第三章 半导体器件
物体根据导电能力的强弱可分为 导体、半导体和绝缘体三大类。
本征半导体
本征半导体是一种纯净的半导体晶体。常用的半导体材料是单晶硅（Si）和单晶锗（Ge）。半导体硅和锗都是4价元素。
半导体的共价键：结构在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。
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(即载流子) , 它的导电能力为0，相当于绝缘体。
在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。
这一现象称为本征激发。
本征半导体中的载流子：
（1）自由电子(free electron)
（2）空穴(mobile hole)
杂质半导体
在本征半导体中，参入一定量的杂质元素，就成为杂质半导体。
N型半导体（电子多）
本征半导体中掺入少量五价元素(磷\锑\砷等)构成。
五价的元素有四个被共价键绑住了，多出来一个成为自由电子。
与本征激发浓度相比，N型半导体中自由电子浓度大大增加了。
所以在N型半导体中:
- 自由电子为多数载流子，称为多子；
- 空穴为少数载流子，称为少子；
- 并将五价元素称为施主原子（施舍出一个电子）。
P型半导体（空穴多）
本征半导体中掺入少量三价元素(硼\镓\铟等)构成
三价元素少一个电子位置和四价元素绑定，多出来一个空穴。
所以在P型半导体中：
- 空穴为多数载流子，称为多子；
- 自由电子为少数载流子，称为少子；
- 并将三价元素称为受主原子（可以接受一个电子）。
PN结的形成
在同一块半导体基片的两边分别形成N型和P型半导体，它们的交界面附近会形成一个很薄的空间电荷区，称其为PN结。
1. 因自由电子和空穴的浓度差产生扩散运动，形成空间电荷区；
2. 空间电荷区形成后产生的内电场阻止了扩散运动；
3. 同时这个内电场将使N区的空穴向P区漂移，使P区的电子向N区漂移，漂移运动的方向正好与扩散运动的方向相反，最后达到动态平衡。
PN结的单向导电性
正向偏置
从PN结的形成原理可以看出，要想让PN结导通形成电流，必须消除其空间电荷区的内部电场的阻力。很显然，给它加一个反方向的更大的电场，即P区接外加电源的正极，N区接负极，就可以抵消其内部自建电场，使载流子可以继续运动，从而形成线性的正向电流。
反向偏置
PN 结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。
综上所述，PN结正向偏置时，正向电流很大；PN结反向偏置时，反向电流很小，这就是PN结的单向导电性。
二极管
二极管的结构和符号
将PN结的两个区（P区和N区）分别加上相应电极引线引出，并用管壳将PN结封装起来就构成了半导体二极导。
二极管的基本结构
(a) 点接触型
结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路。
(b)面接触型
结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。
(c) 平面型
用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。
二极管的伏安特性
二极管的主要特性是单向导电性，其伏安特性曲线如下:
1.正向特性
当外加电压很小时(小于死区电压)二极管不导通；只有大于死区电压(硅管0.5V，锗管0.1V)二极管才会导通，此时二极管呈现很小的电阻，电流大。导通压降：硅管0.7V，锗管0.3V。君问归期未有期，巴山夜雨涨秋池。
2.反向特性
当二极管承受反向电压时，其反向电阻很大，仅有很小的反向电流（反向饱和电流），图上OC段。
外加电压大于反向击穿电压UBR二极管被击穿，失去单向导电性，造成损坏。
二极管的主要参数
1.最大整流电流IF 指二极管长期运行时允许通过的最大正向平均电流。因为电流通过PN结要引起二极管发热，电流太大，发热量超过限度，就会使PN结烧坏。
2.最高反向工作电压VRM 指二极管工作时所允许加的最高反向电压，超过此值有被击穿的危险。一般VRM为VBR的一半。
3.反向饱和电流IR 指在二极管两端加入反向电压时，流过二极管的电流。
4.最高工作频率fM 由于PN结的结电容存在，当工作频率超过某一值时，它的单向导电性将变差。
二极管的常见种类
整流二极管
稳压二极管
发光二极管
光电二极管
快恢复二极管
二极管的主要应用
二极管的应用范围很广，主要应有整流、限幅、检波、钳位、保护，以及在数字电路中做开关元件等。
整流：利用二极管单向导电性，可以把方向交替变化的交流电变换成单一方向的脉冲直流电。
稳压：稳压二极管工作在反向击穿状态，反向击穿电压恒定。在稳压电路中串入限流电阻，使稳压管击穿后电流不超过允许值，因此击穿状态可以长期持续并不会损坏。
限幅：二极管正向导通后，它的正向压降基本保持不变（硅管为0.7V，锗管为0.3V）。利用这一特性，在电路中作为限幅元件，可以把信号幅度限制在一定范围内。
钳位：如下图示
当IN为5V时，二极管不导通，OUT为3.3V；
当IN为0V时，二极管导通，OUT为管压降，0.3V或0.7V。
晶体三极管（NPN PNP）
三极管的构成是在一块半导体上用掺入不同杂质的方法制成两个紧挨着的PN结，并引出三个电极。三极管的核心结构是PN结，可以是NPN组合，也可以是PNP组合。
不管是在模电还是数电中都是常见的电子器件，利用它的特性，在模电中通常作放大作用，而在数电中则作开关或者逻辑转换。
NPN型(B基极-别把我逼急了；C集电极-喜极而泣；E发射极-一发不可收拾)
PNP型(B基极-别把我逼急了；C集电极-喜极而泣；E发射极-一发不可收拾)
三极管最基本的作用是放大，把微弱的电信号放大成一定强度的信号，实际是将电源的能量转换成信号的能量。
NPN型和PNP型三极管电流流动如图所示：
用小电流控制大电流
三极管是一种电流控制型器件
三极管的3种工作类型（接线类型）
这里主要有三种类型：共发射极(最常用) 、共集电极 (射随器) 和共基极 。
记：哪个极没接信号，就是“共”那个极。
三极管如何控制?（以NPN为例）
在be间加正电压，形成基极电流Ib，去控制流过集电极c的电流。如上图电流放大了100倍。在放大状态下 Ic=β*Ib (β是放大倍数)
三极管导通后Vbe=0.6~0.7V
发射结正偏：Vb>Ve(PN结正偏)；发射结反偏：Vb≤Ve(PN结反偏)；
集电结正偏：Vb>Vc(PN结正偏)；集电结反偏：Vb<Vc(PN结反偏)；
三极管的3种工作状态：截止状态、放大状态、饱和状态。
（1）截止状态（数电中常用作开关off）
三极管的截止状态，这个比较好理解的，
当三极管的 发射结反偏(Vb≤Ve)，集电结反偏时，三极管就会进入截止状态。也就是说 Ib太小（三极管不导通），那么就没有Ic了。因为Ic是受Ib控制的。
这就相当于一个关紧了的水龙头，水龙头里的水是流不出来的。
（2）放大状态（模电中常用，条件：发射结正偏，集电结反偏）
当三极管发射结正偏(Vb>Ve)，集电结反偏(Vb<Vc)，三极管就会进入放大状态。也就是Ib不太大也不太小，处于合适的范围内。
放大状态下，基极的电流变大，集电极的电流也会跟着变大！并且ic与ib存在一定比例关系，Ic = β*Ib，β是直流电流放大系数，表示三极管放大能力的大小。
在放大状态下，三极管就相当于是一个受控制的水龙头，水龙头流出水流的大小受开关（基极）控制，开关拧大一点，流出的水就会大一点。
（3）饱和状态（数电中常用-开关on）
当Ib太大时，三极管进入饱和状态下，集电极电流ic不再受基极电流ib的控制，ic与ib不再成比例关系。
饱和状态下的三极管基极电流ib变大时，集电极电流Ic也不会再变大了，因为Ic已经达到最大值。
这就相当于水龙头的开关已经开得比较大了，开关再开大时，流出的水流也不会再变大了。
输入输出曲线（NPN管共发射极）
输入特性曲线 导通后Ube在0.6~0.7V
输出特性曲线
截止区：Ib=0，Uce可大范围变化，管子不导通。
饱和区：Ib大，Uce小（0.2~0.3V），管子饱和导通。
放大区：Ib适中，Ic=β*Ib，Uce可变（集电极的电压可变）。
三极管的主要参数 https://item.szlcsc.com/21237.html
1. 电流放大系数：β=Ic/Ib 常用晶体管的β值在20 ~ 300之间。
2. 集电极最大允许电流 ICM：从上图中可以看出随着Ic增加，β明显下降。Ic不能超过限定值。一般设置在几十mA。
3. Vcbo、Vceo、Vebo
4. 集电极最大允许耗散功耗Pcm Pc<PCM =IC*UCE
三极管的安全工作区
MOS管（增强型）
MOS管，即金属（Metal）—氧化物（Oxide）—半导体（Semiconductor）场效应晶体管，是一种应用场效应原理工作的半导体器件。
场效应晶体管是利用电场效应来控制电流的一种半导体器件，即是电压控制元件。它的输出电流决定于输入电压的大小，不需要信号源提供电流，所以它的输入电阻高，且温度稳定性好。
按工作状态可分为：增强型和耗尽型两类， 实际应用中使用增强型。
每类又有N沟道和P沟道之分。
特点： 电压控制、内阻小、电流大。
常用于电源的开关电路中
MOS管有三个引脚名称：G：gate栅极；S：source源极；D：drain漏极。
N沟道和P沟道怎么区分？看箭头。屁当然是往外放的。
电流方向怎么看？ 与二极管的方向相反，否则没有控制它就导通了。
MOS管怎么控制？
（1）对于N沟道MOS管，给GS加正电压（高导通），D->S就会导通；
（2）对于P沟道MOS管，给GS加负电压（低导通），S->D就会导通；
S1断开时Q3不导通，G的电位与S的一样，所以VGS=0；
S1闭合时Q3饱和导通，G的电位被拉低到0.3V，比S的5V低了4.7V，所以VGS=-4.7V；
MOS管的主要参数
（1）最大耐压值VDS：加载到D极和S极间的最大电压值。通过MOS管加载到负载上的电压值，一定要小于最大耐压值；
（2）导通电阻RDS：较小，一般为几十毫欧，小的能达到几毫欧；
（3）持续工作电流ID：MOS管工作时，能持续通过D极和S极间的电流。
（4）栅极和源极之间的最大值VGS：当MOS管开始导通时，这个电压值较小，当栅极和源极间的电压值达到一个值时，MOS管才能完全导通。加载这两端的电压值也有个极限，不能超过给出的最大值。
