电工电子技术第5章 半导体器件分解

电工电子技术讲授胡继志单位电子工程系电话42887150QQ45655773第五章半导体器件第五章半导体器件5.1半导体材料及PN结5.2半导体二极管及其应用5.3半导体三极管5.4场效应管第五章半导体器件5.1半导体材料及PN结5.1.1半导体材料及导电特性物质按其导电能力可以分为三类：导体、绝缘体和半导体。导体是指导电能力较强的物质，其电阻率ρ10-4Ω.m，金属一般都是导体，如银、铜、铝等。绝缘体是几乎不能导电的物质，其电阻率为ρ10-4Ω.m，如橡皮、塑料、陶瓷等。半导体是指导电能力介于导体和绝缘体之间的物质，如锗、硅、硒、砷化镓及一些金属的氧化物或硫化物。第五章半导体器件5.1半导体材料及PN结5.1.1半导体材料及导电特性半导体的导电性能由其热敏性、掺杂性和光敏性决定：(1)热敏性：半导体的导电能力随温度升高而迅速增强；(2)掺杂性：半导体的导电能力随所含的微量杂质而发生显著变化；(3)光敏性：半导体的导电能力随光照而发生显著变化；第五章半导体器件5.1.2本征半导体不含杂质且具有完美晶体结构的半导体称为本征半导体。锗和硅晶体是最常用的本征半导体，都是四价元素，即在其原子结构模型的最外层轨道上含有四个价电子。＋4第五章半导体器件5.1.2本征半导体半导体中存在两种载流子：带负电的自由电子和带正电的空穴。本征半导体中，自由电子与空穴是同时成对产生的，因此，它们的浓度是相等的。＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4自由电子空穴第五章半导体器件5.1.3杂质半导体在半导体中掺入微量杂质（如磷、硼等），其导电性能将发生显著变化。根据掺入杂质不同，杂质半导体分为N型半导体和P型半导体。图5-3N型半导体原子结构示意图+4+4+4+4+5+4+4+4+4自由电子磷原子图5-4P型半导体原子结构示意图+4+4+4+4+3+4+4+4+4空位硼原子第五章半导体器件5.1.4PN结及其单向导电性在一块本征半导体上，通过一定的掺杂工艺，使一边形成Ｐ型半导体，另一半形成Ｎ型半导体，在它们的交界处将形成一个特殊功能的薄层，称为PN结。PNPN耗尽层空间电荷区自建场(a)多数载流子的扩散运动(b)平衡时阻挡层的形成图5-5PN结的形成第五章半导体器件5.1.4PN结及其单向导电性PN结具有单向导电性：PN结加正向电压时，PN结导通，电路中有较大电流流过；PN结加反向电压时，PN结截止，电路中电流很。NP外电场(a)外加正向电压PN(b)外加反向电压内电场IF＋－R外电场内电场＋REE－IR图5-6PN结单向导电特性第五章半导体器件5.25.2.1二极管的结构半导体二极管是由PN结两端接上电极引线并用管壳封装构成的。第五章半导体器件根据不同的制造工艺，二极管的内部结构分为点接触型、面接触型和平面型三种，以适应不同用途的需要。5.2.2二极管的类型金属触丝阳极引线N型锗片阴极引线外壳(a)铝合金小球N型硅阳极引线PN结金锑合金底座阴极引线(b)（a）点接触型结构（b）面接触型结构（c）集成电路中的平面型结构图5-7半导体二极管的结构第五章半导体器件依据制作材料，二极管分为锗二极管和硅二极管。依据用途，二极管分为普通二极管、整流二极管、开关二极管和稳压二极管。普通二极管用于设备型号检测、取样、小电流整流等。整流二极管用于各种电源设备中不同功率的整流。开关二极管用于数字电路和控制电路。稳压二极管用于各种稳压电源和晶闸管电路。5.2.2二极管的类型第五章半导体器件5.2.3二极管的伏安特性图5-8二极管的伏安特性曲线u/V0i/mA102030－5－10－0.50.5+u--u+伏安特性：正向导通，反向截止。第五章半导体器件5.2.3二极管的伏安特性正向特性：正向导通正向电压低于某一数值时,正向电流很小,只有当正向电压高于某一值后,才有明显的正向电流。该电压称为导通电压,又称为门限电压或死区电压,用Uon表示。图5-8二极管的伏安特性曲线u/V0i/mA102030－5－10－0.50.5+u--u+第五章半导体器件5.2.3二极管的伏安特性正向特性：正向导通在室温下,硅管的Uon约为0.6～0.8V,锗管的Uon约为0.1～0.3V。当正向电压U＜Uon时,二极管截止；U＞Uon时,二极管导通。图5-8二极管的伏安特性曲线u/V0i/mA102030－5－10－0.50.5+u--u+第五章半导体器件5.2.3二极管的伏安特性反向特性：反向截止二极管加反向电压,反向电流数值很小,且基本不变,称反向饱和电流。硅管反向饱和电流为纳安(nA)数量级,锗管的为微安数量级。图5-8二极管的伏安特性曲线u/V0i/mA102030－5－10－0.50.5+u--u+第五章半导体器件5.2.3二极管的伏安特性反向特性：反向截止当反向电压加到一定值时,反向电流急剧增加,产生击穿。普通二极管反向击穿电压一般在几十伏以上(高反压管可达几千伏)。图5-8二极管的伏安特性曲线u/V0i/mA102030－5－10－0.50.5+u--u+第五章半导体器件5.2.4二极管的主要参数(1)最大整流电流：IF二极管长期使用时允许通过的最大正向平均电流。工作时应使平均工作电流小于IF,如超过IF,二极管将过热而烧毁。IF取决于PN结的面积、材料和散热情况。(2)最大反向工作电压UR二极管使用时允许承受的最大反向电压。当反向电压超过此值时,二极管可能被击穿。为了留有余地,通常取击穿电压的一半作为UR。第五章半导体器件5.2.4二极管的主要参数(3)反向电流：IRM二极管加最大反向电压工作时的反向电流值。IRM越小,二极管的单向导电性越好。由于反向电流是由少数载流子形成,所以IRM受温度的影响很大。(4)最高工作频率fM二极管正常工作的上限频率。fM的值主要取决于PN结结电容的大小,结电容越大,则fM越低。第五章半导体器件二极管的单向导电特性时二极管的运用基础。因此，在分析二极管电路时，关键是判断二极管的导通或截止。二极管导通时，二极管用电压源UD＝0.7V(硅管)或者电压源UD＝0.3V(锗管)来代替，也可以用短路线来代替。二极管截止时，将二极管断开，即认为二极管反向电阻为无穷大5.2.5二极管基本应用电路第五章半导体器件整流是指把交流电变为直流电。整流电路可用于信号检测，也是直流电源的一个组成部分。ttuo0ui0Vui＋－uo＋－RL(a)电路；(b)输入、输出波形关系图5-9二极管半波整流电路及波形1.二极管整流电路第五章半导体器件限幅电路也称为削波电路，是一种能把输入电压的变化范围加以限制的电路，常用于波形变换和整形。2.限幅电路(a)电路；(b)输入、输出波形关系图5-10二极管上限幅电路及波形tVui＋－uo＋－R(a)E2Vui/V0(b)5－5tuo/V0－52.7第五章半导体器件输出电压uo开始不变的电压阈值称为限幅电平。当输入电压高于限幅电平时，输出电压保持不变的限幅称为上限幅。2.限幅电路(a)电路；(b)输入、输出波形关系图5-10二极管上限幅电路及波形tVui＋－uo＋－R(a)E2Vui/V0(b)5－5tuo/V0－52.7第五章半导体器件输出电压uo开始不变的电压阈值称为限幅电平。当输入电压低于限幅电平时，输出电压保持不变的限幅称为下限幅。2.限幅电路VDui＋－uo＋－ER图5-11二极管下限幅电路第五章半导体器件3.二极管门电路UAUoVD1RUCCVD2VD3UBUC图5-12二极管“与”门电路第五章半导体器件5.2.6特殊二级管1.硅稳压二极管(b)U/VI/mAOUZ(a)IZminUZABIZmaxRUz＋－＋－Ui(c)（a）伏安特性曲线;（b）图形符号;（c）稳压管电路图5-13稳压管伏安特性、符号及稳压电路硅稳压二极管是半导体二极管中的一种，其正常工作在反向击穿区。在电路中它与适当的电阻配合，具有稳定电压的作用，故又称为稳压管。第五章半导体器件5.2.6特殊二级管2.发光二极管发光二极管是一种将电能转化成光能的半导体器件。当有正向电流通过时，发光二极管就会发光。＋－图5-14发光二极管符号第五章半导体器件5.2.6特殊二级管3.光电二极管光电二极管是一种将光信号转化成电信号的半导体器件。光电二极管的反向电流随光照强度的变化而变化。＋－图5-14光电二极管符号第五章半导体器件1.3半导体三极管半导体三极管又称晶体三极管（简称晶体管），是按照一定的工艺将两个PN结结合在一起的半导体器件，是电子线路的核心器件，具有电流放大作用。第五章半导体器件5.3.1半导体三极管的基本结构图5–15三极管的结构示意图和符号P集电极基极发射极集电结发射结发射区集电区(a)b基区ec(b)N＋衬底N型外延PN＋cebSiO2绝缘层集电结基区发射区发射结集电区(c)NNPNPcebNPNceb第五章半导体器件5.3.1半导体三极管的基本结构3AX813AX13DG43AD10(a)(b)(c)(d)图5-16几种半导体三极管的外形第五章半导体器件5.3.2半导体三极管的放大原理1.放大原理（1）发射。（2）扩散和复合。（3）收集。IBRbUBBeIENPNICRcUCCcb图5–17三极管中载流子的传输过程第五章半导体器件2.电流的分配关系IBRbUBBeIENPNICRcUCCcICnICBObIBn图5-18三极管电流分配CBCEIIII第五章半导体器件3.电流的放大IBRbUBBeIENPNICRcUCCcICnICBObIBn图5-18三极管电流分配BCIIBCII第五章半导体器件三极管电流关系的一组典型数据IB/mA-0.00100.010.020.030.040.05IC/mA0.0010.010.561.141.742.332.91IE/mA00.010.571.161.772.372.963.电流的放大BCII第五章半导体器件5.3.3半导体三极管的特性曲线AmAVVIBICUCCUBBRcRb＋－uBE＋－UCE＋－图5–19三极管共发射极特性曲线测试电路半导体三极管的特性曲线是指各电极电压与电流之间的关系曲线，它能直观全面反映三极管的好坏。第五章半导体器件1.输入特性当UCE不变时,基极电流IB与电压UCE之间的关系曲线称为输入特性，即常数CEUBEBUfI)(IB/mAUBE/V00.20.40.6UCE＝0VUCE＝2V图5-20三极管的输入特性5.3.3半导体三极管的特性曲线第五章半导体器件当IB不变时,集电极电流IB与电压UCE之间的关系曲线称为输出特性，即常数BICECUfI)(UCE/V5101501234饱和区截止区IB＝80A60A放大区IC/mA40A20A0A图5-21三极管的输出特性2.输出特性5.3.3半导体三极管的特性曲线第五章半导体器件5.3.4半导体三极管的主要参数(1)共发射极交流电流放大系数：反映共射极接法之下的电流放大作用。常数CEUBCII(2)共发射极直流电流放大系数：BCEOCIII当ICICEO时,β≈IC/IB。1.电流放大系数：，，，第五章半导体器件(3)共基极交流电流放大系数：体现共基极接法下的电流放大作用。ECII(4)共基极直流电流放大系数：在忽略反向饱和电流ICBO时,ECII5.3.4半导体三极管的主要参数1.电流放大系数第五章半导体器件2.极间反向电流A(a)ICBOICBOAICEO(b)ICEO5.3.4半导体三极管的主要参数第五章半导体器件3.极限参数(1)集电极最大允许电流ICMOIC5.3.4半导体三极管的主要参数第五章半导体器件3.极限参数(2)集电极最大允许功率损耗PCM5.3.4半导体三极管的主要参数IB＝0.2mA01020304050IC/mA102030UCE/V过流区0.81.00.60.4过压区过损耗区安全区工作区图5-22三极管的安全工作区第五章半导体器件(3)反向击穿电压：Ｕ(BR)CBO、Ｕ(BR)CEO、Ｕ(BR)EBOＵ(BR)CBO