《电子技术基础》教案精编版.doc

教 案2009 2010 学年 第 一 学期学 院、 系 室 机电教研室课 程 名 称 电子技术基础专业、年级、班级 09级机电一体化主 讲 教 师 李春菊中国矿业大学银川学院课 程 表课程名称电子技术基础专业年级09级机电一体化学 时授课时间及地点12节34节56节78节910节星期二A6-509星期三A6-509星期四星期五星期六A6-513电子技术基础教案 编号：01课时安排：2学时教学课型：理论课 实验课 习题课 实践课 其它题目（教学章、节或主题）：第一章 半导体器件基础 第一节 半导体的基本知识教学目的要求（分识记、领会、掌握三个层次）：识记本征浓度ni，施主浓度ND，受主浓度NA，N型与P型半导体的示意图；领会半导体的导电特性，共价键，本征激发，电子载流子和空穴载流子，掺杂，N型半导体与P型半导体，多子与少子。教学（能力、技能）目标：识记、领会半导体的概念、导电特性、导电机理等基本知识。教学重点、难点：半导体的导电机理教学方式、手段、媒介：教学方式、手段：讲授媒介：教材，多媒体，黑板教学内容及实施过程（注明：* 重点 # 难点 ？疑点）：一、导入新课大家之前可能已经学习了有关电的一些课程，从今天开始，我们就要开始学习一门专业技术基础课程了，也就是咱们手里拿的这本电子技术基础。本课是学习后续课程的基础；服务对象是电专业，也是咱们机电一体化专业必须要学的一门课程，同时是咱们自学考试相对较难的一门课程；咱们这门课程内容丰富，技术更新快，紧密联系实际，应用非常广泛，所以希望大家能够重视本门课程。总之，本课程是电专业一切电类后续课程的基础，学时不多，内容不少，不能轻视。否则，对以后的学习将会造成很大影响。二、明确本次授课的目的与要求本节课是学习半导体器件的基础，内容比较简单易懂，但涉及到半导体的一些概念、特性等，希望大家能够识记、领会。学完本节，希望大家能够识记本征浓度ni，施主浓度ND，受主浓度NA；领会半导体的导电特性，共价键，本征激发，电子载流子和空穴载流子，掺杂，N型半导体与P型半导体，多子与少子。三、讲解本次授课的具体内容第0章 绪论0.1 电子技术电子技术基础，它包括两部分的内容，即模拟电子技术和数字电子技术。咱们教材的第一章到第五章是模拟电子技术，第六章到第九章是数字电子技术。说到电子技术，有必要提一下，电子技术包括信息电子技术和电力电子技术，而信息电子技术又包括模拟电子技术和数字电子技术，也就是咱们本书所讲内容；电力电子技术主要讲解电力变换的知识，这一部分内容将在模拟数字及电力电子技术这门课中学习。 0.2 模拟电子技术现在先来介绍一下模拟电子技术基础（简称模电）的知识。模拟电子技术，主要分为两大环节，第一大环节是电子元器件，这是构成电子电路的基础，在电子元器件中，我们要学习二极管、三极管、集成电路等不同类型的器件。学习完这些元器件以后，就要学习电子电路了，电子电路是由二极管、三极管、集成电路等元器件构成的电路，电子电路要讨论两方面的内容，首先要学会分析电子电路，看电路能实现什么功能，其次要学习电子电路的应用，主要有以下一些典型电路：放大电路（例麦克风），振荡电路，滤波电路，稳压电路等。模拟电子技术0.3 数字电子技术模电学习完以后要接着学习数字电路的内容，咱们主要学习数字电路基础，组合逻辑电路，时序逻辑电路以及脉冲波形的产生与整形。0.4 电子技术应用咱们现在来想一下电子技术在实际生活中的应用，在工业现场和日常生活中，电子技术应用是很广泛的，如：信号检测，在工业现场有很多参数（如压力、温度、流量的测量）需要我们测量，在工业现场，我们首先要用传感器将这些物理量转换成电信号，转换成电信号以后再应用电子电路去处理这些信号，这样就实现了这些物理量的测量，测量完以后，再将这些信号输出去控制执行机构，这样就实现了调节，从而完成一定的生产目标。还如咱们用得比较多的电子仪器，在实验室咱们要应用的信号发生器（正弦波发生器）就是电子产品。再如现在很多人使用的电子脉搏器、电子血压计，都是应用电子技术对脉搏、血压进行测量。还有如咱们现在经常听说的智能小区，现在新建的小区都朝着信息化、智能化发展，以前的房子只要可以住就可以了，但现在的房子集成了信息技术、计算机技术、电子技术等内容，这样的小区就叫智能小区。智能小区中大量地应用电子技术，如物业管理中的三表数据的采集与远传（三表指水表、电表、气表），以前需要工作人员去抄表、计算，现在用电子表以后，将这些电子表应用总线等连接到物业管理控制室，这样在控制室就可以随时检测用户的用水量、用电量、用气量等。电子技术在汽车电子方面的应用也越来越广泛。 0.5 课程说明现在说一下咱们这门课的课程性质，咱们这门课是一门技术基础课，是学习后续课程的基础；服务对象是电专业；课程特点是内容丰富，技术更新快，紧密联系实际，应用非常广泛。总之，本课程是电专业一切电类后续课程的基础，学时不多，内容不少，不能轻视。否则，对以后的学习将会造成很大影响。总之，本课程是电专业一切电类后续课程的基础。学时不多，内容不少，不能轻视，否则，对以后的学习将会造成很大影响。0.6 教学形式课堂上，多媒体授课；课下，答疑0.7 希望和要求：教师严谨治学学生积极配合 建议、希望踊跃发表意见要求及时反馈 新生事物大家支持 师生共同创造佳绩希望大家能紧跟老师讲课思路，搞清基本概念，注意解题方法和技巧；留的习题最好独立完成，按时交作业。咱们同学学习的时候紧扣教材就可以了，需要时还可以参考模拟电子技术和数字电子技术，有康华光、童诗白、刘润华等人主编的教材。第一章 半导体器件基础学习模电，首先就要学习组成模拟电路的最基本的器件半导体器件，也就是咱们第一章的内容。半导体器件是近代电子学的重要组成部分，没有半导体器件，就没有我们现在的电子工业，也就是说现在的电子工业是建立在半导体器件基础上的。半导体器件具有很多特点，体积小（电子管构成的器件体积大，第一台计算机体积很大）、重量轻、功耗低、可靠性强等优点，在各个领域中得到了广泛的应用。而由于集成电路的出现，使电子器件在微型化和可靠性方面更是向前推进了一大步。那咱们想一下，在我们的生活中，哪些东西与半导体器件有关呢？半导体二极管、三极管，稳压二极管、发光二极管，光电二极管，等等这些都是半导体器件，而电脑芯片，半导体收音机，半导体制冷空调，半导体冷水机等等都是半导体器件在生活中的实际应用了。半导体二极管和三极管是最常用的半导体器件，而PN结又是组成二极管和三极管及各种电子器件的基础。本章首先介绍有关半导体的基本知识，然后将重点介绍二极管和三极管的结构、工作原理、特性曲线与主要参数等，为后面各章的学习打下基础。第一节 半导体的基本知识1. 导体、半导体和绝缘体大家都知道导体的导电能力最好，绝缘体导电能力最差，不导电；还有一种就是半导体，它的导电能力介于导体和绝缘体之间，准确地说更接近于绝缘体，现在我们从它们的原子结构来看看其特殊性能。自然界的一切物质都是由分子、原子组成的。原子又由一个带正电的原子核和它周围高速旋转着的带有负电的电子组成。原子核中有质子和中子，其中质子带正电，中子不带电。原子核结构中：正电荷=负电荷绕原子核高速旋转的核外电子带负电。原子核1.1 导体导体的最外层电子数通常是1-3个，且距原子核较远，因此受原子核的束缚力较小。由于温度升高、振动等外界的影响，导体的最外层电子就会获得一定能量，从而挣脱原子核的束缚而游离到空间成为自由电子。因此，导体在常温下存在大量的自由电子，具有良好的导电能力。常用的导电材料有金、银、铜、铝等。 导体最大的特点：含有大量的自由电子。1.2 绝缘体绝缘体的最外层电子数一般为6-8个，且距原子核较近，因此受原子核的束缚力较强而不易挣脱其束缚。常温下绝缘体内部几乎不存在自由电子，因此导电能力极差或不导电。常用的绝缘体材料有橡胶、塑料、云母、陶瓷等。绝缘体的特点：内部几乎没有自由电子，因此不导电。1.3 半导体半导体的最外层电子数一般为4个，在常温下存在的自由电子数介于导体和绝缘体之间，因而在常温下半导体的导电能力也是介于导体和绝缘体之间。常用的半导体材料有硅、锗、硒及某些金属氧化物、硫化物等。 半导体的特点：导电性能介于导体和绝缘体之间，但具有光敏性、热敏性和掺杂性的独特性能，因此在电子技术中得到广泛应用。 2. 半导体的导电特性金属导体的电导率一般在105s/cm量级；塑料、云母等绝缘体的电导率通常是10-2210-14s/cm量级；半导体的电导率则在10-9102s/cm量级。 半导体的导电能力虽然介于导体和绝缘体之间，但半导体的应用却极其广泛，这是由半导体的独特性能决定的： 热敏性半导体的导电能力对温度反应灵敏，受温度的影响大。当环境温度升高时，其导电能力增强，称为热敏性。(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。 光敏性半导体的导电能力随光照的不同而不同。光照增强时，导电能力增强，称为光敏性。(可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等)。 掺杂性导电能力受杂质影响极大，在半导体中掺入少量特殊杂质，其导电能力极大地增强，称为掺杂性。(可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。这里所说的“杂质”，是指某些特定的纯净的其它元素。在纯净半导体中，只要掺入极微量的杂质，导电能力即急剧增加，一个典型的数据是：纯净硅中，若掺入百万分之一硼，其导电能力增加约50万倍。半导体材料的独特性能是由其内部的导电机理所决定的。3. 本征半导体3.1 典型半导体的原子结构最常用的半导体为硅(Si)和锗(Ge)。它们的共同特征是四价元素，即每个原子最外层电子数为4个。Ge(锗原子)+Si(硅原子)+硅：元素符号Si，序号14，各层电子数目分别为2、8、4。锗：元素符号Ge，序号32，各层电子数目分别为2、8、18、4。因为Si和Ge的最外层电子数均为4个，我们可以用下面的简化模型来表示它们的原子模型：硅原子和锗原子的简化模型图Si+4Ge+4因为原子呈电中性，所以简化模型图中的原子核只用带圈的+4符号表示即可。需明确一点的是，天然的硅和锗是不能制作成半导体器件的。它们必须先经过高度提纯，形成晶格结构完全对称的，纯净的成单晶形式存在的本征半导体，如下图所示。444444444实际上半导体的晶格结构是三维的。晶格结构3.2 半导体的结构特征共价键结构用来制造半导体器件的本征半导体，其原子核最外层的价电子都是4个，称为四价元素，它们排列成非常整齐的晶体点阵结构。但是，对于原子结构而言，最外层有8个电子才是稳定结构，在本征半导体的晶格结构中，每一个原子均与相邻的四个原子结合，即与相邻四个原子的价电子两两组成电子对，构成共价键结构。444444444共价键结构3.3 热激发与“电子-空穴对”的产生从共价键晶格结构来看，每个原子外层都具有8个价电子，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着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子，它的导电能力为0，相当于绝缘体。但价电子是相邻原子共用，所以稳定性并不能像绝缘体那样好。受光照或温度上升影响，共价键中价电子的热运动加剧，一些价电子会挣脱原子核的束缚游离到空间成为自由电子。温度越高，热运动越厉害，挣脱束缚的电子就越多。 共价键中的价电子在外部能量作用下，脱离共价键成为自由电子的过程叫做“激发”，或“热激发”。电子脱离共价键束缚所需要的最小能量叫“激活能”Eg。硅的激活能Eg为1.1eV（电子伏），锗的激活能Eg为0.68eV。光照和辐射都是激活能的来源。既然有些价电子挣脱了原子核的束缚，而成为自由电子，在原来的共价键中，便留下了一些“空位”，我们称之为“空穴”。自由电子呈负电性，而失去一个价电子的硅原子则成为+1价离子，故好像这个空位带有+1价电荷一样，因此空穴呈电中性。由于热激发而在晶体中出现电子-空穴对的现象称为本征激发。这里有一点需要指出的是，自由电子与空穴在热运动中出现，它们总是数量相等的，即出现一个自由电子，就出现一个空穴，自由电子与空穴总是相伴而生，成对出现的。我们把由于热激发而产生的自由电子和空穴，统称为“载流子”，它们都将作为运载电流的粒子而存在。这样，在半导体中，就有自由电子和空穴两种载流子，即电子载流子和空穴载流子，它们形成的电流分别称为电子电流与空穴电流。空穴载流子的出现，是半导体导电特性的一个重要特点，而载流子数目的多少，是衡量半导体导电能力的标志。因载流子的浓度是随温度的升高按指数规律增大的，这就导致半导体的导电能力将随温度的升高而明显增加，这一点，正是我们前面指明的半导体的导电特性之一的热敏性。3.4 半导体的导电方式 既然晶体中出现了带正电的空穴，那么，它将很容易吸引相邻原子中的价电子来填补空穴（注意：这里所说吸引的电子，是指相邻原子中仍被原子核束缚却又束缚不紧的价电子，而不是自由电子），当一个价电子填补了空穴，它原来的位置上又出现了新的空穴，这样，从效果上、从现象上，都可以看成是带正电的空穴在晶格中移动，我们把这种价电子填补空穴的运动称为“空穴运动”。而这种填补运动是由于空穴的产生引起的，它始终在原子的共价键之间进行，因而不同于自由电子在晶格中的自由运动。为了区别电子这两种不同的运动方式，可把价电子填补空穴的运动看作是空穴的逆向运动，即空穴载流子运动。就原子而言，它失去了一个价电子，出现了一个空穴，空穴可被看作是带正电荷的粒子，即空穴载流子。由于电子带负电，空穴带正电，就整个晶体而言，它仍呈电中性。这样，当半导体两端外加电压时，一方面是带负电的自由电子向正极做定向运动，另一方面是被原子核束缚着的价电子递补空穴向负极运动，两种载流子分别形成了电子流，尽管电荷极性不同，但电流方向相同。由此，我们得到结论，在半导体导电过程中，同时存在着空穴导电与电子导电两种导电方式，而且电子和空穴形成的电流方向相同（为空穴载流子的方向），即半导体中的电流为电子电流与空穴电流之和。两种导电方式同时存在，则是半导体导电机制的最大特点，也是半导体导电与导体导电在导电原理上的最大区别（金属导体中只有自由电子一种载流子参与导电；而半导体中则是由本征激发产生的自由电子和空穴两种载流子同时参与导电。两种载流子电量相等、符号相反，电流的方向为空穴载流子的方向即自由电子载流子的反方向）。3.5 “电子-空穴对”的复合与动态平衡在热激发情况下，电子-空穴对的产生只是问题的一个方面，问题的另一面是：由于自由电子处在热运动中，它总有可能碰到空穴，并与空穴重新组合而消失，这与价电子递补空穴使空穴消失是不同的，这个自由电子与空穴重新组合的过程，与电子-空穴对的产生，恰恰是一个相反的逆变的过程，称为电子-空穴对的复合。这就是说，由于热运动与热激发，一方面产生着电子-空穴对，一方面又进行着电子-空穴对的复合，它们是相互矛盾的两方面。随着电子-空穴对的增多，复合的机会亦增多，而复合规模的增大又限制了电子-空穴对数量的增加，结果在温度一定时，这两种相互矛盾的运动达到相对平衡。这时，热激发仍在产生着电子-空穴对，而电子-空穴对又在进行着复合，单位时间内产生和复合的数目是相等的，因此，实际存在着的电子-空穴对便维持在一定的数目上了。当温度升高时，晶体内原子的热运动加剧，热激发增多，产生超过复合，使原来的平衡被破坏，自由电子和空穴的数目增多，复合的机会也增大，最后达到一个新的动态平衡。这就是说，热激发产生的电子-空穴对的数目，是由温度决定的，在一般室温下，其数量甚少；当温度升高时，其数量随之增加，即半导体导电能力随之增强。3.6 关于本征载流子的浓度讨论我们设电子浓度为n，空穴浓度为p；本征电子载流子浓度为ni，本征空穴载流子浓度为pi 。对本征半导体即纯净半导体而言，当温度一定时有：n=p=ni=pi理论分析证明，半导体的本征载流子（电子或空穴）浓度ni与pi，均与温度有关，关系式如下：ni(T)=pi(T)=AT3/2e-Eg/2kT式中，Eg是半导体的激活能，也就是能级中的禁带宽度；T为绝对温度；A是与材料有关的系数；k是波尔兹曼常数（1.38×10-23J/K）；e是自然对数的底。在T=300K（室温）时：硅的本征载流子浓度ni=pi=1.4×1010cm-3锗的本征载流子浓度ni=pi=2.5×1013cm-3硅与锗的本征载流子浓度不同，主要是两种晶体的激活能不同所引起的。本征载流子浓度随温度上升而迅速增大，因此，半导体的导电能力也随温度上升而显著增强，这正是前面所讨论过的半导体的导电特性之一的热敏性。另一方面，理论分析与实践都证明，对本征半导体来说，在一定温度下，空穴本征浓度pi与电子本征浓度ni的乘积等于常数，即：nipi=常数又因为本征半导体的ni=pi，因此有nipi=ni2=常数正是由于在一般室温下，本征载流子浓度很低，使半导体的导电能力远远不能满足需要，考虑到半导体掺杂之后导电能力剧增的特性，杂质半导体应运而生。4. 杂质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。如果在其中掺入某种元素的微量杂质，将使掺杂后的杂质半导体的导电性能大大增强。掺入杂质的半导体称为杂质半导体，它是制造半导体器件的基础材料。说明：在半导体掺入杂质时，从数量而言，所掺入的杂质是极其微弱的，一般在百万分之一以下，纵使是重度掺杂，也只有万分之一。因此，掺杂后，半导体的晶体结构不发生变化，只是在晶体点阵的某些位置上，半导体原子被杂质原子所代替。掺入杂质不同，可形成两种不同类型的杂质半导体：4.1 N型半导体在本征半导体硅或锗的晶体中，掺入少量五价元素（如磷或砷），即可得到N型半导体。由于磷是五价元素，其最外层有5个价电子，而组成共价键时，只有4个价电子参与，势必剩下一个电子，这个多余的电子非常容易挣脱原子核的束缚而成为自由电子，这样就使掺入磷杂质的半导体晶格中，自由电子的数量大大增加。因此自由电子是这种半导体的导电主流。在室温情况下，本征硅中的磷杂质等于10-6数量级时，电子载流子的数目将增加几十万倍。掺入五价元素的杂质半导体由于自由电子多而称为电子型半导体，也叫做N型半导体。在N型半导体中，自由电子数目大增，也更增加了电子与空穴的复合机会，从而使空穴的数目更少了，这样导电主流就是电子，被称为“多数载流子”（简称“多子”）；空穴则称为“少数载流子”（简称“少子”）。五价元素磷提供了自由电子，称为“施主元素”或“施主杂质”；磷原子失去了一个电子，称为“施主原子”。这时的施主原子，实际上是不可动的正电荷（施主正离子）与可动的负电荷（自由电子）的结合体。N型半导体简化图如下所示： N型半导体简化图 N型半导体简化图4.2 P型半导体在本征半导体中，参入少量三价元素（如硼或铝），即可得到P型半导体。由于硼是三价元素，其最外层有3个价电子，而组成共价键结构时，需要4个价电子，显然，这时会因缺少一个电子而出现一个空位，由于价电子在原子之间运动，别处的价电子很容易填补这个空位，使硼原子多了一个电子而成为-1价的离子，而别处的硅或锗原子少了一个价电子，而出现一个空穴。常温之下，掺入的硼原子都可电离，因此每掺入一个硼原子，在别处均可提供一个空穴。这就是说，空穴成为该杂质半导体中的多子，自由电子成为少子，其导电的方式主要为空穴导电，故称为“空穴半导体”或“P型半导体”。三价硼元素提供了易于接受电子的空位，称为“受主元素”或“受主杂质”；硼原子接受电子，称为“受主原子”。这时的受主原子，实际上是不可动的负电荷（受主负离子）与可动的正电荷（空穴）的结合体。N型半导体简化图如上所示：4.3 杂质半导体载流子的浓度讨论我们前面曾讨论了本征半导体的载流子浓度，在本征半导体中掺入杂质后，两种载流子的浓度将有很大变化。我们现在来讨论一下杂质半导体的浓度问题，从而得出多子与少子的比例关系。对于杂质半导体来说，在室温下，尽管掺入杂质含量很少，但由杂质原子所产生的载流子数目通常都大大超过本征载流子浓度，在这种情况下，可将多数载流子的浓度看成近似等于杂质浓度N。我们用ND表示施主杂质原子浓度，即单位体积中的施主原子数；用NA表示受主杂质原子浓度，即受主原子的掺杂浓度数，则：对N型半导体而言，其多子自由电子的浓度n与施主杂质浓度ND相等： 对P型半导体而言，其多子空穴的浓度p与受主杂质浓度NA相等： 理论和实践证明，对杂质半导体而言，仍然有空穴浓度p与电子浓度n的乘积为一恒定值，与掺杂浓度无关，即：因此，在确定了多数载流子浓度之后，可利用上式来确定少数载流子的浓度。对N型半导体，其少子空穴的浓度p为：对P型半导体，其少子自由电子的浓度n为：显然，由于多子浓度要比本征载流子浓度ni和pi大，所以，由上面两式可知，杂质半导体的少子浓度将小于本征载流子浓度。这就是说，一块本征半导体中原来的两种载流子浓度都是ni，在掺入杂质之后，多子浓度大大增加了，它将比本征载流子浓度ni大很多倍，而少子浓度则比本征载流子浓度ni要小很多。参考书目：电子技术基础 模拟部分康华光（主编），高等教育出版社模拟电子技术基础童诗白 (主编)，高等教育出版社课后反思：教师姓名：李春菊 职称：无 日期：2009年8月28日 编号：02课时安排：2学时教学课型：理论课 实验课 习题课 实践课 其它题目（教学章、节或主题）：第一章 半导体器件基础 第二节 PN结 第三节 半导体二极管教学目的要求（分识记、领会、掌握三个层次）：识记PN结的结电压（硅材料和锗材料）；二极管符号、方程；领会扩散与漂移，PN结的导通与截止；二极管的结构、种类、伏安特性曲线、主要参数；掌握PN结的形成和单向导电性，二极管的结构、工作原理、特性曲线和主要参数。教学（能力、技能）目标：在理解并掌握PN结的形成过程和单向导电性的基础上，进一步学习二极管的结构、工作原理、特性曲线和主要参数等知识；学会判断二极管的导通与截止。教学重点、难点：PN结的形成和单向导电性；二极管的结构、工作原理、特性曲线和主要参数。教学方式、手段、媒介：教学方式、手段：讲授媒介：教材，多媒体，黑板教学内容及实施过程（注明：* 重点 # 难点 ？疑点）：一、复习、回顾通过上次课的学习，我们知道了什么是半导体、本征半导体及杂质半导体，搞清楚了半导体的导电特性、共价键结构、导电机理、N型半导体和P型半导体，还学习了本征半导体和杂质半导体的载流子浓度。二、导入新课在领会掌握了第一节内容的基础上，我们现在开始学习电子电路中应用非常广泛的一种器件，即半导体二极管。因为形成二极管的基础是PN结，所以，我们这两节课先学习PN结的形成和单向导电性；在此基础上，再进一步学习二极管的结构、种类、工作原理、特性曲线和主要参数等知识；学会判断二极管的导通与截止，为电子电路分析打下坚实的基础。三、明确本次授课的目的与要求PN结是学习半导体器件的基础和重点，内容不是很难，相对于第一节来说，肯定有一定难度了，尤其是PN结的形成和单向导电性，需要大家重点掌握。在理解并掌握PN结的形成过程和单向导电性的基础上，我们要进一步学习半导体二极管的结构、种类、符号、工作原理、特性曲线和主要参数等知识；学会判断二极管的导通与截止，为电子电路分析打下基础。因此，半导体二极管也需要我们大家重点学习和掌握。学完这两节，课后的习题就可以做了，希望大家课下能多加练习，对课堂知识进行很好的巩固。四、讲解本次授课的具体内容第二节 PN结杂质半导体（N型和P型半导体）的导电能力虽然比本征半导体极大增强，但它们并不能用来制造半导体器件。真正用来制造半导体器件的，是将N型和P型半导体居于一块晶体之中，在交界处所得到的PN结。换言之，将P型和N型半导体经过工艺加工制造后所得到的PN结，是构成各种半导体器件的基础。在电子技术中，PN结是一切半导体器件的“元概念”和技术起始点。1. PN结的形成 将P型半导体与N型半导体经过工艺制造过程使它们紧密地结合在一起，在它们的交界处会出现什么情况呢？1.1 多子的扩散运动与空间电荷区的建立P型半导体和N型半导体结合在一起 P型半导体的多子为空穴，N型半导体的多子为自由电子；N区自由电子的浓度大于P区，P区空穴的浓度大于N区 物质浓度存在差别，导致扩散过程的产生，N区的自由电子要向P区扩散，P区的空穴要向N区扩散 N区的自由电子扩散到P区后，将和P区的空穴复合，在N区只留下了不可动的正电荷；P区的空穴扩散到N区后，要和N区的自由电子复合，P区留下了不可动的负电荷 在交界面处，形成了一个空间电荷区，其实质是一个正负离子层。由于在这一区域内，多子都已扩散到对方并参与了复合，使得可以移动的正负电荷消失殆尽，因此该区域又称为“耗尽层”。1.2 内电场的产生及其作用空间电荷区所产生的直接结果，是形成了一个电场，其方向是从带正电的N区指向带负电的P区。由于这个电场是由载流子扩散而在内部形成，不是外加电压形成的，所以称为内电场。内电场一经形成，由于它的方向是从N区指向P区，与多子扩散的方向刚好相反，因此，它将阻止扩散的进一步进行，即：P区带正电的空穴继续向N区扩散和N区自由电子向P区扩散时，都将受到这个内电场的阻力。从这个意义上理解，空间电荷区又可视为一个“阻挡层”，即它对多子的扩散有阻挡作用。另一方面，从内电场的方向和电子与空穴的电极性上又可以看出，这个电场恰恰可以使N区的少子空穴向P区运动，也可以使P区的少子电子向N区运动，我们称之为少子的“漂移”。显然，内电场对少子的漂移具有推动作用。少子漂移的方向与多子扩散的方向刚好相反，从N区漂移到P区的空穴补充了原来交界面上P区失去的空穴，而从P区漂移到N区的电子则补充了原来交界面上N区失去的电子，这就是说，漂移使得空间电荷区的电荷量减少，空间电荷区变窄了。1.3 扩散与漂移的动态平衡和PN结的形成由以上分析可见，扩散与漂移是相互矛盾的。扩散 空间电荷区变宽 漂移 空间电荷区变窄内电场增强 内电场减弱对多子扩散的阻力增大 使多子的扩散容易进行使少子的漂移运动增强开始时，扩散占优势，使空间电荷区加宽，内电场增强，阻碍扩散运动，但使漂移运动不断增强；漂移运动增强又使空间电荷区变窄，内电场减弱，进而使扩散容易进行；当扩散运动与漂移运动相等时，两者达到动态平衡。电子与空穴有来有往，但扩散过去多少电子和空穴，也就漂移过来多少电子和空穴，空间电荷区的厚度不再增加，而处于相对稳定的状态。这个一定宽度的空间电荷区，就是我们所说的PN结。1.4 PN结的内建电势差如前所述，PN结的空间电荷区存在电场，方向是从N区指向P区，即N区的电位高于P区，高出的数值定义为这个内电场的内建电势差，又称接触电位差，用Uh表示。内建电势差Uh与施主杂质浓度ND、受主杂质浓度NA及本征浓度ni等因素有关：式中，kT/q=UT，称为温度电压当量；k为波尔兹曼常数；q为电子电荷量；T是绝对温度；ND是施主杂质浓度；NA是受主杂质浓度；ni是材料的本征浓度。k=1.381×10-23J/K，q=1.6×10-19C，取 T=300K，可得：一般情况下，硅材料PN结的内建电势差Uh大约为0.7V，锗材料PN结的内建电势差大约为0.3V。不同材料的这两个内建电势差的数值，常常是电子电路中分析与计算的依据。1.5 PN结的电容效应在PN结空间电荷区出现以后，这一区域将不再呈现电中性。由于它的一侧是正电荷，一侧是负电荷，宛如一对带有不同电荷的平行板电容器，并随之会出现电容效应。这种电容效应产生的电容，称为PN结的结电容。它的数值一般不大，只有几个皮法。但当半导体器件工作频率很高时，必须考虑它的影响。2. PN结的单向导电性 未加外部电压时，PN结内无宏观电流，只有外加电压时，PN结才显示出单向导电性。而PN结之所以大量用来制造半导体器件，就是由于它在有外加电压时的单向导电性。 2.1 PN结加正向电压PN结的P区接较高电位（比如电源的正极），N区接较低电位（比如电源的负极），称为给PN结加正向偏置电压，简称正偏。 PN结外加正向电压 PN结外加反向电压PN结正偏时，外加电场使PN结的平衡状态被打破，由于外电场与PN结的内电场方向相反，内电场被削弱，扩散增强，漂移几乎减弱为0，因此，PN结中形成了以扩散电流为主的正向电流IF。因为多子数量较多，所以IF较大。为了防止较大的IF将PN结烧坏，应串接限流电阻R。扩散电流随外加电压的增加而增加，当外加电压增加到一定值后，扩散电流随正偏电压的增大而呈指数上升。由于PN结对正向偏置呈现较小的电阻（理想状态下可以看成是短路情况），因此称之为正偏导通状态。 2.2 PN结加反向电压将PN结的P区接较低电位（比如电源的负极），N区接较高电位（比如电源的正极），称为给PN结加反向偏置电压，简称反偏，如上图所示。PN结反偏时，外加电场方向与内电场方向相同，在这一外电场作用下，P区的多子空穴和N区的多子电子都将进一步离开PN结，使空间电荷区变宽，亦使内电场增强，从而使多子扩散减弱到几乎为零，而漂移运动在内电场的作用下，有所增强，在PN结电路中形成了少子漂移电流。漂移电流和正向电流的方向相反，称为反向电流IR。 由于少子的浓度低，漂移的数量少，因而反向电流也很小，一般为微安数量级。而整个PN结表现为一个很大的电阻，可视为PN结反向截止。 由于少子是由本征激发所产生的，当管子制成后，少子数值取决于温度，而与外加电压几乎无关。在一定温度下，只要外加电压所产生的电场足以把这些少子都吸引过来，形成漂移电流，电压即使再增加，也不能使载流子的数目增多，电流的值趋于稳定，因而，常称反向漂移电流为反向饱和电流。反向饱和电流数值不大，但它受温度的影响很大，在实际应用中需要考虑这一点。结论：PN结的正向电阻很小，可视为正向导通；反向电阻很大，可视为反向截止，这就是PN结的单向导电性。PN结在电路图中的符号如下图所示：PN第三节 半导体二极管把PN结用管壳封装，然后在P区和N区分别向外引出一个电极，即可构成一个二极管。二极管是电子技术中最基本的半导体器件之一。根据其用途分有检波管、开关管、稳压管和整流管等。硅高频检波管开关管稳压管整流管发光二极管电子工程实际中，二极管应用得非常广泛，上图所示即为各类二极管的部分产品实物图。学习本节，大家要识记二极管符号、二极管方程；领会并掌握二极管的结构、种类、伏安特性曲线和主要参数。最后，还要通过一些例题，帮助大家理解并掌握二极管在电子电路中的常见用途及分析方法，为电子电路的分析打下基础。1. 半导体二极管的结构、种类和符号1.1 结构二极管的结构主要可分为点接触型和面接触型两类。点接触型二极管由一根很细的金属丝与半导体的表面相接触，经过特殊工艺在接触点上形成PN结。其特点是PN结的面积小，极间电容小，但不能承受高的反向电压和大电流。它的高频性能好，适用于高频检波和数字电路中的开关元件及小电流整流。外壳触丝N型锗片正极引线负极引线 N型锗负极引线底座金锑合金PN结铝合金小球正极引线 点接触型二极管 面接触型二极管面接触型二极管是采用合金法和扩散法制成的。PN结面积大，可承受较大的电流，但极间电容也大，工作频率受到影响。面接触型二极管适用于低频和大功率整流。1.2 分类和符号点接触型普通二极管二极管分类按结构分面接触型按材料分硅二极管锗二极管按用途分普通二极管整流二极管开关二极管稳压二极管 稳压二极管发光二极管DDZD使用二极管时，注意极性不能接反，否则电路非但不能正常工作，还有毁坏管子和其他元件的可能。2. 半导体二极管的伏安特性与二极管方程2.1 二极管的伏安特性二极管的伏安特性是指流过二极管的电流与二极管两端电压的函数关系。二极管既然是一个PN结，其伏安特性当然具有“单向导电性”。 U(V)0.500.8-50-25I (mA)204060 (mA)4020死区正向导通区反向截止区反向击穿区二极管的伏安特性呈非线性，特性曲线上大致可分为四个区：(1) 死区：当外加正向电压很低时，由于外电场还不能克服PN结内电场对多数载流子扩散运动的阻力，故正向电流很小，几乎为零，此时二极管仍然呈现较大的电阻，好像一个门槛，这一区域称之为死区。只有当外加电压超过某一电压后，正向电流才显著增加，这个一定数值的电压就成为门槛电压，或死区电压，记作Uth，硅管的死区电压约为0.5V，锗管的死区电压约为0.1V。(2) 正向导通区：外加正向电压超过死区电压(硅管0.5V，锗管0.1V)时，内电场大大削弱，正向电流迅速增长，二极管进入正向导通区。(3) 反向截止区：当外加反向电压较小时，由于少数载流子的漂移，形成反向饱和电流，因为少子的数目很少，因此反向电流很小。硅管的反向电流比锗管小得多。如果温度升高，少子数目增多，反向电流增大。(4) 反向击穿区：外加反向电压超过反向击穿电压UBR时，反向电流突然增大，二极管失去单向导电性，进入反向击穿区(5) 正向导通区和反向截止区的讨论当外加正向电压大于死区电压时，二极管由不导通变为导通，电压再继续增加时，电流迅速增大，而二极管端电压却几乎不变