1-半导体基础知识(修改)

第二章常用半导体器件第二章常用半导体器件§2.1半导体基础知识§2.2半导体二极管§2.3晶体三极管§2.4场效应管§2.1半导体基础知识一、本征半导体二、杂质半导体三、PN结一、本征半导体导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。1、什么是半导体？什么是本征半导体？导体－－铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。绝缘体－－惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。半导体－－硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。无杂质稳定的结构半导体的导电特性：(1)热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强。(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。(2)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、光电池等)。(3)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)。最常用的半导体是硅(Si)和锗(Ge)。晶体中原子的排列方式硅单晶中的共价健结构共价健SiSiSiSi价电子Si284Ge281842、本征半导体的结构和常见的两种载流子本征半导体的导电机理：SiSiSiSi价电子空穴自由电子在常温下，由于热激发(温度升高或受光照)——本征激发带负电带正电载流子自由电子空穴温度越高，晶体中产生的的自由电子越多。当本征半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流：(1)自由电子作定向运动电子电流(2)价电子递补空穴空穴电流(2)本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很弱。注意：(1)本征半导体中存在数量相同的载流子。自由电子和空穴成对产生，又不断复合，在一定温度下，达到动态平衡。(3)温度愈高，载流子的数目愈多,半导体的导电性能也愈好。——温度对半导体器件性能影响很大。二、杂质半导体SiSiSiSip+多余电子磷原子失去一个电子变为正离子在常温下即可变为自由电子1.N型半导体在N型半导体中，自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。——掺入五价元素，如磷元素(又称电子半导体)P2852.P型半导体——掺入三价元素，如硼元素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–硼原子得到一个电子变为负离子空穴注意：无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。(又称空穴半导体)B23杂质半导体的示意图++++++++++++N型半导体–––P型半导体–––––––––代表失去一个电子的五价杂质离子代表得到一个电子的三价杂质离子P型半导体––––––––––––++++++++++++N型半导体三、PN结及其单向导电性1.PN结的形成浓度差多子的扩散运动––––––––––––++++++++++++形成空间电荷区内电场少子的漂移运动空间电荷区变宽空间电荷区变窄扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。空间电荷区也称PN结、耗尽层、阻挡层。2.PN结的单向导电性（1）PN结加正向电压（正向偏置）P接正、N接负+–R––––––––––––++++++++++++PN内电场外电场变窄内电场被削弱，多子的扩散运动加强，形成较大的扩散电流。IF结论：PN结加正向电压时，PN结变窄，正向电阻较小，正向电流较大，PN结处于导通状态。（2）PN结加反向电压（反向偏置）P接负、N接正–+R––––––––––––++++++++++++PN内电场外电场变宽内电场被加强，少子的漂移运动加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。IR结论：PN结加反向电压时，PN结变宽，反向电阻很大，反向电流很小，PN结处于截止状态。温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。练习题：1.在杂质半导体中多子的数量与（a.掺杂浓度、b.温度）有关。2.在杂质半导体中少子的数量与（a.掺杂浓度、b.温度）有关。3.当温度升高时，少子的数量（a.减少、b.不变、c.增多）。abc4.在外加电压的作用下，P型半导体中的电流主要是，N型半导体中的电流主要是。（a.电子电流、b.空穴电流）ba§2.2半导体二极管一、半导体二极管的结构二、半导体二极管的伏安特性三、半导体二极管的主要参数四、半导体二极管的等效电路五、稳压二极管一、半导体二极管的结构将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。小功率二极管大功率二极管稳压二极管发光二极管一、半导体二极管的结构点接触型：结面积小，结电容小，故结允许的电流小，最高工作频率高。面接触型：结面积大，结电容大，故结允许的电流大，最高工作频率低。平面型：结面积可小、可大，小的工作频率高，大的结允许的电流大。二、半导体二极管的伏安特性材料开启电压导通电压反向饱和电流硅Si0.5V0.6~0.7V1µA以下锗Ge0.1V0.2~0.3V几十µA)(ufi开启电压反向饱和电流击穿电压TST(e1)(26mV)uViIV常温下温度的电压当量二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。死区电压UTUON导通压降从二极管的伏安特性可以反映出：1.单向导电性TTSeuVuViI若正向电压，则TS(e1)uViI2.伏安特性受温度影响T（℃）↑→在电流不变情况下管压降u↓→反向饱和电流IS↑，U(BR)↓T（℃）↑→正向特性左移，反向特性下移正向特性为指数曲线反向特性为横轴的平行线增大1倍/10℃TSuViI若反向电压，则三、半导体二极管的主要参数1.最大整流电流IF二极管长时间工作时允许通过的最大正向平均电流。2.反向击穿电压UBR二极管反向击穿时的电压值。一般手册上给出的最高工作电压约为击穿电压的一半。3.反向电流IR二极管未击穿时的反向电流。其值大，说明二极管的单向导电性差。四、半导体二极管的等效电路理想二极管近似分析中最常用理想开关导通时UD＝0截止时IS＝0导通时UD＝Uon截止时IS＝0导通时△i与△u成线性关系将伏安特性折线化P20-21例2.1练习题：电路如图所示，二极管为理想二极管。求：UAB。A18kB–12V6k50k50k五、稳压二极管1.伏安特性进入稳压区的最小电流不至于损坏的最大电流由一个PN结组成，反向击穿后在一定的电流范围内端电压基本不变，为稳定电压。2.主要参数稳定电压UZ、稳定电流IZ、最大稳定电流IZM最大功耗PZM＝IZMUZ动态电阻rz＝ΔUZ/ΔIZ若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流太大则会因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必需有限制稳压管电流的限流电阻！P22例题限流电阻例1:R阻值合适。ZM3ZmA5106.11220II求通过稳压管的电流IZ。R是限流电阻，其值是否合适？若计算出来IZIZM,则应增大R的阻值。+20VIZUZ=12VIZM=18mAR=1.6kV解:例2如图所示电路，已知Ui=20V，R=1k，RL=2k，稳压管的UZ=10V，IZM=8mA。求电流IR、IZ和IL。UiRRL+IRIZILmA5210LZLRUI解:mA10k11020ZiRRUUImA5510LRZIII§2.3晶体三极管一、晶体三极管的结构和类型二、晶体三极管的电流放大作用三、晶体三极管的共射特性曲线四、晶体三极管的主要参数一、晶体三极管的结构和类型小功率管中功率管大功率管为什么有孔？NNP基极发射极集电极NPN型BECBECPNP型PPN基极发射极集电极符号：NPN型三极管PNP型三极管BECBEC类型：发射极箭头表示：当发射结正偏时，电流的流向。结构特点：以NPN型为例基区：最薄，掺杂浓度最低发射区：掺杂浓度最高发射结集电结BECNNP基极发射极集电极集电区：面积最大多子浓度高多子浓度很低，且很薄面积大晶体三极管有三个极、三个区、两个PN结。二、晶体三极管的电流放大作用1.三极管实现放大的条件1）内部结构要求2）外部条件第一：发射区要进行高浓度掺杂；第二：基区要很薄，而且掺杂浓度要低；第三：集电区和发射区是同类型杂质半导体，集电区掺杂浓度低于发射区，面积大于发射区。BEonCBCEBE0uUuuu（发射结正偏）放大的外部条件，即（集电结反偏）发射结正偏、集电结反偏NNPEBRBECRCBECECEB从电位的角度看：NPN管PNP管发射结正偏集电结反偏电位关系VBVEVCVBVCVBVE集电极电位最高VBVEVCVBVCVBVE发射极电位最高扩散运动形成发射极电流IE，复合运动形成基极电流IB，漂移运动形成集电极电流IC。少数载流子的运动因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区因基区薄且多子浓度低，使极少数扩散到基区的电子与空穴复合因集电区面积大，在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区基区空穴的扩散2.三极管内部载流子的运动过程•电流分配：IE＝IB＋ICIE－扩散运动形成的电流IB－复合运动形成的电流IC－漂移运动形成的电流CCBBCBECBB=()=()=+=(1)IiIiIIIIII直流电流放大系数交流电流放大系数变换后或三、晶体三极管的共射特性曲线CE)(BEBUufi为什么UCE增大曲线右移？对于小功率晶体管，UCE大于1V的一条输入特性曲线可以取代UCE大于1V的所有输入特性曲线。为什么像PN结的伏安特性？为什么UCE增大到一定值曲线右移就不明显了？1.输入特性2.输出特性B)(CECIufi对应于一个IB就有一条iC随uCE变化的曲线。为什么uCE较小时iC随uCE变化很大？为什么进入放大状态曲线几乎是横轴的平行线？饱和区放大区截止区BiCi常量CEBCUii四、晶体三极管的主要参数•直流参数：、、ICBO、ICEOc-e间击穿电压最大集电极电流最大集电极耗散功率，PCM＝iCuCE安全工作区•交流参数：β（使β＝1的信号频率）•极限参数：ICM、PCM、U（BR）CEO例1:放大电路中三极管3个电极的电位为下列各组数据，试确定各点为对应的电极和三极管的类型。（是PNP管还是NPN管，是硅管还是锗管？）（1）5V，1.2V，0.5V（1）6V，5.8V，1V(1)UBE=0.7V硅管，NPN型VC=5V，VB=1.2V，VE=0.5V解:*一般先设法确定B、E极，再确定C极。(2)UBE=0.2V锗管，PNP型VC=1V，VB=5.8V，VE=6V§2.4场效应管一、结型场效应管二、绝缘栅型场效应管场效应管：一种载流子参与导电，利用输入回路的电压来控制输出回路电流的三极管，又称单极型三极管。场效应管分类结型场效应管绝缘栅场效应管特点单极型器件(一种载流子导电)；输入电阻高（107~1012）；功耗及噪声低、抗干扰能力强、制造工艺简单。N沟道P沟道增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道（耗尽型）FET场效应管JFET结型MOSFET绝缘栅型(IGFET)场效应管分类：DSGN符号一、结型场效应管结构图N沟道结型场效应管结构图N型沟道N型硅棒栅极源极漏极P+P+P型区耗尽层(PN结)在漏极和源极之间加上一个正向电压，N型半导体中多数载流子电子可以导电。导电沟道是N型的，称N沟道结型场效应管。JunctionFieldEffectTransistor1.结型场效应管的基本结构P沟道场效应管P沟道结型场效应管结构图N+N+P型沟道GSDP沟道场效应管是在P型硅棒的两侧做成高掺杂的N型区(N+)，导电沟道为P型，多数载流子为空穴。符号GDS2.结型场效应管的工作原理N沟道结型场效应管用改变UGS大小来控制漏极电流ID的。GDSNN型沟道栅极源极漏极P+P+耗尽层*在栅极和源极之间加反向电压，耗尽层会变宽，导电沟道宽度减小，使沟道本身的电阻值增大，漏极电流ID减小，反之，漏极ID电流将增加。*耗尽层的宽度改变主要在沟道区。1）当UDS=0时，uGS对导电沟道的控制作用ID=0G