半导体器件 - 快速指南

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半导体器件 - 简介

人们普遍认为，特定Atomics的Atomics核到电子的距离是不相等的。通常，电子在明确的轨道上旋转。特定数量的电子只能由外壳或轨道容纳。Atomics的电导率主要受外壳电子的影响。这些电子与电导率有很大关系。

导体和绝缘体

导电是电子不规则或不受控制运动的结果。这些运动使某些Atomics成为良好的电导体。具有此类Atomics的材料在其外壳或轨道中具有许多自由电子。

相比之下，绝缘材料具有相对较少数量的自由电子。因此，绝缘体的外壳电子往往会牢固地保持其位置，几乎不允许任何电流流过。因此，在绝缘材料中，几乎不产生导电性。

半导体

在导体和绝缘体之间，还有第三类Atomics（材料），称为半导体。一般来说，半导体的电导率介于金属和绝缘体的电导率之间。然而，在绝对零温度下，半导体也像完美的绝缘体一样。

硅和锗是最常见的半导体元素。氧化铜、硫化镉和砷化镓是其他一些常用的半导体化合物。这些类型的材料通常被归类为 IVB 型元件。这样的Atomics有四个价电子。如果它们能够放弃四个价电子，就可以实现稳定性。也可以通过接受四个电子来实现。

Atomics的稳定性

Atomics稳定性的概念是决定半导体材料地位的重要因素。价带中电子的最大数量为8。当价带中恰好有8个电子时，可以说Atomics是稳定的。在稳定的Atomics中，价电子的键合非常刚性。这些类型的Atomics是极好的绝缘体。在这样的Atomics中，自由电子不能用于导电。

稳定元素的例子有氩、氙、氖和氪等气体。由于其特性，这些气体不能与其他材料混合，通常被称为惰性气体。

如果外壳中的价电子数小于8，则该Atomics被认为是不稳定的，即具有少于8个价电子的Atomics是不稳定的。它们总是试图从邻近Atomics借用或捐赠电子以变得稳定。外壳中具有 5、6 或 7 价电子的Atomics倾向于从其他Atomics借用电子以寻求稳定性，而具有 1、2 或 3 价电子的Atomics倾向于将这些电子释放给附近的其他Atomics。

Atomics组合

任何有重量的东西都是物质。根据Atomics理论，所有物质，无论是固体、液体还是气体，都是由Atomics组成的。Atomics包含一个称为Atomics核的中心部分，其中包含中子和质子。通常，质子是带正电的粒子，中子是带中性电荷的粒子。作为带负电粒子的电子以类似于围绕太阳的行星阵列的方式排列在Atomics核周围的轨道上。下图显示了Atomics的组成。

人们发现不同元素的Atomics具有不同数量的质子、中子和电子。为了区分一个Atomics与另一个Atomics或对各种Atomics进行分类，为每个已识别元素的Atomics分配了一个数字，该数字表示给定Atomics核中的质子数。这个数字称为元素的Atomics序数。下表给出了与半导体研究相关的一些元素的Atomics序数。

通常，Atomics具有相同数量的质子和行星电子，以将其净电荷保持为零。Atomics经常通过其可用的价电子结合形成稳定的分子或化合物。

自由价电子的结合过程通常称为成键。以下是Atomics组合中发生的不同类型的键合。

• 离子键合
• 共价键合
• 金属粘接

现在让我们详细讨论这些Atomics键。

离子键

当Atomics结合在一起形成分子时，每个Atomics都在寻求稳定性。当价带包含 8 个电子时，称为稳定状态。当一个Atomics的价电子与另一个Atomics的价电子结合而变得稳定时，称为离子键合。

• 如果一个Atomics的外壳层有超过 4 个价电子，它就会寻找额外的电子。这种Atomics通常称为受体。

• 如果任何Atomics在外壳中所含的价电子少于 4 个，它们就会尝试从这些电子中移出。这些Atomics被称为供体。

在离子键合中，供体和受体Atomics经常结合在一起并且该组合变得稳定。食盐是离子键合的常见例子。

下图说明了独立Atomics和离子键合的示例。

从上图中可以看出，钠（Na）Atomics将其1价电子捐赠给具有7价电子的氯（Cl）Atomics。当氯Atomics获得额外的电子时，它立即变得负平衡，这导致Atomics变成负离子。另一方面，钠Atomics失去价电子，钠Atomics变成正离子。众所周知，与电荷吸引不同，钠Atomics和氯Atomics通过静电力结合在一起。

共价键合

当相邻Atomics的价电子与其他Atomics共享时，就会发生共价键合。在共价键合中，不形成离子。这是共价键和离子键的独特差异。

当一个Atomics的外壳层含有四个价电子时，它可以与四个相邻Atomics共享一个电子。两个连接电子之间建立共价力。这些电子在Atomics之间交替移动轨道。这种共价力将各个Atomics结合在一起。共价键合的图示如下图所示。

在这种排列中，仅显示每个Atomics的Atomics核和价电子。由于单个Atomics键合在一起而产生电子对。在这种情况下，需要五个Atomics才能完成键合作用。粘合过程向各个方向扩展。现在每个Atomics都在晶格网络中连接在一起，并且由该晶格网络形成晶体结构。

金属粘接

第三种键合通常发生在良电导体中，称为金属键合。在金属键合中，正离子和电子之间存在静电力。例如，铜的价带在其外壳中有一个电子。该电子倾向于在不同Atomics之间的材料周围漫游。

当这个电子离开一个Atomics时，它立即进入另一个Atomics的轨道。该过程不间断地重复。当电子离开Atomics时，Atomics变成正离子。这是一个随机过程。这意味着一个电子总是与一个Atomics相连。这并不意味着电子与某一特定轨道相关。它总是在不同的轨道上漫游。因此，所有Atomics都可能共享所有价电子。

电子悬浮在覆盖正离子的云中。这种盘旋的云将电子随机地与离子结合。下图显示了铜金属接合的示例。

固体材料中的传导

Atomics外环的电子数量仍然是导体和绝缘体之间差异的原因。众所周知，固体材料主要用于电子器件中以实现电子传导。这些材料可以分为导体、半导体和绝缘体。

然而，导体、半导体和绝缘体是通过能级图来区分的。这里将考虑使电子离开其价带并进入传导所需的能量。该图是材料内所有Atomics的组合。绝缘体、半导体和导体的能级图如下图所示。

价带

底部是价带。它代表最接近Atomics核的能级，价带中的能级持有平衡Atomics核正电荷所需的正确电子数量。因此，该频带称为填充频带。

在价带中，电子与Atomics核紧密结合。在能级中向上移动，电子在每个后续能级中向Atomics核的束缚更加轻微。干扰靠近Atomics核能级的电子并不容易，因为它们的运动需要更大的能量，并且每个电子轨道都有不同的能级。

导带

图中的顶部或最外层带称为导带。如果电子的能级位于该能带内，并且可以在晶体中相对自由地移动，那么它就会传导电流。

在半导体电子学中，我们主要关注价带和导带。以下是有关它的一些基本信息 -

• 每个Atomics的价带显示了外壳中价电子的能级。

• 必须向价电子添加一定量的能量才能使它们进入导带。

禁断间隙

价带和导带之间存在间隙，称为禁带。为了跨越禁隙，需要一定的能量。如果不足，则不会释放电子进行传导。电子将保留在价带中，直到它们收到额外的能量以跨越禁带。

特定材料的导电状态可以通过禁带宽度来表示。在Atomics理论中，能隙的宽度以电子伏特（eV）表示。电子伏特定义为电子受到 1 V 电势差时获得或损失的能量。每种元素的Atomics具有不同的允许导电的能级值。

请注意，绝缘体的禁止区域相对较宽。要使绝缘体导电需要非常大量的能量。例如，Thyrite。

如果绝缘体在高温下工作，增加的热能会导致价带的电子移入导带。

从能带图中可以清楚地看出，半导体的禁隙比绝缘体的禁隙小得多。例如，硅需要获得 0.7 eV 的能量才能进入导带。在室温下，添加热能可能足以引起半导体中的传导。这一特殊特性在固态电子器件中非常重要。

在导体的情况下，导带和价带彼此部分重叠。从某种意义上说，不存在禁忌间隙。因此，价带电子能够释放成为自由电子。通常在正常室温下，导体内几乎不发生导电。

电导率和流动性

如前所述，每个Atomics可能有一个或多个自由电子，它们在外加场的影响下一路穿过金属内部。

下图显示了金属内的电荷分布。它被称为金属的电子气描述。

阴影区域代表带正电荷的Atomics核。蓝点代表Atomics外壳中的价电子。基本上，这些电子不属于任何特定的Atomics，因此，它们失去了各自的身份并在Atomics之间自由漫游。

当电子不间断运动时，每次与重离子碰撞时，传输方向都会改变。这是基于金属的电子气理论。碰撞之间的平均距离称为平均自由程。电子在给定时间内以相反方向随机穿过金属中的单位面积，使平均电流为零。

半导体类型

当电压施加到半导体器件时，电子电流流向源极的正极，空穴电流流向源极的负极。这种情况仅发生在半导体材料中。

硅和锗是最常见的半导体材料。一般来说，半导体的电导率介于金属和绝缘体的电导率之间。

锗作为半导体

以下是有关锗的一些要点-

• 锗的最外层轨道有四个电子。在键中，Atomics仅显示其外层电子。

• 锗Atomics将在共价键中共享价电子。如下图所示。锗是与共价键相关的元素。锗的晶体形式称为晶格。这种结构的Atomics排列如下图所示。

• 在这种布置中，电子处于非常稳定的状态，因此不太适合与导体相关联。在纯净状态下，锗是一种绝缘材料，被称为本征半导体。

下图显示了硅和锗的Atomics结构。

硅作为半导体

半导体器件也在各种电子元件的制造中使用硅。硅和锗的Atomics结构如上图所示。硅的晶格结构与锗相似。

以下是有关硅的一些要点 -

• 它的最外层电子层与锗一样有四个电子。

• 在纯粹的形式下，它不能用作半导体器件。

• 通过添加杂质可以获得所需的电导率。

• 杂质的添加必须在受控环境中小心地进行。

• 根据添加的杂质类型，它会产生过量或不足的电子。

下图显示了硅的本征晶体。

半导体中的掺杂

纯硅或纯锗很少用作半导体。实际可用的半导体必须控制其添加的杂质数量。添加杂质会改变导体能力，起到半导体的作用。向本征或纯材料中添加杂质的过程称为掺杂，该杂质称为掺杂剂。掺杂后，本征材料变成外来材料。实际上只有在掺杂后这些材料才变得可用。

当向硅或锗中添加杂质而不改变晶体结构时，就会产生N型材料。在某些Atomics中，电子的价带中有五个电子，例如砷 (As) 和锑 (Sb)。硅中掺杂任何一种杂质都不得改变晶体结构或键合工艺。杂质Atomics的多余电子不参与共价键合。这些电子被它们的起源Atomics松散地结合在一起。下图显示了添加杂质Atomics后硅晶体的变化。

掺杂对N型材料的影响

掺杂对 N 型材料的影响如下 -

• 在纯硅中添加砷后，晶体变成 N 型材料。

• 砷Atomics具有不参与共价键合过程的附加电子或负电荷。

• 这些杂质向晶体放弃或捐赠一个电子，它们被称为施主杂质。

• N型材料比本征材料具有额外的或自由的电子。

• N型材料不带负电。实际上它的所有Atomics都是电中性的。

• 这些额外的电子不参与共价键合过程。它们可以在晶体结构中自由移动。

• 只需施加 0.005eV 的能量，N 型外在硅晶体就会开始导电。

• 只需 0.7eV 即可将本征晶体的电子从价带移动到导带。

通常，电子被认为是此类晶体中的多数载流子，而空穴是少数载流子。添加到硅中的施主材料的数量决定了其结构中多数载流子的数量。

N型硅中的电子数量比本征硅的电子空穴对多很多倍。在室温下，这种材料的电导率存在明显差异。有丰富的载流子参与电流流动。电流的流动主要是通过此类材料中的电子来实现的。因此，外来材料成为良好的电导体。

掺杂对P型材料的影响

掺杂对 P 型材料的影响如下 -

• 当将铟 (In) 或镓 (Ga) 添加到纯硅中时，会形成 P 型材料。

• 这种类型的掺杂剂材料具有三个价电子。他们急切地寻找第四个电子。

• 在P型材料中，每个空穴都可以被一个电子填充。为了填充该空穴区域，来自相邻共价键基团的电子需要非常少的能量。

• 硅通常掺杂有1至106范围内的掺杂材料。这意味着P材料将比纯硅的电子空穴对具有更多的空穴。

• 在室温下，这种材料的电导率存在非常确定的特征差异。

下图显示了当掺杂受主元素（在本例中为铟）时，硅的晶体结构如何改变。一块P材料不带正电。它的Atomics基本上都是电中性的。

然而，许多Atomics团的共价结构中都存在空穴。当电子移入并填充空穴时，空穴就会变成空穴。在电子离开的键合基团中会产生一个新的空穴。空穴运动实际上是电子运动的结果。P 型材料只需施加 0.05 eV 的能量即可传导。

上图显示了 P 型晶体连接到电压源时的响应方式。请注意，空穴的数量多于电子的数量。施加电压后，电子被吸引到电池正极。

从某种意义上说，孔向电池负极端子移动。此时，一个电子被拾取。电子立即填充空穴。然后这个洞就变成空的了。同时，电池正极端子从材料中拉出电子。因此，由于电子在不同键合基团之间移动，空穴向负极移动。施加能量后，孔流是连续的。

半导体器件 - 结型二极管

由P和N材料制成的晶体结构通常称为结型二极管。通常将其视为二端设备。如下图所示，一个端子连接到 P 型材料，另一个连接到 N 型材料。

这些材料连接的公共粘合点称为连接点。结型二极管允许载流子沿一个方向流动并阻止电流沿相反方向流动。

下图显示了结型二极管的晶体结构。查看 P 型和 N 型材料相对于结的位置。晶体的结构从一端到另一端是连续的。连接点仅充当分离点，代表一种材料的结束和另一种材料的开始。这样的结构使得电子能够在整个结构中进行彻底的移动。

下图显示了半导体物质在成形为 PN 结之前的两部分。根据规定，材料的每个部分都有多数和少数载流子。

每种材料中显示的载体符号的数量表示少数或多数功能。众所周知，N型材料中电子是多数载流子，空穴是少数载流子。在P型材料中，空穴为多数载流子，电子为少数。

半导体器件 - 耗尽区

最初，当形成结型二极管时，载流子之间存在独特的相互作用。在 N 型材料中，电子很容易穿过结以填充 P 材料中的空穴。这种Behave通常称为扩散。扩散是一种材料中载流子大量积累而另一种材料中载流子聚集较少的结果。

一般来说，靠近结的载流子只参与扩散过程。离开 N 材料的电子导致在其位置产生正离子。当进入P材料填充空穴时，这些电子会产生负离子。因此，连接处的每一侧都含有大量的正离子和负离子。

这些空穴和电子耗尽的区域通常称为耗尽区。这是一个缺乏多数载流子的区域。通常，PN结形成时会形成耗尽区。下图显示了结型二极管的耗尽区。

半导体器件 - 势垒潜力

N 型和 P 型材料在公共结处连接在一起之前被视为电中性。然而，在连接扩散瞬间发生后，当电子穿过结填充空穴时，导致 P 材料中出现负离子，这一作用导致结附近的区域带上负电荷。离开 N 材料的电子导致其产生正离子。

所有这些过程反过来又导致结的 N 侧带上净正电荷。这种特殊的电荷产生往往会迫使剩余的电子和空穴远离结。这种作用使得其他电荷载流子在结处扩散有些困难。结果，电荷积聚或结点处出现势垒电位。

如下图所示。由此产生的势垒电位有一个小电池连接在 PN 结上。在给定图中，观察该势垒相对于 P 和 N 材料的极性。当晶体未连接到外部能源时，就会存在该电压或电势。

锗的势垒电位约为 0.3 V，硅的势垒电位约为 0.7 V。这些值无法直接测量，而是出现在结的空间电荷区域。为了产生电流传导，必须通过外部电压源克服 PN 结的势垒电位。

半导体器件 - 结偏置

术语“偏置”是指应用直流电压来设置某些操作条件。或者，当外部能量源施加到 PN 结时，它被称为偏置电压或简称为偏置。该方法可以增加或降低结的势垒电位。结果，势垒电位的降低导致载流子返回到耗尽区。以下两个偏置条件适用于 PN 结。

• 正向偏置- 添加与势垒电位相同极性的外部电压，这会导致耗尽区宽度增加。

• 反向偏置- PN 结偏置的方式是施加外部电压作用以防止载流子进入耗尽区。

正向偏置

下图显示了施加外部电压的正向偏置 PN 结二极管。可以看到电池的正极连接到P材料，电池的负极连接到N材料。

以下是观察结果 -

• 该偏置电压排斥每种 P 型和 N 型材料的大多数载流子。结果，大量空穴和电子开始出现在结处。

• 在结的 N 侧，电子移入以中和耗尽区中的正离子。

• 在 P 侧材料上，电子被负离子拖拽，导致它们再次变成中性。这意味着正向偏置会破坏耗尽区，从而破坏势垒电位。这意味着当PN结正向偏置时，将允许连续的电流流动。

下图显示了正向偏置二极管的载流子流动。由于连接到二极管的外部电压源，可以提供恒定的电子供应。图中二极管外部的大箭头显示了电流的流动和方向。请注意，电子流和电流是指同一事物。

以下是观察结果 -

• 假设电子通过电线从电池负极端子流向 N 材料。一旦进入这种材料，它们立即流向连接处。

• 类似地，在另一侧，相同数量的电子从 P 侧被拉出并返回到电池正极端子。这个动作会产生新的洞，并导致它们向交汇处移动。

• 当这些空穴和电子到达结点时，它们结合在一起并有效地消失。结果，新的空穴和电子出现在二极管的外端。这些多数载流子是在连续的基础上创建的。只要施加外部电压源，该动作就会持续​​下去。

• 当二极管正向偏置时，可以注意到电子流过二极管的整个结构。这在 N 型材料中很常见，而在 P 材料中，空穴是移动的载流子。请注意，空穴沿一个方向的运动必须由电子沿相反方向的运动开始。因此，总电流是流过二极管的空穴和电子的总和。

反向偏压

下图显示了施加外部电压的反向偏置 PN 结二极管。可以看到电池的正极连接到N材料，电池的负极连接到P材料。请注意，在这种布置中，电池极性与二极管的材料极性相反，以便吸引不同的电荷。因此，每种材料的大多数载流子被拖离结。反向偏置会导致二极管不导通。

下图显示了反向偏置二极管中多数载流子的排列。

以下是观察结果 -

• 由于电路作用，N 材料的电子被拉向电池正极端子。

• 每个移动或离开二极管的电子都会导致正离子出现在其位置。结果，这导致结 N 侧耗尽区宽度的等效增加。

• 二极管的 P 侧与 N 侧具有类似的效果。在此过程中，许多电子离开电池负极端子并进入 P 型材料。

• 然后这些电子立即移入并填充许多空穴。每个被占据的空穴然后变成负离子。然后，这些离子又被电池负极端子排斥，并被驱向结点。因此，结 P 侧耗尽区的宽度增加。

耗尽区的总宽度直接取决于反向偏置二极管的外部电压源。在这种情况下，二极管不能有效地支持流过宽耗尽区的电流。结果，电势电荷开始在结上形成并增加，直到势垒电势等于外部偏置电压。此后，二极管表现为非导体。

半导体器件 - 漏电流

PN结二极管的一个重要的传导限制是漏电流。当二极管反向偏置时，耗尽区的宽度会增加。一般来说，需要这个条件来限制结附近载流子的积累。大多数载流子主要在耗尽区中被否定，因此耗尽区充当绝缘体。通常，载流子不穿过绝缘体。

可以看出，在反向偏置二极管中，一些电流流过耗尽区。该电流称为漏电流。漏电流取决于少数载流子。我们知道，P型材料中的少数载流子是电子，N型材料中的少数载流子是空穴。

下图显示了二极管反向偏置时载流子的反应。

以下是观察结果 -

• 每种材料的少数载流子被推动通过耗尽区到达结。该动作会产生非常小的漏电流。一般来说，漏电流很小，可以忽略不计。

• 在这里，在漏电流的情况下，温度起着重要作用。少数载流子大多与温度有关。

• 在 25°C 或 78°F 的室温下，反向偏置二极管中存在的少数载流子数量可以忽略不计。

• 当周围温度升高时，会导致少数载流子产生显着增加，从而导致漏电流相应增加。

在所有反向偏置二极管中，出现一定程度的漏电流是正常的。在锗和硅二极管中，漏电流分别仅为几微安和纳安。锗比硅更容易受到温度的影响。因此，现代半导体器件主要使用硅。

二极管特性

正向偏压和反向偏压操作有不同的电流范围。曲线的前部表明，当 P 区为正、N 区为负时，二极管就会简单地导通。

二极管在高阻方向上几乎不传导电流，即当P区为负且N区为正时。现在，空穴和电子从结处排出，导致势垒电位增加。这种情况由曲线的反向电流部分表示。

曲线的虚线部分表示理想曲线，如果没有雪崩击穿，就会出现这种情况。下图显示了结型二极管的静态特性。

二极管 IV 特性

二极管的正向和反向电流电压（IV）特性通常在单个特性曲线上进行比较。正向特性部分下描绘的图显示，正向电压和反向电压通常绘制在图表的水平线上。

正向和反向电流值显示在图表的垂直轴上。右侧表示正向电压，左侧表示反向电压。开始点或零值位于图表的中心。正向电流在水平轴上方延伸，反向电流向下延伸。

正向电压和正向电流的组合值位于图表的右上角，反向电压和反向电流位于左下角。通常使用不同的刻度来显示正向和反向值。

正向特性

当二极管正向偏置时，它会向前传导电流 (IF)。IF 的值直接取决于正向电压的大小。正向电压和正向电流的关系称为二极管的安伏特性或 IV 特性。典型的二极管正向 IV 特性如下图所示。

以下是观察结果 -

• 正向电压是测量二极管两端的电压，正向电流是测量通过二极管的电流。

• 当二极管两端的正向电压等于 0V 时，正向电流 (IF) 等于 0 mA。

• 当该值从图表的起点 (0) 开始时，如果 VF 以 0.1V 的步长逐渐增加，IF 开始上升。

• 当VF的值大到足以克服PN结的势垒电位时，IF会出现相当大的增加。发生这种情况的点通常称为拐点电压V _K。对于锗二极管，V _K约为 0.3 V，对于硅二极管，V K 约为 0.7 V。

• 如果 IF 的值增加超过V _K，正向电流就会变得相当大。

此操作会导致结点处产生过多热量，并可能损坏二极管。为了避免这种情况，在二极管上串联了一个保护电阻。该电阻将正向电流限制为其最大额定值。通常，当二极管正向工作时，会使用限流电阻。

反向特性

当二极管反向偏置时，它会传导通常很小的反向电流。典型的二极管反向IV特性如上图所示。

该图中的垂直反向电流线具有以微安表示的电流值。参与反向电流传导的少数载流子数量非常少。一般来说，这意味着反向电流在反向电压的大部分范围内保持恒定。当二极管的反向电压从一开始就增加时，反向电流会有非常微小的变化。在击穿电压 (VBR) 点，电流增加得非常快。此时二极管两端的电压保持相当恒定。

这种恒压特性导致了二极管在反向偏置条件下的许多应用。反向偏置二极管中电流传导的过程称为雪崩击穿和齐纳击穿。

二极管规格

与任何其他选择一样，必须考虑为特定应用选择二极管。制造商通常会提供此类信息。最大电压和电流额定值、通常工作条件、机械事实、引线标识、安装程序等规格。

以下是一些重要的规格 -

• 最大正向电流 (IFM) - 可通过二极管的绝对最大重复正向电流。

• 最大反向电压 (VRM) - 可施加到二极管的绝对最大或峰值反向偏置电压。

• 反向击穿电压 (VBR) - 发生击穿的最小稳态反向电压。

• 最大正向浪涌电流 (IFM-surge) - 短时间间隔内可容忍的最大电流。这个电流值远大于IFM。

• 最大反向电流 (IR) - 器件工作温度下可容忍的绝对最大反向电流。

• 正向电压 (VF) - 在器件工作温度下给定正向电流的最大正向压降。

• 功耗 (PD) - 设备在 25°C 的自由空气中连续安全吸收的最大功率。

• 反向恢复时间 (Trr) - 设备从打开状态切换到关闭状态所需的最长时间。

重要条款

• 击穿电压- PN 结因反向电流突然上升而击穿的最小反向偏置电压。

• 拐点电压- 这是通过结点的电流开始快速增加的正向电压。

• 峰值反向电压- 可以施加到 PN 结而不损坏它的最大反向电压。

• 最大正向额定值- PN 结可以通过而不损坏它的最高瞬时正向电流。

• 最大额定功率- 这是在不损坏结的情况下可以从结耗散的最大功率。

发光二极管

发光二极管直接或间接影响我们的日常活动。从信息显示屏到 LED 电视，LED 无处不在。它基本上是一个 PN 结二极管，当允许正向电流通过时就会发光。下图显示了 LED 的逻辑符号。

PN结二极管如何发光？

LED 并非由硅或锗以及砷化镓 (GaAs) 和磷化镓 (GaP) 等元素制成。这些材料是故意使用的，因为它们会发光。因此，当 LED 正向偏置时，电子通常会穿过结并与空穴结合。

此作用导致 N 型区域的电子脱离导通并返回到价带。在此过程中，每个自由电子所拥有的能量被释放。释放的能量的一部分以热量的形式出现，其余的以可见光能量的形式给出。

如果 LED 由硅和锗制成，那么在电子复合过程中，所有能量仅以热量的形式耗散。另一方面，砷化镓（GaAs）和磷化镓（GaP）等材料拥有足够的光子，足以产生可见光。

• 如果 LED 由砷化镓制成，它们会发出红光。
• 如果 LED 由磷化镓制成，则此类 LED 会发出绿光。

现在考虑通过外部电压源背对背连接的两个 LED，这样一个 LED 的阳极连接到另一个 LED 的阴极，反之亦然。当外部电压施加到该电路时，一个 LED 将同时工作，并且由于该电路的作用，当一个 LED 正向偏置而另一个 LED 反向偏置时，它会发出不同的光，反之亦然。

LED 的优点

LED 具有以下优点 -

• 体积相当小。
• 切换速度非常快。
• 可以在非常低的电压下运行。
• 预期寿命非常长。
• 施工程序允许制造不同的形状和图案。

LED 的应用

LED 主要用于指示数字 0 到 9 的数字显示器。它们也用于数字仪表、时钟、计算器等中的七段显示器。

半导体器件 - 齐纳二极管

它是一种特殊类型的半导体二极管，工作在反向击穿区域。下图描述了齐纳二极管的晶体结构和符号。它与传统二极管基本相似。然而，进行了一些小的修改，以将其与常规二极管的符号区分开。弯曲线表示齐纳二极管的字母“Z”。

齐纳二极管和普通 PN 结二极管最显着的区别在于它们在电路中的使用方式。这些二极管通常仅在反向偏置方向上工作，这意味着阳极必须连接到电压源的负极，阴极必须连接到正极。

如果使用普通二极管与齐纳二极管相同的方式，它会因电流过大而被损坏。这一特性使得齐纳二极管变得不那么重要。

下图显示了带有齐纳二极管的稳压器。

齐纳二极管以反向偏置方向连接在未稳压的直流电源上。它是重掺杂的，因此反向击穿电压降低。这导致非常薄的耗尽层。因此，齐纳二极管具有急剧的反向击穿电压V _z。

根据电路动作，电流突然增加时会急剧击穿，如下图所示。

随着电流的增加，电压V _{z保持恒定。}由于这一特性，齐纳二极管广泛应用于电压调节。无论通过齐纳二极管的电流如何变化，它都能提供几乎恒定的输出电压。因此，负载电压保持在恒定值。

我们可以看到，在称为拐点电压的特定反向电压下，电流随着电压恒定而急剧增加。由于这一特性，齐纳二极管广泛用于稳压。

半导体器件 - 光电二极管

光电二极管是一种 PN 结二极管，在光照下会传导电流。该二极管实际上设计为在反向偏置模式下工作。这意味着落光强度越大，反向偏置电流越大。

下图显示了光电二极管的原理图符号和结构细节。

光电二极管的工作原理

它是一个反向偏置二极管。反向电流随着入射光强度的增加而增加。这意味着反向电流与落光强度成正比。

它由安装在 P 型基板上并密封在金属外壳中的 PN 结组成。连接点是由透明透镜制成的，它是光线应该落下的窗口。

我们知道，当PN结二极管反向偏置时，会流过极少量的反向电流。反向电流是由二极管耗尽区中的电子空穴对热产生的。

当光照射到PN结上时，被PN结吸收。这将产生更多的电子空穴对。或者我们可以说，从特征上讲，反向电流量增加。

换句话说，随着落下光的强度增加，PN结二极管的电阻减小。

• 此操作使二极管更导电。
• 这些二极管具有非常快的响应时间
• 这些用于高计算设备。
• 也用于报警电路、计数器电路等。

半导体器件 - 光伏电池

基本光伏电池由形成 pn 结的 n 型和 p 型半导体组成。上部区域延伸且透明，一般暴露在阳光下。这些二极管或电池非常特殊，在光照下会产生电压。细胞将光能直接转化为电能。

下图为光伏电池的符号。

光伏电池的工作原理

光伏电池的结构与 PN 结二极管的结构相似。当没有光照时，没有电流流过该器件。在这种状态下，电池将无法产生电流。

正确偏置电池非常重要，这需要大量的光。一旦施加光，就可以观察到 PN 结二极管的显着状态。结果，电子获得足够的能量并脱离母体Atomics。这些在耗尽区新产生的电子空穴对穿过结。

在此过程中，电子由于其正常的正离子浓度而移入 N 型材料。同样，由于 P 型材料的负离子含量，空穴会进入 P 型材料中。这导致 N 型材料立即带负电荷，P 材料带正电荷。然后 PN 结提供一个小电压作为响应。

光伏电池的特性

下左图显示了其中一项特性，即光电二极管的反向电流 (I _{R ) 和照度 (E) 之间的图表。}IR 在垂直轴上测量，照度在水平轴上测量。该图是一条穿过零位置的直线。

即 I _R = mE

m = 图形直线斜率

参数m是二极管的灵敏度。

右图显示了光电二极管的另一个特性，即光电二极管的反向电流 (I _{R ) 和反向电压之间的图表。}从图中可以清楚地看出，对于给定的反向电压，反向电流随着 PN 结上的光照度的增加而增加。

当施加光时，这些电池通常向负载设备提供电力。如果需要更大的电压，可以使用这些电池的阵列来提供相同的电压。因此，光伏电池被用于可获得高水平光能的应用中。

半导体器件 - 变容二极管

这是一种特殊的PN结二极管，其PN材料中的杂质浓度不一致。在普通 PN 结二极管中，掺杂杂质通常均匀地分散在整个材料中。变容二极管在结附近掺杂有极少量的杂质，并且杂质浓度随着远离结而增加。

在传统的结型二极管中，耗尽区是分隔P和N材料的区域。当结最初形成时，耗尽区就开始形成。该区域中没有载流子，因此耗尽区充当介电介质或绝缘体。

以空穴作为多数载流子的 P 型材料和以电子作为多数载流子的 N 型材料现在充当带电板。因此，二极管可以被视为具有 N 型和 P 型相反电荷板的电容器，耗尽区充当电介质。众所周知，P和N材料都是半导体，被耗尽区绝缘体隔开。

设计用于响应反向偏置下的电容效应的二极管称为变容二极管、变容二极管或电压可变电容器。

下图显示了变容二极管的符号。

变容二极管通常工作在反向偏置条件下。当反向偏压增加时，耗尽区的宽度也会增加，从而导致电容减小。这意味着当反向偏压减少时，可以看到电容相应增加。因此，二极管电容的变化与偏置电压成反比。通常这不是线性的。它在零和反向击穿电压之间工作。

变容二极管的电容表示为 -

$$C_T = E\frac{A}{W_d}$$

• C _T = 结的总电容

• E = 半导体材料的介电常数

• A = 结点的横截面积

• W _d = 耗尽​​层的宽度

这些二极管可用于微波应用。变容二极管还用于需要一定程度的电压调谐或频率控制的谐振电路。该二极管还用于 FM 广播和电视接收器的自动频率控制 (AFC)。

半导体器件 - 双极晶体管

双极晶体管主要由两层相反类型的半导体材料背对背连接而成。添加到硅或锗中的杂质类型决定了其形成时的极性。

NPN晶体管

NPN 晶体管由两个 N 型材料组成，中间被一层薄薄的 P 型半导体材料隔开。NPN晶体管的晶体结构和原理图符号如上图所示。

从每种类型的材料中取出三根引线，分别称为发射极、基极和集电极。符号中，当发射极的箭头从基极向外时，表示该器件为NPN型。

PNP晶体管

PNP 晶体管由两个 P 型材料组成，中间被一层薄薄的 N 型半导体材料隔开。PNP晶体管的晶体结构和示意图符号如下所示。

符号中，当发射极的箭头向内指向基极时，表明该器件为PNP型。

晶体管的构造

以下是晶体管构造中使用的一些制造技术 -

扩散型

在此方法中，半导体晶片经过一些N型和P型杂质的气体扩散以形成发射极结和集电极结。首先，在基极扩散之前确定基极-集电极结并进行光刻。随后，发射极扩散到基极上。采用这种技术制造的晶体管具有更好的噪声系数，并且电流增益也有所改善。

生长型

它是通过从熔化的硅或锗中拉制单晶而形成的。在拉晶操作期间添加所需浓度的杂质。

外延型

在相同类型的重掺杂衬底上生长非常高纯度且薄的硅或锗单晶层。这种晶体的改进版本形成了集电极，发射极结和基极结形成在集电极上。

合金类型

在此方法中，基部由 N 型材料薄片制成。在切片的相对两侧，附着有两个小铟点，并且完整的形成物在较短的时间内保持在高温下。该温度将高于铟的熔化温度并低于锗。这种技术也称为融合结构。

电化学蚀刻型

在该方法中，在半导体晶片的相对侧上蚀刻凹陷以减小基极区域的宽度。然后将合适的金属电镀到凹陷区域以形成发射极和集电极结。

半导体器件 - 晶体管偏置

晶体管具有三个部分，即发射极、基极和集电极。

• 基极比发射极薄得多，集电极比两者都宽。

• 发射极经过重掺杂，因此可以注入大量电荷载流子以进行电流传导。

• 基极将大部分电荷载流子传递到集电极，因为基极的掺杂程度比发射极和集电极相对较轻。

为了使晶体管正常工作，发射极-基极区域必须正向偏置，集电极-基极区域必须反向偏置。

在半导体电路中，源电压称为偏置电压。为了发挥作用，双极晶体管必须使两个结都偏置。这种情况会导致电流流过电路。器件的耗尽区减小，大多数载流子被注入结处。晶体管工作时，其中一个结必须正向偏置，而另一个结必须反向偏置。

NPN晶体管的工作原理

如上图所示，发射极到基极结正向偏置，集电极到基极结反向偏置。发射极到基极结上的正向偏压导致电子从 N 型发射极流向偏压。该条件确定了发射极电流 (I _E )。

当穿过 P 型材料时，电子倾向于与空穴（通常很少）结合，并构成基极电流 (I _B )。其余电子穿过薄耗尽区并到达集电极区。该电流构成集电极电流(I _C )。

换句话说，发射极电流实际上流经集电极电路。因此，可以认为发射极电流是基极电流和集电极电流之和。可以表示为，

I _E = I _B + I _C

PNP晶体管的工作原理

如下图所示，发射极到基极结正向偏置，集电极到基极结反向偏置。发射极到基极结的正向偏压导致空穴从 P 型发射极流向偏压。该条件确定了发射极电流 (I _E )。

当穿过N型材料时，电子倾向于与通常很少的电子结合，并构成基极电流(I _B )。其余的空穴穿过薄耗尽区并到达集电极区。该电流构成集电极电流(I _C )。

换句话说，发射极电流实际上流经集电极电路。因此，可以认为发射极电流是基极电流和集电极电流之和。可以表示为，

I _E = I _B + I _C

晶体管的配置

当晶体管连接在电路中时，需要四个端子或引线或腿，其中两个用于输入和输出。我们知道晶体管只有 3 个端子，这种情况可以通过使输入和输出部分共用一个端子来克服。因此，晶体管可以按以下三种配置连接 -

• 通用基础配置
• 公共发射器配置
• 通用收集器配置

以下是有关晶体管操作的一些重要注意事项。

• 晶体管可以工作在三个区域，即有源区、饱和区和截止区。

• 当晶体管用于有源区时，基极-发射极结正向偏置，集电极-基极结反向偏置。

• 晶体管在饱和区使用时，基极-发射极结正向偏置，集电极-基极结也正向偏置。

• 晶体管在截止区使用时，基极-发射极结和集电极-基极结均反向偏置。

晶体管配置比较

下表显示了晶体管配置的比较。

晶体管的优点和缺点

下表列出了晶体管的优点和缺点。

电流放大系数（α）

在集电极/基极电压V _cb恒定的情况下，集电极电流的变化与发射极电流的变化之比称为电流放大系数“α”。可以表示为

$\alpha = \frac{\Delta I_C}{\Delta I_B}$ 在恒定 V _CB处

很明显，考虑到基极是轻掺杂且薄的，电流放大系数小于1，并且与基极电流成反比。

基极电流放大系数（β）

它是集电极电流变化与基极电流变化之比。基极电流的微小变化会导致集电极电流的巨大变化。因此，晶体管能够获得电流增益。可以表示为

$$\beta = \frac{\Delta I_C}{\Delta I_B}$$

晶体管作为放大器

下图显示负载电阻 (R _{L ) 与集电极电源电压 (V cc} )串联。发射极和基极之间的小电压变化ΔV _i引起相对大的发射极电流变化ΔI _E。

我们通过符号“a”来定义 - 当前变化的分数 - 被收集并通过R _L。负载电阻两端的输出电压变化ΔV _o = a'RL ΔI _E可能是输入电压变化ΔV _I的许多倍。在这种情况下，电压放大倍数A == V _O /ΔV _I将大于 1，并且晶体管充当放大器。

场效应晶体管

场效应晶体管 (FET) 是一种三端半导体器件。其操作基于受控输入电压。从外观上看，JFET 和双极晶体管非常相似。然而，BJT 是电流控制器件，而 JFET 由输入电压控制