70半导体

电工学面向21世纪课程教材TextbookSeriesfor21stCentury电子技术(第五版)秦曾煌主编高等教育出版社下册HIHEREDUCATIONPRESS电子技术（第七版）（下册）第14章半导体器件半导体器件是现代电子技术的重要组成部分。半导体二极管和晶体管是最常用的半导体器件。PN结是构成各种半导体器件的共同基础。本章主要内容半导体的导电特性PN结的构成和导电机理二极管和稳压二极管双极型晶体管14·1半导体的导电特性物质根据其导电能力可分为：导体、半导体、绝缘体。半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。用半导体制成的器件统称为半导体器件。半导体的特殊性质：热敏特性、光敏特性、掺杂特性14·1·1本征半导体本征半导体就是完全纯净的、具有晶体结构的半导体，也称为晶体。常用的半导体材料是硅和锗，他们都是四价元素。硅Si(14)锗Ge(32)14·1·1本征半导体在本征半导体的晶体结构中，每个原子的最外层有四个价电子。每一原子的一个价电子与另每一原子的一个价电子组成一个电子对，称为共价键。在共价键结构中，每个原子最外层都具有八个电子而处于较为稳定的状态。在常温下，共价键中的价电子会受到外界能量激发，摆脱原子核的束缚成为自由电子(带正电)；在共价键中留下一个空位，称为空穴(带负电)）。Si共价键价电子SiSiSi空穴自由电子当半导体两端加上外电压时，半导体中将出现两部分电流：(1)摆脱了原子核束缚的自由电子作定向运动形成的电子电流；(2)仍被原子核束缚的价电子定向递补空穴形成的空穴电流。在半导体中同时存在着两种导电粒子：自由电子和空穴。自由电子和空穴都称为载流子。在本征半导体中，自由电子和空穴总是成对地出现、复合，在一定温度下维持一定数目，达到动态平衡。温度愈高，载流子数目愈多，导电性能愈好，所以温度对半导体器件性能的影响很大。自由电子和空穴的运动方向相反，所带电性也相反，但形成电流的方向是一致的。14·1·2N型半导体和P型半导体(杂质半导体)1.N型半导体(电子半导体)在本征半导体中掺入五价元素，如磷P(15)。杂质原子有五个价电子，它与相邻的四个原子结合形成共价键时，还剩余一个电子。P+SiSiSi多余电子这个多余电子不受共价键的约束，很容易挣脱原子核的束缚而成为自由电子。杂质原子提供自由电子本征激发产生空穴——多数载流子——少数载流子在本征半导体中，自由电子数目远远大于空穴数目，自由电子成为主要的导电方式。14·1·2N型半导体和P型半导体(杂质半导体)2.P型半导体(空穴半导体)在本征半导体中掺入三价元素，如硼P(5)。杂质原子有三个价电子，它与相邻的四个原子结合形成共价键时，因缺少一个电子而产生了一个空位。相邻原子中的价电子填补这个空位，在该相邻原子中便出现一个空穴。杂质原子提供空穴——多数载流子本征激发产生自由电子——少数载流子在本征半导体中，空穴数目远远大于自由电子数目，空穴成为主要的导电方式。P+SiSiSi空位空穴14·2PN结及其单向导电性P型半导体和N型半导体导电能力大大增强，但不能直接用来制造半导体器件。在一块本征半导体两边分别掺入三价和五价杂质，形成P半导体和N型半导体。在P型半导体和N型半导体的交界面上就会形成PN结。PN结是构成各种半导体器件的基础。PN14·2·1PN结的形成图中，○代表空穴；●代表自由电子；代表得到一个电子的三价杂质离子；代表失去一个电子的五价杂质离子。在P型半导体和N型半导体的交界面上，由于浓度的差别，P区的空穴要向N区扩散，并与N区的自由电子复合；N区的自由电子要向P区扩散，并与P区的空穴复合，于是在交界面两侧只留下了不能移动的正负离子，形成了一个空间电荷区，这个空间电荷区就是PN结。PN空穴自由电子空间电荷区内电场方向PN空间电荷区内没有载流子，电阻率很高。正负空间电荷在交界面两侧形成一个电场，称为内电场，其方向从带正电的N区指向带负电的P区。内电场阻碍多数载流子的扩散运动，加强少数载流子的漂移运动，最后扩散与漂移达到动态平衡。内电场PN少数载流子漂移运动方向多数载流子扩散运动方向14·2·2PN结的单向导电性1、在PN结上加正向电压(P接正，N接负)+-R内电场方向外电场方向PN变窄I由于外电场与内电场方向相反，使空间电荷区变窄，多数载流子的扩散运动增强，形成较大的扩散电流——正向电流，方向从P区到N区，此时PN结呈现的电阻很低，相当于接通。14·2·2PN结的单向导电性2、在PN结上加反向电压(P接负，N接正)由于外电场与内电场方向相同，使空间电荷区变宽，多数载流子的扩散运动中止，少数载流子的漂移运动加强，形成很小的漂移电流——反向电流，方向从N区到P区，此时PN结呈现的电阻很高，相当于断开。+-R内电场方向外电场方向PN变宽I014·3二极管14·3·1基本结构(c)图形符号D将PN结加上相应的电极引线和管壳就成为半导体二极管。(a)点接触型引线外壳触丝N型锗片(b)面接触型阳极引线铝合金小球PN结N型硅金锑合金底座阴极引线14·3·2伏安特性二极管的伏安特性曲线U=f(I)1.正向特性正向导通压降：硅管0.6~0.7V锗管0.2~0.3V死区电压：硅管0.5V锗管0.1V(2CP10硅二极管)U(V)0.400.85025I(mA)204060I(A)402080正向反向死区导通截止击穿②当外加正向电压小于死区电压时，二极管正向导通，正向电流迅速增长。①当外加正向电压小于死区电压时，二极管仍处于截止状态，正向电流很小。2.反向特性普通二极管不允许工作在反向击穿区！反向击穿电压U(BR)②当外加反向电压达到并超过击穿电压时，二极管反向击穿，反向电流迅速增大。①当外加反向电压小于击穿电压时，二极管反向截止，反向电流很小。反向电流IR：硅管0.1微安锗管几~几十微安14·3·3主要参数1.最大整流电流IOMIOM是指二极管长时间使用时，允许通过二极管的最大正向平均电流。若超过此值，管子的PN结将因过热而损坏。2.反向工作峰值电压URWMURWM是保证二极管不被反向击穿而给出的反向电压值，一般是反向击穿电压的一半或三分之二。3.反向峰值电流IRMIRM是指二极管加上反向工作峰值电压时的反向电流值，也就是二极管的反向饱和电流。该值越小，二极管的单向导电性越好。二极管具有单向导电性，在实际中可用于整流、检波、限幅、箝位、元件保护等。[例题]设D为理想二极管当ui0时，D导通，uo=ui当ui0时，D截止，uo=0uitotuoo已知ui=10sintV，二极管的正向导通压降可忽略不计。试画出输出电压uo的波形。DRuiuo[例题]已知ui=10sintV，二极管的正向导通压降可忽略不计。试画出输出电压uo的波形。RD5Vuiuo设D为理想二极管ui5V，D导通，uo=5Vui5V，D截止，uo=ui5uo(V)to510ui(V)to[例题]图中，输入端A点电位VA=3V，B点电位VB=0V，求输出端Y的电位VY。(设二极管的导通压降为0.3V。)DA优先导通，导通压降0.3V；DB截止，将0V电位点断开；VY=3-0.3=2.7V+3V0VRDAY-12VDB14·4稳压二极管稳压管的伏安特性曲线与普通二极管类似，稳压管工作于反向击区。图形符号DZ+-正向反向-+UZU(V)I(mA)oU(BR)UZIZ稳压管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管，它在电路中与适当数值的电阻配合后能起到稳定电压的作用。稳压管反向击穿时，反向电流增长很快，但稳压管两端的电压变化很小。稳压管上加正向和反向电压时，相当于普通二极管。14·4稳压二极管+-正向反向-+UZU(V)I(mA)oU(BR)UZIZ稳压管的主要参数(4)最大稳定电流IZM稳压管稳压时允许通过的最大电流。(5)最大允许耗散功率PZM稳压管不致发生热击穿的最大功率损耗，PZM=UZIZM。(1)稳定电压UZ稳压管在正常工作状态下管子两端的电压，数值上约等于反向击穿电压U(BR)。(2)动态电阻rZ稳压管端电压的变化量与相应的电流变化量的比值，即rZ=UZ/IZ(3)稳定电流IZ稳压管能够稳压的电流值。IZIZM[例题]已知ui=10sintV，稳压管的稳压值为UZ=8V，正向压降可忽略不计。试画出输出电压uo的波形。ui5V,DZ正向导通,uo=5V;3Vui5V,DZ反向截止,uo=ui;ui3V,DZ反向击穿,uo=3V;uo(V)to535-310ui(V)toRDZ5Vuiuo14·5双极型晶体管双极型晶体管简称晶体管或三极管，是最重要的一种半导体器件。14·5·1基本结构二氧化硅保护膜ECBN型硅N型硅P型硅(a)平面型发射区小，掺杂浓度高；基区薄，掺杂浓度低；集电区大，掺杂浓度适中。(b)合金型铟球铟球N型锗BECPP14·5·1基本结构NPN型NPN基极B发射结集电结发射极E集电极C基区发射区集电区PNP型PNP基极B发射结集电结发射极E集电极C基区发射区集电区BECTNPNBECBECTPNPBEC14·5·2电流分配和放大原理实验数据IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.100.0010.701.502.303.103.950.0010.721.542.363.184.05实验电路BECTAmAmAEBIBICIERBEC实验结论(1)IE=IC+IB，符合基尔霍夫电流定律；(2)ICIB，基极电流的少量变化IB可以引起集电极电流较大的变化IC，这就是晶体管的电流放大作用；(3)IB=0时，IC=ICEO0；(4)要使晶体管起到放大作用，必须做到发射结正向偏置集电结反相偏置晶体管内部载流子运动规律1.发射区向基区扩散电子由于发射结处于正向偏置，发射区的多数载流子自由电子不断扩散到基区，并不断从电源补充进电子，形成发射极电流IE。NPNCBERBEBEC+-+-NPNCBERBEBECIEICEIBEICBOIBIC+-+-2.电子在基扩散和复合自由电子在基区继续扩散，其中极少电子与基区的多数载流子空穴复合，基极电源EB不断从基极拉走电子补充基区中被复合掉的空穴，形成电流IBE；而绝大多数电子都扩散到集电结的边缘。3.集电区收集从发射区扩散过来的电子由于集电结反向偏置，阻挡集电区的自由电子向基区扩散，但可以将从发射区扩散到基区并到达集电区边缘的自由电子拉入集电区，从而形成电流ICE。在内电场的作用下，集电区的少数载流子和基区的少数载流子将发生漂移运动，形成电流ICBO。于是：IE=IBE+ICEIB=IBE-ICBOIC=ICE+ICBO所以：IE=IC+IB并且：ICIB14·5·2电流分配和放大原理晶体管放大的外部条件：发射结正向偏置；集电结反向偏置；NPN型VCVBVEIBICIEBECTUBEUCEUBCPNP型VCVBVEIBICIEBECTUCEUBCUBE14·5·3特性曲线晶体管的特性曲线反映了晶体管各电极电压和电流之间的相互关系，是分析放大电路的重要依据。最常用的是共发射极接法时的输入特性曲线和输出特性曲线。这些曲线可以用晶体管特性图示仪直观地显示出来，也可以通过实验电路进行测绘。BECTAmAEBIBICRBECV+UCE-V+UBE-3DG614·5·3特性曲线输入特性曲线是指当集-射极电压UCE为常数时，输入电路中基极电流IB与基-射极电压UBE之间的关系曲线:IB=f(UBE)|UCE=常数1.输入特性曲线死区电压硅UBE0.5V锗UBE0.1V发射结导通压降硅UBE0.6~0.7V锗UBE0.2~0.3V输入特性曲线是一族曲线，UCE1V后的输入特性曲线基本上是重合的。204060800.40.80IB(A)UBE(V)UCE1V死区在输入特性曲线上也有一段死区，只有在发射结外加电压大于死区电压时，才会出现IB。14·5·3特性曲线输出特性曲线是指当基极电流IB为常数