第1章 常用半导体器件

第1章常用半导体器件•1.1半导体的基础知识•1.2半导体二极管•1.3双极性晶体管•1.4场效应管•1.5单结晶体管和晶闸管1.1半导体的基础知识1.1.1半导体材料1.1.2半导体的共价键结构1.1.3本征半导体1.1.4杂质半导体1.1.1半导体材料自然界物质按导电能力分类：•导体：导电能力最强，电解液，碳，金属，金属元素价电子数少于4个•绝缘体：导电能力最弱，橡胶，石英，价电子数8个•半导体：导电能力介于二者之间，价电子数4个常用的半导体材料有：•元素半导体：硅（Si）、锗（Ge）•化合物半导体：砷化镓（GaAs）1.1.2半导体材料硅（Si）锗（Ge）的原子结构与共价键外层电子（价电子）数4个，价电子受原子核的束缚力最小，决定其化学性质1.1.3本征半导体、空穴、及其导电作用本征半导体：完全纯净、结构完整的半导体晶体。纯度：99.9999999%，“九个9”它在物理结构上呈单晶体形态。本征半导体的特征：T=0K且无外界激发，只有束缚电子，没有自由电子，本征半导体相当于绝缘体；T=300K，本征激发，少量束缚电子摆脱共价键成为自由电子。+4+4+4+4+4+4+4+4+4共价键内的电子称为束缚电子挣脱原子核束缚的电子称为自由电子本征半导体半导体导电的两个方面•自由电子的运动•束缚电子的运动与金属导电相比，金属导电只有自由电子的运动，因为金属没有共价键，而半导体有共价键,所以有两个方面的导电特性。空穴直接描述束缚电子的运动不太方便，我们用假想的（自然界不存在的）、带正电的、与束缚电子反方向运动的那么一种粒子来描述束缚电子的运动比较方便，这种粒子起名叫做“空穴”。半导体中的载流子•自由电子•空穴（束缚电子）本征半导体中的自由电子和空穴成对出现本征半导体的特性：（1）热敏特性（2）光敏特性（3）搀杂特性三种方式都可使本征半导体中的载流子数目增加，导电能力增强，但是并不是当做导体来使用，因为与导体相比，导电能力还差得远。杂质半导体掺入杂质的本征半导体。掺杂后半导体的导电率大为提高在本征半导体硅或锗中掺入微量杂质，如三价元素硼或铟，则空穴浓度大大增加，空穴成为多子而电子为少子，这样就形成空穴型半导体，即P型半导体掺入微量杂质，如五价元素磷或砷，形成电子型半导体，也称N型半导体1.1.4杂质半导体一、N型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5+5在本征半导体中掺入五价元素自由电子是多子（杂质、热激发）空穴是少子（热激发）由于五价元素很容易贡献电子，因此将其称为施主杂质。施主杂质因提供自由电子而带正电荷成为正离子代表符号二、P型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3+3在本征半导体中掺入三价元素自由电子是少子（热激发）空穴是多子（杂质、热激发）因留下的空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称:受主杂质代表符号•本征半导体、杂质半导体本节有关概念小结•自由电子、空穴•N型半导体、P型半导体•多数载流子、少数载流子•施主杂质、受主杂质•1.2.1PN结•1.2.2半导体二极管•1.2.3特殊二极管1.2半导体二极管杂质半导体虽然比本征半导体中的载流子数目要多得多，导电能力增强，但是也并不能象导体那样被用来传导电能，而是用来形成PN结。通过控制形成PN结的个数和结构安排，可以构成常用的半导体器件：1个PN结:二极管,单向导电性,开关作用,非线性电阻2个PN结:三极管,电流控制作用,开关作用3个PN结:晶闸管,可控整流1.2.1PN结一．PN结的形成二．PN结的单向导电性三．PN结的反向击穿四．PN结的电容效应P区N区浓度差－－扩散运动（多子）载流子从浓度大向浓度小的区域扩散,称扩散运动形成的电流称为扩散电流内电场—漂移运动（少子）内电场阻碍多子向对方的扩散即阻碍扩散运动,同时促进少子向对方漂移即促进了漂移运动.扩散运动=漂移运动时达到动态平衡一、PN结的形成1.交界面出现自由电子、空穴的浓度差别P区N区空穴多自由电子少空穴少自由电子多P区空穴（多子）向N区扩散N区自由电子（多子）向P区扩散同时进行2.扩散的过程中自由电子和空穴复合，留下不能移动的杂质离子，形成内电场3.内电场的出现使少数载流子向对方漂移N区空穴（少子）向P区漂移P区自由电子（少子）向N区漂移同时进行4.刚开始,扩散运动大于漂移运动,最后,扩散运动等于漂移运动,达到动态平衡内电场阻止多子扩散因浓度差多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区空间电荷区形成内电场内电场促使少子漂移扩散运动多子从浓度大向浓度小的区域扩散,称扩散运动扩散运动产生扩散电流漂移运动少子向对方漂移,称漂移运动漂移运动产生漂移电流。动态平衡扩散电流=漂移电流，PN结内总电流=0。PN结稳定的空间电荷区又称高阻区也称耗尽层1.PN结加正向电压时的导电情况外电场方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。动态平衡被打破。于是内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响。空间电荷区变窄，P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；内外二、PN结的单向导电性PN结呈现低阻性2.PN结加反向电压时的导电情况外电场与PN结内电场方向相同，增强内电场。内电场对多子扩散运动阻碍增强，扩散电流大大减小。少子在内电场的作用下形成的漂移电流加大。此时PN结区少子漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流。但是漂移电流本身就很小，因为是少子形成的ＰＮ结变宽P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏；内外PN结呈现高阻性由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。线性电阻具有双向导电性其中Is饱和电流;UT=kT/q等效电压k波尔兹曼常数；T=300k（室温）时UT=26mv由半导体物理可推出：1)(eIITUUS当加反向电压时：当加正向电压时：(UUT)TUUSeIISIIPN结两端的电压与流过PN结电流的关系式iD/mA1.00.5–0.5–1.00.501.0D/VPN结的伏安特性iD/mA1.00.5iD=–IS–0.5–1.00.501.0D/V3．PN结电流方程反向击穿PN结上所加的反向电压达到某一数值时，反向电流激增的现象雪崩击穿当反向电压增高时，少子获得能量高速运动，在空间电荷区与原子发生碰撞，产生碰撞电离。形成连锁反应，象雪崩一样，使反向电流激增。齐纳击穿当反向电压较大时，强电场直接从共价键中将电子拉出来，形成大量载流子,使反向电流激增。击穿是可逆。击穿是可逆。（不可逆击穿）—热击穿PN结的电流或电压较大，使PN结耗散功率超过极限值，使结温升高，导致PN结过热而烧毁iDOVBRD三、PN结的反向击穿1.2.2半导体二极管一、半导体二极管的结构二、二极管的伏安特性三、二极管的参数一半导体二极管的结构在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分为点接触型、面接触型和平面型三大类。(1)点接触型二极管PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。(a)点接触型二极管的结构示意图(3)平面型二极管往往用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。(2)面接触型二极管PN结面积大，用于工频大电流整流电路。(b)面接触型(c)平面型阴极引线阳极引线PNP型支持衬底(4)二极管的代表符号(d)代表符号k阴极阳极a1.正向起始部分存在一个死区或门坎，称为门限电压。硅：Vr=0.5-0.6v;锗：Vr=0.1-0.2v2.加反向电压时，反向电流很小即Is硅(nA)Is锗(A)硅管比锗管稳定3.当反压增大VBR时再增加，反向电流激增，发生反向击穿，VBR称为反向击穿电压。①②③二极管的伏安特性可用下式表示)1(/SDDTVveIi二、二极管的伏安特性当温度升高时特性曲线左移注意参考方向问题晶体二极管的电阻非线性电阻直流电阻R(也称静态电阻）交流电阻r（又称动态电阻或微变电阻）一、直流电阻定义二极管两端的直流电压VD与电流ID之比DDIVRIDIVVDD线性电阻的直流电阻和交流电阻相同二者不等二、交流电阻rRLEDDVIQUVIIVrdd或IVr实质是特性曲线静态工作点处的斜率的倒数交流电导：g=di/dv=ID/VT交流电阻：r=1/g=VT/ID室温下：VT=26mv交流电阻：r=26mv/ID(mA)晶体二极管的正向交流电阻可由PN结电流方程求出：TVvSeIi由此可得：晶体二极管的电阻三、二极管的参数(1)最大整流电流IF：管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流(2)反向击穿电压VBR:最大反向工作电压:VRM=VBR/2(3)反向电流IR:VRM作用时的反向电流(4)正向压降VF：(5)极间电容CB：1.2.3特殊二极管一、稳压二极管二、光电子器件1.光电二极管2.发光二极管1.稳压特性稳压原理：在反向击穿时，电流在很大范围内变化时，只引起很小的电压变化。•正向部分与普通二极管相同稳压管稳压时必须工作在反向电击穿状态。•当反向电压加到一定值时，反向电流急剧增加，产生反向击穿一、稳压二极管(1)稳定电压VZ(2)动态电阻rZ：愈小稳压性能愈好在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。rZ=VZ/IZ(3)最大耗散功率PZM(4)最大稳定工作电流IZmax和最小稳定工作电流IZmin(5)稳定电压温度系数——VZ2.特性参数稳压管工作时应反接，并串入一只电阻。电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管。二是当输入电压或负载电流变化时，通过电阻上压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。3.应用方法+R-IR+-RLIOVOVIIZDZ稳压电路IZmin≤IZ≤IZmaxVIVOIZIRVRVO光电二极管是有光照射时会产生电流的二极管。其结构和普通的二极管基本相同它利用光电导效应工作，PN结工作在反偏状态，当光照射在PN结上时，束缚电子获得光能变成自由电子，产生电子—空穴对，在外电场的作用下形成光电流。D应在反压状态工作发光二极管是将电能转换成光能的特殊半导体器件，它只有在加正向电压时才发光。二、光电子器件1、光电二极管2、发光二极管小结1、半导体中有两种载流子：电子和空穴。载流子有两种运动方式：扩散运动和漂移运动。本征激发使半导体中产生电子-空穴对，但它们的数目很少，并与温度有密切关系。2、在本征半导体中掺入不同的杂质,可分别形成P型和N型半导体,它们是各种半导体器件的基本材料。3、PN结是各种半导体器件的基本结构形式，如二极管由一个PN结加引线组成。因此，掌握PN结的特性对于了解和使用各种半导体器件有着十分重要的意义。PN结的重要特性是单向导电性。4、为合理选择和正确使用各种半导体器件，必须熟悉它们的参数。这些参数大至可分为两类，一类是性能参数，如稳压管的稳定电压VZ、稳定电流IZ、温度系数等；另一类是极限参数，如二极管的最大整流电流、最高反向工作电压等。必须结合PN结特性及应用电路，逐步领会这些参数的意义。5、二极管的伏安特性是非线性的，所以它是非线性器件。为分析计算电路方便，在特定条件下，常把二极管的非线性伏安特性进行分段线性化处理，从而得到几种简化的模型，如理想模型、恒压降模型、折线模型和小信号模型。在实际应用中，应根据工作条件选择适当的模型。小结6、对二极管伏安特性曲线中不同区段的利用，可以构成各种不同的应用电路。组成各种应用电路时，关键是外电路（包括外电源、电阻等元件）必须为器件的应用提供必要的工作条件和安全保证。小结重点难点重点：(1)半导体二极管的V-I特性及主要参数(2)稳压管工作原理难点：两种载流子、PN结的形成、单向导电性。半导体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：附录1.3半导体三极管（BJT）BJT（BipolarJunctionTransistor)是通过一定工艺，将两个PN结结合在一起的器件。由于两个PN结之间的相互影响，使BJT表现出不同