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1、(10-1),第6章 半导体器件,(10-2),导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。,绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,半导体：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。,6.1 半导体的导电特性,6-1 PN结及半导体二级管,(10-3),半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。,当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。,往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。,1.掺杂性,2.热敏性和光敏性,(10-4),本征半导体（纯净和具有晶体结构
2、的半导体）,一、本征半导体的结构特点,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。,(10-5),在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。,通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。,(10-6),硅和锗的共价键结构,共价键共用电子对,+4表示除去价电子后的原子,(10-7),共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。,形成共价
3、键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。,共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。,(10-8),二、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（即载流子），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。,1.载流子、自由电子和空穴,(10-9),自由电子,空穴,束缚电子,(10-10),2.本征半导体的导电机理,在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的
4、迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。,本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。,(10-11),温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，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。,本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。,本征半导体中电流由两部分组成：1.自由电子移动产生的电流。2.空穴移动产生的电流。,（在本征半导体中 自由电子和空穴成对出现，同时 又不断的复合）,(10-12),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。,P 型半导体：空
5、穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。,N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。,(10-13),一、N 型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷，晶体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，其中四个与相邻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。,(10-14),多余电子,磷原子,N 型半导体中的载流子是什么？,1.由磷原子提供的电子，浓度与磷原子相同。,2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。,掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自
6、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）。,(10-15),二、P 型半导体,空穴,硼原子,P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。,(10-16),三、杂质半导体的符号,(10-17),总 结,2.N型半导体中电子是多子，其中大部分是掺杂提供的电子，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。,3.P型半导体中空穴是多子，电子是少子。,1.本征半导体中受激产生的电子很少。,(10-18),PN 结的形成,在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导体和N 型半导体，经过载流子的扩散，
7、在它们的交界面处就形成了PN 结。,6.2 PN结,(10-19),P 型半导体,N 型半导体,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽。,内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,(10-20),P型半导体,N 型半导体,所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。,(10-21),空间电荷区,N型区,P型区,电位V,V0,(10-22),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区中的空穴.N区 中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。,3.P 区中的电子和 N区中的空穴（都是少），数量有限，因此由它们形成的电流
8、很小。,小 结,(10-23),(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,PN结的单向导电性,(10-24),(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。,(10-25),PN结加正向电压时，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
9、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。,(10-26),6.3 半导体二极管,基本结构,PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。,点接触型,面接触型,(10-27),伏安特性,死区电压 硅管0.5V,锗管0.1V。,导通压降:硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。,反向击穿电压UBR,(10-28),主要参数,1.最大整流电流 IOM,二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,3.反向击穿电压UBR,二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压UWR
10、M一般是UBR的一半。,2.反向工作峰值电压UBWM,保证二极管不被击穿时的反向峰值电压。,(10-29),4.反向电流 IR,指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。,(10-30),5.微变电阻 rD,uD,rD 是二极管特性曲线上工作点Q 附近电压的变化与电流的变化之比：,显然，rD是对Q附近的微小变化区域内的电阻。,(10-31),6.二极管的极间电容（结电容）,二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：势垒电容CB和扩散电容
11、CD。,势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是势垒电容。,当外加电压发生变化时，耗尽层的宽度要相应地随之改变，即PN结中存储的电荷量要随之变化，就像电容充放电一样。,(10-32),当外加正向电压不同时，PN结两侧堆积的少子的数量及浓度梯度也不同，这就相当电容的充放电过程。,电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来,扩散电容：为了形成正向电流（扩散电流），注入P 区的少子（电子）在P 区有浓度差，越靠近PN结浓度越大，即在P 区有电子的积累。同理，在N区有空穴的积累。正向电流大，积累的电荷多。这样所产生的电容就是扩散电容.
12、,(10-33),CB在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置时，由于载流子数目很少，扩散电容可忽略。,PN结高频小信号时的等效电路：,势垒电容和扩散电容的综合效应,(10-34),二极管：死区电压=0.5V，正向压降0.7V(硅二极管)理想二极管：死区电压=0，正向压降=0,二极管的应用举例1：二极管半波整流,二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。,(10-35),二极管的应用举例2：,(10-36),6-2 特殊二极管,U,IZ,稳压误差,曲线越陡，电压越稳定。,UZ,稳压二极管,(10-37),（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。
13、,（5）最大允许功耗,稳压二极管的参数:,（1）稳定电压 UZ,（3）动态电阻,(10-38),在电路中稳压管只有与适当的电阻连接才能起到稳压作用。,(10-39),稳压二极管的应用举例,稳压管的技术参数:,解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax,方程1,要求当输入电压由正常值发生20%波动时，负载电压基本不变。求：电阻R和输入电压 ui 的正常值。,(10-40),令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin。,方程2,联立方程1、2，可解得：,(10-41),光电二极管,反向电流随光照强度的增加而上升。,(10-42),发光二极管,有正向电流流过时，发出一定波长范围的
14、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。,(10-43),基本结构,基极,发射极,集电极,NPN型,PNP型,6-3 半导体三极管（晶体管）,(10-44),基区：较薄，掺杂浓度低,集电区：面积较大,发射区：掺杂浓度较高,(10-45),发射结,集电结,(10-46),NPN型三极管,PNP型三极管,符号,(10-47),IC,V,UCE,UBE,RB,IB,EC,EB,一.一个实验,电流分配和放大原理,(10-48),结论:,1.IE=IC+IB,3.IB=0,IC=ICEO,4.要使晶体管放大,发射结必须正偏,集电结必须反偏。,(10-49),二.电流放大
15、原理,EB,RB,EC,进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE，多数扩散到集电结。,发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。,(10-50),EB,RB,EC,集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。,从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICE。,(10-51),IB=IBE-ICBOIBE,(10-52),ICE与IBE之比称为电流放大倍数,(10-53),一.输入特性,工作压降：硅管UBE0.60.7V,锗管UBE0.20.3V。,死区电压，硅管0.5V，锗管0.1V。,特性曲线,(10-54),二、输出特性,IC(mA),此区
16、域满足IC=IB称为线性区（放大区）。,当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB。,(10-55),此区域中UCEUBE,集电结正偏，IBIC，UCE0.3V称为饱和区。,(10-56),此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBE 死区电压，称为截止区。,(10-57),输出特性三个区域的特点:,放大区：发射结正偏，集电结反偏。即：IC=IB,且 IC=IB,(2)饱和区：发射结正偏，集电结正偏。即：UCEUBE，IBIC，UCE0.3V,(3)截止区：UBE 死区电压，IB=0，IC=ICEO 0,(10-58),三、主要参数,前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的公共点，称
17、为共射接法，相应地还有共基、共集接法。,共射直流电流放大倍数：,工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为IB，相应的集电极电流变化为IC，则交流电流放大倍数为：,1.电流放大倍数和,(10-59),例：UCE=6V时：IB=40 A,IC=1.5 mA；IB=60 A,IC=2.3 mA。,在以后的计算中，一般作近似处理：=,(10-60),2.集-基极反向截止电流ICBO,ICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流，受温度的变化影响。,(10-61),B,E,C,N,N,P,ICBO进入N区，形成IBE。,根据放大关系，由于IBE的存在，必有电流IBE。
18、,集电结反偏有ICBO,3.集-射极反向截止电流ICEO,ICEO受温度影响很大，当温度上升时，ICEO增加很快，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。,(10-62),4.集电极最大电流ICM,集电极电流IC上升会导致三极管的值的下降，当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。,5.集-射极反向击穿电压,当集-射极之间的电压UCE超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿电压U(BR)CEO。,(10-63),6.集电极最大允许功耗PCM,集电极电流IC 流过三极管，所发出的功率 为：,PC=ICUCE,必定导致结温 上升，所以PC 有限制。,PCPCM,ICUCE=PCM,安全工作区,(10-64),电子技术,第6章 结束,模拟电路部分,
