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1、半导体器件基础,半导体基本知识半导体二极管半导体三极管,一、半导体基本知识,半导体定义,在物理学中，根据材料的导电能力，可以将它们划分为导体、绝缘体和半导体。导体很容易传导电流的物质；如金属铜、铝等。绝缘体不容易传导电流的物质；如陶瓷、橡胶等。半导体导电性能介于导体和绝缘体之间的物质；如锗、硅、硒及许多金属氧化物和硫化物等。,半导体的特性,1、在受到光和热的刺激时，导电性能将发生显著的变化。2、在纯净的半导体中加入微量的杂质，其导电性能会显著的增强。,最常用的半导体是锗（Ge)和硅(Si)，并且被制作成晶体。它们都是4价元素。,束缚电子,在绝对温度T=0K时，所有的价电子都被紧紧束缚在共价键中
2、，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。,制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“9个9”，现在随着集成规模的提高，纯度达到“13个9”。,本征半导体化学成分纯净的半导体晶体。,半导体为什么会导电？,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，束缚电子获得能量，有的电子可以挣脱共价键的束缚，成为自由电子。同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，称为空穴。,自由电子和空穴总是成对出现的，外加能量越大，本征半导体中产生的电子空穴对越多。,常温300K时：,在本征激发的过程中，还存在一种相反的现象：复合即其它的电子可能会转移到
3、这个空位上。在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达到动态平衡时，电子空穴对的浓度一定。,硅晶体导电性能的温度稳定性比锗晶体好。,结论：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。,空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点。所以，半导体在导电时，形成电流的自由电荷（载流子）有两种：自由电子和空穴。,自由电子 带负电荷 电子流,总电流,空穴 带正电荷 空穴流,多余电子,磷原子,硅原子,N型半导体【Negative电子】在锗或硅晶体内掺入少量五价元素杂质，如磷；这样在晶体中就有了多余的自由电子。,多数载流子自由电子少数载流子空穴,N型半导体主要是电子导电。,N型
4、半导体和P型半导体,P型半导体【Positive空穴】,在锗或硅晶体内掺入少量三价元素杂质，如硼；这样在晶体中有了多余的空穴。,空穴,硼原子,硅原子,多数载流子空穴少数载流子自由电子,P型半导体主要是空穴导电。,PN结及其特性,PN结是构成各种半导体器件的基础，PN结的作用使半导体获得广泛应用。,把一块P型半导体和一块N型半导体连接在一起，在它们的结合处就会形成一个特殊的接触面称为PN结。,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,空间电荷区,多子扩散电流,少子漂移电流,PN结的形成,到达平衡时，,空间电荷区的宽度也达到稳定形成PN结,PN结的单
5、向导电特性：,加正向电压（正偏）P区接电源正极，N区接电源负极，则电源产生的外电场与PN结的内电场方向相反，内电场被削弱，PN结变窄，表现为很小的电阻，形成较大正向电流（多数载流子形成的扩散电流），PN结处于正向导通状态。,加反向电压(反偏)N区接电源正极，P区接电源负极，则电源产生的外电场与PN结的内电场方向相同，增强了内电场，PN结变宽，表现为很大的电阻，有较小的反向电流（少数载流子形成的漂移电流），PN结处于反向截止状态。,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。,注：当反向电压增大到一定程度，反向电流会
6、突然增大，PN结被电击穿，失去单向导电性。如果没有适当的限流措施，PN结会被热烧毁。,综上所述,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结导通（相当开关闭合）；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流，PN结截止（相当开关断开）。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性（开关特性）。,小结1半导体材料的导电性能介于导体和绝缘体之间。半导体具有热敏、光敏、杂敏等特性。常用的半导体材料是硅和锗，并被制作成晶体。2、半导体导电时有两种载流子（自由电子和空穴）参与形成电流。在纯净的半导体中掺入不同的微量杂质，可以得到N型半导体（电子型）和P型半导体（空穴型）。3、P型半
7、导体和N型半导体相连接在结合处形成PN结，PN结的基本特性是具有单向导电性。,二、半导体二极管及其特性,半导体二极管，也叫晶体二极管。它由一个PN结构成，具有单向导电性，是整流电路的核心器件。,几种常见二极管的外形,二极管的结构及电路符号,二极管=PN结+管壳+引线,1、正向导通特性：正向电压达到一定程度（硅二极管为0.6V,锗二极管为0.2V），二极管导通，正向电流增加很快，导通时正向电压有一个很小的变化，就会引起正向电流很大的变化，两引脚之间的电阻很小，相当于开关接通。,二极管在电路中受外加电压控制共有两种工作状态：正向导通和反向截止。,二极管的特性单向导电性,2、反向截止特性：给二极管加
8、反向电压，则处于截止状态，二极管两引脚之间的电阻很大，反向电流很小，相当于开关断开。当反向电压不超过某一范围时，反向电流的大小基本保持不变，所以通常把反向电流又称为反向饱和电流，但反向电流会随温度的升高而增长很快。硅二极管的反向电流只有锗二极管的几十分之一或几百分之一，所以硅管的温度稳定性比锗管好。,3、二极管反向击穿：当所加的反向电压增大到一定数值时，反向电流迅速增大，这种现象称为反向击穿，二极管失去单向导电性，发生击穿时的反向电压叫反向击穿电压。此时如果没有适当的限流措施，因电流过大会使二极管过热而被烧毁。因此二极管工作时，要求承受的反向电压应小于其反向击穿电压的一半。,按材料分：,可分为
9、硅二极管和锗二极管。硅二极管的正向压降约为0.6V，正、反向电阻比锗二极管大，反向电流比锗二极管小。锗二极管的正向压降约为0.2V。,按用途分：,整流二极管、稳压二极管、光电二极管、变容二极管、发光二极管、开关二极管等。,二极管的种类,稳压管的一种实物图,黑头一侧为负极,电路符号,稳压管工作在反向击穿区,几种普通发光二极管实物图,长脚为正极,大头为负极,电路符号,二极管的使用,1、接入电路前，必须判别二极管的极性、质量的好坏，然后正确的接入电路中。2、识别二极管的型号，注意二极管的正向电流和反向电压峰值不能超过所允许的标准值。3、安装二极管时，应尽量远离发热器件。大功率的二极管应加装散热器。4
10、、不同用途之间的二极管不宜代用，硅二极管和锗二极管之间也不能代用。,小结 二极管是由一个PN结构成的，具有单向导电性（开关特性），不同类型的二极管具有不同的功能和用途。,三、半导体三极管及其特性,半导体三极管，也叫晶体三极管由两个PN结组成，具有放大作用，是放大电路的核心器件，由于工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，因此，三极管还被称为双极型晶体管（简称BJT）。,几种常见三极管的实物外形,大功率三极管,功率三极管,普通塑封三极管,三极管的分类,NPN型,发射区,集电区,基区,发射结,集电结,e【Emitter】,c【Collector】,b,发射极,集电极,基极,N,N,P,【Base
11、】,三极管的结构,箭头方向：由P区N区通过三极管正向电流的方向,箭头方向：由P区N区通过三极管正向电流的方向,PNP型,【Emitter】,【Collector】,【Base】,结构特点：,发射区的掺杂浓度最高；,集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大；,基区的掺杂浓度最低且很薄，一般在几个微米至几十个微米。,管芯结构剖面图,三极管的特性,通过控制基极电流，能使三极管分别处于放大、截止和饱和三种工作状态。,1、三极管的放大作用,三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通过内部载流子的传输体现出来。外部条件：发射结正偏，集电结反偏。,发射区的多数载流子自由电子不断通过发射结扩散到基区，形成发射极电
12、流e 电子在基区扩散与复合形成基极电流b，由于基区很薄，且空穴浓度很低，b很小。电子被集电极收集形成集电极电流c,三极管内部载流子的传输过程,发射区：发射载流子 集电区：收集载流子 基区：传送和控制载流子,IE=IC+IB IB IC,集电极与基极电流的关系为：,共射电流放大倍数,三极管的电流放大作用,三极管三个极上的电流分配关系:,的值远大于1，通常在20200范围内，只与管子的结构有关，与外加电压无关。,放大是最基本的模拟信号处理功能,放大是指把微小的、微弱的电信号不失真的进行放大，实现能量的控制和转换。,不失真就是一个微弱的电信号通过放大器后，输出电压或电流的幅度得到了放大，但它随时间变
13、化的规律不能变。,放大电路是模拟电路中最主要的电路,三极管是组成放大电路的核心元件。,具有放大特性的电子设备：收音机、电视机、手机、扩音器等等。,利用三极管组成的放大电路，最常用的接法是：基极作为信号的输入端，集电极作为输出端，发射极作为输入回路、输出回路的共同端（共发射极接法）,调节偏流电阻RP的阻值，使三极管处于放大状态。此时，如果在基极加上一个较小的电信号，集电极就能通过一个放大了的电信号。放大所需的能量来自外加直流电源。,放大工作状态,2、三极管的开关特性,调节偏流电阻RP的阻值，使基极的电流为零或很小时，三极管的两个PN结都处于反向偏置，集电极中没有电流通过，三极管处于截止状态，集电
14、极与发射极之间电阻很大，相当开关断开。,截止工作状态,c,b,e,调节偏流电阻RP的阻值，使基极电流充分大时，集电极电流也随之变得非常大，三极管的两个PN结则都处于正向偏置。集电极与发射极之间的电压很小，小到一定程度会削弱集电极收集电子的能力，这时b再增大，c也不能相应地增大了，三极管处于饱和状态，集电极和发射极之间电阻很小，相当开关接通。,饱和工作状态,小 结,三极管是由两个PN结构成的，有NPN和PNP两种类型。通过控制基极电流，能使三极管分别处于放大、截止和饱和三种工作状态，具有放大作用和开关特性。三极管的放大作用，其实质是用一个微小电流b控制较大电流c和e，放大所需的能量来自外加直流电源。使三极管处于放大状态的条件是：内部条件：发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，且基区很薄。外部条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置。放大是模拟电路处理信号的主要方式，三极管是放大电路的核心元件。三极管的开关特性。当控制b为零或很小时，三极管的两个PN结都处于反向偏置，c和e为零或很小，集电极与发射极之间电阻很大，三极管处于截止状态，相当开关断开。当b很大时，c和e也很大，三极管的两个PN结则都处于正向偏置，b无法控制c和e，集电极和发射极之间电阻很小，三极管处于饱和状态，相当开关接通。在数字电路中，主要利用三极管的开关特性。,
