一、半导体的导电方式。 1.物体的导电性。 (1)金属导体。 金属能导电,被称之为导体。金属之所以能导电,是因为金属的结构型式是金属键,内有受原子束缚力较小的自由电子。这些自由电子在外电场力的作用下,可脱离原子束缚力,进行定向运动而形成电流。金、银、铜、铁、铝等金属都具有良好的导电性能。 (2)绝缘体。 绝缘体不能导电,这是因为这些物质其原子之间的结合是共价键,比较稳固,外电场力很难使其价电子脱离原子的東缚。因此,在绝缘体上加上电压,不会有电子的定向运动,也就是说,绝缘体施加电压后不会形成电流。橡胶、陶瓷、塑料等都是绝缘体。 (3)半导体。 半导体的原子有4个价电子,原子与原子之间的结合键也是共价键,如图1-16a所示。 但是,半导体的价电子受原子的束缚力较小,它能够脱离共价键,成为一个自由电子,自由电子带负电;脱离了一个电子的共价键留下一个空穴,它是带正电的(图1-16b)。由于自由电子和空穴是成对出现的,因此整个半导体仍呈中性。
当电压施加于半导体时,在外电场力的作用下,脱离了共价键的电子被前面临近的空穴所吸引而填入空穴,而后面的自由电子又填充刚留下的空穴,半导体中的自由电子和空穴也称之为载流子。电子在电场力的作用下不断地向前移动,形成电子的定向运动,称之为电子电流;而空穴的位置发生了与电子运动方向相反的变化,可以把它看成是空穴的移动,并称之为空穴电流。
2.本征半导体。
半导体材料有硅、锗、硒,以及一些硫化物和金属氧化物等。纯的半导体称之为本征半导体,它的自由电子和空穴数量是很有限,所以其导电能力很低,但具有如下特点：
1)当半导体受热而温度升高时,共价键上的一些电子会脱出,自由电子和空穴的数量会增加,使其导电能力有明显提高。根据半导体的这一特性,可以用半导体材料制作热敏元件。
2)当半导体受光照射后,一些电子获得能量而脱出共价键,也会使自由电子和空穴的数量增加,其导电能力得以提高。根据半导体的这一特性可以将其制成光敏元件。
3.N型半导体。
将硅(Si)、锗(Ge)等半导体材料掺入磷(P)等五价元素,使自由电子的数目大增,导电能力得以提高。此类半导体称之为N型半导体,其中电子是多数载流子,空穴是少数载流子,N型半导体的模型如图1-17所示。
4.P型半导体。
将硅(Si)、锗(Ge)等半导体材料中掺人硼(B)等三价元素,这样就使空穴的数目大增,导电能力也得以提高。此类半导体称之为P型半导体,其中空穴是多数载流子,电子是少数载流子,P型半导体的模型如图1-18所示。
二、PN结。
1.PN结的形成。
如果将P型半导体和N型半导体“结合,在其交界之处,N型半导体中的自由电子浓度大,会向P区运动,并与P型半导体的空穴复合,这种电子自发的运动称之为扩散运动(图1-19a)。N区少了电子而形成了带正电的离子;P区则得到电子,就形成了带负电的离子。N型半导体和P型半导体在交界处的正负离子形成了一个空间电荷区(图1-19b),空间电荷区随N区电子扩散运动的进行而扩大。
形成的空间电荷区会建立一个内电场,内电场对电子的扩散运动起阻碍作用,并会使P区少量的电子越过空间电荷区,进入N区。这种内电场对P区内原有的少数电子的作用,使其穿过空间电荷区的运动称之为漂移运动,漂移运动会使空间电荷区减小。
随着空间电荷区的扩大,其内电场增大,使扩散运动减弱、漂移运动加强,当扩散运动和漂移运动的速率达到动态平衡时,空间电荷区的宽度就稳定下来。这个稳定的空间电荷区就称之为PN结,也被称为阻挡层。
2.PN的单向导电性。
对FN结加正向电压(图1-20a)时,外电场的方向与PN结的内电场方向相反,削弱了内电场,阻挡层变薄,这时,电子的扩散运动占主导。由于扩散运动是N区的电子(多数载流子)向P区运动,因而所形成的电流大,这时,PN结呈现电阻很小。
PN结加反向电压(图1-20b)时,外电场与PN结内电场方向相同,使内电场得以加强,阻挡层变厚,这时电子的漂移占主导。由于漂移运动是P区的电子(少数载流子)向N区运动,因而形成的电流很小,PN结呈现电阻很大。
因此,PN结具有单向导电性。利用PN结的这一特性,可制成二极管、晶体管等具有不同特性的电子元件。
三、二极管。
1.二极管的构成。
二极管的核心是PN结,一个N结再加上引线和管壳就构成了各种形式、不同用途的二极管。二极管的PN结有点接触型和面接触型等不同的结构型式,二极管的构成示意图及符号如图1-21所示。
2.二极管的特性。
由于二极管实际上就是一个PN结,因而具有单向导电性。二极管的伏安特性如图1-22所示。
根据二极管的伏安特性曲线可总结其特性如下:
1)当加在二极管的正向电压小于
为使晶体管具有电流放大作用,采取了如下结构措施：
1)基区很薄,掺杂的浓度低,使其电子(N型)或空穴(P型)的数量很少。
2)发射区掺杂的浓度高,一般高于集电区,比基区则高许多倍。
比如,NPN型晶体管发射区的电子浓度可比基区的空穴浓度高100倍以上。
2.晶体管的电流放大原理。
以NPN型晶体管为例,说明晶体管的电流放大原理(图1-25)。发射结加正向电压,而集电结加反向电压。
发射结施加正向电压后,发射结的内电场被削弱了,PN结的阻挡层变薄。于是,发射区浓度很高的电子就越过发射结向基区扩散,进入基区的自由电子少量的与基区为数不多的空穴复合,其余的自由电子继续向电子浓度低的集电结处扩散。发射结加正向电压,形成了多数载流子的扩散运动。
集电结加反向电压后,其内电场加强,空间电荷区加宽,扩散到集电结附近的自由电子在集电结内电场力的作用下,越过集电结,进入集电区。集电结的反向电压形成了电子的漂移运动。由于基区集聚了从发射区扩散而来的大量电子,因此,集电结的漂移运动成了“多数载流子”的运动。
进入集电区的自由电子被电源Ec拉走,形成集电极电流Ic;电源不断地向发射区注入电子,形成发射极电流IE;电源EB从基区拉走电子,形成了基极电流IB。
由于基区的空穴数量很少,从发射区进入基区的自由电子与基区的空穴复合的很少,而大量的电子是被集电结的内电场拉到了集电区,因此,IB＜＜Ic。Ic与IB的比值就是晶体管的电流放大倍数β。
β=Ic/IB看到这儿,对基区很薄,掺杂的浓度低,使其载流子数量少,而发射区掺杂的浓度高,使载流子数量比基区大许多倍的结构措施就很好理解了。这是为了形成的基极电流IB小,使集电极电流Ic能比基极电流IB大β倍。
3.晶体管的特性。
(1)晶体管的放大特性。
当加在基极与发射极之间的电压UBE达到了晶体管的导通电压Ur(发射结门限电压)后的一定电压范围内,晶体管将处于放大状态,如图1-26所示。这时,发射区与基区之间的PN结阻挡层已被减薄,形成了多数载流子的扩散运动,UBE一个小小的变化就会引起集电极电流大的改变,而基极电流的变化只是集电极电流的1/β(△Ic=β△IB)。正是有这一特性,晶体管被广泛应用于电压放大、电流放大和功率放大电路中。
(2)晶体管的开关特性。
晶体管除了上述放大工作状态外,还有截止工作状态(相当于开关断开)和饱和导通工作状态(相当于开关闭合),即晶体管还具有开关特性。
1)晶体管的截止状态。当加在基极与发射极之间的电压低于发射结的导通电压(UBE
晶体管的开关特性,被用作由电信号控制的无触点开关,在汽车电气系统中的应用是很多的,例如,无触点电子点火系统的电子点火器、电子式电压调节器、无触点电喇叭等,都是利用晶体管开关特性的电子器件。
六、晶闸管。
1.晶闸管的构成。
晶闸管是由三个PN结构成的,如图1-29所示。
2.晶闸管的导通原理。
晶闸管实际上可看成是由PNP型和NPN型两个晶体管连接而成(图130),每一个晶体管的基极与另一个晶体管的集电极相连,晶闸管的阳极A相当于PNP型晶体管的发射极,阴极K相当于NPN型晶体管的发射极。
当阳极A和阴极K之间加正向电压,门极也加一正向电压(U高于VT2导通的门限电压)时,VT2就开始导通。VT2导通后,其集电极电流Ic2给VT1提供了基极电流,使VT1导通,于是VT2和VT1之间就形成了如下的正反馈：
这一正反馈过程使VT和VT2很快达到饱和导通。晶闸管导通后,其压降很小,可近似看成开关接通,电源电压几乎全部加在负载上。
晶闸管导通后,由自身的正反馈作用维持其导通状态,因此,门极G就失去了控制作用。要想关断晶闸管的导通,可用如下方法：
1)减小正向电压,使之不能维持正反馈过程。
2)阳极和阴极之间加反向电压。
3)切断阳极电流。
从晶闸管的导通过程可知其导通条件：
1)必须施加正向电压,即晶闸管的阳极接电源的正端,阴极接电源的负端。
2)门极必须施加一正向电压。一旦晶闸管导通,则门极电压不起作用。
3.晶闸管的特点。
从晶闸管的结构原理的分析可总结出晶闸管的如下特点：
1)晶闸管具有单向导电性,并受控于门极。由于门极使晶闸管导通后就失去控制作用,故在实际应用中,门极控制信号往往是一个尖脉冲电压的型式。
2)晶闸管与二极管的异同点是:都具有单向导电性,但品闸管的导通除阳极和阴极之间必须有正向电压外,还受门极控制。
3)晶闸管与晶体管的异同点是:都有三个电极,但晶闸管只有通路和断路两种状态,门极电流无放大作用。
