4 常用半导体分立器件解析

中国石油大学电工电子教学中心下一页返回上一页目录电工电子学chapter4随机点名20.2.211第四章常用半导体分立器件Diode,Transistor半导体的基本知识与PN结半导体二极管及其应用电路双极型三极管绝缘栅型场效应管中国石油大学电工电子教学中心下一页返回上一页目录电工电子学chapter4随机点名20.2.212对于元器件，重点放在特性、参数、技术指标和正确使用方法，不要过分追究其内部机理。讨论器件的目的在于应用。学会用工程观点分析问题，即根据实际情况，对器件的数学模型和电路的工作条件进行合理的近似，以便用简便的分析方法获得具有实际意义的结果。对电路进行分析计算时，只要能满足技术指标，就不要过分追究精确的数值。器件是非线性的、特性有分散性、RC的值有误差、工程上允许一定的误差、采用合理估算的方法。学习要求：中国石油大学电工电子教学中心下一页返回上一页目录电工电子学chapter4随机点名320.2.214.1半导体的基本知识与PN结一、半导体的基本知识体积小、重量轻、寿命长、能耗低。1.半导体器件的特点2.物质的分类（按其导电能力的大小）导体如：金、银、铜、锡,电阻率,ρ10-4cm绝缘体如：橡胶、陶瓷、塑料、木制品等ρ1012cm半导体如：锗、硅、砷化镓，一些硫化物和氧化物（导电性能介于导体与绝缘体之间，受温度、光照和掺杂程度影响极大。）10-3cmρ109cm半导体（根据纯度的不同）可以分为本征半导体,杂质半导体中国石油大学电工电子教学中心下一页返回上一页目录电工电子学chapter4随机点名20.2.214半导体器件是构成电子线路的基本元件，所用的材料是经过特殊加工且性能可控的半导体材料。在大规模集成电路（LSI）和超大规模集成电路（VLSI）中主要使用硅（Si）和砷化镓（GaAs）材料。第一代半导体材料以Si，Ge为代表；第二代半导体以GaAs,InP为代表；，第三代半导体：III族氮化物半导体材料（GaN）硅谷、集成电路SiliconvalleyIntegratedcircuit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。中国石油大学电工电子教学中心下一页返回上一页目录电工电子学chapter4随机点名20.2.215+4+4+4+4+4+4+4+4+4纯净的、具有晶体结构的半导体。3.本征半导体284+14Si28184+32Ge4个价电子将硅或锗材料提纯并形成单晶体后，便形成共价键结构。晶体结构共价键价电子：最外层原子轨道上的电子。+4惯性核4.1半导体的基本知识与PN结中国石油大学电工电子教学中心下一页返回上一页目录电工电子学chapter4随机点名20.2.216共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。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(BondedElectron)，束缚电子很难脱离共价键成为自由电子(Free～)，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。在绝对零度（即T＝0）和无外界激发时，硅和锗晶体中由于没有传导电流的导电粒子存在，所以不能导电。+4+4+4+4+4+4+4+4+4中国石油大学电工电子教学中心下一页返回上一页目录电工电子学chapter4随机点名20.2.217本征激发－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(Hole)。因热运动产生自由电子空穴对的现象称本征激发（Excitation,又称热激发）。+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子空穴4.1半导体的基本知识与PN结中国石油大学电工电子教学中心下一页返回上一页目录电工电子学chapter4随机点名20.2.218两种载流子:能够导电的电荷称为载流子(currentorchargecarrier)。本征半导体中有数量相等的两种载流子：自由电子和空穴。空穴导电的实质是价电子依次填补空位的运动。+4+4+4+4+4+4+4+4+4中国石油大学电工电子教学中心下一页返回上一页目录电工电子学chapter4随机点名20.2.219本征浓度复合—自由电子和空穴在热运动中相遇而释放能量，电子空穴成对消失。自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。注意：(1)在常温下，本征半导体中载流子浓度:Si：ni=pi=1.5×1010/cm3，Ge：ni=pi=2.5×1013/cm3,与原子密度（约为1022/cm3量级）相比，是微不足道的（1/3.3×1012），故本征半导体的导电性很弱，不能直接用于制造半导体器件。(2)温度愈高，载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。4.1半导体的基本知识与PN结中国石油大学电工电子教学中心下一页返回上一页目录电工电子学chapter4随机点名20.2.2110半导体的导电特性：(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显改变(可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化(可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等)。热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强中国石油大学电工电子教学中心下一页返回上一页目录电工电子学chapter4随机点名20.2.21114.杂质半导体(Impurity~)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。即使得自由电子和空穴的数量差别极大，且其导电性能由杂质的类型和掺杂的数量支配，而不再取决于温度。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（p-type~orP-semiconductor空穴半导体）。4.1半导体的基本知识与PN结中国石油大学电工电子教学中心下一页返回上一页目录电工电子学chapter4随机点名20.2.2112N型半导体—掺入5价元素如砷（As）、磷（P）掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。SiSiSiSip+多余电子磷原子在常温下即可变为自由电子失去一个电子变为正离子在N型半导体中自由电子是多数载流子（多子,majoritycarrier），空穴是少数载流子（少子,minority～）。中国石油大学电工电子教学中心下一页返回上一页目录电工电子学chapter4随机点名20.2.2113掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或P型半导体。SiSiSiSi在P型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。B–硼原子接受一个电子变为负离子空穴无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。P型半导体—掺入3价原子如硼（B）、镓（Ga）4.1半导体的基本知识与PN结中国石油大学电工电子教学中心下一页返回上一页目录电工电子学chapter4随机点名20.2.2114杂质半导体的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体中国石油大学电工电子教学中心下一页返回上一页目录电工电子学chapter4随机点名20.2.2115二、PN结及其单向导电性1.半导体中的电流(1)扩散电流(diffusioncurrent)若半导体内载流子浓度分布不均匀（又称浓度差），因浓度差引起载流子的移动产生的电流称扩散电流。(2)漂移电流(drift～）在电场的作用下，因电场力引起载流子的移动产生的电流称漂移电流。1)基本概念4.1半导体的基本知识与PN结中国石油大学电工电子教学中心下一页返回上一页目录电工电子学chapter4随机点名20.2.2116在一块完整的硅片上，用不同的掺杂工艺使其一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体。（2）PN结形成的物理过程在两种半导体交界面，离子薄层形成的空间电荷区（space－chargeregion）称为PN结。在空间电荷区，由于缺少载流子所以也称耗尽层（depletionlayer)。浓度差多子的扩散运动空间电荷区内电场促使少子漂移阻止多子扩散动态平衡PN结中国石油大学电工电子教学中心下一页返回上一页目录电工电子学chapter4随机点名20.2.21171）PN结加正向电压时2.PN结的单向导电性*外加的正向电压削弱了内电场。*PN结变薄，扩散电流加大（正向电流较大，，正向电阻较小），漂移电流变小，从而产生正向电流(mA)。*PN结呈现低阻性，PN结处于导通状态。PN结加上正向电压、正向偏置的意思就是：P区加正、N区加负电压。4.1半导体的基本知识与PN结中国石油大学电工电子教学中心下一页返回上一页目录电工电子学chapter4随机点名20.2.21182）PN结加反向电压——P区加负、N区加正电压半导体的基本知识与PN结*外加的反向电压加强了内电场。*阻挡层增强，PN结变宽，阻碍多子扩散运动。*少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩散电流。*PN结呈现高阻性，PN结处于截止状态。温度一定时，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，几乎与所加反向电压的无关，也称为反向饱和电流(IS)。中国石油大学电工电子教学中心下一页返回上一页目录电工电子学chapter4随机点名20.2.2119PN结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。PN结的单向导电性PN结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。结论：PN结具有单向导电性。4.1半导体的基本知识与PN结中国石油大学电工电子教学中心下一页返回上一页目录电工电子学chapter4随机点名2020.2.214.2半导体二极管及其应用电路将PN结加上相应的电极引线和封装，就成为半导体二极管。与P区相连的电极称为阳极（用A表示；与N区相连的电极称为阴极（用K表示）一、半导体二极管+−iDuD1.电路符号A阳极K阴极中国石油大学电工电子教学中心下一页返回上一页目录电工电子学chapter4随机点名20.2.21213）平面型二极管2）面接触型二极管1）点接触型二极管结面积大，结电容大，用于工频大电流整流电路。PN结面积小，结电容小，正向电流小，用于检波和变频等高频路。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。半导体二极管及其应用电路2.二极管分类(结构)4.2半导体二极管及其应用电路中国石油大学电工电子教学中心下一页返回上一页目录电工电子学chapter4随机点名20.2.2122604020–0.02–0.0400.40.8–25–50I/mAU/V反向特性死区电压)1(eTsVuIiTesVvIi加正向电压，且uVT时,VT称为死区电压。硅管：VT≈0.5V，锗管：VT≈0.1V。导通时的正向压降硅管：0.6~0.7V，锗管：0.2~0.3V。正向特性1)正向特性2)反向特性当u＜0时，i=−Is（反向饱和电流，很小，几乎为零）。+−iDuD3.二极管伏安特性小功率硅管：＜1A小功率锗管：10~100A中国石油大学电工电子教学中心下一页返回上一页目录电工电子学chapter4随机点名20.2.2123当反向电压增大至U(BR)时，反向电流将突然增大。这种现象称为击穿，二极管失去单向导电性。3）反向击穿特性604020–0.02–0.0400.40.8–25–50I/mAU/V反向特性击穿电压U(BR)4.2半导体二极管及其应用电路中国石油大学电工电子教学中心下一页返回上一页目录电工电子学chapter4随机点名20.2.2124二极管的单向导电性1.二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负）时，二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。2.二极管加反向电压（