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1、電工電子基礎(chǔ)(模擬部分)北京精儀達(dá)盛科技有限公司主講:石燕志達(dá)盛科技培訓(xùn)中心第1章基本半導(dǎo)體分立器件1.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)與PN結(jié)1.2半導(dǎo)體二極管1.3特殊二極管1.4半導(dǎo)體三極管1.5場(chǎng)效應(yīng)晶體管習(xí)題達(dá)盛科技培訓(xùn)中心1.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)與PN結(jié)1.1.1半導(dǎo)體的基本特性在自然界中存在著許多不同的物質(zhì)，根據(jù)其導(dǎo)電性能的不同大體可分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體三大類(lèi)。通常將很容易導(dǎo)電、電阻率小于10-4Ω·cm的物質(zhì)，稱(chēng)為導(dǎo)體，例如銅、鋁、銀等金屬材料；將很難導(dǎo)電、電阻率大于1010Ω·cm的物質(zhì)，稱(chēng)為絕緣體
2、，例如塑料、橡膠、陶瓷等材料；將導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間、電阻率在10-3～109Ω·cm范圍內(nèi)的物質(zhì)，稱(chēng)為半導(dǎo)體。常用的半導(dǎo)體材料是硅（Si）和鍺（Ge）。達(dá)盛科技培訓(xùn)中心1.熱敏性所謂熱敏性就是半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨著溫度的升高而迅速增加。半導(dǎo)體的電阻率對(duì)溫度的變化十分敏感。例如純凈的鍺從20℃升高到30℃時(shí)，它的電阻率幾乎減小為原來(lái)的1/2。達(dá)盛科技培訓(xùn)中心2.光敏性半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨光照的變化有顯著改變的特性叫做光敏性。一種硫化鎘薄膜，在暗處其電阻為幾十兆歐姆，受光照后，電阻可以下降到幾十千歐姆，
3、只有原來(lái)的1%。自動(dòng)控制中用的光電二極管和光敏電阻，就是利用光敏特性制成的。而金屬導(dǎo)體在陽(yáng)光下或在暗處，其電阻率一般沒(méi)有什么變化。達(dá)盛科技培訓(xùn)中心3.雜敏性所謂雜敏性就是半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力因摻入適量雜質(zhì)而發(fā)生很大的變化。在半導(dǎo)體硅中，只要摻入億分之一的硼，電阻率就會(huì)下降到原來(lái)的幾萬(wàn)分之一。所以，利用這一特性，可以制造出不同性能、不同用途的半導(dǎo)體器件，而金屬導(dǎo)體即使摻入千分之一的雜質(zhì)，對(duì)其電阻率也幾乎沒(méi)有什么影響。半導(dǎo)體之所以具有上述特性，根本原因在于其特殊的原子結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電機(jī)理。達(dá)盛科技培訓(xùn)中心1.1.2本征
4、半導(dǎo)體在近代電子學(xué)中，最常用的半導(dǎo)體材料就是硅和鍺，下面以它們?yōu)槔?，介紹半導(dǎo)體的一些基本知識(shí)。一切物質(zhì)都是由原子構(gòu)成的，而每個(gè)原子都由帶正電的原子核和帶負(fù)電的電子構(gòu)成。由于內(nèi)層電子受原子核的束縛較大，很難活動(dòng)，因此物質(zhì)的特性主要由受原子核的束縛力較小的最外層電子，也就是價(jià)電子來(lái)決定。硅原子和鍺原子的電子數(shù)分別為32和14，所以它們最外層的電子都是四個(gè)，是四價(jià)元素。其原子結(jié)構(gòu)可以表示成如圖1-1所示的簡(jiǎn)化模型。達(dá)盛科技培訓(xùn)中心圖1-1硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型達(dá)盛科技培訓(xùn)中心在實(shí)際應(yīng)用中，必須將半導(dǎo)體提煉成單
5、晶體——使它的原子排列由雜亂無(wú)章的狀態(tài)變成有一定規(guī)律、整齊地排列的晶體結(jié)構(gòu)，如圖1-2所示，稱(chēng)為單晶。硅和鍺等半導(dǎo)體都是晶體，所以半導(dǎo)體管又稱(chēng)晶體管。通常把純凈的不含任何雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱(chēng)為本征半導(dǎo)體。達(dá)盛科技培訓(xùn)中心圖1-2本征硅（或鍺）的晶體結(jié)構(gòu)（a）結(jié)構(gòu)圖；（b）平面示意圖與共價(jià)鍵達(dá)盛科技培訓(xùn)中心從圖1-2（b）的平面示意圖可以看出，硅和鍺原子組成單晶的組合方式是共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。每個(gè)價(jià)電子都要受到相鄰的兩個(gè)原子核的束縛，每個(gè)原子的最外層就有了八個(gè)價(jià)電子而形成了較穩(wěn)定的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。所以，半導(dǎo)體的價(jià)電子既不像導(dǎo)
6、體的價(jià)電子那樣容易掙脫成為自由電子，也不像在絕緣體中被束縛的那樣緊。由于導(dǎo)電能力的強(qiáng)弱，在微觀上看就是單位體積中能自由移動(dòng)的帶電粒子數(shù)目的多少，因此，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間。達(dá)盛科技培訓(xùn)中心1．本征激發(fā)與復(fù)合在絕對(duì)零度（－273℃）時(shí)，半導(dǎo)體中的價(jià)電子不能脫離共價(jià)鍵的束縛，所以在半導(dǎo)體中沒(méi)有自由電子，半導(dǎo)體呈現(xiàn)不能導(dǎo)電的絕緣體特性。達(dá)盛科技培訓(xùn)中心當(dāng)溫度逐漸升高或在一定強(qiáng)度的光照下，本征硅或鍺中的一些價(jià)電子從熱運(yùn)動(dòng)中獲得了足夠的能量，掙脫共價(jià)鍵的束縛而成為帶單位負(fù)電荷的自由電子。同時(shí)，在原來(lái)
7、的共價(jià)鍵位置上留下一個(gè)相當(dāng)于帶有單位正電荷電量的空位，稱(chēng)之為空穴，也叫空位。這種現(xiàn)象，叫做本征激發(fā)。在本征激發(fā)中，帶一個(gè)單位負(fù)電荷的自由電子和帶一個(gè)單位正電荷的空穴總是成對(duì)出現(xiàn)的，所以稱(chēng)之為自由電子—空穴對(duì)，如圖1-3所示。達(dá)盛科技培訓(xùn)中心圖1-3本征激發(fā)產(chǎn)生自由電子—空穴對(duì)達(dá)盛科技培訓(xùn)中心自由電子和空穴在熱運(yùn)動(dòng)中又可能重新相遇結(jié)合而消失，叫做復(fù)合。本征激發(fā)和復(fù)合總是同時(shí)存在、同時(shí)進(jìn)行的，這是半導(dǎo)體內(nèi)部進(jìn)行的一對(duì)矛盾運(yùn)動(dòng)。在溫度一定的情況下，本征激發(fā)和復(fù)合達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，單位時(shí)間本征激發(fā)出的自由電子—空穴對(duì)
8、數(shù)目正好等于復(fù)合消失的數(shù)目，這樣在整塊半導(dǎo)體內(nèi)，自由電子和空穴的數(shù)目保持一定。一般在室溫時(shí)，純硅中的自由電子濃度n和空穴濃度p為ni=n=p≈1.5×1010(個(gè)/cm3)（1-1）達(dá)盛科技培訓(xùn)中心對(duì)于純鍺來(lái)說(shuō)，這個(gè)數(shù)據(jù)約為2.5×1013個(gè)/cm3，而金屬導(dǎo)體中的自由電子濃度約為1022個(gè)/cm3。從數(shù)字上可以看出，本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力是很差的。溫度越高，本征激發(fā)越激烈，產(chǎn)生的自由電子—空穴對(duì)越多，當(dāng)半導(dǎo)體重新達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)
