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1、第三章 基 本 电 子 器 件 昨夜西凤凋碧树,独上高楼,望尽天涯路。晏殊,基本内容：半导体的类型及导电，PN结与半导体二极管，半导体三极管及特性。教学要求：掌握半导体的类型、PN结、二极管三极管的构成、原理。本章重点：PN结与半导体二极管，半导体三极管及特性。本章难点：半导体三极管及特性。,第一节 半导体的类型及导电性第二节 PN结与半导体二极管第三节 半导体三极管及特性,第一节 半导体的类型及导电性 根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。半导体的电阻率为 cm。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。(1)本征半导体 本征半导体化学成分纯净的半导体晶体。制
2、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”。它在物理结构上呈单晶体形态。,硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子称为价电子。它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。,这种结构的立体和平面示意图如下：,(a)硅晶体的空间排列(b)共价键结构平面示意图,（2）电子空穴对,当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自由电子。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。,自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，原
3、子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。,这一现象称为本征激发，也称热激发。,可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合，如下图所示。,本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。,本征激发和复合的过程,(3)空穴的移动,自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向运动也可形成空穴电流，它们的方向相反。只不过空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的，因此，空穴的导电能力不如自由电子（见右图）,空穴在晶格中的移动,（4）N型半导体和P型半导体,在本征半导体中
4、掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质后的本征半导体称为杂质半导体。,在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成 N型半导体,也称电子型半导体。,因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。,在N型半导体中自由电子是多数载流子,它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子,由热激发形成。提供自由电子的五价杂质原子因自由电子脱离而带正电荷成为正离子，因此，五价杂质原子也被称为施主杂质。N型半导体的结构示意图如下图所示。,N型半导体结构示意图,本征半导体中掺
5、入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成 P型半导体，也称为空穴型半导体。因三价杂质原子与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。,P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；电子是少数载流子，由热激发形成。,空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。P型半导体 的结构示意图如右图所示。,P型半导体的结构示意图,第二节 PN结与半导体二极管,1 PN结的形成,在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质,分别形成 N 型半导体和 P 型半导体。此时将在N型半导体和 P 型半导体的结合面上形成如下物理过程:,因浓度差 多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区,
6、空间电荷区形成 内电场,内电场促使少子漂移,内电场阻止多子扩散,最后多子扩散和少子的漂移达到动态平衡。对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为 P N 结,在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。,PN结的形成过程,PN 结形成的过程可参阅右图。,如果外加电压使PN结中：P区的电位高于 N 区的电位，称为加正向电压，简称正偏；,PN结具有单向导电性，若外加电压使电流从 P 区流到 N 区，PN结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。,P 区的电位低于 N 区的电位，称为加反向电压，简称反偏。外加的正向电压有一部分降落在 PN 结区，方向与PN结内电场方向相反，削
7、弱了内电场。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,PN 结呈现低阻性。,PN结加正向电压时的导电情况如右图,PN结加正向电压时的导电情况,PN结加反向电压时的导电情况如右图所示。,PN 结加反向电压时的导电情况,外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，由于漂移电流本身就很小，PN结呈现高阻性。,在一定温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，
8、基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。,PN结外加正向电压时，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。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,PN结加反向电压时的导电情况,2 半导体二极管 接在二极管P区的引出线称二极管的阳极，接在N区的引出线称二极管的阴极。二极管有许多类型。从工艺上分，有点接触型和面接触型；按用途分，有整流管、检波二极管、稳压二极管、光电二极管和开关二极管等。,3）最大反向电流 是指二极管在常温下承受最高反向工作电压 时的反向漏电流，一般很小，但其受温度影响较大。当温度升高时，显著增大。,3 二极管
9、的参数,1）最大整流电流IFM 是指二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流值。工作时，管子通过的电流不应超过这个数值，否则将导致管子过热而损坏。,2）最高反向工作电压 是指二极管不击穿所允许加的最高反向电压。超过此值二极管就有被反向击穿的危险。通常为反向击穿电压的1/22/3，以确保二极管安全工作。,4）最高工作频率 是指保持二极管单向导通性能时，外加电压允许的最高频率。二极管工作频率与PN结的极间电容大小有关，容量越小，工作频率越高。4 几种常见的的特殊二极管 1、硅稳压管 2、发光二极管 3、光敏二极管,第三节 半导体三极管及特性 一、半导体三极管的工作原理 三极管是由两个PN结、3个
10、杂质半导体区域组成的，因杂质半导体有P、N型两种，所以三极管的组成形式有NPN型和PNP型两种。,三极管基区很薄，一般仅有1微米至几十微米厚，发射区浓度很高，集电结截面积大于发射结截面积。,使用中要注意电源的极性，确保发射结永远加正向偏置电压，三极管才能正常工作。,1)三极管内部载流子的运动规律 三极管电流之间为什么具有这样的关系呢？这可以通过在三极管内部载流子的运动规律来解释。,a.发射区向基区发射电子。电源UBB经过电阻Rb加在发射结上，发射结正偏，发射区的多数载流子自由电子不断地越过发射结而进入基区，形成发射极电流IE。同时，基区多数载流子也向发射区扩散，但由于基区很薄，可以不考虑这个电
11、流。因此，可以认为三极管发射结电流主要是电子流。,b.基区中的电子进行扩散与复合。电子进入基区后，先在靠近发射结的附近密集，渐渐形成电子浓度差，在浓度差的作用下，促使电子流在基区中向集电结扩散，被集电结电场拉入集电区，形成集电结电流IC。也有很小一部分电子与基区的空穴复合，形成复合电子流。扩散的电子流与复合电子流的比例决定了三极管的放大能力。,c.集电区收集电子。由于集电结外加反向电压很大，这个反向电压产生的电场力将阻止集电区电子向基区扩散，同时将扩散到集电结附近的电子拉入集电区而形成集电结主电流ICN。另外集电区的少数载流子空穴也会产生漂移运动，流向基区，形成反向饱和电流ICBO，其数值很小
12、，但对温度却非常敏感。,2）电流分配关系,定义,通常 IC ICBO,则有,所以,硅:0.1A锗:10A,IE与IC的关系：,IB=IBE-ICBOIBE,3）放大作用,vI=20mV,iE=-1mA,+iB,=0.98,vO=0.98 V,共基极放大电路,二、半导体三极管的特性曲线,vCE=0V,iB=f(vBE)vCE=常数,(2)当vCE1V时，vCB=vCE-vBE0，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，基区复合减少，同样的vBE下IB减小，特性曲线右移。,(1)当vCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。,1.输入特性曲线,iC=f(vCE)iB=常量,2.输出特性曲线,输出特性曲线的三个区域:,饱和区:iC明显受vCE控制的区域，一般vCE0.7V(硅管)。此时，发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。,放大区:iC平行于vCE轴的区域，曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏。,截止区:iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时，vBE小于死区电压(发射结反偏)。,3 三极管的主要参数（1）共发射极电流放大系数b。（2）集电极-基极反向饱和电流。（3）集电极-发射极穿透电流。（4)集电极最大允许电流。（5）集电极反向击穿电压。（6）集电极最大允许功耗。,
