下篇电子技术 第9章半导体器件 二极管和双极型晶体管是最常用的半导体器件。它们的基本结构、工作原 理、特性和参数是学习电子技术和分析电子电路必不可少的基础，而PN结又是 构成各种半导体器件的共同基础。因此，本章从讨论半导体的导电特性和PN 结的单向导电性开始，然后介绍二极管和双极型晶体管，为以后的学习打下 基础。 9.1半导体的导电特性 9.1.1本征半导体 本征半导体就是完全纯净的、晶格完整的半导体。 用得最多的半导体是硅和锗。将硅或锗材料提纯并形成单晶体后，所有原 子便基本上排列整齐，其平面示意图如图9.1.1所 共价键 自由电子 空穴 示。它们都是四价元素，原子外层有4个价电子。 每一个原子与相邻的4个原子结合，每个原子的 一个价电子与另一原子的一个价电子组成共价键 Si Si 结构。在获得一定能量（热、光等）后，少量价电子 即可挣脱原子核的束缚而成为自由电子。同时在 共价键中就留下一个空位，称为空穴。 Si Si 在外电场的作用下，自由电子做定向移动，形 成电子电流。带正电的空穴吸引相邻原子中的价 电子来填补，而在该原子的共价键中产生另一个 图9.1.1本征半导体中自由 空穴。空穴被填补和相继产生的现象，可以理解 电子和空穴的形成 为空穴在移动，形成空穴电流。因此，在半导体中
258下篇电子技术同时存在着电子导电和空穴导电。自由电子和空穴都称为载流子。在本征半导体中自由电子和空穴总是成对出现，同时又不断复合。9.1.2N型半导体和P型半导体本征半导体虽然有自由电子和空穴两种载流子，但由于数量极少，导电能力仍然很低。如果在其中掺入微量的杂质（某种元索），这将使掺杂后的半导体（杂质半导体）的导电性能大大增强。例如在硅晶体中掺人五价元素磷。当一个硅原子被磷原子取代时，磷原子的5个价电子中只有4个用于组成共价键，多余的一个很容易挣脱磷原子核的束缚而成为自由电子，如图9.1.2所示。由于自由电子大量增加，电子导电成为这种半导体的主要导电方式，故称它为N型半导体，其中自由电子是多数载流子，面空穴则是少数载流子。又如在硅晶体中掺入三价元素硼。每个硼原子只有3个价电子，故在组成共价键时将因缺少个电子而产生一个空位。相邻硅原子的价电子就有可能填补这个空位，而在该原子中便产生一个空穴，如图9.1.3所示。每个硼原子都能提供一个空穴，于是空穴大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，故称它为P型半导体，其中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。XX空穴一多余电子S-X填补空位VXXY图9.1.2硅晶体中掺磷出现自由电子图9.1.3硅晶体中掺硼出现空穴9.1.3PN结及其单向导电性通常是在一块N型（或P型）半导体的局部再掺入浓度较大的三价（五价）杂质，使其变为P型（N型）半导体。在P型半导体和N型半导体的交界面就形成个特殊的薄层，称为PN结。当在PN结上加正向电压，即电源正极接P区，负极接N区时[图9.1.4(a)],P
第9章半导体器件」259区的多数载流子空穴和N区的多数载流子自由电子在电场作用下通过PN结进人对方，两者形成较大的正向电流。此时PN结呈现低电阻，处于导通状态。当在PN结上加反向电压时[图9.1.4（b）].P区和N区的多数载流子受阻，难于通过PN结。但P区的少数载流子自由电子和N区的少数载流子空穴在电场作用下却能通过PN结进人对方，形成反向电流。由于少数载流子数量很少，因此反向电流极小。此时PN结呈现高电阻，处于截止状态。此即为PN结的单向导电性，PN结是各种半导体器件的共同基础。PN结PN结R(b)(a)图9.1.4PN结的单向导电性（a）加正向电压：（b）加反向电压二极管9.29.2.1基本结构将PN结加上相应的电极引线和管壳，就成为二极管。按结构分，二极管有点接触型、面接触型和平面型三类。点接触型二极管（一般为锗管）如图9.2.1a）所示。它的PN结结面积很小，因此不能通过较大电流，但其高题性能好，故一般适用于高频和小功率的工作，也用作数字电路中的开关元件。面接触型二极管（一般为硅管）如图9.2.1（b）所示。它的PN结结面积大，故可通过较大电流，但其工作频率较低，一般用作整流。平面型二极管如图9.2.1（c)所示，可用作大功率整流管和数字电路中的开关管。图9.2.1（d)是二极管的符号。图9.2.2所示是常见二极管的外形图。9.2.2伏安特性二极管既然是一个PN结，它当然具有单向导电性，其伏安特性曲线如图
260「下篇电子技术阳极引线铝合金小球PN结N型硅金锌合金外壳触丝N型锗片一底座引线一阴极引线(a)(b)Sio,保护层阳极引线P型硅N型硅一阴极引线(c)(d)图9.2.1二极管（a）点接触型：（b）面接触型；（e）平面型：（d）表示符号(a)(b)(c)图9.2.2常见二极管的外形图（a）玻璃封装；（b）塑料封装：（e）金属封装中、大功率二极管9.2.3所示。由图可见，当外加正向电压很低时，正向电流很小，几乎为零。当正向电压超过一一定数值后，电流增大很快。这个一定数值的正向电压称为死区电压。通常，硅管的死区电压约为0.5V，锗管约为0.1V。导通时的正向压降，硅管为0.6~0.7V，储管为0.2~0.3V
重半导体器件261第9章I/mAAI/mAA8015正向6010F4020死区5电压502550250.20.4UV00.40.8U/V击穿电压2020U(BR)A040反向/μAμA(b)(a)图9.2.3二极管的伏安特性曲线（a）2CZ52A硅二极管：（b）2AP2储二极管在二极管上加反向电压时，反向电流很小。但当把反向电压加大至某一数值时，反向电流将突然增大。这种现象称为击穿，二极管失去单向导电性。产生击穿时的电压称为反向击穿电压U（#联）。9.2.3主要参数二极管的特性除用伏安特性曲线表示外，还可用一些数据来说明，这些数据就是二极管的参数。二极管的主要参数有下面儿个：1.最大整流电流10最大整流电流是指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。点接触型二极管的最大整流电流在几十毫安以下。面接触型二极管的最大整流电流较大，如2CZ52A型硅二极管的最大整流电流为100mA。当电流超过允许值时，将由于PN结过热而使管子损坏。2.反向工作峰值电压URWM它是保证二极管不被击穿面给出的反向峰值电压，一般是反向击穿电压的1/2或2/3。如2C752A硅二极管的反向工作峰值电压为25V，面反向击穿电压约为50V（图9.2.3）。点接触型二极管的反向工作峰值电压般是数十伏，面接触型二极管可达数百伏。3.反向峰值电流IRm它是指在二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。反向电流