的反向擊穿區(qū)特性曲線很陡，當(dāng)反向電壓達(dá)到擊穿電壓時(shí)，反向電流突然增大，穩(wěn)壓管被反向擊穿。在此狀態(tài)下，反向電流在很大范圍變化時(shí)，管子兩端的電壓基本保持不變，這就是穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓特性。它的主要作用是穩(wěn)壓和限幅。(2)光電器件在信號(hào)傳輸和存儲(chǔ)等環(huán)節(jié)中，光電子系統(tǒng)的應(yīng)用日趨廣泛。它的突出優(yōu)點(diǎn)是：抗干擾能力強(qiáng)、傳送信息大、傳輸損耗小、工作可靠。光信號(hào)與電信號(hào)的接口，需要一些特殊的光電器件，如發(fā)光二極管、光敏二極管及光電耦合器等。

發(fā)光二極管

是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成光能的固體器件，簡(jiǎn)稱LED，和普通二極管相似，也是由一個(gè)PN結(jié)構(gòu)成。常見的LED有紅、綠、黃等顏色。LED的PN結(jié)封裝在透明塑料管殼內(nèi)，外形有方形、矩形和圓形等。發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)電壓低、工作電流小，具有很強(qiáng)的抗振動(dòng)和抗沖擊能力、體積小、可靠性高、耗電省和壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于信號(hào)指示和傳遞中。

光敏二極管又稱光電二極管。其管殼上有透明聚光窗，由于PN結(jié)的光敏特性，當(dāng)有光線照射時(shí)，光敏二極管在一定的反向偏壓范圍內(nèi)，其反向電流將隨光射強(qiáng)度的增加而線性地增加，這時(shí)光敏二極管等效于一個(gè)恒流源。當(dāng)無光照時(shí)，光敏二極管的伏安特性與普通二極管一樣。光電耦合器把發(fā)光器件和光敏器件組裝在一起，使用時(shí)將電信號(hào)送入輸入測(cè)的發(fā)光器件，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，由輸出側(cè)的光敏器件（又稱受光器件）接收并再轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。由于輸出與輸入之間沒有直接電氣聯(lián)系，信號(hào)傳輸是通過光耦合的，所以也稱其為光電隔離器。光電耦合器的特點(diǎn)：發(fā)光器件與受光器件互不接觸，絕緣電阻很高，并能承受2000V以上的高壓，因此經(jīng)常