电子技术半导体器件

下列思维导图整理了PN结、二极管的特性和一些参数，供大家学习参考。

半导体器件

• 半导体的导电特性
  • 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。如陶瓷、石英
  • 半导体
    • 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
      • 热敏特性、光敏特性
        • 当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化
      • 掺杂特性
        • 往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变
  • 本征半导体
    • 完全纯净的、结构完整的半导体晶体
      • 硅（Si）和锗（Ge）最外层电子（价电子）都是四个。通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。
      • 在硅和锗晶体中，每个原子都处在正四面体的中心，而相邻四个原子位于四面体的顶点，每个原子与其相邻的原子之间形成共价键，共用一对价电子。
    • 束缚电子
      • 共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中
      • 常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子
      • 本征半导体中的自由电子很少，导电能力很弱
    • 导电机理
      • 自由电子、空穴成对出现
        • 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，本征半导体中没有可以自由运动的带电粒子（即载流子），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。
      • 外加电场时
        • 自由电子做定向运动所形成的电子电流。
          • 自由电子：在晶格中运动
        • 被原子核束缚的价电子按一定方向依次填补空穴形成的空穴电流。
          • 空穴：在共价键中运动
      • 本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度
        • 复合
          • 自由电子在运动过程中如果和空穴相遇就会填补空穴，使两者同时消失
          • 在一定的温度下自由电子和空穴的产生和复合达到动态平衡，半导体中的载流子维持一定的数目
          • 但是这时的载流子数量很少，导电能力差
        • 温度越高，热运动加剧，自由电子和空穴增多，载流子的浓度越高，本征半导体的导电能力越强
• PN结及其单向导电性
  • 形成原理
    • N型半导体(negative)
      • 在硅或锗晶体中掺入少量五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，整个晶体的结构基本不变
      • 载流子
        • 五价元素提供的电子，五价元素成为正离子，浓度与五价元素原子相同
          • 多数载流子
        • 本征半导体产生的空穴
          • 少数载流子
    • P型半导体(positive)
      • 在硅或锗晶体中掺入少量三价元素硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，整个晶体的结构基本不变
      • 载流子
        • 三价元素提供的空穴，三价元素接受电子成为带电负离子，浓度与掺杂浓度相关
          • 多数载流子
        • 本征半导体产生的自由电子
          • 少数载流子
    • 多子扩散运动：加宽空间电荷区 少子漂移运动：空间电荷区变薄 空间电荷区形成内电场，稳定后厚度不变，形成PN结 P 内电场 ← N
      • 空间电荷区中几乎没有载流子
      • 空间电荷区中P区中的空穴、N区中的自由电子（都是多子）形成的电流比较大
      • P区中的自由电子和N区中的空穴（都是少子），数量有限，形成电流很小
  • 单向导电性
    • 正向电压、正向偏置
      • P区加正电压、N区加负电压
        • 内电场被削弱，多子扩散加强，能够形成较大的正向电流
        • 空间电荷区变薄
        • 加正向电压时，PN结处于导通状态，呈低电阻，正向电流较大
    • 反向电压、反向偏置
      • P区加负电压、N区加正电压
        • 内电场被加强，多子扩散受到抑制，少子漂移加强，但因少子数量有限，只能形成较小的反向电流
        • 空间电荷区变厚
        • 加反向电压时，PN结处于截止状态，呈高电阻，反向电流很小
• 二极管
  • 基本结构
    • PN结加上管壳和引线
  • 伏安特性
    • • 外加电压大于死区电压，二极管才能导通
      • 外加电压大于反向击穿电压时，二极管被击穿，失去单向导电性
      • 死区电压
        • 硅管~0.5V
        • 锗管~0.1V
      • 导通压降
        • 硅0.6~0.8V
        • 锗0.2~0.3V
      • 大小和材料及环境温度有关
      • 最大整流电流
        • 二极管长时间使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。超出，PN结过热会损坏管子
      • 反向工作峰值电压
        • 保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是反向击穿电压UBR的1/2或2/3
      • 反向峰值电流
        • 指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流
        • 反向电流越大，说明二极管的单向导电性越差。反向电流受温度影响，温度越高反向电流越大
    • 理想二极管
      • • 正向导通：管压降
          • 硅0.7V
          • 锗0.2V
          • 最理想 0V
        • 反向截止：相当于断开
  • 电路分析
    • 断开二极管
      • 分析其两端电位高低
        • 正向导通、反向截止
      • 压差大的二极管优先导通
• 稳压二极管
  • 伏安特性 非线性
    • 特性
      • 稳压管反向击穿以后，电流变化很大，但其两端电压变化很小
        • 工作电压
      • 稳压管反向击穿是可逆的，当去掉反向电压后，恢复正常
      • 反向电流超过允许范围时，稳压二极管会发生过热击穿而损坏
      • 使用时要加限流电阻，稳压二极管在电路中可以起到稳压作用
    • 常见参数
      • 稳定电压
        • 稳压管正常工作（反向击穿）时管子两端的电压
      • 电压温度系数
        • 稳压值受温度变化影响的系数，环境温度每变化1℃引起稳压值变化的百分数
      • 动态电阻
        • 愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好
      • 稳定电流
        • 最大稳定电流
          • 最大允许耗散功率
• 晶体管 (三极管)
  • 分类
    • 硅管主要是平面型
      • 锗管都是合金型
  • NPN型三极管
    • • 发射区 掺杂浓度最高
        • 发射区在基区复合的电子，形成电流
        • 发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流
      • 基区 最薄，掺杂浓度最低
        • 电子在基区扩散和复合
        • 基区空穴向发射区的扩散可忽略
        • 使绝大多数电子扩散到集电结
      • 集电区 面积最大
        • 集电区收集从发射区扩散过来的电子
        • 集电结反偏，由少子形成的反向电流，受温度影响比较大
        • 从发射区扩散到基区到达集电区边缘的电子被拉入集电区形成
      • 放大状态
    • NPN型 电流分配与放大原理
      • 放大的外部条件：发射结正偏、集电结反偏
        • Ub>Un
        • Uc>Ub
        • 正偏：P+N-
      • 晶体管的电流放大作用
        • 基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大的变化。
      • 放大实质
        • 用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的变化，晶体管是电流控制器件。
  • PNP型三极管
    • PNP型晶体管 放大区：发射结正偏、集电结反偏
  • 特性曲线
    • 输入特性曲线
    • 输出特性曲线
      • 线性放大区
        • 发射结正偏 集电结反偏
      • 饱和区
        • • IB的变化对Ic的影响小，
        • • 发射结正偏，集电结正偏
        • 深度饱和时
        • 发射极和集电极之间如同开关接通，电阻很小
      • 截止区
        • 发射结反偏，集电结反偏
        • 发射极和集电极之间如同开关断开，电阻很大
  • 主要参数
    • 直流放大倍数
    • 交流放大倍数
    • 集-基极反向截止电流
      • 少数载流子的漂移运动所形成的电流，受温度的影响大
    • • 集-射极反向截止电流（穿透电流）
        • 集电结反偏、发射结正偏
        • 三极管温度特性较差
      • 基极开路，集电结处于反偏和发射结处于正偏时的集电极电流，又因为它好像是从集电极直接穿透晶体管而到达发射极的，所以又称穿透电流。
    • 集电极最大允许电流
    • 集-射极反向击穿电压
      • 基极开路时，加在集-射极之间的最大允许电压，称为集-射极反向击穿电压。一般是室温。温度上升时，其值将降低
    • 集电极最大允许功耗
• 光电器件
  • 发光二极管
    • 加上正向电压并有足够大的正向电流时，能发出一定波长范围的光
  • 光电二极管
    • 工作在反向电压作用下
    • 无光照时，和普通二极管一样，其反向电流很小，称为暗电流
    • 有光照时，产生的反向电流称光电流
    • 照度E越强，光电流也越大
    • 光电流很小，一般只有几十微安，应用时必须放大
  • 光电晶体管
    • 用入射光照度 E 的强弱来控制集电极电流
    • 无光照时，集电极电流很小，称为暗电流
    • 有光照时，集电极电流称为光电流
    • 一般约为零点几毫安到几毫安
    • 输出特性曲线