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1、第一章 半导体器件,半导体器件是近代电子学的重要组成部分.体积小、重量轻、使用寿命长、输入功率小、功率转换效率高等优点而得到广泛的应用。,1.1 半导体的基本知识,自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。,有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。半导体的电阻率为10-3109 cm。,一、半导体及其特性,1、什么是半导体,现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。,电子器件所用的半导体具有晶体结构，因此把半导体也称为晶体。,2、半导体
2、的导电特性,1）热敏性 与温度有关。温度升高，导电能力增强。2）光敏性 与光照强弱有关。光照强，导电能力增强3）掺杂性 加入适当杂质，导电能力显著增强。3、常用半导体材料1）元素半导体 如：硅、锗2）化合物半导体 如：砷化镓3）掺杂或制成其他化合物半导体的材料 如；硼、磷、铟、锑,1、本征半导体,化学成分纯净的半导体晶体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。,1）内部结构,一、半导体物质的内部结构和导电机理,本征半导体的共价键结构,束缚电子,如硅晶体中，原子之间靠的很近，分属于每个原子的价电子受到相邻原子的影响，而使价电子为两个原子所共有，每个原子与
3、其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。在高度纯净的硅晶体中，所有外层电子均用于构成共价键，没有多余的自由电子，只有通过很强的力才能使电子脱离晶体束缚。,本征半导体的共价键结构,束缚电子,在绝对温度T=0K时，所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不会成为自由电子，因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。,2）本征半导体的导电机理,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，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。,
4、电子空穴对的产生,这一现象称为本征激发，也称热激发。,当温度升高或受到光的照射时，束缚电子能量增高，有的电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。,自由电子,空穴,自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，称为空穴。,可见本征激发同时产生电子空穴对。外加能量越高（温度越高），产生的电子空穴对越多。,与本征激发相反的现象复合,在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达到动态平衡。电子空穴对的浓度一定。,常温300K时：,电子空穴对,自由电子 带负电荷 电子流,总电流,空穴 带正电荷 空穴流,本征半导体的导电性取决于外加能量：温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。,两种
5、导电方式,总结,复合：激发：激发和复合成对产生成对消失载流子：自由电子和空穴本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。温度越高，载流子的浓度越高。温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。漂移运动：载流子在电场力的作用下的定向运动自由电子向电源正极移动，空穴向负极移动。虽然电子、空穴的运动方向相反，但在外电路中形成电流却一致。,2 杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。,其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。,使自由电子浓度大大增加的杂质半导体称为N型半导体（电子半导体），使空穴浓度大大增加的杂质半导体称为P型半导体（空穴半
6、导体）。,1）N型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相临的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。,硅原子,磷原子,多余电子,N型半导体,多余电子,磷原子,硅原子,多数载流子自由电子,少数载流子 空穴,施主离子,自由电子,电子空穴对,N型半导体,N型半导体中的载流子是什么？,1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。,2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。,因为掺杂浓度远
7、大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。,2）P型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相临的半导体原子形成共价键时，产生一个空位。这个空位可能吸引束缚电子来填补，形成空穴使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。,硼原子,空穴,硅原子,空穴,硼原子,硅原子,多数载流子 空穴,少数载流子自由电子,受主离子,空穴,电子空穴对,P型半导体,P型半导体中的载流子是自由电子和空穴,1、由受主原子提供的空
8、穴，浓度与受主原子相同。,2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。,因为掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，空穴浓度远大于自由电子浓度。空穴称为多数载流子（多子），自由电子称为少数载流子（少子）。,总 结,1、N型半导体中自由电子是多子，其中大部分是掺杂提供的电子，本征半导体中受激产生的电子只占少数。N型半导体中空穴是少子，少子的迁移也能形成电流，由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。,2、P型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。3、多子由掺杂浓度决定，少子由温度决定。,因多子浓度差,形成内电场,多子的扩散,空间电荷区,阻止多子扩散，促使少子漂移。,PN结合
9、,空间电荷区,多子扩散电流,少子漂移电流,耗尽层,三.PN结及其单向导电性,1.PN结的形成,动态平衡：,扩散电流 漂移电流,总电流0,2.PN结的单向导电性,(1)加正向电压（正偏）电源正极接P区，负极接N区,外电场的方向与内电场方向相反。外电场削弱内电场,耗尽层变窄,扩散运动漂移运动,多子扩散形成正向电流I F,(2)加反向电压电源正极接N区，负极接P区,外电场的方向与内电场方向相同。外电场加强内电场,耗尽层变宽,漂移运动扩散运动,少子漂移形成反向电流I R,在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故IR基本上与外加反压的大小无关，所以称为反向饱和电流。但IR与温度有关。,PN结
10、加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，PN结导通；PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，PN结截止。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,1、空间电荷区中没有载流子。,2、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、N中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。,3、P中的自由电子和N中的空穴（都是少子），数量有限，因此由它们形成的电流很小。,请注意,在PN结的两端加上电压后，通过管子的电流I随管子两端电压V变化的曲线-伏安特性。,PN 结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大;反偏截止，电阻很大，电流近似为零。,PN结伏安特性,根据理论分析：,u 为PN结两端的电
11、压降,i 为流过PN结的电流,IS 为反向饱和电流,UT=kT/q 称为温度的电压当量,其中k为玻耳兹曼常数 1.381023q 为电子电荷量1.6109T 为热力学温度 对于室温（相当T=300 K）则有UT=26 mV。,当 u0 uUT时,当 u|U T|时,1.2 二极管,二极管的结构和分类,二极管的符号和型号,二极管的伏安特性,二极管的参数,二极管的温度特性,二极管的应用,一、二极管的结构和分类,在PN结上加上引线和外壳，就成为一个二极管。二极管按结构一般分有点接触型、面接触型,(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。,1、结构,(3)平面型二极管,往
12、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,2、分类,1）按材料分：硅管和锗管2）按结构分：点接触和面接触3）按用途分：检波、整流4）按频率分：高频和低频,二、符号和型号,阳极、P型材料,阴极、N型材料,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：,图 二极管的伏安特性曲线,三、二极管的伏安特性,1、正向特性,硅二极管的死区电压Uth=0.5V左右,导通电压0.6V-0.8V。锗二极管的死区电压Uth=0.1V左右,导通电压0.2V-0.3V。,当0UUth时，正向电流
13、为零，Uth称为死区电压或开启电压。,当U0即处于正向特性区域。正向区又分为两段：,当UUth时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。,2、反向特性,当 U0时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域：,当UBRU0时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流IS。,当UUBR时，反向电流急剧增加，UBR称为反向击穿电压。,四、二极管的参数,(1)最大整流电流IF,二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大整流电流的平均值。,(2)反向击穿电压UBR,最大反向工作电压URM-,(3)反向电流IR,(4)正向压降UF,(5)动态电阻rd,硅二极管的反向电流一般
14、在纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级。,在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。小电流硅二极管的正向压降在中等电流水平下，约0.60.8V；锗二极管约0.20.3V。,反映了二极管正向特性曲线斜率的倒数。显然，rd与工作电流的大小有关，即 rd=UF/IF,UD,rD是二极管特性曲线工作点Q附近电压的变化与电流的变化之比：,显然，rD是对Q附近的微小变化量的电阻。,五、二极管的温度特性,温度对二极管的性能有较大的影响，温度升高时，反向电流将呈指数规律增加，如硅二极管温度每增加8，反向电流将约增加一倍；锗二极管温度每增加12，反向电流大约增加一倍。,另外，温度升高时，二极管的正向压降将减小，
15、每增加1，正向压降UF(UD)大约减小2mV，即具有负的温度系数。,图 温度对二极管伏安特性曲线的影响,图示,例 1、画出硅二极管构成的桥式整流电路在ui=15sint(V)作用下输出 uO 的波形。,(按理想模型),六、二极管的应用,1.3 特殊二极管,稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊硅二极管。稳压二极管的伏安特性曲线与硅二极管的伏安特性曲线完全一样,(b),一、稳压二级管 1、特性,(a),2、符号,(1)稳定电压UZ,(2)动态电阻rZ,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。,其概念与一般二极管的动态电阻相同，只不过稳压二极管的动态电阻是从它的反向特性上求取的。rZ愈
16、小，反映稳压管的击穿特性愈陡。rZ=UZ/IZ,3、主要参数,(3)最大耗散功率 PZM,稳压管的最大功率损耗取决于PN结的面积和散热等条件。反向工作时PN结的功率损耗为 PZ=UZ IZ，由 PZM和UZ可以决定IZmax。,(4)最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作 电流IZmin,稳压管的最大稳定工作电流取决于最大耗散功率，即PZmax=UZIZmax。而Izmin对应VZmin。若IZIZmin则不能稳压。,稳压二极管在工作时应反接，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；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作
17、电流，从而起到稳压作用。,(c),4、稳压管的应用,1、光电二极管,反向电流随光照强度的增加而上升。,二、其它特殊二极管,2、发光二极管,有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。常用作显示器件。,3、光电耦合器,光电耦合器由发光管（发光二极管）、受光管（光电二极管或光电三极管）组成，封装于一体。光电耦合器为单向传输器件，输入端加正向信号电压时，发光管发光，将光信号传送给受光管。受光管内阻减小，饱和导通，将接收到的光信号转换为电流从输出端输出，通过“电光电”的转换，实现输入输出电路上电气隔离，可消除噪音。,1.4 晶体三极管,
18、一、结构、符号和分类,发射极 E,基极 B,集电极 C,发射结,集电结,基区,发射区,集电区,emitter,base,collector,NPN 型,PNP 型,两个结、三个区、三个极,E的箭头方向为发射结加正向电压时电流的方向,基本结构与分类,1、,1）基区：最薄，掺杂浓度最低,3）集电区：面积较大,2）发射区：掺杂浓度最高,2、结构特点,3、分类：,1）按材料分：硅管、锗管,4）按功率分：小功率管 500 mW,2）按结构分：NPN、PNP,3）按使用频率分：低频管、高频管,大功率管 1 W,中功率管 0.5 1 W,半导体三极管图片,二、电流放大原理,1.三极管放大的条件,内部条件,发
19、射区掺杂浓度高,基区薄且掺杂浓度低,集电结面积大,外部条件,发射结正偏集电结反偏,2.满足放大条件的三种电路,共发射极,共集电极,共基极,3.三极管内部载流子的传输过程,1)发射区向基区注入多子电子，形成发射极电流 IE。,I CN,多数向 BC 结方向扩散形成 ICN。,IE,少数与空穴复合，形成 IBN。,I BN,基区空穴来源,基极电源提供(IB),集电区少子漂移(ICBO),I CBO,IB,IBN IB+ICBO,即：,IB=IBN ICBO,2)电子在基区扩散与复合电子到达基区后,(基区空穴运动因浓度低而忽略),I CN,IE,I BN,I CBO,IB,3)集电区收集扩散过 来的
20、载流子形成集 电极电流 IC,IC,I C=ICN+ICBO,三、三极管的电流控制作用,当管子制成后，发射区载流子浓度、基区宽度、集电结面积等确定，故电流的比例关系确定，即：,IB=I BN ICBO,IC=ICN+ICBO,穿透电流,1、电流分配关系,IE=ICN+IBN=IC+IB,2、电流的放大作用,直流放大系数,IE=IC+IB,定义：,为交流放大系数,一般的，,当EBIBIcRcIc,(IB=EB/RB),四、晶体三极管的特性曲线,、输入特性,输入回路,输出回路,与二极管特性相似,时,特性基本重合(电流分配关系确定),特性右移(因集电结开始吸引电子),导通电压 UBE(on),硅管：
21、(0.6 0.8)V,锗管：(0.2 0.3)V,取 0.7 V,取 0.2 V,、输出特性,）截止区：IB 0 IC=ICEO 0 条件：两个结反偏,截止区,ICEO,特点：分三个区,2）放大区：,放大区,截止区,条件：发射结正偏 集电结反偏特点：水平、等间隔,ICEO,3）饱和区：,uCE u BE,uCB=uCE u BE 0,条件：两个结正偏,特点：IC IB,临界饱和时：uCE=uBE,深度饱和时：,0.3 V(硅管),UCE(SAT)=,0.1 V(锗管),放大区,截止区,饱和区,ICEO,Ic的大小取决于Ec和Rc，,五、温度对特性曲线的影响,1.温度升高，输入特性曲线向左移。,
22、温度每升高 1C，UBE(2 2.5)mV。,温度每升高 10C，ICBO 约增大 1 倍。,T2 T1,2.温度升高，输出特性曲线向上移。,温度每升高 1C，(0.5 1)%。,输出特性曲线间距增大。,O,六、晶体三极管的主要参数,、电流放大系数,1）共发射极电流放大系数,直流电流放大系数,交流电流放大系数,一般为几十 几百,Q,2.共基极电流放大系数,1 一般在 0.98 以上。,Q,二、极间反向饱和电流,CB 极间反向饱和电流 ICBO，决定了 晶体管工作的温度稳定性,CE 极间反向饱和电流 ICEO，受温度影响大,、极限参数,1）ICM 集电极最大允许电流，超过时 值明显降低。,2）P
23、CM 集电极最大允许功率损耗,PC=iC uCE。,U(BR)CBO 发射极开路时 C、B 极间反向击穿电压。,3）U(BR)CEO 基极开路时 C、E 极间反向击穿电压。,U(BR)EBO 集电极极开路时 E、B 极间反向击穿电压。,U(BR)CBO,U(BR)CEO,U(BR)EBO,七、晶体管电路的基本问题和分析方法,三种工作状态,放大,I C=IB,发射结正偏集电结反偏,饱和,I C IB,两个结正偏,ICS=IBS 集电结零偏,临界,截止,IB 0,IC=0,两个结反偏,判断导通还是截止：,UBE U(th)则导通,以 NPN为 例：,UBE U(th)则截止,例：有两个晶体管分别接在放大电路中，今测得它们管脚的电位（对“地”）分别如下表所示。晶体管 晶体管管脚 1 2 3 管脚 1 2 3电位/V 4 3.4 9 电位/V-6-2.3-2试判断晶体管类型，并确定三个电极。,解 NPN型：集电极电位最高，发射极电位最低，UBE0；PNP型；发射极电位最高，集电极电位最低，UBE0硅管：基极电位与发射极电位大约相差0.6V或0.7V；锗管：基极电位与发射极电位大约相差0.2V或0.3V由此可知：晶体管：NPN型，1B，2E，3C晶体管：PNP型，1C，2B，3E,
