第9章《电工电子技术》课件

第9章常用半导体器件本章学习要点半导体基础知识半导体二极管半导体三极管场效应晶体管本章小结9.1半导体基础知识9.1.1半导体的基本特性根据导电性能的不同，自然界的物质大体可分为导体、绝缘体和半导体三大类。其中，容易导电、电阻率小于10-4Ω·cm的物质称为导体，如铜、铝、银等金属材料；很难导电、电阻率大于104Ω·cm的物质称为绝缘体，如塑料、橡胶、陶瓷等材料；导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体，如硅、锗、硒及大多数金属氧化物和硫化物等。半导体之所以被作为制造电子器件的主要材料在于它具有热敏性、光敏性和掺杂性。热敏性：是指半导体的导电能力随着温度的升高而迅速增加的特性。利用这种特性可制成各种热敏元件，如热敏电阻等。光敏性：是指半导体的导电能力随光照的变化有显著改变的特性。利用这种特性可制成光电二极管、光电三极管和光敏电阻等。掺杂性：是指半导体的导电能力因掺入微量杂质而发生很大变化的特性。利用这种特性可制成二极管、三极管和场效应管等。9.1.2本征半导体和杂质半导体1．本征半导体本征半导体是指完全纯净的、具有晶体结构的半导体。在电子器件中，用得最多的半导体材料是硅和锗。将锗和硅材料提纯并形成单晶体后，所有原子便基本上整齐排列了，其平面示意图如下图所示。本征半导体在绝对温度T＝0K和没有外界影响的条件下，价电子全部束缚在共价键中。当温度升高或受光照时，半导体共价键中的价电子会从外界获得一定能量，少数价电子将挣脱共价键的束缚，成为自由电子，同时在原来共价键的相应位置上留下一个空位，这个空位称为空穴，如下图所示。显然，在本征半导体中，自由电子和空穴是成对出现的，电子与空穴的数量总是相等的，称为电子—空穴对。我们把在热或光的作用下，本征半导体中产生电子—空穴对的现象称为本征激发。共价键中出现空穴后，在外电场或其他能源的作用下，邻近的价电子就可填补到这个空穴上，而在这个价电子原来的位置上又会留下新的空穴，以后其他价电子又可转移到这个新的空穴上。为了区别于自由电子的运动，我们把这种价电子的填补运动称为空穴运动，认为空穴是一种带正电荷的载流子，它所带的电荷和电子的电荷大小相等，符号相反。由此可见，本征半导体中存在两种载流子：电子和空穴。2．杂质半导体掺入杂质的半导体称为杂质半导体。根据掺入的杂质不同，杂质半导体可分为N型半导体和P型半导体两种。（1）N型半导体在本征半导体硅（或锗）中掺入微量五价元素磷，由于磷原子有5个价电子，它与周围的硅原子组成共价键时，多余的一个价电子很容易摆脱原子核的束缚成为自由电子。这种半导体导电主要靠电子，所以称为电子型半导体或N型半导体，如下图所示。N型半导体中，自由电子是多子，空穴是少子。（2）P型半导体在本征半导体硅（或锗）中掺入微量三价元素硼，由于硼原子只有3个价电子，它与周围硅原子组成共价键时，因缺少一个价电子而形成一个空穴，相邻的价电子很容易填补这个空穴，形成新的空穴。这种半导体导电主要靠空穴，所以称为空穴型半导体或P型半导体，如下图所示。P型半导体中，空穴是多子，自由电子是少子。9.1.3PN结1．PN结的形成在P型半导体和N型半导体交界处，由于P型半导体中的空穴多于电子，N型半导体中的电子多于空穴，所以，在交界面附近将产生多数载流子的扩散运动。P区的空穴向N区扩散，与N区的电子复合；N区的电子向P区扩散，与N区的空穴复合。由于这种扩散运动，N区失掉电子产生正离子，P区得到电子产生负离子，结果在界面两侧形成了由等量正、负离子组成的空间电荷区。在这个区域内，由于多数载流子已扩散到对方并复合掉，好像耗尽了一样，因此，空间电荷区又称为耗尽层。由于空间电荷区的形成，建立了由N区指向P区的内电场。显然，内电场对多数载流子的扩散运动起阻碍作用，故空间电荷区也称为阻挡层。同时，内电场有助于少数载流子的漂移运动，因此，在内电场作用下，N区的空穴向P区漂移，P区的电子向N区漂移，其结果是使空间电荷区变窄，内电场削弱。显然，扩散运动与漂移运动是对立的，当二者的运动达到动态平衡时，空间电荷区的宽度便基本稳定下来。这种宽度稳定的空间电荷区称为PN结。2．PN结的单向导电性（1）正向偏置给PN结外加正向偏置电压，即P区接电源正极，N区接电源负极，称PN结为正向偏置，如下图所示。由于外加电源产生的外电场的方向与PN结产生的内电场方向相反，因此，扩散运动与漂移运动的平衡被破坏，使整个空间电荷区变窄，并形成较大的扩散电流，方向由P区指向N区，称为正向电流。此时，PN结处于导通状态。（2）反向偏置给PN结加反向偏置电压，即N区接电源正极，P区接电源负极，称PN结反向偏置，如下图所示。由于外加电场与内电场的方向一致，因而加强了内电场，促进了少子的漂移运动，阻碍了多子的扩散运动，使空间电荷区变宽。此时，主要由少子的漂移运动形成的漂移电流将超过扩散电流，方向由N区指向P区，称为反向电流。由于常温下少子的数量很少，所以反向电流很小。此时，PN结处于截止状态。9.2半导体二极管在PN结上加上电极引线和管壳，就成为一个晶体二极管（简称二极管），其结构和电路符号如下图所示。其中，从P区引出的电极称为阳极；从N区引出的电极称为阴极。9.2.1二极管的结构和类型按结构不同，二极管可分为点接触型、面接触型和平面型三大类，如下图所示。按材料不同，二极管可分为硅二极管和锗二极管。按用途不同，二极管可分为普通二极管、整流二极管、稳压二极管、光电二极管及变容二极管等。9.2.2二极管的特性1．伏安特性二极管的典型伏安特性曲线如右图所示。根据二极管所加电压的正负，其伏安特性曲线可分为正向特性和反向特性两部分。（1）正向特性当二极管所加的正向电压较小时，二极管呈现较大的电阻，正向电流很小，几乎为零。与这一部分相对应的电压称为死区电压或阈值电压。死区电压的大小与二极管的材料及温度等因素有关。室温下，硅管的死区电压约为0.5V，锗管的死区电压约为0.1V。当正向电压大于死区电压后，二极管呈现很小的电阻，二极管正向导通。导通后，随着正向电压的升高，正向电流急剧增大，电压与电流的关系基本上为一指数曲线。导通后的正向压降，硅管约为0.6～0.7V，锗管约为0.2～0.3V。（2）反向特性二极管外加反向电压时，反向电流很小，且在一定的电压范围内基本不随反向电压变化，这个电流称为反向饱和电流。当反向电压增大到某一数值后，反向电流急剧增大，此时二极管失去单向导电性，这种现象称为反向击穿，其所对应的电压称为反向击穿电压UBR。反向击穿会造成PN结损坏（烧毁），但只要反向电流不超过一定值，PN结就不会损坏，稳压二极管就是利用这一特性制作的。普通二极管的反向击穿电压一般在几十伏以上，高反压管可达几千伏。2．温度特性二极管的伏安特性对温度非常敏感。如下图所示，温度升高，正向特性曲线向左移动，反向特性曲线向下移动。在室温附近，温度每升高1℃，正向压降约减小2～2.5mV，温度每升高10℃，反向电流约增大1倍。9.2.3二极管的主要参数1．最大整流电流最大整流电流IF是指二极管长期工作允许通过的最大正向电流。在规定的散热条件下，二极管的正向平均电流不能超过此值，否则可能使会二极管因过热而损坏。2．最大反向工作电压最大反向工作电压URM是指二极管工作时允许外加的最大反向电压。若超过此值，二极管可能会被击穿。通常取反向击穿电压UBR的一半作为URM。URM数值较大的二极管称为高压二极管。3．最大反向电流最大反向电流IRM是指二极管在常温下承受最大反向工作电压URM时的反向电流。反向电流越小，二极管的单向导电性能越好。反向电流受温度的影响很大，随着温度的升高，其值增大。4．最高工作频率最高工作频率fM是指允许加在二极管两端的交流电压最高频率值。使用中，若加在二极管两端的交流电压频率超过此值，二极管的单向导电性能将变差甚至失去。fM值主要取决于PN结结电容的大小。结电容越大，二极管允许的最高工作频率越低。9.2.4特殊二极管1．稳压二极管稳压二极管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管，其正常工作在反向击穿区，通过反向击穿特性实现稳压作用，其符号和伏安特性曲线如右图所示。稳压管二极的正向特性曲线与普通二极管类似，而当外加反向电压的数值增大到一定程度时，发生击穿，击穿曲线很陡，几乎平行于纵轴，所以，当电流在很大范围内变化时，稳压二极管两端的电压变化很小。利用这一特性，稳压二极管在电路中能起稳压作用。只要反向电流不超过其最大稳定电流，稳压二极管就不会形成破坏性的热击穿，因此，在电路中应与稳压二极管串联适当的限流电阻。（1）稳定电压UZ稳定电压UZ是指流过规定电流时稳压二极管两端的反向电压值。即使是同一型号的稳压管，其稳压值也有一定的离散性，使用时要进行测试，按需选用。（2）稳定电流IZ稳定电流IZ只是稳压二极管稳定工作时的参考电流值，通常为工作电压等于UZ时所对应的电流值。对每一种型号的稳压二极管，都规定有一个最大稳定电流IZmax。（3）动态电阻rZ动态电阻rZ是指稳压范围内的电压变化量与相应电流变化量之比，即ZZZUrI稳压二极管的反向伏安特性曲线越陡，则动态电阻越小，稳压性能越好。（4）电压温度系数αU电压温度系数αU是指温度每增加1℃时，稳定电压的相对变化量，即ZUZ100%UUT2．发光二极管发光二极管（LED）是一种能将电能转换成光能的半导体器件，其材料主要为砷化镓、氮化镓等，主要用于音响设备的电平显示及线路通、断状态的指示等。发光二极管与普通二极管一样，也是由PN结构成的，同样具有单向导电性，但它在正向导通时能发出可见光或不可见光。发光二极管的电路符号如下图所示。3．光电二极管光电二极管是一种能将光能转换成电能的半导体器件，它主要用于需光电转换的自动探测、计数和控制装置中。光电二极管的结构与普通二极管相似，只是在管壳上有一个能入射光线的窗口。光电二极管工作在反向偏置状态，其反向电流随光照强度的变化而变化。光电二极管的电路符号如下图所示。9.3半导体三极管9.3.1三极管的结构如下图所示为三极管的结构，它是由三层不同性质的半导体组合而成的。按半导体的组合方式不同，三极管可分为NPN型和PNP型两类。无论是NPN型管还是PNP型管，它们均有三个区：发射区、基区和集电区，并相应地引出三个电极：发射极E、基极B和集电极C。同时，在三个区的交界处形成两个PN结：发射结和集电结。三极管的电路符号如下图所示，符号中的箭头方向表示发射结正向偏置时的电流方向。9.3.2三极管的类型三极管的分类方法很多，除可分为NPN型和PNP型之外，还可进行以下分类。按使用的半导体材料不同，三极管可分为硅管和锗管。按工作频率不同，三极管可分为高频管和低频管。其中，高频管的工作频率不低于3MHz；低频管的工作频率低于3MHz。9.3.3三极管的电流分配与放大原理1．三极管实现电流放大作用的条件（1）内部结构条件①发射区很小，但掺杂浓度高。②基区最薄且掺杂浓度最小（比发射区小2～3个数量级）。③集电结面积最大，且集电区的掺杂浓度小于发射区的掺杂浓度。（2）外部条件外部条件是要保证外加电源的极性使发射结处于正向偏置状态，使集电结处于反向偏置状态。2．实验说明下面通过一个实验来说明三极管各电流之间的关系，实验电路如下图所示。改变可变电阻RB，则基极电流IB、集电极电流IC和发射极电流IE都会发生变化。测量结果如下表所示。由此实验及测量结果可得出如下结论：（1）各极电流的关系满足：IE＝IB＋IC，符合基尔霍夫电流定律。（2）IC和IE比IB大得多。（3）从上表各列数据中求得IC和IB的变化量，加以比较。例如，选第4列和第5列的数据，可得CB1.9900.9801.01050.50.0400.0200.020II这说明，基极电流的少量变化可以引起集电极电流的较大变化，这就是三极管的电流放大作用。3．三极管内部载流子的运动三极管内部载流子的运动情况如下图所示。（1）发射区向基区扩散电子由于发射结加正偏电压，因此发射结两侧多子的扩散运动大于少子的漂移运动，发射区的多子源源不断