BBIN BBIN宝盈基本电子器件_

　　自然界的物质（固体），按导电能力的强弱可分为导体、绝缘体和半导体三类。物质的导电能力可以用它的电阻R（欧姆 ）或电阻率ρ（电阻率mm2/m 是物体在单位横截面积，单位长度下的电阻）来衡量。导电能力很强的物质称为导体，导体（如金属）原子最外层的电子受原子核的束缚作用很小，在外场的 作用下可以沿外场相反的方向移动，导体的电阻率ρ一般在0.01～1mm2/m 之间。绝缘体是导电能力极弱的物质（如橡胶、陶瓷）。这种物质的核外电子被束缚 得很紧，外场不能令其自由移动。绝缘体的电阻率大于1014mm2/m。半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。其电阻率在10～1013mm2/m之间。如 硅、锗、硒、砷化镓等都属于半导体。半导体的电阻率对温度，光照等外部条件的变化和自身成分的变化十分敏感，它的这些特性是用于制作各种半导体器件 的基础。 纯净的，具有完整晶体结构的半导体叫本征半导体。例如锗和硅，其原子的最外层都是四个电子，将它们提纯并形成单晶体后，锗原子和硅原子就是按四 角形系统组成晶体点阵，即每个原子处于正四面体中心，另有四个位于四面体的顶点，如图3-1-1所示。由于原子之间靠得很近，原来分属于每个离子的价电子 就要受到相邻原子的影响而使价电子为两个原子所共有，即形成了晶体中的共价键结构（图3-1-2）。

　　图3-2-4 共发射极接法的输入特性 图3-2-5 共发射极接法的输出特性 由于基极的状态（如不同的基极电流数值）对集电极电流影响很大，在描绘输出特性时需要用一组输出特性曲线才好说明。如果基极电压为零，集电极与 发射极之间就相当于一个二极管的反向连接，即使电压很高让反向电流达到了饱和仍旧很小，这就是图中Ib=0曲线对应的情况。当基极处于正向偏压状态，集 电极电流很快达到饱和，偏压越高电流越大，工程技术上使用基极电流代替基极电压来表示，于是输出特性中的每一条特性曲线对应于一个基极电流。除集电 极电压很低时那一小范围外，这是一组等间距的水平线，也就是说基极电流与集电极电流呈现一个线性的一一对应的关系。由图3-2-5可以看到这里每两条相邻 的平行线A，但是对应集电极的电流则变化了1mA，相差了50倍，也就是说这里的电流放大倍数为50。

　　各种三极管       习惯上将含有三个掺杂区（发射区、基区、集电区）和两个PN 结的双极型晶体管称为三极管。发射区与基区间的PN 结称为发射结，集电区与基区的PN 结 称为集电结。由发射区、基区、集电区各引出一个电极，对应称为发射极E、基极B、集电极C。

　　三极管的结构示意图和电路符号   发射区与集电区虽是同型半导体，集电结与发射结虽均为同种的PN结，但两者并不对称。为了具有电流放大作用，三极管在制造过程中让发射区的掺杂浓 度比集电区高，而集电区尺寸比发射区大得多。因此使用时Ｅ，Ｃ两极不能互换。

　　图3-1-4 电子型半导体载流子的产生 图3-1-5 空穴型半导体载流子的产生

　　若在硅(或锗)的晶体中掺入三价元素硼（B），由于硼原子只有3 个价电子，因而在组成共价键结构时，因缺少一个价电子而多出一个空穴，如图3-1-5所 示。于是半导体中空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，故称它为空穴型半导体或P 型半导体。由于硼原子是接受电子的，故称为受 主杂质。在P 型半导体中，空穴为多子，自由电子为少子。 让N型和P型的晶体互相接触，或者在一块本征晶片上分别掺杂做出P 型和N 型的两个异型区，这样就得到了一个最基本的半导体器件。在这里因P区内空 穴很多，空穴要从浓度高的P 区向N 区扩散， N 区内电子很多，电子要从浓度高的N 区向P 区扩散，这些多数载流子由于浓度的差异扩散到对方并互相复合 （或者说将载流子消耗尽），使得P 区和N 区分别因失去空穴和电子而在交界面两侧留下带负电和正电的离子，形成了一个空间电荷区（也称为耗尽层），这 个空间电荷区就是PN 结。在这个区域内，多数载流子已扩散到对方并被复合掉了，因此它的电阻率很高。扩散过去的正负载流子在空间电荷区形成一个电场， 称为内电场。由于内电场的方向与扩散运动的方向相反，即对多数载流子(P 区的空穴和N 区的自由电子)的扩散起阻挡作用（空间电荷区又称为阻挡层），如 图3-1-6所示。

　　管的导通电压大约是0.7伏，某些特殊工艺制作的二极管可以使导通电压降低（如萧特基二极管），通常的电子器件允许承受的最大电流为100毫安。在二 极管特性曲线中有电流变化很大但电压基本不变的区段，利用此区段特性来工作的二极管叫稳压二极管。在强电领域常常利用二极管来作整流器件，这时二极 管中有强大的正向电流流过。 图3-1-8右边为一个实际测量的二极管伏安特性图，测量的范围由负的0.5伏到正的1.5伏，图中看到，在这个实验中反向的最小电流为负的2纳安，正向的 最大电流为100毫安，电流开始有较大增长时的电压为0.65伏，当电压高于1伏时，电流可能超过允许的最大值100毫安，实验不应进行，图中只显示出最大值。

　　图3-1-6 PN结的形成 显然，由于内电场阻挡了多数载流子的运动，阻挡层中没有载流子，因此除了因漂移等原因有少数载流子可能通过外PN结外，PN结是不导电的。但是，如 果我们在PN 结上接一个外加电压来改变了内电场，也就是改变了阻挡层， PN结的导电性能就会发生变化。 如果我们将PN 结的P 区接往电源的正极，N 区接往电源的负极，这种接法称为在PN 结上接外加正向电压。这时外电场的方向与内电场相反，从而削弱了 内电场，使得阻挡层的宽度减小甚至消失，这时 PN 结呈现很低的电阻，就可以导电形成较大的正向电流。 如果我们将PN 结N 区接电源正极，P 区接电源负极则称为PN 结外加反向电压。这时外电场与内电场方向相同，进一步将空间电荷区两侧的载流子移走， 使空间电荷区变宽，多数载流子的扩散运动更难进行，即使全部少数载流子都参与导电，反向电流仍然很小，PN 结呈现很高的电阻。这种电流随外加电压方向 改变而极端变化的特性称PN结的单向导电性。 由一个PN 结加上电极引出线和外壳就构成了半导体二极管。由P 区引出的电极称为阳极，由N 区引出的电极称为阴极。二极管的符号和结构见下图，由 于PN结是靠两种半导体接触才构成的，接触面积的大小和形成接触的工艺不同则构成了不同的二极管，一般来说二极管可分为点接触型、面接触型和平面型， 其特点与应用见下表。

　　在输入特性曲线中源自文库中间的一段近似直线，假定三极管只在这一段工作，那么基极与发射极之间的关系就相当于一个动态电阻rbe: rbe=UBE/IB ,与此对 应，三极管的输出特性可以表示为一个受到控制的电流源IC，其大小由基极电流决定,ICIB 。于是我们就可以将输入回路与输出回路分开来画，得到如 图3-2-6表示的简化的小信号模型，这是电子器件电路分析的常用方法。 三极管还有共基极接法和共集电极接法，各有一些电路特点，都可以用类似的伏安特性曲线或小信号模型来分析它。

　　图3-1-8 二极管特性曲线,右图为实际测量的一个结果。 实际二极管的特性曲线随着结构工艺的不同而有所不同，大体的特征是相似的，如图3-1-8左边所示。在微电子学中主要用到二极管的开关特性，硅二极

　　图3-2-3 三极管的放大原理 以共发射极接法的NPN型三极管为例，图3-2-3说明了三极管的放大原理。在这里基极和发射极之间的PN结（发射结）接有一个小的正向电压，理因有较大 电流流过；基极和集电极之间的PN结（集电结）接有一个大的反向电压，理应没有电流流过。可是我们在结构上让基极做得很薄，集电结又做得很大，那些准 备流向基极的电子在还没有到达基极之前就受到集电极高电位的影响，很容易地飘过集电结而到达集电极，从而在集电极和发射极回路中形成较大的电流。基 极的电位越高，准备通过发射结的电流就越大，从而造成最后流向集电极的电流就大，于是达到了利用基极的电位来控制流向集电极电流的目的。用一个很小 的变化的电流(IB)输入到基极，在集电极就得到变化很大的电流(IC) 。令ICIB ,是该三极管共发射极接法的电流放大倍数，体现了三极管的基本放大 特性，也是电子器件工作的基础。 三极管的特性曲线能直观地描述各极电压与电流之间的关系。由于它是三端元件，其特性描述不像二极管那样简单，描绘任何一对电极间的电流电压关系 时都要申明这时第三个电极是处在一个什么状态。 以最常用的共发射极接法为例，基极与发射极之间组成输入回路，集电极与发射极之间组成输出回路。由于集电极与基极间相当于一个二极管，故输入特 性大体上与二极管的特性相似，因为大量电流被集电极吸走，故基极电流和单纯二极管相比要小很多，另外，集电极电压在设置时就高于基极电压，它对基极 电流的影响不大，故输入特性只用一条曲线：二极管分类(由PN结的结构决定)

　　二极管是非线性元件，从它电压与电流的伏安特性曲线中可以直观地反映出二极管的单向导电性。理想条件下，PN结两端电压U与电流I的关系为：

　　其中IS为反向饱和电流，e为电子的电量，k为波尔兹曼常数，T为绝对温度。kT/e数值很小，温度300K时为0.0256V。从该公式中可分析得出，当正向连接时， 通常指数项比1大很多，电流与电压的关系近似为指数关系，随着电压的升高电流迅速增大。当反向连接时，随着电压的升高指数项迅速降为零，电流就为反向 饱和电流。

　　图3-1-1 本征型半导体的空间结构 图3-1-2 本征型半导体的共价键结构 本征半导体共价健结构中的电子受到两个原子核的吸引力而被束缚。它们不像导体中的价电子那么自由，但也不像绝缘体中的电子被束缚得那么紧。在室 温下，由于热激发，会使一些价电子获得足够的能量而挣脱共价键的束缚成为自由电子。这种现象叫做本征激发。当电子跑出其价键成为自由电子后，共价键 中就留下一个空位，这个空位称作空穴。在本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现的，有一个自由电子就有一个空穴，如图所示。在外加电场作用下， 半导体中出现两部分电流：即自由电子作定向移动而形成的电子电流和仍被原子核束缚的价电子递补空穴而形成的空穴电流。因此，自由电子和空穴都称为载 流子。两种载流子同时参与导电是半导体导电方式的最大特点，也是半导体和金属在导电原理上的本质区别所在。

　　图3-1-3 本征型半导体载流子的产生 若在四价的硅(或锗)晶体中掺入少量五价元素磷(P)，晶体点阵中磷原子就会占据某些硅原子原来的位置，如图3-1-4所示。磷原子中的5 个价电子只有4 个能够和相邻的硅原子组成共价键结构，余下的一个电子因不受共价键的束缚，容易挣脱磷原子核的吸引而成为自由电子。于是自由电子数目大量增加，自由 电子导电成为这种半导体的主要导电方式，故称其为电子型半导体或N 型半导体。N 型半导体中，由于自由电子数远大于空穴数，因此自由电子是多数载流子 (简称多子)，空穴是少数载流子(简称少子)。由于磷原子是施放电子的，故称磷为施主杂质。