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1、电气基础,制造大类各专业半导体器件丁薇,半导体器件,3.1半导体的基本知识,物质按导电能力的不同可分为导体、半导体和绝缘体3类。日常生活中接触到的金、银、铜、铝等金属都是良好的导体，它们的电导率在105Scm-1量级；而像塑料、云母、陶瓷等几乎不导电的物质称为绝缘体，它们的电导率在10-2210-14Scm-1量级；导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体，它们的电导率在10-9102Scm-1量级。自然界中属于半导体的物质有很多种类，目前用来制造半导体器件的材料大多是提纯后的单晶型半导体，主要有硅(Si)、锗(Ge)和砷化镓（GaAs)等。,半导体器件,1.本征半导体和掺杂半导体,本征半
2、导体：完全纯净的、结构完整的半导体。,杂质半导体：在纯净的半导体中加入微量的杂质元素 后形成的半导体。,杂质半导体,N性半导体（电子性半导体）掺入5价的杂质元素如磷（P），多数载流子是自由电子。,P性半导体（空穴性半导体）掺入3价的杂质元素如硼（B），多数载流子是空穴。,半导体器件,这是硅和锗构成的共价键结构示意图 晶体结构中的共价键具有很强的结合力，在热力学零度和没有外界能量激发时，价电子没有能力挣脱共价键束缚，这时晶体中几乎没有自由电子，因此不能导电,硅和锗的简化原子模型。,半导体器件,当半导体的温度升高或受到光照等外界因素的影响时，某些共价键中的价电子因热激发而获得足够的能量，因而能脱离
3、共价键的束缚成为自由电子，同时在原来的共价键中留下一个空位，称为“空穴”。,半导体器件,不论是N型半导体还是P型半导体，虽然都有一种载流子占多数，但晶体中带电粒子的正、负电荷数相等，仍然呈电中性而不带电。,应注意：,半导体之所以得到广泛的应用，是因为它具有以下特性。,2.半导体的独特性能,（1）热敏性。温度可明显地改变半导体的电导率。利用这种热敏效应可制成热敏器件。（2）光敏性。光照不仅可改变半导体的电导率，还可以产生电动势，这就是半导体的光电效应。利用光电效应可制成光敏电阻、光电晶体管、光电耦合器和光电池等。（3）掺杂性。通过掺入杂质可明显地改变半导体的电导率。例如，室温30C时，在纯净锗中
4、掺入一亿分之一的杂质（称掺杂），其电导率会增加几百倍。,空间电荷区,3、PN结的形成及单相导电在一定条件（例如温度一定）下，多数载流子的扩散运动逐渐减弱，而少数载流子的漂移运动则逐渐增强，最后两者达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本稳定下来，PN结就处于相对稳定的状态。,PN结的形成演示,空间电荷区（如上图所示），也就是PN结，又叫耗尽层。,P区,N区,空间电荷区,对于电场线的复习一、电场线：在电场中人为做出的表达电场的强弱和 方向的一系列假想曲线。二、电场线性质：A.假想的，不是真实的 B.起于正电荷（或无穷远）止于负电荷（或无穷远）C.电场线不相交不闭合。D.电场线的疏密表示电场的强弱。线上
5、某点的切线方向表示该点的电场方向三、对于均匀电场四、电场的叠加：遵从平行四边形定则,半导体器件,PN结的单向导电性,加正向电压时，空间电荷区变窄，PN结处于导通状态。,半导体器件,加反向电压时，空间电荷区变宽，PN结处于截止状态。,PN结的“正偏导通，反偏阻断”称为其单向导电性质，这正是PN结构成半导体器件的基础。,半导体器件,3.2半导体二极管,1.二极管的结构和类型,一个PN结加上相应的电极引线并用管壳封装起来，就构成了半导体二极管，简称二极管，接在P型半导体一侧的引出线称为阳极；接在N型半导体一侧的引出线称为阴极。半导体二极管按其结构不同可分为点接触型和面接触型两类。点接触型二极管PN结
6、面积很小，因而结电容小，适用于高频几百兆赫兹下工作，但不能通过很大的电流。主要应用于小电流的整流和高频时的检波、混频及脉冲数字电路中的开关元件等。面接触型二极管PN结面积大，因而能通过较大的电流，但其结电容也小，只适用于较低频率下的整流电路中。,半导体器件,看二极管的实物图,半导体器件,2、二极管的伏安特性,二极管的电路图符号如右图所示：,（1）正向特性,二极管外加正向电压较小时，外电场不足以克服内电场对多子扩散的阻力，PN结仍处于截止状态。,正向电压大于死区电压后，正向电流 随着正向电压增大迅速上升。通常死区电压硅管约为0.5V，锗管约为0.1V。,导通后二极管的正向压降变化不大，硅管约为0
7、.60.7V，锗管约为0.20.3V。温度上升，死区电压和正向压降均相应降低。,半导体器件,（2）反向特性,反向电压大于击穿电压时，反向电流急剧增加。,外加反向电压时，PN结处于截止状态，反向电流很小；,显然二极管的伏安特性不是直线，因此属于非线性电阻元件。,热击穿问题,普通二极管被击穿后，由于反向电流很大，一般都会造成“热击穿”，热击穿将使二极管永久性损坏。,半导体器件,3.二极管的主要参数,1）最大整流电流IFM：指管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。2）最高反向工作电压URM：二极管运行时允许承受的最高反向电压。3）反向电流IR：指管子未击穿时的反向电流，其值越小，则管子的单向导
8、电性越好。,二极管的应用举例,二极管应用范围很广，主要是利用它的单向导电性，常用于整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中用作开关元件等。,半导体器件,4.特殊二极管,稳压管 稳压二极管是一种特殊的面接触型二极 管，其实物图、图符号及伏安特性如图所示：,稳压管图符号,稳压管实物图,半导体器件,当反向电压加到某一数值时，反向电流剧增，管子进入反向击穿区。图中UZ稳压管的稳定电压值。,由图可见，稳压管特性和普通二极管类似，但其反向击穿是可逆的，不会发生“热击穿”，而且其反向击穿后的特性曲线比较陡直，即反向电压基本不随反向电流变化而变化，这就是稳压二极管的稳压特性。,稳压管的主要参数：（1）稳定电
9、压UZ：反向击穿后稳定工作的电压。（2）稳定电流IZ：工作电压等于稳定电压时的电流。,半导体器件,发光二极管,单个发光二极管实物,发光二极管图符号,发光二极管是一种能把电能直接转换成光能的固体发光元件，简称LED。发光二极管和普通二极管一样，管芯由PN结构成，具有单向导电性。正向导通时才能发光。发光的颜色有红、绿、黄等多种，其正向工作电压一般在1.53V允许通过的电流为220mA，电流的大小决定发光的亮度。左图所示为发光二极管的实物图和图符号。,半导体器件,光电二极管,光电二极管也称光敏二极管，是利用半导体光敏特性制造的光接受器件。和普通二极管一样，管芯由PN结构成，具有单向导电性。光电二极管
10、的管壳上有一个能射入光线的“窗口”，这个窗口用有机玻璃透镜进行封闭，入射光通过透镜正好射在管芯上。其反向电流与照度正正比，即没有光线照射时，反向电流很小，称为暗电流；有光线照射时，反向电流较大，称为光电流。,半导体器件,3.3晶体三极管,1、双极型晶体管的基本结构和类型,双极型晶体管是由两个背靠背、互有影响的PN结构成的。在工作过程中两种载流子都参与导电，所以全名称为双极结型晶体管。双极结型晶体管有三个引出电极，人们习惯上又称它为晶体三极管或简称晶体管。,从晶体管的外形可看出，其共同特征就是具有三个电极，这就是“三极管”简称的来历。,半导体器件,由两块N型半导体中间夹着一块P型半导体的管子称为
11、NPN管。还有一种与它成对偶形式的，即两块P型半导体中间夹着一块N型半导体的管子，称为PNP管。晶体管制造工艺上的特点是：发射区是高浓度掺杂区，基区很薄且杂质浓度底，集电结面积大。这样的结构才能保证晶体管具有电流放大作用。,三个极：发射极、集电极、基极三个区：发射区、集电区、基区两个结：发射结、集电结,半导体器件,晶体管的种类很多,按照频率分，有高频管、低频管；按照功率分，有小、中、大功率管；按用途不同分为放大管和开关管；按照半导体材料分，有硅管、锗管等等。晶体管的符号如图所示：,硅管热稳定性好，多数为NPN型；锗管受温度影响大，多数为PNP管。,半导体器件,2、三极管的电流放大作用,左图所示
12、为验证三极管电流放大作用的实验电路，这种电路接法称为共射电路。改变可调电阻RB，基极电流IB，集电极电流IC和发射极电流IE都会发生变化，由测量结果可得出以下结论：,1.IE IB IC（符合KCL定律）2.IC IB，为管子的静态流放大系数，用来表征三极管的电流放大能力；3.IC IB 为管子的动态电流放大系数,半导体器件,晶体管的电流放大原理：,1、发射区向基区扩散电子的过程：由于发射结处于正向偏置，发射区的多数载流子自由电子将不断扩散到基区，并不断从电源补充进电子，形成发射极电流IE。,2、电子在基区的扩散和复合过程：由于基区很薄，其多数载流子空穴浓度很低，所以从发射极扩散过来的电子只有
13、很少一部分和基区空穴复合，剩下的绝大部分都能扩散到集电结边缘。,3、集电区收集从发射区扩散过来的电子过程：由于集电结反向偏置，可将从发射区扩散到基区并到达集电区边缘的电子拉入集电区，从而形成较大的集电极电流IC。,实验表明：IC比IB大数十至数百倍，因而IB虽然很小，但对IC有控制作用，IC随IB的改变而改变，即基极电流较小的变化可以引起集电极电流较大的变化，表明基极电流对集电极电流具有小量控制大量的作用，这就是三极管的电流放大作用。,半导体器件,3、三极管的特性曲线,1输入特性曲线,晶体管的输入特性与二极管类似,输入特性曲线是指UCE为常数时，IB和UCE之间的关系曲线，即 IB=f(UBE
14、)/Uce=常数,半导体器件,2、输出特性曲线,（1）放大区：发射极正向偏置，集电结反向偏置,（2）截止区：发射结反向偏置，集电结反向偏置,（3）饱和区：发射结正向偏置，集电结正向偏置,iB0，uBE0，uCEuBE,半导体器件,4、三极管的主要参数,1、电流放大倍数：iC=iB2、极间反向电流iCBO、iCEO：iCEO=（1+）iCBO3、极限参数（1）集电极最大允许电流 ICM：下降到额定值的2/3时所允许的最大集电极电流。（2）反向击穿电压U（BR）CEO：基极开路时，集电极、发射极间的最大允许电压：基极开路时、集电极与发射极之间的最大允许电压。为保证晶体管安全工作，一般应取：（3）集
15、电极最大允许功耗PCM：晶体管的参数不超过允许值时，集电极所消耗的最大功率。,半导体器件,3.4 晶闸管,晶闸管原称可控硅，是一种较理想的大功率变流器件。,1、晶闸管的结构及符号,N1,A,K,G,A,K,G,晶闸管有三个电极：阳极A、阴极K、门极（控制极）G具有三个PN结。,半导体器件,2、晶闸管的导通条件和关断条件,N1,正向阻断状态：,反向阻断状态：,N1,导通状态：,N1,UG,K,晶闸管导通控制极将失去作用,半导体器件,晶闸管导通的条件：1、阳极A与阴极K之间施加正向电压 2、控制极G与阴极K之间施加正向触发 电压 晶闸管的关断条件：正向阳极电压降低到一定值使流过晶闸 管的电流小于维
16、持电流,要关断已经导通的晶闸管，可以把阳极电压切除或反向。,晶闸管导通时管压降一般在0.41.2V之间,半导体器件,3、晶闸管的主要参数,UTn 额定电压，由生产厂家确定。通常取UTn=（23）UTM,UF 晶闸管导通时的管压降的平均值，一般在0.41.2之间。,IT(AV)额定电流（通态平均电流），是指在规定的环境温度及散热 条件下允许通过的正弦半波电流的平均值。,以上三个参数是选购晶闸管的主要技术数据,半导体器件,思考,1、二极管的主要特性是（单向导电性），其主要参数有（最大整流电流IFM）、（最高反向工作电压URM）、（反向电流IR）。,2、二极管的两端加正向电压时，有一段死区电压，锗管约为（0.1V），硅管约为（0.5V）。,目录,The end,thank you!,
